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Demonstrator

Ein Fahrradscheinwerfer, der die Straße beleuchtet, nicht die Augen

Ein einziges Bauteil aus PMMA, von RayMapr für eine Cree-XP-P-LED berechnet und darauf ausgelegt, eine Norm für Fahrradscheinwerfer einzuhalten.

Alles Folgende ist aus den Konstruktionsdateien und dem Raytracing unserer Software gerendert. Nichts ist von Hand gezeichnet.

Eine transparente Linse dreht sich langsam um sich selbst, auf einem dunklen, glänzenden Boden.

Nachts zwei gegensätzliche Anforderungen

Ein Fahrradscheinwerfer muss weit nach vorn leuchten, ohne den Gegenverkehr zu blenden.

Die gewählte Norm verlangt dafür eine Hell-Dunkel-Grenze: fast das gesamte Licht unterhalb einer horizontalen Linie, darüber fast nichts.

Blick vom Lenker eines Fahrrads, das nachts auf einer Straße fährt; das Lichtbündel beleuchtet die Fahrbahn.

Eine scharfe Hell-Dunkel-Grenze

Auf eine Wand in 10 m Entfernung projiziert, endet das Lichtbündel an einer klaren Linie, 59 cm über seiner Mitte.

Oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze liegt die simulierte Beleuchtungsstärke bei höchstens 0,19 lx, zulässig sind 2 lx: zehnmal unter dem Grenzwert.

Der Scheinwerfer schaltet sich vor einer 10 m entfernten Wand ein; ein Lichtfleck mit scharfer Oberkante erscheint.

Von vorn gesehen

Links (auf schmalen Bildschirmen oben) eine runde Lampe mit symmetrischem Lichtbündel und gleichem Lichtstrom, als illustrative Referenz. Rechts (unten) unsere Optik.

Am Auge des entgegenkommenden Radfahrers erzeugt unser Scheinwerfer höchstens 0,013 lx, gegenüber 2,2 lx bei der runden Lampe: über hundertmal weniger Blendung.

Zwei Ansichten eines entgegenkommenden Radfahrers mit eingeschaltetem Licht: zuerst eine blendende runde Lampe, dann der RayMapr-Scheinwerfer.

Eine Freiformfläche

Die Austrittsfläche hat keinerlei Symmetrie. Sie wird Punkt für Punkt so berechnet, dass jeder Strahl an seiner Stelle auf der Straße ankommt.

Sie ist als NURBS beschrieben, wie in der CAD, und das Bauteil ist entformbar: Die Datei geht ohne Konvertierung an den Formenbau.

Die Linse dreht sich und zeigt ihre Austrittsfläche, eine Fläche ohne Symmetrie.

Der Weg des Lichts

In der Mitte werden die Strahlen der LED gebrochen. An den Flanken werden sie durch Totalreflexion umgelenkt. Die Freiformfläche lenkt sie anschließend unter die Hell-Dunkel-Grenze.

Diese Strahlen sind keine Illustration: Sie stammen aus dem Raytracing unserer Software, ausgehend von den gemessenen Strahlen der LED.

Schnitt durch die Linse; Strahlen verlassen die LED, werden an den Flanken reflektiert oder durchqueren die Mitte und treten dann als Lichtbündel aus.

Auf der Straße

Das Lichtbündel reicht weit nach vorn und endet scharf unterhalb der Augen des Gegenverkehrs.

Bodennahe Ansicht einer Straße bei Nacht: Das Lichtbündel des Fahrrads leuchtet weit nach vorn und endet unterhalb eines entgegenkommenden Radfahrers.

Das Messraster der Norm, Punkt für Punkt

Beleuchtungsstärken in Lux auf einem Messschirm in 10 m Entfernung, für eine LED mit 100 lm. An jedem Punkt der simulierte Wert (fett) und darunter das geforderte Minimum. Der getönte Bereich oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze ist auf 2 lx begrenzt.

Photometrisches Raster, H und V in Grad: neun Messpunkte unterhalb der Hell-Dunkel-Grenze, alle über ihrem Minimum, und eine Hell-Dunkel-Grenze bei +3,4°, oberhalb derer die Beleuchtungsstärke unter 0,2 lx bleibt. −12−8−404812−7−6−5−4−3−2−1012345 H (°) V (°) 1 2 5 10 20 40 Hell-Dunkel-Grenze bei +3,4°: darüber ≤ 2 lx gefordert, höchstens 0,19 lx simuliert 60,9 ≥20 27,5 ≥10 25,8 ≥10 25,9 ≥10 5,5 ≥2 9,0 ≥2 8,2 ≥2,5 8,7 ≥2 5,6 ≥2
In Grau die Isoluxlinien bei 1, 2, 5, 10, 20 und 40 lx. Der kritischste Punkt ist (−4°; 0°): Das Raster wird von 38,8 lm (Minima erreicht) bis 1031 lm LED-Lichtstrom eingehalten (Grenzwert von 2 lx oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze erreicht).

Quelle: Monte-Carlo-Simulation, 10 Millionen Strahlen, gemessenes Rayfile der LED Cree XP-P, PMMA, H-V-Raster mit 0,1° Schrittweite

Über das Fahrrad hinaus: die angestrebten Normen

Die Methode kann jede photometrische Zielvorgabe anstreben: eine Menge diskreter Messwerte (an bestimmten Punkten vorgeschriebene Lichtstärken, zwischen Zonen aufzuteilender Lichtstrom) oder eine kontinuierliche Dichte (vorgeschriebene Lichtstärke- oder Beleuchtungsstärkeverteilung). Sie lässt sich daher auf alle Normen anwenden, die über ein Punktraster, Zonen oder eine Hell-Dunkel-Grenze definiert sind. Einige Regelwerke, die ein Scheinwerfer oder eine Signalleuchte erfüllen muss:

  • Fahrrad und Mikromobilität: StVZO § 67 und TA Nr. 23 (Deutschland, scharfe Hell-Dunkel-Grenze seit der Fassung 2024 vorgeschrieben), ISO 6742-1 (Fahrräder), JIS C 9502 (Japan), EN 15194 (Elektrofahrräder), EN 17128 (elektrisch angetriebene persönliche Leichtfahrzeuge).
  • Kraftfahrzeuge und motorisierte Zweiräder: UN-Regelungen R149 (Scheinwerfer; fasst die früheren R98, R112, R113 und R123 zusammen), R148 (Signalleuchten) und R150 (Rückstrahler); FMVSS 108 in den USA; GB 4599-2024 in China.
  • Schienenverkehr: EN 15153-1 (Spitzenlicht: 12.000 bis 16.000 cd in der Achse im abgeblendeten Betrieb, Blendschutz-Obergrenzen knapp oberhalb der Achse), TSI Fahrzeuge LOC&PAS, 49 CFR 229.125 in den USA, EN 13272 für die Innenbeleuchtung.
  • Luftfahrt: CS-25 und 14 CFR § 25.1385 bis 25.1401 (Positions- und Antikollisionslichter, Mindest- und Höchstlichtstärken je Winkelsektor), ICAO Anhang 14 (Flugplatzbefeuerung, Isocandela-Diagramme), SAE ARP693 (Lande- und Rollscheinwerfer).
  • See- und Binnenschifffahrt: COLREG Anlage I (Sektoren der Navigationslichter: Seitenlichter müssen 1° bis 3° außerhalb ihres Sektors praktisch abgeschnitten sein), ES-TRIN und EN 14744 für die Binnenschifffahrt.
  • Öffentliche Beleuchtung: EN 13201 (Beleuchtungsklassen für Straßen), französischer Erlass vom 27. Dezember 2018 über Lichtverschmutzung (weniger als 1 % des Lichtstroms oberhalb der Horizontalen, CIE-Flusscode Nr. 3 über 95 %), ANSI/IES RP-8 und BUG-Klassifizierung nach IES TM-15 (Rückwärtslicht, Licht nach oben, Blendung) in den USA.

Und Ihre Optik?

Dieser Scheinwerfer ist nur ein Beispiel. Eine Lichtquelle, eine photometrische Zielvorgabe, Vorgaben zum Bauraum: Beschreiben Sie uns Ihren Fall, wir sagen Ihnen, was unser Know-how Ihnen bringen kann.

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