Taming light energy
Licht, genau dort, wo es hin soll
RayMapr berechnet die Form von Linsen und Spiegeln, die das Licht einer LED auf die zu beleuchtende Fläche lenken, und nirgendwohin sonst. Auch dann, wenn das Lichtbündel an einer scharfen Kante enden muss.
Ein optisches Problem, das schwer zu lösen ist?
Eine LED leuchtet in alle Richtungen
Eine LED strahlt ihr Licht in einen weiten Kegel ab. Damit daraus ein Abblendlicht, eine Straßenleuchte oder ein Scheinwerfer wird, braucht es eine Optik, die das Licht nach einer genau vorgegebenen Photometrie umverteilt: viel Licht dort, wo es gebraucht wird, wenig oder keines anderswo.
Der anspruchsvollste Fall ist die Hell-Dunkel-Grenze: ein intensives Lichtbündel unterhalb einer Linie, darüber fast nichts, damit niemand geblendet wird. Erreicht wird sie noch oft mit einer Blende vor der Lichtquelle. Die Blende schneidet scharf ab, hält das Licht aber auf, statt es umzulenken. Die verlorene Energie bezahlt man mit LEDs, Watt und Wärme.
Eine nicht abbildende Optik zu entwerfen, die das besser kann, bleibt Arbeit nach Versuch und Irrtum und dauert oft mehrere Wochen pro Projekt. RayMapr bietet Lösungen, um diese Entwicklungszeit drastisch zu verkürzen.
Unser Ansatz
RayMapr geht das Problem vom anderen Ende an. Beschrieben werden die reale Lichtquelle, eine LED endlicher Größe statt eines idealen Punkts, und die gewünschte Lichtverteilung auf dem Ziel. Unsere Software berechnet die Freiformflächen, die das eine in das andere transportieren: Jeder Strahl wird an seinen Platz gelenkt, nichts wird abgedeckt.
Die Berechnung beruht auf dem optimalen Transport, einer mathematischen Theorie, die auf Monge im 18. Jahrhundert zurückgeht, und auf mehr als zehn Jahren Forschung. Sie läuft auf GPUs, auf denen Millionen von Strahlen parallel verfolgt werden. Das Ergebnis ist ein optisches Bauteil aus glatten Flächen, beschrieben als NURBS wie in der CAD: Es lässt sich in Werkzeugen der mechanischen Konstruktion öffnen und geht ohne Konvertierung in die Fräsbearbeitung oder den Spritzguss.
Anwendungen
Ein Satz von Methoden für alle komplexen Optiken: Sie beschreiben die Lichtquelle und die gewünschte Zielverteilung, RayMapr berechnet das optische Bauteil, das sie erzeugt. Linse oder Spiegel, eine oder mehrere Freiformflächen. Die Zielvorgaben können diskrete oder kontinuierliche Dichten sein: von den strengsten Normen, mit Reserve erfüllt, bis hin zu vollständigen Bildern.
- Freiformlinse
- TIR-Linsen
- Hell-Dunkel-Grenze
- Künstlerische Beleuchtung
- Architektur und Baudenkmäler
- Abbildende Optik
Zwei Freiformflächen, gemeinsam berechnet
Mit einer Freiformfläche bestimmt man, wohin das Licht geht, muss aber die Fresnel-Verluste hinnehmen. Mit zweien optimiert man zusätzlich die Energieverteilung. Unsere Rechenkette optimiert mehrere Flächen global. Unten eine Linse, berechnet für eine Leuchte über einer T-förmigen Kreuzung von Lagergängen.
Fünf Flächen, alle als Freiform
Eine Linse mit interner Totalreflexion (TIR) sammelt das Licht einer LED auf zwei Wegen: Das Licht in der Mitte durchquert eine kleine Linse, das Licht am Rand wird durch Totalreflexion an der Flanke umgelenkt. Das ergibt fünf optische Flächen: Ein- und Austritt in der Mitte, den seitlichen Eintritt, die reflektierende Flanke und den Austrittsring.
Die üblichen Werkzeuge legen die meisten davon als Rotationsprofile mit wenigen Parametern fest und optimieren nur den Rest. RayMapr berechnet alle fünf Flächen als Freiformflächen, ohne vorgegebene Symmetrie, ausgehend vom gewünschten Lichtbündel: eine Scheibe, ein gleichmäßiges Quadrat, ein Streifen. Das Bauteil behält denselben Bauraum und bleibt entformbar.
Die Hell-Dunkel-Grenze steckt in der Fläche, nicht davor
Abblendlicht, Fahrradscheinwerfer, Zugscheinwerfer: Die Normen verlangen eine scharfe Hell-Dunkel-Grenze, viel Licht darunter, fast nichts darüber. Die übliche Lösung setzt eine Blende vor die Lichtquelle und verliert das gesamte Licht, das diese aufhält.
RayMapr formt die Hell-Dunkel-Grenze mit der Fläche selbst: Jeder Strahl der LED wird an seinen Platz unterhalb der Linie gelenkt. Keine Blende, also kein verlorenes Licht, und Reserve gegenüber der Norm statt einer Auslegung am Grenzwert. Die Zielvorgaben sind die der Vorschriften: UN R149 und FMVSS 108 für Kraftfahrzeuge, StVZO und ISO 6742-1 für Fahrräder, EN 15153-1 für Schienenfahrzeuge, EN 13201 für die Straßenbeleuchtung.
Das ganze Licht formt das Bild
Ein Gobo oder eine Schablone erzeugt ein Bild, indem Licht aufgehalten wird: Alles außerhalb der Zeichnung geht verloren. Eine berechnete Optik blockiert nichts: Sie verteilt das Licht so um, dass die gesamte Energie der Quelle das Bild formt, Helligkeitsverläufe eingeschlossen. Eine Linse projiziert ein Schriftzeichen; ein Spiegel malt im Sonnenlicht ein Porträt an eine Wand, ganz ohne Strom. Die Zeichnung ist die Eingabe, die Fläche das Ergebnis.
Ein Gebäude ins rechte Licht rücken
Wer ein Gebäude mit einem breiten Lichtbündel anstrahlt, beleuchtet auch den Himmel, die Nachbardächer und die Fenster der Anwohner. Eine für die Fassade berechnete Optik bringt das Licht auf den Stein und nirgendwohin sonst: weniger Leistung, kein Halo und eine Lichtzeichnung, die der Architektur folgt. Im Sonnenlicht kann ein Freiformspiegel sogar den Scheinwerfer ersetzen.
Und Ihre Abbildungsprobleme?
RayMapr kommt aus der nicht abbildenden Optik: Es wird kein Bild erzeugt, sondern Energie verteilt. Doch auf der anderen Seite der Grenze sind die Werkzeuge dieselben: Freiformflächen, massives Raytracing auf GPUs, globale Optimierung mehrerer Flächen zugleich, Ausgabe als NURBS. Außeraxiale Freiformoptiken für ein Head-up-Display oder ein Augmented-Reality-Headset, ein Objektiv mit Gradientenindex (GRIN), in dem sich die Strahlen im Material krümmen, eine Metaoberfläche, deren Phasenprofil berechnet werden muss, ein System, dessen Abbildungsfehler über das gesamte Bildfeld zu korrigieren sind: Die Fragen ändern sich, die Methoden lassen sich übertragen.
Wir würden sehr gern mehr über Ihre Aufgaben in der abbildenden Optik erfahren. Schreiben Sie uns: Wir tun alles, was wir können, um Sie bei der Entwicklung Ihrer abbildenden Optiken zu unterstützen.
RayMapr in Zahlen
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>70%
des LED-Lichts im Nutzlichtbündel, bei einer von RayMapr berechneten Optik mit Hell-Dunkel-Grenze.
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<30%
sind es oft bei Lösungen mit Blende, die einen Teil der Quelle abdecken, um die Hell-Dunkel-Grenze zu formen.
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>10 Jahre
Forschung zum optimalen Transport in der Optik, seit 2012.
Das Team
Zwei Mathematiker aus dem Gebiet des optimalen Transports und ein Ingenieur für Hochleistungsrechnen, die seit 2020 gemeinsam an Freiformoptiken arbeiten.
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Boris Thibert
Präsident
Boris Thibert ist Professor für angewandte Mathematik an der Université Grenoble Alpes am Laboratoire Jean Kuntzmann. Er ist Experte für angewandte Geometrie und optimalen Transport zur Auslegung von Optiken.
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Jean-Baptiste Keck
Geschäftsführer und technischer Leiter
Jean-Baptiste Keck ist Ingenieur und hat in angewandter Mathematik promoviert. Als Experte für verteiltes Rechnen auf GPUs und numerische Methoden ist er seit 2020 der Hauptentwickler der RayMapr-Software.
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Quentin Mérigot
Wissenschaftlicher Berater
Quentin Mérigot ist Professor für angewandte Mathematik an der Université Paris-Saclay am Institut de mathématique d’Orsay und an der École normale supérieure. Er ist Experte für optimalen Transport und numerische Methoden.
Die Forschung hinter RayMapr
RayMapr stützt sich auf veröffentlichte Arbeiten, entstanden am Laboratoire Jean Kuntzmann (Université Grenoble Alpes) und in Orsay (Université Paris-Saclay), Frankreich. Eine Auswahl:
- J. Meyron, Q. Mérigot, B. Thibert Light in power: a general and parameter-free algorithm for caustic design ACM Transactions on Graphics, 37(6)2018
- Q. Mérigot, B. Thibert Mirrors, lenses and Monge–Ampère equations European Mathematical Society Magazine, 1202021
- J. Kitagawa, Q. Mérigot, B. Thibert Convergence of a Newton algorithm for semi-discrete optimal transport Journal of the European Mathematical Society, 21(9)2019
- Q. Mérigot, J. Meyron, B. Thibert An algorithm for optimal transport between a simplex soup and a point cloud SIAM Journal on Imaging Sciences, 11(2)2018
- Q. Mérigot, B. Thibert Optimal transport: discretization and algorithms Handbook of Numerical Analysis, vol. 22, Elsevier2021
Sprechen wir über Ihre Optik
Eine Lichtquelle, eine photometrische Zielvorgabe, Vorgaben zum Bauraum? Beschreiben Sie uns Ihren Fall: Wir sagen Ihnen, was unser Know-how Ihnen bringen kann. RayMapr ist ein Unternehmen in Gründung in Grenoble, Frankreich; die Eintragung ins Handelsregister ist für Januar 2027 geplant.