Licht- und Displaytechnik Einführung

Lichttechnisches Institut
Licht- und Displaytechnik
Einführung
von
Karsten Klinger
Wintersemester 2008/2009
Vorlesung Licht- und Displaytechnik
Allgemeine Informationen
Vorlesungen
Prof. Dr. Lemmer
Dr. Klinger
Dr. Manz
Dipl.-Ing. Domhardt
Übungen
Dr. Kooß
Fragen
Lichttechnisches Institut, Geb. 30.34, Raum 223
Telefon:
0721-608-2531
E-Mail:
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Unterlagen
Folien als PDF-Dateien auf der LTI-Homepage
www.lti.uni-karlsruhe.de, Login und Passwort „licht2008“
Prüfung
mündlich, Termin nach Vereinbarung
Administratives
• Teilnehmerliste für kurzfristige Änderungen
Vorlesungsinhalt
• Das Auge
• Lichtbeschreibung
• Physikalische Strahlungsbewertung
• Lichttechnische Strahlungsbewertung
• Grundgrößen
• Lichttechnisches Maßsystem
• Messtechnik
• Visuelle Leistungsfähigkeit
• Licht und Farbe
• Psychophysik
Vorlesungsinhalt
• Lichtquellen
• Betriebs- und Steuergeräte
• Wirkungsgrade
• Leuchten und Scheinwerfer
• B- und C-Ebenen
• Displaytechnik
• Simulation / Optik-Design
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
http://www.lti.uni-karlsruhe.de, Karlsruhe, 2003
Grundlagen der Lichttechnik aus fahrzeugtechnischer Sicht,
Karsten Klinger, http://www.lti.uni-karlsruhe.de, Karlsruhe, 2003
DIN 5031, Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik
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
Literatur
Das Auge, Trotter
DOZ-Verlag, Heidelberg, 2004
Grundlagen Beleuchtungstechnik, Baer
Huss-Verlag, 3. vollständig überarbeitete Auflage
ISBN 10: 3-314-01497-7
ISBN 13: 978-3-314-01497-4
Elektromagnetische Strahlung
Strahlungsphysikalische ! Lichttechnische Größen
Radiometrie
Photometrie
Wie viele Photonen?
Wie viel Energie?
Wie viel Licht?
Wie hell?
Sichtbar
Mikrowellen
Radiowellen
10
7
10
8
10
9
10
10
“THz”
10
11
10
Infrarot
12
10
13
10
Ultraviolett Röntgen
14
10
15
10
16
10
17
Frequenz (Hz)
Licht: emittierte Strahlung zwischen 380 nm und 780 nm
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 = "!#
Bewertung der Strahlung
• Der Detektor entscheidet über die Bewertung der
Strahlung.
• Im Falle von Beleuchtungs- und Displayanwendungen ist
dies das menschliche Auge.
• Ansonsten ist die spektrale Charakteristik des Detektors
entscheidend.
Radiometrie vs. Photometrie
Radiometrie vs. Photometrie
Beleuchtungstechnik
Radiometrie
• Belastung von Ausstellungsstücken (Schaufenster,
Museum) durch UV-Strahlung
• Wärmeeintrag in Räume du auf Ausstellungsstücke (z.B.
Dimensionierung der Kühlleistung, Beleuchtung von
Schokolade)
Photometrie
• Wirkung des Lichtes auf den Menschen
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
Lichttechnische Systeme
Lichttechnische Systeme
• Lichterzeugung
• Lichtsteuerung
• Lichtlenkung
• Lichtwirkung
Das Auge
[Quelle: David H. Hubel, Auge und Gehirn]
Aufbau des Augapfels
• Kugelige Gestalt
• In knöchernen Augenhöhle
in Fettpolstern gelagert
• Durchmesser: 24-26 mm
• Frei beweglich
• Wird von 2 Muskelpaaren
(oben/unten und
rechts/links) gesteuert
• Horizontale und vertikale
Bewegungen sehr schnell
• Schräge Bewegungen sehr
langsam
Querschnitt durch das Auge
Gelber Fleck
Blinder Fleck
Brechkraftanpassung
Trübung der Linse mit fortschreitendem Alter
Die Katarakt betrifft rund
99 Prozent aller
Menschen über 65
Jahre.
In Deutschland werden
pro Jahr etwa 600.000
Personen an diesem
Leiden operiert.
Linsentrübung im Auge
[Quelle: W. Adrian]
Augfehler
[Quelle: W.D. Bockelmann]
Netzhaut
Schnitt durch die Netzhaut
• Dicke: 0,2 - 0,4 mm
• Liegt lose auf
Aderhaut
• Nur an Ziliarkörper
und am
Sehnerveneintritt
verwachsen
• Netzhautablösung
möglich
Empfängertypen
Nachtsehen
• Stäbchen
• Anzahl: 100.000.000
Zapfenarten
• L-Typ rot
570 nm
• M-Typ grün 540 nm
• S-Typ blau 430 nm
Skotopisch
Dunkel
Mesopisch
10-3 cd/m!
Tagsehen
• Zapfen
• Anzahl: 5.000.000
• Rot : Grün : Blau
4 : 16 : 1
Photopisch
10 cd/m!
Hell
Adaption, Leuchtdichtebereich
Anpassung des Auges über extremen Leuchtdichtebereich:
"
Änderung der Pupillenöffnung $ Variation um Faktor 16
"
Übergang von Zapfen- auf Stäbchensehen
"
Änderung der Sehstoffkonzentration in den Empfängern
"
Verschaltung der Sehzellen
"
Absolutblendung bei 106 cd/m2
10-3 cd/m!
10 cd/m!
106 cd/m!
Adaption
Ordinate:
Adaption durch Variation
des Pupillendurchmessers Notwendiger Leuchtdichteunterschied zur Erkennung eines
Sehobjektes („gerade erkannt“)
Dichteverteilung von Stäbchen und Zapfen
• Höchste Zapfendichte Netzhautgrube (Fovea Centralis /
Mitte gelber Fleck)
• Blinder Fleck: Sehnerv verlässt Auge
Blinder Fleck
Elektrische Signale beim Sehvorgang
Sehvorgang
" Absorption von Licht in Zapfen/Stäbchen
" Komplexe photochemische und elektrochemische Prozesse
" Vorverarbeitung (Komprimierung) in Schaltzellen
" Elektrische Impulse zum Sehnerv
Elektrische Signale beim Sehvorgang
Hellempfindlichkeit bestimmen
Bei gleicher physikalischer Strahldichte
erscheinen andersfarbige Bereiche unterschiedlich hell.
Aus Messungen mit vielen farbnormalsichtigen Beobachtern entstand 1924 die
spektrale Hellempfindlichkeitskurve.
V(") - Funktion
1
V(")
0,5
555 nm
0
380
420
460
500
540
580
620
Wellenlänge [nm]
660
700
740
780
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
610
620
0,000039
0,000120
0,000396
0,001210
0,004000
0,011600
0,023000
0,038000
0,060000
0,090980
0,139020
0,208020
0,323000
0,503000
0,710000
0,862000
0,954000
0,994950
0,995000
0,952000
0,870000
0,757000
0,631000
0,503000
0,381000
630
640
650
660
670
680
690
700
710
720
0,265000
0,175000
0,107000
0,061000
0,032000
0,017000
0,008210
0,004102
0,002091
0,001047
730
740
750
760
0,000520
0,000249
0,000120
0,000060
770
780
0,000030
0,000015
Lineare vs. Logarithmische Aufteilung
Abhängig von:
1. Messmethode
2. Leuchtdichte
3. Testfeldgröße
4. Ort des Reizes
auf der Netzhaut
Bestimmung der Unterschiedsempfindlichkeit
Unterschiedsempfindlichkeit
Unterschiedsempfindlichkeit, Beispiel
Sehschärfeverteilung
Landoltring
Abhängigkeit der Sehschärfe vom
Netzhautort
Sehschärfe in Abhängigkeit der Adaptionsleuchtdichte
Sehschärfe, Beispielsimulation
Sehschärfe 1
Sehschärfe 0.3
Sehschärfe im Alter
[Quelle: W. Adrian]