Bildverarbeitung

VDI/VDE-Richtline 5596 für „Fertigungsgerechte ­Optikentwicklung“ erschienen

Zielgerichtete Optiksimulation mittels detaillierten Materialparametern

19.09.2022 - Für aussagekräftige Simulationen der optischen Eigenschaften von Freiformoptiken, die eine wesentliche Rolle in der Beleuchtungsentwicklung spielen, sind detaillierte und präzise optische Materialparameter des Kunststoffs genauso wichtig wie eine Spezifikation der Oberflächenrauheit. Hier helfen zwei neue VDI/VDE-Richtlinien nun weiter.

Die Optiken von LED-Beleuchtungen sind – im Gegensatz zu den üblicherweise sphärischen Glaslinsen in Kameras, Mikroskopen und Teleskopen – meist Freiformoptiken aus Kunststoff. Die Fertigung im Spritzgussverfahren lässt deutlich mehr geometrische Formen und Oberflächenstrukturen zu als die konventionelle Fertigung optischer Glaslinsen. Bei aller Freiheit bei Geometriegestaltung und Materialauswahl bleibt allerdings die Anforderung, die gewünschte Beleuchtungswirkung zu erreichen. Da aber ein kontrastreiches und scharfes Bild, zum Beispiel eines Projektors, fast nichts über den inneren Aufbau des im Projektor verbauten Objektivs verrät und auch eine genaue Spezifikation der Lichtwirkung, die eine Beleuchtung erzielen soll, kaum einen Hinweis darauf gibt, wie die Optik der LED-Beleuchtung zu gestalten ist, spielt die Simulation eine zentrale Rolle in der Optikentwicklung.

Erst Simulationen ermöglichen eine effiziente Entwicklung von Optiken 

Damit Simulationen praxistaugliche Ergebnisse liefern können, müssen die Kenndaten des verwendeten Kunststoffmaterials präzise genug sein und die Angaben zur Oberflächenrauheit aus der Simulation müssen sich in Spezifikationen für den Formenbau übertragen lassen. Werden die tatsächlichen Abbildungseigenschaften durch die Optik­simulation gut beschrieben, können diese Ergebnisse die Basis für eine rechnergestützte Designoptimierung bilden. Dies ist ein entscheidender Hebel, um Iterationszyklen mit dem Bau von Prototypen im Entwicklungsprozess zu reduzieren. So lassen sich Entwicklungszeiten und -kosten verringern und bessere Produkte schneller in den Markt bringen. Die beiden neuen Richtlinien der Reihe VDI/VDE 5596 „Fertigungsgerechte Optikentwicklung“ setzen da an, wo bisher wichtige Voraussetzungen für realitätsnahe Optiksimulationen fehlten.

VDI-Richtlinien klären Voraussetzungen für realitätsnahe Optiksimulationen 

VDI/VDE 5596 Blatt 2 widmet sich den optischen Oberflächen. Bislang wurden Oberflächen für Beleuchtungsoptiken oft nicht hinreichend präzise spezifiziert, sondern lediglich mit dem einfachen Hinweis auf „optische Qualität“ oder „diffus“ versehen. Diese unpräzisen Vorgaben mussten für die Lastenhefte des Formenbaus in Rauheits­spezifikationen übertragen werden.

Dabei wurden teils ungeeignete Rauheitskenngrößen verwendet. Die im September 2022 erschienene Richtlinie stellt nun geeignete Vorgehensweisen zur Spezifikation der Rauheit optischer Oberflächen von Kunststoffoptiken vor, wobei der gesamte Bereich von optisch glatten, nicht streuenden bis zu streuenden, optisch rauen Oberflächen abgedeckt wird. Es werden Methoden zur Modellierung und Vermessung dieser Oberflächen beschrieben, zum Beispiel durch eine Bidirectional Scattering Distribution Function (BSDF).

Die zeitgleich mit Blatt 2 veröffentlichte Richtlinie VDI/VDE 5596 Blatt 3 legt Mindestanforderungen an die technische Spezifika­tion der optischen Materialeigenschaften fest, damit sich diese für das Optikdesign sinnvoll nutzen lassen. Sie beschreibt Messverfahren, mit denen die relevanten Kenngrößen ermittelt werden können. Dabei werden jeweils transparente und volumenstreuende Materialien berücksichtigt.

Kontakt

VDI/VDE- Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik

VDI-Platz 1
40468 Düsseldorf

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+49 211 6214 97 373

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