Lichtleiter Lichtverteilung im Auto

Automobilbeleuchtung ohne Lichtleiter ist kaum mehr vorstellbar. Sie sorgen für die Ausleuchtung von Displays und Bedienelementen und tauchen das Fahrzeuginnere in Ambiente-Licht. Dahinter steckt ein nicht unbeträchtlicher Aufwand.

Lichtleiter haben sich Bereiche erobert, die den klassischen reflektiven oder refraktiven Optiken vorbehalten waren. So werden viele Funktionsleuchten im automobilen Außenbereich in Lichtleitertechnik realisiert: hochgesetzte dritte Bremsleuchte, Rücklicht, Spiegelblinker, Positionslicht, usw. Des Weiteren kommen Lichtleiter als unterstützendes Designelement zum Einsatz. In letzterem Fall werden Lichtleiter oft aus Styling-Gründen integriert. Hier sollen sie in erster Linie für angenehmes, unaufdringliches Licht sorgen.

Die Leuchtdichten sind gering, die Beleuchtung erleichtert die Orientierung. Die leuchtende Fläche ist exponiert und kann in der Regel berührt werden. Sehr oft handelt es sich um linienförmige Geometrien, diffus abstrahlend, die eine homogene Leuchtdichte über weite Strecken aufweisen sollen. Insbesondere im Bereich des Armaturenbretts und der Mittelkonsole finden sich vielfältige Anzeige- und Bedienelemente: Multifunktionsdisplay, Geschwindigkeitsanzeige, Radio- und Klimabedienteil, etc. Lichtleiter werden hier eingesetzt, um Symbole und Anzeigeelemente zu beleuchten (Suchbeleuchtung) oder um eine flächige Hinterleuchtung für ein LCD zur Verfügung zu stellen.

Verschiedene Arten von Lichtleitern

Im Falle der LCD-Hinterleuchtung ist das optische Element »Lichtleiter« üblicherweise ein Quader mit einer Grundfläche, die etwas größer ist als die von der Blende freigegebene Sichtfläche des Displays, typischerweise 3,5 mm hoch. Verwendete Materialien sind beispielsweise transparentes PMMA (Polymethylmethacrylat beziehungsweise Plexiglas) oder Polycarbonat. Über die Seitenflächen wird Licht eingekoppelt. Punktuell angeordnete Quellen, meist entlang einer oder zweier gegenüberliegender Seiten, speisen den Lichtleiter. Der Lichttransport innerhalb des Plastikteils erfolgt über Totalreflexion (TIR). Um Licht gezielt auszukoppeln, werden Störstellen generiert, welche die TIR-Bedingung unterbinden.

Meist handelt es sich um diffus streuende Bereiche (Bild 1). Für Hinterleuchtungszwecke bekannt sind transparente Grund-materialien, die mit transparenten Mikrokugeln mit leicht unterschiedlichem Brechungsindex versetzt sind. Diese sorgen für Streuung in Vorwärtsrichtung. Aufgrund der konstanten Diffusität des Materials kann man nur begrenzt auf die Homogenität der Lichtverteilung Einfluss nehmen.

Je nach Lichtquellenanordnung ist das Verhältnis Länge/Breite des Lichtleiters beschränkt. Das gezielte Einbringen von diffusen Bereichen in transparente Materialien erfolgt über partielles Aufrauen. Für ein im Spritzgussverfahren hergestelltes Bauteil gibt es dafür mehrere Arten der Realisierung: Das Werkzeug wird an den entsprechenden Stellen per Ätzung aufgeraut, im Erodierverfahren oder mittels eines Laserstrahls, die Struktur wird also eingebracht.

Anders als bei der Verwendung von volumendiffusen Materialien ist hier die Rauigkeit an jeder Stelle des Lichtleiters kontrollierbar. Die Grundidee ist, an Orten mit viel Licht eine geringere Rauigkeit zu erzeugen als an Orten mit wenig Licht. Gewöhnlich ist ein solcher Lichtleiter als zweiteilige Baugruppe angelegt. Die transparente Komponente wird in der Regel von einem Reflektor eingerahmt. Dieser erhöht die Effizienz, da Licht, das über die Rückseite ungenutzt austreten würde, nach vorne reflektiert wird. In den allermeisten Fällen erfüllt der Reflektor zusätzliche mechanische Funktionen. So kann er mit Clips versehen werden und diese Komponenten miteinander verbinden. Über federnde Elemente lässt sich ein Toleranzausgleich in der Gesamtbaugruppe einbauen.

Mehr als Kunststoff-Spritzguss

Hinsichtlich der Herstellbarkeit lässt sich ein Lichtleiter nur auf den ersten Blick mit anderen Plastikteilen vergleichen. Als transparentes optisches Bauteil mit Mikrostruktur sind die Anforderungen an Werkzeug, Maschine und Operator ungleich höher: gute Abformung der Struktur, Transparenz ohne Gelbstich, keine Fließlinien, keine Verunreinigung.

Je nach verwendetem Material kann eine Vorbehandlung des Granulats notwendig sein. Die Zykluszeit für ein derartiges Bauteil kann je nach Größe eine Minute und länger dauern. Werkzeugtechnisch sind die Konzeption der Kühlung, die Lage des Anspritzpunktes, die Art des Verteilersystems und andere Faktoren zu berücksichtigen. Beim Zusammenbau von Lichtleiter und Reflektor werden per Sichtkontrolle die mit dem Auge erkennbaren fehlerhaften Teile ausgesondert. Das erfordert entsprechend geschultes Personal und saubere, gut ausgeleuchtete Arbeitsplätze. Die Prüfung von optischen und mechanischen Kennzahlen findet  serienbegleitend mit der entsprechenden Messtechnik statt, um eine reibungslose Produktion mit gleichbleibender Qualität sicherzustellen.

Lichtleiter für die Außenleuchte

Im Front-, Heck- und Seitenbereich eines Autos finden sich Leuchten, die eine bestimmte Funktion zu erfüllen haben. Positionslicht oder Tagfahrlicht im Frontbereich, Blinkleuchte oder Markierungsleuchte im Seitenbereich, Schlusslicht oder Bremslicht im Heckbereich sind einige Beispiele. Da die Lichtfunktionen das Erscheinungsbild des Autos entscheidend mitbestimmen, spielen insbesondere auch hier ästhetische Gesichtspunkte eine Rolle.

So werden Lichtleiter vom Design gezielt zur optischen Aufwertung eingesetzt. Die Funktion kann ganz oder teilweise vom Lichtleiter übernommen werden - je nach Anforderung der konkreten Leuchte. Zusätzlich zu einer über die gesamte Lichtleiterlänge homo-genen Leuchtdichte sind hier die ge-setzlichen lichttechnischen An-forderungen an die Leuchte zu erfüllen.

Je nach Funktion sind die geforderten Lichtstärken sehr hoch und erfordern eine gerichtete Abstrahlung (im Sinne einer engen Abstrahlcharakteristik). Der Effizienz wird daher meist auch mehr Rechnung getragen als im Innenbereich. Außerdem erfordert die Außenhautgeometrie, anders als bei LCD-Hinterleuchtungen, sehr oft gekrümmte Formen. Am weitesten verbreitet sind linienförmige Geometrien im Außenbereich. Dazu zählen auch gekrümmte Linien oder Ringe. Eine diffus streuende Strukturierung für die Lichtauskopplung scheidet in der Regel wegen der geforderten Lichtstärken aus. Stattdessen bedient man sich Kerben auf der Lichtleiterrückseite, um das Licht gerichtet auszukoppeln und abzustrahlen.

Das grundsätzliche Funktionsprinzip ist ansonsten sehr ähnlich zur LCD-Hinterleuchtung (Bild 2). Eine Herausforderung ist es hier, Effizienz, Leuchtdichtehomogenität, Abstrahlcharakteristik und Design (Krümmungen) in Einklang zu bringen. Jeder Parameter beeinflusst die anderen und kann nicht für sich alleine betrachtet werden. Zum Beispiel kann ein auf Effizienz optimierter Lichtleiterstab weder homogen ausgeleuchtet noch stark gekrümmt sein.

Hauptaufgabe bei der Optikentwicklung ist wie bei der LCD-Hinterleuchtung die Optimierung der Auskoppelstruktur - in diesem Fall die rückseitigen Kerben in Tiefe und Anstellwinkel. Abhängig vom gewünschten Erscheinungsbild kann eine Lichtleiterlösung sinnvoll sein, die grundsätzlich in der Lage ist, eine größere Fläche zu beleuchten. Dabei muss keineswegs die maximal mögliche Fläche beleuchtet werden - je nach Designvorgabe können Linien, Symbole oder Grafiken entsprechend eingeprägt und der Lichtleiter partiell aktiviert werden.

Da auch in diesem Fall gesetzlich geforderte Lichtwerte zu erfüllen, sind erfolgt die Strukturierung ebenfalls mit rückseitigen Kerben. Die Kerbenoptimierung ist die Herausforderung bei dieser Lichtleiterart. Die Vielzahl der freien Parameter (Tiefe und Anstellwinkel für jede Kerbe) erfordert intelligente Optimierungsstrategien, um in endlicher Zeit ein hinreichend gutes Ergebnis zu erhalten. Die Effizienz einer solchen Lösung ist geringer als bei einfachen Lichtleiterstäben, auch die Einflussnahme auf die Abstrahlcharakteristik ist schwieriger. Jedoch kann diese Lösung mehrere einzelne optische Elemente wie Reflektoren, Linsen oder Lichtleiterstäbe ersetzen und neue Stylingmöglichkeiten eröffnen.