Weißlicht-LED-Light-Engines von Mentor:
Geregeltes Licht nach Maß
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Optik-Design zur Farbmischung
Um eine farbhomogene Ausleuchtung zu erzielen, muss neben der eigentlichen Strahlformung die Mischung der Einzelfarben sichergestellt werden. Dafür sind spezielle Optikkonzepte nötig, die so ausgelegt sind, dass eine Durchmischung im Nah- und auch im Fernfeld geschieht. Mit den Optikkomponenten muss die Orts- und die Winkelabhängigkeit aufgehoben werden, die durch die verschiedenen Positionen der Einzelfarben-LEDs entstehen.
Eine Herausforderung bei diesem Schritt ist die Auslegung der mischenden Komponenten in der Weise, dass unter Berücksichtigung der Étendue-Erhaltung [1] die gewünschte Ausleuchtung entsteht. Die Étendue ist ein Maß für die Ausdehnung eines Strahlenbündels und hängt bei einer Lichtquelle vom Querschnitt der Leuchtfläche und dem Öffnungswinkel ab. Für Anwendungen in der Allgemeinbeleuchtung, bei der die Zielfläche farbhomogen beleuchtet werden soll, kann ein facettierter Reflektor kombiniert mit einer passend ausgelegten Mischoptik eingesetzt werden, um sowohl im Fernfeld als auch im Nahfeld die Farbmischung zu gewährleisten (Bild 1).
Die unterschiedlichen Resultate, die mit einem facettierten und einem glatten Reflektor erzielt werden, machen die Simulationsergebnisse in Bild 2 deutlich. Die Mischoptik wurde dabei nicht berücksichtigt. Je nach Anforderung kann auch ein anderes Optikkonzept zur Farbmischung zielführend sein, beispielsweise eine Kondensoroptik oder sog. Mixing Rods.
Farbtonveränderliche LED Light Engine
Die oben genannten Überlegungen bezog Mentor bei der Entwicklung einer farbtonveränderlichen Weißlicht-LED-Light-Engine für Anwendungen im Allgemeinbeleuchtungssektor mit ein, deren Farbtemperatur und Lichtstrom auf die jeweilige Anwendung angepasst werden können. Als reiner OEM-Lieferant ohne eigenes Leuchten-Sortiment bietet Mentor diese Lösung beispielsweise für Shop-Leuchten an, die je nach Exponat auf einen warm-, neutral- oder kaltweißen Farbort konfiguriert werden können. Ein variabler Weißton sowie Farbstabilität bilden auch die Grundlage für Beleuchtungen, die den circadianen Rhythmus [2] unterstützen bzw. ihm entgegenwirken sollen.
Die hier vorgestellte LED emittiert einen Lichtstrom von ΦV ≈ 1000 lm bei einer Farbtemperatur von 4000 K. Die Farbtemperatur kann zwischen 3000 K und 6500 K stabil entlang der Planckschen Kurve verändert werden.
Elektronik der LED-Leuchte
Die Regelung der LED-Leuchte ist in der Blockschaltung in Bild 3 dargestellt. Über eine Benutzereingabemöglichkeit, beispielsweise eine Smartphone-Applikation oder ein Bedientableau, werden die gewünschte Farbtemperatur und die Helligkeit mittels einer Kommunikations-Schnittstelle (DMX, Dali, Bluetooth, WLAN etc.) an einen Mikrocontroller übermittelt.
Dieser berechnet auf Basis einer Regelung die notwendige PWM für die verschiedenen Farbkanäle. Die Regelung basiert auf einem Farbsensor, der die Tristimuluswerte des emittierten Lichts innerhalb der LED-Leuchte misst, sowie einem analytischen Algorithmus mit definierten Kalibrationsparametern, der die notwendigen PWM-Werte berechnet, um den gewünschten Farbort konstant zu halten.
Testmessung
Eine spektrale Vermessung der Light Engine inklusive der Optik (Bild 4) liefert Werte zur Quantifizierung der Farbortstabilität über den einstellbaren Farbtemperaturbereich.
Dazu wurde die spektrale Leuchtdichte mit einem Spektroradiometer auf einem weißen Messschirm ermittelt und aus den Werten die Farbortabweichung ΔE bestimmt. Das Ergebnis der Messung zeigt Bild 5. Die Farbortabweichung ΔE errechnet sich nach der Gleichung
mit x: x-Koordinate im CIE-Farbraum; y: y-Koordinate im CIE-Farbraum.
Die Farbortabweichung beträgt ΔE < 0,0015. Eine solche Farbortgenauigkeit ist für Anwendungen wünschenswert, bei denen mehrere Leuchten mit gleichem Farbton nebeneinander angeordnet sind und sich für den Beobachter im direkten Vergleich befinden. Der Farbwiedergabeindex (CRI) variiert etwas über dem möglichen Farbtemperaturbereich. Er liegt bis ca. 5000 K über 90 und zeigt im Kaltweißen bei 6500 K einen Wert von >88.
Die spektralen Leistungsverteilungen verschiedenfarbiger LEDs können so eingestellt werden, dass ein Beleuchtungssystem Licht mit einem definierten und konstanten Farbort erzeugt. Dabei werden die Auswirkungen des Temperaturverhaltens, des Binning und der LED-Alterung auf die erzielte Farbe durch Regelung des zeitlichen Mittels des Lichtstroms der einzelnen Farbkanäle kompensiert. Über geeignete mathematische Ansätze berechnet ein Mikrocontroller die passenden PWM-Werte für den LED-Treiber. Die dazu nötigen Parameter sind zum einen on-board gespeichert und werden zum anderen kontinuierlich von einem Farbsensor geliefert.
Die optische Komponente einer LED Light Engine muss eine Farbhomogenisierung über die gesamte zu beleuchtende Zielfläche bereitstellen. Sollten sich aufgrund der Optik zwischen zwei Leuchten Unterschiede in der Helligkeit ergeben, kann dieser ebenfalls im Algorithmus der Elektronik kompensiert werden. Die sogenannte Tunable White Light Engine von Mentor eignet sich für anspruchsvolle Anwendungen, bei denen es um Farb- und Helligkeitskonstanz über die gesamte Lebensdauer, kombiniert mit der Variabilität der Weißtonveränderung geht.
Literatur
[1] Chavesa, J.; Cvetkovica, A.; Mohedanoa, R.; Dross, R.; Hernandez, M.; Benitez, P. et al.: Inhomogeneous source uniformization using a shell mixer Köhler integrator. Proc. of SPIE Vol. 8550, 85502X-1, 2012.
[2] Schlie-Roosen, F.: Wirkung des Lichts auf den Menschen. www.licht.de
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
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