Automobile Licht- und Displaytechnik

Transkript

1 Lichttechnisches Institut Automobile Licht- und Displaytechnik von Prof. Uli Lemmer Dr. Karl Manz Dr. Dieter Kooß Dipl.-Ing. Karsten Klinger Wintersemester 2004/2005

2 Inhalt Mo Lichtbeschreibung Mo Aufnahme visueller Information (Teil 1) Das Auge Mo Gastvortrag: Wallaschek Mo Lichtmesstechnik Mo Regelwerke, Licht und Farbe Mo Psychophysik Mo Visuelles System Mo Lichtquellen und Leuchten Mo Lichtlenkung und Scheinwerfer Mo Adaptive Scheinwerfer, CAN-Bus Mo Anzeigeinstrumente, Displays Mo Fahrerassistenzsysteme, Nachtsicht

3 Letzte Woche: Methoden der Lichtbeschreibung Wellenoptik Licht ist eine elektromagnetische Welle Quantenoptik Licht ist ein Teilchen Strahlenoptik Licht ist ein unendlich dünner Strahl Lichttechnische Optik

4 Letzte Woche: Raumwinkel Von Radiant zu Steradiant: 2π Räumlich: A K Ω = Ak Ak sr(steradiant) 2 2 r = r Ω Voller Raumwinkel: Halbraum: 0 Planar: Winkel im Bogenmaß Ω = 4π sr Ω = 2π sr α = b b rad r (Radiant) Voller Kreisbogen 2π differentiell: dω = da k 2 r Ω 0

5 Strahlungsfluß Strahlungsfluß von der Fläche A 1 zur Fläche A 2 : φ = LdAcosε dω e12 e Ω A 1 1 Strahlungsfluß φ e Index e wie energetisch [φ e ] = Watt (W) Strahldichte L e L e = d 2 φ e dacosεdω Die Strahldichte ist ein Maß für die Strahlung, die von einer Fläche abgegeben wird. Das lichttechnische Pendant zur Strahldichte ist die Leuchtdichte.

6 Radiometrie vs. Photometrie Strahlungsphysikalische Lichttechnische (Photometrische) Größen (Radiometrische) Wieviele Photonen? Wieviel Energie? Wieviel Licht? Wie hell? Sichtbar Radiowellen Mikrowellen THz Infrarot Ultraviolett Röntgen Frequenz (Hz) Licht: em. Strahlung zwischen 380 nm und 780 nm

7 Radiometrie vs. Photometrie Die Automobiltechnik erfordert eine Auseinandersetzung mit beiden Aspekten der Strahlungsbewertung: der Detektor entscheidet über die Bewertung der Strahlung: - wenn die Information an den Fahrer geht, dann ist dies das menschliche Auge Abb.: Erkennen eines Verkehrschildes bei Nacht -ansonsten ist dies der Detektor des Sensorsystems Abb.: Schema eines IR-Sensors für das ACC (Adaptive Cruise Control)

8 Photometrie Die besonderen Eigenschaften des Auges und des visuellen Systems schaffen Anforderungen an Produkte der automobilen Licht- und Displaytechnik, die nicht allein mit den üblichen Begriffen der Beschreibung elektromagnetischer Strahlung (z.b. der in W/m 2 angegebene Strahlungsfluss) beschrieben werden können.

9 Pupille: variable Eintrittsblende Netzhaut: Bildfläche Linse: Brechkraft kann durch Ziliarmuskeln feinjustiert werden Brechkraft: D = 1 f ' -1 Variabel zwischen 60-70m (Dioptrien, dpt) (davon 43 beim Eintritt durch Hornhaut) f ' 1,4 1,6 cm Brechkraftanpassung erfolgt durch Akkommodation

10 Brechkraftanpassung Ein Fahrer muß ständig akkommodieren, z.b. beim Wechsel des Blickes von der Straße auf die Instrumente. Die Fähigkeit zum Akkommodieren nimmt mit dem Alter stark ab. Eine zentrale Motivation für Head-up-displays ist, dass der Fahrer ohne Akkommodation zusätzliche Information aufnehmen kann. Der Nahpunkt rückt im Alter immer weiter vom Betrachter weg.

11 Fehlsichtigkeit Bei Fehlsichtigkeit wird durch Linsen die Brechkraft des Auges angepasst, so dass die Bildebene auf der Netzhaut liegt. VI.2: Strahlenverläufe bei Fehlsichtigkeit Kurzsichtigkeit: Brennpunkt vor der Netzhaut Weitsichtigkeit: Brennpunkt hinter der Netzhaut

12 Die Netzhaut als optischer Empfänger Noch spektakulärer als die anpassbare Brechkraft ist die sich über viele Größenordnungen erstreckende Empfindlichkeit.

13 Adaptation Anpassung des Auges über einen extremen Leuchtdichtebereich von ca. 14 Größenordnungen: - Änderung der Pupillenöffnung Variation um Faktor 16 - Übergang von Zapfen- auf Stäbchensehen - Verschaltung der Sehzellen

14 Schnitt durch die Netzhaut VI.3: Querschnitt durch die Netzhaut ca Zapfen: Hellsehen (in reiner Form bei Leuchtdichten > 100 cd/m 2 ) - Farbensehen ca Stäbchen: Nachtsehen (in reiner Form bei Leuchtdichten < 0.08 cd/m 2 ) - keine Farbempfindlichkeit

15 Dichte von Zapfen und Stäbchen Extreme Zapfendichte in der Netzhautgrube (Fovea Centralis) in der Mitte des gelben Flecks. Als weitere ausgezeichnete Stelle gibt es auf der Netzhaut den blinden Fleck, bei dem der Sehnerv aus dem Auge herausgeführt wird.

16 Blinder Fleck (rechtes Auge schliessen, zuerst auf die 3 fixieren und dann 4 und 5)

17 Adaptation Adaptation durch Variation des Pupillendurchmessers Ordinate: Notwendiger Leuchtdichteunterschied, so dass gerade noch ein Sehobjekt erkannt wird.

18 Hellempfindlichkeit - bei gleicher physikalischer Strahldichte erscheinen andersfarbige Bereiche unterschiedlich hell - aus Messungen mit vielen farbnormalsichtigen Beobachtern entstand 1924 die spektrale Hellempfindlichkeitskurve

19 Hellempfindlichkeit 1 0 Maximum der Hellempfindlichkeit bei λ 0 =555 nm (Hellsehen) bzw. 507 nm (Nachtsehen) Eine Farbempfindung wird ermöglicht durch drei unterschiedliche Rezeptoren. Die Kurve der relativen spektralen Hellempfindlichkeit spielt eine zentrale Rolle beim Übergang von den radiometrischen zu den photometrischen Größen.

20 Übergang zur photometrischen Größe Lichtstrom Bewertung des Strahlungsflusses durch das Auge: Übergang vom Strahlungsfluss φ e zum Lichtstrom φ v v 780nm lm dφe 683 v( λ) dλ W dλ Φ = [ ] lm 380nm Φ = (das Lumen) v

21 Übergang zur photometrischen Größe Leuchtdichte Übergang von der radiometrischen Größe Strahldichte L e L e = d 2 φ e dacosεdω zur Leuchtdichte L V : 780nm lm dle Lv 683 v( λ) dλ W dλ = lm cd [ Lv ] = = nm msr m (die Candela, Si-Einheit) - ist entscheidend für den Helligkeitseindruck

22 Strahlstärke, Lichtstärke Strahlstärke dφe Ie = = Lecosε da dω 1 A [ ] I = e W sr Lichtstärke 780nm lm die Iv = 683 v( λ) dλ W dλ 380nm lm I v = = cd sr [ ]

23 Candela als SI- Basiseinheit Die Candela Definition Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung (1/683) Watt durch Steradiant beträgt.

24 Eingestrahlter Strahlungsfluß/Lichtstrom Bestrahlungsstärke E e = dφ da e 2 W [ Ee ] = 2 m Beleuchtungsstärke: 780nm lm dee Ev 683 v( λ) dλ W dλ = [ ] = = lx (Lux) 2 380nm E v lm m

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26 Sehschärfe Die Sehschärfe beschreibt die Fähigkeit, zwei eng benachbarte Linien getrennt wahrzunehmen. Maß für die Sehschärfe ist der Reziprokwert des Sehwinkelabstandes durch den Zwischenraum in Minuten. Landoltring Abhängigkeit der Sehschärfe vom Bildort auf der Netzhaut

27 Sehschärfe Beispiel für Sehschärfe 1: Linien im Abstand 6 mm werden aus 20 m Entfernung wahrgenommen Sehschärfe 1 Sehschärfe 0.3 Quelle:

28 Sehschärfe Bei guten Lichtverhältnissen wird die Sehschärfe 1 übertroffen. Für eine gute Sehschärfe ist eine Leuchtdichte > 100 cd/m 2 erforderlich.

29 Unterschiedsempfindlichkeit Für die Sehleistung ist nicht so sehr die Hellempfindlichkeit als vielmehr die Unterschiedsempfindlichkeit relevant. Sie ist ein Maß für die Fähigkeit, Leuchtdichteunterschiede von benachbarten Flächen wahrzunehmen. Die Unterschiedsempfindlichkeit ist der Reziprokwert des physiologischen Kontrastes: K L L = Ob U L U L ob : Leuchtdichte des Objektes L U : Umfeldleuchtdichte

30 Unterschiedsempfindlichkeit: Ein Beispiel Quelle: Die Unterschiedsempfindlichkeit hängt ab von der Umfeldleuchtdichte, von der Größe des Objektes (Sehwinkel) und der Leuchtdichte des Objektes.

31 Unterschiedsempfindlichkeit Je größer die Umfeldleuchtdichte, desto größer der erforderliche Leuchtdichteunterschied. Größere Objekte werden bei gleichem Kontrast besser erkannt.

32 Blendung Streulichtbildung im Auge führt durch die damit verbundene Schleierleuchtdichte zu einer Adaptation auf einem höheren Niveau und damit geringeren Sehleistungen L S E Θ 2 L S : Schleierleuchtdichte E: Beleuchtungsstärke θ: Winkel zwischen Blickrichtung und Blendlichteinfall

33 Blendung Bei höherer Adaptationsleuchtdichte lässt die Sehleistung wieder nach. -z.b. bei Blendung durch den Gegenverkehr