Increasing the Brightness of Light Sources

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.