DE102005010506A1

DE102005010506A1 - Optisches Element und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102005010506A1
Application number: DE200510010506
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Drapp; Bernd Schultheis; Klaus Hammerl
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-09
Also published as: DE102005010506B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element mit einem Träger, auf dem eine lichtbeugende oder lichtbrechende optische Struktur als elektrofotografisches Druckbild aufgebracht ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Elementes. DOLLAR A Hochpräzise Optiken lassen sich dann auf einfache Weise erfindungsgemäß erzeugen, wenn die optische Struktur als elektrofotografisches Druckbild auf den Träger aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Element mit einem Träger, auf dem eine lichtbeugende oder lichtbrechende optische Struktur als elektrofotografisches Druckbild aufgebracht ist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Elementes.

Aus dem Stand der Technik sind als optische Elemente Fresnellinsen bekannt. Deren Oberflächen sind nicht glatt, sondern sie weisen eine Ringstruktur mit unterschiedlicher Profilierung auf. Dadurch lassen sich Lichtstrahlen in einer Weise ablenken, für die ansonsten sehr dicke Linsen benötigt würden.

In jüngster Zeit stoßen Fresnellinsen in immer anspruchsvollere Anwendungsbereiche vor, etwa in der Optik, Optoelektronik, Medizintechnik, Unterhaltungselektronik, Verkehrssensorik und Materialbearbeitung, überall da, wo es darum geht, eine Strahlformung mit leichten und kompakten optischen Elementen zu erreichen. Die vielfältigen Möglichkeiten der Fesnellinsen spiegeln sich auch in den Abmessungen wider; die Durchmesser reichen von wenigen Millimetern wie zum Beispiel bei Intraokularlinsen, bis hin zu über einem Meter, wie im Falle von Großflächenbildschirmen. Die Abmessungen der Fresnelrillen selbst erstrecken sich über einen Bereich von ca. 10 μm bis hin zu mehreren Millimetern. Dies setzt allerdings voraus, dass Fresnellinsen als Massengut billig, aber mit hoher optischer Qualität hergstellt werden können.

Der größte Teil der heute hergestellten Fresnellinsen sind Spritzgusslinsen oder heißgepresste Linsen aus Kunststoff oder Glas, für die eine Prägeform mit der entsprechenden Negativstruktur hergestellt werden muss. In Kunststoff kann in Spezialfällen ein Rillenabstand von 50μm erreicht werden.

An die dazu benötigten Abformwerkzeuge werden hohe Anforderungen gestellt, was optische Oberflächenqualität, Verschleißfestigkeit und Temperaturbeständigkeit betrifft.

Eine optimale Verschleißfestigkeit ließe sich mit Formwerkzeugen aus gehärtetem Stahl erzielen – dieser ist dann aber nur noch mit Diamantwerkzeugen zu bearbeiten. In beiden Fällen fallen entweder durch den hohen Verschleiß oder durch die erschwerte Formherstellung hohe Werkzeugkosten an, die auf das zu fertigende optische Element umgelegt werden müssen. Geringe Losgrößen oder gar ein rapid prototyping lassen sich kaum kostengünstig realisieren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zu schaffen, das auf einfache Weise als hochpräzise Optik fertigbar ist.

Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Optik bereit zu stellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die optische Struktur unter Zuhilfenahme eines elektrofotografischen Druckverfahrens aufgedruckt wird.

Die Erfindung benutzt das bekannte elektrofotografische Druckverfahren zur kostengünstigen Herstellung von hochpräzisen Optiken. Mit dieser Technologie kann auf einem Trägerwerkstoff eine zusätzliche optische Struktur mit hoher Strukturgenauigkeit aufgebracht werden. Das aufgebrachte Material – der Toner – ist ein Werkstoff, der die lichtbeugende oder die lichtbrechende Stuktur schafft. Im Falle der lichtbeugenden Struktur wird gezielt ein Strukturbild aufgebracht, das definierte Bereiche des lichtdurchlässigen Trägers lichtun- oder lichtteildurchlässig abdeckt. So lassen sich dann beispielsweise Lichtbeugungsgitter einfach erstellen. Im Falle der lichtbrechenden Struktur, beispielsweise diffraktiver oder Fresnelstruktur ist das aufgebrachte Material licht- oder lichtteildurchlässig. Auf diese Weise kann der Lichtweg in beziehungsweise an den Grenzflächen des Materiales gezielt beeinflusst werden. Da mit dem elektrofotografischen Druckverfahren sehr genaue Bilder erzeugt werden können, können auch die Strukturelemente der optischen Struktur mit hoher Genauigkeit zueinander angeodnet werden.

Die optischen Elemente können in nahezu beliebigen Größen und Formen hergestellt werden. Das elektrofotografische Druckverfahren ermöglicht zum Einen eine reproduzierbare Fertigung mit hoher Reproduziergenauigkeit. Zum anderen können auch kleinste Losgrößen bis hin zu Eizelstücken ohne hohe Werkstückkosten kostengünstig gefertigt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante kann es vorgesehen sein, dass die optische Struktur mehrere Strukturelemente aufweist, die mit einer Strukturgenauigkeit von 400 dpi bis 1200 dpi zueinander angeordnet sind. Unter Ausnutzung des elektrofotografischen Druckverfahrens können auf diese Weise laterale Auflösungen von bis zu 20 μm erzeugt werden.

Die optischen Eigenschaften des optischen Elementes lassen sich insbesondere dann optimieren, wenn vorgesehen ist, dass der Träger und die optische Struktur aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes bestehen.

Zur Herstellung von lichtbeugenden optischen Elementen kann es insbesondere vorgsehen sein, dass der Träger und die optische Struktur aus einem lichtdurchlässigen Material, insbesondere einem Glasmaterial, bestehen. Als Glasmaterial kann jeder bekannte Glaswerkstoff, insbesondere auch Glaskeramik, verarbeitet werden. Der Toner kann dann ein Keramikpulver mit glasigem Flussmaterial und Ladungssteuerungsstoffen sein. Das Glasmaterial hat eine geringe Lichtabsorption und damit verbunden eine verbesserte Strahlstabilität. Damit sind Laser- oder UV-Anwendungen möglich. Beispiels-weise kann es vorgesehen sein, dass die optische Struktur aus einem Material besteht, das eine UV-Transparenz im Bereich kleiner 280 nm und/oder eine Transparenz im infraroten Bereich der elektromagnetischen Strahlung größer 1000 nm aufweist. Der Träger und die aufgebrachte optische Struktur können zur Beeinflussung des Lichtleitweges dabei auch aus unterschiedlichen Glasmaterialien bestehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es beispielsweise zur Herstellung optischer Linsen vorgesehen sein, dass das Material der optischen Struktur keine Absorption im sichtbaren Spektrum aufweist.

Denkbar ist es auch, dass das Material der optischen Struktur aus einem nanoskaligen Glasmaterial besteht oder ein solches aufweist. Eiin nanoskaliger Zuschlagstoff kann eingesetzt werden, um die mechanische Stabilität, insbesondere die Kratzfestigkeit, zu verbessern. Denkbar ist auch, durch einen nanoskaligen Zuschlagstoff die Lichtabsorption selektiv zu erhöhen, um damit eine zusätzliche Funktionalität, wie zum Beispiel eine Filterwirkung, zu erzielen. Die Verwendung von nanoskaligem Druckmaterial eröffnet aufgrund der damit verbundenen Kantenrauhigkeit die Möglichkeit, die derzeitige Auflösung des Druckprozesses deutlich zu verbessern.

Wenn vorgesehen ist, dass der Träger zumindest im Bereich der mit der optischen Struktur versehenen Seite eine gekrümmte, nichtplane Oberfläche aufweist, dann lässt sich die optische Eigenschaft des optischen Elementes auch durch die Oberflächengeometrie des Trägers zusätzlich beeinflussen.

Gemäß einer denkbaren Erfindungsvariante kann es vorgsehen sein, dass die optische Struktur zumindest teilweise aus zwei oder mehreren Schichten besteht. Beim Durchstrahlen des optischen Elementes entstehen so an den einzelnen Schichtgrenzen Gangunterschiede, wenn beispielsweise unterschiedliche Schichtmaterialen verwendet sind.

Auf diese Weise lassen sich auch refraktiv modifizierte diffraktive, beispielsweise Fresnelloptiken, mit gradientförmigem Brechzahlverlauf einfach herstellen. Mit dem elektrofotogafische Druckprozess lassen sich für die einzelnen Schichten Dickengenauigkeiten derzeit bis zu 50 μm einhalten.

Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass der Träger und die optische Struktur eine Fresnellinse, ein Beugungsgitter oder ein Hologramm bildet.

Wird die Verfahrensführung so gewählt, dass zumindest ein Teil der optischen Struktur im Grautonverfahren erstellt wird, dann lassen sich die Kanten der aufgedruckten Strukturelemente verrunden.

Wenn zusätzlich vorgesehen ist, dass der Grauton mittels binären optischen Strukturen erzeugt wird, dann können in geeigneten Anwendungsfällen der üblicherweise mehrere Prozessschritte erfordernde Grautonprozess auf einige wenige und in Einzelfällen sogar auf einen einzigen Prozessschritt reduziert werden. Weniger Prozessschritte bedeuten in dieesm Zusammenhang eine Kosteneinsparung und Erhöhrung der Druckqualität.

Um eine Glättung von Oberflächenunebenheiten zu erreichen, kann es vorgesehen sein, dass die aufgedruckten Strukturelemente 12 in einem Temperprozess auf dem Träger 10 eingebrannt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Erfindungsgemäß lassen sich als optische Elemente Fresnellinsen erzeugen, die den in 1 gezeigten schematischen Aufbau aufweisen. Diese Fresnellinse besitzt einen Träger 10, auf dem eine optische Struktur 11 mittels eines elektrofotgafischen Druckverfahrens aufgedruckt wurde. Der Träger kann aus einem Glasmaterial, beispielsweise einem Glas oder einer Glaskeramik, bestehen.
Die optische Struktur besteht ebenfalls aus einem Glasmaterial. Denkbar ist auch, dass für den Träger 10 und die optische Struktur 11 Kunststoffmaterialien verwendet sind. Diese können beispielsweise aus thermoplastischen und/oder duromerischen Tonern erzeugt werden. Die optische Struktur 1 besteht aus einzelnen Strukturelementen 12, die die in 1 gezeigte Fresnelstruktur als konzentrische Kreise bilden. Das aufgedruckte Tonerbild wird anschließend einem Temperprozess unterzogen und so eingebrannt, dass sich die in 1 gezeigte Geometrie ergibt.
Die Einsatzgebiete für Fresnellinsen sind vielfältig. Zum Beispiel Lampen an Autos, Einstellscheiben in Spiegelreflexkameras, großflächige Bildschirme oder die Lupe im Heckfenster von Kombi-Autos, die das rückwärtige Einparken erleichtert – all diese Anwendungen machen sich die Wirkung von Ringlinsen zunutze. Für Beleuchtungsaufgaben und einfache Abbildungen können so auch sehr große Linsendurchmesser realisiert werden. Neben einer erheblichen Gewichtsreduktion ist eine deutliche Verkürzung der Baulänge optischer Systeme bei relativ großem Öffnungsverhältnis möglich.
Strukturierte Beleuchtung und Strahlformung. Stufenlinsenscheinwerfer heißen auch Fresnellinsenscheinwerfer und erzeugen ein gerichtetes und weich gezeichnetes Licht. Damit eignet sich der Stufenlinsenscheinwerfer besonders als Frontlicht oder als Gegenlicht.
Im Entwicklungsstadium befinden sich konzentrierende Systeme zur Solarstromerzeugung. Hier werden zum Beispiel Fesnellinsen genutzt, um das Sonnenlicht auf die Solarzellen zu bündeln. Dadurch ersetzt man das teure Halbleitermaterial durch eine konstengünstige Optik in Kombination mit einer kostengünstigen Mechanik. Vorteilhaft ist dabei, das man bei sehr hoher Konzentration und den dann sehr kleinflächigen Solarzellen (bis hinunter zu Leuchtdiodengröße) bessere, das heißt wirkungsvollere Materialien einsetzen kann, zum Beispiel Stapelzellen aus III-V-Halbleitern mit Zellwirkungsgraden über 30 %.
Beugungsgitter, wie sie in Spektrometern der unterschiedlichsten Einsatzgebiete zur Anwendung kommen, werden bisher hauptsächlich über Gießtechnologien repliziert. Die Anforderungen der Spektroskopie an die optischen dispergierenden Systeme hinsichtlich Kleinheit, Lichtstärke und Streulichtarmut führen zwangsläufig zur Anwendung von konkaven Reflexionsgittern, mit aberrationskorrigierenden Eigschaften in einer optischen Freiraum-Anordnung. Diese Beugungsgitter zeichnen sich dadurch aus, dass neben der dispersiven Eigenschaft des Gitters eine abbildende und aberrationskorrigierende Funktion im Element enthalten sind. So benötigt ein kurzbrennweitiges, abbildungskorrigiertes Gitter mit einer spektralen Auflösung von 10 nm für den Spektralbereich von 850 nm–1300 nm eine Furchenzahl von weniger als 500 F/mm im Gitterscheitel.
Denkbar ist auch die Erstellung leitfähiger Strukturen, die Mikrowellen beugen (Mikrowellen-Sammellinse).
Computer generierte Hologramme. Der mathematische Zusammenhang zwischen dem Druckmuster auf dem Träger und dem durch Bestahlen erzeugten Bild ermöglicht es, für ein gewünschtes Bild die Druckstruktur zu berechnen und diese dann ohne Umwege direkt auf den Träger mittels des elektrofotografischen Druckverfahrns zu übertragen.

Claims

Optisches Element mit einem Träger (10), auf dem eine lichtbeugende oder lichtbrechende optische Struktur (11) als elektrofotografisches Druckbild aufgebracht ist.
Optisches Element gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Struktur (11) mehrere Strukturelemente (12) aufweist, die mit einer Strukturgenauigkeit von beispielsweise 400 dpi bis 1200 dpi zueinander angeordnet sind.
Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) und die optische Struktur (11) aus einem Material mit unterschiedlichem Brechungsindex bestehen.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) und die optische Struktur (11) aus einem lichtdurchlässigen Material, insbesondere einem Glasmaterial, bestehen.
Optisches Element nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) und die optische Struktur (11) aus verschiedenen Glasmaterialien bestehen.
Optisches Element nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger auf der Seite, auf die optische Struktur aufgebracht ist, eine reflektierende Fläche darstellt.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der optischen Struktur (11) keine Absorption im sichtbaren Spektrum aufweist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der optischen Struktur (11) aus einem nanoskaligen Glasmaterial besteht oder ein solches aufweist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) zumindest im Bereich der mit der optischen Struktur (11) versehenen Seite eine gekrümmte, nichtplane Oberfläche aufweist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Struktur (11) aus einem Material besteht, das eine UV-Transparenz im Bereich 280 nm und/oder eine Transparenz im infraroten Bereich der elektromagnetischen Strahlung größer 1000 nm aufweist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Struktur (11) zumindest teilweise aus zwei oder mehreren Schichten besteht.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) und die optische Struktur (11) eine Fresnellinse, ein Beugungsgitter oder ein Hologramm bildet.
Verfahren zur Herstellung eines lichtbeugenden und/oder lichtbrechenden Elementes, wobei auf einem Träger (10) eine lichtbeugende und/oder eine lichtleitende optische Struktur (11) mittelbar oder unmittelbar aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Struktur (11) unter Zuhilfenahme eines elektrofotografischen Druckverfahrens aufgedruckt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Struktur (11) durch ein- oder mehrfaches Überdrucken aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens zwei der überdruckten Schichten ein unterschiedliches Material verdruckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindst ein Teil der optischen Struktur (11) im Grautonverfahren erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Grauton mittels binären optischen Strukturen (11) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mit der optischen Struktur (11) eine Fresnellinse, ein Hologramm oder ein Beugungsgitter erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgedruckten Strukturelemente (12) in einem Temperprozess auf dem Träger 10 eingebrannt werden.