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

klinger@lti.uka.de

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