Farborte gezielt ansteuern und stabil halten RGB-LEDs ohne Farbsensor regeln

Ansteuerung des Farbortes und Stabilität prüfen

m Rahmen der Entwicklung wurden die RGB-LED-Module bei Mentor neben ESD- und EMV-Tests auch umfangreichen lichttechnischen Tests unterzogen. Ziel der lichttechnischen Messungen war es, die korrekte Berechnung der PWM der einzelnen RGB-Chips zum Erreichen eines eingestellten Zielfarbortes zu überprüfen. Besonderes Augenmerk liegt hier auf der Kompensation der unterschiedlichen Binnings sowie der Temperatureinflüsse. Mittels Ulbrichtkugel und Spektroradiometer wird der Lichtstrom der LED dazu spektral aufgelöst gemessen. Zur Simulation verschiedener Umgebungstemperaturen ist die Platine des RGB-LED-Moduls thermisch leitend mit einem Peltier-Modul verbunden. Jeder Prüfling wird bei Temperaturen in einem Bereich von 0 °C bis 100 °C mit verschiedenen Farborten und Dimmstufen angesteuert und bezüglich Vorwärtsspannung, PWM, Lichtstrom und Farbabweichung bewertet. Die Farbabweichung wird als Differenz der beiden Ist-Koordinaten (x, y) von den Soll-Koordinaten im CIE-Farbraum angegeben und nach der folgenden Gleichung berechnet:

 increment u apostrophe v apostrophe equals square root of open parentheses u apostrophe subscript s o l l end subscript minus u apostrophe subscript i s t end subscript close parentheses squared plus open parentheses v apostrophe subscript s o l l end subscript minus v apostrophe subscript i s t end subscript close parentheses squared end root

Wie die Auswertung der Farbortstabilität in Bild 2 zeigt, beträgt die Abweichung des Farborts maximal 0,006 und liegt damit ein gutes Stück unter dem zur Zeit gängigen Richtwert für Automobile von 0,01. Die Auswertung einer Messung zur Stabilität des Lichtstroms über den Temperaturbereich bei verschiedenen Farborten ist in Bild 3 dargestellt. Der dunkelste Kanal bei den CIE-Koordinaten u' = 0,453, v' = 0,591 ist der rote Farbkanal. Dieser Teil des LED-Emissionsspektrums büßt bei steigender Temperatur die meiste Helligkeit ein. Daher muss der rote LED-Chip auch bei kleinen Temperaturen auf einen geringen Helligkeitswert eingestellt werden, damit er über den gesamten Temperaturbereich stabil geregelt werden kann. Der blaue Farbkanal (u' = 0,176, v' = 0,233) liegt ebenfalls etwas unter dem Helligkeitsniveau der übrigen Farbkanäle. Die Ursache dafür ist, dass der blaue LED-Chip generell etwas weniger Lichtstrom emittiert als die übrigen LED-Chips.

Lichtdesign für die gelungene ­Akzentuierung

Farbleuchten im Pkw-Innenraum sollen häufig die Kontur von gewissen Bauteilen akzentuieren. Dieser Effekt wird nicht durch direkte Bestrahlung mit der RGB-LED erzielt, sondern das Licht wird typischerweise direkt von der LED in einen beleuchtungsoptischen Lichtleiter eingekoppelt, der das Licht an den Zielort leitet und dort homogen über eine definierte Länge verteilt. Für die Beleuchtung mit RGB-LEDs muss zusätzlich – und anders als bei einer Weißlicht-LED – auch die Farbhomogenität gewährleistet sein. Dazu wird das Licht in eine Art optische Mischkammer und erst danach in den Lichtleiter eingekoppelt.

Bei dieser Mischgeometrie ist es wichtig, dass der Querschnitt eine gerade Anzahl von Kanten besitzt, sodass sich jeweils zwei Flächen parallel gegenüberliegen [1]. In der Praxis hat sich hier ein hexagonaler Querschnitt bewährt. Auch zu starke Krümmungen oder Befestigungselemente (z.B. Rastnasen) im Lichteinkoppelbereich können den Verlust einzelner Farbanteile des Lichts und damit eine fehlerhafte Farbmischung bewirken.

Ein exemplarischer Aufbau eines lichtleitenden Optiksystems für den Pkw-Innenbereich ist in Bild 4 zu sehen. Abgebildet sind zwei Lichtleiter unterschiedlicher Länge, gefasst von einem Reflektor und hinter einer volumenlichtstreuenden Lichtscheibe.

Nach der oben beschriebenen hexagonalen Mischkammer wird der Lichtleiter hier in eine runde Form überführt, wobei die Rundung auf der dem Lichtaustritt abgewandten Seite abgeflacht ist, um Geometrien zur Lichtextraktion kunststoffspritzgussgerecht in den Lichtleiter einbringen zu können.

Der mit L = 1000 mm angegebene Lichtleiter hat eine zweiseitige Einkopplung für das Licht, beim mit L = 400 mm angegebenen Lichtleiter kann Licht nur über eine Seite eingekoppelt werden. Eine Analyse der Leuchtdichteverteilung ist in Bild 5 zu sehen. Sie wurde mittig über die Länge des Lichtleiters gemessen. Im oberen Teil ist die Verteilung für den lang ausgeführten Lichtleiter zu sehen und im unteren Teil die für den kürzer ausgeführten. Im mittleren Teil ist eine Falschfarbendarstellung für beide Lichtleiter mit der zugehörigen Farbskala am rechten Rand. Die hier gezeigte photometrisch und kolorimetrisch homogene Ausleuchtung ist nur durch rechnergestützte Optimierung der Geometrien zur Lichtextraktion sowie durch die Anpassung der Leuchtdichte der Lichtleiter untereinander (Leuchtdichtekompensation) möglich.

Literatur:

[1] Koshel, R. John: Illumination Engineering: Design with Nonimaging Optics. John Wiley & Sons, 2012.

Die Autoren:

Dr. Michael Olbrich
ist Physiker mit Schwerpunkt optische Technologien. Seit 2006 entwickelt Dr. Olbrich anspruchsvolle Optiken und Beleuchtungslösungen für die Sensorik, die automobile Innenausstattung, die Innen- und Außenbeleuchtung und den Konsumgüterbereich. 
michael.olbrich@gmx.de
Dipl.-Ing. (FH) Sascha Jenderny
ist als Entwicklungsingenieur in der Fachgruppe Licht der Mentor GmbH & Co. Präzisions-Bauteile KG verantwortlich für die Auslegung von Optiken für moderne LED-Leuchten im Automotive- und Industriebereich sowie für photometrische und kolorimetrische Messungen.
Sascha.jenderny@mentor.de.com