Lichtverteilsysteme

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Beleuchtungs- und Signalanlage

Lichtverteilsysteme

Licht mit einer geeigneten Lichtquelle zu erzeugen, ist die eine Sache.
Genauso wichtig ist jedoch, dass Licht so zu verteilen, dass es dort wirkt, wo es dem Fahrer nützt, und nicht dort, wo es andere Verkehrsteilnehmer blendet.

In diesem Kapitel wird beschrieben, wie das geht.

optische Grundlagen

Fahrzeugscheinwerfer

Die Grundlagen der Lichtverteilung findet man in der geometrischen Optik. Dort wird beschrieben:
Licht breitet sich geradlinig aus. Dieser Satz gilt nicht allgemein! Richtig müsste es heißen: Licht sucht sich den schnellsten Weg von der Quelle zum Ziel, was auch manchmal krumme Wege bedeutet. Das spielt im Alltag der Kfz-Beleuchtung jedoch keine Rolle.
	Ein lichtundurchlässiger Körper wirft einen Schatten, der sich hinter dem Körper ebenfalls geradlinig ausbreitet, (blau = lichtundurchlässiger Körper mit lichtdurchlässigen Lücken, rot Lichtquelle gelb = beleuchtet, schwarz= Schatten)
	Licht wird so reflektiert, dass Einfallswinkel = Ausfallswinkel ist. Es gilt: Das Spiegelbild befindet sich genau so weit hinter dem Spiegel, wie das Objekt vor dem Spiegel Strecke S ist genau so lang wie Strecke S´. Einfallswinkel a₁ = Ausfallswinkel a₂ Die Richtung des Lichts ist vom Objekt über den Spiegel zum Auge. Die Verbindungslinie von einem Objektpunkt zu seinem Spiegelbild steht senkrecht auf dem Spiegel.
	Ein Paraboloid entsteht, wenn man eine Parabel um ihre Längsachse rotiert. Ein Parabolspiegel ist ein innen verspiegelter Paraboloid. Befindet sich die Lichtquelle im Brennpunkt des Parabolspiegels, so werden alle auf den Spiegel auftreffenden Lichtstrahlen so reflektiert, dass sie parallel zur Spiegelachse verlaufen. Bis ca. 1985 waren alle Scheinwerferreflektoren von Kraftfahrzeugen Parabolspiegel. Dies Prinzip lässt sich auch z.B. auf Radarwellen anweden, wo die Parabolantennen scharf gerichtete Strahlung abgeben. Als Empfangsantenne (Schüssel) bündeln Parabolspiegel die parallel auftreffenden Satellitensignale im Brennpunkt, wo der Empfänger angebracht ist. Mit Parabolspiegeln von 10m Außendurchmesser lässt sich das Sonnenlicht im Focus (=Brennpunkt) sammeln und in Strom umwandeln. Abgebildet ist eine Parabel mit der Funktionsgleichung y = 1/4 x². Der Brennpunkt liegt auf der Parabelachse genau unter der Stelle, wo die Kurve eine Steigung von 45° hat. Auch am gekrümmten Spiegel gilt die Gleichheit von Einfallswinkel und Ausfallswinkel. Hier werden diese Winkel auf die jeweilige Tangente der Kurve im Auftreffpunkt des Lichtstrahls bezogen.
	Ein Ellipsoid ist ein Hohlkörper, der entsteht, wenn man eine Ellipse um eine ihrer Achsen rotiert. Verspiegelt man ein Ellipsoid innen und bringt in einem Brennpunkt die Lichtquelle an, so werden alle Strahlen so reflektiert, dass sie im 2. Brennpunkt der Ellipse wieder focussiert werden. Dies Prinzip wird bei den DE-Scheinwerfern oder PES-Scheinwerfern ausgenutzt.
	Sammellinsen sind runde konvexe Glaskörper, das heißt, sie sind in der Mitte dicker sind als außen. Bringt man im Brennpunkt einer Sammellinse eine Lichtquelle an, so wird das Licht, das durch die Linse hindurchgeht parallel ausgerichtet. Solche Linsen spielen eine wichtige Rolle in Mikroskopen, Fernrohren, Projektoren und auch bei Scheinwerfern, die nach dem Projektorprinzip arbeiten. Der Strahlengang funktioniert auch in entgegengesetzter Richtung: Die Sammellinse sammelt parallel eintreffendes Licht (z.B. Sonnenlicht) in ihrem Brennpunkt. Dort entstehen Temperaturen, die über den Zündtemperaturen vieler Stoffe liegen.

Fahrzeugscheinwerfer

asymmetrisches Abblendlicht

Die unterschiedlichen Scheinwerferformen zeigen, dass es offenbar verschiedene Möglichkeiten gibt, das von der Lichtquelle erzeugte Licht wirkungsvoll auf die Strasse zu bringen. Im wesentlichen werden die Reflektionssysteme (mit und ohne Streuscheibe) von den Projektionssystemen unterschieden, wobei bei letzteren auch Reflektoren eine Rolle spielen.
Es soll noch angemerkt werden, dass die Art der Lichtverteilung im Prinzip völlig unabhängig ist von der Art der Lichterzeugung, so dass man z.B. in Projektionsscheinwerfern sowohl Glühlampen (H7) als auch Gasentladungslampen (Xenon) finden kann.

H4 Glühfäden

Die vor der Jahrtausenwende am häufigsten anzutreffende Scheinwerferart war die Paraboloid-Reflektorlampe mit H4 Doppelfadenlampe und Streuscheibe als Scheinwerferabdeckscheibe.
Um deren Wirkungsweise zu verstehen, wird links die H4 Lampe gezeigt mit ihren beiden Glühfäden, die beide auf der optischen Achse des Parabolspiegels in Längsrichtung liegen. Während jedoch der Fernlichtfaden (bzw. wenigstens ein Teil davon) im Brennpunkt des Parobolspiegels angeordnet ist, liegt der Abblendlichtfaden vor dem Brennpunkt.Außerdem wird das vom Abblendglühfaden nach unten abgestrahlte Licht durch eine Blechpfanne abgeschirmt.

H4 Abblendlicht / Fernlicht

Der Strahlengang dieser Lampe ist links jeweils fürFernlicht und Abblendlicht dargestellt.

Fernlicht: Das Licht wird vom Brennpunkt in alle Richtungen ausgestrahlt. Jedoch nur der Lichtanteil, der den Reflektor trifft, wird vom Spiegel zu einem parallelen Lichtbündel reflektiert und sauber in Fahrtrichtung ausgestrahlt. Der Rest des Lichts verlässt den Scheinwerfer ungerichtet und trägt zur Strassenbleuchtung nichts Wesentliches bei.
Da der Glühfaden jedoch auch etwas vor und etwas hinter dem Brennpunkt Licht aussendet, ist der nach vorn austretende Lichtstrahl nicht vollständig parallel gerichtet, sondern weitet sich in der vertikalen Ebene leicht auf, was allerdings durchaus erwünscht ist, damit sowohl die Strasse dicht vor dem Auto als auch weit davor ausgeleuchtet wird.

Abblendlicht: Das Licht wird vor dem Brennpunkt in alle Richtungen ausgestrahlt. Jedoch werden die nach unten und vorne gerichteten Strahlen durch eine Blende abgeschattet und sind bis auf einen kleinen von der Blende reflektierten Anteil für die Fahrbahnausleuchtung verloren. Nur die Lichtstrahlen, die direkt die obere Hälfte des Reflektors treffen werden von diesem reflektiert und verlassen den Scheinwerfer leicht nach unten geneigt. So wird auf keinen Fall eine Blendwirkung für den Gegenverkehr vermieden. Da der Abblendglühfaden vor dem Brennpunkt des Parabolspiegels angeordnet ist entsteht ein in der vertikalen Ebene breit aufgefächertes Lichtbündel, das die Strasse unmittelbar vor dem Fahrzeug ausleuchtet aber auch noch 50m weiter vorne eine genügende Beleuchtungsstärke produziert. Der linienförmige Glühfaden sorgt außerdem für eine leichte Auffächerung in der horizontalen Ebene.

Paraboloid / Streuscheibe- Lichtverteilung

Paraboloid / Streuscheibe- Lichtverteilung

Für diese Scheinwerfer ist die links abgebildete Lichtverteilung auf der Streuscheibe typisch bei eingeschaltetem Abblendlicht. Nur der obere Teil der Streuscheibe wird genutzt. Zur Funktion des rechten kleinen Dreicksektors siehe unter asymmetrischem Abblendlicht.

Bei eingeschaltetem Fernlicht leuchtet praktisch die gesamte Streuscheibe gleichmäßig.

In der Seitenansicht eines reinen Abblendscheinwerfers mit Einfadenlampe sieht der Strahlengang ähnlich aus wie beim H4-Scheinwerfer bei eingeschaltetem Abblendlicht. Nur etwa ein Viertel, des vom Glühwendel ausgestrahlten Lichts wird vom Abblendlicht zur Strassenbeleuchtung genutzt, das Fernlicht bringt es immerhin auf knapp 50%.

Streuscheibe Prinzip