DE3939519A1

DE3939519A1 - Dekorierter gegenstand

Info

Publication number: DE3939519A1
Application number: DE3939519A
Authority: DE
Inventors: Andreas Biedermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1989-11-30
Publication date: 1991-06-06
Also published as: ATE121683T1; DE59008976D1; EP0455792B1; WO1991008118A1; US5235462A; EP0455792A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Gegenstände, deren Form und deren Oberfläche zur Erzielung einer ästhetischen Wirkung in bestimmter Weise gestaltet sind.

Die Erfindung betrifft insbesondere einen dekorierten Gegen stand, welcher einen transparenten Körper bestimmter Form aufweist, auf dessen Oberfläche ein Schichtsystem zur Er zeugung von Interferenzeffekten vorgesehen ist.

Stand der Technik

Technische Anwendungen für optische Bauelemente sind bekannt und üblich. Beispiele sind Hochleistungsspiegel, Filter und Strahlteiler. Eine Übersicht ist enthalten in
H.A.M. Macleod, Thin Film Optical Devices, in "Active and passive thin film devices", Academic Press 1978 (D1).

Manche Bauelemente lassen sich nur mit Hilfe von Interferenz schichten realisieren. Man kann praktisch alle physikalisch nicht verbotenen optischen Eigenschaften mit Hilfe von Interenzschichtsystemen züchten. Die Möglichkeiten reichen von der völligen Entspiegelung bis zu einem Spiegel, der stärker reflektiert als eine Silberoberfläche; von einem schmalbandigen Durchlaßfilter bis zu einem Bandpaß mit steilen Kanten. Die Abhängigkeit der optischen Eigenschaften Durchlaß T und Reflexion R von der Wellenlänge hat zur Folge, daß das Schichtsystem farbig erscheint. Insbesondere ist es leicht, mit Interferenzschicht systemen kräftige, farbige Reflexion zu erzielen, was mit anderen Mitteln nicht oder nur schwer möglich ist.

Übliche Färbung geschieht durch Zusatz von Stoffen, die einen bestimmten Wellenlängenbereich absorbieren. Der Gegenstand erscheint dann in der Farbe der nichtabsorbierten Wellenlängen. Dieser Mechanismus geschieht hauptsächlich beim Durchlaß des Lichts, kaum in Reflexion. Absorbierende Färbung ist gekenn zeichnet dadurch, daß ein Teil des Lichts vernichtet wird. Ein so gefärbter Gegenstand wirkt dunkel. Um so reiner und tiefer die Farbe ist, um so mehr Licht muß absorbiert werden und um so dunkler wirkt der Gegenstand. Dieser Effekt macht sich insbesondere dann nachteilig bemerkbar, wenn die Farbe als dekoratives Element zur Erzielung einer ästhetischen Wirkung eingesetzt werden soll. Die Absorption ist eine Eigenschaft der verwendeten Stoffe, so daß die verfügbaren Farben durch die Anzahl geeigneter Stoffe begrenzt wird. Da es sich um absorbierende Färbung handelt, ergibt die Mischung verschiedener Stoffe in der Regel schmutzige Mischfarbe.

Die Verwendung von absorptionsfreien Interferenzschichtsystemen bringt folgende Vorteile:

- Herstellung beliebiger, klarer Farben möglich,
- kräftige, farbige Reflexion,
- helle Farben, kein Lichtverlust.

Trotzdem werden bisher die absorptionsfreien Interferenzschicht systeme nicht zur Dekoration genutzt. Es ist anzunehmen, daß ausschlaggebend für die Nichtnutzung folgender Umstand ist:
Die Farbwirkung von absorptionsfreien Interferenzschicht systemen zeigt eine ausgeprägte Abhängigkeit von den Be leuchtungsverhältnissen. Insbesondere ist für eine An wendung schädlich, daß unter üblicher, halbwegs gleich mäßiger, Beleuchtung, die Farbeffekte nahezu verschwinden.

Zur Erläuterung wird der Begriff "Farbtiefe" K verwendet. Auf das Auge des Beobachters trifft Licht mit der In tensität I. Die Änderung der Intensität mit der Wellenlänge ist ausschlaggebend für das Farbempfinden. Es tritt maximale Intensität auf, Imax, und minimale Intensität, Imin, im sichtbaren Spektralbereich. Die Funktion K = (Imax-Imin)/Imin kann als Maß für die Farbtiefe genommen werden, vorausgesetzt, daß die Extrema nicht so dicht liegen, daß das Auge über die Wellenlänge integriert. Falls die In tensität nicht schwankt, Imax-Imin = 0, ergibt sich für K der Wert 0. Tatsächlich erscheint das Licht in diesem Fall weiß (farblos). Das Auge "mißt" relativ, so daß in K das Ver hältnis von Intensitäten berechnet wird. Ein großer Wert von Imin verringert den Wert von K, damit wird berücksichtigt, daß eine bei allen Wellenlängen vorhandene Grundintensität die Farbe "verweißlicht".

Von der Färbung eines Gegenstandes, dessen Dekoration in der Färbung besteht, ist zu verlangen, daß die Farben unter vielen Beleutungsverhältnissen wirksam werden.

1. Fall: reine Reflexion

Im Falle reiner Reflexion zeigen Schichtsysteme und sogar Einfachschichten (Lüster, Seifenblasen) hohe Farbtiefe. Das wird verursacht durch geringen Wert von Imin. Es muß keine Mühe darauf angewandt werden, in Reflexion aus reichende Farbtiefe zu erreichen. Reine Reflexion tritt aber sehr selten auf.

2. Fall: reine Transmission

In reiner Transmission ist akzeptable Farbtiefe erst mit Dreifachschichten zu erreichen (Tab.1). Es bereitet keine Schwierigkeit, durch Gestaltung des Schichtsystems beliebig hohe Farbtiefe zu erreichen. Reine Transmission tritt eher auf als reine Reflexion. Es genügt meist, durch den Gegen stand hindurch eine Lichtquelle zu betrachten. Die Helligkeit einer Lichtquelle ist im Vergleich zur Umgebung oft so groß, daß näherungsweise von reiner Transmission gesprochen werden kann.

3. Fall: Reflexion und Transmission gleichzeitig

Die Farbtiefe ist in diesem Fall eine Funktion des Verhält nisses der verursachenden Intensitäten. Fig. 1 zeigt eine typische Beleuchtung. Ein transparenter Gegenstand G, der eine Interferenzschicht S aufweist, befindet sich ober halb einer Unterlage U ( z. B: eines Tisches) und wird schräg von oben betrachtet (angedeutet durch das Augensymbol). In Fig. 3 sind die Größen angegeben, die zur Berechnung der auf das Auge fallenden Intensität verwendet werden. Die Intensität setzt sich zusammen aus von links einfallender Intensität A, multipliziert mit dem Durchlaß T und der von rechts einfallenden Intensität B, multipliziert mit der Reflexion R.

I = AT + BR,
I = (1 - R) + VR

T = (1 - R) für absorptionsfreie Schicht, mit V = B/A und A: = 1.

In Tab. 2 ist die Farbtiefe K als Funktion von V und R für den Fig. 1 betreffenden Fall angegeben. Die nicht beschichtete Rückseite des Gegenstandes wird vernachlässigt. Die maximale Reflexion 60%, 81%, 93%, 96% entspricht 3, 5, 7, und 9-fach Schichten (Tab. 1). Aus Tab. 2 geht hervor, daß die Farbtiefe im Falle gleichmäßiger Ausleuchtung der Unterlage (A = B bzw. V = 1) exakt Null ist. Dieses völlige Verschwinden der Farbe tritt auch unter realen Bedingungen auf. D. h. unabhängig von sonstigen Lichtquellen und Beleuchtungsverhältnissen im Raum, solange nur die Unterlage gleichmäßig ausgeleuchtet ist. In Tab. 2 sind auch die Werte von K für nichtgleichmäßige Ausleuchtung angegeben. Der Durchschnitt von K bei ver schiedenen Werten V ist ein Maß für die dekorative Wirkung unter üblichen Beleuchtungsverhältnissen. Es ist interressant, daß sich der Durchschnitt von K nicht wesentlich steigern läßt durch Einsatz großer Anzahl von Schichten.

Der Umstand, daß die Farbe unter üblichen Beleuchtungs verhältnissen schwach ist und zum Teil völlig verschwinden kann, ist ein erheblicher Mangel, der die Nutzung von Interferenzschichten zur Farbgebung verhindert. Die Kenntnis dieses Mangels gehört zum Stand des Wissens. Es wurden ver schiedentlich Vorschläge gemacht, den Mangel zu mildern:
European Patent Application, Appl. No.: 8 53 04 031.9, Publ. No.: 01 65 021 (D2) und
DE-OS 36 35 567 (D3).

In D2 wird eine symbolerzeugende optische Interferenzvorrichtung zum Echtheitsnachweis vorgeschlagen. Der Gefahr, daß die Interferenzfarben nicht sichtbar sind, soll dadurch vorgebeugt werden, daß ganze Schichtsysteme übereinander aufgebracht werden. Tatsächlich steigt die durchschnittliche Farbtiefe mit steigender Schichtzahl (steigender maximaler Reflexion) etwas an, s. Tab. 2. Dafür wird aber ein großer Aufwand getrieben. Der Herstellungsaufwand steigt überproportional mit der Schichtzahl, weil sich Schichtfehler addieren. Der Gewinn an Farbtiefe ist sehr gering. Es kann, auch mit be liebig hoher Schichtzahl, nicht verhindert werden, daß bei gleichmäßiger Beleuchtung (V = 1) die Farbe völlig verschwindet.

D3 liegt die Beobachtung zugrunde, daß bereits geringe Farb tiefen zur Dekoration ausreichen, wenn dafür gesorgt wird, daß unterschiedliche Farben gleichzeitig betrachtet werden. Es findet statt eine Vergrößerung des Kontrasts, und damit der dekorativen Wirkung, wenn zwei verschiedene Farben mit einander verglichen werden. Auch dann, wenn die jeweilige Farbtiefe recht gering ist. Die Vorschrift nach D3 setzt aber eine nicht verschwindende Farbtiefe voraus. Im Falle gleichmäßiger Ausleuchtung verschwinden alle Farben, so daß dann kein Vergleich verschiedener Farben mehr möglich ist. Auch die zu kleine Farbtiefe in der Nähe von V = 1 läßt sich durch die Vorschrift nach D3 kaum mildern.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gegenstand anzugeben, der mit Hilfe eines Schichtsystems und eines transparenten Körpers

1) die Vorteile absorptionsfreier Färbung aufweist, inbesondere kräftige Farbreflexe entwickelt, beliebige Farbwahl gestattet und helle Färbung ohne Lichtverlust ermöglicht
und
2) den Mangel geringer, bzw. völlig verschwindender Farbtiefe bei üblicher Beleuchtung behebt.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) das Schichtsystem eine Folge von wenigstens drei Inter ferenzschichten wechselnder Brechzahl umfaßt,
b) die Oberfläche des transparenten Körpers so gestaltet ist, daß Oberflächenbereiche vorhanden sind, deren Flächennormalen sich in allen drei räumlichen Komponenten unterscheiden,
c) das Schichtsystem direkt auf den Oberflächenbereichen angeordnet ist
und
d) der transparente Körper derart gestaltet ist, daß bei üblicher Gebrauchslage des Körpers mindestens ein beschichteter Oberflächenbereich durch einen zweiten beschichteten Oberflächenbereich hindurch betrachtet werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorschrift setzt zwei unabhängige physikalische Mechanismen in Gang. Ein Mechanismus sorgt für die Entstehung von farbigen Reflexen, der zweite Mechanismus ver stärkt die Farbtiefe und verhindert auch das völlige Ver schwinden der Farbe unter üblichen Beleuchtungsverhältnissen.

Der Kern der Erfindung ist nur zugänglich experimenteller Messung oder mathematischer Analyse. Denn es ist auf den ersten Blick unverständlich, wieso eine farblos erscheinende Schicht, durch eine zweite, ebenso farblos erscheinende, Schicht hindurch betrachtet, dann farbig erscheint.

Zur Entstehung der farbigen Reflexe ist notwendig, daß die Flächennormalen in allen drei räumlichen Komponenten variiert werden und daß eine Schicht durch eine andere Schicht hindurch betrachtet wird. Während zur Verstärkung der Farbtiefe allein ausreichend ist, daß eine Schicht durch die andere Schicht be trachtet wird.

Mechanismus 1: Verstärkung der Farbtiefe, Verhindern des Verschwindens der Farbe unter üblicher Beleuchtung

Fig. 2 zeigt den bisher betrachteten Fall, daß ein Gegenstand G sich auf einer Unterlage U befindet und schräg von oben betrachtet wird. Im Gegensatz zu Fig. 1 weist der Gegenstand erfindungsgemäß zwei beschichtete Oberflächenbereiche auf. Fig. 4 gibt die Größen an, die zur Berechnung der Intensität verwendet werden. Mit T als Durchlaß und R als Reflexion ergibt sich die Intensität

I = ATT + BTRT + BR
I = (1 - R)² + V(R(1 - R)² + R)

und daraus mit T = (1 - R) und V = B/A, A: = 1

Es wird deutlich, daß kein Wert von V gefunden werden kann, für den die Intensität I unabhängig von R wird. D. h. es gibt nach Anordnung der Fig. 2 kein Beleuchtungsverhältnis, für das die Farben der Anordnung verschwinden. Darüberhinaus zeigt Tab. 3, daß die Farbtiefe im Durchschnitt verstärkt wird. Diese Farbtiefe ist zum Beispiel bereits für eine Dreifachschicht (Rmax = 60%) größer als für eine Neunfachschicht (Rmax = 96%) nach Tab. 2.

Mechanismus 2: Entstehen farbiger Reflexe und Ausführungsbeispiel

In Fig. 5 ist ein Gegenstand G dargestellt, beispielsweise ein Glaskörper mit gewölbter Oberfläche (Sektglas), auf dessen Kelchwände ein Schichtsystem S aufgetragen ist. Ein Betrachter, angedeutet durch das Augensymbol, blickt schräg von oben auf den Gegenstand. Er erblickt an der Stelle C einen Reflex, wenn sich auch schräg oben eine Lichtquelle befindet. Das ist sehr leicht möglich durch eine Lampe, eine helle Zimmerdecke, ein Fenster oder durch den Himmel. Es handelt sich um einen Reflex 2. Ordnung, der nur dadurch ermöglicht wird, daß sich x- und z-Komponenten der Flächennormalen auf verschiedenen Oberfächenbereichen der Schicht ändern. Für den vergleichsweise einfachen Fall eines Reflexes 2. Ordnung nach Fig. 5 wurde eine Berechnung ausgeführt. Es handelt sich um schrägen Lichtein fall, sodaß s- und p-Komponenten des Lichts berücksichtigt werden müssen. Der Strahlengang liegt nur in einer Ebene, deshalb wandeln sich s- und p-Komponenten nicht ineinander um, und es genügt s- und p-Komponente während des gesamten Strahlenganges getrennt zu behandeln. Vorgaben für die Berechnung: Dreifachschicht, zweimalige Transmission durch das Schichtsystem unter 60° Einfallswinkel, zweimalige Re flexion unter 30° Einfallswinkel, Vernachlässigung der unbeschichteten Substratoberflächen. Es existieren mathe matisch günstig aufbereitete Darstellungen der Interferenz effekte an dünnen Schichten, beispielsweise D1, S. 326-334, die zur Berechnung der Intensität herangezogen werden können. Die Ergebnisse der Berechnung und die genauen Daten des Schichtsystems sind in Fig. 6 dargestellt.

Die Erfindung ermöglicht, wie aus Fig. 6 ersichtlich,
1. eine beachtliche Farbtiefe selbst für das einfachste Schichtsystem und
2. einen erstaunlich hohen Wert für Imax.

Der hohe Wert von Imax ensteht durch die Nutzung der Winkel abhängigkeit der optischen Eigenschaften von Interferenz schichtsystemen. Wären die optischen Eigenschaften unabhängig vom Einfallswinkel, dann ergäbe sich nach zweimaliger Trans mission und zweimaliger Reflexion Imax = 6,25%. Der Wert von etwa 30% für Imax aus Fig. 6 bezieht sich auf die Intensität des schräg einfallenden Lichts. Die Wirkung des Reflexes ist in der Regel größer als der berechnete Wert vermuten läßt. Denn es kann sich entweder um einen Reflex von einer Lichtquelle hoher Leuchtdichte handeln, oder es wird das Licht eines Winkelbereichs erfaßt und auf das Auge des Beobachters gebündelt. Die Bündelung ist in Fig. 5 durch drei Strahlengänge angedeutet.

Das Auftreten des Reflexes ist nicht an die spezielle Geometrie der Fig. 5 gebunden. Der Reflex tritt auch bei anderen Einfalls- und Betrachtungswinkeln auf. Einfalls winkel und Betrachtungswinkel müssen nicht gleich groß sein. Der Reflex wird dann in der Höhe am Glas verschoben. D. h., es ergibt sich unter üblicher Beleuchtung häufig eine ganze Reflexlinie.

Bisher wurde der Reflex 2. Ordnung betrachtet. Es treten aber nach der erfindungsgemäßen Ausführung auch Reflexe höherer Ordnung auf. Zur Betrachtung ist es notwendig, alle drei räumlichen Komponenten des Strahlenganges zu berücksichtigen. Der in Fig. 5 dargestellte Gegenstand sei rotationssymmetrisch bezüglich der z-Achse. Dann ergibt sich für die x-y-Ebene eine Darstellung nach Fig. 7 (Draufsicht). Ähnlich wie in Fig. 5 werde der einfallende Strahl im unteren Teil des Kelches umgelenkt. Dort ist der Radius des Kelches klein, entsprechend R1 in Fig. 7. Im oberen Teil habe der Kelch konstant den Radius R2. In Fig. 7 ist eine Dreifachreflexion gezeichnet. Charakteristisch ist, daß alle Strahlen im Inneren des Kelches einen Kreis mit dem Radius RB tangieren. Aus den Bedingungen

2ϕ + 4ϑ = 180°, RB/R1 = sin ϕ und RB/R2 = sin ϑ

ergibt sich genau eine physikalisch sinnvolle Lösung

D. h. für den Betrachter erscheint in definierter Entfernung vom Reflex 2. Ordnung der Reflex 3. Ordnung. Wenn die verursachende Lichtquelle keine allzu große Ausdehnung hat, dann sind die Reflexe scharf voneinander getrennt. Ebenso werden Reflexe höherer Ordnung beobachtet, die deutlich voneinander getrennt sind.
Überstreicht der Einfallswinkel einen ganzen Bereich, dann bilden alle Ordnungen Reflexlinien.

Die Entstehung dieser Reflexe ist nicht trivial. Die Entstehung erfordert das erfindungsgemäße Zusammenwirken eines Inter ferenzschichtsystems mit einer bestimmten Formgebung. Es ist notwendig, daß die Flächennormalen in allen drei räumlichen Komponenten variieren. Ein transparenter Gegenstand erfindungs gemäßer Form, kann zwar auch ohne Interferenzschicht Reflexe höherer Ordnung bilden. Die Intensität dieser Reflexe ist aber derart gering, daß eine Beobachtung schwer fällt, geschweige denn eine Nutzung zur Dekoration des Gegenstandes möglich wäre.

Die Unterschiede in der Intensität sind drastisch. Beispiels weise ergeben sich für Strahlengang nach Fig. 5 beim Fehlen des Interferenzschichtsystems folgende Werte für die Intensität des Reflexes 2. Ordnung:

p-Komponente:\|0,0731%
s-Komponente:	0,250%

berechnet jeweils für eine Grenzfläche Glas-Luft. Verglichen mit dem Wert von Imax aus Fig. 6 von etwa 30% ist hier die Intenstät auf zum Teil weit weniger als ein Hundertstel gesunken. Der Unterschied läßt die Formulierung zu, daß erst durch die erfindungsgemäße Ausführung solche Reflexe höherer Ordnung auftauchen.

Die erfindungsgemäße Ausführung eignet sich sehr gut zur De koration transparenter Gegenstände. Die entstehenden Reflexe erzeugen in bisher nicht gekanntem Maße den Eindruck: "stark funkelnd".

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Claims

1. Dekorierter Gegenstand, welcher einen transparenten Körper aufweist, auf dessen Oberfläche ein Schichtsystem zur Erzeugung von Interferenzeffekten vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Schichtsystem eine Folge von wenigstens drei Inter ferenzschichten wechselnder Brechzahl umfaßt,
b) die Oberfläche des transparenten Körpers so gestaltet ist, daß Oberflächenbereiche vorhanden sind, deren Flächen normalen sich in allen drei räumlichen Komponenten unter scheiden,
c) das Schichtsystem direkt auf den Oberflächenbereichen angeordnet ist,
und
d) der transparente Körper derart gestaltet ist, daß bei üblicher Gebrauchslage des Körpers mindestens ein be schichteter Oberflächenbereich durch einen zweiten be schichteten Oberflächenbereich hindurch betrachtet werden kann.

2. Dekorierter Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Schichtsystem eine Schicht, deren Brech zahl in Richtung der Flächennormale stetig variiert, umfaßt, welche Schicht näherungsweise als Folge von wenigstens drei Schichten wechselnder Brechzahl aufgefaßt werden kann.

3. Dekorierter Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schichtsystem auf verschiedenen Oberflächenbereichen verschiedene optische Eigenschaften aufweist.