-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
diffraktiven optischen Bauteils, bei dem einem optisch wirksamen
Körper
eine vorgegebbare bleibende Diffraktionsstruktur aufgeprägt wird.
Sie betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung
eines. solchen Bauteils.
-
Optische
Gitter als derartige diffraktive optische Bauteile werden in der
Regel entweder durch mechanische Bearbeitung eines Grundkörpers mit entsprechenden
Präge- oder Ritzwerkzeugen
oder unter Verwendung photographischer Verfahren erzeugt. In beiden
Fällen.
besteht jedoch der Nachteil, dass für jedes Bauteil der gesamte
Erzeugungsprozess der in der Regel äußerst filigranen Gitterstruktur von
neuem erfolgen muss.
-
Bei
einfachen Anwendungen kann man sich zwar damit behelfen, von einem
einmal erzeugten Originalgitter Abdrücke, beispielsweise aus Kunststoff,
zu erstellen. Für
Präzisionsanwendungen
sind derartige Abdrücke
in der Regel jedoch nicht geeignet.
-
Aus
der
US 5,948,321 A ist
es im Zusammenhang mit Flachdisplays bekannt, dass sich in einem
zwischen entsprechenden Begrenzungen ausgebildeten dünnen Film
aus einer magnetischen Flüssigkeit,
die aus einer Dispersion ultrakleiner ferromagnetischer Partikel
in einer Trägerflüssigkeit
besteht, unter Einwirkung eines homogenen Magnetfeldes je nach dessen
Stärke
eine unterschiedlich organisierte Anordnung der Partikel erzielen
lässt.
Die sich in Abhängigkeit
vom äußeren Magnetfeld
ergebenden geordneten Strukturen wirken sich dabei unter anderem
auf die Eigenschaften des Films hinsichtlich Diffraktion und Polarisation
aus, weshalb in dem genannten Dokument vorgeschlagen wird, ein solches
Dünnfilmelement
als monochromen Lichtschalter bzw. steuerbaren Wellenlängenfilter
einzusetzen.
-
Mit
einem solchen Dünnfilmelement
ließe sich
zwar ebenfalls ein diffraktives Bauelement realisieren. Dies wäre jedoch
mit einem erheblichen Aufwand verbunden, da zumindest stets sichergestellt sein
müsste,
dass im Betrieb ein entsprechendes homogenes externes Magnetfeld
vorhanden ist, welches die diffraktiven Eigenschaften sicherstellt.
-
Aus
der US
4,946,613 A ist
im Zusammenhang mit der Prüfung
von Bauteilen im Übrigen
noch bekannt, dass sich in freien Schichten aus magnetischen Flüssigkeiten
im Bereich von Fehlstellen eines zu untersuchenden Bauteils, das
in einem homogenen externen Magnetfeld angeordnet ist, unterschiedliche
Schichtdicken einstellen. Dies resultiert aus der Störung des
Magnetfelds durch die Fehlstelle. Um die Fehlstelle auch nach Wegfall
des externen Magnetfelds noch identifizieren zu können, wird
vorgeschlagen, die magnetische Flüssigkeit auszuhärten, solange
das homogene externe Magnetfeld anliegt, und die Oberfläche der
ausgehärteten
Schicht dann einer optischen Untersuchung zu unterziehen, um den
Ort von Fehlstellen zu lokalisieren.
-
Aus
der
JP 03135725 A ist
ein Verfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Bauteils bekannt,
bei dem ein Feldkörper
zunächst
entsprechend der gewünschten
Gitterstruktur magnetisiert und hierauf anschließend eine Schicht einer magnetischen
Flüssigkeit
aufgebracht wird. Nachdem sich die Gitterstruktur ausgebildet hat,
wird auf der magnetischen Flüssigkeit
ein dünner
Metallfilm abgeschieden, der dann abgeschält und dazu verwendet wird,
entsprechende diffraktive optische Bauteile hiervon abzuformen.
Auch hier erfolgt also wieder eine Abformung des Gitters mit den
oben bereits erwähnten
Genauigkeitsproblemen.
-
Aus
der
JP 04067003 A ist
schließlich
ein gattungsgemäßes Verfahren
zum Herstellen eines diffraktiven optischen Bauteils bekannt, bei
dem das diffraktive optische Bauteil mittels eines über einen Schreibkopf
permanent magnetisierten Feldkörpers hergestellt
wird. Hierzu wird der Feldkörper
zunächst entsprechend
der gewünschten
Gitterstruktur magnetisiert. Anschließend wird eine Schicht einer
aushärtbaren
magnetischen Flüssigkeit
aufgebracht und, nachdem sich die Gitterstruktur ausgebildet hat, ausgehärtet.
-
Dieses
Verfahren weist zum einen den Nachteil auf, dass im Betrieb Korrekturen
an der Diffraktionsstruktur nur durch erneute Magnetisierung des Feldkörpers möglich sind,
sodass hiermit zum einen ein relativ hoher Aufwand für die erstmalige
Einrichtung der entsprechenden Herstellungsvorrichtung sowie deren
Nachführung
im Betrieb erforderlich ist. Zum anderen weist es den Nachteil auf,
dass aufgrund der bereits vorhandenen Magnetisierung des Feldkörpers beim
Aufbringen der ersten Schicht auf den Feldkörper vergleichsweise strikte
Randbedingungen für
das Aufbringen der ersten Schicht einzuhalten sind, um einen schnellen
Aufbau einer gleichmäßigen Gitterstruktur
zu erzielen.
-
Ausgehend
von den Nachteilen im Zusammenhang mit den oben genannten diffraktiven
Bauteilen liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zu
Grunde, ein Verfahrensowie eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art zur Verfügung
zu stellen, welches bzw. welche die oben genannten Nachteile nicht
oder zumindest in geringerem Maße aufweist
und insbesondere in einfacher und gut reproduzierbarer Weise eine
schnelle Herstellung eines solchen diffraktiven optischen Bauteils
ermöglicht.
-
Die
vorliegende Erfindung löst
diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale. Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe weiterhin
ausgehend von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
16 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 16 angegebenen Merkmale.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die technische Lehre zu Grunde, dass
sich die Herstellung eines diffraktiven optischen Bauteils besonders
einfach sowie gut und problemlos reproduzierbar gestaltet, wenn
man zumindest einen Teil des diffraktiven Bauteils dadurch erzeugt,
dass durch ein Magnetfeld entsprechender Feldverteilung eine der
gewünschten Diffraktionsstruktur
entsprechende freie Verformung einer ersten Schicht aus einer magnetischen
Flüssigkeit
bewirkt wird, die dann durch Aushärten der magnetischen Flüssigkeit
fixiert wird.
-
Die
Diffraktionsstruktur ergibt sich dann ohne weiteres, aus der durch
die Feldverteilung des Magnetfeldes hervorgerufene variierende Dicke
der ersten Schicht, d. h. aus der durch die Feldverteilung des Magnetfeldes
induzierten Topografie der ersten Schicht, welche durch das Aushärten fixiert
wird.
-
Erfindungsgemäß wird hierzu
zunächst
eine erste Schicht aus einer aushärtbaren magnetischen Flüssigkeit
gebildet. Dieser ersten Schicht wird dann in einem ersten, nicht
ausgehärteten
Zustand ein Magnetfeld mit einer der Diffraktionsstruktur entsprechenden
vorgegebenen Feldverteilung aufgeprägt. Schließlich wird die erste Schicht
zur Bildung wenigstens eines Teils des mit der Diffraktionsstruktur
versehenen Bauteils ausgehärtet.
Das Magnetfeld wird dabei zumindest solange aufrecht erhalten, bis
eine zur Erhaltung der Diffraktionsstruktur ausreichende Formstabilität der ersten
Schicht erzielt ist.
-
Das
Magnetfeld wird unter Verwendung eines Feldkörpers erzeugt, der die der
Diffraktionsstruktur entsprechende Feldverteilung bewirkt. Vorzugsweise
wird der Feldkörper
im Bereich der ersten Schicht angeordnet, da dann eine besonders
präzise Verformung
der ersten Schicht erzielt wird.
-
Der
Feldkörper
ist so gestaltet, dass er ein homogenes extern erzeugtes Magnetfeld
zumindest in seiner Umgebung derart modifiziert, dass in seinem
Bereich die gewünschte
Feldverteilung entsteht. So kann der Feldkörper beispielsweise in einer
in seiner Ebene verlaufenden Richtung schichtweise aus Materialien
mit unterschiedlichen Eigenschaften aufgebaut sein, die ein externes
Magnetfeld entsprechend modifizieren.
-
Die
freie Verformung der magnetischen Flüssigkeit bringt den Vorteil
mit sich, dass sich das Bauteil in relativ kurzer Zeit herstellen
lässt.
Es muss lediglich die erste Schicht erzeugt werden, die sich dann
nach Aufbau des Magnetfelds in deren Bereich sofort in vergleichsweise
kurzer Zeit über
ihre gesamte Erstreckung in der gewünschten Weise verformt. Es
muss sich dann unter Aufrechterhaltung des Magnetfelds lediglich
noch ein Aushärtungsvorgang
bis zum Erreichen ausreichender Formstabilität anschließen.
-
Weiterhin
ist von Vorteil, dass nach einmaliger Konfiguration der Einrichtung
zur Erzeugung des Magnetfelds mit der vorgegebenen Feldverteilung, die
der gewünschten
Diffraktionsstruktur entspricht, zumindest über einen längeren Zeitraum kein weiterer
Aufwand für
die Konfiguration des Magnetfelds anfällt. Das Magnetfeld muss in
der Regel nur noch für
die Bearbeitung der jeweiligen ersten Schicht in deren Bereich erzeugt
werden. Dies ist in der Regel ebenfalls in sehr kurzer Zeit möglich. So
kann es je nach Art der Erzeugung des Magnetfelds genügen, die
Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds einfach nur einzuschalten.
Schließlich
kann es genügen, die
aushärtbare
Schicht im Bereich dieses Feldkörpers
zu erzeugen und das externe Magnetfeld aufzubauen.
-
Die
Erfindung bringt weiterhin den Vorteil mit sich, dass sich je nach
Anwendungsfall des diffraktiven Bauteils die beliebige vorgebbare
Diffraktionsstrukturen erzielen lassen. Es muss lediglich ein entsprechender
vorgebbarer Feldverlauf des Magnetfelds erzeugt werden. Hierbei
können
insbesondere auch nichtperiodische vorgebbare Verläufe des
Magnetfelds und damit auch der Diffraktionsstruktur erzielt werden.
-
Bei
besonders einfach zu realisierenden Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
weist die Diffraktionsstruktur zumindest abschnittsweise eine Periodizität auf. Demgemäß weist
dann auch das Magnetfeld entsprechend der Diffraktionsstruktur eine
zumindest abschnittsweise periodische Feldverteilung auf.
-
Weiterhin
ergibt sich eine besonders einfache Realisierung, wenn geometrisch
einfache Diffraktionsstrukturen realisiert werden, beispielsweise wenn
die Feldverteilung derart gewählt
wird, dass die Diffraktionsstruktur ein Gitter mit einer Struktur
aus parallelen Linien oder konzentrischen Kreisen ausbildet. Die
Linien bzw. Kreise werden hier durch Erhebungen bzw. Vertiefungen
der ersten Schicht gebildet. Es versteht sich, dass auch hier wieder
sowohl periodische als auch nichtperiodische Linien- bzw. Kreiskonfigurationen
erzielt werden können.
-
Bei
vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen,
dass die Feldverteilung derart gewählt wird, dass die Diffraktionsstruktur
ein Gitter mit binärer
Struktur ausbildet. Eine binäre
Struktur soll hierbei eine Gestaltung bezeichnen, bei der die Struktur
der ersten Schicht nur zwei unterschiedliche Zustände mit
entsprechend unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufweist.
So kann eine Erhebung der ersten Schicht beispielsweise einen ersten
Zustand kennzeichnen, während
die daran anschließende
Vertiefung der ersten Schicht den zweiten Zustand markiert. Es versteht
sich, dass auf Grund der freien Verformung der ersten Schicht Übergangsbereiche
zwischen diesen beiden Zustände
vorhanden sind, in denen die optischen Eigenschaften der ersten
Schicht zwischen denjenigen des ersten Zustandes und denjenigen
des zweiten Zustand variieren. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung
soll eine solche binäre
Struktur dann gegeben sein, wenn der Einfluss solcher Übergangsbereiche auf
das mit dem diffraktiven Bauteil erzielte Ergebnis vernachlässigbar
ist.
-
Bei
anderen, vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Feldverteilung derart gewählt, dass die Diffraktionsstruktur
ein Gitter mit nicht-binärer
Gradientenstruktur ausbildet. In diesen Fällen weist die erste Schicht
mit anderen Worten mehr als zwei Zustände mit entsprechender Schichtdicke
und entsprechenden optischen Eigenschaften auf. Auch hier können wieder
eine Reihe diskreter Zustände
realisiert werden. Es lassen sich aber auch kontinuierliche Zustandsänderungen,
d. h. beispielsweise Dickenänderungen,
der ersten Schicht erzielen. So ist es beispielsweise in einfacher Weise
möglich
hierdurch so genannte Sinusgitter, aber auch so genannte Echelettegitter
zu erzeugen, die sich durch eine sägezahnförmige Diffraktionsstruktur
auszeichnen.
-
Die
erste Schicht kann mit einer über
ihre gesamte Erstreckung gleich bleibenden Struktur versehen werden.
Bei günstigen
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jedoch über die Erstreckung
der ersten Schicht auch eine Kombination unterschiedlicher Diffraktionsstrukturen
vorgesehen sein. So kann vorgesehen sein, dass die Diffraktionsstruktur
in einem ersten Abschnitt eine erste Strukturierung aufweist und
in einem zweiten Abschnitt eine zweite Strukturierung aufweist.
Das Magnetfeld weist dann in dem ersten Abschnitt eine erste Feldverteilung
entsprechend der ersten Strukturierung auf, während es in dem zweiten Abschnitt
eine zweite Feldverteilung entsprechend der zweiten Strukturierung
besitzt. Hierdurch lassen sich in einfacher Weise an beliebige Anforderungen
angepasste diffraktive Bauteile erzeugen.
-
Die
räumliche
Zuordnung zwischen der ersten Schicht und dem Feldkörper kann
in vielfacher Weise hergestellt werden. Dabei kann vorgesehen sein,
dass ein bestimmter Abstand zwischen dem Feldkörper und der ersten Schicht
besteht. Bei besonders einfachen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die erste Schicht auf den Feldkörper aufgebracht. Dies kann
in vielfacher Weise, beispielsweise durch Tauchen oder Sprühen sowie durch
Aufstreichen, beispielsweise mit einer Rakel oder dergleichen, erfolgen.
Es sollte in der Regel lediglich eine möglichst gleichmäßige Verteilung
der magnetischen Flüssigkeit über die
Erstreckung der ersten Schicht sichergestellt sein.
-
Es
sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht
auf Anwendungen mit einer im wesentlichen ebenen ersten Schicht
beschränkt
ist. Je nach den Eigenschaften der magnetischen Flüssigkeit,
beispielsweise deren Viskosität,
Benetzungsfähigkeit etc.,
kann die erste Schicht auch in nahezu beliebiger anderer Weise geformt
sein. So können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
beispielsweise so genannte Konkavgitter erzeugt werden. Unerwünschten
Schwerkrafteinflüssen
auf die erste Schicht kann dabei mechanisch, d. h. durch Erzeugung
gegengerichteter Beschleunigungen auf die erste Schicht, entgegengewirkt
werden. Insbesondere ist es aber möglich durch das Magnetfeld
einen Ausgleich zu erzielen, beispielsweise durch einen der eigentlichen Feldverteilung überlagerten
Feldgradienten zur Kompensation der Schwerkrafteinflüsse. Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt hierbei insbesondere darin, dass der einmal konditionierte
Feldkörper
gegebenenfalls für
die Verarbeitung einer großen
Anzahl erster Schichten verwendet werden kann.
-
Sofern
sich die zumindest teilweise ausgehärtete erste Schicht gut von
den Festkörper
lösen lässt, kann
die erste Schicht unmittelbar auf den Feldkörper aufgetragen werden. Vorzugsweise
ist jedoch vorgesehen, dass eine das Ablösen der zumindest teilweise
ausgehärteten
ersten Schicht vom Feldkörper
erleichternde zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und dem
Feldkörper
angeordnet wird. Hierbei kann es sich insbesondere um eine Trennfolie
oder eine Trennplatte handeln. Es kann sich bei der zweiten Schicht
aber auch um ein pulver- oder granulatförmiges sowie um ein flüssiges oder pastöses Trennmittel
handeln. Die zweite Schicht kann beispielsweise aus Glas oder einem
oder mehreren Kunststoffen bestehen. Die zweite Schicht kann bei
der weiteren Verarbeitung der ersten Schicht ebenfalls von der ausgehärteten ersten Schicht
abgetrennt werden. Vorzugsweise ist die zweite Schicht bleibend
mit der ersten Schicht verbunden und daher ebenfalls Bestandteil
des optischen Bauteils. Sofern es sich bei dem optischen Bauteils
um einen transmissives Bauteil handelt, muss die zweite Schicht
dann natürlich
in dem bzw. den entsprechenden Frequenzbereichen Lichtdurchlässigkeit
aufweisen, während
dies bei reflexiven Bauteilen nicht der Fall sein muss.
-
Als
magnetische Flüssigkeiten
kommen grundsätzlich
beliebige Flüssigkeiten
in Betracht, welche unter Einfluss eines Magnetfelds eine entsprechende
freie Verformung zeigen. Bevorzugt wird als magnetische Flüssigkeit
eine sedimentationsstabile Dispersion ultrakleiner ferromagnetischer
Partikel in einer aushärtbaren
Trägerflüssigkeit
verwendet. Die Partikel weisen vorzugsweise einen Partikeldurchmesser
unterhalb von 20 nm, weiter vorzugsweise liegen die Partikeldurchmesser
im Bereich von 5 bis 10 nm. Bei den Partikeln kann es sich beispielsweise
um Magnetite oder Mangan-Zink-Ferrite handeln.
-
Das
Aushärten
der Trägerflüssigkeit
kann durch Erstarrung bei Abkühlen
auf eine bestimmte Temperatur, vorzugsweise auf Raumtemperatur erfolgen.
Bei besonders vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt das Aushärten der
ersten Schicht zumindest teilweise durch Vernetzung der Trägerflüssigkeit.
Diese Vernetzung kann in beliebiger bekannter Weise induziert sein,
beispielsweise durch bestimmte Komponenten (Härter) der Trägerflüssigkeit
selbst, welche nach einer bestimmten Zeit einen bestimmten, bis
zur vollständigen
Vernetzung fortschreitenden Vernetzungsgrad bewirken. Vorzugsweise
erfolgt sie unter Bestrahlung der ersten Schicht mit einer elektromagnetischen
Strahlung, bevorzugt unter Bestrahlung mit Licht. Hierbei findet bevorzugt
UV-Licht Anwendung.
-
Bei
bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen,
dass eine magnetische Flüssigkeit
verwendet wird, die zumindest in einem zweiten, ausgehärteten Zustand
in wenigstens einem Frequenzbereich lichtdurchlässig ist. Diese Varianten eignen
sich besonders für
die Herstellung von Transmissionsgittern.
-
Bei
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zur Herstellung von Reflexionsgittern eine magnetische Flüssigkeit
verwendet, die zumindest in einem zweiten, ausgehärteten Zustand
in wenigstens einem Frequenzbereich reflektierend ist. Zusätzlich oder
alternativ kann die erste Schicht zumindest abschnittsweise mit einer
Reflexionsschicht versehen werden.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Herstellen
eines diffraktiven optischen Bauteils mit einer Strukturierungseinrichtung zum
Aufprägen
einer vorgebbaren bleibenden Diffraktionsstruktur auf einen optisch
wirksamen Körper: Erfindungsgemäß umfasst
die Strukturierungseinrichtung folgende Einrichtungen:
- – eine
Schichterzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer ersten Schicht aus
einer aushärtbaren magnetischen
Flüssigkeit,
- – eine
Felderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds, das der
ersten Schicht in einem ersten, nicht ausgehärteten Zustand aufgeprägt ist und
eine der Diffraktionsstruktur entsprechende, vorgegebene Feldverteilung
aufweist, sowie
- – eine
Aushärteinrichtung
zum Aushärten
der ersten Schicht zur Bildung wenigstens eines Teils des mit der
Diffraktionsstruktur versehenen Bauteils.
-
Die
Felderzeugungseinrichtung ist der Aushärteinrichtung zumindest zeitweise
zugeordnet. Sie ist weiterhin derart ausgebildet, dass das Magnetfeld zumindest
solange aufrecht erhalten wird, bis eine zur Erhaltung der Diffraktionsstruktur
ausreichende Formstabilität
der ersten Schicht erzielt ist.
-
Um
die gewünschte
Feldverteilung zu erzielen, umfasst die Felderzeugungseinrichtung
einen Feldkörper,
der die der Diffraktionsstruktur entsprechende Feldverteilung bewirkt.
Dieser Feldkörper kann
in der oben bereits beschriebenen Weise ausgestaltet sein. Insbesondere
kann es sich um einen magnetisierbaren Feldkörper handeln.
-
Eine
solche Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
Die mit einer solchen Vorrichtung erzielbaren Vorteile sind größtenteils
bereits oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
beschrieben, sodass auch hier lediglich auf die obigen Ausführungen
verwiesen werden soll.
-
Bevorzugt
ist die Felderzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer zumindest abschnittsweise
periodischen Feldverteilung ausgebildet ist, die einer Diffraktionsstruktur
mit zumindest abschnittsweiser Periodizität entspricht.
-
Um
optische Bauteile mit abschnittsweise unterschiedlichen Diffraktionsstrukturen
herzustellen, ist die Felderzeugungseinrichtung bei günstigen Weiterbildungen
der Erfindung zum Erzeugen abschnittsweise unterschiedlicher Feldverteilungen ausgebildet.
So ist es hiermit möglich,
optische Bauteile herzustellen, deren Diffraktionsstruktur in einem ersten
Abschnitt eine erste Strukturierung aufweist und in einem zweiten
Abschnitt eine zweite Strukturierung aufweist.
-
Bei
vorteilhaften Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen,
dass die Aushärteinrichtung
eine Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen der ersten Schicht mit
einer elektromagnetischen Strahlung umfasst.
-
Bei
weiteren günstigen
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zur Herstellen reflektiver
optischer Bauteile verwendet werden können, ist eine Beschichtungseinrichtung
zum zumindest abschnittsweisen Beschichten, insbesondere Bedampfen,
der ersten Schicht mit einer Reflexionsschicht vorgesehen.
-
Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen bzw. der
nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels,
welche auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug nimmt. Es zeigen
-
1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines
Verfahrens zur Herstellung eines diffraktiven optischen Bauteils,
bei dem wie bei der Erfindung ein Magnetfeld zum Einsatz kommt;
-
2 eine
schematische Darstellung der Felderzeugungseinrichtung aus 1;
-
3 einen
schematischen Teilschnitt durch ein optisches Bauteil während der
Herstellung mit der Vorrichtung aus 1;
-
4 einen
schematischen Teilschnitt durch ein weiteres optisches Bauteil während der
Herstellung;
-
5 einen
schematischen Teilschnitt durch ein anderes optisches Bauteil während der
Herstellung;
-
6 einen
schematischen Teilschnitt durch ein weiteres optisches Bauteil während der
Herstellung;
-
7 einen
schematischen Teilschnitt durch ein optisches Bauteil während seiner
Herstellung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
unter Verwendung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 zeigt
eine schematische, nicht maßstäbliche Darstellung
einer Vorrichtung zur Herstellung eines diffraktiven optischen Bauteils
unter Verwendung eines Magnetfelds.
-
Die
Vorrichtung umfasst eine Felderzeugungseinrichtung 1, eine
Schichterzeugungseinrichtung 2, eine der Schichterzeugungseinrichtung 2 nachgeschaltete
Aushärteinrichtung 3 sowie
eine der Aushärteinrichtung 3 nachgeschaltete
Trenneinrichtung 4.
-
Die
Felderzeugungseinrichtung 1 umfasst eine Magnetisierungseinrichtung 1.1 und
eine Reihe von plattenförmigen
Feldkörpern 1.2,
die jeweils aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Bevorzugt
sind mindestens so viele Feldkörper 1.2 vorgesehen,
wie Stationen bei der Durchführung
des Verfahrens zu durchlaufen sind, um einen kontinuierlichen, hohen
und gegebenenfalls taktsynchronen Ausstoß an optischen Bauteilen zu
erzielen. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten auch nur
ein einziger Feldkörper
vorgesehen sein kann.
-
Dem
jeweiligen Feldkörper 1.2 wird,
wie weiter unten noch detaillierter beschrieben wird, durch die
Magnetisierungseinrichtung im Bereich seiner Oberseite 1.3 eine
zumindest für
einen längeren
Zeitraum bleibende Magnetisierung aufgeprägt. Diese Magnetisierung ist
derart gestaltet, dass im Bereich der Oberseite 1.3 des
Feldkörpers 1.2 ein
Magnetfeld mit einer vorgegebenen Feldverteilung besteht.
-
In
der Schichterzeugungseinrichtung 2 werden eine erste Schicht 5 und
eine zweite Schicht 6 auf die mit der Magnetisierung versehene
Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 aufgebracht.
Die zweite Schicht 6 ist dabei zwischen der ersten Schicht 5 und der
Oberfläche
an der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 angeordnet.
Sie ist im vorliegenden Beispiel als dünne Kunststoff-Trennfolie 6 ausgebildet,
welche das spätere
Ablösen
der ersten und zweiten Schicht 5, 6 von der Oberseite 1.3 des
Feldkörpers 1.2 erleichtert.
-
Es
versteht sich, dass die zweite Schicht auch aus einem anderen Material
gebildet sein kann. So kann sie beispielsweise in Form einer Trennplatte aus
Glas gestaltet sein. Schließlich
kann es sich bei der zweiten Schicht auch um ein einfaches Trennmittel,
beispielsweise eine geeignete Flüssigkeit
oder Paste etc. handeln, welche das Ablösen der ersten Schicht vom
Feldkörper
erleichtert.
-
Die
erste Schicht 5 besteht aus einer aushärtbaren magnetischen Flüssigkeit.
Sie wird nach Aufbringen der Trennfolie 6 auf die Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 durch
eine geeignete – nicht
dargestellte – Sprüheinrichtung
auf die dem Feldkörper 1.2 abgewandte
Oberseite der Trennfolie aufgesprüht. Die Sprüheinrichtung ist dabei durch
geeignete Düsenanordnung
so ausgebildet, dass eine zunächst möglichst
gleichmäßige Verteilung
der magnetischen Flüssigkeit über die
vorhandene Oberseite 1.3 bzw. einen vorgegebenen Abschnitt
dieser Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 erzielt
wird.
-
Bei
der magnetischen Flüssigkeit
handelt es sich um eine sedimentationsstabile Dispersion ultrakleiner
ferromagnetischer Partikel in einer aushärtbaren Trägerflüssigkeit. Die Partikel bestehen
im vorliegenden Beispiel aus Magnetit und weisen einen Partikeldurchmesser
von etwa 8 nm auf. Die Trägerflüssigkeit
besteht aus einem unter UV-Licht durch Vernetzung aushärtbaren
Polymer.
-
Durch
die Einwirkung des im Bereich der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 vorhandenen
Magnetfelds ergibt sich in einem ersten, noch nicht ausgehärteten Zustand
eine Verformung der ersten Schicht 5, die nach einer bestimmten
Zeit zur Ausbildung einer Diffraktionsstruktur 5.1 an der
dem Feldkörper 1.2 abgewandten
Oberseite der ersten Schicht 5 führt. Die Geometrie der Diffraktionsstruktur 5.1 ist
dabei durch die Feldverteilung des Magnetfelds vorgegeben. Mit anderen Worten
wird also je nach der durch die Magnetisierung des Feldkörpers 1.2 erzielten
Feldverteilung eine bestimmte vorgegebene Diffraktionsstruktur 5.1 erzielt.
-
In
der Aushärteinrichtung 3 wird
die erste Schicht 5 zumindest solange mit UV Licht bestrahlt und
zusammen mit der Trennfolie 6 auf dem Feldkörper 1.2 belassen,
bis eine ausreichende Formstabilität der ersten Schicht 5 erzielt
wird, welche die Erhaltung der Diffraktionsstruktur 5.1 gewährleistet.
Vorzugsweise dauert die Bestrahlung solange an, bis eine im wesentlichen
vollständige
Aushärtung
der ersten Schicht 5 erzielt wurde.
-
In
der an die Aushärteinrichtung 3 anschließenden Trenneinrichtung 4 wird
die erste Schicht 5 dann zusammen mit der Trennfolie 6 von
dem Feldkörper 1.2 getrennt.
Die Trennfolie 6 ist dabei bleibend mit der ersten Schicht 5 verbunden
und bildet zusammen mit dieser das gewünschte diffraktive optische
Bauteil 7.
-
Sowohl
die ausgehärtete
Trägerflüssigkeit der
ersten Schicht 5 als auch die Trennfolie 6 sind
im gezeigten Beispiel zumindest in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich
Licht durchlässig,
sodass mit ihnen ein transmissives optisches Bauteil 7 hergestellt
werden kann.
-
Der
Feldkörper 1.2 wird
dann, wie durch den Pfeil 8 angedeutet ist, wieder zur
Schichterzeugungseinrichtung 2 transportiert, wo er von
neuem mit einer ersten und zweiten Schicht 5, 6 versehen
wird. Seine permanente Magnetisierung stellt dabei sicher, dass zumindest
mehrere der oben beschriebenen Herstellungsabläufe für optische Bauteile 7 mit
ihm durchgeführt
werden können,
ohne dass eine erneute Magnetisierung erforderlich wäre.
-
Ist
im Feldkörper 1.2 eine
einen bestimmten Grenzwert überschreitende
Abschwächung
der Magnetisierung eingetreten oder soll mit einer veränderten
Feldverteilung eine veränderte
Diffraktionsstruktur hergestellt werden, wird der Feldkörper 1.2 zur
erneuten oder modifizierten Magnetisierung zur Magnetisierungseinrichtung 1.1 transportiert,
wie dies in 1 durch den gestrichelten Pfeil 9 angedeutet
ist.
-
Die
Trenneinrichtung 4 ist im vorliegenden Beispiel gleichzeitig
als Beschichtungseinrichtung ausgebildet, in der die mit der Diffraktionsstruktur 5.1 versehene
Oberseite der ersten Schicht mit einer reflektierenden Beschichtung
versehen werden kann, um ein diffraktives Reflexionsbauteil herzustellen. Die
reflektierende Beschichtung wird dabei durch Bedampfen der Oberfläche mit
einem entsprechend reflektierenden Material hergestellt. Es versteht
sich jedoch, dass bei anderen Varianten eine solche Beschichtungseinrichtung
auch fehlen kann, wenn beispielsweise nur transmissive Bauteile
hergestellt werden sollen oder die erste Schicht selbst schon für ein Reflexionsbauteil
ausreichende reflektierende Eigenschaften aufweist.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung der Felderzeugungseinrichtung aus 1 mit
dem Feldkörper 1.2 und
der Magnetisierungseinrichtung 1.1. Die Magnetisierungseinrichtung 1.1 umfasst
dabei einen Schreibkopf 10, der nach Art eines herkömmlichen
Schreib/Lesekopfs für
Magnetspeicher ausgebildet ist. Der Schreibkopf 10 wird über eine – nicht
dargestellte – Antriebseinrichtung
in Richtung der Pfeile 11 und 12 über den
Feldkörper 1.2 verfahren.
Zur Steuerung des Grades der Magnetisierung des Feldkörpers 1.2 ist
der dabei mit einer entsprechenden Steuereinrichtung 13 verbunden.
Die Steuereinrichtung 13 übernimmt dabei im Übrigen auch die
Ansteuerung der Antriebseinrichtung.
-
Der
Schreibkopf 10 wird so über
die Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 verfahren,
dass im Bereich der Oberseite 1.3 parallele, linienförmige Magnetisierungsbereiche
des Feldkörpers 1.2 erzeugt
werden, die in 1 durch die parallelen Linien 14 angedeutet
sind. Der Abstand d der Magnetisierungsbereiche 14 ist
dabei durch die gewünschte
Diffraktionsstruktur vorgegeben. Im gezeigten Beispiel liegt er
bei konstant bei etwa 1 μm,
sodass sich eine periodische Linienstruktur ergibt, die etwa 1000
Linien pro mm aufweist.
-
3 zeigt
einen schematischen Teilschnitt durch das Bauteil 7 während der
Herstellung mit der Vorrichtung aus 1. Das Bauteil 7 befindet
sich dabei noch in der Schichterzeugungseinrichtung 1,
in der zuvor unter Verfahren einer durch die Kontur 15 angedeuteten
Düse in
Richtung des Pfeil 16 die erste Schicht 5 auf
die Trennfolie 6 aufgesprüht wurde.
-
Die
zuvor magnetisierten Bereiche des Feldkörpers 1.2, die in 3 durch
die Bereiche 14 angedeutet sind, bewirken eine Verformung
der ersten Schicht 5. Dabei bilden sich angrenzend an die
magnetisierten Bereiche 14 Materialansammlungen in der
ersten Schicht 5, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht
ist. Gewisse Zeit nach dem Aufsprühen der ersten Schicht 5 hat
sich dann an der Oberseite 1.3 der ersten Schicht also
die in 3 dargestellte Diffraktionsstruktur 5.1 ausgebildet.
-
Es
sei hier angemerkt, dass der Abstand der Außenkontur der Bereiche 14 bis 14''' zu
dem zugehörigen
Lotpunkt auf der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 in
den 3 bis 6 jeweils einen groben Anhaltspunkt
für die
Stärke
des Magnetfeldes an dem betreffenden Lotpunkt auf der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 geben
soll.
-
Durch
die magnetisierten Bereiche 14 wird ein Magnetfeld erzeugt,
das wegen des konstanten Abstandes d zwischen den magnetisierten
Bereichen 14 eine periodische Feldverteilung aufweist.
Diese Feldverteilung entspricht der Diffraktionsstruktur 5.1 und
spiegelt sich auch in dieser wieder. So weisen die Scheitelpunkte 5.2 der
Erhebungen der Diffraktionsstruktur 5.1 ebenfalls den gleichbleibenden
Abstand d auf.
-
Die
beschriebene Diffraktionsstruktur 5.1 bildet somit im vorliegenden
Fall ein periodisches Gitter mit etwa 1000 parallelen Linien pro
mm aus. Es handelt sich im vorliegenden Fall um ein so genanntes Gitter
mit binärer
Struktur, d. h. es bildet zwei Zustände mit bestimmten optischen
Eigenschaften aus, die innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs
liegen. Ein erster wirksamer Zustand ist durch die Abschnitte im
Bereich der Scheitelpunkte 5.2 der Erhebungen vorgegeben.
Ein zweiter wirksamer Zustand ist durch die Abschnitte im Bereich
der Scheitelpunkte 5.3 der Vertiefungen vorgegeben. Die Übergangsbereiche zwischen
diesen Bereichen, d. h. zwischen diesen beiden Zuständen, weisen
optische Eigenschaften auf, die denjenigen des ersten Zustandes
und denjenigen des zweiten Zustand variieren. Ihr Einfluss auf das
mit dem diffraktiven Bauteil erzielte Ergebnis soll aber für die Anwendung,
für die
das optische Bauteil 7 bestimmt ist, vernachlässigbar
sein.
-
Es
versteht sich, dass diese Übergänge zwischen
den beiden Zuständen
bei anderen Ausführungsformen
durch entsprechende Magnetisierung, also durch entsprechende Gestaltung
der magnetisierten Bereiche, schärfer
gestaltet werden können, um
ihren Einfluss auf die optischen Eigenschaften des Bauteils weiter
zu reduzieren.
-
4 zeigt
einen schematischen Teilschnitt durch eine weitere Ausführungsform
des Bauteils 7 während
der Herstellung mit der Vorrichtung aus 1. Das Bauteil 7 befindet
sich auch hier noch in der Schichterzeugungseinrichtung 1,
in der zuvor die erste Schicht 5' auf eine dünne Trennplatte 6' aus Glas aufgesprüht wurde,
die auf den Feldkörper 1.2 aufgelegt
wurde.
-
Es
sei hier angemerkt, dass in diesem Fall auch die Trennplatte 6' mit der ersten
Schicht 5' besprüht werden
kann, bevor sie auf den Feldkörper 1.2 aufgelegt
wird. Dies hat den Vorteil, dass zunächst eine gleichmäßige Verteilung
der magnetischen Flüssigkeit
erzielt wird, bevor sich die erste Schicht 5' unter Einwirkung des Magnetfelds
verformt.
-
Im
gezeigten Beispiel wird durch die Magnetisierungseinrichtung 1.1 durch
entsprechende Ansteuerung des Schreibkopfes 10 und Überlagerung unterschiedlich
stark magnetisierter Bereiche eine periodische, annähernd sägezahnförmige Magnetisierung erzeugt,
wie sie durch die Bereiche 14 angedeutet ist. Diese Magnetisierung
des Feldkörpers
bewirkt eine annähernd
sägezahnförmige Feldverteilung,
die wiederum zu einer nicht-binären,
annähernd sägezahnförmigen Diffraktionsstruktur 5.1' führt, deren
Scheitelpunkte 5.2' jeweils
den Abstand d' aufweisen.
Solche Diffraktionsstrukturen mit einer sägezahnförmigen Gradientenstruktur werden
häufig
für so
genannte Echelettegitter verwendet. Dies ist auch im vorliegenden
Beispiel der Fall.
-
5 zeigt
einen schematischen Teilschnitt durch eine weitere Ausführungsform
des Bauteils 7'' während der
Herstellung mit der Vorrichtung aus 1. Das Bauteil 7'' befindet sich auch hier noch in der
Schichterzeugungseinrichtung 1, in der zuvor die erste
Schicht 5'' unmittelbar
auf den Feldkörper 1.2 durch
aufgesprüht
wurde.
-
Die
magnetisierten Bereiche 14'' sind bei dieser
Variante in der Ebene der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 als
zu einer Achse 15 konzentrische Kreise ausgebildet. Sie
sind dabei weiterhin derart angeordnet, dass sich eine Diffraktionsstruktur 5.1'' mit zwei Strukturbereichen 16 und 17 unterschiedlicher
Periodizität
ausbildet. Dabei weisen die Scheitelpunkte der Erhebungen in dem
zentral gelegenen ersten Strukturbereich 16 einen gleichbleibenden ersten
Abstand d1 auf, während die Scheitelpunkte der
Erhebungen in dem peripheren, zweiten Strukturbereich 17 einen
gleichbleibenden zweiten Abstand d2 < d1 aufweisen.
-
Entsprechend
der Diffraktionsstruktur 5.1'' weist das durch
die Magnetisierung des Feldkörpers 1.2 erzeugte Magnetfeld
in dem ersten Strukturbereich 16 eine entsprechende erste
Feldverteilung und in dem zweiten Strukturbereich 17 eine
entsprechende zweite Feldverteilung auf.
-
6 zeigt
einen schematischen Teilschnitt durch eine weitere Ausführungsform
des Bauteils 7''' während der Herstellung mit der
Vorrichtung aus 1. Das Bauteil 7''' befindet
sich auch hier noch in einer Schichterzeugungseinrichtung, in der
zuvor die erste Schicht 5''' mittels einer durch die Kontur 18 angedeuteten
Rakel in Richtung des Pfeils 19 auf den Feldkörper 1.2 aufgestrichen
wurde. Vor Auftragen der ersten Schicht 5''' wurde allerdings
noch eine gleichmäßig dünne zweite
Schicht 6''' aus einem pastösen Trennmittel auf die Oberseite 1.3 des
Feldkörpers 1.2 aufgestrichen.
-
Die
magnetisierten Bereiche 14''' sind bei dieser Variante in der
Ebene der Oberseite 1.3 des Feldkörpers 1.2 als zu einer
Achse 20 konzentrische Kreise ausgebildet. Sie sind weiterhin
so angeordnet, dass sich eine nicht-periodische Diffraktionsstruktur 5.1''' ausbildet.
Dabei weisen die Scheitelpunkte der Erhebungen mit Fortschreiten
der Entfernung von der Achse einen stetig zunehmenden gegenseitigen Abstand
r1 < r2 < r3 < r4 < r5 auf.
-
7 zeigt
schließlich
einen schematischen Teilschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen optischen
Bauteils 21 während
der Herstellung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die ebenfalls eine Felderzeugungseinrichtung 22 mit einer Magnetisierungseinrichtung 22.1 und
einen Feldkörper 22.2 umfasst.
Bei dieser Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Felderzeugungseinrichtung 22,
die Schichterzeugungseinrichtung 23 und die Aushärteinrichtung 24 in
einer gemeinsamen räumlichen
Einheit integriert.
-
Die
erste Schicht 25 wird mittels einer durch die Kontur 23.1 angedeuteten,
in Richtung des Pfeils 23.2 verfahrenen Düse auf den
Feldkörper 22.2 aufgesprüht, auf
den zuvor als zweite Schicht eine Trennfolie 26 aufgelegt
wurde.
-
Nach
Aufbringen der ersten und zweiten Schicht wird durch die Magnetisierungseinrichtung 22.1 ein
externes Magnetfeld 22.3 aufgebaut, welches durch den Feldkörper 22.2 derart
modifiziert wird, dass im Bereich der Oberseite 22.4 des
Feldkörpers 22.2 eine
Feldverteilung entsteht, welche die in Figur dargestellte Verformung
der ersten Schicht bewirkt. Der Feldkörper 22.2 besteht
hierzu aus einander in seiner Ebene schichtweise abwechselnden ersten
Segmenten 22.5 und zweiten Segmenten 22.6. Die
zweiten Segmente 22.6 bewirken eine Abschwächung des
externen Magnetfeldes 22.3, sodass im Bereich der Oberseite 22.4 des
Feldkörpers 22.2 die
gewünschte
Feldverteilung entsteht.
-
Es
versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten auch vorgesehen
sein kann, dass die ersten Segmente eine entsprechende Verstärkung des Magnetfelds
bewirken. Ebenso können
natürlich auch
unterschiedlich stark verstärkende
oder abschwächende
Segmente sowie verstärkende
und abschwächende
Segmente miteinander kombiniert werden, um die erwünschte Feldverteilung
zu erzielen.
-
Diese
Feldverteilung bewirkt, dass sich angrenzend an die ersten Segmente 22.5 Materialansammlungen
in der ersten Schicht 25 bilden, bis ein Gleichgewichtszustand
erreicht ist. Gewisse Zeit nach dem Aufbau des externen Magnetfelds 22.3 hat sich
dann an der Oberseite der ersten Schicht 25 also die in 7 dargestellte
Diffraktionsstruktur 25.1 herausgebildet.
-
Die
ersten Segmente 22.5 weisen ebenso wie die zweiten Segmente 22.6 jeweils
untereinander dieselben Abmessungen auf. Dadurch wird eine periodische
Feldverteilung erzielt. Diese Feldverteilung entspricht der Diffraktionsstruktur 25.1 und
spiegelt sich auch in dieser wider. So weisen die Scheitelpunkte 25.2 der
Erhebungen der Diffraktionsstruktur 25.1 ebenfalls den
gleichbleibenden Abstand d auf. Die beschriebene Diffraktionsstruktur 25.1 bildet dementsprechend
im vorliegenden Fall ebenfalls ein periodisches Gitter aus, wie
es beispielsweise schon im Zusammenhang mit 3 beschrieben
wurde.
-
Nachdem
sich die Diffraktionsstruktur 25.1 ausgebildet hat, wird
die erste Schicht 25 mittels einer Strahlungsquelle 24.1 der
Aushärteinrichtung 24 mit
UV Strahlung 24.2 bestrahlt und härtet so aus. Dabei wird das
externe Magnetfeld nur so lange aufrecht erhalten, bis die erste
Schicht 25 eine ausreichende Formstabilität erreicht
hat, um die Diffraktionsstruktur 25.1 zu bewahren. Nach
vollständigem Aushärten der
ersten Schicht 25 wird diese dann zusammen mit der fest
damit verbundenen Trennfolie 26 als fertiges optisches
Bauteil 21 von dem Feldkörper 22.2 abgehoben.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde vorstehend stets anhand von Beispielen
beschrieben, bei denen das herzustellende optische Bauteil unmittelbar
aus der ausgehärteten
ersten Schicht mit oder ohne eine damit verbundene zweite Schicht
gebildet wird. Es versteht sich jedoch, dass das optische Bauteil
bei anderen Varianten der Erfindung auch durch weitere Bearbeitung
oder Ergänzung
der ausgehärteten
ersten Schicht oder der Kombination aus erster und zweiter Schicht
hergestellt werden kann.