DE19813690A1 - Optisch aktives Element und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft optisch aktive Elemente aus einem für elektromagnetische Wellen transparenten Kunststoffmaterial sowie Verfahren zu deren Herstellung, wobei solche optischen Elemente an ihren Grenzflächen zum umgebenden Medium eine zumindest verringerte Reflexion aufweisen sollen. Zur Lösung dieses Problems soll unmittelbar auf der Oberfläche solcher Elemente zumindest teilweise eine Mikrostrukturierung flächenhaft ausgebildet werden und dabei die Breiten und Abstände der einzelnen Strukturelemente kleiner als die kleinste Wellenlänge der mit dem Element zu beeinflussenden elektromagnetischen Wellen sein.

Description

Die Erfindung betrifft optisch aktive Elemente aus einem für elektromagnetische Wellen transparenten Kunststoffmaterial sowie Verfahren zu deren Herstel­ lung.

Bei optisch aktiven Elementen aus transparenten Mate­ rialien für elektromagnetische Wellen, im sichtbaren und nicht sichtbaren Wellenlängenbereich treten Pro­ bleme an den Grenzflächen dadurch auf, daß das ein­ fallende Licht teilweise reflektiert und demzufolge entsprechende Lichtverluste in Kauf genommen werden müssen.

Aus dem Stand der Technik sind diesem Nachteil ent­ gegenwirkend einige Maßnahmen bekannt, um die Reflex­ ionsverluste zumindest zu verringern.

Zum einen werden hierfür zusätzlich dielektrische Interferenz schichten 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.

Außerdem treten eine Reihe von Beschränkungen auf. Insbesondere bei der Beschichtung von Kunststoffen kann die Haftung der Schicht auf dem Substrat kri­ tisch 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 Spezialfällen möglich. Die entspiegelnde Wir­ kung von Interferenzschichtsystemen hängt stark vom Einfallswinkel der Strahlung ab, was bei Anwendungen mit einem breiten Winkelspektrum problematisch ist.

Eine andere Möglichkeit, die auf die Erkenntnisse von Fresnel bezüglich der Reflexion und Reflexminderung aufbaut, ist in GB 1 529 021 beschrieben. Dabei wer­ den in transparenten Platten aus Kunststoffmateria­ lien Ausstülpungen durch Prägen in solche Platten erzeugt, um die Lichtverluste an Bedachungen von Ge­ wächshäusern, die normalerweise reflexionsbedingt auftreten, zu verringern.

In einer nicht vorveröffentlichten deutschen Patent­ anmeldung ist darüber hinaus eine Möglichkeit be­ schrieben, um eine Entspiegelungsschicht auf einem optisch transparenten Material zu erhalten. Dabei wird eine Trägerschicht auf mindestens einer Oberflä­ chenseite mit einer eine Makrostruktur überlagernden Mikrostrukturierung versehen. Die Makrostrukturierung wirkt ähnlich wie eine Streuscheibe, hat aber den Nachteil, daß das Kontrastverhältnis verringert wird.

Insbesondere dieser Nachteil sollte bei optisch akti­ ven Elementen vermieden werden, um die gewünschten Abbildungen nicht entsprechend zu verschlechtern. Die der Makrostrukturierung überlagerte Mikrostrukturie­ rung hat wiederum lediglich die Aufgabe der Vermin­ derung der Reflexion an der Oberfläche. Diese Lösung zielt auf die Beseitigung störender Reflexe und weni­ ger auf die Erhöhung der Transmission. Die Makro­ struktur dient der Umwandlung klar erkennbarer in diffuse Reflexe; die Mikrostruktur reduziert die dif­ fusen 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 (be­ sonders bei Objekten mit vielen brechenden Flächen) und den Kontrast verschlechtert.

Neben der Verringerung des Kontrastes ist die dort beschriebene Lösung ebenfalls nicht ohne weiteres an optisch aktiven Elementen einsetzbar, da eine vorbe­ reitete 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.

Außerdem können Haftungsprobleme, die auch bei den Interferenzschichtsystemen zu berücksichtigen sind, insbesondere bei den Kunststoffmaterialien auftreten.

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 her­ stellbar sind. Bei solchen optischen Elementen ist deren Dicke zumindest über die optisch wirksame Flä­ che nahezu konstant. Dabei werden Wirkflanken verwen­ det, die konzentrisch bzw. parallel zueinander ange­ ordnet sind und infolge der Ausbildung der Wirkflan­ ken entsprechende diese voneinander trennenden Stör­ flanken vorhanden sein müssen, die mehr oder weniger Lichtverluste bedingen. Dabei gibt es bei solchen optischen Elementen solche mit einseitiger Struktu­ rierung 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.

Selbstverständlich treten auch bei solchen optischen Elementen beim Durchgang des Lichtes durch entspre­ chende optische Grenzflächen Reflexionen auf, die Intensitätsverluste und Kontrastverschlechterung be­ dingen und zusätzlich störende, visuell auffällige Reflexe verursachen können.

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 Wirk­ flächen (infolge der Strukturierung) aus. Durch er­ höhte Reflexion kann es eine zumindest teilweise Po­ larisation des Lichtes geben. Außerdem kann der An­ teil an reflektiertem Licht an der nächsten Grenzflä­ che totalreflektiert werden bzw. durch Störflanken austreten. Durch die hohe Komplexität können all die­ se Möglichkeiten nicht berücksichtigt bzw. vorberech­ net werden, so daß es zur Konzentration von Störlicht auf der optischen Achse bzw. auf konzentrischen Rin­ gen (Abbildungsfehler), bei Fresnellinsen, kommen kann, deren Lage von den Abständen im optischen Sy­ stem abhängig ist.

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.

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 be­ schrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Wei­ terbildungen der Erfindung ergeben sich bei Verwen­ dung der in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmale.

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 Struk­ turelemente jeweils kleiner als die kleinste Wellen­ länge der mit dem Element zu beeinflussenden elektro­ magnetischen Wellen sind.

Mit einer solchen Ausbildung einer Mikrostrukturie­ rung können die unerwünschten Reflexionen zumindest stark verringert werden, da ein nahezu kontinuierli­ cher Brechzahlübergang zwischen der Umgebung, in der Regel Luft, und der eigentlichen Oberfläche des op­ tisch aktiven Elementes zu verzeichnen ist, da der Anteil an z. B. Luft innerhalb der Mikrostrukturierung in Richtung auf das optisch aktive Element kontinu­ ierlich 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 kontinuier­ lich abnimmt.

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.

Dabei sollten bei linien- oder gitterförmigen peri­ odischen Strukturen die Perioden zwischen den Struk­ turelementen und bei stochastischen Strukturen die einzelnen Strukturelemente und Abstände zwischen die­ sen, jeweils kleiner als die kürzeste Wellenlänge, der mit dem optischen Element zu beeinflussenden elektromagnetischen Strahlung sein.

Es können aber auch Mischformen von periodischer Aus­ bildung und stochastischer Anordnung Verwendung fin­ den, wenn das Abstandserfordernis für die Struktur­ elemente zumindest überwiegend erfüllt ist.

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.

Erfindungsgemäß können optisch aktive Elemente:
Prismen, Lentikulare, Strahlteiler, konkav- oder kon­ vexgeformte 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.

Dabei ist es sicher günstig, nicht nur die entspre­ chenden Wirkflanken, sondern auch die Störflanken solcher optisch aktiven Elemente erfindungsgemäß zu modifizieren.

Einflußgrößen für die spektrale Bandbreite der refle­ xionsmindernden Wirkung, sind im kurzwelligen Bereich wiederum die Abstände zwischen den einzelnen Struk­ turelementen 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.

Ist die Strukturgröße im Vergleich zur Wellenlänge, für die das Bauelement eingesetzt wird, zu groß, tritt Beugung auf.

Die Mikrostrukturierung kann auf Oberflächen des je­ weiligen optisch aktiven Elementes ausgebildet sein, in die das Licht ein- bzw. austritt, wobei in jedem Fall die reflexionsmindernde Wirkung auftritt.

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 cher Elemente durch Spritzgießen oder Heißprägen aus­ gebildet 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 kei­ ne zusätzlichen Verfahrensschritte für die Herstel­ lung solcher optisch aktiven Elemente erforderlich sind, die bei anderen noch zu beschreibenden Verfah­ ren, 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 einge­ spritzten Kunststoffmaterial durch ausreichende Fließfähigkeit zu ermöglichen, die erfindungsgemäß gewünschte Mikrostrukturierung auszubilden.

Die mit der Mikrostrukturierung zu versehenden Oberflä­ chenbereiche müssen ausreichend erweicht sein.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der erfin­ dungsgemäßen optisch aktiven Elemente besteht darin, die Mikrostrukturierung mittels eines Lasers auf der Oberfläche eines solchen Elementes auszubilden. Hier­ für 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 Mikro­ strukturierung 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 Mikrostrukturie­ rung vorgebende und entsprechend ausgebildete Maske auf die Oberfläche gerichtet werden, um die erforder­ lichen Abstände der einzelnen Strukturelemente zu si­ chern.

Die Laserstrahlbehandlung wirkt sich insbesondere bei kleinen Stückzahlen kostengünstiger aus, als dies bei dem anderen erwähnten Herstellungsverfahren der Fall ist.

Da die erfindungsgemäßen optisch aktiven Elemente keinen Materialverbund darstellen, sondern aus einem einzigen homogenen Kunststoffmaterial bestehen, tre­ ten 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 Falsch­ lichtanteile und verbessern Kontrast sowie Lichtaus­ beute.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie­ ben werden.

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 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.

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 defi­ niertes 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.

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 reflek­ tiert, während eine gewöhnliche planare Fläche etwa 4% des einfallenden Lichtes reflektiert. Dadurch wird die Lichtausbeute in optischen Systemen verbes­ sert und die Ausbildung störender Reflexionen wirksam unterdrückt.

Claims (10)

1. Optisch aktives Element aus einem für elektro­ magnetische Wellen transparenten Kunststoffmate­ rial, dadurch gekennzeichnet, 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.

2. Optisch aktives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß freie Volumen inner­ halb der Mikrostrukturierung mit wachsender Tie­ fe kontinuierlich abnimmt.

3. Optisch aktives Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Strukturelemente der Mikrostrukturierung periodisch auf der Oberflä­ che ausgebildet sind und die Länge der Periode kleiner als die kleinste Wellenlänge der mit dem Element zu beeinflussenden elektromagnetischen Wellen ist.

4. Optisch aktives Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrukturie­ rung auf Oberflächen des Elementes ausgebildet ist/sind, in die die elektromagnetischen Wellen eingestrahlt werden und/oder austreten.

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.

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.

7. Optisch aktives Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein Prisma, eine konkav- oder konvexgeformte Linse, eine Zylinderlinse, ein Lentikular, eine Fresnellinse, ein Fresnelprisma, eine Fresnel- Zylinderlinse, ein Fresnelspiegel, der als Rück­ seitenspiegel verwendet wird, oder ein Strahl­ leiter ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines optischen Ele­ mentes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch aktive Element mittels Spritz­ gießen in einem Werkzeug hergestellt wird, an dessen Oberfläche ein Negativabbild der Mikro­ strukturierung ausgebildet ist.

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 Erwei­ chungstemperatur erwärmten Kunststoffes mittels eines das negative Abbild der Mikrostrukturie­ rung aufweisenden Prägestempels hergestellt wird.

10. Verfahren zur Herstellung eines optisch aktiven Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrukturie­ rung mit einem Laser durch Ablation auf der Oberfläche des Elementes ausgebildet wird.