DE19910203A1 - Anordnung zum Einspeisen von Licht in transparente Lichtleiter und Verfahren zur Herstellung des Lichtleiters - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Einspeisen von Licht in einen zur Beleuchtung von Objekten, Texten oder Grafiken vorgesehenen transparenten Lichtleiter und ein Verfahren zur Herstellung des Lichtleiters. Es hat sich gezeigt, daß beim Übergang der die Lichtquelle verlassenden Strahlen in den transparenten Lichtleiter stets ein Teil der Lichtstrahlen reflektiert wird, so daß nicht die volle Leuchtkraft der Lichtquelle zum Ausleuchten des Lichtleiters genutzt werden kann. Die Erfindung schlägt zum übergangsverlustarmen Einspeisen von Licht in einen zur Beleuchtung von Objekten vorgesehenen Lichtleiter vor, daß der aus transparent aushärtendem polymeren Kunststoff bestehende Lichtleiter die Lichtquelle mindestens im Bereich ihrer Abstrahlung spaltfrei umhüllt. Ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch das lagegenaue Einlegen und Fixieren einer aus einer Leuchtdiode (LED) oder dem System einer LED bestehenden Lichtquelle in die Gießform einer Kunststoffgießmaschine und Umgießen oder Umspritzen der LED bei freibleibenden Löt- oder Steckkontakten mit dem den Lichtleiter bildenden polymeren Kunststoff. Vorteilhafterweise entsteht nach der Erfindung ein plattenförmiger oder frei geformter Lichtleiter, der mit einer in den Kunststoff eingebetteten LED eine austauschbare Baueinheit bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Einspeisen von Licht in einen zur Beleuchtung von Objekten, Texten oder Grafiken vorgesehenen transparenten Lichtleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung des Lichtleiters gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8.

Transparente Lichtleiter sind in vielfältiger Form bekannt, z. B. plattenförmig als Hinweisschilder mit beleuchtetem Text oder Grafiken in öffentlichen Gebäuden oder Fahrzeugen, aber auch als dem jeweiligen Verwendungszweck entsprechend ausgebildete Formteile bzw. Prismen, in die das Licht von einer Lichtquelle, vorzugsweise seitlich, eingespeist wird. Das Licht durchdringt den transparenten Werkstoff des Lichtleiters, bevor es oberhalb eines materialspezifischen Brechungswinkel an der Grenzfläche zwischen Lichtleitkörper und dem ihn umgebenden Medium, bei dem es sich in der Regel um Luft handelt, austritt. Auf diese Weise läßt sich etwa ein Objekt innerhalb oder außerhalb des Lichtleiters beleuchten, oder an einem in den Lichtleiter geprägter Text bzw. einer Grafik wird das Licht reflektiert. Auch die Hinterleuchtung von Flüssigkeitskristallanzeigen (LCD's) ist möglich, in dem das beleuchtete Formteil flächig Licht abgibt und die LCD's von hinten ausleuchtet.

Allerdings wird ein Teil des Lichtes stets aufgrund ungünstiger Brechungswinkel diffus ausgetragen, so daß generell die Leuchtintensität des Lichtleiters mit dem Abstand von der Lichtquelle deutlich abnimmt. Das ist besonders dann störend, wenn Lichtquellen mit niedrigen Spannungen verwendet werden, wie das z. B. bei von Batterien versorgten Notbeleuchtungen oder bei Fahrzeuginnenbeleuchtungen der Fall ist. Die Lichtquelle ist dann häufig zu schwach, um den transparenten Informationsträger über seine gesamte Querschnittfläche ausreichend und gleichmäßig hell zu beleuchten bzw. das Licht von der Lichtquelle zu einer oder mehreren Stellen zu transportieren, wo es zur Beleuchtung oder Hinterleuchtung eines Objektes austritt. Es muß deshalb erreicht werden, daß nicht mehr als unvermeidliche Lichtverluste entstehen und möglichst wenige Lichtstrahlen durch ungewollte Brechung diffus aus dem Lichtleitkörper austreten.

Nun hat es sich in diesem Zusammenhang gezeigt, daß Lichtverluste nicht nur innerhalb des Lichtleiters und dort auftreten, wo das transportierte Licht durch diffuse Abstrahlung austritt, sondern auch schon dort, wo die Lichtquelle das Licht in den Lichtleiter einleitet. Da bekanntlich die Lichtstrahlen an unterschiedlichen Medien unter unterschiedlichen Winkeln gebrochen werden, wird beim Übergang der die Lichtquelle verlassenden Strahlen zu dem umgebenden Medium, in der Regel Luft einerseits und beim Übergang in den transparenten Lichtleiter andererseits stets ein Teil der Lichtstrahlen ungelenkt reflektiert, so daß nicht die volle Leuchtkraft der Lichtquelle genutzt werden kann.

Man hat zwar bereits versucht, durch möglichst dichtes Ankoppeln der Lichtquelle, indem man diese beispielsweise in Ausnehmungen oder Öffnungen des Lichtleiters einsetzte, die Verluste zu minimieren, jedoch entstehen auch an kleinen Übergangsspalten zwischen Lichtquelle und Lichtleiter beim Übergang zum und vom Medium Luft die beschriebenen Brechungen und Reflexionen, die die Lichtintensität vermindern.

Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen und Problemen des Standes der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Anordnung zum übergangsverlustarmen Einspeisen von Licht in einen, insbesondere zur Beleuchtung von Objekten vorgesehenen, transparenten Lichtleiter zu finden, mit der mit einfachen Mitteln die Leuchtkraftverluste der Lichtquelle minimiert werden. Außerdem ist es Ziel der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines geeigneten Lichtleiters bereitzustellen.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Anordnung vorgeschlagen, bei der der aus transparent aushärtendem polymeren Kunststoff bestehende Lichtleiter die Lichtquelle mindestens im Bereich ihrer Abstrahlung spaltfrei umhüllt.

Überraschenderweise hat sich nämlich herausgestellt, daß es möglich ist, die Lichtverluste dadurch zu minimieren, daß die Lichtquelle selbst in den polymeren Lichtleiter so eingebettet wird, daß kein Luftspalt zwischen diesem und der Lichtquelle verbleibt. Dadurch wird die Brechung der Lichtstrahlen an dem Medium Luft mit dem diffusen Lichtaustrag vollständig vermieden, mit dem Ergebnis, daß die Leuchtkraft der Lichtquelle optimal ausgenutzt werden kann.

In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Lichtquelle in eine die Lichtquelle aufnehmende Ausnehmung oder Öffnung des Lichtleiters eingegossen ist. Diese Maßnahme ist sehr einfach auszuführen; die in die übliche Ausnehmung oder Öffnung des Lichtleiters eingesetzte Lichtquelle wird durch Ausgießen des verbleibenden Spaltes zwischen ihr und dem Lichtleiter mit einem transparent aushärtenden Kunststoff mit vorzugsweise gleichem Brechungsindex wie der Lichtleiter mit diesem so verbunden, so daß kein Luftspalt verbleibt.

Eine andere bevorzugte Anordnung nach der Erfindung sieht vor, daß die Lichtquelle in einen im Spritzgießverfahren hergestellten Lichtleiter eingespritzt ist. Bereits beim Herstellen des Lichtleiters in einer Spritzgießform wird die Lichtquelle so eingelegt, so daß sie nach dem Erhärten des Kunststoffes allseitig umschlossen ist und nur die elektrischen Kontakte aus dem Lichtleiter ragen. Auf diese Weise werden einfache Spritzgießteile leicht und preisgünstig zu lichtstarken Lichtleitern, die die eingangs beschriebenen Nachteile nicht aufweisen.

Insbesondere bei Lichtquellen mit gerichteten Lichtstrahlen ist es von Vorteil, wenn nach einem anderen Merkmal der Erfindung die Lichtquelle entsprechend ihrem Abstrahlverhalten in dem Lichtleiter ausgerichtet fixiert ist. Das erreicht man z. B. bei spritzgegossenen Lichtleitern durch ausgerichtetes Einlegen und Fixieren der Lichtquelle in der Spritzgießform, so daß nach Erhärten des Kunststoffes der gewünschte Strahlengang der Lichtquelle unveränderbar zur Verfügung steht.

Besonders günstig ist die Erfindung zu verwirklichen, wenn als Lichtquelle eine Leuchtdiode (LED) verwendet wird. Light Emitting Diodes (LED) sind mit Halbleitermaterial bestückte Lumineszenzdioden, die sich durch hohe mechanische Stabilität und kleine Abmessung auszeichnen. Das LED-System mit Kathode, Anode und Reflektor ist wird gewöhnlich von einem kleinen Plastikgehäuse aufgenommen. Es hat sich herausgestellt, daß LEDs nicht zerstört werden, wenn sie bei angemessenen Temperaturen in den flüssigen Kunststoff eingelegt bzw. mit diesem umspritzt werden. Auch können LEDs völlig problemlos in dem Kunststoff eingebettet unbegrenzt lange betrieben werden, ohne daß es zu Temperaturproblemen kommt. Da es bisher gerade bei Leuchtdioden aufgrund ihrer Bauart und wegen ihres Abstrahlverhaltens problematisch war, diese ausgerichtet an ihrem Einbauort so zu fixeren, daß ein bestimmten Strahlengang sichergestellt war, bietet die Erfindung mit der Möglichkeit, die LED in dem Kunststoff fixiert einzubetten eine Lösung, mit der Einbaufehler ebenso zu vermeiden sind, wie das unbeabsichtigte Verdrehen der LED während ihres Betriebes und bei Erschütterungen.

Im Rahmen der Erfindung ist es gleichsam möglich, statt der in dem Kunststoff eingebetteten LED als Lichtquelle den Lichtaustrittsbereich eines von einer Leuchtdiode (LED) gespeisten flexiblen Lichtleiters oder einer Faseroptik zu verwenden. In diesem Fall kann eine weiter entfernte Lichtquelle über den flexiblen Lichtleiter verlustarm mit dem starren Lichtleiter verbunden werden.

Eine andere günstige Alternative ergibt sich, wenn als Lichtquelle das LED-System einer Leuchtdiode (LED) ohne Gehäuse verwendet wird, das in die Ausnehmung oder Öffnung des Lichtleiters oder unmittelbar in den Lichtleiter eingegossen oder eingespritzt ist. Auch bei dieser Lösung verhindert der die Lichtquelle umschließende Kunststoff Brechungen des Lichtes und damit Lichtverluste durch Vermeidung eines Luftspaltes zwischen Lichtquelle und Lichtleiter. Frei bleiben auch hier nur die Kontakte (Anode und Kathode) des LED-Systems; das Gehäuse wird von dem Kunststoff gebildet, in dem das LED-System eingebettet ist.

Vorzugsweise besteht der starre die Lichtquelle umhüllende, aus einem polymeren Kunststoff bestehende Lichtleiter der Erfindung aus einem Polymethyl-Metacrylat (PMMA) oder einem Polycarbonat (PC). Diese Materialien eignen sich besonders gut zum Spritzgießen der Lichtleiter mit eingebetteter Lichtquelle.

Nach der Erfindung entsteht ein plattenförmiger oder frei geformter Lichtleiter aus polymerem transparenten Kunststoff, der mit der in den Kunststoff eingebetteten Leuchtdiode (LED) eine austauschbare Baueinheit bildet.

Ein günstiges Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zum übergangsverlustarmen Einspeisen von Licht in einen zur Beleuchtung von Objekten vorgesehenen transparenten Lichtleiter ist gekennzeichent durch das lagegenaue Einlegen und Fixeren einer aus einer LED oder dem System einer LED bestehenden Lichtquelle in die Gießform einer Kunststoffgießmaschine und Umgießen oder Umspritzen der LED bei freibleibenden Löt- oder Steckkontakten mit dem den Lichtleiter bildenden polymeren Kunststoff.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Lichtleiter mit in einer Ausnehmung eingegossener LED,

Fig. 2 einen Lichtleiter mit unmittelbar eingegossener LED,

Fig. 3 einen Lichtleiter mit in einer Ausnehmung eingegossenem System einer LED und

Fig. 4 einen Lichtleiter mit unmittelbar eingegossenem System einer LED

In vier Zeichnungsfiguren sind nur beispielhaft und grob vereinfacht vier verschiedene Ausführungen der erfindungsgemäßen Lehre dargestellt. In allen vier Fällen wird in den aus polymerem Kunststoff bestehenden plattenförmigen Lichtleiter 1 Licht von einer Leuchtdiode als Lichtquelle eingespeist, wodurch beispielsweise der in den Kunststoff des Lichtleiter 1 eingelegte oder eingelassene Text 6 (oder eine Grafik) des als Informationsträger gestalteten Lichtleiters beleuchtet wird. Selbstverständlich sind auch Kombinationen von Text und Grafik beleuchtbar. Um zu verhindern, daß es zu Lichtbrechungen im Übergangsbereich von der Lichtquelle zu dem Lichtleiter 1 an dem die Lichtquelle umgebenden Medium Luft kommt, ist in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel eine konventionelle Leuchtdiode 3 in der in dem Lichtleiter 1 eingebrachten Ausnehmung 7 mit Kunststoff 2 eingegossen, vorzugsweise dem gleichen polymeren Kunststoff, aus dem der Lichtleiter 1 selbst besteht.

Alternativ kann die Leuchtdiode 3 auch unmittelbar in den Kunststoff des Lichtleiters eingebettet worden sein, z. B. durch Umspritzen mit polymeren Kunststoff beim Herstellen des Lichtleiters 1 in einer Spritzgießmaschine. Das Ergebnis dieser Alternative ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Wie beim Beispiel nach Fig. 1 ragen nur die Anschlußkontakte 5 der Leuchtdiode 3 aus dem Kunststoff heraus. Die Leuchtdiode kann vorteilhafterweise in dem Kunststoff so ausgerichtet fixiert werden, daß sie eine optimale Abstrahlcharakteristik mit einem gewünschten Strahlengang aufweist.

Fig. 3 zeigt eine weitere Variante, wie ein Lichtleiter mit einer Leuchtdiode 3 als Lichtquelle zur übergangsverlustarmen Einspeisung von Licht ausgebildet sein kann. In diesem Beispiel wird das ansonsten in dem transparenten Kopf bzw. das Gehäuse der Leuchtdiode eingegossene System 4 direkt in der Ausnehmung 7 des Lichtleiters 1 in den polymeren Kunststoff eingegossen, nachdem das System 4 dort fixiert wurde. Noch einfacher ist es, das System 4 direkt und unmittelbar in den Lichtleiter einzubetten, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

In allen Beispielen wurde die Lichtquelle, eine Leuchtdiode, so in den polymeren Lichtleiter eingebettet, daß kein Luftspalt zwischen diesem und der Lichtquelle verbleibt. Durch vollständigen Wegfall der Brechung der Lichtstrahlen an dem Medium Luft mit dem zu vermeidenden diffusem Lichtaustrag kann die Leuchtkraft der Lichtquelle optimal ausgenutzt werden.

Claims (10)

1. Anordnung zum Einspeisen von Licht in einen zur Beleuchtung von Objekten, Texten oder Grafiken vorgesehenen transparenten Lichtleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der aus transparent aushärtendem polymeren Kunststoff bestehende Lichtleiter (1) die Lichtquelle (3, 4, 5) mindestens im Bereich ihrer Abstrahlung spaltfrei umhüllt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3, 4, 5) in eine die Lichtquelle aufnehmende Ausnehmung (2) oder Öffnung des Lichtleiters (1) eingegossen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3, 4, 5) in den im Spritzgießverfahren hergestellten Lichtleiter (1) eingespritzt ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3, 4, 5) entsprechend ihrem Abstrahlverhalten in dem Lichtleiter (1) ausgerichtet fixiert ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3, 4, 5) eine Leuchtdiode (LED) ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3, 4, 5) von dem Lichtaustrittsbereich eines von einer Leuchtdiode (LED 3) gespeisten flexiblen Lichtleiters oder einer Faseroptik gebildet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3, 4, 5) das System (4) einer Leuchtdiode (LED 3) ist, das in die Ausnehmung des Lichtleiters (1) oder unmittelbar in den Lichtleiter (1) eingegossen oder eingespritzt ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der die Lichtquelle (3, 4, 5) umhüllende polymere Kunststoff ein Polymethyl- Metacrylat (PMMA) oder ein Polycarbonat (PC) ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der plattenförmige oder frei geformte Lichtleiter (1) aus polymerem transparenten Kunststoff mit der in den Kunststoff eingebetteten Leuchtdiode (LED 3) eine Baueinheit bildet.

10. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters zur Beleuchtung von Objekten mit übergangsverlustarmer Einspeisung des von einer Lichtquelle eingekoppelten Lichts, gekennzeichnet durch das lagegenaue Einlegen und Fixieren einer aus einer LED bestehenden Lichtquelle in die Gießform einer Kunststoffgießmaschine und Umgießen oder Umspritzen der LED bei freibleibenden Löt- oder Steckkontakten mit dem den Lichtleiter bildenden polymeren Kunststoff.