LED - Optik, Linsen, Kollimatore

Zum Thema

Mit Kollimator wird ein Gerät beschrieben das parallele Strahlen erzeugt. Sie werden bei hochenergiereichen Teilchen mittels Spalt oder Lochblendenden realisiert oder in der Optik mittels Linsensystemen erzeugt. Deshalb findet man Kollimatoren in Zielfernrohren für Schützen oder für Astronomische Geräte. Jedoch mit Entwicklung der LED-Technik wurde ein optischer Vorsatz für die LED benötigt, welche ein wenig komplexer ist als eine einfache Linse ist. Ein großen Vorteil haben die LEDs für den Bau von Optiken: Sie strahlen nicht diese immense Hitze von konventionellen Leuchtmittel ab, so dass auch Kunststoffen wie Epoxydhartz für eine Optik verwendet werden, die direkt vor der Lichtquelle eingesetzt werden können, ohne der Gefahr zu schmelzen. Und diese Kunststoffe kann man in beliebigen Formen herstellen, im Gegensatz zur Bearbeitung von z.B. Quarzglas, das bei einigen Kondensoroptiken von Profilscheinwerfern eingesetzt wird, was zudem auch sehr kostspielig ist.  Aber zunächst gehen wir noch einen Schritt weiter zurück zur Lichtquelle, denn der Siliziumkristall der Licht aussendet, muss noch gegen Umwelteinflüsse abgeschottet werden. Dazu verwendet man ebenfalls Kunststoffe. Der Wirkungsgrad einer LED wird auch durch den Übergang des Lichtes vom Chip mit dem Brechungsindex von n = 3,5 zum Medium Luft n = 1 bestimmt. Hier spielt die Art der Ankopplung eine wichtige Rolle, wobei ein Einsatz von Kunststoffen wie Epoxydhartz mit dem Brechungsindex von n=1,5 helfen, den Grenzwinkel der Totalreflexion an der Chipoberfläche herabzusetzen. Der Kunststoffkörper der den Chip einer Hochleistungs-COB-LED abschließt, wird z. B. für einen Abstrahlwinkel von etwa 110 Grad geformt. Also bereits die LED selbst kann in verschiedenen Abstrahlwinkeln geordert werden. Bekannt sind dabei Namen wie Lambertain, Batwing oder Side Emitter. Das kann von LED zu LED Hersteller völlig unterschiedlich ausfallen. Wenn man mit den Fingern über den LED-Kopf streicht kann man die unterschiedlichen Formen leicht spüren.

Optischer Abschluss einer LED zu einem Abstrahlverhalten als Batwing.

Dargestellt mit Lichtverteilungskurve. Quelle: Luxeon

Optischer Abschluss einer LED zu einem Abstrahlverhalten als Lambertain Dargestellt mit Lichtverteilungskurve. Quelle: Luxeon

Optischer Abschluss einer LED zu einem Abstrahlverhalten als Side Emitter. Dargestellt mit Lichtverteilungskurve. Quelle: Luxeon

Um einen engen Abstrahlwinkel, der für einen Scheinwerfer geeignet wäre, zu erreichen, werden optische Lichtführungsplastiken aus Acryl dem Leuchtkörper vorgesetzt. Dabei werden wie bei einem Spiegel schräg auftreffende Lichtstrahlen mit einer Totalreflektion an der Grenzfläche des Acrylkörpers, in die gewünschte Lichtaustrittsrichtung geführt. In der gewünschten Abstrahlrichtung muss der Winkel wiederum so flach sein, das nur die gewünschte Ablenkung erfolgt. Und so helfen die komplexen Formen das Licht in die richtige Abstrahlchrakteristik überzuleiten, und da dieses Element eigentlich mehrere optische Funktionen wie ein Objektiv integriert, um paralleles Licht zu erzeugen zu können, wird es ebenfalls Kollimator genannt. Bei der Positionierung bzw. Ausrichtung des Kollimators zum LED-Körper ist große Präzision nötig. Oftmals werden auf dem Board einer COB-LED schon Justierhilfen für einen Kollimatorträger vorgesehen um die bestmögliche Ausrichtung der Optik zu erlangen. Die Auswirkungen kleinster Unterschiede sind oft mit den bloßen Auge bei engen Abstrahlwinkeln zu erkennen, wenn man den Lichtwurf eines R G B abstrahlenden Scheinwerfers betrachtet. Dann kann gerade bei eng abstrahlenden Optiken das Rot von der roten LED am rand noch deutlich vorhanden sein, während die Grünen und Blauen LED mit der Roten nach diesem Rand ein weiß zusammenmischen. Das liegt daran, das die Bauform der roten LED sich von der Bauform der grünen und blauen Siliziumkristallen unterscheidet, was promt mit einem anderen Abstrahlverhalten auswirkt und somit bei der eingestellten Farbe weiss (Rot, Grün und Blau aufgezogen), das Rot ein wenig mehr ausbricht.

Beispiel der verschiedenen geformten Grenzfächen eines Kollimators

(Quelle: Luxeon)

Typischer Aufbau eines LED-Strahler

A: Kühlkörper,

B: COB-LED,

C: Vorgesetzter Kollimator.

Rechts: Typischer Aufbau eines LED-Strahler

Oben: Kühlkörper,

Mitte: COB-LED,

Unten: Vorgesetzter Kollimator.

So werden Austrittswinkel von bis zu ca. 8° Grad erreicht, üblich sind aber auch alle anderen breiter abstrahlenden Winkel wie auch ovale – nicht rotationssymetrische  Abstrahlwinkel.

Verschiedene Kollimatoren für unterschiedliche Anwendungen

Typischer austauschbarer Trägerrahmen mit Kollimatoren

mitte: 10° Type

Rechts: 25° Typ

LED-Strahler Spectrawow+ mit einfach auszuwechselnden Vorsatzlinsen.

Quelle: LDDE

Spectrawow+ mi LED LAMINA Titan 40W RGB Chip in der Anwendung. Quelle: LDDE

Das dabei für einen spannungsfreien Einsetzen ein wenig Luft gelassen wird, hat zur Folge, wie man aus dem letzten LED-Moving Head Test der PP lesen konnte, das bei Bewegung die Kollimatoren sich locker bewegen können und dann Geräusche verursachen können. Auch ist dann der exakte Sitz auf dem LED-Körper nicht immer gewährleistet. Eine andere Lösung ist das Austauschen einer weiteren Vorsatzlinse, wie man es bei den S4-PAR auch her kennt.

Aber so wie bei einem ETC S4 PAR mit auswechseln der Linsen verschiedene Abstrahlwinkel erwirkt, so wird das auch bei den LED-Strahlern realisiert. Jedoch werden meist die Kollimatoren ausgetauscht. Dazu muss man schon einige Schrauben bewegen und dann den kollimatorenträger austauschen.

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Ähnlich diesem System wird der Abstrahlwinkel variiert so wie man es z.B. von der Wabenlinsensystem eines VL2000 Wash her kennt.

Variable Abstrahlwinkel werden ebenfalls realisiert  

wie im folgenden ersichtlich ist.

Hier das Wabenlinsensystem vom VLX von Vari Lite. Vorne  mittig ist der Antrieb mit der Spindelgewinde zu sehen.

Der physikalische Aufbau von roten und den blau-grünen LEDs ist unterschiedlich. Folglich findet man oft bei engabstrahlenden Strahlern die Rote Farbe am Rand domieniert, da kein LED-Scheiwerferhersteller für die LED-Gruppen unterschiedliche Kollimatoren fertigen lässt. Andere Optische Lösung die eine stärkere Durchmischung der Farben vor Optikaustritt bewirken haben weniger Rote Ränder.

Roter Rand

Aufwendige Optik um eine bessere Farbdurchmischung zu erreichen

Beispiel der Lichtverteilungskurve. (Quelle: Luxeon)