Optische Technologien im Automobil

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1 Optische Technologien im Automobil Einsatz von Scheinwerfern im Straßenverkehr Karsten Klinger Sommersemester 2007

2 Inhalt Motivation Umfrageergebnisse Blendung Lichtverteilung

3 Motivation We must improve vision at night Sunlight is better then every headlamp. There are too many accidents at night. (1.8 times more in comparision to daylight situations) expensive Increase public road lighting static light distribution cornering light bend light AFS systems LED arrays pixel light + well known technic + no glare + no costs for drivers - too high costs for authorities - too energy consumptive unrealistic Improve front lighting on cars Assistant night vision systems active NIR systems passive FIR systems - expensive - HMI needed automatic beam switcher active Windshield

4 Opinion Poll done by LTI Karlsruhe and delta e.v. Time end of year 2004 Place around Karlsruhe, Germany number of asked persons trucks + buses 102 cars frequent drivers 167 frequent drivers drive more than km per year cars sporadic drivers 160 sum 429

5 Test Persons and their Cars age % 24% 45% 17% sex female male 16% 84% car brand VW DC Opel Audi Ford BMW other 20% 17% 13% 11% 9% 7% 21%

6 Age of Vehicles

7 Consumer Satisfaction Cars - Passing Beam under 2 years 2-5 years over 5 years age of vehicles cars equipped with HID lamps

8 Consumer Satisfaction Cars - Passing Beam 69% 60% 52% 39% 34% 25% 20% 18% 20% 13% 15% 15% 15% 3% 2% 2% age of asked person very good ok could be better must be improved sex of asked person

9 Consumer Satisfaction Driving Beam cars trucks

10 Investigations Improve Headlamps Question: For which location should the headlamps be improved? Improvements today bend light AFS systems Improvements in future vertical swivelling headlamps LED arrays pixel light

11 Improvements bend light Question: How much would you pay for bend light? Average: 216 EUR 258 EUR

12 Improvements pixel light Question: How much would you pay for pixel light, which do not glare oncoming traffic? Average: 197 EUR 178 EUR

13 Investigations Problems at night Question: What are disturbing factors by driving at night and bad weather? glare 70% wiper street surface light distribution 60% 59% 29% 33% 33% 33% 31% 27% 22% 15% 13% autobahn rural road city streets Multiple selections were allowed.

14 Investigations - Glare Question: Which kind of glare is more disturbing by driving at night? glare from oncoming traffic 83% mirror glare 17%

15 New Headlamps glare With every new lamp technology colour changes (from more yellowish white to more bluish white) light intensity of the lamps increases (hopefully by LEDs) sharpness of cut-off line increases With every new headlamp technology People feel glared This happens within the change bilux lamp H4 halogen lamp halogen lamp HID lamp HID lamp LED lamps (?) But are people glared?

16 Definition of Glare discomfort glare reduces driver s well-being does not reduce driver s vision disability glare illumination higher 0.5 lx at driver s eyes measured 50 m in front of the car reduces driver s vision

17 Glare Theory and Practice In theory there is no glare straight roads correct aimed headlamps In practice there is glare curved roads roads with hills and sinks rough roads, roads with potholes every second headlamp is misaimed

18 Reduce Glare source of glare curves solution horizontal swivelling headlamps bend light hills and sinks potholes misaimed headlamps hill light vertical swivelling headlamps hill light adaptive headlamp levelling device (for example developed by Kuhl, BMW) fast dynamic levelling systems self adjusting basic setting systems

19 Prevent Glare or See Better Question: How much would you pay for dynamic levelling? HID lamps? average average

20 Active Windshield System contains one camera for detecting glare sources one camera for detecting position of driver s eyes windshield with LCD or electrochrome panels build in normal windshield glare source active windshield some LCD panels switched on patent: DE A1

21 Conclusion - reduce glare Actual headlamps are good 90% are satisfied (ok or very good, cars newer 2 years) 98% are satisfied (ok or very good, cars with HID lamps) Glare is still a problem improve systems to prevent glare introduce systems to eliminate glare How much drivers will pay? 150 EUR for dynamic levelling 190 EUR for pixel light 240 EUR for bend light 250 EUR for HID lamps

22 Scheinwerferlichtverteilung Sicherung der Qualität automobiler Beleuchtungssysteme durch die Regelwerke der Economic Commission for Europe (ECE) Abbildung: Messschema zur Einstellung und Vermessung von Glühlampenscheinwerfern

23 Notwendige Ausleuchtung Es gibt keine eindeutigen Regeln für die Vorfeld- und Seitenausleuchtung eines Kfz.-Scheinwerfers seitens der ECE-Regelungen. Ist die Beleuchtungsstärke dieser Bereiche relevant für die Sicherheit im Straßenverkehr? Abbildung: Gefahrensituation im Straßenverkehr

24 Zwei Arten von Blendung Eine hohe Leuchtdichte im Vorfeld könnte sich aufgrund der Blendung negativ auf die Erkennbarkeitsentfernung auswirken. Physiologische Blendung Psychologische Blendung

25 Physiologische Blendung Helle Lichtquelle im peripheren Gesichtfeld Auftreten von Streulicht durch Streuzentren Erzeugung eines Schleiers auf der Netzhaut Adaptation auf ein höheres Leuchtdichteniveau Messbare Reduktion der wahrnehmbaren Kontraste

26 Physiologische Blendung Führen hohe Leuchtdichten im Bereich des Vorfeldes und der Seitenausleuchtung zur Streulichtentstehung im Auge und somit zu einer Verringerung der Erkennbarkeitsentfernung im Straßenverkehr?

27 Psychologische Blendung Keine technisch messbare Reduktion der wahrnehmbaren Kontraste Dennoch Störung der Aufnahme visueller Informationen Wird als unangenehm und ablenkend empfunden Kann diese Form von Blendung zu einer Störung des Fahrers führen und somit das Unfallrisiko steigern?

28 Untersuchte Lichtverteilungen L = 1,5 cd/m² L = 0,3 cd/m² L = 3 cd/m² Abblendlicht L = 1,2 cd/m² Aktive Vorfeldausleuchtung Aktive Seitenausleuchtung Aktive Vorfeld- und Seitenausleuchtung

29 Sehtafeln 11 hohe Tafeln zur Simulation der oberen Bekleidung (Jacken) 11 niedrige Tafeln zur Simulation der unteren Bekleidung (Hosen) Reflexionsgrad der Tafeln φ = 9,5 % (mittlerer Reflexionsgrad von Jeansstoffen) Lackiert mit Dispersionslack RAL 7043 Verkehrsgrau B

30 Teststrecke Länge: 3,5 km Bäume schützen vor Fremdlicht Versuche bei Nacht

31 Durchführung Versuchsablauf Fahrzeuggeschwindigkeit: 60 km/h (Tempomat) Bestätigen des Wahrnehmens über einen Lenkradtaster

32 Durchführung - Sensoren Ermittlung der Erkennbarkeitsentfernung über ein inkrementales Messgerät Beendigung der Entfernungsmessung durch den Versuchsleiter

33 Einfluss der Vorfeldbeleuchtung +14% +11%

34 Einfluss der Seitenausleuchtung +10% +6%

35 Einfluss der Vorfeld- und Seitenausleuchtung +17% +13%

36 Ergebnisse Lichtverteilung Die statistische Auswertung von insgesamt 880 Messwerten mit dem Wilcoxon-Test zeigt Erhöhung der Leuchtdichte im Bereich: Vorfeldausleuchtung (Faktor 2) Seitenausleuchtung (Faktor 4) Signifikante Erhöhung der Erkennbarkeitsentfernung

37 Einfluss verbesssert Erkennbarkeitsentfernung Theorie: Verringerung der Erkennbarkeitsentfernung bedingt durch physiologische Blendung Studie: Erhöhung der Erkennbarkeitsentfernung für die untersuchten Leuchtdichten

38 Mögliche Ursache Erhöhung der Leuchtdichte auf den Tafeln bei Erhöhung der Leuchtdichte im Vorfeld- bzw. Seitenbereich.

39 Auswertung der Fragebögen Unterschiede in den Lichtverteilungen waren deutlich erkennbar Eine Erhöhung der Leuchtdichte im Vorfeld- bzw. Seitenbereich führte nicht zur psychologischen Blendung Eine Erhöhung im Vorfeld- und Seitenbereich führte zur psychologischen Blendung Das Sicherheitsgefühl der Probanden hängt von der entsprechenden Lichtverteilung in einer bestimmten Situation ab. Die Probanden halten eine Anpassung der Lichtverteilung an gegebene Verkehrsituationen für sinnvoll.

40 Literatur New technologies for night vision, Karsten Klinger, SPIE - The International Society for Optical Engineering Proceedings SPIE Vol. 6198, 61980G Untersuchung des Einflusses der Vorfeld- und Seitenausleuchtung automobiler Scheinwerfer auf die Erkennbarkeitsentfernung von Sehobjekten, Christian Jebas, Universität Karlsruhe, 2006