Licht- und Displaytechnik - KIT - LTI · bekannt sein (im Gegensatz zur Simulation opt. Abb....

Lichttechnisches Institut

Licht- und Displaytechnikvon

Uli LemmerKarl Manz, Dieter Kooß

Karsten Klinger, André Domhardt

Wintersemester 07/08

Lichttechnisches Institut

Licht- und DisplaytechnikAnkündigung für Freitag, den 15.02.2008

Führung und Besichtigung des künstlichen Himmels und zugehöriger Messtechnik

im Fachgebiet Bauphysik und technischer Ausbau der Fakultät Architektur

Treffpunkt: 09:45 Uhr am LTI-Hörsaal

Lichttechnisches Institut

Optikdesign mittels Simulationssoftware

André Domhardt

Wintersemester 07/08

Einführung Optikdesign

OptikdesignAnwendung überall, wo Licht umgelenkt/umverteilt werden muss

Reflektoren TIR-OptikenLinsen

Lichtleiteroptiken

Einführung OptikdesignOptik

abbildende Optik nichtabbildende Optikz.B. Brille z.B. Solarkonzentratoren

Mikroskop ScheinwerferTeleskop OperationsleuchtenFotoapparat Fassadenbeleuchtung

Optikdesign zwingend Optikdesign zur Effizienz-erforderlich, um steigerung und Lichtumverteilung,Abbildungsfehler zu Abbildungsfehler unbedeutend,vermeiden mehr Freiheitsgrade im Design

Einführung Optikdesign

Optikdesign im Bereich der

abbildenden Optik:Modellieren eines optischen Systems zur Erzeugung von Abbildern der Originalobjekte

nichtabbildenden Optik:Modellieren eines optischen Systems zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung bei gegebener Lichtquelle

Einführung Optikdesign

• Es existiert eine Vielzahl von Phänomen in der Optik (Refraktion, Diffraktion, Interferenz, Kohärenz, …), die sich alle mit den Maxwell-Gleichungen beschreiben lassen.

• Prinzipiell: Lösung der Maxwell Gleichungen (analytisch,numerisch)

alle Informationen

• Praktisch: Nicht für alle Systeme können die Maxwell-Gleichungen gelöst werden!

• Analytisch sind nur paraxiale Systeme „gutmütig“

Simulation

Einführung Optikdesign

Optik

makroskopischer Bereich mikroskopischer Bereichz.B. Innenraumbeleuchtung z.B. Wellenleiter

Beamer photonische KristalleUV-Bestrahlung zur Lackhärtung DVD (Lesen/Schreiben)Flutlichtanlagen optische SpeicherFahrzeugleuchten optische Lithographie

Optikdesign mittels Strahlverfolgung Optikdesign durch numerisches (Raytracing) auf Grundlage Lösen der zeitabhängigender geometrischen Optik Maxwell-Gleichungen (Wellenoptik)

Einführung Optikdesign - Wellenoptik

Licht als elektromagnetische Welle (Wellennatur des Lichts)

Transversalwelle, Wellenlänge, Amplitude, Phase

Wellenfrontkonzept

Huygenssches Prinzip

Interferenz

Polarisation

Beugung

Farbe

Einführung Optikdesign - Wellenoptik

• Maxwell Solver diskretisieren den Raum (und die Zeit)

• Gittergröße muss etwa 10x kleiner sein, als das kleinste Feature im System

• Da die Lichtwellenlänge extrem klein ist, sind meist nur Mikro- und Nanosysteme zu berechnen (laufzeitbeschränkt)

nicht alle Systeme und Probleme lassen sich simulativ effizient und komplett beschreiben.

• Aber: Nicht alle Effekte (Diffraktion, Interferenz, ...) sind in jeder System-/ Problemklasse relevant!

Einführung Optikdesign - Geometrische Optik

Näherung, da Welleneigenschaften vernachlässigt

Licht durch idealisierte Strahlen approximiert (Strahlenoptik)

an Grenzflächen Brechung, Reflexion, Zerstreuung, Bündelung

nur qualitative Ergebnisse, keine Aussagen über Quantität

gültig, wenn charakteristische Größe des Systems wesentlichgrößer als die Wellenlänge

Grundlage für Berechnung von Abbildungseigenschaften

Grundlage für Strahlverfolgung (Raytracing)

Beleuchtungsdesignanforderungen• effiziente Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung

auf einer Oberfläche (z.B. homogen oder auch winkelabhängig)

• Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte, Lichtstärke• Farbwiedergabeindex, Blendung, …..

Einführung Optikdesign

I (y)

Einführung Optikdesign

Beleuchtungsdesign

umfasst das Bestimmen der notwendigen Kombination von Lichtquellen und weiteren optischen Komponenten,sowie deren Positionierung und Ausrichtung, um einegewünschte Lichtverteilung zu erhalten.

Dazu dienen Beleuchtungsdesign-Programme im allgemeinenals Hilfsmittel.

Einführung Optikdesign

Arbeitsschritte• Auswahl entsprechender Leuchtmittel

• Anordnen im vorgegebenen Bauraum, Wärmeabfuhr beachten

• optische Anordnung erstellen (Linsen, Reflektoren,…)

• Kreislauf: Simulation, Analyse, Redesign

Einführung Optikdesign

Einzukalkulierende Verlustmechanismen

• Fresnelverluste (Faustregel: 4% pro Ein-/Austritt in/aus Medium)

• Transmissionsverluste im Material

• Streuverluste innerhalb des Materials

• Streuverluste aufgrund der Beschaffenheit der Oberflächen

• Lichtstromrückgang durch Erwärmung der LED

Einführung Optikdesign

Parameter

Material Geometrie

Brechungsindex OberflächenformenReflexionsgrad KoordinatenAbsorptionsgrad KrümmungsradienStreueigenschaften Abmessungen

Winkel

Einführung Optikdesign

Merkmale nichtabbildendes Optikdesign

• Häufig komplexe Aufgabenstellungen aufgrund- vielfältiger Geometrien- verschiedenartiger Zielgrößen- Einbeziehung physikalischer Eigenschaften

der Oberflächen

• Exakte Lösungen existieren meistens nicht approximative Lösungen

• Problemabhängige Lösungsverfahren, keine Standardmethoden

Einführung Optikdesign

Optikdesign im Laufe der ZeitVor den 1970-ern:

- Papier und Bleistift

- Näherungsformeln

- handgerechnete Strahlverläufe in 2D

- nur einfache, analytisch beschreibbare

Geometrien handhabbar

- Effizienz der entwickelten Systeme eher gering

- Rotation und Translation der 2D-Ergebnisse, da

Herstellungsverfahren nur dies zuließen

- Materialien optische Gläser und Reflektoren

Einführung Optikdesign

Optikdesign im Laufe der Zeit1970-er bis Anfang der 1990-er:

- Einführung Lochkartencomputer, später erste PC´s

- beschleunigte und veränderte bisherige Arbeitsweise

Programmieren statt „Zeichnen“

- Strahlverläufe automatisch berechnet, mehr Daten

- größere Vielfalt an handhabbaren Oberflächenformen,

weiterhin Einschränkung durch Herstellungstechniken

- gesteigerte Effizienzen

- 1982: 1. Optiksimulationsprogramm (ASAP)

Einführung Optikdesign

Optikdesign im Laufe der Zeit1990-er bis heute:

- Vielzahl an Optiksimulationsprogramme (CAL)

- Neueinsteiger (ohne Mentor) finden keinen Zugang zu

historisch gewachsenen Arbeitsweisen (Literatur veraltet)

- Learning by Doing mittels CAL

- neue, erst durch CAL praktikable Ansätze

- 3D Freiformflächen (Splines)

- große optische Effizienzen möglich

- fortgeschrittene Fertigungsverfahren,

z.B. Spritzgießen optischer Kunststoffe

Einführung Optikdesign

Computergestützte analytische Herangehensweise:

- Design mittels einiger, weniger Strahlen in 3D

- nur analytisch beschreibbare optische Flächen

- analytische Lösungen für (ver)einfach(t)e

Aufgabenstellungen (z.B. Solarkonzentratoren)

- Randstrahlenprinzip

Randstrahlprinizip

Randstrahlprinizip:Die Strahlung der Quelle wird dann vollständig auf die Zielfläche umverteilt, wenn die Randstrahlen der Quelle in die Randstrahlen der gewünschten Zielverteilung transformiert werden.

(www.lpi-llc.com)

Randstrahlprinizip

Schrittweise Konstruktion von zwei Oberflächen nach dem Randstrahlprinzip

(www.lpi-llc.com)

Randstrahlprinizip

(www.lpi-llc.com)

Randstrahlprinizip

(www.lpi-llc.com)

Einführung Optikdesign

Herangehensweise mittels Computer Aided Lighting:

- optische Konzepte in 3D mittels

schnell modellier- und überprüfbar

- Versuch-und-Irrtum ein Mittel der Wahl,

gut um sich am Beginn dem Ziel zu nähern,

doch langatmiger Weg zum Optimum

- Optimierung einzelner optischer Parameter

hinsichtlich Konzentration in einem Punkt bzw.

gleichmäßiger Ausleuchtung teilweise als Add-on

Einführung Optikdesign

Herangehensweise mittels Computer Aided Lighting:

- für praxisrelevante Lichtverteilungen

„richtige“ = automatische Optimierung,

setzt Erfahrung oder jede Menge Zeit voraus,

individuell, mittels z.B. MatLab-Algorithmen

- prinzipiell 3D-Freiformflächen heute

rechentechnisch modellierbar und herstellbar,

jedoch fehlendes mathematisches Modell zum Design

Einführung Optikdesign

Optikdesign in der Praxis

• Problemdefinition (Beleuchtungsaufgabe, gewünschte Lichtverteilung)

• optisches Know How des Designers• Vorstellung von der prinzipiellen Anordnung (Startdesign)• Erstauswertung• Optimierung nach Parametrisierung

oder Versuch–und–Irrtum–Methode

• Abschlussanalyse

Einführung Optikdesign

Beleuchtungsdesign-Programme

• verschiedene Ansätze schnell überprüfbar• Änderungen im System und deren Auswirkungen• Entwurf, Simulation, Analyse• virtuelles Prototyping

Warum?• keine Oberflächen in optischer Qualität mittels

Rapid-Prototyping-Verfahren

• schneller und billiger als realer Prototypenbau

• ideal für die Versuch–und–Irrtum–Methode

Raytracing/Strahlverfolgung

• Oberbegriff für Algorithmen der 3D-Computergraphik• Berechnung von Lichtverteilungen

• basiert auf Grundlagender geometrischen Optik

• Beleuchtungsdesign: forward raytracing

• Entwicklungsprozess beschleunigt und vereinfacht

• bedarf der Erfahrung des Optikdesigners

(www.wikipedia.de)

(www.l-lab.de)

Raytracing/Strahlverfolgung

Flächenorientierte Strahlverfolgung

• optische Komponente als Abfolge optischer Oberflächen modelliert

• Schnittpunkttest mit diesen Flächen• Änderung des Brechungsindex bei Flächendurchtritt• Fehler, falls Strahl nicht durch alle vorgesehenen Flächen verläuft

Raytracing/Strahlverfolgung

Volumenorientierte Strahlverfolgung

• optische Komponente als Körper modelliert

• Schnittpunkttest mit begrenzenden Flächen des Körpers

• Änderung des Brechungsindex bei Ein-/Austritt aus Körper

Raytracing/Strahlverfolgung

PrinzipStrahl: Datenstruktur mit Anfangspunkt (Lichtquelle)

und Richtung der Halbgeraden im Raum

Raytracing/Strahlverfolgung

Schnittpunkt des Strahls mit einer optischen Fläche gesucht

Raytracing/Strahlverfolgung

Richtungsänderung entsprechend den optischen Gesetzen bestimmt

Raytracing/Strahlverfolgung

nächster Schnittpunkt mit optischer Fläche gesucht

Raytracing/Strahlverfolgung

Wiederholung dieser Schritte

Abbruch, wenn Strahl auf absorbierende Fläche oder Empfänger trifft

Weg des Strahls durch System bekannt

Raytracing/Strahlverfolgung

Raytracing

sequentielles Raytracing Nichtsequentielles Raytracing

Reihenfolge der Flächen auf Reihenfolge der Flächen aufwelche der Strahl trifft vorher welche der Strahl trifft vorher bekannt nicht bekannt

für abbildende Systeme i.d.R. für nichtabbildende Systeme

Verfolgung einiger hundert Verfolgung einiger hundert-Strahlen genügt tausender bis mehrere

Millionen Strahlen notwendig

Simulation mittels NS-Ray Tracing

• Das optische System wird aus 3D-Elementen aufgebaut(Import/Export von/nach CAD).

• Sowohl das Volumen als auch die Oberflächen werden mit optischen Eigenschaften belegt (Brechung, Reflexion, Absorbtion, Beschichtung, Streuung).

• Quellen sind Ausgangspunkt der statistisch verteilten Strahlen (räumliche Verteilung, Winkelverteilung, Spektrale Verteilung, Monte Carlo).

• Ergebnis der Simulation sind Beleuchtungsstärken/Lichtstärken auf Empfängerflächen und im Fernfeld.

• Sie werden aus der Anzahl der auftreffenden Strahlen und aus derjeweiligen Leistung eines Strahls abgeleitet.

• Die Reihenfolge in der ein Strahl Objekte passiert muss nicht bekannt sein (im Gegensatz zur Simulation opt. Abb. Systeme).

• Der Fehler wird mit zunehmender Anzahl von Strahlen kleiner.

Beispiel - Design eines Reflektors

Ziel

• möglichst realistische Modellierung• möglichst homogene Ausleuchtung einer runden Fläche

(100mm) in definiertem Abstand (300mm)• weitere Schritte sind die Anpassung des Reflektors an

bestimmte Ausleuchtungsgeometrien (iterativer Prozess)

Beispiel - Design eines ReflektorsDefinition eines Paraboloid-Reflektors

Beispiel - Design eines ReflektorsÜberprüfung mit Hilfe von Teststrahlen

Beispiel - Design eines ReflektorsLichtquelle einfügen, ideale Punktlichtquelle mit 1 Lumen

Lichtstrom, Abstrahlung in den Vollraum

Beispiel - Design eines ReflektorsEmpfängerfläche definieren und Empfänger einfügen

Beispiel - Design eines ReflektorsVorabkontrolle: ein Raytrace-Durchlauf mit nur wenigen Strahlen in der Anzeige

Beispiel - Design eines ReflektorsErgebnisdarstellung der Vollsimulation, Scatter-Chart

Beispiel - Design eines ReflektorsErgebnisdarstellung der Vollsimulation, Beleuchtungsstärke

Beispiel - Design eines ReflektorsErgebnisdarstellung der Vollsimulation, numerische Werte

Beispiel – Reflektor mit realer Lichtquelle

Modellierung realer Lichtquellen aufCAD-Basis und Abstrahlcharakteristik

H7-Lampe mit Glühwendel als Lichtquelle(n)

Beispiel – Facettenreflektor mit realer LichtquelleLighttools-Utility nutzt Programmierbarkeit der Software in VisualBasic zur automatisierten Erstellung facettierter Reflektoren nach Zielvorgaben

Beispiel – Facettenreflektor mit realer Lichtquelle

Beispiel – Facettenreflektor mit realer Lichtquelle

Weitere Schritte – z.B. geänderte Beleuchtungssituation

Zum Beispiel:Simulation einerScheinwerferneigungdurch Drehung derEmpfängerflächeum 80 Grad gegendie Vertikale

Optimierung

Ziel: Finden der optimalen Parameter eines optischen Systems (z.B. Reflektor- oder Linsenkontur) zur Erzielung einer gewünschten Strahlungsverteilung aus einer gegebenen Lichtquelle

Optimierung ist eine automatisierte Suche nach derParameterkombination, die die höchste Güte des Systemsliefert.

Eindimensionale Zielfunktion Zweidimensionale Zielfunktion

Optimierung

Optimierungsverfahren

lokale Optimierung globale Optimierung

Gradientenverfahren Bergsteigeralgorithmus

Goldener Schnitt Metropolisalgorithmus

Sekantenverfahren Schwellenakzeptanz

Newton-Verfahren simulierte Abkühlung

Automatische Optimierung

Vorgehensweise: • Modellierung der Lichtquelle und eines Startsystems mit geeigneter Parametrisierung

• Definition einer Zielfunktion aus den strahlungsphysikalischenVorgaben der gewünschten Zielverteilung

• Nebenbedingungen (z.B. Bauraum) festlegen, Symmetrien nutzen Rechenzeitverkürzung

• Iterative Verbesserung des Startsystems zur Minimierung derZielfunktion (z.B. mit Levenberg-Marquardt-Verfahren, Simulated Annealing)

• nach jedem Durchlauf wird der Wert der Zielfunktion verglichen• Iteration bis Abbruchkriterium erfüllt (z.B. Anzahl derIterationen erreicht, Änderung des Zielfunktionswertes kleiner als vorgegebener Wert)

Automatische OptimierungVorteile:• Nahezu beliebige Lichtquellenmodelle, keine Einschränkung auf Punktlichtquellen.

• Freie Definition der Zielfunktion aus strahlungsphysikalischen Größen.

• Freie Wahl der optischen Komponenten mit geeigneter Parametrisierung

Nachteile:• Lange Rechenzeiten bei Verwendung von deterministischenVerfahren (zufallsgenerierte Lichtquelle, hohe Strahlzahl zurReduktion des statistischen Fehlers)

• Konvergenzprobleme des iterativen Optimierungverfahrens beiungeeigneter Parametrisierung der optischen Komponenten oder ungeeigneter Zielfunktion.

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 € pro Jahr)• ca. 16.000 € pro Jahr • ☺ sehr gutes Einstiegsprogramm, Maus- und Skriptsteuerung möglich• ☺ einfache 3D-Objekte sehr leicht zu erstellen

„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 € einmal + 5.000 € pro Jahr 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 € einmal + 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• 24.000 € einmal + Support & Updates• Skripteingabe• ☺Weit verbreitet, gilt als mächtig• Schlechte Mausbedienbarkeit, aufwändige Einarbeitung

„FRED“ von Photon Engineering

• nicht-abbildende und abbildende Systeme, Gaussian Beams• fortgeschrittene Möglichkeiten bei der Erstellung optischer Flächen• sehr viele implementierte Features (Expertenprogramm)• Mehrkernsimulation möglich• Skriptsprache mit erweiterbaren Bibliotheken• 7.000 € einmal + 1.500 € pro Jahr für Support & Updates

“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, breitbandigeQuellen, …)

• Wechsel zwischen geometrisch-optischen und wellenoptischenBild möglich

• 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