Light Design

1
Lichttechnisches Institut

Optische Technologien im
Automobil
Forschungs Universität Karlsruhe (TH)

von
Dr. Karl Manz

Sommersemester 2009
Karl Manz Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 Scheinwerfer

2
Inhalt

Scheinwerfer-Design

• Typische Lichtquellen
• Spektren der Lichtquellen
• Wirkungsgrade

• Lichtlenkung bei Scheinwerfern
• Übersicht über aktuelle Scheinwerfer


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Lichtquellen
Lichtquellen

Festkörperlampen Entladungslampen

Lumineszenz Temperaturstrahlung Glimmentladung Bogenentladung

Elektrolumineszenz chemisch elektrisch Glimmlampen mit Kolben frei

Glühlampen
Halogenglühlampen

Kohlebogenlampen
Hochdruckentladung
Niederdruckentladung
Flammen

Glimmlampen
EL-Folien
LEDs
OLEDs
Laser


4
Halogenglühlampen

Halogenkreisprozess
• Längere Lebensdauer
• Höhere Lichtausbeute Wendeltemperatur ca. 3000 K
• Kleinere Bauform Glastemperatur ca. 470 K

[Bilder: Handbuch der Beleuchtung]


5
Spektren von Lichtquellen

Spectral Distribution of Different Light Sources

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4
D2
0,3 D4
A
D65
0,2
LED

0,1

0
380 430 480 530 580 630 680 730 780
Wavelength [nm]


6
Wirkungsgrade LEDs

Luxeon kaltweis 5W 25,0 lm/W
Luxeon kaltweiss 3W bei 700mA 25,0 lm/W
Luxeon kaltweiss 1W 20,1 lm/W
Luxeon warmweiss 1W 16,7 lm/W
Nichia weiss 180mW ca. 30,0 lm/W
Nichia warmweiss 100mW ca. 10,0 lm/W

Osram weiss TOPLED 86mW 7,0 lm/W
Osram Golden Dragon 2W 21,0 lm/W
GELcore weiss TL 60mW 24,6 lm/W
Cree XLamp 7090 1W 75,7 lm/W

lm/
W

7
Ansteuerkonzepte für LEDs

R

Luxeon kaltweiss 1W mit Widerstand 4,3 lm/W

EVG

Luxeon kaltweiss 1W mit EVG 16,7 lm/W

lm/
W

8
Wirkungsgrade Halogenglühlampen

lm/
W

9
Technische Daten H1-Glühlampe

Norm: ECE-R 37

Nenndaten
Spannung: 12 V
Leistung: 55 W
Lichtstrom: 1150 lm

Prüfbedingungen
Spannung: 13,2 V
Leistung: 68 W
Lichtstrom: 1550 lm

Wirkungsgrad: 22,8 lm/W
lm/
W

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Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im „Xenon“-Scheinwerfer

D2-Lampe (Xenon Lampe):
50 bar Xenon (7 bar Kaltfülldruck)
20 bar Quecksilber
<1 bar NaI, ScI3

Technische Daten:
Strom: 0.4 A, 400 Hz Rechteck
Leistung: 35 Watt (85 V)
Lichtstrom: 3200 lm (Start: 400 lm)
Wirkungsgrad: 91 lm/W

lm/
W 4 mm

11



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Temperaturbereiche

Maximale Betriebstemperaturen im Fahrzeug
• Heckleuchten +55°C
• S3 Bremsleuchte und spezielle Heckleuchten +80°C
• Elektronik in Motornähe (zB: Xenon-Steuergerät) +105°C

Temperaturbereiche
• Erweiterter Temperaturbereich -40°C bis +85°C

• Betriebstemperatur -30°C bis +70°C
• Innenraum -20°C bis +65°C (+100°C)

Klimatest (in stromlosem Zustand, bei 95% Luftfeuchtigkeit)
• 12 Stunden bei 25°C, dann 12h bei 55°C 6 Tage am Stück

[Quellen: BMW, DaimlerChrysler, Harman Becker Automotive Systems, Hella, Lumileds]


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Thermik im Scheinwerfer

[Aus: L-LAB, Sascha Nolte]


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Blendung

S: Sichtweite
l: Begegnungsentfernung
Scheinwerfer: asymetrisches Abblendlicht („E“)
Nebelscheinwerfer („H3“)
[Aus: Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im Straßenverkehr, Eckert]


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Lichtlenkungssysteme

• Paraboloide
• Elipsoide
• Projektionssysteme
• Frei-Form-Flächen

• Lichtleiter
• Pixel Light (diskrete Verteilung)
• LED-Scheinwerfer (diskrete Verteilung)


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Grundsätzlich gilt: IScheinwerfer ~ LLichtquelle ·AAustrittsoptik · Verlustfaktoren

Hierbei sind als Verlusfaktoren anzusetzen: Absorption, Relektionsgrad, optischer Wirkungsgrad,
Streuanteile, etc. ..


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Lichtlenkung mit Paraboloid und axialer Wendel

W: Wendel
W1/2: Wendelabbild
f: Brennpunkt

R: Reflektor
Je größer die Brennweite → desto kleiner der Öffnungswinkel
→ mit → hohe Lichtstärke

Je klener die Brennweite → desto größer der Öffnungswinkel
→ mit → niedrige Lichtstärke

[Aus: Handbuch der Beleuchtung]


18
Lichtlenkung mit H4-Lampen



19
Wendelbilder auf der Straße



20
Streuscheiben bei Paraboloid-Reflektoren



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Lichtlenkung bei tangentialer Wendellage

A: Wendel Abblendlicht
F: Wendel Fernlicht
W1/2: Wendelabbild
f: Brennpunkt [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

Y1, y2 : Brennweiten
R: Reflektor

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Freiformflächen-Reflektor

Hoher Wirkungsgrad: Alles Licht kann genutzt werden
Freiflächen – Optik (Complex Shape Optic)


23
Complex shape Optiken

Richtung der Berechnung

Von der Lichtverteilung zur Lichtquelle


24

Wendelbilder beim Freiform-Scheinwerfer


25

Diese Technik ermöglicht es,
auch komplexe Leuchtdichtestrukturen umzusetzen!

Quelle: Ries, Muschaweck, OEC AG,
Maßgeschneiderte Beleuchtungssyteme,
Photonic 2004


26
Lichtlenkung mit Ellipsoid - Reflektor bzw.

Projektionsscheinwerfer

W: Wendel
W‘: Wendelabbild
F: Brennpunkte
R: Reflektor



27

Forschungs Universität Karlsruhe (TH) Prinzipieller Aufbau des Projektionsscheinwerfers


28
Lichtlenkung bei Projektionssystemen

W: Wendel
W‘: Wendelabbild
F: Brennpunkte
R: Reflektor
L: Linse
O: optische Achse


29
Projektionssysteme und deren Blenden

Vorteile:
• Rechts-Links-Verkehr Umschaltung
• Fern- und Abblendlicht mit einer Lichtquelle
• Verschiedene Lichtverteilungen

• Sehr gleichmäßige Lichtverteilung
Nachteile:
• Lichtstromverlust
• Mechanik
• Gewicht
• Bautiefe

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Lichtlenkung bei Projektionsscheinwerfern mit Blenden

R: Reflektor
W: Wendel L: Linse
W‘: Wendelabbild O: optische Achse
F: Brennpunkte B: Blende


31
Beispiel eines Projektionsscheinwerfers

[Aus: Hella, Research & Development Review 1997]


32
Freiform Walze

[Aus: Hella]


33
Freiform Drehscheiben-Reflektor

[Aus: Valeo]


34
Schwenkmodul

[Aus: Automotive Lighting]


Scheinwerfer mit LED 35



Scheinwerfer mit LED 36



37
Lichtlenkung durch Lichtleiter



38
Lichtleiter - spektrale Transmission



39
Lichtleiter - Temperaturabhängigkeit



40
Lichtleiter - Feuchte



41
DMD-Chip


42
Pixel Light - schematischer Aufbau


43
Pixel Light - Demonstration


44
LED-Scheinwerfer mit diskreter Verteilung
Bezeichnungen:
Voxel-Light
Matrix Beam
eine LED pro Raumwinkelsegment
jede LED individuell ansteuerbar


45
AFS-Funktionen

Bezeichnungen:
Advanced Front Lighting System
Intelligent Light


46
Schlechtwetterlicht

[Aus: AFS Task Force]


47
Kurvenlicht - Schwenkstrategien
Schwenkstrategien:
Parallel Einseitig Divergent


48
Abbiegelicht


49

Forschungs Universität Karlsruhe (TH) Optimierungsmöglichkeiten eines Bi-Halgenscheinwerfers

Quelle: Markus Kiesel, The Bihalogen Projector – Changes and Challenges, SP – 2223, Automotive Lighting Technology,
2009, SAE World Congress, Detroit April 2009
49 Karl Manz Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 Scheinwerfer

Lichtströme moderner Scheinwerferlampen 50



51

Nach Kiesel haben typische Projektionsscheinwerfer
eine Linse mit einem Durchmesser von 70mm und
eine rückseitige Brennweite von 55mm.

Wie schon zuvor dargestellt bewirkt eine

Vergrößerung des Linsendurchmessers eine
Steigerung der Lichtstärke;
Bezogen auf o.g. Scheinwerfer resultiert aus einer
Vergrößerung des Linsendurchmessers um1mm eine
Steigerung der maximale Lichtstärke des Fernlichts
von 1% bis 2%.


52

Weiterhin pro 1mm Linsenvergrößerung nimmt der
Lichtstrom auf der Straße (nutzbare Lichtstrom) um 2%
zu, das bedeutet eine Steigerung der Effizienz.

Projektionsscheinwerfer mit 70mm Linsendurchmesser
habe eine Effizienz von ca. 49.5%;

Projektionsscheinwerfer mit 75mm Linsendurchmesser
habe eine Effizienz von ca. 55.2%;


53
Vorteile größerer Linsendurchmesser


54

Mit der Vergrößerung des Linsendurchmessers
Steigt auch das Gewicht der Linse mit ca 6.5g pro 1mm
größerem Durchmesser;
Zudem verlängert sich auch die Gesamtlänge des
Projektionssystems obwohl die Brennweite unverändert

bleibt.

Die betrifft besonders Scheinwerferkonstruktionen bei
denen alternativ sowohl Halogen- als auch
Gasentladungslampen zum Einsatz kommen sollen.
Zudem höheres Gesamtgewicht ist kritisch hinsichtlich
Vibrationen und Testsbezüglich des Fußgängerschutzes.


55



56

Verkleinerung der Brennweite der Linse um 1mm
steigert den nutzbaren Lichtstrom um ca 10lm bis 12lm
das bedeutet eine Effizienzsteigerung um ca 0.7% bis
0.8%;

Demgegenüber nimmt gleichzeitig die maximale
Fernlichtstärke um ca 1.5% ab.

Die Verkürzung der Linsenbrennweite erhöht das
Gewicht um ca 2g per 1mm;


57


Das Diagramm zeigt die Abhängigkeit von der Brennweite


58

Bei der hier diskutierten Lösung erreichte der
Scheinwerfer mit einem Linsendurchmesser von
75mm und einer Brennweite von 57mm einen
brauchbaren Kompromiss hinsichtlich des
nutzbaren Lichtstromes und der maximalen

Lichtstärke des Fernlichts:
Erreicht wurden 800lm nutzbare Lichtstrom
und eine Lichtstärke des Fernlichtes von 65 000cd
bei gewährleisteter Austauschbarkeit mit dem
Modul mit der Gasentladungslampe.


59

• Zum Abschluss noch einige
Impressionen


60
LED-Scheinwerfer 2003

[Aus: Hella, Lukas Schwenkschuster, 2003]


61

[Bilder: IAA 2003]


62

[Bilder: IAA 2003]


63



64
LED-Scheinwerfer IAA 2005

[Bilder: IAA 2005]


65
LED Scheinwerfer IAA 2005

[Bilder: IAA 2005]


66
LED-Scheinwerfer 2007 - Audi R8

[Bild: Audi]


67
LED-Scheinwerfer 2007 - Audi R8

[Bilder: Audi]


68
Scheinwerfer IAA 2005


69
Scheinwerfer IAA 2005 - Mini


70
Scheinwerfer IAA 2005 - Mini Detail


71
LED-Leuchten


72
Literaturangaben

Licht und Beleuchtung, Hans-Jürgen Hentschel,
Hüthig Buch Verlag GmbH, 2002
Handbuch der Beleuchtung, Horst Lange, ecomed Verlagsgesellschaft,
5. Auflage, 1992
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
Vorlesungsunterlagen zu „Automobile Licht- und Displaytechnik“
http://www.lti.uni-karlsruhe.de, Karlsruhe 2005
Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im
Straßenverkehr, Eckert
Verlag Technik, 1993
Markus Kiesel, The Bihalogen Projector – Changes and Challenges, SP –
2223, Automotive Lighting Technology, 2009, SAE World Congress,
Detroit April 2009


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