licht- und displaytechnik, optikdesign

LED-Treppenstufenbeleuchtung

Funktionsprinzip Totalreflektionsoptik (TIR)

LED-Treppenstufenbeleuchtung

Rendering der Treppenszene

a) Unbeleuchtete Treppe b) beleuchtete Treppe

LED-Treppenstufenbeleuchtung

Ersatz der weißen LED durch eine auf den CIE-Weißpunkteingestellten RGB-LED

a) Weiße LED b) RGB-LED

Ursache:Roter und blauer LED-Chip sind nicht an vorgesehener Lichtquellenposition positioniert

delokalisiert

LEDs und Farbe

• LEDs sind im Gegensatz zu z.B. Glühlampen

keine Temperaturstrahler, sondern

schmalbandig (fast monochrom) emittierende Linienstrahler

• keine Farbfilter notwendig

hohe Effizienz für farbige Lichtapplikationen

• Farben mit sehr hoher Sättigung

Temperaturstrahler allgemein

Schwarzköperkurve

Temperaturstrahler 6500 K

Spektrale Anteileeines Temperatur-strahlers

Temperaturstrahler 6500 K

Spektraler Filterzur „Erzeugung“gelben Lichts

LEDs und Farbe

weiße LEDs:

• LEDs anderer Wellenlänge plus Wellenlängenkonversionsstoffe(z.B. Phosphore)

• Farbe fest, nicht änderbar

Farberzeugung mit Phosphoren

Phosphor blau•

•

•

Phosphor rot

Phosphor grün

LEDs und Farbe

RGB-LEDs:

• Farbe einstellbar mittels additiver Farbmischung

• Freiraummischung

• Farbmischoptiken

Farbmischung mit RGB-LEDs

465 nm•

632 nm•

505 nm•

Farbmischung mit RGB-LEDs

465 nm

632 nm

•

•

•505 nm

Farbmischung mit RGB-LEDs

•

•

•

465 nm

632 nm

505 nm

530 nm•

Möglichkeiten Farbmischung I

Freiraummischung

- je enger Anordnung der farbigen Lichtquellen, desto besser die Farbmischung durch örtliche Überlagerung

Möglichkeiten Farbmischung I

Freiraummischung

- je enger Anordnung der farbigen Lichtquellen, desto besser die Farbmischung durch örtliche Überlagerung

Farbschatten

Schattenwurf infolge weißen Lichts

Farbschatten

Schattenwurf infolge im Freiraum gemischtem weißen Licht

Möglichkeiten Farbmischung II

Farbmischoptiken

Möglichkeiten Farbmischung II

Farbmischstab – Mixing Rod

- Vollmaterial Totalreflektion

- Hohlstab mit verspiegelten Innenflächen Reflektion

- ortsabhängige Durchmischung

- Beeinflussung der Winkelabhängigkeit möglich

Problem der Farbmischung

Licht ist eine vektorielle Größe!!!

Skalare Größen werden durch einen Zahlenwert und eine Einheit charakterisiert.

(z.B. Temperatur, Dichte, Energie)

Vektorielle Größen werden durch einen Zahlenwert, eine Einheit und eine Richtung charakterisiert.

(z.B. Kraft, Feldstärke, Impuls)

Problem der Farbmischung

Licht ist eine vektorielle Größe!!!

Anforderungen für gute Farbmischung:

• Ortsabhängige Durchmischung

Farbmischung an bestimmtem Ort

• Winkelabhängige Durchmischung

Farbmischung im Fernfeld

Beispiel: Freiraummischung

• 3 LED-Chips in einer Reihe angeordnet• Durchmischung durch Strahlüberlagerung• Gute Farbmischung, keine Farbschatten• aber Abstrahlcharakteristik unverändert

Beispiel: Freiraummischung

• 3 LED-Chips in einer Reihe angeordnet• Durchmischung durch Strahlüberlagerung• Gute Farbmischung, keine Farbschatten• aber Abstrahlcharakteristik unverändert

Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator

• Über RGB-LED eine Collimatoroptik, um Öffnungswinkel zu verkleinern

• Öffnungswinkel 2x7° (aber 3 Kegel)• keine Farbmischung, da Strahlbündel

durch Optik getrennt bleiben• Daher völlig

ungeeignet

Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator

• Über RGB-LED eine Collimatoroptik,um Öffnungswinkel zu verkleinern

• Öffnungswinkel 2x7° (aber 3 Kegel)• keine Farbmischung, da Strahlbündel

durch Optik getrennt bleiben• Daher völlig

ungeeignet

Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator

Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator

Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator

Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator

Beispiel: Dreigeteilte TIR-Collimatoroptik

Beispiel: Dreigeteilte TIR-Collimatoroptik

Simulation mit der kompletten TIR-Optik

Simulation nur mit innerer Optik

Simulation nur mit äußerer Optik

Beispiel: Single-Chip-LEDs plus TIR-Collimatoren

• Über je vier rote, grüne und blaue 3W-LEDjeweils eine Collimatoroptik

• Öffnungswinkel 2x7°• Durchmischung durch Strahlüberlagerung• Sehr gute Farbmischung ab 45 cm Entfernung

Beispiel: Single-Chip-LEDs plus TIR-Collimatoren

• Über je vier rote, grüne und blaue 3W-LEDjeweils eine Collimatoroptik

• Öffnungswinkel 2x7°• Durchmischung durch Strahlüberlagerung• Sehr gute Farbmischung ab 45 cm Entfernung

Beispiel: Single-Chip-LEDs plus TIR-Collimatoren

Möglichkeiten Farbmischung III

Dichroitische Spiegel

• wellenlängensensitive Beschichtung,reflektieren bestimmten Teil des Spektrumsandere Wellenlängen transmittieren

• perfekte Farbmischung, da perfekte orts- und winkelabhängige Überlagerung

Klassen optischer Probleme

nicht-abbildendeSysteme(nicht-sequentiellesRaytracing)

Gaussian Beam Propagation

allg. optische Systeme / Probleme

(Maxwell Gleichungen)

Wellenoptik Geometrische Optik

full solvers(FDTD, FEM, …)

partial solvers(gaussian packages, …

abbildendeSysteme(sequentiellesRaytracing)

Relevante Fragestellungen:

Beugung, Reflexion, Polarisation, Interferenz, Kohärenz, …

Relevante Fragestellungen:

Abbildungseigenschaften und -fehler, Reflexion, Intensitätsverteilungen, …

Gaussian Beam Propagation

• Gaussian Beams lösen paraxiale Probleme

Gauß-Strahl gebildet aus mehreren“normalen” Strahlen

Feld zusammengesetzt ausmehreren Gauß-Strahlen

www.breault.com

„Code V“ von Optical Research Associates

• abbildende Systeme• Linsendesign• Optimierungstool• ca. 15.000 € pro Jahr

„OSLO“ von Lambda Research Corporation

• abbildende Systeme• Linsendesign• Optimierungsmöglichkeiten

„LightTools“ von Optical Research Associates

• allgemeine nicht-abbildende Systeme• gute graphische Aufbereitung der Ergebnisse• Modellierung hinterleuchteter Flachdisplays• Optimierungstool (3.000 € extra jährlich)• Austauschmodul mit SolidWorks (extra)• ca. 12.000 € jährlich für Grundmodul• ☺ sehr gutes Einstiegsprogramm, Maus- und Skriptsteuerung möglich• ☺ einfache 3D-Objekte sehr leicht zu erstellen

„FRED“ von Photon Engineering

• nicht-abbildende und abbildende Systeme, Gaussian Beams• sehr gute grafische Ergebnisdarstellung in 3D• sehr viele implementierte Features (Expertenprogramm)• Mehrkernsimulation möglich• Skriptsprache mit erweiterbaren Bibliotheken• 7.000 € einmalig + 1.500 € pro Jahr für Support & Updates

„Lucid Shape“ von Brandenburg GmbH

• vorteilhafte Erstellung von automotive-typischen Komponenten• automotive-typische Darstellung der Ergebnisse (z.B. Birdview, 25m-Wand)• LucidDrive: Analyse von Scheinwerfern in animierter Szene• Externes Raytracing: Simulation mittels Rechnercluster möglich• C/C++ Skript Sprache mit erweiterbaren Bibliotheken• 20.000 € einmalig + 5.000 € jährlich für Support & Updates • sehr auf automotive spezialisiert.

„TracePro“ von Lambda Research Corporation

• nicht-abbildende Systeme• Austauschmodul „TraceProBridge“ mit SolidWorks• 32.000 € einmal + 1.500 € pro Jahr für Support & Updates

„Zemax“ von Zemax Development Corporation

• nicht-abbildende und abbildende Systeme• Optimierungstool für abbildende Optik• ☺ 3.000 € einmalig + Support & Updates• ☺ weit verbreitet• braucht ständige Internetverbindung

„ASAP“ von Breault Research

• nicht-abbildende und abbildende Systeme, Gaussian Beams• Modellierung von Systemen aus Mikro- und Makrooptik möglich• 24.000 € einmalig für Basisversion + Support & Updates• Skripteingabe• ☺Weit verbreitet, gilt als mächtig• Schlechte Mausbedienbarkeit, sehr aufwändige Einarbeitung

“BeamPROP” von RSoft

• Gaussian Packages mit BeamProp (gut geeignet zumDesign von Wellenleitern in 2D)

Meep (FDTD), Comsol Multiphysics (FEM)

• Meep: Freeware-Tool vom MIT

• Comsol Multiphysics von Femlab GmbH

“Virtual Lab” von LightTrans

• Toolbox-Konzept (Hermit- und Laguerre Quellen, breitbandige Quellen, …)

• Wechsel zwischen geometrisch-optischen und wellenoptischen Bildmöglich

• Scheint subjektiv sehr innovativ zu sein

Mögliche Auswahlkriterien

• Lizenzgebühren (einmalig/Support oder jährlich)

• Analysemöglichkeiten und Darstellung der Ergebnisse

• CAD-Designmöglichkeiten

• Optimierungstools vorhanden?

• Umfang der Bibliotheken (Lichtquellen, Materialien, ...)

• Export-/Importformate

• Austausch-Plug-In´s mit CAD-Programmen

• Intuitive Bedienkonzepte vs. Skriptsprachen

• Verbreitung/Bekanntheitsgrad

• Meinung anderer Benutzer

Stand der Technik Nonimaging Optics

2D-Probleme sind mit Standard-DGL-Lösern berechenbar

R. A. Hicks, Direct Methods for Freeform Surface Design, SPIE Optics & Photonics 2007

Stand der Technik Nonimaging Optics

Reflektor, der das Original von einer Zylinderflächeauf eine Rechteckfläche projiziert?

Freiformreflektor

R. A. Hicks, Direct Methods for Freeform Surface Design, SPIE Optics & Photonics 2007

Stand der Technik Nonimaging Optics

R. A. Hicks, Direct Methods for Freeform Surface Design, SPIE Optics & Photonics 2007

Maßschneidern optischer Freiformflächen

Optimierung• systematisiertes Ausprobieren• passende Parametrisierung der Oberfläche

3D-Maßschneidern• gezielte Berechnung optischer Systeme• unstetige Zielverteilungen, Punktquellen• für Linsen und Reflektoren anwendbar• Grundlage: Prinzipien der geometrischen Optik• „Übersetzung“ in partieller DGL• Lösung numerisch Freiformoberfläche

Ries, H., Muschaweck, A., Tailored Freeform Optical Surfaces, Vol. 19, No. 3/March 2002/J. Opt. Soc. Am. A, 590-595

Maßschneidern optischer Freiformflächen

Funktionsweise• Licht trifft auf Oberfläche• Neigung bestimmt Lichtumlenkung• Krümmung bestimmt Strahlaufweitung oder ~bündelung• DGL mit 1. und 2. Ableitung der gesuchten Oberfläche

(www.oec.net)

Maßschneidern optischer Freiformflächen

Funktionsweise

• Wellenfrontkonzept

• Tensorbeschreibung

• Beleuchtungsstärke nichtlinear mit dem Krümmungstensorverknüpft

• Randbedingungen:EnergieerhaltungBegrenzungsflächeZuordnungen eindeutige Lösung

(ww

w.o

ec.n

et)

Maßschneidern optischer Freiformflächen

• numerische Lösungen genauer als Fertigungstoleranzen

• damit anspruchsvolle Lösungen realisierbar

• Spritzguss möglich

Maßschneidern optischer Freiformflächen

Beispiele

Freiform-Reflektor(www.oec.net)

Maßschneidern optischer Freiformflächen

Beispiele

Freiform-Optik für eine LED-Stirnlampe (www.oec.net)

Maßschneidern optischer Freiformflächen

Beispiele

LED Freiform-Optik für Abblendscheinwerfer(www.oec.net)