Innovatives Nahfeld-Goniometer

Tove Simpfendörfer, Diplom-Journalist, Pressesprecher einer Hochschule für Technik und Schriftsteller.

Endlich finden Optik-Entwickler auch die punktgenaue Antwort auf die Frage, wie ein etwaiger Fehler beseitigt werden kann.

Die opsira GmbH ist ein Ingenieurdienstleister für optische Systemtechnik, der in der Nähe des Bodensees zu Hause ist. Als Partner von großen Zulieferern entwickelt das Unternehmen optische Systeme, die mit Hilfe moderner Simulationstools vom Konzept bis zur Serienreife betreut werden. Beispiele sind Operationsleuchten, Scheinwerfer, Ampeln, Bahnsignalgeber, Digitalbeleuchtung. Die Entwicklungsarbeit basiert stark auf Messungen im hauseigenen Lichtmesslabor. Damit sind wir beim zweiten Standbein, den Dienstleistungsmessungen, die das Angebot der opsira GmbH abrunden.

Die Optische Industrie steckt heutzutage in einem Dilemma: Die Entwicklungszeiten werden immer kürzer, die Anforderungen an die Produkte steigen (Miniaturisierung ist ein aktuelles Schlagwort), die Kosten für Werkzeuge und insbesondere für Prototypen sind hoch. Der Dienstleister und Entwicklungspartner opsira hilft nun, einen Ausweg aus dieser Zwangslage zu finden. „Die Simulation optischer Systeme“, sagt Jürgen Weißhaar, „ist unser besonderes Know how und mehr und mehr unerlässlich für die Entwicklung innovativer, konkurrenzfähiger und qualitativ hochwertiger Produkte.“

Ausgangspunkt eines optischen Systems ist – logischerweise – die Lichtquelle. Ohne genaue Kenntnis ihrer Eigenschaften wie Leuchtdichte, räumliche Abstrahlung oder Emissionsspektrum ist keine sinnvolle Simulation des Gesamtsystems möglich. Auf dem Nahfeldfoto-Goniometer (Source Imaging Goniometer) werden nun LEDs, Halogenlichtquellen oder auch Gasentladungsstrahler vermessen.

Eine Urform des Goniometers (auf deutsch: Winkelmesser) geht übrigens auf die 30er Jahre des vergangenen Jahrhunderts zurück. Beim Goniometer made by opsira hat jedoch High-Tech Einzug gehalten. Mit Hilfe einer hochmodernen Kamera werden mehrere tausend einzelne Leuchtdichte-, also Helligkeitsmessungen, aus verschiedenen Betrachtungsrichtungen aufgenommen.

„So wie wir die Leuchtdichte mit unserem Nahfeldfoto-Goniometer messen, macht es derzeit keiner“, erklärt opsira-Geschäftsführer Weißhaar durchaus mit einem Anflug von Stolz. Während die Lichtquelle um die senkrechte Achse gedreht wird, schwenkt der Rahmen mit der Kamera horizontal wie eine sich überschlagende Schiffschaukel über die Lichtquelle. Der Vorteil gegenüber der gängigen Dreifachaufhängung, bei der drei Rahmen ineinander greifen, ist ein Zuwachs an Stabilität des Messgeräts, was insbesondere bei kleinen Lichtquellen wie LEDs von Vorteil ist. Das Ergebnis einer Lichtquellenmessung sind viele Millionen von Strahlen, die mit einem speziell hierfür entwickelter Algorithmus ausgewertet werden.

Auch die Messung der spektralen Emissionseigenschaften der Lichtquelle ist für die meisten Entwicklungen nötig und daher selbstverständlich. Volker Schumacher, neben Jürgen Weißhaar Geschäftsführer der opsira GmbH nennt zwei Beispiele: „Die Emissionseigenschaften müssen gemessen werden, um zu garantieren, dass etwa bei einer Ampel das richtige Rot herauskommt.“ Aber auch bei einer Operationsleuchte sei ein ganz bestimmtes Weiß das Ziel. Erreichen könne man das nur, wenn man die Farbigkeit des Lichts im Spektrum zwischen 380 und 780 Nanometern berücksichtige und dafür sorge, dass die richtigen Anteile der Farbe darin enthalten seien.

Neben den Eigenschaften der Lichtquelle haben die Streueigenschaften der verwendeten Materialien einen entscheidenden Einfluss auf das optische Verhalten des Systems. Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel wie bei einem idealen Spiegel tritt in der Realität ja nie auf. Um die Streueigenschaften zu ermitteln, werden Materialproben auf dem Streulicht-Goniometer mit Licht bestrahlt und die Messdaten anschließend mit Hilfe einer Spezialsoftware ausgewertet. Aus einem Wust an Daten gewinnen die Ingenieure auf diese Weise vier, manchmal auch fünf wichtige Parameter, die das Materialstreuverhalten ganz genau beschreiben.

Die perfekte Simulation eines Aluminiumreflektors wie er beispielsweise in einem Kfz-Scheinwerfer, einer Operationsleuchte oder einer Bestrahlungseinheit eingesetzt wird, ist nur mit der Kenntnis der Streueigenschaften wie auch der Lichtquellendaten möglich. In der Produktion ergeben sich so sehr realitätsnahe Ergebnisse. „Unsere Rechnersimulation ist einem Prototypen gleichwertig, aber viel günstiger„, erklärt Volker Schumacher. „Damit steigern wir die Produktivität des Entwicklungsprozesses, verringern die Anzahl teurer Prototypen und verkürzen die Entwicklungszeiten.“ Ein weiteres Plus: Die Strahlendaten können in allen gängigen Optiksimulationsprogrammen verwendet werden.

Worin liegt die Innovationskraft des jungen süddeutschen Unternehmens begründet? An der Region Bodensee-Oberschwaben, die sogar im baden-württembergischen Landesdurchschnitt überdurchschnittlich viele Erfinder aufweist? An der Nähe zum Institut für Angewandte Forschung der Fachhochschule Ravensburg-Weingarten? Die opsira GmbH hat ihren Sitz neben anderen innovativen Unternehmen auf einem Forschungs- und Unternehmenscampus, der direkt an den Hochschulcampus angrenzt.

Eine entscheidende Rolle spielen mit Sicherheit auch Kreativität und Kompetenz der opsira-Ingenieure, die im Durchschnitt 30 Jahre alt sind. Zurück zum Goniometer made by opsira. das Gerät kann nicht nur die Lichtquelle, sondern auch das spätere Komplettsystem messen. Dies ist unumgänglich, schließlich muss etwa ein Autoscheinwerfer geprüft werden, bevor er auf die Straße kommt. „Bei der alten Messung im Fernfeld“, blickt Volker Schumacher auf die Geschichte der Optik zurück, „brauche ich einen 25-Meter Kanal.“ Der zweite Nachteil: Die Leuchtdichte wurde mit Hilfe eines Spotmessgeräts lediglich punktuell gemessen. Und dann wisse man zwar, dass an irgendeiner Stelle etwas nicht stimme, aber nicht, woher der Fehler kommt.

Um diesem Mangel abzuhelfen, hat opsira das Kamerasystem luca auf den Markt gebracht, dessen Weiterentwicklung namens luca gonio bei den beiden Goniometern zum Einsatz kommt. Mit dieser Kamera können die Ingenieure schnell und komfortabel so genannte ortsaufgelöste Messungen durchführen. Dadurch erhalten sie einen Überblick über die gesamte Messszene, die dann wieder mit Hilfe einer Software ausgewertet wird. Die Ingenieure können dann beim hier schon vielfach erwähnten Autoscheinwerfer zurückverfolgen, dass links oben zu viel Licht abstrahlt, durch das der Gegenverkehr geblendet wird. Die Optik-Simulationssoftware beantwortet nun in einem nächsten Schritt schnell und komfortabel die Frage, von wo diese unerwünschten Strahlen stammen. Daraus ergeben sich wichtige Hilfestellungen für den Entwickler, „der nun“, so Jürgen Weißhaar, „endlich weiß, dass er an der und der Kante etwas ändern muss, um das perfekte Produkt zu kreieren.“

QE 526