Design und Herstellung von Freiform Strahlformern
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- Achim Breiner
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1 Design und Herstellung von Freiform Strahlformern D. Michaelis, S. Kudaev, P. Schreiber und A. Bräuer 1. Motivation / Aufgabenstellungen 2. Geometrischer Designansatz 3. Beispieldesigns 4. Ausblick 1
2 Motivation Primäroptik Sekundäroptik LED chip + = Light distribution Kollimation Strahlformung 2
3 Motivation - Automobilsicherheitssysteme 1.2 Intensität a.u x in m 5.00E-06 Intensität EU Projekt: PreVent E E E E E+04 X [mm] Strahlformung durch 5 Linsenarrays 3
4 Aufgabenstellung optische Freiform quasi beliebige Form Freiformfläche Quelle - inkohärent, - bel. Abstrahlung äußerst große Zahl zu optimierender Größen sehr große Zahl von Strahlen konventionelles Raytracing versagt Erstellung von Zusatzsoftware Ausgangsverteilung - bel. Intensitätsverteilung 4
5 Vorgehen y Quelle ϕ x θ z B(θ,ϕ,x,y): Leistung pro Raumwinkel und Fläche idealisierte Quellen eindimensionale Quelle zweidimensionale Quelle B(θ,ϕ) anisotrope Punktquelle B(x,y) kollimiert, bel. Intensität B(θ,x) B θ (θ) B x (x) Θ x B(θ,ϕ,x,y) B W (θ, ϕ) B O (x,y) y x z 5
6 Geometrische Ansätze für idealisierte Quellen Grundidee: Reflektor = Zusammensetzung aus Teilen von einfachen Flächen mit problemzugeschnittenen Eigenschafte Punktquelle Fernfeld Punktquelle Nahfeld Kollimiertes Licht Fernfeld Paraboloid Ellipsoid Ebene 2 1 Punktquelle im Fokus koll. Licht Punktquelle im Fokus 1 Punktbild im Fokus 2 koll. Quell-Licht koll. reflektiertes Licht 6
7 Beispieldesign Problem: anisotrope Punktquelle Fernfeldverteilung : Verwendung von Rotationsparaboloide Punktquelle im Fokus koll. Licht Rotationsparaboloide verschiedener Orientierung Quelle Quelle Rotationsparaboloid 7
8 Beispieldesign: Punktquelle Fernfeld Orientierung Grundidee: Reflektor = Zusammensetzung aus Teilen von einfachen Flächen mit problemzugeschnittenen Eigenschafte Punktquelle Fernfeld: Verwendung von Paraboloiden Schar von Paraboloiden ( unterschiedliche Orientierung und Fokalabstand) Fokalabstand Visibility V: Leistung Orientierung Richtung des refl. Lichts 2 V 3 V 2 Pkt.-Quelle V 1 P out,3 P out,
9 Optimierungskonzept Vorgabe der Richtung des reflektierten Lichts im Fernfeld Orientierung der Paraboloide Änderung des Fokalabstandes Änderung der Intensitätsverteilung Optimierung V 3 V 2 V 1 P out,3 P out,2 V 3 V 2 V 1 P out,3 P out,2 9
10 Freiform - Reflektor V 3 Generelle Eigenschaft der Reflektoren: Oberfläche der Schnittmenge aller Paraboloide Reflektor ist zusammenhängend ( unendliche Anzahl von Paraboloiden: glatter Reflektor ) V 2 V 1 Glättung des Reflektors notwendig Reflektor = konvexe Fläche kleinst mögliche Krümmung der Feinstruktur 10
11 Beispiel: IOF -Logo 45 zwischen Haupteinfallsrichtung und Hauptreflexionsrichtung Fernfeld (ZEMAX) 11
12 Freiform - Reflektor Reflektor Z 0.64 Reflektor - Grobstruktur Z Reflektor - Feinstruktur X Y X Y Rotationsellipsiod Umlenkung der Hauptrichtungen Feinstruktur inv. Ausgangsverteilung 12
13 Freiform - Reflektor Konturbild der Feinstruktur Reflektorgröße ~ 5 cm mit Grobstrukt. = Kugel Höhen Feinstruktur: +/- 100 µm laterale Abtastung der Feinstruktur: ~ 120 µm 13
14 Freiform für endliche Quellausdehnung und Quellwinkelverteilung Quelle = Ensemble von anisotropen Punktquellen y Quelle x z jede Punktquelle Bildverteilung Summe aller Bildverteilungen = Gesamtverteilung Freiform = Ensemble von Facetten Vorteile: - kleinere Baulängen jede Facette Leistungsbeitrag in verschiedene Richtungen - mehr Leistung 14
15 2D Freiformen für lineare Quellen lineare Quelle: Quelle Fernfeld 2D - Reflektor B(θ,x) B θ (θ) B x (x) 15
16 2D Reflektor Eingang Ausgang Gaußverteilung Quellgröße Quell-Freiform - Abstand
17 Quell - Verteilung 3D Reflektor Soll - Verteilung End - Verteilung y Quelle x z Intensität Intensität Intensität ± 15 Gaußverteilung Quellgröße Quell-Freiform - Abstand 1 8 Intensität Winkel Intensität Winkel 17
18 3D Reflektor Quell - Verteilung Freiform End - Verteilung y Quelle x z Feinstruktur = Abweichung von Sphäre Supergauß mit Kreuz Intensität Z Intensität 15 Gaußverteilung Quellgröße Quell-Freiform - Abstand
19 Herstellung von optischen Freiformen Freiform - Design Zfts (r, ϕ) Z - Achse Zrot (r) Beschreibung: Z (r, ϕ) = Zrot (r) + Zfts (r, ϕ) r ϕ CNC - Controller Standard CNC Programmierung der Maschinen-Controller Überlagerung der FTS-Bewegung in Z- Richtung FTS - Controller unabhängiges System, r und ϕ als Parameter nötig FTS-Bewegung C-Code oder Bitmap- File Spindel + Encoder ϕ X Achse r Freiform Spiegel mit Mikrofacetten, FTS-Turning 19
20 Zusammenfassung Quellausdehnung klein gegenüber Quell-Freiformabstand Erzeugung beliebiger Intensitätsverteilungen im Fern- und Nahfeld hinreichend kollimierte Quellstrahlung Erzeugung beliebiger Intensitätsverteilungen im Fern- und Nahfeld lineare Quelle Erzeugung beliebiger Intensitätsverteilungen im Fernfeld nächste Schritte: - Freiformen für 3D Quellen (Quellausdehnung + Winkelverteilung der Quellstrahlen) - Kombination von Primäroptik mit Freiform-Sekundäroptik - optische Freiform = Primäroptik + Sekundäroptik 20
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