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Titel:Increasing the Brightness of Light Sources
Autor:Fu, Ling
Weitere Beteiligte: Ries, Harald (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2006
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2006/0800
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2006-08003
DOI: https://doi.org/10.17192/z2006.0800
DDC: Physik
Titel(trans.):Erhöhung der Strahldichte von Lichtquellen

Dokument

Schlagwörter:
Radiometry, Brightness, Radiometrie, Light recycling, Strahldichte, Light sources, Lichtquelle, Licht-Recycling

Summary:
In modern illumination systems, compact size and high brightness are important features. Light recycling allows an increase of the spectral radiance (brightness) emitted by a light source for the price of reducing the total radiant power. Light recycling means returning part of the emitted light to the source where part of it will escape absorption. As a result, the output brightness can be increased in a restricted phase space, compared with the intrinsic brightness of the source. In this work the principle of light recycling is applied to artificial light sources in order to achieve brightness enhancement. Firstly, the feasibilities of increasing the brightness of light sources via light recycling are examined theoretically, based on the fundamental laws of thermodynamics including Kirchhoff's law on radiation, Planck's law, Lambert-Beer's law, the étendue conservation and the brightness theorem. The theory of light recycling can be derived from first principles. From an experimental viewpoint, the radiation properties of three different kinds of light sources including short-arc lamps, incandescent lamps and LEDs characterized by their light-generating mechanisms are investigated. These three types of sources are used in light recycling experiments, for the purpose of 1. validating the intrinsic light recycling effect in light sources, e. g. the intrinsic light recycling effect in incandescent lamps stemming from the coiled filament structure. 2. acquiring the required parameters for establishing physical models, e.g. the emissivity/absorptivity of the short-arc lamps, the intrinsic reflectivity and the external quantum efficiency of LEDs. 3. laying the foundations for designing optics aimed at brightness enhancement according to the characteristics of the sources and applications. Based on the fundamental laws and experiments, two physical models for simulating the radiance distribution of light sources are established, one for thermal filament lamps, the other for luminescent sources, LEDs. Both are validated with high resolution measurements. The physical models are capable of analytically modelling the radiance distribution with few required parameters (geometry, material properties and operating conditions). They are widely applicable to any kind of sources with similar light-emitting mechanisms. Combining the advantages of conciseness, high accuracy and wide applicability, the physical models can be integrated into ray-tracing software. As validation of the theoretical and experimental investigation of the light recycling effect, an optical device, the Carambola, is designed for achieving deterministic (as opposed to stochastic) and multiple light recycling. The Carambola has the function of a concentrator. In order to achieve the maximum possible brightness enhancement with the Carambola, several combinations of sources and Carambolas are modelled in ray-tracing simulations. Sources with different light-emitting mechanisms and different radiation properties (optical thickness), and Carambolas with different geometries and optical properties are used. It is concluded that a high-pressure xenon lamp is suitable for light recycling with the Carambola due to its moderate optical thickness, its continuous spectrum and its geometrical features. In the ray-tracing simulation, the suitability of the XBO lamp and the Carambola optics for light recycling is confirmed. A prototype five-point reflective Carambola was manufactured from aluminium, for the purpose of experimentally demonstrating a brightness increase. The Carambola is tested with different sources. The experimental results are below the theoretical expectation, i.e. the measured brightness enhancement factor is lower than the designed factor and the modelled factor. The discrepancies are explained. A real Carambola must have a high reflectivity and an accurate shape, if a significant effect of light recycling is to be shown. The brightness enhancement by light recycling with the Carambola is expected to be improved greatly by enhancing the surface quality of the reflectors, using suitable sources with small optical thickness, compact size, (and in the case of LEDs) high intrinsic reflectivity and external quantum efficiency. The Carambola is expected to be utilized in applications such as high brightness displays. In conclusion, both theoretical investigation and experimental measurements on light recycling demonstrated a significant increase of the brightness of optically thin sources.

Zusammenfassung:
Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Erhöhung der spektralen Strahldichte von Lichtquellen mittels Licht-Recycling zu untersuchen und eine Abschätzung des Potentials dieser Methode zu erarbeiten. Dazu wurde ein physikalisches Modell der Lichterzeugung in thermischen und lumineszenten Quellen erstellt und an verschiedenen Typen von Lichtquellen sowie einem Prototyp der Carambola, einer von uns entwickelten und hier vorgestellten Optik für deterministisches Licht-Recycling verifiziert. Für moderne Beleuchtungssysteme sind kompakte Größe und hohe Helligkeit (Strahldichte) wichtige Eigenschaften. Licht-Recycling kann die Strahldichte des von einer Lichtquelle ausgesendeten Lichts um den Preis des Verringerns der insgesamt in den Phasenraum abgestrahlten Energie erhöhen. Licht-Recycling bedeutet die Reflexion eines Teils des ausgestrahlten Lichts zur Quelle. Ein Teil dieses reflektierten Lichts entgeht der Absorption in der Quelle und steht weiter zur Verfügung. Infolgedessen kann die Strahldichte eines verkleinerten Phasenraums im Vergleich zur Helligkeit der ursprünglichen Quelle erhöht werden. In dieser Arbeit wird diese Grundregel des Licht-Recycling auf verschiedene künstliche Lichtquellen angewendet, um eine Erhöhung der Helligkeit zu erreichen. Zumächst werden die Möglichkeiten zur Erhöhung der Helligkeit von Lichtquellen mittels Licht-Recycling theoretisch überprüft, auf der Grundlage der Gesetze der Thermodynamik, insbesondere des Kirchhoffschen Strahlungsgesetzes, des Planckschen Gesetzes, des Lambert-Beerschen Gesetzes, der Etendueerhaltung und des Helligkeitstheorems. Aus experimenteller Sicht werden die Strahlungseigenschaften der drei unterschiedlichen Lichtquellen Kurzbogenlampen, Glühlampen und Leuchtdioden (LEDs) im Hinblick auf ihre Eignung für das Licht-Recycling untersucht. Exemplare dieser Lichtquellen werden in Experimenten zum Licht-Recycling eingesetzt, um 1. Effekte intrinsischen Licht-Recyclings zu erkennen, beispielsweise das durch die Wicklung des Drahtes entstehende Licht-Recycling in Glühlampen. 2. die zur Erstellung von physikalischen Modellen benötigten Parameter, wie Emissivität und Absorptivität der Kurzbogenlampen oder die Reflektivität und den Quantenwirkungsgrad von LEDs zu messen. 3. die Grundlage für die Entwicklung von Optiken für das Licht-Recycling auf der Basis der gemessenen Parameter zu schaffen. Die Carambola ist eine von uns für deterministisches Licht-Recycling entwickelte Optik. Zwei physikalische Modelle zur Simulation der Strahlungsverteilung von Lichtquellen, eins für Glühlampen, das andere für lumineszente Quellen (LEDs) werden erstellt. Beide sind mit Messungen hoher Auflösung validiert. Die physikalischen Modelle sind in der Lage, die Strahlungsverteilung mit einigen erforderlichen Parametern (Geometrie, Materialeigenschaften und Betriebsbedingungen der Lichtquelle) analytisch zu modellieren. Sie sind auf andere Quellen mit ähnlichen Eigenschaften anwendbar. Die Vorteile der Prägnanz, der hohen Genauigkeit und der breiten Anwendbarkeit kombinierend, können die physikalischen Modelle in Strahlverfolgungssoftware integriert werden. Zur experimentellen Untersuchung des Effekts des Licht-Recycling ist eine optische Vorrichtung, die Carambola, mit deterministischem (im Gegensatz zu stochastischem) und mehrfachem Licht-Recycling bestimmt. Um die mögliche maximale Erhöhung der Strahldichte, die mit der Carambola erreichbar ist, zu simulieren, werden einige Kombinationen von Quellen und Carambola mit Strahlverfolgung modelliert. Dieses wird auf Quellen mit unterschiedlicher Emissivität und unterschiedlichen Strahlungseigenschaften (optische Dicke) und auf Carambola mit unterschiedlichen Geometrien und optischen Eigenschaften angewendet. Daraus kann man schließen, dass Xenon Hochdrucklampen aufgrund ihrer geringen optischen Dicke, ihrer gleichmässigen spektralen Absorptivität für das Licht-Recycling besonders geeignet sind. In der Strahlverfolgung wird diese Eignung der Xenonlampe und der für das Licht-Recycling bestätigt. Im Laufe dieser Arbeit wurde ein Prototyp einer fünf-rippigen reflektierenden Carambola aus Aluminium hergestellt. Die experimentellen Resultate mit der Carambola liegen unterhalb der theoretischen Erwartungen, die Diskrepanzen können erklärt werden. Eine Carambola muß ein hohes Reflexionsvermögen und eine genaue Form haben, wenn ein deutlicher Effekt des Licht-Recycling gezeigt werden soll. Die Carambola kann verbessert werden durch das Polieren und Versilbern der Reflektoren, durch Verwendung von Quellen kleiner optischer Dicke und kompakter Größe, hohem tatsächlichem Reflexionsvermögen und externem Quantenwirkungsgrad (LED). Theoretische Untersuchung und experimentelle Messungen des Licht-Recycling zeigen, daß dieser Effekt entweder eine tatsächliche Eigenschaft der Quelle ist, oder durch eine besonders entworfene Optik verursacht werden kann. Durch das Wiederverwerten des Lichtes kann die spektrale Strahldichte eines Phasenraums erhöht werden. Sowohl die theoretische Untersuchungen als auch die experimentellen Messungen des Licht-Recyclings demonstrierten eine signifikante Erhöhung der Strahldichte optisch dünner Quellen.


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