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Licht in die richtige Bahn lenken

So lässt sich mit Lichtleitern das volle Potenzial der LED ausschöpfen

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Das Verhalten eines Lichtstrahls vorhersagen

Um das Verhalten von Lichtstrahlen vorauszusagen, werden zunächst verschiedenste Parameter der Lichtquelle definiert. Darunter fallen unter anderem das emittierte Spektrum, der Lichtstrom und die winkelabhängige Intensität. Zur vollständigen Beschreibung von Lichtquellen fehlen noch einige Parameter, die wir im Moment vernachlässigen wollen.

Im nächsten Schritt wird der verfügbare Bauraum analysiert. Hierbei steht das Beleuchtungsziel im Fokus und wie es sich mit einem Lichtleiter umsetzen lässt. Zunächst muss der optimale Transport des Lichtes von Ort A der LED zu Ort B der gewünschten Leuchtfläche gewährleistet werden. Dazu sind geeignete Geometrien für den Lichtleiter zu wählen, damit die Lichtstrahlen eine Vorzugsrichtung aufweisen und somit durch den Kunststoff optimal transportiert werden.

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Die Lichtleiter simulieren und optimieren

Nachdem die Form festgelegt wurde, wird der Lichtleiter mit entsprechenden Strukturen innerhalb des Lichtleiters optimiert. Hierbei können die gewollten Störstellen in den Lichtleiter eintauchen oder hervorstehen, je nach Ziel der Ausleuchtung und der Realisierbarkeit im Werkzeug. Für die Optimierung müssen die geometrischen Rahmenparameter, die Zielleuchtfläche und je nach SituatioVariablen definiert werden.

Als Grundlage für die Optimierung einer Beleuchtungsstärkeverteilung werden die Strahlen der Leuchtquelle mit dem Monte-Carlo-Ray-Tracing-Verfahren simuliert. Hierbei werden zufällig verteilte Lichtstrahlen mit einer gewissen Wellenlänge und Richtung erzeugt und die Ausbreitung im Kunststoff berechnet und nachverfolgt. Für eine aussagekräftige Simulation müssen je nach Anwendung mehrere Millionen Strahlen simuliert und auf einem virtuellen Sensor nachverfolgt werden.

Simulation von Milliarden virtueller Strahlen

Auf Grundlage der Beleuchtungsstärkeverteilung (physikalische Größe) auf dem Sensor werden dann die variablen Parameter der Störstellen angepasst, um die Verteilung durch einen Optimierungsalgorithmus zu verbessern. Ziel ist es, der gewünschten Beleuchtungsstärkeverteilung mit jedem Berechnungsschritt näher zu kommen.

Am Ende der Optimierungen und Simulationen soll ein Ergebnis erreicht werden, das den Anforderungen und der Realität entspricht. Das impliziert, dass das Ergebnis als Leuchtdichteverteilung aufgezeigt werden muss, da das menschliche Auge nur die genannte physikalische Größe wahrnehmen kann. Die Leuchtdichte ist anders als die Beleuchtungsstärke winkelabhängig. Da dieses realitätsnah, also dem menschlichen Sehen entsprechend nachgebildet werden muss, steigen die Anforderungen in diesem Schritt an das Ray-Tracing-Verfahren weiter.

Daher muss als finale Nachbildung meist eine Simulation mit Milliarden virtuellen Strahlen durchgeführt werden, um der Realität möglichst nahe zu kommen. Untersuchungen zeigen, dass die virtuellen Modelle sehr nahe an die Realität heran kommen, wenn alle Parameter des Bauraumes berücksichtigt werden.

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