Nichtabbildende Optik - ViaOptic GmbH

Präsentation: VIAOPTIC GmbH | Dipl.-Ing. (FH) Christoffer Müller | 17.10.2007 

VIAOPTIC GmbH | Ludwig-Erk-Straße 7 | D-35578 Wetzlar | Tel: ++49 / 06441 / 9011 - 54 | E-Mail: cmueller@viaoptic.de | Internet: www.viaoptic.de 

VIAOPTIC GmbH 

- 3. Technologietag - 

Design von nichtabbildenden Optiken 

Referent: 

Dipl.-Ing. (FH) Christoffer Müller



Gliederung 

� Einsatzgebiete für Optikdesign 

� Beleuchtungsdesign 

� Unterschiede zwischen sequentiellem 

und nicht-sequentiellen Raytracing 

� Simulation und Optimierung 

� Beispiel einer Entwicklung/Optimierung 

� Beispiel einer Streulichtanalyse



Gliederung 










Einsatzgebiete für Optikdesign 

• Multiple Einsatzgebiete (z.B.: Medizin, 

Automobiltechnik, Verkehrswesen) 

Spiegel- und 

Linsensysteme 

Primäroptiken (TIR) Lichtwellenleiter



Gliederung 










Gliederung 










Beleuchtungsdesign 

• Leuchtdichte 

• Homogenität auf Detektorfläche 

• Winkelverteilung nach dem 

optischen System 

• Lichtleiteffizienz 

• Farbmischung 

• Streulichtminimierung




Beleuchtungsdesign beinhaltet sowohl die 

Wahl der Lichtquelle, als auch das Design 

des optischen Systems zur Formung der 

emittierten Strahlung. Zu dieser Formung 

gehört auch die Wahl der Gläser bzw. 

Kunststoffe, Beschichtungen.




Arbeitsschritte 

• Auswahl einer geeigneten Lichtquelle 

• Bauraum beachten 

• Platz für Kühlung mit einbeziehen 

(je nach Aufgabenstellung) 

• Eventuell Ausgangssystem mit Zemax, CodeV, 

o.a. vordesignen




• Feste Objekte in TracePro designen 

bzw. über CAD-Schnittstelle importieren 

• Variable Objekte in Scheme-Makrosprache 

programmieren 

• Materialeigenschaften vergeben 

• Optimierungsstrategie wählen 

(abhängig von der Problemstellung) 

• Abschlussanalyse




Parameter 

Materialeigenschaften Geometrien 

- Brechungsindices - Oberflächenformen 

- Reflexionsgrad - Positionen 

- Absorptionsgrad - Abmessungen 

- Transmissionsgrad - Winkel 

- Streuung 

- (Polarisation)



Gliederung 










Gliederung 










Unterschiede zwischen sequentiellem und nicht- 

sequentiellen Raytracing 

Sequentiell 

• Abbildungsoptik 

• Vorgegebene 

Reihenfolge der 

optischen Bauteile 

Nichtsequentiell 

• Beleuchtungsoptik 

• Streulichtanalyse 

• Beliebige Reihenfolge 

der optischen Bauteile





Abbildende Optik 

• Fotoobjektive 

• Brillengläser 

• Teleskope 

• Mikroskope 

• Lupen 

Nichtabbildende Optik 

• Scheinwerfer 

• Faserbeleuchtungen 

• Displaybeleuchtung 

• Innenraumbeleuchtung





• Abbildende Optik: 

Abbildung von Objektpunkten in den Bildraum 

bei gleichzeitiger Minimierung der 

Abbildungsfehler 

• Nichtabbildende Optik: 

Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung 

unter Berücksichtigung der Lichtquelle





VIAOPTIC GmbH 

Makroskopischer Bereich 

(geometrische Optik) 

• Beamer, Ampeln, 

Scheinwerfer, 

Flutlichtanlagen, 

Tachos, Displays 

� Optikdesign mittels 

Strahlverfolgung 

Mikroskopischer Bereich 

(Wellenoptik) 

• Wellenleiter, DVD, 

optische Lithographie, 

photonische Kristalle 

� Optikdesign mittels 

Maxwell-Gleichungen



Gliederung 










Gliederung 










Simulation und Optimierung 

Prinzip 

• Startpunkte und -richtungen jedes Strahls sind 

bekannt 

• Schnittpunkte mit optischen Elementen werden 

gesucht 

• Änderungen der Richtung und Intensität werden 

mittels der optischen Gesetzte bestimmt



Simulation und Optimierung




• Abbruch, wenn alle Strahlen auf Empfänger 

treffen oder absorbiert wurden (auch Strahlen 

ohne neuen Schnittpunkt mit Elementen des 

Systems werden gelöscht) 

• Auswertung der Daten




• Das optische System wird als 3D-Modell 

aufgebaut (Import bzw. Export von CAD Daten 

möglich) 

• Sowohl Oberflächen als auch das Volumen 

werden mit optischen Eigenschaften versehen 

(Brechzahl, Material, Reflexionsgrad,…) 

• Lichtquelle(n) werden geometrisch korrekt 

eingebunden und die Strahlen mit Richtung, 

Intensität, spektraler Verteilung, 

(Polarisationszustand), usw. versehen




• Auf definierten Detektorflächen werden 

Winkelverteilung, Beleuchtungsstärke, 

Leuchtdichte, usw. detektiert (Integration über 

alle auftreffenden Strahlen) 

• Je größer die Strahlanzahl, desto geringer ist 

der theoretische Fehler zur Realität




Optimierung 

• Bestimmung von Variablen und deren Grenzen 

• Ausschluss von Überschneidungen von 

Objekten 

• Zielfunktion definieren (OptiBelPro: Gewichtung 

„Intensität“ : „Homogenität“) 

• Abbruchkriterium definieren (Anzahl der 

Durchläufe, Anzahl der Iterationen, minimale 

Änderung der Zielfunktion,…)




Optimierung 

• Zielfunktion weißt neben dem globalen Minimum 

auch lokale Minima auf. 

- schlechtes Startsystem � lokalem Minimum 

- gutes Startsystem � globales Minimum 

� Vorüberlegungen 

zur Auslegung des 

System sind notwendig



Gliederung 










Gliederung 










Beispiel einer Entwicklung/Optimierung 

• TracePro 

Nicht-Sequentielles Raytracing-Programm 

• OptiBelPro 

Optimierungstool mit Scheme-Schnittstelle für 

TracePro



Beispiel einer Entwicklung/Optimierung 

• Programmierung mittels Scheme 

• Definition der optischen Bauteile über Makro- 

Editor 

• Optimierung auf Intensität bzw. Homogenität 

(mittels Gewichtungsfaktoren kombinierbar) 

• Multiple Target Optimierung 

(z.B: zur Optimierung auf Parallelität des 

Strahls)



Beispiel einer Entwicklung/Optimierung



Beispiel einer Entwicklung/Optimierung



Gliederung 





� Optimierung 





Gliederung 










Gliederung

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