Optische Technologien Im Automobil

Transkript

1 Lichttechnisches Institut Optische Technologien Im Automobil von Dr. Karl Manz Sommersemester 2009

2 Administratives Teilnehmerliste Terminänderungen werden per zugeschickt

3 Literatur Licht und Beleuchtung, Hans-Jürgen Hentschel, Hüthig Buch Verlag GmbH, 2002 Handbuch der Beleuchtung, Horst Lange, ecomed Verlagsgesellschaft, 5. Auflage, 1992 Grundlagen der Photometrie, Otto Reeb, Verlag G. Braun, Karlsruhe, 1962 Grundlagen der Lichttechnik, E. Helbig, 1972 Grundlagen der Lichttechnik, Siegfried Kokoschka, Karlsruhe 2003 Grundlagen der Lichttechnik aus fahrzeugtechnischer Sicht, Karsten Klinger, Karlsruhe 2003 DIN 5031, Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik

4 Literatur Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im Straßenverkehr, Eckert Verlag Technik, 1993 Sehen und Verkehr, B. Gramberg-Danielsen Springer-Verlag,1967; Grundlagen der Lichttechnik - Kompendium, Dietrich Gall Richard Pflaum Verlag, 2004 Auge und Gehirn - Neurobiologie des Sehens, David H. Hubel Spektrum der Wissenschaft, 1989 Systemtheorie der visuellen Wahrnehmung, G. Hauske B.G. Teubner Stuttgart, 1994 Auge Brille Auto, Werner D. Bockelmann Springer-Verlag, 1987

5 Motivation Visuelle Informationsaufnahme Lichterzeugung Lichtverteilung Scheinwerfer Leuchten Signalleuchten Messtechnik Displays Licht sorgt für Orientierung Psychophysik Sicherheit Wohlbefinden

6 Sichtbare Strahlung - Licht Licht Elektromagnetische Strahlung Ausbreitungsgeschwindigkeit c m/s Wellenlänge λ = 380 nm nm Charakterisierung Wellenlänge oder Frequenz Intensität c = λ ν Monochromatische Strahlung Eng begrenzter Wellenlängenbereich Spektralfarbe

7 Methoden der Lichtbeschreibung Wellenoptik Licht ist eine elektromagnetische Welle Quantenoptik Licht ist ein Teilchen Strahlenoptik Licht ist ein unendlich dünner Strahl Lichttechnische Optik Wirkung des Lichtes

8 Wellenoptik Lichtgeschwindigkeit c = λ ν Brechungsindex λ = λ 0 / n λ 0 : Wellenlänge im Vakuum Luft: n = 1,0003 Wasser: n = 1,333 Kunststoffe: n = 1,50 Gläser: n = 1,56...1,65 Diamant: n = 2,42 c 0 : Lichtgeschwindigkeit im Vakuum C = C 0 / n Lichtgeschwindkeit und Wellenlänge: abhängig vom Medium

9 Reflexion und Brechung Reflexionsgesetz ε 1 = ε 1 Medium 1 Brechungsgesetz ε 1 ε 1 ' n 1 sin ε1 sin ε 2 = n n 2 1 Medium 2 n 2 ε 2

10 Beugung des Lichtes r : Pupillenradius d : Durchmesser des Beugungsscheibchens f : Abstand Pupille zu Netzhaut Beugung begrenzt das Auflösungsvermögen des Auges

11 Wellenoptik Interferenz Technische Bedeutung: Laser Antireflexschichten Polarisation Natürliches Licht: unpolarisiert Technische Bedeutung: Kontrast Streuung Polarisationsfilter Intensität Amplitude der Lichtwelle

12 Quantenoptik Lichtstrahlung = Photonenstrom Energie eines Photons: E = h ν E: Energie eines Photons h: Plancksches Wirkungsquantum h = 6, Ws² ν : Frequenz des Photons Masse eines Photons: m = h ν c 2 m: Masse eines Photons c: Lichtgeschwindigkeit

13 Strahlenoptik - Geometrische Optik Newton'sche Abbildungsgleichungen x x' = f f' y' f y = x (-a) a' y F F' y' F,F : Brennpunkte f,f : Brennweiten (-x) (-f) f' x'

14 Lichttechnische Optik Berücksichtigt Gesetzmässigkeiten aus: Wellenoptik Quantenoptik Geometrische Optik Psychophysikalische Untersuchungen Erforschen Wirkung des Lichtes auf den Menschen Lichttechnische Größen Beschreiben Wirkung des Lichtes auf den Menschen

15 Das visuelle System [Aus: David H. Hubel, Auge und Gehirn]

16 Physikalische Strahlungsbewertung Strahlung monochromatische Strahlung Kontinuumsstrahlung Spektrum Glühlampe Leuchtstofflampe 120 8,00E+10 7,00E ,00E+10 Bestrahlungsstärke [rel] Intensität [rel] 5,00E+10 4,00E+10 3,00E+10 2,00E ,00E ,0 350,0 400,0 450,0 500,0 550,0 600,0 650,0 700,0 750,0 800,0 Wellenlänge [nm] 0,00E Wellenlänge [nm]

17 LED - Strahlung Weitgehend monochromatische Strahlung Erzeugung von weissem Licht durch Leuchtstoffe oder Mehrchip-Farbmischung Lumiled royalblau 1W Lumiled LED royalblau Lumiled warmweiss 1W Lumiled LED warmweiss 1,00 1,00 0,90 0,90 0,80 0,80 0,70 0,70 0,60 0,60 In ten sität [rel.] 0,50 0,40 In ten sität [rel.] 0,50 0,40 0,30 0,30 0,20 0,20 0,10 0,10 0, , Wellenlänge [nm] Wellenlänge [nm]

18 Sonnenstrahlung Extraterrestrische Bestrahlungsstärke 1400 W/m² Bestrahlungsstärke auf der Erdoberfläche 1000 W/m² W m 2 µm

19 Spektrale Wirkungsfunktion Wirkungsfunktionen Pflanzenwachstum Hautbräunung Helligkeitswirkung

20 1 0,5 0 V(λ) - Funktion Empfindlichkeitsfunktion des helladaptierten menschlichen Auges 555 nm W ellenlänge [nm] V(λ) 380 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,000015

21 Spektrale Wirkungsfunktion, Helligkeit Relative spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges unter Tageslichtbedingungen (hell adaptiertes Auge) Messwerte Genormte Kurve

22 Spektrale Empfindlichkeit Spektrale Empfindlichkeiten von lichtempfindlichen Empfängern Relative spektrale Stromempfindlichkeit für die physikalischen Empfänger Silizium und Selen Spektrale Hellempfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges für das Tagessehen, die sog. V(λ)-Funktion Relative spektrale Strahlungsleistung S(λ) eines Temperaturstrahlers bei einer Temperatur von 2856 K (sog. Normlichtlichtart A)

23 Grundgrößen - Lichtstrom Name: Lichtstrom Einheit: Lumen [ lm ] Zeichen: Φ [ Phi ] m 780nm 380nm Konstante K m = 683 lm/w e ( ) ( ) Φ = K Φ V d λ λ λ λ

24 Lichtstrom - Zahlenwerte Lampentyp LED Allgebrauchslampe 100 W Standard Leuchtstofflampe 36 W, Lichtfarbe weiß Standard Quecksilberdampf- Hochdrucklampe 125 W Standard Natriumdampf- Hochdrucklampe 70 W Lampenlichtstrom 60 lm 1380 lm 2850 lm 6300 lm 4600 lm

25 Raumwinkel, grafische Darstellung da 1 Auf Kugeloberfläche projizierte Fläche Strahlung tritt aus Fläche aus Detail: P Ω AK = r 2 Ursprungsfläche Kugeloberflächenabschnitt sr

26 Raumwinkel Ebener Winkel Mittelpunkt Zwei Geraden Umschließen eine Fläche Raumwinkel Mittelpunkt Kegel Umschließt ein Volumen

27 Raumwinkel, Definition Raumwinkel: Quotient aus Fläche der Kugelkalotte durch Quadrat des Kugelradius Name: Raumwinkel Einheit: Steradiant [ sr ] Zeichen: Ω oder ω [ Omega ] Einheitsraumwinkel Ω 0 = 1 sr

28 Raumwinkel, Berechnung γ ω = sinγ dγ d ϕ = 2 π(cos γ - cos γ ) ϕ 2π = 0 γ P ω = 2π(cosγ 1 -cosγ 2 ) γ 1 γ 2

29 Raumwinkel, Zahlenwerte Vollraum Halbraum Kreiskegel mit α= π sr 2π sr 1 sr 4π sr 2π sr 1 sr

30 Grundgrößen - Lichtstärke Name: Lichtstärke Einheit: Candela [ cd ] Zeichen: I I = Φ Name: Raumwinkel Einheit: Steradiant [ sr ] Zeichen: ω [ Omega ] ω

31 Definition der Lichteinheit Lichtstärke ist eine SI-Einheit Lichtstärke von 1 cd Lichtstärke einer Strahlungsquelle in einer bestimmten Richtung, die eine Frequenz von 5, Hz aussendet und deren Strahlstärke 1/683 W/sr beträgt. In Luft entspricht eine Frequenz von 5, Hz einer Wellenlänge von 555 nm, bei der V(λ) = 1 ist. Maximales photometrische Strahlungsäquivalent K m = 683 lm/w

32 Lichtstärke - Zahlenwerte Lichtquelle Lichtstärke Kerze 1 2 cd Glühlampe 100 W 10 2 cd Fernlicht 10 4 cd Mond cd Sonne cd

33 Grundgrößen - Beleuchtungsstärke Name: Beleuchtungsstärke Einheit: Lux [ lx ] Zeichen: E I E cosε r = 2 E = A Φ

34 Wirksame Fläche Wirksame Fläche A ε A cos ε Ausstrahlwinkel E=Eo * cos ε α

35 Bel. Zahlenwerte

36 Grundgrößen - Leuchtdichte A p Name: Leuchtdichte Einheit: Candela pro Quadratmeter [ cd/m² ] Zeichen: L Φ I L = L = A p Ω A p Ap = Ao * cos ε

37 Leuchtdichte - Zahlenwerte Lichtquelle Leuchtdichte Sonne 1, cd/m 2 Bedeckter Himmel cd/m 2 LED-Bremsleuchten 10 5 cd/m 2 Leuchtstofflampen 10 4 cd/m 2 Arbeits- und Raumflächen cd/m 2 gut beleuchteter Arbeitsräume Nächtliche Straßenbeleuchtung 0, cd/m 2 (Fahrbahn) Nächtlicher Himmel im Freien cd/m 2

38 Photometrisches Grundgesetz Fläche A mit Leuchtdichte L Φ = L da cosε dω Ω A A ε da dω Ω

39 Lambertstrahler ε L 0 L e = Die Leuchtdichte ist winkelunabhängig. L 0 ε I e = I 0. cos ε I 0 Die Lichtstärke ist winkelabhängig. Lichtquellen mit richtungsunabhängiger Leuchtdichte Vollkommen streuend reflektierende, matte Flächen Eingeführt von Johann Heinrich Lambert im Jahr 1760.

40 Photometrisches Entfernungsgesetz, Formel E I = r 2 I E cosε r = 2 ε r

41 Grenzentfernung Photometrische Grenzentfernung Senkrechter Lichteinfall E = I/r² E r² = I

42 Photometrisches Entfernungsgesetz, Fehler h Lichtquelle r Empfänger r h = 1 δ 0,001 0,1 31,6 0,005 0,5 14,1 δ 0,01 1 9,95 0,03 3 5,69 δ δ [%] r / h 0,05 5 4,36 0,1 10 3,00