DE10353293A1

DE10353293A1 - LED-Leuchte für Medien mit wellenlängenabhängiger Lichtabsorption und -streuung

Info

Publication number: DE10353293A1
Application number: DE10353293A
Authority: DE
Inventors: Herbert Hofsäss; Nils Hofsäss; Heinz A. Klose; Peter Stadt; Fritz Zierke
Original assignee: SIGNAL CONSTRUCT ELEKTRO OPTIS; SIGNAL-CONSTRUCT ELEKTRO-OPTISCHE ANZEIGEN und SYSTEME GmbH
Current assignee: SIGNAL CONSTRUCT ELEKTRO OPTIS; SIGNAL-CONSTRUCT ELEKTRO-OPTISCHE ANZEIGEN und SYSTEME GmbH
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2005-06-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine LED-Leuchte in der Art einer Clusteranordnung von Lichtemitterdioden (LED) unterschiedlicher Emissionsspektren und verschiedener Abstrahlwinkel für die Erzeugung weißen Lichtes im Rahmen der Sichtweite in Medien mit selektiver Lichtabsorption und/oder -streuung, wobei für extrem große Tragweiten auch zusätzlich rote Laserdioden herangezogen werden. DOLLAR A Ziel der Erfindung ist es, eine LED-Leuchte bereitzustellen, die durch additive Lichtmischung weißes Licht mit gewünschter korrelierter Farbtemperatur innerhalb der Sichtweite erzeugt und die selektive Absorption bzw. Streuung in Medien optimal kompensiert, so daß zu beobachtende Fern- und Nahobjekte durch weißes Licht beleuchtet und wahrgenommen werden können. Die LED-Leuchte zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß durch eine unterschiedliche Stromsteuerung der LED bzw. Laserdioden der selektiven Absorption durch eine Intensitätszunahme oder -abnahme entgegengwirkt und daß die Tragweite in weiten Grenzen verändert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchte, die aus unterschiedlichen Lichtemitterdioden (LED) besteht und zum Ziel hat, in Medien mit wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten und/oder starker Lichtstreuung eine Ausleuchtung und Beobachtung von Objekten sowohl im Nah- als auch im Fernbereich mit gewünschter Lichtart (Farbtemperatur) zu gewährleisten, wobei eine vom Nutzer gewünschte Einstellung manuell oder auch durch eine automatische optoelektronische Regelung möglich ist.
In Medien mit wellenlängenabhängiger Absorption verändert sich nicht nur die Intensität des Lichtes einer Leuchte mit der Entfernung sondern auch die spektrale Zusammensetzung. Dies trifft in analoger Weise auch auf die Streuung des Lichtes zu, denn sie schwächt infolge der Größe und der Anzahl der Streuzentren das Licht und verändert es unter bestimmten Bedingungen auch spektral mit der Entfernung. Daher benötigt man zunehmend Leuchten, die diese Veränderungen optimal kompensieren können, um Objekte möglichst unter tageslichtähnlichen Bedingungen betrachten zu können.
Derartige Veränderungen des Lichtes einer Leuchte werden insbesondere durch eine wellenlängenabhängige Absorption der Medien wie z. B. Wasser verursacht, die in erster Linie durch das Beer-Lambertsche-Gesetz beschrieben werden kann: I(λ, x, ϑ, φ) = I0(x0, λ, ϑ, φ)·exp{–k(λ, x, ϑ, φ)(x – x0)} (1)
In dieser Gleichung stellen I(λ, x, ϑ, φ) die Intensität des Leuchtenlichtes in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ am Ort x sowie von den azimutalen und zenitalen Öffnungswinkeln ϑ und φ des Lichtstrahls, I₀ die einfallende Lichtintensität kurz nach dem Austritt aus der Leuchte am Ort x₀, k(λ, x, ϑ, φ) den Absorptionskoeffizient des Mediums bei der Wellenlänge λ am Ort x mit den Öffnungswinkeln θ und φ des Strahls und (x – x₀) bzw. x die Entfernung des Lichtes von der Leuchte bzw. den zurückgelegten Weg des Lichtes dar. Die Tragweite einer Leuchte in einem Medium wie Wasser oder in getrübter Atmosphäre wird also in erster Linie durch die Absorption bestimmt und ist dementsprechend mit Hilfe des Absorptionskoeffizienten schnell abschätzbar. So nimmt man Blut in entsprechender Entfernung im Wasser bei weißer Beleuchtung in grüner Farbe wahr, da Hämoglobin zwei Transmissionsbanden im roten und im blau-grünen hat, und die rote Bande schneller im Wasser als die blau-grüne absorbiert wird. Bezieht man sich weiterhin auf das Beispiel Wasser, so wird die Tragweite bzw. die Sichtweite für unterschiedliche Farben sehr verschieden sein, wie man dem wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten 1 von reinem Wasser aus der 1 entnehmen kann. Nutzt man für schnelle Abschätzungen der Sichtweite x_s, bei der ein dunkles Objekt gerade noch erkennbar wäre, die Näherung nach Duntley /1/ xs ≅ 4/k(λ, x, ϑ, φ), (2)so würde man für reinstes Ozeanwasser (Sargassosee mit k ≈ 0,015 in^–1) eine horizontale Sichtweite von etwa 267 m, in der Ostsee dagegen eine von maximal 20 m errechnen. Man erkennt folglich aus der 1 zweifelsfrei, daß der Absorptionskoeffizient 1 von sehr reinem Wasser eine starke Wellenlängenabhängigkeit aufweist, was durch das Minimum bei etwa 475 nm im Blauen und durch den hohen Wert bei etwa etwa 650 nm im Roten charakterisiert wird /2/. Bei großen Entfernungen bleibt daher nur das blau-grüne Licht mit einer Bandbreite von etwa 150 nm für Beleuchtungen unter Wasser übrig. Der Unterschied der Absorptionskoeffizienten bei diesen Wellenlängen beträgt nahezu eine Größenordnung. Das bedeutet, daß in sehr reinem Wasser das rote Licht wesentlich stärker als das blaue absorbiert wird, was aus anfangs weißem Licht einer Leuchte einen blauen Strahl werden läßt, eine Tatsache, die man in Unterwasserfilmen oder -photographien immer wieder beobachten kann. Nach Jerlov gibt es sehr unterschiedliche Wassermassen, die man grob in ozeanische Wassermassen und in Küstenwässer einteilen kann. Nimmt man für eine gute Unterwassersichtbarkeit mittels Leuchte ein Verhältnis von I₀: I(λ, x_s) ≅ 50 an, und bedenkt man, daß Licht einer Leuchte von einem Objekt reflektiert werden muß, also den doppelten Weg zurücklegen muß, um das Auge des Beobachters wieder zu erreichen, dann könnte man in der Sargassosee, die das reinste Meerwasser aufweist, im blauen Spektralbereich ein Objekt unter Verwendung einer eigenen Leuchte in einer Entfernung von 130 m noch sehen, während man im roten Spektralbereich nur in 15 in Entfernung das Objekt wahrnehmen könnte. Aus diesem Vergleich folgt, daß es mit herkömmlichen Unterwasserleuchten, auch unter Verwendung sehr leistungstarker Lampen, nicht möglich ist, ein Objekt unter Wasser in seinen natürlichen Färben zu beobachten, da immer nur blaues Licht im Fernbereich zur Verfügung steht. Hier soll nun die Erfindung Abhilfe schaffen. Durch eine Regelung der Intensität des roten bzw. blauen Lichtes kann man letztendlich im Rahmen der Sichtweite eine weiße Beleuchtung von zu beobachtenden Objekten realisieren. Aus dieser Tatsache ergibt sich die Zielstellung der Erfindung, eine Leuchte zu schaffen, die die selektive Absorption in Medien derart ausgleicht, daß man immer eine normale, tageslichtähnliche Beleuchtung relativ einfach einstellen kann. Sind beispielsweise in Wassermassen noch sogenannte Gelbstoffe oder viele Schwebeteilchen, wie das in der Ostsee der Fall ist, vorhanden, dann verändert sich der Absorptionskoeffizient 2 gegenüber dem des sehr reinen Wassers, was die 2 ausdrückt. Der Absorptionskoeffizient 2 nimmt insgesamt zu und weist eine veränderte Wellenlängenabhängigkeit auf. Das Minimum des Absorptionskoeffzienten verschiebt sich in den grün-gelben Spektralbereich, woraus sich auch die Wortschöpfung Gelbstoffe ableitet. Bedingt durch die Zunahme des Absorptionskoeffizienten nimmt die Sichtweite gegenüber reinem Meerwasser ab und die Objekte werden dann im gelben Licht gesehen. Ähnlich verhält es sich bei bestimmten Algen bzw. Phytoplankton im Meer, was zu einem Minimum im Grünen führt. Bei bestimmten Planktonarten tritt sogar eine Rotfärbung auf, was dem Roten Meer seinen Namen gab. Hier wird das grüne bzw. blaue Licht wesentlich stärker als das rote absorbiert. Folglich möchte ein Taucher oder ein Unterwasserphotograph auch in solchen Wässern die Objekte so sehen, als ob sie mit weißem Licht bestrahlt werden würden. Auch in diesen Fällen wünscht man sich also eine Unterwasserleuchte, die die Objekte im weißen Licht zu betrachten gestattet. Sind die Wässer noch stärker verunreinigt, was beispielsweise in Häfen, in manchen Seen und und in tidebeeinflußten Flüssen sowie in küstennahen Gewässern der Fall, dann liegt die Tragweite eines weißen Lichtstrahls häufig um oder unter einem Meter oder höchstens bei wenigen Metern. Hier wünscht sich der unter Wasser Tätige trotzdem eine flächenartige Beleuchtung des ihn interessierenden Objektes. Das ist bei herkömmlichen Leuchten nur mit aufwendigen mechanischen Änderungen der Scheinwerferspiegel, was ein komplizierter mechanischer Vorgang ist, oder wie im Autoscheinwerfer durch eine zweite Lampe möglich. In beiden Fällen wird ein erhöhter Platz- und Energiebedarf benötigt. Auch diese Forderung sollte mit einer Lösung der oben genannten Gattung erfüllbar sein.
Die geschilderten Erscheinungen sind jedoch nicht nur im Medium Wasser, sondern auch in getrübten Atmosphären vorhanden, was ja jeder Autofahrer im Nebel oder bei anderen Unwettern oft selbst bemerkt. So ist die horizontale Sichtweite x_h (auch oft als Normsicht weite bekannt), die dem Abstand entspricht, in dem ein Beobachter ein Objekt vor dem Horizont gerade noch erkennen kann, durch xh ≅ (ln 50)/σe (550 nm) (2)gegeben, während die meteorologische Sichtweite x_m, durch xm ≅ (ln 20)/σe (550 nm) (3)ausgedrückt werden kann (s. /3/. Hier stellt σ_e(550 nm) den atmosphärischen Extinktionskoeiffzienten im Grün-Gelben, also im Bereich der maximalen Augenempfindlichkeit, dar, der im Gegensatz zum Absorptionskoeffizienten k neben der reinen Absorption auch noch die Streuung im Medium beinhaltet. So beträgt σ_e (550 nm) für eine gute Sicht 0,15 km^–1 und für eine im starken Nebel 60 km^–1, was meteorologische Sichtweiten von 20 km bzw. 50 m ergibt. Eine unterschiedlich starke Absorption tritt insbesondere bei Regen, bei Nebel und bei Schneefall auf. Die Wellenlängenabhängigkeit ist hier allerdings schwach. Ursache sind kleine und kleinste Wasserteilchen in flüssiger oder fester Form in der Luft, die mehr oder weniger homogen im Raum verteilt sind. Die Absorption kann so stark sein, das Sichtweiten unter einem Meter auftreten. Hier sollte also eine neuartige Leuchte gemäß der geschilderten Erfindung von Fern- auf Nahlicht umschaltbar sein oder selbst regelnd eine Umschaltung bewirken, um auch in der Nähe des Beobachters noch im weißen Licht sehen zu können, was ja in ähnlicher Weise auch durch Nebelscheinwerfer in der Automobilbranche angestrebt wird.
Bisher wurde nur auf den selektiven Absorptionsprozeß im unterschiedlich reinem Wasser und auf die Absorption in trüben Atmosphären eingegangen. Es muß jedoch ergänzt werden, daß auch die Streuung von Licht an kleinsten Teilchen im Wasser oder in der Luft Einfluß auf die Sichtweite und auf die spektrale Veränderung des weißen Lichtes nehmen kann. So spricht man beispielsweise bei Sichtweiten unter 1 km in Luft schon von Nebel. Ist beispielsweise Wasser nicht ganz sauber bzw. sind in der Luft Wassertröpfchen vorhanden, kann eine Lichtstreuung derart auftreten, daß die Sichtweite extrem abnimmt (z. B. starker Nebel). Diese Lichtstreuung beruht auf zwei Effekten, die von der Größe der Verunreinigungsteilchen im Wasser oder von Wassertröpfchen in der Atmosphäre abhängen. Sind die Durchmesser d dieser Streuzentren klein im Vergleich zur Lichtwellenlänge λ (d < λ), dann wird die Intensität I_s(λ, ψ) des gestreuten Lichtes durch die wellenlängen- und winkelabhängige Rayleigh-Streuung bestimmt. Die Intensität des gestreuten Lichtes ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge, wird also durch Is(λ, ψ) = const. λ–4 (4)bestimmt. Das bedeutet, daß das blaue Licht stärker als das rote gestreut wird (Beispiele: Abendrot; blaues Meer). Mit typischen Wellenlängen für blaues bzw. rotes Licht von etwa 480 nm bzw. von 625 nm wird das blaue Licht um etwa den Faktor 4 stärker als das rote gestreut. Außerdem weist das Streulicht eine Winkelabhängigkeit mit dem Streuwinkel ψ auf, und zwar eine Kosinusverteilung, die sich aber nur um den Faktor 2 ändert. Da die Streulichtintensität im Normalfalle jedoch gering ist, würde erst bei sehr großen Weglängen oder bei sehr hohen Konzentrationen der Streuzentren ein zu berücksichtigender Effekt im Wasser oder in der Atmosphäre für Beleuchtungsprobleme auftreten.
Sind die Durchmesser d der Streuzentren im Wasser oder in der Atmosphäre (Nebel, feinster Regen, Rauch, feinste Sedimente im Wasser) dagegen vergleichbar mit der Wellenlänge des Lichtes λ (d ~ λ), dann tritt die sogenannte Mie-Streung auf. Sie ist durch eine nahezu von der Wellenlänge λ unabhängige Streuung (schwache Zunahme mit wachsender Wellenlänge) und durch eine starke Streuung in Vorwärtsrichtung gekennzeichnet, was beispielsweise für Unterwasserleuchten durchaus vorteilhaft genutzt werden könnte. So entsteht die milchige Färbung eines Lichtstrahls im unreinen Wasser bzw. im seichten Nebel.
Zwischen diesen Effekten muß also eine universell einsetzbare Leuchte optimiert werden, wenn sie denn naturgetreu ein Objekt beleuchten soll. Herkömmliche Leuchten nutzen meistens das Licht thermischer Strahler (z. B. Glühlampen), die elektromagnetische Strahlung gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz mit einer Farbtemperatur um 3.000 K als scheinbar weißes Licht emittieren, was sich aber immer noch eindeutig vom Sonnenlicht als Umgebungsbeleuchtung (etwa 5600 K) unterscheidet. Bei Entladungslampen (wie z. B. Leuchtstofflampen) wird durch additive Farbmischung der einzelnen Linien und Banden vom Auge scheinbar weißes Licht wahrgenommen, stellt jedoch kein kontinuierliches Spektrum wie bei thermischen Strahlern dar und ist beispielsweise kaum für Unterwasserleuchten geeignet, da die Entfärbung noch schneller einsetzen kann. Während die Entfärbung des Lichtes eines thermischen Strahlers mit der stärkeren Absorption im gesamten langwelligeren Spektralbereich einher geht, tritt sie bei Entladungslampen deshalb noch schneller ein, weil beispielsweise die roten Linien und Banden (im umgekehrten Falle auch die im Grünen oder Blauen!) durch die stärkere Absorption zu einer grundlegenden Änderung der additiven Farbmischung führen. Diese Entfärbungen verhindern beispielsweise in der Unterwasserphotographie bzw. bei Unterwasserfilmaufnahmen gerade bei Verwendung solcher Lampen eine naturgetreue Farbgebung wie sie im Sonnen- oder Tageslicht auftritt.
Bisherige Leuchten, die für die gekennzeichneten Medien eingesetzt werden, zeichnen sich dadurch aus, daß leistungsfähige Lampen mit einem starken Akku oder mit einer Versorgungsleitung möglichst weißes Licht emittieren oder daß durch Filter, die einen hohen Anteil des ursprünglichen Lichtes absorbieren, eine gewisse Weißfärbung in bestimmten Entfernungen beibehalten wird. Dies garantiert aber noch keine weiße Beleuchtung von Objekten bei unterschiedlichen Entfernungen, außer wenn kompliziert steuerbare Filteranordnungen eingesetzt werden, was aber die Lichtabsorption in der Leuchte selbst erhöht, außerdem den elektrischen Energieverbrauch drastisch heraufsetzt und auch die Masse sowie das Volumen der Leuchte vergrößert. In diesem Sinne sind also solche Lösungen nur ein bedingter technischer Fortschritt. Hinzu kommt bei solchen Leuchten der generell hohe Verbrauch elektrischer Energie und die geringe Lebensdauer der verwendeten Lampen. Auch die in der Automobilindustrie eingesetzten Leuchten und Scheinwerfer lassen sich allein nicht den vorliegenden Anforderungen entsprechend farblich steuern und ermöglichen auch die Veränderung der Abstrahlcharakteristik eines Scheinwerfers nur durch eine zweite, asymmetrisch angebrachte Lampe.
Ziel der Erfindung ist also eine Leuchte, die sich farblich und abstrahlmäßig von Hand oder elektronisch derart steuern läßt, daß die selektive Absorption und Streuung im notwendigen Rahmen kompensiert wird, daß die Abstrahlcharakteristik für Nah- bzw. Fernbeleuchtungen verändert werden kann, daß die Leuchte eine hohe Lebensdauer bei minimiertem Leistungsbedarf gegenüber bisherigen Leuchten aufweisen soll und daß sie methodisch sowohl als Unterwasserleuchte als auch zur Beleuchtung in unterschiedlichen Atmosphären eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch den Einsatz von farblich unterschiedlichen Lichtemitterdioden (LED) mit gleicher und/oder unterschiedlicher Bauform gelöst. Der Einsatz von Lichtemitterdioden garantiert zum einen eine lange Lebensdauer und einen niedrigen Energieverbrauch, so daß zwei der oben genannten Forderungen schon erfüllt wären. Die Erfindung ist nun durch weitere Merkmale gekennzeichnet, die sowohl die gute Ansteuerung der LED, ihre Emissionseigenschaften und ihre unterschiedliche Abstrahlcharakteristik nutzen.
Eine wichtige Eigenschaft von Lichtemitterdioden für die Realisierung der Erfindung ist ihre Ansteuerung über ihre nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie gemäß der Shockleyschen Gleichung If = Isexp{qUf/nkT) (5)
In diese Gleichung gehen folgende Größen ein: I_f: Flußstrom; U_f: Flussspannung; I_s: Sättigungsstrom; k: Boltzmannkonstante; T: absolute Temperatur, n: Konstante mit einem Wert zwischen 1 und 2). Da die Anzahl der emittierten Photonen über einen großen Strombereich dem Flussstrom direkt proportional ist, lassen sich die einzelnen LED oder LED-Gruppen in einer Leuchte bzgl. ihrer Lichtintensität durch eine kleine Flussspannungsänderung über mehrere Größenordnungen leicht steuern. So benötigt man beispielsweise für eine weißes Licht emittierende LED eine Flussspannungsänderung von etwa 150 mV für eine Flussstromänderung um eine Größenordnung, was eine gute elektronische Steuerung ohne Schwierigkeiten zu leisten vermag und eine Helligkeitsänderung um ebenfalls den Faktor 10 liefern würde. Damit ergibt sich die Möglichkeit, bei Verwendung unterschiedlich farbiger LED durch die Steuerung einer LED-Art eine additive Farbmischung aus mehreren LED zu realisieren sowie zielgerichtet zu verändern und auch die Lichtintensität und somit die Tragweite schnell zu steuern. Somit bietet sich die Möglichkeit, bei selektiver Absorption, wie sie im Wasser im Roten gemäß 1 bzw. im Blauen gemäß 2 auftreten kann, unter Verwendung von verschiedenen LED eine LED-Art davon strommäßig so zu steuern, daß immer die gewünschte korrelierte Farbtemperatur am zu beobachtenden Objekt bzw. in der Reflexion erzielt wird (s. weiter unten).
Eine weitere für die Erfindung wichtige Eigenschaft von LED ist ihre unterschiedliche Abstrahlcharakteristik, die bei Radialdioden halbe Öffnungswinkel 3 bis zu 6° aufweisen kann (s. 3), während SMD-LED und nackte LED-Chips nahezu eine kosinusförmige Abstrahlung 4 haben können (s. 3), so daß sehr unterschiedliche Tragweiten mit solchen LED realisiert werden können. Damit sind die physikalisch-technischen Voraussetzungen für die beschriebene Erfindung gegeben.
Leuchten mit LED für unterschiedliche Applikationen sind in den anzuführenden Druckschriften von Roos (Rollennummer G 89 06 143.8), Leone ( EP 1 136 746 A1 ) und insbesondere von Strobl ( DE 19937852 C2 ) in Bezug auf Taucherleuchten enthalten. Während der erste Erfinder die LED nur zur Anzeige des Ladezustands des Akkus schützt, sind im EP von Leone LED selbst als Leuchtmittel aufgeführt. Dabei sind gleichartige LED ringförmig angeordnet und werden von einem aufladbaren Akku gespeist. Diese Erfindung tangiert also keine der oben formulierten Ziele. Im Gegensatz dazu muß die Schrift von Strobl beachtet werden. Er ließ sich die Verwendung unterschiedlicher LED sowie die Steuerung der Farbe und der Helligkeit schützen. Die hier geäußerten Grundgedanken zur Steuerung der Leuchte entsprechend dem vorliegenden Absorptionskoeffizienten des Wassers bzw. getrübter Atmosphäre und die Umschaltbarkeit von großen Tragweiten auf eine flächenhafte Ausleuchtung von Objekten sind jedoch nicht enthalten. Weiterhin sind Erfindungen zu Leuchten mit LED für ähnliche Anwendungen und für den Signalbereich von Kästner ( EP 0853302 A1 ), von Hohmann ( DE 29700991 U1 ) und von Walter ( DE 29622402 U1 ) zu erwähnen. In der EP-Anmeldung von Kästner soll der Gedanke geschützt werden, daß blau-grüne und oranges Licht emittierende LED für die Erzeugung von weißem Licht für Signaleinrichtungen herangezogen werden. Die Schrift streift keinen der Grundgedanken der oben erläuterten Erfindung. Von Hohmann wird in einer Gebrauchsmusteranmeldung eine Taschenleuchte mit LED und Reflektor vorgeschlagen, die LED einer Farbe aber unterschiedlicher Lichtwirkung verwendet. Es wird also eine Taschenleuchte mit nahezu monochromatischer Lichtemission beschrieben. Der Gedanke der Verwendung unterschiedlicher LED ist hier ebenfalls erwähnt und muß bei der oben angegebenen Erfindung Berücksichtigung finden. Die Gebrauchsmusteranmeldung von Walter wird ebenfalls wie die von Kästner von der Firma GARUFO GmbH getragen und ist weitgehend mit der EP-Anmeldung von Kästner identisch.
Damit ist der Stand der Technik bzgl. der Patentanmeldungen dargelegt und muß bei der vorgeschlagenen neuen Lösung beachtet werden.
Die Erfindung möge an mehreren Ausführungsbeispielen genauer erläutert werden, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird.
1: Absorptionskoeffizient k(λ) in Abhängigkeit von der Wellenlänge für reines Wasser
2: Absorptionskoeffizient k(λ) in Abhängigkeit von der Wellenlänge für Wasser mit hohem Phytoplanktongehalt
3: Abstrahlcharakteristik einer blauen/grünen Radial-LED und einer SMD-LED
4: Emissionsspektrum einer hybriden weißen Radial-LED
5: Farbmischung mit roter und weißer LED durch die Flussstromvariation der roten LED zwischen 0,25 und 2,7 mA bei Konstanthaltung des Flussstroms der weißen LED (20 mA)
6: Einfache Anordnung von weißen und roten Radial-LED in der Leuchte
7: Farbmischung mit blauer, grüner und roter LED, wobei der Flussstrom der roten LED zwischen 6 und 14 mA variiert wurde, die Flußströme der blauen (10 mA) und der grünen LED (18 mA) wurden dagegen konstant gehalten.
8a: Veränderung der korrelieren Farbtemperatur der LED-Leuchte mit blauen, grünen und roten LED in Abhängigkeit vom Flußstrom der roten LED für einen 10°-Beobachter
8b: Veränderung der korrelierten Farbtemperatur der LED-Leuchte mit blauen, grünen und roten LED in Abhängigkeit vom Flußstrom der roten LED für einen 2°-Beobachter
9: Einfache Anordnung von blauen, grünen und roten LED in der Leuchte
10: Einfache Anordnung von zwei LED-Arten (radiale LED und SMD-LED)
11: Druckausgleichender Schalter
Im ersten Ausführungsbeispiel soll die Leuchte weiße hybride, radiale LED und rote radiale LED enthalten, deren Art und Anzahl nach der notwendigen Helligkeit und Tragweite festgelegt werden muß. In der 4 ist das Spektrum einer kalt-weißen LED dargestellt. Man erkennt einen markanten Peak im Blauen 5, der von der Injektionslumineszenz des pn-Übergangs im GalnN herrührt und die Farbtemperatur zu hohen Werten verschiebt, sowie eine breite Bande 6 mit einem Maximum im gelben Spektralbereich, die durch die Absorption eines Anteils der blauen Injektionslumineszenz und die Erzeugung einer Photolumineszenz im Farbstoff über dem pn-Übergang erzeugt wird. Fügt man jetzt einer bestimmten Anzahl weißer LED eine bestimmte Anzahl roter LED hinzu, dann kann durch die Flussstromsteuerung der roten LED die korrelierte Farbtemperatur in weiten Grenzen geändert werden. In der 5 ist diese Abhängigkeit vom Flussstrom 7 dargestellt. Durch die Veränderung des Flussstroms der roten LED zwischen 2,7 mA und 0,25 mA bei einem konstanten Flussstrom von 20 mA der weißen LED kann man die korrelierte Farb temperatur des additiv gemischten Lichtes zwischen 2.200 K und 4:300 K verändern. Diese Abhängigkeit der korrelierten Farbtemperatur vom Flußstrom ist nahezu linear. Der Bereich des Flussstroms der roten LED läßt sich ohne Schwierigkeiten bei ausreichender Lichtemission über mehr als mehr zwei Größenordnungen von etwa 0,1 mA bis 30 mA regulieren. Wenn nun das rote Licht stärker absorbiert wird als das blaue und grüne, wie es oben für reines Wasser erläutert wurde, dann kann man durch die Zunahme des Flussstroms der roten LED die eingestellte korrelierte Farbtemperatur in der Nähe des zu beobachtenden Objekts bzw. des Auges des Beobachters beibehalten. Mit der Flußstromregulierung im angegebenen Beispiel läßt dann eine entsprechend große Zunahme der roten Photonenflußdichte einstellen, so daß man den Absorptionseffekt in weiten Grenzen kompensieren kann. Die Anbringung der LED in einer solchen Leuchte könnte entsprechend der 6 vorgenommen werden. Die Anordnung bzw. Verteilung der weißen LED 9 und der roten Emitter 10 auf dem LED-Träger 8 kann abwechselnd erfolgen, wobei sie auch viereckig, kreisrund, oval oder in anderen geometrischen Formen und Zusammenstellungen ausgestaltet werden kann. Auch die Anzahl der weißen und roten LED muß nicht im Verhältnis 1:1 festgelegt werden, sondern soll den angestrebten Sichtweiten, korrelierten Farbtemperaturen und Helligkeiten angepaßt werden. Es muß hier jedoch noch angefügt werden, daß selbstverständlich auch eine Regelung der weißen LED möglich ist, wenn man in trüberen Medien wie beispielsweise im Ostseewasser oder im planktonhaltigen Meereswasser bei verändertem Absorptionskoeffizienten die LED-Leuchte verwenden will, um sie dem vorliegenden Minimum des Absorptionskoeffizienten anzupassen. Hinzugefügt muß hier noch werden, daß eine sehr hohe rote Photonenflußdichte zur Realisierung großer Tragweiten auch rotes Licht emittierende Laserdioden zusätzlich eingesetzt werden können, da sie auf dem Markt in hoher Qualität preiswert angeboten werden.
Das zweite Ausführungsbeispiel, ausgehend von 7, soll eine LED-Leuchte aus verschiedenen, nahezu monochromatisch abstrahlenden LED, beispielsweise aus blauen 11, grünen 12 und roten LED 10 sein, die dann durch additive Farbmischung weißes Licht ergeben. Die Emissionsspektren derartiger LED, dargestellt in der 7, sind in ihrer Höhe bzw. ihrer Intensität strommäßig leicht steuerbar. Durch eine analoge Anordnung der LED gemäß 5 und der entsprechenden Stromsteuerung erreicht man in nahezu jeder Tragweite weißes Licht. Auch in diesem Beispiel wurde nur der Flußstrom der roten LED 10 verändert. Die Variation der korrelierten Farbtemperatur mit dem Flußstrom der roten LED ist wieder eine annähernd lineare Funktion und reicht im angegebenen Bereich der 8a und 8b von etwa 4.000 K bis zu etwa 10.000 K sowohl für den 2°- als auch für den 10°-Beobachter. Sowohl die Kurve des 10°-Beobachters 13 als auch des 2°- Beobachters 14 weisen einen schwachen Knick der sonst linearen Verläufe bei etwa 6.000 K auf. Auch in diesem Beispiel läßt sich der Flusstrom der roten LED über mehr als zwei Größenordnungen variieren. Das Analogon kann natürlich mit der Flußstromveränderung der grünen bzw. blauen LED erreicht werden. Eine mögliche Anordnung der verschiedenen LED in der Leuchte ist in der 9 schematisch dargestellt. Die roten 10, grünen 15 und blauen LED 16 sind hier in Tripeln angeordnet, was jedoch kein Dogma ist. Im dritten Ausführungsbeispiel möge die Umschaltung von großen Tragweiten auf eine LED-Leuchte mit Kosinusverteilung, also auch auf eine Nahbeleuchtung, erläutert werden. Hierzu verwendet man eine Anordnung von radialen LED 18 und von SMD-LED 17 gemäß 10 in der Leuchte unter Nutzung der sehr verschiedenen Abstrahlcharakteristiken der 3. Anstelle der SMD-LED können auch nackte Chips verwendet werden. Durch eine einfache Umschaltung werden entweder die engabstrahlenden oder die nahezu flächenartig abstrahlenden LED zur Lichtemission angeregt. Dabei kann man auch auf die engabstrahlenden LED verschiedener Emissionsfarben wie in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 zurückgreifen. Benötigt man in sehr trüben Gewässern eine hohe Lichtintensität der weißen SMD-LED, dann reguliert man den Flussstrom entsprechend Gleichung (4) und verändert die Lichtintensität um mehrere Größenordnungen. Will man in solchen Gewässern filmen oder photographieren, dann können die weißen SMD-LED auch pulsmäßig, wie in der Blitzlichtphotographie üblich, angesteuert werden, wobei eine Synchronisation der LED-Leuchte und des Aufnahmegerätes keine Schwierigkeiten bereitet. Da LED auch bei großen Flussstromdichten noch Schaltzeiten im niedrigen μs-Bereich aufweisen, kann mit sehr kurzen Pulsen eine extrem hohe Lichtintensität realisiert werden. Sucht man nach Anwendungen in trüben Atmosphären, so sei daran erinnert, dass nahezu alle Autolackfarben rotes Licht stärker als anders farbiges Licht reflektieren, was zur besseren Erkennbarkeit unter Verwendung von rotem Licht in trüben Atmosphären beiträgt.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel soll sich auf die Realisierung der Umschaltung des Modus der Lampe beziehen. Da unter Wasser in größeren Tiefen der hydrostatische Druck sehr groß wird, muß man Maßnahmen ergreifen, daß bei normalen Druckschaltern kein automatisches Schalten hervorgerufen wird. Das kann dadurch verhindert werden, daß ein Drehschalter verwendet wird, der allerdings im Wasser unter hermetischer Verkappung der Leuchte schwer zu bedienen sein dürfte. Daher wird vorgeschlagen, einen Schiebeschalter gemäß 11 zu verwenden, der die LED 19 in der Leuchte 21 mit dem transparenten Fenster 20 als durchgängiger Schieber 24 einen Druckausgleich bietet, da der hydrostatische Druck auf beiden Seiten gleich groß ist und sich folglich kompensiert. In der Leuchte 21 wird dann der Kontakt 22 durch eine kleine Verschiebung von 24 in die Kontaktnut 23 gedrückt und der Stromfluß für eine Beleuchtungsart freigegeben. Ensprechend den verschiedenen Schaltzuständen für die Erzeugung weißen Lichtes muß dieser Schiebeschalter zahlreiche Kontakte 22 und 24 aufweisen, die beim Schieben unter Wasser gut einrasten.

/1/ S.Q.Duntley: "Underwater visibility", in „The Sea", Ed. M.N.Hill, Vol. 1, S. 452-455, J. Wiley & Sons, N.Y. 1962.
/2/ J.N. Lythgoe and D.P.M.Northmore: "Colours Underwater", in COLOUR 73, Ed. R. W.Hunt, S. 77-97, Adam Hilger, London 1973.
/3/ K. Beier, S.Kokoschka und G. Ruppersberg: „FASSIMOD", Abschlussbericht des BMFT-Projektes „Prometheus", Pase III, 1995.

1: Kurve des Absorptionskoeffizienten in reinem Wasser
2: Kurve des Absorptionskoeffzienten in schwach verunreinigtem Wasser
3: Abstrahlintensität einer radialen grünen LED
4: Abstrahlcharakteristik einer SMD-LED
5: blaues Emissionsspektrum einer weißen LED
6: gelbes Emissionsspektrum einer weißen LED
7: Emissionsspektrum einer roten LED in Abhängigkeit vom Flussstrom
8: Rahmen bzw. LED-Träger der LED-Leuchte
9: weiße LED
10: rote LED
11: Emissionsspektrum einer blauen LED
12: Emissionsspektrum einer grünen LED
13: Kurve der korrelierten Farbtemperatur für den 10°-Beobachter
14: Kurve der korrelierten Farbtemperatur für den 2°-Beobachter
15: grüne LED
16: blaue LED
17: SMD-LED
18: radiale LED
19: LED in der Leuchte
20: transparenter Lampenschirm
21: Gehäuse der Leuchte
22: Druckkontakt
23: Kontaktnut
24: Schiebeschalter mit automatischem Druckausgleich

Claims

LED-Leuchte, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquellen verschieden farbige LED gleicher oder unterschiedlicher Bauformen in einer Art Clusterleuchte derart angeordnet werden, daß durch eine additive Farbmischung, die durch eine Stromsteuerung der farblich unterschiedlich emittierenden LED erreicht werden kann, in nahezu jeder Entfernung in selektiv absorbierenden und/oder streuenden Medien immer weißes Licht mit einer gewünschten korrelierten Farbtemperatur wahrgenommen wird, daß nach Wunsch auch andersfarbige Beleuchtungen mit nahezu monochromatischem Licht hoher Farbsättigung möglich sind, daß durch die Stromsteuerung auch die Helligkeit um mehrere Größenordnungen variiert werden kann und daß Schaltmöglichkeiten zwischen einer Leuchte mit großer Tragweite und einer flächenartigen Strahlverteilung gegeben sind.
LED-Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß farblich unterschiedliche LED mit kleinem Öffnungswinkel herangezogen werden, die strommäßig derart gesteuert werden, daß in der gewünschten Entfernung in selektiv absorbierenden und/oder streuenden Medien bzw. in der Sichtweite immer weißes Licht vorhanden ist.
LED-Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben den engabstrahlenden LED auch noch SMD-LED bzw. nackte Chips mit großem Abstrahlwinkel angeordnet werden, so daß durch einen einfachen Schaltervorgang von einer LED-Leuchte mit großer Tragweite bzw. engem Abstrahlwinkel auf eine kosinusartig abstrahlende LED-Leuchte umgeschaltet werden kann, in dem die engabstrahlenden LED aus- und die weitabstrahlenden SMD-LED oder nachten LED-Chips eingeschaltet werden.
LED-Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen kleinen Flussspannungshub die Intensität des Lichtes der Leuchte um mehr als zwei Größenordnungen verändert und damit die Tragweite in weiten Grenzen geregelt und somit den Erfordernissen des Nutzers, wie z. B. eines Tauchers, eines Unterwasserphotographen oder eines Autofahrers, angepaßt werden kann.
LED-Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu weißen hybriden, radialen LED rote LED hinzugeschaltet werden, deren Intensität der Injektionslumineszenz stromsteuerbar ist und der gewünschten Tragweite trotz hoher Absorption im Roten angepaßt werden kann, so daß immer weißes Licht wahrgenommen wird.
LED-Leuchte nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu den weißen hybriden LED neben den roten LED auch rotes lichtemittierende Halbleiterlaserdioden hinzugeschaltet werden, um extreme Reichweiten zu ermöglichen.
LED-Leuchte nach Anspruch 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromsteuerung der weißen LED erfolgt, um einen Absorptionsausgleich zu schaffen, falls Licht im blaugrünen Spektralbereich stärker als im roten absorbiert wird.
LED-Leuchte nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß blaue, grüne und rote LED als Grundelemente zur Farbmischung für das Erreichen weißen Lichtes herangezogen werden, wobei die Einstellung des weißen Lichtes bei der notwendigen Tragweite vorzugsweise über eine Stromsteuerung der roten LED erfolgt.
LED-Leuchte nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromsteuerung der blauen oder der grünen LED ein Absorptionsausgleich erfolgt, falls Licht im blau-grünen Spektralbereich stärker als im roten absorbiert wird.
LED-Leuchte nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß für sehr kurzzeitige starke Belichtungen die LED, insbesondere die roten LED und/oder die roten Laserdioden impulsmäßig angesteuert werden, wobei eine differenzierte pulsartige Ansteuerung aller Lichtemitter ebenfalls möglich ist.
LED-Leuchte nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß je nach wirksamem selektiven Absorptionskoeffizienten auch eine wahlweise Stromsteuerung der vorhandenen LED zur Erreichung weißen Lichtes vorgenommen werden kann.
LED-Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung extrem großer Tragweiten nur LED mit einem Spektrum verwendet werden, das im Absorptionsminimum des vorliegenden Mediums liegt.
LED-Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei stark getrübtem Medien wie Wasser ober nebliger Atmosphäre nur LED mit einer Emission herangezogen werden, die an der langwelligen Grenze des sichtbaren Spektrums liegt, um Streueffekte zu minimieren und um größere Sichtweiten als mit weißem oder gelbem Licht zu erreichen.
LED-Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei extrem stark getrübtem Medium wie verunreinigtes Wasser mit sehr kurzer Sichtweite, wie es sich beispielsweise für Taucher in belasteten Häfen darstellt, anstelle der im Sichtbaren emittierenden LED im nahen Infrarot emittierende Dioden (IRED) herangezogen werden, wobei zur Erkennung ein Bildwandler verwendet werden muß.
LED-Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur optoelektronisch gesteuerten Aufrechterhaltung bzw. Einstellung weißen Lichtes am Orte des Tauchers nach der Reflexion am zu beobachtenden Objekt selektiv empfindliche Photodioden oder mit Filtern versehene Photodioden herangezogen werden, um eine Spektrometer einzusparen.
LED-Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der manuellen Steuerung auch eine optoelektronische herangezogen werden kann, in dem selektiv empfindliche Photodioden das an der Innen- und Außenseite der Abschlußscheibe der Leuchte reflektierte Leuchtenlicht mit dem vom Objekt reflektierten zu vergleichen und Aussagen zur Intensität und zur Lichtzusammensetzung zu bestimmen ermöglichen und folglich eine LED-Steuerung automatisch durchzuführen gestatten.
LED-Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer bestimmten Wassertiefe durch einen Sensor bzgl. des von oben einfallenden Lichtes, dessen Intensität gemäß der Gleichung (1) exponentiell mit der Tiefe abnimmt, die Leuchte zur Sicherheit der Taucher automatisch eingeschaltet wird.
LED-Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Handschaltungen des hohen Druckes wegen in größeren Tiefen durch einen durch die Leuchte hindurch gehenden Schiebeschalter gemäß Ausführungsbeispiel 4, der in jeder Tiefe durch den allseitig wirkenden hydrostatischen Druck folglich druckkompensiert ist, ausgeführt werden.