Die Optiken von LED-Beleuchtungen sind – im Gegensatz zu den üblicherweise sphärischen Glaslinsen in Kameras, Mikroskopen und Teleskopen – meist Freiformoptiken aus Kunststoff. Die Fertigung zum Beispiel im Spritzgussverfahren lässt deutlich mehr geometrische Formen und Oberflächenstrukturen zu, als die konventionelle Fertigung optischer Glaslinsen. Mit den Freiheitsgraden bei der Geometriegestaltung und der Materialauswahl geht die Herausforderung einher, hiermit die gewünschte Beleuchtungswirkung zu erreichen: Ein kontrastreiches und scharfes Bild eines Projektors verrät fast nichts über den inneren Aufbau des im Projektor verbauten Objektivs. Entsprechend gibt eine genaue Spezifikation der Lichtwirkung, die eine Beleuchtung erzielen soll, kaum einen Hinweis darauf, wie die Optik der LED-Beleuchtung zu gestalten ist, um diese Wirkung zu erzielen.

Simulationen sind im Entwicklungsprozess sehr wichtig

Simulationen des optischen Verhaltens spielen im Entwicklungsprozess von Freiform-Kunststoffoptiken, wie sie beispielsweise in LED-Beleuchtungen eingesetzt werden, eine zentrale Rolle. Es ist offensichtlich, dass Simulationen nur dann praxistaugliche Ergebnisse liefern können, wenn die Kenndaten des verwendeten Kunststoffmaterials präzise genug sind und wenn die Angaben zur Oberflächenrauheit aus der Simulation in Spezifikationen für den Formenbau übertragen werden können. Bei guter Beschreibung der tatsächlichen Abbildungseigenschaften durch die Optiksimulation 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 an den Markt bringen.

Neue Normen der VDI/VDE 5596 schaffen Voraussetzungen

Die beiden neuen Richtlinien der Reihe VDI/VDE 5596 „Fertigungsgerechte Optikentwicklung“ setzen da an, wo bisher wichtige Voraussetzungen für realitätsnahe Optiksimulationen fehlten:

• 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 wie zum Beispiel durch eine BSDF beschrieben.
• Die zeitgleich mit Blatt 2 veröffentlichte Richtlinie VDI/VDE 5596 Blatt 3 legt Mindestanforderungen an die technische Spezifikation der optischen Materialeigenschaften fest, damit diese für das Optikdesign sinnvoll genutzt werden können. Sie beschreibt Messverfahren, mit denen die relevanten Kenngrößen ermittelt werden können. Dabei werden jeweils transparente und volumenstreuende Materialien berücksichtigt.

Beide Richtlinien sind in einer zweisprachigen Ausgabe (deutsch/englisch) erschienen und werden über den Beuth-Verlag vertrieben (www.beuth.de).

Weitere Informationen gibt es unter www.vdi.de.