Beleuchtung nach Maß

Geht es um Energieeffizienz, sind Leuchtdioden unschlagbar: 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 nicht das Beleuchtungsmittel der Wahl.

Eine neuartige Optikkomponente soll das künftig ändern. Sie lenkt das Licht gezielt dorthin, wo es gebraucht wird. Bei einer Schreibtischlampe etwa lässt sich das Licht so bündeln, 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 Dr. Christian Wenzel, Abteilungsleiter am 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.“

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 Dr. 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.

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 rück-schließen. Auf der Messe Optatec vom 17. bis 20. Juni in Frankfurt zeigen die Forscher die gesamte Prozesskette und Anwendungsoptiken (Halle 3, Stand D53).