Simulation des optomechatronischen Verhaltens laserbasierter Beleuch-tungssysteme

Der Einsatz von Laserdioden als Lichtquelle in Beleuchtungssystemen führt aufgrund der sehr kleinen Lichtaustrittsfläche bei gleichen Abbildungsmaßstäben von Reflektoren oder Linsen zu ideal kleinen Leuchten. Dies hat für viele Anwendungen (Kraftfahrzeugbeleuchtung, Endoskopie, Mikroskope, kamerabasierte Sensorik usw.) erhebliche Vorteile, bedeutet aber auch, dass bei der Auslegung/Simulation der Systeme neue Herausforderungen gemeistert werden müssen. So entsteht weißes Licht aus Lasern nur entweder durch Farbmischung oder durch die Wechselwirkung von Lasern mit einem Leuchtstoff, auch – aus dem englischen abgeleitet – als „Phosphor“ bezeichnet.

Im Rahmen des vorliegenden Teilprojektes sollen laserbasierte, optomechatronische Systeme mit Leuchtstoffen untersucht und simuliert werden. Hierbei werden die Auswirkungen der Oberflächeneigenschaften, z.B. des Leuchtstoffs, kritischer. Ebenso ist die Berücksichtigung spektraler Aspekte wie der chromatischen Aberration notwendig. Zusätzlich entsteht aus der Miniaturisierung die Herausforderung, eine höhere Bauteil- und Oberflächenpräzision zu errei-chen als es bei herkömmlichen Glühlampen- oder LED-basierten Systemen der Fall ist. Dar-über hinaus beeinflussen thermische Effekte den Laser stark in seiner Lichtqualität und Le-bensdauer, und thermisch induzierte kleine Verformungen am optischen System haben auf-grund der geforderten Genauigkeit erhebliche Auswirkungen auf den Strahlengang und damit die Lichtverteilung.

Vor diesem Hintergrund werden im Forschungsprojekt Raytracing Verfahren zur Strahlsimula-tion und Spektralanalyse mit FEM Methoden zur thermischen und mechanischen Simulation durch Skriptsprachen miteinander verknüpft, so dass eine Simulationsumgebung entsteht in der nach multikriteriellen Zielfunktionen aus optischen, mechanischen und thermischen Eigen-schaften optimiert werden kann. Außerdem wird die spektrale Abhängigkeit der Reflexionsei-genschaften speziell des Leuchtstoffs im Modell zu berücksichtigen sein.

Durch die beabsichtigte Kombination von FEM und Raytracing wird es möglich den oben ge-schilderten Herausforderungen der Optomechatronik besser entsprechende Lösungen zu fin-den. Diese sowohl thermisch als auch optisch optimierten Systeme dienen