DE102013007524B4

DE102013007524B4 - Optical arrangement for the formation of structural elements on component surfaces and their use

Info

Publication number: DE102013007524B4
Application number: DE102013007524.6A
Authority: DE
Inventors: Teja Roch; Dimitri Benke; Andrés Fabián Lasagni
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2033-04-23
Also published as: DE102013007524A1

Abstract

Optische Anordnung zur Ausbildung von Strukturelementen auf Bauteiloberflächen, bei denen die Abstände einzelner Strukturelemente in mindestens eine Achsrichtung in gradierter Form verändert sind, durch Laserinterferenzstrukturierung, bei der ein Laserstrahl (0) mittels eines Strahlteilers (5) oder eines diffraktiven optischen Elements (5.1) in zwei Teilstrahlen (0.1 und 0.2) aufgeteilt ist und die beiden Teilstrahlen (0.1 und 0.2) mittels in ihrem Strahlengang angeordneten optischen Elementen (6, 6.1, 6.2, 6.3, 10, 10.1, 10.2, 11) so auf die zu strukturierende Oberfläche gerichtet sind, dass sie einen Winkel 2θ einschließen und sich die Brennflecken der beiden Teilstrahlen (0.1 und 0.2) auf der Oberfläche, auf der die Strukturierung auszubilden ist, zumindest zum größten Teil überdecken und die Brennpunktebene eines der beiden fokussierten Teilstrahlen (0.1) mittels einer lediglich im Strahlengang dieses einen Teilstrahls (0.1) angeordneten fokussierenden optischen Linse (10) vor oder hinter der Oberfläche, auf der die Strukturierung auszubilden ist, angeordnet ist.Optical arrangement for the formation of structural elements on component surfaces, in which the distances between individual structural elements are changed in at least one axial direction in a graded form, by laser interference structuring, in which a laser beam (0) by means of a beam splitter (5) or a diffractive optical element (5.1) in two partial beams (0.1 and 0.2) is divided and the two partial beams (0.1 and 0.2) are directed to the surface to be structured by means of optical elements (6, 6.1, 6.2, 6.3, 10, 10.1, 10.2, 11) arranged in their beam path that they enclose an angle 2θ and the focal spots of the two partial beams (0.1 and 0.2) on the surface on which the structuring is to be formed, at least for the most part, and the focal plane of one of the two focused partial beams (0.1) by means of an only im Beam path of this a partial beam (0.1) arranged focusing optical lens (10) in front of or is arranged behind the surface on which the structuring is to be formed.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Ausbildung von Strukturelementen auf Bauteiloberflächen sowie deren Verwendung. Dabei erfolgt die Strukturausbildung durch Ausnutzung von Laserinterferenz.The invention relates to an optical arrangement for forming structural elements on component surfaces and to their use. The structure is formed by making use of laser interference.

Dabei soll es möglich sein, dass die Abstände einzelner Strukturelemente in mindestens eine Achsrichtung in gradierter Form verändert sind und eine „aperiodische“ Strukturierung ausgebildet werden kann. Solche Oberflächenstrukturen sind besonders an Oberflächen von optischen oder optoelektronischen Elementen vorteilhaft. Besonders vorteilhaft können sie bei Elementen genutzt werden von denen elektromagnetische Strahlung emittiert wird, wie dies beispielsweise LED's oder OLED's sind. Ein Einsatz ist aber auch bei Elementen möglich, bei denen elektromagnetische Strahlung transmittiert oder reflektiert werden soll.It should be possible here for the distances between individual structural elements to be changed in at least one axial direction in a graded form and for an “aperiodic” structuring to be able to be formed. Such surface structures are particularly advantageous on surfaces of optical or optoelectronic elements. They can be used particularly advantageously with elements from which electromagnetic radiation is emitted, such as LEDs or OLEDs, for example. However, it can also be used for elements in which electromagnetic radiation is to be transmitted or reflected.

Dabei kann ausgenutzt werden, dass elektromagnetische Strahlung infolge unterschiedlicher Beugung an den ausgebildeten Strukturelementen in einem Raumwinkelbereich gestreut werden kann.Use can be made of the fact that electromagnetic radiation can be scattered in a solid angle range as a result of different diffraction at the structural elements formed.

Für die Ausnutzung der Laserinterferenz bei der Ausbildung sind verschiedene optische Aufbauten bekannt.Various optical structures are known for utilizing laser interference during training.

Bisher wurde dabei ein Laserstrahl auf ein optisches diffraktives Element gerichtet, mit dem der Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden kann. Die Teilstrahlen werden dann mit zwei in einem Abstand zueinander angeordneten optischen fokussierenden Linsen auf eine zu strukturierende Oberfläche gerichtet. Dabei werden die Teilstrahlen mit einer der beiden Linsen zusätzlich in ihrer Strahlrichtung so verändert, dass sie auf den gleichen Oberflächenbereich eines Bauteils auftreffen. Da die optischen Linsen eine konstante Brennweite aufweisen, ist ein Austausch gegen mindestens eine andere, eine davon unterschiedliche Brennweite aufweisende Linse erforderlich, wenn die Interferenzperiode verändert werden soll.Up to now, a laser beam has been directed onto an optical diffractive element with which the laser beam can be divided into several partial beams. The partial beams are then directed onto a surface to be structured with two optical focusing lenses arranged at a distance from one another. The beam direction of the partial beams is also changed with one of the two lenses so that they strike the same surface area of a component. Since the optical lenses have a constant focal length, an exchange for at least one other lens having a different focal length is necessary if the interference period is to be changed.

Bei einer anderen bekannten Möglichkeit zur Laserinterferenzstrukturierung wird ein Laserstrahl mittels mindestens eines Strahlteilers in Teilstrahlen aufgeteilt und die Teilstrahlen werden mit Hilfe von reflektierenden Elementen aus unterschiedlichen Richtungen auf die zu strukturierende Oberfläche gerichtet. Dabei sollen die Teilstrahlen jeweils die gleiche Weglänge bis zum Auftreffen auf die Oberfläche durchlaufen. Ein solcher Aufbau benötigt ein großes Volumen, so dass kein kompakter Aufbau möglich ist. Für eine Anpassung der Interferenzperiode ist eine aufwändige präzise Justierung von reflektierenden optischen Elementen erforderlich.In another known possibility for laser interference structuring, a laser beam is split into partial beams by means of at least one beam splitter and the partial beams are directed onto the surface to be structured from different directions with the aid of reflective elements. The partial beams should each traverse the same path length until they hit the surface. Such a structure requires a large volume, so that a compact structure is not possible. A complex, precise adjustment of reflective optical elements is required to adapt the interference period.

Mit aus dem Stand der Technik bekannten optischen Aufbauten können aber lediglich periodisch ausgebildete Strukturen hergestellt werden. Die Ausbildung von Strukturelementen mit sich verändernden Abständen zwischen benachbarten Strukturelementen kann nur sequentiell erfolgen, wodurch die erforderliche Zeit und der Aufwand erhöht werden müssen, was mit erhöhten Herstellungskosten verbunden ist.With optical structures known from the prior art, however, only periodically formed structures can be produced. The formation of structural elements with changing distances between adjacent structural elements can only take place sequentially, as a result of which the required time and effort have to be increased, which is associated with increased manufacturing costs.

So ist es aus DE 10 2011 101 415 A1 bekannt, periodische Strukturierungen unter Anwendung von Laserinterferenz auszubilden. Die WO 2011/072663 A2 betrifft die Herstellung von Dünnschichtbauelementen, die DE 10 2010 027 438 A1 ein Verfahren zur Herstelllung von Fügestellen/-bereichen mit verbesserten Benetzungs- und/oder Haftungseigenschaften und die DE 10 2009 060 924 A1 die Ausbildung einer Struktur in der Festschmierstoff enthalten sein soll. In allen drei Fällen soll eine Laserinterferenzstrukturierung genutzt werden.So it's over DE 10 2011 101 415 A1 known to form periodic structuring using laser interference. The WO 2011/072663 A2 relates to the production of thin-film components that DE 10 2010 027 438 A1 a method for the production of joints / areas with improved wetting and / or adhesion properties and the DE 10 2009 060 924 A1 the formation of a structure in which the solid lubricant should be contained. Laser interference structuring should be used in all three cases.

Ein Verfahren zur Herstellung räumlich gemusterter Oberflächen von Druck- oder Prägezylindern ist aus DE 196 23 352 A1 bekannt.A method for producing spatially patterned surfaces of printing or embossing cylinders is from DE 196 23 352 A1 known.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben mit denen durch Ausnutzung von Laserstrahlinterferenz Strukturen auf Oberflächen von Bauteilen, bei denen einzelne Strukturelemente unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen, mit geringem Aufwand in verkürzter Zeit kontinuierlich ausgebildet werden können.It is therefore the object of the invention to provide possibilities with which, by utilizing laser beam interference, structures on surfaces of components in which individual structural elements have different distances from one another can be continuously formed with little effort in a shortened time.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer optischen Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Im Anspruch 9 und 10 sind Verwendungen angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention, this object is achieved with an optical arrangement which has the features of claim 1. In claims 9 and 10 uses are indicated. Advantageous refinements and developments of the invention can be achieved with features identified in the subordinate claims.

Mit der erfindungsgemäßen optische Anordnung sollen Strukturelemente auf Bauteiloberflächen ausgebildet werden, bei denen die Abstände einzelner Strukturelemente in mindestens eine Achsrichtung in gradierter Form verändert sind. Die Ausbildung soll durch Laserinterferenzstrukturierung durchgeführt werden.With the optical arrangement according to the invention, structural elements are to be formed on component surfaces in which the distances between individual structural elements are changed in a graded form in at least one axial direction. The training should be carried out by laser interference structuring.

Dabei wird ein Laserstrahl mittels eines den Laserstrahl teilenden Elements in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Die beiden Teilstrahlen sind mittels in ihrem Strahlengang angeordneten optischen Elementen so auf die zu strukturierende Oberfläche gerichtet, dass sie einen Winkel 2θ einschließen und sich die Brennflecken der beiden Teilstrahlen auf der Oberfläche, auf der die Strukturierung auszubilden ist, zumindest zum größten Teil überdecken. Außerdem ist die Brennpunktebene eines der beiden Teilstrahlen fokussierten Teilstrahls vor oder hinter der Oberfläche, auf der die Strukturierung auszubilden ist, angeordnet.A laser beam is split into two partial beams by means of an element that divides the laser beam. The two partial beams are directed onto the surface to be structured by means of optical elements arranged in their beam path in such a way that they enclose an angle 2θ and the focal spots of the two partial beams on the surface on which the structuring is to be formed overlap at least for the most part. Also is the focal plane of one of the two partial beams focused partial beam is arranged in front of or behind the surface on which the structuring is to be formed.

Bei dem strahlteilenden Element handelt es sich um einen Strahlteiler oder ein diffrakives optisches Element. Die optischen Elemente, mit denen die Teilstrahlen auf die Oberfläche, auf der die Strukturierung ausgebildet werden soll, können reflektierende optische Elemente, optische Elemente mit denen die Ausrichtung der optischen Achsen der Teilstrahlen verändert werden kann (z.B. in Bezug zur optischen Achse in einem Winkel ungleich 90 ° geneigte planparallele Platten, Keilplatten, Prismen) oder fokussierende optische Elemente (optische Linsen, Reflektoren) sein.The beam-splitting element is a beam splitter or a diffractive optical element. The optical elements with which the partial beams onto the surface on which the structuring is to be formed can be reflective optical elements, optical elements with which the alignment of the optical axes of the partial beams can be changed (e.g. at an angle unequal in relation to the optical axis 90 ° inclined plane-parallel plates, wedge plates, prisms) or focusing optical elements (optical lenses, reflectors).

In einer erfindungsgemäßen Alternative wird ein Teilstrahl von einem Strahlteiler reflektiert und auf ein reflektierendes Element gerichtet. Vom reflektierenden Element wird dieser Teilstrahl nicht parallel zur optischen Achse des Laserstrahls auf die zu strukturierende Oberfläche des Bauteils gerichtet. Dabei ist zwischen dem reflektierenden Element und der Oberfläche des Bauteils ein diesen Teilstrahl in Richtung Oberfläche des Bauteils fokussierendes Element so angeordnet, dass die Brennpunktebene dieses Teilstrahls vor oder hinter der Oberfläche, auf der die Strukturierung auszubilden ist, angeordnet ist.In an alternative according to the invention, a partial beam is reflected by a beam splitter and directed onto a reflective element. The reflective element does not direct this partial beam parallel to the optical axis of the laser beam onto the surface of the component to be structured. An element focussing this partial beam in the direction of the surface of the component is arranged between the reflective element and the surface of the component in such a way that the focal plane of this partial beam is arranged in front of or behind the surface on which the structuring is to be formed.

Der zweite durch den Strahlteiler transmittierte Teilstrahl wird über zwei nacheinander angeordnete reflektierende Elemente und/oder mittels mindestens eines zweiten fokussierenden Elements, auf die Oberfläche auf der die Strukturierung auszubilden ist, gerichtet, wobei die optischen Achsen der beiden Teilstrahlen einen Winkel 2θ einschließen und sich die Brennflecken, der beiden Teilstrahlen auf der Oberfläche, auf der die Strukturierung auszubilden ist, zumindest zum größten Teil überdecken.The second partial beam transmitted through the beam splitter is directed via two reflective elements arranged one after the other and / or by means of at least one second focusing element onto the surface on which the structuring is to be formed, the optical axes of the two partial beams including an angle 2θ and the Cover focal spots of the two partial beams on the surface on which the structuring is to be formed, at least for the most part.

Dabei sollen unter zum größten Teil zumindest mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 75 % der Brennfleckflächen, die sich überdecken, verstanden werden. Eine nahezu vollständige Überdeckung ist jedoch am günstigsten.Here, for the most part, at least more than 50%, preferably more than 75% of the focal spot areas that overlap should be understood. However, almost complete coverage is the most favorable.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Alternative können die beiden Teilstrahlen auf weitere optische Elemente, die für die Laserstrahlung transparent sind, gerichtet werden. Die weiteren optischen Elemente weisen eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die in einem Winkel zur optischen Achse des Laserstrahls geneigt ist. An dieser Oberfläche werden die Teilstrahlen durch optische Brechung in ihrer Strahlrichtung verändert. Im Strahlengang der beiden Teilstrahlen ist zwischen den weiteren optischen Elementen und der Oberfläche, auf der die Strukturierung auszubilden ist, eine fokussierende optische Linse angeordnet. Die weiteren optischen Elemente können bevorzugt optische Prismen oder eine Keilplatte sein. Sie können an einer Oberfläche in Form einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfes, in Form eines Polyeders, in Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfes ausgebildet sein.In a further alternative according to the invention, the two partial beams can be directed onto further optical elements that are transparent to the laser radiation. The further optical elements have a first surface and a second surface which is inclined at an angle to the optical axis of the laser beam. On this surface, the partial beams are changed in their beam direction by optical refraction. A focusing optical lens is arranged in the beam path of the two partial beams between the further optical elements and the surface on which the structuring is to be formed. The further optical elements can preferably be optical prisms or a wedge plate. They can be designed on a surface in the form of a pyramid or a truncated pyramid, in the form of a polyhedron, in the form of a cone or a truncated cone.

Außerdem ist bei dieser Alternative im Strahlengang eines der Teilstrahlen zwischen den weiteren optischen Elementen und der Oberfläche, auf der die Strukturierung auszubilden ist, eine fokussierende optische Linse angeordnet.In addition, in this alternative, a focusing optical lens is arranged in the beam path of one of the partial beams between the further optical elements and the surface on which the structuring is to be formed.

Vorteilhaft ist es bei der Erfindung auch, wenn ein Teilstrahl, beispielsweise der durch den Strahlteiler transmittierte Teilstrahl durch ein mit mindestens zwei fokussierenden optischen Elementen gebildetes System mit veränderbarer Brennweite auf die zu strukturierende Oberfläche des Bauteils gerichtet ist. Es kann aber auch ein fokussierendes Element entlang der optischen Achse des jeweiligen Teilstrahls bewegt werden.It is also advantageous in the invention if a partial beam, for example the partial beam transmitted through the beam splitter, is directed onto the surface of the component to be structured by a system formed with at least two focusing optical elements and having a variable focal length. However, a focusing element can also be moved along the optical axis of the respective partial beam.

Mit einer fokussierenden Linse oder einem System mit veränderbarer Brennweite pro Teilstrahl, kann erreicht werden, dass ein Teilstrahl konvergent und der andere Teilstrahl divergent auf die zu strukturierende Oberfläche auftrifft. Dadurch kann der Periodengradient vergrößert werden. Dementsprechend kann die Abstandsveränderung der nebeneinander angeordneten Strukturelemente zumindest in einer Achsrichtung vergrößert werden.With a focusing lens or a system with a variable focal length per partial beam, it can be achieved that one partial beam is convergent and the other partial beam is incident divergently on the surface to be structured. This allows the period gradient to be increased. Accordingly, the change in distance between the structural elements arranged next to one another can be increased at least in one axial direction.

Günstig kann es außerdem sein, wenn im Strahlengang vor oder nach dem strahlteilenden Element, beispielsweise dem Strahlteiler oder nach dem Strahlteiler, im Strahlengang mindestens eines der beiden Teilstrahlen_mindestens ein dort angeordnetes fokussierendes Element eine Zylinderlinse ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die Teilstrahlen beide in einer Raumrichtung linienförmig fokussiert sind, die Brennpunktebenen dieser Linien befinden sich auf oder nahe der Bauteiloberfläche. In einer zweiten Raumrichtung, vorzugsweise 90° gedreht zur linienförmig fokussierten Brennpunktebene weisen die Teilstrahlen in diesem Fall eine zweite Brennpunkteben auf, die sich nicht auf oder nahe der Bauteiloberfläche befindet. Durch eine solche Strahlenkonfiguration können linienförmige Strukturelemente ausgebildet werden.It can also be favorable if in the beam path before or after the beam-splitting element, for example the beam splitter or after the beam splitter, in the beam path at least one of the two partial beams_at least one focusing element arranged there is a cylindrical lens. It can thereby be achieved that the partial beams are both linearly focused in one spatial direction, the focal planes of these lines are on or near the component surface. In a second spatial direction, preferably rotated 90 ° to the linearly focused focal plane, the partial beams in this case have a second focal plane that is not located on or near the component surface. Line-shaped structural elements can be formed by such a beam configuration.

Das einen der beiden Teilstrahlen fokussierende Element kann so angeordnet sein, dass die Brennpunktebene zwischen dem fokussierenden Element und der zu strukturierenden Oberfläche, bevorzugt mittig dazwischen angeordnet istThe element focussing one of the two partial beams can be arranged such that the focal plane between the focussing element and the surface to be structured is preferably arranged centrally between them

Die Anordnung und das Bauteil können auch entlang mindestens einer Achsrichtung relativ zueinander bewegt oder gedreht werden. Dadurch können größere Oberflächenbereiche strukturiert werden. Es ist aber auch eine lokal gezielte Ausbildung von Mustern oder anderen visuell erkennbaren Informationsträgern dadurch möglich, wenn an vorgegebenen Positionen der Bauteiloberfläche eine Strukturierung erfolgt.The arrangement and the component can also be moved or rotated relative to one another along at least one axial direction. This allows larger surface areas can be structured. However, a locally targeted formation of patterns or other visually recognizable information carriers is also possible if structuring takes place at predetermined positions on the component surface.

Die Brennflecke der beiden Teilstrahlen können kreisförmig, linienförmig, rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein. Es sind Periodengrößen (Abstände der Flächenschwerpunkte oder Abstände der mittleren Längsachsen bei linienförmigen Strukturelementen) im Bereich 0,1 µm bis 100 µm realisierbar.The focal spots of the two partial beams can be circular, linear, rectangular or square. Period sizes (distances between the centers of area or distances between the central longitudinal axes in the case of linear structural elements) in the range from 0.1 µm to 100 µm can be achieved.

Es können Laserstrahlen mit den unterschiedlichsten zur Verfügung stehenden Wellenlängen (UV bis IR) eingesetzt werden. Die Laserstrahlung sollte bevorzugt gepulst auf die Oberfläche des Bauteils gerichtet werden.Laser beams with the most varied of available wavelengths (UV to IR) can be used. The laser radiation should preferably be directed onto the surface of the component in a pulsed manner.

Der vom Strahlteiler reflektierte Teilstrahl kann durch den Einsatz der fokussierenden Linse als Kugelwelle verstanden werden. Durch den Einsatz von fokussierenden Elementen beim am Strahlteiler transmittierten Teilstrahl kann dieser ebenfalls als Kugelwelle aufgefasst werden. Dadurch kann der Periodengradient Λ durch die Auswahl der Brennweite der fokussierenden optischen Linse, mit der der vom Strahlteiler reflektierte Teilstrahl auf die zu strukturierende Oberfläche gerichtet wird und dem Winkel 2θ zwischen den beiden Teilstrahlen, beeinflusst werden.The partial beam reflected by the beam splitter can be understood as a spherical wave through the use of the focusing lens. By using focusing elements in the partial beam transmitted at the beam splitter, this can also be interpreted as a spherical wave. As a result, the period gradient Λ can be influenced by the selection of the focal length of the focusing optical lens with which the partial beam reflected by the beam splitter is directed onto the surface to be structured and the angle 2θ between the two partial beams.

Mit der Erfindung kann die Bearbeitungszeit deutlich reduziert werden, da aperiodische Strukturen in einem Bearbeitungszug ausgebildet werden können. Es können ca. 60 cm²/s strukturiert werden.With the invention, the processing time can be significantly reduced, since aperiodic structures can be formed in one processing train. About 60 cm ² / s can be structured.

Durch eine Variation der Interferenzperiode können Muster, z.B. Linienmuster ausgebildet werden, die sich makroskopisch auszeichnen.By varying the interference period, patterns, e.g. line patterns, can be formed that are macroscopic.

So können beispielsweise mit elektromagnetischer Strahlung (sichtbares Licht) bestrahlte mit der Erfindung strukturierte Oberflächen, diese Strahlung so reflektieren, dass sie in einem Blickwinkelbereich von beispielweise ± 15 ° farbig für einen Betrachter erscheinen. Bei periodischen Strukturen ist dies aber lediglich ein einziger Blickwinkel.For example, surfaces structured with the invention that are irradiated with electromagnetic radiation (visible light) can reflect this radiation in such a way that they appear colored to a viewer in a viewing angle range of, for example, ± 15 °. In the case of periodic structures, however, this is only a single point of view.

Wird elektromagnetische Strahlung (sichtbares Licht) durch ein dafür transparentes Bauteil hindurch gerichtet, tritt die transmittierte Strahlung ebenfalls in einem Winkelbereich aus, der etwa gleich groß, wie bei einer Reflexion sein kann.If electromagnetic radiation (visible light) is directed through a component that is transparent for this purpose, the transmitted radiation also emerges in an angular range that can be approximately the same size as in the case of a reflection.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann zur Ausbildung von aperiodisch ausgebildeten und so angeordneten Strukturelementen, die bevorzugt auf Oberflächen optischer oder optoelektronischer Elemente auszubilden sind, eingesetzt werden. So kann beispielsweise bei Elementen, die elektromagnetische Strahlung emittieren oder transmittieren, deren Emissions- oder Transmissionsverhalten günstig beeinflusst werden, indem die emittierten oder transmittierten Einzelstrahlen in verschiedenen Winkeln ausgehend von einer Position austreten, also eine „Auffächerung“ erreichbar ist. Diese Effekte können bei Licht emittierenden Elementen, wie z.B. OLED's aber auch bei photovoltaischen Elementen ausgenutzt werden. Eine mögliche Verwendung besteht auch bei wärmetauschenden Elementen.The arrangement according to the invention can be used to form structural elements that are aperiodic and are arranged in this way and are preferably to be formed on surfaces of optical or optoelectronic elements. For example, in the case of elements that emit or transmit electromagnetic radiation, their emission or transmission behavior can be favorably influenced by the emitted or transmitted individual beams emerging from one position at different angles, so that a “fanning out” can be achieved. These effects can be used with light-emitting elements, such as OLEDs, but also with photovoltaic elements. It can also be used for heat-exchanging elements.

Bei einer Reflexion kann dies beispielsweise für Sicherheitsmerkmale ausgenutzt werden.In the case of a reflection, this can be used for security features, for example.

Optional können eine Einrichtung zur Beeinflussung der Anzahl der Laserpulse, die für eine Strukturierung genutzt werden, ein Strahlformer/Homogenisator, ein Teleskop und/oder eine optische Blende zwischen der Laserstrahlquelle und dem strahlteilenden Element (Strahlteiler) angeordnet werden.Optionally, a device for influencing the number of laser pulses used for structuring, a beam shaper / homogenizer, a telescope and / or an optical diaphragm can be arranged between the laser beam source and the beam-splitting element (beam splitter).

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail below by way of example.

Dabei zeigen:

1 ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung;
2 ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung;
3 ein Beispiel einer mit der Erfindung ausbildbaren Strukturierung mit einer gradierten Strukturperiode;
4 Beispiele aperiodisch und periodisch strukturierter Oberflächen, für eine Reflexion und für eine Transmission elektromagnetsicher Strahlung;
5 ein Diagramm mit dem die Beeinflussbarkeit der Interferenzperiode durch Brennfleckposition des transmittierten Teilstrahls bei einer Ausführung nach dem Beispiel gemäß 2 verdeutlicht ist und
6 ein drittes Beispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.

Show:

1 a first example of an optical arrangement according to the invention;
2 a second example of an optical arrangement according to the invention;
3 an example of a structuring which can be formed with the invention and which has a graded structure period;
4th Examples of aperiodically and periodically structured surfaces, for reflection and for transmission electromagnetic-safe radiation;
5 a diagram with which the ability to influence the interference period through the focal spot position of the transmitted partial beam in an embodiment according to the example according to FIG 2 is clarified and
6th a third example of an optical arrangement according to the invention.

In 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung gezeigt. Dabei wird ein von einer nicht dargestellten Quelle emittierter Laserstrahl 0 auf einen Strahlteiler 5 gerichtet. Der vom Strahlteiler 5 reflektierte Teilstrahl 0.1 wird senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls 0 reflektiert und trifft auf ein reflektierendes optisches Element 6.1 auf, von dem es auf eine fokussierende optische Linse 10 auftrifft, mit der der Teilstrahl 0.1 in Richtung der zu strukturierenden Oberfläche des Bauteils 7 fokussiert wird. Die fokussierende Linse 10 hat bei diesem Beispiel eine Brennweite f, die der Hälfte des Abstandes zwischen der fokussierenden Linse 10 und der Oberfläche des Bauteils 7 entsprecht. Die fokussierende Linse 10 ist dabei in einem Abstand angeordnet, der doppelt so groß, wie die Brennweite f ist.In 1 an example of an optical arrangement according to the invention is shown. A laser beam is emitted from a source (not shown) 0 on a beam splitter 5 directed. The one from the beam splitter 5 reflected partial beam 0.1 becomes perpendicular to the optical axis of the laser beam 0 reflects and hits a reflective optical element 6.1 on of which there is a focusing optical lens 10 hits with which the partial beam 0.1 towards the too structuring surface of the component 7th is focused. The focusing lens 10 in this example has a focal length f which is half the distance between the focusing lens 10 and the surface of the component 7th correspond. The focusing lens 10 is arranged at a distance that is twice as large as the focal length f.

Der reflektierte Teilstrahl 0.1 trifft in einem Winkel, der nicht parallel zur optischen Achse des Laserstrahls 0 ausgerichtet ist, auf die Oberfläche des Bauteils 7 auf.The reflected partial beam 0.1 hits at an angle that is not parallel to the optical axis of the laser beam 0 is aligned with the surface of the component 7th on.

Der Teil des Laserstrahls 0, der durch den Strahlteiler 5 transmittiert wird und den Teilstrahl 0.2 bildet, wird mit einem reflektierenden Element 6.1 zu einem weiteren reflektierenden Element 6.2 und von diesem auf die zu strukturierende Oberfläche des Bauteils 7 gerichtet.The part of the laser beam 0 going through the beam splitter 5 is transmitted and the partial beam 0.2 forms is with a reflective element 6.1 to another reflective element 6.2 and from this onto the surface of the component to be structured 7th directed.

Die beiden Teilstrahlen 0.1 und 0.2 schließen dabei den Winkel 2θ ein und treffen so auf die zu strukturierende Oberfläche des Bauteils 7 auf, dass sich ihre Brennflecken nahezu vollständig überdecken. Es tritt dabei Interferenz auf, die zu einer Laserinterferenzstrukturierung an der Oberfläche des Bauteils 7 führt, bei der eine gradierte Periode erreicht ist.The two partial beams 0.1 and 0.2 enclose the angle 2θ and thus meet the surface of the component to be structured 7th so that their focal spots almost completely overlap. In the process, interference occurs, which leads to laser interference structuring on the surface of the component 7th leads, in which a graduated period is reached.

Das Bauteil 7 ist auf einem Träger 8 angeordnet, mit dem es, wie mit dem Pfeil gekennzeichnet, in mindestens eine Achsrichtung bewegt werden kann, die hier mit y gekennzeichnet ist. Es kann aber auch zusätzlich eine Bewegung in der senkrecht dazu ausgerichteten x-Achsrichtung oder eine Rotationsbewegung bewirkt werden. Dies ist auch bei einer Ausführung beim Beispiel nach 2 möglich.The component 7th is on a carrier 8th arranged, with which it, as indicated by the arrow, can be moved in at least one axial direction, which is indicated here with y. However, a movement in the x-axis direction aligned perpendicular thereto or a rotational movement can also be effected in addition. This is also the case when executing the example according to 2 possible.

Bei dem in 2 gezeigten Beispiel wird der reflektierte Teilstrahl 0.1 analog zum Beispiel nach 1 auf die zu strukturierende Oberfläche des Bauteils 7 gerichtet.The in 2 The example shown is the reflected partial beam 0.1 analogous to the example after 1 on the surface of the component to be structured 7th directed.

Der mittels des Strahlteilers 5 transmittierte Teilstrahl 0.2 trifft auf ein System mit zwei optischen Linsen 10.1 und 10.2 auf und wird mit der optischen Linse 10.2, die näher zum Bauteil 7 angeordnet ist, in Richtung auf dessen Oberfläche fokussiert. Mit der optischen Linse 10.1, die näher zum Strahlteiler 5 angeordnet ist, wird der Teilstrahl 0.2 aufgeweitet. Der mit dem Strahlteiler 5 transmittierte Teilstrahl 0.2 kann dabei so fokussiert werden, dass die Brennpunktebene verändert werden kann. Dies ist durch einfache Bewegung des fokussierenden Linse 10.2 entlang der optischen Achse des Teilstrahls 0.2 möglich. Es kann aber auch der Abstand des Bauteils 7 zur fokussierenden Linse 10.2 verändert werden.The by means of the beam splitter 5 transmitted partial beam 0.2 meets a system with two optical lenses 10.1 and 10.2 on and is with the optical lens 10.2 that are closer to the component 7th is arranged, focused in the direction of its surface. With the optical lens 10.1 that are closer to the beam splitter 5 is arranged, the partial beam 0.2 widened. The one with the beam splitter 5 transmitted partial beam 0.2 can be focused so that the focal plane can be changed. This is by simply moving the focusing lens 10.2 along the optical axis of the partial beam 0.2 possible. But it can also be the distance between the component 7th to the focusing lens 10.2 to be changed.

Mit dem optischen Element 6.3 kann eine Veränderung der Ausrichtung der optischen Achse des vom Strahlteiler 5 transmittierten Teilstrahls 0.2 erreicht werden, wodurch der Winkel 2θ zwischen den beiden Teilstrahlen 0.1 und 0.2 und dadurch wiederum der Periodengradient der auszubildenden Struktur beeinflusst werden kann. Dies kann aber auch durch die Veränderung der Brennpunktebene des Teilstrahls 0.2 erfolgen.With the optical element 6.3 can change the alignment of the optical axis of the beam splitter 5 transmitted partial beam 0.2 can be achieved, whereby the angle 2θ between the two partial beams 0.1 and 0.2 and as a result, the period gradient of the structure to be formed can in turn be influenced. But this can also be done by changing the focal plane of the partial beam 0.2 respectively.

Mit 3 soll eine mögliche Ausbildung einer Strukturierung mit gradierter Periode bei linienförmigen Strukturelementen verdeutlicht werden. Dabei ist es erkennbar, dass die Abstände einzelner Strukturelemente in einer Achsrichtung von links nach rechts verkleinert worden sind. Der kleinste Abstand beträgt dabei 0,1 µm und der größte Abstand 100 µm. Eine solche Strukturierung kann in einem Zug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung ausgebildet werden, ohne dass eine Veränderung oder zusätzliche Bewegung erfolgen muss.With 3 a possible formation of a structuring with a graded period for linear structural elements is to be clarified. It can be seen that the distances between individual structural elements have been reduced in an axial direction from left to right. The smallest distance is 0.1 µm and the largest is 100 µm. Such a structuring can be formed in one go with an arrangement according to the invention, without a change or additional movement having to take place.

Die in 4 gezeigten vier Abbildungen sollen verdeutlichen, wie elektromagnetische Strahlung mit einer mit der Erfindung ausgebildeten Strukturierung beeinflusst werden kann. Dabei zeigen die Abbildungen a) und b) das Verhalten bei Reflexion und die ) und d) bei Transmission.In the 4th The four images shown are intended to illustrate how electromagnetic radiation can be influenced with a structure formed with the invention. Figures a) and b) show the behavior during reflection and the ) and d) for transmission.

Bei den Abbildungen a) und c) wurde eine mit der Erfindung ausgebildete Oberflächenstrukturierung und bei den Abbildungen b) und d) eine Strukturierung, die periodisch ist, gewählt.In figures a) and c) a surface structuring formed with the invention and in figures b) and d) a structuring that is periodic was selected.

Es wird deutlich, dass bei den aperiodisch strukturierten Oberflächen ein Strahl in einen Winkelbereich aufgeweitet und so der optische Eindruck in einem vergrößerten Blickwinkel verändert wird. Bei den periodisch strukturierten Oberflächen (Abb. b) und d)) wird lediglich ein Strahl wieder als Einzelstrahl reflektiert oder transmittiert.It becomes clear that with the aperiodically structured surfaces a beam is widened into an angular range and the optical impression is thus changed in an enlarged viewing angle. In the case of the periodically structured surfaces (Fig. B) and d)), only one beam is reflected or transmitted again as a single beam.

Mit dem in 5 gezeigten Diagramm soll der Einfluss der Position der Brennfleckebene auf der Oberfläche des zu strukturierenden Bauteils 7 für die Beispiele nach den 1 und 2 verdeutlicht werden. Dabei wurde ein Laserstrahl 0 mit einer Wellenlänge von 355 nm eingesetzt. Der Winkel 2θ zwischen den beiden Teilstrahlen 0.1 und 0.2 betrug 20°. Die fokussierende optische Linse 10 hatte eine Brennweite f von 100 mm.With the in 5 The diagram shown should be the influence of the position of the focal point plane on the surface of the component to be structured 7th for the examples after the 1 and 2 be clarified. It was a laser beam 0 used with a wavelength of 355 nm. The angle 2θ between the two partial beams 0.1 and 0.2 was 20 °. The focusing optical lens 10 had a focal length f of 100 mm.

Das fokussierende optische Element 10.2 für den zweiten Teilstrahl 0.2, der vom Strahlteiler 5 transmittiert worden ist, hatte eine Brennweite f von ebenfalls 100 mm.The focusing optical element 10.2 for the second partial beam 0.2 that from the beam splitter 5 has been transmitted, had a focal length f of also 100 mm.

Mit dem Diagramm ist erkennbar, dass bereits geringfügige Veränderungen der Position der Brennfleckebene in Bezug zur Oberfläche des Bauteils 7 einen erheblichen Einfluss auf die jeweils erreichbare Interferenzperiode haben können.The diagram shows that even slight changes in the position of the focal point plane in relation to the surface of the component 7th can have a significant influence on the respective achievable interference period.

In der 6 ist ein drittes Beispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung gezeigt. Dabei wird ein Laserstrahl 0 mittels eines diffraktiven optischen Elements 5.1 in zwei Teilstrahlen 0.1 und 0.2 geteilt. Die beiden Teilstrahlen 0.1 und 0.2 treffen auf die Oberfläche eines ersten optischen Prismas 11, als ein weiteres optisches Element, auf. Diese Oberfläche ist bei diesem Beispiel senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls 0 ausgerichtet ist. Die beiden Teilstrahlen 0.1 und 0.2 werden an dieser Oberfläche und an der dieser Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Prismas 11 gebrochen, so dass sich die Ausrichtung der Teilstrahlen 0.1 und 0.2 ändert. Die gegenüberliegende Oberfläche des Prismas 11 ist dabei in einem Winkel ungleich 90 ° zur optischen Achse des Laserstrahls 0 und der der optischen Achse der beiden Teilstrahlen 0.1 und 0.2, wie sie vor dem Auftreffen auf die erste Oberfläche des optischen Prismas 11 ausgerichtet sind, ausgerichtet.In the 6th a third example of an optical arrangement according to the invention is shown. This is a laser beam 0 by means of a diffractive optical element 5.1 in two partial beams 0.1 and 0.2 divided. The two partial beams 0.1 and 0.2 hit the surface of a first optical prism 11 , as a further optical element. In this example, this surface is perpendicular to the optical axis of the laser beam 0 is aligned. The two partial beams 0.1 and 0.2 are on this surface and on the surface of the prism opposite this surface 11 refracted so that the alignment of the partial beams 0.1 and 0.2 changes. The opposite surface of the prism 11 is at an angle not equal to 90 ° to the optical axis of the laser beam 0 and that of the optical axis of the two partial beams 0.1 and 0.2 as before hitting the first surface of the optical prism 11 are aligned, aligned.

Bei diesem Beispiel ist im Strahlengang des einen Teilstrahls 0.1 ein fokussierendes optisches Element 10 angeordnet, mit dem der Teilstrahl 0.1 so fokussiert wird, dass der Brennpunkt im Strahlengang des Teilstrahls 0.1 vor der Oberfläche des Bauteils 7 auf der die Strukturierung ausgebildet werden soll, angeordnet ist.In this example there is one partial beam in the beam path 0.1 a focusing optical element 10 arranged with which the partial beam 0.1 is focused so that the focal point is in the beam path of the partial beam 0.1 in front of the surface of the component 7th on which the structuring is to be formed is arranged.

Beide Teilstrahlen 0.1 und 0.2 treffen auf ein zweites optisches Prisma 11 auf, das wie das erste optische Prisma 11 ausgereichtet ist und ein weiteres optisches Element darstellt, mit dem die Ausrichtung der optischen Achsen der beiden Teilstrahlen 0.1 und 0.2 ebenfalls verändert werden kann.Both partial beams 0.1 and 0.2 hit a second optical prism 11 on that like the first optical prism 11 is aligned and represents a further optical element with which the alignment of the optical axes of the two partial beams 0.1 and 0.2 can also be changed.

Die beiden optischen Prismen 11 sind dabei so ausgebildet und angeordnet, dass die Teilstrahlen 0.1 und 0.2 so auf die Oberfläche, auf der die Strukturierung ausgebildet werden soll, auftreffen, dass sich ihre Brennflecken überwiegend überdecken.The two optical prisms 11 are designed and arranged so that the partial beams 0.1 and 0.2 strike the surface on which the structuring is to be formed in such a way that their focal spots predominantly overlap.

Bei diesem Beispiel soll das im Strahlengang der Teilstrahlen 0.1 und 0.2 zuerst angeordnete optische Prisma 11 die Strahlrichtung (Ausrichtung der optischen Achsen) der beiden Teilstrahlen 0.1 und 0.2 so verändern, dass sie bis zum Auftreffen auf das zweite optische Prisma 11 parallel verlaufen. Dies ist aber kein zwingendes Erfordernis, sondern kann lediglich vorteilhaft sein.In this example, this should be in the beam path of the partial beams 0.1 and 0.2 optical prism arranged first 11 the beam direction (alignment of the optical axes) of the two partial beams 0.1 and 0.2 change so that they hit the second optical prism 11 run parallel. However, this is not a mandatory requirement, but can only be advantageous.

An Stelle der optischen Prismen 11 können aber auch andere weitere optische Elemente eingesetzt werden, mit denen eine Veränderung der Strahlrichtung der Teilstrahlen 0.1 und 0.2 erreichbar ist. Beispiele sind im allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnt.Instead of the optical prisms 11 however, other further optical elements can also be used with which the beam direction of the partial beams can be changed 0.1 and 0.2 is attainable. Examples are mentioned in the general part of the description.

Claims

Optical arrangement for the formation of structural elements on component surfaces, in which the distances between individual structural elements are changed in at least one axial direction in a graded form, by laser interference structuring, in which a laser beam (0) by means of a beam splitter (5) or a diffractive optical element (5.1) in two partial beams (0.1 and 0.2) is divided and the two partial beams (0.1 and 0.2) are directed to the surface to be structured by means of optical elements (6, 6.1, 6.2, 6.3, 10, 10.1, 10.2, 11) arranged in their beam path that they enclose an angle 2θ and the focal spots of the two partial beams (0.1 and 0.2) on the surface on which the structuring is to be formed, at least for the most part, and the focal plane of one of the two focused partial beams (0.1) by means of an only im Beam path of this a partial beam (0.1) arranged focusing optical lens (10) in front of or is arranged behind the surface on which the structuring is to be formed.

Arrangement according to Claim 1 , characterized in that a partial beam (0.1) which is reflected by the beam splitter (5) is directed onto a reflective element (6) and from the reflective element (6) not parallel to the optical axis of the laser beam (0) onto the surface to be structured of the component (7) and the element (10) focusing this partial beam (0.1) in the direction of the surface of the component (7) is arranged between the reflective element (6) and the surface of the component (7) so that the focal plane this partial beam (0.1) is arranged in front of or behind the surface on which the structuring is to be formed; and the second partial beam (0.2) transmitted through the beam splitter (5) is directed via two reflective elements (6.1 and 6.2) arranged one after the other or by means of at least one second focusing element (10.1, 10.2) onto the surface on which the structure is to be formed .

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the partial beams (0.1 and 0.2) are directed onto further optical elements (11) which are transparent to the laser radiation and the further optical elements (11) have a first surface and a second surface which is inclined at an angle to the optical axis of the laser beam (0), at which the partial beams (0.1 and 0.2) are changed in their beam direction by optical refraction, and in the beam path of one of the partial beams (0.1) between the further optical elements ( 11) and the surface on which the structure is to be formed, a focusing optical lens (10) is arranged.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the partial beam (0.2) transmitted through the beam splitter (5) through a system formed with at least two focusing optical elements (10.1 and 10.2) with a variable focal length onto the surface of the component (7 ) is directed.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the element (5, 5.1) in the beam path in front of the element (5, 5.1) dividing the laser beam (0) into two partial beams (0.1 and 0.2) and / or in the beam path of the reflected and / or transmitted partial beams (0.1 and 0.2) at least one cylindrical lens is arranged as a focusing element (10).

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the element (10) focussing one partial beam (0.1) is arranged such that the focal plane is arranged centrally between the focussing element (10) and the surface to be structured.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the arrangement and the component (7) can be moved relative to one another along at least one axial direction.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the focal spots of the two partial beams (0.1 and 0.2) are circular, linear, rectangular or square.

Use of an arrangement according to one of the preceding claims for the formation of aperiodically formed and thus arranged structural elements on surfaces.

Use of an arrangement according to one of the preceding claims for the formation of aperiodically formed and thus arranged structural elements on surfaces of optical, optoelectronic or heat-exchanging elements.