Raytracing in lichttechnologie

Presentatie over: "Raytracing in lichttechnologie"— 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<<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, 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 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

51 Stralingspatroon lamp met kap

52 Stralingspatronen lamp met en zonder armatuur

53 Illuminantie tafeloppervlak

54 Illuminantie tafeloppervlak

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 Illuminantiekaart tafeloppervlak met importance sampling

62 Illuminantiekaart met en zonder importance sampling