Fahrzeugbeleuchtung Optik

Transkript

1 Fahrzeugbeleuchtung Optik Karsten Köth Stand:

2 Lichttechnische Optik Berücksichtigt Gesetzmäßigkeiten aus: Wellenoptik Quantenoptik Geometrische Optik Optik Grundlagen zum Bau von Leuchten und Scheinwerfern

3 Grundlagen der Optik Beschreibung von Lichtausbreitung Detektor Teilchen Wechselwirkung mit Materie Umwandlung mit Wärmeerzeugung... Geometrische Optik (Strahlenoptik) Lichtverteilungen Reflektoren Abbildende Systeme... Wellenoptik Spektrale Eigenschaften Beugung Interferenz...

4 Wellenausbreitung - Energiefluss S = E H Poynting-Vektor: Zeigt in Richtung der Ausbreitungsrichtung E S H Licht ist eine transversale Welle. E (elektrisches Feld) und H (magnetisches Feld) sind senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.

5 Energieerhaltung Absorption Reflexion Transmission 1 = Absorptionsgrad + Reflexionsgrad + Transmissionsgrad

6 Transmission, Reflexion, Streuung [Quelle: Handbuch der Beleuchtung]

7 Absorption Die elektromagnetische Welle findet in einem Material Dinge, die je nach Frequenz zum Mitschwingen gebracht werden können. Bei Resonanz im Material kommt es zur Absorption.

8 Absorption bei polarisiertem Licht E y E E x E x Normales Licht (z.b.: von Glühlampen oder Leuchtstofflampen) ist unpolarisiert.

9 Absorption im Medium Intensitätsprofil in einem absorbierenden Medium I( x) = 0 I e α x Absorption erzeugt Verluste Licht wird in Wärme umgewandelt

10 Reflexion!! 1 2 Spiegel Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel Kann zur Abbildung eingesetzt werden Kann als Reflektor eingesetzt werden

11 Spiegelbild P x Spiegel P' x

12 Reflexionsgrad - Spektral Spektrales Reflexionsverhalten unterschiedlicher farbiger Beschichtungen Reflexionsgrad Wellenlänge λ [nm]

13 Lichtausbreitung Im optisch homogenen Medium Geradlinig Übergang zwischen unterschiedlichen optischen Medien Änderung der Richtung [Bild: Gall, Kompendium]

14 Licht: Frequenz oder Wellenlänge c = λ ν Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (Luft) unterschiedlich zu Lichtgeschwindigkeit im Medium x Lichtgeschwindigkeit = Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium Frequenz bleibt konstant Wellenlänge ändert sich Kennzahl, die Änderung der Lichtgeschwindigkeit beschreibt: Brechzahl n x : Brechzahl c 0 : Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (Luft) c x : Lichtgeschwindigkeit im Medium x

15 Brechungsgesetz Allgemein Grenzfläche sinγ 2 = n 1 n 2 sinγ 1 Grenzwinkel n 1 sinγ 1 = n 2 sinγ 2 = n 2 sin90 = n 2

16 Brechung am Prisma Weißes Licht Farbiges Licht Kurze Wellenlängen (blauer) werden stärker gebrochen. Das Licht wird im dichteren Medium zum Lot hin gebrochen.

17 Brechzahl - Beispielwerte Früher: Brechungsindex Material Brechzahl Vakuum 1,0 Luft 1,0003 Wasser 1,333 Eis 1,310 Glas 1,4... 1,9 Quarzglas 1,459 Diamant 2,417 [Quelle: Stöcker, Taschenbuch der Physik]

18 Totalreflexion Grenzwinkel sinα g = n 2 n 1 Luft n 2 = 1,000 Wasser n 1 = 1,333 α g Beispiel Luft n = 1,000 Wasser n = 1,333 Wasser zu Luft n 1 = 1,333 n 2 = 1,000 α g = 48,6 Luft zu Wasser n 1 = 1,000 n 2 = 1,333 α g = -

19 Reflexionsgrad und Brechzahl Reflexionsgrad bei senkrechtem Auftreffen auf eine Grenzfläche ρ( α = 0 ) = n 2 n 2 1 n + n 2 1 Grenzfläche zwischen Luft (n = 1,0) und Glas (n = 1,5) ρ = 0,04 = 4% (richtungsunabhängig) Verlust bei Durchgang durch Glas: Ca. 8%

20 Brechung an planparalleler Platte d! 1! 2 n 1 n > n 2 1! 1 n 1

21 Stoffkennzahlen Reflexions- und Transmissionsgrad Reflexionsgrad ρ = reflektierter Lichtstrom auftreffender Lichtstrom = Φ r Φ 0 Transmissionsgrad τ = transmittierter Lichtstrom auftreffender Lichtstrom = Φ t Φ 0 Absorptionsgrad α = 1 τ ρ Da Energieerhaltung gilt: 1= α + τ + ρ

22 Transmission (optisch klar) Bouguer-Lambert-Gesetz τ : Transmissionsgrad a n : Natürlicher Absorptionskoeffizient [cm -1 ] d : Dicke der absorbierenden Schicht Gesamttransmissionsgrad τ ges für mehrere optisch klare Filter hintereinander:

23 Dispersion n = n( λ) [Quelle: Physik, Gerthsen]

24 Dispersion - Chromatische Aberration Strahlung

25 Chromatische Aberration - Achromaten Chromatische Abberration Konkavlinse Chromatische Abberration Konvexlinse Achromat [Quelle: Bergmann-Schaefer, Optik]

26 Gauß-Optik Abbildungsgesetze näherungsweise behandeln Brechungsgesetz n 1 sinγ 1 = n 2 sinγ 2 Gauss-Optik n 1 γ 1 = n 2 γ 2 n = sinγ = tanγ

27 Lichtlenkungssysteme Lochblenden Paraboloide Ellipsoide Projektionssysteme Frei-Form-Flächen Lichtleiter Pixel Light (diskrete Verteilung)

28 Abbildung Lochkamera G b g B G: Gegenstandsgröße g: Gegenstandsweite B: Bildgröße b: Bildweite

29 Optiken auf der Basis der Reflexion - Hohlspiegel r M F optische Achse f = r/2 r r r/2 r/2 Licht aus dem Brennpunkt (f) wird achsparallel abgestrahlt.

30 Hohlspiegel - Vergrößerung F: Fokus, Brennpunkt f: Brennweite Näherungsweise: = g b f

31 Linse Eine Linse lässt sich durch eine Reihe von Prismen darstellen f Abbildungsfehler durch chromatische und sphärische Aberration

32 Optische Abbildungen mit dünnen Linsen

33 Verschiedene Linsenformen Sammellinsen Zerstreuungslinsen

34 Stufenlinsen Große Linsen lassen sich durch Stufenlinsen wesentlich kompakter aufbauen

35 Leuchtfeuer D: Dioptriche Elemente = Lichtbrechung K: Katadioptriche Elemente = Brechung und Reflexion

36 Optisches System

37 Motivation Braucht man Optik für Signalleuchten?

38 Typische Lichtquellen Typ P21/4W Superflux Luxeon Leistung 4 W 0,2 W 1 W Lichtstrom 15 lm 3,5 lm 44 lm Wirkungsgrad 3,75 lm/w 17,5 lm/w 44 lm/w [Bild P21/4W: Osram Internet-Katalog] [Bilder LEDs: Datenblätter Firma Lumileds]

39 Farborte von Lichtsignalen Rotbereich: ca nm [Aus: Eckert, Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im Straßenverkehr]

40 Spektrum einer roten Signallampe 1,0 0,9 0,8 0,7 Intensität [rel.] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Wellenlänge [nm] Glühlampe Rotfilter Kombiniert

41 Lichtströme roter Lichtquellen Typ P21/4W mit Rotfilter Superflux Luxeon Leistung 4 W 0,2 W 1 W Lichtstrom 2,5 lm 3,5 lm 44 lm Wirkungsgrad 0,6 lm/w 17,5 lm/w 44 lm/w [Bild P21/4W: Osram Internet-Katalog] [Bilder LEDs: Datenblätter Firma Lumileds]

42 Verfügbare Lichtstärke einer Glühlampe Glühlampe: Abstrahlung in Halbraum (2π) I = Φ 2π I = 2,5 lm / 2π I = 0,4 cd Gesetzlicher Wertebereich für Schlussleuchten: I = 4 cd cd

43 Lichtstärkeverteilung Lichtverteilung von Rückleuchten Laut ECE-Regelung 7

44 Minimaler Lichtstrom Lichtverteilung von Rückleuchten Laut ECE-Regelung 7 4 cd 0,54 lm Lichtverteilung von Bremsleuchten Laut ECE-Regelung 7 60 cd 5,94 lm 100 % optischem Wirkungsgrad der Leuchte

45 Lichtstreuung in Leuchten [Aus: Datenblatt an1149-5a Secondary Optics Design Considerations for Super Flux LEDs, Firma Lumileds]

46 Lichtlenkung in einer LED [Aus: Datenblatt an1149-5a Secondary Optics Design Considerations for Super Flux LEDs, Firma Lumileds]

47 Lichtlenkung in Leuchten [Aus: Datenblatt an1149-5a Secondary Optics Design Considerations for Super Flux LEDs, Firma Lumileds]

48 Reflektorgeometrie Z r F X f 2f [Aus: Datenblatt an1149-5a Secondary Optics Design Considerations for Super Flux LEDs, Firma Lumileds]

49 Vereinfachungen Parabolreflektor durch zwei Geraden angenähert [Aus: Datenblatt an1149-5a Secondary Optics Design Considerations for Super Flux LEDs, Firma Lumileds]

50 Literaturangaben Zugelassene Lichtquellen im Automobil: ECE-R 37, Glühlampen Schluss- und Bremsleuchten im Automobil: ECE-R 7 Daten Superflux: Technical Datasheet DS05, Lumileds Daten Luxeon: Technical Datasheet DS25, Lumileds Optik, Haferkorn 1980 Lehrbuch der Experimentalphysik, Band III Optik Bergmann Schaefer