DE10065646A1 - Polarisator mit einer von der Glasoberfläche tiefenabhängigen unterschiedlichen dichroitschen Absorption und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Polarisator mit einer von der Glasoberfläche tiefenabhängigen unterschiedlichen dichroitschen Absorption und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Polarisator mit lateral variierenden bzw. alternierenden dichroitischen Eigenschaften. Dieser Polarisator weist lateral unterschiedliche Richtungen der Polarisationswirkung und/oder verschiedene Farbwirkungen auf. DOLLAR A Als Ausgangsmaterial wird Standard-Floatglas verwendet. Durch an sich bekannte Prozesse von Ionenaustausch und Tempern und anschließende Deformation wird eine dünne dichroitische Glasschicht (2) gebildet. Erfindungsgemäß werden durch geeignete Wahl der Parameter bei den Prozessen Ionenaustausch und Tempern unterschiedliche Kolloidgrößen in verschiedenen Tiefen der dichroitischen Glasschicht (2) erzeugt. Bei der Deformation des Glases (1) entstehen tiefenabhängige Bereiche mit unterschiedlichem dichroitischem Verhalten. Unter Verwendung von Maskierungs- und Ätztechniken werden bezogen auf die Tiefe in der dichroitischen Schicht (2) in begrenzten Bereichen Strukturveränderungen durch Abätzen vorgenommen. DOLLAR A Durch Verwendung von Standard-Floatglas und der verfügbaren Technik ist eine wirtschaftliche Herstellung der multifunktionalen Polarisation gegeben.
Description
Die Erfindung betrifft einen Polarisator mit lateral variierenden bzw. alternierenden dichroitischen
Eigenschallen. Dieser Polarisator weist lateral unterschiedliche Richtungen der Polarisationswirkung und/oder
verschiedene Farbwirkungen auf. Als Trägermaterial werden hauptsächlich alkalische Gläser verwendet.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines multifunktionalen Polarisators, wobei auf
den Polarisator, der durch nichtsphärische, einheitlich orientierte Fremdphasen im Glas erzeugt wird, durch
weitere Verfahrensschritte mit Hilfe der Ätztechnik und/oder mit Hilfe der strukturierten Energieübertragung
bzw. von Laserstrahlen eingewirkt wird.
Die Mehrzahl der heutzutage eingesetzten optischen Polarisatoren verwendet die dichroitische Absorption zur
Erzeugung eines Polarisationseffektes. Dabei wird ausgenutzt, daß bestimmte Moleküle oder Kristalle eine von
der Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors abhängige Absorption zeigen. Bei genügender
Schichtdicke und isotroper Orientierung der Moleküle oder Kristalle tritt nach der Einstrahlung von Licht nur
noch eine linear polarisierte Komponente aus dem Polarisator aus.
Die größte Gruppe, weil sehr preiswert herstellbar, stellen dabei mechanisch gedehnte Kunststoffolien
(Polyvinyl-Alkohole - PVA) dar, die mit dichroitischen Farbstoffen gefärbt sind. Die Dehnung bewirkt eine
Ausrichtung in einer Vorzugsrichtung und damit eine orientierte Absorption der Farbstoffmoleküle. Trotz
vielfältiger Fortschritte bei der Herstellung dieser Folien, was sich auch in einer entsprechend großen Zahl von
Patenten wiederspiegelt, konnten die prinzipiellen Nachteile - chemische Unbeständigkeit, Empfindlichkeit
gegen ultraviolette Strahlung und Feuchtigkeit, geringe mechanische Beständigkeit - nicht beseitigt werden. Im
ultravioletten Spektralbereich sind diese Folien in der Regel nicht einsetzbar.
In US 5,37,285 - "Methods For manufactoring micropolarizers" wird ein Verfahren zur Herstellung von
Mikropolarisatoren auf der Grundlage von Kunststoffolien (PVA) vorgestellt. Dazu werden in kommerziell
verfügbaren Kunststoffolien durch Verwendung von Masken und anschließende chemische Behandlung Bereiche
erzeugt, die keine Polarisationswirkung aufweisen. Zwei derartig behandelte Folien werden anschließend
gekreuzt zueinander positioniert und laminiert. Die Verbundfolie weist in lateralen Bereichen < 10 µm unter
schiedliche Polarisationswirkungen auf.
Diese Folien weisen die o. g. prinzipiellen Nachteile von Polarisatoren auf der Basis von Kunststoffolien auf.
Bereiche mit unterschiedlichen Farbwirkungen sind nicht bzw. nur unter Verwendung weiterer Komponenten
(Farbfilter) realisierbar.
Um diese Nachteile auszugleichen, werden dichroitische Kristalle, insbesondere nichtsphärische Metallpartikel,
eingesetzt. Speziell nichtsphärische Silberpartikel in den Größen 5 nm-50 nm zeigen auf Grund ihrer speziellen
Elektronenstruktur im Bereich 350 nm-1000 nm das gewünschte dichroitische Absorptionsverhalten.
Die US 3.653.863. "Method of forming photochromic polarizing glasses" beschreibt die Herstellung
hochpolarisierender Gläser auf der Basis phasenseparierter oder photochromer (silberhalogenidhaltiger) Gläser,
die getempert werden müssen um Silberhalogenidpartikel der gewünschten Größe zu erzeugen. Anschließend
folgen zwei weitere Schritte: Zuerst wird das Glas bei Temperaturen zwischen oberem Kühlpunkt und
Glasübergangstemperatur (500°C bis 600°C) verstreckt, extrudiert oder gewalzt, um den Sil
berhalogenidpartikeln eine ellipsoidförmige Gestalt zu geben und um sie zu orientieren. Wird das Glas einer
Strahlung (UV-Strahlung) ausgesetzt, scheidet sich Silbermetall auf der Oberfläche der Silberpartikel ab. Diese
Gläser können somit durch Bestrahlung zwischen klar unpolarisiert und eingedunkelt-polarisierend geschaltet
werden.
Aus WO 98/14409 ist ein Polarisator bekannt, bei dem in ein Glas metallische Partikel eingebaut sind, die eine
breite Größenverteilung aufweisen. Zur Herstellung dieses Polarisators werden in dem Glas zunächst Präzipitate
unterschiedlicher Größe einer entsprechenden Metallverbindung erzeugt. Anschließend wird das Glas mit den
Ausscheidungen einem Streckvorgang in einer Richtung unterworfen. Bei diesem Streckvorgang erhalten die
Präzipitate zwangsläufig eine längliche, rotationsellipsoidförmige Gestalt; zudem werden sie dabei zwangsläufig
parallel zueinander ausgerichtet. Bei einem abschließenden Temperschritt werden die ausgeschiedenen
Metallverbindungen reduziert, so daß in der Oberfläche des Glases schließlich rotationsellipsoidförmige
metallische Partikel vorliegen. Diese weisen je nach Größe des ursprünglichen Präzipitats hinsichtlich ihrer Form
unterschiedliche Verformungen auf.
In WO 98/47832 - "Method of making glass having polarizing and non-polarizing regions" wird ein Verfahren
zur Erzeugung von Gläsern vorgeschlagen, die polarisierende und nicht polarisierende Bereiche aufweisen. Es
werden dazu phasenseparierte halogenidhaltige Spezialgläser verwendet. Die Polarisationswirkung wird durch
verstreckte Kupfer- bzw. Silberausscheidungen im Glas erzeugt. Die laterale Veränderung der
Polarisationswirkung wird durch einen Ionenaustausch bzw. durch die Behandlung des Glases aus einer
Kombination von Bestrahlung mit ultraviolettem Licht und Erwärmung hervorgerufen.
Mit diesem Verfahren können nur Bereiche mit polarisierenden Eigenschaften und nichtpolarisierende Bereiche
realisiert werden, unterschiedliche Polarisationseigenschaften sind nicht erzeugbar.
Ein genereller Nachteil der hier vorgestellten Polarisatoren ist, daß sie alle sehr teure Spezialgläser voraussetzen.
Es ist offenbar auf Grund der Schwierigkeiten, diese Gläser zu handhaben, bis jetzt nicht als Aufgabe formuliert
worden, Polarisatoren mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen und lateral unterschiedlichen
Polarisationwirkungen wirtschaftlich
herzustellen. Mit der WO 98/47832 werden lediglich - wie schon gesagt - Bereiche mit oder ohne Polarisation
erzeugt.
Letztendlich soll noch auf die DE 198 29 970 C2 "Verfahren zur Herstellung von UV-Polarisatoren"
eingegangen werden. Entsprechend dieser Patentschrift wird ein Verfahren zur Herstellung von UV-Polarisatoren
vorgeschlagen, welches es gestattet, UV-Polarisatoren mit Polarisationswirkungen in einem breiten
Wellenlängenbereich zu schaffen. Mit diesem Verfahren wird es möglich, durch Bildung und Überlagerung von
Banden mit unterschiedlichen Maximumslagen einen breiten Absorptionsbereich zu erzeugen. Gegenüber dem
vorher dargelegten Stand der Technik handelt es sich um eine spezielle Weiterentwicklung bei der Herstellung
von Polarisatoren, indem durch verschiedene Verfahrensschritte Metallionen in die Glasoberfläche eingebracht
und durch Tempern und Deformieren des Glases rotationsellipsoidförmige Partikel mit einer breiten
Größenverteilung erzeugt werden. Wie oben gesagt, war bei der hier kurz ausgewerteten Patentschrift DE 198 29 970 C1
das Ziel, Polarisationswirkungen in einem breiten Wellenlängenbereich zu erreichen. Dieser
Hinweis ist, wie sich zeigen wird, im Hinblick auf die noch darzulegende Erfindung erforderlich.
Entsprechend der Aufgabe der Erfindung sollen künftig Polarisatoren aus preiswertem Ausgangsmaterial unter
Berücksichtigung des dichroitischen Verhaltens als multifunktionale Polarisatoren zur Verfügung stehen.
Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, durch ein entsprechendes Verfahren auf speziell angeordnete
nichtsphärische metallische Partikel im Glas so einzuwirken, daß die erforderlichen Farb- und
Polarisationswirkungen gegeben sind und die Herstellung kostengünstig erfolgt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen
Gedanken, die die multifunktionalen Polarisatoren betreffen, auf den
Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung bezüglich der neuartigen
Polarisatoren ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 8. Den grundlegenden Gedanken zum neuen Verfahren
zur Herstellung der multifunktionalen Polarisatoren enthält der Patentspruch 9. Die weitere Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ergibt sich aus den Patentansprüchen 10 bis 15.
Weitere Hinweise sind zu den erfindungsgemäßen Lösungen erforderlich.
Es ist hinlänglich bekannt, daß submikroskopische metallische Ausscheidungen (speziell Silber-, Kupfer-,
Goldpartikel) in Gläsern zu Extinktionsbanden im sichtbaren Spektralbereich und somit zu einer Färbung der
Gläser führen. Diese Partikel sind in der Regel von kugelförmiger Gestalt. Weiterhin ist bekannt, daß für den Fall
einheitlich ausgerichteter, nichtsphärischer, wie z. B. rotationsellipsoidförmiger Partikel deren Absorptionsbanden
deutlich von denen kugelförmiger Partikel abweichen und weiterhin polarisationsrichtungsabhängig sind. Dieses
sogenannte dichroitische Verhalten zeigt sich zum Beispiel bei der Verwendung von rotationsellipsoidförmigen
Silberpartikeln mit einem Halbachsenverhältnis von a/b = 2. Es entsteht eine Bande mit einem
Absorptionsverhalten bei Verwendung von linear polarisiertem Licht mit Polarisationsrichtung senkrecht zur
langen Halbachse der Partikel und eine weitere Bande mit der Polarisationsrichtung parallel dazu, die sich
hinsichtlich ihrer spektralen Maximumslagen unterscheiden. Verwendet man unpolarisiertes Licht, so entsteht
durch dieses dichroitische Verhalten eine Polarisationswirkung zwischen den Bereichen der vorgenannten
Absorptionsbanden.
Prinzipiell kann man Metalle (wie z. B. Silber, Kupfer, Gold) bei der Glasherstellung bereits der Glasschmelze
zugeben. Der Nachteil dieser Vorgehensweise ist, daß diese dann im gesamten Glasvolumen vorhanden sind und
eine definierte und produktive nachträgliche Farbstrukturierung wie in der DE-OS 196 42 116 A1 "Verfahren
zur strukturierten Energieübertragung mit Elektronenstrahlen" beschrieben, nicht mehr möglich ist.
Beschränkend wirkt weiterhin, daß damit nur eine geringe Konzentration der Metallausscheidungen im Glas
realisierbar ist.
Als Ausweg bietet sich alternativ ein nachträglicher Einbau der Metalle in das Glas an. Mittels Ionen-
Implantation lassen sich fast alle Elemente in die Glasoberfläche einbringen. Auch kann dies gezielt in
ausgewählten lokalen Bereichen erfolgen; der Einbau verschiedenster Kombinationen von Elementen ist ebenso
möglich. Die Eindringtiefen betragen bis zu einigen 100 nm. Die Ionen-Implantation ist allerdings ein technisch
recht aufwendiges Verfahren. In alkalihaltige Gläser lassen sich aber insbesondere Silber- und Kupferionen mit
relativ wenig Aufwand durch einen Ionenaustausch einbauen. Dazu wird das Glas der Einwirkung einer silber-
bzw. kupferhaltigen Salzschmelze ausgesetzt. Infolge dieser Behandlung kommt es zu einem Austausch der
Alkaliionen des Glases durch Metallionen der Schmelze. Für eine praktische Anwendung erweist sich der
Tieftemperatur-Ionenaustausch in Nitratschmelzen als besonders günstig und einfach durchführbar (Temperatu
ren im Bereich von ca. 250°C-400°C). Darüber hinaus sind die eingesetzten Salze wasserlöslich und lassen
sich somit leicht vom Glas entfernen.
Prinzipiell lassen sich auch andere Salze einsetzen. Diese schmelzen in der Regel aber bei einer höheren
Temperatur.
Die Eindringtiefe der Metallionen in das Glas ist abhängig von der Zeitdauer und der Temperatur des
Ionenaustausches. Im Fall des Tieftemperatur-Ionenaustausches in Nitratschmelzen liegt diese typisch in der
Größe einiger µm bis einige 100 µm.
An dieser Stelle sei auf die Patentschrift DE 198 29 970 C2 verwiesen, die die Herstellung von UV-Polarisatoren
betrifft. Die Herstellung erfolgt nach dem Einbringen von Metallionen in die Oberfläche des Glases, indem durch
einen mehrfachen Wechsel von Tempern zum Ausscheiden kugelförmiger Metallpartikel, einem erneuten
Einbringen von Metallionen und nachfolgendem Tempern eine breite Größenverteilung der Partikel erreicht
wird. Bei einer Deformation des Glases entstehen rotationsellipsoidförmige Partikel verschiedener Größe mit
verschiedenen Halbachsenverhältnissen.
Bei einer Temperung in einer reduzierten Atmosphäre (z. B. in H2) kommt es zur Bildung einer sehr dünnen
Schicht der Metallpartikel unterhalb der Glasoberfläche (wenige µm) innerhalb der Glasmatrix.
Die Größe und Konzentration der gebildeten Partikel ist sehr stark abhängig von der Temperatur, dem
Partialdruck des Reduktionsgases sowie den lokalen Konzentrationen von Metall und Reduktionsmittel. Durch
einen weiteren Temperschritt in einer nichtreduzierten Atmosphäre kommt es zum weiteren Kolloidwachstum.
Es entstehen noch größere Partikel.
Es hat sich gezeigt, daß die Teilchendeformation (beschrieben z. B. durch die sich einstellenden Exzentrizitäten
bzw. die Halbachsenverhältnisse) der entstehenden ellipsoidförmigen Kolloide stark von deren Größe abhängt.
Größere Partikel werden bei sonst gleichen Deformationsbedingungen stärker verformt als kleine.
Durch geeignete Wahl der Parameter bei den Prozessen Ionenaustausch und Temperung ist es möglich, im Glas
gezielt Bereiche unterschiedlicher Kolloidgrößen (d. h. in verschiedenen Tiefen) herzustellen. Auf Grund der
Größenabhängigkeit der Partikeldeformation entstehen nach dem Deformationsprozeß tiefenabhängig Bereiche
mit unterschiedlichem dichroitischen Verhalten. Wie in einem Ausführungsbeispiel noch näher zu erläutern ist,
ergibt sich bei Verwendung von linear polarisiertem Licht eine dichroitische Bande A, hervorgehoben durch
Partikel, die in den tieferen Schichten des Glases angeordnet sind und weiterhin eine Bande B, hervorgerufen
durch Partikel nahe der Oberfläche des Glases.
Die deformierten Partikel sind in ihrer Form bis zu Temperaturen in der Nähe des unteren Kühlpunktes stabil.
Oberhalb dieser Temperatur kommt es zu einer Rückverformung in
Richtung Kugelgestalt. Diese geht einher mit einer spektralen Verschiebung der dichroitischen
Absorptionsbanden und somit veränderten Farbwirkungen. Dieses Verhalten kann gezielt zur Einstellung
spezieller Banden genutzt werden (lokal unterschiedliche spektrale Maximumslagen in lateral eng begrenzten
Bereichen durch entsprechenden lokalen Energieeintrag, z. B. gemäß DE-OS 196 42 116). Speziell sind damit
die folgenden Varianten realisierbar.
- 1. Vorbehandeltes Glas als Ausgangsglas - Absorptionsbande in IR-Bereich; durch lokalen Energieeintrag erfolgt die Erzeugung von Strukturen mit Absorptions- und Polarisationswirkung im sichtbaren Bereich, d. h. für den sichtbaren Bereich wird dichroitisches Glas mit lateral variierenden, d. h. unterschiedlichen Farb- und Polarisationseigenschaften erzeugt.
- 2. Vorbehandeltes Glas als Ausgangsglas - Absorptionsbande im sichtbaren Bereich; durch lokalen Energieeintrag erfolgt die komplette Rückstellung der Teilchen in die Kugelform, d. h. es entstehen Bereiche mit Gelbfärbung aber ohne Polarisationswirkung. Nicht behandelte Bereiche weisen die Farb- und Polarisationswirkung des vorbehandelten Glases auf.
Mittels geeigneter Ätzmittel, wie z. B. verdünnte Flußsäure, läßt sich das eingesetzte Glas gezielt abätzen.
Geeignete Maskierungstechniken sind verfügbar, so daß definiert lokale Glasbereiche entfernt werden können.
Da - wie oben erläutert - oberflächennahe dichroitische Schichten mit geringer Tiefe erzeugt werden, ist mit der
Ätztechnik ein Verfahren verfügbar, das die gezielte Entfernung der dichroitischen Schicht bzw. von Teilen
ermöglicht.
Die nach diesen Vorschlägen hergestellten Polarisatoren sind dadurch charakterisiert, daß die dichroitische
Absorptionswirkung nur in einer dünnen Oberflächenschicht des Glases hervorgerufen wird. Entfernt man diese
bzw. Teile gezielt, so ändert man damit auch die dichroitischen Eigenschaften im gewünschten Bereich. Damit
lassen sich flächig strukturierte Polarisatoren mit Bereichen unterschiedlicher dichroitischer Wirkung
(Wellenlängenbereich der dichroitischen Wirkung, Dichroismus) herstellen. Zu deren Herstellung kommen
erfindungsgemäß unterschiedliche Verfahren bzw. Verfahrenskombinationen zur Anwendung.
Durch Verwendung einer Maske, die in einem fotolithografischen Prozeß strukturiert wird und anschließende
Ätzung von Oberflächenbereichen mittels HF-Säure, werden in den nichtmaskierten Bereichen gezielt Bereiche
der Glasoberfläche, die dichroitische Eigenschaften aufweisen, in die Tiefe hinein teilweise bzw. komplett
entfernt.
Wie Punkt 1, aber es werden lateral verschieden nur Teile der dichroitischen Schicht unterschiedlich tief entfernt.
Es entstehen dichroitische Polarisatoren mit lateral verschieden hoher Absorption, verschiedenen spektralen
Absorptions-Maximumslagen und damit verschiedenen Farb- und Polarisationswirkungen.
Für spezielle Anwendungen (z. B. falls Polarisationseigenschaften nur in speziellen Wellenlängenbereichen
erforderlich sind) werden mittels strukturierten Energieeintrages (in Anlehnung an DE-OS 196 42 116 oder
mittels Laser) Bereiche mit dichroitischen Eigenschaften und solche ohne eingestellt. Vorteil: plane Oberfläche.
Nutzung des strukturierten Energieeintrages zur Realisierung von Farbstrukturen (in Anlehnung an DE-OS 196 42 116
oder mittels Laser). Durch Kombination mit den Verfahren gemäß Punkt 1 oder 2 werden von
Farbstrukturen plus Strukturen mit lateral variierenden/alternierenden dichroitischen Eigenschaften erzeugt.
Verwendung der Verfahren bzw. Verfahrenskombinationen entsprechend den Punkten 1 bis 4 unter Einbeziehung
der zweiten dichroitischen Oberfläche, d. h. der Rückseite des Glases, für dichroitische Farbfilterarrays mit
gleichartigen oder alternierenden Polarisationswirkungen und/oder einheitlicher oder lateral unterschiedlicher
Farbwirkung.
Verbund von Gläsern gemäß Verfahren 1 bis 5 derart, daß mindestens zwei der gemäß der Verfahren 1 bis 5
erzeugten Gläser kombiniert werden.
Mit der Erfindung wurde die bisher erstmals formulierte Aufgabe, einen multifunktionalen Polarisator als neues
optisches Bauelement zur Verfügung zu haben, erfüllt. Dieser Polarisator weist unterschiedliche Richtungen der
Polarisationswirkung und/oder unterschiedliche Absorptionsbanden auf. Unter Berücksichtigung der erläuterten
Verfahren bzw. Verfahrens- schritte bzw. durch deren Kombination ist es möglich, die multifunktionalen
Polarisatoren wirtschaftlich herzustellen.
Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Die einzelnen Figuren zeigen:
Fig. 1 Darstellung des Absorptionsverhaltens in unterschiedlichen Schichten von Glas mit dichroitischem
Verhalten.
Fig. 2 Darstellung des Absorptionsverhaltens von dichroitischem Glas vor und nach
Bearbeitung der dichroitischen Schicht bzw. Schichten.
Fig. 3 Glas mit dichroitischer Schicht, wobei in die dichroitische Schicht Streifen
eingearbeitet sind.
Fig. 4 Draufsicht gemäß Fig. 3 nach der Einarbeitung der Streifen.
Fig. 5 Glas mit dichroitischer Schicht, wobei in die dichroitische Schicht Strukturen mit
unterschiedlicher Geometrie eingearbeitet sind.
Fig. 6 Zwei Gläser mit dichroitischen Schichten, wobei die dichroitischen Schichten nach der
Bearbeitung zu einem Verbund zusammengefügt sind.
Fig. 7 Draufsicht nach dem Zusammenfügen.
Fig. 8 Glas, in welches dichroitische Bereiche eingearbeitet sind.
Fig. 9 Draufsicht gemäß Fig. 8.
A, B, C, D, E - Kurven gemäß jeweiligem Absorptionsverhalten
1
Glas
2
dichroitische Glasschicht
3
Maskierungsschicht
4
Streifen mit dichroitischem Verhalten
5
Strukturen mit unterschiedlicher Geometrie
6
SiO2
-Schicht
7
dichroitsche Verbundschicht
Durch die Behandlungsschritte Ionenaustausch und Tempern wurden im Glas tiefenabhängig gezielt Bereiche
unterschiedlicher Partikelgrößen in verschiedenen Tiefen des Glases hergestellt.
Aus Fig. 1 ist der prinzipielle Kurvenverlauf der Banden bei unterschiedlichem dichroitischen Verhalten
dargestellt. Dabei zeigt die Kurve A das Absorptionsverhalten bei Verwendung von linear polarisiertem Licht
mit Polarisationsrichtung parallel zur langen Halbachse der Partikel in tieferen Schichten, Kurve B das
Absorptionsverhalten nahe der Oberfläche und die Kurve C das resultierende Absorptionsspektrum. Diese
Kurven zeigen die Ausgangssituation entsprechend an sich bekannter Verfahrensschritte.
Ein Standard-Floatglas (Zusammensetzung siehe Tabelle 1) wird 15 min bei 350°C in einer 0,1% AgNO3-
99,9% NaNO3 Salzschmelze behandelt.
Na2O | 14,92% |
SiO2 | 72,61% |
MgO | 4,00% |
Al2O3 | 1,31% |
SO3 | 0,36% |
K2O | 0,35% |
CaO | 6,04% |
Fe2O3 | 0,10% |
Anschließend erfolgt eine Temperung von 15 min in einer H2 Atmosphäre bei 600°C. Die Prozesse Behandlung
in der Salzschmelze und Temperung werden danach zweimal wiederholt. Daran anschließend wird das Glas 90 min
bei 550°C getempert.
Das Glas wird dann bei 600°C mit einem Streckverhältnis von 10 unter einer Zugspannung von ca. 100 N/mm2
deformiert. Infolge der Deformation werden die Silberpartikel in der Glasmatrix zu Rotationsellipsoiden
verformt.
Auf einer Seite des Glases wird die komplette dichroitische Schicht entfernt (alternativ kann durch geeignete
Wahl der Behandlungsbedingungen oder durch eine Maskierung bereits bei den obengenannten Prozessen die
Bildung einer zweiten dichroitischen Schicht verhindert werden).
Für linear polarisiertes Licht ist das Absorptionsverhalten durch Kurve D in Fig. 2 charakterisiert.
Nunmehr wird im Zusammenhang mit dem weiteren Verfahren zur Herstellung der multifunktionalen
Polarisatoren auf die Fig. 3 und 4 verwiesen. Die Fig. 3 zeigt, wie durch die Verfahrensschritte b) bis e) in
Fig. 3 die multifunktionalen Polarisatoren geschaffen werden. In Fig. 3 stellt a) die Ausgangsposition dar.
Das Glas mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 ist mit dem Positionszeichen 1 versehen und die
dichroitische Glasschicht mit dem Positionszeichen 2. Die unterschiedliche Schraffur der dichroitischen
Glasschicht 2 soll auf die unterschiedliche Wirkung in der Tiefe der dichroitischen Glasschicht 2 hinweisen. Es
wird gemäß Verfahrensschritt b) auf die dichroitische Glasschicht 2 eine Maskierungsschicht 3 (beständig gegen
das verwendete Ätzmittel) aufgebracht. Die Maskierungsschicht 3 wird gemäß Verfahrensschritt c) durch einen
fotolithografischen Schritt strukturiert, es werden Streifen mit einer Breite von 200 µm und einen Streifenabstand
von 200 µm gebildet.
Der Ätzprozeß (Verfahrensschritt d) - 20 Sekunden ätzen in 5% HF - entfernt Teile der dichroitischen Schicht 2
(entfernte Schichtdicke 0,1 µm) an den nicht maskierten Stellen. Anschließend wird die Maskierungsschicht 3
gemäß Verfahrensschritt e) entfernt.
Es wird auf Fig. 5 verwiesen. Im Gegensatz zu den Streifen gemäß 2. Ausführungsbeispiel in der dichroitischen
Glasschicht 2 wurden durch vergleichbare Arbeitsschritte, wie sie im 2. Ausführungsbeispiel erläutert wurden.
Strukturen 5 mit unterschiedlicher Geometrie in die dichroitische Glasschicht 2 eingearbeitet.
Zwei Standard-Floatgläser (Zusammensetzung wie Tabelle 1 im 2. Ausführungsbeispiel) werden 15 min bei
350°C in einer 0,1% AgNO3-99,9% NaNO3 Salzschmelze behandelt. Bezüglich der weiteren
Verfahrensschritte, die das Tempern und Deformieren betreffen, wird auf das 2. Ausführungsbeispiel verwiesen.
Ebenfalls mit dem 2. Ausführungsbeispiel vergleichbar erfolgt die Herstellung der multifunktionalen
Polarisatoren, siehe hierzu die Fig. 6. Gemäß Verfahrensschritt g) wird durch geeignete Positionierung beider
Gläser ein dichroitischer Verbund mit lateral unterschiedlicher Farb-, Polarisationswirkung und /oder
Polarisationsrichtung gebildet. In Fig. 7 ist die dichroitische Verbundschicht 7 erkennbar.
Eine Positionierung beider Gläser ist auch möglich und sinnvoll, wenn die dichroitischen Glasschichten 2, die
sich gemäß Verfahrensschritt g) berühren, mit Strukturen 5 mit unterschiedlicher Geometrie (wie z. B. in Fig.
5 gezeigt) versehen sind.
Hier wird auf das 4. Ausführungsbeispiel verwiesen, wobei in die Tiefe der dichroitischen Glasschicht 2 ein
partielles und ein komplettes Abätzen der nicht maskierten Schicht erfolgt.
Durch Nutzung des strukturierten Energieeintrages werden in der dichroitischen Glasschicht 2 Farbstrukturen
erzeugt. Weiterhin erfolgt eine Bearbeitung dieser Gläser entsprechend den Ausführungsbeispielen 2 bis 5. Es
wird somit strukturiertes dichroitisches Glas mit lateral variierenden/alternierenden Farb- und
Polarisationseigenschaften geschaffen.
Es wird auf die Fig. 8 und 9 verwiesen.
Ein Standard-Floatglas (Zusammensetzung wie in Tabelle 1 im 2. Ausführungsbeispiel) wird mit einer SiO2-
Schicht 6 von ca. 50 nm beidseitig beschichtet. Die eine Schicht wird anschließend einseitig durch einen
fotolithografischen und nachfolgenden Ätzprozeß lateral strukturiert. Dabei wird das SiO2 lokal wieder entfernt.
Dieses Glas wird danach 30 min bei 350°C in einer 0,1% AgNO3-99,9% NaNO3 Salzschmelze behandelt. An
den mit SiO2 bedeckten Schichten erfolgt durch deren Diffusionssperrwirkung kein Ionenaustausch.
Anschließend erfolgt eine Temperung von 2 h in einer H2-Atmosphäre bei 600°C sowie eine weitere Temperung
von 2 h bei 600°C in Luft. Das Glas wird dann bei 600°C mit einem Streckverhältnis von 4 unter einer
Zugspannung von ca. 100 N/mm2 deformiert. Im Unterschied zu Beispiel 2 wird hierbei ein dichroitisches Glas
mit lateral variierenden Eigenschaften, aber glatter Oberfläche erzeugt.
Weitere mögliche Verfahrensschritte sind das Entfernen der SiO2-Schicht 6, die Kombination zweier Gläser
gemäß 4. Ausführungsbeispiel, ein selektives Ätzen in Anlehnung an die vorherigen Ausführungsbeispiele,
womit Bereiche mit alternierenden Farb- und Polarisationseigenschaften und klare Bereiche erzeugt werden.
Auch auf die Möglichkeit der Kombination mit dem strukturierten Energieeintrag sei verwiesen.
Claims (15)
1. Multifunktionaler Polarisator unter Verwendung der dichroitischen Absorption, wobei in das Glas parallel
orientierte nichtsphärische metallische Partikel eingebaut sind, dadurch gekennzeichnet, daß nahe der
Oberfläche des Glases (1) gezielt Partikel in verschiedenen Tiefen eingebaut sind und die dichroitische
Glasschicht (2) bezogen auf die Tiefe in lateral und lokal eng begrenzten Bereichen
Strukturveränderungen aufweist.
2. Multifunktionaler Polarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel mit
unterschiedlichen und/oder gleichen Kolloidgrößen in verschiedenen Tiefen eingebaut sind.
3. Multifunktionaler Polarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Gläsern (1) die
Anordnung der dichroitischen Glasschichten (2) derart erfolgt, daß ein Verbund gebildet wird, indem die
dichroitischen Glasschichten (2) aufeinanderliegend (innenliegend) oder voneinander abgewandt
(außenliegend) plaziert sind.
4. Multifunktionaler Polarisator nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbund durch
Variationen der Anordnung eine dichroitische Glasschicht (2) innen-liegend und eine außenliegend
plaziert ist
5. Multifunktionaler Polarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der multifunktionale
Polarisator außer den bezogen auf die Tiefe der dichroitischen Glasschicht (2) lokal begrenzten Bereichen
mit Strukturveränderungen auch Bereiche ohne Dichroismus aufweist.
6. Multifunktionaler Polarisator nach Anspruch 1 und einen oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der multifunktionale Polarisator Farbstrukturen
aufweist durch Nutzung des strukturierten Energieeintrages und lokal begrenzte Bereiche mit
Strukturveränderungen bezogen auf die Tiefe der dichroitischen Glasschicht (2).
7. Multifunktionaler Polarisator nach Anspruch 1 und einen oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die nahe der Oberfläche befindliche dichroitische Glasschicht (2) mit lokal
begrenzten Strukturveränderungen bezogen auf die Tiefe im Vergleich zu Bereichen ohne Dichroismus
eine weitgehend glatte Oberfläche aufweist.
8. Multifunktionaler Polarisator nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial
vorzugsweise Standard-Floatglas verwendet wird.
9. Verfahren zur Herstellung von multifunktionalen Polarisatoren, wobei in alkalischen Gläsern als Aus
gangsmaterial Metallpartikel gebildet werden und durch Deformation der Gläser nichtsphärische Partikel
erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Wahl der Parameter bei den Prozessen
Ionenaustausch und Temperung im Glas (1) gezielt in verschiedenen Tiefen Bereiche unterschiedlicher
Kolloidgrößen hergestellt werden, im nachfolgenden Deformationsprozeß tiefenabhängige Bereiche mit
unterschiedlichem dichroitischen Verhalten gebildet werden und unter Verwendung von Ätzmitteln
definiert lokale Bereiche der dichroitischen Glasschicht (2) bis in eine vorgegebene Tiefe entfernt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Glas (1) gezielt in verschiedenen Tiefen
Bereiche mit unterschiedlichen und/oder gleichen Kolloidgrößen hergestellt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch lokalen Energieeintrag die deformierten
Partikel definiert rückverformt werden und damit die Einstellung spezieller Banden mit lokal
unterschiedlichen spektralen Maximumslagen in lateral eng begrenzten Bereichen erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 9 und/oder 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung von
Maskierungstechniken und Ätzmitteln Strukturen mit beliebiger Geometrie in die dichroitische
Glasschicht (2) eingearbeitet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 9 und/oder 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung von
Maskierungstechniken und Ätzmitteln lokale Bereiche der dichroitischen Glasschicht (2) bis in eine
vorgegebene Tiefe und Bereiche vollständig abgeätzt werden
14. Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas (1) mit einer SiO2-Schicht (6)
von vorzugsweise 50 nm beschichtet wird, die SiO2-Schicht (6) unter Verwendung von
Maskierungstechniken und Ätzmitteln lokal entfernt wird, dieses Glas (1) mit an sich bekannten
Verfahrensschritten durch Einbringen von Ionen und Tempern und anschließendem Deformieren mit einer
dichroitischen Glasschicht (2) in den Bereichen versehen wird, die nicht durch die SiO2-Schicht (6)
abgedeckt sind.
15. Verfahren nach Anspruch 9 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Herstellen der lokal
begrenzten dichroitischen Glasschicht (2) die verbliebenen Strukturen der SiO2-Schicht (6) entfernt
werden.
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