LED-Optik-Design: Lichtlenkung & Effizienz
🔬 Was ist LED-Optik?
LED-Optik bezeichnet die sekundäre Optik (Linsen, Reflektoren), die das Licht der LED-Chips gezielt lenkt. Ohne Optik strahlt eine LED diffus in alle Richtungen (~120°). Mit optimierter Optik können Abstrahlwinkel von 5° bis 120° undEffizienzgewinne bis 92% erreicht werden.
Grundlagen der Lichtemission
📋 Normative Grundlagen: LED-Optik-Design folgt internationalen Standards:
- EN 12464-1: Beleuchtung von Arbeitsstätten (Abstrahlwinkel, UGR-Werte)
- IES LM-79: Photometrische Messungen von LED-Produkten
- CIE 127: Messung von LEDs (Lichtstärkeverteilung)
- DIN 5040: Leuchten für Beleuchtungszwecke (Lichtverteilungsklassen)
Primäre vs. Sekundäre Optik
| Optik-Typ | Beschreibung | Abstrahlwinkel |
|---|---|---|
| Primäre Optik | LED-Chip selbst + Vergussmasse (Epoxid/Silikon) Ist fest mit dem LED-Chip verbunden | ~120° (Lambertian) |
| Sekundäre Optik | Externe Linse oder Reflektor Lenkt und bündelt das Licht gezielt | 5° - 120° (einstellbar) |
Lambertscher Strahler
Eine nackte LED (ohne sekundäre Optik) ist ein Lambertscher Strahler:
- Lichtstärkeverteilung: I(θ) = I₀ × cos(θ)
- Maximale Intensität: Senkrecht zur LED-Oberfläche (0°)
- Abstrahlwinkel: FWHM ~120° (Full Width Half Maximum)
- Problem: Viel Licht geht in unerwünschte Richtungen → geringe Effizienz
Lambertsche Abstrahlcharakteristik einer nackten LED
Sekundäre Optik-Systeme
1. TIR-Linsen (Total Internal Reflection)
Funktionsprinzip
TIR-Linsen nutzen Totalreflexion an der Innenwandung zur Lichtlenkung:
- Zentralbereich: Brechung durch plankonvexe Linse
- Randbereich: Totalreflexion an verspiegelter Innenfläche
- Ergebnis: Sehr enge Bündelung möglich (5° - 60°)
Effizienz: 85-92% (sehr gut!)
TIR-Linsen-Prinzip: Zentrale Brechung + seitliche Totalreflexion
✓ Vorteile TIR-Linsen
- Sehr hohe optische Effizienz (85-92%)
- Enge Bündelung möglich (5° - 60°)
- Gleichmäßige Lichtverteilung
- Kompakte Bauform
- Niedrige Kosten (Spritzguss)
- Keine Farbsäume (achromatisch)
✗ Nachteile TIR-Linsen
- Empfindlich gegen Kratzer
- Vergilbung bei hoher Temperatur (>100°C)
- Nicht für große Abstrahlwinkel (>90°) geeignet
- Justage kritisch (Abstand zur LED ±0,1mm)
- Materialauswahl begrenzt (meist PMMA oder PC)
💡 Praxisbeispiel: Museum-Strahler
Anforderung: Gemälde-Beleuchtung (3m Distanz, 500 lx auf 1m² Fläche)
- Lösung: COB-LED 15W (1800 lm) + TIR-Linse 15° + CRI 95
- Optik-Effizienz: 88% (TIR) → 1584 lm nutzbares Licht
- Resultat: 520 lx auf Zielfläche, homogene Ausleuchtung, keine Farbverfälschung
- Norm-Konformität: Erfüllt EN 12464 für Museen (300-500 lx, CRI > 90)
Optik-Materialien im Vergleich
Basierend auf Industriestandards und Herstellerspezifikationen (2025)
| Material | Transmission | Brechungsindex | Temp.-Stabilität | Kosten |
|---|---|---|---|---|
| PMMA (Acryl) | 92% | 1,49 | bis 80°C | € |
| PC (Polycarbonat) | 88% | 1,59 | bis 120°C | €€ |
| Silikon | 95% | 1,42 | bis 180°C | €€€ |
| Glas (BK7) | 96% | 1,52 | >400°C | €€€€ |
2. Reflektoren
Arten von Reflektoren
Parabolischer Reflektor
Prinzip: Lichtquelle im Brennpunkt → paralleles Licht
Abstrahlwinkel: 10° - 40° (enge Bündelung)
Effizienz: 75-85%
Formel: y² = 4fx (f = Brennweite)
Elliptischer Reflektor
Prinzip: Lichtquelle in Brennpunkt 1 → Fokus in Brennpunkt 2
Anwendung: Projektoren, Scheinwerfer
Effizienz: 70-80%
Vorteil: Präzise Fokussierung auf Zielfläche
Facettierter Reflektor
Prinzip: Viele kleine Facetten lenken Licht gezielt
Anwendung: Gleichmäßige Flächenausleuchtung
Effizienz: 80-90%
Vorteil: Homogene Ausleuchtung ohne Hotspots
Reflektor-Typen: Parabolisch (paralleles Licht), Elliptisch (Fokussierung), Facettiert (homogen)
Beschichtungen
| Beschichtung | Reflexion | Eigenschaften |
|---|---|---|
| Aluminium (blank) | 85-90% | Günstig, vergilbt nicht, oxidiert langsam |
| Silber (verspiegelt) | 95-98% | Höchste Effizienz, teurer, Schutzlack nötig |
| MIRO (Al + Schutzlack) | 90-95% | Langlebig, kratzfest, UV-beständig |
| Enhanced Aluminium | 93-96% | Mehrschicht-Beschichtung, hohe Präzision |
3. Diffusoren & Streuscheiben
Funktionsweise
Diffusoren streuen das Licht gezielt zur Homogenisierungdes Lichtbilds:
- Opal-Diffusor: Milchig-weiß, starke Streuung → 40-60% Transmissionsgrad
- Mikroprismatik: Feine Prismen → 75-85% Transmissionsgrad, gute Blendungsbegrenzung (UGR < 19)
- Nanostrukturiert: Hochtransparent → 85-92% Transmissionsgrad, gleichmäßige Streuung
- Geätzte Oberfläche: Chemisch/mechanisch aufgeraut → 70-80% Transmission, diffuse Streuung
⚠️ Trade-off: Mehr Streuung = niedrigere Effizienz, aber bessere Gleichmäßigkeit und Blendungsbegrenzung
Abstrahlwinkel-Design
Wahl des Abstrahlwinkels nach Anwendung
Empfehlungen gemäß EN 12464-1 und DIN 5040
| Abstrahlwinkel | Optik-Typ | Anwendung | Lichtausbeute |
|---|---|---|---|
| 5° - 15° (Spot) | TIR-Linse, Parabolreflektor | • Akzentbeleuchtung • Galerie-Spots • Weitwurf-Strahler • Architekturbeleuchtung | 85-92% |
| 20° - 40° (Flood) | TIR-Linse, facettierter Reflektor | • Arbeitsplatzbeleuchtung • Regale, Vitrinen • Fassadenstrahler • Retail-Beleuchtung | 80-88% |
| 50° - 90° (Wide) | Asymmetrische TIR, Reflektor | • Deckenleuchten • Flurbeleuchtung • Allgemeinbeleuchtung • Downlights | 70-80% |
| > 100° (Batwing) | Diffusor + Reflektor, Mikroprismen | • Bürobeleuchtung (EN 12464: UGR < 19) • Indirekte Beleuchtung • Homogene Ausleuchtung (U₀ ≥ 0,6) • Panel-Leuchten (Rasterleuchten) | 50-70% |
Optische Effizienz
Verluste in der Optik-Kette
Typische Verlustquellen
| LED-Chip (elektrisch → Licht): | 40-60% Effizienz | Wärme-Verlust dominant |
| Primäre Optik (Verguss): | 95-98% Transmission | Absorption + Reflexion |
| Sekundäre Optik (TIR/Reflektor): | 85-92% Effizienz | Fresnel-Verluste |
| Diffusor (optional): | 60-90% Transmission | Streuung rückwärts |
| Gesamt-Lichtausbeute: | 20-50% | (elektrisch zu Nutzlicht) |
Beispielrechnung: LED mit 50% Chip-Effizienz × 96% Verguss × 88% TIR × 80% Diffusor = 33,8% Gesamt-Effizienz
Optimierung der optischen Effizienz
- 1. Hocheffiziente LED-Chips wählen: > 150 lm/W (z.B. Nichia 757, Samsung LM301H)
- 2. Sekundäre Optik optimieren: TIR-Linsen > Reflektoren > Diffusoren (bei gleicher Anwendung)
- 3. Beschichtungen: MIRO-Aluminium (90-95%) oder Silber (95-98%) statt blankes Aluminium
- 4. Anti-Reflex-Beschichtung: Auf Linsen-Oberflächen reduziert Fresnel-Verluste um 3-4%
- 5. Temperaturmanagement: Kühlung < 85°C verhindert Vergilbung von PMMA/PC
- 6. Präzise Justage: Positionierung der Optik zur LED ±0,1mm für optimale Effizienz
- 7. Materialauswahl: Silikon-Optik für Hochtemperatur-Anwendungen (> 100°C)
- 8. Oberflächenqualität: Polierte Oberflächen (Ra < 0,1 µm) reduzieren Streuverluste
Batwing-Verteilung für UGR-Optimierung
Was ist Batwing?
Batwing-Verteilung = Lichtstärke ist nicht maximal bei 0° (senkrecht nach unten), sondern bei 45-60° Abstrahlwinkel.
Batwing-Charakteristik: Maximale Lichtstärke seitlich, reduziert in Achsrichtung
Vorteile für Bürobeleuchtung (EN 12464-1)
- Reduzierte Direktblendung: Weniger Licht direkt in die Augen (0-20°)
- UGR < 19 einfacher erreichbar: Durch geringe Leuchtdichte bei 0° (Norm-Anforderung für Bildschirmarbeitsplätze)
- Gleichmäßige Ausleuchtung: Gleichmäßigkeit U₀ ≥ 0,6 (EN 12464 Mindestanforderung)
- Höhere Raumeffizienz: Durch indirekte Lichtanteile (Reflexion von Decke/Wänden)
- Besserer Sehkomfort: Reduzierte Reflexblendung auf Bildschirmen (nach DIN EN 12464)
🔍 EN 12464 Anforderungen für Büros: 500 lx Beleuchtungsstärke, U₀ ≥ 0,6, UGR ≤ 19, CRI ≥ 80, Farbtemperatur 3000-6500K
Umsetzung
• Optische Mikroprismen in der Abdeckung (z.B. Prismatik-Raster)
• Lamellengitter (z.B. BAP-Raster, doppelt parabolisch)
• Asymmetrische Reflektoren mit spezieller Oberflächengeometrie
• Kombinierte Direkt/Indirekt-Leuchten (z.B. 60% direkt / 40% indirekt)
COB vs. SMD: Optische Unterschiede
| Merkmal | COB (Chip-on-Board) | SMD (Surface Mount) |
|---|---|---|
| Leuchtfläche | Groß (10-20mm Ø) | Klein (mehrere 3×3mm) |
| Leuchtdichte | Niedrig → weniger Blendung | Hoch → mehr Blendung |
| Punktlichtquelle | Nah an ideal | Mehrere Punktquellen |
| Sekundäre Optik | 1 große Linse → hohe Effizienz | Mehrere kleine Linsen → komplexer |
| Lichtbild | Gleichmäßig, homogen | Ggf. Mehrfachschatten |
| Wärmemanagement | Zentrale Kühlung, einfacher | Verteilte Wärme |
| Anwendung | • Downlights • Spots (Akzent) • Hochleistungsscheinwerfer • Track-Lights | • Flächenleuchten • LED-Streifen • RGB-Effekte • Hintergrundbeleuchtung |
Simulation & Design-Tools
Software für Optik-Design
Professionelle Tools
- Zemax OpticStudio – Industry Standard, Sequential & Non-Sequential Ray-Tracing
- LightTools (Synopsys) – Illumination Design, LED-Optik, Automobilscheinwerfer
- TracePro – BSDF-Modellierung, Streuung, Stray Light
- FRED (Photon Engineering) – Stray Light Analysis, komplexe Systeme
- ASAP (Breault Research) – Präzise Raytracing, Toleranzanalyse
Lichtplanung & Kostenfreie Tools
- DIALux evo – Lichtplanung mit IES-Dateien, kostenlos
- Relux Desktop – Ähnlich DIALux, einfachere Bedienung
- Blender + LuxCore – Open-Source Rendering mit physikalisch korrektem Licht
- Python + Raytracing-Bibliotheken – Custom-Lösungen für Forschung
IES-Dateien & Photometrische Daten
IES-Dateien (Illuminating Engineering Society) enthalten photometrische Daten zur Lichtstärkeverteilung einer Leuchte:
- Format: Text-basiert, standardisiert (IESNA LM-63)
- Inhalt: Lichtstärkeverteilung (cd/klm), Abstrahlwinkel, Leuchtmittel-Daten
- Anwendung: Import in DIALux, Relux für realistische Lichtplanung
- Erstellung: Goniophotometer-Messung oder Simulation (Zemax, LightTools)
Wichtig: IES-Dateien nur mit realen Messdaten verwenden, nicht mit geschätzten Werten, da sonst Planungsfehler entstehen.
Praxistipps für die Leuchtenwahl
✓ Spots & Akzentbeleuchtung
- Optik: TIR-Linsen 10-30°, Effizienz 85-90%
- LED-Typ: COB 10-50W, CRI > 90 (für Kunst/Retail)
- Lichtstärke: 2000-8000 cd (je nach Abstrahlwinkel)
- Anwendung: Museen, Galerie, Einzelhandel, Architektur
- Steuerung: Dimmbar 0-10V oder DALI, optional tuneable white
✓ Büro-Rasterleuchten (EN 12464)
- Lichtverteilung: Batwing mit Mikroprismen, UGR < 19
- Beleuchtungsstärke: 500 lx (Schreibtisch), Gleichmäßigkeit U₀ ≥ 0,6
- Optik: Diffusor 80-85% Transmission + Raster/Lamellen
- Farbqualität: 4000K neutral-weiß, CRI ≥ 80, flimmerfrei (> 1000 Hz)
- Effizienz: LOR (Light Output Ratio) > 65%
✓ Flächenleuchten & Panels
- LED-Typ: SMD-Arrays mit Opal/Prismatik-Diffusor
- Lichtverteilung: > 100° lambertsch, Gleichmäßigkeit U₀ > 0,7
- Effizienz-Trade-off: 30% Verlust durch Diffusor, aber homogene Ausleuchtung
- Anwendung: Büro-Panels, Wohnraum, Empfangsbereiche
- Performance: LOR > 65%, System-Effizienz 90-110 lm/W
⚡ Hochleistungs-Strahler (Außenbereich)
- Leistung: COB-LED 50-200W, Lichtstärke > 20.000 cd
- Optik: Parabolreflektor mit Silber-Beschichtung (95-98% Reflexion)
- Wärmemanagement: Aktive Kühlung (Lüfter) oder passive Heatpipe
- Schutzart: IP65/IP66 (staubdicht, strahlwasserfest), IK08 Stoßfest
- Anwendung: Sportstadien, Industriehallen, Fassadenstrahler, Parkplätze
Häufige Fehler beim Optik-Design
✗ Vermeiden Sie diese Fehler
→ 10° Spot für Allgemeinbeleuchtung → ungleichmäßige Ausleuchtung, Hotspots
→ PMMA vergilbt > 80°C → Lichtverlust & Farbverschiebung
→ Fresnel-Verluste 8-12% pro Grenzfläche
→ Mehrfachschatten, hohe Blendung, pixeliges Lichtbild
→ ±0,5mm Abstand → bis zu 20% Effizienzverlust
→ Opal-Diffusor bei Spots → Effizienz sinkt auf 40-50%
✓ Zusammenfassung
- Sekundäre Optik: Lenkt Licht gezielt (5° - 120° Abstrahlwinkel)
- TIR-Linsen: Höchste Effizienz (85-92%), enge Bündelung, kompakt
- Reflektoren: Flexibel, robust, Effizienz 75-95% je nach Beschichtung
- Diffusoren: Homogenisierung, aber Effizienz-Verlust 10-40%
- Batwing: Ideal für UGR < 19 (Bürobeleuchtung), max. Intensität bei 45-60°
- COB-LEDs: Homogenes Lichtbild, ideal für Spots und Downlights
- Optische Effizienz: Gesamtkette 20-50% (elektrisch zu Nutzlicht)
- Design-Tools: Zemax, LightTools für professionelle Planung
- Materialien: PMMA bis 80°C, PC bis 120°C, Silikon bis 180°C
- Beschichtungen: Silber 95-98%, MIRO 90-95%, Aluminium 85-90%
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Letzte Aktualisierung: 3. November 2025
Hinweis: LED-Optik-Design ist ein komplexes ingenieurstechnisches Fachgebiet. Für professionelle Leuchtenhersteller empfiehlt sich die Zusammenarbeit mit spezialisierten Optik-Designern und der Einsatz von Ray-Tracing-Software. Alle technischen Daten basieren auf aktuellen Industrie-Standards (IES, EN 12464, DIN 5040) und Herstellerangaben führender Hersteller wie Carclo, LEDIL, Khatod (Stand 2025).