Hochleistungs-LED Die Vorteile der LED in einem Pico-Projektor

Autor / Redakteur: Wolfgang Schnabel und Stefan Morgott * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Dank Hochleistungs-LED lassen sich Pico-Projektoren realisieren oder Tablet und Smartphone werden selbst zu einem Projektor. Dahinter stecken sogenannte Digital Micromirror Devices.

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Helle Projektoren: Dank Hochleistungs-LED sind kompakte und mobile Geräte möglich. Auch lassen sich dank der kompakten Lichtquelle Projektoren in mobilen Endgeräten integrieren.
Helle Projektoren: Dank Hochleistungs-LED sind kompakte und mobile Geräte möglich. Auch lassen sich dank der kompakten Lichtquelle Projektoren in mobilen Endgeräten integrieren.
(Bild: Osram Opto Semiconductors)

Mit der LED als Lichtquelle ergeben sich völlig neue Arten von Einsatzfeldern bei den Projektoren. So lassen sich Pico-Projektoren in mobile Endgeräte integrieren oder als eigenständige, tragbare Geräte umsetzen. Zum Einsatz kommen Hochleistungs-LED, deren RGB-Farbspektrum durch unterschiedliche Techniken realisiert wird. So werden Grün und Blau mit der ThinGaN- oder der UX:3-Technik produziert, während mit Thinfilm Rot erzeugt. Gleichzeitig wird durch verbesserte Chips und Gehäuse die Lichtleistung kontinuierlich gesteigert. Auf dem Weg zur Hochleistungslichtquelle mussten die Entwickler optische und thermische Aspekte berücksichtigen.

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Das Ziel bei einer Hochleistungs-LED besteht darin, möglichst viel Licht aus einer vorgegeben Fläche zu produzieren. Als Vorläufer einer typischen Hochleistungs-LED gilt das Backlight, hergestellt für die ersten Head-up-Displays in den Jahren 2001 bis 2003. Es folgte die Entwicklung des ersten 1-mm²-Chip von Osram mit hoher Leuchtdichte, der später in LED der Osram Ostar-Familie Einsatz fand.

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Einsatzgebiete und Leistungsklassen

Hier sind Einsatzgebiete und Leistungsklassen [lm] von Projektoren zusammengetragen:

  • Einzelne, portable sowie in mobile Geräte integrierte (Embedded-)Pico-Projektoren: 15 bis 80 lm.
  • Batteriebetriebene Projektoren in kleinen Gehäusen: 100 bis 300 lm
  • Video- und Pocket-Projektoren, Head-up-Displays, kleine, portable Gehäuse wie Notebooks: 500 bis 700 lm
  • Semiprofessionelle Anwendungen wie Heimkino, in denen extrem reine, naturgetreue Farben entscheidend sind: 700 bis 1000 lm
  • Kontroll- und Steuerungseinrichtungen zum überwachen von Industrieanlagen sowie Verkehrswege. Hierbei werden Rückprojektionssysteme zu größeren Videowänden zusammengefasst und arbeiten üblicherweise 5 Jahre oder mehr rund um die Uhr. Fehler- und wartungsfreie Funktion ist hierbei das Hauptkriterium: 700 bis 1000 lm
  • Klassische Projektor- und Office-Anwendungen: 1000 bis 2000 lm

Ziel war es nun, eine LED mit derselben Helligkeit zu entwickeln, die auch eine herkömmliche Hochvoltlampe mit einer Wendellänge von 1 mm erzeugt. Für die Entwicklung effizienter Systeme musste der Lichtleitwert mit einbezogen werden. Dieser Lichtleitwert oder auch Etendue genannt ist eine Konstante, welche die geometrische Fähigkeit der Lichtdurchlässigkeit eines optischen Systems beschreibt.

Die folgende Tabelle zeigt verschiedene DMD-Typen, deren Etendue sowie die passenden LED-Chipgrößen mit Etendue:

DMD Etendue (mm²sr)
F# 2,4 x 2,4
(12° x 12°)
Etendue (mm²sr)
F# 2,0 x 2,0
(14° x 14°)
LED Etendue (mm²sr)
collection angle ±70°
0,2'' nHD 1,7 2,2 750 µm x 750 µm 1,4
0,3'' WVGA 3,4 4,6 1 mm² 2,3
0,45'' WXGA 7,5 10,2 2 mm² 5
0,55 XGA 13 17 2 mm x 2 mm 11
0,65'' 1080p 16 21 4 mm x 2 mm 23
0,95'' 1080p 34 46 6 mm x 2 mm 35

Das Produkt aus Öffnungsgröße und Raumwinkel, aus dem das System Licht aufnimmt, ergibt den entsprechenden numerischen Wert. Daher ist die maximale LED-Fläche durch die Systemparameter vorgeben und kann nicht beliebig vergrößert werden, um die geforderten Lumen zu erreichen. Wenn die gesamte Lumenmenge eines Projektors durch die Etendue einer oder mehrerer Komponenten begrenzt wird, bezeichnet man das als Etendue-begrenzt. Die Etendue misst die Ausdehnung eines Strahlenbündels in der geometrischen Optik.

Höhere Stromtragfähigkeit und Leuchtdichte

Ein sogenanntes Digital Micromirror Device, kurz DMD, diente als erster Imager für einen LED-Projektor mit einer Diagonale von 0,55. Mit entsprechender Optik war eine maximale LED-Leuchtfläche von 4 mm² möglich, welche 2003 die Basis für die erste monochromen Osram Ostar-LED bildete. Der erste LED-Projektor kam bereits 2005 auf den Markt. Die darin verbauten drei monochromen roten, blauen und grünen LED des Typs Osram Ostar enthielten jeweils vier Chips mit je einer Chipfläche von 1 mm² und hoher Leuchtdichte.

Während 2003 die ersten, mit LED ausgestatteten Projektoren in ihrer Helligkeit noch beschränkt waren, war man 2009 schon so weit, einen Chip mit 2 mm² in einem SMD-Gehäuse auf den Markt zu bringen, der mit seiner deutlich höheren Stromtragfähigkeit und Leuchtdichte einen großen Helligkeitsschub brachte. Eine weitere Steigerung erfuhr das System mit der Converted-Green-LED. Die zuvor wenig effektiven grünen LED-Chips leuchten seither doppelt so hell, und auch Projektoren wurden deutlich heller.

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