Optik-Design und Aufbau eines Reflektors für einen LED-Scheinwerfer

Diplomarbeit

Martin Wulf, SS 2008

Einleitung und Aufgabenstellung

Fahrradscheinwerfer sind klassisch mit Parabolreflektoren ausgestattet, diese haben eine runde Optik, wodurch die Modellierung dieser Abstrahlcharakterisitk in eine eckige Form erschwert wird. Das Ziel dieser Diplomarbeit war die Berechnung eines Reflektors, der die Abstrahlcharakteristik einer LED in eine vorgegebene Helligkeitsverteilung auf der Straße wandelt. Diese Optik sollte auf verschiedene Methoden berechnet und nach Aufwand und Ergebnis bewertet werden. Zur Berechnung wurde Matlab und Lighttools verwendet. Die berechneten Reflektoren sollten auf der Präzisionsfräse des Labors Technische Optik gefertigt und danach mit dem Fahrradscheinwerferprüfstand vermessen werden.

Entwurf der Spiegelfläche mittels Matlab

Für die Berechnung wurde die LED als Punktlichtquelle mit einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik definiert, außerdem wurde angenommen, dass die Straße im Fernfeld liegt. Mit diesen Annahmen wurde die Spiegelfläche iterativ mit Matlab berechnet. Dabei wurden die Strategien bei der Berechnung variiert. Die Freiformfläche des Reflektors liegt nach der Berechnung zunächst als Punktewolke vor. Diese Punktewolke lässt sich annähernd durch ein Polynom oder andere mathematische Beschreibungen darstellen. Die Polynome wurden auf verschiedene Arten verifiziert und optimiert.

Design des Reflektors

Design des Reflektors

Optimierung in Lighttools

Die Flächenbeschreibung wurde in Lighttools übertragen. Dort wurden verschiedene Zielfunktionen definiert um die Gleichmäßigkeit und den Lichtstrom im Zielfeld auf der Straße zu verbessern und die Fläche dahingehend optimiert.

Entwurf der Reflektorfläche mittels Lighttools

Es wurde auch versucht, den Reflektor nur mit Lighttools ohne vorherige iterative Berechnung mittels Matlab zu erstellen. Dafür wurde ein Quader mit einer Freiform-Oberfläche erstellt und durch mehrere Strahlen ausgerichtet. Die Parameter des Polynoms zur Beschreibung der Fläche wurde mit der Optimierungsfunktion von Lighttools angepasst, dass sich eine möglichst homogene Ausleuchtung ergab. Diese Optimierung gestaltete sich jedoch durch lokale Minima und eine schlechte Konvergenz als äußerst schwierig und war nicht befriedigend.

Ergebnis des Reflektorentwurfs

Ergebnis des Reflektorentwurfs durch Optimierung mit Lighttools ohne vorherige iterative Berechnung. Das Leuchtbild hat keine hellen Spots, dafür ist der Rand undefiniert und der Lichtstrom im Feld ist niedriger.

Herstellung des Reflektors

Für die mit Matlab und dann auch mit Lighttools optimierten Reflektoren wurde ein Fräscode mittels eines Postprozessor generiert. Diese Reflektoren wurden mit einem Diamantfräsers an der Hochschule gefertigt und nach dem Fräsen poliert.

Ergebnisse

Die beiden Leuchtbilder der Reflektoren wurde mit einer Kamera aufgenommen, außerdem wurden die Abstrahlcharaktersitiken auf dem Scheinwerferprüfstand vermessen. In den nachfolgenden Bildern ist zu sehen, dass sich der Berechnung mit Matlab anschließenden Optimierung mit Lighttools den Reflektor wellig gemacht hat und dass dadurch ein ungleichmäßigeres Leuchtbild entstanden ist. Außerdem ist zu sehen, wie ein simuliertes Leuchtbild in der Realität aussieht und wie sich ein simuliertes Leuchtbild auf ein relales Leuchtbild auswirkt.

Mit Lighttools optimierter Reflektor

Mit Lighttools optimierter Reflektor (nach der Berechnung mit Matlab), rechts: mit Matlab berechneter Reflektor

 Leuchtbild des durch Matlab berechneten Reflektors

Leuchtbild des durch Matlab berechneten Reflektors. Dieses Leuchtbild soll den Fahrradweg ausleuchten. An den Seiten sind die scharfen Kanten zu sehen, außerdem ist die Blendung des Gegenverkehrs minimiert. Der Vordergrund wird durch das direkte Licht der LED ausgeleuchtet.

Zusammenfassung

Bei dieser Diplomarbeit wurden verschiedene Methoden zur Reflektorberechnung entwickelt und deren Ergebnisse verglichen. Dabei hat sich gezeigt, das die Vorauslegung mit Berechnung z. B. mittels Matlab ein unverzichtbarer Schritt für die Entwicklung eines modernen Scheinwerfers ist. Die Optimierung einer solchen Freiformfläche erfordert Erfahrung, Sorgfalt und einen nicht zu unterschätzenden Aufwand. In der Arbeit sind Algorithmen entstanden, mit denen eine Berechnung möglich ist. Das Ergebnis des Leuchtbildes entspricht der Simulation.

Logo des Audits familiengerechte Hochschule. Die HHN ist seit 2005 zertifiziert.
Logo der weltoffenen Hochschulen gegen Fremdenfeindlichkeit
Logo der Charta der Vielfalt mit Stempel unterzeichnet
Logo der Hochschulföderation Süd-West (HfSW)