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LED - Optik, Zoom, Kollimatore, Farbschatten

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 LED’s 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 Siliziumkristal 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.

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 Kollimator 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 Optik das Rot von der roten LED am Rand noch deutlich vorhanden sein, während die Grünen und blaue LED mit der Roten nach diesem Rand ein weiss zusammenmischen. Das liegt daran, das die Bauform der roten LED sich von der Bauform der grüne und blaue Siliziumkristall 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.

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 rotationssymetrischen  Abstrahlwinkel.

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 den Kollimatorenträger austauschen.

Variable Abstrahlwinkel werden ebenfalls realisiert  

wie im folgenden ersichtlich ist.

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

Die Leuchtfläche einer einzelne LED liegt bei 0,01 mm² bis zu 1 mm² und kann damit auch als Punktquelle angesehen werden. Meist wird um die Lichtleistung zu erbringen, eine größere Anzahl von einzelne LEDs zusammengeschaltet und so entsteht eine inhomogene Leuchtfläche, die nicht mehr für Projektionen geeignet ist. Dies hat weiterhin zur Folge, dass ein bestrahlter Körper im Hintergrund verschiedenfarbige Schatten produziert, die um so stärker ausgeprägt sind, wie die einzelne Farb-LEDs zueinander entfernt liegen. Für profilgebende LED-Scheinwerfer müssten bei drei Farb-LEDs die Lichtstrahlen ähnlich einem Videobeamer optisch zusammengeführt werden, damit dies als Punktquelle zur Projektion verwertbar wird, oder als Filamentersatz in einem Facetten-Ellipsenspiegel überlappend ausgerichtet sein.

Deutlich zu erkennen sind drei Lichtquellen bei diesem Ayrton Easycolor kopfbewegte Scheinwerfer. Das Licht mischt sich für den Betrachter beim Auftreffen auf den Körper. Die Lichtquelle sowie auch das von Staubpartikeln (Kondensationströpfchen bei Nebeleinsatz) reflektierte Licht wird bei geringen Betrachtungsabstand noch in den Grundfarben differenziert wargenommen.


Jetzt gilt es also Farben zu Mischen entweder, indem die LED-Quellen immer näher zusammenrücken oder mittel spezieller Optik,  die einzelne Quellen zu einer gemischten Farbe überlagern. Somit hat der Betrachter den resultierenden Farbeindruck nicht nur auf der bestrahlten Fläche, sondern auch bei nebliger Luft auch als Strahlengang bzw. bei direkten Blich auf den Scheinwerfer.

Quelle: Xilver / Vertrieb über RST




Wenn man die Pixel so eng beieinander anordnet, kann unser Auge das einzelne Pixel nicht Auflösen. Das beste Beispiel Hierzu ist unser Fernseher der auch nur drei Pixel anbietet, aber vom Abstand zu weit weg ist gegenüber den Pixelabständen (Pixelpitch), das unser Auge den einzelne Pixel auflösen kann.

Ayrton Eyecolor - RGB




Singelchip mit besser Leistung als SMD-RGB Chips - eng beieinander unter einem Kollimator gepackt.

SMD-RGB

Eine Andere Methode ist das Überlagern der einzelne Farben dazu, das Sie im Endeffekt aus einer optischen Achse herauszukommen zu  scheinen. Das hatte man bei Videoprojektoren schon angewandt. Die Prismatischen Bauteile dazu sind Kostspielig und das Ankoppeln erfordern Ingenieurserfahrung.

Refexionen innerhalb der Lichtleittunnels sorgen für optimale Farbdurchmischung

Die Größe der
LED-Einzelfarben ist entsprechend der unterschiedlichen Farbempfindlichkeit des Menschen angepasst.

Gegenüber üblichen Frostfiltern die einen schlechten Wirkungsgrad verursachen sind neue holgraphisch arbeitende Filterstrukturen  entwickelt worden, die einen wesendlich besseren Wirkungsgrad aufweisen.

Der Effekt ist auch an der Lichtverteilunskurve ersichtlich.

Beispiel das es auch anders geht...




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Die einfache Lösung ist das Austauschen einer weiteren Vorsatzlinse oder Frostfilter, wie man es bei den S4-PAR auch her kennt.



Spectrawow+
mit LED LAMINA Titan 40W RGB Chip


Quelle: LDDE