Upload
ngodiep
View
214
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Lichttechnisches Institut
Licht- und Displaytechnikvon
Uli LemmerKarl Manz, Dieter Kooß
Karsten Klinger, Sven Schellinger, AndréDomhardt
Wintersemester 2004/2005
Scripte
Vorlesungen mit teilweise überlappendem Inhalt:
• Grundlagen der Lichttechnik
• Automobile Licht- und Displaytechnik
• Optische Technologien im Automobil
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, 1972Grundlagen der Lichttechnik, Siegfried Kokoschka,
http://www.lti.uni-karlsruhe.de, Karlsruhe 2003Grundlagen der Lichttechnik aus fahrzeugtechnischer Sicht,
Karsten Klinger, http://www.lti.uni-karlsruhe.de, Karlsruhe 2003DIN 5031, Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik
Literatur
Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit imStraßenverkehr, Eckert
Verlag Technik, 1993
Sehen und Verkehr, B. Gramberg-DanielsenSpringer-Verlag,1967;
Grundlagen der Lichttechnik - Kompendium, Dietrich GallRichard Pflaum Verlag, 2004
Auge und Gehirn - Neurobiologie des Sehens, David H. HubelSpektrum der Wissenschaft, 1989
Systemtheorie der visuellen Wahrnehmung, G. HauskeB.G. Teubner Stuttgart, 1994
Auge Brille Auto, Werner D. BockelmannSpringer-Verlag, 1987
Lichttechnik-Tage in Karlsruhe
Sichtbare Strahlung - Licht
Licht
• Elektromagnetische Strahlung• Ausbreitungsgeschwindigkeit c = 3108 m/s• Wellenlänge λ = 380 nm ... 780 nm
Charakterisierung
• Wellenlänge oder Frequenz• Intensität
Monochromatische Strahlung
• Eng begrenzter Wellenlängenbereich• Spektralfarbe
c = λ ν
V(λ) - Funktion380 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
0
0,5
1
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
Wellenlänge [nm]
V(λ)
555 nm
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
Physikalische Strahlungsbewertung
Strahlung• monochromatische Strahlung• KontinuumsstrahlungSpektrum
Glühlampe 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
gsstä
rke [
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• 1400 W/m²Bestrahlungsstärke auf der Erdoberfläche• 1000 W/m²
Raumwinkel
Ebener Winkel• Mittelpunkt• Zwei Geraden• Umschließen eine Fläche
Raumwinkel• Mittelpunkt• Zwei Flächen / Kegeloberflächen mit gleicher Mittelachse• Umschließen ein Volumen
Wirksame Fläche
A ε A cos ε
Wirksame Fläche
Ausstrahlwinkel
α
Raumwinkel, Zahlenwerte
Vollraum 4π srHalbraum 2π srKreiskegel mit α=32°46´ 1 sr
4π sr 2π sr 1 sr
Das visuelle System
[Aus: David H. Hubel, Auge und Gehirn]
Photometrisches Grundgesetz
εΩA
Fläche A mit Leuchtdichte L
cos
A
L dA d!"
# = $ $ $ "% %B
Beschreibt den Strahlungsaustauschzwischen den beiden Flächen A und B
dΩdA
Spektrale Empfindlichkeit
Spektrale Empfindlichkeiten von lichtempfindlichen Empfängern
Relative spektrale Stromempfindlichkeitfür die physikalischen EmpfängerSilizium und Selen
Spektrale Hellempfindlichkeitsfunktiondes menschlichen Auges für dasTagessehen, die sog. V(λ)-Funktion
Relative spektrale StrahlungsleistungS(λ) eines Temperaturstrahlers beieiner Temperatur von 2856 K(sog. Normlichtlichtart A)
Spektrale Wirkungsfunktion
Wirkungsfunktionen
• Pflanzenwachstum• Hautbräunung• Helligkeitswirkung
Spektrale Wirkungsfunktion, Helligkeit
Messwerte Genormte Kurve
Relative spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichenAuges unter Tageslichtbedingungen (hell adaptiertes Auge)
Ermittlung spektraler Wirkungsfunktionen
Abgleich farbiger Strahlung mit weisser Strahlung
Direktabgleich
Weisse (graue) Strahlung wirdvon der Versuchspersongleichhell wie farbige Strahlungeingestellt
Das lichttechnische Maßsystem
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
Definition der Lichteinheit
Lichtstärke von 1 cdLichtstärke einer Strahlungsquelle in einer bestimmtenRichtung, die eine Frequenz von 5,40 ·1014 Hz aussendetund deren Strahlstärke 1/683 W/sr beträgt.
In Luft entspricht eine Frequenz von 5,40·1014 Hz einerWellenlänge von 555 nm, bei der V(λ) = 1 ist.
Maximale photometrische StrahlungsäquivalentKm = 683 lm/W
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.
V(λ) - Funktion, Effekte
Helmholtz-Kohlrausch Effekt:
In V(λ) nur achromatischerAnteil der Helligkeit enthalten
Bunte Strahlung wird heller,als unbunte Strahlungempfunden.
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
Purkinje - Effekt
Bei V(λ) bewerteter Strahlung erscheint blau heller als rot�
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
λ
Wellenlänge λ [nm]�
V(λ) : Tagessehen
V´(λ) : NachtsehenV ( )V´( )λ
1,0
0,0
0,5
Lichtstromberechnung
Schwarzer StrahlerTemperatur T = 2500 K, Fläche A = 1 mm²
Ergebnis: φ = 17,7 lm
0.0000
0.0002
0.0004
0.0006
0.0008
0.0010
300 400 500 600 700 800
Wellenlänge λ in nm
sp
ek
tra
le
Str
ah
lun
gs
leis
tun
g
e(λ )
in
W/n
m
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
sp
ek
tra
le
He
lle
mp
fin
dli
ch
ke
t V
(λ)V( λ )
Φeλ (λ ) V( λ )
φe l(λ )
φ
Grundgrößen - Lichtstrom
Konstante Km = 683 lm/W
Name: LichtstromEinheit: Lumen [ lm ]Zeichen: Φ [ Phi ]
( ) ( )nm
m e
nm
K V d! ! ! !" = " # #$780
380
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: LichtstärkeEinheit: Candela [ cd ]Zeichen: I
Name: RaumwinkelEinheit: Steradiant [ sr ]Zeichen: ω [ Omega ]
I!
"=
Lichtstärke - Zahlenwerte
Lichtquelle Lichtstärke
Kerze 1 –2 cd
Glühlampe 100 W 102 cd
Fernlicht 104 cd
Mond 1017
cd
Sonne 1027
cd
Grundgrößen - Beleuchtungsstärke
Name: BeleuchtungsstärkeEinheit: Lux [ lx ]Zeichen: E
EA
!=cos
IE
r!=
2
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
Grundgrößen - Leuchtdichte
Name: LeuchtdichteEinheit: Candela pro
Quadratmeter[ cd/m² ]
Zeichen: L
p
IL
A=
p
LA
!=
"
Ap
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
Lambertstrahler
Eingeführt von Johann Heinrich Lambert im Jahr 1760.
L0
Le = I0
Ie = I0 cos ε L0
εε.
Die Leuchtdichte ist winkelunabhängig.
Die Lichtstärke ist winkelabhängig.
• Lichtquellen mit richtungsunabhängiger Leuchtdichte• Vollkommen streuend reflektierende, matte Flächen
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:
dE L
dA
!= = "#
Photometrisches Entfernungsgesetz, Formel
E L= !" I L A= ! A
r! =
2
cosI
Er
!=2
IE
r=
2
ε
r
Photometrisches Entfernungsgesetz, Fehler
h
r
EmpfängerLichtquelle
r
h
!
!
"=1
! ! [%] r / h
0,001 0,1 31,6
0,005 0,5 14,1
0,01 1 9,95
0,03 3 5,69
0,05 5 4,36
0,1 10 3,00
Umrechnung
Objekt: GlühlampeLeistung P = 100 WLichtstrom Φ = 1400 lmRaumwinkel Ω = 4πLichtstärke I = Φ / Ω I ≈ 100 cd
Durchmesser d = 0,055 mFläche Ap ≈ 0,002 m²Leuchtdichte L = I / Ap L ≈ 50.000 cd / m²
Abstand Arbeitsfläche r = 1 mBeleuchtungsstärke E = I / r² E = 100 lx
Symbole