De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

Raytracing in lichttechnologie Guy Durinck Laboratorium voor Optische Metingen en Lichttechnologie Departement Industrieel Ingenieur KaHo Sint-Lievenhogeschool,

Verwante presentaties


Presentatie over: "Raytracing in lichttechnologie Guy Durinck Laboratorium voor Optische Metingen en Lichttechnologie Departement Industrieel Ingenieur KaHo Sint-Lievenhogeschool,"— Transcript van de presentatie:

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<

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: dE e (watt/m 2 ) •dA wordt nu een lichtbron •In een bepaalde richting straalt dA met radiantie dL e (watt/m 2 sr). •BSDF wordt gedefinieerd als: •Eenheid BSDF: sr -1

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

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

15 Definitie BSDF •De richting van Φ e,i is bepaald door θ i en Φ i •De richting van dΦ e,s is bepaald door θ s en Φ s •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

20

21

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

23 Oplossing

24

25

26 BRDF en BTDF in TracePro •BRDF en BTDF: zonder speculaire component. •Oppervlak:- speculaire reflectie: R spec - speculaire transmissie: T spec - BRDF reflectie: R TS (total scatter) - BTDF transmissie:T TS - 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

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

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, stralen, Lambertiaans patroon) •Basis straalt niet •Uiteinde: flux-bron (λ=546nm, stralingssterkte=70lm, stralen, 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 1m 2 op 1 meter afstand

45 Tafel op 1 meter afstand

46 Illuminantiekaart van het tafeloppervlak (1lux=1lm/m 2 )

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

51

52 Stralingspatronen lamp met en zonder armatuur

53 Illuminantie tafeloppervlak

54

55 Illuminantie met lamp zonder en met armatuur

56 Enkele opmerkingen •Het plaatsen van de kap vergroot de rekentijd met ongeveer een factor 40 (van ±35s tot ±25min) •De beeldkwaliteit van de illuminantiekaart is veel beter in de tweede situatie: veel meer stralen bereiken het tafeloppervlak (van ±54000 stralen naar ±455000stralen) •Om de beeldkwaliteit te verbeteren in de eerste situatie moeten meer stralen het tafeloppervlak bereiken

57 Probleem •Gevraagd: meer stralen op het tafeloppervlak •Meer stralen laten vertrekken vanop het lampoppervlak is verspilling (batwing stralingspatroon); onrealistisch lange rekentijden, problemen met beschikbaar computergeheugen,…

58 Importance sampling •Elk deel van het lampoppervlak straalt volgens een hetzelfde gegeven stralingspatroon •Raytracing: de waarschijnlijkheid dat een straal een bepaalde richting uitgaat is bepaald door dit gegeven patroon •Raytracing met importance sampling: - een straal vanop het lampoppervlak vertrekt in een willekeurige richting - een extra aantal stralen vertrekt in de richting van een op voorhand gekozen doelwit

59 Importance sampling •Extra stralen: - energiestroom is gewogen met het oppervlakstralingspatroon - steeds voldaan aan behoud van energie: - soms zeer kleine energiestroom per straal: verlaag de energiedrempel waaronder een straal verwaarloosd wordt

60 Illuminantiekaart tafeloppervlak met importance sampling

61

62 Illuminantiekaart met en zonder importance sampling


Download ppt "Raytracing in lichttechnologie Guy Durinck Laboratorium voor Optische Metingen en Lichttechnologie Departement Industrieel Ingenieur KaHo Sint-Lievenhogeschool,"

Verwante presentaties


Ads door Google