Lichtleiter

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Lichtleiter – Übersicht von Funktionsweise, zur Herstellung und Anwendungsbereiche

Lichtleiter beschreibt eine längliche optische Komponente mit der Eigenschaft Licht über eine Wegstrecke weiterzuleiten. Sie sind aus transparenten Materialien und werden für Beleuchtungszwecke oder Datenübertragung eingesetzt. Lichtleiter spielen eine große Rolle bei der Lichtentwicklung mittels Lichtsimulation.
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Lichtleiter
Lichtleiter mit roter LED. Quelle: TKLEngineering


Funktionsweise von Lichtleitern

Lichtleiter transportieren Licht über eine optische Weglänge durch Reflektion des Lichtes an den Grenzflächen. Die Wirkungsweise der Rückreflektion kann über die Verspiegelung der Grenzflächen, einen Brechungsgradienten oder üblicherweise über die Totalreflexion erreicht werden. Lichtstrahlung, die im Materialinneren unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf der Oberfläche auftreffen, werden innerhalb des optischen Elementes zurück reflektiert. Durch das mehrfache zurückreflektieren im Lichtleiterkern wird eine nahezu verlustfreie Weiterleitung ermöglicht. Das Prinzip der Totalreflexion funktioniert nur unter der Bedingung, dass die Lichtleiterumgebung eine geringere Brechzahl besitzt als das Lichtleitermaterial. Verluste entstehen durch die wellenlängenabhängige Absorption des Lichtleitermaterials und durch Rauigkeiten auf den Außenflächen. Die Absorption ist vom Herstellungsverfahren abhängig und zeigt Fehlerbilder je nach Optimierungsgrad. Typische Fehlerbilder beim Spritzguss sind Blasen, Milchigkeit und Gelbstich bei Einsatz von Weißlicht, die meist durch zu starke Temperierung oder Fehler bei der Vortrocknung entstehen.

Unterschied Lichtwellenleiter und Lichtleiter

Als Lichtwellenleiter werden allgemein Lichtleiter zur Übertragung von Datensignalen bezeichnet. In der Nachrichtentechnik werden sie verwendet, um Internetdaten über Glasfaserkabel in den Ozeanen zu übertragen. Weiterhin finden sie Anwendung in der Energieübertragung von Laserstrahlung, faseroptischen Sensoren, Messtechnik, Mikroskopbeleuchtungen und zur Kommunikation zwischen Geräten. Lichtwellenleiter haben einen hohen Wirkungsgrad, also eine geringe Verlustrate über eine lange optische Strecke. Sie sind größtenteils konfektioniert als Kabel erhältlich. In einem einzigen Kabel werden oft hunderte einzelne der Leiter gebündelt.

Als Lichtleiter oder Lichtleiterkomponente werden in der Industrie Artikel bezeichnet, die für Beleuchtungszwecke oder zur Sensorbeleuchtung eingesetzt werden. Der Hauptunterschied zum Lichtwellenleiter ist die Anpassung der Lichtleitergeometrie auf die Anwendung und das Verwenden von Auskoppelstrukturen auf den Lichtleiteroberflächen. Die Strukturen ermöglichen das gezielte Aussenden von Licht in Raumwinkel oder auf Flächen. Lichtleiter werden in der automobilen Beleuchtung verwendet für ambiente Innenraumbeleuchtung, als Designelemente in Rückscheinwerfern, für Blinkerbeleuchtung und vieles mehr. Sie wird optimiert auf definierte Ausleuchtung des Vorfeldes und bestimmte Raumwinkel. Lichtleiter finden außerdem Anwendung bei Hausgeräten, Medizingeräten und Smart Devices und sind oft lange dünne Stäbe mit Durchmessern von 3–6 mm. Lichtleiter werden größtenteils für Beleuchtungsanwendungen verwendet und fast ausschließlich mit LED betrieben.

Seit einigen Jahren sind dünne Lichtwellenleiterkabel in der Industrie für Beleuchtungszwecke verbreitet. Hier kommen entweder Lichtleiterkabel mit leicht diffusem Material zum Einsatz oder die Lichtleiteroberflächen werden in einem nachgelagerten Prozess gezielt bearbeitet und mit Auskoppelstrukturen versehen.

Geometrie, Herstellung und Lichtauskopplung

Die Anwendung definiert die Form des Lichtleiters. Zweidimensionale Formen sind kostengünstig herzustellen. Die transparenten Platten werden durch nachgelagerte Arbeitsschritte beschnitten und in die benötigte Form gebracht. Für die flächige Auskopplung von Licht werden anschließend Auskoppelstrukturen in die Oberfläche gelasert oder die Oberflächen werden bedruckt. Plattenlichtleiter können durch Temperierung eine leichte Krümmung erhalten. Die Temperierung führt zu Schrumpfungen des Materials, es muss sichergestellt werden, dass das Produkt in Größe und Lichtverhalten weiterhin den Anforderungen entspricht.

Individuelle Lichtleiterformen zur Lichteinkopplung und Lichtleitung werden durch Spritzgussprozesse hergestellt. Dafür werden individuelle Werkzeugeinsätze gebaut, bei denen die Auskoppelstrukturen in Form von geometrischen Elementen wie Prismen, Pyramiden, Halbkugeln eingebracht werden. Milchigkeit und Blasen in gespritzten Lichtleitern sowie ein Gelbstich mit zunehmender Weglänge beim Einsenden von Weißlicht sind typische Fehlerbilder für stabförmige Lichtleiter. Die Vortrocknung des Kunststoffmaterials, die Temperierung beim Spritzguss und die Größe und Anzahl der Anspritzpunkte sind entscheidend für die Lichtqualität. Für optische Prototypen werden entweder Frästeile der Lichtleiter hergestellt oder Teile aus Vakuumguss gefertigt. Frästeile bieten den Vorteil, dass das Originalmaterial verwendet werden kann und die Genauigkeit sehr hoch ist. Nachteilig sind die Kosten für jedes Einzelteil. Der Vakuumguss ist günstiger und erlaubt die Herstellung mehrerer Teile. Nachteilig beim Vakuumguss ist die Verwendung von alternativen Materialien. Flexible Lichtleiter bieten den Vorteil, werkzeugunabhängig zu sein. Diese Lösungen sind für geringe Stückzahlen, Prototypen sowie kleine Bauräume gut geeignet. Mittels Lichtsimulation lassen sich die Leiter designen und analysieren.

Lichtleiter
Lichtleiter: Flächenlichtleiter mit Auskoppelstrukturen. Quelle: TKLEngineering

Einsatzgebiete

Seit der Einführung der LED hat die Beleuchtung von Produkten in Industrie und Automobil stark zugenommen. Lichtleiter, Optiken und Streuscheiben werden fast immer in Kombination mit LED verwendet für die Beleuchtung und Ausleuchtung der Umwelt. Lichtleiter sind das Standartelement, um die Leistung der LED vom Ursprungsort zum Lichtfenster zu transportieren oder Licht entlang des Lichtleiters gezielt abzugeben.

Automobilbranche

Lichtleiter haben in sehr vielen Bereichen Anwendung gefunden, durch die steigende Nachfrage nach Lichtqualität und Licht als Signatur. Frontscheinwerfer, Tagfahrlichter, Rückscheinwerfer, Kleinleuchten und ambienten Beleuchtung im Innenraum sind nur einige Beispiele. In nächster Generation werden animierte, mehrfarbige Innenraumbeleuchtungen, OLED und Mikro LED im Fahrzeug Einzug halten und in Kombination mit Lichtleitern neue Lichtsignaturen ermöglichen.

Industrieanwendungen

Im Industriebereich werden beleuchtete Taster in Kühlschränken, Backöfen, Mikrowellen, sowie Rundumbeleuchtungen und Lichtlinien in Lichtschaltern, Bedienelementen und Spielzeugen mit Lichtleitern und LED realisiert.

In naher Zukunft werden flexible Lichtleiter in Textilien, Kleidung, Betten, Hauswände und viele anderen Anwendungen zum Leuchten bringen. Nahezu jeder Industrie-Produktmanager und Designer hat mittlerweile das Ziel hochwertige Lichtbilder in seinem Produkt zu erzeugen. Die Bandbreite an Applikationen ist sehr groß und umfasst jedes Produkt mit Elektronik. Einige Produktbeispiele sind:

  • Staubsauger
  • Saugroboter
  • Zahnbürsten
  • Anzeigen für Maschinen
  • Tastatur und Maus
  • Lichtschalter
  • Wallboxen
  • Wasserhähne

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