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Lichttechnisches Institut
Licht- und Displaytechnikvon
Uli LemmerKarl Manz, Dieter Kooß
Karsten Klinger, André Domhardt
Wintersemester 2008/2009
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Lichttechnisches Institut
Ankündigung für Freitag, den 13.02.2009
Führung und Besichtigung des künstlichen Himmels im Fachgebiet Bauphysik und technischer Ausbau
der Fakultät Architektur
Treffpunkt: 10:45 Uhr direkt nach VL-Ende am LTI-Hörsaal
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Lichttechnisches Institut
Optikdesign mittels Simulationssoftware
André Domhardt
Wintersemester 2008/2009
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Einführung Optikdesign
Anwendung überall, wo Licht umgelenkt/umverteilt werden muss
Reflektoren Linsen TIR-Optiken
Lichtleiteroptiken
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Unterteilung des Begriffes „Optik“Optik
abbildende Optikz.B. Brille
MikroskopTeleskopFotoapparatoptische Lithographie
Optikdesign zwingend erforderlich, um Abbildungsfehler zu vermeiden bzw. zu minimieren.
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Unterteilung des Begriffes „Optik“Optik
nichtabbildende Optikz.B. Allgemeinbeleuchtung
SolarkonzentratorenScheinwerferOperationsleuchtenFassadenbeleuchtung(Lichtarchitektur)
Optikdesign zur Effizienzsteigerung und Lichtumverteilung,Abbildungsfehler unbedeutend
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Unterteilung des Begriffes „Optik“
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
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Unterteilung des Begriffes „Optik“
• Viele optische Phänome (z.B. Refraktion, Diffraktion, Interferenz, Kohärenz, …) lassen sich mit den Maxwell-Gleichungen beschreiben.
• Theoretisch: 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
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Unterteilung des Begriffes „Optik“
Optik
Makrooptik Mikrooptikz.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)
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Wellenoptik
Licht als elektromagnetische Welle:
• Transversalwelle, Wellenlänge, Amplitude, Phase
• Wellenfrontkonzept
• Huygenssches Prinzip
• Interferenz
• Polarisation
• Beugung
• Farbe
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Wellenoptik
• Maxwell-Solver diskretisieren den Raum (und die Zeit)
• Gittergröße muss etwa 10x kleiner sein, als kleinstes Systemgröße
• Systemgröße Lichtwellenlänge extrem klein (380-780 nm), daher nur Mikro- und Nanosysteme zu berechnen
nicht alle Systeme und Probleme lassen sich simulativ effizient und komplett beschreiben.
• Aber: Nicht alle Effekte (Diffraktion, Interferenz, ...) sind in jeder System-/ Problemklasse relevant!
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Geometrische Optik
• Näherung: Welleneigenschaften vernachlässigt
• Licht durch idealisierte Strahlen approximiert (Strahlenoptik)
• gültig, wenn charakteristische Größe des Systems 10 x größer als Lichtwellenlänge
• an Grenzflächen Brechung, Reflexion, Strahlaufweitung
• nur qualitative Ergebnisse, keine Aussagen über Quantität
• Grundlage für Berechnung von Abbildungseigenschaften
• Grundlage für Strahlverfolgung (Raytracing)
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Beleuchtungsdesignanforderungen• effiziente Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung
auf einer Oberfläche (z.B. homogen oder auch winkelabhängig)
• Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte, Lichtstärke• Farbwiedergabeindex, Blendung, …..
Nichtabbildendes Optikdesign
I (y)
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Nichtabbildendes Optikdesign
Beleuchtungsdesign
Bestimmen der notwendigen Kombination von Lichtquellen und optischen Komponenten, sowie deren Positionierung,um eine gewünschte Lichtverteilung zu erhalten.
Dazu dienen Beleuchtungsdesign-Programme im Allgemeinenals Hilfsmittel.
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Arbeitsschritte
• Auswahl entsprechender Leuchtmittel
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Arbeitsschritte
• Auswahl entsprechender Leuchtmittel
• Anordnen im vorgegebenen Bauraum, Wärmeabfuhr beachten
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Arbeitsschritte
• Auswahl entsprechender Leuchtmittel
• Anordnen im vorgegebenen Bauraum, Wärmeabfuhr beachten
• optische Anordnung erstellen (Linsen, Reflektoren,…)
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Arbeitsschritte
• Auswahl entsprechender Leuchtmittel
• Anordnen im vorgegebenen Bauraum, Wärmeabfuhr beachten
• optische Anordnung erstellen (Linsen, Reflektoren,…)
• Kreislauf: Simulation, Analyse, Redesign
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Arbeitsschritte
• Auswahl entsprechender Leuchtmittel
• Anordnen im vorgegebenen Bauraum, Wärmeabfuhr beachten
• optische Anordnung erstellen (Linsen, Reflektoren,…)
• Kreislauf: Simulation, Analyse, Redesign
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Arbeitsschritte
• Auswahl entsprechender Leuchtmittel
• Anordnen im vorgegebenen Bauraum, Wärmeabfuhr beachten
• optische Anordnung erstellen (Linsen, Reflektoren,…)
• Kreislauf: Simulation, Analyse, Redesign
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Arbeitsschritte
• Auswahl entsprechender Leuchtmittel
• Anordnen im vorgegebenen Bauraum, Wärmeabfuhr beachten
• optische Anordnung erstellen (Linsen, Reflektoren,…)
• Kreislauf: Simulation, Analyse, Redesign
• Abschlussanalyse
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Optische Parameter
Parameter
Materialbedingt Geometrisch
Brechungsindex OberflächenformenReflexionsgrad KoordinatenAbsorptionsgrad KrümmungsradienStreueigenschaften Abmessungen
Winkel
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Merkmale nichtabbildendes Optikdesign
• Häufig komplexe Aufgabenstellungen aufgrund von:- vielfältigen Geometrien- verschiedenartigen Zielgrößen- physikalischer Oberflächeneigenschaften
• Exakte Lösungen existieren meistens nicht approximative Lösungen
• Problemabhängige Lösungsverfahren, keine etablierten Standardmethoden
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Entwicklung des Optikdesigns17. Jhd. - 1970-er:
- Näherungsformeln nur einfache Geometrien
- handgerechnete und gezeichnete Strahlverläufe in 2D
- Systemeffizienzen gering
- Rotation und Translation der 2D-Ergebnisse,
da die Herstellungsverfahren nur dies zuließen
- Materialien optische Gläser und Reflektoren
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Entwicklung des Optikdesigns1970-er bis Anfang der 1990-er:
- Einführung Lochkartencomputer, später erste PC´s
- beschleunigte und veränderte bisherige Arbeitsweise
Programmieren statt „Zeichnen“
- Automatische Berechnung von Strahlverläufen
- größere Vielfalt an handhabbaren Oberflächentypen,
weiterhin Einschränkung durch Herstellungstechniken
- gesteigerte Effizienzen
- 1982: 1. Optiksimulationsprogramm (ASAP)
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Entwicklung des Optikdesigns1990-er bis heute:
- Vielzahl an Optiksimulationsprogrammen
(Computer Aided Lighting - CAL)
- 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
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Analytisches 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)
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Analytisches Optikdesign - Randstrahlenprinizip
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)
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Analytisches Optikdesign - Randstrahlenprinizip
Schrittweise Konstruktion von zwei Oberflächen
(www.lpi-llc.com)
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Analytisches Optikdesign - Randstrahlenprinizip
(www.lpi-llc.com)
Schrittweise Konstruktion von zwei Oberflächen
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Analytisches Optikdesign - Randstrahlenprinizip
(www.lpi-llc.com)
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Computer Aided Lighting
Herangehensweise:
- optische Konzepte in 3D 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,z.B. hinsichtlich Konzentration in einem Punkt bzw. gleichmäßiger Ausleuchtung
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Computer Aided Lighting
Herangehensweise:
- für praxisrelevante Lichtverteilungen:
„richtige“ = automatische Optimierung,
setzt Erfahrung oder jede Menge Zeit voraus,
individuelle Implementierung, mittels Standardalgorithmen
- prinzipiell 3D-Freiformflächen heute
rechentechnisch modellierbar und herstellbar,
jedoch fehlendes mathematisches Modell zum Design
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Computer Aided Lighting
Optikdesign in der Praxis
• Problemdefinition (Beleuchtungsaufgabe, gewünschte Lichtverteilung)
• optisches Know How des Designers
• Vorstellung von der prinzipiellen Anordnung (Startdesign)
• Erstauswertung
• Optimierung nach Parametrisierungoder
Versuch–und–Irrtum–Methode• Abschlussanalyse
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Computer Aided Lighting
Beleuchtungsdesign-Programme
• verschiedene Ansätze schnell und kostengünstig 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
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LEDs in Kfz-Signalleuchten
• neue Stylingmöglichkeiten
• geringe Einbautiefen möglich
• ideale Lichtquellen für flache Kfz-Leuchten
Lichtleitstäbe (www.bmw.de) Matrixanordnung (www.audi.de)
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Anforderungen an Kfz-LichttechnikSicherung der Qualität automobiler Beleuchtungssysteme durch die
Regelwerke der Economic Commission for Europe (ECE)
Abbildung: Messschema zur Einstellung und Vermessung von KFZ-Leuchten
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LEDs in Kfz-Signalleuchten
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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)
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Raytracing/Strahlverfolgung
Flächenorientierte Strahlverfolgung
• optische Komponente als Abfolge optischer Oberflächenmodelliert
• Schnittpunkttest mit diesen Flächen• Änderung des Brechungsindex bei Flächendurchtritt• Fehler, falls Strahl nicht durch alle vorgesehenen Flächen verläuft
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Raytracing/Strahlverfolgung
Volumenorientierte Strahlverfolgung
• Komponente als optisch aktiver Körper modelliert
• Schnittpunkttest mit begrenzenden Flächen des Körpers
• Änderung des Brechungsindex bei Ein-/Austritt aus Körper
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Raytracing/Strahlverfolgung
FunktionsprinzipStrahl: Datenstruktur mit Anfangspunkt (Lichtquelle)
und Richtung der Halbgeraden im Raum
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Raytracing/Strahlverfolgung
Schnittpunkt des Strahls mit nächster optischen Fläche gesucht
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Raytracing/Strahlverfolgung
Richtungsänderung entsprechend den optischen Gesetzen bestimmt
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Raytracing/Strahlverfolgung
nächster Schnittpunkt mit optischer Fläche gesucht
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Raytracing/Strahlverfolgung
Wiederholung dieser Schritte
Abbruch, wenn Strahl auf absorbierende Fläche oder Empfänger trifft
Weg des Strahls durch System bekannt
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Raytracing/Strahlverfolgung
Raytracing
sequentielles Raytracing Nichtsequentielles Raytracing
Reihenfolge der Flächen auf Reihenfolge der Flächen aufwelche der Strahl trifft vorher welche der Strahl trifft vorherbekannt 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
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Simulation mittels NS-Raytracing
• Optisches System aus 3D-Elementen aufbauen(z.B. Import von CAD-Systemen)
• Volumen und Oberflächen mit optischen Eigenschaften belegen (Brechung, Reflexion, Absorbtion, Beschichtung, Streuung)
• Lichtquellen sind Ausgangspunkte statistisch verteilten Strahlen(räumliche -, spektrale Verteilung, „Monte Carlo“)
• Reihenfolge in der ein Strahl Objekte passiert, muss nicht bekannt sein (im Gegensatz zur Simulation opt. Abb. Systeme)
• Berechnung aus Anzahl auftreffender Strahlen und ihrer zugehörigen Lichtleistung
• Simualtionsergebnisse: Beleuchtungs-/Lichtstärken aufEmpfängerflächen und im Fernfeld
• Statistischer Fehler wird mit steigender Anzahl von Strahlen kleiner
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Beispiel - Design eines Reflektors
Ziel
• möglichst realistische Modellierung
• möglichst homogene Ausleuchtung einer runden Fläche (Durchmesser 100mm) in definiertem Abstand (300mm)
• weitere Schritte sind die Anpassung des Reflektors an bestimmte Ausleuchtungsgeometrien (iterativer Prozess)
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Beispiel - Design eines ReflektorsDefinition eines Paraboloid-Reflektors
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Beispiel - Design eines ReflektorsÜberprüfung mit Hilfe von Teststrahlen
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Beispiel - Design eines ReflektorsLichtquelle einfügen, ideale Punktlichtquelle mit 1 Lumen
Lichtstrom, Abstrahlung in den Vollraum
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Beispiel - Design eines ReflektorsEmpfängerfläche definieren und Empfänger einfügen
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Beispiel - Design eines ReflektorsVorabkontrolle: ein Raytrace-Durchlauf mit nur wenigen Strahlen
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Beispiel - Design eines ReflektorsErgebnisdarstellung der Vollsimulation, Auftreffpunkte
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Beispiel - Design eines ReflektorsErgebnisdarstellung der Vollsimulation, Beleuchtungsstärke
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Beispiel - Design eines ReflektorsErgebnisdarstellung der Vollsimulation, numerische Werte
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Beispiel – Reflektor mit realer Lichtquelle
Modellierung realer Lichtquellen aufCAD-Basis und Abstrahlcharakteristik
H7-Lampe mit Glühwendel als Lichtquelle
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Beispiel – Facettenreflektor mit realer LichtquelleLighttools-Utility nutzt Programmierbarkeit der Software in VisualBasic zur automatisierten Erstellung facettierter Reflektoren nach Zielvorgaben
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Beispiel – Facettenreflektor mit realer Lichtquelle
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Beispiel – Facettenreflektor mit realer Lichtquelle
Weitere Schritte – z.B. geänderte Beleuchtungssituation
Simulation einerScheinwerferneigungdurch Drehung derEmpfängerflächeum 80 Grad gegendie Vertikale
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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
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Optimierung
Optimierungsverfahren
lokale Optimierung globale Optimierung
Gradientenverfahren Bergsteigeralgorithmus
Goldener Schnitt Metropolisalgorithmus
Sekantenverfahren Schwellenakzeptanz
Newton-Verfahren simulierte Abkühlung
Levenberg-Marquardt-Verfahren
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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 Minimierungder Zielfunktion
• nach jedem Durchlauf wird der neue Wert der Zielfunktionmit dem vorherigen Wert verglichen
• Iteration bis Abbruchkriterium erfüllt ist(z.B. maximale Anzahl der Iterationen erreicht, Änderung des Zielfunktionswertes kleiner als Vorgabe)
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Automatische OptimierungVorteile:• Beliebige Lichtquellenmodellierung, keine Einschränkung auf Punktlichtquellen
• Freie Wahl der optischen Komponenten mit geeigneter Parametrisierung
• Freie Definition der Zielfunktion aus strahlungsphysikalischen Größen
Nachteile:• Lange Rechenzeiten bei Verwendung von deterministischenVerfahren (zufallsgenerierte Lichtquelle, hohe Strahlanzahl zurReduktion des statistischen Fehlers)
• Konvergenzprobleme des iterativen Optimierungverfahrens beiungeeigneter Parametrisierung der optischen Komponenten oder ungeeigneter Zielfunktion.
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Automatische Optimierung
Variation ausgesuchter Flächenparameter
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Automatische Optimierung
Variation ausgesuchter Flächenparameter
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Automatische Optimierung
Variation ausgesuchter Flächenparameter
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Automatische Optimierung
Variation ausgesuchter Flächenparameter
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Automatische Optimierung
Beispiel: Optimierung einer Lichtverteilung
-60 -40 -20 0 20 40 60 80z
-20 0 20
-20
-10
0
10
20
Total Flux [lumen]: 1000
x
y
illumination [lux]
x
y
-20 0 20-20
0
20
0.5
1
1.5
2x 106
-20 -10 0 10 200
1
2
3x 106 vertical illumination [lux]
y
lux
-40 -20 0 20 400
0.5
1
1.5
2x 106horizontal illumination [lux]
x
lux
Startsystem
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Automatische Optimierung
-20 0 20
-20
-10
0
10
20
Total Flux [lumen]: 999.85
x
y
illumination [lux]
x
y
-20 0 20-20
0
20
24681012x 105
-20 -10 0 10 200
0.5
1
1.5
2x 106 vertical illumination [lux]
y
lux
-40 -20 0 20 400
5
10
15x 105horizontal illumination [lux]
x
lux
Ergebnis
-60 -40 -20 0 20 40 60 80z
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Automatische Optimierung
Startsystem
Ergebnis
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LED-Treppenstufenbeleuchtung
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LED-Treppenstufenbeleuchtung
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LED-Treppenstufenbeleuchtung
150 lx
150 lx
150 lx
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LED-Treppenstufenbeleuchtung
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LED-Treppenstufenbeleuchtung
Vorteile:
• Stufen der Gangway wesentlich besser ausgeleuchtetals bisher
• LED-Spot preiswerter und langlebiger• geringerer Installationsaufwand• Beleuchtung von einer Seite ausreichend,
daher Platzersparnis
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LED-Treppenstufenbeleuchtung
Berechnung Anzahl der benötigten LEDs
AE Φ=
( ) lmmmlxAE 13513,03150 =⋅⋅⋅=⋅=Φ
Bei 50 lm pro LED, benötigt man den Lichtstrom von
2,7 LEDs, also drei LEDs.
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LED-Treppenstufenbeleuchtung
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