Linse schärft LED-Licht

Leuchtdioden strahlen äußerst energieeffizient. Bei der Lichtausbeute können sie mit Glühbirnen jedoch nicht mithalten – bisher. Denn eine neue Kunststofflinse soll das nun ändern: Sie bündelt das LED-Licht und lenkt es gezielt dorthin, wo es gebraucht wird.

Eine Ein-Watt-LED erbringt etwa die gleiche optische Leistung wie eine Glühbirne mit hundert Watt. Kommt es jedoch auf hohe Lichtausbeute an, sind die kleinen Lichtquellen noch nicht das Beleuchtungsmittel der Wahl.

Doch die von Fraunhofer-Forschern entwickelte neuartige Optikkomponente bündelt nun beispielsweise bei einer Schreibtischlampe das Licht so, dass nur eine DIN-A4-große Fläche in der Mitte des Tisches hell erstrahlt. Die LED beleuchtet den benötigten Bereich gleichmäßig, alles außerhalb bleibt im Dunkeln.

„Eine Leuchtdiode ist eine Punktlichtquelle, die das Licht in einem großen, unkontrollierten Bereich abstrahlt“, sagt Christian Wenzel vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen. „Durch spezielle Linsen nutzen wir das Licht zu hundert Prozent dort, wo es gebraucht wird, und steigern so die Effizienz der LEDs. Der Lichtfleck, den die Lichtquelle wirft, läuft also nicht nach außen hin aus, sondern hat einen scharfen Rand.“

Gut und preiswert

Basis für diese Lichtführung ist eine Freiformflächenoptik – eine Kunststofflinse, deren Geometrie frei gestaltet werden kann. „Die Linsen werden über ein Spritzgussverfahren gegossen. Die beiden Werkzeughälften, die als Form dienen, müssen einmalig hochpräzise ausgerichtet werden – die Genauigkeit liegt bei einigen Mikrometern und damit bei weniger als einem Zehntel eines Haardurchmessers. Sind die Werkzeuge einmal tariert, lässt sich die Linse kostengünstig in hohen Stückzahlen herstellen“, sagt Wenzel.

Die Forscher am IPT haben dabei die gesamte Prozesskette optimiert: von der Planung der Optiken über die Herstellung bis hin zur Überprüfung. „Das ist bisher einzigartig in Europa“, sagt der Experte.

Kunststoff schrumpft beim Abkühlen

Eine Herausforderung dabei: Der Kunststoff, der heiß in die Form gegeben wird, schrumpft beim Abkühlen – die fertigen Linsen sind daher etwas kleiner, als die Form es vorgibt. Diesen Effekt berücksichtigen die Forscher durch wiederholte, schrittweise Verbesserung – auf einige Mikrometer genau.

Sind die Linsen fertig, überprüfen die Wissenschaftler sie: Dazu projizieren die Forscher ein Streifenmuster auf die Linse. Durch die Verzerrung der Streifen lässt sich auf Krümmung, Neigung und Form der Linse rückschließen.

(idw – Fraunhofer-Gesellschaft, 05.05.2008 – DLO)