Kontakt & Service

Laborleitung

Prof. Dr. Holger Weigand

Prof. Dr. Holger Weigand

  • Raum HW2-39
  • Telefon+49 221-8275-2794

Klaus Dollinger

Klaus Dollinger

  • Raum ZW 2-09
  • Telefon+49 221-8275-2208

Beleuchtungssimulation (Bild: FH-Köln / Klaus Dollinger)

Optik-Design und Lichttechnik

Der Begriff "Labor" beschreibt einen Bereich innerhalb eines Instituts, der für bestimmte Lehrveranstaltungen und Forschungsprojekte verantwortlich ist.

Meist sind damit auch Räume gemeint, in denen Experimente, Praktika, Projekt-, Forschungs- und Abschlussarbeiten stattfinden. Insbesondere befinden sich darin Messgeräte, Computer und andere technische Einrichtungen.

Unser Lichtlabor ist mit zwei Ulbrichtkugeln zur Lichtstrommessung, Spektrometern, Beleuchtungsstärke- und Leuchtdichte-Messgeräten, sowie mit einem Aufbau zur Vermessung von Abstrahlcharakteristiken ausgestattet.

Darüber hinaus ist unser Labor virtuell: Es bietet den Studierenden und uns verschiedene Software-Werkzeuge zur Durchführung von raytrace-basierten Computersimulationen, sowie numerischen und grafischen Auswertungen.

Das Labor für Optik-Design und Lichttechnik ist verantwortlich für die Lehre im Modul Optik-Design (Bachelor), sowie im Modul Licht- und Beleuchtungstechnik (Bachelor). Im Master wird das Modul Computersimulation in der Optik angeboten.

Die entsprechenden Lehrveranstaltungen erfolgen im Rahmen gut betreuter Kleingruppen. Wie in anderen Lehrveranstaltungen werden theoretische Kenntnisse vermittelt. Der Schwerpunkt liegt jedoch auf dem praktischen Umgang mit computerbasierten und messtechnischen Werkzeugen. Anstelle von Klausuren werden in den Lehrveranstaltungen benotete Projektarbeiten durchgeführt.

Optik-Design

Optische AbbildungOptische Abbildung für drei Strahlbündel (Bild: FH Köln, Holger Weigand)

Im Optik-Design geht es um die Auslegung von abbildenden Optiken im Inneren von optischen Geräten: Welche Linsen oder Spiegel, mit welcher Form, aus welchem Material müssen an welchen Stellen in einem Objektiv positioniert werden, damit aus dem (von links) einfallenden Licht in der Bildebene (rechts) ein scharfes Bild entsteht? Um diese Fragen zu beantworten, untersuchen wir repräsentative Strahlverläufe des einfallenden Lichtes. Diese ermöglichen die Berechnung von geometrischen Bildfehlern und fourier-optischen Bewertungsgrößen.

Ein gutes optisches Design erhält man durch einen cleveren Entwurf, der durch geschickte Steuerung eines Optimier-Algorithmus in eine Optik mit geringen Bildfehlern entwickelt wird. Sowohl für das Entwerfen von Optiken, als auch zu deren Bewertung und Optimierung steht professionelle Software zur Verfügung.

Parallel zu einer Einführung in die Lichtmodellierung durch Strahlen (d.h. Ausbreitungsrichtungen von Wellen) arbeiten wir uns in die Design-Software ein. Die Analyse von Bildfehlern, sowie die Optimierung von Systemen üben wir anhand konkreter Beispiele. In der zweiten Hälfte des Semesters werden an einem eigenständig entwickelten Design die zuvor erworbenen Fertigkeiten erprobt.

Licht- und Beleuchtungstechnik

Ulbricht-KugelUlbricht-Kugel (Bild: FH Köln, Klaus Dollinger)

In unserem Praktikum zur Lichtmesstechnik gibt es "Licht zum Anfassen". LED- und Halogen-Lampen, wie man sie zur Beleuchtung von Wohn- und Arbeitsräumen benutzt, werden genau untersucht. Wir messen: wie viel Licht aus einer Lampe herauskommt – wie viel elektrische Leistung dafür benötigt wird – wie viel Licht wohin kommt – wo und wie stark eine Leuchte blendet – welche spektrale Verteilung warmweißes und kaltweißes Licht besitzt. Die Messdaten fassen wir in einem Datenblatt für jede der untersuchten Lampen zusammen.

Die im Praktikum gemessenen lichttechnischen Größen werden in der Vorlesung erläutert. Ebenso wird die Funktionsweise der messtechnischen Apparaturen aus dem Praktikum erklärt. Weiter geht es um die Entstehung von Licht in der Natur und wie verschiedene Lichtentstehungsprozesse technisch in unterschiedlichen Lampen genutzt werden.

Eine Vielzahl verschiedener Lampen und Leuchten kann zur Raumbeleuchtung eingesetzt werden. Speziell für Arbeitsplätze gibt es Bereiche mit unterschiedlichen Beleuchtungsanforderungen. Dort, wo sehr kleine Teile gefertigt oder montiert werden, wird viel Licht benötigt, während Regalbereiche an den Wänden mit weniger Licht auskommen. Eine gut ausgelegte Allgemeinbeleuchtung ist licht- und stromsparend – d.h. energiesparend – und erfüllt gleichzeitig alle Helligkeitsanforderungen. Auch hier verwenden wir computergestützte Werkzeuge zur Lichtsimulation und Energiebewertung, sowie zur Messdatenerfassung und -auswertung.

Computersimulation in der Optik

Breitstrahlende BeleuchtungsoptikBreitstrahlende Beleuchtungsoptik (Bild: FH Köln, Sebastian Bauer)

In diesem Master-Modul beschäftigen wir uns mit dem Entwerfen und Simulieren von nicht-abbildenden Optiken für Beleuchtungsanwendungen. Während beim Optik-Design von abbildenden Systemen die Durchrechnung weniger Lichtstrahlen ausreicht, werden hier Millionen von Lichtstrahlen von allen möglichen Orten der Lichtquelle ausgehend in alle möglichen Richtungen durch das System propagiert. Die Analyse der Systeme erfolgt grafisch durch die Visualisierung von Orts- und Winkelverteilungen des Lichtes oder durch eine nachgeschaltete Auswertesoftware.

Die Entwicklung von Simulationssoftware bildet einen zweiten Schwerpunkt des Moduls. Vorhandene professionelle Programme werden durch Werkzeuge zur numerischen und grafischen Auswertung, sowie zur Automatisierung von aufwändigen Berechnungen ergänzt. Hierzu finden verschiedene Skriptsprachen Verwendung. Komplexere optische Eigenschaften der entworfenen Systeme werden durch neue, eigens entwickelte Bewertungsgrößen beschrieben und in die Simulation und Optimierung implementiert.

Für das Verständnis von Beleuchtungsoptiken aufgrund geeigneter Bewertungsgrößen ist ingenieurtechnisches Denken und Handeln gefordert: Welche Größen für Teilsysteme – oder für das Gesamtsystem – müssen berücksichtigt werden? Wie lassen sich vorgegebene Anforderungen auf dem Rechner umsetzen? Oft müssen die berechneten Daten weiter analysiert und interpretiert werden, um für die System-Optimierung einen gangbaren Weg zu finden.

Forschung

  • Farbkorrigierte Beleuchtungsoptiken: Entwicklung von korrigierten optischen Designs zur Minimierung dispersionsbedingter Beleuchtungsartefakte Forschungsprojekt LED-LA
  • Optical Simulation Based Image Enhancement (OSBIE): Modellierung pseudo-inverser Optiken für die Bildverbesserung bei digital-optischen Systemen
 
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