14LASER+PHOTONIK

Mit den in jüngster Zeit bei Leuchtdiodenerzielten Leistungssteigerungen lohntsich deren Verwendung auch für eineReihe von Anwendungen, die bis vor kur-zem nicht oder nur in begrenztem Maßesinnvoll waren. Hinzu kommen die be-kannten Vorteile der LEDs, wie lange Le-bensdauer, kleine Bauform und geringerStromverbrauch. Wurden LEDs bislanghauptsächlich für Anzeigezwecke zumBeispiel im Armaturenbrett von Kraft-fahrzeugen verwendet, dienen sie neuer-

dings immer häufiger auch als Lichtquellefür allgemeine Beleuchtungsaufgaben.Beispiele hierfür sind vielfältig: Von derTaschenlampe über Schreibtischleuchtenbis zur leistungsfähigen Beleuchtung fürInspektionssysteme wurden in letzterZeit neue Produkte auf LED-Basis vorge-stellt.

Ein aktuelles Beispiel für die neue LED-Generation ist ein Modul, welches sichausgezeichnet für verschiedenste Be-leuchtungsanwendungen eignet und das

ein besonderes Merkmal der LEDs nutzt,nämlich die geringe Größe des eigent-lichen Leuchtkörpers, also des LED-Chips.Durch die kleinen Abmaße der LED-Licht-quellen ergeben sich nicht nur gestalte-rische Freiheiten für Leuchtendesigner,die bei der Auslegung neuer Leuchtenbereits ausgenutzt werden. Die minima-len Abmessungen der eigentlich leuch-tenden Flächen bei LEDs bringen auchFreiheiten bei der Strahlführung opti-scher Systeme.

14LASER+PHOTONIK 14LASER+PHOTONIK SEPTEMBER 2004

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- miteinem Kunststoffreflektor kombiniert, erzielt dabei einen besonders engen Abstrahlwinkel bei hohem Wir-kungsgrad. Diese LED bietet sich damit für Spotbeleuchtungen, LED-Arrays und die Faserkopplung an.

Spot an!

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LED-Chip im Metallreflektor

Das als ein Beispiel vorgestellte LED–Mo-dul (Bild 1) besteht aus einem LED-Chip,der im Grund eines massiven Metallre-flektors befestigt ist. Auf dem Bild istdieser kupferfarbig dargestellt. Der Re-flektor ist konstruktiv so ausgeführt, dassdie Bonddrähte aus dem Reflektor pro-blemlos herausgeführt werden können.Dieses Prinzip hat die Firma DieMount,Erfurt, entwickelt; es wird mit direkt an-gekoppeltem Lichtleiter hauptsächlichfür die Datenübertragung genutzt. Ge-genüber bislang bekannten, einfachenBeleuchtungsanordnungen (LED im Kunst-stoffgehäuse eingespritzt) stellt diesesPrinzip bereits eine erhebliche Effizienz-steigerung bei der Einkopplung desLichts in Fasern dar.

Dieses Prinzip ermöglicht es, für allge-meine Beleuchtungszwecke statt der Fa-sereinkopplung ein anderes optischesBauteil über den Metallreflektor anzuord-nen. In diesem Fall sitzt über dem Metall-reflektor ein parabolischer Kunststoffre-flektor von Leica Projektion, der die wei-tere Lichtführung übernimmt. DerKunststoffreflektor ist etwa 10 mm langund in Bild 1 als blau-transparentes Teilzu erkennen.

Alle anderen Teile, wie das graue Ele-ment, dienen lediglich als Halter oderBasis und sind nur indirekt für den Auf-bau wichtig. Das Halteelement beein-flusst natürlich die mechanische Präzi-sion und damit gleichzeitig den Winkel-fehler des optischen Aufbaus. Unterhalb

des kupferfarbenen Reflektors ist dieelektrische Platine (grün dargestellt) miteinem der beiden elektrischen Anschluss-stifte zu erkennen. Die Grundfläche ent-spricht der Platinenfläche, misst 5 mm x5 mm und kann hervorragend genutztwerden, um eine Beleuchtungsmatrix indiesem Rastermaß aufzubauen.

Zwei Reflektoren für optimale Strahlführung

Mit dem parabolischen Reflektor wirdpraktisch die Kontur und damit dieStrahlführung des Metallreflektors fort-geführt. In diesem Abstand von der LEDsind die Abstrahlwinkel bereits so weiteingeengt, dass die Wandfläche desKunststoffreflektors total reflektierendist. Die Vorteile liegen auf der Hand: Zumeinen wird keine Beschichtung benötigt,und zum anderen ist die Geometrie desBauteils recht einfach, was wiederumeine kostengünstige Massenfertigung er-laubt. Es lag also nahe, den Reflektor ausKunststoff zu fertigen.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt,dass sich kunststoffoptische Bauteilehervorragend für den Beleuchtungsein-satz mit LED- Lichtquellen eignen, da die

Leistungsdichten nicht zu hoch sind unddas Licht in einem relativ engen Wellen-längenbereich von der LED abgegebenwird. Bei LEDs mit Wellenlängen im sicht-baren Bereich enthält das abgestrahlteLicht also keinen Infrarotanteil, der zurErhitzung eines nachfolgenden optischenKunststoffteils führen könnte.

Kunststoffoptische Bauteile weisengegenüber konventionellen, optischenElementen aus Glas einige Vorteile auf.So ist die Freiheit bei der Formgebungbesonders hoch, insbesondere für licht-leitende Elemente (zum Beispiel ge-krümmte lichtleitende Elemente mit Ab-schlusslinse). Einzige Bedingung: DasBauteil muss im Urformverfahren her-stellbar sein. Eine teure mechanische Be-arbeitung entfällt dann. Angeformte Hal-teelemente und optische Bauteile kön-nen zudem in einem Element vereinigtsein, so dass zusätzliche Bauteile zurHalterung entfallen.

Einfache, kostengünstige Massenherstellung

Bei der Herstellung von kunststoffopti-schen Bauelementen werden heutzutageGenauigkeiten erreicht, die für nor-

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LED-TECHNIK

Bild 1. Die neue LED ist nicht wie üblich in ein Kunststoffgehäuse eingespritzt, sondern im Grund eines Metallreflektors befestigt

Bild 2. Im Vergleich zur abgebildeten konventio-nellen LED ist der Abstrahlwinkel des neuen Typswesentlich enger

Bild 3. Die Messung der Winkelintensitätsverteilung zeigt den sehr engen Abstrahlwinkel

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LED-TECHNIK

male Anforderungen im Beleuchtungs-sektor völlig ausreichend sind. Es gibtalso keinen zwingenden Grund, LED-Be-leuchtung mit Glasoptik zu kombinieren,außer in speziellen Fällen, wenn eineungewöhnlich hohe Genauigkeit erforder-lich ist.

Der größte Vorteil des innerhalb derKooperation zwischen Leica Projektionund DieMount entwickelten LED-Spot-strahlers mit Parabolreflektor aus Kunst-stoff liegt jedoch darin, dass nahezu al-les eingekoppelte Licht in einem sehrschmalen Abstrahlwinkel von cirka ± 4°vom Modul abgestrahlt wird. Diese guteKollimation des Lichts ermöglicht eineechte Spotbeleuchtung, die auch übergroße Strecken noch zu kleinen Beleuch-tungsflächen führt. Bis zu einem gewis-sen Grad hängt der Abstrahlwinkel vonder Länge des Reflektors ab. Ein sehr gu-tes Kollimationsergebnis wird bereits miteiner Reflektorlänge von 10 mm erzielt.Kürzere Reflektoren würden zu einembreiteren Abstrahlwinkel führen.

Gegenüber einer herkömmlichen An-ordnung, bei der der LED-Chip in einemKunststoffgehäuse mit Abschlusslinsesitzt, wird deutlich mehr Licht in dieRichtung der optischen Achse des Sys-tems abgestrahlt (Bild 2).

Die in Bild 2 dargestellten Winkelver-hältnisse eines konventionellen LED-Sys-tems verdeutlichen sehr gut, dass dasLicht in unterschiedliche Richtungen ab-gestrahlt wird. Solche Winkelverhältnisse

sind in einem optischen Beleuchtungs-system nachfolgend schwer in den Griffzu bekommen und können in der Regelnur auf einen Arbeitsabstand optimiert

werden. Bei dem von Leica Projektionentwickelten Modul hingegen divergiertdas vom System abgestrahlte Licht nichtso stark, und der Öffnungswinkel ist ge-ring. Deshalb gestaltet sich ein nachfol-gendes optisches System oftmals einfa-cher.

Drei Hauptvorteile des Reflektormoduls

Damit weist das Reflektormodul haupt-sächlich drei Vorteile auf. Der schmaleAbstrahlwinkel bewirkt die Übertragungeines engen Lichtbündels über weiteStrecken, ermöglicht also Spotausleuch-tung auch in großer Entfernung. Das vonDieMount entwickelte Prinzip zur Ein-

kopplung der LED-Strahlung ist sehr effi-zient; für eine gewünschte Beleuchtungs-stärke genügen also weniger LEDs als beikonventionellen Anordnungen. Die Re-

duktion der Anzahl der LEDs senkt wiede-rum den Energieverbrauch und die ther-mische Belastung, was günstig ist für denAufbau einer LED-Beleuchtungsmatrixaus rasterfähigen Leica/DieMount-LEDs.

Die bereits erläuterten Vorteile desLED-Spotlights lassen sich durch photo-metrische Messergebnisse noch unter-mauern. Hierbei ist im Wesentlichen dieAbhängigkeit der Lichtstärke von der Vor-wärtsstromstärke von Interesse. Exemp-

larisch wurde auch an Einzelstücken derAbstrahlwinkel (Goniofotometermessung,Bild 3) sowie die dominante Wellenlängeund Peakwellenlänge (Bild 4) vermessen.Die dominante Wellenlänge ist ein Maßfür den farblichen Eindruck auf dasmenschliche Auge, die Peakwellenlängewird durch die maximale Intensität desSpektrums in Abhängigkeit von λ be-stimmt. Die Messung der Lichtstärke er-folgte mit einem Fotometer/Radiometermit LED-Messkonfiguration gemäß Vor-schrift CIE 127 beziehungsweise CIE 127-1997 (›Averaged LED Intensity‹ I LED B).

Bild 5 zeigt die Ergebnisse für die roteLeica/DieMount-Spotlight-LED. Zur Mes-sung wurden bei mehreren LEDs die Mess-werte für einen bestimmten Wert If fest-gehalten und später entsprechend für

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Bild 4. Messung der Peakwellenlänge, also der maximalen Abstrahlintensität, hier für eine rote LED

Bild 5. Lichtstärke der LEDs in Abhängigkeit von der Vorwärtsstromstärke

Tabelle 1. Technische Daten zur roten Leica/Die-Mount-LED: Herausragend ist besonders dergeringe Öffnungswinkel

diesen Typ gemittelt. Die rote LED er-reicht durchschnittlich einen beacht-lichen Wert von etwa 19,3 cd bei 20 mA.Der Öffnungswinkel erreicht lediglichrund ± 3° (Bild 3). Die Peakwellenlängeliegt bei 625 nm (Bild 4), die dominanteWellenlänge bei 615,9 nm. Die wichtigs-ten technischen Daten bzgl. der rotenLeica/DieMount-LED sind in Tabelle 1aufgeführt.

Darüber hinaus wurden die neuenblauen Leica/DieMount-LEDs sowie diegrünen und die neuen amberfarbigen

LEDs hinsichtlich ihrer fotometrischenKennwerte mit demselben Aufbau ver-messen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2zusammengefasst.

Auch andere Anbieter proklamiereneine hohe Lichtstärke bei relativ gerin-gem Energieverbrauch – insbesondere imVergleich zu konventionellen LEDs. Wirhaben den Test gemacht und ein auf demMarkt erhältliches Vergleichsprodukt beigleicher Vorwärtsspannung (20 mA) ver-messen. Das Diagramm (Bild 6) zeigt denÖffnungswinkel einer roten Vergleichs-

LED. Es ist ein deutlich höherer Abstrahl-winkel als bei einer Leica/DieMount-LEDerkennbar. Auch hinsichtlich der Licht-stärke bei gleichen Vorwärtsspannungenist ein deutlicher Unterschied ersichtlich(Bild 7) – dieser beträgt nahezu den Fak-

tor fünf. Dieses Ergebnis zeigt ganz klar,dass die Kombination aus Metallreflektorund Kunststoffreflektor eine besondersvorteilhafte Lichtführung darstellt, dadie Optimierung der Lichtstärke durchMaximierung der Effizienz erreicht wird.

Ausblick

Mit den dargestellten Vorteilen des LED-Moduls lassen sich eine Menge interes-santer Anwendungen erschließen, zumBeispiel in den Bereichen Automotive,

Medizintechnik, Sensorik und Signaltech-nik. In Bezug auf die gute Kollimationdes austretenden Lichtstrahls ist das Mo-dul beispielsweise zur Effektbeleuchtungals Spotlight nutzbar. In Kombinationmit einer so genannten Off-Axis-Mangin-spiegelanordnung ist dies besonders vor-teilhaft und bereits konzipiert worden.

Mit geringen Modifikationen am vorge-stellten Modul lässt sich auch sehr gutLicht in kleinere Faserbündel einkoppeln.Hierfür ist ebenfalls die gute Kollimationdes Lichts vorteilhaft. Durch geeignete

Mischung der Fasern aus mehreren Bün-deln mit unterschiedlichen LED-Wel-lenlängen lässt sich gut weißes Licht ineiniger Entfernung hinter dem Lichtlei-teraustritt erzeugen. Werden mehrereWellenlängen verwendet, beispiels-

Tabelle 2. Technische Daten von Leica/DieMount-LEDs mit verschiedenen Farben zusammengefasst

Bild 6. Eine andere auf dem Markt erhältliche rote Vergleichs-LED zeigt eine wesentlich breitere Winkel-intensitätsverteilung

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LED-TECHNIK

weise vier oder fünf, kann ein Spektrumbereitgestellt werden, das zu einer gutenFarbwiedergabe führt.

Fazit: Die Leistung der LED-Beleuch-tung lässt sich mit maßgeschneiderter,zusätzlicher Optik für viele Applikationenverbessern oder macht den Einsatz vonLEDs erst attraktiv. LED-Beleuchtungs-quellen können gut mit Kunststoffopti-ken kombiniert werden. Die geringe Grö-ße der LED-Lichtquellen und -Chips er-möglicht es, die optische Strahlführung

optimal zu gestalten. Besonders in Kom-bination mit optischen Elementen ausKunststoff führt dies zu viel konstruktiverFreiheit bei optischen Beleuchtungs-systemen.

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KONTAKTLeica 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

Der Braunschweiger Spezialist fürLicht- und Kunststofftechnik LeicaProjektion GmbH Zett Gerätekooperiert auf dem Gebiet der Ent-wicklung und Fertigung von LED-Strahlern und Beleuchtungssyste-men mit dem Hersteller elektro-optischer Komponenten DieMountGmbH. Leica Projektion übernimmtin dieser Kooperation die optischeSystementwicklung samt Optik-rechnung, die Fertigung und denVertrieb der lichttechnischenApplikation nach Kundenspezifika-tion.

Bild 7. Bei der verglichenen Leuchtdiode ist auch die Lichtstärke in Abhängigkeit vom Vorwärtsstromgeringer

Dipl.-Phys. Marion Lingenauer (lingenauer@leica-projektion.com) ist Vertriebsingenieurin bei Leica Pro-jektion Zett Geräte in Braunschweig. Dipl.-Ing. Jörg Saathoff (saathoff@leica-projektion.com) ist Leiter Vertrieb International/NeueTechnologien bei Leica Projektion in Braunschweig.Dr.-Ing. Hans Kragl (hans.kragl@diemount.com) istGeschäftsführer der DieMount GmbH in Erfurt.

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