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VDI-Bericht, Nr. 2038 (2008)

LEDs eröffnen dem Optikdesigner völlig neue Entwicklungsmöglichkeiten. Breite Anwendung finden LEDs als Lichtquellen in automobilen Leuchten mit Signalfunktion wie zum Beispiel Rücklichtern und Fahrtrichtungsanzeigern. Erste LED-Frontscheinwerfer sind im High-End-Sektor bereits verfügbar oder stehen kurz vor der Markteinführung. Die Entwicklung von LED-Leuchten gestaltet sich als komplexes Zusammenspiel verschiedener Faktoren. Alle lichttechnischen Einrichtungen an der Außenseite eines Fahrzeugs sind sicherheitsrelevant und müssen daher in Europa den Anforderungen der ECE-Regelungen genügen. Der zunehmende Einsatz von High-Power-LEDs in allen Bereichen der automobilen Beleuchtung erfordert neuartige, fortgeschrittene Designtechniken. Nur so lassen sich die vorteilhaften Eigenschaften der LEDs konsequent für die Entwicklung hocheffizienter Beleuchtungssysteme nutzen. Dieser Beitrag verdeutlicht anhand des praxisrelevanten Beispiels eines LED-Frontscheinwerfers die Entwicklungsschritte der dazugehörigen optischen Komponenten. Die besondere Herausforderung der Aufgabenstellung liegt in der Erzeugung einer scharfen Hell-Dunkel-Grenze ohne zusätzliche abschattende Elemente. Anders als einige bisherige Lösungen basiert dieses System somit nicht auf der Projektionstechnologie. Das System ist zur Erzielung der erforderlichen Beleuchtungsstärken modular skalierbar und zeichnet sich durch weitreichende Anpassungsmöglichkeiten an das gewünschte individuelle Erscheinungsbild des LED-Scheinwerfers aus.
Als Designmethoden finden hierbei das Konzept der Virtually Reflecting/Refracting Surfaces (VRS, das Maßschneidern von Freiformflächen und Optimierungsalgorithmen Verwendung. Diese Verfahren eignen sich hervorragend, um die Vorgaben bezüglich des äußeren Erscheinungsbildes und die Forderung nach hoher Effizienz des lichttechnischen Systems in Übereinstimmung zu bringen.

Proc. SPIE 7003, 70032J (2008)

Proc. SPIE 7003, 70032C (2008)

Proc. SPIE 7003, 700328 (2008)

 Proc. SPIE 7003, 700329 (2008)

VKU-Verkehrsunfall und Fahrzeugtechnik, Ausgabe 04/2008

Bundesanstalt für Straßenwesen (Bast), Bericht, Heft F66, 2008

Präsentation und Paper SPIE 2008

Actual studies show that 40 % of all accidents occur at night, but the part of the drives during the night represent only 20 % of all drives [WEID06]. So the risk potential to be involved in an accident at night is almost three times higher in comparison to daytime.
A headlamp is primary used to illuminate the road. Secondary the signal aspect is an identifying feature for other road users. As simple as these tasks seem to be, it is not easy to perform it in every situation because of environmental factors. Especially the weather conditions, but also the type of road and the traffic density causes difficulties. The ambition of the design of a headlamp is an adaptive system which is able to adjust on various factors to perform these tasks.
In many cases there are already technical possibilities to realise new adaptive concepts, but up to now only a few cars are equipped with these technology. An example is the levelling system. Every modern car has a manually static or an automatically static levelling system. But because of the vehicle dynamics and the vertical road geometry it would be advisable to integrate an automatically dynamic levelling system. This System is currently used in the cars of the upper class. It would increase the road safety if this technology would be integrated in every car.       
This study describes the requirements for modern headlamps, discusses already existing sys-tems and shows the technical possibilities to realise new concepts.

Proc. SPIE Vol. 6670, 66700L (2007)

The application of ultra bright monochromatic and white High-Power-LEDs in the range of automotive lighting systems is now state of the art. These LEDs offer new possibilities in optical design and engineering within different fields of automotive lighting, e.g., tail lamps, signal lamps, headlamps and interior lighting. This contribution describes the process of the optical design of an automotive LED tail lamp based on a practical example. We will elaborate the principal geometric approach, the radiometric conditions and the optical design by using standard and advanced mathematical optimization methods. Special attention will be paid to the following topics: efficient light coupling from the LED into the optical device, adaptation of the illuminance and optimization with respect to the requirements from SAE/ECE regulations. It will be shown that the development of LED-lamps requires the complex interaction of several factors. The challenge for the optical designer is to fulfill the technical demands while also considering the appearance of the final product desired by the customer. Further design specifications emerge from the electrical and thermal layout of the lamp.

Paper VKU-Tagung 2007

Vortrag Lux Junior 2007

Untersuchung des Einflusses der
Vorfeld- und Seitenausleuchtung automobiler Scheinwerfer auf die Erkennbarkeitsentfernung von Sehobjekten

Laut Statistiken steigt das Risiko, in einen nächtlichen Verkehrsunfall verwickelt zu werden, im Vergleich zur Tagfahrt, annähernd um den Faktor drei. Aus dieser Statistik leitet sich die Wichtigkeit einer guten Beleuchtungseinrichtung am Kraftfahrzeug ab. Besonders die Scheinwerfer nehmen hier eine essentielle Rolle ein.
Die Konstrukteure unterliegen beim Konzept eines Kraftfahrzeugscheinwerfers den Auflagen der Economic Commission for Europe (ECE). Diese gibt für definierte Punkte und Zonen eines  Messschirms Mindest- bzw. Höchstwerte der Beleuchtungsstärke vor. Besonders wichtig sind die Regelungen über die Blendbegrenzung des Abblendlichtes. Erfüllt das System die gestellten Anforderungen, erstellt beispielsweise die Prüfstelle des Lichttechnischen Institutes in Karlsruhe  ein Gutachten für das Kraftfahrtbundesamt, welches letztendlich die Genehmigung erteilt. Dadurch kann ein qualitativer Mindeststandard automobiler Scheinwerfer gewährleistet werden.
Die bisherigen ECE-Regelungen sind für den Bereich der Vorfeld- und Seitenausleuchtung eines Kfz-Scheinwerfers auf ihre Relevanz zu prüfen. Aufgrund sinnesphysiologischer Aspekte, insbesondere der Streulichttheorie des Auges, könnte eine zu helle Vorfeld- bzw. Seitenausleuchtung zu einer verminderten Erkennbarkeit von Objekten im Straßenverkehr führen. Zur Gewährleistung einer hohen Verkehrssicherheit ist eine Überprüfung dieser Theorie notwendig. Im Rahmen seiner Diplomarbeit untersuchte JEBAS in dynamischen Untersuchungen den Einfluss der Vorfeld- und Seitenausleuchtung auf die Erkennbarkeitsentfernung von Objekten im Straßenverkehr. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind relevant für die Konzepte zukünftiger Lichtverteilungen eines automobilen Scheinwerfers.
Im Vortrag wurde die von Jebas durchgeführte Studie präsentiert. Dabei wurden die theoretischen Grundlagen und die Versuchsdurchführung erläutert, sowie die Ergebnisse und deren Einfluss auf zukünftige Scheinwerfer dargestellt.  


Analysis of the Influence of the near Field Illumination
and the side Field Illumination on the Detection Distance
of Objects on the Road

Statistics show that the risk to be involved in an accident at night is three times higher in comparison to the risk of the day. From this statistic follows that the automotive illumination is very important. Especially the headlamps play an essential roll.

The designer of automotive headlamps are liable to the arrangements of the Economic Commission for Europe (ECE). For defined points and zones on a measurement screen this Commission provides minimal and maximal data for the illuminance. Very important are the arrangements for glare limitations of the low beam. If the system perform the requirements, for example the test centre of the light technology institute in Karlsruhe compiles a certificate for the Federal Bureau of Motor Vehicles and Drivers. In the next step this establishment gives the approval for the road traffic. This ensures a minimum standard of the quality of automotive headlamps.  

The relevance of ECE-arrangements for the nearfield illumination and the sidefield illumination must be verified. Because of sense physiological aspects especially the scattered light theory of the eye a high intensity could lead to a reduced detection distance of objects on the road. To ensure the road safety it is necessary to verify this theory. In his thesis JEBAS analysed the influence of the near field illumination and the side field illumination on the detection distance of objects on the road. The surveys of this study are important for concepts of new light distributions of automotive headlamps.

The theoretic basics and the realisation of the study are described in the presentation. Furthermore it shows the results of the survey as well as the influence of prospective headlamps.

 

Postervortrag Lux Junior 2007

Die dynamische Leuchtweitenregelung und ihre
Relevanz für die Verkehrssicherheit

Autoren: Christian Jebas, Karsten Klinger, Uli Lemmer
Die Sicherheit bei Nacht wird wesentlich durch die Scheinwerfer eines Fahrzeuges bestimmt. Besonders hohe Anforderungen werden an die Abblendlichtverteilung gestellt. Diese soll nicht nur den Verkehrsraum ausleuchten, damit der Fahrzeugführer potentielle Gefahrenquellen rechtzeitig erkennt, sondern auch die Blendung entgegenkommender Verkehrsteilnehmer vermeiden. Die Reichweite der Ausleuchtung ist daher von großer Bedeutung. Eine zu kurze Reichweite führt zu einer zu geringen Sichtweite, wogegen aus einer zu großen Reichweite eine Blendung des Gegenverkehrs resultiert. In der Regel beträgt die Neigung des Schweinwerfers 0,57 ° bzw. 1 %. Bei einer typischen Anbauhöhe von 65 cm wird so die Reichweite des Scheinwerfers auf 65 m begrenzt.

Die Längsneigung, also die Lage des Fahrzeuges bezogen zur Fahrbahnebene, ist nicht konstant. Wechselnde Beladungszustände, sowie die Fahrdynamik verursachen ein ständiges Schwanken der Karosserie und führen somit zu einer Änderung der Scheinwerferreichweite, die keinesfalls gering ist. Bei einer mittleren positiven oder negativen Beschleunigung von 3 m/s² können die Neigungswinkel je nach Fahrzeugtyp bis zu 1 ° betragen. In diesem Fall besitzt der Scheinwerfer beim Abbremsen des Fahrzeuges fast eine dreimal größere Neigung, als im Normalfall. Die Reichweite entspricht dann nur noch einem Drittel des Ausgangswertes, also in etwa 22 m. Beim Beschleunigen mit diesem Wert besitzt der Scheinwerfer eine fernlichtähnliche Charakteristik und führt zu einer Blendung des Gegenverkehrs. Bei Fahrzeugen mit besonders hoher Zuladung, wie beispielsweise im Fall von Kleintransportern können die Nickwinkel bei starker Verzögerung sogar Werte bis zu 2 ° erreichen.

Zur Gewährleistung einer konstanten Reichweite des Scheinwerfers sind Kompensationseinrichtungen erforderlich, die in der Lage sind, Längsneigungen des Fahrzeuges auszugleichen. Diese Systeme werden als Leuchtweitenregelung (LWR) bezeichnet. Das Poster erläutert die Notwendigkeit, sowie den prinzipiellen Aufbau von bereits etablierten Leuchtweitenregelungen.

Licht 2006, Bern, Vortrag

Licht 2006, Bern, Vortrag
Licht 2006, (2006)
Licht 2006, Bern, Vortrag
Proceedings of the SPIE 6198: Photonics Europe: Photonics in the Automobile, 61980G (2006) The Light Technology Institute equipped a test vehicle with ambient lighting of door surfaces, the foot area, the roof liner and the instrument lighting. All lighting devices can be varied in color and brightness. In a first study the effects of the colors white, blue, red, green, orange, turquoise and violet in three stages of luminance  (0.04 cd/m2, 0.1 cd/m2, 0.4 cd/m2) on the contrast vision were examined. The test persons had to recognize Landoltrings of different size and with decreasing contrast. These Landoltrings were presented in visus steps from 0.125 to 2 on a screen in a distance of 20 meters. The contrast ratios were 1, 0.7, 0.5, 0.33 and 0.2. Depending on the minimum ring contrast recognized by the test person, an improvement or degradation of the visual efficiency as a function of the brightness or the color of the ambient lighting was found. The results of this study are presented on a poster at the conference.
ISAL 2005 6th International Symposium on Automotive Lighting, Proceedings, September 27–28, 2005, Darmstadt

Proceedings of the ISAL 2005, 6th International Symposium on Automotive Lighting, Darmstadt, ISBN: 3-8316-0499-1, p.831-839, 27.-28.9.2005

 
The New Car Assessment Program, abbreviated „NCAP“, is a rating system for new cars. The rating criteria exceed the requirements of the regulations and provide  costumers with information on the safety of a car. So far, the NCAP tests are restricted to the case of a crash. The present rating is well known under the name „NCAP-crash test“. Car manufacturers promote their cars by mentioning the number of received „NCAP-stars“, which symbolize the performance in the crash tests. A maximum value of five stars can be achieved.

The development of significant rating criteria was a prerequisite for a meaningful NCAP-rating. The criteria for the crash behavior of cars are established. Recently the extension towards active safety systems has been addressed. Lighting is an important part of active safety of cars.

We have worked out a catalogue and a categorization of significant criteria for measures that increase the safety of the driver by improving lighting and visibility. From the results of this research, a rating-system for “NCAP-lighting” is deduced.

Jahrestreffen der Hochschulgemeinschaft für Lichttechnik an der Universität Karlsruhe (25.10.2004)
Jahrestreffen der Hochschulgemeinschaft für Lichttechnik an der Universität Karlsruhe (5.10.2004)
Tagungsbeitrag FIRST WORKSHOP ON PHOTONICS IN THE AUTOMOBILE 2004
29 November – 1 December 2004
World Meteorological Organization Geneva, Switzerland
Conference Chair: Thomas P. Pearsall, European Photonics Industry
Consortium (France)
The rearward signal aspect consists of lights with different colors. With standard technics these signal lights are
located at different places. With new technics it is possible to build signal lights with different colors together
in one place. The signals overlap.
In experiments at the University of Karlsruhe we studied the dependency between reaction time and overlap
of signal lights. We can see, that the total overlap from a yellow turn signal and a red brake signal will increase
the reaction time. The increase depends of the ratio between the luminance of the turn indicator signal and
the luminance of the brake signal. With a ratio from one to one (best case with minimal increase) we found an
increase of 300 milli seconds.

Tagungsbeitrag auf der Licht 2004, 20. - 22. Sept. 2004, Dortmund, Germany

Erläuterung der Problematik
Das rückwärtige Signalbild eines Kraftfahrzeuges besteht aus Lichtsignalen mit teilweise unterschiedlicher Farbkodierung.
Aufgrund der bisher verwendeten Technologien wurden Signale unterschiedlicher Farbe bisher fast immer durch voneinander getrennte Leuchtenteile realisiert. Unterschiedlich farbiges Licht tritt somit aus unterschiedlichen Flächen aus.
Mit neuen Technologien zur Lichterzeugung können Fahrzeugleuchten gestaltet werden, bei denen das Licht verschiedenfarbiger Signale aus derselben Fläche austritt. Die Flächen der einzelnen Signale überlappen.
Ziel der Untersuchungen ist es, zu ermitteln, in wie weit eine Mischung verschiedenfarbiger Signale bzw. die teilweise Überlappung der Flächen von zwei Signallichtern im Vergleich zu einer konventionellen Anordnung mit klar getrennten leuchtenden Flächen zu einer signifikanten Verlängerung der Reaktionszeit führt.