Marion Lingenauer, Jörg Saathoff, Braunschweig, Hans Kragl, Erfurt

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1 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 neuerdings 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 LED- Generation 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. LASER+PHOTONIK 14 SEPTEMBER 2004

2 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 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 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 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» 15 LASER+PHOTONIK SEPTEMBER 2004

3 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 Tabelle 1. Technische Daten zur roten Leica/Die- Mount-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 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 Einkopplung der LED-Strahlung ist sehr effizient; für eine gewünschte Beleuchtungsstärke genügen also weniger LEDs als bei konventionellen Anordnungen. Die Reduktion 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. Exemplarisch 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 ( 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 I f festgehalten und später entsprechend für LASER+PHOTONIK 16 SEPTEMBER 2004

4 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 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 Faktor 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 LED- Moduls 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 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-»

5 KONTAKT Leica Projektion GmbH Zett Geräte, Braunschweig, Tel / , Fax / , DieMount GmbH, Erfurt, Tel / , Fax / , 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 optimal zu gestalten. Besonders in Kombination mit optischen Elementen aus Kunststoff führt dies zu viel konstruktiver Freiheit bei optischen Beleuchtungssystemen. Dipl.-Phys. Marion Lingenauer ist Vertriebsingenieurin bei Leica Projektion Zett Geräte in Braunschweig. Dipl.-Ing. Jörg Saathoff ist Leiter Vertrieb International/Neue Technologien bei Leica Projektion in Braunschweig. Dr.-Ing. Hans Kragl 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 LED- Strahlern 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. LASER+PHOTONIK 18 SEPTEMBER 2004