Lichttechnisches Institut

Optische Technologien im Automobil von Dr. Karl Manz Dipl.-Ing. Karsten Klinger Sommersemester 2006

Administratives Weitere Vorlesungen: Blockvorlesung Ende Juli oder weiterer Freitag in vorlesungsfreier Zeit

Licht und Farbe Inhalt • Auge • Farbdreieck • Farbwiedergabe • Farbsysteme • Farbabstand

Sichtbares Spektrum Sichtbarer Spektralbereich mit energiegleichem Spektrum

Sichtbarer Spektralbereich mit menschlichem Hellempfinden

[Quelle: Richter]

Das Auge 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/m²

Tagsehen • Zapfen • Anzahl: 5.000.000 • Rot : Grün : Blau 4 : 16 : 1

Photopisch 10 cd/m²

Hell

Innerer Aufbau des Auges

Absorptionskurven von Zapfen und Stäbchen

Absorptionskurven der drei Spektraltypen von Zapfen (durchgezogene Linien) und der Stäbchen (gestrichelt). [Nach Dartnall, 1983]

in

der

Netzhaut

Normspektralfunktionen

Normspektralwertfunktionen

Normfarbtafel - Farbdreieck

X = k # " (! ) $ x (! ) d!

Y = k ! $ (# ) " y (# ) d# Z = k ! $ (# ) " z (# ) d#

X x= X+Y+Z Y y= X+Y+Z z = 1- x - y

Farbwertanteile

Koordinaten im CIE-Farbdreieck

X x= X+Y+Z

Y y= X+Y+Z

z

z = 1- x - y

y

1 x

x

Unbuntpunkt

Farbe: Weiss

Farbwertanteile: xW = 0,333 yW = 0,333

Lage: Etwas unterhalb der Plankschen Strahlung

Ähnlichste Farbtemperatur: 5500 K

Ähnlichste Farbtemperatur Farbtemperatur: Farbort des schwarzen Strahlers bei einer bestimmten Temperatur

Planksche Kurve

Normlichtarten

Normlichtart A Glühlampe Farbtemperatur 2856 K Normlichtart D 65 Mittlere Tageslichtphase Ähnlichste Farbtemperatur 6500 K

Spektren der Normlichtarten

Strahlungsfunktionen der Normlichtarten A und D65 sowie der Lichtarten C, B und D55

Spektren von Lichtquellen Spectral Distribution of Different Light Sources

1 0,9 0,8 0,7

rel. Intensity

0,6 0,5 D2

0,4

D4

0,3

A D65

0,2

LED-21

0,1

LED-25

0 380

430

480

530

580 Wavelength [nm ]

630

680

730

780

Farbwiedergabe

Stufe 1A 1B 2A 2B 3 4

subjektive Bewertung sehr gut gut mäßig schlecht

Farbwiedergabeindex Ra

Ra-Bereich > 90 80 - 90 70 - 80 60 - 70 40 - 60 20 - 40

Farbtongleiche Wellenlänge Farbe F im CIE - Farbdreieck Farbwertanteile: xF , yF

Farbtongleiche Wellenlänge • Gerade von Unbuntpunkt E durch Farbe F • Schnittpunkt mit Spektralfarbenzug ist die Spektralfarbe der farbtongleichen Wellenlänge D • Farbwertanteile: F

xd , yd

Berechnung spektraler Farbanteil

yF ! y W pe = yd ! y W

oder

xF ! x W pe = xd ! x W

E

Dominante Wellenlänge Vorteil:

Beschreibt die Farbe einer LED mit einem Wert

Nachteil: Keine exakte Beschreibung des tatsächlichen Farbortes

Relative Strahldichte

x

λ

Farbstimmung Adaption des Auges an • mittlere Leuchtdichte • vorherrschende Farbe (bei geringer Sättigung) Farbstimmung Weißabgleich Farbumstimmung Farbstich DIN 5033 Teil 1 Absatz 12: Die Farbstimmung wird durch diejenige Farbart beschrieben, die jeweils als unbunt empfunden wird.

Farbabgleich

Schematischer Versuchsaufbau zur Messung von spektralen Farbwerten. Die realen Messungen erfolgten mittels spezieller optischer Geräte, z.B. dem Helmholtz'schen Farbmischapparat. Im linken Photometerfeld werden die 3 Grundfarben so gemischt, daß eine Farbgleichheit zwischen diesem Feld und der vorgegebenen Spektralfarbe besteht.

Eigenschaften des Farbabgleichs Farbabgleich ist extensiv Gleichheit ist vollständig Heterochromer Helligkeitsabgleich ist intensiv Gleichheit gilt nur für Helligkeit Farbattribute Buntton und Buntheit können unterschiedlich sein

CIE-xyY-System

Farbsehschwächen erkennen

Leuchtdichte und Helligkeit

Einfluss der Adaptationsleuchtdichte

Einfluss der Schwelle Weitere Einflüsse: • Darbietungszeit • Leuchtdichte • Sehwinkel •…

Beobachtungswahrscheinlichkeiten

Farbgrenzen mit Beobachtungswahrscheinlichkeiten 50%, 70% und 90%

Erkennung farbiger Lichtsignale am Tag

Erkennung farbiger Lichtsignale bei Nacht

Farben von Lichtsignalen

Farben von Lichtsignalen (farbig)

Farbsättigung

Je höher die Sättigung der Farbe eines Signals, um so höher ist dessen Auffälligkeit.

Gleichabständigkeit

Liegen bei gleicher Strecke auch gleiche Farbabstände vor?

Farbabstand nach DIN DIN 5033 Teil 1 Absatz 18: Die Größe des empfindungsgemäßen Unterschiedes zwischen zwei Farben heißt Farbabstand.

UCS-Farbtafel

UCS Lu‘v‘ Berechnung

MacAdam Experiment

MacAdam Ellipsen in xy-Koordinaten

Ellipsen in zehnfacher Vergrößerung dargestellt

MacAdam Ellipsen

MacAdam Ellipsen in u*v*-Koordinaten

MacAdam Ellipsen als Kreise

CIE-UVW und CIE-Lu*v* Koordinaten

CIELAB-System

Farben sind relativ zu Referenzweiß X0/Y0/Z0

CIELAB-System Doppelkegel

CIELAB-System Farbebene

CIELAB Farbabstand (L*a*b*) Bezugsfarbe B Probenfarbe P

!E =

(L

! P

"L

! B

) + (a "

! P

"a

! B

) + (b "

! P

"b

! B

)

"

Ungenauigkeit: Helligkeitsdifferenz geht mit gleicher Gewichtung in Farbabstand ein, wie Farbdifferenz

CIELAB Farbabstand Beispiel

!E =

(L

! P

"L

! B

) + (a "

! P

"a

! B

) + (b "

! P

"b

! B

)

"

CIELAB-System mit Ellipsen

Toleranzellipsen im L*a*b*-System in der Ebene L*=50% Color Difference System CMC (l:c)

Toleranzellipsen im L*a*b*-System

Neue Farbsysteme Zwei alternative Systeme • basieren auf CIELAB • Vergleichbare Exaktheit • DIN99 • CIE-DE2000 • DIN99 einfacher berechenbar

Farbsystem DIN99 Helligkeit

(

L!! = "#$% $" ! &' " + #% #"$( ! L)

)

Differenz ! = !" !#$

(a

%

" &'()* + b " (+, )* o

Abminderung !" # + ! k= !

(

)

%

o

) + ( !" . (b -

%

" &'()* # a " (+, )* o

%

o

))

-

Farbsystem DIN99 Helligkeit

(

L!! = "#$% $" ! &' " + #% #"$( ! L)

)

Rot-Grün Buntheit

a!! =

(

"# $ + ! !

)"

(

a% " &'($)o + b% " (*# $)o

)

Gelb-Blau Buntheit

b!! =

(

"# $ + ! !

)"

( (

%& ' b( " )*+$,o # a( " +-# $,o

))

Farbsystem DIN99 Farbabstand Bezugsfarbe B Probenfarbe P

!E !! =

(L

!!P

" L!!B

) + (a "

!!P

" a!!B

) + (b "

!!P

" b!!B

)

"

Bewertung von Farbreizen

Schematische Darstellung der 3 grundsätzlichen Anwendungsbereiche der farbmetrischen Bewertung von Farbreizen. Primär gilt das Normvalenzsystem für unbezogene, freie Farben, da die Spektralfarbwerte nur für diese Beobachtungssituation gemessen wurden. Die Anwendung erstreckt sich aber auch für Selbstleuchter und beleuchtete Objekte unter realen Bedingungen, also auf bezogene Farben.

Dreibereichs-Farbmessung

Prinzipien von Farbmessungen nach dem Dreibereichsverfahren Links: In einem Farbmeßkopf befinden sich 3 Empfänger, die mit Hilfe von Farbfiltern (Voll- oder Partialfilterung) an die Normspektralfunktionen angepaßt wurden. Wegen der örtlich nebeneinanderliegenden Empfänger muß der Meßkopf möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet sein. Rechts: Die Anpassungsfilter (i.A. Vollfilter) werden zeitlich nacheinander vor einen einzigen Empfänger eingeschoben. Damit kann ein Leuchtdichtemeßgerät zur näherungsweisen Farbmessung verwendet werden. (Die Genauigkeit der Messung kann durch eine Matrixkorrektur verbessert werden.)

Dreibereichsfarbmessgerät

Messung von Reflexionen

Gerichtete Reflexion

Diffuse Reflexion

Messgeometrie nach DIN 5033

Diese Messgeometrie ist auch, hinsichtlich der Betrachtung mit Tageslicht, für retro-reflektierende Farbproben anzuwenden, wobei die Lichtart C oder heutzutage vorzugsweise die Lichtart D65 zur Beleuchtung benutzt werden.

Messung von retroreflektierenden Materialien Im Fall von retro-reflektierenden Proben in Bezug auf die retroreflektierende Wirkung

Farbmesssystem

Lichtquelle der Lichtart A

Reflexionsmessung mit Spektrometern

Optische Anordnung bei Messung mit Spektrometern

CRT-Monitor Farbphosphore

Relative spektrale Strahldichteverteilungen der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau eines Farbbildschirms, wobei der Maximalwert auf jeweils 100 normiert wurde. Außerdem ist das aus diesen Grundfarben erzeugte Spektrum für die neutrale Farbe Weiß bzw. Unbunt dargestellt.

Farbdreieck mit verschiedenen Lichtquellen

Farbmischungen Substraktive Farbmischung

Additive Farbmischung

Trichromatische substraktive Farbmischung

Grundfarben: C cyan M magenta Y yellow

Mischfarbe: Schwarz

Substraktive Farbmischung Gelb

Magenta

Cyan

Gelb + Magenta

Relative spektrale Transmissionsgrade der Farbpigmente Gelb, Magenta und Cyan, die bei Farberzeugungsprozessen nach dem Prinzip der subtraktiven Farbmischung eingesetzt werden. Werden z.B. die Pigmente Gelb und Magenta hintereinander angeordnet, dann wird nur Strahlung im Langwelligen durchgelassen. Das Ergebnis wäre ein rötlich aussehendes Pigment.

Substraktive Farbmischung - Mischfarben Subtraktive Farbmischungen Gelb Gelb Gelb

und und

Cyan Cyan Cyan

und

Magenta

und und

Magenta Magenta

ergibt ergibt ergibt ergibt

Rot Grün Blau Schwarz

Bei Farbdrucken werden neben den Grundfarben Gelb, Cyan und Magenta auch weiße und schwarze Farbstoffe verwendet. Weiß ist als subtraktive Farbmischung nicht darstellbar.

Additive Farbmischung

Zwei Farben Weiss Blau und Leuchtstoff

RGB - Spektrum

Additive Farbmischung - LEDs Erzeugung von Licht der Farbe Weiß durch additive Farbmischung: RGBChips

Durch Benutzung von drei einzelnen roten, grünen und blauen LEDs – Bei richtiger Abstimmung wird die sich ergebende Farbe weiß sein. Ein LED-Chip der Farbe Blau zusammen mit einem Phosphor-Überzug (Gelb) zur Farbmischung benutzen. Eine UV-LED und drei Phosphore der Farben Rot-Grün-Blau zur additiven Farbmischung benutzen.

+

400

Blue Chip

+

500

1 Phosphor

+

400

UVChip

500

+ 400

700nm

600

500

600

700nm

+

3 Phosphore

600

700nm

[Quelle: Osram; GTB Task Force - LED Forward Lighting - presentation]

Additive Farbmischung - Mischfarben

Folgende Mischungsregeln sind charakteristisch für die additive Farbmischung: Additive Farbmischungen Rot Rot Rot

und und

Grün Grün Grün

und

Blau

und und

Blau Blau

ergibt ergibt ergibt ergibt

Unbunt Gelb Magenta (Purpur, Pink) Cyan (Blaugrün)

Fahrzeugrückleuchten

Verkehrszeichen

Surface Colour for Traffic Signs CIE 39.2 Farben für Verkehrszeichen nach CIE 39.2

0,900

0,800

0,700 CIE 0,600

Red 39.2 Yelow 39.2 Green 39.2

0,500 y

Orange 39.2 White 39.2

0,400

Blue 39.2

0,300

0,200

0,100

0,000 0,000

0,100

0,200

0,300

0,400 x

0,500

0,600

0,700

0,800

Farben für Verkehrszeichen mit Testfarben nach CIE 13.3 Surface Colors for Traffic Signs

0,800 0,700 0,600

y

0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

x

Das Diagramm zeigt die Farbbereiche für Verkehrszeichen wie sie in der CIE-Publikation Nr.: 39 definiert für die Beleuchtung mit Tageslicht festgelegt sind. Die Punkte zeigen dem Farb-Orte der 14 Testfarben der CIE-Publikation Nr.: 13.3 bei Beleuchtung mit der Lichtart D65.

Farborte digitaler Testfarben Surface Colors for Traffic Signs

0,600

0,500

y

0,400

0,300

0,200

0,100

0,000 0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

x

Resultierende Farborte für “digitale” Testfarben (Filterfunktionen) in Abhängigkeit von der spektralen Verteilung der jeweiligen Lichtquelle. Die Ergebnisse für die Filterfunktion “ROT” sind mit Ο, für “ORANGE” mit , für “GELB” mit , für “BLAU” mit , für die Lichtart A mit vollen Kreisen und für Lichtart D65 mit vollen Dreiecken gekennzeichnet.

Farbgrenzen für Signale im Straßenverkehr nach CIE

[Quelle: Eckert, Lichttechnik, Seite 234, Bild 8.39]

Licht und Farbe im Verkehr

Farbmanagement

Transport von Farbinformation in bildgebenden und bildverarbeitenden Systemen

Normfarbwertermittlung Die Ermittlung der Normfarbwerte für beliebig vorgegebene Strahlungsverteilungen erfolgt dann gemäß: "2

X = k $ !( ") # x( " ) d " "1

"2

Y = k $ ! ( ") # y( " ) d "

(3.8)

"1

"2

Z = k $ ! ( ") # z( " ) d " "1

wobei bedeuten: X, Y, Z:

die zu bestimmenden Normfarbwerte;

k:

eine zweckmäßig zu

x( " ), y( " ), z(" ) "1,"2: !("):

:

definierende Konstante;

die Normspektralwertfunktion;

Grenzen des sichtbaren Bereichs; die sog. Farbreizfunktion. Das ist bei Selbstleuchtern die Strahlungsfunktion S("). Bei Körperfarben ist !(") = S(")%R("), wenn R(") deren Reflexionsfunktion ist.

Normspektralwerte

x=

X X = X+Y+Z S

y=

mit x + y + z = 1

Y Y = X+Y+Z S

z=

Z Z = X+Y+Z S

Bestimmung des bispektralen Strahldichtefaktors Φ

Φ

Φ

λ L

λ Monochromator

λ Messfläche

Monitor

Messungen zur Bestimmung des bispektralen Strahldichtefaktors

Spektrometer

Detektor

Normierung Messwerte

Zwei Monochromator Methode

Fluoreszierende Farben

Bispektraler Strahldichtefaktor •

Bestimmung des bi-spektralen Strahldichtefaktors β(μ,λ) aus den Messdaten für Probe und Reflexionsstandard

•

Eintragen der Normfarbwertanteile x und y zur Kennzeichnung der Farbart in der Normfarbtafel  Farbort

•

Es gilt: x + y + z = 1

Additive Farbmischung bei Druck und Monitoren Zur Erklärung der additiven Farbmischung. Bildteil a zeigt die Übereinander-projektion dreier Projektoren, von denen jeder mit einem anderen Farbfilter, z.B. einem Rot-, einem Grün- und einem Blaufilter bestückt ist. Bildteil b zeigt vergrößert die Farbpixel eines Farbbildschirms.

a)

Bildteil c zeigt die Vergrößerung eines Flächenstückes eines Mehrfarben-druckes. Dargestellt sind neben-einanderliegende, zum Teil sich überdeckende Druckfarben Gelb, Cyan und Magenta. Der Farbeneindruck wird auch durch das Papierweiß bestimmt.

b)

c)