DE10358812B4 - System for designing large areas of buildings or mobile systems using large-area diffraction patterns - Google Patents
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Abstract
System
zur Gestaltung von großen Flächen an
Gebäuden
oder mobilen Systemen durch großflächige Beugungsmuster,
enthaltend ein oder mehrere an den großen Flächen angebrachte Panel (15)
mit einer Beugungsvorrichtung enthaltend eine Mehrzahl von mit einer gemeinsamen
Grundträgerfläche (30)
verbundenen Einzelkörpern
(31), wobei die Einzelkörper
so angeordnet und zueinander beabstandet sind, dass sie als Beugungszentren für die Lichtstrahlen
wirken, und wobei die Einzelkörper Strukturelemente
aus einem Dünnschichtherstellungsprozess
sind, gekennzeichnet dadurch,
dass ein Einzelelement (36) als
Teil eines Einzelkörpers (31)
relativ zur Grundträgerfläche (30)
beweglich für
einen auf ein Einzelelement oder auf Gruppen von Einzelelementen
gemeinsam wirkenden Aktuationsmechanismus gelagert ist, um den wirksamen
Gitterabstand zwischen benachbarten Einzelkörpern oder Einzelelementen
zu variieren,
und ein Steuergerät (18) zum Steuern des wirksamen
Gitterabstandes zwischen benachbarten Einzelkörpern (31) oder Einzelelementen
(36) des Panels (15), sowie eine Einrichtung zum Übertragen
von Steuersignalen an das Panel (15) vorgesehen ist.System for the design of large areas of buildings or mobile systems by large-area diffraction patterns, comprising one or more panels (15) attached to the large areas with a diffraction device comprising a plurality of individual bodies (31) connected to a common base support surface (30) Individual bodies are arranged and spaced from one another in such a way that they act as diffraction centers for the light beams, and wherein the individual bodies are structural elements from a thin-film production process, characterized in that
a single element (36) being mounted as part of a single body (31) movable relative to the base support surface (30) for an actuation mechanism acting in common on a single element or groups of individual elements to vary the effective lattice spacing between adjacent individual elements or individual elements;
and a controller (18) is provided for controlling the effective grid spacing between adjacent individual bodies (31) or individual elements (36) of the panel (15) and means for transmitting control signals to the panel (15).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Mikro- und Nanostrukturtechnologien und insbesondere Gitteranordnungen für zweidimensionale optische Gitter. Im Besonderen betrifft sie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The present invention relates to micro and nanostructure technologies and in particular grating arrangements for two-dimensional optical Grid. In particular, it relates to a device according to the preamble of claim 1.
Eindimensionale optische Gitter sind derzeit im wesentlichen nur zum Einbau in Spektrometer für den Bereich der Spektralanalyse bekannt. Sie habe echte zweidimensionale Ausmaße, etwa in Form eines Rechtecks im Bereich von bis zu 20 cm Kantenlänge und bestehen aus hochwertigen Materialien, wobei die Gitterstruktur eine Gitterperiode aufweist, die in derselben Größenordnung wie Lichtwellenlänge liegt. Das Gitter entsteht z.B. durch feines, sequentielles Ritzen mittels Diamantspitzen, um Furchen in einem geeigneten Vollmaterial zu generieren. Es liegt dabei eine periodische Anordnung von vielen rechteckförmigen Linien der Maße b1 und b2 vor. Da bei diesen Gittern b1 >> b2 gilt, bezeichnet man diese als eindimensional.dimensional Optical grids are currently essentially only for incorporation into spectrometers for the Area of spectral analysis known. You have real two-dimensional proportions, approximately in the form of a rectangle in the range of up to 20 cm edge length and are made of high quality materials, with the lattice structure has a grating period which is of the same order of magnitude as the wavelength of light. The grid arises e.g. by fine, sequential scribing using Diamond tips to generate furrows in a suitable solid material. It lies a periodic arrangement of many rectangular lines the crowd b1 and b2 before. Because with these grids b1 >> b2 applies, they are called one-dimensional.
Die Beugungseffekte, die man am Gitter erzielen kann, sind bekannt. Sie beruhen auf der Überlagerung von Elementarstrahlen, die durch Beugung (Streuung, Reflexion und partielle Transmission) an Strukturelementen, die hiernach folgend auch als Streu- oder Mesa-Beugungskörper bezeichnet werden, erfolgt. Man kann interessant aussehende Interferenzmuster erzeugen.The Diffraction effects that can be achieved on the grid are known. They are based on the overlay of elementary rays by diffraction (scattering, reflection and partial transmission) of structural elements which follow hereafter Also referred to as a scattering or mesa diffraction body occurs. You can create interesting-looking interference patterns.
Im Fall zweidimensionaler Gitter, also wenn b1 und b2 in derselben Größenordnung zueinander und der Größenordnung der Lichtwellenlänge liegen, wird das Licht in den gesamten Halbraum gebeugt. Dies wird theoretisch beispielsweise in Pedrotti, „Optik, eine Einführung", Prentice Hall 1996, S. 479 ff, diskutiert. Eine „kreuzartig zweidimensionale" Figur entsteht als Beugungsbild, anstelle einer „linienartigen eindimensionalen" Figur bei Verwendung eines eindimensionalen Gitters.in the Case of two-dimensional lattice, so if b1 and b2 in the same Magnitude to each other and the order of magnitude the wavelength of light lie, the light is diffracted throughout the half space. this will theoretically for example in Pedrotti, "Optics, an Introduction", Prentice Hall 1996, P. 479 ff., Discussed. A "cruciform two-dimensional figure arises as a diffraction image, instead of a "line-like one-dimensional" figure in use a one-dimensional grid.
Weiter sind zweidimensionale Gitter bekannt, die willkürliche Formen als Beugungselemente anstelle der oben genannten Gitterstege (Rippen) und Furchen (Gittergräben) haben. Eine besondere Ausgestaltung, sind dabei Hologramme, bei denen die Gitteranordnungen so gestaltet sind, dass deren Fouriertransformation ein gewünschtes Bild mit Wiedererkennungswert für das menschliche Auge hat, siehe etwa die Hologramme auf Geldscheinen.Further For example, two-dimensional lattices are known which have arbitrary shapes as diffraction elements instead of the above grid bars (ribs) and furrows (grid trenches) have. A special embodiment, are holograms in which the Grid arrangements are designed so that their Fourier transform a desired one Image with recognition value for the human eye has, see about the holograms on bills.
Aus der US 2002/0105725 A1 ist eine Vorrichtung mit zwei Gitteranordnungen bekannt, die relativ zueinander im Ganzen oder in Teilen bewegt werden können. Sie dient unter anderem der Spektralanalyse, der Spektrometrie und der glasfaseroptischen Kommunikationstechnologie und erreicht mit der Bewegung der Gitter als solchen eine Selektivität bezüglich bestimmter Wellenlängen. In nachteilhafter Weise kann die Vorrichtung jedoch nicht großflächig dimensioniert werden, da sie zu teuer wäre.Out US 2002/0105725 A1 is a device with two grating arrangements known, which are moved relative to each other in whole or in part can. It serves among other things the spectral analysis, the spectrometry and the fiber optic communication technology and achieved with the Movement of the gratings as such a selectivity with respect to certain wavelengths. In disadvantageously, however, the device can not be dimensioned over a large area because it would be too expensive.
Das
US Patent
Bezüglich der
Beeinflussung von Sonnenlicht oder Kunstlicht im Bereich der großflächigen Anwendung,
wie zum Beispiel bei Gebäudefenstern, beschreibt
die deutsche Offenlegungsschrift
Leider können solche oder ähnliche Beugungseffekte nicht variiert werden, das heißt mit ein und demselben Gitter kann nur ein Interferenzmuster oder bei Hologrammen eine geringe, feste Anzahl (meist zwei) von Beugungsbildern erzeugt werden.Unfortunately can such or similar Diffraction effects are not varied, that is, with the same grating can only produce one interference pattern or a small one for holograms, fixed number (usually two) of diffraction images are generated.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die Beugungsbilder variieren kann.It is therefore an object of the present invention, a device according to to provide the preamble of claim 1, the diffraction patterns can vary.
VORTEILE DER ERFINDUNGADVANTAGES OF INVENTION
Der Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 löst diese Aufgabe.Of the The subject matter with the features of claim 1 solves this problem.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.In the dependent claims find advantageous developments and improvements of respective subject of the invention.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der grundlegenden Erkenntnis, dass ein zweidimensionales Gitter mit beliebigen Anordnungen und Mustern von Beugungszentren auf lithographischem Weg auch so hergestellt werden kann, dass die Einzelkörper vereinzelt teilweise, gruppenweise oder komplett durch einen geeigneten Aktuationsmechanismus bewegt werden können, um den Gitterabstand einheitlich oder lokal auf der Gitteranordnung unterschiedlich zu variieren.The present invention is based on the fundamental knowledge that a zweidimensio nal grating with arbitrary arrangements and patterns of diffraction centers on lithographic path can also be prepared so that the individual bodies can be moved partially, in groups or completely by a suitable actuation mechanism to vary the lattice spacing uniformly or locally on the lattice arrangement differently.
Der Begriff Gitter ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung in einer allgemeinen Form verwendet, welche die vier Gittertypen (Phasentransmissionsgitter, Phasenreflexionsgitter, Amplitudentransmissionsgitter und Amplitudenreflexionsgitter) einschließt, sowie beliebige Variationen der lateralen Ausdehnung der Mesa (Berge, Stege) und der Mesazwischenräume (Täler, Furchen, Gräben). Es ist also ein Gitter mit lateral beliebig variierender Periode und Tastverhältnis gemeint.Of the Term grid is for the purposes of the present invention in a general form using the four types of lattice (phase transmission grating, Phase reflection grating, amplitude transmission grating and amplitude reflection grating), as well as any variations of the lateral extent of the mesa (mountains, Footbridges) and the Mesazwischenräume (Valleys, Furrows, trenches). It is therefore a lattice with laterally varying periods and duty cycle meant.
Dem allgemeinsten Aspekt der vorliegenden Erfindung folgend wird daher eine Beugungsvorrichtung als Gitteranordnung für die zweidimensionale Beugung von Lichtstrahlen offenbart, mit einer Mehrzahl von mit einer gemeinsamen Grundträgerfläche verbundenen Einzelkörpern, wobei die Einzelkörper so angeordnet und zueinander beabstandet sind, dass sie in einer zweidimensionalen Gitteranordnung jeweils als Beugungszentren für die Lichtstrahlen wirken, und wobei die Einzelkörper Strukturelemente aus einem Dünnschichtherstellungsprozess sind, wobei erfindungsgemäß ein Einzelelement als mehr oder weniger überwiegender Teil eines Einzelkörpers relativ zur Grundträgerfläche beweglich für einen auf ein Einzelelement oder auf Gruppen von Einzelelementen gemeinsam wirkenden Aktuationsmechanismus gelagert ist, um den wirksamen Gitterabstand zwischen benachbarten Einzelkörpern oder Einzelelementen oder deren Tastverhältnis zu variieren. Die Einzelkörper sind dabei beispielsweise individuelle Mesa.the The most general aspect of the present invention therefore follows a diffraction device as a grating arrangement for the two-dimensional diffraction disclosed by light rays, with a plurality of common Basic carrier surface connected Individual bodies, whereby the single bodies so are arranged and spaced from each other so that they are in a two-dimensional Grid arrangement each act as diffraction centers for the light beams, and wherein the single bodies Structural elements from a thin film manufacturing process are, wherein according to the invention a single element as more or less prevalent Part of a single body relative movable to the base support surface for one to a single element or to groups of individual elements in common acting actuation mechanism is mounted to the effective grid spacing between adjacent individual bodies or individual elements or their duty cycle to vary. The single bodies are for example, individual mesa.
Gemäß dem vorerwähnten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die als Beugungszentren wirkenden Einzelkörper oder jeweils ein Teil eines „Einzelelementes", beweglich gelagert. Dabei ist beispielsweise ein Einzelkörper in Form eines Einzelmesaelements relativ zur Grundträgerfläche beweglich gelagert, um den wirksamen Gitterabstand zwischen benachbarten Einzelkörpern zu variieren. Damit können für einen festen Beobachtungspunkt variierende Farbeffekte erzielt werden. Unter „Variation des wirksamem Gitterabstandes" wird im Folgenden verstanden: einerseits die Variation der Abstände zwischen den Einzelmesa (Einzelmesaelementen) und andererseits die beugungsoptisch relevante Ausdehnung der Mesa und der Mesazwischenräume. Somit können alle laterale Dimensionen variiert (aktuiert) werden, z.B. also die Gitterperiode und auch das Tastverhältnis.According to the aforementioned aspect of the present invention are those acting as diffraction centers single body or in each case a part of a "single element", movably mounted. In this case, for example, a single body in the form of a Einzelmesaelements movably mounted relative to the base support surface, to the effective lattice spacing between adjacent individual bodies vary. With that you can for one fixed observation point varying color effects can be achieved. Under "Variation effective grid spacing " in the following understood: on the one hand, the variation of the distances between the Single mesa (single mesa elements) and on the other hand the diffraction optical Relevant extent of mesa and mesas interspaces. Consequently can all lateral dimensions are varied (actuated), e.g. so the grating period and also the duty cycle.
Wenn weiter gemäß der folgenden Maßnahmen:
- a) das Material für die Grundträgerfläche vorgewählt ist aus der Gruppe: organische oder anorganische Gläser, Kunststoffe, insbesondere Polymere, Metalle,
- b1) das Material für die Einzelkörper so gewählt ist, dass es als Opferschicht in einem Ätzprozess selektiv zu einem der vorgewählten Materialien geeignet ist, oder
- b2) das Material für die Einzelkörper so gewählt ist, dass es selektives Wachstum erlaubt, insbesondere durch Anwenden von Galvanik in tiefenlithographisch geformtem Polymethylmethacrylat (PMMA), dann wird damit erreicht, die Beugungsvorrichtungen auch in großem Maßstab auf großflächigen Flächen im Bereich von Dezimetern oder Metern zu schaffen, um die Beugungsmuster großflächig darstellen zu können. Außerdem ist damit ein Weg offenbart, wie ein derartiges optisches Gitter preisgünstig hergestellt werden kann. Damit ist der Weg frei für ein preisgünstig herstellbares Massenprodukt, das zumindest als Dekorationsobjekt für Gebäudefenster oder direkt bestrahlt durch Scheinwerfer oder die Sonne verwendet werden kann, um damit interessante Beugungsmuster zu erzielen oder bei langsamer Änderung des Betrachtungswinkels schöne Farbeffekte großflächig erkennen zu können.
- a) the material for the base support surface is selected from the group: organic or inorganic glasses, plastics, in particular polymers, metals,
- b1) the material for the individual bodies is chosen so that it is suitable as a sacrificial layer in an etching process selectively to one of the preselected materials, or
- b2) the material for the individual bodies is chosen so that it allows selective growth, in particular by applying electroplating in deep lithographic molded polymethyl methacrylate (PMMA), then achieved, the diffraction devices also on a large scale on large areas in the range of decimeters or meters to be able to represent the diffraction patterns over a large area. It also discloses a way in which such an optical grating can be inexpensively manufactured. Thus, the way is free for a mass produced inexpensively, which can be used at least as a decorative object for building windows or directly irradiated by spotlights or the sun, in order to achieve interesting diffraction patterns or to be able to recognize beautiful color effects over a large area with slow change of the viewing angle.
Weiter wird vorgeschlagen, die Gitteranordnung als modulweise replizierbares, flächenhaftes, architektonisch verwendbares Bauelement mit geeigneter Schutzabdeckung gegen die Witterungseinflüsse herzustellen. Damit lassen sich dann weite Fassadenflächen bestücken. Dazu enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung Verbindungselemente, mit denen sie mit anderen Vorrichtungen der gleichen Art randseitig verbunden werden kann. Dafür kommen bspw. Rastungen, andere verriegelbare Steckverbindungen oder andere, im Stand der Technik bekannte Verbindungselemente wie etwa einrastende, in Frage.Further It is proposed that the grid arrangement be replicated as a module-replicable, areal, architecturally usable component with a suitable protective cover against the the effects of weather manufacture. This can then be used to equip wide façade surfaces. To contains the device according to the invention Connecting elements with which they are compatible with other devices same kind can be connected at the edge. For example, come. Notches, other lockable connectors or other, in Known prior art fasteners such as latching, in question.
Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung steckbare Verbindungselemente enthält, wobei die Verbindungselemente neben der mechanischen Verbindung auch eine elektrische Steckverbindung zwischen Vorrichtungen gleicher Art enthalten, ergeben sich Vorteile der leichten Handhabung, elektrischen Steuerung auch in weiter unten beschriebenen Varianten, in denen die Einzelkörper elektrisch bewegt werden können.If the device according to the invention pluggable Contains fasteners, wherein the connecting elements in addition to the mechanical connection also an electrical connector between devices the same Type included, there are advantages of easy handling, electrical control also in variants described below, in which the individual bodies are electrically can be moved.
Wenn die Einzelkörper der erfindungsgemäßen Vorrichtung in regelmässiger Matrixform aus parallelen Zeilen und parallelen Spalten angeordnet sind, erleichtert sich Herstellung und Ansteuerung.If the single bodies the device according to the invention in regular Matrix form of parallel rows and parallel columns are arranged, facilitates production and control.
Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung einen oder mehrere Aktuationsmechanismen mit einer vorgegebenen Anzahl von Kammaktuatoren enthält, so kann mit einer gesteuerten Bewegung eines Kammes entsprechend viele Einzelkörper oder Einzelelemente gleichmässig, gleichartig und präzise bewegt werden. Diese Bewegung kann dann ausgenutzt werden, um den wirksamen Gitterabstand zwischen benachbarten Einzelkörpern bzw. Einzelelementen gezielt zu variieren.If the device according to the invention one or more actuation mechanisms with a predetermined Number of comb actuators contains, so can with a controlled movement of a comb according to many single body or individual elements evenly, similar and precise to be moved. This movement can then be exploited to the effective grid spacing between adjacent individual bodies or To selectively vary individual elements.
Wenn der Aktuationsmechanismus auf elektrostatischen Kräften beruht, so ergeben sich günstige elektrische Eigenschaften mit geringen Halteströmen.If the actuation mechanism is based on electrostatic forces, so arise favorable electrical properties with low holding currents.
Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Aktuationsmechanismus zur lateralen Verschiebung von Einzelkörpern oder Einzelelementen oder Gruppen davon enthält, so kann man den wirksamen Gitterabstand zwischen benachbarten Einzelelementen in einer ersten Richtung gezielt variieren.If the device according to the invention an actuation mechanism for the lateral displacement of individual bodies or Contains individual elements or groups thereof, so you can the effective lattice spacing targeted between adjacent individual elements in a first direction vary.
Entsprechend kann ein weiterer Mechanismus vorgesehen sein, um die Abstände zusätzlich in einer zweiten Richtung, – bevorzugt senkrecht zur ersten – gezielt zu variieren.Corresponding can be provided another mechanism to the distances in addition to a second direction, - preferred perpendicular to the first - targeted to vary.
Wenn die Einzelelemente flächig geformt sind, dann lässt sich durch Veränderung der Orientierung der „Flächennormalen" der Einzelelemente zur Blickrichtung oder zur Richtung der einfallenden Strahlung eine Änderung des wirksamen Gitterabstands bewirken, wodurch schöne Farbeffekte erzielbar sind.If the individual elements flat are shaped, then let through change the orientation of the "surface normals" of the individual elements to the direction of view or to the direction of the incident radiation a change effect the effective grid spacing, creating beautiful color effects can be achieved.
Wenn die Einzelelemente flächig geformt sind und an fest mit der Grundträgerfläche oder einem Kammaktuator verbundenen Haltelementen gelagert sind, wobei die Lagerung eine Bewegung der Einzelelemente durch einen elektrostatischen Aktuationsmechanismus erlaubt, dann ergibt sich durch Aktuation die gewünschte Änderung des wirksamen Gitterabstands, die durch entsprechende Kombination der vorgenanten Kammaktuatoren mit den vorgenannten Änderungen auch überlagert werden kann.If the individual elements flat are shaped and fixed to the base support surface or a Kammaktuator are mounted connected holding elements, wherein the storage a Movement of the individual elements by an electrostatic actuation mechanism allowed, then the desired change results from actuation the effective lattice spacing, by appropriate combination the above Kammaktuatoren with the aforementioned changes also superimposed can be.
Ein sogenanntes Panel enthält erfindungsgemäß eine Vorrichtung oder eine Mehrzahl von solchen, oben beschriebenen Vorrichtungen.One contains a so-called panel According to the invention, a device or a plurality of such devices described above.
Solch ein Panel enthält bevorzugt einen Stromversorgungsanschluß und eine Einrichtung zum Empfangen von Steuerbefehlen von einem Steuergerät.Such contains a panel preferred a power supply terminal and a device for Receiving control commands from a controller.
Damit wird ein System zur Gestaltung von Gebäudefassaden, Mauern, Karosserieteilen von mobilen Systemen etc. geschaffen, das ein oder mehrere Panel enthält, ein Steuergerät zum Steuern der des wirksamen Gitterabstandes zwischen benachbarten Einzelkörpern des Panels, sowie eine Einrichtung zum Übertragen von Steuersignalen an das Panel. Damit kann beispielsweise eine ganze Hochhausfassade gezielt zur Erzeugung von Farbeffekten oder Beugungsmustereffekten verwendet werden.In order to is a system for the design of building facades, walls, body parts created by mobile systems, etc., the one or more panel contains a control unit for controlling the effective grid spacing between adjacent ones individual bodies of the panel, and means for transmitting control signals to the panel. Thus, for example, a whole skyscraper facade specifically for the generation of color effects or diffraction pattern effects be used.
Vorteilhaft ist dabei ein System, bei dem die Steuerelektronik, die die Logik enthält, welche Einzelelemente wie angesteuert werden sollen, zentral in einem dedizierten, entfernt (remote) gelegenen Steuergerät vorgesehen wird, von dem aus ein Addressierungsnetzwerk zur Ansteuerung der einzelnen Einzelelemente oder Module ausgeht, dass weitgehend in Form von gedruckten Leitungen in den flächenhaften Modulen bereits bei ihrer Herstellung integriert vorgesehen ist. Damit fällt die Notwendigkeit weg, in dem Fassadenelement selbst teure, siliziumbasierte Chiptechnologie zu implementieren. Desweiteren werden zur Herstellung der Beugungsanordnungen selbst wesentlich billigere Materialien als hochreines Silizium verwendet. Daraus ergeben sich Herstellungskosten, die zumindest in derselben Größenordnung liegen wie andere, herkömmliche Fassadenelemente.Advantageous is a system in which the control electronics, the logic contains which individual elements should be controlled as, centrally in a dedicated, remotely located controller provided is, from which an addressing network for controlling the single elements or modules that go largely into Form of printed wires in the plane modules already is provided integrated in their manufacture. This drops the Need away, in the facade element itself expensive, silicon-based Implement chip technology. Furthermore, for the production the diffraction arrangements themselves much cheaper materials used as high purity silicon. This results in production costs, at least of the same order of magnitude lie like other, conventional Facade elements.
Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, können die Materialen für die Grundträgerflächen, auf denen eine jeweilige Vielzahl von Einzelkörpern steht, und die Einzelelemente tragen, durch Wahl bspw. von Glas, Plexiglas, Kunststoffen, insbesondere Polymeren, tatsächlich so gewählt werden, dass zumindest der Materialwert der Grundträgerfläche eines Moduls mit einer Kantenlänge bspw. von knapp 25 cm sehr niedrig liegt.As From the foregoing, the materials for the basic support surfaces on which a respective plurality of individual bodies, and the individual elements wear, by choice eg. Of glass, Plexiglas, plastics, in particular Polymers, in fact so chosen be that at least the material value of the basic support surface of a Module with one edge length For example, from just under 25 cm is very low.
Als Material für die Einzelelemente und die Halteelemente für die einzelnen Einzelelemente empfiehlt sich grundsätzlich ein solches Material, das eine gewisse, langzeitstabile Formfestigkeit besitzt und gleichzeitig gut geeignet ist, um in einem Ätzprozess als Opferschicht zu dienen. Dabei kommen verschiedene Polymere wie z.B. thermotrope Hauptketten-Flüssigkristalline-Polymere und in besonderer Weise auch handelsüblicher Fotolack in Frage, der gleichmäßig aufgetragen werden kann, um eine einheitliche Schichtdicke zu bilden. Um eine hohe Festigkeit der Halteblöcke zu erreichen, können diese Stellen zuvor komplett aus dielektrischen Materialien z.B. aus geeigneten Siliziumnitriden, etwa Si3N4, oder Siliziumoxide, besonders Siliziumdioxid (SiO2) gefertigt werden.As a material for the individual elements and the holding elements for the individual elements, in principle, such a material is recommended, which has a certain, long-term stable dimensional stability and at the same time is well suited to serve as a sacrificial layer in an etching process. In this case, various polymers such as thermotropic main chain liquid crystalline polymers and in a special way also commercial photoresist in question, which can be applied uniformly to form a uniform layer thickness. In order to achieve a high strength of the holding blocks, these locations can be made beforehand completely from dielectric materials, for example from suitable silicon nitrides, such as Si 3 N 4 , or silicon oxides, especially silicon dioxide (SiO 2 ).
Alternativ kann das Material für die Halteelemente so gewählt werden, dass es selektives Wachstum erlaubt, insbesondere durch Anwenden von Galvanik in tiefenlithographisch geformtem Polymethylmethacrylat (PMMA).alternative can the material for the retaining elements chosen be that it allows selective growth, in particular by Apply electroplating in deep lithographic polymethyl methacrylate (PMMA).
Wenn die Einzelelemente in einem Sonderfall in regelmäßiger Matrixform aus parallelen Zeilen und parallelen Spalten angeordnet sind, so ergibt sich eine übersichtliche Herstellungsweise, da die Strukturen für die Herstellung relativ einfach replizierbar sind, was insbesondere für alle solchen Ausführungsformen wichtig sind, bei denen elektrische Zuleitungen einzelner Einzelelemente (siehe weiter unten) oder für zusammengefasste Gruppen von Einzelelementen während des lithographischen Herstellungsprozesses eingebunden werden müssen.If the individual elements in a special case in regular matrix form from parallel Lines and parallel columns are arranged, so there is a clear Production method, since the structures for the production relatively simple are replicable, which in particular for all such embodiments are important in which electrical supply lines of individual individual elements (see below) or for summarized groups of individual elements during the lithographic Need to be integrated into the manufacturing process.
Dabei kommen insbesondere eine elektrostatische Aktuierung, auf die weiter unten eingegangen wird, eine magnetische Akti vierung, eine piezoelektrische sowie eine thermische Aktuierung in Frage.there In particular, an electrostatic actuation come on the on is received below, a magnetic Akti vation, a piezoelectric and a thermal actuation in question.
Soll der Aktuationsmechanismus für die Einzelelemente – wie hier bevorzugt wird – auf elektrostatischen Kräften beruhen und für eine laterale Bewegung der Einzelkörper im wesentlichen parallel zur Trägerfläche verwendet werden, so wird hierin ein Kammaktuator bevorzugt, dessen prinzipieller Aufbau und Wirkungsweise beispielsweise veröffentlicht ist in: Micromachined Polysilicon Microscanners for Barcode Readers, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 8, No.12, Dec. 196, Seiten 1707 bis 1709, das zu diesem Zwecke für die wesentlichen technischen Merkmale von Kammaktuatoren als Offenbarungsquelle dienen soll. Es ist klar, dass der dort gezeigte Aufrichtvorgang als Folge der Kammaktuation für eine reine laterale Verschiebung der Einzelkörper nicht notwendig ist, aber gleichwohl eingesetzt werden kann, um den vorgenannten flächig ausgeführten Einzelkörper aus einer Ruhelage quasi drehend zu bewegen, um den effektiv wirksamen Gitterabstand ebenfalls zu verändern.Should the actuation mechanism for the individual elements - like is preferred here - on electrostatic forces based and for a lateral movement of the individual bodies substantially parallel used for the support surface are preferred, a comb actuator is preferred herein, the principle of which Structure and mode of action, for example, published in: Micromachined Polysilicon Microscanners for Barcode Readers, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 8, No.12, Dec. 196, pages 1707 to 1709, to this Purposes for the essential technical features of Kammaktuatoren as revelation source should serve. It is clear that the Aufrichtvorgang shown there as a result of the comb action for a pure lateral displacement of the single body is not necessary, however can nevertheless be used to the aforementioned flat executed single body a quiescent position to move almost to the effective effective Grid spacing also change.
Weiter können mit einem einzigen Kamm günstigerweise eine Vielzahl von Einzelkörpern bewegt werden, die dann alle gemeinsam auf dem bewegten Teil des Kammes sitzen.Further can conveniently with a single comb a variety of individual bodies be moved, then all together on the moving part of the Kammes sit.
Alternativ ist zweckmäßigerweise eine erste Elektrode einem Einzelelement und eine zweite Elektrode der Grundträgerfläche zugeordnet. Dabei kann die zweite Elektrode optional auch für mehrere oder alle Einzelelemente als flächenhaft ausgebildete Elektrode an der Grundträgerfläche und mit dieser fest verbunden vorhanden sein.alternative is expediently a first electrode a single element and a second electrode assigned to the basic support surface. Optionally, the second electrode can also be used for several or all individual elements as areal trained electrode on the base support surface and firmly connected to this to be available.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine elektrische Zuleitung und Kontaktierung der Elektroden von individuellen Einzelkörpern oder von Gruppen von Einzelkörpern bevorzugt vorzusehen, die zu einem der Außenränder der Vorrichtung führt, um von dort aus weitergeleitet werden zu können. Insbesondere sind die elektrischen Zuleitungen zur computergesteuerten Addressierung und Aktuierung der Einzelkörperbewegung und damit der Bewegung der Einzelelemente über die Elektrodenpaare als planare Leitungen (integrierte Leiterbahnen) vorgesehen, was eine leichte Handhabung bei der Verlegung der Fassadenbauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung sowie eine vereinfachte Pflege und geringere Anfälligkeit gegenüber Korrosion und anderen, schädlichen Umwelteinflüssen zur Folge hat.at this embodiment is an electrical supply and contacting of the electrodes of individual individual bodies or groups of individual bodies preferably provide, which leads to one of the outer edges of the device to be forwarded from there. In particular, the electrical leads for computerized addressing and Actuation of the single-body movement and thus the movement of the individual elements over the electrode pairs as planar lines (integrated tracks) provided what a easy handling when laying the facade components according to the present Invention as well as a simplified care and less susceptibility across from Corrosion and other, harmful environmental influences entails.
In vorteilhafter Weise enthalten die oben genannten Verbindungselemente neben den mechanischen Kopplungsgliedern auch die entsprechenden elektrischen Steckverbindungen, damit durch einen einzigen Steckvorgang sowohl die mechanische als auch die elektrische Verbindung gewährleistet ist. Damit sind einfache elektrische Verbindungen zu einem Steuergerät möglich, das gemeinsam für eine Vielzahl zusammengesteckter, erfindungsgemäßer Einzelmodule zur Steuerung der Einzelelemente oder kleinen Gruppen von Einzelelementen verwendet wird.In advantageously contain the above-mentioned fasteners in addition to the mechanical coupling elements and the corresponding electrical Plug-in connections, so that by a single plug-in operation both ensures the mechanical and the electrical connection is. For simple electrical connections to a control unit are possible, the together for a plurality of mated, inventive individual modules for control used the individual elements or small groups of individual elements becomes.
Wenn
in weiter vorteilhafter Weise ein Einzelelement über ein beispielsweise länglich geformtes
Brückenelement
vorgegebener Biegesteifigkeit mit dem Halteelement verbunden ist,
dann ergibt sich eine einfache Dimensionierung und Auslegung der einzelnen
Schichtdicken und Längen
aufgrund der Abhängigkeit
zwischen Kraftfeld und erzieltem Kippwinkel des Einzelelements durch
das einfache Hebelgesetz und die relativ einfache Biegemechanik
eines an einem freien Ende eingespanntem „Balkens". Die komplexe Verformung der Verbindungsbrücke (engl.
cantilever, Biegebalken) ist in
Wenn in weiter vorteilhafter Weise das Einzelelement an zwei länglich ausgebildeten Brückenelementen befestigt ist, die in im wesentlichen paralleler Richtung verlaufend eine Schwenkachse für den Bereich des Einzelelements bilden und an entgegengesetzten Seiten des Einzelelements ansetzen, und die Verwindungssteifigkeit der Brückenelemente um ihre Schwenkachse so an die elektrostatischen Kräfte zwischen den Elektroden angepasst ist, dass eine Schwenkbewegung des Einzelkörpers mit gezielt einstellbarem Auslenkwinkel relativ zur Grundträgerfläche durchführbar ist, dann ergibt sich bei entsprechender Ladung der Elektroden durch Anziehung oder Abstoßung eine Kippbewegung des Einzelelements um die Schwenkachse, die senkrecht zur Schwenkachse des oben erwähnten Beispiels mit einem Brückenelement steht. Der Kippwinkel φ ist hier am einfachsten ohne Vorkippung zwischen ca. –80° und +80° einstellbar möglich, wenn die Aktuationsspannung bei elektrostatischer Aktuation das Einzelelement bis auf +/– 80° ziehen kann. Der Winkel φ = 0° entspricht dabei der Horizontalen. Damit sind sehr weite Bereiche des Kippwinkels möglich.If, in a further advantageous manner, the single element is attached to two elongated bridge elements which form a pivot axis for the region of the single element extending in a substantially parallel direction and attach to opposite sides of the single element, and the torsional rigidity of the bridge elements around its pivot axis to the electrostatic strengthens te is adapted between the electrodes, that a pivoting movement of the single body with selectively adjustable deflection angle is feasible relative to the base support surface, then results in a corresponding charge of the electrodes by attraction or repulsion, a tilting movement of the single element about the pivot axis perpendicular to the pivot axis of the above-mentioned example stands with a bridge element. The tilt angle φ here is the easiest possible without Vorkippung between about -80 ° and + 80 ° adjustable if the Aktuationsspannung in electrostatic actuation, the single element can pull up to +/- 80 °. The angle φ = 0 ° corresponds to the horizontal. This allows very wide ranges of the tilt angle.
Der zentrale Vorteil der elektrostatischen Aktuierung liegt darin, dass bei guter elektrischer Isolierung nur geringe Halteströme benötigt werden.Of the The central advantage of electrostatic actuation is that with good electrical insulation only small holding currents are needed.
Wenn in weiter bevorzugter Weise ein Einzelelement kardanisch gelagert ist durch ein weiteres Brückenelementpaar, das innerhalb des nach dem vorstehenden Anspruch geschwenkten Be reichs vorgesehen ist, so ergibt sich die volle Funktionalität der Winkelanpassung für eine Veränderung des wirksamen Gitterabstandes in x und y- Richtung. Die Winkel θ und φ sind fast unabhängig voneinander einstellbar. Damit ist der Spiegel selbst unabhängig oder abhängig vom Tagesgang des Sonnenstands sehr gut nachführbar, um für die verschiedenen Anwendungen die richtige Spiegelstellung zu bekommen. Dies setzt ein Steuerprogramm implementiert im Steuergerät voraus, das die entsprechende Nachführlogik und entsprechende Treiberprogramme für das zur Anwendung kommende Gesamtsystem besitzt. Dabei kann das Gesamtsystem beispielsweise aus einer Vielzahl von 2048 Einzelmodulen bestehen, die jeweils in 4 × 4, also 16er Gruppen aufgeteilt jeweils eine Fassadenfläche mit einer Fläche von 1 qm bestücken, wobei insgesamt 128 solcher Teilflächen im Gesamtsystem enthalten sind.If in a further preferred manner, a single element is mounted gimbal is through another bridge element pair, that within the swung according to the preceding claim Be rich is provided, this results in the full functionality of the angle adjustment for one change the effective grid spacing in the x and y direction. The angles θ and φ are almost independently adjustable from each other. Thus, the mirror itself is independent or dependent from the daily routine of the position of the sun very well traceable to the various applications to get the right mirror position. This sets a control program implemented in the control unit This requires the appropriate tracking logic and appropriate driver programs for the owns to the application coming overall system. In doing so, the overall system for example, consist of a large number of 2048 individual modules, each in 4 × 4, So groups of 16 each divided with a facade area a surface equip of 1 sqm, where a total of 128 such sub-areas contained in the overall system are.
Wenn, wie außerdem bevorzugt, das Einzelelement so zur Schwenkachse orientiert ist, dass eine Schwenkachse das Einzelelement außermittig teilt, so ist ein weiterer Parameter zum Optimieren des Kippwinkels gefunden, wobei beispielsweise die kurze Seite als Seite zur Anziehung oder Abstoßung an Elektroden verwendet werden kann. Ein kurzer Hebel bedeutet dann einen weiten Bereich der Kippbewegung, erfordert aber dementsprechend hohe Kraft.If, as well as Preferably, the single element is oriented to the pivot axis, that a pivot axis divides the single element off-center, so is a further parameters for optimizing the tilt angle found, wherein For example, the short side as a side to attraction or repulsion Electrodes can be used. A short lever means then a wide range of tilting movement, but requires accordingly high power.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Verwendung der erfindungsgemäßen, zweidimensional aufgebauten, optisch wirkenden Vorrichtung in Form eines Gitters offenbart, bei der sie zur Gestaltung von großen Flächen durch großflächige Beugungsmuster verwendet wird.According to one particular aspect of the present invention is a use the invention, two-dimensional constructed, optically acting device in the form of a grid in which they are used to design large areas by large-area diffraction patterns is used.
Besonders vorteilhaft ist daher eine Verwendung, bei der diese Vorrichtung als Bauelement bei einer Bautätigkeit zur Errichtung oder Renovierung von Gebäudefassaden eingesetzt wird, oder bei der mobile Systeme mit relativ großen, sicht baren Flächen erfindungsgemäß benutzt werden, etwa die Karosserieflächen von Kraftfahrzeugen wie Züge, Busse, Straßenbahnen, Personenkraftwagen, oder die großen Flächen von Lastkraftwagen und deren Anhängern, oder auch die Karosserieflächen von Flugzeugen.Especially therefore advantageous is a use in which this device as a component in a construction activity used for the construction or renovation of building facades, or used in the mobile systems with relatively large, visible ble surfaces according to the invention be, such as the body surfaces of motor vehicles such as trains, Buses, trams, Passenger cars, or the large areas of trucks and their followers, or the body surfaces of aircraft.
ZEICHNUNGENDRAWINGS
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die genannten Einzelkörper dienen als Mesa-Beugungskörper im Sinne der Erzielung von Beugungseffekten.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description closer explained. The mentioned single body serve as mesa diffraction bodies in the sense the achievement of diffraction effects.
Es zeigen:It demonstrate:
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION THE EMBODIMENTS
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.In the same reference numerals designate the same or functionally identical Components.
Mit
Bezug zu
Die
Einzelmodule
Ein
Ansteuerungsnetzwerk bestehend im wesentlichen aus planaren Leitungen
im Inneren eines jeden Einzelmoduls
Des
weiteren ist ein Sensor
Auch
die entsprechenden Treiberprogramme zur Umsetzung einer speziellen
Ansteuerungsgeometrie und eines zugehörigen speziellen Ansteuerungsnetzwerks
sind für
den Fachmann einfach herzustellen und im Steuergerät
Mit
weiterem Bezug zu
Zwei
Einzelmodule
Die Schaltung innerhalb einer Zeile kann beispielsweise aus einer Serienschaltung einer kompletten Zeile oder gezielt gewählten Unterabschnitten einer Zeile bestehen, je nachdem, wie groß der Spannungsabfall während der Aktivierung eines einzelnen Einzelkörpers ist. Um im bevorzugten Niederspannungsbereich bleiben zu können, kann es sich daher empfehlen, in einer einzigen Zeile eine Parallelschaltung von Serienschaltungen für die oben genannten Untergruppen zu realisieren.The Circuit within a line can, for example, from a series connection a complete line or selected subsections of a Line, depending on how large the voltage drop during the Activation of a single single body is. In the preferred It is therefore advisable to in a single line a parallel connection of series circuits for the to realize the above subgroups.
Mit
weiterem Bezug zu
Wie
Die
Querschnittsform des Halteelements
Die
Kontaktierung zwischen dem als Elektrode ausgebildeten Brückenelement
Mit
weiterem Bezug zu
In
diesem Ausführungsbeispiel
ergibt sich eine Schwenkbewegung des Mesa-Beugungskörpers
Weiter
sollte zu den vorstehend gezeigten Ausführungsvarianten angemerkt werden,
dass ein und derselbe Halteblock
Mit
weiterem Bezug zu
In
Bei
den in
In
Mit
weiterem Bezug zu
Mit
weiterem Bezug zu
Aus
dem in
Mit
Bezug zu
Wobei der Gitterabstand voreingestellt nur in x- Richtung, und oben die nicht aktuierte Ausgangsstellung gezeigt ist, und unten eine von mehreren realisierbaren aktuierten Stellungen gezeigt ist, wobei der vorher konstante Gitterabstand aufspaltet in einen vergrößerten und einen verkleinerten;In which the grid spacing is preset only in x-direction, and above the not actuated initial position is shown, and below one of a plurality of feasible actuated positions is shown, wherein the previously constant grid spacing splits into an enlarged and a smaller one;
Dabei
werden die Elemente in lateraler Richtung (in der xy-Ebene) verschoben,
wobei in z-Richtung eine geringfügige
versetzende Bewegung vorgenommen wird, um eine Strecke, welche etwas
größer als
die Schichtdicke der Elemente in z-Richtung ist. Aus der Perspektive
der Aufsicht (
Im folgenden werden grundlegende Leitlinien für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Beugungskörpervorrichtung gegeben. Zunächst ist dabei festzustellen, dass die Basis der Herstellung übliche, im Stand der Technik bekannte Dünnschichtherstellungsprozesse sind, bei denen dünne Schichten durch Aufdampfen, Aufschleudern, Tauchbeschichtung, Sputtern, Galvanisieren, etc. hergestellt werden, und die durch weitere lithografische Herstellungsprozesse dann kleinräumig und meist in oberflächenmikromechanischem Aufbau zu den vorher aufgebrachten Schichten strukturiert werden können, je nach dem, wie groß die Strukturen in der Fotomaske sind. Insoweit wird vollständig auf Lehrbücher verwiesen, die die vorgenannten Techniken beschreiben.in the The following are basic guidelines for the manufacture of a diffractive body device according to the invention given. First It should be noted that the basis of the production usual, in The prior art known thin film manufacturing processes are where thin ones Layers by vapor deposition, spin coating, dip coating, sputtering, Galvanizing, etc. are produced, and by further lithographic Manufacturing processes then small-scale and mostly in surface micromechanical Structure to the previously applied layers are structured can, ever after how big the Structures in the photomask are. In that regard is completely on textbooks referenced, which describe the aforementioned techniques.
Herstellungsverfahren
auf der Basis der Oberflächenmikromechanik:
Im
folgenden werden die wichtigsten Herstellungsmerkmale exemplarisch
für das
in
- I. Für
eine Verwendung als Fassadenelement und zur Herstellung von Einzelmodulen
quadratischer Form mit einer Kantenlänge von knapp 12,5 cm wird
als Grundträgerfläche
30 eine dünne Glasscheibe als Glassubstrat mit diesen Abmessungen verwendet. Anstelle von anorganischem Glas kann auch ein anderes transparentes Material, organische Gläser (z.B. Plexiglas), transparente Kunststoffe bzw. Polymere evtl. unter Beimischung einer Abtönfarbe verwendet werden. - II. In einem zweiten Schritt werden planare Elektroden
38A bzw.38B sowie das zugehörige Ansteuerungsnetzwerk für die Leiterbahnen beispielsweise durch Aufdampfen von leitenden Materialien, z.B. Metallen (Aluminium, ...) oder z.B. ITO (engl. indium tin oxide), oder z.B. leitfähige Polymere (Poly[p-Phenylen], ...), ggf. durch eine galvanische Verstärkung unterstützt auf das Glassubstrat30 aufgebracht. Dieser Schritt kann durch Aufdampfen der elektrisch leitenden Materialien, verbunden mit üblichen lithografischen Strukturierungstechniken erfolgen. Bei Leitungskreuzungen werden Leitungen wie üblich durch eine isolierende Zwischenschicht voneinander getrennt. - IIIa). In einem dritten Schritt erfolgt das Aufbringen einer
Opferschicht mit definierter Dicke, die im wesentlichen durch die
Höhe der
in
5 dargestellten Halteelemente32A und32B vorgegeben ist. Die Höhe der Opferschicht sollte wenigstens so hoch sein, dass der beabsichtigte, maximale Schwenkausschlag eines Mesa-Beugungskörpers36 erfolgen kann, ohne dass der Mesa-Beugungskörper an die Grundplatte30 stößt. Diese Opferschicht soll die Halteblöcke32A und32B bilden. An diesen Stellen muss sie nachfolgend erhalten bleiben, und an allen anderen Stellen wird die Opferschicht nachfolgend weggeätzt, um einen Freiraum auszubilden, der die spätere Mesa-Beugungskörperschwenkung ermöglicht. Um eine hohe Transparenz zu gewährleisten, etwa wenn das Gitter im Durchlicht verwendet werden soll, wird die Opferschicht vorzugsweise bis auf das Glassubstrat an diesen Stellen entfernt. Dies gelingt mit heutigen technologischen Verfahren perfekt. Es sei darauf hingewiesen, dass z.B. elektrische Leitungen aus transparentem ITO, Halteblöcke aus Plexiglas und Grundplatte aus anorganischen Gläsern hergestellte werden können. Als Materialien der Opferschicht kommen in erster Linie solche Materialien in Frage, die sich gegenüber allen anderen verwendeten Materialien selektiv ätzen lassen und die gegenüber Witterung, Feuchtigkeit und Temperaturunterschieden relativ unempfindlich sind, eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen und kein nennenswertes plastisches Fließen aufweisen (ohne Hysterese). Beispielsweise kommen Materialien, etwa Polymethylmethacrylat, Siliziumdioxid oder ein UV-Fotolack in Frage, solange er sich mit einer definierten Dicke auftragen lässt. Beispielhaft sei ferner die Materialklasse der thermotropen Hauptketten-Flüssigkristalline-Polymere genannt. Diese Materialklasse lässt sich mit bestimmten organischen Lösungsmitteln einerseits gut lösen (Opferschichteigenschaft) und erfüllt auf der anderen Seite auch relativ hohe, mechanische Stabilitätskriterien, falls diese Materialien gleichzeitig als Teil der Halteblöcke zum Einsatz kommen. - III.b). Alternativ zu IIIa) wird eine Variante angegeben, welche Halteblöcke mit erhöhter Festigkeit liefert. Im wesentlichen wird dabei der Prozessschritt IIIa) wie folgt ersetzt. Dazu wird ein tiefenlithographiefähiger Photolack (z.B. PMMA) aufgebracht, in welchem die Formen aller Halteblöcke durch Belichten und Entwickeln als Negativ definiert werden. Durch selektives Auffüllen beispielsweise durch galvanische Prozesse, werden stabile Halteblöcke definiert. Nachfolgend werden die weiter unten folgenden Prozessschritte IV, V, und VI angewandt, wobei der verbleibende Photolack (Opferschicht) nasschemisch entfernt wird. Ferner ist dabei der Prozessschritt II derart zu modifizieren, dass gleichzeitig zu den Elektroden auf der Grundplatte geeignete leitfähige Grundflächenschichten der Halteblöcke definiert werden, welche jeweils gerade die Form der Verbindungsfläche Halteblock/Grundplatte aufweisen. Dabei muss auf eine elektrische Isolation zwischen oberen und unteren Elektroden geachtet werden. Vorteilhaft anwendbar ist auch der Einsatz der LIGA-Technik mit kostengünstigen Abformschritten.
- IV. In einem weiteren Herstellungsschritt wird eine Schicht
aufgebracht, die die Mesa-Beugungskörper oder gemäß einer
besonderen Ausführungsvariante
die optischen Filter, und die Brückenelemente
34A und B mit ihren Halteschichten auf den Halteelementen32A und B bildet. Als Material kommt beispielsweise eine Metallschicht beispielsweise aus Aluminium oder eine dielektrische Mehrfachschicht mit einer äußeren elektrisch leitfähigen aber transparenten Schicht (z.B. ITO) oder eine Polymerschicht mit stark reflektierenden und leitfähigen Eigenschaften in Frage. In einem kostengünstigen Ausführungsbeispiel erstreckt sich die leitende Schicht über die Mesa-Beugungskörper, die Ver bindungsbrücken und über die Halteschichten, und dient gleichzeitig als Elektrode (vor allem auf den Mesa-Beugungskörperflächen), als Leiterbahn (vor allem auf den Verbindungsbrücken) und als Halteschichten auf den Halteelementen. - V. In einem weiteren Schritt werden vorzugsweise am Rand eines jeden Einzelmoduls umlaufende Abstandhalter aufgebracht, beispielsweise aus dem selben Material wie die vorgenannte Opferschicht, um in einem weiteren (späteren) Schritt das Anbringen einer äußeren Schutzschicht bewirken zu können, die sich flächig über die gesamte Modulfläche erstreckt, um eine hermetische Versiegelung gegen Staub und Feuchtigkeit sowie einen Spannungsschutz zu realisieren. Diese Schutzschicht kann beispielsweise auf die vorgenannten Abstandhalter, die besonders bevorzugt als umlaufende Randbegrenzung vorliegt, durch Kleben aufgebracht werden.
- VI. In einem nächsten
Schritt wird die vertikale Strukturierung vorgenommen, indem ein Ätzvorgang
senkrecht zur Grundplatte
30 hin vorgenommen wird. Anschließend werden selektiv die oben beschriebenen Teile der Opferschicht entfernt, wobei die Verbindungsbrücken und Mesa-Beugungskörper entstehen. - VII. In einem weiteren Schritt werden die Anschlussstecker für den elektrischen
Anschluss der Einzelmodule untereinander, siehe zurück zu
2 , für die elektrischen Kontakte24 und die mechanischen Verbindungen22 aufgebracht und fest mit dem Modulrahmen bzw. leitend für den elektrischen Kontakt mit dem Ansteuerungsnetzwerk verbunden.
In the following, the most important manufacturing characteristics are exemplary for the in
- I. For use as a facade element and for the production of single modules square shape with an edge length of almost 12.5 cm is used as a basic support surface
30 a thin glass plate used as a glass substrate with these dimensions. Instead of inorganic glass, it is also possible to use another transparent material, organic glasses (eg Plexiglas), transparent plastics or polymers possibly with the addition of a tinting ink. - II. In a second step, planar electrodes
38A respectively.38B and the associated drive network for the printed conductors, for example by vapor deposition of conductive materials, eg metals (aluminum,...) or eg ITO (indium tin oxide), or eg conductive polymers (poly [p-phenylene],. , possibly supported by a galvanic reinforcement on the glass substrate30 applied. This step may be accomplished by vapor deposition of the electrically conductive materials, coupled with conventional lithographic patterning techniques. In line crossings, as usual, lines are separated by an insulating interlayer. - IIIa). In a third step, the application of a sacrificial layer with a defined thickness, which essentially by the height of in
5 shown holding elements32A and32B is predetermined. The height of the sacrificial layer should be at least as high as the intended maximum swing deflection of a mesa diffraction body36 can be done without the mesa diffraction body to the base plate30 encounters. This sacrificial layer should be the holding blocks32A and32B form. At these points, it must subsequently be preserved, and in all other places, the sacrificial layer is subsequently etched away to form a free space which allows the subsequent mesa diffraction body pivoting. In order to ensure a high level of transparency, for example when the grid is to be used in transmitted light, the sacrificial layer is preferably removed up to the glass substrate at these locations. This succeeds perfectly with today's technological processes. It should be noted that, for example, electric lines made of transparent ITO, holding blocks of Plexiglas and base plate can be made of inorganic glasses. As materials of the sacrificial layer are primarily those materials in question, which can be etched selectively against all other materials used and are relatively insensitive to weather, humidity and temperature differences, have sufficient mechanical strength and have no appreciable plastic flow (without hysteresis) , For example, materials, such as polymethyl methacrylate, silica or a UV photoresist in question, as long as it can be applied with a defined thickness. As an example, the material class of the thermotropic main chain liquid crystalline polymers may be mentioned. On the one hand, this material class can be well-solved with certain organic solvents (sacrificial layer property) and, on the other hand, also meets relatively high mechanical stability criteria if these materials are also used as part of the holding blocks. - IIIb). Alternative to IIIa), a variant is specified, which provides holding blocks with increased strength. Essentially, the process step IIIa) is replaced as follows. For this purpose, a deep lithography-capable photoresist (eg PMMA) is applied in which the shapes of all holding blocks are defined as negative by exposure and development. By selective filling, for example by galvanic processes, stable holding blocks are defined. Subsequently, the process steps IV, V, and VI below are applied, whereby the remaining photoresist (sacrificial layer) is removed wet-chemically. Fer In this case, the process step II is to be modified in such a way that suitable conductive surface layers of the holding blocks are defined simultaneously with the electrodes on the base plate, which in each case have the shape of the connecting surface holding block / base plate. Care must be taken to ensure electrical insulation between the upper and lower electrodes. Advantageously, the use of the LIGA technique with cost-effective molding steps is also applicable.
- IV. In a further production step, a layer is applied, the mesa diffraction bodies or according to a particular embodiment, the optical filters, and the bridge elements
34A and B with their holding layers on the holding elements32A and B forms. As a material, for example, a metal layer such as aluminum or a dielectric multilayer with an outer electrically conductive but transparent layer (eg ITO) or a polymer layer with highly reflective and conductive properties in question. In a cost effective embodiment, the conductive layer extends over the mesa diffraction bodies, the connection bridges Ver and the holding layers, and also serves as an electrode (especially on the mesa diffraction body surfaces), as a conductor (especially on the connecting bridges) and as holding layers on the holding elements. - V. In a further step, circumferential spacers are preferably applied to the edge of each individual module, for example of the same material as the aforementioned sacrificial layer, in order to be able to attach an outer protective layer in a further (later) step, which extends over the entire surface Module surface extends to provide a hermetic seal against dust and moisture and a voltage protection. This protective layer can be applied by gluing, for example, to the abovementioned spacers, which are particularly preferably in the form of peripheral boundary.
- VI. In a next step, the vertical structuring is done by etching perpendicular to the base plate
30 is made. Subsequently, the above-described parts of the sacrificial layer are selectively removed, resulting in the connection bridges and mesa diffraction bodies. - VII. In a further step, the connection plugs for the electrical connection of the individual modules with each other, see back to
2 , for the electrical contacts24 and the mechanical connections22 applied and firmly connected to the module frame or conductive for electrical contact with the control network.
Ebenso
wird der oben bei der Beschreibung von
Optional kann je nach späterer Verwendung des so gefertigten Moduls noch ein hermetischer Abdichtungslack über den gesamten Randbereich des Moduls gebracht werden, damit das Modulinnere einen langzeitstabilen, verwitterungsresistenten Zustand behält.optional may be later Using the thus manufactured module still a hermetic sealing paint over the entire edge area of the module are brought, so that the module interior maintains a long term stable, weather resistant condition.
Dann
werden die somit hergestellten Module zusammengesteckt, wie es in
In
optionaler Weise kann dieses gesamte Panel nun noch auf einen weiteren
Träger
Alternativ können die Verbindungsbrücken, Mesa-Beugungskörper und Halteblöcke aus ursprünglich flächigen Elementen aufgestellt werden (siehe z.B. M.H. Kiang, et al. IEEE Phot. Technol. Lett. 8, 1707 (1996).alternative can the connection bridges, mesa diffraction bodies and retaining blocks originally flat Elements (see, e.g., M.H. Kiang, et al., IEEE Phot. Technol. Lett. 8, 1707 (1996).
Die erfindungsgemäße Mesa-Beugungskörperanordnung kann, soviel wird dem Fachmann auf dem Gebiet der Dünnschichtherstellung und Mikrostrukturierung klar sein, auf vielen verschiedenen Wegen hergestellt werden. Charakteristisch für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist daher lediglich die Verwendung solcher Materialen, die ein vernünftiges Preis/Leistungsverhältnis für eine großflächige Verwendung im Fenster oder Fassadenbereich zulassen, und die Anpassung des lithographischen Prozesses an die relativ kleinen Abmessungen der Mesa-Beugungskörper.The mesa diffractive body assembly of the present invention can be made in many different ways, as will be apparent to those skilled in the art of thin film fabrication and microstructuring. Characteristic of the manufacturing method according to the invention is therefore only the use of such materials, which allow a reasonable price / performance ratio for a large-scale use in the window or facade area, and the adaptation of the lithographic process to the relatively small Abmessun conditions of the mesa diffraction bodies.
Desweiteren
ist es vorteilhaft, vorzugsweise das erfindungsgemäße Gesamtsystem
so auszulegen, dass es in einem Niedervoltbereich von weniger als
etwa 60 Volt betrieben werden kann. Diese Vorgabe ist bei der Formgebung
der Einzelkörper,
also für Halteelement
Eine geringe außentemperaturbedingte Variation der Mesa-Beugungskörperkrümmungen ruft dabei noch periodische Farbverschiebungen über längere Zeiträume hervor.A low outside temperature Variation of mesa diffraction body curvatures This causes periodic color shifts over longer periods.
Die Farbe wird dabei im Falle von Amplitudengittern durch die Dimensionen aller Elemente und das Tastverhältnis zwischen Spaltflächen und absorbierenden oder streuenden Flächenanteilen bestimmt. Farbvariationen des Beugungsmusters ergeben sich dann durch Variation des Tastverhältnisses durch Variation der Anstellwinkel von Beugungsflächen der Mesa-Beugungskörpern, oder durch laterales Verschieben der Beugungskörper in bestimmten Gruppen, relativ zu anderen Gruppen.The Color is in the case of amplitude gratings through the dimensions of all elements and the duty cycle between cleavage surfaces and absorbent or scattering areas. color variations of the diffraction pattern then result by varying the duty cycle by Variation of the angles of incidence of diffraction surfaces of the mesa diffraction bodies, or by lateral displacement of the diffraction bodies in certain groups, relative to other groups.
Folgende Winkelbereiche werden als typisch für bestimmte Verwendungen genannt, wie folgt: Bei Werbeflächen, bei denen nur eine Drehachse erforderlich ist, kann ein Effekt bereits bei einer Schwenkwinkelveränderung von etwa 2 Grad erzielt werden, bei „Kunst am Bau", d.h. einer ästhetischen Farbgestaltung für Gebäudefassaden kann bereits mit einem Winkel von einem Grad ein sichtbarer Erfolg erzielt werden, wobei intensivere Effekte erst bei größeren Winkeln auftreten. Bei lateraler Verschiebung hängt der Effekt von der jeweiligen Anordnung ab, mit der das Tastverhältnis verändert wird.The following Angular ranges are said to be typical of certain uses as follows: For advertising space, where only one rotation axis is required, an effect can already at a swivel angle change of about 2 degrees, in "art on building", i.e. an aesthetic one Color design for building facades can already be seen with an angle of one degree a visible success achieved, with more intense effects only at larger angles occur. With lateral displacement, the effect depends on the respective one Arrangement from, with the duty cycle is changed.
Der einschlägige Fachmann auf dem jeweiligen Gebiet der oben skizzierten, unterschiedlichen Verwendungen für die erfindungsgemäßen Mesa-Beugungskörperarrays wird erkennen, dass ein Gesamtsystem gemäß der Erfindung vorteilhaft mit weiterer Sensorik betrieben werden kann, die dann für die jeweilige Verwendung spezifisch ausgewählt wird. Beispielsweise kann bei allen Verwendungen im Zusammenhang mit Solarstrahlung in vorteilhafter Weise ein Sonnenstandssensor und optional ein zusätzliches weiteres Sensorsystem eingesetzt werden, das die Wolkenverteilung und/oder die Helligkeitsverteilung im sensorisch erfassten Halbraum, oder direkt am Himmel erfasst.Of the relevant One skilled in the art of the various uses outlined above for the Mesa diffraction body arrays according to the invention will appreciate that an overall system according to the invention is advantageous can be operated with other sensors, which then for each Use is specifically selected. For example, in all uses related to solar radiation Advantageously, a sun position sensor and optionally an additional Another sensor system that uses the cloud distribution and / or the brightness distribution in the sensory detected half space, or captured directly in the sky.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Even though the present invention based on preferred embodiments As described above, it is not limited thereto on diverse Modifiable way.
So
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung je
nach Wahl der Ausführung
und der Materialart der Grundträgerfläche
Beispielsweise kann die Dimensionierung der Fläche der Einzelmodule an Herstellungsanlagen angepasst werden, die bereits existieren und vorher zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen (IC-) Bauteilen, Festplatten im Computerbereich, etc, verwendet wurden.For example can the sizing of the area the individual modules are adapted to manufacturing plants that already exist and previously for the manufacture of integrated circuits (IC) components, hard drives in the computer area, etc, used were.
Weiter kann auch die dem Einzelkörper zugeordnete Elektrode integral mit diesem ausgebildet sein, wenn dieser aus elektrisch leitfähigem Material besteht.Further can also be the single body associated electrode formed integrally therewith, when this made of electrically conductive Material exists.
Beispielsweise
können
die der Lichtquelle zugewandten Flächen der Einzelkörper
Schließlich können die Merkmale der Unteransprüche im wesentlichen frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen vorliegende Reihenfolge miteinander kombiniert werden, sofern sie unabhängig voneinander sind.Finally, the Features of the dependent claims essentially free with each other and not by the present in the claims Sequence can be combined with each other, provided they are independent of each other are.
Es
sei darauf hingewiesen, dass sich Gitter in zwei Klassen einteilen
lassen: Reflexionsgitter und Transmissionsgitter. In beiden Fällen wird
weiter unterteilt, je nach dem, ob Phasenunterschiede oder Amplitudenunterschiede
involviert sind. Demnach gibt es Phasentransmissionsgitter, Phasenreflexionsgitter,
Amplitudentransmissionsgitter und Amplitudenreflexionsgitter. Dies
ist in
In
diesem Zusammenhang steht das Wort „Reflexion" hierin nicht zwingend für spiegelnde
Elemente. Es deutet darauf hin, dass das Beugungsmuster auf derselben
Seite des Gitters beobachtet wird, auf der auch das Licht einfällt (vergl.
Amplitudentransmissionsgitter
weisen lichtundurchlässige
Elemente
Weitere Anwendungen können für Gebäuderäume realisiert werden, wenn ein steuerbares Transmissionsgitter in den Fensterflächen eingesetzt wird: beispielsweise maßgeschneiderte Raumfarbenvariationen an den Raumwänden und Raumdecken, Projektionsdisplays für Projektionen an Wände und Decken, Projektionen von Kunstobjekten an Raumflächen oder Inventar, Projektionen beispielsweise berühmter Gemälde an Wandflächen, und dergleichen Anwendungen mehr.Further Applications can realized for building spaces when a controllable transmission grating is used in the windows: for example customized Room color variations on the room walls and ceilings, projection displays for projections on walls and Ceilings, projections of art objects on space surfaces or inventory, projections for example, more famous painting on wall surfaces, and similar applications.
Wenn
die Grundträgerfläche nicht
eben sein soll, sondern eine beliebig gekrümmte Form aufweisen soll, beispielsweise,
um sie der individuellen Form von PKW-Karosserieteilen anzupassen,
so kann es zweckmäßig sein,
die erfindungsgemäße Beugungsvorrichtung
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