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Licht im Produkt: Kosten vs. Lichtbild

Artikel, letzte Änderung: , Autor : Thomas Kümpfel

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Erhalten Sie ein Überblick über die Vor und Nachteile verschiedener Lichtsysteme und wie man Lichtleiter / Lichtwellenleiter verwendet für ambientes und funktionales Licht im Produkt. Dazu Tips zur Helligkeit und der effizienten Kombination von Lichtleiter und LED.

Inhalt:

  1. Einleitung
  2. Funktionale Beleuchtung
  3. Ambiente Beleuchtung
  4. Tips zur Effizienzverbesserung
  5. Kosten vs Lichtbild
  6. Helligkeit und Wahrnehmung

Einleitung

Die Erzeugung von definierten Lichtbildern in Produkten und Geräten wie Lichtlinien, leuchtende Flächen und durchleuchteten Logos nimmt an Wichtigkeit zu, um die Produktqualität zu kommunizieren. Designer und Produktmanager definieren Erscheinungsbilder, die sie gern im kommenden Produkt haben möchten. Dabei wird Licht als aufwertendes Element, zur Orientierung oder funktional verwendet. Meist haben Elektronikprodukte mit LED Lichtquellen die Kombination aus funktionaler und ambienter Beleuchtung.

  • Zustandsanzeigen und Warnanzeigen werden meist in kleinen Lichtfenstern in den Einzelfarben Rot, Grün, Orange angezeigt
  • Ambiente Beleuchtung wird überwiegend mehrfarbig in individuellen produktangepassten Formen ausgeführt

Funktionale Beleuchtung

Für die funktionale Beleuchtung werden entweder einfarbige oder mehrfarbige LED eingesetzt, deren Farben bei Funktionsänderung umgeschaltet werden. Dabei werden häufig Helligkeiten >1000cd/m² und eine gute Sichtbarkeit aus relevanten Beobachtungswinkeln gefordert. In Produkten werden Lichtleiter als Verbindungselement zwischen LED und Lichtfenster eingesetzt. Dadurch lässt sich gleichzeitig eine hohe Effizienz und eine gute Farbmischung erreichen.

  • Mit dem richtigen Lichtleiterquerschnitt und der entsprechenden optischen Weglänge lassen sich Mischfarben aus den Grundfarben erzeugen und gleichmässig anzeigen
  • Fehlerbilder wie Farbsäume ergeben sich, wenn die Farbmischung nicht vollständig ist
  • Mögliche Kostenersparnis mit zweifarbiger LED Rot/Grün und Mischung der Zustandsfarbe Orange
  • Als Faustformel sollte die Lichtfensterbreite den Abstand zwischen LED und Lichtfenster nicht überschreiten, eine individuelle Bewertung ist allerdings immer sinnvoll

Die Entwicklung funktionaler Beleuchtung ist vergleichsweise weniger zeitaufwendig als die ambiente Beleuchtung, weil keine homogene Ausleuchtung gefordert ist. Je nach Bauraum und LED Position muss man zwischen Side-LED und Top-LED entscheiden. Top-LED sind allgemein heller und besser zu beziehen, bieten aber in engen Bauräumen Nachteile bei der Lichtleitung.

Ambiente Beleuchtung

Aus Kunden und Entwicklungssicht unterscheidet man zwei Arten von ambienten Lichtbildern, indirektes und direktes Licht. Die Entwicklung von Lichtleitern für die ambiente Beleuchtung ist fast immer individuell an den Produkt-Bauraum angepasst.

  • Die indirekte Produktbeleuchtung funktioniert, indem ein versteckt innenliegendes Lichtsystem auf eine Fläche leuchtet, die für den Benutzer sichtbar ist
  • Die direkte Beleuchtung wird erzeugt, in dem die beobachtete Lichtfläche direkt sichtbar ist. Meist werden leicht diffuse Kunststoffteile, sogenannte Diffusoren, als Abschlussfläche verwendet
  • Automotive Produktbeispiele: Türdekorleisten, Ausströmerbeleuchtung, Instrumententafel, Einstiegsleisten uvm.
  • Industrie Produktbeispiele: Bedienelemente, Badarmaturen, Wandschalter, Spielzeuge uvm.

Relevant für die Lichtentwicklung von ambienten Lichtsystemen sind die zu erreichende Helligkeiten, Einzel oder Mehrfarbigkeit, der Bauraum und die Kosten. Die Bewertung des Lichtbildes kann nach folgenden Maßstäben erfolgen. Eine hohe Qualität ist sichergestellt wenn folgende Kriterien im Lichtfenster wahrgenommen und gemessen werden:

1) Gleiche Farbe (delta E, dEu´v´ usw.)

  • kein Regenbogeneffekt
  • keine Farbsäume
  • kein Gelbstich (Spritzgussproblem)

2) Gleiche wahrgenommene Helligkeit aus frontaler Sicht oder relevanten Beobachtungswinkeln

  • keine Spots
  • keine dunklen Stellen

3) Höchstmögliche oder spezifizierte Helligkeit

Einkoppeleffizienz von LED zu Lichtleiter

Die effizienteste Einkopplung garantiert noch keine maximale Helligkeit, aber schafft die Vorraussetzung für ein möglichst helles Lichtbild. Die maximale Effizienz der Einkopplung und Lichtleitung lässt sich mit folgenden Tips erreichen.

Einkopplung von LED in Lichtleiter:

  • Umso größer die Lichtleiterfläche vor der LED ist, desto mehr Leistung wird eingekoppelt. Eine zu kleine Fläche bedeutet Verlust und Streulicht. Die Lichtleiterfläche sollte größer sein als die LED Geometrie (>2/10mm) in allen Toleranzen
  • Der Abstand des Lichtleiters zur LED sollte im Bereich 0,2mm liegen und möglichst kleine Toleranzen in Serie besitzen (<2/10mm)
  • Einkoppelfläche des Lichtleiters sollte keine oder fertigungsbedingt möglichst kleine Radien, Fasen oder Schrägen haben

Lichttransport im Lichtleiter

  • Jede Querschnittsänderung am Lichtleiter bedeutet Lichtauskopplung und Verlust. Idealerweise wird der Querschnitt nicht geändert und der Lichtleiter wird in ein Umgebungsteil geklemmt.
  • Der Querschnitt von Rasten und Befestigungen am Lichtleiter sollte möglichst klein sein
  • Die Verjüngung des Lichtleiters führt zu Effizienzverlust und Streulicht, eine Aufweitung ist unproblematisch und ergibt kaum Verluste

Kosten vs Lichtbild

Die Kombination von LED und optischen Komponenten wird benutzt, für die Verteilung und Homogenisierung der punktuellen LED Leistung. Durch den Einsatz mehrerer Komponenten wird das Lichtbild in Helligkeit und Homogenität auf ein höheres Qualitätsniveau gehoben.

Einteilig (kostengünstig)

Ein Lichtsystem aus nur einem Lichtleiter, auch Lichtwellenleiter (LWL) genannt, bietet Kosten und Bauraumvorteile, aber schränkt die Art der Anwendung ein. Oft werden einteilige Lichtleiter in Industrieprodukten verwendet, um LED und Lichtfenster zu verbinden, siehe Funktionsbeleuchtung. Das zusätzliche Aufweiten des Leiters über die Wegstrecke erlaubt die Lichtverteilung und das schaffen von kleinen Lichtlinien oder Flächen.

  • Einteilig bedeutet geringe Kosten
  • geeignet für funktionale Beleuchtung
  • ambiente Beleuchtungsziele wie Homogenität in großen Lichtfenstern ist nur mit zusätzlichen Umgebungsteilen möglich
  • Problematisch bei freiliegendem Lichtleiter ist das Streulicht

Die Lichtentwicklung einteiliger Systeme ist nicht trivial. Oftmals sind die Anforderung an das Lichtbild nahe am mehrteiligen System und ein einziger Lichtleiter muss als multifunktionales Teil ausgelegt werden, ohne dass die Befestigungen negativ auffallen oder die Seite der Lichteinkopplung sichtbar ist (inhomogen). Je nach Anwendung ist es möglich ein gutes Lichtbild zu erhalten mit einem einteiligen System.

Zweiteilig (homogener)

Die Kombination des Lichtleiters mit einem diffusen Kunststoffteil hat mehrere Vorteile. Der Diffusor ist in seiner Anmutung mit einem Milchglas zu vergleichen und versteckt dadurch die dahinterliegende Technik. Darüberhinaus dient der Diffusor als haptische Oberfläche für den Anwender.

  • es müssen zwei separate Teile hergestellt werden, die Kombination als 2K Verbund funktioniert nur für funktionale Beleuchtung!
  • die Kombination des Lichtleiters mit einem darüberliegenden Diffusor, erlaubt es Lichtauskoppelstrukturen zu verstecken, das Lichtbild zu homogenisieren und ambiente Lichtbilder zu erzeugen
  • Verrastungen und andersfarbige Umgebungsteile können als Störstellen im Lichtbild auftreten
  • Effizienz / Helligkeit ca. 30% geringer als mit weißer Rückwand

Dreiteilig (ideal)

Das Ideale System für leuchtende Linien und größere Bereiche ist dreiteilig. Lichtleiter, Diffusor und weißes Halteteil bilden das Lichtsystem, entweder für die direkte oder die indirekte Beleuchtung.

  • der Lichtleiter wird in dem weißen Halter befestigt für eine höhere Steifigkeit, die Erhöhung der Helligkeit und zur Vermeidung von Streulicht
  • der Diffusor wird am weißen Halter, ausserhalb des lichtrelevanten Bereiches, befestigt
  • Kosten für drei separate Teile müssen eingeplant werden. 2K wäre nur denkbar zwischen Diffusor und Halteteil, die Montage des Lichtleiters steht dieser Vorgehensweise meistens im Weg.

Die Entwicklung eines kompletten Lichtsystemes wird mit verschiedensten Disziplinen durchgeführt. LED und Platine sind Teil der Elektronik und Lichtentwicklung. Die Erzeugung der Kunststoffteile wird mit CAD Konstrukteuren und Lichtentwicklern durchgeführt, wobei über neue Daten Lichtsimulationen laufen und Änderungen als kritisch oder unkritisch eingestuft werden können. Die Entwicklung der Optik, also des Lichtleiters liegt in der Lichtentwicklung und entsteht in CAD und Lichtsimulationssoftware größtenteils manuell. Für die Auskoppelstrukturen gibt es auf dem Markt Optimierungstools für Prismenbänder und Mikrostrukturverteilungen. Dadurch reduziert sich die Entwicklungszeit deutlich, solange die Geometrien keine weiteren Änderungsschleifen erfahren.

Für kleine Bauräume und/oder geringe Stückzahlen können anstelle von Kunststofflichtleitern auch Glasfasern oder flexible Lichtleiterkabel mit PMMA Fasern eingesetzt werden. Vorteilhaft bei Faserkabeln sind geringe Kosten bei kleinen Stückzahlen, weil keine Spritzgusswerkzeuge gebaut werden müssen. Nachteilhaft bei Einsatz von flexiblen Fasern ist die fehlende Befestigung und das es weniger Freiheitsgrade gibt die Lichtauskopplung individell zu gestalten.

Helligkeit und Wahrnehmung

Die indirekte Beleuchtung wird eingesetzt, um unterschwellig Stimmungen zu erzeugen und/oder die beleuchteten Stoffe in Szene zu setzen. Oft kommt die indirekte als ambiente Beleuchtung erst zur Geltung bei einsetzender Dämmerung. Die gezeigten Werte sind in der Praxis ermittelt. Um das Produkt unter einer bestimmten Umgebungsbeleuchtung zu Erkennen, braucht man folgende Leuchtdichte-Werte:

Ambiente

Dunkelheit -> Produktbeleuchtung 0,1-10 [cd/m²] 

Dämmerung -> Produktbeleuchtung 10-50 [cd/m²]

Tageslicht

Bewölkt -> Produktbeleuchtung 200-400 [cd/m²]

Normales Tageslicht -> Produktbeleuchtung 400-600 [cd/m²]

leichte Sonneneinstrahlung -> 600-1200 [cd/m²]

Wenn Sie das Licht im Produkt bei stark einstrahlender Sommersonne sehen möchten, dann muss die Applikation mehr als 3500cd/m² emittieren.

Umso höher die Leuchtdichten sind, desto mehr kann die Applikation auch zur Darstellung von Funktionen und Warnungen verwendet werden. Die resultierende Helligkeit wird bestimmt durch das Lichtkonzept, die Anzahl der LED, die LED Bestromung, die Diffusität der verwendeten Abdeckungen. LED Stripes, mid und high power LED werden verstärkt eingesetzt zur Erhöhung des Darstellungsumfanges.

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