Technik
Licht 4 | 2019

Zauberhaftes Licht

Fertigung und Anwendung von tertiären Optiken

Die LED-Beleuchtung ist untrennbar verbunden mit Optiken und Linsen, wie primäre, sekundäre und tertiäre Optiken. Besonders mit tertiären Optiken lassen sich vielseitige Beleuchtungsszenarien »zaubern«.

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Museen, Showrooms, Auslagen in exklusiven Geschäften oder die eigenen vier Wände – die Beleuchtungsanforderungen wechseln von Anwendung zu Anwendung teilweise stark. Ob größere, gleichmäßig helle Flächen, Lichtakzente mit Spots oder ein weiches Licht für edle Waren. Beim Wechsel der Exponate kann nicht jedes Mal die Beleuchtung ausgetauscht werden, das ist recht kostenintensiv und zeitaufwendig. Aber auch wenn man bei der Beleuchtung von Büroräumen nur bei einem LED-Array nicht jede Lichtquelle einzeln sehen will, sondern den Eindruck einer konventionellen Leuchtstofflampe möchte, kommt man an unterschiedlichen tertiären Optiken nicht vorbei. Die können zwar keine Wunder vollbringen, aber die Beleuchtung kosteneffizient mit auswechselbaren Optiken anpassen und in gewissen Grenzen »zaubern«.

Optiken verbindet man meist mit geschliffenem Glas, aber tertiäre Optiken haben komplexe Oberflächen und sind unmöglich für die Großserie in Glas herzustellen, da viel zu aufwendig. Als alternativer Werkstoff bieten sich hier Kunststoffe an. Zur Verfügung stehen mehrere Produktionstechniken. Man kann Kunststofflinsen spritzgießen oder mittels eines Masters heißprägen, holographische Strukturen in Folien erzeugen oder – ganz zeitgemäß – den 3D-Druck nutzen.

Bei der Glühlampe war dies einfach – sie wurde in die Halterung geschraubt und erfüllte ihren Zweck. An eine LED stellt man höhere Ansprüche und um diese bedienen zu können, benötigt man drei Optiken. Die Primäroptik sitzt dabei direkt auf dem LED-Chip und sorgt für eine Abstrahlung in Form einer Halbkugel. Die Primäroptik wird vom Chip-Hersteller gleich mit der LED und dem Gehäuse/Träger verbaut. Sie muss einen hohen Transmissionsgrad aufweisen und darf auf keinen Fall die Lichtfarben verändern. Ihre Aufgabe ist es, das Licht der LED einzufangen und für die sekundäre Optik in idealer Form zur Verfügung zu stellen.

Die Sekundäroptik, meist ein Kollimator, richtet das Licht dann parallel aus. Sie lenkt das Licht nicht nur, sondern verteilt, homogenisiert und mischt es. Mit einer Linse kann man den Lichtstrahl zwar am genauesten ausrichten und lenken, aber es können farbige Ränder auftreten. Deshalb nutz man vor allem die Kombination aus refraktiven und reflektiven Kollimatoren. Normalerweise ist zwischen Primär- und Sekundäroptik ein Spalt. Die Sekundäroptik kollimiert den ca. 80° bis 120° großen Abstrahlwinkel einer LED auf 5° bis 25°.

Das einfachste Beispiel einer tertiären Optik ist eine Milchglasscheibe, die allerdings einen Teil des Lichts absorbiert und einen weiteren Anteil zur Lichtquelle zurückstreut. Für eine höhere optische Effizienz entwickeln Ingenieure optisch-funktionale Strukturen. Diese winzigen Strukturen auf einem Glasträger formen das Licht nach Wunsch und sorgen sogar für eine gewisse Blendfreiheit.

Bei Luximprint nutzt man hier den 3D-Druck mit optischen Acrylaten. »Das flüssige Monomer wird tröpfchenweise aufgebracht. Dabei fließen die Tröpfchen zusammen und nach Aushärten mit UV-Licht entstehen so perfekte Oberflächen«, berichtet Marco de Visser, Mitbegründer von Luximprint. Der 3D-Druck, als additives Fertigungsverfahren bringt natürlich große Vorteile, denn so benötigt man nur CAD-Daten, um den Drucker anzusteuern, statt teurer Werkzeuge. » Die Möglichkeit, mit unserem Verfahren sekundäre und tertiäre Optiken leicht in einem einzigen Teil und Prozess kombinieren zu können bietet innovative Chancen«, freut sich Marco de Visser. Weiter ist Multimaterialdruck möglich, also die Kombination von farblosem und gefärbtem Material. Außerdem ist ein komplexes Beleuchtungsdesign mit 3D-Druck nicht teurer als ein einfaches. Dazu erlaubt es kurze Lieferzeiten, die Fertigung »on demand«, wie Industrie 4.0 sie verlangt, und man spart teure Werkzeuge. Natürlich ist man sich bei Luximprint bewusst, dass Materialeigenschaften hier wichtig sind. Lebensdauer- und Sicherheitsaspekte zählen bei einem Produkt. Dazu fehlen eindeutige und einheitliche Validierungsmethoden. Daher ist es wichtig, die Durchführbarkeit mit einem bestimmten Material für den jeweiligen Zweck zu überprüfen.

Tertiäroptiken gibt es mit niedriger und hoher Leistung. Der Hauptunterschied liegt im Diffusionsmechanismus. Holografische Hochleistungsdiffusoren enthalten ein oberflächliches Reliefmuster im Submikrobereich auf einem sehr klaren Substrat. Durch die Kombination von Beugung und Brechung ist die Diffusion, die nur auf der Oberfläche des Substrats auftritt, äußerst effizient (bis zu 92%) – unabhängig von der Dicke – und bietet eine präzise Winkelstrahlsteuerung. Volumetrische Diffusoren enthalten Streuelemente innerhalb des Volumens und schaffen eine Effizienz von 30-70%.

Luminit stellt refraktive (Mikrolinsen, Prismen, Fresnels) und diffraktive Optiken (CGH, Phasenplatten) mit Hilfe der Graustufen-Photolithographie her, mit Strukturgrößen von bis zu 1 Mikrometer. Um u.a. sehr homogene Beleuchtungen zu erreichen, wie es in z.B. medizinischen Anwendungen wichtig ist, setzt das Unternehmen auch computergenerierte Hologramme ein. Der große Vorteil hier: diese werden auf der Oberfläche von Kunststofffolien erzeugt und sind in Massenproduktion herzustellen, dank Rolle-zu-Rolle zu prägen und finden so ihren Einsatz von der Kfz-Beleuchtung, über Live-Events und Inszenierungen bis zu Displays. Die Hologramme sind auf dünnen (10-30 µm) Photopolymerfilmen aufgebracht und zeigen wellenlängen- und winkelselektive Bragg-Eigenschaften, sie besitzen eine sehr geringe Streuung, eine beispiellose Transparenz (> 90%) und einen Beugungsgrad (> 90% at).

Die Graustufenlithograhie wird auch eingesetzt um abenteuerliche »Lichtbilder« zu zeichnen. »Wir arbeiten an neuen, ungewöhnlichen Fernfeldverteilungen des Lichts, z. B. als Stern«, berichtet Dr. Peter Schreiber, Leiter der Beleuchtergruppe der Abteilung Mikrooptische Systeme am Fraunhofer IOF. Das erreichen die Wissenschaftler durch eine neue Klasse von Tertiäroptiken, die auf beiden Seiten strukturiert sind. Dabei baut man auf eine schon ältere Entwicklung auf, den Wabenkondensator aus der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Dieser Wabenkondensator (fly-eye-condensor, FEC) erzeugt, anders als »normale« Diffusoren, Fernfelder mit homogen ausgeleuchteten Flächen mit scharfen Umrissen und kann so präzise Beleuchtungsaufgaben wie etwa Schweinwerfer mit genau vorgegebenem Fernfeld schaffen.

Um kontinuierliche Helligkeitsverteilungen zu erzeugen werden monolithische, mikrooptische Tandem-Arrays mit unregelmäßigen Mikrolinsen genutzt. »Die Modifikation des traditionellen FEC mit Eingangslinsen mit variierender und Ausgangslinsen mit konstanter Größe, die beide optional als dezentrierte Linsensegmente realisiert sind (Patent angemeldet), ermöglicht die Erzeugung kontinuierlicher Fernfeldverteilungen, z. B. für Abblend- und Fernlicht eines Autoscheinwerferbes», berichtet Peter Schreiber. Dazu kommt, dass solche Scheinwerfersysteme einen deutlichen geringeren Bauraum benötigen als konventionelle Spotlights.

»Der große Vorteil: die Master der Mikrooptiken werden über Graustufenlithographie hergestellt und durch UV-Reaktionsguss zu Polymer-auf-Glas-Elementen repliziert. Die tertiären Optiken lassen sich so auch beidseitig, präzise zueinander justiert strukturieren«, so Peter Schreiber. Der Replikationsprozess ist industriell etabliert. Die Graustufen-Lithographie der unregelmäßigen Linsenprofile ist allerdings noch eine Herausforderung. Für weitere Effekte lassen sich auch noch unter den Linsen-Arrays vergrabene Blenden einbauen. Weiter sind maßgeschneiderte Diffusoren realisierbar, bei denen die Streucharakteristik ortsabhängig ist, um z. B. das Licht eines LED-Arrays so zu homogenisieren, dass es eine gleichmäßige Helligkeit über die gesamte Länge liefert. Dazu lassen sich die Mikrolinsen-Arrays stapeln und ermöglichen es, sehr komplexe Beleuchtungsaufgaben zu lösen.

Weitere Informationen:

Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, www.iof.fraunhofer.de

Luximprint, www.luximprint.com

Luminit, www.luminitco.com

Autorin: Barbara Stumpp, Freiburg

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 4 | 2019

Erschienen am 24. Mai 2019