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