Helblings Goniometer steigert die Effizienz in Optik-Entwicklungsprojekten

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Dezember 2022 – Optische Systeme

Lichtstreuung an technischen Oberflächen und in Materialien kann in der Welt der technischen Optik ganz unterschiedliche Effekte hervorrufen: Einerseits werden beispielsweise bei abbildenden Optiken wie bei Objektiven unter bestimmten Bedingungen unerwünschte Lichtreflexe oder Geisterbilder erzeugt. Andererseits lässt sich Lichtstreuung in der Beleuchtungsoptik gezielt zur Optimierung einsetzen, etwa zur Homogenisierung der Lichtverteilung. Für derartige Phänomene hat Helbling eigens einen Messaufbau entwickelt: Das sogenannte Goniometer ermöglicht in der Produktentwicklung eine präzise und zeiteffiziente Analyse und Kontrolle.

Treffen Lichtstrahlen auf eine Oberfläche, ändert sich in den meisten Fällen deren Ausbreitungsrichtung. Dies hängt unter anderem vom Einfallswinkel des Strahls, der Orientierung der Fläche, der Materialbeschaffenheit und den Brechzahlen ab. Bei einer spiegelnden Fläche gilt zum Beispiel nur in einer idealisieren Welt die einfache und im Alltag oft zitierte Regel «Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel». Die allermeisten Oberflächen verteilen einfallendes Licht in mehrere Raumrichtungen. Sinngemäss spricht man dabei von «Lichtstreuung». Von diesem Phänomen profitieren viele Anwendungen wie Leuchtanzeigen jeglicher Art im Innen- und Aussenbereich, hinterleuchtete Anzeige- und Bedienelemente von Geräten oder Displays. So lassen sich bei geeigneter Umverteilung des Lichts einer Quelle Oberflächen mit homogener Helligkeit beleuchten. Quellen sind in den genannten Beispielen meist ein oder mehrere LEDs. In anderen Fällen kann Lichtstreuung zum Störfaktor werden, etwa beim Einfall von Strahlen auf Oberflächen des Gehäuses von hochsensiblen Sensoren.

Als effizienter Entwicklungspartner für Optik- und Sensorlösungen jeglicher Art hat Helbling Technik einen Messaufbau konzipiert, durch den sich die Charakteristiken der Lichtstreuung an beliebigen Materialproben experimentell bestimmen lassen. Durch dieses sogenannte Goniometer liegen Daten bereits in kurzer Zeit von maximal einigen Stunden vor und können im Anschluss direkt zur Optimierung optischer Systeme eingesetzt werden. Somit leistet es auch einen wertvollen Beitrag im Entwicklungsprozess. Dieser Ansatz hat sich bei Helbling in den zwei Jahren, in denen sich das Goniometer regelmässig im Einsatz befindet, erfolgreich etabliert, so auch beispielsweise bei der Entwicklung eines Beleuchtungsdemonstrators (siehe Titelbild). Hierbei lieferte die Charakterisierung des dort verwendeten Materials mittels Goniometer die entscheidenden Parameter, um die gewünschte Helligkeit und Lichtverteilung bereits im ersten Versuch zu erzielen. Entsprechend waren keine mühsamen Nachoptimierungen anhand verschiedener Muster-Aufbauten nötig.

Die Herausforderung: Winkelverteilungen genau kennen

Abbildung 1 zeigt eine Situation aus dem Entwicklungsalltag von Helbling: Einfallendes Umgebungslicht wird in einem Lichtsensor je nach Eintrittswinkel und -ort über die Streuung an einer Leiterplatte so umgelenkt, dass ein Teil davon ungünstig auf die Photodiode fällt und ein Störsignal generiert. Dies kann ebenso in der Peripherie wie in einem Gehäuse auftreten und führt zu einer Verfälschung der Messdaten des Sensors. In diesen Fällen muss die Lichtstreuung auf den angrenzenden Oberflächen bei der Auslegung des Systems detaillierter berücksichtigt werden.

Abbildung 1: Skizze zur Illustrierung von Lichtstreuung in einem optischen Sensor und der daraus resultierenden Erzeugung parasitärer Messsignale. Abbildung: Helbling

Unabhängig davon, ob Lichtstreuung gewollt oder ungewollt auftritt, kann es zur Entwicklung eines optischen Systems essenziell sein, die Winkelverteilung der abgelenkten Lichtstrahlen zu kennen. In Abbildung 2 a-d sind einige mögliche Charakteristiken skizziert. Sie lassen sich grob in zwei Kategorien unterteilen: die diffuse Streuung, welche sich durch eine relativ breite Winkelverteilung auszeichnet (Abb. 2a, b und d), und die spekuläre Streuung, bei welcher sich die abgelenkten Strahlen in einem schmalen Bereich um die Vorzugsrichtung des Hauptstrahls ausbreiten (Abb. 2c). In der Realität tritt meistens eine Mischform beider Modelle auf, wobei es selbst für den Experten allein vom visuellen Eindruck her kaum einzuschätzen ist, welcher Streutyp zu welchem Anteil vorliegt. Abhilfe schafft die sogenannte «Bidirectional Scattering Distribution Function» (BSDF): Sie liefert eine genaue mathematische Beschreibung der gesamten Winkelverteilung der gestreuten Strahlen und hängt unter anderem vom Material sowie der Oberflächenbeschaffenheit ab. Anders als bei klassischer Reflexion (Abb. 2e) oder Lichtbrechung (Abb. 2f) ist eine theoretische Betrachtung jedoch im Allgemeinen komplex.

 

Abbildung 2: Schematische Darstellung von Lichtstreuung an Oberflächen. a) Diffuse Rückwärtsstreuung. b) Diffuse Lichtstreuung in transmittiver Richtung c) Spekuläre bzw. gerichtete Lichtstreuung in transmittiver Richtung. d) Diffuse Lichtstreuung in alle Raumrichtungen. e) Reflexion gemäss «Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel».  f) Transmission bzw. Brechung. Abbildung: Helbling

Helblings Lösung: das Goniometer

Helbling Technik hat mit dem Goniometer ein alternatives Vorgehen etabliert: Die BSDF eines Materials kann im Optik-Labor mit diesem eigens hierfür konzipierten Messaufbau experimentell bestimmt werden. Die Messung kann als reine Serviceleistung zur Charakterisierung von Materialien und Oberflächen erfolgen, beispielsweise um verfügbare Daten unabhängig zu überprüfen. Besonders wertvoll ist sie jedoch vor allem in einem Entwicklungsprozess. Hierbei werden die BSDF-Daten direkt in optische Simulationen mittels Ray-Tracing-Software wie LightTools eingebunden. Ein Entwicklungsingenieur kann das optische System sodann präzise charakterisieren und auf gewünschte Zielparameter hin optimieren. Experimentelle Iterationen sind dadurch obsolet, was eine massive Reduktion der Entwicklungsdauer mit sich bringt. Der experimentelle Aufwand für die Messung der BSDF ist dank einer guten Automatisierung sehr überschaubar.

Der Goniometer-Aufbau im Helbling-Optik-Labor ist in Abbildung 3 dargestellt. Er enthält einen Detektor zur Messung der gestreuten Lichtleistung sowie eine flexibel austauschbare Lichtquelle, die hier in Form eines grünen Laserdioden-Moduls das Messobjekt beleuchtet. Letzteres ist auf dem Probenträger fixiert. Für die BSDF-Messung wird der Detektor um zwei Achsen um das Messobjekt rotiert. Dabei wird die Intensität des Lichts gemessen.

Das Bild zeigt die Konfiguration zur Bestimmung der reflektierten Intensität in Abhängigkeit der beiden Winkel, beschrieben durch die «Bidirectional Reflectance Distribution Funktion» (BRDF, siehe auch Abbildung 2a). Analog lässt sich das Verfahren auch als Transmissionsmessung durchführen. Dabei wird das Messobjekt von unten beleuchtet. Dies liefert die «Bidirectional Transmission Distribution Function» (BTDF, siehe auch Abbildung 2b und 2c). Die Kombination aller Messdaten ergibt schliesslich die BSDF (Abb. 2d). Dank der Automatisierung von Messung und Auswertealgorithmen liegen die Ergebnisse ab dem Zeitpunkt der Definition der Probe in wenigen Minuten bis zu maximal einigen Stunden später vor – abhängig von der erforderlichen Auflösung. Je nach Fragestellung im Projekt werden die Messdaten für den Import in ein Optik-Simulationsprogramm wie LightTools oder zur Begutachtung durch das Projektteam aufbereitet. Dabei lassen sich spezifische Materialparameter wie die relative Transmission oder der Halbstreuwinkel berechnen. Diese eignen sich für die Material- oder Oberflächen-Evaluation.

Abbildung 3: Bild des Goniometer-Aufbaus zur Streulichtmessung im Optiklabor von Helbling. Abbildung: Helbling

Das Potenzial: Eine Technik für Beleuchtungsmodule und verschiedenste Fragestellungen

Bei der Charakterisierung von diffusen Materialien können aus den Messdaten zudem die Parameter eines sogenannten Gegenbauermodells bestimmt werden. Dieser gängige mathematische Ansatz in der Beleuchtungsoptik hilft, die Lichtstreuung in einem Volumenstreuer zu beschreiben. Anders als bei der Streuung an einer Oberfläche, hängt die Winkelverteilung hier zusätzlich von der Dicke, beziehungsweise der optischen Weglänge des Lichts beim Probendurchgang ab. Derartige Materialien finden unter anderem bei beleuchteten Modulen oder Leuchtanzeigen Anwendung.

Darüber hinaus wurde das Goniometer von Helbling sehr flexibel gestaltet: Zum einen lassen sich die Eigenschaften der Lichtquelle anpassen, wie beispielsweise deren Spektrum oder die Grösse des Lichtflecks auf der Messprobe. Zum anderen sind kurzfristige Umbauten möglich, mit denen direkt die winkelabhängige Charakteristik von Lichtquellen oder Detektoren vermessen werden kann.

Zusammenfassung: Das Goniometer beschleunigt den Entwicklungsprozess

Die Realisierung des Goniometers als Messwerkzeug für die Produktentwicklung hat sich im Alltag bewährt. Es beschleunigt einen Entwicklungsprozess insbesondere dadurch, dass Messergebnisse bereits nach einigen Minuten oder Stunden vorliegen. Darüber hinaus steigert sein Einsatz die Aussagekraft optischer Simulationen erheblich, da relevante Teile der Simulation auf Messungen und nicht auf Annahmen aufgebaut werden können. Bei der Entwicklung von Beleuchtungsoptiken stellte sich auch die Extraktion der Gegenbauer-Parameter in mehreren Projekten als äusserst wertvoll heraus: Hiermit sind nur noch wenige Schritte bis zum optimierten System notwendig. Dies bereichert das Portfolio der Helbling-Entwicklungsdienstleistungen für zukünftige Herausforderungen.

 

Autoren: Johannes Eckstein, Andreas Liehl, Helen Wächter

Hauptbild: Helbling