1. 1
Lichttechnisches Institut
Optische Technologien im
Automobil
Forschungs Universität Karlsruhe (TH)
von
Dr. Karl Manz
Sommersemester 2009
Karl Manz Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 Scheinwerfer
2. 2
Inhalt
Scheinwerfer-Design
• Typische Lichtquellen
• Spektren der Lichtquellen
• Wirkungsgrade
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• Lichtlenkung bei Scheinwerfern
• Übersicht über aktuelle Scheinwerfer
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Lichtquellen
Lichtquellen
Festkörperlampen Entladungslampen
Lumineszenz Temperaturstrahlung Glimmentladung Bogenentladung
Elektrolumineszenz chemisch elektrisch Glimmlampen mit Kolben frei
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Glühlampen
Halogenglühlampen
Kohlebogenlampen
Hochdruckentladung
Niederdruckentladung
Flammen
Glimmlampen
EL-Folien
LEDs
OLEDs
Laser
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Halogenglühlampen
Halogenkreisprozess
• Längere Lebensdauer
• Höhere Lichtausbeute Wendeltemperatur ca. 3000 K
• Kleinere Bauform Glastemperatur ca. 470 K
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[Bilder: Handbuch der Beleuchtung]
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5. 5
Spektren von Lichtquellen
Spectral Distribution of Different Light Sources
1
0,9
0,8
0,7
0,6
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0,5
0,4
D2
0,3 D4
A
D65
0,2
LED
0,1
0
380 430 480 530 580 630 680 730 780
Wavelength [nm]
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Wirkungsgrade LEDs
Luxeon kaltweis 5W 25,0 lm/W
Luxeon kaltweiss 3W bei 700mA 25,0 lm/W
Luxeon kaltweiss 1W 20,1 lm/W
Luxeon warmweiss 1W 16,7 lm/W
Nichia weiss 180mW ca. 30,0 lm/W
Nichia warmweiss 100mW ca. 10,0 lm/W
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Osram weiss TOPLED 86mW 7,0 lm/W
Osram Golden Dragon 2W 21,0 lm/W
GELcore weiss TL 60mW 24,6 lm/W
Cree XLamp 7090 1W 75,7 lm/W
lm/
W
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Ansteuerkonzepte für LEDs
R
Luxeon kaltweiss 1W mit Widerstand 4,3 lm/W
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EVG
Luxeon kaltweiss 1W mit EVG 16,7 lm/W
lm/
W
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Wirkungsgrade Halogenglühlampen
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lm/
W
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Technische Daten H1-Glühlampe
Norm: ECE-R 37
Nenndaten
Spannung: 12 V
Leistung: 55 W
Lichtstrom: 1150 lm
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Prüfbedingungen
Spannung: 13,2 V
Leistung: 68 W
Lichtstrom: 1550 lm
Wirkungsgrad: 22,8 lm/W
lm/
W
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Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im „Xenon“-Scheinwerfer
D2-Lampe (Xenon Lampe):
50 bar Xenon (7 bar Kaltfülldruck)
20 bar Quecksilber
<1 bar NaI, ScI3
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Technische Daten:
Strom: 0.4 A, 400 Hz Rechteck
Leistung: 35 Watt (85 V)
Lichtstrom: 3200 lm (Start: 400 lm)
Wirkungsgrad: 91 lm/W
lm/
W 4 mm
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Temperaturbereiche
Maximale Betriebstemperaturen im Fahrzeug
• Heckleuchten +55°C
• S3 Bremsleuchte und spezielle Heckleuchten +80°C
• Elektronik in Motornähe (zB: Xenon-Steuergerät) +105°C
Temperaturbereiche
• Erweiterter Temperaturbereich -40°C bis +85°C
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• Betriebstemperatur -30°C bis +70°C
• Innenraum -20°C bis +65°C (+100°C)
Klimatest (in stromlosem Zustand, bei 95% Luftfeuchtigkeit)
• 12 Stunden bei 25°C, dann 12h bei 55°C 6 Tage am Stück
[Quellen: BMW, DaimlerChrysler, Harman Becker Automotive Systems, Hella, Lumileds]
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Thermik im Scheinwerfer
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[Aus: L-LAB, Sascha Nolte]
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Blendung
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S: Sichtweite
l: Begegnungsentfernung
Scheinwerfer: asymetrisches Abblendlicht („E“)
Nebelscheinwerfer („H3“)
[Aus: Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im Straßenverkehr, Eckert]
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Lichtlenkungssysteme
• Paraboloide
• Elipsoide
• Projektionssysteme
• Frei-Form-Flächen
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• Lichtleiter
• Pixel Light (diskrete Verteilung)
• LED-Scheinwerfer (diskrete Verteilung)
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Grundsätzlich gilt: IScheinwerfer ~ LLichtquelle ·AAustrittsoptik · Verlustfaktoren
Hierbei sind als Verlusfaktoren anzusetzen: Absorption, Relektionsgrad, optischer Wirkungsgrad,
Streuanteile, etc. ..
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Lichtlenkung mit Paraboloid und axialer Wendel
W: Wendel
W1/2: Wendelabbild
f: Brennpunkt
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R: Reflektor
Je größer die Brennweite → desto kleiner der Öffnungswinkel
→ mit → hohe Lichtstärke
Je klener die Brennweite → desto größer der Öffnungswinkel
→ mit → niedrige Lichtstärke
[Aus: Handbuch der Beleuchtung]
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Lichtlenkung mit H4-Lampen
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[Aus: Handbuch der Beleuchtung]
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Wendelbilder auf der Straße
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[Aus: Handbuch der Beleuchtung]
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Streuscheiben bei Paraboloid-Reflektoren
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[Aus: Handbuch der Beleuchtung]
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Lichtlenkung bei tangentialer Wendellage
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A: Wendel Abblendlicht
F: Wendel Fernlicht
W1/2: Wendelabbild
f: Brennpunkt [Aus: Handbuch der Beleuchtung]
Y1, y2 : Brennweiten
R: Reflektor
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Freiformflächen-Reflektor
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Hoher Wirkungsgrad: Alles Licht kann genutzt werden
Freiflächen – Optik (Complex Shape Optic)
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Complex shape Optiken
Richtung der Berechnung
Von der Lichtverteilung zur Lichtquelle
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Wendelbilder beim Freiform-Scheinwerfer
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Diese Technik ermöglicht es,
auch komplexe Leuchtdichtestrukturen umzusetzen!
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Quelle: Ries, Muschaweck, OEC AG,
Maßgeschneiderte Beleuchtungssyteme,
Photonic 2004
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Lichtlenkung mit Ellipsoid - Reflektor bzw.
Projektionsscheinwerfer
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W: Wendel
W‘: Wendelabbild
F: Brennpunkte
R: Reflektor
[Aus: Handbuch der Beleuchtung]
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Forschungs Universität Karlsruhe (TH) Prinzipieller Aufbau des Projektionsscheinwerfers
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Lichtlenkung bei Projektionssystemen
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W: Wendel
W‘: Wendelabbild
F: Brennpunkte
R: Reflektor
L: Linse
O: optische Achse
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Projektionssysteme und deren Blenden
Vorteile:
• Rechts-Links-Verkehr Umschaltung
• Fern- und Abblendlicht mit einer Lichtquelle
• Verschiedene Lichtverteilungen
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• Sehr gleichmäßige Lichtverteilung
Nachteile:
• Lichtstromverlust
• Mechanik
• Gewicht
• Bautiefe
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Lichtlenkung bei Projektionsscheinwerfern mit Blenden
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R: Reflektor
W: Wendel L: Linse
W‘: Wendelabbild O: optische Achse
F: Brennpunkte B: Blende
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Beispiel eines Projektionsscheinwerfers
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[Aus: Hella, Research & Development Review 1997]
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Freiform Walze
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[Aus: Hella]
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Freiform Drehscheiben-Reflektor
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[Aus: Valeo]
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Schwenkmodul
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[Aus: Automotive Lighting]
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35. Scheinwerfer mit LED 35
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36. Scheinwerfer mit LED 36
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Lichtlenkung durch Lichtleiter
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[Aus: Hella, Research & Development Review 1997]
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Lichtleiter - spektrale Transmission
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[Aus: Hella, Research & Development Review 1997]
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Lichtleiter - Temperaturabhängigkeit
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[Aus: Hella, Research & Development Review 1997]
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Lichtleiter - Feuchte
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[Aus: Hella, Research & Development Review 1997]
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DMD-Chip
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Pixel Light - schematischer Aufbau
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Pixel Light - Demonstration
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LED-Scheinwerfer mit diskreter Verteilung
Bezeichnungen:
Voxel-Light
Matrix Beam
eine LED pro Raumwinkelsegment
jede LED individuell ansteuerbar
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AFS-Funktionen
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Bezeichnungen:
Advanced Front Lighting System
Intelligent Light
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Schlechtwetterlicht
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[Aus: AFS Task Force]
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Kurvenlicht - Schwenkstrategien
Schwenkstrategien:
Parallel Einseitig Divergent
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Abbiegelicht
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Forschungs Universität Karlsruhe (TH) Optimierungsmöglichkeiten eines Bi-Halgenscheinwerfers
Quelle: Markus Kiesel, The Bihalogen Projector – Changes and Challenges, SP – 2223, Automotive Lighting Technology,
2009, SAE World Congress, Detroit April 2009
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50. Lichtströme moderner Scheinwerferlampen 50
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51. 51
Nach Kiesel haben typische Projektionsscheinwerfer
eine Linse mit einem Durchmesser von 70mm und
eine rückseitige Brennweite von 55mm.
Wie schon zuvor dargestellt bewirkt eine
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Vergrößerung des Linsendurchmessers eine
Steigerung der Lichtstärke;
Bezogen auf o.g. Scheinwerfer resultiert aus einer
Vergrößerung des Linsendurchmessers um1mm eine
Steigerung der maximale Lichtstärke des Fernlichts
von 1% bis 2%.
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Weiterhin pro 1mm Linsenvergrößerung nimmt der
Lichtstrom auf der Straße (nutzbare Lichtstrom) um 2%
zu, das bedeutet eine Steigerung der Effizienz.
Projektionsscheinwerfer mit 70mm Linsendurchmesser
habe eine Effizienz von ca. 49.5%;
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Projektionsscheinwerfer mit 75mm Linsendurchmesser
habe eine Effizienz von ca. 55.2%;
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Vorteile größerer Linsendurchmesser
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Mit der Vergrößerung des Linsendurchmessers
Steigt auch das Gewicht der Linse mit ca 6.5g pro 1mm
größerem Durchmesser;
Zudem verlängert sich auch die Gesamtlänge des
Projektionssystems obwohl die Brennweite unverändert
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bleibt.
Die betrifft besonders Scheinwerferkonstruktionen bei
denen alternativ sowohl Halogen- als auch
Gasentladungslampen zum Einsatz kommen sollen.
Zudem höheres Gesamtgewicht ist kritisch hinsichtlich
Vibrationen und Testsbezüglich des Fußgängerschutzes.
Karl Manz Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 Scheinwerfer
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Verkleinerung der Brennweite der Linse um 1mm
steigert den nutzbaren Lichtstrom um ca 10lm bis 12lm
das bedeutet eine Effizienzsteigerung um ca 0.7% bis
0.8%;
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Demgegenüber nimmt gleichzeitig die maximale
Fernlichtstärke um ca 1.5% ab.
Die Verkürzung der Linsenbrennweite erhöht das
Gewicht um ca 2g per 1mm;
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57. 57
Forschungs Universität Karlsruhe (TH)
Das Diagramm zeigt die Abhängigkeit von der Brennweite
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58. 58
Bei der hier diskutierten Lösung erreichte der
Scheinwerfer mit einem Linsendurchmesser von
75mm und einer Brennweite von 57mm einen
brauchbaren Kompromiss hinsichtlich des
nutzbaren Lichtstromes und der maximalen
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Lichtstärke des Fernlichts:
Erreicht wurden 800lm nutzbare Lichtstrom
und eine Lichtstärke des Fernlichtes von 65 000cd
bei gewährleisteter Austauschbarkeit mit dem
Modul mit der Gasentladungslampe.
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59. 59
• Zum Abschluss noch einige
Impressionen
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LED-Scheinwerfer 2003
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[Aus: Hella, Lukas Schwenkschuster, 2003]
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61. 61
LED-Scheinwerfer 2003
Forschungs Universität Karlsruhe (TH)
[Bilder: IAA 2003]
Karl Manz Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 Scheinwerfer
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LED-Scheinwerfer 2003
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[Bilder: IAA 2003]
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LED-Scheinwerfer IAA 2005
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[Bilder: IAA 2005]
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LED Scheinwerfer IAA 2005
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[Bilder: IAA 2005]
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LED-Scheinwerfer 2007 - Audi R8
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[Bild: Audi]
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LED-Scheinwerfer 2007 - Audi R8
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[Bilder: Audi]
Karl Manz Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 Scheinwerfer
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Scheinwerfer IAA 2005
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Scheinwerfer IAA 2005 - Mini
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Scheinwerfer IAA 2005 - Mini Detail
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LED-Leuchten
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72. 72
Literaturangaben
Licht und Beleuchtung, Hans-Jürgen Hentschel,
Hüthig Buch Verlag GmbH, 2002
Handbuch der Beleuchtung, Horst Lange, ecomed Verlagsgesellschaft,
5. Auflage, 1992
Grundlagen der Lichttechnik, Siegfried Kokoschka,
http://www.lti.uni-karlsruhe.de, Karlsruhe 2003
Forschungs Universität Karlsruhe (TH)
Grundlagen der Lichttechnik aus fahrzeugtechnischer Sicht,
Karsten Klinger, http://www.lti.uni-karlsruhe.de, Karlsruhe 2003
Vorlesungsunterlagen zu „Automobile Licht- und Displaytechnik“
http://www.lti.uni-karlsruhe.de, Karlsruhe 2005
Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im
Straßenverkehr, Eckert
Verlag Technik, 1993
Markus Kiesel, The Bihalogen Projector – Changes and Challenges, SP –
2223, Automotive Lighting Technology, 2009, SAE World Congress,
Detroit April 2009
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