Lichtsimulation

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Aufbau, Einsatzgebiete, Vorteile von Lichtsimulation, als Lichtplanung

Mit einer Lichtsimulation wird die Lichtausbreitung, der Lichttransport und das Lichtergebnis virtuell, also mittels Software, berechnet. Lichtsimulationen werden zur Analyse bestehender Systeme, der Optimierung und der Neuauslegung von optischen Komponenten verwendet. Die Lichtsimulation spielt eine zentrale Rolle bei der Lichtentwicklung.
Synonym(e): Lichtplanung



Lichtsimulation
Lichtsimulation: Strahlsimulation zur Lichtleiteroptimierung. Quelle: TKLEngineering 🔍 Ins Bild klicken zum Vergrößern

Bei den in der Lichtsimulation eingesetzten Tools spielt Raytracing (deutsch Strahlenverfolgung) eine wichtige Rolle. Mit dieser Technologie können Lichtstrahlen realistisch berechnet werden.

Die Entwicklung mit Tools der Lichtsimulation ermöglicht das Erstellen von individuellen Lichtlösungen ohne Prototypenbau und das Engineering von kompletten Lichtsystemen. Mit Strahlensimulationen lassen sich optische Komponenten wie Lichtleiter, Reflektoren und Streuelemente designen und analysieren. Lichtleiter transportieren das Licht von der LED zum Lichtfenster und sind meist aus transparenten Kunststoff wie PMMA oder optischem PC.

Durch das Raytracing lassen sich die Strahlverläufe im Lichtleiter visuell darstellen und akkurat berechnen, wie hoch Leuchtdichte, Beleuchtungsstärke, Intensität und Farbwerte im Sensor sind. Aus diesen Werten kann man die Helligkeit, die Farbunterschiede und die Gleichmäßigkeit ableiten. Ein gleichmäßig wahrgenommenes Lichtbild wird oft als homogen bezeichnet. Ein weiterer Vorteil der Lichtsimulation ist die Möglichkeit Sensoren durch Querschnitte zu legen, was in der Realität nicht zerstörungsfrei möglich ist. Beispielsweise kann man analysieren, wie die Leistungs- und Farbverteilung in einem transparenten Kunststoff ist, um anschließend die Weiterleitung zu optimieren.

Neben der Auslegung der optischen Bestandteile hilft die Lichtsimulation zur Materialauswahl des gesamten Produktes. Oft treten durch naheliegende Komponenten Störstellen im Lichtbild auf, die durch eine Materialanpassung verbessert werden können. Außerdem kann die korrekte Materialauswahl dabei helfen Fehlerbilder wie „light bleeding“, also ein unerwünschtes Überstrahlen, zu vermeiden. Das Einsparen kostspieliger Prototypen, die Erstellung von virtuellen Konzepten und produktionsfertigen Daten, sowie die hohe Aussagekraft der Ergebnisse hat zum Durchbruch der Lichtsimulation im Produktentstehungsprozess beigetragen.

Lichtsimulation mit Software – von Singularity Engineering

Genauigkeit

Die Genauigkeit der Vorhersage durch Strahlsimulationen hängt von den optischen Eingangsparametern, der Geometrie und der Laufzeit ab. Wenn etwa die Fläche eines Lichtleiters als ideal poliert angenommen wird, aber in der Realität eine Fläche mit geringen Rauigkeiten im Werkzeug gefertigt wird, dann zeigt das reale Lichtleitersystem einen stärkeren Helligkeitsabfall als in der Simulation.

Die höchstmöglich Genauigkeit ist mit vermessenen LED möglich. Die Strahlvermessung enthält die Abstrahlungscharakteristik der Lichtquelle. Durch eine möglichst feine Tesselierung (Meshing) der Geometrie können in den Lichtsimulationen die hohen Genauigkeiten des CAD Systems nachgebildet werden. Dadurch kann ein produktionsfertiges System mit allen Radien, Fasen und Auskoppelstrukturen analysiert und freigegeben werden. Zukünftige Produkte lassen sich durch das Zusammenspiel eines Simulationsexperten und den korrekten Eingangsparametern mit mehr als 95 % Übereinstimmung vorausberechnen.

Einschränkungen müssen in Kauf genommen werden, bei der Wahrnehmung der Ergebnisse auf handelsüblichen Bildschirmen. Eine Darstellung von Helligkeiten und Farben ist auf nicht kalibrierten Displays nicht 1:1 möglich. Mit den physikalischen Werten der Lichtsimulation und der Visualisierung ist die Entscheidung für das bestmögliche Ergebnis dennoch sehr genau möglich. Das Einsparen von kostspieligen Iterationen beim Prototyping und der hohen Genauigkeit in der Vorhersage machen die Simulation zu einem ausgezeichneten Werkzeug in der Lichtplanung.

Einsatzgebiete

Lichtsimulation
Lichtsimulation: Diffuse Reflektion von mehrfarbiger (links) und einfarbiger Lichtquelle (rechts). Quelle: TKLEngineering

Die Lichtsimulation hat sich im Produktentwicklungsprozess etabliert und wird bei nahezu allen Objekten mit integrierten LED für die Entwicklung des optischen Systems eingesetzt. Im Automobilbereich werden beispielsweise alle Front und Rückscheinwerfer sowie die Beleuchtung im Innenraum in diversen Teams entwickelt. Die Lichttechnik spielt eine zentrale Rolle neben der Elektronik und der CAD Konstruktion.

In industriellen Produkten wird verstärkt die Lichtentwicklung eingesetzt.

Z. B. werden Schalter, Taster, Beleuchtete Folientastaturen, Displays und ambiente Beleuchtung mit homogener Beleuchtung oder interessanten Effekten wie gepulster Beleuchtung bei Bedienung ausgestattet. Die Beleuchtung dient dem Branding, der Orientierung bei Dunkelheit oder der Zustandsanzeige. Leuchten und Lampen für Raum und Straßenbeleuchtung werden simulativ auf Ihre Normforderungen ausgelegt und auf minimiertes Streulicht optimiert.


Automobilbranche

Der Einsatz von Lichtsimulationen gehört zum Standard-Entwicklungsprozess im Automobilbereich für Frontscheinwerfer, Tagfahrlichter, Rückscheinwerfer, Kleinleuchten, Reflexionsanalysen und die Entwicklung der ambienten Beleuchtung im Innenraum. Die hohe Genauigkeit und Vorhersagbarkeit realer Zustände macht die nicht sequenziellen Raytracer zu einem unverzichtbaren Teil der Entwicklung. Für die Entwicklung einer einzelnen Lichtapplikation im Innenraum arbeiten Lichttechniker, Konstrukteure, Werkzeugkonstrukteure und Elektroniker oft monatelang zusammen. Besondere Herausforderungen ergeben sich bei mehrfarbigen Anwendungen, die Mischfarben, Homogenität und keinerlei sichtbare Farbverschiebung über alle Applikationen in Serie haben dürfen. Die Forderung nach individuellen Erscheinungsbildern im Exterieur und Interieur erfordert die Entwicklung individueller Lichtsysteme für jedes Fahrzeug.

Industrieanwendungen

Die Lichtsimulation für Industrieanwendungen ist von besonderer Herausforderungen, weil es keine einheitlichen Spezifikationen gibt. Oft ist der Mangel an Bauraum ein begrenzendes Element und nur die Auswahl des richtigen Konzeptes und der korrekten Bestandteile führt zum Wunschergebnis. Der Automobilbereich hat als Vorreiter gezeigt, was mit Licht möglich ist. Nahezu jeder Industrie-Produktmanager und Designer hat mittlerweile das Ziel hochwertige Lichtbilder in seinem Endprodukt zu erzeugen. Einige Produktbeispiele sind: Staubsauger, Saugroboter, Zahnbürsten, Anzeigen für Maschinen, Tastatur und Maus, Lichtschalter, Wallboxen oder Wasserhähne.

Raumgestaltung

Eine Lichtplanung simuliert, wie die Lichtwirkung im privaten wie industriellen Bereich die Gestaltung eines Raumes beeinflusst. Durch die Simulation mit einem 3D-Programm kann die Helligkeitsverteilung, die Lichtverteilung und Wirkung auf Wände und Decke des Raumes entsprechend der Vorgaben angepasst werden. Visualisiert werden diese Lösungen z. B. mit 3D Render-Ansicht oder Falschfarben-Ansicht. So kann von einem Dienstleister, wie einem Lichtberater, ein Lichtkonzept bzw. eine Beleuchtungsstrategie entwickelt werden, welche die Raumwirkung am besten zur Geltung kommen lassen. Bestandteile und Merkmale der Beleuchtungskonzepte können z. B. die Hauptbeleuchtung, Grundbeleuchtung, LEDs, Spots, Deckenhöhe oder Lichtvouten sein. Visualisiert werden diese Lösungen z. B. mit 3D Render-Ansicht oder Falschfarben-Ansicht.

Lichtsimulation im Umfeld Einbruchschutz

Der Begriff Lichtsimulation wird im Einbruchschutz dafür verwendet, wenn mittels eines Strahlers die Raumausleuchtung eines Fernsehers nachgeahmt wird. Zur Abschreckung wird bei Abwesenheit der Bewohner mit einer Zeitschaltuhr ein LED-TV-Simulator als Attrappe eines TV-Geräts aktiviert.

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