Licht in die richtige Bahn lenken

So lässt sich mit Lichtleitern das volle Potenzial der LED ausschöpfen

| Autor / Redakteur: Sebastian Wette * / Hendrik Härter

Freiformoptik: In der Kennzeichenleuchte von Mentor verteilt das Licht normgerecht.
Freiformoptik: In der Kennzeichenleuchte von Mentor verteilt das Licht normgerecht. (Bild: Mentor)

Mit einem entsprechend konstruierten Lichtleiter für die LED lassen sich ganz individuelle Beleuchtungen erschaffen. Wir schauen uns die Grundlagen an und zeigen verschiedene Beispiele.

Kunststofflichtleiter spielen eine immer wichtigere Rolle in den unterschiedlichsten Anwendungen. Und mit Blick auf den Designaspekt steigen auch die Anforderungen an den Lichtleiter aus Kunststoff. Unterstützt von Ray-Tracing-Software lassen sich unterschiedliche Kundenwünsche realisieren. Es gibt kaum noch ein Gebrauchsgut, welches nicht mit LED-Technik versehen ist. Das beginnt bei einem einfachen Lichtleiter für eine Indikationsanzeige im Frontplatteneinbaubereich und endet bei komplexen Ambientbeleuchtung-Szenarien im Auto. Mit steigender Marktdurchdringung der LED für Beleuchtungsanwendungen stellen sich auch an das gewünschte Lichtbild und der damit verbundenen Konstruktion des lichtleitenden Kunststoffbauteils neue Herausforderungen.

Die Anforderungen an einem Lichtleiter

Gleichzeitig erhöhten sich auch die Anforderungen in Bezug auf Präzision und Formtreue im Werkzeugbau und dem Spritzgussprozess. In der Praxis stehen dabei oft die gegebenen Bauraumbedingungen im Gegensatz zu den Bedingungen für eine optimale Beleuchtung, wodurch der Anspruch an das Design und die Spritzteileigenschaften für das bestmögliche Ergebnis extrem ansteigen. In unserem Text erläutern wir die aktuellen Anforderungen an einen Lichtleiter und die damit verbundenen Konsequenzen hinsichtlich Konstruktion und optischem Design sowie den damit erforderlichen Werkzeugbau.

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Verantwortlich für die Lichtleitung innerhalb von transparenten Kunststoffen ist das snelliussche Brechungsgesetz. Es besagt, dass ein Lichtstrahl beim Übergang von einem Medium in ein anderes gebrochen wird und somit seine Richtung ändert. Der Sachverhalt wird durch die folgende Gleichung 1 ausgedrückt: n1 × sinα1 = n2 × sinα2, wobei n die Brechzahl des Mediums angibt und α den Brechungswinkel relativ zur Flächensenkrechten. Das Brechungsgesetz ist nicht nur dafür verantwortlich, dass eine Richtungsablenkung von Lichtstrahlen von einem Medium ins nächste auftritt, sondern auch dafür, dass Licht unterhalb eines bestimmten Eintrittswinkel vom Kunststoff zur Luft hin reflektiert wird und nicht in die Luft übergehen kann.

Wenn der Lichtstrahl transmittiert oder reflektiert

Ob ein Lichtstrahl transmittiert oder reflektiert wird hängt zum einen vom Einfallswinkel zum anderen vom verwendeten Kunststoff und dessen Brechungsindex nK ab. Der Grenzwinkel α, unter dem alle einfallenden Strahlen reflektiert werden, lässt sich nach folgender Formel berechnen:

Gleichung 2
Gleichung 2

wobei α den Winkel zwischen Flächensenkrechter und einfallendem Strahl definiert. Der Brechungsindex n ist eine materialabhängige Größe, die je nach Wellenlänge des Lichtes variieren kann. Die Variation der Brechzahl wird auch Dispersion genannt. Neben der Dispersion tritt auch der Effekt der Absorption innerhalb des Lichtleiters auf. Zwar mag auf den ersten Blick ein transparenter Kunststoff durchsichtig, also nicht absorbierend wirken, bei genauerer Betrachtung gibt es eine partielle wellenlängenabhängige Absorption, die je nach Wegstrecke im Kunststoff variiert.

Werden die physikalischen Effekte berücksichtigt, können computergestützte vereinfachte virtuelle Modelle aufgebaut werden, die ein fast gänzliches Bild der Realität abbilden. Damit ist es möglich, Vorhersagen über das resultierende Lichtbild zu machen, welches sich aus LED und Lichtleiter zusammensetzt.

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