Konzipieren und Entwerfen hochauflösender Lichtsysteme am Beispiel eines DMD-Scheinwerfers

Abstract

Bei der Entwicklung hochauflösender Lichtsysteme werden in den Phasen des Konzipierens und Entwerfens auf Grundlage verschiedenster Anforderungen erfolgsbestimmende Entscheidungen getroffen. Für die Entwicklung einfacher Lichtsysteme, die aus einer Lichtquelle und einem optischen Element zur Strahlformung oder -ablenkung aufgebaut sind, können die zu treffenden Entscheidungen noch gut beherrscht werden. Mit zunehmender Komplexität der Lichtsysteme, beispielsweise durch die Verwendung von Lichtmodulatoren und dem Einsatz mehrerer optischer Elemente, erfordert die Entscheidungsfindung ein methodisches Vorgehen, um unüberwindbaren Diskrepanz zwischen Entwicklungszielen und -ergebnissen zu vermeiden. Im Rahmen dieser Arbeit werden Methoden zum Konzipieren und Entwerfen hochauflösender Lichtsysteme erarbeitet und an einem Beispiel angewendet. Unter Berücksichtigung der Étendue als Erhaltungsgröße in optischen Systemen wird durch die logische Verknüpfung spezifischer Schritte ein planmäßiges und zielorientiertes Vorgehen zum Konzipieren bereitgestellt. Hierbei werden Technologien zur Lichtmodulation und -erzeugung, die räumliche Anordnung optischer Elemente für Systemarchitekturen und Strategien zur Beleuchtung des Lichtmodulators sowie dem auszuleuchtenden Bereich für die Anwendung spezifiziert. Im letzten Schritt wird ein Strahlenmodell als Grundlage für den nachfolgenden Entwurf erarbeitet. Das methodische Vorgehen zum Entwerfen erfolgt unter Berücksichtigung der sequentiellen und nicht-sequentiellen Strahlverfolgung. Durch Festlegen von Lichtquelleneigenschaften, Funktionsflächen und Randbedingungen wird der sequentielle Optikentwurf mithilfe von Entwurfszielen, welche in einer Merit Function (dt. Bewertungsfunktion) festgehalten werden, optimiert und für abbildende Systeme hinsichtlich der Anforderungen bewertet. Werden die Anforderungen erfüllt, erfolgt anschließend die Bewertung des Wirkungsgrades sowie die Identifikation von Streulicht im Rahmen der nicht-sequentiellen Strahlverfolgung. Die Anwendbarkeit der Methoden erfolgt am Beispiel eines hochauflösenden Scheinwerfers unter Verwendung eines DMDs zur Lichtmodulation und LEDs zur Lichterzeugung. Ausblickend wird unter anderem der Ansatz einer hybriden Strahlverfolgung zum Entwerfen diskutiert.