Optische Komponenten Effizientes Optikdesign für LED-Produkte

Die LED als Lichtquelle steht an der Schwelle zur Massenanwendung in sehr verschiedenen Märkten. Dabei kommt dem Optikdesign bei der Entwicklung guter LED-Produkte eine Schlüsselrolle zu. Maßgeschneiderte Optiken erlauben die effiziente Realisierung anwendungsspezifischer Lichtverteilungen.

LED-Beleuchtungen wecken oft hohe Erwartungen. Es werden selbstverständlich ein geringer Energiebedarf bzw. eine hohe Effizienz sowie eine lange Lebensdauer und eine hohe Farbqualität erwartet. Als weitere Vorteile der LEDs gelten Dimmbarkeit, verzögerungsfreies Anschaltverhalten sowie ein kleiner Formfaktor, der eine große Designfreiheit ermöglicht.

Beim Blick auf den aktuellen Stand der Technik im Bereich LED-Leuchten setzt jedoch nicht selten eine gewisse Ernüchterung ein: Geringe Helligkeit, schlechte Farbqualität (Farbränder) sowie Blendung bzw. Streulicht werden den hohen Erwartungen nicht gerecht. Teilweise werden sehr viele LEDs eingesetzt, was zu einem relativ hohen Energieverbrauch führt. Insgesamt erscheint der hohe Preis der LED-Produkte dann häufig nicht gerechtfertigt. Sorgfältige Entwicklungsarbeit kann viele dieser Kinderkrankheiten vermeiden, wobei die Kombination der LEDs mit guter Optik unerlässlich ist. Daher stellt das Optikdesign eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklung von LED-Produkten dar.

Schlüsselrolle -Optikdesign

Zunächst stellt sich die Frage, was gut für die jeweilige konkrete Anwendung eigentlich bedeutet. Dabei zeigt sich, dass sowohl die technischen als auch die ökonomischen Anforderungen in den diversen Märkten sehr unterschiedlich sind. Deswegen sind universell einsetzbare Katalogoptiken für eine gute LED-Beleuchtung in der Regel nicht geeignet.

Zudem lohnt sich ein Blick auf die optische Effizienz: Viele andere Lichtquellen bieten mehr Lumen pro Watt, weswegen LED-Produkte meist nur bei energieeffizienter Auslegung konkurrenzfähig sind. Dabei kommt es nicht auf das insgesamt abgestrahlte Licht an, sondern nur auf dasjenige, welches den gewünschten Zielbereich erreicht. Hierfür ist die Effizienz der eingesetzten Optik entscheidend. Die Entwicklung effizienter Optiken ist für LEDs aufgrund ihrer geringen Größe wiederum einfacher als für andere Lichtquellen.

Aus diesen Gründen ist für die Entwicklung guter LED-Produkte ein individuelles Optikdesign erforderlich, um die optimale Funktion für die anwendungsspezifischen Anforderungen zu realisieren. Hierbei ist eine enge Zusammenarbeit mit dem Kunden, den Experten des Thermo-, Mechanik- und Elektronikdesigns sowie der Produktion notwendig, um die gewünschte hohe Qualität der gesamten Leuchte sicherzustellen. Toleranzrechnungen legen dabei den Rahmen für Fertigungs- und Montagegenauigkeiten fest und ermöglichen die Kostenkontrolle in der Fertigungsplanung.

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Effizientes Optikdesign für LED-Produkte

Effizientes Optikdesign für LED-Produkte

Maßgeschneiderte Freiformoptik

Die Verwendung maßgeschneiderter Freiformoptiken [1] in Kombination mit LEDs ermöglicht die Realisierung nahezu beliebiger Lichtverteilungen - auch ungewöhnlicher Verteilungen, die mit anderen Lichtquellen nicht realisierbar sind. So können einerseits mit einer LED und einem Freiformspiegel nahezu beliebige Flächen gleichmäßig ausleuchtet werden; zudem kann die Position der Leuchte relativ zur Zielfläche nahezu frei gewählt werden (Bild 1). Andererseits sind auch große Kontraste realisierbar. Bild 2 und Bild 3 zeigen beispielhaft das OEC-Logo bzw. das Bild Blaues Pferd von Franz Marc als Ziellichtverteilung.

Gleichzeitig kann mit maßgeschneiderten Freiformoptiken eine hohe Effizienz erreicht und damit das kostbare LED-Licht besser genutzt werden. So können 70 bis 80 % des LED-Lichtes ins Zielgebiet gebracht werden. Dadurch werden weniger LEDs benötigt, was zu einem geringeren Stromverbrauch und weniger thermischen Problemen führt. Überdies wird durch die hohe Effizienz störendes Streulicht weitestgehend vermieden.

Für das Design der Freiformflächen verwendet OEC eine mathematische Designmethode basierend auf Differenzialgleichungen, das sogenannte Maßschneidern [1]. Dies erlaubt die gezielte Berechnung von Freiformspiegeln oder -linsen mit genau definierter Lichtverteilung.

Das von OEC entwickelte Maßschneidern ist auch kommerziell als Software-Paket verfügbar [2]. Im Folgenden werden drei sehr unterschiedliche Anwendungsbeispiele vorgestellt.

LED-Taschenlampen

Helm-, Stirn- und Taschenlampen sind Endkundenprodukte, bei denen vor allem die Helligkeit im Vordergrund steht. Gleichzeitig spielt natürlich die Lichtverteilung eine große Rolle; je nach Einsatzzweck sollen Lichtbündelung und Abstrahlwinkel unterschiedlich ausbalanciert werden.

Diese Anforderungen werden von maßgeschneiderten TIR-Reflektorlinsen (TIR: total internal reflection) mit hoher Effizienz erfüllt. Bild 4 zeigt eine handliche Taschenlampe von Lupine [3], die mit zwei LEDs und den zugehörigen TIR-Linsen 750 Lumen erzeugt.