1 / 62

Raytracing in lichttechnologie

Raytracing in lichttechnologie. Guy Durinck Laboratorium voor Optische Metingen en Lichttechnologie Departement Industrieel Ingenieur KaHo Sint-Lievenhogeschool, Gent Associatie K.U.Leuven 1 maart 2006. Raytracing in lichttechnologie. Wat is raytracing? Waarvoor wordt het gebruikt?

aldon
Download Presentation

Raytracing in lichttechnologie

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Raytracing in lichttechnologie Guy Durinck Laboratorium voor Optische Metingen en Lichttechnologie Departement Industrieel Ingenieur KaHo Sint-Lievenhogeschool, Gent Associatie K.U.Leuven 1 maart 2006

  2. Raytracing in lichttechnologie • Wat is raytracing? • Waarvoor wordt het gebruikt? • Wat komt er zoal bij kijken? • TracePro: een modern raytracing programma

  3. Raytracing in lichttechnologie • Raytracing: simulatietechniek waarbij men numeriek een experiment uitvoert. • Werkwijze: - maak model - stuur een groot aantal lichtstralen in het model - bereken wat er gebeurt met elke straal • Doel: voorspellen van het optisch gedrag van een systeem.

  4. TracePro • Gebruiksvriendelijke raytracing programmatuur • Verlichtingswereld: armaturen, koplampen, projectiesystemen,… • Optische instrumenten: stray light analysis (ongewenste reflecties, spookbeelden,…) • Niet geschikt om beeldvormende systemen te ontwerpen • Niet geschikt voor lichtarchitectuur

  5. Het begrip “lichtstraal” • Lichtstralen bestaan niet! • Licht: elekromagnetische golven, fotonen • Geometrische optica werkt als λ<<obstakels • Handige hulpmiddelen, niet gehinderd door de werkelijkheid.

  6. Lichtstralen in TracePro • Lichtstraal: energiestroom • Grensvlak tussen 2 materialen: - breking volgens Snellius - energiestroom volgens Fresnel • Een lichtstraal kan opgesplitst worden.

  7. Lichtstralen in TracePro • Balk in plexiglas • Randen: stralen splitsen op volgens Snellius en Fresnel • 5% drempel (default)

  8. Lichtstralen in TracePro • Balk in plexiglas • Drempel ingesteld op 1% • Grotere nauwkeurigheid • Grotere rekentijd

  9. Oppervlakken van materialen • Simulaties: betrouwbaarheid hangt sterk af van de invoer: - nauwkeurigheid - werkelijkheidsgetrouwheid • Materiaaloppervlakken zijn dikwijls ruw: -speculaire breking -speculaire reflectie -verstrooiing (scattering)

  10. Enkele begrippen i.v.m. gedrag van licht bij reflectie aan een oppervlak Reflectantie: (alle richtingen) Excitantie: (weg van oppervlak) Verband met irradiantie van oppervlak:

  11. Scattering aan oppervlakken • Bidirectional Scattering Distribution Function (BSDF) • BSDF is een verzamelnaam voor BRDF (Reflectance) en BTDF (Transmittance)

  12. Definitie BSDF • Neem een stukje oppervlak dA • Licht valt in op dA vanuit een bepaalde richting: irradiantie van dA: dEe (watt/m2) • dA wordt nu een lichtbron • In een bepaalde richting straalt dA met radiantie dLe (watt/m2sr). • BSDF wordt gedefinieerd als: • Eenheid BSDF: sr-1

  13. Definitie BSDF • Alternatieve schrijfwijze met stralingsstroom: • dΦe,i invallende stralingsstroom op dA • dΦe,s verstrooide stralingsstroom

  14. Definitie BSDF • BSDF hangt niet af van de grootte van de invallende stralingsstroom:

  15. Definitie BSDF • De richting van Φe,i is bepaald door θi en Φi • De richting van dΦe,s is bepaald door θs en Φs • Scattering kan golflengteafhankelijk zijn:

  16. BSDF praktisch • Eenvoudigste BSDF is de constante BSDF: intensiteit evenredig met cosθ Lambertiaanse verstrooiing (volledig diffuus) • BSDF soms beschreven met empirische formules. • BSDF experimenteel bepalen.

  17. BSDF meetopstelling • Xenonlamp • Lichtbundeloptiek • Staaltjeshouder • Detector • Spectrometer • Computer + sturing

  18. Scattering voorbeelden

  19. Scattering voorbeelden

  20. Scattering voorbeelden

  21. Scattering voorbeelden

  22. Oefening: Beschouw een Lambertiaans reflecterend oppervlak met reflectantie ρ. A) Bereken de excitantie M als Le gegeven is. B) Bereken het verband tussen Le en Ee. C) Bereken de BSDF. Lambertiaans:

  23. Oplossing

  24. Oplossing

  25. Oplossing

  26. BRDF en BTDF in TracePro • BRDF en BTDF: zonder speculaire component. • Oppervlak: - speculaire reflectie: Rspec - speculaire transmissie: Tspec - BRDF reflectie: RTS (total scatter) - BTDF transmissie: TTS - absorptie: a

  27. BRDF en BTDF in TracePro • Behoud van energie: • Richting en energie van de verstrooide stralen? • BSDF: waarschijnlijk-heidsverdeling voor richting van verstrooide stralen

  28. BSDF in TracePro • Random number generator getal tussen 0 en 1: y • Stel y is waarde cumulatieve distributiefunctie • Inverse cumulatieve distributiefunctie geeft x richting van de verstrooide straal

  29. Speculaire en BRDF reflectie volgens TracePro (100 stralen)

  30. Lichtbronnen in TracePro • Lichtbron: plaats waar de lichtstralen vertrekken • Grid raytrace • Source raytrace

  31. Grid raytrace

  32. Grid raytrace

  33. Source raytrace: flux-bron • Gegeven stralingssterkte • 1 golflengte • Totaal aantal stralen • Energiestroom per straal • Stralingspatroon: - normaal op oppervlak - uniform (I(θ) constant) - Lambertiaans (intensiteit ~ cosθ) - absorptance (tabel)

  34. Spectrale raytrace • Spectrale raytrace met een ander spectrum dan een zwarte straler: lastig! • Flux-bron: - totaal aantal stralen - stralingspatroon - meerdere golflengten - gewichtsfactor voor elke golflengte spectrum! - energiestroom voor een straal met gewichtsfactor 1 • Meerdere raytrace-sessies met telkens een flux-bron met een andere golflengte worden na elkaar uitgevoerd: zeer rekenintensief!

  35. Source raytrace • Speciaal geval: Source file • Source file; bevat alle gegevens over een groot aantal stralen: - beginpositie x,y,z - richtingsgetallen X,Y,Z - flux (energiestroom) • Importeren in TracePro: bron gedefinieerd

  36. Oorsprong source file • Radiant Imaging Inc. (bedrijf U.S.A.) • Lampen van alle grote fabrikanten • Goniometeropstelling: duizenden digitale opnamen per lamp Radiant Source Models • softwarematig source file voor een bolvormig oppervlak • Radiant Source Models worden te koop aangeboden

  37. Radiant Source Model

  38. Radiant Source Model

  39. Data uit TracePro halen • Voorbeeld: - invoeren eenvoudige lamp - lampoppervlak: lichtbron - stralingspatroon lamp? - illuminantie van tafeloppervlak? - plaats lamp in armatuur - stralingspatroon? - illuminantie van tafeloppervlak?

  40. Lamp • Cilinder: lengte=50mm;straal=8mm • Basis in oorsprong • Mantel: flux-bron (λ=546nm, stralingssterkte=800lm, 1000000 stralen, Lambertiaans patroon) • Basis straalt niet • Uiteinde: flux-bron (λ=546nm, stralingssterkte=70lm, 100000stralen, Lambertiaans patroon)

  41. Stralingspatroon van de lamp • Beschouw lamp als puntbron in oorsprong assenstelsel (waarneming vanop oneindige afstand) • Stralingpatroon: intensiteit of stralingssterkte (1cd=1lm/sr) als functie van de richting • Afstand kromme tot oorsprong ~ intensiteit

  42. Stralingspatroon van de lamp

  43. Alternatieve voorstelling stralingspatroon

  44. Tafel met oppervlakte 1m2 op 1 meter afstand

  45. Tafel op 1 meter afstand

  46. Illuminantiekaart van het tafeloppervlak (1lux=1lm/m2)

  47. Illuminantiekaart van het tafeloppervlak

  48. Testen van een armatuur • Doel: vergroten van de illuminantie op het tafeloppervlak • Gebruik een armatuur om de straling van de lamp te richten • Eenvoudige armatuur: plaats een kap over de lamp waarvan de binnenkant sterk reflecteert

  49. Lamp met armatuur • Kegelvormige kap, aan de bovenkant afgesloten • Materiaal laat geen licht door • Binnenkant van de kap is 90% volledig diffuus reflecterend (Lambertiaans: constante BRDF, I ~ cosθ)

  50. Stralingspatroon lamp met kap

More Related