3M Optical Lighting Film (OLF) 2301 - StarLight

3M Optical
Lighting Film Typ 2301
Technische Grundlagen
3Innovation

3M Optical Lighting Film Typ 2301
Technische Grundlagen
1. Einführung
2. Aufbau des
3M Optical Lighting Films
3. Theorie der Totalreflexion
3.1 Reflexion und Transmission
an Grenzflächen
3.2 Reflexionsverhalten des OLF
3.3 Anforderung an die Lichtquelle
4. Applikationen
4.1 Lichtleiter
4.2 Beleuchtungskörper/Lichtbänder
4.3 Flache Leuchtkästen
6. Befestigung des OLF
7. Gestaltungshinweise
7.1 Lichtquelle und Reflektor
7.2 Filter
7.3 Gehäuse
7.4 Extraktor
8. 3M Produkte zur Verarbeitung
8.1 3M Optical Lighting Film Typ 2301
8.2 Extraktor
8.3 Befestigung
8.4 Spiegelfolie
5. Verarbeitung des OLF
27,6°
27,6°

3M Optical Lighting Film, Typ 2301
Technische Grundlagen
1. Einführung
2. Aufbau des 3M OLF
Mit 3M Optical Lighting Film (OLF) liefert 3M
ein High-Tech-Produkt, das interessante Perspektiven
für die Licht- und Beleuchtungstechnik eröffnet.
OLF ist ein flexibler Prismenfilm, der unter Verwendung
des 3M Mikroreplikationsverfahrens mit höchster
Präzision hergestellt wird. Dies ermöglicht die Anwendung
des von der Glasfaser her bekannten Effektes
der Totalreflexion im großen Maßstab.
Bei OLF handelt es sich um eine transparente Kunststofffolie
mit einer äußerst präzisen Prismenstruktur
auf der einen und einer sehr glatten Oberfläche auf
der anderen Seite. Die Oberflächenrauhigkeiten sind
kleiner als die Wellenlänge sichtbaren Lichts (10-9 m).
Sie verleihen OLF seine hervorragenden optischen
Eigenschaften (Abb. 1).
0,5 mm
0,17 mm
3. Theorie der Totalreflexion
3.1 Reflexion und Transmission an Grenzflächen
0,35 mm
45° 45°
Abb. 1
Das Phänomen der Totalreflexion lässt sich an optisch
klaren Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes
‚n‘ beobachten. Bei dem Übergang von einem
optisch dichteren (Glas, Wasser) in ein optisch
dünneres Medium (Luft) wird der Lichtstrahl
in einen reflektierten und einen transmittierten
Anteil aufgespalten (Abb. 2).
In diesem Bereich wirkt die Grenzfläche wie ein
Spiegel sehr hoher Güte. Der Grenzwinkel, bei dem
Totalreflexion eintritt, ist abhängig von den Dichten
der beteiligten Medien.
Luft
n2 = 1.0
95,5%
Abb. 2 Reflexion und
Transmission an Grenzflächen
75%
4% 4,5% 25%
Der Anteil des reflektierten Lichts steigt für
größere Einfallswinkel, bis die Totalreflexion
erreicht ist.
25° 40° 42° 42°
100% 100% 100% 100% 100%
Polymer
n1 =1.5
Totalreflexion

a)
b)
3.2 Reflexionsverhalten des OLF
OLF als optisches Produkt nutzt das Phänomen der
Totalreflexion. An der prismatischen Oberfläche wird
einfallendes Licht zweimal durch Totalreflexion
Abb. 3 Reflexion
und Transmission an OLF
umgelenkt und wieder zur Einfallsrichtung zurückgebrochen
(Abb. 3a). Das Material wirkt
so in bestimmten Winkelbereichen als
Spiegel. Anders als ein Spiegel ist
OLF für größere Einfallswinkel jedoch
transparent. Das durchtretende Licht
wird dann, wie bei einer Linse, in
seiner Richtung geändert (Abb. 3b).
In der dreidimensionalen Darstellung (Abb. 4) lässt
sich der Strahlverlauf im Material unter der Totalreflexionsbedingung
verfolgen. Der Lichtstrahl tritt in
das Material ein (1), wird zum optisch dichteren Medium
hin gebrochen und an der ersten Prismenfläche
reflektiert (2). Von dort läuft der Strahl
zur zweiten Prismenfläche,
wird dort wieder
reflektiert (3) und
tritt schließlich aus
dem Material aus (4).
Da OLF sehr dünn ist (0,5 mm), liegen die
Punkte 1 und 4 sehr dicht beieinander.
Im Winkelbereich der Totalreflexion kann man
sich OLF daher vereinfacht als verspiegelte
Fläche vorstellen.
1
2
3.3 Anforderung an die Lichtquelle
Verfolgung) wurden auf einem Großcomputer die
Strahlenverläufe für unterschiedliche Winkel berechnet
und so der nutzbare Winkelbereich ermittelt.
Alle Strahlen, die die Lichtquelle innerhalb eines
Kegels mit einem Öffnungswinkel

3M Optical Lighting Film, Typ 2301
Technische Grundlagen
4. Applikationen
Neben den lichtbrechenden Eigenschaften, die OLF
als optisches Bauelement empfehlen, unterscheidet
man drei Basisanwendungen, auf denen eine Vielzahl
von Applikationen beruhen:
Lichtleiter Beleuchtungs- Flacher
körper
Leuchtkasten
4.1 Lichtleiter
In Analogie zur Glasfaser
wird OLF als Lichtleiter eingesetzt.
OLF ermöglicht die verlustarme Übertragung
hoher Lichtströme. Aus dem flexiblen Film wird
eine Röhre geformt, bei der die Prismen nach außen
zeigen und in Längsrichtung liegen (Abb. 6).
Abb. 6
Lichtleiter
mit OLF
Als Lichtquelle dient eine Spotlampe mit kleinem
Öffnungswinkel. Der hohe Reflexionsgrad des OLF
im Totalreflexionsbereich (R >98%) ist mit anderen
Materialien nicht zu erreichen (Abb. 7).
%
100
90
80
70
Olf 98% R
60
50
Silber 96% R
40
30
Aluminium 96% R
20
Aluminium 88% R
10
0 0 12 24 36 48 60
Länge (Anzahl der Durchmesser)
Abb. 7 Abnahme der Lichtmenge bei Lichtleitern
in Abhängigkeit vom Reflexionsgrad R
Die Flexibilität des Films erlaubt eine freie Gestaltung
des Lichtleiterquerschnitts (Abb. 8).
Bei einer unrunden Form nimmt die Transportleistung
allerdings ab (ca. 40% pro Ecke), da aufgrund der
Ecken nicht alle reflektierten Strahlen wieder innerhalb
des Totalreflexionsbereiches auftreffen.
1) Quadratisch 2) Rund 3) D-Form 4) Tropfenform 5) Flach
Abb. 8 Lichtleiterformen

Über welche Entfernung das Licht transportiert wird,
hängt vom Durchmesser des Lichtleiters ab. Im luftgefüllten
Innenraum der Röhre erfolgt der Lichttransport
praktisch verlustfrei. Je weniger Reflexionen daher
auf der Wegstrecke erfolgen, d. h. je größer der Durchmesser
des Hohlleiters ist, desto mehr Licht steht am
Ende zur Verfügung.
Die sog. Aspect Ratio AR, das Längen-zu-Durchmesser-
Verhältnis eines Lichtleiters erlaubt den Vergleich
verschiedener Systeme. Gleiche AR transportieren die
gleiche Lichtmenge. Je kleiner die AR, also je größer
der Durchmesser im Verhältnis zur Länge, desto höher
die transportierte Lichtmenge (Abb. 9).
Für eine AR = 60 stehen am Ende des OLF-Lichtleiters
z. B. 55% des eingekoppelten Lichts zur Verfügung,
bei einer versilberten Röhre wären es gerade
noch 30%, bei poliertem Aluminium 9%. Diese Zahlen
gelten für alle AR = 60. Mit einem Durchmesser von
10 cm erreichen Sie so 6 m Transportlänge, mit einem
Durchmesser von 50 cm erreichen Sie 30 m.
1.)
D1
AR1 = AR2
L1
2.)
2 x D1
2 x L1
Abb. 9 Aspect Ratio

3M Optical Lighting Film, Typ 2301
Technische Grundlagen
4.2 Beleuchtungskörper/Lichtbänder
Der Unterschied zwischen dem im
Kapitel 4.1 beschriebenen Lichtleiter und
einem Beleuchtungskörper liegt in der
seitlichen Auskoppelung des Lichts.
Reflektor OLF-Röhre Lichtextraktor Gehäuse Endspiegel
Eine Punktlichtquelle wird in eine lineare
Lichtquelle gewandelt. Der Beleuchtungskörper
besteht wie der Lichtleiter aus einer Lichtquelle
mit Reflektor zur Bün- delung des Lichtstrahls und
Lichtauskopplung mit Extraktor
Abb. 10 Beleuchtungskörper
einer OLF-Röhre. Das Ende der Röhre ist mit einem
Spiegel versehen, oder es wird dort ebenfalls eine
Lichtquelle angebracht. Der hohe Reflexionsgrad von
4.3 Flache Leuchtkästen
OLF würde nun dafür sorgen, dass das eingekoppelte
Licht in der Röhre ständig hin- und herreflektiert
wird. Lediglich ein Bruchteil des Lichtes tritt aus.
Der flache Leuchtkasten ist die Erweiterung des Lichtbandes
um eine Dimension. Statt einer Punktlichtquelle
wird nun eine lineare Lichtquelle benutzt und
OLF ist jedoch für größere Einfallswinkel transparent.
Daher kann durch eine Winkeländerung des reflektierten
Lichts dieses seitlich ausgekoppelt werden. Zur
Winkeländerung dient der Extraktor, eine diffus weiß
reflektierende Folie. Sie streut das Licht, so dass ein
in eine Leuchtfläche gewandelt. (Abb. 11).
Frontscheibe
OLF
Teil durch die Frontfläche austritt, ein Teil aber weitergeleitet
wird (Abb. 10).
Der Extraktor nimmt in der Breite zu, da gegen Ende
der OLF-Röhre die Lichtmenge um den ausgekoppelten
Anteil verringert ist. Für ein gleichmäßiges Lichtband
muss dort also prozentual mehr Licht ausgekoppelt
werden.
3M Radiant Mirror Film
Abb. 11 Flacher Leuchtkasten
Reflektor
Leuchtstofflampe
Extraktor
Spiegel oder
3M Radiant Mirror Film

max.
25 mm
Extraktor (Scotchcal TM 100-20)
10%
80%
Frontscheibenhöhe
Lichtquellen:
Leuchtstofflampe
LED
Metalldampflampe HQI
Auch hier wird über die Extraktorform die Lichtver-
max.
3 mm
max. 25 mm 3M Radiant Mirror Film
Lampengehäuse
Abb. 12a Extraktor-Design für eine Lichtquelle
10%
teilung gesteuert. Analog zum Beleuchtungskörper
werden hier mehrere Einzelextraktoren nebeneinander
gesetzt (Abb. 12a + 12b).
Lampengehäuse
Durch die seitliche Einkoppelung des Lichtes ist für
10%
eine gleichmäßige Leuchtdichte nicht mehr die große
Bautiefe der Standardkästen erforderlich. Bei diesen
wird ein Mindestabstand der Frontscheibe zu den
Leuchtstofflampen benötigt, da sie sonst als „Rippen“
25%
sichtbar werden.
Bei OLF-Leuchtkästen kann der Abstand der Front-
max.
25 mm
Extraktor (Scotchcal TM 100-20)
aufgeklebt auf 3M Radiant Mirror Film
30%
Frontscheibenhöhe
scheibe erheblich reduziert werden. Statt 4-6 Leuchtstofflampen
sind nur noch 1-2 nötig. Die Bautiefe
sinkt von 10-15 cm auf unter 5 cm bei optimaler Ausleuchtung.
So erzielt man bei flachem Design gleichzeitig eine
25%
erhebliche Senkung der Energie und der Lampenersatzkosten.
Die Reduzierung ausfallgefährdeter Bauteile
führt zusätzlich zu Einsparungen bei der Wartung.
Es lassen sich auch gebogene Bauformen
max.
3 mm
max. 25 mm
3M Radiant Mirror Film
10%
aufbauen.
Lampengehäuse
Abb. 12b Extraktor-Design für zwei Lichtquellen

3M Optical Lighting Film, Typ 2301
Technische Grundlagen
5. Verarbeitung des OLF
OLF ist ein optisches Produkt und sollte als solches
sehr sorgfältig behandelt werden. Der Film wird als
Rollenware von 95 cm Breite und 25 m/152 m Länge
geliefert. Die Prismen verlaufen in Längsrichtung.
Alle 1,03 m befindet sich eine Werkzeuglinie. Diese
erscheint bei Durchleuchtung hell.
OLF soll in einer sauberen, staubfreien Umgebung verarbeitet
werden. Mechanische Beschädigungen und Fingerabdrücke
auf der Prismenseite erhöhen den Lichtaustritt
und beeinträchtigen die Lichtleitfähigkeit des Films.
OLF wird einfach mit Schere und Messer geschnitten.
Man kann den Film auch stanzen oder mit dem Laser
bearbeiten.
Bei der gewünschten Breite wird der Film eingeschnitten,
dann lässt er sich längs der Prismen auseinander
ziehen. Um quer zur Prismenrichtung zu schneiden,
wird der Film mit dem Schutzpapier und den Prismen
nach unten auf eine glatte Unterlage gelegt. Mit einem
Messer reißt man die Oberfläche längs eines Lineals an.
Danach lässt sich der Film einfach brechen, indem man
ihn zur Gegenseite hin biegt.
OLF ist ein sehr flexibles Material. Dennoch bricht es,
wenn es zu stark gebogen wird. Es ist nicht empfehlenswert,
Röhren mit Durchmessern kleiner als 7 cm aus
einem Stück Film zu fertigen.
Die OLF-Materialien sind wie andere Kunststoffe
empfindlich gegenüber Aceton und ähnlich aggressiven
Lösungsmitteln.
6. Befestigung des OLF
Die Lichtleitung bei OLF erfolgt durch Reflexion an
den Grenzflächen. Jede Befestigung stört die Lichtleitung.
Daher sollte sie außerhalb sichtbarer Flächen
erfolgen und sich auf ein Minimum beschränken.
Für die Anbringung von OLF bieten sich folgende
Möglichkeiten:
3M Scotch TM Transferklebefilme
Mechanische Befestigungssysteme (Klammern etc.)
Hitzeschweißen bei kompatiblen Materialien
Lösende Kleber bei kompatiblen Materialien -
Ultraschallschweißen
An den Schweiß- und Klebepunkten entstehen
Lichtverluste.
7. Gestaltungshinweise
7.1 Lichtquelle und Reflektor
Lichtquelle und Reflektor sind die wichtigsten Bauteile
eines OLF-Systems. Ein optimaler Wirkungsgrad
lässt sich nur erzielen, wenn das OLF-System, Lichtquelle
und Reflektor genau aufeinander abgestimmt
werden.

Für die Lichtleitung ist der Lichtstrom so eng wie
möglich zu bündeln. Bei Beleuchtungskörpern muss
dafür Sorge getragen werden, dass der Lichtkegel für
Öffnungswinkel > 27,6 ° beschnitten wird, da sonst
ein ungewünschter Lichtaustritt nahe der Lichtquelle
erfolgt.
7.2 Filter
OLF-Lichtverteilungssysteme bieten den entscheidenden
Vorteil der einfachen Lichtfilterung. Eine große
Lichtaustrittsfläche kann mit vergleichsweise kleinen
Filtern in der Farbgebung verändert werden. So ermöglicht
der Einsatz von Filterrädern ein dynamisches
Farbenspiel bei der Leuchtwerbung.
Bei dem Einbau von Filtern muss auf ausreichende
Belüftung des Lampengehäuses geachtet werden. Bei
Lampen mit hohem UV-Anteil (z. B. Quecksilberdampf
lampen) sollte immer ein UV-Filter (Glas) vor das
OLF-Material gesetzt werden, um den schädlichen
Einfluss der Strahlung zu verringern. Infrarotabsorbierende
Filter benötigen eine wärmeableitende Fassung,
die die Wärmeausdehnung des Filters nicht behindert.
Das Eindringen von Wasser in das System muss
vermieden werden, um die Totalreflexion nicht zu
beeinträchtigen.
Zur Minimierung der Lichtverluste wird das Gehäuse
innen mit einem hochreflektierenden, diffusen Weiß
versehen. Alle Befestigunspunkte für OLF sind unter
der Gehäuseummantelung außerhalb der sichtbaren
Lichtaustrittsfläche vorzusehen.
7.4 Extraktor
Als Extraktor wird weißes, diffus streuendes Material
mit hohem Reflexionsgrad verwendet. ScotchCal TM
Farbfolie 100-20 weiß, matt mit 86% Reflexionsgrad
oder LEF 3635-100 mit 94% Reflexionsgrad sind
daher besonders gut geeignet.
Der Extraktor weist eine Dreiecksform auf, bei der die
Spitze in Richtung der Lichtquelle zeigt. Über die
Breitenzunahme des Extraktors wird der Lichtaustritt
gesteuert. Die Extraktorform wird individuell auf
die OLF-Geometrie (Durchmesser, Form, Länge)
abgestimmt und sollte als letztes
festgelegt werden.
7.3 Gehäuse
Beim Gehäusebau ist auf ausreichende Ventilation
für die Lichtquellen zu achten. Das eigentliche OLF-
System kann gegen Umwelteinflüsse und Verschmutzung
am besten durch Versiegeln geschützt werden.

3M Optical Lighting Film, Typ 2301
Technische Grundlagen
8. 3M Produkte zur Verarbeitung
8.1 3M Optical Lighting Film Typ 2301
Material
Polycarbonat in optischer Qualität
Dicke 0,508 ± 0,076 mm ASTM D-374, D
Gewicht 0,50 ± 0,02 kg/m 2
Verzerrungstemperatur 129,4°C ASTM D-648, 264 PSI
Feuerbeständigkeit anerkannt U.L. 94H, B2 (DIN 4102-1)
Reißdehnung längs 8.000 psi (562 kg/cm 2 ), 60% Dehnung ASTM D-882
Reißdehnung quer 8.000 psi (562 kg/cm 2 ), 8% Verlängerung ASTM D-882
E-Modul/Elastizitätsmodul 240 Kpsi (16,900 kg/cm 2 ) ASTM D-882
Lichttrübung < 1%
Absorptionsvermögen
< 50 dB/m
Prismenwinkel
90° ± 20 Minuten Bogen
Prismen-Ebenheit
< 1 Wellenlänge Licht
Werkzeuglinie
8.2 Extraktor
Scotchcal Farbfolie Typ 100-20, weiß, matt
3M Light Enhancement Film Typ 3635-100
(diffuse Reflektion 94,5%)
8.3 Befestigung
Scotch Transferklebefilm (transparent)
Typen 467/468
8.4 Spiegelfolie
3M Radiant Mirror Film
Weitere Infos siehe Datenblatt
953 mm
1,03 m
Prismenrichtung
Gewährleistung und Haftung
Die vorstehenden Angaben stellen unsere gegenwärtigen
Erfahrungswerte dar. Es obliegt dem Besteller, vor
Verwendung des Produktes selbst zu prüfen, ob es sich,
auch im Hinblick auf mögliche anwendungswirksame
Einflüsse, für den von ihm vorgesehenen Verwendungszweck
eignet. Alle Fragen einer Gewährleistung und
Haftung, einschließlich der Gewährleistungsfrist für
dieses Produkt, regeln sich nach unseren geweils gültigen
Allgemeinen Verkaufbedingungen, sofern nicht gesetzliche
Vorschriften etwas anderes vorsehen.
Keine Gewährleistung und Haftung übernimmt die
3M Deutschland GmbH für die Verarbeitung der Folien.

OLF 2301 und LED
Lichtdecken, Lichtwände und Lichtböden
Farbsteuerung möglich. Microprismen tragen das Licht in den Raum.

3M Optical Lighting Film, Typ 2301
Technische Grundlagen
3M Light Pipes
Hohe Lichtausbeute
Sehr gleichmäßiges Licht für große Flächen
Schutzklasen IP 65
Geeignet für Hallenbeleuchtung,
Tunnelbeleuchtung, Unterführungen
Geringe Reparatur- und Wartungsaufwand
Hohes Energieeinsparpotential
3M Light Pipe LP200
Bis 8 m Länge
Tunnelbeleuchtung mit HLS System
Verbesserte Leistung des HLS Systems
bis 60 m mit 2 Lichtquellen

Lichtbox mit OLF und 3M Radiant Mirror Film
Bsp.: Größe 1 m x 2 m
4 Stück 36 Watt Leuchtstofflampen
Homogene Ausleuchtung
60% weniger Leuchtmittel
Keine Diffusorplatte im Einsatz
Light Pipe für Lichtwerbung
Keine Lichtquelle im Logo
Lichtquellen nur am Boden
Geringer Wartungs- und
Serviceaufwand
Light Pipe für Leuchtreklame im Großformat
Lichtquelle außerhalb des Anzeigenfeldes
Geringer Wartungs- und Serviceaufwand

3M Deutschland GmbH
Display & Graphics
Carl-Schurz-Straße 1, 41453 Neuss
Telefon: 02131/14-3180, Fax: 02131/14-3806
E-mail: innovation@mmm.com
www.mmm.de/lichtmanagement