WO2023198442A1 - Beleuchtungsvorrichtung für fahrzeuge sowie herstellungsverfahren - Google Patents

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WO2023198442A1
WO2023198442A1 PCT/EP2023/057933 EP2023057933W WO2023198442A1 WO 2023198442 A1 WO2023198442 A1 WO 2023198442A1 EP 2023057933 W EP2023057933 W EP 2023057933W WO 2023198442 A1 WO2023198442 A1 WO 2023198442A1
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lighting device
elements
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PCT/EP2023/057933
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Dietmar Haut
Martin Mügge
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HELLA GmbH & Co. KGaA
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    • F21S41/20—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by refractors, transparent cover plates, light guides or filters
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
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    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements
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    • G02B5/0231—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties the diffusion taking place at the element's surface, e.g. by means of surface roughening or microprismatic structures the surface having microprismatic or micropyramidal shape

Definitions

  • the invention relates to a lighting device for vehicles with a housing containing a light source and an optical unit, the optical unit having a microstructured surface with a plurality of microstructure elements.
  • the invention further relates to a method for producing optical components of lights and headlights for vehicles with a microstructured surface by means of injection molding, with the following process steps: Providing an injection molding tool with a tool surface having a microstructure.
  • the invention further relates to a tool insert and a method for producing the tool insert.
  • Lighting devices for vehicles with a light source and an optical unit are known, for example, from DE 10 2019 133 693 A1.
  • the optical unit of the lighting device has a flat light guide that has a microstructured surface with a plurality of microstructure elements.
  • the optical component is produced by injection molding, with microstructure elements being produced in a negative mold on the surface of a tool insert of the injection molding tool using a lithographic process. Using an electrochemical (galvanic) process, templates of the microstructure elements are transferred to the tool insert.
  • the object of the present invention is to provide a lighting device and a method for producing optical components in such a way that a microstructuring can be produced on an optical component of the lighting device in a simpler and faster way in terms of manufacturing technology.
  • the invention in conjunction with the preamble of patent claim 1 is characterized in that the microstructure elements are formed from a limited selection of microstructure elements which are designed differently in at least two extension directions of the surface.
  • the invention advantageously enables the production of a microstructured surface of an optical component, with microstructure elements having a fixed, different design and/or different shape and/or different dimensions.
  • the surface of the optical component is composed of a fixed number of differently shaped microstructure elements, by means of which a predetermined scattering behavior or a predetermined light function can be generated if the optical component is, for example, a lens or lens.
  • the different microstructure elements cause different scattering behavior, so that different scattering behavior and thus different lighting functions, such as taillights, brake lights, daytime running lights, direction indicators, are generated by selecting a number of differently shaped microstructure elements can.
  • differently shaped microstructure elements are combined or grouped.
  • a number of different light functions can be generated by a limited number of different micro-optical elements.
  • the selection of different microstructure elements consists of a number of microstructure elements which have parallel, opposite upright walls, the parallel upright walls extending at least partially in a straight line and/or in an arc shape in at least one extension direction of the surface. This allows different geometries of microstructure elements to be formed in a simple manner, which leads to variability in the generation of light functions.
  • the microstructure elements are linear and/or Y-shaped and/or U-shaped and/or C-shaped and/or L-shaped and/or V-shaped.
  • the microstructured surface of the optical component consists of several identical subfields, the subfields each having a number of identical microstructure elements that are different from one another. This advantageously allows small and large microstructured surfaces to be created with little control effort.
  • a change in a length and/or a width and/or a depth of preferably all microstructure elements leads to a changed scattering behavior and thus to changed light functions.
  • the desired scattering behavior can be set by changing just one or more of these parameters.
  • the shape pattern of the microstructure elements is always the same, so that the control effort for a laser device to produce the tool surface is low.
  • the method according to the invention in conjunction with the preamble of patent claim 8 is characterized by the introduction of differently formed microstructure elements selected in an extension plane of the tool surface into the tool surface by means of lasers, injection molding of the optical components while forming the microstructure elements in the surface of the optical components .
  • the method according to the invention advantageously enables a simple and rapid production of microstructured surfaces of an optical component, which can produce a predetermined scattering behavior of the surface of the optical component depending on the selection of microstructure elements from a fixed number of microstructure elements having different geometries.
  • different scattering behavior or scattering patterns can be generated.
  • the microstructure elements are shaped differently in such a way that a predetermined number of different scattering patterns or light distributions of the lighting device can be generated by assembling a limited number of different microstructure elements.
  • a plurality of equally differently designed microstructure elements are sequentially applied to a tool surface, so that the tool surface (field) consists of a number of identical subfields, each of which has the same number and/or arrangement of different microstructure elements.
  • the tool surface advantageously consists of a regular structure which is characterized by: recurring lasering of subfields consisting of several microstructure elements.
  • 1 is a schematic representation of a lighting device
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an injection molding tool for producing an optical component containing a microstructured surface
  • FIG. 3 shows a top view of a microstructured surface of the optical component consisting of several subfields containing the same microstructure elements
  • FIG. 4 is an enlarged representation of a subfield according to FIG. 3,
  • 5a shows a cross-sectional profile through at least a subfield of the microstructured surface of the optical component
  • FIG. 5b shows a cross-sectional profile through at least a subfield of the microstructured surface of the optical component, with a depth of the microstructure elements having been increased in comparison to FIG. 5a,
  • FIG. 5c shows a cross-sectional profile through at least a subfield of the microstructured surface of the optical component, a depth of the microstructure elements having been reduced in comparison to FIG. 5a and 5d shows a cross-sectional profile through at least a subfield of the microstructured surface of the optical component, the distance between the microstructure elements being reduced in a preferred direction x.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a lighting device for vehicles, which comprises a light source 1 and an optical unit 2 for generating a predetermined light distribution 3.
  • the optical unit 2 comprises, on the one hand, a lens arrangement 4, which is designed, for example, as the primary optics of the light source 1.
  • the optical unit 2 includes a lens 5, the surface of which has a microstructure 6 '.
  • the microstructure 6′ is formed by a plurality of microstructure elements, which are described in more detail below.
  • the lens arrangement 4 and the light source 1 are arranged within a housing 7 of the lighting device, which can be designed, for example, as a rear light.
  • the lens 5 serves as a cover disk, which at the same time closes or covers an opening in the housing 7 in the light emission direction.
  • the light distribution 3 is used to generate a tail light function.
  • the lighting device can also be used to generate other signal functions, such as position lights, brake lights, direction indicator lights and daytime running lights.
  • the microstructure elements scatter the light from the light source 1 in such a way that the desired rectangular or elliptical light distribution 3 is generated.
  • the light scattering occurs in horizontal and vertical directions.
  • the lens 5 is plate-shaped and flat.
  • the lens 5 can also be designed in an arc shape, i.e. with a certain curvature.
  • the lens 5 is manufactured as an optical component by injection molding.
  • a tool insert 8 of an injection molding tool 9 is processed by a laser beam 10 of a laser device 11 in such a way that a microstructure 6 containing a plurality of microstructure elements is formed on a surface 12 of the tool insert 8.
  • the tool surface 12 forms a negative form of the microstructure 6 'of the lens 5 to be injection-molded.
  • the lens 5 can be injection molded by bringing together the first tool half 13 and the second tool half 14 while closing a mold space become.
  • the plastic mass injected into the mold space lies against the tool insert surface 12.
  • the injection-molded lens 5 can be ejected in a known manner.
  • the lens 5 finished in this way has the microstructure 6 'on an outside 15, which forms a positive form of the microstructure 6 of the tool insert 8.
  • FIG. 3 A top view of the microstructure 6' is shown in Figure 3. It can be seen that the surface of the lens 5 is formed by a plurality of identical subfields 16 (shown in dashed lines), each of which has the same number, arrangement and design of different microstructure elements 17, 18, 19, 20, 21.
  • the subfields 16 extend in an xy plane (extension plane) which runs perpendicular to the light emission z.
  • a subfield 16 is shown enlarged. It contains different types of microstructure elements, namely Y-shaped microstructure elements 17, U-shaped microstructure elements 18, V-shaped microstructure elements 19, line-shaped microstructure elements 20 and point-shaped ones Microstructure elements 21. Of the Y-shaped microstructure elements 17, the subfield 16 has a number of three.
  • the subfield 16 has only one of the U-shaped microstructure elements 18.
  • the subfield 16 has only one of the V-shaped microstructure elements 19.
  • the subfield 16 has a number of twelve, which are distributed in the subfield 16 and have the same and/or different lengths.
  • the subfield 16 has point-shaped microstructure elements 21.
  • the subfield has a dimension in the range between 50 pm x 50 pm and 300 pm x 300 pm.
  • the subfields 16 contain the plurality of microstructure elements 17, 18, 19, 20, 21 and are of the same size. These are arranged next to each other in a grid pattern.
  • a cross-sectional profile through the subfield 16 in the X direction is shown in Figure 5a.
  • the black markings shown in Figure 3 and Figure 4 represent elevations 22 of the microstructure elements 17, 18, 19, 20, 21 and the white markings or spaces between the elevations 22 represent depressions 23 of the microstructure 6 'thus formed.
  • Figure 5a profile image of the subfield 16 is shown.
  • the microstructure elements 17, 18, 19, 20, 21 or the distances (widths b1) of the elevations 22 from the Y-shaped microstructure elements 17 or widths b2 of the elevations 22 of the U-shaped microstructure elements 18, V- shaped microstructure elements 19 in a range of less than 20 pm.
  • the line-shaped microstructure elements 20 form elevations 22 with a width of less than 5 pm.
  • a depth ti is in the range of 5 pm to 12 pm.
  • the elevations 22 of the microstructure elements 17, 18, 19, 20, 21 form upright walls which rise relative to a base surface 24 of the lens 5.
  • these elevations 22 or walls extend essentially in a straight line, with the U-shaped microstructure element 18, for example, being composed of three straight elevations 20.
  • the elevations 22 can additionally or alternatively be arcuate. It is essential that the microstructure elements 17, 18, 19, 20, 21 are assembled in the subfield 16 in such a way that the lens 5 has a predetermined scattering behavior or scattering pattern in the assembled state, so that the desired light distribution 3 in cooperation, for example, with the lens arrangement 4 is depicted.
  • the optical unit 2 can also be formed solely by the lens 5, which ensures the desired scattering behavior and thus the desired light distribution 3.
  • the desired scattering behavior can be generated by selecting a certain number of different microstructure elements 17, 18, 19, 20, 21.
  • the same microstructure 6 ' can be introduced into the tool insert 8 by controlling the laser device 11 as shown in Figures 3 and 4, with the difference that the microstructure 6 has an increased depth t, i.e. a depth t increased by At compared to the microstructure 6 'according to Figure 5a.
  • the light panes 5 injection-molded with such a modified tool insert 8 then have a cross section according to FIG. 5b, in which the depth ti 'or t2' is greater than the depth ti or t2 according to the microstructures 6 according to FIG. 5a.
  • the arrangement of the microstructure elements 17, 18, 19, 20, 21 in the respective subfield 16 has remained the same.
  • the change in depth can advantageously produce a different scattering behavior, which can lead to a different light function.
  • the depth t of the microstructure 6' can also be reduced by At compared to the microstructure 6' according to FIG. 5a, as shown in FIG. 5c, see the reduced depths ti", t2" as an example. This results in a further changed scattering behavior.
  • the subfields 16 are arranged in a grid-like manner in extension directions x and y arranged perpendicular to one another.
  • the microstructure 6 ' can be compressed, with a width b of the microstructure elements 17, 18, 19, 20, 21 being reduced.
  • a width b1 'and b2' of the microstructure elements 17, 18 is made smaller in comparison to the width b1 and b2 according to FIG. 5a. This creates a changed scattering behavior, which can be used to represent another light function.
  • the different microstructures can be generated in a simple manner by appropriately controlling the laser device 11.
  • different tool inserts 8 can be generated, which can be inserted into the injection molding tool 9 depending on the light distributions 3 to be generated.
  • curved or arcuate light disks 5 with an arcuate or curved microstructure 6′ can also be produced.
  • the optical component can be designed as a light guide or as a reflector instead of the lens 5, which has the microstructure 6 'on a lateral surface or flat side.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einem Gehäuse (7) enthaltend eine Lichtquelle (1) und eine Optikeinheit (2), wobei die Optikeinheit (2) eine mikrostrukturierte Oberfläche (6') mit einer Mehrzahl von Mikrostrukturelementen (17, 18, 19, 20, 21) aufweist, wobei die Mikrostrukturelemente (17, 18, 19, 20, 21 ) aus einer begrenzten Auswahl von in mindestens zwei Erstreckungsrichtungen der Oberfläche (12) unterschiedlich ausgebildeten Mikrostrukturelementen (17, 18, 19, 20, 21) gebildet sind.

Description

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Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge sowie Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einem Gehäuse enthaltend eine Lichtquelle und eine Optikeinheit, wobei die Optikeinheit eine mikrostrukturierte Oberfläche mit einer Mehrzahl von Mikrostrukturelementen aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von optischen Bauteilen von Leuchten und Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer mikrostrukturierten Oberfläche mittels Spritzgießen, mit folgenden Verfahrensschritten: Bereitstellen eines Spritzgießwerkzeuges mit einer eine Mikrostruktur aufweisenden Werkzeugoberfläche.
Ferner betrifft die Erfindung einen Werkzeugeinsatz sowie ein Verfahren zum Herstellen des Werkzeugeinsatzes.
Beleuchtungsvorrichtungen für Fahrzeuge mit einer Lichtquelle und einer Optikeinheit sind beispielsweise aus der DE 10 2019 133 693 A1 bekannt. Die Optikeinheit der Beleuchtungsvorrichtung weist einen flächigen Lichtleiter auf, der über eine mikrostrukturierte Oberfläche mit einer Mehrzahl von Mikrostrukturelementen verfügt. Das optische Bauteil wird durch Spritzgießen hergestellt, wobei Mikrostrukturelemente in einer Negativform auf die Oberfläche eines Werkzeugeinsatzes des Spritzgießwerkzeuges durch ein lithografisches Verfahren erzeugt werden. Mittels eines elektrochemischen (galvanischen) Prozesses werden Vorlagen der Mikrostrukturelemente auf den Werkzeugeinsatz übertragen.
Aus der DE 10 2018 105 958 A1 ist es bekannt, die mikrostrukturierte Oberfläche des Spritzgießwerkzeuges durch ein elektrochemisches Abtragverfahren aufzubringen. Dieser Herstellungsprozess hat sich bewährt bei der Herstellung von gleichen regelmäßig angeordneten Mikrostrukturelementen. Sollen die Mikrostrukturelemente in einer Erstreckungsebene einer durch sie gebildeten Oberfläche des optischen Bauteils unterschiedliche Formen, insbesondere unterschiedliche Krümmungen aufweisen, ist die Herstellung gar nicht oder nur schwer möglich. Aus der DE 100 55 799 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Lichtleitern bekannt, bei der punktförmige Erhebungen auf einer Oberfläche des Lichtleiters durch Spritzgießen hergestellt werden. Zu diesem Zweck werden punktförmige Vertiefungen als Negativstrukturen auf eine Oberfläche eines Werkzeugeinsatzes des Spritzgießwerkzeuges durch Lasern eingebracht. Die punktförmigen Vertiefungen weisen die gleiche Dimension auf. Das Einbringen von unterschiedlich dimensionierten Vertiefungen ist nicht vorgesehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beleuchtungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen von optischen Bauteilen derart anzugeben, dass auf herstellungstechnisch einfachere und schnellere Weise eine Mikrostrukturierung auf einem optischen Bauteil der Beleuchtungsvorrichtung hergestellt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturelemente aus einer begrenzten Auswahl von in mindestens zwei Erstreckungsrichtungen der Oberfläche unterschiedlich ausgebildeten Mikrostrukturelementen gebildet sind.
Vorteilhaft ermöglicht die Erfindung das Herstellen einer mikrostrukturierten Oberfläche eines optischen Bauteils, wobei Mikrostrukturelemente eine fest vorgegebene unterschiedliche Gestaltung und/oder unterschiedliche Formgebung und/oder unterschiedliche Dimension aufweisen. Die Oberfläche des optischen Bauteils setzt sich aus einer fest vorgegebenen Anzahl von unterschiedlich geformten Mikrostrukturelementen zusammen, mittels derer ein vorgegebenes Streuverhalten bzw. eine vorgegebene Lichtfunktion erzeugt werden kann, wenn es sich bei dem optischen Bauteil beispielsweise um eine Linse oder Lichtscheibe handelt. Die unterschiedlichen Mikrostrukturelemente bewirken ein unterschiedliches Streuverhalten, so dass durch Auswahl einer Anzahl von unterschiedlich geformten Mikrostrukturelementen unterschiedliche Streuverhalten und damit unterschiedliche Lichtfunktionen, wie beispielsweise Schlusslicht, Bremslicht, Tagfahrlicht, Fahrtrichtungsanzeiger, erzeugt werden können. In Abhängigkeit von der zu erzeugenden Lichtfunktion werden unterschiedlich geformte Mikrostrukturelemente kombiniert bzw. gruppiert. Vorteilhaft kann durch eine begrenzte Anzahl von unterschiedlichen Mikrooptikelementen eine Anzahl von unterschiedlichen Lichtfunktionen erzeugt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht die Auswahl von unterschiedlichen Mikrostrukturelementen aus einer Anzahl von Mikrostrukturelementen, die parallel verlaufende gegenüberliegende aufrechte Wandungen aufweisen, wobei die parallel verlaufenden aufrechten Wandungen zumindest teilweise geradlinig und/oder bogenförmig in mindestens einer Erstreckungsrichtung der Oberfläche verlaufen. Hierdurch lassen sich unterschiedliche Geometrien von Mikrostrukturelementen auf einfache Weise bilden, die zu einer Variabilität in der Erzeugung von Lichtfunktionen führt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung verlaufen die Mikrostrukturelemente linienförmig und/oder Y-förmig und/oder U-förmig und/oder C-förmig und/oder L-förmig und/oder V-förmig. Durch die definierte Auswahl bestimmter Mikrostrukturgeometrien lassen sich auf einfache Weise unterschiedliche Streuverhalten erzeugen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht die mikrostrukturierte Oberfläche des optischen Bauteils aus mehreren gleichen Teilfeldern, wobei die Teilfelder jeweils eine Anzahl von gleichen, voneinander unterschiedlichen Mikrostrukturelementen aufweisen. Vorteilhaft kann hierdurch mit geringem Steuerungsaufwand kleine und große mikrostrukturierte Oberflächen geschaffen werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung führt eine Änderung in einer Länge und/oder einer Breite und/oder einer Tiefe der vorzugsweise aller Mikrostrukturelemente zu einem geänderten Streuverhalten und damit zu geänderten Lichtfunktionen. Vorteilhaft kann durch Änderung lediglich eines oder mehrerer dieser Parameter das gewünschte Streuverhalten eingestellt werden. Das Formmuster der Mikrostrukturelemente ist hierbei stets gleich, so dass der Steuerungsaufwand für eine Lasereinrichtung zur Erzeugung der Werkzeugoberfläche gering ist. Zur Lösung der Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 gekennzeichnet durch das Einbringen von in einer Erstreckungsebene der Werkzeugoberfläche ausgewählten unterschiedlich ausgebildeten Mikrostrukturelementen in die Werkzeugoberfläche mittels Lasern, Spritzgießen der optischen Bauteile unter Formung der Mikrostrukturelemente in der Oberfläche der optischen Bauteile.
Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein einfaches und schnelles Herstellen von mikrostrukturierten Oberflächen eines optischen Bauteils, welches in Abhängigkeit von der Auswahl von Mikrostrukturelementen aus einer fest vorgegebenen Anzahl von unterschiedlichen Geometrien aufweisende Mikrostrukturelementen ein vorgegebenes Streuverhalten der Oberfläche des optischen Bauteils erzeugt werden kann. Mittels der fest vorgegebenen und definierten Anzahl von unterschiedlich geformten Mikrostrukturelementen können unterschiedliche Streuverhalten oder Streumuster generiert werden. Die Mikrostrukturelemente sind derart unterschiedlich geformt, dass durch Zusammensetzen einer begrenzten Anzahl von unterschiedlichen Mikrostrukturelementen eine vorgegebene Anzahl von unterschiedlichen Streumustern bzw. Lichtverteilungen der Beleuchtungsvorrichtung erzeugt werden kann. Auf diese Weise können unterschiedliche Lichtverteilungen, wie beispielsweise Tagfahrlicht, Bremslicht, Schlusslicht, Fahrtrichtungsanzeiger, erzeugt werden, wobei kundenabhängig durch Änderung der Form mindestens ein Mikrostrukturelementes die Streuung bzw. die Lichtverteilung im begrenzten Umfang geändert werden kann.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden sequenziell eine Mehrzahl von gleich unterschiedlich ausgebildeten Mikrostrukturelementen auf eine Werkzeugoberfläche aufgebracht, so dass die Werkzeugoberfläche (Feld) aus einer Anzahl von gleichen Teilfeldern besteht, die jeweils die gleiche Anzahl und/oder Anordnung von unterschiedlichen Mikrostrukturelementen aufweisen. Vorteilhaft besteht die Werkzeugoberfläche hierdurch aus einer regelmäßigen Struktur, die durch wiederkehrendes Auflasern von aus mehreren Mikrostrukturelementen bestehenden Teilfeldern besteht.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Spritzgießwerkzeuges zur Herstellung eines optischen Bauteils enthaltend eine mikrostrukturierte Oberfläche,
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine mikrostrukturierte Oberfläche des optischen Bauteils bestehend aus mehreren Teilfeldern enthaltend die gleichen Mikrostrukturelemente,
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines Teilfeldes gemäß Figur 3,
Fig. 5a ein Querschnittsprofil durch mindestens ein Teilfeld der mikrostrukturierten Oberfläche des optischen Bauteils,
Fig. 5b ein Querschnittsprofil durch mindestens ein Teilfeld der mikrostrukturierten Oberfläche des optischen Bauteils, wobei eine Tiefe der Mikrostrukturelemente im Vergleich zu Figur 5a vergrößert worden ist,
Fig. 5c ein Querschnittsprofil durch mindestens ein Teilfeld der mikrostrukturierten Oberfläche des optischen Bauteils, wobei eine Tiefe der Mikrostrukturelemente im Vergleich zu Figur 5a verkleinert worden ist und Fig. 5d ein Querschnittsprofil durch mindestens ein Teilfeld der mikrostrukturierten Oberfläche des optischen Bauteils, wobei der Abstand der Mikrostrukturelemente in einer Vorzugsrichtung x verkleinert worden ist.
In Figur 1 ist schematisch eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge dargestellt, die eine Lichtquelle 1 und eine Optikeinheit 2 zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung 3 umfasst.
Die Optikeinheit 2 umfasst zum einen eine Linsenanordnung 4, die beispielsweise als Primäroptik der Lichtquelle 1 ausgebildet ist. Darüber hinaus umfasst die Optikeinheit 2 eine Lichtscheibe 5, deren Oberfläche eine Mikrostruktur 6‘ aufweist. Die Mikrostruktur 6‘ wird durch eine Mehrzahl von Mikrostrukturelementen gebildet, die im Folgenden näher beschrieben werden.
Die Linsenanordnung 4 und die Lichtquelle 1 sind innerhalb eines Gehäuses 7 der Beleuchtungsvorrichtung, die beispielsweise als eine Heckleuchte ausgebildet sein kann, angeordnet. Die Lichtscheibe 5 dient als Abdeckscheibe, die zugleich eine Öffnung des Gehäuses 7 in Lichtabstrahlrichtung verschließt bzw. abdeckt.
Die Lichtverteilung 3 dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Erzeugung einer Schlusslichtfunktion. Alternativ kann die Beleuchtungsvorrichtung auch zur Erzeugung von anderen Signalfunktionen, wie beispielsweise Positionslicht, Bremslicht, Fahrtrichtungsanzeigerlicht und Tagfahrlicht, dienen.
Die Mikrostrukturelemente streuen das Licht der Lichtquelle 1 derart, dass die gewünschte rechteckige oder elliptische Lichtverteilung 3 generiert wird. Die Lichtstreuung erfolgt in horizontaler und vertikaler Richtung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Lichtscheibe 5 plattenförmig und eben ausgebildet. Alternativ kann die Lichtscheibe 5 auch bogenförmig, also mit einer gewissen Krümmung versehen, ausgebildet sein.
Die Lichtscheibe 5 wird als optisches Bauteil durch Spritzgießen hergestellt. Zu diesem Zweck wird ein Werkzeugeinsatz 8 eines Spritzgießwerkzeuges 9 durch einen Laserstrahl 10 einer Lasereinrichtung 11 derart bearbeitet, dass sich auf einer Oberfläche 12 des Werkzeugeinsatzes 8 eine Mikrostruktur 6 enthaltend eine Mehrzahl von Mikrostrukturelementen geformt wird. Die Werkzeugoberfläche 12 bildet eine Negativform der Mikrostruktur 6‘ der spritzzugießenden Lichtscheibe 5.
Ist der Werkzeugeinsatz 8 in einer ersten Werkzeughälfte 13 des Spritzgießwerkzeuges 9 eingesetzt, wobei die strukturierte Oberfläche 12 auf einer einer zweiten Werkzeughälfte 14 zugewandten Seite angeordnet ist, kann durch Zusammenführen der ersten Werkezughälfte 13 und der zweiten Werkzeughälfte 14 unter Schließen eines Formraums die Lichtscheibe 5 spritzgegossen werden. Die in den Formraum eingespritzte Kunststoffmasse legt sich an die Werkzeugeinsatzoberfläche 12 an. Nach Erkalten der Kunststoffmasse kann die spritzgegossene Lichtscheibe 5 in bekannter Weise ausgeworfen werden. Die so fertig gestellte Lichtscheibe 5 weist nach Montage zu der Beleuchtungsvorrichtung auf einer Außenseite 15 die Mikrostruktur 6‘ auf, die eine Positivform der Mikrostruktur 6 des Werkzeugeinsatzes 8 bildet.
In Figur 3 ist eine Draufsicht der Mikrostruktur 6‘ dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Oberfläche der Lichtscheibe 5 durch eine Mehrzahl von gleichen Teilfeldern 16 (gestrichelt dargestellt) gebildet ist, die jeweils die gleiche Anzahl sowie Anordnung und Ausbildung von unterschiedlichen Mikrostrukturelementen 17, 18, 19, 20, 21 aufweisen. Die Teilfelder 16 erstrecken sich in einer xy-Ebene (Erstreckungsebene), die senkrecht zur Lichtabstrahlung z verläuft. In Figur 4 ist ein Teilfeld 16 vergrößert dargestellt. Es enthält unterschiedliche Typen von Mikrostrukturelementen, nämlich Y-för- mige Mikrostrukturelemente 17, U-förmige Mikrostrukturelemente 18, V-förmige Mikrostrukturelemente 19, linienförmige Mikrostrukturelemente 20 sowie punktförmige Mikrostrukturelemente 21. Von den Y-förmigen Mikrostrukturelementen 17 weist das Teilfeld 16 eine Anzahl von drei auf. Von den U-förmigen Mikrostrukturelementen 18 weist das Teilfeld 16 einen einzigen auf. Von den V-förmigen Mikrostrukturelementen 19 weist das Teilfeld 16 einen einzigen auf. Von den linienförmigen Mikrostrukturelementen 20 weist das Teilfeld 16 eine Anzahl von zwölf auf, die verteilt im Teilfeld 16 angeordnet sind und eine gleiche und/oder unterschiedliche Länge aufweisen. Ferner weist das Teilfeld 16 punktförmige Mikrostrukturelementen 21 auf.
Das Teilfeld hat eine Dimension im Bereich zwischen 50 pm x 50 pm und 300 pm x 300 pm.
Die Teilfelder 16 enthalten die Mehrzahl von Mikrostrukturelementen 17, 18, 19, 20, 21 und sind gleich groß ausgebildet. Diese sind gitterförmig nebeneinander angeordnet. Ein Querschnittsprofil durch das Teilfeld 16 in X-Richtung ist in Figur 5a dargestellt. Die in Figur 3 und Figur 4 dargestellten schwarzen Markierungen stellen Erhebungen 22 der Mikrostrukturelemente 17, 18, 19, 20, 21 dar und die weißen Markierungen bzw. Zwischenräume zwischen den Erhebungen 22 stellen Vertiefungen 23 der so gebildeten Mikrostruktur 6‘ dar. In Figur 5a ist ein Profilbild des Teilfeldes 16 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Mikrostrukturelemente 17, 18, 19, 20, 21 bzw. die Abstände (Breiten b1 ) der Erhebungen 22 von dem Y-förmigen Mikrostrukturelementen 17 bzw. Breiten b2 der Erhebungen 22 der U-förmigen Mikrostrukturelemente 18, V-förmigen Mikrostrukturelementen 19 in einem Bereich von kleiner 20 pm ist. Die linienförmigen Mikrostrukturelemente 20 bilden Erhebungen 22 mit einer Breite kleiner 5 pm. Eine Tiefe ti liegt im Bereich von 5 pm bis 12 pm.
Die Erhebungen 22 der Mikrostrukturelemente 17, 18, 19, 20, 21 bilden aufrechte Wandungen, die sich gegenüber einer Basisoberfläche 24 der Lichtscheibe 5 erheben. Diese Erhebungen 22 bzw. Wandungen erstrecken sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen geradlinig, wobei sich beispielsweise das U-förmige Mikrostrukturelement 18 aus drei geradlinigen Erhebungen 20 zusammensetzt. Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung können die Erhebungen 22 zusätzlich oder alternativ bogenförmig verlaufen. Wesentlich ist, dass die Mikrostrukturelemente 17, 18, 19, 20, 21 derart in dem Teilfeld 16 zusammengesetzt sind, dass die Lichtscheibe 5 im Montagezustand ein vorgegebenes Streuverhalten bzw. Streumuster aufweist, so dass die gewünschte Lichtverteilung 3 im Zusammenwirken beispielsweise mit der Linsenanordnung 4 abgebildet wird.
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Optikeinheit 2 auch lediglich durch die Lichtscheibe 5 gebildet sein, die für das gewünschte Streuverhalten und damit die gewünschte Lichtverteilung 3 sorgt.
Erfindungsgemäß kann durch die Auswahl einer bestimmten Anzahl von unterschiedlichen Mikrostrukturelementen 17, 18, 19, 20, 21 das gewünschte Streuverhalten erzeugt werden.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Lichtscheibe 6 kann durch Ansteuerung der Lasereinrichtung 11 dieselbe Mikrostruktur 6‘ in den Werkzeugeinsatz 8 eingebracht werden wie in Figur 3 und 4 dargestellt mit dem Unterschied, dass die Mikrostruktur 6 eine vergrößerte Tiefe t, also eine um At vergrößerte Tiefe t im Vergleich zur Mikrostruktur 6‘ gemäß Figur 5a, aufweist. Die mit einem solchen modifizierten Werkzeugeinsatz 8 spritgegossenen Lichtscheiben 5 weisen dann einen Querschnitt gemäß Figur 5b auf, bei der die Tiefe ti ‘ bzw. t2‘ größer ausfällt als die Tiefe ti bzw. t2 gemäß den Mikrostrukturen 6 nach Figur 5a. Die Anordnung der Mikrostrukturelemente 17, 18, 19, 20, 21 in dem jeweiligen Teilfeld 16 ist hierbei gleichgeblieben. Vorteilhaft kann durch die Tiefenänderung ein anderes Streuverhalten erzeugt werden, was zu einer anderen Lichtfunktion führen kann.
Alternativ kann die Tiefe t der Mikrostruktur 6‘ um At im Vergleich zu der Mikrostruktur 6‘ gemäß Figur 5a auch verringert werden, wie in Figur 5c dargestellt ist, siehe beispielhaft die reduzierten Tiefen ti“, t2“. Es stellt sich hierdurch ein weiteres geändertes Streuverhalten ein. In Figur 3 sind die Teilfelder 16 in senkrecht zueinander angeordnete Erstreckungsrichtungen x und y gitterartig angeordnet.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 5d kann die Mikrostruktur 6‘ gestaucht werden, wobei eine Breite b der Mikrostrukturelemente 17, 18, 19, 20, 21 verringert wird. Eine Breite b1 ‘ und b2‘ der Mikrostrukturelemente 17, 18 ist im Vergleich zu der Breite b1 bzw. b2 gemäß Figur 5a kleiner ausgebildet. Hierdurch wird ein verändertes Streuverhalten erzeugt, was zur Abbildung einer weiteren Lichtfunktion dienen kann.
Die unterschiedlichen Mikrostrukturen können auf einfache Weise durch entsprechende Ansteuerung der Lasereinrichtung 11 erzeugt werden. Für unterschiedliche Lichtfunktionen können somit unterschiedliche Werkzeugeinsätze 8 generiert werden, die abhängig von zu erzeugenden Lichtverteilungen 3 in das Spritzgießwerkzeug 9 eingesetzt werden können.
Wenn der Werkzeugeinsatz 8 und die Lasereinrichtung 11 mehrachsig gelagert sind, können auch gekrümmte bzw. bogenförmige Lichtscheiben 5 mit einer bogenförmigen bzw. gekrümmten Mikrostruktur 6‘ erzeugt werden.
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das optische Bauteil statt der Lichtscheibe 5 als ein Lichtleiter oder als ein Reflektor ausgebildet sein, der an einer Mantelfläche bzw. Flachseite die Mikrostruktur 6‘ aufweist. Bezugszeichenliste
1 Lichtquelle
2 Optikeinheit
3 Lichtverteilung
4 Linsenanordnung
5 Lichtscheibe
6,6‘ Mikrostruktur
7 Gehäuse
8 Werkzeugeinsatz
9 Spritzgießwerkzeug
10 Laserstrahl
11 Lasereinrichtung
12 Oberfläche
13 1 . Werkzeughälfte
14 2. Werkzeughälfte
15 Außenseite
16 Teilfelder
17 Mikrostrukturelemente
18 Mikrostrukturelemente
19 Mikrostrukturelemente
20 Mikrostrukturelemente
21 Mikrostrukturelemente
22 Erhebungen
23 Vertiefungen
24 Basisoberfläche b1 ,b1 ‘,b2,b2‘ Breite t,ti,ti‘,t2,t2‘,ti“,t2“ Tiefe x,y Erstreckungsrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einem Gehäuse (7) enthaltend eine Lichtquelle (1 ) und eine Optikeinheit (2), wobei die Optikeinheit (2) eine mikrostrukturierte Oberfläche (6‘) mit einer Mehrzahl von Mikrostrukturelementen (17, 18, 19, 20, 21 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturelemente (17, 18, 19, 20, 21 ) aus einer begrenzten Auswahl von in mindestens zwei Erstreckungsrichtungen der Oberfläche (12) unterschiedlich ausgebildeten Mikrostrukturelementen (17, 18, 19, 20, 21 ) gebildet sind.
2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl von unterschiedlichen Mikrostrukturelementen (17, 18, 19, 20, 21 ) Mikrostrukturelemente (17, 18, 19, 20, 21 ) umfasst, die Erhebungen (22) aufweisen, die zumindest teilweise geradlinig und/oder bogenförmig in mindestens einer Erstreckungsrichtung (X, Y) verlaufen.
3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl von Mikrostrukturelementen (17, 18, 19, 20, 21 ) Y- förmige Mikrostrukturelemente (17) und/oder U-förmige Mikrostrukturelemente (18) und/oder V-förmige Mikrostrukturelemente (19) und/oder linienförmige Mikrostrukturelemente (20) und/oder punktförmige Mikrostrukturelemente (21 ) aufweist.
4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilfeld (16) der mikrostrukturierten Oberfläche (6‘) eine vorgegebene Anzahl von unterschiedlichen Mikrostrukturelementen (17, 18, 19, 20, 21 ) und eine vorgegebene Anordnung von gleichen und/oder unterschiedlichen Mikrostrukturelementen (17, 18, 19, 20, 21 ) aufweist und dass sich die mikrostrukturierte Oberfläche (6‘) aus einer Mehrzahl von gleich ausgebildeten Teilfeldern (16) zusammensetzt. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilfeld (16) eine rechteckförmige oder quadratische Größe im Bereich zwischen 50 pm x 50 pm und 300 pm x 300 pm hat. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinheit (2) einen Lichtleiter und/oder eine Lichtscheibe (5) und/oder einen Reflektor umfasst, die die mikrostrukturierte Oberfläche (6‘) aufweist. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (b1 , b2, b1 *, b2‘) benachbarter Erhebungen (22) zueinander und/oder eine Länge der Mikrostrukturelemente (17, 18, 19, 20, 21 ) und/oder eine Tiefe (t) derselben derart gebildet ist, dass eine von dem optischen Bauteil (5) abgestrahltes Licht ein vorgegebenes Streumuster (3) aufweist. Verfahren zum Herstellen von optischen Bauteilen (5) von Leuchten und Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer mikrostrukturierten Oberfläche (6‘) mittels Spritzgießen, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Bereitstellen eines Spritzgießwerkzeuges (9) mit einer eine Mikrostruktur (6) aufweisenden Werkzeugoberfläche (12), gekennzeichnet durch
- Einbringen von in einer Erstreckungsebene der Werkzeugoberfläche ausgewählten unterschiedlich ausgebildeten Mikrostrukturelementen in die Werkzeugoberfläche (12) mittels Lasern, - Spritzgießen der optischen Bauteile (5) unter Formung der Mikrostrukturelemente (17, 18, 19, 20, 21) in der Oberfläche der optischen Bauteile (5). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sequentiell eine Mehrzahl von gleich unterschiedlich ausgebildeten Mikrostrukturelementen (17, 18, 19, 20, 21) in die Werkzeugoberfläche (12) eingebracht wird, so dass die Werkzeugoberfläche (12) aus einer Anzahl von gleichen Teilfeldern besteht, die jeweils die gleiche Anzahl und/oder Anordnung von unterschiedlichen Mikrostrukturelementen aufweisen. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lasereinrichtung (11 ) zum Lasern der Werkzeugoberfläche (12) derart angesteuert wird, dass eine Dimension einer und/oder mehrerer Mikrostrukturelemente und/oder einer Dimension der Teilfelder derart variiert wird, dass das hergestellte optische Bauteil (5) im Zusammenwirken mit einer Lichtquelle (1 ) Licht eines vorgegebenen Streumusters (3) abstrahlt. Werkzeugeinsatz für ein Spritzgießwerkzeug zum Spritzgießen eines optischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lasereinrichtung (11) und der Werkzeugeinsatz (8) mehrachsig gelagert sind, derart, dass die unterschiedlichen Mikrostrukturelemente auf einer gekrümmten Werkzeugoberfläche durch Lasern einbringbar sind. Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugeinsatzes zum Spritzgießen eines optischen Bauteils (5) enthaltend eine mikrostrukturierte Oberfläche (6‘), dadurch gekennzeichnet, dass in einer Oberfläche (12) des Werkzeugeinsatzes (8) eine Anzahl von in einer Erstreckungsebene derselben unterschiedliche dimensionierte Mikrostrukturelemente mittels Lasern eingebracht werden.
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