DE10261558A1

DE10261558A1 - Verfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Bauteils

Info

Publication number: DE10261558A1
Application number: DE10261558A
Authority: DE
Inventors: Martin Gerken
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: DE10261558B4

Abstract

Verrfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Bauteils (7), bei dem einem optisch wirksamen Körper (5) eine vorgebbare bleibende Diffraktionsstruktur (5.1) aufgeprägt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schicht (5) aus einer aushärtbaren magnetischen Flüssigkeit gebildet wird, dieser ersten Schicht (5) in einem ersten, nicht ausgehärteten Zustand ein Magnetfeld mit einer der Diffraktionsstruktur (5.1) entsprechenden vorgegebenen Feldverteilung aufgeprägt wird und die erste Schicht (5) zur Bildung wenigstens eines Teils des mit der Diffraktionsstruktur (5.1) versehenen Bauteils (7) ausgehärtet wird, wobei das Magnetfeld zumindest solange aufrechterhalten wird, bis eine zur Erhaltung der Diffraktionsstruktur (5.1) ausreichende Formstabilität der ersten Schicht (5) erzielt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Bauteils, bei dem einem optisch wirksamen Körper eine vorgegebbare bleibende Diffraktionsstruktur aufgeprägt wird. Sie betrifft weiterhin ein entsprechendes optisches Bauteil sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines solchen Bauteils.
Optische Gitter als derartige diffraktive optische Bauteile werden in der Regel entweder durch mechanische Bearbeitung eines Grundkörpers mit entsprechenden Präge- oder Ritzwerkzeugen oder unter Verwendung photographischer Verfahren erzeugt. In beiden Fällen besteht jedoch der Nachteil, dass für jedes Bauteil der gesamte Erzeugungsprozess der in der Regel äußerst filigranen Gitterstruktur von neuem erfolgen muss.
Bei einfachen Anwendungen kann man sich zwar damit behelfen, von einem einmal erzeugten Originalgitter Abdrücke, beispielsweise aus Kunststoff, zu erstellen. Für Präzisionsanwendungen sind derartige Abdrücke in der Regel jedoch nicht geeignet.
Aus der US 5,948,321 ist es im Zusammenhang mit Flachdisplays bekannt, dass sich in einem zwischen entsprechenden Begrenzungen ausgebildeten dünnen Film aus einer magnetischen Flüssigkeit, die aus einer Dispersion ultrakleiner ferromagnetischer Partikel in einer Trägerflüssigkeit besteht, unter Einwirkung eines homogenen Magnetfeldes je nach dessen Stärke eine unterschiedlich organisierte Anordnung der Partikel erzielen lässt. Die sich in Abhängigkeit vom äußeren Magnetfeld ergebenden geordneten Strukturen wirken sich dabei unter anderem auf die Eigenschaften des Films hinsichtlich Diffraktion und Polarisation aus, weshalb in dem genannten Dokument vorgeschlagen wird, ein solches Dünnfilmelement als monochromen Lichtschalter bzw. steuerbaren Wellenlängenfilter einzusetzen.
Mit einem solchen Dünnfilmelement ließe sich zwar ebenfalls ein diffraktives Bauelement realisieren. Dies wäre jedoch mit einem erheblichen Aufwand verbunden, da zumindest stets sichergestellt sein müsste, dass im Betrieb ein entsprechendes homogenes externes Magnetfeld vorhanden ist, welches die diffraktiven Eigenschaften sicherstellt.
Aus der US 4,946,613 ist im Zusammenhang mit der Prüfung von Bauteilen im Übrigen noch bekannt, dass sich in freien Schichten aus magnetischen Flüssigkeiten im Bereich von Fehlstellen eines zu untersuchenden Bauteils, das in einem homogenen externen Magnetfeld angeordnet ist, unterschiedliche Schichtdicken einstellen. Dies resultiert aus der Störung des Magnetfelds durch die Fehlstelle. Um die Fehlstelle auch nach Wegfall des externen Magnetfelds noch identifizieren zu können, wird vorgeschlagen, die magnetische Flüssigkeit auszuhärten, solange das homogene externe Magnetfeld anliegt, und die Oberfläche der ausgehärteten Schicht dann einer optischen Untersuchung zu unterziehen, um den Ort von Fehlstellen zu lokalisieren.
Ausgehend von den Nachteilen im Zusammenhang mit den oben genannten diffraktiven Bauteilen liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren, ein optisches Bauteil sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welches bzw. welche die oben genannten Nachteile nicht oder zumindest in geringerem Maße aufweist und insbesondere in einfacher und gut reproduzierbarer Weise die Herstellung eines solchen diffraktiven optischen Bauteils ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe weiterhin ausgehend von einem optischen Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 19 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 19 angegebenen Merkmale. Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe schließlich auch ausgehend von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 29 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 29 angegebenen Merkmale.
Der vorliegenden Erfindung liegt die technische Lehre zu Grunde, dass sich die Herstellung eines diffraktiven optischen Bauteils besonders einfach sowie gut und problemlos reproduzierbar gestaltet, wenn man zumindest einen Teil des diffraktiven Bauteils dadurch erzeugt, dass durch ein Magnetfeld entsprechender Feldverteilung eine der gewünschten Diffraktionsstruktur entsprechende freie Verformung einer ersten Schicht aus einer magnetischen Flüssigkeit bewirkt wird, die dann durch Aushärten der magnetischen Flüssigkeit fixiert wird.
Die Diffraktionsstruktur ergibt sich dann ohne weiteres aus der durch die Feldverteilung des Magnetfeldes hervorgerufene variierende Dicke der ersten Schicht, d. h. aus der durch die Feldverteilung des Magnetfeldes induzierten Topografie der ersten Schicht, welche durch das Aushärten fixiert wird.
Erfindungsgemäß wird hierzu zunächst eine erste Schicht aus einer aushärtbaren magnetischen Flüssigkeit gebildet. Dieser ersten Schicht wird dann in einem ersten, nicht ausgehärteten Zustand ein Magnetfeld mit einer der Diffraktionsstruktur entsprechenden vorgegebenen Feldverteilung aufgeprägt. Schließlich wird die erste Schicht zur Bildung wenigstens eines Teils des mit der Diffraktionsstruktur versehenen Bauteils ausgehärtet. Das Magnetfeld wird dabei zumindest solange aufrecht erhalten, bis eine zur Erhaltung der Diffraktionsstruktur ausreichende Formstabilität der ersten Schicht erzielt ist.
Die freie Verformung der magnetischen Flüssigkeit bringt den Vorteil mit sich, dass sich das Bauteil in relativ kurzer Zeit herstellen lässt. Es muss lediglich die erste Schicht erzeugt werden, die sich dann nach Aufbau des Magnetfelds in deren Bereich sofort in vergleichsweise kurzer Zeit über ihre gesamte Erstreckung in der gewünschten Weise verformt. Es muss sich dann unter Aufrechterhaltung des Magnetfelds lediglich noch ein Aushärtungsvorgang bis zum Erreichen ausreichender Formstabilität anschließen,
Weiterhin ist von Vorteil, dass nach einmaliger Konfiguration der Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds mit der vorgegebenen Feldverteilung, die der gewünschten Diffraktionsstruktur entspricht, zumindest über einen längeren Zeitraum kein weiterer Aufwand für die Konfiguration des Magnetfelds anfällt. Das Magnetfeld muss in der Regel nur noch für die Bearbeitung der jeweiligen ersten Schicht in deren Bereich erzeugt werden. Dies ist in der Regel ebenfalls in sehr kurzer Zeit möglich. So kann es je nach Art der Erzeugung des Magnetfelds genügen, die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds einfach nur einzuschalten. Bei anderen Varianten, bei denen eine entsprechend magnetisierter Feldkörper zum Aufbau des Magnetfelds dient, genügt es die aushärtbare Schicht im Bereich dieses Feldkörpers zu erzeugen. Schließlich kann es bei Varianten, bei denen ein entsprechend konfigurierter Feldkörper in Kombination mit einem externen Magnetfeld die gewünschte Feldverteilung erzielt, genügen die aushärtbare Schicht im Bereich dieses Feldkörpers zu erzeugen und das externe Magnetfeld aufzubauen.
Die Erfindung bringt weiterhin den Vorteil mit sich, dass sich je nach Anwendungsfall des diffraktiven Bauteils die beliebige vorgebbare Diffraktionsstrukturen erzielen lassen. Es muss lediglich ein entsprechender vorgebbarer Feldverlauf des Magnetfelds erzeugt werden. Hierbei können insbesondere auch nichtperiodische vorgebbare Verläufe des Magnetfelds und damit auch der Diffraktionsstruktur erzielt werden.
Bei besonders einfach zu realisierenden Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Diffraktionsstruktur zumindest abschnittsweise eine Periodizität auf. Demgemäß weist dann auch das Magnetfeld entsprechend der Diffraktionsstruktur eine zumindest abschnittsweise periodische Feldverteilung auf.
Weiterhin ergibt sich eine besonders einfache Realisierung, wenn geometrisch einfache Diffraktionsstrukturen realisiert werden, beispielsweise wenn die Feldverteilung derart gewählt wird, dass die Diffraktionsstruktur ein Gitter mit einer Struktur aus parallelen Linien oder konzentrischen Kreisen ausbildet. Die Linien bzw. Kreise werden hier durch Erhebungen bzw. Vertiefungen der ersten Schicht gebildet. Es versteht sich, dass auch hier wieder sowohl periodische als auch nichtperiodische Linien- bzw. Kreiskonfigurationen erzielt werden können.
Bei vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Feldverteilung derart gewählt wird, dass die Diffraktionsstruktur ein Gitter mit im wesentlichen binärer Struktur ausbildet. Eine binäre Struktur soll hierbei eine Gestaltung bezeichnen, bei der die Struktur der ersten Schicht im wesentlichen nur zwei unterschiedliche Zustände mit entsprechend unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufweist. So kann eine Erhebung der ersten Schicht beispielsweise einen ersten Zustand kennzeichnen, während die daran anschließende Vertiefung der ersten Schicht den zweiten Zustand markiert. Es versteht sich, dass auf Grund der freien Verformung der ersten Schicht Übergangsbereiche zwischen diesen beiden Zustände vorhanden sind, in denen die optischen Eigenschaften der ersten Schicht zwischen denjenigen des ersten Zustandes und denjenigen des zweiten Zustand variieren. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung soll eine solche binäre Struktur dann gegeben sein, wenn der Einfluss solcher Übergangsbereiche auf das mit dem diffraktiven Bauteil erzielte Ergebnis vernachlässigbar ist.
Bei anderen, vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Feldverteilung derart gewählt, dass die Diffraktionsstruktur ein Gitter mit im wesentlichen nicht-binärer Gradientenstruktur ausbildet. In diesen Fällen weist die erste Schicht mit anderen Worten mehr als zwei Zustände mit entsprechender Schichtdicke und entsprechenden optischen Eigenschaften auf. Auch hier können wieder eine Reihe diskreter Zustände realisiert werden. Es lassen sich aber auch kontinuierliche Zustandsänderungen, d. h. beispielsweise Dickenänderungen, der ersten Schicht erzielen. So ist es beispielsweise in einfacher Weise möglich hierdurch so genannte Sinusgitter, aber auch so genannte Echelettegitter zu erzeugen, die sich durch eine sägezahnförmige Diffraktionsstruktur auszeichnen.
Die erste Schicht kann mit einer über ihre gesamte Erstreckung gleich bleibenden Struktur versehen werden. Bei günstigen Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jedoch über die Erstreckung der ersten Schicht auch eine Kombination unterschiedlicher Diffraktionsstrukturen vorgesehen sein. So kann vorgesehen sein, dass die Diffraktionsstruktur in einem ersten Abschnitt eine erste Strukturierung aufweist und in einem zweiten Abschnitt eine zweite Strukturierung aufweist. Das Magnetfeld weist dann in dem ersten Abschnitt eine erste Feldverteilung entsprechend der ersten Strukturierung auf, während es in dem zweiten Abschnitt eine zweite Feldverteilung entsprechend der zweiten Strukturierung besitzt. Hierdurch lassen sich in einfacher Weise an beliebige Anforderungen angepasste diffraktive Bauteile erzeugen.
Das Magnetfeld, welches die der Diffraktionsstruktur entsprechende Feldverteilung aufweist, kann grundsätzlich in beliebiger Weise aufgebaut werden. So können beispielsweise mehrere durch entsprechende Einrichtungen erzeugte Magnetfelder einander überlagert werden, um am Ort der ersten Schicht eine entsprechende Feldverteilung zu erzielen.
Bei besonders einfach zu realisierenden Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Magnetfeld unter Verwendung eines Feldkörpers erzeugt wird, der die der Diffraktionsstruktur entsprechende Feldverteilung bewirkt. Vorzugsweise wird der Feldkörper im Bereich der ersten Schicht angeordnet, da dann eine besonders präzise Verformung der ersten Schicht erzielt wird.
Der Feldkörper kann zum Beispiel so gestaltet sein, dass er ein homogenes extern erzeugtes Magnetfeld zumindest in seiner Umgebung derart modifiziert, dass in seinem Bereich die gewünschte Feldverteilung entsteht. So kann der Feldkörper beispielsweise in einer in seiner Ebene verlaufenden Richtung schichtweise aus Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften aufgebaut sein, die ein externes Magnetfeld entsprechend modifizieren.
Vorzugsweise ist der Feldkörper ein magnetisierbarer Körper, dem zur Erzeugung der der Diffraktionsstruktur entsprechenden Feldverteilung eine der Feldverteilung entsprechende Magnetisierung aufgeprägt wird. Dabei wird als Feldkörper bevorzugt ein ferromagnetischer Körper verwendet, der durch das Anlegen entsprechender Felder bleibend magnetisiert wird.
Die Magnetisierung des Feldkörpers kann gleichzeitig mit oder nach dem Erzeugen der ersten Schicht im Bereich des Feldkörpers erfolgen. Bevorzugt wird die Magnetisierung dem Feldkörper jedoch aufgeprägt, bevor die räumliche Zuordnung zwischen der ersten Schicht und dem Feldkörper erfolgt, da dies in der Regel mit einfacheren Mitteln realisiert werden kann. Insbesondere muss ein permanent magnetisierter Feldkörper gegebenenfalls nicht für jede neue erste Schicht neu magnetisiert werden, sondern es genügt zumindest für eine Reihe von ersten Schichten, die entsprechende räumliche Beziehung zwischen dem Feldkörper und der jeweiligen ersten Schicht herzustellen.
Die Magnetisierung des Feldkörpers kann in beliebiger geeigneter Weise erfolgen. Bevorzugt wird die Magnetisierung dem Feldkörper unter Verwendung eines entsprechenden Schreibkopfes aufgeprägt, der durch geeignete Mittel so über den Feldkörper geführt wird, dass eine Magnetisierung des Feldkörpers erzielt wird, die eine der Diffraktionsstruktur entsprechende Feldverteilung erzeugt. Hierbei ist es vorteilhafter Weise möglich, auf handelsübliche Komponenten aus der Datenverarbeitungstechnik zurückzugreifen. So kann der Schreibkopf insbesondere nach Art eines Schreib/Lesekopfes für Magnetspeicher ausgebildet sein. Hierdurch ergeben sich angesichts des hohen Entwicklungsstandes im Bereich der Datenverarbeitungstechnik besonders kostengünstige und zuverlässige Anordnungen zur Erzielung der entsprechenden Magnetisierung.
Die räumliche Zuordnung zwischen der ersten Schicht und dem Feldkörper kann in vielfacher Weise hergestellt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass ein bestimmter Abstand zwischen dem Felskörper und der ersten Schicht besteht. Bei besonders einfachen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erste Schicht auf den Feldkörper aufgebracht. Dies kann in vielfacher Weise, beispielsweise durch Tauchen oder Sprühen sowie durch Aufstreichen, beispielsweise mit einer Rakel oder dergleichen, erfolgen. Es sollte in der Regel lediglich eine möglichst gleichmäßige Verteilung der magnetischen Flüssigkeit über die Erstreckung der ersten Schicht sichergestellt sein.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht auf Anwendungen mit einer im wesentlichen ebenen ersten Schicht beschränkt ist. Je nach den Eigenschaften der magnetischen Flüssigkeit, beispielsweise deren Viskosität, Benetzungsfähigkeit etc., kann die erste Schicht auch in nahezu beliebiger anderer Weise geformt sein. So können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise so genannte Konkavgitter erzeugt werden. Unerwünschten Schwerkrafteinflüssen auf die erste Schicht kann dabei mechanisch, d. h. durch Erzeugung gegengerichteter Beschleunigungen auf die erste Schicht, entgegengewirkt werden. Insbesondere ist es aber möglich durch das Magnetfeld einen Ausgleich zu erzielen, beispielsweise durch einen der eigentlichen Feldverteilung überlagerten Feldgradienten zur Kompensation der Schwerkrafteinflüsse. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt hierbei insbesondere darin, dass der einmal konditionierte Feldkörper gegebenenfalls für die Verarbeitung einer großen Anzahl erster Schichten verwendet werden kann.
Sofern sich die zumindest teilweise ausgehärtete erste Schicht gut von den Festkörper lösen lässt, kann die erste Schicht unmittelbar auf den Feldkörper aufgetragen werden. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass eine das Ablösen der zumindest teilweise ausgehärteten ersten Schicht vom Feldkörper erleichternde zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und dem Feldkörper angeordnet wird. Hierbei kann es sich insbesondere um eine Trennfolie oder eine Trennplatte handeln. Es kann sich bei der zweiten Schicht aber auch um ein pulver- oder granulatförmiges sowie um ein flüssiges oder pastöses Trennmittel handeln. Die zweite Schicht kann beispielsweise aus Glas oder einem oder mehreren Kunststoffen bestehen. Die zweite Schicht kann bei der weiteren Verarbeitung der ersten Schicht ebenfalls von der ausgehärteten ersten Schicht abgetrennt werden. Vorzugsweise ist die zweite Schicht bleibend mit der ersten Schicht verbunden und daher ebenfalls Bestandteil des optischen Bauteils. Sofern es sich bei dem optischen Bauteils um einen transmissives Bauteil handelt, muss die zweite Schicht dann natürlich in dem bzw. den entsprechenden Frequenzbereichen Lichtdurchlässigkeit aufweisen, während dies bei reflexiven Bauteilen nicht der Fall sein muss.
Als magnetischen Flüssigkeiten kommen grundsätzlich beliebige Flüssigkeiten in Betracht, welche unter Einfluss eines Magnetfeld eine entsprechende freie Verformung zeigen. Bevorzugt wird als magnetische Flüssigkeit eine sedimentationsstabile Dispersion ultrakleiner ferromagnetischer Partikel in einer aushärtbaren Trägerflüssigkeit verwendet. Die Partikel weisen vorzugsweise einen Partikeldurchmesser unterhalb von 20 nm, weiter vorzugsweise liegen die Partikeldurchmesser im Bereich von 5 bis 10 nm. Bei den Partikeln kann es sich beispielsweise um Magnetite oder Mangan-Zink-Ferrite handeln.
Das Aushärten der Trägerflüssigkeit kann durch Erstarrung bei Abkühlen auf eine bestimmte Temperatur, vorzugsweise auf Raumtemperatur erfolgen. Bei besonders vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Aushärten der ersten Schicht zumindest teilweise durch Vernetzung der Trägerflüssigkeit. Diese Vernetzung kann in beliebiger bekannter Weise induziert sein, beispielsweise durch bestimmte Komponenten (Härter) der Trägerflüssigkeit selbst, welche nach einer bestimmten Zeit einen bestimmten, bis zur vollständigen Vernetzung fortschreitenden Vernetzungsgrad bewirken. Vorzugsweise erfolgt sie unter Bestrahlung der ersten Schicht mit einer elektromagnetischen Strahlung, bevorzugt unter Bestrahlung mit Licht. Hierbei findet bevorzugt UV-Licht Anwendung.
Bei bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine magnetische Flüssigkeit verwendet wird, die zumindest in einem zweiten, ausgehärteten Zustand in wenigstens einem Frequenzbereich lichtdurchlässig ist. Diese Varianten eignen sich besonders für die Herstellung von Transmissionsgittern.
Bei weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Herstellung von Reflexionsgittern eine magnetische Flüssigkeit verwendet, die zumindest in einem zweiten, ausgehärteten Zustand in wenigstens einem Frequenzbereich reflektierend ist. Zusätzlich oder alternativ kann die erste Schicht zumindest abschnittsweise mit einer Reflexionsschicht versehen werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein diffraktives optisches Bauteil mit einem optisch wirksamen Körper, der eine vorgebbare bleibende Diffraktionsstruktur aufweist. Die Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der optisch wirksame Körper zumindest eine die Diffraktionsstruktur ausbildende erste Schicht aus einer ausgehärteten magnetischen Flüssigkeit umfasst, wobei die Diffraktionsstruktur durch freie Verformung der erste Schicht in einem ersten, nicht ausgehärteten Zustand unter Vorhandensein eines Magnetfelds mit einer der vorgebbaren Diffraktionsstruktur entsprechenden Feldverteilung ausgebildet ist. Ein solches diffraktives optisches Bauteil lässt sich insbesondere mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren herstellen.
Die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen eines solchen optischen Bauteils und die mit einem derartigen Bauteil erzielbaren Vorteile wurden größtenteils bereits oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, sodass hier lediglich auf die obigen Ausführungen verwiesen werden soll.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Herstellen eines diffraktiven optischen Bauteils mit einer Strukturierungseinrichtung zum Aufprägen einer vorgebbaren bleibenden Diffraktionsstruktur auf einen optisch wirksamen Körper: Erfindungsgemäß umfasst die Strukturierungseinrichtung folgende Einrichtungen:

– eine Schichterzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer ersten Schicht aus einer aushärtbaren magnetischen Flüssigkeit,
– eine Felderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds, das der ersten Schicht in einem ersten, nicht ausgehärteten Zustand aufgeprägt ist und eine der Diffraktionsstruktur entsprechende, vorgegebene Feldverteilung aufweist, sowie
– eine Aushärteinrichtung zum Aushärten der ersten Schicht zur Bildung wenigstens eines Teils des mit der Diffraktionsstruktur versehenen Bauteils,

Die Felderzeugungseinrichtung ist der Aushärteinrichtung zumindest zeitweise zugeordnet. Sie ist weiterhin derart ausgebildet, dass das Magnetfeld zumindest solange aufrecht erhalten wird, bis eine zur Erhaltung der Diffraktionsstruktur ausreichende Formstabilität der ersten Schicht erzielt ist.
Eine solche Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Die mit einer solchen Vorrichtung erzielbaren Vorteile sind größtenteils bereits oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, sodass auch hier lediglich auf die obigen Ausführungen verwiesen werden soll.
Bevorzugt ist die Felderzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer zumindest abschnittsweise periodischen Feldverteilung ausgebildet ist, die einer Diffraktionsstruktur mit zumindest abschnittsweiser Periodizität entspricht.
Um optische Bauteile mit abschnittsweise unterschiedlichen Diffraktionsstrukturen herzustellen, ist die Felderzeugungseinrichtung bei günstigen Weiterbildungen der Erfindung zum Erzeugen abschnittsweise unterschiedlicher Feldverteilungen ausgebildet. So ist es hiermit möglich, optische Bauteile herzustellen, deren Diffraktionsstruktur in einem ersten Abschnitt eine erste Strukturierung aufweist und in einem zweiten Abschnitt eine zweite Strukturierung aufweist.
Während die Felderzeugungseinrichtung, wie oben beschrieben, grundsätzlich beliebig gesteltet sein kann, um die gewünschte Feldverteilung zu erzielen, umfasst die Felderzeugungseinrichtung wegen des einfachen Aufbaus bevorzugt einen Feldkörper, der die der Diffraktionsstruktur entsprechende Feldverteilung bewirkt. Dieser Feldkörper kann in der oben bereits beschriebenen Weise ausgestaltet sein. Insbesondere kann es sich um einen magnetisierbaren Feldkörper handeln.
Die Felderzeugungseinrichtung umfasst weiterhin vorzugsweise einen Schreibkopf, der so ausgebildet ist, dass der Feldkörper mit ihm entsprechend der gewünschten Diffraktionsstruktur magnetisiert werden kann. Hierbei umfasst die Felderzeugungseinrichtung bevorzugt eine Einrichtung mit der zum Magnetisieren eine entsprechende Relativbewegung zwischen dem Schreibkopf und dem Feldkörper erzeugt werden kann. Im einfachsten Fall wird dabei der Schreibkopf mittels einer geeigneten Verfahreinrichtung über den Feldkörper verfahren.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Schreibkopf um einen handelsüblichen Schreib/Lesekopf für Magnetspeicher. Zumindest kann der Schreibkopf nach Art eines solchen Schreib/Lesekopfes für Magnetspeicher ausgebildet sein.
Bei vorteilhaften Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Aushärteinrichtung eine Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen der ersten Schicht mit einer elektromagnetischen Strahlung umfasst.
Bei weiteren günstigen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zur Herstellen reflektiver optischer Bauteile verwendet werden können, ist eine Beschichtungseinrichtung zum zumindest abschnittsweisen Beschichten, insbesondere Bedampfen, der ersten Schicht mit einer Reflexionsschicht vorgesehen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen bzw. der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, welche auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine schematische Darstellung der Felderzeugungseinrichtung aus 1;
3 einen schematischen Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes optisches Bauteil während der Herstellung mit der Vorrichtung aus 1;
4 einen schematischen Teilschnitt durch ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Bauteils während der Herstellung;
5 einen schematischen Teilschnitt durch ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Bauteils während der Herstellung;
6 einen schematischen Teilschnitt durch ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Bauteils während der Herstellung;
7 einen schematischen Teilschnitt durch ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Bauteils während der Herstellung mit einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine schematische, nicht maßstäbliche Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines diffraktiven optischen Bauteils, mit der eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines diffraktiven optischen Bauteils durchgeführt wird.
Die Vorrichtung umfasst eine Felderzeugungseinrichtung 1, eine Schichterzeugungseinrichtung 2, eine der Schichterzeugungseinrichtung 2 nachgeschaltete Aushärteinrichtung 3 sowie eine der Aushärteinrichtung 3 nachgeschaltete Trenneinrichtung 4.
Die Felderzeugungseinrichtung 1 umfasst eine Magnetisierungseinrichtung 1.1 und eine Reihe von plattenförmigen Feldkörpern 1.2, die jeweils aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Bevorzugt sind mindestens so viele Feldkörper 1.2 vorgesehen, wie Stationen bei der Durchführung des Verfahrens zu durchlaufen sind, um einen kontinuierlichen, hohen und gegebenenfalls taktsynchronen Ausstoß an optischen Bauteilen zu erzielen. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten auch nur ein einziger Feldkörper vorgesehen sein kann.
Dem jeweiligen Feldkörper 1.2 wird, wie weiter unten noch detaillierter beschrieben wird, durch die Magnetisierungseinrichtung im Bereich seiner Oberseite 1.3 eine zumindest für einen längeren Zeitraum bleibende Magnetisierung aufgeprägt. Diese Magnetisierung ist derart gestaltet, dass im Bereich der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 ein Magnetfeld mit einer vorgegebenen Feldverteilung besteht.
In der Schichterzeugungseinrichtung 2 werden eine erste Schicht 5 und eine zweite Schicht 6 auf die mit der Magnetisierung versehene Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 aufgebracht. Die zweite Schicht 6 ist dabei zwischen der ersten Schicht 5 und der Oberfläche an der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 angeordnet. Sie ist im vorliegenden Beispiel als dünne Kunststoff-Trennfolie 6 ausgebildet, welche das spätere Ablösen der ersten und zweiten Schicht 5, 6 von der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 erleichtert.
Es versteht sich, dass die zweite Schicht auch aus einem anderen Material gebildet sein kann. So kann sie beispielsweise in Form einer Trennplatte aus Glas gestaltet sein. Schließlich kann es sich bei der zweiten Schicht auch um ein einfaches Trennmittel, beispielsweise eine geeignete Flüssigkeit oder Paste etc. handeln, welche das Ablösen der ersten Schicht vom Feldkörper erleichtert.
Die erste Schicht 5 besteht aus einer aushärtbaren magnetischen Flüssigkeit. Sie wird nach Aufbringen der Trennfolie 6 auf die Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 durch eine geeignete – nicht dargestellte – Sprüheinrichtung auf die dem Feldkörper 1.2 abgewandte Oberseite der Trennfolie aufgesprüht. Die Sprüheinrichtung ist dabei durch geeignete Düsenanordnung so ausgebildet, dass eine zunächst möglichst gleichmäßige Verteilung der magnetischen Flüssigkeit über die vorhandene Oberseite 1.3 bzw. einen vorgegebenen Abschnitt dieser Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 erzielt wird.
Bei der magnetischen Flüssigkeit handelt es sich um eine sedimentationsstabile Dispersion ultrakleiner ferromagnetischer Partikel in einer aushärtbaren Trägerflüssigkeit. Die Partikel bestehen im vorliegenden Beispiel aus Magnetit und weisen einen Partikeldurchmesser von etwa 8 nm auf. Die Trägerflüssigkeit besteht aus einem unter UV-Licht durch Vernetzung aushärtbaren Polymer.
Durch die Einwirkung des im Bereich der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 vorhandenen Magnetfelds ergibt sich in einem ersten, noch nicht ausgestatteten Zustand eine Verformung der ersten Schicht 5, die nach einer bestimmten Zeit zur Ausbildung einer Diffraktionsstruktur 5.1 an der dem Feldkörper 1.2 abgewandten Oberseite der ersten Schicht 5 führt. Die Geometrie der Diffraktionsstruktur 5.1 ist dabei durch die Feldverteilung des Magnetfelds vorgegeben. Mit anderen Worten wird also je nach der durch die Magnetisierung des Feldkörpers 1.2 erzielten Feldverteilung eine bestimmte vorgegebene Diffraktionsstruktur 5.1 erzielt.
In der Aushärteinrichtung 3 wird die erste Schicht 5 zumindest solange mit UV Licht bestrahlt und zusammen mit der Trennfolie 6 auf dem Feldkörper 1.2 belassen, bis eine ausreichende Formstabilität der ersten Schicht 5 erzielt wird, welche die Erhaltung der Diffraktionsstruktur 5.1 gewährleistet. Vorzugsweise dauert die Bestrahlung solange an, bis eine im wesentlichen vollständige Aushärtung der ersten Schicht 5 erzielt wurde.
In der an die Aushärteinrichtung 3 anschließenden Trenneinrichtung 4 wird die erste Schicht 5 dann zusammen mit der Trennfolie 6 von dem Feldkörper 1.2 getrennt. Die Trennfolie 6 ist dabei bleibend mit der ersten Schicht 5 verbunden und bildet zusammen mit dieser das gewünschte diffraktive optische Bauteil 7.
Sowohl die ausgehärtete Trägerflüssigkeit der ersten Schicht 5 als auch die Trennfolie 6 sind im gezeigten Beispiel zumindest in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich Licht durch lässig, sodass mit ihnen ein transmissives optisches Bauteil 7 hergestellt werden kann.
Der Feldkörper 1.2 wird dann, wie durch den Pfeil 8 angedeutet ist, wieder zur Schichterzeugungseinrichtung 2 transportiert, wo er von neuem mit einer ersten und zweiten Schicht 5, 6 versehen wird. Seine permanente Magnetisierung stellt dabei sicher, dass zumindest mehrere der oben beschriebenen Herstellungsabläufe für optische Bauteile 7 mit ihm durchgeführt werden können, ohne dass eine erneute Magnetisierung erforderlich wäre.
Ist im Feldkörper 1.2 eine einen bestimmten Grenzwert überschreitende Abschwächung der Magnetisierung eingetreten oder soll mit einer veränderten Feldverteilung eine veränderte Diffraktionsstruktur hergestellt werden, wird der Feldkörper 1.2 zur erneuten oder modifizierten Magnetisierung zur Magnetisierungseinrichtung 1.1 transportiert, wie dies in 1 durch den gestrichelten Pfeil 9 angedeutet ist.
Die Trenneinrichtung 4 ist im vorliegenden Beispiel gleichzeitig als Beschichtungseinrichtung ausgebildet, in der die mit der Diffraktionsstruktur 5.1 versehene Oberseite der ersten Schicht mit einer reflektierenden Beschichtung versehen werden kann, um ein diffraktives Reflexionsbauteil herzustellen. Die reflektierenden Beschichtung wird dabei durch Bedampfen der Oberfläche mit einem entsprechend reflektierenden Material hergestellt. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten eine solche Beschichtungseinrichtung auch fehlen kann, wenn beispielsweise nur transmissive Bauteile hergestellt werden sollen oder die erste Schicht selbst schon für ein Reflexionsbauteil ausreichende reflektierende Eigenschaften aufweist.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Felderzeugungseinrichtung aus 1 mit dem Feldkörper 1.2 und der Magnetisierungseinrichtung 1.1. Die Magnetisierungseinrichtung 1.1 umfasst dabei einen Schreibkopf 10, der nach Art eines herkömmlichen Schreib/Lesekopfs für Magnetspeicher ausgebildet ist. Der Schreibkopf 10 wird über eine – nicht dargestellte – Antriebseinrichtung in Richtung der Pfeile 11 und 12 über den Feldkörper 1.2 verfahren. Zur Steuerung des Grades der Magnetisierung des Feldkörpers 1.2 ist der dabei mit einer entsprechenden Steuereinrichtung 13 verbunden. Die Steuereinrichtung 13 übernimmt dabei im Übrigen auch die Ansteuerung der Antriebseinrichtung.
Der Schreibkopf 10 wird so über die Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 verfahren, dass im Bereich der Oberseite 1.3 parallele, linienförmige Magnetisierungsbereiche des Feldkörpers 1.2 erzeugt werden, die in 1 durch die parallelen Linien 14 angedeutet sind. Der Abstand d der Magnetisierungsbereiche 14 ist dabei durch die gewünschte Diffraktionsstruktur vorgegeben. Im gezeigten Beispiel liegt er bei konstant bei etwa 1 μm, sodass sich eine periodische Linienstruktur ergibt, die etwa 1000 Linien pro mm aufweist.
3 zeigt einen schematischen Teilschnitt durch das Bauteil 7 während der Herstellung mit der Vorrichtung aus 1. Das Bauteil 7 befindet sich dabei noch in der Schichterzeugungseinrichtung 1, in der zuvor unter Verfahren einer durch die Kontur 15 angedeuteten Düse in Richtung des Pfeil 16 die erste Schicht 5 auf die Trennfolie 6 aufgesprüht wurde.
Die zuvor magnetisierten Bereiche des Feldkörpers 1.2, die in 3 durch die Bereiche 14 angedeutet sind, bewirken eine Verformung der ersten Schicht 5. Dabei bilden sich angrenzend an die magnetisierten Bereiche 14 Materialansammlungen in der ersten Schicht 5, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Gewisse Zeit nach dem Aufsprühen der ersten Schicht 5 hat sich dann an der Oberseite 1.3 der ersten Schicht also die in 3 dargestellte Diffraktionsstruktur 5.1 ausgebildet.
Es sei hier angemerkt, dass der Abstand der Außenkontur der Bereiche 14 bis 14''' zu dem zugehörigen Lotpunkt auf der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 in den 3 bis 6 jeweils einen groben Anhaltspunkt für die Stärke des Magnetfeldes an dem betreffenden Lotpunkt auf der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 geben soll.
Durch die magnetisierten Bereiche 14 wird ein Magnetfeld erzeugt, das wegen des konstanten Abstandes d zwischen den magnetisierten Bereichen 14 eine periodische Feldverteilung aufweist. Diese Feldverteilung entspricht der Diffraktionsstruktur 5.1 und spiegelt sich auch in dieser wieder. So weisen die Scheitelpunkte 5.2 der Erhebungen der Diffraktionsstruktur 5.1 ebenfalls den gleichbleibenden Abstand d auf.
Die beschriebene Diffraktionsstruktur 5.1 bildet somit im vorliegenden Fall ein periodisches Gitter mit etwa 1000 parallelen Linien pro mm aus. Es handelt sich im vorliegenden Fall um ein so genanntes Gitter mit binärer Struktur, d. h. es bildet im wesentlichen zwei Zustände mit bestimmten optischen Eigenschaften aus, die innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs liegen. Ein erster wirksamer Zustand ist durch die Abschnitte im Bereich der Scheitelpunkte 5.2 der Erhebungen vorgegeben. Ein zweiter wirksamer Zustand ist durch die Abschnitte im Bereich der Scheitelpunkte 5.3 der Vertiefungen vorgegeben. Die Übergangsbereiche zwischen diesen Bereichen, d. h. zwischen diesen beiden Zuständen, weisen optische Eigenschaften auf, die denjenigen des ersten Zustandes und denjenigen des zweiten Zustand variieren. Ihr Einfluss auf das mit dem diffraktiven Bauteil erzielte Ergebnis soll aber für die Anwendung, für die das optische Bauteil 7 bestimmt ist, vernachlässigbar sein.
Es versteht sich, dass diese Übergänge zwischen den beiden Zuständen bei anderen Ausführungsformen durch entsprechende Magnetisierung, also durch entsprechende Gestaltung der magnetisierten Bereiche, schärfer gestaltet werden können, um ihren Einfluss auf die optischen Eigenschaften des Bauteils weiter zu reduzieren.
4 zeigt einen schematischen Teilschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils 7 während der Herstellung mit der Vorrichtung aus 1. Das Bauteil 7 befindet sich auch hier noch in der Schichterzeugungseinrichtung 1, in der zuvor die erste Schicht 5' auf eine dünne Trennplatte 6' aus Glas aufgesprüht wurde, die auf den Feldkörper 1.2 aufgelegt wurde.
Es sei hier angemerkt, dass in diesem Fall auch die Trennplatte 6' mit der ersten Schicht 5' besprüht werden kann, bevor sie auf den Feldkörper 1.2 aufgelegt wird. Dies hat den Vorteil, dass zunächst eine gleichmäßige Verteilung der magnetischen Flüssigkeit erzielt wird, bevor sich die erste Schicht 5' unter Einwirkung des Magnetfelds verformt.
Im gezeigten Beispiel wird durch die Magnetisierungseinrichtung 1.1 durch entsprechende Ansteuerung des Schreibkopfes 10 und Überlagerung unterschiedlich stark magnetisierter Bereiche eine periodische, annähernd sägezahnförmige Magnetisierung erzeugt, wie sie durch die Bereiche 14 angedeutet ist. Diese Magnetisierung des Feldkörpers bewirkt eine annähernd sägezahnförmige Feldverteilung, die wiederum zu einer nicht-binären, annähernd sägezahnförmigen Diffraktionsstruktur 5.1' führt, deren Scheitelpunkte 5.2' jeweils den Abstand d' aufweisen. Solche Diffraktionsstrukturen mit einer sägezahnförmigen Gradientenstruktur werden häufig für so genannte Echelettegitter verwendet. Dies ist auch im vorliegenden Beispiel der Fall.
5 zeigt einen schematischen Teilschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils 7'' während der Herstellung mit der Vorrichtung aus 1. Das Bauteil 7'' befindet sich auch hier noch in der Schichterzeugungseinrichtung 1, in der zuvor die erste Schicht 5'' unmittelbar auf den Feldkörper 1.2 durch aufgesprüht wurde.
Die magnetisierten Bereiche 14'' sind bei dieser Variante in der Ebene der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 als zu einer Achse 15 konzentrische Kreise ausgebildet. Sie sind dabei weiterhin derart angeordnet, dass sich eine Diffraktionsstruktur 5.1'' mit zwei Strukturbereichen 16 und 17 unterschiedlicher Periodizität ausbildet. Dabei weisen die Scheitelpunkte der Erhebungen in dem zentral gelegenen ersten Strukturbereich 16 einen gleichbleibenden ersten Abstand d₁ auf, während die Scheitelpunkte der Erhebungen in dem peripheren, zweiten Strukturbereich 17 einen gleichbleibenden zweiten Abstand d₂ < d₁ aufweisen.
Entsprechend der Diffraktionsstruktur 5.1'' weist das durch die Magnetisierung des Feldkörpers 1.2 erzeugte Magnetfeld in dem ersten Strukturbereich 16 eine entsprechende erste Feldverteilung und in dem zweiten Strukturbereich 17 eine entsprechende zweite Feldverteilung auf.
6 zeigt einen schematischen Teilschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils 7''' während der Herstellung mit der Vorrichtung aus 1. Das Bauteil 7''' befindet sich auch hier noch in einer Schichterzeugungseinrichtung, in der zuvor die erste Schicht 5''' mittels einer durch die Kontur 18 angedeuteten Rakel in Richtung des Pfeils 19 auf den Feldkörper 1.2 aufgestrichen wurde. Vor Auftragen der ersten Schicht 5''' wurde allerdings noch eine gleichmäßig dünne zweite Schicht 6''' aus einem pastösen Trennmittel auf die Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 aufgestrichen.
Die magnetisierten Bereiche 14''' sind bei dieser Variante in der Ebene der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 als zu einer Achse 20 konzentrische Kreise ausgebildet. Sie sind weiterhin so angeordnet, dass sich eine nicht-periodische Diffraktionsstruktur 5.1''' ausbildet. Dabei weisen die Scheitelpunkte der Erhebungen mit Fortschreiten der Entfernung von der Achse einen stetig zunehmenden gegenseitigen Abstand r₁ < r₂ < r₃ < r₄ < r₅ auf.
7 zeigt schließlich einen schematischen Teilschnitt durch ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Bauteils 21 während der Herstellung mit einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ebenfalls eine Felderzeugungseinrichtung 22 mit einer Magnetisierungseinrichtung 22.1 und einen Feldkörper 22.2 umfasst. Bei dieser Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Felderzeugungseinrichtung 22, die Schichterzeugungseinrichtung 23 und die Aushärteinrichtung 24 in einer gemeinsamen räumlichen Einheit integriert.
Die erste Schicht 25 wird mittels einer durch die Kontur 23.1 angedeuteten, in Richtung des Pfeils 23.2 verfahrenen Düse auf den Feldkörper 22.2 aufgesprüht, auf den zuvor als zweite Schicht eine Trennfolie 26 aufgelegt wurde.
Nach Aufbringen der ersten und zweiten Schicht wird durch die Magnetisierungseinrichtung 22.1 ein externes Magnetfeld 22.3 aufgebaut, welches durch den Feldkörper 22.2 derart modifiziert wird, dass im Bereich der Oberseite 22.4 des Feldkörpers 22.2 eine Feldverteilung entsteht, welche die in Figur dargestellte Verformung der ersten Schicht bewirkt. Der Feldkörper 22.2 besteht hierzu aus einander in seiner Ebene schichtweise abwechselnden ersten Segmenten 22.5 und zweiten Segmenten 22.6. Die zweiten Segmente 22.6 bewirken eine Abschwächung des externen Magnetfeldes 22.3, sodass im Bereich der Oberseite 22.4 des Feldkörpers 22.2 die gewünschte Feldverteilung entsteht.
Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten auch vorgesehen sein kann, dass die ersten Segmente eine entsprechende Verstärkung des Magnetfelds bewirken. Ebenso können natürlich auch unterschiedlich stark verstärkende oder abschwächende Segmente sowie verstärkende und abschwächende Segmente miteinander kombiniert werden, um die erwünschte Feldverteilung zu erzielen.
Diese Feldverteilung bewirkt, dass sich angrenzend an die ersten Segmente 22.5 Materialansammlungen in der ersten Schicht 25 bilden, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Gewisse Zeit nach dem Aufbau des externen Magnetfelds 22.3 hat sich dann an der Oberseite der ersten Schicht 25 also die in 7 dargestellte Diffraktionsstruktur 25.1 herausgebildet.
Die ersten Segmente 22.5 weisen ebenso wie die zweiten Segmente 22.6 jeweils untereinander dieselben Abmessungen auf. Dadurch wird eine periodische Feldverteilung erzielt. Diese Feldverteilung entspricht der Diffraktionsstruktur 25.1 und spiegelt sich auch in dieser wieder. So weisen die Scheitelpunkte 25.2 der Erhebungen der Diffraktionsstruktur 25.1 ebenfalls den gleichbleibenden Abstand d auf. Die beschriebene Diffraktionsstruktur 25.1 bildet dementsprechend im vorliegenden Fall ebenfalls ein periodisches Gitter aus, wie es beispielsweise schon im Zusammenhang mit 3 beschrieben wurde.
Nachdem sich die Diffraktionsstruktur 25.1 ausgebildet hat, wird die erste Schicht 25 mittels einer Strahlungsquelle 24.1 der Aushärteinrichtung 24 mit UV Strahlung 24.2 bestrahlt und härtet so aus. Dabei wird das externe Magnetfeld nur so lange aufrecht erhalten, bis die erste Schicht 25 eine ausreichende Formstabilität erreicht hat, um die Diffraktionsstruktur 25.1 zu bewahren. Nach vollständigem Aushärten der ersten Schicht 25 wird diese dann zusammen mit der fest damit verbundenen Trennfolie 26 als fertiges optisches Bauteil 21 von dem Feldkörper 22.2 abgehoben.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend stets anhand von Beispielen beschrieben, bei denen das herzustellende optische Bauteil unmittelbar aus der ausgehärteten ersten Schicht mit oder ohne eine damit verbundene zweite Schicht gebildet wird. Es versteht sich jedoch, dass das optische Bauteil bei anderen Varianten der Erfindung auch durch weitere Bearbeitung oder Ergänzung der ausgehärteten ersten Schicht oder der Kombination aus erster und zweiter Schicht hergestellt werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend weiterhin stets anhand von Beispielen beschrieben, bei denen die gewünschte Feldverteilung anhand von Felderzeugungseinrichtungen mit entsprechend gestalteten Feldkörpern erzielt wurde. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung auch vorgesehen sein kann, dass die gewünschte Feldverteilung auch ohne derartige Feldkörper durch entsprechend gestaltete Magnetisierungseinrichtungen erzielt werden, die schon ein entsprechend gestaltetes externes Magnetfeld erzeugen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Bauteils (7; 7'; 7''; 7'''; 21), bei dem einem optisch wirksamen Körper (5; 5'; 5''; 5'''; 25) eine vorgegebbare bleibende Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) aufgeprägt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schicht (5; 5'; 5''; 5'''; 25) aus einer aushärtbaren magnetischen Flüssigkeit gebildet wird, dieser ersten Schicht (5; 5'; 5''; 5'''; 25) in einem ersten, nicht ausgehärteten Zustand ein Magnetfeld mit einer der Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) entsprechenden vorgegebenen Feldverteilung aufgeprägt wird und die erste Schicht (5; 5'; 5''; 5'''; 25) zur Bildung wenigstens eines Teils des mit der Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) versehenen Bauteils (7; 7'; 7''; 7'''; 21) ausgehärtet wird, wobei das Magnetfeld zumindest solange aufrecht erhalten wird, bis eine zur Erhaltung der Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) ausreichende Formstabilität der ersten Schicht (5; 5'; 5''; 5'''; 25) erzielt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 25.1) zumindest abschnittsweise eine Periodizität aufweist und das Magnetfeld entsprechend der Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 25.1) eine zumindest abschnittsweise periodische Feldverteilung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldverteilung derart gewählt wird, dass die Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) ein Gitter mit einer Struktur aus parallelen Linien oder konzentrischen Kreisen ausbildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldverteilung derart gewählt wird, dass die Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1''; 5.1'''; 25.1) ein Gitter mit im wesentlichen binärer Struktur ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldverteilung derart gewählt wird, dass die Diffraktionsstruktur (5.1') ein Gitter mit im wesentlichen nicht-binärer Gradientenstruktur ausbildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffraktionsstruktur (5.1'') in einem ersten Abschnitt (16) eine erste Strukturierung aufweist und in einem zweiten Abschnitt (17) eine zweite Strukturierung aufweist, wobei das Magnetfeld in dem ersten Abschnitt (16) eine erste Feldverteilung entsprechend der ersten Strukturierung aufweist und wobei das Magnetfeld in dem zweiten Abschnitt (17) eine zweite Feldverteilung entsprechend der zweiten Strukturierung aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld unter Verwendung eines Feldkörpers (1.2; 22.2) erzeugt wird, der die der Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) entsprechende Feldverteilung bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkörper (1.2; 22.2) im Bereich der ersten Schicht (5; 5'; 5''; 5'''; 25) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkörper (1.2) ein magnetisierbarer Körper ist, dem zur Erzeugung der der Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1''') entsprechenden Feldverteilung eine der Feldverteilung entsprechende Magnetisierung aufgeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Feldkörper (1.2) ein ferromagnetischer Körper verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung dem Feldkörper (1.2) aufgeprägt wird, bevor die räumliche Zuordnung zwischen der ersten Schicht (5; 5'; 5''; 5''') und dem Feldkörper (1.2) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung dem Feldkörper (1.2) unter Verwendung eines Schreibkopfes (10) aufgeprägt wird, der insbesondere nach Art eines Schreib/Lesekopfes für Magnetspeicher ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (5; 5'; 5''; 5'''; 25) auf den Feldkörper (1.2 ; 22.2) auf gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Ablösen der zumindest teilweise ausgehärteten ersten Schicht (5; 5'; 5'''; 25) vom Feldkörper (1.2; 22.2) erleichternde zweite Schicht (6; 6'; 6'''; 26), insbesondere eine Trennfolie oder eine Trennplatte, zwischen der ersten Schicht und dem Feldkörper angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als magnetische Flüssigkeit eine sedimentationsstabile Dispersion ultrakleiner ferromagnetischer Partikel, vorzugsweise mit einem Partikeldurchmesser unterhalb von 20 nm, in einer aushärtbaren Trägerflüssigkeit verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten der ersten Schicht (5; 5'; 5''; 5'''; 25) zumindest teilweise durch Vernetzung der Trägerflüssigkeit, vorzugsweise unter Bestrahlung mit einer elektromagnetischen Strahlung, weiter vorzugsweise unter Bestrahlung mit Licht, insbesondere W-Licht, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Flüssigkeit verwendet wird, die zumindest in einem zweiten, ausgehärteten Zustand in wenigstens einem Frequenzbereich lichtdurchlässig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Flüssigkeit verwendet wird, die zumindest in einem zweiten, ausgehärteten Zustand in wenigstens einem Frequenzbereich reflektierend ist, oder dass die erste Schicht zumindest abschnittsweise mit einer Reflexionsschicht versehen wird.
Diffraktives optisches Bauteil (7; 7'; 7''; 7'''; 21) mit einem optisch wirksamen Körper (5; 5'; 5''; 5'''; 25), der eine vorgebbare bleibende Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch wirksame Körper zumindest eine die Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) ausbildende erste Schicht (5; 5'; 5''; 5'''; 25) aus einer ausgehärteten magnetischen Flüssigkeit umfasst, wobei die Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) durch freie Verformung der ersten Schicht (5; 5' ; 5''; 5'''; 25) in einem ersten, nicht ausgehärteten Zustand unter Vorhandensein eines Magnetfelds mit einer der vorgebbaren Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) entsprechenden Feldverteilung ausgebildet ist.
Optisches Bauteil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 25.1) zumindest abschnittsweise eine Periodizität aufweist.
Optisches Bauteil nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) ein Gitter mit einer Struktur aus parallelen Linien oder konzentrischen Kreisen ausbildet.
Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1''; 5.1'''; 25.1) ein Gitter mit im wesentlichen binärer Struktur ausbildet.
Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffraktionsstruktur (5.1') ein Gitter mit im wesentlichen nicht-binärer Gradientenstruktur ausbildet.
Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffraktionsstruktur (5.1'') in einem ersten Abschnitt (16) eine erste Strukturierung aufweist und in einem zweiten Abschnitt (17) eine zweite Strukturierung aufweist.
Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch wirksame Körper eine mit der ausgehärteten ersten Schicht (5; 5'; 25) verbundene zweite Schicht (6; 6'; 26), insbesondere eine Trennfolie oder eine Trennplatte, umfasst.
Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgehärtete erste Schicht (5; 5' ; 5''; 5'''; 25) aus einer ausgehärteten Dispersion ultrakleiner ferromagnetischer Partikel, vorzugsweise mit einem Partikeldurchmesser unterhalb von 20 nm, in einer, insbesondere durch Vernetzung, ausgehärteten Trägerflüssigkeit besteht.
Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgehärtete erste Schicht (5) zur Ausbildung eines Transmissionsbauteils, insbesondere eines Transmissionsgitters, in wenigstens einem Frequenzbereich lichtdurchlässig ist.
Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgehärtete erste Schicht zur Ausbildung eines Reflexionsbauteils, insbesondere eines Reflexionsgitters, in wenigstens einem Frequenzbereich reflektierend ist oder zumindest abschnittsweise mit einer Reflexionsschicht versehen ist.
Vorrichtung zum Herstellen eines diffraktiven optischen Bauteils (7; 7'; 7''; 7'''; 21), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18, mit einer Strukturierungseinrichtung zum Aufprägen einer vorgebbaren bleibenden Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) auf einen optisch wirksamen Körper (5; 5'; 5''; 5'''; 25), dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungseinrichtung umfasst – eine Schichterzeugungseinrichtung (2; 23) zum Erzeugen einer ersten Schicht (5; 5'; 5''; 5'''; 25) aus einer aushärtbaren magnetischen Flüssigkeit, – eine Felderzeugungseinrichtung (1; 22) zum Erzeugen eines Magnetfelds, das der ersten Schicht (5; 5' ; 5''; 5'''; 25) in einem ersten, nicht ausgehärteten Zustand aufgeprägt ist und eine der Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) entsprechende, vorgegebene Feldverteilung aufweist, – eine Aushärteinrichtung (3; 24) zum Aushärten der ersten Schicht (5; 5'; 5''; 5'''; 25) zur Bildung wenigstens eines Teils des mit der Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) versehenen Bauteils (7; 7'; 7''; 7'''; 21), wobei die Felderzeugungseinrichtung (1; 22) der Aushärteinrichtung (3; 24) zumindest zeitweise zugeordnet ist und derart ausgebildet ist, dass das Magnetfeld zumindest solange aufrecht erhalten wird, bis eine zur Erhaltung der Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.1'''; 25.1) ausreichende Formstabilität der ersten Schicht (5; 5'; 5''; 5'''; 25) erzielt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Felderzeugungseinrichtung (1; 22) zum Erzeugen einer zumindest abschnittsweise periodischen Feldverteilung ausgebildet ist, die einer Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 25.1) mit zumindest abschnittsweiser Periodizität entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Felderzeugungseinrichtung (1) zum Erzeugen abschnittsweise unterschiedlicher Feldverteilungen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Felderzeugungseinrichtung (1; 22) einen Feldkörper (1.2; 22.2) umfasst, der die der Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.2'''; 25.1) entsprechende Feldverteilung bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkörper (1.2) ein magnetisierbarer Körper ist, dem zur Erzeugung der der Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.2''') entsprechenden Feldverteilung eine der Feldverteilung entsprechende Magnetisierung aufprägbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass als Feldkörper (1.2) ein ferromagnetischer Körper ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Felderzeugungseinrichtung (1) einen Schreibkopf (10) umfasst, der zur der Diffraktionsstruktur (5.1; 5.1'; 5.1''; 5.2''') entsprechenden Magnetisierung des Feldkörpers ausgebildet ist, und der insbesondere nach Art eines Schreib/Lesekopfes für Magnetspeicher ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärteinrichtung (3; 24) eine Bestrahlungseinrichtung (24.1) zum Bestrahlen der ersten Schicht (5; 5'; 5''; 5'''; 25) mit einer elektromagnetischen Strahlung, vorzugsweise mit Licht, insbesondere UV-Licht, umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtungseinrichtung zum zumindest abschnittsweisen Beschichten, insbesondere Bedampfen, der ersten Schicht mit einer Reflexionsschicht vorgesehen ist.