kraftfahrzeug lichttechnik - ids · grundlagen der lichttechnik - kompendium gall, pflaum-verlag,...
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TRANSCRIPT
Lichttechnik im Automobil
• Lampen
• Leuchten
• Scheinwerfer
• Mechanik
• Adaptive Systeme
• Betriebs- und Steuergeräte
• Anbindung an Bordnetz
• Bus-Systeme
• Anzeigeinstrumente, Displays
• Fahrerassistenzsysteme
• Nachtsicht
Ziel
Kennenlernen von
• Aufbau
• Funktion
• Wirkung
lichttechnischer Einrichtungen
• Kraftfahrzeug
Fähigkeiten erlernen, um aktiv Scheinwerfer und Leuchten
entwickeln zu können
Optik (FEM), Aktorik
Einführung in lichttechnische Messmöglichkeiten
Inhalt
• Grundlagen der Lichttechnik
• Vier lichttechnische Grundgrößen
• Messtechnik
• Lampen
• Leuchten
• Scheinwerfer
• Rückstrahler
• Signalbild
• Regelungen
Literatur
Licht und BeleuchtungHans-Jürgen Hentschel, Hüthig Buch Verlag GmbH, 2002
Handbuch der BeleuchtungSchmidt-Clausen, Horst Lange, ecomed Verlagsgesellschaft,
5. Auflage, 1992
Beleuchtungstechnik Baer, Grundlagen, 2. Auflage, Verlag Technik Berlin, 1996
Grundlagen der Lichttechnik - KompendiumGall, Pflaum-Verlag, 2004
Technische Optik G. Schröder, 8. Auflage, Vogel Buchverlag Würzburg, 1998
Grundlagen der LichttechnikSiegfried Kokoschka, http://www.lti.uni-karlsruhe.de, Karlsruhe 2003
Grundlagen der Lichttechnik aus fahrzeugtechnischer SichtKarsten Klinger, http://www.lti.uni-karlsruhe.de, Karlsruhe 2003
Literatur
Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im StraßenverkehrEckert, Verlag Technik, 1993
Sehen und VerkehrB. Gramberg-Danielsen, Springer-Verlag, 1967
Sehen und gesehen werden B. Lachenmayr, Verlag Shaker, 1995
Automotive Lighting and Human VisionWördenweber, B.; Wallaschek, J.; Boyce, P.:
Springer Verlag 2007
Sichtbare Strahlung - Licht
Licht
• Elektromagnetische Strahlung
• Ausbreitungsgeschwindigkeit c = 3!108 m/s
• Wellenlänge ! = 380 nm ... 780 nm
Charakterisierung
• Wellenlänge oder Frequenz
• Intensität
Monochromatische Strahlung
• Eng begrenzter Wellenlängenbereich
• Spektralfarbe
c = ! ! "
Spektrale Wirkungsfunktion
Wirkungsfunktionen
• Pflanzenwachstum
• Hautbräunung
• Helligkeitswirkung
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(!)-Funktion
Relative spektrale Strahlungsleistung
S(!) eines Temperaturstrahlers bei
einer Temperatur von 2856 K
(sog. Normlichtlichtart A)
Ermittlung spektraler Wirkungsfunktionen
Abgleich farbiger Strahlung mit weißer Strahlung
Direktabgleich
Weiße (graue) Strahlung wird
von der Versuchsperson
gleichhell wie farbige Strahlung
eingestellt.
Spektrale Wirkungsfunktion, Helligkeit
Messwerte Genormte Kurve
Relative spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen
Auges unter Tageslichtbedingungen (hell adaptiertes Auge)
V(!) - Funktion
0
0,5
1
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
Wellenlänge ! [nm]
V(!)
555 nm
380 0,000039
390 0,000120
400 0,000396
410 0,001210
420 0,004000
430 0,011600
440 0,023000
450 0,038000
460 0,060000
470 0,090980
480 0,139020
490 0,208020
500 0,323000
510 0,503000
520 0,710000
530 0,862000
540 0,954000
550 0,994950
560 0,995000
570 0,952000
580 0,870000
590 0,757000
600 0,631000
610 0,503000
620 0,381000
630 0,265000
640 0,175000
650 0,107000
660 0,061000
670 0,032000
680 0,017000
690 0,008210
700 0,004102
710 0,002091
720 0,001047
730 0,000520
740 0,000249
750 0,000120
760 0,000060
770 0,000030
780 0,000015
V(!) - Funktion, Helmholtz-Kohlrausch Effekt
Helmholtz-Kohlrausch Effekt:
In V(!) nur achromatischer
Anteil der Helligkeit enthalten
Bunte Strahlung wird heller,
als unbunte Strahlung
empfunden.
Purkinje - Effekt
Bei V(!) bewerteter Strahlung erscheint blau heller als rot
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
!
V(!) : Tagessehen
V´(!) : NachtsehenV ( )
V´( )
!
1,0
0,0
0,5
Wellenlänge [nm]
Purkinje(1787-1869)
• V’(!) bewertetes
Leuchtdichtebild
• Blaue Kreise heller
• Rote Kreise nicht mehr
sichtbar
• V(!) bewertetes
Leuchtdichtebild
• Blaue und rote Kreise
kaum sichtbar
• Gelbe Kreise am hellsten
Purkinje - Effekt
Physikalische Strahlungsbewertung
Strahlung• monochromatische Strahlung
• Kontinuumsstrahlung
SpektrumGlühlampe Leuchtstofflampe
0,00E+00
1,00E+10
2,00E+10
3,00E+10
4,00E+10
5,00E+10
6,00E+10
7,00E+10
8,00E+10
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wellenlänge [nm]
Inte
nsit
ät
[rel]
0
20
40
60
80
100
120
300,0 350,0 400,0 450,0 500,0 550,0 600,0 650,0 700,0 750,0 800,0
Wellenlänge [nm]
Bestr
ah
lun
gss
tärk
e [
rel]
LED - Strahlung
Lumiled LED royalblau 1W
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wellenlänge [nm]
Inte
nsit
ät
[rel.]
Lumiled LED warmweiss 1W
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wellenlänge [nm]
Inte
nsit
ät
[rel.]
Lumiled LED royalblau Lumiled LED warmweiss
• Weitgehend monochromatische Strahlung
• Erzeugung von weissem Licht durch Leuchtstoffe oder
Mehrchip-Farbmischung
Sonnenstrahlung
Extraterrestrische Bestrahlungsstärke• 1.400 W/m"
Bestrahlungsstärke auf der Erdoberfläche• 1.000 W/m"
Helligkeiten von Farben
Theoretisches Beispiel:
Blaue LED• 3 W elektrisch
• 3 W optisch
• 400 nm
• 1 lm
Grüne LED• 1,5 mW elektrisch
• 1,5 mW optisch
• 550 nm
• 1 lm
Raumwinkel
Ebener Winkel• Mittelpunkt
• Zwei Geraden
• Umschließen eine Fläche
Raumwinkel• Mittelpunkt
• Zwei Flächen / Kegeloberflächen mit gleicher Mittelachse
• Umschließen ein Volumen
Raumwinkel
Auf Kugeloberfläche
projizierte Fläche
UrsprungsflächeStrahlung trittaus Fläche aus
KA
srr
! = "2
Detail: Kugeloberflächenabschnitt
[Bilder: O. Reeb, Grundlagen der Photometrie]
Raumwinkel, Definition
Name: Raumwinkel
Einheit: Steradiant [ sr ]
Zeichen: % oder & [ Omega ]
Einheitsraumwinkel
% 0 = 1 sr
Raumwinkel:
Quotient aus
Fläche der Kugelkalottedurch
Quadrat des Kugelradius
Raumwinkelprojektion
Auf Kugeloberfläche
projizierte Fläche A1
Fläche A2
KA
srr
! = "2
[Bild: O. Reeb, Grundlagen der Photometrie]
Projizierte Fläche A1p
Raumwinkel
!p= cos"d!#
dA
1p= dA
K1cos!
A1p= dA
K1cos!"
Raumwinkelprojektion
A1p=
r 2
srcos!d"#
A1p = d
r 2!sr
"#$
%&'cos()
Raumwinkelprojektion des Halbraums
#
!p= cos"d!#
Integration in Polarkoordinaten
d! = sin"d"d#
Raumwinkelprojektion
!p= cos" sin"d"d#
"=0
$
%# =0
2&
%
!
p= " sin
2#
Halbraum $ = 90° : !
p= "sr
sr
Das lichttechnische Maßsystem
SI-Einheit
Die Candela
DefinitionDie Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung
einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der
Frequenz 540·1012 Hertz aussendet und deren Strahlstärke in
dieser Richtung 1/683 Watt durch Steradiant beträgt.
In Luft entspricht eine Frequenz von 5,40(1014 Hz einer
Wellenlänge von 555 nm, bei der V(!) = 1 ist.
Das lichttechnische Maßsystem - Candela
Candela (cd)
• Einheit der Lichtstärke
• Eine der 7 Basiseinheiten des internationalen SI-Systems
• Einzige Basiseinheit nicht rein physikalischer Natur
• Beruht auf physiologischen Eigenschaften
Lichttechnische Größen sind spektral bewertete Größen
( ) ( ) e
X K X V d
!
!
!
! ! != "#2
1
Funktionaler Zusammenhang lichttechnischer Größen
Bewertungsgröße X• Keine Wirkungsgröße
• Empfindungsgröße hängt nicht linear mit Reiz zusammen
• Bewertungsgröße hängt monoton mit Empfindungsgröße
zusammen
Lichttechnische Größen genügen Äquivalenzrelationen
Verschiedenfarbige Strahlungen die gleichhell erscheinen,
erhalten die gleiche lichttechnische Maßzahl.
Grundgrößen - Lichtstrom
Maximales photometrische Strahlungsäquivalent Km = 683 lm/W
Name: Lichtstrom
Einheit: Lumen [ lm ]
Zeichen: ) [ Phi ]
Lichtstrom - Zahlenwerte
Lampentyp Lampenlichtstrom
LED 60 lm
Allgebrauchslampe 100 W 1380 lm
Standard Leuchtstofflampe 36 W,Lichtfarbe weiß
2850 lm
Standard Quecksilberdampf-Hochdrucklampe 125 W
6300 lm
Standard Natriumdampf-Hochdrucklampe 70 W
4600 lm
Grundgrößen - Lichtstärke
Name: Lichtstärke
Einheit: Candela [ cd ]
Zeichen: I
Name: Raumwinkel
Einheit: Steradiant [ sr ]
Zeichen: & [ Omega ]
Lichtstärke - Zahlenwerte
Lichtquelle Lichtstärke
Kerze 1 –2 cd
Glühlampe 100 W 102 cd
Fernlicht 104 cd
Mond 1017
cd
Sonne 1027
cd
Grundgrößen - Leuchtdichte
Name: Leuchtdichte
Einheit: Candela pro
Quadratmeter
[ cd/m" ]
Zeichen: L
pA
IL =
L =!
Ap"
Ap
Ap = A cos #
Leuchtdichte - Zahlenwerte
Lichtquelle Leuchtdichte
Sonne 1,5.109 cd/m2
Bedeckter Himmel 5.103 cd/m2
LED-Bremsleuchten 105 cd/m2
Leuchtstofflampen 104 cd/m2
Arbeits- und Raumflächengut beleuchteter Arbeitsräume
20 ... 200 cd/m2
Nächtliche Straßenbeleuchtung(Fahrbahn)
0,5 ... 2 cd/m2
Nächtlicher Himmel im Freien 10-3...10-4 cd/m2
Grundgrößen - Beleuchtungsstärke
Name: Beleuchtungsstärke
Einheit: Lux [ lx ]
Zeichen: E
E =!
A!cos
2r
IE =
Beleuchtungsstärke - Zahlenwerte
Art der Umgebung Beleuchtungsstärken
Im Freien bei klarer Atmosphäreund hohem Sonnenstand
bis ca. 120 000 lx
Diffuser Himmel 5000 - 20 000 lx
Gut beleuchtete Büro-Arbeitsräume 500 - 1000 lx
Operationsfeld Beleuchtung bis 100 000 lx
Im Freien bei Mondlicht etwa 0,5 lx
Photometrisches Grundgesetz
#
%A
Fläche A mit Leuchtdichte L
cos=
A
L dA d!"
# $ "% %B
Beschreibt den Strahlungsaustausch
zwischen den beiden Flächen A und B
d%
dA
Photometrisches Entfernungsgesetz, Herleitung
Photometrischen Grundgesetz:
cos
A
L dA d!"
# = $ $ $ "% % cosdA ! : Wirksame Fläche
EA
!=Mit und gleichmäßiger Leuchtdichte ergibt sich:
cosd
E L ddA
!"
#= = $ "%
Für den ganzen Halbraum:
E =
d!
dA= L "#
p
Photometrisches Entfernungsgesetz, Fehler
h
r
EmpfängerLichtquelle
r
h
!
!
"=1
! ! [%] r / h
0,0010 0,1 31,6
0,0025 0,25 20,0
0,005 0,5 14,1
0,01 1 9,95
0,03 3 5,69
0,04 4 5,03
Messtechnik
• Cos-Anpassung
• Ideale Fläche - Lambert-Strahler
• V(!) Filter
• Elektrische Beschaltung
Cosinus - Gesetz
Photometrischen Grundgesetz:
: Wirksame Fläche
Bei sehr kleiner Fläche A ergibt sich:
I#
Lambertstrahler
cos
A
L dA d!"
# = $ $ $ "% % cosdA !
I =d!
d"= L dA
A
# $cos%
Mit und bei gleichmäßiger Leuchtdichte ergibt sich:
I =!
"
I = L !A !cos"
Lambertstrahler
Eingeführt von Johann Heinrich Lambert im Jahr 1760.
L0
Le =
I0
Ie = I0 cos # L0
##
.
Die Leuchtdichte ist
winkelunabhängig.
Die Lichtstärke ist
winkelabhängig.
• Lichtquellen mit richtungsunabhängiger Leuchtdichte
• Vollkommen streuend reflektierende, matte Flächen
Cosinus - Anpassung
Si - Empfänger Voltmeter
Abschattring
Streuscheibe
Empfänger mitLambert - Charakteristik
Silizium - Empfänger, elektrische Beschaltung
RA = 0 %
RA = 500 %
RA = 1000 %
Beleuchtungsstärke E [lx]
Photo
str
om
IP
H [
mA
]
RA
Si - Empfänger
OP
Gegenkoppel-widerstand
Si - Empfänger
Beleuchtungsstärkemessgerät
FlächenelementLegt Fläche fest
Cosinus - Anpassung
FilterV(!) - Anpassung
Si - EmpfängerEmpfängt Strahlung
Leuchtdichtemessgerät
Objektiv FeldlinseFeldblende
FilterV(!) - Anpassung
Si - EmpfängerEmpfängt Strahlung
Leuchtdichtekamera
CCD - ChipEmpfängt Strahlung
FarbradV(!) - Anpassung
Objektiv FeldlinseFeldblende
U-Kugel, Aufbau
LichtmesskopfMessung der indirekten
Beleuchtungsstärke
Abschatter
Messobjekt
U-KugelInnen beschichtet
Hilfslampe
U-Kugel, Kugelfaktor
Eind
=!
A"
#
1$ #
E
ind=! "K
Eind : indirekte Beleuchtungsstärke
) : Lichtstrom des Messobjektes
K : Kugelfaktor* : mittlerer Reflexionsgrad
der Kugelwand
K =1
A!
"
1# "
Kugelfaktor:
Messung:
Kugelfaktor abhängig von:• Kugeleigenschaften
• Eingebrachtem Messobjekt
Messung:
U-Kugel, Messung
! =1
K"E
ind
Lichtstrommessung:
Messablauf:
1) Lichtstrommessung der Normallampe
2) Lichtstrommessung der Hilfslampe
3) Lichtstrommessung des Messobjektes
4) Lichtstrommessung der Hilfslampe
E
N=!
N"K
N
E
NH=!
NH"K
N
E
X=!
X"K
X
E
XH=!
XH"K
X
U-Kugel, Rechnung
!N
EN
=1
KN
!NH
ENH
=1
KN
!X
EX
=1
KX
!XH
EXH
=1
KX
Normallampe:
Messobjekt:
!N
EN
=!
NH
ENH
!X
EX
=!
XH
EXH
!
NH=!
XH
Lichtstrom der Hilfslampe ist konstant:
!N
EN
"ENH
=!NH
!X
EX
"EXH
=!XH
!N
EN
"ENH
=
!X
EX
"EXH
!X=!
N"E
X
EN
"E
NH
EXH
Goniophotometer
Messobjekt
LichtmesskopfMessung der Lichtstärke
Aufgrund der photometrischen
Grenzentfernung sehr grosse
Abmessungen notwendig, daher
meist komplizierter Aufbau.! = 0...360°
+ = 0...180°
Stoffkennzahlen
Reflexionsgrad
! =reflektierter Lichtstrom
auftreffender Lichtstrom="
r
"0
Transmissionsgrad
! =transmittierter Lichtstrom
auftreffender Lichtstrom="
t
"0
Absorptionsgrad
1= ! + " + #! = 1" # " $ Da Energieerhaltung gilt:
Normen
DIN 13032 oder 5032 Lichtmessung
DIN 5033 Farbmessung
DIN 6169 und CIE 13.2 Farbwiedergabe
Klasse Gesamtfehler
L 3 %
A 5 %
B 10 %
C 20 %C
Genauigkeitsklassen für Beleuchtungsstärkemessgeräte:
Lichtstrom Lambertstrahler
E = L !"
pE
A
!=
! = LA"
p
Lambertstrahler strahlt in Halbraum ab ( $ = 90° ).
! = " #L #A
!
p= " sin
2#
! = "E #A
Beleuchtete lambertsche Fläche
abgestrahlter Lichtstrom
Mit: *: Mittlerer Reflexionsgrad
Umrechnung
Objekt: Glühlampe
Leistung P = 100 W
Lichtstrom ) = 1.400 lm
Raumwinkel % = 4'
Lichtstärke I = ) / % I , 100 cd
Durchmesser d = 0,055 m
Fläche Ap , 0,002 m"
Leuchtdichte L = I / Ap L , 50.000 cd / m!
Abstand Arbeitsfläche r = 1 m
Beleuchtungsstärke E = I / r" E = 100 lx
Leuchtdichte L = * E / !P !P = '
Reflexionsgrad * = 0,3
L , 10 cd / m2
Leuchtdichte - Rechnung
A = ! r tan"( )
2
= !r2tan
2"
L =I
Ap
=E ! r 2
A= E
r 2
"r 2tan
2#= E !const
Lichtstrom - Rechnung
!E
AE
=!
K
AK
!K=!
E
AE
AK
! = E "4#r2
! =!
E
AE
AK
Lichtquelle strahlt gleichverteilt in den Vollraum ab:
Gremien und Regelungen
Erarbeitung der Regelungen durch Gremien:
• GRE
• GTB
• CIE
• Nationale Gremien (FKT-SAL)
Aktuelle ECE-Regelungen:
Internet-Seiten der UN
www.unece.org/trans/main/wp29/wp29regs.html
Normen, Richtlinien, Regelungen
Genehmigungszeichen ECE E1: Deutschland E23: Griechenland E2: Frankreich E24: Irland E3: Italien E25: Kroatien E4: Niederlande E26: Slowenien E5: Schweden E27: Slowakei E6: Belgien E28: Weißrussland E7: Ungarn E29: Estland E8: Tschechien E30: ---------- E9: Spanien E31: Bosnien und Herzegowina E10: ehemaliges Jugoslawien E32: Lettland E11: Großbritannien E33: ----------- E12: Österreich E34: ----------- E13: Luxemburg E35: ----------- E14: Schweiz E36: ----------- E15: ehemalige DDR E37: Türkei E16: Norwegen E38: ----------- E17: Finnland E39: ----------- E18: Dänemark E40: Yugoslawische Republik Mazedonien E19: Rumänien E41: ---------- E20: Polen E42: Europäische Union ab 3/98 E21: Portugal E43: Japan E22: Russische Föderation
Normfarbtafel - Farbdreieck
!!!"# $ d )(x)(k = X
! " ###$ d )(y)(k = Y
! " ###$ d )(z)(k = Z
ZYX
Xx
++ =
ZYX
Y y
++=
y- x - 1z =
Lichtquellen
Lichtquellen
Festkörperlampen Entladungslampen
Lumineszenz Temperaturstrahlung Glimmentladung Bogenentladung
Elektrolumineszenz chemisch elektrisch Glimmlampen mit Kolben frei
La
se
rL
ED
sO
LE
Ds
EL
-Fo
lie
n
Fla
mm
en
Glü
hla
mp
en
Ha
log
en
glü
hla
mp
en
Gli
mm
lam
pe
n
Ko
hle
bo
ge
nla
mp
en
Ho
ch
dru
ck
en
tla
du
ng
Nie
de
rdru
ck
en
tla
du
ng
AFS-Scheinwerfer
[Aus: Hanno Westermann , AFS/GER/Back-up, Informal Document 48th GRE No. 28, April 2002]
Adaptive Rückleuchten
Fahrzeug mit adaptivem Licht
Fahrzeug ohne adaptives Licht
Adaptive Schlusslichter bei Nebel
[Aus: Thomas Luce, Schefenacker, SPIE - Photonics in the Automobile Nov 2004]
Sensoren adaptiver Leuchten
[Aus: Thomas Luce, Schefenacker, SPIE - Photonics in the Automobile Nov 2004]
Betriebsgeräte
EVG für Xenon-Lampen
[Aus: Yongxuan Hu, Analysis and Design of HID Lamp Ballast for Automotive Headlamp]
Bussysteme
Übersicht:• CAN:
• Niedrige Bandbreite
• Ereignisgesteuert
• Ungeeignet für X-by-wire
• TTCAN:• Zeitgesteuerter CAN-Bus
• FlexRay:• Hohe Bandbreite
• Synchroner und asynchroner Betrieb
• Geeignet für X-by-wire
• MOST:• Hohe Bandbreite
• Synchroner und asynchroner Betrieb
• Geeignet für Telematik
Nachtsichtsysteme
Originalbild
Aufbereitetes Bild
[Aus: PAL 2003, EDEL - Enhanced Driver’s Perception In Poor Visibility ]
Verbesserung der Sicht durch Bildverarbeitung
Infrarot Systeme
aktive Systeme
nahes IR
780 nm - 3000 nm
passive Systeme
fernes IR
3000 nm
16000 nm
IR-Systeme
Halogen-Lampe
+
Filter
IR-LED IR-Laser
nahes Infrarot
Sichtweiten mit Hilfssystemen
Abblendlicht
IR-System
Kamerawinkel
[Aus: Jan C. Egelhaaf, Peter M. Knoll; Robert Bosch GmbH]
Aktuelle Forschung - Untersuchungen
• Einfluss der Konstruktion auf die Wahrnehmung
• Homogenität
• Kontrast
• Erkennbarkeitsentfernung
• Blendung (Spektraler Einfluss)
• Energieeffizienz
• Bewertungsverfahren
• Adaptive / Dynamische Systeme
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