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WO1999050691A1 - Optically active element and method for the production thereof - Google Patents

Optically active element and method for the production thereof Download PDF

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Publication number
WO1999050691A1
WO1999050691A1 PCT/DE1999/000945 DE9900945W WO9950691A1 WO 1999050691 A1 WO1999050691 A1 WO 1999050691A1 DE 9900945 W DE9900945 W DE 9900945W WO 9950691 A1 WO9950691 A1 WO 9950691A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optically active
active element
microstructuring
element according
fresnel
Prior art date
Application number
PCT/DE1999/000945
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Heidrun JÄNCHEN
Werner Hofmann
Andreas Gombert
Volker Wittwer
Original Assignee
Fresnel Optics Gmbh
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fresnel Optics Gmbh, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fresnel Optics Gmbh
Publication of WO1999050691A1 publication Critical patent/WO1999050691A1/en

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G02B1/118—Anti-reflection coatings having sub-optical wavelength surface structures designed to provide an enhanced transmittance, e.g. moth-eye structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/17—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C45/26—Moulds
    • B29C45/37—Mould cavity walls, i.e. the inner surface forming the mould cavity, e.g. linings
    • B29C45/372—Mould cavity walls, i.e. the inner surface forming the mould cavity, e.g. linings provided with means for marking or patterning, e.g. numbering articles
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/12—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements by surface treatment, e.g. by irradiation

Definitions

  • the invention relates to optically active elements made of a plastic material that is transparent to electromagnetic waves, and to methods for their production.
  • Interference layers or interference layer systems are applied to the surfaces in order to reduce the reflected light component. It should be noted that this possibility is not practical in every case and in particular with the various optically active elements, such as Prisms or Fresnel lenses cannot be used easily.
  • the adhesion of the layer to the substrate can be critical, so that the layer peels off with the slightest mechanical stress.
  • the Anti-reflective treatment of strongly structured surfaces such as Fresnel lenses or prisms with interference - layer systems with the current state of the art only possible in special cases.
  • the anti-reflective effect of interference layer systems depends heavily on the angle of incidence of the radiation, which is problematic in applications with a wide range of angles.
  • protrusions are created in transparent panels made of plastic materials by embossing them in such panels in order to reduce the light losses on the roofs of greenhouses, which normally occur due to reflection.
  • a carrier layer is provided on at least one surface side with a microstructuring superimposed on a macrostructure.
  • the macro structuring looks similar to a diffusing screen, but it does
  • the contrast ratio is reduced.
  • This disadvantage in particular should be avoided in optically active elements in order not to correspondingly impair the desired images.
  • the microstructuring superimposed on the macro structuring in turn only has the task of reducing the reflection on the surface.
  • This solution aims to eliminate disturbing reflections and less to increase the transmission.
  • the macro structure is used to convert clearly recognizable to diffuse reflections; the micro structure reduces the diffuse reflections in order to improve the contrast.
  • a diffuse reflex is generally not an improvement over a clear reflex, because the light yield is reduced and the stray light remains in the optical system (especially in the case of objects with many refractive surfaces) and the contrast deteriorates.
  • adhesion problems which must also be taken into account in the interference layer systems, can occur in particular in the plastic materials.
  • optically active elements such as lenses, prisms, or lenticulars with a small thickness and large opening
  • optical elements With such optical elements, their thickness is almost constant, at least over the optically effective area.
  • active flanks are used, which are arranged concentrically or parallel to one another and due to the formation of the active flanks. Corresponding interfering edges separating these from one another must be present, which cause more or less light losses.
  • Such optical elements have one-sided structuring and the corresponding opposite side, which in this case is normally designed as a flat surface.
  • Such optical elements can also be structured on both sides with active and interference edges.
  • the electromagnetic waves emerge at large angles (up to 70 °) either through the flat surface and / or the existing active surfaces (due to the structuring). Due to increased reflection, there can be at least partial polarization of the light. In addition, the proportion of reflected light at the next interface can be totally reflected or can emerge from interference edges. Due to the high level of complexity, all of these possibilities cannot be taken into account or precalculated, so that interference light can concentrate on the optical axis or on concentric rings (aberrations) in Fresnel lenses, the position of which depends on the distances in the optical system is.
  • the optically active element according to the invention made of a plastic material that is transparent to electromagnetic waves in the visible and invisible wavelength range, is designed in such a way that at least the surface areas on which the undesired reflections are to be avoided have a planar microstructuring directly on the surface, in which the distances between the individual structural elements are each smaller than the smallest wavelength of the electromagnetic waves to be influenced by the element.
  • the undesired reflections can at least be greatly reduced, since an almost continuous transition of the refractive index between the environment, usually air, and the actual surface of the optically active element can be recorded, since the proportion of, for example, air within the microstructuring decreases continuously towards the optically active element.
  • This is favored or achieved by the design of the microstructuring in which the free volume filled with the surrounding medium (air or another gas) decreases continuously with increasing depth within the microstructuring.
  • the microstructuring can be designed periodically and, on the other hand, the individual structural elements of such a microstructuring can also be stochastically distributed on the corresponding surface areas.
  • the shape of the structural elements can also be stochastic, e.g. Pyramids with a size distribution.
  • the periods between the structural elements and, in the case of stochastic structures, the individual structural elements and the distances between them should in each case be smaller than the shortest wavelength of the electromagnetic radiation to be influenced by the optical element.
  • mixed forms of periodic training and stochastic arrangement can also be used if the spacing requirement for the structural elements is at least predominantly fulfilled.
  • the microstructuring should advantageously be formed on the surface of the optically active elements with a depth of up to a maximum of 1.5 ⁇ m, preferably up to 1 ⁇ m, if e.g. to work in the wavelength range of visible light.
  • the structure can also be a few ⁇ m wide and deep.
  • optically active elements can: Prisms, lenticulars, beam splitters, concave or convex-shaped lenses, cylindrical lenses, Fresnel mirrors, if used as rear-view mirrors, or Fresnel lenses.
  • such lenses can also be provided with other structures which are superimposed on the microstructuring to be used according to the invention.
  • Influencing factors for the spectral bandwidth of the reflection-reducing effect are, in the short-wave range, the distances between the individual structural elements or the width of the respective period, and this is limited in the long-wave range by the depth of the microstructuring, which means that for must emboss larger wavelengths deeper.
  • Diffraction occurs if the structure size is too large compared to the wavelength for which the component is used.
  • the microstructuring can be formed on surfaces of the respective optically active element into which the light enters or exits, the reflection-reducing effect occurring in each case.
  • Possible plastic materials for the production of the optically active elements according to the invention are polymethyl methacrylates, polycarbonates and other suitable polymers which are inexpensive to produce and are processable.
  • the optically active elements according to the invention can be produced in such a way that the microstructuring, during the actual production process, is such that elements are formed by injection molding or hot stamping. Tools can be used for this purpose, on the surface of which a negative image of the microstructuring to be formed directly on the surface of the optically active element is formed. This procedure has the advantage that no additional process steps are required for the production of those optically active elements which are necessary in other processes to be described, with which such elements can be produced.
  • Plastic are taken into account, since at least the surface areas to be provided with the microstructuring must be sufficiently softened.
  • a further possibility for producing the optically active elements according to the invention is to form the microstructuring by means of a laser on the surface of such an element.
  • a laser Eximer lasers and, to a limited extent, NdYAG lasers are particularly suitable for this.
  • the laser beam one Such a laser is preferably deflected in two planes over the surface to be provided with the microstructuring, it also being possible to influence the focusing of the laser beam if a non-flat surface is to be microstructured.
  • the laser beam can be directed onto the surface through a mask which specifies the microstructuring and is designed accordingly in order to ensure the required spacing of the individual structural elements.
  • the laser beam treatment has a more cost-effective effect, in particular in the case of small quantities, than is the case with the other production method mentioned.
  • optically active elements according to the invention do not represent a composite material, but rather consist of a single homogeneous plastic material, the disadvantages known from the prior art do not occur, so that long-term use is readily possible even at strongly fluctuating temperatures. In addition, these elements have sufficient mechanical strength, reduce the amount of false light and improve contrast and light efficiency.
  • n 1.496 (at 500 nm)
  • There 10 is a Fresnel lens which has the known structure of active and interference edges on one side, while the other side is planar.
  • the negative image of the desired microstructuring is formed on the counterplate, which specifies the shape of the planar surface of the Fresnel lens.
  • the PMMA is applied in the form of granules, powder or a plate-shaped semifinished product to the Fresnel embossing die located in the embossing device and by heating the Fresnel embossing die and the counterplate up to the softening temperature of 108 ° C., typically to about 180 ° C. warmed up.
  • the Fresnel structure on one side and the anti-reflective micro structure on the other side are simultaneously embossed into the flowable plastic.
  • the Fresnel lens is removed from the mold at a temperature below 98 ° C, the limit temperature for the dimensional stability of the PMMA.
  • planar side of the Fresnel lens produced in this way is characterized by a reduced reflection compared to a planar surface without a microstructure.
  • the surface with the microstructure reflects only about 1.5% of the incident light in the visible wavelength range, while an ordinary planar surface reflects about 4% of the incident light. This improves the light output in optical systems and effectively suppresses the formation of disturbing reflections.

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Abstract

The invention relates to optically active elements made of a plastic material that is transparent to electromagnetic waves and to a method for the production of said element. Said optical elements should have at least a reduced reflection on their boundary surfaces with the surrounding medium. In order to solve this problem, a microstructure should be formed directly at least in part on the surface of the elements. The widths or distances of the individual structural elements are smaller than the smallest wavelength of the electromagnetic waves influencing the element.

Description

Optisch aktives Element und Verfahren zu seiner Herstellung Optically active element and process for its manufacture
Die Erfindung betrifft optisch aktive Elemente aus einem für elektromagnetische Wellen transparenten Kunststoffmaterial sowie Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to optically active elements made of a plastic material that is transparent to electromagnetic waves, and to methods for their production.
Bei optisch aktiven Elementen aus transparenten Materialien für elektromagnetische Wellen, im sichtbaren und nicht sichtbaren Wellenlängenbereich treten Probleme an den Grenzflächen dadurch auf, daß das einfallende Licht teilweise reflektiert und demzufolge entsprechende Lichtverluste in Kauf genommen werden müssen.In the case of optically active elements made of transparent materials for electromagnetic waves, in the visible and invisible wavelength range, problems occur at the interfaces in that the incident light is partially reflected and, accordingly, corresponding light losses have to be accepted.
Aus dem Stand der Technik sind diesem Nachteil entgegenwirkend einige Maßnahmen bekannt, um die Reflexionsverluste zumindest zu verringern.To counteract this disadvantage, some measures are known from the prior art to at least reduce the reflection losses.
Zum einen werden hierfür zusätzlich dielektrischeOn the one hand, there are additional dielectric ones
Interferenzschichten oder Interferenzschichtsysteme auf die Oberflächen aufgebracht, um den reflektierten Lichtanteil zu verringern. Dabei ist festzuhalten, daß diese Möglichkeit nicht in jedem Fall praktikabel ist und insbesondere bei den verschiedenen optisch aktiven Elementen, wie z.B. Prismen oder Fresnellin- sen nicht ohne weiteres eingesetzt werden kann.Interference layers or interference layer systems are applied to the surfaces in order to reduce the reflected light component. It should be noted that this possibility is not practical in every case and in particular with the various optically active elements, such as Prisms or Fresnel lenses cannot be used easily.
Außerdem treten eine Reihe von Beschränkungen auf. Insbesondere bei der Beschichtung von Kunststoffen kann die Haftung der Schicht auf dem Substrat kritisch sein, so daß sich die Schicht bei geringster mechanischer Belastung ablöst. Desweiteren ist die Entspiegelung stark strukturierter Oberflächen wie z.B. Fresnellinsen oder -prismen mit Interferenz - Schichtsystemen beim gegenwärtigen Stand der Technik nur in Spezialfallen möglich. Die entspiegelnde Wir- kung von Interferenzschichtsystemen hängt stark vom Einfallswinkel der Strahlung ab, was bei Anwendungen mit einem breiten Winkelspektrum problematisch ist .There are also a number of restrictions. In particular when coating plastics, the adhesion of the layer to the substrate can be critical, so that the layer peels off with the slightest mechanical stress. Furthermore, the Anti-reflective treatment of strongly structured surfaces such as Fresnel lenses or prisms with interference - layer systems with the current state of the art only possible in special cases. The anti-reflective effect of interference layer systems depends heavily on the angle of incidence of the radiation, which is problematic in applications with a wide range of angles.
Eine andere Möglichkeit, die auf die Erkenntnisse von Fresnel bezüglich der Reflexion und Reflexminderung aufbaut, ist in GB 1 529 021 beschrieben. Dabei werden in transparenten Platten aus Kunststoffmaterialien Ausstülpungen durch Prägen in solche Platten erzeugt, um die Lichtverluste an Bedachungen von Ge- wächshäusern, die normalerweise reflexionsbedingt auftreten, zu verringern.Another possibility that builds on Fresnel's findings regarding reflection and reflection reduction is described in GB 1 529 021. In this case, protrusions are created in transparent panels made of plastic materials by embossing them in such panels in order to reduce the light losses on the roofs of greenhouses, which normally occur due to reflection.
In einer nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung ist darüber hinaus eine Möglichkeit be- schrieben, um eine Entspiegelungsschicht auf einem optisch transparenten Material zu erhalten. Dabei wird eine Trägerschicht auf mindestens einer Oberflächenseite mit einer eine Makrostruktur überlagernden Mikrostrukturierung versehen. Die Makrostrukturierung wirkt ähnlich wie eine Streuscheibe, hat aber denIn a non-prepublished German patent application, a possibility is also described for obtaining an anti-reflective coating on an optically transparent material. In this case, a carrier layer is provided on at least one surface side with a microstructuring superimposed on a macrostructure. The macro structuring looks similar to a diffusing screen, but it does
Nachteil, daß das Kontrastverhältnis verringert wird. Insbesondere dieser Nachteil sollte bei optisch aktiven Elementen vermieden werden, um die gewünschten Abbildungen nicht entsprechend zu verschlechtern. Die der Makrostrukturierung überlagerte Mikrostrukturierung hat wiederum lediglich die Aufgabe der Verminderung der Reflexion an der Oberfläche. Diese Lösung zielt auf die Beseitigung störender Reflexe und weniger auf die Erhöhung der Transmission. Die Makro- Struktur dient der Umwandlung klar erkennbarer in diffuse Reflexe; die MikroStruktur reduziert die diffusen Reflexe, um den Kontrast zu verbessern. Für optisch aktive Elemente stellt ein diffuser Reflex im allgemeinen keine Verbesserung gegenüber einem klaren Reflex dar, weil die Lichtausbeute verringert wird und das Störlicht im optischen System verbleibt (besonders bei Objekten mit vielen brechenden Flächen) und den Kontrast verschlechtert .Disadvantage that the contrast ratio is reduced. This disadvantage in particular should be avoided in optically active elements in order not to correspondingly impair the desired images. The microstructuring superimposed on the macro structuring in turn only has the task of reducing the reflection on the surface. This solution aims to eliminate disturbing reflections and less to increase the transmission. The macro structure is used to convert clearly recognizable to diffuse reflections; the micro structure reduces the diffuse reflections in order to improve the contrast. For optically active elements, a diffuse reflex is generally not an improvement over a clear reflex, because the light yield is reduced and the stray light remains in the optical system (especially in the case of objects with many refractive surfaces) and the contrast deteriorates.
Neben der Verringerung des Kontrastes ist die dort beschriebene Lösung ebenfalls nicht ohne weiteres an optisch aktiven Elementen einsetzbar, da eine vorbereitete Trägerschicht nicht immanenter Bestandteil eines optisch aktiven Elementes ist und demzufolge zwischen Trägerschicht und eigentlichem Substrat des optisch aktiven Elementes eine Grenzfläche mit den bekannten Nachteilen ausgebildet ist . Desweiteren können solche Trägerschichten nicht ohne weiteres auf komplex konturierte optische Elemente aufgebracht werden.In addition to reducing the contrast, the solution described there is also not readily usable on optically active elements, since a prepared carrier layer is not an intrinsic component of an optically active element and, consequently, an interface with the known disadvantages is formed between the carrier layer and the actual substrate of the optically active element is. Furthermore, such carrier layers cannot readily be applied to complexly contoured optical elements.
Außerdem können Haftungsprobleme, die auch bei den Interferenzschichtsystemen zu berücksichtigen sind, insbesondere bei den Kunststoffmaterialien auftreten.In addition, adhesion problems, which must also be taken into account in the interference layer systems, can occur in particular in the plastic materials.
Erläuternd soll weiterhin darauf hingewiesen werden, daß bestimmte optisch aktive Elemente, wie Linsen, Prismen, oder Lentikulare mit geringer Dicke und großer Öffnung nach dem von Fresnel entwickelten Prinzip durch entsprechende Oberflächenstrukturierung herstellbar sind. Bei solchen optischen Elementen ist deren Dicke zumindest über die optisch wirksame Fläche nahezu konstant. Dabei werden Wirkflanken verwendet, die konzentrisch bzw. parallel zueinander ange- ordnet sind und infolge der Ausbildung der Wirkflan- ken entsprechende diese voneinander trennenden Störflanken vorhanden sein müssen, die mehr oder weniger Lichtverluste bedingen. Dabei gibt es bei solchen optischen Elementen solche mit einseitiger Strukturierung und der entsprechenden Gegenseite, die in diesem Fall normalerweise als Planfläche ausgebildet ist. Solche optischen Elemente können aber auch an beiden Seiten entsprechend mit Wirk- und Störflanken strukturiert sein.As an explanation, it should also be pointed out that certain optically active elements, such as lenses, prisms, or lenticulars with a small thickness and large opening, can be produced according to the principle developed by Fresnel by appropriate surface structuring. With such optical elements, their thickness is almost constant, at least over the optically effective area. Here, active flanks are used, which are arranged concentrically or parallel to one another and due to the formation of the active flanks. Corresponding interfering edges separating these from one another must be present, which cause more or less light losses. Such optical elements have one-sided structuring and the corresponding opposite side, which in this case is normally designed as a flat surface. Such optical elements can also be structured on both sides with active and interference edges.
Selbstverständlich treten auch bei solchen optischen Elementen beim Durchgang des Lichtes durch entsprechende optische Grenzflächen Reflexionen auf, die Intensitätsverluste und Kontrastverschlechterung be- dingen und zusätzlich störende, visuell auffällige Reflexe verursachen können.Of course, even with such optical elements, when light passes through corresponding optical interfaces, reflections occur which cause losses in intensity and deterioration in contrast and which can additionally cause disturbing, visually conspicuous reflections.
Insbesondere bei Fresnel-Linsen, die eine kurze Brennweite erreichen, treten die elektromagnetischen Wellen unter großen Winkeln (bis zu 70°) entweder durch die plane Fläche und/oder die vorhandenen Wirkflächen (infolge der Strukturierung) aus. Durch erhöhte Reflexion kann es eine zumindest teilweise Polarisation des Lichtes geben. Außerdem kann der An- teil an reflektiertem Licht an der nächsten Grenzfläche totalreflektiert werden bzw. durch Störflanken austreten. Durch die hohe Komplexität können all diese Möglichkeiten nicht berücksichtigt bzw. vorberechnet werden, so daß es zur Konzentration von Störlicht auf der optischen Achse bzw. auf konzentrischen Ringen (Abbildungsfehler) , bei Fresnellinsen, kommen kann, deren Lage von den Abständen im optischen System abhängig ist .Particularly with Fresnel lenses that achieve a short focal length, the electromagnetic waves emerge at large angles (up to 70 °) either through the flat surface and / or the existing active surfaces (due to the structuring). Due to increased reflection, there can be at least partial polarization of the light. In addition, the proportion of reflected light at the next interface can be totally reflected or can emerge from interference edges. Due to the high level of complexity, all of these possibilities cannot be taken into account or precalculated, so that interference light can concentrate on the optical axis or on concentric rings (aberrations) in Fresnel lenses, the position of which depends on the distances in the optical system is.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, optisch aktive Elemente zur Verfügung zu stellen, die an ihren Grenzflächen zum umgebenden Medium eine zumindest verringerte Reflexion aufweisen.It is therefore an object of the invention to be optically active To provide elements that have at least a reduced reflection at their interfaces with the surrounding medium.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Mögliche Verfahren zur Herstellung solcher optisch aktiven Elemente sind mit den Merkmalen der Patentansprüche 7, 8 und 9 beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Wei- terbildungen der Erfindung ergeben sich bei Verwendung der in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmale .According to the invention, this object is achieved with the features of patent claim 1. Possible methods for producing such optically active elements are described with the features of claims 7, 8 and 9. Advantageous refinements and developments of the invention result from the use of the features mentioned in the subordinate claims.
Das erfindungsgemäße optisch aktive Element aus einem für elektromagnetische Wellen im sichtbaren und nicht sichtbaren Wellenlängenbereich transparenten Kunst - stoffmaterial ist dabei so gestaltet, daß zumindest die Oberflächenbereiche, an denen die unerwünschten Reflexionen vermieden werden sollen, unmittelbar auf der Oberfläche eine flächenhafte Mikrostrukturierung aufweisen, bei der die Abstände der einzelnen Strukturelemente jeweils kleiner als die kleinste Wellenlänge der mit dem Element zu beeinflussenden elektromagnetischen Wellen sind.The optically active element according to the invention, made of a plastic material that is transparent to electromagnetic waves in the visible and invisible wavelength range, is designed in such a way that at least the surface areas on which the undesired reflections are to be avoided have a planar microstructuring directly on the surface, in which the distances between the individual structural elements are each smaller than the smallest wavelength of the electromagnetic waves to be influenced by the element.
Mit einer solchen Ausbildung einer Mikrostrukturierung können die unerwünschten Reflexionen zumindest stark verringert werden, da ein nahezu kontinuierlicher Brechzahlübergang zwischen der Umgebung, in der Regel Luft, und der eigentlichen Oberfläche des optisch aktiven Elementes zu verzeichnen ist, da der Anteil an z.B. Luft innerhalb der Mikrostrukturierung in Richtung auf das optisch aktive Element kontinuierlich abnimmt . Dies wird durch die Gestaltung der Mikrostrukturierung begünstigt bzw. erreicht, in dem das freie Volumen, das mit dem Umgebungsmedium (Luft oder ein anderes Gas) ausgefüllt ist, innerhalb der Mikrostrukturierung mit wachsender Tiefe kontinuierlich abnimmt.With such a formation of a microstructuring, the undesired reflections can at least be greatly reduced, since an almost continuous transition of the refractive index between the environment, usually air, and the actual surface of the optically active element can be recorded, since the proportion of, for example, air within the microstructuring decreases continuously towards the optically active element. This is favored or achieved by the design of the microstructuring in which the free volume filled with the surrounding medium (air or another gas) decreases continuously with increasing depth within the microstructuring.
Die Mikrostrukturierung kann dabei einmal periodisch ausgebildet sein und zum anderen können die einzelnen Strukturelemente einer solchen Mikrostrukturierung auch stochastisch verteilt auf den entsprechenden Oberflächenbereichen ausgebildet sein. Auch die Form der Strukturelemente kann stochastisch sein, z.B. Pyramiden mit einer Größenverteilung.The microstructuring can be designed periodically and, on the other hand, the individual structural elements of such a microstructuring can also be stochastically distributed on the corresponding surface areas. The shape of the structural elements can also be stochastic, e.g. Pyramids with a size distribution.
Dabei sollten bei linien- oder gitterförmigen peri- odischen Strukturen die Perioden zwischen den Strukturelementen und bei stochastischen Strukturen die einzelnen Strukturelemente und Abstände zwischen diesen, jeweils kleiner als die kürzeste Wellenlänge, der mit dem optischen Element zu beeinflussenden elektromagnetischen Strahlung sein.In the case of linear or lattice-shaped periodic structures, the periods between the structural elements and, in the case of stochastic structures, the individual structural elements and the distances between them should in each case be smaller than the shortest wavelength of the electromagnetic radiation to be influenced by the optical element.
Es können aber auch Mischformen von periodischer Ausbildung und stochastischer Anordnung Verwendung finden, wenn das Abstandserfordernis für die Struktur- elemente zumindest überwiegend erfüllt ist.However, mixed forms of periodic training and stochastic arrangement can also be used if the spacing requirement for the structural elements is at least predominantly fulfilled.
Die Mikrostrukturierung sollte vorteilhaft auf der Oberfläche der optisch aktiven Elemente mit einer Tiefe bis zu maximal 1,5 μm, bevorzugt bis zu 1 μm ausgebildet sein, wenn z.B. im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes gearbeitet werden soll. Für Infrarotlicht kann die Struktur auch einige μm breit und tief sein.The microstructuring should advantageously be formed on the surface of the optically active elements with a depth of up to a maximum of 1.5 μm, preferably up to 1 μm, if e.g. to work in the wavelength range of visible light. For infrared light, the structure can also be a few μm wide and deep.
Erfindungsgemäß können optisch aktive Elemente: Prismen, Lentikulare, Strahlteiler, konkav- oder konvexgeformte Linsen, Zylinderlinsen, Fresnel -Spiegel , wenn als Rückseitenspiegel verwendet, oder Fresnel - linsen sein. Dabei können solche Linsen, wie dies bei Fresnellinsen generell der Fall ist, auch mit anderen Strukturierungen versehen sein, der die erfindungs- gemäß zu verwendende Mikrostrukturierung überlagert wird.According to the invention, optically active elements can: Prisms, lenticulars, beam splitters, concave or convex-shaped lenses, cylindrical lenses, Fresnel mirrors, if used as rear-view mirrors, or Fresnel lenses. In this case, such lenses, as is generally the case with Fresnel lenses, can also be provided with other structures which are superimposed on the microstructuring to be used according to the invention.
Dabei ist es sicher günstig, nicht nur die entsprechenden Wirkflanken, sondern auch die Störflanken solcher optisch aktiven Elemente erfindungsgemäß zu modifizieren.It is certainly favorable to modify not only the corresponding active edges, but also the interference edges of such optically active elements according to the invention.
Einflußgrößen für die spektrale Bandbreite der refle- xionsmindernden Wirkung, sind im kurzwelligen Bereich wiederum die Abstände zwischen den einzelnen Strukturelementen bzw. die Breite der jeweiligen Periode und diese wird im langwelligen Bereich durch die Tie- fe der Mikrostrukturierung begrenzt, das bedeutet, daß man für größere Wellenlängen tiefer prägen muß.Influencing factors for the spectral bandwidth of the reflection-reducing effect are, in the short-wave range, the distances between the individual structural elements or the width of the respective period, and this is limited in the long-wave range by the depth of the microstructuring, which means that for must emboss larger wavelengths deeper.
Ist die Strukturgröße im Vergleich zur Wellenlänge, für die das Bauelement eingesetzt wird, zu groß, tritt Beugung auf.Diffraction occurs if the structure size is too large compared to the wavelength for which the component is used.
Die Mikrostrukturierung kann auf Oberflächen des jeweiligen optisch aktiven Elementes ausgebildet sein, in die das Licht ein- bzw. austritt, wobei in jedem Fall die reflexionsmindernde Wirkung auftritt.The microstructuring can be formed on surfaces of the respective optically active element into which the light enters or exits, the reflection-reducing effect occurring in each case.
Mögliche Kunststoffmaterialien für die Herstellung der erfindungsgemäßen optisch aktiven Elemente sind Polymethylmethacrylate, Polycarbonate sowie andere geeignete Polymere, die kostengünstig herstell- und verarbeitbar sind. Dabei kann die Herstellung der erfindungsgemäßen optisch aktiven Elemente in der Form erfolgen, daß die Mikrostrukturierung bereits während des eigentlichen Herstellungsverfahrens sol- eher Elemente durch Spritzgießen oder Heißprägen ausgebildet wird. Hierfür können Werkzeuge verwendet werden, an deren Oberfläche ein Negativabbild der unmittelbar auf der Oberfläche des optisch aktiven Elementes auszubildenden Mikrostrukturierung ausge- bildet ist. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, daß keine zusätzlichen Verfahrensschritte für die Herstellung solcher optisch aktiven Elemente erforderlich sind, die bei anderen noch zu beschreibenden Verfahren, mit denen solche Elemente herstellbar sind, er- forderlich sind. Beim Herstellen der erfindungsgemäßen Elemente durch Spritzgießen mit unmittelbarer und gleichzeitiger Ausbildung der Mikrostrukturierung in bestimmten Oberflächenbereichen ist es auch günstig, die Werkzeuge zusätzlich zu beheizen, um Spannungen im Kunststoffmaterial zu vermeiden und es dem eingespritzten Kunststoffmaterial durch ausreichende Fließfähigkeit zu ermöglichen, die erfindungsgemäß gewünschte Mikrostrukturierung auszubilden.Possible plastic materials for the production of the optically active elements according to the invention are polymethyl methacrylates, polycarbonates and other suitable polymers which are inexpensive to produce and are processable. The optically active elements according to the invention can be produced in such a way that the microstructuring, during the actual production process, is such that elements are formed by injection molding or hot stamping. Tools can be used for this purpose, on the surface of which a negative image of the microstructuring to be formed directly on the surface of the optically active element is formed. This procedure has the advantage that no additional process steps are required for the production of those optically active elements which are necessary in other processes to be described, with which such elements can be produced. When producing the elements according to the invention by injection molding with immediate and simultaneous formation of the microstructuring in certain surface areas, it is also advantageous to additionally heat the tools in order to avoid stresses in the plastic material and to allow the injected plastic material to develop the microstructuring desired according to the invention by sufficient flowability .
Dabei sollte das Temperaturverhalten des verwendetenThe temperature behavior of the used
Kunststoffes berücksichtigt werden, da zumindest die mit der Mikrostrukturierung zu versehenden Oberflächenbereiche ausreichend erweicht sein müssen.Plastic are taken into account, since at least the surface areas to be provided with the microstructuring must be sufficiently softened.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der erfindungsgemäßen optisch aktiven Elemente besteht darin, die Mikrostrukturierung mittels eines Lasers auf der Oberfläche eines solchen Elementes auszubilden. Hierfür sind insbesondere Eximerlaser und in begrenzter Form auch NdYAG-Laser geeignet. Der Laserstrahl eines solchen Lasers wird hierbei bevorzugt in zwei Ebenen abgelenkt über die Oberfläche, die mit der Mikrostrukturierung versehen werden soll, geführt, wobei zusätzlich eine Beeinflussung der Fokussierung des Laserstrahls erforderlich sein kann, wenn eine nicht ebene Fläche mikrostrukturiert werden soll. Dabei kann der Laserstrahl durch eine die Mikrostrukturierung vorgebende und entsprechend ausgebildete Maske auf die Oberfläche gerichtet werden, um die erforder- liehen Abstände der einzelnen Strukturelemente zu sichern.A further possibility for producing the optically active elements according to the invention is to form the microstructuring by means of a laser on the surface of such an element. Eximer lasers and, to a limited extent, NdYAG lasers are particularly suitable for this. The laser beam one Such a laser is preferably deflected in two planes over the surface to be provided with the microstructuring, it also being possible to influence the focusing of the laser beam if a non-flat surface is to be microstructured. The laser beam can be directed onto the surface through a mask which specifies the microstructuring and is designed accordingly in order to ensure the required spacing of the individual structural elements.
Die Laserstrahlbehandlung wirkt sich insbesondere bei kleinen Stückzahlen kostengünstiger aus, als dies bei dem anderen erwähnten Herstellungsverfahren der Fall ist .The laser beam treatment has a more cost-effective effect, in particular in the case of small quantities, than is the case with the other production method mentioned.
Da die erfindungsgemäßen optisch aktiven Elemente keinen Materialverbund darstellen, sondern aus einem einzigen homogenen Kunststoffmaterial bestehen, treten die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile nicht auf, so daß ein Langzeiteinsatz auch bei stark schwankenden Temperaturen ohne weiteres möglich ist . Zusätzlich verfügen diese Elemente über eine ausrei- chende mechanische Festigkeit, verringern Falschlichtanteile und verbessern Kontrast sowie Lichtausbeute .Since the optically active elements according to the invention do not represent a composite material, but rather consist of a single homogeneous plastic material, the disadvantages known from the prior art do not occur, so that long-term use is readily possible even at strongly fluctuating temperatures. In addition, these elements have sufficient mechanical strength, reduce the amount of false light and improve contrast and light efficiency.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie- ben werden.The invention will be described below by way of example.
Als ein optisch aktives Element wird eine Fresnellin- se aus einem PMMA mit dem Brechungsindex n = 1,496 (bei 500 nm) durch Heißprägen mit einem Fresnel -Prä- gestempel und einer Gegenplatte hergestellt. Es han- 10 delt sich dabei um eine Fresnellinse, die auf einer Seite die bekannte Struktur aus Wirk- und Störflanken aufweist, während die andere Seite planar ist. Auf der Gegenplatte, die die Form der planaren Oberfläche der Fresnellinse vorgibt, ist das negative Abbild der gewünschten Mikrostrukturierung ausgebildet.As an optically active element, a Fresnel lens is manufactured from a PMMA with the refractive index n = 1.496 (at 500 nm) by hot stamping with a Fresnel stamp and a counter plate. There 10 is a Fresnel lens which has the known structure of active and interference edges on one side, while the other side is planar. The negative image of the desired microstructuring is formed on the counterplate, which specifies the shape of the planar surface of the Fresnel lens.
Das PMMA wird in Form von Granulat, Pulver oder einem plattenförmigen Halbzeug auf den in der Prägevorrich- tung untenliegenden Fresnel-Prägestempel aufgebracht und durch Heizung des Fresnel -Prägestempels sowie der Gegenplatte bis über die Erweichungstemperatur 108 °C, typischerweise auf etwa 180°C, erwärmt. Durch definiertes Absenken der Gegenplatte mit einem Enddruck von etwa 10 MPa werden in den fließfähigen Kunststoff gleichzeitig die Fresnelstruktur auf der einen Seite und die entspiegelnde MikroStruktur auf der anderen Seite eingeprägt . Nach einer Abkühlungsphase wird die Fresnellinse bei einer Temperatur unterhalb 98 °C, der Grenztemperatur für die Formbeständigkeit des PMMA, entformt .The PMMA is applied in the form of granules, powder or a plate-shaped semifinished product to the Fresnel embossing die located in the embossing device and by heating the Fresnel embossing die and the counterplate up to the softening temperature of 108 ° C., typically to about 180 ° C. warmed up. By defined lowering of the counter plate with a final pressure of approximately 10 MPa, the Fresnel structure on one side and the anti-reflective micro structure on the other side are simultaneously embossed into the flowable plastic. After a cooling phase, the Fresnel lens is removed from the mold at a temperature below 98 ° C, the limit temperature for the dimensional stability of the PMMA.
Die planare Seite der so hergestellten Fresnellinse zeichnet sich gegenüber einer planaren Fläche ohne MikroStruktur durch eine verminderte Reflexion aus. Bei senkrechtem Lichteinfall werden durch die Fläche mit MikroStruktur nur etwa 1,5 % des einfallenden Lichtes im sichtbaren Wellenlängenbereich reflektiert, während eine gewöhnliche planare Fläche etwa 4 % des einfallenden Lichtes reflektiert. Dadurch wird die Lichtausbeute in optischen Systemen verbessert und die Ausbildung störender Reflexionen wirksam unterdrückt . The planar side of the Fresnel lens produced in this way is characterized by a reduced reflection compared to a planar surface without a microstructure. In the case of perpendicular light incidence, the surface with the microstructure reflects only about 1.5% of the incident light in the visible wavelength range, while an ordinary planar surface reflects about 4% of the incident light. This improves the light output in optical systems and effectively suppresses the formation of disturbing reflections.

Claims

11Patentansprüche 11 Patent claims
1. Optisch aktives Element aus einem für elektro- magnetische Wellen transparenten Kunststoffmaterial, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß unmittelbar auf der Oberfläche des Elementes zumindest teilweise eine Mikrostrukturierung flächenhaft ausgebildet ist, bei der die Breiten und Abstände der einzelnen Strukturelemente kleiner als die kleinste Wellenlänge der mit dem Element zu beeinflussenden elektromagnetischen Wellen sind.1. Optically active element made of a transparent plastic material for electromagnetic waves, characterized in that a microstructuring is at least partially formed directly on the surface of the element, in which the widths and distances of the individual structural elements are smaller than the smallest wavelength of the element electromagnetic waves to be influenced.
Optisch aktives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß freie Volumen innerhalb der Mikrostrukturierung mit wachsender Tiefe kontinuierlich abnimmt.Optically active element according to Claim 1, characterized in that the free volume within the microstructuring decreases continuously with increasing depth.
3. Optisch aktives Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Strukturelemente der Mikrostrukturierung periodisch auf der Oberfläche ausgebildet sind und die Länge der Periode kleiner als die kleinste Wellenlänge der mit dem3. Optically active element according to claim 1 or 2, characterized in that structural elements of the microstructuring are periodically formed on the surface and the length of the period is less than the smallest wavelength with the
Element zu beeinflussenden elektromagnetischen Wellen ist.Element to be influenced electromagnetic waves.
4. Optisch aktives Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrukturierung auf Oberflächen des Elementes ausgebildet ist/sind, in die die elektromagnetischen Wellen eingestrahlt werden und/oder austreten. 124. Optically active element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the microstructuring is / are formed on surfaces of the element into which the electromagnetic waves are radiated and / or emerge. 12
5. Optisch aktives Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Tiefe und Periode der MikroStruktur (Aspektver- hältnis) nicht größer als 2:1 ist.5. Optically active element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ratio of depth and period of the micro structure (aspect ratio) is not greater than 2: 1.
6. Optisch aktives Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Tiefe und mittlerer Breite der Strukturelemente der MikroStruktur nicht größer als 2:1 ist.6. Optically active element according to claim 4, characterized in that the ratio of depth and average width of the structural elements of the micro structure is not greater than 2: 1.
7. Optisch aktives Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein Prisma, eine konkav- oder konvexgeformte7. Optically active element according to one of claims 1 to 6, characterized in that the optical element is a prism, a concave or convex shaped
Linse, eine Zylinderlinse, ein Lentikular, eine Fresnellinse, ein Fresnelprisma, eine Fresnel - Zylinderlinse, ein Fresnelspiegel, der als Rückseitenspiegel verwendet wird, oder ein Strahl - leiter ist.Lens, a cylindrical lens, a lenticular, a Fresnel lens, a Fresnel prism, a Fresnel cylindrical lens, a Fresnel mirror that is used as a rear-view mirror, or a beam guide.
8. Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das optisch aktive Element mittels Spritzgießen in einem Werkzeug hergestellt wird, an dessen Oberfläche ein Negativabbild der Mikrostrukturierung ausgebildet ist.8. A method for producing an optical element according to one of claims 1 to 7, that the optical element is produced by injection molding in a tool, on the surface of which a negative image of the microstructuring is formed.
9. Verfahren zur Herstellung eines optisch aktiven Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch aktive Element durch Heißprägen des bis über die Erweichungstemperatur erwärmten Kunststoffes mittels eines das negative Abbild der Mikrostrukturie- 13 rung aufweisenden Prägestempels hergestellt wird.9. A method for producing an optically active element according to one of claims 1 to 7, characterized in that the optically active element by hot stamping of the plastic heated up to above the softening temperature by means of a negative image of the microstructure. 13 embossing stamp is produced.
10. Verfahren zur Herstellung eines optisch aktiven Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrukturierung mit einem Laser durch Ablation auf der Oberfläche des Elementes ausgebildet wird. 10. A method for producing an optically active element according to one of claims 1 to 7, characterized in that the microstructuring is formed with a laser by ablation on the surface of the element.
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