Licht- und Displaytechnik, Optikdesign - · PDF file„Zemax“ von Zemax Development...
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LED-Treppenstufenbeleuchtung
Funktionsprinzip Totalreflektionsoptik (TIR)
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LED-Treppenstufenbeleuchtung
Rendering der Treppenszene
a) Unbeleuchtete Treppe b) beleuchtete Treppe
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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
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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
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Temperaturstrahler allgemein
Schwarzköperkurve
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Temperaturstrahler 6500 K
Spektrale Anteileeines Temperatur-strahlers
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Temperaturstrahler 6500 K
Spektraler Filterzur „Erzeugung“gelben Lichts
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LEDs und Farbe
weiße LEDs:
• LEDs anderer Wellenlänge plus Wellenlängenkonversionsstoffe(z.B. Phosphore)
• Farbe fest, nicht änderbar
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Farberzeugung mit Phosphoren
Phosphor blau•
•
•
Phosphor rot
Phosphor grün
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LEDs und Farbe
RGB-LEDs:
• Farbe einstellbar mittels additiver Farbmischung
• Freiraummischung
• Farbmischoptiken
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Farbmischung mit RGB-LEDs
465 nm•
632 nm•
505 nm•
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Farbmischung mit RGB-LEDs
465 nm
632 nm
•
•
•505 nm
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Farbmischung mit RGB-LEDs
•
•
•
465 nm
632 nm
505 nm
530 nm•
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Möglichkeiten Farbmischung I
Freiraummischung
- je enger Anordnung der farbigen Lichtquellen, desto besser die Farbmischung durch örtliche Überlagerung
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Möglichkeiten Farbmischung I
Freiraummischung
- je enger Anordnung der farbigen Lichtquellen, desto besser die Farbmischung durch örtliche Überlagerung
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Farbschatten
Schattenwurf infolge weißen Lichts
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Farbschatten
Schattenwurf infolge im Freiraum gemischtem weißen Licht
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Möglichkeiten Farbmischung II
Farbmischoptiken
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Möglichkeiten Farbmischung II
Farbmischstab – Mixing Rod
- Vollmaterial Totalreflektion
- Hohlstab mit verspiegelten Innenflächen Reflektion
- ortsabhängige Durchmischung
- Beeinflussung der Winkelabhängigkeit möglich
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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)
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Problem der Farbmischung
Licht ist eine vektorielle Größe!!!
Anforderungen für gute Farbmischung:
• Ortsabhängige Durchmischung
Farbmischung an bestimmtem Ort
• Winkelabhängige Durchmischung
Farbmischung im Fernfeld
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Beispiel: Freiraummischung
• 3 LED-Chips in einer Reihe angeordnet• Durchmischung durch Strahlüberlagerung• Gute Farbmischung, keine Farbschatten• aber Abstrahlcharakteristik unverändert
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Beispiel: Freiraummischung
• 3 LED-Chips in einer Reihe angeordnet• Durchmischung durch Strahlüberlagerung• Gute Farbmischung, keine Farbschatten• aber Abstrahlcharakteristik unverändert
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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
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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
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Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator
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Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator
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Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator
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Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator
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Beispiel: Dreigeteilte TIR-Collimatoroptik
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Beispiel: Dreigeteilte TIR-Collimatoroptik
Simulation mit der kompletten TIR-Optik
Simulation nur mit innerer Optik
Simulation nur mit äußerer Optik
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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
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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
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Beispiel: Single-Chip-LEDs plus TIR-Collimatoren
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Möglichkeiten Farbmischung III
Dichroitische Spiegel
• wellenlängensensitive Beschichtung,reflektieren bestimmten Teil des Spektrumsandere Wellenlängen transmittieren
• perfekte Farbmischung, da perfekte orts- und winkelabhängige Überlagerung
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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, …
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Gaussian Beam Propagation
• Gaussian Beams lösen paraxiale Probleme
Gauß-Strahl gebildet aus mehreren“normalen” Strahlen
Feld zusammengesetzt ausmehreren Gauß-Strahlen
www.breault.com
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„Code V“ von Optical Research Associates
• abbildende Systeme• Linsendesign• Optimierungstool• ca. 15.000 € pro Jahr
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„OSLO“ von Lambda Research Corporation
• abbildende Systeme• Linsendesign• Optimierungsmöglichkeiten
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„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
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„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
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„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.
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„TracePro“ von Lambda Research Corporation
• nicht-abbildende Systeme• Austauschmodul „TraceProBridge“ mit SolidWorks• 32.000 € einmal + 1.500 € pro Jahr für Support & Updates
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„Zemax“ von Zemax Development Corporation
• nicht-abbildende und abbildende Systeme• Optimierungstool für abbildende Optik• ☺ 3.000 € einmalig + Support & Updates• ☺ weit verbreitet• braucht ständige Internetverbindung
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„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
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“BeamPROP” von RSoft
• Gaussian Packages mit BeamProp (gut geeignet zumDesign von Wellenleitern in 2D)
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Meep (FDTD), Comsol Multiphysics (FEM)
• Meep: Freeware-Tool vom MIT
• Comsol Multiphysics von Femlab GmbH
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“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
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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
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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
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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
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Stand der Technik Nonimaging Optics
R. A. Hicks, Direct Methods for Freeform Surface Design, SPIE Optics & Photonics 2007
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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
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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)
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Maßschneidern optischer Freiformflächen
Funktionsweise
• Wellenfrontkonzept
• Tensorbeschreibung
• Beleuchtungsstärke nichtlinear mit dem Krümmungstensorverknüpft
• Randbedingungen:EnergieerhaltungBegrenzungsflächeZuordnungen eindeutige Lösung
(ww
w.o
ec.n
et)
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Maßschneidern optischer Freiformflächen
• numerische Lösungen genauer als Fertigungstoleranzen
• damit anspruchsvolle Lösungen realisierbar
• Spritzguss möglich
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Maßschneidern optischer Freiformflächen
Beispiele
Freiform-Reflektor(www.oec.net)
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Maßschneidern optischer Freiformflächen
Beispiele
Freiform-Optik für eine LED-Stirnlampe (www.oec.net)
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Maßschneidern optischer Freiformflächen
Beispiele
LED Freiform-Optik für Abblendscheinwerfer(www.oec.net)