Projekt 5

Simulation des optomechanischen Verhaltens von laserbasierten Beleuchtungssystemen

  • Institute: Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Hannover
  • Principle Investigator: Prof. Roland Lachmayer
  • Researcher: Peer-Phillip Ley, Alexander Wolf

Laserbasierte Beleuchtungssysteme bieten viele Vorteile für unterschiedliche Anwendungen. Die kleine emittierende Fläche dieser Lichtquellen ermöglicht es, sehr kompakte Beleuchtungssysteme zu entwerfen, ohne die Qualität des erzeugten Lichtmusters zu reduzieren. Damit wird der Einsatz laserbasierter Beleuchtungssysteme vor allem für Anwendungen im Automobilbereich interessant, da Designer schlanke Konturen fordern und gleichzeitig gesetzliche Vorschriften wie lokale Mindest- und Maximalwerte des erzeugten Lichtmusters erfüllt werden müssen. Daraus ergeben sich neue Herausforderungen an die Dimensionierung und Simulation dieser Systeme. Eine laserbasierte Weißlichtquelle kann durch die Mischung der Emission verschiedener Laserdioden (z.B. rot, grün und blau) oder durch die Nutzung der Wechselwirkung von Licht mit einer Phosphorschicht realisiert werden.

Im Rahmen dieses Forschungsverbundes beschäftigt sich das TP5 mit der Untersuchung und Simulation von laserbasierten optomechatronischen Systemen mit Phosphorkonversion. Bei diesen sogenannten Remote-Phosphor-Systemen wird der Laserstrahl sehr präzise auf eine Phosphorschicht fokussiert. Diese hohe Intensität führt zu einem starken positionsabhängigen Temperaturgradienten der Konversionsschicht, der zu lokalen Änderungen der Konversionseffizienz, der Wärmeleitfähigkeit, der Absorptions- und Emissionsspektren sowie anderer Eigenschaften führt. Darüber hinaus führt die Verkleinerung des gesamten optischen Systems zu der Notwendigkeit einer höheren Präzision in der Bauteilqualität im Vergleich zu konventionellen Glühlampen oder LED-basierten Beleuchtungssystemen. Darüber hinaus verursachen thermisch bedingte kleine Verformungen des optischen Systems signifikante Auswirkungen auf den Strahlengang und die Lichtverteilung.

In diesem Forschungsprojekt wird versucht, eine Simulationsumgebung aufzubauen, die auf der Kombination von Raytracing-Methoden für die Strahlsimulation und Spektralanalyse mit FEM-Methoden für die thermomechanische Simulation basiert, um diese optischen Systeme genauer zu modellieren. Eine erfolgreiche Kopplung der Raytracing-Methode und der FEM-Methode wird die Entwicklung von optischen Systemen ermöglichen, die an den thermischen Grenzen der Konversionsschicht arbeiten.