Abgestimmtes optisches System und effiziente Kühlung

Vor zehn Jahren gab es kaum Hochleistungs-LED auf dem Markt. Der maximale LED-Betriebsstrom lag bei 100 mA und entsprechend begrenzt war auch die Helligkeit der modernen Leuchtmittel. Heute sind weiße Hochleistungs-LED unter anderem in Projektionsanwendungen weit verbreitet, auch wenn sie aus einer Fläche von 1 mm² noch immer keine 1000 lm abstrahlen.

Bild 1: Mit LED-Lichtquellen sind neben Office-auch Pico-Projektoren umzusetzen, die sich in mobilen Geräte interieren lassen. Das sorgt für eine erweiterte Multimediafunktionalität.Osram Opto Semiconductors

Bei einem Prototyp mit 2 mm² Fläche ist dies jedoch bereits gelungen. Moderne weiße Hochleistungs-LED auf RGB-Basis lassen sich je nach Farbe in unterschiedlichen Technologien fertigen (ThinGaN/ UX:3 für grün und blau, Thinfilm für rot) und legen durch ständige Verbesserungen an Chip und Gehäuse in der Lichtleistung kontinuierlich zu. Auf dem Weg zu diesen Hochleistungslichtquellen musste man jedoch diverse Herausforderungen bewältigen. Ein effizientes System entsteht nur, wenn optische und thermische Aspekte einfließen.

Vorläufer Backlight

Vorläufer für die Hochleistungs-LED war ein Backlight für eines der ersten Head-Up-Displays, das zwischen 2001 und 2003 aufkam. Gefordert war auch hier möglichst viel Licht aus einer vorgegebenen Fläche. Ein 1-mm²-Chip mit hoher Leuchtdichte trieb die Entwicklung von Hochleistungs-LEDs weiter voran. Diese Compact-Light-Source erhielt einen alten, inzwischen nicht mehr genutzten Namen von Osram-Lichtquellen: Ostar-LED.

Etendue beeinflusst die Menge nutzbaren Lichts

Die Entwicklung von LED speziell für den Einsatz in Projektoren wurde durch die Anfrage eines japanischen Projektorherstellers auf den Weg gebracht. Dieser forderte eine Lichtleistung von 1000 lm aus einer Fläche von 1 mm², exakt die gleiche Helligkeit, welche eine übliche  Hochvoltlampe mit 1 mm Wendellänge erzeugt. Um ein effizientes System zu entwickeln, musste der Lichtleitwert – das Etendue – einfließen.

Die Konstante beschreibt die geometrische Fähigkeit eines optischen Systems, Licht hindurch zu lassen. Den numerischen Wert berechnet man als Produkt aus Öffnungsgröße und Raumwinkel, aus dem das System Licht aufnimmt. Entwickler optischer Systeme müssen die Anordnung der Elemente in einem System so auslegen, dass das Etendue und damit der Lichtdurchgang Verbesserung erfährt. Von Etendue-begrenzt spricht man, wenn die Gesamtlumenmenge eines Projektors, durch die Etendue einer oder mehrerer Komponenten begrenzt ist.

Der erste Imager für einen LED-Projektor war ein DMD (Digital Micro Mirror Device) mit einer Diagonale von 0,55 Zoll. Aufgrund des Etenduegesetzes war mit entsprechender Optik eine maximale LED-Leuchtfläche von 4 mm² möglich. Auf Basis dieser Kenngrößen entstand 2003 die erste monochrome Ostar-LED. Schon zwei Jahre später brachte Samsung den ersten LED-Projektor auf den Markt. Er war ausgestattet mit drei monochromen roten, blauen und grünen Ostar, die jeweils vier Chips mit je 1-mm²-Chipfläche enthielten und eine hohe Leuchtdichte aufwiesen.

Diese mit LED-Lichtquellen erreichbaren hohen Leuchtdichten und die damit verbundenen Vorteile, wie die Möglichkeit sehr kompakte Leuchten zu bauen und das Licht besser zu lenken, versprach auch in anderen Anwendungen Nutzen, beispielsweise in der RPTV (Rear-projection television), in Head-up-Displays, Frontscheinwerfern sowie bei medizinischem Licht und in der Bühnenbeleuchtung.

Bild 2: Der erste LED-Projektor besaß drei monochrome rote, blaue und grüne Ostars, die jeweils vier Chips mit je 1 mm2 Chipfläche enthielten. Osram Opto Semiconductors

Die Helligkeit der ersten, mit LED ausgestatteten Projektoren war noch beschränkt. Mit den 2-mm²-Chips in SMD-Gehäusen, die 2009 auf den Markt kamen, änderte sich dies. Diese Chips mit deutlich höherer Stromtragfähigkeit und noch höherer Leuchtdichte, brachten einen großen Helligkeitsschub in den Projektoren. Weitere Helligkeitssteigerungen scheiterten noch an der relativ geringen Effizienz der grünen LED-Chips. Mit der Entwicklung der Converted-Green-LED konnte man diese Hürde überwinden. Grün leuchtet seither doppelt so hell und auch Projektoren wurden deutlich heller.

LEDs erobern Projektoren in allen Größen

Die Verwendung von LED als Lichtquelle ermöglicht weitere Einsatzfelder von Projektoren. Bisher verfügten mobile Endgeräte wie Smartphones, Tablets, Camcorder oder Notebooks aufgrund ihrer kleinen Displays über eine eingeschränkte Multimediafunktionalität. Mit LEDs sind auch Pico-Projektoren möglich, die sich in die mobilen Geräte integrieren lassen (Embedded Projector) oder eigenständige tragbare Geräte verkörpern.

Statt einer weißen (LED-) Lichtquelle, aus deren Spektrum man grüne, blaue und rote Farbanteile erst rausfiltern, liefern LEDs als RGB-Variante die Farben direkt. LED-Projektoren basieren meist auf DLP-Technologie (Digital Light Processing) von Texas Instruments und erzeugen Bilder aus diesen drei Grundfarben.

Bild 3: Der schematischer Aufbau und die Funktion eines Projektors.Osram Opto Semiconductors

Als bildgebendes Element dient der DMD, ein Mikro-(Opto)-Elektro-Mechanisches System (MEMS) bei dem sich jeder Bildpixel durch einen Kippspiegel repräsentiert. Das Licht läuft zuerst über dichroitische Spiegel, die nur bestimmte Wellenlängen durchlassen oder reflektieren. Anschließend passiert es eine homogenisierende Optik und gelangt dann auf den DMD.

Dort erfolgt eine sequenzielle Bestrahlung des  gesamte Kippspiegel-Arrays mit rotem, grünem und blauem LED-Licht. Der DMD schaltet die einzelnen Spiegel für jede Lichtfarbe unterschiedlich lange in den On- oder Off-Modus und stellt pro Pixel die richtige Menge Blau, Grün und Rot bereit. Nacheinander entsteht ein rotes, grünes und blaues Bild, das über eine Projektionsoptik an die Projektionsfläche gelangt. Dank der schnellen Wiederholrate nimmt das menschliche Auge es nur als ein farbiges Bild wahr. Die Farbanteile des Bildes basieren auf der Leuchtdauer der einzelnen Farben. Weil LEDs monochromatisches Licht aussenden, hat das projizierte Bild gesättigte Farben, also einen hohen Color Gamut.

Bild 4: Eine Gegenüberstellung der Farbgamuts von weißen und RGB-LEDs.Osram Opto Semiconductors

Neben Pico-Projektoren profitieren auch klassische Office- oder Home-Cinema-Projektoren von den Vorteilen der LED-Lichtquellen. Gegenüber konventionellen Projektorlampen, die man nach 3000 bis 4000 Stunden wechseln muss, haben LEDs eine wesentlich längere Lebensdauer; mehr als 20.000 Stunden. LED erreichen sofort nach dem Einschalten die volle Helligkeit (Instant On) und liefern gesättigtere, reine Farben, die insbesondere bei roten Farbtönen zur Geltung kommen. Das Licht von anderen Lampen oder weißen LEDs hat einen geringen Rot-Anteil und wirkt daher eher kühl. Für die verschiedenen Einsatzgebiete stehen Projektoren in unterschiedlichen Leistungsklassen zur Verfügung.

Leistungsklassen von Projektoren

• 15 – 80 lm: Embedded-Smartphone- und Pico-Projektoren.
• 100 – 200 lm: Ultra-Portable batteriebetriebene Projektoren in kleinen Gehäusen.
• 500 – 700 lm: Pocket- und Video-Projektoren sowie Head-up-Displays, kleine Gehäuse, portabel etwa zusammen mit Notebook.                                            
• 700 – 1000 lm: semiprofessioneller Bereich, wie Heimkino, hier überzeugen reine und naturgetreue Farben.
• 1000 – 1500 lm: Office-Anwendungen, Besprechungsräume, klassische Projektoranwendungen
• 700 – 1000 lm: Kontroll- und Steuerungseinrichtungen für die Verkehrs-, Industrieanlagen- und Rückprojektionssystemsüberwachung; sie werden zu größeren Videowänden zusammengefasst und arbeiten mindestens fünf Jahre rund um die Uhr fehler- und             wartungsfrei.

Aufeinander abgestimmt

Je leistungsstärker, also je heller ein Projektor ist, umso größer müssen auch das DMD, die LED und das Projektorgehäuse sein. Am effizientesten arbeitet ein Projektor, wenn die Leuchtflächen der LED genau zu Größe und Typ des DMD sowie zum optischen System passen, denn das DMD empfängt nur Strahlen bis zu einem bestimmten Einfallswinkel. Für die Realisierung eines helleren Projektors, genügt es daher nicht, größere oder mehr LED einzusetzen.

Auch das DMD muss man entsprechend anpassen. Wichtig ist dieser Aspekt hinsichtlich der verschiedenen Gehäusegrößen für die Beleuchtungseinheit. Die einfachste Lösung sind diskrete RGB-LEDs (3-Kanal Beleuchtung), die über drei dichroitische Filter gelenkt werden. Kleiner und günstiger wird das System, wenn eine Komponente mehrere Farben liefert.

Bei Pico-Projektoren ist die komplette Projektionseinheit sehr klein. Daher kommen kleine DMD mit Diagonalen von 0,2 bis 0,3 Zoll zum Einsatz sowie die passenden LEDs mit 750 µm Kantenlänge (30 mil) oder 1 mm² (40 mil) Chipgröße. Die maximale Dicke der Projektionseinheit beträgt für Smartphones 5 mm. Um Platz zu sparen, sind zwei oder sogar alle drei Farben in einem LED-Gehäuse zusammengefasst. Eine wichtige Rolle spielt außerdem die Effizienz der LED, denn die verfügbare Energie ist aufgrund der Batterielaufzeit begrenzt und liegt in der Regel etwa bei 1 W. Das Ziel besteht bei Pico-Projektoren darin, aus 1 W die maximale Projektorhelligkeit zu erzielen. Diese liegt etwa bei 15 bis 20 lm und reicht für Bilddiagonalen bis 2 m.

Ultraportable und Pocket-Projektoren verwenden DMDs mit Diagonalen von 0,3 bis 0,45 Zoll und größere LED-Chips. Meist gibt es hier eine Leistungsbegrenzung, die von der Batterielaufzeit und der Projektor-Baugröße abhängt. Eine höhere Leistung bedingt größere LED-Treiber und aufwändigere Kühlung.

Nutzbares Licht entscheidet

Wenn der elektrischen Leistung und der Projektor-Baugröße keine Grenzen gesetzt sind, ist für eine gegebene DMD-Größe die Projektorhelligkeit begrenzt. Dies liegt daran, dass das Projektorsystem Etendue-begrenzt ist: Es muss eine begrenzte Fläche (DMD) unter einem maximalen Winkel mit Licht Bestrahlung finden. Es gibt also für das optische System eine geometrische Begrenzung der Beleuchtung. Dies wiederum bestimmt die maximale optische Ausdehnung (Leuchtfläche und Abstrahlwinkel) der Lichtquelle.

Bild 5: Ein Projektorsystem ist Etendue-begrenzt. Osram Opto Semiconductors

Bei gegebener Abstrahlcharakteristik gibt es also eine maximal nutzbare LED-Leuchtfläche. Wird diese überschritten, so kann man das zusätzliche Licht nicht nutzen. Es erreicht den DMD entweder außerhalb der aktiven Fläche oder außerhalb des erlaubten Winkels. Will man das gesamte Licht nutzen, so muss das Entendue der LED kleiner oder gleich dem Etendue des Systems sein.

Die Tabelle zeigt verschiedene DMD-Typen und deren Etendue sowie die passenden LED-Chipgrößen mit Etendue. Für große DMDs erreicht man die große nutzbare Leuchtfläche durch das Zusammensetzen mehrerer einzelner LED-Chips. Die größte Chipgröße (Leuchtfläche) für einen Einzelchip beträgt 2 mm².

Verschiedene DMD-Typen und deren Etendue sowie die passenden LED-Chipgrößen mit Etendue.Osram Opto Semiconductors

Die größte resultierende Leuchtfläche beträgt 12 mm² und setzt sich zusammen aus sechs 2-mm²-Chips. Dabei bestimmen Größe und Anzahl der Chips maßgeblich die Bauform, das heißt das Gehäuse der LED. Mit zunehmender Leuchtfläche muss man mehr elektrische Leistung zuführen und mehr thermische Verlustleistung abführen.

Thermische Aspekte

Ab einer DMD-Diagonale von 0,45 Zoll ist es erforderlich, mehrere Chips zum einem Array anzuordnen, um den maximalen Lichtstrom zu erzeugen. Die Chips sind auf maximale Stromdichte und Leuchtdichte optimiert. Hohe Leuchtdichten führen jedoch zu hohen thermischen Verlusten. Im Hochstrombereich liegt die Konversionseffizienz (elektrische zu optischer Leistung) je nach Farbe im Bereich von 20 bis 30 %. Das bedeutet, dass 70 bis 80 % der elektrischen Leistung sich in Wärme umwandelt.

Um eine Überhitzung der LED und damit eine Beeinträchtigung der Lebensdauer zu verhindern, muss man die Wärme abführen. Schon für Pocket- und für alle größeren Projektoren ist daher auf eine effiziente Wärmeabfuhr zu achten. Die leistungsstarke Serie Ostar Projection Power ist in Bezug auf ihren thermischen Widerstand optimiert.

Die Chips sind direkt auf eine Kupferplatine gelötet, sodass die Wärme vom Chip ungehindert in die Platine fließen kann. In der Platine wird die Wärme gespreizt und dann über die Wärmesenke abgeführt. Hierzu dienen in der Regel Heatpipes, in Einzelfällen aber auch die direkte Wasserkühlung.

Mit der Gehäuseplattform Osram Ostar hat Osram Opto Semiconductors eine speziell auf Projektionsanwendungen ausgerichtete LED-Produktfamilie entwickelt, die Projektor-Leistungsklassen bis etwa 2000 lm abdecken kann. So eignen sich die Osram Ostar Projection Compact mit 750 x 750 µm², 1 mm², 2 x 750 x 750 µm², 3 x 750 x 750 µm² sowie die Ostar Projection Cube 750 x 750 µm² und 1 mm² für Embedded- oder Pico-Projektoren. Ultraportable Projektoren sind mit der Ostar Projection Compact 1 mm² und 2 mm² gut ausgestattet. Für Pocket-Projektoren ist die Ostar Projection Compact 2 x 2 mm² bestimmt. Home-Cinema-, Office- und Kontrollraumanwendungen sind die Domäne der Ostar Projection Power von 2 x 2 mm²  bis  6 x 2 mm² Chipfläche.

(rao)