Spot an! - DieMount GmbH

Spot an!
Hocheffizientes LED-Modul mit Kunststoffoptik
Marion Lingenauer, Jörg Saathoff, Braunschweig, Hans Kragl, Erfurt
Neuere Bauformen machen LEDs interessant für die Beleuchtung. Eine Ausführung, die einen Metall- mit
einem Kunststoffreflektor kombiniert, erzielt dabei einen besonders engen Abstrahlwinkel bei hohem Wirkungsgrad. Diese LED bietet sich damit für Spotbeleuchtungen, LED-Arrays und die Faserkopplung an.
Mit den in jüngster Zeit bei Leuchtdioden
erzielten Leistungssteigerungen lohnt
sich deren Verwendung auch für eine
Reihe von Anwendungen, die bis vor kurzem nicht oder nur in begrenztem Maße
sinnvoll waren. Hinzu kommen die bekannten Vorteile der LEDs, wie lange Lebensdauer, kleine Bauform und geringer
Stromverbrauch. Wurden LEDs bislang
hauptsächlich für Anzeigezwecke zum
Beispiel im Armaturenbrett von Kraftfahrzeugen verwendet, dienen sie neuer-
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dings immer häufiger auch als Lichtquelle
für allgemeine Beleuchtungsaufgaben.
Beispiele hierfür sind vielfältig: Von der
Taschenlampe über Schreibtischleuchten
bis zur leistungsfähigen Beleuchtung für
Inspektionssysteme wurden in letzter
Zeit neue Produkte auf LED-Basis vorgestellt.
Ein aktuelles Beispiel für die neue LEDGeneration ist ein Modul, welches sich
ausgezeichnet für verschiedenste Beleuchtungsanwendungen eignet und das
ein besonderes Merkmal der LEDs nutzt,
nämlich die geringe Größe des eigentlichen Leuchtkörpers, also des LED-Chips.
Durch die kleinen Abmaße der LED-Lichtquellen ergeben sich nicht nur gestalterische Freiheiten für Leuchtendesigner,
die bei der Auslegung neuer Leuchten
bereits ausgenutzt werden. Die minimalen Abmessungen der eigentlich leuchtenden Flächen bei LEDs bringen auch
Freiheiten bei der Strahlführung optischer Systeme.
LED-TECHNIK
LED-Chip im Metallreflektor
Das als ein Beispiel vorgestellte LED–Modul (Bild 1) besteht aus einem LED-Chip,
der im Grund eines massiven Metallreflektors befestigt ist. Auf dem Bild ist
dieser kupferfarbig dargestellt. Der Reflektor ist konstruktiv so ausgeführt, dass
die Bonddrähte aus dem Reflektor problemlos herausgeführt werden können.
Dieses Prinzip hat die Firma DieMount,
Erfurt, entwickelt; es wird mit direkt angekoppeltem Lichtleiter hauptsächlich
für die Datenübertragung genutzt. Gegenüber bislang bekannten, einfachen
Beleuchtungsanordnungen (LED im Kunststoffgehäuse eingespritzt) stellt dieses
Prinzip bereits eine erhebliche Effizienzsteigerung bei der Einkopplung des
Lichts in Fasern dar.
Bild 1. Die neue LED ist nicht wie üblich in ein Kunststoffgehäuse eingespritzt,
sondern im Grund eines Metallreflektors befestigt
des kupferfarbenen Reflektors ist die
elektrische Platine (grün dargestellt) mit
einem der beiden elektrischen Anschlussstifte zu erkennen. Die Grundfläche entspricht der Platinenfläche, misst 5 mm x
5 mm und kann hervorragend genutzt
werden, um eine Beleuchtungsmatrix in
diesem Rastermaß aufzubauen.
Zwei Reflektoren für
optimale Strahlführung
Bild 2. Im Vergleich zur abgebildeten konventionellen LED ist der Abstrahlwinkel des neuen Typs
wesentlich enger
Dieses Prinzip ermöglicht es, für allgemeine Beleuchtungszwecke statt der Fasereinkopplung ein anderes optisches
Bauteil über den Metallreflektor anzuordnen. In diesem Fall sitzt über dem Metallreflektor ein parabolischer Kunststoffreflektor von Leica Projektion, der die weitere Lichtführung übernimmt. Der
Kunststoffreflektor ist etwa 10 mm lang
und in Bild 1 als blau-transparentes Teil
zu erkennen.
Alle anderen Teile, wie das graue Element, dienen lediglich als Halter oder
Basis und sind nur indirekt für den Aufbau wichtig. Das Halteelement beeinflusst natürlich die mechanische Präzision und damit gleichzeitig den Winkelfehler des optischen Aufbaus. Unterhalb
Mit dem parabolischen Reflektor wird
praktisch die Kontur und damit die
Strahlführung des Metallreflektors fortgeführt. In diesem Abstand von der LED
sind die Abstrahlwinkel bereits so weit
eingeengt, dass die Wandfläche des
Kunststoffreflektors total reflektierend
ist. Die Vorteile liegen auf der Hand: Zum
einen wird keine Beschichtung benötigt,
und zum anderen ist die Geometrie des
Bauteils recht einfach, was wiederum
eine kostengünstige Massenfertigung erlaubt. Es lag also nahe, den Reflektor aus
Kunststoff zu fertigen.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt,
dass sich kunststoffoptische Bauteile
hervorragend für den Beleuchtungseinsatz mit LED- Lichtquellen eignen, da die
Leistungsdichten nicht zu hoch sind und
das Licht in einem relativ engen Wellenlängenbereich von der LED abgegeben
wird. Bei LEDs mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich enthält das abgestrahlte
Licht also keinen Infrarotanteil, der zur
Erhitzung eines nachfolgenden optischen
Kunststoffteils führen könnte.
Kunststoffoptische Bauteile weisen
gegenüber konventionellen, optischen
Elementen aus Glas einige Vorteile auf.
So ist die Freiheit bei der Formgebung
besonders hoch, insbesondere für lichtleitende Elemente (zum Beispiel gekrümmte lichtleitende Elemente mit Abschlusslinse). Einzige Bedingung: Das
Bauteil muss im Urformverfahren herstellbar sein. Eine teure mechanische Bearbeitung entfällt dann. Angeformte Halteelemente und optische Bauteile können zudem in einem Element vereinigt
sein, so dass zusätzliche Bauteile zur
Halterung entfallen.
Einfache, kostengünstige
Massenherstellung
Bei der Herstellung von kunststoffoptischen Bauelementen werden heutzutage
Genauigkeiten erreicht, die für nor- »
Bild 3. Die Messung der Winkelintensitätsverteilung zeigt den sehr engen Abstrahlwinkel
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LED-TECHNIK
male Anforderungen im Beleuchtungssektor völlig ausreichend sind. Es gibt
also keinen zwingenden Grund, LED-Beleuchtung mit Glasoptik zu kombinieren,
außer in speziellen Fällen, wenn eine
ungewöhnlich hohe Genauigkeit erforderlich ist.
Der größte Vorteil des innerhalb der
Kooperation zwischen Leica Projektion
und DieMount entwickelten LED-Spotstrahlers mit Parabolreflektor aus Kunststoff liegt jedoch darin, dass nahezu alles eingekoppelte Licht in einem sehr
schmalen Abstrahlwinkel von cirka ± 4°
vom Modul abgestrahlt wird. Diese gute
Kollimation des Lichts ermöglicht eine
echte Spotbeleuchtung, die auch über
große Strecken noch zu kleinen Beleuchtungsflächen führt. Bis zu einem gewissen Grad hängt der Abstrahlwinkel von
der Länge des Reflektors ab. Ein sehr gutes Kollimationsergebnis wird bereits mit
einer Reflektorlänge von 10 mm erzielt.
Kürzere Reflektoren würden zu einem
breiteren Abstrahlwinkel führen.
Gegenüber einer herkömmlichen Anordnung, bei der der LED-Chip in einem
Kunststoffgehäuse mit Abschlusslinse
sitzt, wird deutlich mehr Licht in die
Richtung der optischen Achse des Systems abgestrahlt (Bild 2).
Die in Bild 2 dargestellten Winkelverhältnisse eines konventionellen LED-Systems verdeutlichen sehr gut, dass das
Licht in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt wird. Solche Winkelverhältnisse
Bild 4. Messung der Peakwellenlänge, also der maximalen Abstrahlintensität, hier für eine rote LED
werden. Bei dem von Leica Projektion
entwickelten Modul hingegen divergiert
das vom System abgestrahlte Licht nicht
so stark, und der Öffnungswinkel ist gering. Deshalb gestaltet sich ein nachfolgendes optisches System oftmals einfacher.
Drei Hauptvorteile
des Reflektormoduls
duktion der Anzahl der LEDs senkt wiederum den Energieverbrauch und die thermische Belastung, was günstig ist für den
Aufbau einer LED-Beleuchtungsmatrix
aus rasterfähigen Leica/DieMount-LEDs.
Die bereits erläuterten Vorteile des
LED-Spotlights lassen sich durch photometrische Messergebnisse noch untermauern. Hierbei ist im Wesentlichen die
Abhängigkeit der Lichtstärke von der Vorwärtsstromstärke von Interesse. Exemp-
Damit weist das Reflektormodul hauptsächlich drei Vorteile auf. Der schmale
Abstrahlwinkel bewirkt die Übertragung
eines engen Lichtbündels über weite
Strecken, ermöglicht also Spotausleuchtung auch in großer Entfernung. Das von
DieMount entwickelte Prinzip zur EinTabelle 1. Technische Daten zur roten Leica/DieMount-LED: Herausragend ist besonders der
geringe Öffnungswinkel
Bild 5. Lichtstärke der LEDs in Abhängigkeit von der Vorwärtsstromstärke
sind in einem optischen Beleuchtungssystem nachfolgend schwer in den Griff
zu bekommen und können in der Regel
nur auf einen Arbeitsabstand optimiert
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kopplung der LED-Strahlung ist sehr effizient; für eine gewünschte Beleuchtungsstärke genügen also weniger LEDs als bei
konventionellen Anordnungen. Die Re-
larisch wurde auch an Einzelstücken der
Abstrahlwinkel (Goniofotometermessung,
Bild 3) sowie die dominante Wellenlänge
und Peakwellenlänge (Bild 4) vermessen.
Die dominante Wellenlänge ist ein Maß
für den farblichen Eindruck auf das
menschliche Auge, die Peakwellenlänge
wird durch die maximale Intensität des
Spektrums in Abhängigkeit von λ bestimmt. Die Messung der Lichtstärke erfolgte mit einem Fotometer/Radiometer
mit LED-Messkonfiguration gemäß Vorschrift CIE 127 beziehungsweise CIE 1271997 (›Averaged LED Intensity‹ I LED B).
Bild 5 zeigt die Ergebnisse für die rote
Leica/DieMount-Spotlight-LED. Zur Messung wurden bei mehreren LEDs die Messwerte für einen bestimmten Wert If festgehalten und später entsprechend für
diesen Typ gemittelt. Die rote LED erreicht durchschnittlich einen beachtlichen Wert von etwa 19,3 cd bei 20 mA.
Der Öffnungswinkel erreicht lediglich
rund ± 3° (Bild 3). Die Peakwellenlänge
liegt bei 625 nm (Bild 4), die dominante
Wellenlänge bei 615,9 nm. Die wichtigsten technischen Daten bzgl. der roten
Leica/DieMount-LED sind in Tabelle 1
aufgeführt.
Darüber hinaus wurden die neuen
blauen Leica/DieMount-LEDs sowie die
grünen und die neuen amberfarbigen
tor fünf. Dieses Ergebnis zeigt ganz klar,
dass die Kombination aus Metallreflektor
und Kunststoffreflektor eine besonders
vorteilhafte Lichtführung darstellt, da
die Optimierung der Lichtstärke durch
Maximierung der Effizienz erreicht wird.
Ausblick
Mit den dargestellten Vorteilen des LEDModuls lassen sich eine Menge interessanter Anwendungen erschließen, zum
Beispiel in den Bereichen Automotive,
Bild 6. Eine andere auf dem Markt erhältliche rote Vergleichs-LED zeigt eine wesentlich breitere Winkelintensitätsverteilung
LEDs hinsichtlich ihrer fotometrischen
Kennwerte mit demselben Aufbau vermessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2
zusammengefasst.
Auch andere Anbieter proklamieren
eine hohe Lichtstärke bei relativ geringem Energieverbrauch – insbesondere im
Vergleich zu konventionellen LEDs. Wir
haben den Test gemacht und ein auf dem
Markt erhältliches Vergleichsprodukt bei
gleicher Vorwärtsspannung (20 mA) vermessen. Das Diagramm (Bild 6) zeigt den
Öffnungswinkel einer roten Vergleichs-
Medizintechnik, Sensorik und Signaltechnik. In Bezug auf die gute Kollimation
des austretenden Lichtstrahls ist das Modul beispielsweise zur Effektbeleuchtung
als Spotlight nutzbar. In Kombination
mit einer so genannten Off-Axis-Manginspiegelanordnung ist dies besonders vorteilhaft und bereits konzipiert worden.
Mit geringen Modifikationen am vorgestellten Modul lässt sich auch sehr gut
Licht in kleinere Faserbündel einkoppeln.
Hierfür ist ebenfalls die gute Kollimation
des Lichts vorteilhaft. Durch geeignete
Tabelle 2. Technische Daten von Leica/DieMount-LEDs mit verschiedenen Farben zusammengefasst
LED. Es ist ein deutlich höherer Abstrahlwinkel als bei einer Leica/DieMount-LED
erkennbar. Auch hinsichtlich der Lichtstärke bei gleichen Vorwärtsspannungen
ist ein deutlicher Unterschied ersichtlich
(Bild 7) – dieser beträgt nahezu den Fak-
Mischung der Fasern aus mehreren Bündeln mit unterschiedlichen LED-Wellenlängen lässt sich gut weißes Licht in
einiger Entfernung hinter dem Lichtleiteraustritt erzeugen. Werden mehrere
Wellenlängen verwendet, beispiels- »
LED-TECHNIK
KONTAKT
Leica Projektion GmbH Zett Geräte,
38116 Braunschweig,
Tel. 05 31 /5 90 04 -42,
Fax 05 31 /5 90 04 -29,
www.leica-projektion.com
DieMount GmbH,
99099 Erfurt,
Tel. 03 61 /6 53 92 80,
Fax 03 61 /6 53 92 89,
www.diemount.com
Bild 7. Bei der verglichenen Leuchtdiode ist auch die Lichtstärke in Abhängigkeit vom Vorwärtsstrom
geringer
weise vier oder fünf, kann ein Spektrum
bereitgestellt werden, das zu einer guten
Farbwiedergabe führt.
Fazit: Die Leistung der LED-Beleuchtung lässt sich mit maßgeschneiderter,
zusätzlicher Optik für viele Applikationen
verbessern oder macht den Einsatz von
LEDs erst attraktiv. LED-Beleuchtungsquellen können gut mit Kunststoffoptiken kombiniert werden. Die geringe Größe der LED-Lichtquellen und -Chips ermöglicht es, die optische Strahlführung
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optimal zu gestalten. Besonders in Kombination mit optischen Elementen aus
Kunststoff führt dies zu viel konstruktiver
Freiheit bei optischen Beleuchtungs«
systemen.
Dipl.-Phys. Marion Lingenauer ([email protected]) ist Vertriebsingenieurin bei Leica Projektion Zett Geräte in Braunschweig.
Dipl.-Ing. Jörg Saathoff ([email protected]) ist Leiter Vertrieb International/Neue
Technologien bei Leica Projektion in Braunschweig.
Dr.-Ing. Hans Kragl ([email protected]) ist
Geschäftsführer der DieMount GmbH in Erfurt.
Der Braunschweiger Spezialist für
Licht- und Kunststofftechnik Leica
Projektion GmbH Zett Geräte
kooperiert auf dem Gebiet der Entwicklung und Fertigung von LEDStrahlern und Beleuchtungssystemen mit dem Hersteller elektrooptischer Komponenten DieMount
GmbH. Leica Projektion übernimmt
in dieser Kooperation die optische
Systementwicklung samt Optikrechnung, die Fertigung und den
Vertrieb der lichttechnischen
Applikation nach Kundenspezifikation.