WO2004008190A1

WO2004008190A1 - Vorrichtung zur gerichteten lichtstreuung und verfahren zur herstellung der vorrichtung

Info

Publication number: WO2004008190A1
Application number: PCT/EP2003/007502
Authority: WO
Inventors: Benedikt BLÄSI; Wolfgang Hossfeld; Andreas Gombert; Volkmar Boerner; Peter Nitz; Christopher BÜHLER; Jörg MICK
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2004-01-22
Also published as: DE10231141A1

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusorwirkung mit wenigstens einer strukturierten Oberfläche, mit der ein Lichtstrahl in Wechselwirkung tritt und durch Reflexion oder Transmission aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung gezielt ablenkbar ist. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung beschrieben. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die strukturierte Oberfläche eine Kombination aus periodischen und stochastischen Oberflächenstrukturanteilen darstellt, die eine durch die stochastischen Oberflächenstrukturanteile aufgezwungene Aperiodizität aufweist, und dass die miteinander kombinierten periodischen und stochastischen Oberflächenstrukturanteile Strukturelemente mit Strukturdimensionen aufweisen, die wenigstens der Wellenlänge des auf die strukturierte Oberfläche auftreffenden Lichtstrahls entsprechen.

Description

VORRICHTUNG ZUR GERICHTETEN LICHTSTREUUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DER VORRICHTUNG

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusorwirkung mit wenigstens einer strukturierten Oberfläche, mit der ein Lichtstrahl in Wechselwirkung tritt und durch Reflexion oder Transmission aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung gezielt ablenkbar ist. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung angegeben.

Lichtlenkende Vorrichtungen der vorstehend genannten Gattung enthalten optische Diffusoren in Form von Streuflächen, an denen einfallendes Licht diffus gestreut wird. Eine wesentliche Eigenschaft derartiger Streuflächen ist deren Streuprofil, das die winkelaufgelöste Streueffizienz bei senkrecht auf den Diffusor einfallender, kollimierter Lichtstrahlung beschreibt. In der Regel kann ein Diffusor durch zwei eindimensionale Streuprofile in horizontaler bzw. x-Richtung und vertikaler bzw. y- Richtung charakterisiert werden. Ein Diffusor, dessen x- und y-Streuprofil annähernd gleich sind, wird als symmetrischer Diffusor bezeichnet. Bei unterschiedlichen Streuprofilen für x- und y-Richtung handelt es sich um einen asymmetrischen oder auch anisotropen Diffusor. Selbstverständlich werden vor allem Licht-streuende Oberflächen als anisotrope Diffusoren verstanden, deren Streuprofile sich winkelselektiv, d.h. nicht nur bezüglich der x- und y-Achse voneinander unterscheiden.

Je nach beabsichtigten Einsatzzweck ist das Streuprofil des Diffusors entsprechend zu wählen, so dass sich für jede Anwendung aus den geometrischen Gegebenheiten und der beabsichtigten optischen Wirkung ein spezifischer Blickwinkelbereich ergibt, in den der Diffusor Lichtanteile streut. So ist bspw. bei großformatigen Projektionsbildschirmen, die für sich genommen Diffusorflächen darstellen, in der Regel ein asymmetrischer Blick- bzw. Streuwinkelbereich wünschenswert, bei dem der horizontale Blickwinkel größer als der vertikale Blickwinkel ausfallen sollte. Auch linden zunehmend Diffusorsysteme Anwendung als Elemente zur Tageslichtlenkung für die Innenraumbeleuchtung.

Stand der Technik

Von besonderem Interesse sind daher asymmetrische Diffusoren sowie deren Herstellungsverfahren.

In diesem Zusammenhang geht aus der US 5,365,354 ein Verfahren zur Herstellung asymmetrischer Diffusoren hervor, bei dem ein Lichtbündel durch einen Primärdiffusor geleitet, wobei anschließend ein lichtempfindliches Material belichtet wird. Innerhalb des lichtempfindlichen Material bildet sich durch die Belichtung ein Volumenhologramm aus, das bei erneuter Bestrahlung durch Rekonstruktion des aufgenommenen Primärdiffusors streuend wirkt. In einer weiteren Ausgestaltung dieses Verfahrens werden zwei diffuse Lichtbündel aus unterschiedlichen Richtungen eingestrahlt, um einen so genannten Multiplex-Diffusor herzustellen. Bei einem Multiplex-Diffusor ist das Diffusionsverhalten in verschiedenen Richtungen unterschiedlich, da unter einem bestimmten Einfallswinkel nur das Hologramm des einen und unter einem anderen Einfallswinkel nur das Hologramm des anderen Lichtbündels rekonstruiert wird. Eine derartige Technik ist nur durch Erstellung von Volumenhologrammen möglich und erfordert, dass die beiden Wellenfelder der beiden Lichtbündel bei der Belichtung nicht zueinander kohärent sind. Das Verfahren der US 5,365,354 führt jedoch in der Regel zu gaußförmigen oder nahezu gaußförmigen Streuprofilen, da die Form des Streuprofils des im Belichtungsaufbau benutzten Primärdiffusors dupliziert wird. Die mit diesem Verfahren erzielbare Streuwirkung ist daher nur bedingt anisotrop. Die US 3,708,217 beschreibt ebenfalls eine Technik zur Aufnahme eines Volumenhologrammes für die Herstellung von asymmetrischen Diffusoren. Bei diesem Verfahren wird auf einer lichtempfindlichen Schicht eine Referenzwelle mit einer Objektwelle überlagert, die durch einen Primärdiffusor transmittiert wurde, um -ein Volumenhologramm herzustellen. Durch geeignete räumliche Anordnung des Primärdiffusors zur lichtempfindlichen Schicht lässt sich ein stark richtungsabhängiges Streuprofil erzeugen. Die Verwendung einer ebenen Referenzwelle führt jedoch dazu, dass die optische Transferfunktion des Volumenhologrammes einen stark periodischen Anteil aufweist, der zu unerwünschten Farbeffekten beim Einsatz dieses Diffusors führen kann. Weiterhin wird in dieser Druckschrift keine Lösung angeboten, mit der ein möglichst flaches Streuprofil realisiert werden könnte.

In DJ. Schertier et al., Applied Optics 38 No. 2, 1999, Seiten 291 - 303, ist eine Technik zur Erzeugung eines abgeflachten Streuprofils beschrieben, bei der eine Kombination eines eindimensionalen Phasenbeugungsgitters mit einem symmetrisch streuenden Diffusor eingesetzt wird. Diese beiden Komponenten können dabei entweder als Einzelkomponenten hintereinander angeordnet oder in Form der beiden Oberflächen eines transparenten Trägermaterials ausgebildet sein. Die Diffusoroberfläche wurde hierbei mit einer Ätztechnik, die Gitteroberfläche mit einer Photoresisttechnik erzeugt.

Neben den vorstehend genannten Diffusorsysteme sind auch Mikrolinsen dazu geeignet Licht mit einer bestimmten Streucharakteristik durch entsprechende Brennweitenwahl und Einstellung bestimmter optischer Abbildungseigenschaften zu streuen. Mikrolinsen als Diffusoren sind beispielsweise beschrieben in dem Artikel von P.C.H. Poon et al., „Microlens array diffuser for incoherent illumination, 3^rd EOS Topical Meeting on Microlens Arrays, National Physics Laboratory, Teddington (UK), Mai 1995, 89-91. Dabei finden Zylinderlinsen oder sogenannte Lentikulare sowie auch sphärische Linsen Anwendung. In beiden Fällen sind Färb- und Beugungs- Effekte und bei Displays Moire-Effekte von großem Nachteil. Auch ist ein Diffusor-System bestehend aus Lentikularen, d.h. einachsig astigmatisch gekrümmte Mikrolinsen, bspw. Zylinderlinsen, kombiniert mit einem Diffusor aus der Literatur bekannt. In dem Artikel von R. Bradley et. al., „Ultra-wide viewing angle rear projection television screen, IEEE Trans. Consum. Electron. CE-31, 185-193, 1985 -ist ein Projektionssystem für die Rückwandprojektion, bspw. für Großbildschirmflächen beschrieben, das einen Völumendiffusor vorsieht, an dessen Lichtaustrittsfläche lamellenartig angeordnete Zylinderlinsen angeordnet sind.

Desweiteren lassen sich weitere Druckschriften nennen, bspw. WO 00/11498, DE 28 56542 C2, in denen optische Elemente mit lichtstreuenden Eigenschaften beschrieben sind, die eine Kombination aus makro-optischen Elementen, wie bspw. Mikrolinsen, die in einer periodischen Abfolge angeordnet sind, und eine diffus Lichtstreuende Oberfläche aufweisen. Auch in den vorstehend genannten beiden Fällen sind die Mikrolinsenanordnung und die streuende Oberfläche als zwei getrennte, optisch wirksame Elemente oder auf getrennten Oberflächen eines optischen Elementes ausgebildet, die in gemeinsamer optischer Überlagerung eine anisotrope optische Streuwirkung erzielen.

Schließlich sind lichtstreuende Mattscheibenanordnungen bekannt, die jeweils eine lichtstreuende Oberfläche dergestalt aufweisen, die periodisch angeordnete makroskopisch ausgebildete Strukturelemente vorsieht, die mit einer stochastischen kleinskaligen Mikrostrukturierung aufgerauht sind. Diesbezügliche Anordnungen gehen aus der US 5,081 ,545, US 5,914,545 sowie der JP 09159810 A hervor. Nachteilhaft bei derartigen Anordnungen sind zum einen eine durch die kleinskalige Rauhheit hervorgerufene breite Streuwirkung und eine nicht vollständige Vermeidung von Farbeffekten durch Beugung an den periodischen Strukturen. Zum anderen ist die Herstellung und vor allen die Replizierbarkeit derartiger Oberflächenstrukturen nur mit großen fertigungstechnologischen Aufwand realisierbar.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend von dem vorstehend zitierten Stand der Technik besteht die Aufgabe eine Vorrichtung zur gezielten Lichtlenkung mit optischer Diffusor-Wirkung anzugeben, die über einen vergleichsweise einfachen optischen Aufbau verfügt. Die in ihrer optischen Streuwirkung gezielt einstellbare Vorrichtung zur Lichtlenkung soll insbesondere beugungsbedingte Farbeffekte auf ein Minimum reduzieren, trotz einer angestrebten räumlichen Minimierung der für die gezielte Lichtlenkung ^•verantwortlichen optischen Strukturen. Ferner soll die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zur Lichtlenkung kostengünstig in der Herstellung sein, wodurch eine hohe Produktattraktivität erzielt werden soll. Auch gilt es in diesem Zusammenhang ein möglichst preisgünstiges und ökonomisches Verfahren zur Herstellung einer diesbezüglichen Vorrichtung anzugeben.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 14 sowie 22 sind erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusor-Wirkung. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß zeichnet eine Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusor-Wirkung mit wenigstens einer strukturierten Ober läche, mit der ein Lichtstrahl in Wechselwirkung tritt und durch Reflexion oder Transmission aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung gezielt ablenkbar ist, dadurch aus, dass die strukturierte Oberfläche eine Kombination aus periodischen und stochastischen Oberflächenstrukturanteilen darstellt, die eine durch die stochastischen Oberflachenstrukturanteile aufgezwungene Aperiodizität aufweist, und dass die miteinander kombinierten periodischen und stochastischen Oberflachenstrukturanteile Strukturelemente mit Strukturdimensionen aufweisen, die wenigstens der Wellenlänge des auf die strukturierte Oberfläche auftreffenden Lichtstrahls entsprechen. Im Unterschied zu den bisher bekannten, gattungsgemäßen Lichtlenkvorrichtungen, wie eingangs beschrieben, die zur gezielten anisotropen Lichtstreuung wenigstens eine optisch wirksame Grenzflächen vorsehen, zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine strukturierte Oberfläche aus, die zwar grundsätzlich ^■ periodische Oberflächenstrukturen vorsieht, deren strenge Periodizität jedoch durch die Aufmodulation bzw. Überlagerung mit stochastischen Oberflächenstrukturelementen, deren Größenordnung vergleichbar ist mit der von den periodischen Oberflächenstrukturelementen, aufgebrochen ist, sodass eine Oberfläche mit einer Oberflächencharakteristik gewonnen wird, bei der die einzelnen formgebenden Oberflächenelemente nicht mehr voneinander unterscheidbar sind und somit formgebend ineinander verschmelzen. Demgegenüber sind die bekannten strukturierten Oberflächen gemäß den vorstehend zitierten Druckschriften US 5,081 ,545, US 5,914,545 sowie der JP 09159810 A eindeutig voneinander optisch unterscheidbar, zumal die sehr viel kleiner dimensionierten stochastischen Strukturelemente aufgrund der Strukturgrößenunterschiede die strenge Periodizität der periodischen Strukturelemente nicht aufzubrechen vermögen.

Um eine wirksame Lichtlenkung für Lichtstrahlen aus dem sichtbaren Wellenlängenspektrum an der einzigen optisch wirksamen Grenzfläche zu ermöglichen, ist es erforderlich, die die Lichtstrahlen brechenden und/oder beugenden Strukturelemente, gleichgültig ob sie der Gruppe der periodischen oder stochastischen Oberflächenstrukturanteilen zuzurechnen sind, größer zu dimensionieren als die Wellenlänge des durch die Strukturelemente lenkenden Lichtes. Im einzelnen bedeutet dies, dass die Strukturen zur effektiven Lichtlenkung von sichtbaren Licht, vorzugsweise Strukturelemente größer 1 μm aufweisen sollten.

Zur richtungsselektiven Lichtlenkung dienen grundsätzlich die in periodischer räumlicher Abfolge angeordneten Strukturelemente, die vorzugsweise in Form prismatischer Formkörper, arrayförmig angeordneter Linsenelemente oder durch Ausbildung eines optischen Oberflächengitters auszubilden sind. Je nach räumlicher Ausbildung und Beschaffenheit der periodisch sich wiederholenden Strukturelemente sowie deren Positionierung relativ zu den auf die Oberfläche auftreffenden Lichtstrahlen, werden die Lichtstrahlen im Wege der Lichtbrechung und/oder -beugung in gezielt vorgebbare Raumbereiche ab- bzw. umgelenkt.

Um die durch die periodischen Oberflachenstrukturanteile hervorgerufenen beugungs- oder dispersionsbedingten Farbeffekte zu minimieren bzw. vollständig zu unterdrücken, sind die in periodischer Abfolge angeordneten Strukturelemente, die die periodischen Oberflachenstrukturanteile darstellen, zusätzlich mit stochastischen Strukturelementen überlagert, wodurch die strenge Periodizität aufgebrochen wird. Durch die zusätzlichen, stochastisch auf der Oberfläche verteilten Strukturelemente werden die beugungsbedingten sowie auch brechungs- bzw. dispersionsbedingten Farbeffekte aufgrund der den stochastisch verteilten Strukturelementen innewohnende Streuwirkung bis zu einem visuell nicht mehr wahrnehmbaren Maße gestreut.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung liegt in der Ausbildung nur einer einzigen optisch-funktionalen Oberflächenstruktur, die über zwei kombinierte optische Funktionen verfügt, nämlich über eine präzise Lichtlenkung sowie eine diffuse Lichtstreuung. Die Oberflächenbeschaffenheit der erfindungsgemäß ausgebildeten Oberfläche ist bildlich mit einer Meeresoberfläche vergleichbar, deren strenge periodische Wogenabfolge durch stochastische, oftmals durch windinduzierte Flächenbereiche in ihrer Periodizität gestört ist.

Die im Anspruch 1 gewählte Formulierung, nach der ein Lichtstrahl mit der strukturierten Oberfläche in Wechselwirkung tritt und durch Reflexion oder Transmission aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung gezielt ablenkbar ist, soll neben der klassischen Beleuchtungssituation, bei ein Lichtstrahl auf die Oberfläche auftrifft auch jenen Fall umfassen, in dem ein zumindest teilweise optisch transparentes Flächenelement eine erfindungsgemäß ausgebildete optischfunktionale Oberflächenstruktur aufweist, die einer Lichtquelle abgewandt angeordnet ist, so dass die von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen das Flächenelement sozusagen rückwärtig durchstrahlen, um innerhalb des Flächenelementes auf die erfindungsgemäß umlenkende Oberflächenstruktur zu treffen, an der die Lichtstrahlen in der gewünschten Weise abgelenkt werden.

-Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedarf es daher lediglich einer Oberflächenbehandlung an nur einer einzigen Oberfläche, wodurch der damit verbundene verfahrenstechnische Aufwand sowie die damit einhergehenden Herstellungskosten erheblich reduziert werden können.

Gleichgültig, ob es sich bei der Vorrichtung um ein lichttransparentes optisches Flächenelement oder um ein Flächenelement mit einer reflektierenden Oberfläche handelt, ist es möglich, die der erfindungsgemäß ausgebildeten optisch-funktionalen Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Flächenelementes für eine andere, Funktion zu nutzen. Auch im Lichte der Bedien- und Wartungsfreundlichkeit weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Vorteile gegenüber bekannten, gattungsgemäßen Vorrichtungen auf. So können Justagearbeiten einfacher durchgeführt werden, als in Fällen, in denen zwei unabhängige Oberflächen relativ zueinander positioniert werden müssen. Auch reduziert sich der Wartungsaufwand beträchtlich gegenüber bekannten Vorrichtungen, zumal lediglich eine einzige Oberfläche bspw. aufgrund möglicher Verschmutzungen gereinigt werden muss.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedient man sich den Mitteln der holographischen Belichtung einer auf einem Substrat aufgebrachten Schicht aus photoempfindlichem Material, die nach entsprechenden Belichtungsprozessen entwickelt wird. Ein besonderer Aspekt kommt beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren der Eigenschaft der hohen Replizierbarkeit zu, mit der die Oberflächenstrukturierung durchgeführt werden kann.

Die erfindungsgemäß ausgebildete optisch-funktionale Oberflächenstruktur lässt sich grundsätzlich mit zwei unterschiedlichen Belichtungsverfahren herstellen. In einer ersten Herstellungsalternative wird die Schicht aus photoempfindlichem Material in wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten derart belichtet, dass in wenigstens einem Belichtungsschritt, vorzugsweise einem ersten Belichtungsschritt, ein periodisches Belichtungsmuster zur Ausbildung der periodischen Oberflachenstrukturanteile erhalten wird. Anschließend wird in wenigstens einem weiteren Belichtungsschritt ein stochastisches Belichtungsmuster zur Ausbildung der stochastischen Oberflachenstrukturanteile erhalten.

Durch die kombinierte Anwendung beider Belichtungsschritte auf ein und derselben Schicht aus photoempfindlichem Material wird die erfindungsgemäße optischfunktionale Oberflächenstruktur erhalten, die sowohl periodische als auch stochastische Oberflachenstrukturanteile aufweist.

Alternativ zu dem vorstehend beschriebenen Verfahren, das wenigstens zwei Belichtungsschritte vorsieht, von denen einer periodische und der andere stochastische Oberflachenstrukturanteile zu erzeugen in der Lage ist, sieht eine zweite Verfahrensvariante die holographische Belichtung der auf einem Substrat aufgebrachten Schicht aus photoempfindlichem Material mit nur einem einzigen Belichtungsschritt vor, durch den annäherungsweise das gleiche Belichtungsergebnis erhalten wird, wie im vorstehend geschilderten Fall. Hierbei wird die Schicht aus photoempfindlichem Material durch Überlagerung eines kohärenten Wellenfeldes, das aus einem kontinuierlichen Einfallswinkelspektrum auf die Schicht auftrifft, mit wenigstens einer Welle, die aus einer diskreten Raumrichtung auf die Schicht auftrifft, belichtet.

Auch ist es möglich, die zweitgenannte Verfahrensalternative mit der erstgenannten Verfahrensalternative derart zu kombinieren, dass die zweite Verfahrensalternative den ersten Belichtungsschritt zum Erhalt der periodischen Oberflachenstrukturanteile innerhalb der ersten Verfahrensalternative ersetzt. So kann in einer bevorzugten Form das mit der zweiten Verfahrensalternative erhaltene Belichtungsergebnis in einem weiteren Belichtungsschritt, der zur Herstellung stochastischer Oberflachenstrukturanteile durchgeführt wird, kombiniert werden. Weitere Details über verfahrenstechnische Maßnahmen zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Belichtungsschritte sind im weiteren den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 a,b Rasterelektronenmikrosopaufnahme einer erfindungsgemäß ausgebildeten optisch-funktionalen Oberflächenstruktur,

Fig. 2a,b Rasterelektronenmikroskopaufnahmen von periodisch ausgebildeten Oberflächenstrukturanteilen,

Fig. 3 Ortsfrequenzspektrum von stochastischen und periodischen

Oberflächenstrukturanteilen,

Fig. 4 Ortsfrequenzdarstellung von stochastisierten periodischen

Oberflächenstrukturanteilen und

Fig. 5 a-d Sequenzbilddarstellungen zur Herstellung einer optisch-aktiven Oberflächenstruktur.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Zum Erhalt der gewünschten optischen anisotropen Streueigenschaften an einer optisch-funktionalen Oberflächenstruktur, an der vorzugsweise sichtbares Licht in gezielte Raumbereiche gestreut bzw. gelenkt werden soll, ist erfindungsgemäß eine strukturierte Oberfläche vorgesehen, die Teil eines optischen Elementes ist. Die optisch funktionale Oberflächenstruktur kann entweder in die Oberfläche eines optisch transparenten Elementes eingebracht oder als Schicht aufgebracht sein oder "aber mit einer die Oberflächenstruktur konturerhaltenden optisch funktionalen, bspw. reflektierenden, Schicht überzogen sein.

Falls das optische Element als Oberflächenstruktur gemäß der nachfolgenden beschriebenen Eigenschaften ausgebildet ist, besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die einmal hergestellte Struktur durch formgebende Replikationsverfahren in nahezu beliebig großen Flächen kostengünstig zu vervielfältigen. Das beschriebene Verfahren beschreibt also vorteilhafterweise nicht nur die Herstellung einer Vorrichtung zur Lichtlenkung selbst, sondern die Strukturgeneration in einer lichtempfindlichen Schicht. Nach Entwicklung dieser Schicht kann die Struktur z.B. durch galvanische Verfahren auf einen oder mehrere Präge- oder allgemeiner Formstempel (Walzen, Rollen, ...) übertragen werden. Das große wirtschaftlich-gewerbliche Potenzial von optisch-funktionalen Oberflächenstrukturen liegt unter anderem darin, dass sie sich in vergleichsweise einfacher Weise und potenziell zu geringen Kosten in anderen Werkstoffen, z.B. als Folie oder Platte in einem transparenten Kunststoff, replizieren lassen, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusorwirkung dann letztlich hergestellt wird.

In den Fig. 1a und b sind Rasterelektronenmikroskopaufnahmen einer diesbezüglich erfindungsgemäß strukturierten Oberfläche in unterschiedlichen Auflösungsmaßstäben dargestellt. Fig. 1 a sieht eine Massstabsskalierung von 50 μm vor, repräsentiert durch die gesamte abgebildete Massstabsskala, Fig. 1b sieht entsprechend einen Massstab von 20 μm vor. Aus beiden Rasterelektronenmikroskopaufnahmen ist eine Abfolge parallel zueinander verlaufender Wellenzüge zu entnehmen, die den periodischen Oberflächenstrukturanteilen entsprechen. Den periodischen Oberflächenstrukturanteilen sind stochastische Oberflachenstrukturanteile überlagert, durch die die an sich nahezu perfekt linear zueinander verlaufenden Wellenzüge stochastischen, geometrischen Verformungen unterworfen sind.

Um einen qualitativen Eindruck über das tatsächliche Ausmaß der den periodischen Oberflächenstrukturanteilen überlagerten stochastischen Oberflächenstrukturanteilen zu erhalten, sind in den Fig. 2a und 2b Rasterelektronenmikroskopaufnahmen von reinen periodischen Oberflächenstrukturanteilen dargestellt. So zeigt Fig. 2a eine schräge Draufsicht auf technisch herstellbare periodisch angeordnete prismatische Formkörper mit eben ausgebildeten Seitenflanken und spitzkantigen Rippenzügen. In Fig. 2b ist eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles für eine periodisch ausgebildete Oberflächenstruktur dargestellt, die im Querschnitt wogenförmig ausgebildete, in strenger periodischer Abfolge aneinander angeordnete Strukturelemente vorsieht.

Die Rasterelektronenmikroskopaufnahmen gemäß der Fig. 2a und b machen deutlich, in welch exakter Weise die Herstellung periodischer Oberflachenstrukturanteile möglich ist. Vergleicht man nun die periodischen Oberflachenstrukturanteile gemäß der Fig. 2a und b mit der optisch-funktionalen Oberflächenstruktur gemäß der Bilddarstellungen in den Fig. 1a und b, so wird deutlich, welch formverändernder Beitrag von der zusätzlichen Überlagerung der periodischen Oberflächenstruktur durch die stochastischen Oberflächenstrukturanteilen herrührt. So vermögen die stochastischen Strukturanteile bspw. die wogenförmig ausgebildeten periodischen Strukturanteile derart zu verformen, sodass der Wogenquerschnitt in Hinblick auf Anstieg, Breite und Höhe lokal variiert. Dies verdeutlicht, dass eine Trennung von periodischen und stochastischen Strukturelementen nicht mehr möglich ist. So ist bei genauerer Betrachtung der nahezu parallel zueinander verlaufenden Wellenzüge gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 b festzustellen, dass der Querschnitt jeder einzelnen Welle nicht symmetrisch ausgebildet ist, d.h. die Wellenflanken pro Welle weisen unterschiedliche Längen und Neigungen auf. An dieser Stelle sei nur der guten Ordnung halber darauf hingewiesen, dass das in Fig. 1a auf der optisch-aktiven Oberflächenstruktur aufliegende Partikel eine Art Staubpartikel darstellt, das nichts mit der erfindungsgemäßen Idee zu tun hat.

Gleichsam den in den Figuren 1a und 1 b dargestellten Wellenzügen können die periodisch sich wiederholenden Strukturelemente auch als gerade Prismenzüge ausgebildet sein, wie sie der Figur 2a entnehmbar sind. Alternativ können die Prismenzüge auch über geschwungen verlaufende Prismenkantenzüge verfügen und über gekrümmt geformte Seitenflanken verfügen.

Um das Verhältnis zwischen periodischen und stochastischen Oberflächenstrukturanteilen quantifizieren zu können, werden die auf der Oberfläche vorhandenen Strukturelemente, die die periodischen sowie stochastischen Oberflachenstrukturanteile ergeben, im Ortsfrequenzspektrum betrachtet. In diesem Zusammenhang wird auf Fig. 3 verwiesen, die eine Diagrammdarstellung zeigt, längs deren Ordinate Werte einer normierten Amplitude, die als Maß für die Häufigkeit von Strukturelementen mit gleicher Form und Größe anzusehen sind, und längs deren Abszisse die Ortsfrequenzen in Einheiten 1/m aufgetragen sind. Geht man von streng periodischen Oberflächenstrukturanteilen aus, so besteht das Ortsfrequenzspektrum lediglich aus einzelnen Peaks 1 , wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 3 bei den Ortsfrequenzen von 400.000, 800.000, 1 ,2 Millionen und 1 ,6 Millionen 1/m zu beobachten sind.

Im Beispiel sei angenommen, dass die periodischen Strukturelemente eine Periode von 2,5 μm aufweisen. Da in den Spektren Ortsfrequenzen größer als 1 Million 1/m nur durch kleine Amplituden repräsentiert sind weisen die durch die Spektren beschriebenen Strukturen keine wesentlichen Strukturelemente kleiner als 1 μm auf.

Würde bspw. eine Oberflächenstruktur ausschließlich streng periodische Strukturanteile enthalten, die zudem auf einer unendlich ausgedehnten Fläche angeordnet wären, so würde das entsprechende Ortsfrequenzspektrum ausschließlich δ-Peaks aufweisen. Von periodischen Oberflächenstrukturanteilen kann hingegen dann ausgegangen werden, wenn im zugehörigen Ortsfrequenzspektrum lokale Maxima mit periodischen Frequenzabständen auftreten, die Vielfache einer Grundfrequenz darstellen.

Demgegenüber führen stochastische Oberflachenstrukturanteile zu einem nahezu kontinuierlichen Ortsfrequenzspektrum (siehe hierzu Linienzug 3). Kontinuierlich heisst in diesem Zusammenhang, dass keine Ortsfrequenz eine herausragende Ge- wichtung erfährt, sondern dass ein begrenzter Bereich von Ortsfrequenzen mit nur gering bis mäßig variierenden Anteilen/Amplituden vertreten ist und in einer Auftragung des Ortsfrequenzspektrums keine starken Steigungen und Peaks auftreten. Durch Überlagerung der periodischen Oberflachenstrukturanteile 1 mit den stochastischen Oberflächenstrukturanteilen wird ein Ortsfrequenzspektrum erhalten, das durch den Funktionsverlauf gemäß Linie 2 repräsentiert wird. Ist somit, wie im angegebenen Beispiel das Ortsfrequenzspektrum auf die maximale Amplitude 1 normiert, so sind die stochastischen und periodischen Oberflachenstrukturanteile derart gewählt, dass im Ortsfrequenzspektrum keine Frequenzen größer f = 1/L auftreten, wobei L die Strukturdimension der periodischen Strukturelemente entspricht, mit Amplituden größer 1/ e (e = Euler-Zahl) (siehe auch Linienzug 4 im Diagramm gemäß Fig. 3).

Zur Herstellung einer optisch-funktionalen Oberflächenstruktur mit einem Ortsfrequenzspektrum nach Art des in Fig. 3 dargestellten Ortsfrequenzspektrums wird eine auf einem Substrat aufgebrachte Schicht aus einem photoempfindlichen Material mittels holographischer Belichtungen im Wege wenigstens zweier aufeinanderfolgender Belichtungsschritte belichtet. So erfolgt eine erste Belichtung derart, dass sich ein periodisches Belichtungsmuster zur Ausbildung der periodischen Oberflachenstrukturanteile innerhalb der Schicht aus photoempfindlichem Material ausbildet. Der Belichtungsschritt, der zum periodischen Belichtungsmuster führt, erfolgt vorzugsweise durch Überlagerung wenigstens zweier kohärenter Wellen, die aus diskreten Raumrichtungen auf die Schicht aus photoempfindlichem Material auftreffen. Zum Erhalt der stochastischen Oberflachenstrukturanteile werden in einem darauffolgenden zweiten Belichtungsschritt kohärente Wellenfelder, die aus einem kontinuierlichen Einfallswinkelspektrum sowie mit einer ortsabhängigen stochastisch sich verändernden Phase auf die Schicht aus photoempfindlichem Material auftreffen, überlagert. Dies kann bspw. mittels eines durch einen Primärdiffusor hindurchtreten- _den aufgeweiteten Laserstrahl zur Erzeugung eines Speckelmusters realisiert werden. Alternativ ist es möglich, das stochastische Belichtungsmuster auf der bereits vorbelichteten Schicht aus photoempfindlichem Material durch optisches Abbilden einer, ein stochastisches Muster aufweisenden Maske auf der Schicht zu erhalten.

Nach entsprechender Entwicklung der vorstehend belichteten Schicht aus photoempfindlichem Material kann die erfindungsgemäß optisch-funktionale Oberflächenstruktur wie vorstehend erläutert gewonnen werden.

Auch ist es möglich, die erfindungsgemäß ausgebildete optisch-funktionale Oberflächenstruktur im Rahmen eines einzigen Belichtungsschrittes zu erhalten. Hierbei wird die Schicht aus photoempfindlichem Material durch Überlagerung eines kohärenten Wellenfeldes, das aus einem kontinuierlichen Einfallswinkelspektrum auf die Schicht aus photoempfindlichem Material auftrifft, mit wenigstens einer Welle, die aus einer diskreten Raumrichtung auf die Schicht aus photoempfindlichem Material auftrifft, überlagert. Dabei gilt es folgende Zusammenhänge zu beachten: Es sei angenommen, dass das kohärente Wellenfeld W eine zentrale Welle Wz mit einem zentralen K-Vektor k aufweist. Das kohärente Wellenfeld W besteht grundsätzlich aus einer Vielzahl einzelner Wellen, aus denen repräsentativ die Wellen wi und w₂ herausgegriffen werden, mit zugehörigen E-Feld-Amplituden E_wι und Ew₂ sowie mit zugehörigen K-Vektoren ik und k_w . Ferner weist die aus der diskreten

Raumrichtung auf die Schicht gerichtete Welle Wd lokal einen Wellenvektor k_d auf, der sich ortsabhängig ändern kann. Der vorstehend beschriebene Belichtungsschritt wird nun derart durchgeführt, dass für alle einzelne Wellen wi und w₂ des kohärenten Wellenfeldes W, (mit E_max = maximale E-Feldamplitude von Wellen aus dem Wellenfeld W), für die gilt:

folgender weiterer Zusammenhang gilt:

Dies bedeutet im einzelnen, dass die Belichtung derart durchgeführt wird, dass die k- Vektordifferenz aus den Wellen Wi und w₂ stets kleiner als die Hälfte der Vektordifferenz aus dem zentralen K-Vektor der zentralen Welle Wz und dem K- Vektor der Welle Wd sein muss. Der Index P in vorstehender Beziehung bedeutet, dass sich die Vektor-Differenzen aus den auf die Probenebene bzw. Belichtungsebene projizierten k- Vektoren der jeweiligen Wellen ergeben.

Wird der vorstehende Belichtungsschritt durchgeführt, so werden strukturierte Oberflachenstrukturanteile erhalten, die sowohl periodische als auch stochastische Oberflachenstrukturanteile enthalten, deren Ortsfrequenzspektren die in Fig. 4a dargestellte Form annehmen. Es handelt sich hierbei um verbreiterte einzelne Peaks, die grundsätzlich periodische Oberflachenstrukturanteile repräsentieren. Aufgrund der Peak-Verbreiterung werden die streng periodischen Oberflachenstrukturanteile sozusagen durch stochastische Oberflachenstrukturanteile verwässert, wodurch eine diffus wirkende Streuwirkung der Oberfläche erhalten wird. In diesem Zusammenhang kann auch von einer stochastisierten periodischen Struktur gesprochen werden. Die Figuren 5 a-d zeigen Sequenzen zur Herstellung eines optischen Elementes mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten optisch-aktiven Oberflächenstruktur.

Ein Photoresist 5, der auf ein Substrat 6, z.B. Glassubstrat, aufgebracht ist, wird im Wege einer holographischen Belichtung 7 belichtet (Fig. 5a).

Durch einen nachfolgenden Entwicklungsprozess (Fig. 5b) wird der Photoresist 5 in den belichteten Bereichen abgetragen und dadurch das aufgezeichnete Intensitätsmuster in ein Höhenprofil übertragen, das dem sogenannten Photoresist- Master entspricht. Danach kann das Profil durch einen Ätzprozess (Fig. 5c) in das Substratmaterial 6 übertragen werden. Alternativ kann die Photoresist-Oberfläche durch einen Sputterprozess metallisch, z.B. mit Gold, beschichtet werden (Fig. 5d). Diese Sputterschicht dient dann als Startschicht für einen nachfolgenden Galvanikprozess (z.B. Nickel-Galvanik). In diesem Galvanik-Prozess wird ein Blech (Nickel-Master 8) hergestellt, das das negative Profil des ursprünglichen Profils trägt. Von diesem Nickel-Master können durch weitere Galvanik-Schritte weitere sogenannte Nickel-Shims hergestellt werden, die, je nach Anzahl der Zwischenkopien, positive oder negative Profile tragen. Diese Nickel-Shims können dazu eingesetzt werden, andere Materialien, wie Kunststoffe oder anorganische Materialien zu prägen. Dafür kommen Mikroreplikationsprozesse, wie z.B. Spritzguss, Heissprägen, Gießen, Walzenprägen, UV-Replikation in Frage. Durch diese Prozesskette kann die Struktur eines Masters kostengünstig in eine große Zahl von Produkten übertragen werden. Außerdem ist es durch die Gestaltung der Prozesskette, bspw. Anzahl der galvanischen Zwischenkopien, möglich, in die Produkt-Oberfläche entweder das gleiche Profil wie im Photoresist oder das negativ davon zu übertragen. Für die Herstellung einer bestimmten optisch-funktionalen Oberflächenstruktur im Produkt bietet dies einen weiteren wichtigen Freiheitsgrad.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusorwirkung mit wenigstens einer strukturierten Oberfläche, mit der ein Lichtstrahl in Wechselwirkung tritt und durch Reflexion oder Transmission aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung gezielt ablenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche eine Kombination aus periodischen und stochastischen Oberflächenstrukturanteilen darstellt, die eine durch die stochastischen Oberflachenstrukturanteile aufgezwungene Aperiodizität aufweist, und dass die miteinander kombinierten periodischen und stochastischen Oberflachenstrukturanteile Strukturelemente mit Strukturdimensionen aufweisen, die wenigstens der Wellenlänge des auf die strukturierte Oberfläche auftreffenden Lichtstrahls entsprechen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturdimensionen der Strukturelemente der periodischen und stochastischen Oberflachenstrukturanteile zwischen 500 nm und 1 mm liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Oberflachenstrukturanteile aus prismatischen Formkörpern bestehen, die in paralleler Anordnung und periodischer Abfolge zueinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die prismatischen Formkörper Seitenflanken aufweisen, die eben oder gekrümmt geformt sind, und dass die prismatischen Formkörper jeweils wenigstens einen Kantenzug aufweisen, der spitz oder abgerrundet ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

^"dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Oberflachenstrukturanteile optisch wirksame Elemente sind, die zumindest abschnittsweise linsenförmig ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Oberflachenstrukturanteile aus einem optischen Gitter bestehen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die stochastischen Oberflachenstrukturanteile aus einzelnen stochastisch auf den periodischen Oberflächenstrukturanteilen verteilten Strukturelementen bestehen, die ein kontinuierliches Ortsfrequenzspektrum aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den periodischen Oberflächenstrukturanteilen in Kombination gebrachten stochastischen Oberflachenstrukturanteile die gleiche Größenordnung aufweisen wie die der periodischen Oberflachenstrukturanteile.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte lokal keine größere Rauhtiefe als 100 nm aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die stochastische Variation der Deformation der Strukturelemente über die gesamte Strukturoberfläche und nicht nur in einer Raumrichtung stattfindet..

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination aus periodischen und stochastischen Oberflächenstrukturanteilen ein Ortsfrequenzspektrum aufweist, das sich aus verbreiterten einzelnen Peaks zusammensetzt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Peaks eine Halbwertsbreite (FWHM) aufweisen, die größer oder gleich der Grundfrequenz, d.h. der Frequenz des höchsten Peaks ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der strukturierten Oberfläche in Wechselwirkung tretende Lichtstrahl derart durch Reflexion oder Transmission aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung gezielt ablenkbar ist, dass eine Streubreite erzielbar ist, die mindestens so groß ist wie der Abstand zwischen zwei Beugungsordnungen eines Gitters, das durch ein Ortsfrequenzspektrum beschrieben ist, bei dem die Peaks die gleiche Position wie bei der erfindungsgemäßen Struktur haben, aber nicht verbreitert sondern scharf sind, vorzugsweise größer als das 5- fache, jedoch kleiner als 10°.

14. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusorwirkung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durch holographische Belichtung einer auf einem Substrat aufgebrachten Schicht aus einem photoempfindlichen Material mit anschließender Entwicklung, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus photoempfindlichen Material in wenigstens zwei Belichtungsschritten derart belichtet wird, dass in wenigstens einem Belichtungsschritt ein periodisches Belichtungsmuster zur Ausbildung der periodischen Oberflachenstrukturanteile erhalten wird, und dass in wenigstens einem anderen Belichtungsschritt ein stochastisches Belichtungsmuster zur Ausbildung einer durch eine Kombination aus periodischen und stochastischen Oberflächenstrukturanteilen ausgezeichnete strukturierte Oberfläche eingesetzt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Belichtungsschritt gleichzeitig oder zeitlich hintereinander durchgeführt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsschritte derart durchgeführt werden, dass das periodische und das stochastische Belichtungsmuster innerhalb der Schicht aus photoempfindlichen Material überlagert werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach einzelnen oder allen Belichtungsschritten die belichtete Schicht aus photoempfindlichen Material entwickelt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Belichtungsschritt, der zu dem periodischen Belichtungsmuster führt, durch Überlagerung wenigstens zweier kohärenter Wellen, die aus diskreten Raumrichtungen auf die Schicht aus photoempfindlichen Material auftreffen, erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Belichtungsschritt, der zu dem stochastischen Belichtungsmuster führt, durch Überlagerung kohärenter Wellenfelder, die aus einem kontinuierlichen Einfallswinkelspektrum auf die Schicht aus photoempfindlichen Material auftreffen, erfolgt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Belichtungsschritt, der zu dem stochastischen Belichtungsmuster führt, durch optisches Abbilden einer, ein stochastisches Muster aufweisenden Maske auf die Schicht aus photoempfindlichen Material erfolgt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsschritte zum Erhalt des periodischen und stochastischen Belichtungsmusters derart durchgeführt werden, dass die ^' periodischen und stochastischen Oberflachenstrukturanteile Strukturelemente mit Strukturdimensionen größer der Lichtwellenlänge des zu lenkenden Lichtes aufweisen.

22. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusorwirkung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durch holographische Belichtung einer auf einem Substrat aufgebrachten Schicht aus einem photoempfindlichen Material mit anschließender Entwicklung, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus photoempfindlichen Material durch Überlagerung eines kohärenten Wellenfeldes (W), das aus einem kontinuierlichen Einfallswinkelspektrum auf die Schicht auftrifft, mit wenigstens einer Welle (Wd), die aus einer diskreten Raumrichtung auf die Schicht auftrifft, belichtet wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das kontinuierliche Einfallswinkelspektrum des

Wellenfeldes W derart gewählt wird, dass das kohärente Wellenfeld W eine zentrale Welle Wz mit einem zentralen k-

Vektor k aufweist, das kohärente Wellenfeld W Wellen wi und w₂ mit zugehörigen E-Feld-

Amplituden E_w1 und Ew2 sowie k-Vektoren k_Wι und ifc enthält, die aus der diskreten Raumrichtung auf die Schicht gerichtete Welle (Wd) einen Wellenvektor k_d aufweist, und dass für die Wellen w1 und w2, für die

gilt, weiterer folgender Zusammenhang gilt:

-mit E_max: maximale E-Feldamplitude von Wellen aus dem Wellenfeld W,

Index P: Projektion der vektoriellen Differenz auf die zu belichtende Schichtebene.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer, nachfolgender Belichtungsschritt, gemäß der Ansprüche 12 oder 13 durchgeführt wird.