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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Bestimmung von Kennwerten einer Leuchte gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw.
8 und insbesondere auf ein Verfahren zur Verfolgung eines Strahlenverlaufs
für Kraftfahrzeugfrontscheinwerfer
oder ähnliches.
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Herkömmlicherweise
wird bei einer Leuchte eines Kraftfahrzeugfrontscheinwerfers oder ähnliches
zuerst ein Reflektor ausgebildet, welcher das Licht einer Lichtquelle
reflektiert. Hierauf wird ein Strahlenverlauf mit einer Lichtquelle
verfolgt, welche an einer vorbestimmten Position angeordnet ist,
wobei die Position des Brennpunkts der Leuchte des Frontscheinwerfers
oder ähnliches
sowie die Beleuchtungsstärke
der angestrahlten Fläche
berechnet wird (siehe „Journal
of the Illuminating Engineering Institute of Japan", Vol. 76, No. 12,
pp. 647-655).
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Da
jedoch dieses Verfahren die Existenz einer Linse nicht in Betracht
zieht, welche vor der Lichtquelle angeordnet ist, können zahlreiche
Reflexionen und Brechungen zwischen der Linse und dem Reflektor
nicht analysiert werden, wobei die Beleuchtungsstärke nicht
genau berechnet werden kann. Da desweiteren das Licht nicht unter
dem Gesichtspunkt der Spectrooptiks betrachtet wird, kann der Farbzustand
der Leuchte (genauer gesagt der Farbeindruck der Leuchte, welcher
durch die Wirkung von Reflexion und Brechung entsteht, die aus der
Konfiguration des Reflektors und der Schnittkonfiguration der Linse
verursacht werden) nicht genau analysiert werden.
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Ein
gattungsgemäßes Verfahren
und eine gattungsgemäße Vorrichtung
zur Bestimmung von Kennwerten einer Leuchte ist aus ATZ, Automobiltechnische
Zeitschrift 97(1995)1, Seiten 62/63 bekannt. Informationen zu optisch-geometrischen
Parametern der Leuchte werden in einer Speichereinrichtung abgespeichert. Die
Strahlverfolgung erfolgt von der Lichtquelle aus.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Vorrichtung
zur Bestimmung von Kennwerten einer Leuchte gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw.
8 so weiterzubilden, dass die Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte bzw. der
Farbeindruck der Leuchte möglichst
genau bestimmbar sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem
Verfahren und der Vorrichtung zur Bestimmung von Kennwerten einer
Leuchte mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 8 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den abhängigen
Patentansprüchen
definiert.
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Gemäß der Erfindung
wird der Strahl, welcher die Lichtquelle erreicht, strahlenverlaufsverfolgt,
wobei eine Mehrzahl von Reflexionen und Brechungen an der Linse
sowie dem Reflektor berücksichtigt
werden. Zumindest eine der folgenden Größen, die Beleuchtungsstärke an einer
vorbestimmten Stelle auf einer durch die Leuchte angestrahlten Oberfläche, die
Leuchtdichte an einer vorbestimmten Stelle auf einer Leuchtenoberfläche und
der Farbeindruck wird bestimmt.
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Vorzugsweise
wird durch Verwendung des Monte Carlo Verfahrens in einer Strahlenverlaufsverfolgung,
die Berechnung von zumindest einer der Größen, die Beleuchtungsstärke an einer
vorbestimmten Stelle auf einer durch die Leuchte angestrahlten Oberfläche, die
Leuchtdichte an einer vorbestimmten Stelle auf einer Leuchtenoberfläche und
der Farbeindruck mit einem geringeren Berechnungsaufwand bewirkt.
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Weiter
vorzugsweise wird der Strahl, der die Lichtquelle erreicht, durch
das Monte Carlo Verfahren strahlenverlaufsverfolgt, wobei eine Anzahl
von Reflexionen und Brechungen an der Linse und dem Reflektor berücksichtigt
werden. Zumindest eine der folgenden Größen, die Beleuchtungsstärke an einer
vorbestimmten Stelle auf einer durch die Leuchte angestrahlten Oberfläche, die
Leuchtdichte an einer vorbestimmten Stelle auf einer Leuchtenoberfläche und
der Farbeindruck wird bestimmt. Da die Strahlenverlaufsverfolgung
in Übereinstimmung
mit dem Monte Carlo Verfahren ausgeführt wird, kann die Beleuchtungsstärke, die
Leuchtdichte und der Farbeindruck mit einem geringeren Brechungsaufwand
bestimmt werden.
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Die
Ergebnisse der Strahlenverlaufsverfolgung können in einer Baumstruktur
ausgedrückt
werden, wobei die Baumstruktur in einer Speichereinrichtung abgespeichert
wird. Da die Strahlenverlaufsverfolgung in Übereinstimmung mit dem Monte
Carlo Verfahren durchgeführt
wird und dessen Ergebnisse in einer Baumstruktur abgespeichert werden,
können
die Beleuchtungsstärke,
die Leuchtdichte und der Farbeindruck mit einem geringeren Berechnungsaufwand
bestimmt werden.
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Gemäß den vorstehend
beschriebenen Aspekten der vorliegenden Erfindung wird ein Strahl
in Richtung zu einer Leuchte von einem Betrachtungspunkt ausgestrahlt,
der an einer vorbestimmten Stelle vorgesehen ist, wobei der Strahl,
welcher stochastisch als der Strahl ausgewählt wird, welcher die Lichtquelle
der Leuchte erreicht, strahlenverlausverfolgt wird. Aus diesem Grund
wird eine bessere Wirkung dadurch erreicht, dass eine genaue Berechnung
der Beleuchtungsstärke
und der Leuchtdichte sowie eine genaue Analyse des Farbeindrucks
ohne grenzenlose Berechnungen möglicht
wird.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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1 ist
eine schematische Seitenschnittansicht, die ein Verfahren zur Verfolgung
eines Strahlenverlaufs gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
darstellt,
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2 ist
eine Ansicht, welche einen Baum des Verfahrens zur Verfolgung eines
Strahlenverlaufs gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
darstellt, und
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3 ist
ein Blockdiagramm, welches eine Berechnungseinrichtung darstellt,
bei der das Verfahren zur Verfolgung des Strahlenverlaufs gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
angewendet wird.
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Wie
in der 3 dargestellt wird, berechnet eine Berechnungseinrichtung 10 des
Ausführungsbeispiels
die Position des Brennpunkts sowie die Beleuchtungsstärke des
Frontlichts eines Kraftfahrzeugs.
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Die
Berechnungseinrichtung ist mit einem Strahlenverlaufsverfolgungsabschnitt 12 versehen,
welcher eine Strahlenverlaufsverfolgung bewirkt, sowie mit einem
Wiedergabeabschnitt 14, welcher die Farbberechnung bewirkt.
Der Strahlenverlaufsverfolgungsabschnitt 12 ist mit einer
Zustandsdatenbank 16 versehen, in welcher Informationen
bezüglich
der räumlichen
Lagebeziehungen zwischen Beobachtungspunkten und dem Frontlicht
aufgezeichnet werden. Der Strahlenverlaufs-Verfolgungsabschnitt 12 ist
desweiteren mit einer Konfigurationsdatenbank 18 versehen,
in welcher Informationen bezüglich
der Konfiguration des Frontlichts aufgezeichnet sind.
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Der
Strahlenverlaufsverfolgungsabschnitt 12 liest Informationen
bezüglich
der Lagebeziehung eines Betrachtungspunkts und des Frontlichts aus
der Zustandsdatenbank 16 ein, liest Informationen bezüglich der Konfiguration
des Frontlichts aus der Konfigurationsdatenbank 18 ein
und führt
eine Strahlenverlaufsverfolgung eines vom Betrachtungspunkt ausgesendeten
Strahles durch.
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Wie
in der 1 dargestellt ist, wird das Frontlicht 50 durch
eine Lampe 52, welche als eine Lichtquelle dient, einen
Reflektor 54 und eine Linse 56 gebildet. Wenn
die Verfolgung eines Strahlenverlaufs, der auf einen Punkt des Frontlichts 50 von
einem Betrachtungspunkt aus gerichtet ist, welcher mit einer vorbestimmten
Distanz von dem Frontlicht 50 beabstandet ist, als ein
Baum dargestellt wird, dann nimmt der Baum die in 2 dargestellte
Form an.
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Die
Verzweigungspunkte P1, P2.... des in 2 dargestellten
Baums entsprechen den Grenzflächen wie
beispielsweise der Linsenfläche,
der Reflektorfläche
und ähnliches.
Die Baumstruktur wird derart gebildet, daß für den Fall, daß Licht
von einem Verzweigungspunkt übertragen
wird, das Segment in der Zeichnung sich nach rechts erstreckt, wohingegen
für den
Fall, daß Licht
an einem Verzweigungspunkt reflektiert wird, das Segment in der
Zeichnung sich nach links erstreckt.
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Wie
in der 3 dargestellt ist, hat der Wiedergabeabschnitt 14 eine
Datenbank 22, in welcher Informationen bezüglich der
Reflexion und Durchlässigkeit
der Linse 56 und des Reflektors 54 aufgezeichnet
werden. Der Wiedergabeabschnit 14 ist desweiteren ausgerüstet mit
einer Glühlampendatenbank 24,
in welcher Informationen bezüglich
der Lichtausstrahlcharakteristik der Glühlampe 52 abgespeichert
werden. Der Wiedergabeabschnitt 14 hat darüber hinaus
eine Außenlichtdatenbank 26,
in welcher Hintergrundinformationen abgespeichert werden.
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Der
Wiedergabeabschnitt 14 liest Daten der Baumstruktur, die
durch den Strahlenverlaufsverfolgungsabschnitt 12 aufgebaut
wird aus einer Strahlenverlaufsverfolgungsdatenbank 20 ein,
liest die Information bezüglich
der Reflexion und Durchlässigkeit
der Linse 56 und des Reflektors 54 aus der Datenbank 22 ein,
liest die Informationen bezüglich
der Lichtaussendecharakteristik der Glühlampe 52 aus der
Glüh-lampendatenbank 24 ein
und liest die Hintergrundinformation aus der Außenlichtdatenbank 26 ein
und bewirkt die Farbberechnung. Der Wiedergabeabschnitt 14 gibt
die Ergebnisse auf eine Anzeige 28 und einen Drucker 30 aus.
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Im
folgenden wird der Betrieb des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Wie
in der 1 dargestellt wird, ist von den Strahlen, welche
vom Betrachtungspunkt aus Strahlenverlaufsverfolgt werden, der einzige
Strahl, für
den Reflexionen und Brechnungen eine unendliche Anzahl von Malen
an der Linse 56 oder zwischen der Linse 56 und
dem Reflektor 54 tatsächlich
den Blickweg bewirken, derjenige Strahl, welcher die Glühlampe 52 trifft.
Vorliegend werden die Zahlen 1, 2, 3... dem Strahl, welcher die
Glühlampe 52 trifft
und den Strahlen gegeben, welche entlang dem Weg ausgehend vom Betrachtungspunkt
abzweigen, bis dieser Strahl erreicht ist. Folglich genügt es lediglich
diese Strahlen zu berechnen. Jedoch ist die tatsächliche Struktur des Frontlichts 50 kompliziert,
wobei kein Algorithmus existiert, der zuverlässig lediglich die Strahlen
1, 2, 3... usw. berechnet.
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Vorliegend
werden Prinzipien des Monte Carlo Verfahrens eingeführt, um
in stochastischer Weise einen Strahlenverlauf auszuwählen und
zu verfolgen, ohne eine Strahlenbündelverlaufsverfolgung für alle Strahlen
zu bewirken. Ein stochastisch ausgewählter Strahl trifft nicht immer
die Glühlampe 52,
wobei jedoch die Arbeitseffizienz in diesem Falle wesentlich besser
ist als die Strahlenverlaufsverfolgung aller Strahlen. Desweiteren
sollte die Verfolgung der Strahlenverläufe 1, 2, 3... bewirkt werden,
wobei für
den Fall, daß diese
Strahlenverlaufsverfolgung als einen Bahnabschnitt des Monte Carlo
Verfahrens verwendet wird, dann wird die Verfolgung effizienter.
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Das
Berechnungsverfahren wird im nachfolgenden beschrieben.
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Es
wird angenommen, daß der
Beobachtungsstrahl gemäß der 1 als
R und die Strahlen 1, 2, 3... als R(1),
R(3) ... bezeichnet werden. Vorausgesetzt,
daß eine
Gesamtmenge von beispielsweise ji Knoten
(Verzweigungspunkte P1, P2...) von R bis R(i) desweiteren
erreicht ist, dann werden die Schwächungsfaktoren der jeweiligen
Knoten bezeichnet als f1 (i),
f2 (i), f3 (i) ... .
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Als
Beispiel sei der Strahl R(2) in 1 herangezogen,
wenn der Strahl R(2) vom Betrachtungspunkt aus
verfolgt wird, dann passiert R(2) die Linsenoberfläche reflektiert
an der Rückfläche der
Linse und passiert die Linsenoberfläche. Die jeweiligen Abschwächtungsfaktoren
zu diesem Zeitpunkt sind wie folgt: f1 (2) = t(θ1) f2 (2) = e-c11r(θ2) f3 (i) = e-c12r(θ3)
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Vorliegend
bezeichnen θ1, θ2, θ3 jeweils die Anfallwinkel der Linsenoberfläche, der
Linsenrückfläche und
der Linsenoberfläche,
c bezeichnet den Abschwächungskoeffizienten
innerhalb der Linse, r(θ)
bezeichnet den fresnelschen Reflektionsgrad bei einem Einfallswinkel
von θ und
t(θ) =
1 – r(θ). Desweiteren
bezeichnen die Bezugszeichen 11 und 12 die Entfernungen, über welche
der Strahl von der Linsen oberfläche
zu der Linsenrückfläche und
von der Linsenrückfläche zu der
Linsenoberfläche
jeweils wandert. Folglich bezeichnen e-c11 und
e-c12 jeweils die Abschwächung während jener Zeit, in welcher
der Strahl innerhalb der Linse verläuft.
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Die
folgenden Faktoren tragen zu der Leuchtdichte I des Strahls R(2) bei.
f1 (2), f2 (2),
f3 (2), f4 (2)
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Da
folglich die Leuchtdichte I des Beobachtungsstrahls R die Summe
aus allen Beiträgen
darstellt, kann I durch die folgende Formel (1) bestimmt werden. I = Σ i(f1 (i)f2 (i) ...
fji (i)·I(i)) ...(1)
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Wenn
der Pfad betrachtet wird, welcher dem Strahl von dem Beobachtungsstrahl
R zu dem Strahl R(i) folgt, dann werden
die Wahrscheinlichkeiten des diesem Pfad folgenden Strahls an jedem
Knoten bezeichnet als p1 (i),
p2 (i) ... pji (i).
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In
Diesem Zeitpunkt wird die Leuchtdichte I des Beobachtungsstrahls
R durch die folgende Formel (2) bezeichnet:
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Die
Wahrscheinlichkeiten beziehen sich auf die Formel (3): Σ ip(i)1 p(i)2 ... p(i)ji = 1 ...(3)
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Aus
diesem Grund bezeichnet die Formel (2) den Durchschnittswert E[X(i)] der folgenden Formel (4).
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Folglich
wird durch die Prinzipien des Monte Carlo Verfahrens die Gleichung
(2) annähernd
gleich dem Durchschnittswert der variablen X(s) in
einem Probepfad p1 (s) → p2 (s) → ... → pjs (s).
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Folglich
wird ein ungefährer
Wert bezüglich
der Leuchtdichte I durch die Formel (5) erhalten:
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Unter
der Berücksichtigung,
daß die
Leuchtdichte I des Beobachtungsstrahls R und der Abschwächungsfaktor
fi (j) Funktionen
der Wellenlänge λ sind, dann
wird für
den Fall, daß die
Leuchtdichte I und der Abschwächtungsfaktor
fi (j) durch den
Spektralstrahl I(λ)(W·sr–1·m–1·nm–1)
und durch den Spektralabschwächungsfaktor
fi (j)(λ) ausgetauscht
wird, die folgende Formel (6) erhalten.
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Zur
diesem Zeitpunkt wird X
(s)(λ) durch die
folgende Formel (7) ausgedrückt:
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Auf
der Basis der Formel (6) und (7) werden Normfarbwerte (X, Y, Z)
von I(λ)
aus der Formel (8) berechnet:
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Forliegend
bedeuten die Bezugs x(λ),
y(λ), z(λ) Farbabstimmfunktionen,
wobei k eine Konstante ist, welche durch die Formel (9) bestimmt
wird: k = ∫I(λ)y(λ)dλ ...(9)
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In
einem Fall, in welchem der Spektralabschwächungsfaktor f1 (j)(λ)
nicht von der Wellenlänge
abhängt, wie
beispielsweise in einem Fall, in welche die Linse farblos und transparent
ist, dann kann die Formel (8) in die Formel (10) transformiert werden.
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Dies
bedeutet, daß die
Formel (10) in einer kurzen Zeit durch Ausführen der Berechnung der folgenden
Formel (11) im voraus berechnet werden kann.
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Da
desweiteren Reflexion sowie Durchlässigkeit mit gleichen Wahrscheinlichkeiten
für gewöhnlich auftritt,
so wird pi (j) durch
die folgende Formel (12) erhalten. Die Formel (10) wid dadurch zu
der Formel (13).
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Wenn
die Normalfarbwerte (X, Y, Z) bestimmt werden, dann können die
Berechnungsergebnisse in genauen Farben auf einem CRT-Monitor oder ähnlichem
unter Verwendung der Farbgrafikeinrichtungen angezeigt werden, welche
in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegungsschrift
JP 4088584 AA durch den
Erfinder der vorliegenden Erfindung offenbart sind.
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Eine
effektivere Berechnung kann durch vorzeitige Auswahl eines Pfades
bewirkt werden, welcher einem Strahl folgt, der mit hoher Wahrscheinlichkeit
die Glühbirne 52 trifft
und desweiteren durch Verwendung dieser Berechnungsergebnisse.
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Vorausgesetzt,
daß die
Pfade der vorstehend erwähnten
Strahlen 1, 2, 3... mit einer bestimmten Anzahl von Malen in wiederholender
Weise reflektiert und gebrochen werden innerhalb der Linse 56 und
daß die Reflexion
durch das Bezugszeichen R representiert wird und die Transmission
durch das Bezugszeichen T representiert wird, dann sind beispielsweise
die Wege der Strahlen R, TRT, TRRRT.... . Beispielsweise bedeutet TRT,
daß ein
Strahl von dem Beobachtungsstrahl R nach Art der Transmission, Reflexion,
Transmission verfolgt wird.
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Wenn
folglich die Berechnung der Formel (7) für die Pfade in der folgenden
Formel (14) verwendet wird,
dann wird
die Berechnung unter Verwendung der Formel (15) anstelle der Formel
(6) ausgeführt.
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Auf
diese Weise kann die Berechnung ausgeführt werden, in welcher die
Wahrscheinlichkeit des Auftreffens auf die Glühbirne 52 höher ist.
In der Berechnungseinrichtung 10 werden die vorstehend
beschriebenen Ergebnisse der Strahlenverlaufverfolgung in der Strahlenverlaufsverfolgungsdatenbank 20 abgespeichert, wie
es in der 3 dargestellt ist. Nämlich es
wird eine Baumstruktur, welche von dem Ausgangsknoten, der den ersten
Knoten darstellt, ausgeht, bis sie die jeweiligen Abschlußendknoten
erreicht, in der Strahlenverlaufverfolgungsdatenbank 20 gespeichert.
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Der
Wiedergabebereich 14 liest die Baumstruktur aus der Strahlenverlaufsverfolgungsdatenbank 20, die
Information bezüglich
der Reflexion und der Durchlässigkeit
der Linse 56 sowie des Reflektors 54 aus der Datenbank 22,
die Informationen bezüglich
der Lichtaussendecharakteristik der Glühlampe 52 aus der
Glühlampendatenbank 24 und
die Hintergrundinformation aus der Außenlichtdatenbank 26 ein
und bewirkt die Farbberechnung. Der Wiedergabebereich 14 gibt
diese Ergebnisse an die Anzeige 28 und den Drucker 30 aus.
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Durch Änderung
der Aufzeichnungen der Datenbank 22, der Glühlampendatenbank 24 und
der Außenlichtdatenbank 26 können bei
der vorliegenden Erfindung die Farbberechnungsergebnisse des Frontlichts 50 für verschiedene
Arten von Linsen, Reflektoren, Glühlampen und Hintergründe erhalten
werden, ohne erneut eine Strahlenverlaufsverfolgung durchzuführen.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung zur Bestimmung von Kennwerten einer
Leuchte sind nicht nur für einen
Frontscheinwerfer eines Kraftfahrzeugs anwendbar. Vielmehr sind
das Verfahren und die Vorrichtung bei allen Leuchten anwendbar,
die durch eine Lichtscheibe, einen Reflektor und jede Art von Lichtquelle
gebildet sind.
