Grundlagenwissen: Auslegung von Kunststoffoptiken

Einführung in die lichttechnischen Grundgrößen

• Definition und Erläuterung der lichttechnischen Grundgrößen:
• Lichtstrom und seine Abhängigkeit von der ­Lichtquelle
• Leuchtdichte und ihre Ableitung aus dem ­photo­metrischen Grundgesetz
• Lichtstärke vs. Beleuchtungsstärke: Welche Größe ist wann sinnvoll?
• Einflussfaktoren auf und Wechselwirkungen zwischen den Grundgrößen
• Bedeutung der Grundgrößen für die Auslegung des polymeroptischen Systems

Stoffkennzahlen und ihr Einfluss auf die optische Performance

• Einführung in die Wechselwirkung zwischen Licht und Medium
• Definition und Ableitung der materialspezifischen Größen:
• Brechungsindex
• Reflexionsgrad
• Leuchtdichtekoeffizient
• Zusammenhänge zwischen den Stoffkennzahlen
• Entstehung der Fresnelreflexion und ihre Auswirkung auf die Auslegung von Kfz-Scheinwerfern
• Vergleich der Stoffkennzahlen transparenter Kunststoffe (PMMA, PC) und ihr Einfluss auf die optische Performance
• Hilfestellungen zur richtigen Materialauswahl

Lichtquellen und ihre Bedeutung für die optische Auslegung

• Von der Glühbirne zur LED: Historischer Überblick über
  Lichtquellen und ihre Bedeutung für technische Innovationen
• Aufbau, Funktionsweisen und Eigenschaften von Glühlampen, Xenonlampen, Halogenlampen, LEDs
• Spektralbereiche, Einsatzmöglichkeiten und Besonderheiten
• Lichtquellen im wirtschaftlichen Vergleich: Übersicht von Kosten, Auswechselbarkeit, Lebensdauer und Effizienz
• Die ECE Regelung R48: Einsatz von Lichtquellen in Leuchten und Scheinwerfern für Kraftfahrzeug

Lichttechnische Grundgrößen: Übungsbeispiele

• Wie groß muss bei einer gegebenen Lichtquelle ein optisches System mindestens werden, um die gewünschte Lichtstärke zu erreichen?
• Wie viele LEDs benötige ich, um eine bestimmte Lichtfunktion erfolgreich umsetzen zu können?
• Wieviel Lichtstrom wird typischerweise von ­ausgewählten Lichtquellen emittiert?

Stoffkennzahlen: Fragestellungen

• Wie groß ist der reflektierte Lichtstrom einer beleuchteten lichtundurchlässigen Wand mit einem definierten Absorptionsgrad bei vorgegebener Beleuchtungsstärke?
• Wann setzt man in der Kraftfahrzeugbeleuchtung für Außenlichtscheiben PMMA ein, wann PC?
• Wie kann es in Scheinwerfern durch Fresnel­reflexion zu einer Eigenblendung des Fahrers, etwa bei Nebel, kommen?

Lichtquellen: Übungsbeispiele

• Warum sind Halogenlampen nur begrenzt dimmbar?
• Wie groß ist die Lichtstärke einer 55W Halogen­lampe, die bei einer definierten Lichtausbeute den gesamten Lichtstrom gleichmäßig in alle ­Richtungen verteilt?
• Warum kann ich eine LED, die eine maximale Sperrschicht­temperatur von 150 °C hat, nicht ohne weiteres bei einer Umgebungstemperatur von 140 °C betreiben?

Auslegung von optischen Bauteilen mit besonderer Geometrie

• Systematische Vorgehensweise der Auslegung
• Übersicht über geeignete CAD-Software, deren ­Vorteilen und Grenzen
• Aufbau, Funktionsweisen, Einsatzmöglichkeiten und Besonderheiten von Reflektortypen, Fresneloptiken, Kissenoptiken, TIR (Total Internal Reflection) Reflektoren, Lichtleitern

Übungsbeispiel: Prinzipien der optischen ­Systemauslegung am Beispiel LED mit Kunststoffoptik

1. Auswahl einer Lichtquelle

2. Berechnung von Gesamtlichtstrom und Primär­lichtstrom

3. Abschätzung der Wärmeübergangswiderstände

4. Berücksichtigung geometrischer Randbedingungen

5. Auswahl des optischen Konzeptes

6. Zusammenhang Brennweite und Wirkungsgrad der Optik

7. Auswahl der Segmentierung

8. Berechnung der Lichtlenkung pro Segment

9. Konstruktive Maßnahmen zur Optimierung der ­Lichtlenkung

10. Integration in das Gesamtsystem