DE102004026585A1 - Light distributor production method for distribution of light involves directing pulsed laser beam whose direction is changeable and results in formation of trough-shaped indentations and macrostructures and microstructures on surface - Google Patents

Light distributor production method for distribution of light involves directing pulsed laser beam whose direction is changeable and results in formation of trough-shaped indentations and macrostructures and microstructures on surface Download PDF

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Abstract

The method involves producing a light distributor from transparent plastic e.g. polymethyl methacrylate, polystyrene or polybutadiene. A pulsed laser beam is directed in x-direction which is shifted in y-direction and results in the formation of trough-shaped indentations in the y-direction. Formation of macrostructures and microstructures in the form of pores also takes place on the surface. An independent claim is also included for the light distributor.

Description

Unter einem Lichtverteiler versteht man ein optisches Bauteil, welches einer Lichtquelle vorgeordnet durch Transmission oder Reflexion die Strahlungscharakteristik des auftreffenden Strahlungsbündels (nachfolgend Beleuchtungsstrahl genannt) verändert, indem die Strahlungsintensität innerhalb des Beleuchtungsstrahls und dessen Form verändert wird. Lichtverteiler, die durch Transmission wirken, bestehen aus einem für den Beleuchtungsstrahl transparenten Material und weisen eine Lichteintritts- und eine Lichtaustrittsfläche auf, die je nach Bestimmung des Lichtverteilers eine zwei- oder dreidimensionale Oberflächenform hat, die von lichtverteilenden Strukturen überlagert wird. Diese lichtverteilende Strukturen sind Makrostrukturen (im mm und 1/10 mm-Bereich) und/oder Mikrostrukturen (im μm-Bereich). Lichtverteiler können unter anderem Planplatten, Keile und Leuchtenschalen sein. Im Sinne der Erfindung sollen auch Lichtleitfasern mit einer lichtverteilenden Struktur über einer Lichtaustrittsfläche am Faserende oder Faserumfang als Lichtverteiler verstanden werden.Under a light distributor is understood to mean an optical component which a light source upstream of transmission or reflection the radiation characteristic of the impinging radiation beam (hereinafter Lighting beam called) changed, by the radiation intensity within the illumination beam and its shape is changed. Light distributors, which act by transmission, consist of a for the Illuminating beam transparent material and have a Lichteintritts- and a light exit surface depending on the destination of the light distributor a two- or three-dimensional surface shape has, which is superimposed by light-distributing structures. These light-distributing structures are macrostructures (in the mm and 1/10 mm range) and / or microstructures (in the μm range). Light distributor can including planed plates, wedges and lighting shells. For the purpose of The invention also optical fibers with a lichtverteilenden Structure over a light exit surface on Fiber end or fiber circumference are understood as a light distributor.

Bekannte Lichtverteiler unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Geometrie und Größe der lichtverteilenden Strukturen sowie durch deren Herstellungsverfahren.Known Light distributors differ essentially by the geometry and size of the light-distributing Structures as well as their production process.

In der DE 197 31 142 ist ein Lichtverteiler offenbart, bei dem die Oberfläche aus nebeneinander liegenden Linearprismen gebildet wird, die eine erste Linearstruktur darstellen. Diese wird von wenigstens einer zweiten Linearstruktur überlagert, die durch eine Anordnung prismatischer Ausnehmungen in den Linearprismen gebildet wird.In the DE 197 31 142 a light distributor is disclosed in which the surface is formed of adjacent linear prisms, which constitute a first linear structure. This is superimposed by at least one second linear structure, which is formed by an arrangement of prismatic recesses in the linear prisms.

Die Oberflächenstruktur ist eine reine Makrostruktur.The surface structure is a pure macrostructure.

Die erste Linearstruktur weitet den Beleuchtungsstrahl einer Punktlichtquelle im Wesentlichen linear orthogonal zum Verlauf der Linearprismenkanten auf und homogenisiert die Intensität des Beleuchtungsstrahls entsprechend in diese Richtung, während sie die Strahlungscharakteristik des Beleuchtungsstrahls in Richtung der Linearprismenkanten nahezu unbeeinflusst lässt.The first linear structure widens the illumination beam of a point light source essentially linearly orthogonal to the course of the linear prism edges and homogenizes the intensity of the illumination beam accordingly in that direction while they the radiation characteristic of the illumination beam in the direction the linear prism edges are almost unaffected.

Die Beeinflussung der Strahlungscharakteristik in Richtung der Linearprismenkanten wird durch die zweite Linearstruktur, die kreuzenden prismatischen Ausnehmungen, bewirkt. Durch den Abstand und die Größe dieser kreuzenden Ausnehmungen kann der Grad der linearen Lichtverteilung in eine flächige Lichtverteilung eingestellt werden.The Influencing the radiation characteristic in the direction of the linear prism edges is crossed by the second linear structure, the prismatic Recesses, causes. By the distance and the size of this intersecting recesses can reduce the degree of linear light distribution in a plane Light distribution can be adjusted.

Die Linearprismen werden durch Prägen, die Ausnehmungen durch ein mechanisches Abtragungsverfahren erzeugt. Als Material für den Lichtverteiler werden Kunststoff, Glas und Quarz angegeben. Der Lichtverteiler kann als Platte oder als Folie ausgebildet sein.The Linear prisms are made by embossing, the recesses generated by a mechanical ablation process. As material for The light distributor is indicated as plastic, glass and quartz. The light distributor may be formed as a plate or as a foil.

In der WO 02/057816 ist ein Lichtverteiler offenbart, dessen Oberfläche durch nebeneinander liegende Linearelemente gebildet wird (brechende Struktur genannt), um gleich den Linearprismen in der DE 197 31 142 die Lichtverteilung in eine Richtung zu bewirken. Der Querschnitt der Linearelemente kann dreieckförmig, halbkreisförmig oder wellenförmig sein. Diese Linearelemente, hier als „brechende Struktur" bezeichnet, werden von einer „streuenden Struktur" überlagert, die insbesondere durch elliptische Erhebungen gebildet ist, deren großer Durchmesser jeweils nach gewünschter Lichtverteilung in Richtung oder orthogonal zu den Linearelementen ausgerichtet ist und die in ihren Abmessungen deutlich kleiner als die Linearelemente sein sollen. Die Oberflächenstruktur wird demnach aus einer Makro- und einer Mikrostruktur gebildet. Es wird keine Aussage getroffen, mit welchen Verfahren solche Lichtverteiler hergestellt werden können.In WO 02/057816 a light distributor is disclosed, the surface of which is formed by adjacent linear elements (called breaking structure) to equal to the linear prisms in the DE 197 31 142 to cause the light distribution in one direction. The cross section of the linear elements may be triangular, semicircular or wavy. These linear elements, here referred to as "refractive structure" are superimposed by a "scattering structure", which is formed in particular by elliptical elevations, whose large diameter is aligned according to the desired light distribution in the direction or orthogonal to the linear elements and in their dimensions clearly should be smaller than the linear elements. The surface structure is thus formed from a macrostructure and a microstructure. No statement is made with which method such light distributors can be produced.

Es ist angegeben, dass der Lichtverteiler aus einem transparenten Material wie Glas oder z.B. einem synthetischen Kunststofffilm oder aber aus einem reflektierenden Material wie Metall bestehen kann.It is stated that the light distributor is made of a transparent material like glass or e.g. a synthetic plastic film or may consist of a reflective material such as metal.

In der US 6,130,777 sind ein weiterer spezieller Lichtverteiler, nämlich eine Lentikularglasscheibe und ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben. Zum Stand der Technik wird in dieser Schrift ausgeführt, dass konventionelle Diffuser (besser Lichtverteiler genannt) z.B. mit einer Oberflächenform von hälftigen nebeneinander angeordneten Zylinderlinsenelementen (Linearelemente) in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 mm, also einer Makrostruktur, durch um- oder urformende Verfahren hergestellt werden, und dass diese Verfahren nicht geeignet sind, Elemente komplizierterer Form oder kleinerer Größe exakt herzustellen. Diese konventionellen Lichtverteiler, bei denen die linsenförmige Oberfläche als Lichteintrittsfläche wirkt, verteilen die Strahlung im Wesentlichen nur in eine Richtung, wie bereits an Hand des beschriebenen Standes der Technik erläutert. Um den Verteilungsbereich zu vergrößern, sollen zwei derartige Lichtverteiler so zueinander versetzt zusammengefügt werden, dass die Linsenelemente in zwei Ebenen liegend senkrecht zueinander verlaufen.In the US 6,130,777 Another special light distributor, namely a lenticular glass pane and a method for its production are described. The prior art is stated in this document that conventional diffuser (better called light distributor), for example, with a surface shape of half side by side arranged cylindrical lens elements (linear elements) in the order of 0.1 to 0.2 mm, so a macrostructure, by um- or forming processes, and that these methods are not suitable for accurately producing elements of more complex shape or smaller size. These conventional light distributors, in which the lenticular surface acts as a light entry surface, distribute the radiation substantially only in one direction, as already explained with reference to the described prior art. In order to increase the distribution area, two such light distributors are to be joined together offset from one another in such a way that the lens elements lie perpendicular to one another in two planes.

Mit dem Gegenstand der US 6,130,777 wird nun vorgeschlagen, zur besseren Homogenisierung der Lichtverteilung, die beschriebene konventionelle Oberflächenform (Makrostruktur) mit winzigen Strukturen (Mikrostruktur), in der Größenordnung von 1-200 μm zu überlagern und es wird ein Verfahren zur Herstellung von Lentikularglasscheiben (Lichtverteiler) mit diesen Strukturen angegeben.With the subject of US 6,130,777 It is now proposed, for better homogenization of the light distribution, the described conventional surface form (macrostructure) with tiny Struk (Microstructure), on the order of 1-200 microns overlay and it is a method for producing lenticular glass panes (light distributor) specified with these structures.

In einer ersten Ausführung des Herstellungsverfahrens wird ein transparenter Plastikfilm mit einer Vielzahl winziger Streuelemente (Mikrostruktur) auf einer Oberfläche hergestellt, indem ein Plastikfilm über eine erste Rolle geführt und bestrahlt wird, deren Oberfläche komplementär zur gewünschten Mikrostruktur ausgebildet ist und die zuvor mit einem durch Strahlung aushärtbarem Kunstharz beschichtet worden ist. Das Kunstharz härtet durch die Bestrahlung aus und bildet auf der anliegenden Oberfläche des transparenten Plastikfilms die Mikrostruktur. Dieser Plastikfilm wird in einem zweiten Verfahrensschritt auf eine thermoplastische Kunstharzplatte laminiert, indem der Plastikfilm und die Kunstharzplatte zwischen einem Rollenpaar geführt zusammengepresst werden, wobei wenigstens eine der Rollen eine zur Makrostruktur komplementäre Oberflächenform aufweist, so dass die anliegende Oberfläche der Kunstharzplatte entsprechend der Makrostruktur geformt wird.In a first embodiment of the manufacturing process is a transparent plastic film with a multitude of tiny scattering elements (microstructure) on one surface made by passing a plastic film over a first roll and is irradiated, their surface complementary to the desired Microstructure is formed and the previously with a by radiation curable Resin has been coated. The resin hardens irradiation and forms on the adjacent surface of the transparent plastic film the microstructure. This plastic film is in a second step on a thermoplastic Laminated synthetic resin board by placing the plastic film and the resin plate between led a pair of roles be pressed together, wherein at least one of the rollers one for Macrostructure complementary surface shape has, so that the fitting surface of the resin plate accordingly the macrostructure is shaped.

Weitere beschriebene Ausführungen des Herstellungsverfahrens sind ebenso aufwendig. Zum Aushärten wird vorgeschlagen, je nach dem verwendeten Kunstharz, UV-Strahlung oder Elektronenstrahlung zu verwenden.Further described embodiments the manufacturing process are just as expensive. For curing proposed, depending on the resin used, UV radiation or To use electron radiation.

Die zwingende Verwendung von durch Strahlung härtbaren Kunstharzen stellt eine Materialeinschränkung dar. Darüber hinaus ist das Verfahren zeitaufwendig und setzt eine spezielle technische Ausrüstung voraus sowie für unterschiedliche Strukturen individuell angefertigte Werkzeuge (unterschiedliche Rollen).The compelling use of radiation-curable resins a material restriction above In addition, the process is time consuming and sets a special technical equipment ahead as well as for different structures custom-made tools (different Roll).

Sowohl die Mikrostruktur als auch die Makrostruktur werden in allen beschriebenen Ausführungen des Herstellungsverfahrens durch Umformen bzw. Urformen hergestellt. Entsprechend werden die Strukturen jeweils durch die Gestaltung der Modellform in ihrer Größe, Form und Anordnung zueinander bestimmt.Either the microstructure as well as the macrostructure are described in all versions of the manufacturing process produced by forming or prototyping. Accordingly, the structures are each determined by the design the model form in its size, shape and arrangement determined to each other.

Eine erste Ausführung der Mikrostruktur zeigt Zylinderlinsenelemente gleicher Form und Ausrichtung der Zylinderlinsenachsen wie die Zylinderlinsenelemente der Makrostruktur und bewirkt eine homogenere Streuung der Strahlung senkrecht zu den Zylinderlinsenachsen.A first execution the microstructure shows cylindrical lens elements of the same shape and Alignment of the cylindrical lens axes as the cylindrical lens elements the macrostructure and causes a more homogeneous scattering of the radiation perpendicular to the cylindrical lens axes.

In einer zweiten Ausführung sind die Mikrostrukturen ebenfalls Zylinderlinsenelemente, deren Zylinderlinsenachsen senkrecht zu denen der Makrostruktur ausgerichtet sind, wodurch eine zusätzliche Streuung in Richtung der Zylinderlinsenachsen der Makrostruktur bewirkt wird und die Streuung räumlich ausgedehnter wird.In a second embodiment the microstructures are also cylindrical lens elements whose cylindrical lens axes aligned perpendicular to those of the macrostructure, thereby an additional scatter in the direction of the cylindrical lens axes of the macrostructure is effected and the scattering spatially extended becomes.

Die US 6,352,359 zeigt eine Leuchte, in der von einer Lichtquelle bestrahlte Bauteile im Sinne der Erfindung als Lichtverteiler ausgebildet sind. Diese können die Abdeckschale, eine inne liegende Streuscheibe und/oder ein Reflektor sein. Ist der Lichtverteiler ein transparentes Bauteil, können die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche strukturiert sein. Die lichtverteilenden Strukturen sollen Mikrostrukturen sein, die die Lichtverteilung homogenisieren, das Licht dahin richten, wo es gebraucht wird und die Strahlung so formen, dass sie einen gewünschten Bereich ausleuchtet.The US 6,352,359 shows a lamp in which are irradiated by a light source components in the context of the invention as a light distributor. These may be the cover shell, an inner lens and / or a reflector. If the light distributor is a transparent component, the light entry surface and the light exit surface can be structured. The light-distributing structures are said to be microstructures that homogenize the light distribution, direct the light to where it is needed, and shape the radiation to illuminate a desired area.

Zu Größe, Form und Ausrichtung der Mikrostrukturen wird ausgeführt, dass diese ausgewählt werden abhängig von den funktionellen Eigenschaften, die die Leuchte haben soll.To Size, shape and alignment of the microstructures are made to be selected dependent of the functional properties that the luminaire should have.

In einer Ausführung sind die Mikrostrukturen in eine sogenannte Kissenstruktur auf der inneren Oberfläche einer gekrümmten Abdeckschale integriert. Die Kissenstruktur, die vermutlich eine matrixförmige Anordnung von zu den Mikrostrukturen verhältnismäßig großen Kugelabschnitten auf einer konkaven Basisfläche ist, streut laut Verfasser der US 6,352,359 die Strahlung nur sehr ineffizient und dient mehr der ästhetischen Erscheinung der Leuchte. Es wird auf eine Vielzahl von älteren Patenten des Inhabers der US 6,352,359 verwiesen, in denen Formen der Mikrostrukturen und Verfahren zu deren Herstellung angegeben sind.In one embodiment, the microstructures are integrated into a so-called cushion structure on the inner surface of a curved cover shell. The cushion structure, which presumably is a matrix-like arrangement of relatively large ball sections to the microstructures on a concave base surface, scatters according to the author US 6,352,359 The radiation is very inefficient and serves more the aesthetic appearance of the lamp. It is based on a variety of older patents of the owner US 6,352,359 referring to forms of microstructures and methods of making the same.

Diese Verfahren haben gemeinsam, dass die Lichtverteiler jeweils als Kopie oder Negativ einer Masterform hergestellt werden. Damit sind die Strukturen, welche für die Lichtverteilung bestimmend sind, jeweils konkret vorgegeben. Für unterschiedlich gewünschte Lichtverteilungen werden unterschiedliche Masterformen benötigt.These Procedures have in common that the light distributors each as a copy or negative of a master mold. This is the Structures, which for the light distribution are determinative, each specified concretely. For different desired light distributions Different master forms are needed.

In allen beschriebenen Lösungen sind die lichtverteilenden Strukturen, soweit die Herstellungsverfahren bekannt oder ableitbar sind, durch das Werkzeug fest vorgegeben. Eine durch Makrostrukturen bestimmte Lichtverteilung wird gegebenenfalls durch definiert angeordnete, gleichmäßig über die Oberfläche der Makrostrukturen verteilte Mikrostrukturen homogenisiert.In all described solutions are the light-distributing structures, as far as the manufacturing process are known or derivable, fixed by the tool. Optionally, a light distribution determined by macrostructures is transmitted defined, evenly over the surface of the Macrostructures homogenized distributed microstructures.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von transparenten Lichtverteilern zu finden, bei dem mit einem gleichen Werkzeug im gleichen Verfahrensschritt lichtverteilende Strukturen, bestehend aus Makrostrukturen und Mikrostrukturen unterschiedlicher Form und Größe, erzeugt werden können.It is the object of the invention to find a method for the production of transparent light distributors, in which light-distributing structures, consisting of macrostructures and microstructures of different shape and size, are produced with the same tool in the same process step can be.

Es ist auch Aufgabe der Erfindung, einen Lichtverteiler mit Makrostrukturen und Mikrostrukturen zu schaffen, wobei die Mikrostrukturen in Abhängigkeit von der lichtverteilenden Wirkung der Makrostrukturen über die Oberfläche der Makrostrukturen verteilt sein sollen.It It is also an object of the invention to provide a light distributor with macrostructures and to create microstructures, the microstructures depending on from the light distributing effect of the macrostructures over the surface of the macrostructures should be distributed.

Diese Aufgaben werden für ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtverteilers gemäß dem Hauptanspruch 1 und für einen Lichtverteiler gemäß dem Hauptanspruch 7 gelöst.These Tasks are for a method for producing a light distributor according to the main claim 1 and for a light distributor according to the main claim 7 solved.

Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.advantageous versions are in the subclaims executed.

Durch die Erzeugung der lichtverteilenden Struktur mittels Laser können mit ein und demselben Werkzeug nicht nur unterschiedliche Makrostrukturen in Größe und Form geschaffen werden, sondern es entstehen gleichzeitig in der neu generierten Oberfläche durch die thermische Einwirkung der Laserstrahlung auf das Material Mikrostrukturen, die im Wesentlichen Poren darstellen.By the generation of the light-distributing structure by means of laser can with one and the same tool not just different macro structures in size and shape be created, but at the same time arise in the new generated surface by the thermal effect of the laser radiation on the material Microstructures that are essentially pores.

Über die Wahl des Materials und des Lasers sowie dessen Verfahrensparameter, wie Laserleistung, Pulsfrequenz, Pulsdauer, Vorschubgeschwindigkeit und Abtastregime (Bewegungsablauf) kann die Form, Größe und Anordnung der Makrostrukturen bestimmt und variiert werden. Außerdem kann die Dichteverteilung der Mikrostrukturen beeinflusst werden.About the Choice of material and laser and its process parameters, such as laser power, pulse rate, pulse duration, feed rate and scan (motion) may be the shape, size and arrangement the macrostructures are determined and varied. In addition, the Density distribution of the microstructures are affected.

Als Material kommen für den Lichtverteiler alle laserbearbeitbaren Kunststoffe in Frage, die für die vorgesehene Beleuchtungsstrahlung transparent sind. Insbesondere amorphe Kunststoffe, z.B. PMMA (Polymethylmethacrylat) oder PS (Polystyrol) oder aber Kunststoffe auf Basis von Polybutadienen sind besonders geeignet.When Material come for the light distributor all laser-processable plastics in question, the for the provided illumination radiation are transparent. Especially amorphous plastics, e.g. PMMA (polymethyl methacrylate) or PS (polystyrene) or plastics based on polybutadienes are special suitable.

Zur Bearbeitung dieser Materialien sind insbesondere Laser geeignet, die im nahen Infrarot- oder im Infrarot -Bereich emittieren.to Processing of these materials are particularly suitable lasers, which emit in the near infrared or in the infrared range.

Die Erfindung soll nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierzu zeigen:The Invention will be described below with reference to exemplary embodiments Drawings closer explained become. Show:

1a eine stilisierte zeichnerische Darstellung eines Ausschnittes eines Lichtverteilers mit Rillenstruktur 1a a stylized graphic representation of a section of a light distributor with grooved structure

1b einen Ausschnitt aus einer vergrößerten rasterelektronenmikroskopischen Darstellung eines Lichtverteilers gemäß 1a 1b a section of an enlarged scanning electron micrograph of a light distributor according to 1a

1c einen Ausschnitt aus einer stark vergrößerten rasterelektronenmikroskopischen Darstellung eines Lichtverteilers gemäß 1a 1c a section of a greatly enlarged scanning electron micrograph of a light distributor according to 1a

2a eine stilisierte zeichnerische Darstellung eines Ausschnittes eines Lichtverteilers mit Struktur aus flachen Mulden 2a a stylized graphic representation of a section of a light distributor with a structure of shallow hollows

2b einen Ausschnitt aus einer vergrößerten rasterelektronenmikroskopischen Darstellung eines Lichtverteilers gemäß 2a 2 B a section of an enlarged scanning electron micrograph of a light distributor according to 2a

2c einen Ausschnitt aus einer stark vergrößerten rasterelektronenmikroskopischen Darstellung eines Lichtverteilers gemäß 2a 2c a section of a greatly enlarged scanning electron micrograph of a light distributor according to 2a

3a eine stilisierte zeichnerische Darstellung eines Ausschnittes eines Lichtverteilers mit Struktur aus tiefen Mulden 3a a stylized graphic representation of a section of a light distributor with a structure of deep hollows

3b einen Ausschnitt aus einer vergrößerten rasterelektronenmikroskopischen Darstellung eines Lichtverteilers gemäß 3a 3b a section of an enlarged scanning electron micrograph of a light distributor according to 3a

3c einen Ausschnitt aus einer stark vergrößerten rasterelektronenmikroskopischen Darstellung eines Lichtverteilers gemäß 3a 3c a section of a greatly enlarged scanning electron micrograph of a light distributor according to 3a

In einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens soll mit einem CO2-Laser ein Lichtverteiler aus PMMA hergestellt werden, dessen Grundform eine Planplatte darstellt und dessen Makrostruktur durch Rillen gebildet wird.In a first embodiment of the method according to the invention, a light distributor made of PMMA is to be produced with a CO 2 laser, the basic shape of which is a plane plate and whose macrostructure is formed by grooves.

Zur Durchführung des Verfahrens wird der Laser senkrecht auf die Oberfläche der zu bearbeitenden Planplatte gerichtet und im Fokusabstand über die Oberfläche geführt. Die geführte Bewegung ist eine Scanbewegung des Laserstrahls in x-Richtung mit wechselndem Richtungssinn, wobei bei jedem Wechsel des Richtungssinns der Laserstrahl in y-Richtung um einen vorgegebenen Betrag versetzt wird (Scanlinienversatz).to execution the process, the laser is perpendicular to the surface of the directed to be machined plane plate and the focus distance over the surface guided. The guided Movement is a scanning movement of the laser beam in the x-direction with changing sense of direction, with each change of direction the laser beam is displaced in y-direction by a predetermined amount (Scan line offset).

Bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 800 mm/s, einem Scanlinienversatz von 0,075 mm, einer Laserleistung von 8 W, einer Pulsfrequenz von 2 kHz und einer Pulsdauer von 45 ns werden in x-Richtung mit einem Abstand zueinander nebeneinanderliegende Ausnehmungen in Form von Mulden abgetragen, zwischen denen ein schmaler abgerundeter Steg erhalten bleibt. In y-Richtung kommt es zur Überlappung des jeweils muldenförmigen Materialabtrags und damit zur Ausbildung von Rillen, die in y-Richtung verlaufen.at a feed rate of 800 mm / s, a scan line offset of 0.075 mm, a laser power of 8 W, a pulse rate of 2 kHz and a pulse duration of 45 ns are in the x direction with a Distance from one another juxtaposed recesses in the form of Dumped caves, between which a narrow rounded bridge preserved. In the y-direction, there is an overlap of each trough-shaped material removal and thus forming grooves that run in the y-direction.

Eine Erzeugung der Überlappung des Materialabtrages in y-Richtung anstelle in x-Richtung unterscheidet sich dadurch, dass in y-Richtung der jeweils eine Rille bildende Materialabtrag nicht unmittelbar nacheinander erfolgt und die Rillenstrukturen daher gleichmäßiger werden.A generation of the overlap of the material removal in the y-direction instead of in the x-direction differs in that in the y-direction of each groove forming material removal not unmit telbar successively and therefore the groove structures are more uniform.

Die mit diesen Verfahrensparametern entstehenden Rillen sind ca. 0,1–0,2 mm tief und haben einen Abstand (von Rillenmittelpunkt zu Rillenmittelpunkt) von ca. 0,4 mm. Die Makrostrukturen werden im Wesentlichen durch Materialverdampfung, Materialdepolymerisation und Materialabbau erzeugt, hingegen entstehen die Mikrostrukturen insbesondere jedoch durch ein explosionsartiges Herauslösen von Materialpartikeln, wodurch Poren gebildet werden. In den 1a, 1b und 1c ist eine lichtverteilende Struktur eines Lichtverteilers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in Draufsicht dargestellt.The grooves formed with these process parameters are about 0.1-0.2 mm deep and have a distance (from groove center to groove center) of about 0.4 mm. The macrostructures are essentially generated by material evaporation, material depolymerization and material degradation, however, the microstructures arise in particular, however, by an explosive dissolution of material particles, whereby pores are formed. In the 1a . 1b and 1c a light-distributing structure of a light distributor according to the first embodiment is shown in plan view.

Die zurückbleibende Oberfläche sieht unter einem Elektronenmikroskop betrachtet, siehe 1b und 1c, verworfen, unsystematisch strukturiert und porös aus. Insbesondere die Poren stellen eine optisch mitwirkende Mikrostruktur dar.The remaining surface looks under an electron microscope, see 1b and 1c discarded, unsystematically structured and porous. In particular, the pores represent an optically participating microstructure.

In 1a ist ein stilisierter Schnitt durch die Oberflächenstruktur in x-Richtung dargestellt. In ihrer Makrostruktur wird die Oberfläche durch nebeneinanderliegende Rillen mit einem wellenförmigen Querschnitt gebildet. In einem vergrößerten Ausschnitt sind die Mikrostrukturen stilisiert gezeigt. Die Größenordnung der Mikrostrukturen geht bis auf molekulare Dimensionen zurück, wie insbesondere 1c zeigt, ist die Mikrostrukturverteilung über die Makrostruktur unterschiedlich. Im Bereich des Rillenbodens, in dem die Makrostruktur weniger zur Lichtverteilung beiträgt, da das Licht nahezu ungebrochen austritt, ist die Struktur stark porös, während sie in den Rillenübergängen eher glattwellig ist.In 1a is a stylized section through the surface structure in the x-direction shown. In its macrostructure, the surface is formed by side-by-side grooves having a wave-shaped cross section. In an enlarged section, the microstructures are shown stylized. The magnitude of the microstructures goes back to molecular dimensions, in particular 1c shows, the microstructure distribution across the macrostructure is different. In the region of the groove bottom, in which the macrostructure contributes less to the light distribution, since the light emerges almost unbroken, the structure is highly porous, while it is rather smooth-waved in the groove transitions.

Ein Lichtverteiler, wie er bei Durchführung des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entsteht, beeinflusst den transmittierenden Beleuchtungsstrahl z.B. einer Punktlichtquelle, indem er diesen im Wesentlichen in x-Richtung aufweitet und die Intensität gleichmäßiger verteilt (keine Gaußverteilung). Der Beleuchtungsstrahl wird in eine linienförmige Strahlung umgeformt und kann somit einen Lichtvorhang bilden oder eine linienförmige Fläche ausleuchten.One Light distributor, as in carrying out the method according to the first embodiment arises, affects the transmissive illumination beam e.g. a point light source by moving it substantially in the x direction expands and the intensity evenly distributed (no Gaussian distribution). The illumination beam is transformed into a linear radiation and can thus form a light curtain or illuminate a linear surface.

Über die Variation der Laserleistung und Pulsdauer kann die Tiefe der Rillen variiert werden. Durch Defokusierung des Lasers kann die Rillenbreite vergrößert werden. Damit kann die ausleuchtbare Fläche verkürzt oder verlängert und die Intensitätsverteilung über die Länge verändert werden.About the Variation of laser power and pulse duration can increase the depth of the grooves be varied. By defocusing the laser can the groove width be enlarged. This allows the illuminable surface shortened or extended and the intensity distribution over the Length to be changed.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel soll im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel das Verfahren so verändert werden, dass als Makrostrukturen eine rasterförmige Anordnung von flachen Mulden entsteht.In a second embodiment should in contrast to the first embodiment, the method so changed be that as macrostructures a grid-shaped arrangement of flat Troughs are created.

2a zeigt eine stilisierte zeichnerische Darstellung der Makrostrukturen. Die Mikrostrukturen sind aus den fotographischen Abbildungen 2b und 2c, die jeweils eine vergrößerte Aufnahme mittels Rasterelektronenmikroskop darstellen, erkennbar. 2a shows a stylized graphic representation of the macrostructures. The microstructures are from the photographic images 2 B and 2c , each showing an enlarged photograph by scanning electron microscope, recognizable.

Zur Herstellung von flachen Mulden wird der Scanlinienversatz vergrößert und die Laserleistung und Pulsdauer verringert. Je größer die unbearbeiteten Oberflächenbereiche zwischen den Mulden sind, desto größer bleibt die Intensität des Beleuchtungsstrahles im Zentrum, d.h. eine entstehende kreisförmig ausgeleuchtete Fläche zeigt ein deutlich helleres Zentrum gegenüber den Randbereichen. Mit zunehmender Annäherung der Mulden zueinander bis hin zu einer beginnenden Überlappung, was für die x- Richtung durch eine höhere Pulsfrequenz oder geringere Vorschubgeschwindigkeit und für die y-Richtung durch einen kleineren Scanlinienabstand erreicht wird, wird die Intensitätsverteilung homogenisiert, d.h. die beleuchtete Fläche wirkt zunehmend gleichmäßiger hell. Insbesondere, wenn man die 2c mit der 1c vergleicht, erkennt man Unterschiede in der Dichte der Mikrostrukturen gemäß dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Porendichte bei der lichtverteilenden Struktur mit flachen Mulden ist weitaus nicht so hoch, was sich durch die geringere Laserleistung und längere Pulsdauer erklären lässt. Über die Parameterwahl läst sich demnach auch die Mikrostruktur beeinflussen. Für beide Ausführungsbeispiele zeigt sich, dass die Mikrostrukturen verstärkt im Muldenboden bzw. Rillenboden entstehen. Licht, das bei gegebener Makrostruktur nahezu ungebrochen aus dem Lichtverteiler austritt, wird durch die Mikrostruktur diffus gestreut, d.h. die Mikrostruktur wirkt insbesondere in den Oberflächenbereichen, in denen die Makrostruktur kaum eine Lichtverteilung bewirkt.To create shallow wells, the scan line offset is increased and the laser power and pulse duration are reduced. The larger the unprocessed surface areas between the troughs, the greater the intensity of the illumination beam in the center remains, ie a resulting circularly illuminated surface shows a much brighter center with respect to the edge areas. With increasing approach of the wells to each other up to a beginning overlap, which is achieved by a higher pulse rate or lower feed rate for the x-direction and for the y-direction by a smaller scan line spacing, the intensity distribution is homogenized, ie the illuminated area acts increasingly uniformly bright. Especially if you have the 2c with the 1c compares, differences in the density of the microstructures according to the first and the second embodiment can be seen. The pore density in the light-distributing structure with shallow wells is not that high, which can be explained by the lower laser power and longer pulse duration. The choice of parameters also influences the microstructure. For both embodiments, it turns out that the microstructures arise more intensively in the trough bottom or groove bottom. Light that exits the light distributor almost unbroken for a given macrostructure is diffusely scattered by the microstructure, ie the microstructure acts in particular in the surface regions in which the macrostructure hardly causes any light distribution.

Versuche haben gezeigt, dass bei einer Erhöhung der Laserleistung um das ca. vierfache und ansonsten bei Beibehaltung der für die Erzeugung flacher Mulden gewählten Verfahrensparameter, Makrostrukturen erzeugt werden, die mit keinem bisher bekannten Verfahren erzeugbar sind und zu einer unerwarteten Formung des Beleuchtungsstrahles führen, siehe hierzu 3a, 3b und 3c.Experiments have shown that when the laser power is increased by about four times and otherwise while maintaining the process parameters chosen for the production of shallow wells, macrostructures are produced which can not be produced by any known method and lead to an unexpected shaping of the illumination beam For this 3a . 3b and 3c ,

Die entstehenden tieferen Mulden werden über ihre Tiefe im Querschnitt nicht kontinuierlich geringer, wie die flachen Mulden, sondern es kommt nach anfänglicher Querschnittsverringerung zu einer Querschnittserweiterung zum Muldenboden hin, so dass sie einen hinterschneidenden Hohlraum darstellen.The resulting deeper troughs are over their depth in cross section not continuously lower, like the shallow hollows, but it comes after initial Cross-section reduction to a cross-sectional widening to the trough bottom so that they represent an undercut cavity.

Werden die Mulden dicht nebeneinander erzeugt, beeinflusst die Erzeugung weiterer Mulden die Form benachbarter Mulden. Die Mulden, die im Wesentlichen in jeder Schnittebene senkrecht zur Einwirkungsrichtung des Laserstrahles rund sind, werden zur nachfolgend erzeugten Mulde „eingedrückt" und damit abgeflacht. Diese Deformierung und die eine Hinterschneidung bildende Form der tieferen Mulden wirken sich auf die Form des transmittierenden Beleuchtungsstrahles und damit auf die Form der ausgeleuchteten Fläche aus. Durch eine gezielte Wahl der Verfahrensparameter kann über die Beeinflussung der Form der Mulden die Form des Beleuchtungsstrahls zielgerichtet verändert werden. Z.B. kann eine trapezförmige beleuchtete Fläche mit konkaven Seitenlinien erzeugt werden. Eine mit solchen Strukturen geformte Beleuchtungsstrahlung könnte besonders geeignet sein, um Bereiche im Fahrgastraum eines PKW auszuleuchten.If the troughs are produced close to each other, the creation of further troughs influences the shape of adjacent troughs. The hollows that are in the We are substantially "rounded" in each sectional plane perpendicular to the direction of action of the laser beam, are "pressed in" and thus flattened to the subsequently produced depression .This deformation and the form of the lower depressions forming an undercut affect the shape of the transmitted illumination beam and thus the shape of the illuminated one By deliberately selecting the process parameters, the shape of the illumination beam can be purposefully changed, for example by creating a trapezoidal illuminated surface with concave side lines Illuminate in the passenger compartment of a car.

Neben Makrostrukturen, gebildet von Rillen und Mulden gleicher Form und Größe, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Makrostrukturen erzeugt werden, bei denen z.B. die Tiefe der Mulden von der Mitte des Lichtverteilers zu seinen Kanten hin ab- oder zunehmend ist oder sich die Stegbreite zwischen den Rillen oder Mulden über die Länge des Lichtverteilers verringert oder vergrößert. Letzteres kann von Vorteil sein, um z.B. eine gleichmäßigere Strahlausbringung aus einem Lichtleiter zu bewirken, an dessen Umfang eine Strahlaustrittsfläche geschaffen werden soll.Next Macrostructures formed by grooves and hollows of the same shape and shape Size, can with that inventive method also macrostructures are generated in which e.g. the depth of Depressions from the center of the light distributor towards its edges or increasingly, or is the bridge width between the grooves or hollows over the length of the light distributor is reduced or increased. The latter can be an advantage to be e.g. a more even jet application to cause from a light guide, created on the circumference of a beam exit surface shall be.

Vorteilhafterweise kann hierzu der Laser nach einem anderen Abtastregime arbeiten. Anstelle die zu bearbeitende Oberfläche in x- Richtung im wechselseitigen Richtungssinn abzutasten, kann die Bearbeitung spiralförmig von außen nach innen oder umgekehrt erfolgen. Oder das Scanregime wird so gewählt, dass der Laser kleiner oder größer werdende Kreise oder Rechtecke beschreibt, wodurch z.B. ringförmige Rillen erzeugt werden können.advantageously, For this purpose, the laser can work according to another scanning regime. Instead of the surface to be machined in x-direction in mutual Sense direction, the processing can spiral from Outside to the inside or vice versa. Or the scan regime is chosen so that the laser becomes smaller or larger Circles or rectangles describing e.g. annular grooves can be generated.

Es können auch zur Achse des Laserstrahles unsymmetrische Makrostrukturen erzeugt werden, indem der Laserstrahl nicht senkrecht auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet wird, als in Richtung der Flächennormale, sondern unter einem Winkel zur Flächennormale.It can also to the axis of the laser beam unbalanced macrostructures be generated by the laser beam is not perpendicular to the working surface is directed, as in the direction of the surface normal, but under an angle to the surface normal.

Die genannten Parameterkombinationen und Abtastregime sind nur beispielhaft genannt.The mentioned parameter combinations and sampling regimes are only examples called.

Durch die Wahl der Verfahrensparameter und des Abtastregimes kann eine beleuchtete Fläche in gleicher Entfernung zum Lichtverteiler sowohl in Größe und Form als auch in der Intensitätsverteilung gezielt gebildet werden, was durch eine gezielte Beeinflussung der entstehenden Makrostruktur und Mikrostruktur erreicht wird.By the choice of process parameters and the scanning regime can be a illuminated area in same distance to the light distributor both in size and shape as well as in the intensity distribution targeted be formed by a targeted influence on the resulting Macrostructure and microstructure is achieved.

Dem Fachmann auf dem Gebiet dieser Erfindung erschließt sich, dass die Erfindung nicht auf die Einzelheiten der vorstehend beispielhaft angeführten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass die vorliegende Erfindung in anderen speziellen Formen verkörpert sein kann, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, die durch die anliegenden Ansprüche festgelegt ist.the A person skilled in the art will understand that that the invention is not illustrative of the details of the above mentioned embodiments limited is, but that the present invention in other special Forms forms may be without departing from the scope of the invention, which the appended claims is fixed.

Claims (11)

Verfahren zur Herstellung eines Lichtverteilers aus einem im Wellenlängenbereich des zu verteilenden Lichtes transparenten Kunststoff, bei dem ein gepulster Laserstrahl auf eine Oberfläche mit einer Ausdehnung in x- und y-Richtung des Lichtverteilers gerichtet und relativ zu dieser bewegt wird und mit jedem Laserpuls ein muldenförmiger Abtrag erzeugt wird, wobei mit der Vorgabe des Bewegungsablaufs und der Verfahrensparameter: Laserleistung, Pulsdauer, Pulsfrequenz und Vorschubgeschwindigkeit bestimmte, aus Mulden gebildete Makrostrukturen geschaffen werden, deren Oberfläche Mikrostrukturen in Form von Poren aufweist.Method for producing a light distributor one in the wavelength range the light to be distributed transparent plastic, in which a pulsed laser beam on a surface with an extension in directed x and y direction of the light distributor and relative to this is moved and with each laser pulse a trough-shaped removal is generated, with the specification of the movement sequence and the process parameters: Laser power, pulse duration, pulse rate and feed rate determined, created from troughs formed macrostructures whose surface microstructures in the form of pores. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsablauf eine Scanbewegung in x-Richtung mit wechselseitigem Richtungssinn ist, wobei jeweils mit Wechsel des Richtungssinns der Laserstrahl in y-Richtung versetzt wird und der Versatz (Scanlinienversatz) so groß gewählt ist, dass mit dem muldenförmigen Abtrag eine Rillenstruktur in y-Richtung entsteht.Method according to claim 1, characterized in that that the movement sequence a scanning movement in the x-direction with mutual Directional sense is, each with change of sense of direction the laser beam in the y direction is offset and the offset (scan line offset) is so large, that with the trough-shaped Abtrag a groove structure in y-direction arises. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsablauf eine Scanbewegung in x-Richtung mit wechselseitigem Richtungssinn ist, wobei jeweils mit Wechsel des Richtungssinns der Laserstrahl in y-Richtung versetzt wird und der Versatz (Scanlinienversatz) so groß gewählt ist, dass mit dem muldenförmigen Abtrag eine rasterförmige Anordnung von Mulden entsteht, zwischen denen jeweils ein Materialsteg erhalten bleibt.Method according to claim 1, characterized in that that the movement sequence a scanning movement in the x-direction with mutual Directional sense is, each with change of sense of direction the laser beam is displaced in the y direction and the offset (scan line offset) is chosen so big that with the trough-shaped Removal a grid-shaped Arrangement of hollows is created, between each of which a material web preserved. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl unter einem spitzen Winkel zur Flächennormale der Oberfläche auf diese gerichtet ist, so dass ein zur Flächennormale unsymmetrischer Materialabtrag erfolgt.Method according to claim 2 or 3, characterized that the laser beam is at an acute angle to the surface normal the surface is directed to this, so that one to the surface normal unbalanced Material removal takes place. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung über die Dauer eines Abtragsvorganges verändert wird, um die Abtragstiefe von der Mitte des Lichtverteilers zu seinen Rändern hin zu verändern.Method according to claim 2 or 3, characterized that the laser power over the duration of a removal process is changed to the removal depth from the center of the light distributor to its edges. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass mit einer hohen Laserleistung und kurzer Pulsdauer gezielt eine stark poröse und ungeordnete Mikrostruktur geschaffen wird.Method according to claim 2 or 3, characterized that targeted with a high laser power and short pulse duration a strong porous and disordered microstructure is created. Lichtverteiler aus einem für das zu verteilende Licht transparentem Kunststoff, mit einer Lichteintritts- und einer Lichtaustrittsseite, die jeweils eine Ausdehnung in x-und y-Richtung aufweisen und bei dem die Lichteintrittsseite und/oder die Lichtaustrittsseite eine lichtverteilende Struktur aufweist, die aus Makrostrukturen und diese überlagernde Mikrostrukturen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Makrostrukturen durch eine Anordnung von Mulden in x- und y- Richtung und die Mikrostrukturen durch Poren gebildet sind, die zu den Muldenböden hin zunehmend dichter beieinander liegen.Light distributor of one for the distributed Light transparent plastic, with a light entrance and a light exit side, each having an extension in the x and y direction and in which the light entrance side and / or the light exit side has a light-distributing structure consisting of macrostructures and these superimposed microstructures, characterized in that the macrostructures are formed by an arrangement of hollows in the x and y directions and the microstructures are formed by pores which are increasingly closer to the well bottoms. Lichtverteiler, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulden in y- Richtung so dicht nebeneinander liegen, dass sie Rillen bilden.Light distributor, according to claim 7, characterized the troughs are so close to each other in the y-direction that they form grooves. Lichtverteiler, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulden über ihre Tiefe eine Querschnittserweiterung zum Muldenboden hin aufweisen, so dass sie einen hinterschneidenden Hohlraum darstellen.Light distributor, according to claim 7, characterized that the hollows over their depth have a cross-sectional widening towards the trough bottom, so that they represent an undercut cavity. Lichtverteiler, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulden von der Mitte des Lichtverteilers zu dessen Randbereichen hin eine ab- oder zunehmende Tiefe aufweisen.Light distributor, according to claim 7, characterized that the troughs from the center of the light distributor to the edge regions have a decreasing or increasing depth. Lichtverteiler, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege zwischen den Mulden von der Mitte des Lichtverteilers zu dessen Randbereichen hin eine ab- oder zunehmende Breite aufweisen.Light distributor, according to claim 7, characterized that the webs between the hollows of the center of the light distributor have a decreasing or increasing width to the edge regions.
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