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Optikdesign für LED-Licht

Freiform-Fresnel-Strukturen für die exakte Lichtlenkung

Auf einen Blick

Die meisten kennen die Fresnellinse aus dem Auto, wo sie an der Heckscheibe montiert zum Überbrücken des Toten Winkels beim Einparken oder Rückwärtsfahren verwendet wird. Erfunden hat die korrekter als Fresnelsche Stufenlinse bezeichnete Optik Augustin Jean Fresnel, um Leuchttürme effizienter zu machen. Ausgangspunkt seiner Überlegungen war, dass das Licht nur an der Linsenoberfläche gebrochen wird, und somit der Winkel zwischen Lichtstrahl und Linsenoberfläche entscheidend ist. Deshalb ließ Fresnel das ‚nutzlose‘ Volumen weg und setze seine Linse nur aus Zonen entsprechender Linsenkrümmung zusammen. So hat die flache Fresnellinse dieselbe Brennweite wie die ursprüngliche Linse, nur die Abbildungsqualität ist etwas schlechter. Deshalb ist die Fresnellinse da gefragt, wo die Abbildungsqualität nicht so wichtig ist, aber Gewicht und Platzbedarf der Optik möglichst klein sein sollen. Man findet sie beispielsweise in Frontscheinwerfern von Autos, aber auch in der Bühnentechnik und sie bietet besondere Möglichkeiten bei der Beleuchtung von Architektur, im Innen- wie im Außenraum.

Abb.: Zahn einer Fresnelstruktur: Das Licht wird von der gekrümmten Flanke (grün) über Totalreflexion abgelenkt und tritt durch die andere Flanke nach außen. Die reflektierten Strahlen laufen ‚über Kreuz‘. Diese Verjüngung des Strahlenbündels verhindert, dass die Strahlen in den benachbarten Zahn hineinlaufen und dort in unkontrollierter Weise gebrochen werden.

Flache Scheibe statt dicker Linse

In der Lichttechnik bieten Fresnellinsen eine interessante Option, um die divergierenden Strahlen von LED-Lichtquellen gezielt zu lenken. Während die Linsen im 19. Jahrhundert manuell aus Glas hergestellt wurden, ist ihre Produktion heute kostengünstig aus Kunststoff im Spritzgussverfahren möglich. Eine Herausforderung ist allerdings nach wie vor die exakt auf die jeweilige Beleuchtungsaufgabe abgestimmte Konstruktion der Linsen. Als Hilfsinstrument kommt hierbei das Ray-tracing-Verfahren zum Einsatz. Seine Algorithmen sind auch die Basis verschiedener Softwareprogramme, die zur Berechnung von Linsen verwendet werden. Beim Raytracing werden die Wege ausgewählter Strahlen entsprechend den Gesetzen der geometrischen Optik verfolgt und simuliert. Für den Designprozess von Optiken reichen dabei oft einige hundert oder tausend Strahlen. Die Berechnung von Licht- und Beleuchtungsstärke erfordert typischerweise einige Millionen, die der Leuchtdichte sogar oft mehr als hundert Millionen Strahlen.
Linsen für LEDs werden oft in Form sogenannter Freiformoptiken ausgeführt. Beim optischen Design bedeutet ‚Freiformen‘ eine freie Gestaltung der optischen Elemente, ohne Symmetrie, sodass mittels Brechung und Totalreflexion (TIR) das LED-Licht fast beliebig gelenkt werden kann. Fresnel-Strukturen bieten hier hohe Flexibilität, da im allgemeinen Fall beliebige mathematische Funktionen ‚fresnelisiert‘ werden können. Für die Beleuchtungstechnik erlaubt dies Linsen mit ganz verschiedenen Abstrahlcharakteristiken, die unterschiedlichste Beleuchtungsaufgaben erfüllen können – von der Bündelung des Lichts in Downlights, bis zur definierten Lichtstreuung, zum Beispiel in Form eines gleichmäßigen Lichtstärkeverlaufs auf einer Gebäudefassade, ist alles denkbar.

Streuverluste minimieren

Ein Problem bei Fresnellinsen sind sogenannte Störflanken. Im Querschnitt zeigt die Fresnellinse eine Sägezahnstrukur mit abwechselnd gekrümmten und geraden Flanken. An den geraden kann das LED-Licht ungewollt gestreut werden und geht für die Beleuchtung verloren. Wählt man die Störflanken aber so, dass sie parallel zu den einfallenden Strahlen sind, lässt sich der Effekt für ausgedehnte LED-Lichtquellen deutlich reduzieren. Allerdings müssen hier oft herstellbedingt Kompromisse geschlossen werden. Weitere Streuverluste ergeben sich durch die Oberflächenrauigkeit der Linse. Qualitätsentscheidend ist hier das Produktionsverfahren beim Linsenhersteller. Während sich die Streuverluste durch Störflanken im Designprozess minimieren und relativ gut prognostizieren lassen, können die Verluste durch die Oberflächenrauigkeit der Linse nur am Prototypen gemessen werden.

Kollimation des Lichts

Für Spotlights müssen die divergierenden Strahlen einer LED mit Hilfe einer Linse in ein paralleles Strahlenbündel umgelenkt werden. Diese Parallelrichtung von Lichtstrahlen bezeichnet man als Kollimation.
Eine konvexe Linse fokussiert ein paralleles Strahlbündel idealerweise in einem Punkt. Eine Dezentrierung der Linse, also die Verschiebung des Linsenscheitels weg von der Achse, bewirkt eine seitliche Verschiebung des Brennpunktes. Ist die Linse in horizontaler und vertikaler Richtung verschieden gekrümmt, führt dies zu Astigmatismus: statt einem Brennpunkt ergibt sich in geeignetem Abstand eine Brennlinie. Beides ist einfach mit geeigneten Fresnel-Strukturen realisierbar. Platziert man umgekehrt eine LED-Leiste auf der Brennlinie und leuchtet in die Gegenrichtung, bündelt die Fresnellinse nun das Licht. Die Fresnellinse eignet sich also auch als eine Vorsatzoptik, um das Licht einer LED-Leiste zu bündeln.

Abb.: Wählt man die Krümmung der Linse in horizontaler und vertikaler Richtung verschieden, führt dies zu Astigmatismus: statt einem Brennpunkt ergibt sich in geeignetem Abstand eine Brennlinie.

Abb.: Dreht man den Spieß um und platziert eine lineare LED-Lichtquelle in der Brennlinie und leuchtet in Gegenrichtung, wird dieses Licht von der Fresnellinse gebündelt.

Vorsatzoptik für LED-Wandfluter

Eine typische Aufgabe in der Lichttechnik ist die gleichmäßige Beleuchtung einer Wand oder eines großflächigen Objekts. Die Leuchte befindet sich meist in der Decke und beleuchtet die Fläche bzw. das Objekt von schräg von oben. Eine elegante Lösung für diese Aufgabe basiert auf einer LED-Vorsatzoptik mit Freiform-Fresnel-Strukturen. So eine Optik besteht aus einem TIR- (Total Internal Reflection)-Kollimator und einer Fresnel-Struktur. Der Kollimator bündelt das Licht, anschließend wird es von der Fresnel-Struktur gezielt um unterschiedliche Winkel abgelenkt und so gleichmäßig auf die auf die zu beleuchtende Fläche verteilt. Kollimator und Fresnel-Struktur können dabei unabhängig voneinander entwickelt werden.

Abb.: TIR-Kollimator: Die Strahlen mit kleineren Winkeln zur Senkrechten werden über eine Sammellinse (rot) gebündelt. Der Rest geht an der Linse vorbei und trifft auf die Seitenfläche des Kollimators, der das Licht parallel zur optischen Achse ablenkt.

Abb.: TIR-Kollimator: Die Strahlen mit kleineren Winkeln zur Senkrechten werden über eine Sammellinse (rot) gebündelt. Der Rest geht an der Linse vorbei und trifft auf die Seitenfläche des Kollimators, der das Licht parallel zur optischen Achse ablenkt.

Damit der Kollimator das LED-Licht möglichst vollständig bündeln kann, muss man zwei Bereiche betrachten. Das Licht, das die LEDs unter kleineren Winkeln zur Senkrechten verlässt, wird über eine Sammellinse gebündelt. Mehr als 75% des LED-Lichts wird jedoch unter größeren Winkeln emittiert, geht an der Linse vorbei und trifft auf die Seitenfläche des Kollimators, der das Licht über Totalreflexion, ähnlich einem Parabolspiegel, parallel zur optischen Achse ablenkt.

Für einen Wandfluter ist es praktisch, wenn die Lichtaustrittsfläche eben ist. Diese Fläche steht für eine geeignete Fresnel-Struktur zur Verfügung. Die naheliegendste Lösung ist die Verwendung einer Fresnel-Struktur aus parallelen Prismen. Um ihr Design zu vereinfachen, geht man davon aus, dass der TIR-Kollimator exakt paralleles Licht produziert, was wegen der räumlichen Ausdehnung der LED natürlich nur näherungsweise der Fall ist. Außerdem betrachtet man nur eine einzelne Fresnel-Struktur, einen ‚Zahn‘.

Das Licht wird von der gekrümmten Flanke über Totalreflexion abgelenkt und tritt durch die andere Flanke nach außen. Durch die Totalreflexion erreicht man die gewünschte Ablenkung um große Winkel. In ihrem weiteren Verlauf kreuzen sich die Strahlen. Diese Verjüngung des Strahlenbündels verhindert, dass Licht in den benachbarten Zahn hineinläuft und dort, unkontrolliert gebrochen, Streuverluste verursacht. Die Krümmung der ersten Flanke kann aus der Wunschverteilung des Lichts auf der Wand direkt berechnet werden. Die Fresnel-Struktur ergibt sich dann durch eine Aneinanderreihung vieler gleicher Zähne.
Die Anzahl der Zähne ist für die Funktion unbedeutend. Je kleiner aber die Zähne sind, desto flacher wird die Struktur. Dieser Miniaturisierung sind allerdings in der Produktion verfahrenstechnische Grenzen gesetzt. Die Verwendung gleicher Zähne vereinfacht die Herstellung des entsprechenden Spritzgusswerkzeugs. Zum anderen leuchtet dann jeder Zahn die gesamte Fläche aus. Mögliche Formtoleranzen der Zähne gleichen sich daher im Mittel aus und es entstehen keine Unregelmäßigkeiten in der Lichtverteilung.

Abb.: Simulationsverlauf: Eine Reihe von fünf optischen Einheiten aus Kollimator und Fresnellinse beleuchtet gleichmäßig eine Wand

Abb.: Optische Einheit aus Kollimator und Fresnellinse für einen Wandfluter.

Abb.: Optische Einheit aus Kollimator und Fresnellinse für einen Wandfluter.

Die Größe des Wandfluters lässt sich an die verwendete LED anpassen. Der vorgeschlagene Designprozess funktioniert exakt für eine Punktquelle. Bei einer LED mit ihrer endlichen Ausdehnung, muss in jedem Falle eine Optiksimulation durchgeführt werden, um zu überprüfen, ob man die gewünschte Lichtverteilung erreicht hat. Ist dies nicht ausreichend der Fall, muss die Vorsatzoptik größer ausgelegt werden. Wegen ihrer kompakten Bauform ist die entwickelte Vorsatzoptik recht gut für Einbauleuchten geeignet.

Abb.: Simulationsergebnis: Das Licht wird im Kollimator gebündelt und von Fresnelstrukturen abgelenkt, so dass es gleichmäßig die gewünschte Fläche beleuchtet.

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Autoren: Dr. Bernhard Michel und Piotr Sakowicz, Hembach Photonik, Rednitzhembach,
www.hembach-photonik.de
Dr. Barbara Stumpp, freie Journalistin, Freiburg

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