DE102005010506B4

DE102005010506B4 - Optical element and method for its production

Info

Publication number: DE102005010506B4
Application number: DE200510010506
Authority: DE
Inventors: Dr. Drapp Bernd; Bernd Schultheis; Klaus Hammerl
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2025-03-09
Also published as: DE102005010506A1

Abstract

Optisches Element mit einem Träger, auf dem eine lichtbrechende optische Struktur (11) als elektrofotografisches Druckbild aufgebracht ist, wobei die optische Struktur (11) eine Fresnellinse bildet.Optical element with a carrier on which a refractive optical structure (11) is applied as an electrophotographic print image, the optical structure (11) forming a Fresnel lens.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Element sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Elementes.The invention relates to an optical element and a method for producing such an optical element.

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.Fresnel lenses are known from the prior art as optical elements. Their surfaces are not smooth, but they have a ring structure with different profiling. This allows light rays to be deflected in a way that would otherwise require very thick lenses.

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 Fresnellinsen 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 hergestellt werden können.Recently, Fresnel lenses have entered ever more demanding application areas, such as in optics, optoelectronics, medical technology, consumer electronics, traffic sensors and materials processing, wherever beam forming with light and compact optical elements is required. The manifold possibilities of the Fresnel lenses are also reflected in the dimensions; The diameters range from a few millimeters, such as with intraocular lenses, to over a meter, as in the case of large-screen displays. The dimensions of the Fresnel grooves themselves extend over a range of about 10 microns up to several millimeters. However, this requires that Fresnellinsen can be produced as bulk goods cheap, but with high optical quality.

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 50 μm erreicht werden.The majority of the Fresnel lenses manufactured today are injection molded or hot-pressed plastic or glass lenses, for which an embossing mold with the corresponding negative structure has to be produced. In plastic, a groove spacing of 50 μm can be achieved in special cases.

An die dazu benötigten Abformwerkzeuge werden hohe Anforderungen gestellt, was optische Oberflächenqualität, Verschleißfestigkeit und Temperaturbeständigkeit betrifft.High demands are placed on the molding tools required in terms of optical surface quality, wear resistance and temperature resistance.

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.Optimum wear resistance could be achieved with hardened steel forming tools - but this tool can only be machined with diamond tools. In both cases, high tooling costs, which must be transferred to the optical element to be produced, either result from the high degree of wear or the complicated shape production. Small batch sizes or even rapid prototyping can hardly be realized cost-effectively.

In der DE 199 21 321 C2 ist eine elektrofotografische Druckeinrichtung beschrieben, mit der Tonerbilder auf einem Glassubstrat aufgedruckt werden können.In the DE 199 21 321 C2 An electrophotographic printing device is described with which toner images can be printed on a glass substrate.

Aus der WO 99/36830 A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Microlinsen unter Verwendung eines elektrofotografischen Druckverfahrens hergestellt werden.From the WO 99/36830 A2 For example, a method is known in which microlenses are manufactured using an electrophotographic printing process.

Die US 2004/0121257 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Hologramms für eine Kreditkarte oder dergleichen: Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zu schaffen, das auf einfache Weise als hochpräzise Optik fertigbar ist.The US 2004/0121257 A1 describes a method for producing a hologram for a credit card or the like: It is an object of the invention to provide an optical element which is easily manufacturable as high-precision optics.

Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Optik bereit zu stellen.It is also an object of the invention to provide a method for producing such an optical system.

Die das optische Element betreffende Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.The object relating to the optical element is achieved with the features of claim 1.

Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 12 gelöst.The object relating to the method is achieved with the features of claim 12.

Die Erfindung benutzt das bekannte elektrofotografische Druckverfahren zur kostengünstigen Herstellung von Fresnellinsen. Mit dieser Technologie kann auf einem Trägerwerkstoff die zusätzliche optische Struktur mit hoher Strukturgenauigkeit aufgebracht werden. Das aufgebrachte Material – der Toner – ist ein Werkstoff, der die lichtbrechende Struktur schafft. Erfindungsgemäß 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 angeordnet werden.The invention uses the known electrophotographic printing process for the cost-effective production of Fresnel lenses. With this technology, the additional optical structure with high structural accuracy can be applied to a carrier material. The deposited material - the toner - is a material that provides the refractive structure. According to the invention, the light path in or at the boundary surfaces of the material can be influenced in a targeted manner. Since very accurate images can be produced by the electrophotographic printing method, the structural elements of the optical structure can be arranged with high accuracy to each other.

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 Einzelstücken ohne hohe Werkstückkosten kostengünstig gefertigt werden.The optical elements can be produced in almost any size and shape. On the one hand, the electrophotographic printing process enables reproducible production with high reproducibility. On the other hand, even the smallest lot sizes right down to individual pieces can be produced cost-effectively without high workpiece costs.

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.According to a preferred embodiment variant, it may be provided that the optical structure has a plurality of structural elements which are arranged with a structural accuracy of 400 dpi to 1200 dpi to each other. Using the electrophotographic printing method, lateral resolutions of up to 20 μm can be produced in this way.

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.The optical properties of the optical element can be optimized in particular if it is provided that the carrier and the optical structure consist of materials with different refractive indices.

Zur Herstellung von lichtbeugenden optischen Elementen kann es insbesondere vorgesehen 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. Beispielsweise 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.For the production of light-diffractive optical elements, it may be provided in particular that the carrier and the optical Structure of a translucent material, in particular a glass material exist. Any known glass material, in particular glass ceramic, can be processed as the glass material. The toner may then be a ceramic powder with glassy flux material and charge control agents. The glass material has low light absorption and, associated therewith, improved beam stability. This makes laser or UV applications possible. For example, it can be provided that the optical structure consists of a material which has a UV transparency in the range of less than 280 nm and / or a transparency in the infrared range of the electromagnetic radiation greater than 1000 nm. The carrier and the applied optical structure can also consist of different glass materials for influencing the Lichtleitweges.

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.According to a preferred embodiment of the invention, it can be provided, for example for the production of optical lenses, that the material of the optical structure has no absorption in the visible spectrum.

Denkbar ist es auch, dass das Material der optischen Struktur aus einem nanoskaligen Glasmaterial besteht oder ein solches aufweist. Ein 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.It is also conceivable that the material of the optical structure consists of or comprises a nanoscale glass material. A nanoscale aggregate can be used to improve the mechanical stability, in particular the scratch resistance. It is also conceivable to selectively increase the light absorption by means of a nanoscale aggregate in order to achieve additional functionality, such as, for example, a filter effect. The use of nanoscale printing material opens up the possibility of significantly improving the current resolution of the printing process due to the associated edge roughness.

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.If it is provided that the carrier has a curved, non-planar surface at least in the area provided with the optical structure, then the optical property of the optical element can additionally be influenced by the surface geometry of the carrier.

Gemäß einer denkbaren Erfindungsvariante kann es vorgesehen 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.According to a conceivable variant of the invention, it may be provided that the optical structure consists at least partially of two or more layers. When irradiating the optical element, path differences thus arise at the individual layer boundaries, if, for example, different layer materials are used.

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.In this way, it is also possible to produce refractive-modified diffractive, for example Fresnel optics, with gradient-shaped refractive index progression. With the electrophotographic printing process, thickness accuracies of up to 50 μm can currently be maintained for the individual layers.

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.If the process control is selected such that at least a part of the optical structure is produced in the gray-tone process, then the edges of the printed structural elements can be rounded.

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 diesem Zusammenhang eine Kosteneinsparung und Erhöhung der Druckqualität.If it is additionally provided that the gray shade is produced by means of binary optical structures, then in suitable cases of application the gray tone process usually requiring several process steps can be reduced to a few and in some cases even to a single process step. Fewer process steps in this context mean cost savings and increased print quality.

Um eine Glättung von Oberflächenunebenheiten zu erreichen, kann es vorgesehen sein, dass die aufgedruckten Strukturelemente in 12 in einem Temperprozess auf dem Träger eingebrannt werden.In order to achieve a smoothing of surface irregularities, it may be provided that the printed structural elements in 12 be baked on the support in a tempering process.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments.

Erfindungsgemäß lassen sich als optische Elemente Fresnellinsen erzeugen, die den in 1 gezeigten schematischen Aufbau aufweisen. Diese Fresnellinse besetzt einen Träger 10, auf dem eine optische Struktur 11 mittels eines elektrofotografischen Druckverfahrens aufgedruckt wurde. Der Träger kann aus einem Glasmaterial, beispielsweise einem Glas oder einer Glaskeramik, bestehen.According to the invention, Fresnel lenses can be produced as optical elements which correspond to the in 1 have shown schematic structure. This Fresnel lens occupies a carrier 10 on which an optical structure 11 printed by means of an electrophotographic printing process. The carrier may consist of a glass material, for example a glass or a glass ceramic.

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 11 besteht aus einzelnen Strukturelementen 12, die die in 1 gezeigte Fresnelstruktur als konzentrische Kreise bilden.The optical structure is also made of a glass material. It is also conceivable that for the wearer 10 and the optical structure 11 Plastic materials are used. These can be produced, for example, from thermoplastic and / or duromeric toners. The optical structure 11 consists of individual structural elements 12 that the in 1 form Fresnel structure as concentric circles.

Das aufgedruckte Tonerbild wird anschließend einem Temperprozess unterzogen und so eingebrannt, dass sich die in 1 gezeigte Geometrie ergibt.The printed toner image is then subjected to an annealing process and baked so that the in 1 geometry shown results.

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.The fields of application for Fresnel lenses are diverse. For example, lamps on cars, dials in SLR cameras, large screens or the magnifying glass in the rear window of estate cars, which facilitates the rearward parking - all these applications make use of the effect of ring lenses. For lighting tasks and simple images, very large lens diameters can be realized. In addition to a significant weight reduction, a significant reduction in the length of optical systems with a relatively large aperture ratio is possible.

Stufenlinsenscheinwerfer heißen auch Fresnellinsenscheinwerfer und erzeugen ein gerichtetes und weich gezeichnetes Licht. Damit eignet sich der Stufenlinsenscheinwerfer besonders als Frontlicht oder als Gegenlicht.Fresnel spotlights are also called fresnel lens spotlights and produce a directed and soft drawn light. Thus, the Fresnel spotlight is particularly suitable as a front light or as a backlight.

Im Entwicklungsstadium befinden sich konzentrierende Systeme zur Solarstromerzeugung. Hier werden zum Beispiel Fresnellinsen genutzt, um das Sonnenlicht auf die Solarzellen zu bündeln. Dadurch ersetzt man das teure Halbleitermaterial durch eine kostengünstige Optik in Kombination mit einer kostengünstigen Mechanik. Vorteilhaft ist dabei, dass 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%.At the development stage there are concentrating systems for solar power generation. Here, for example, Fresnel lenses are used to focus the sunlight on the solar cells. This replaces the expensive semiconductor material with a low-cost optic in combination with a cost-effective mechanism. It is advantageous that at very high concentration and then very small-area solar cells (down to light emitting diode size) better, that can use more effective materials, for example, stacked cells of III-V semiconductors with cell efficiencies over 30%.

Claims

Optical element comprising a support bearing a refractive optical structure ( 11 ) is applied as an electrophotographic print image, wherein the optical structure ( 11 ) forms a Fresnel lens.

Optical element according to claim 1, characterized in that the optical structure ( 11 ) several structural elements ( 12 ) arranged with a pattern accuracy of 400 dpi to 1200 dpi to each other.

Optical element according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier ( 10 ) and the optical structure ( 11 ) consist of a material with different refractive index.

Optical element according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the support ( 10 ) and the optical structure ( 11 ) consist of a translucent material.

Optical element according to claim 3 or 4, characterized in that the carrier ( 10 ) and the optical structure ( 11 ) consist of different glass materials.

An optical element according to claim 3 or 4, characterized in that the carrier is applied on the side to the optical structure which constitutes a reflecting surface.

Optical element according to one of claims 1 to 6, characterized in that the material of the optical structure ( 11 ) has no absorption in the visible spectrum.

Optical element according to one of claims 1 to 7, characterized in that the material of the optical structure ( 11 ) consists of a nanoscale glass material or has such.

Optical element according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the support ( 10 ) at least in the region of the optical structure ( 11 ) provided side has a curved, nichtplane surface.

Optical element according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the optical structure ( 11 ) consists of a material which has a UV transparency in the range 280 nm and / or a transparency in the infrared range of the electromagnetic radiation greater than 1000 nm.

Optical element according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the optical structure ( 11 ) consists at least partially of two or more layers.

Process for the preparation of a refractive element, wherein on a support ( 10 ) an optical structure ( 11 ) is applied directly or indirectly, the optical structure ( 11 ) is printed with the aid of an electrophotographic printing process, characterized in that with the optical structure ( 11 ) A Fresnel lens is generated.

Method according to claim 12, characterized in that the optical structure ( 11 ) is applied by single or multiple overprinting.

A method according to claim 13, characterized in that for at least two of the overprinted layers, a different material is printed.

Method according to one of claims 12 to 14, characterized in that at least a part of the optical structure ( 11 ) is created in the gray tone method.

A method according to claim 15, characterized in that the gray tone by means of binary optical structures ( 11 ) is produced.

Method according to one of claims 12 to 15, characterized in that the printed structural elements ( 12 ) in an annealing process on the support ( 10 ) are burned.