Optikentwicklung Medizinleuchten mit Multi-Color-LED

Beispiel einer Multi-Color-LED
Beispiel einer Multi-Color-LED

Anhand von Leuchten mit Multi-Color-LEDs, welche einen sehr hohen Farbwiedergabewert besitzen und zudem eine einstellbare Farbtemperatur ermöglichen, werden Optikkonzepte zur spektralen und geometrischen Farbmischung und Strahlformung aufgezeigt.

Durch den Einzug von LEDs in Medizinleuchten, aber auch in die Endprodukte der Allgemeinbeleuchtung ergibt sich für die Hersteller und Entwickler solcher Systeme mittlerweile ein weites Gebiet an neuen Möglichkeiten. Neben einem gezielt ausgeleuchteten Lichtfeld ist es insbesondere die Anforderung an die spektrale Lichtqualität, die sich hauptsächlich aus den Parametern Farbort, Farbtemperatur und Farbwiedergabewert ergibt, ein entscheidendes Kriterium. Dabei kommt einem hohen Farbwiedergabewert eine besondere Bedeutung zu. Anstelle der Beleuchtungseinrichtungen mit weißen LEDs mit hohem Farbwiedergabewert finden heute zunehmend Beleuchtungssysteme Verwendung, mit denen eine dynamische Farbtemperatur- bzw. Farb­orteinstellung möglich ist. Solche Leuchtensysteme können mit Multi-Color-LEDs aufgebaut werden. Aufgrund des Multi-Chip-Aufbaus ist die örtliche Mischung der verschiedenen Farben, welche von den unterschied­lichen Chips emittiert wird, ein wichtiger Faktor.

 

Spektralverteilung von Multi-Color-LEDs

Im Gegensatz zu weißen LEDs, die ein durch den LED-Produktionsprozess fest vorgegebenes Emissionsspektrum aufweisen, ergibt sich bei Multi-Color-LEDs die später erzielbare Spektralverteilung durch die Basis-Spektren der einzelnen Chips. Durch die Definition dieser Basisspektren, die später in einer Mischung das Gesamtspektrum bilden, müssen folgende Anforderungen erfüllt werden:

  • variable Farbtemperatur im gewünschten Bereich,
  • hohe Farbwiedergabewerte Ra und R9,
  • Farborte mit geringen Abständen zur Planck-Kurve,
  • ein ausreichender Lichtstrom, um die photometrischen Werte der Anwendung zu erfüllen.

Dabei müssen die Basisspektren so gewählt werden, dass die spätere Anforderung genügend gut erfüllt werden kann, jedoch die Komplexität des Systems nicht zu hoch wird.
Eine Multi-Color-LED integriert fünf verschiedene Basis-Chips, wobei jede Chip-Art zwischen zwei- und viermal eingesetzt ist. In Bild 1 sind die Basis-Spektren einer Vier-Chip-LED dargestellt, Bild 2 zeigt ein daraus gemischtes resultierendes Spektrum, das durch unterschiedliche Gewichtung mittels PWM oder Stromeinstellung der LED-Chips erzeugt wird. Durch die ­Mischung der einzelnen Spektren lassen sich derzeit mit einer solchen Vier-Chip-Technologie in etwa folgende Anforderung umsetzen:

  • dynamische Farbtemperatureinstellung CCT: 3.000 K bis 5.500 K
  • allgemeiner Farbwiedergabewert, Ra > 96
  • Rot-Farbwiedergabewert R9 > 97
  • Abstand zur sogenannten Planck-Kurve dC <  0,0003

 

Polychromatische Strahlendaten als Basis der Optikentwicklung

Für eine korrekte Simulation während des Optikentwicklungsprozesses sind entsprechende Modelle der verwendeten Komponenten notwendig. Werden im Optiksystem Multi-Color-LEDs eingesetzt, sind für die Entwicklung der Optik nicht nur die photometrische Charakteristik von Bedeutung, sondern auch die spektralen Eigenschaften der LEDs. Für die Entwicklung von Optiksystemen mit Multi-Color-LEDs sind darum polychromatische Strahlendaten notwendig. Diese Daten enthalten die ­Information, wie viel Licht pro Wellenlänge von welcher Position der LED in welche Richtung ausstrahlt. Sie beschreiben somit vollständig die geometrische und spektrale Charakteristik der Lichtquelle.
Zur Erfassung von polychromatischen Strahlendaten nutzt man eine polychromatische Strahldichtekamera mit bis zu zehn Bandpassfiltern, die über den kompletten Spektralbereich verteilt sind. Zusätzlich wird ein Spektroradiometer eingesetzt. Auf ­einem Nahfeldfotogoniometer werden die Detektoren, Spektroradiometer und Strahldichtekamera sowie die Lichtquelle montiert.
Bei der Vermessung der LED wird mittels des Goniometers die Strahldichtekamera sowie das Spektroradiometer um die Lichtquelle geführt. Mit der Strahldichtekamera werden mit jedem der zehn Bandpassfilter jeweils ca. 10.000 Strahldichteaufnahmen aus allen Blickrichtungen erfasst.
Aus den rund 10.000 Strahldichtebildern mit einem Bandpassfilter lässt sich jeweils ein Strahlendatensatz ableiten. Dieser Strahlendatensatz enthält die geometrische Charakteristik bei der gemessenen Wellenlänge. Alle Strahlendatensätze zusammen beschreiben die geometrische Charakteristik über den gemessenen Wellenlängenbereich.
Die Messdaten des Spektrometers liefern eine noch feiner aufgelöste spek­trale Fernfeldcharakteristik. Diese Daten können verwendet werden, um noch höher aufgelöste polychromatische Strahlendatensätze zu erzeugen.

 

 

Kalibrierung von Multi-Color-LEDs im Produktionsprozess

Aufgrund der Variation von LEDs in Bezug auf die spektrale Charakteristik – hier sind z.B. die dominante Wellenlänge oder auch der Farb­ort zu nennen – und auf den Lichtstrom ist im Produktionsprozess eine Kalibrierung von Leuchtensystemen mit Multi-Color-LEDs notwendig. Eine schnelle und dabei präzise Kalibrierung kann hier mit einem Spektrometer in Verbindung mit einem photometrischen Kameramesssystem durchgeführt werden. Das photometrische Kamerasystem erfasst Lichtmenge und Beleuchtungsstärke bzw. die Lichtstärke. Mit dem Spektrometer wird dann die spektrale Verteilung ermittelt.
Ein mögliches Kali­brierverfahren besteht darin, die einzelnen LED-Farbkanäle (Basisspektren) des Leuchtensystems zu vermessen. Auf Basis der Messergebnisse der Farbkanäle erfolgt über einen Algorithmus die Kalibrierung der Leuchte auf die vorgegebenen Zielwerte. Hierbei kommuniziert das Messsystem direkt mit der zu kalibrierenden Leuchte. Das Ziel der Kalibrierung besteht nun darin, für ­jeden LED-Farbkanal den exakten Stromwert für eine bestimmte Farbtemperatur- bzw. Dimm-Einstellung zu bestimmen.
In vielen modernen Leuchtenprodukten mit hohen Anforderungen an die Farbqualität und Farbstabilität werden oftmals Sensoren für die Farbmessung in die Leuchtenelektronik integriert. Während des Kalibrierprozesses der LED-Kanäle können auch die vorhandenen Sensoren für die Farbmessung kalibriert werden.

 

Optiksystem für Multi-Color-LEDs

Insbesondere wenn die Anwendung einen engen Abstrahlwinkel erfordert, z.B. stark gebündeltes Licht bei Operationsleuchten, muss die Lichtemission von Multi-Chip-LEDs aktiv durch das optische System gemischt werden. Dies ist auch dann erforderlich, wenn die Verteilung eine hohe Flankensteilheit aufweist, z.B. bei Leseleuchten in Flugzeugen. Bei solchen Systemen ist oft eine homogene Verteilung der Beleuchtungsstärke und der Farbe notwendig.
Eine Möglichkeit der örtlichen Farb­mischung ist der Einsatz von Kondensor­optiken. Die Kondensoroptik, bestehend aus einem bikonvexen Linsen-Array, wird in Verbindung mit einem Kollimator eingesetzt. Der Kollimator parallelisiert die Abstrahlung der LED-Lichtquelle. Durch das bikonvexe Linsen-Array der Kondensoroptik werden dann viele tausend Lichtquellen-Zwischenbilder auf der Austrittsfläche des Kondensors erzeugt. Neben der Farbmischung wird über den Beschnitt der einzelnen Linsenpaare des Array die Beleuchtungsstärkeverteilung – z.B. rund, elliptisch, quadratisch – erzeugt.

Bild 3 zeigt eine Kondensor-Optik mit einem Linsen-Array bestehend aus ca. 1000 bikonvexen Linsenpaaren. Die Anordnung der Linsenpaare ist dabei so ­gewählt, dass sich insgesamt eine runde Beleuchtungsstärkeverteilung mit homogenem Mittenbereich und steilen Flanken ergibt (Bild 4). Bild 5 schließlich zeigt die Farbhomogenität im Lichtfeld. Obwohl in der Anwendung eine Multi-Color-LED mit gesättigten Farben vorhanden ist, ergibt sich hier eine geringe Variation der Farbkoordinaten Dxy mit ca. ±0,004 über das Lichtfeld.
Neben der Verwendung von Kondensoroptiken ist der Einsatz von Lichtleitern eine weitere Möglichkeit, um eine geometrische Farbmischung zu erzeugen.