LED-Treppenstufenbeleuchtung. Funktionsprinzip Totalreflektionsoptik (TIR)

Transkript

1 LED-Treppenstufenbeleuchtung Funktionsprinzip Totalreflektionsoptik (TIR)

2 LED-Treppenstufenbeleuchtung Rendering der Treppenszene a) Unbeleuchtete Treppe b) beleuchtete Treppe

3 LED-Treppenstufenbeleuchtung Ersatz der weißen LED durch eine auf den CIE-Weißpunkt eingestellten RGB-LED a) Weiße LED b) RGB-LED Ursache: Roter und blauer LED- Chip sind nicht an vorgesehener Lichtquellenposition positioniert delokalisiert

4 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

5 Temperaturstrahler allgemein Schwarzköperkurve

6 Temperaturstrahler 6500 K Spektrale Anteile eines Temperaturstrahlers

7 Temperaturstrahler 6500 K Spektraler Filter zur Erzeugung gelben Lichts

8 LEDs und Farbe weiße LEDs: LEDs anderer Wellenlänge plus Wellenlängenkonversionsstoffe (z.b. Phosphore) Farbe fest, nicht änderbar

9 Farberzeugung mit Phosphoren Phosphor blau Phosphor rot Phosphor grün

10 LEDs und Farbe RGB-LEDs: Farbe einstellbar mittels additiver Farbmischung Freiraummischung Farbmischoptiken

11 Farbmischung mit RGB-LEDs 465 nm 632 nm 505 nm

12 Farbmischung mit RGB-LEDs 465 nm 632 nm 505 nm

13 Farbmischung mit RGB-LEDs 465 nm 632 nm 505 nm 530 nm

14 Möglichkeiten Farbmischung I Freiraummischung - je enger Anordnung der farbigen Lichtquellen, desto besser die Farbmischung durch örtliche Überlagerung

15 Möglichkeiten Farbmischung I Freiraummischung - je enger Anordnung der farbigen Lichtquellen, desto besser die Farbmischung durch örtliche Überlagerung

16 Farbschatten Schattenwurf infolge weißen Lichts

17 Farbschatten Schattenwurf infolge im Freiraum gemischtem weißen Licht

18 Möglichkeiten Farbmischung II Farbmischoptiken

19 Möglichkeiten Farbmischung II Farbmischstab Mixing Rod - Vollmaterial Totalreflektion - Hohlstab mit verspiegelten Innenflächen Reflektion - ortsabhängige Durchmischung - Beeinflussung der Winkelabhängigkeit möglich

20 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)

21 Problem der Farbmischung Licht ist eine vektorielle Größe!!! Anforderungen für gute Farbmischung: Ortsabhängige Durchmischung Farbmischung an bestimmtem Ort Winkelabhängige Durchmischung Farbmischung im Fernfeld

22 Beispiel: Freiraummischung 3 LED-Chips in einer Reihe angeordnet Durchmischung durch Strahlüberlagerung Gute Farbmischung, keine Farbschatten aber Abstrahlcharakteristik unverändert

23 Beispiel: Freiraummischung 3 LED-Chips in einer Reihe angeordnet Durchmischung durch Strahlüberlagerung Gute Farbmischung, keine Farbschatten aber Abstrahlcharakteristik unverändert

24 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

25 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

26 Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator

27 Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator

28 Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator

29 Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator

30 Beispiel: Dreigeteilte TIR-Collimatoroptik

31 Beispiel: Dreigeteilte TIR-Collimatoroptik Simulation mit der kompletten TIR-Optik Simulation nur mit innerer Optik Simulation nur mit äußerer Optik

32 Beispiel: Single-Chip-LEDs plus TIR-Collimatoren Über je vier rote, grüne und blaue 3W-LED jeweils eine Collimatoroptik Öffnungswinkel 2x7 Durchmischung durch Strahlüberlagerung Sehr gute Farbmischung ab 45 cm Entfernung

33 Beispiel: Single-Chip-LEDs plus TIR-Collimatoren Über je vier rote, grüne und blaue 3W-LED jeweils eine Collimatoroptik Öffnungswinkel 2x7 Durchmischung durch Strahlüberlagerung Sehr gute Farbmischung ab 45 cm Entfernung

34 Beispiel: Single-Chip-LEDs plus TIR-Collimatoren

35 Möglichkeiten Farbmischung III Dichroitische Spiegel wellenlängensensitive Beschichtung, reflektieren bestimmten Teil des Spektrums andere Wellenlängen transmittieren perfekte Farbmischung, da perfekte orts- und winkelabhängige Überlagerung

36 Klassen optischer Probleme allg. optische Systeme / Probleme (Maxwell Gleichungen) Wellenoptik Gaussian Beam Propagation Geometrische Optik full solvers (FDTD, FEM, ) partial solvers (gaussian packages, Relevante Fragestellungen: Beugung, Reflexion, Polarisation, Interferenz, Kohärenz, abbildende Systeme (sequentielles Raytracing) nicht-abbildende Systeme (nicht-sequentielles Raytracing) Relevante Fragestellungen: Abbildungseigenschaften und -fehler, Reflexion, Intensitätsverteilungen,

37 Gaussian Beam Propagation Gaussian Beams lösen paraxiale Probleme Gauß-Strahl gebildet aus mehreren normalen Strahlen Feld zusammengesetzt aus mehreren Gauß-Strahlen

38 Code V von Optical Research Associates abbildende Systeme Linsendesign Optimierungstool ca pro Jahr

39 OSLO von Lambda Research Corporation abbildende Systeme Linsendesign Optimierungsmöglichkeiten

40 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 jährlich für Grundmodul sehr gutes Einstiegsprogramm, Maus- und Skriptsteuerung möglich einfache 3D-Objekte sehr leicht zu erstellen

41 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 einmalig pro Jahr für Support & Updates

42 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 einmalig jährlich für Support & Updates sehr auf automotive spezialisiert.

43 TracePro von Lambda Research Corporation nicht-abbildende Systeme Austauschmodul TraceProBridge mit SolidWorks einmal pro Jahr für Support & Updates

44 Zemax von Zemax Development Corporation nicht-abbildende und abbildende Systeme Optimierungstool für abbildende Optik einmalig + Support & Updates weit verbreitet braucht ständige Internetverbindung

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

46 BeamPROP von RSoft Gaussian Packages mit BeamProp (gut geeignet zum Design von Wellenleitern in 2D)

47 Meep (FDTD), Comsol Multiphysics (FEM) Meep: Freeware-Tool vom MIT Comsol Multiphysics von Femlab GmbH

48 Virtual Lab von LightTrans Toolbox-Konzept (Hermit- und Laguerre Quellen, breitbandige Quellen, ) Wechsel zwischen geometrisch-optischen und wellenoptischen Bild möglich Scheint subjektiv sehr innovativ zu sein

49 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

50 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

51 Stand der Technik Nonimaging Optics Reflektor, der das Original von einer Zylinderfläche auf eine Rechteckfläche projiziert? Freiformreflektor R. A. Hicks, Direct Methods for Freeform Surface Design, SPIE Optics & Photonics 2007

52 Stand der Technik Nonimaging Optics R. A. Hicks, Direct Methods for Freeform Surface Design, SPIE Optics & Photonics 2007

53 Maßschneidern optischer Freiformflächen Optimierung systematisiertes Ausprobieren passende Parametrisierung der Oberfläche 3D-Maßschneidern Ries, H., Muschaweck, A., Tailored Freeform Optical Surfaces, Vol. 19, No. 3/March 2002/J. Opt. Soc. Am. A, gezielte Berechnung optischer Systeme unstetige Zielverteilungen, Punktquellen für Linsen und Reflektoren anwendbar Grundlage: Prinzipien der geometrischen Optik Übersetzung in partieller DGL Lösung numerisch Freiformoberfläche

54 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 (

55 Maßschneidern optischer Freiformflächen Funktionsweise Wellenfrontkonzept Tensorbeschreibung ( Beleuchtungsstärke nichtlinear mit dem Krümmungstensor verknüpft Randbedingungen: Energieerhaltung Begrenzungsfläche Zuordnungen eindeutige Lösung

56 Maßschneidern optischer Freiformflächen numerische Lösungen genauer als Fertigungstoleranzen damit anspruchsvolle Lösungen realisierbar Spritzguss möglich

57 Maßschneidern optischer Freiformflächen Beispiele Freiform-Reflektor (

58 Maßschneidern optischer Freiformflächen Beispiele Freiform-Optik für eine LED-Stirnlampe (

59 Maßschneidern optischer Freiformflächen Beispiele LED Freiform-Optik für Abblendscheinwerfer (