Optische Simulation für die Produktentwicklung - Opsira GmbH ...
Optische Simulation für die Produktentwicklung - Opsira GmbH ...
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<strong>Optische</strong> <strong>Simulation</strong> <strong>für</strong> <strong>die</strong><br />
<strong>Produktentwicklung</strong><br />
Volker Schumacher<br />
opsira <strong>GmbH</strong>, Weingarten<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag, 20.04.05<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher
Inhalt<br />
Vorstellung opsira <strong>GmbH</strong><br />
Motivation<br />
Grundlagen und Möglichkeiten der optischen <strong>Simulation</strong><br />
Modellbildung <strong>für</strong> <strong>die</strong> optische <strong>Simulation</strong><br />
Anwendungsbeispiele<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 2
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Unternehmen im Bereich der optischen Systemtechnik<br />
Kundenspezifische Entwicklung von optischen Systemen<br />
Umfangreiche Optik-Messtechnik / Messlabors<br />
Entwicklung und Vertrieb von optischen Messsystemen<br />
- Spektralmesssystem<br />
- Leuchtdichtemesssystem<br />
- Nahfeldfotogoniometer<br />
Gründung: 1999<br />
Mitarbeiter: 12<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 3
Motivation <strong>für</strong> optische <strong>Simulation</strong><br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Die optische <strong>Simulation</strong> ist ein wichtiges Werkzeug <strong>für</strong> <strong>die</strong><br />
Entwicklung von optischen System<br />
Ideen können schnell auf <strong>die</strong> physikalische Machbarkeit geprüft werden<br />
Die optisch <strong>Simulation</strong> bietet einen „Einblick“ in das optische System<br />
� das Verständnis <strong>für</strong> das Verhalten des optischen Systems wird erweitert<br />
In der <strong>Produktentwicklung</strong> können <strong>die</strong> Entwicklungszeit und <strong>die</strong><br />
Entwicklungskosten reduziert werden<br />
Die optische <strong>Simulation</strong> soll verlässliche Ergebnisse liefern<br />
� Optimierung des Systems auf realitätsnahes Verhalten<br />
� Reduzieren bzw. Eliminieren von Prototypen<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 4
Ray-Tracing-Verfahren<br />
1 2 3 4 5 6<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Sequentielles Ray-Tracing<br />
Vorteil:<br />
Schnell � gute<br />
Optimierungsmöglichkeit<br />
Nachteil:<br />
Limitiert auf Systeme sequentieller<br />
Art, kein reales Verhalten<br />
Einsatz:<br />
Wenn nur 1 Strahlungspfad<br />
vorhanden ist z. B.: Optimierung<br />
von Linsensystemen<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 5
Ray-Tracing-Verfahren<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Nicht-Sequentielles Ray-Tracing<br />
Vorteil:<br />
Simuliert das reale Systemverhalten<br />
Nachteil:<br />
Längere Rechenzeit, da optisches System auf<br />
mögliche Pfade untersucht werden muss<br />
Einsatz:<br />
Sensorik, Beleuchtungstechnik, Lichtleiter<br />
� Systeme mit mehreren<br />
optischen Pfaden<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 6
„Simulierbare“ optische Effekte<br />
Reflexion<br />
Brechung<br />
Interne Totalreflexion<br />
Fresnel Grenzflächenreflexion, winkelabhängig<br />
Streuung an Materialien<br />
Beugung<br />
Polarisation<br />
Die optischen Effekte können mit allen Geometrieformen simuliert werden<br />
� Regelgeometrien, Freiformgeometrien<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 7
Analysefunktionen<br />
Beleuchtungsstärke<br />
Lichtstärke<br />
Leuchtdichte<br />
<strong>Optische</strong>r Wirkungsgrad<br />
<strong>Optische</strong> Pfadanalyse<br />
Spektralanalyse<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 8
Analysefunktionen<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Beleuchtungsstärkeverteilung<br />
Kfz - Nebelscheinwerfer<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 9
Analysefunktionen<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Beleuchtungsstärkeverteilung<br />
an 25 m Wand<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 10
Analysefunktionen<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Leuchtdichteverteilung � Erscheinungsbild<br />
Spurwechselassistent - Anzeige<br />
CAD-Datenmodel Simulierte Leuchtdichte<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 11
Analysefunktionen<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
<strong>Optische</strong>-Pfadanalyse<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 12
Variantensimulation<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Optimierung des optischen Wirkungsgrades durch<br />
Variantensimulation<br />
Lichtstrom<br />
[lm]<br />
450.0<br />
400.0<br />
350.0<br />
300.0<br />
250.0<br />
200.0<br />
150.0<br />
100.0<br />
50.0<br />
2500.0<br />
220<br />
190<br />
Kleine Halbachse<br />
160<br />
130<br />
100<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 13<br />
300<br />
420<br />
540<br />
Große Halbachse<br />
400.0-450.0<br />
350.0-400.0<br />
300.0-350.0<br />
250.0-300.0<br />
200.0-250.0<br />
150.0-200.0<br />
100.0-150.0<br />
50.0-100.0<br />
0.0-50.0
Modellbildung <strong>für</strong> <strong>die</strong> optische <strong>Simulation</strong><br />
Lichtquellenmodellierung<br />
- Geometrische Strahlenmodellierung<br />
- Spektrale Strahlenmodellierung<br />
Modellierung der Materialeigenschaften<br />
- Streucharakteristik<br />
- Spektrale Reflexion, Transmission, Absorption<br />
- Spektraler Brechungsindex (Dispersion)<br />
Geometriemodellierung der optischen Komponenten<br />
- Reflexions-, Transmissions-, Diffraktive-Optik<br />
Modellierung von fertigungsrelevanten Parametern<br />
- Toleranzen<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
-Ra<strong>die</strong>n<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 14
Lichtquellenmodell<br />
Goniofotometer<br />
� Information über Richtungsverteilung<br />
� Fernfeldtaugliches LQ Modell<br />
Lichtquelle modelliert als optisches System<br />
� Orts- und Richtungsverteilung<br />
� Nahfeldtaugliches LQ Modell<br />
Nahfeldphotogoniometer<br />
� Orts- und Richtungsverteilung<br />
� Nahfeldtaugliches LQ Modell<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 15
Nahfeld LQ Modell<br />
� Erfassung der Leuchtdichteverteilung<br />
aus bis zu 10.000 (oder mehr) Richtungen<br />
-4° 0° 4°<br />
-14° 14°<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 16
Luca gonio<br />
gonio<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 17
Luca rayset<br />
rayset<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 18
Luca raymaker<br />
raymaker<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 19
Bsp.: <strong>Optische</strong>r Sensor<br />
Systembeschreibung:<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
„Lambert“<br />
strahlende LED<br />
Zielvolumen<br />
Blende<br />
Linse<br />
Blende vor LED<br />
<strong>Simulation</strong>sergebnis mit ideal<br />
lambert abstrahlender Quelle<br />
Ergebnis mit realem<br />
Lichtquellenmodell<br />
15%<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 20
Modellierung der Spektraleigenschaften<br />
Spektraleigenschaften müssen<br />
modelliert werden, wenn sich <strong>die</strong><br />
spektrale Zusammensetzung der<br />
Strahlung entlang des optischen<br />
Pfades ändert!<br />
Lichtquelle mit<br />
spektraler Emission<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Passive Komponenten<br />
mit spektralen Transmissions- und<br />
Reflexionseigenschaften:<br />
- Beschichtete Materialien<br />
- Eingefärbte Materialien<br />
- Oberflächen- und/oder Volumeneigenschaften<br />
Detektor mit spektraler<br />
Bewertungsfunktion:<br />
-V(λ) – Funktion<br />
- Normspektralwertfunktionen<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 21
Vermessung der Spektraleigenschaften<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Lichtquelle:<br />
Vermessung der spektralen Emission<br />
� Emissionsspektroskopie<br />
Materialien:<br />
Vermessung der spektralen Transmission oder Reflexion<br />
� Transmissions- / Reflexionsspektroskopie<br />
Photoempfänger:<br />
Vermessung der spektralen Empfindlichkeit<br />
� Spektral durchstimmbare Lichtquelle<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 22
Bsp.: Eingefärbte Abdeckscheibe<br />
Lichttransmission rote LED, 2 mm Scheibe � T = 81 %<br />
Lichttransmission Halogenlicht (2900 K), 2 mm Scheibe, � T = 28 %<br />
Lichttransmission Halogenlicht (2900 K), 4 mm Scheibe, � T ≠ 8%, T = 22 %<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Transmission [%]<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Spektrale Transmission: Scheibe rot, Dicke 2 mm<br />
0<br />
380 430 480 530 580 630 680 730 780<br />
Wellenlänge [nm]<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 23
Streucharakteristik<br />
Gerichtete Reflexion<br />
z.B. idealer Spiegel<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Reflexionsarten<br />
Lambertsche Streuung<br />
z. B. ideale weiße Wand<br />
Mischstreuung<br />
reale Materialien<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 24
Vermessung der Streueigenschaften<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Laserdiode<br />
Sensor<br />
Probenhalter ± 90°<br />
± 90° zur Probennormalen<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 25
Reflektormaterial Alanod Miro 8<br />
1<br />
0.9<br />
0.8<br />
0.7<br />
0.6<br />
0.5<br />
0.4<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
0<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
+/- 2.5° +/- 2.5°<br />
-30 -20 -10 0 10 20 30<br />
Streuwinkel [°]<br />
Messdaten<br />
1<br />
0.1<br />
0.01<br />
0.001<br />
0.0001<br />
-30 -20 -10 0 10 20 30<br />
Streuwinkel [°]<br />
27% 73%<br />
Messdaten<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 26
Bsp.: Untersuchungsleuchte<br />
Simuliert mit Hochglanzmaterial (keine Streuung)<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
-250.<br />
.090<br />
.080<br />
.070<br />
.060<br />
.050<br />
.040<br />
.030<br />
.020<br />
.010<br />
X mm Y mm<br />
250. 250.<br />
E max = 86 kLux<br />
1.001E+05<br />
16.1<br />
-250.<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 27<br />
q<br />
.000<br />
X mm<br />
-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
Bsp.: Untersuchungsleuchte<br />
Simuliert mit streuendem Material (Alanod Miro 8)<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
/ q<br />
.060<br />
.050<br />
.040<br />
.030<br />
.020<br />
.010<br />
E max = 57 kLux<br />
� 34 % Abnahme<br />
.000<br />
X mm<br />
-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 28
Fertigungs-, Produktionsparameter<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Einkoppellinse ohne Ra<strong>die</strong>n mit 0.05 mm Ra<strong>die</strong>n<br />
Entwicklung des Systems auf ein technisches sowie kommerzielles Optimum<br />
� Kosten <strong>für</strong> Werkzeug, Zykluszeit, Kosten <strong>für</strong> Wartung<br />
Ansprüche an <strong>die</strong> Formherstellung:<br />
� Mögliche Toleranzen, Zuverlässige Herstellung<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 29
Straßenverkehrsignalgeber mit Kunststoffoptik<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Optik:<br />
- Fresnellinse zur Kollimation<br />
- Abdeckscheibe mit facettierter<br />
Freiformaufweitungsoptik<br />
<strong>für</strong> optimierte Lichtverteilung<br />
LED Lichtquelle:<br />
- Geometrische Strahlverteilung<br />
- Spektrale Emission<br />
Eingefärbte Abdeckscheibe:<br />
- Spektrale Transmission<br />
Phantomlicht bei Sonneneinstrahlung:<br />
- Spektrale Emission der Sonneneinstrahlung<br />
<strong>Simulation</strong>sergebnisse:<br />
- Lichtstärkeverteilung gemäß Normung<br />
- Leuchtdichteverteilung (Erscheinungsbild)<br />
- Phantomlichtverhalten<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 30
Multifunktionsleuchte mit Kunststoffreflektor<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Optik:<br />
- facettierte Freiformreflektoren<br />
Halogenlichtquelle:<br />
- Geometrische Strahlenverteilung<br />
- Lichtquellengeometrie zur<br />
Berücksichtung von Abschattungseffekte<br />
Reflektor:<br />
- Streucharakteristik<br />
Transparente Abdeckung:<br />
- Konstanter Brechwert � Verzerrungen<br />
<strong>Simulation</strong>sergebnisse:<br />
- Wirkungsgrad<br />
- Beleuchtungsstärkeverteilung<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 31
Leitstrahloptik <strong>für</strong> Reinigungsroboter<br />
Ausgangssystem Optimiertes System<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 32
Ringlichtleiter <strong>für</strong> Kfz - Standlicht<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Optik:<br />
- Lichtleiter mit<br />
Auskoppelstruktur<br />
Lichtquelle:<br />
- Nahfeld Lichtquellenmodell<br />
- Spektral aufgelöste Emission<br />
Kunststofflichtleiter:<br />
- Weglängenabhängige<br />
Absorption<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 33
Ringlichtleiter <strong>für</strong> Kfz - Standlicht<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
<strong>Simulation</strong>sergebnis:<br />
- Leuchtdichteverteilung<br />
(Erscheinungsbild)<br />
- Lichtstärkeverteilung nach Norm<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 34
Zusammenfassung<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Mit optischen <strong>Simulation</strong>sprogrammen können <strong>die</strong> optisch relevanten<br />
Parameter eines Systems überprüft werden<br />
<strong>Optische</strong> Systeme können durch Variantensimulation optimiert werden<br />
Toleranzanalysen ermöglichen eine gute Aussage über <strong>die</strong> Anforderung<br />
an <strong>die</strong> Fertigungsgenauigkeit<br />
Damit das <strong>Simulation</strong>sergebnis gut mit der Realität übereinstimmt, ist <strong>die</strong><br />
Modellierung der optischen Komponenten eine wichtige Voraussetzung<br />
Optimierung des Systems unter Einbeziehung aller relevanten Parameter<br />
� Steigerung der Qualität<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 35
Ende<br />
opsira <strong>GmbH</strong><br />
Volker Schumacher<br />
Vielen Dank <strong>für</strong> Ihre Aufmerksamkeit!<br />
www.opsira.com<br />
1. VIAOPTIC Technologie-Tag 36
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