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Untersuchungen über spektrale Kontrastempfindlichkeitsfunktionen des menschlichen Auges im mesopischen Bereich und ihre Einflussparameter

Schiller, Christoph :
Untersuchungen über spektrale Kontrastempfindlichkeitsfunktionen des menschlichen Auges im mesopischen Bereich und ihre Einflussparameter.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchungen über spektrale Kontrastempfindlichkeitsfunktionen des menschlichen Auges im mesopischen Bereich und ihre Einflussparameter
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der spektralen Strahldichteverteilung von Kfz-Lichtquellen im Gesichtsfeld eines Kraftfahrers (Adaptationsspektrum) auf die Detektion von Objekten auf Basis des Kontrastes an der Wahrnehmungsschwelle untersucht.

Anhand der Unfallstatistik wird gezeigt, wie wichtig die Detektionsleistung eines Kraftfahrers für die Vermeidung von nächtlichen Unfällen ist. In der Kfz-Lichttechnik stehen drei Lichtquellen mit völlig unterschiedlichen spektralen Lichtverteilungen zur Verfügung (Halogenglühlampe, Entladungslampe, LED). Durch die Entwicklung von Scheinwerfern auf Basis von LED-Arrays ergibt sich die zentrale Fragestellung, ob eine Änderung der spektralen Zusammensetzung des Lichts in Abhängigkeit vom Winkel Vorteile für die Detektion bringt.

Die Literaturrecherche zeigt, dass es für den mesopischen Bereich nur wenige verwendbare und zudem kaum vergleichbare Untersuchungen gibt. Aus diesem Grund wurde nach einer methodischen Analyse als ein zentraler Aspekt der Arbeit ein geeigneter Versuchsstand entwickelt. Dabei wurde die Parameterwahl gezielt auf typische Bedingungen des nächtlichen Straßenverkehrs ausgelegt. Der Versuchsstand wurde kalibriert und durch Vortests auf den Normalbeobachter der CIE zurückgeführt. Anhand einer Probandenstudie wurde im zweiten Teil der Arbeit der Einfluss von vier unterschiedlichen spektralen Strahldichteverteilungen des Adaptationsfeldes (HAL, ISO, D65, LED) auf die Detektion von Objekten untersucht. Wichtige Parameter wie die Adaptationsleuchtdichte LU und der Beobachtungswinkel Θ wurden dabei kontrolliert variiert. Die Rohdaten wurden statistisch aufbereitet und einer Signifikanzanalyse unterzogen.

Die Ergebnisse zeigen eine deutlich erkennbare interindividuelle Streuung. Die Annahme eines „Normalbeobachters“ kann nicht gestützt werden. Die statistische Analyse zeigt, dass eine Variation des Adaptationsspektrums keinen signifikanten Einfluss auf die Detektion von Objekten dicht an der Sehachse (Θ = 2,65°; LU = 1 cd/m² und 0,1 cd/m²) hat. Jedoch konnte für einen zunehmenden Beobachtungswinkel und eine geringere Adaptationsleuchtdichte (Θ = 10°; LU = 0,1 cd/m²) ein signifikanter Einfluss des Adaptationsspektrums auf die Detektion im Bereich der Empfindlichkeit der Stäbchenrezeptoren festgestellt werden. Durch Variation des Beobachtungswinkels und der Adapta-tionsleuchtdichte wurde die Beteiligung des chromatischen und achromatischen Systems im mesopischen Bereich nachgewiesen und mit anderen Untersuchungen verglichen. Die spektrale Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ) ist hier nachweislich nicht zur Anwendung geeignet. In Übereinstimmung mit der Literatur konnte ein signifikanter Einfluss des Objektspektrums, der Adaptationsleuchtdichte und des Beobachtungswinkels auf die Detektion nachgewiesen werden.

Durch einen Vergleich der ermittelten Daten mit dem mesopischen Wahrnehmungsmodell der CIE konnte eine grundlegende Übereinstimmung festgestellt werden. Das vorhergesagte Niveau für Θ = 10° und LU = 0,1 cd/m² ist jedoch zu hoch. Im Vergleich zwischen dem zur Adaptation verwendeten Spektrum ähnlich dem einer Glühlampe (HAL) und dem einer LED ist festzuhalten: das verwendete LED-Spektrum erzeugt im Vergleich zu HAL für Θ = 10° eine um 7 % (LU = 0,1 cd/m²) bzw. 19 % (LU = 1 cd/m²) höhere mesopische Leuchtdichte.

Eine spektrale Anpassung der Lichtverteilung ist auf Basis der vorliegenden Daten nur für größere Beobachtungswinkel und niedrige Adaptationsleuchtdichten (Θ = 10°; LU = 0,1 cd/m²) sinnvoll.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In automotive front lighting three light sources with totally different light spectra are common - the tungsten halogen lamp, the high intensity discharge lamp and the LED. Latest front-lighting-technology enables flexible spatial and dynamic light distributions of headlamps. In this context the question arises whether the spectral distriubution of the surroundig area (adaptation spectrum) has an impact on the ability to detect objects. Literature shows that most research in this special context is realized in photopic region under different and not comparable conditions. The realized laboratory test setup gives the possibility to change all relevant parameters (e.g. adaptation luminance LU, adaptation spectrum, object size and spectrum, ...) under controlled conditions. Test using the achromatic detection threshold were performed with 4 different adaptation spectra, two adaptation levels (LU=0,1 and 1 cd/m²) and two detection angles (Θ = 2,65° and 10°). The statistical analysis of the results show, that the adaptation spectrum has an impact on detection performance only for greater detection angles (10° off-axis) and lower adaptation levels (LU=0,1 cd/m²).English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Detektion, Wahrnehmungsschwelle, Kontrast, mesopisch, Adaptationsspektrum, Adaptation, Automobilbeleuchtung, Frontscheinwerfer, statistische Analyse
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
detection, threshold, contrast, mesopic, adaptation spectrum, automotive lighting, headlamp, statistical analysisEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Light Technology
Date Deposited: 22 Sep 2015 12:45
Last Modified: 25 Sep 2015 07:11
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-49702
Referees: Khanh, Prof. Dr. Tran Quoc and Gegenfurtner, Prof. Karl R.
Refereed: 16 June 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4970
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