LED-Treppenstufenbeleuchtung
Funktionsprinzip Totalreflektionsoptik (TIR)
LED-Treppenstufenbeleuchtung
Rendering der Treppenszene
a) Unbeleuchtete Treppe b) beleuchtete Treppe
LED-Treppenstufenbeleuchtung
Ersatz der weiĂen LED durch eine auf den CIE-WeiĂpunkteingestellten RGB-LED
a) WeiĂe 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. Glßhlampen
keine Temperaturstrahler, sondern
schmalbandig (fast monochrom) emittierende Linienstrahler
⢠keine Farbfilter notwendig
hohe Effizienz fĂźr farbige Lichtapplikationen
⢠Farben mit sehr hoher Sättigung
Temperaturstrahler allgemein
SchwarzkĂśperkurve
Temperaturstrahler 6500 K
Spektrale Anteileeines Temperatur-strahlers
Temperaturstrahler 6500 K
Spektraler Filterzur âErzeugungâgelben Lichts
LEDs und Farbe
weiĂe LEDs:
⢠LEDs anderer Wellenlänge plus Wellenlängenkonversionsstoffe(z.B. Phosphore)
⢠Farbe fest, nicht änderbar
Farberzeugung mit Phosphoren
Phosphor blauâ˘
â˘
â˘
Phosphor rot
Phosphor grĂźn
LEDs und Farbe
RGB-LEDs:
⢠Farbe einstellbar mittels additiver Farbmischung
⢠Freiraummischung
⢠Farbmischoptiken
Farbmischung mit RGB-LEDs
465 nmâ˘
632 nmâ˘
505 nmâ˘
Farbmischung mit RGB-LEDs
465 nm
632 nm
â˘
â˘
â˘505 nm
Farbmischung mit RGB-LEDs
â˘
â˘
â˘
465 nm
632 nm
505 nm
530 nmâ˘
MĂśglichkeiten Farbmischung I
Freiraummischung
- je enger Anordnung der farbigen Lichtquellen, desto besser die Farbmischung durch Ăśrtliche Ăberlagerung
MĂśglichkeiten Farbmischung I
Freiraummischung
- je enger Anordnung der farbigen Lichtquellen, desto besser die Farbmischung durch Ăśrtliche Ăberlagerung
Farbschatten
Schattenwurf infolge weiĂen Lichts
Farbschatten
Schattenwurf infolge im Freiraum gemischtem weiĂen Licht
MĂśglichkeiten Farbmischung II
Farbmischoptiken
MĂśglichkeiten Farbmischung II
Farbmischstab â Mixing Rod
- Vollmaterial Totalreflektion
- Hohlstab mit verspiegelten Innenflächen Reflektion
- ortsabhängige Durchmischung
- Beeinflussung der Winkelabhängigkeit mÜglich
Problem der Farbmischung
Licht ist eine vektorielle GrĂśĂe!!!
Skalare GrĂśĂen werden durch einen Zahlenwert und eine Einheit charakterisiert.
(z.B. Temperatur, Dichte, Energie)
Vektorielle GrĂśĂen werden durch einen Zahlenwert, eine Einheit und eine Richtung charakterisiert.
(z.B. Kraft, Feldstärke, Impuls)
Problem der Farbmischung
Licht ist eine vektorielle GrĂśĂe!!!
Anforderungen fĂźr gute Farbmischung:
⢠Ortsabhängige Durchmischung
Farbmischung an bestimmtem Ort
⢠Winkelabhängige Durchmischung
Farbmischung im Fernfeld
Beispiel: Freiraummischung
⢠3 LED-Chips in einer Reihe angeordnet⢠Durchmischung durch Strahlßberlagerung⢠Gute Farbmischung, keine Farbschatten⢠aber Abstrahlcharakteristik unverändert
Beispiel: Freiraummischung
⢠3 LED-Chips in einer Reihe angeordnet⢠Durchmischung durch Strahlßberlagerung⢠Gute Farbmischung, keine Farbschatten⢠aber Abstrahlcharakteristik unverändert
Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator
⢠Ăber RGB-LED eine Collimatoroptik, um Ăffnungswinkel zu verkleinern
⢠Ăffnungswinkel 2x7° (aber 3 Kegel)⢠keine Farbmischung, da StrahlbĂźndel
durch Optik getrennt bleiben⢠Daher vÜllig
ungeeignet
Beispiel: RGB-LED plus TIR-Collimator
⢠Ăber RGB-LED eine Collimatoroptik,um Ăffnungswinkel zu verkleinern
⢠Ăffnungswinkel 2x7° (aber 3 Kegel)⢠keine Farbmischung, da StrahlbĂźndel
durch Optik getrennt bleiben⢠Daher vÜllig
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 äuĂerer Optik
Beispiel: Single-Chip-LEDs plus TIR-Collimatoren
⢠Ăber je vier rote, grĂźne und blaue 3W-LEDjeweils eine Collimatoroptik
⢠Ăffnungswinkel 2x7°⢠Durchmischung durch StrahlĂźberlagerung⢠Sehr gute Farbmischung ab 45 cm Entfernung
Beispiel: Single-Chip-LEDs plus TIR-Collimatoren
⢠Ăber je vier rote, grĂźne und blaue 3W-LEDjeweils eine Collimatoroptik
⢠Ăffnungswinkel 2x7°⢠Durchmischung durch StrahlĂźberlagerung⢠Sehr gute Farbmischung ab 45 cm Entfernung
Beispiel: Single-Chip-LEDs plus TIR-Collimatoren
MĂśglichkeiten Farbmischung III
Dichroitische Spiegel
⢠wellenlängensensitive Beschichtung,reflektieren bestimmten Teil des Spektrumsandere Wellenlängen transmittieren
⢠perfekte Farbmischung, da perfekte orts- und winkelabhängige Ăberlagerung
Klassen optischer Probleme
nicht-abbildendeSysteme(nicht-sequentiellesRaytracing)
Gaussian Beam Propagation
allg. optische Systeme / Probleme
(Maxwell Gleichungen)
Wellenoptik Geometrische Optik
full solvers(FDTD, FEM, âŚ)
partial solvers(gaussian packages, âŚ
abbildendeSysteme(sequentiellesRaytracing)
Relevante Fragestellungen:
Beugung, Reflexion, Polarisation, Interferenz, Kohärenz, âŚ
Relevante Fragestellungen:
Abbildungseigenschaften und -fehler, Reflexion, Intensitätsverteilungen, âŚ
Gaussian Beam Propagation
⢠Gaussian Beams lÜsen paraxiale Probleme
GauĂ-Strahl gebildet aus mehrerenânormalenâ Strahlen
Feld zusammengesetzt ausmehreren GauĂ-Strahlen
www.breault.com
âCode Vâ von Optical Research Associates
⢠abbildende Systeme⢠Linsendesign⢠Optimierungstool⢠ca. 15.000 ⏠pro Jahr
âOSLOâ von Lambda Research Corporation
⢠abbildende Systeme⢠Linsendesign⢠OptimierungsmÜglichkeiten
âLightToolsâ 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 fßr Grundmodul⢠⺠sehr gutes Einstiegsprogramm, Maus- und Skriptsteuerung mÜglich⢠⺠einfache 3D-Objekte sehr leicht zu erstellen
âFREDâ von Photon Engineering
⢠nicht-abbildende und abbildende Systeme, Gaussian Beams⢠sehr gute grafische Ergebnisdarstellung in 3D⢠sehr viele implementierte Features (Expertenprogramm)⢠Mehrkernsimulation mÜglich⢠Skriptsprache mit erweiterbaren Bibliotheken⢠7.000 ⏠einmalig + 1.500 ⏠pro Jahr fßr Support & Updates
âLucid Shapeâ 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 mÜglich⢠C/C++ Skript Sprache mit erweiterbaren Bibliotheken⢠20.000 ⏠einmalig + 5.000 ⏠jährlich fßr Support & Updates ⢠sehr auf automotive spezialisiert.
âTraceProâ von Lambda Research Corporation
⢠nicht-abbildende Systeme⢠Austauschmodul âTraceProBridgeâ mit SolidWorks⢠32.000 ⏠einmal + 1.500 ⏠pro Jahr fĂźr Support & Updates
âZemaxâ von Zemax Development Corporation
⢠nicht-abbildende und abbildende Systeme⢠Optimierungstool fßr abbildende Optik⢠⺠3.000 ⏠einmalig + Support & Updates⢠⺠weit verbreitet⢠braucht ständige Internetverbindung
âASAPâ von Breault Research
⢠nicht-abbildende und abbildende Systeme, Gaussian Beams⢠Modellierung von Systemen aus Mikro- und Makrooptik mĂśglich⢠24.000 ⏠einmalig fĂźr Basisversion + Support & Updates⢠Skripteingabe⢠âşWeit verbreitet, gilt als mächtig⢠Schlechte Mausbedienbarkeit, sehr aufwändige Einarbeitung
âBeamPROPâ 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
âVirtual Labâ von LightTrans
⢠Toolbox-Konzept (Hermit- und Laguerre Quellen, breitbandige Quellen, âŚ)
⢠Wechsel zwischen geometrisch-optischen und wellenoptischen BildmÜglich
⢠Scheint subjektiv sehr innovativ zu sein
MĂśgliche Auswahlkriterien
⢠Lizenzgebßhren (einmalig/Support oder jährlich)
⢠AnalysemÜglichkeiten und Darstellung der Ergebnisse
⢠CAD-DesignmÜglichkeiten
⢠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-LĂśsern 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
MaĂschneidern optischer Freiformflächen
Optimierung⢠systematisiertes Ausprobieren⢠passende Parametrisierung der Oberfläche
3D-MaĂschneidern⢠gezielte Berechnung optischer Systeme⢠unstetige Zielverteilungen, Punktquellen⢠fĂźr Linsen und Reflektoren anwendbar⢠Grundlage: Prinzipien der geometrischen Optik⢠âĂbersetzungâ in partieller DGL⢠LĂśsung numerisch Freiformoberfläche
Ries, H., Muschaweck, A., Tailored Freeform Optical Surfaces, Vol. 19, No. 3/March 2002/J. Opt. Soc. Am. A, 590-595
MaĂschneidern optischer Freiformflächen
Funktionsweise⢠Licht trifft auf Oberfläche⢠Neigung bestimmt Lichtumlenkung⢠Krßmmung bestimmt Strahlaufweitung oder ~bßndelung⢠DGL mit 1. und 2. Ableitung der gesuchten Oberfläche
(www.oec.net)
MaĂschneidern optischer Freiformflächen
Funktionsweise
⢠Wellenfrontkonzept
⢠Tensorbeschreibung
⢠Beleuchtungsstärke nichtlinear mit dem Krßmmungstensorverknßpft
⢠Randbedingungen:EnergieerhaltungBegrenzungsflächeZuordnungen eindeutige LÜsung
(ww
w.o
ec.n
et)
MaĂschneidern optischer Freiformflächen
⢠numerische LÜsungen genauer als Fertigungstoleranzen
⢠damit anspruchsvolle LÜsungen realisierbar
⢠Spritzguss mÜglich
MaĂschneidern optischer Freiformflächen
Beispiele
Freiform-Reflektor(www.oec.net)
MaĂschneidern optischer Freiformflächen
Beispiele
Freiform-Optik fĂźr eine LED-Stirnlampe (www.oec.net)
MaĂschneidern optischer Freiformflächen
Beispiele
LED Freiform-Optik fĂźr Abblendscheinwerfer(www.oec.net)