WO2006053718A1 - Formstabile flachoptik und verfahren zur herstellung - Google Patents

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Armin Schwerdtner
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    • B29L2011/0016—Lenses
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    • B29L2011/0016—Lenses
    • B29L2011/005—Fresnel lenses

Definitions

  • the invention relates to a dimensionally stable flat optics with high precision and a method for their preparation.
  • the flat optics has a controllable optical flat element or an optical mask on one side of a carrier substrate plate.
  • the carrier substrate plate is made of glass or of transparent plastic.
  • the optical masks are generally rectangular and characterized by a cylindrical or spherical structuring. Cylindrical masks are in particular lenticular, for example with a large number of adjacent parallel lenticles in the form of cylindrical lenses. A cylindrical optical mask may also be a cylindrical Fresnel lens or a prism mask or the like. Spherical optical masks are exemplified by spherical Fresnel lenses.
  • a controllable optical flat element is characterized by a multiplicity of active or passive optical subelements, which are arranged generally in the form of a matrix or a line.
  • an optical flat element is a shutter with its matrix-shaped controllable openings or a transmissive display with its arrangement of pixels.
  • the group also includes other arrangements of optical subelements such as LEDs, OLEDs, mirror devices or phase modulators.
  • the flat optics usually has the size of a screen or a display.
  • the optical mask on the carrier substrate plate is thin-layered, with a thickness of the order of a few tenths of a millimeter.
  • the thickness of the mask is in the range below 300 microns. Structured surfaces for optical applications require not only a high dimensional accuracy but also roughness values in the range of a few nanometers.
  • the corresponding means for this are also referred to as image separating means and realized, for example, by a lighting matrix and a focusing matrix.
  • image separating means also referred to as image separating means and realized, for example, by a lighting matrix and a focusing matrix.
  • These and other essential elements of autostereoscopic displays are here realized by lenticular or combined with lenticular, so that lenticular represent very important components.
  • the lenticulars are usually very finely structured and have a very small pitch. Often the lens size, ie the pitch of the lenticles, is coupled to the pitch of an image matrix or a shutter in order to achieve the optical goals.
  • the mentioned thin-layered and finely structured masks must have the highest quality.
  • a defective optical mask for example, causes a permanently visible on the display pixel error. Any defects, such as those caused by air trapping, can rarely be repaired in the rarest of cases and thus lead to rejects.
  • the optical masks are very thin-layered and preferably have a thickness of less than 300 micrometers. From this, the correspondingly small tolerances can be derived and the high demands on the dimensional and dimensional accuracy can be seen.
  • Shape and dimensionally accurate optical masks of high optical quality are provided by way of example according to the method for replication of finely structured optical masks according to DE10 2004 043 385 of the applicant. This method and associated apparatus permit process-reliable replication of the masks with high dimensional accuracy and quality rate.
  • the optical mask to other optical systems must have a defined distance, which is sufficiently constant over the entire surface.
  • a transmissive or self-luminous image matrix may be arranged in the focal plane of a lenticular. From this it can be seen that the accuracy of the distance between the image matrix and the lenticular significantly and permanently influences the quality of the resulting optical image.
  • the flat optics loses the desired dimensional accuracy by a warp or deflection. As a result, the distance in the light direction to other optical systems is not constant as required, so that a desired high quality of the optical image can not be achieved.
  • Thickness of the carrier substrate plate increased. Surprisingly, it has been shown that too At a ratio of the optical mask to the substrate substrate plate of the order of 1 to 20, the risk of rejection of the carrier substrate plate is not desirably compensated.
  • the quality of the carrier substrate plate is increased.
  • great importance is attached to the low-tension production of the substrate plate.
  • Other ways to avoid discarding are to use a carrier substrate plate with a higher rigidity.
  • the thin-film flat optics mentioned should have high dimensional stability, in particular in the axial direction of propagation of the light, and thus ensure a high quality of the optical image.
  • a flat optic has an optical mask or a controllable optical flat element on one side of a carrier substrate plate.
  • the optical mask in particular for an autostereoscopic display, is generally rectangular and has a cylindrical or spherical structure.
  • Cylindrical masks are in particular lenticular, for example with a large number of adjacent parallel lenticles in the form of cylindrical lenses.
  • a cylindrical optical mask may also be a cylindrical Fresnel lens or a prism mask or the like.
  • Spherical optical masks are exemplified by spherical Fresnel lenses.
  • the optical mask may also be a holographic optical element HOE or the like.
  • the masks are usually the size of a screen or a display.
  • the mask on the carrier substrate plate is thin-layered with a thickness of the order of a few tenths of a millimeter.
  • the thickness of the optical mask is in the range below 300 microns.
  • the invention is based on the idea to compensate for the resulting material stresses, which lead to a warpage or deflection of a flat optics, by a compensation element.
  • the flat optics on the rear side of the carrier substrate plate have a planar-shaped compensating element fixedly connected to the carrier substrate plate.
  • the compensating element is attached to the side on the carrier substrate plate which faces the optical mask.
  • the compensation element is planar and covered in the surface direction, the optical mask, or used for the optical image area of the mask.
  • the compensation element is flat, planar, and has an unstructured surface.
  • the compensation element is flat, planar, and has an unstructured surface.
  • Compensating element be convex or concave and / or be structured in the sense of an optical mask.
  • the inventive method is used to produce the dimensionally stable flat optics.
  • the embodiments of the method are characterized by the way in which the optical mask and the compensating element are applied to the carrier substrate plate.
  • Molding is a generic term for the molding and hardening of a body from a fluid.
  • Gluing is here a generic term for the cohesive bonding of bodies and in a simple embodiment comprises gluing, welding or the like.
  • the optical mask and the compensating element are formed sequentially on the carrier substrate plate and cured.
  • the method comprises in a first step the mask moudling and hardening, wherein the optical mask is cured from a fluid applied to one side of the carrier substrate plate.
  • the step of compensation molding and hardening takes place, wherein the sheet-like compensation element is hardened onto the rear side of the carrier substrate plate from an applied fluid. The cured elements remain firmly bonded to the carrier substrate plate.
  • the optical mask and the compensation element are formed from a transparent plastic or a resin.
  • the method for replication of finely structured optical masks according to DE 10 2004 043 385 of the Applicant can be advantageously used.
  • the molding and hardening of the optical mask and of the compensation element takes place in parallel.
  • the optical mask and on the back of the carrier substrate plate from an applied fluid cured the sheet-like compensation element.
  • the curing of the mask and the compensation element takes place simultaneously or overlapping in time.
  • the optical mask and / or the compensation element is applied to the carrier substrate plate and bonded cohesively.
  • the material stresses in the optical mask are thermally caused or caused by a shrinkage of the mask in the course of the manufacturing process. In general, a volume reduction of the fluid during the curing process is observable. This shrinkage of the optical mask results in resultant material stresses with respect to the carrier-substrate plate. This tension in the optical mask causes the flat optics to warp or sag.
  • the compensating element has material stresses acting in the surface direction which compensate for the analogous resulting stresses in the optical mask.
  • the compensating element is designed so that the compensating effect of the compensating element reaches a maximum only during the operating phase in a total optical system. According to the temperature distribution of the compensating element, the material stresses in the optical mask is maximally compensated during the operating phase and the flat optics is flat over the entire surface within the desired small tolerances.
  • the flat optics have a high dimensional stability.
  • the compensating element according to the invention compensates for one-sided material stresses acting on the carrier substrate plate and prevents warping or bending of the flat optics. This ensures a sufficiently constant distance to other optical systems. The quality of the optical image is increased sustainably.
  • FIG. 1 shows a representation of the flat optics according to the invention in a side view
  • FIG. 2 is a schematic representation of the operation of the flat optics according to the invention as an application in an autostereoscopic display.
  • Fig. 3 is a flat optics with a Fresnel lens.
  • Fig. 1 shows a side view of a section of the flat optics according to the invention. It has a finely structured optical mask LM on one side of a carrier substrate plate TP.
  • the optical mask LM is designed here as a lenticular with adjoining spherical lenticles in the form of cylindrical lenses.
  • the compensating element is fixedly connected to the carrier substrate plate TP and was here molded in a molding step from a fluid applied to the plate TP and cured. Viewed in the surface direction, the compensation element covers the entire optical mask LM.
  • Fig. 2 shows a similar to Fig. 1 flat optics as a lenticular and is in this embodiment, a component of an image separating device for an autostereoscopic display.
  • the lenticular is subsequently arranged in the propagation direction L of the light of an image matrix BM.
  • the image matrix BM is designed as a transmissive display and lies here in the focal plane of the lenticular.
  • the optical mask LM is molded and cured in accordance with the mask-molding-and-hardening step from a fluid applied to one side of the substrate substrate plate TP.
  • the compensating element LX has a thickness dX, so that the resulting material stresses Fx in the compensating element LX almost equal the resulting material stresses Fm of the optical mask LM in planar directions.
  • the compensation element LX thus compensates in a first step, the effect of these voltages in the optical mask LM.
  • the compensation element compensates for thermally induced material stresses, which overlap with the above-mentioned voltages.
  • the optical system with the image matrix and the flat optics has a different temperature on their sides.
  • the heat output of the image matrix causes a different average temperature of the sides of the flat optics.
  • the surface-averaged temperature of the compensating element LX is higher than that of the optical mask LM.
  • the adjusted thickness dX of the compensating element results in a resulting material tension Fx, which almost matches and thus compensates for the resulting material tension Fm of the optical mask LM.
  • thermal expansion coefficient of the mask and the compensation element is the same in this embodiment, otherwise this and other characteristic parameters would have to be incorporated into the design or dimensioning of the compensation element.
  • the compensation element ensures that the flat optics is dimensionally stable. The discarding of the flat optics remains within the desired small tolerances.
  • the defined distance of the optical mask from the image matrix is sufficiently constant and ensures a high quality of the optical image.
  • the image matrix or a similar controllable optical flat element, is likewise applied to a carrier substrate plate, then here too a compensation element can be attached to the back of the plate in accordance with the idea of the invention.
  • the material stresses in the controllable optical flat element are compensated by the compensating element according to the invention.
  • the material and in particular the thickness of the compensating element are matched to the thermal properties of the carrier substrate plate and the image matrix, as well as the expected temperature distribution throughout the optical system. Accordingly, the flat optics during the operating phase on the smallest deviations from the desired surface plan form.
  • the outer surface of the compensating element slightly convex or concave curved, so that a non-linear compensating effect of the seen over the surface
  • a curved Balancing element used when the image matrix has complex non-linear thermal properties and the implicit optical wedge term of the curved compensation element can be neglected.
  • the optical mask LM in Fig. 3 in this embodiment is a round spherical Fresnel lens made of glass.
  • the lens is glued in the center of the rectangular substrate substrate plate TP and shown in the figure on the right side of the substrate substrate plate TP.
  • the compensating element LX is also made of glass, covers the Fresnel lens and is glued to the carrier substrate plate TP.
  • the compensation element LX is shown separated from the carrier substrate plate TP.
  • the corresponding arrows illustrate the real position of the element.
  • the particular thickness of the optical mask and the compensating element is not to scale, but shown greatly increased.
  • the compensation element LX is also round in this simple design.
  • the thickness dX of the compensation element LX is dimensioned such that thermally induced resulting material stresses Fx in the compensation element LX compensate for the resulting material stresses Fm in the Fresnel lens.
  • the temperature difference here corresponds to the precalculated expected values of the temperature distribution in the selected overall optical system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine formstabile Flachoptik und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Flachoptik weist auf einer Seite einer Träger-Substratplatte (TP) ein steuerbares optisches Flachelement oder eine optische Maske (LM) auf. Für eine hochgradige Qualität der optischen Abbildung, insbesondere in autostereoskopischen Displays, werden an Flachoptiken hohe Forderungen an die Formstabilität gestellt. Die Flachoptik verliert durch eine Verwerfung oder Durchbiegung die erforderliche Formgenauigkeit, so dass eine gewünschte hohe Qualität der optischen Abbildung nicht mehr erreicht werden kann. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die resultierenden Materialspannungen, die zu einer Verwerfung oder Durchbiegung einer Flachoptik führen, durch ein Ausgleichselement (LX) zu kompensieren. Erfindungsgemäss weist die Flachoptik auf der Rückseite der Träger-Substratplatte (TP) ein flächenförmiges, mit der Träger-Substratplatte (TP) festsitzend verbundenes Ausgleichselement (LX) auf.

Description

Formstabile Flachoptik und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft eine formstabile Flachoptik mit hoher Präzision und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Die Flachoptik weist auf einer Seite einer Träger-Substratplatte ein steuerbares optisches Flachelement oder eine optische Maske auf. In der Regel ist die Träger- Substratplatte aus Glas oder aus transparentem Kunststoff ausgeführt.
Die optischen Masken sind in der Regel rechteckig und durch eine zylindrische oder sphärische Strukturierung gekennzeichnet. Zylindrische Masken sind insbesondere Lentikulare, beispielsweise mit einer Vielzahl aneinander liegender paralleler Lentikel in Form von Zylinderlinsen. Eine zylindrische optische Maske kann ebenso eine zylindrische Fresnel-Linse oder eine Prismenmaske oder dergleichen sein. Sphärische optische Masken sind beispielgebend sphärische Fresnel-Linsen.
Ein steuerbares optisches Flachelement ist durch eine Vielzahl aktiver oder passiver optischer Subelemente gekennzeichnet, welche im Allgemeinen matrix- oder linienförmig angeordnet sind. In einfachen Ausführungen ist ein optisches Flachelement ein Shutter mit seinen matrixförmig angeordneten steuerbaren Öffnungen oder ein transmissives Display mit seiner Anordnung von Pixeln. Die Gruppe umfasst ebenso weitere Anordnungen optischer Subelemente wie etwa LEDs, OLEDs, Mirror-Devices oder Phasenmodulatoren.
Die Flachoptik hat in der Regel die Größe eines Bildschirms beziehungsweise eines Displays. Die optische Maske auf der Träger-Substratplatte ist dünnschichtig, mit einer Dicke in einer Größenordnung von wenigen Zehntel Millimetern. Vorzugsweise liegt die Dicke der Maske im Bereich unter 300 Mikrometern. Strukturierte Oberflächen für optische Anwendungen erfordern neben einer hohen Formgenauigkeit auch Rauheitswerte im Bereich weniger Nanometer.
Für eine Anwendung insbesondere in komplexen optischen Systemen, wie zum Beispiel in autostereoskopischen Displays, werden hohe Anforderungen an die optischen Masken gestellt. Bei autostereoskopischen Displays ist es erforderlich, die rechten und linken Ansichten der Bildinformationen durch ein optisches Abbildungssystem räumlich zu trennen. Um eine Bildinformation stereoskopisch betrachten zu können, müssen die für das linke/rechte Auge der Betrachter bestimmten linken/rechten Bildinhalte dem linken/rechten Auge möglichst ohne Übersprechen auf das andere Auge zugeführt werden.
Die entsprechenden Mittel dafür werden auch als Bildtrenneinrichtung bezeichnet und beispielsweise durch eine Beleuchtungs-Matrix und eine Fokussierungs-Matrix realisiert. Diese und weitere wesentliche Elemente von autostereoskopischen Displays sind hierbei durch Lentikulare realisiert beziehungsweise mit Lentikularen kombiniert, so dass Lentikulare sehr wichtige Bauelemente darstellen.
Die Lentikulare sind in der Regel sehr fein strukturiert und weisen einen sehr kleinen Pitch auf. Oftmals ist zur Erreichung der optischen Ziele die Linsengröße, also der Pitch der Lentikel, an den Pitch einer Bildmatrix oder eines Shutters gekoppelt.
Sind beispielsweise einem Lentikel des Lentikulars nur wenige Pixelspalten der Bildmatrix zugeordnet, so folgen hieraus aufgrund der stetig abnehmenden Pixelgröße der Bildmatrix mehrere wichtige Aufgabenstellungen. Mit der zunehmenden Verkleinerung der Pixel als Bezugsgröße ergibt sich die Gefahr, dass die Grenzen der optischen Machbarkeit, jedoch zumindest die Grenzen einer kostengünstigen und prozeßsicheren Fertigung der Lentikulare erreicht werden.
Die Herstellung eines Lentikulars mit Lentikeln in der Größe weniger Bildschirmpixel ist sehr schwierig, so dass ein Lentikular mit Lentikeln gleich einem Bildschirmpixel mit den derzeitig verfügbaren Bildschirmauflösungen in der Regel bereits an die Grenze der Technik gestoßen sein wird.
Die genannten dünnschichtigen und fein strukturierten Masken müssen eine höchste Qualität aufweisen. Eine mangelhafte optische Maske verursacht beispielsweise einen permanent auf dem Display sichtbaren Pixelfehler. Jede Fehlstelle, wie sie beispielgebend durch einen Lufteinschluss verursacht wird, kann nur mehr in den seltensten Fällen in Nacharbeit behoben werden und führt somit zu Ausschuss. Wie eingangs erwähnt sind die optischen Masken sehr dünnschichtig und weisen vorzugsweise eine Dicke unterhalb von 300 Mikrometern auf. Hieraus sind die entsprechend kleinen Toleranzen ableitbar und die hohen Anforderungen an die Form- und Maßgenauigkeit ersichtlich.
Form- und maßgenaue optische Masken hoher optischer Qualität werden beispielgebend gemäß dem Verfahren zur Replikation fein strukturierter optischer Masken nach DE10 2004 043 385 des Anmelder geschaffen. Dieses Verfahren und die zugehörige Einrichtung erlauben eine prozeßsichere Replikation der Masken mit hoher Formgenauigkeit und Qualitätsrate.
Für eine hochgradige Qualität der optischen Abbildung werden neben der Maßgenauigkeit an die optische Masken auch hohe Forderungen an die Formstabilität gestellt.
Insbesondere in der Ausbreitungsrichtung des Lichts ist für eine optische Maske eine hohe Maßgenauigkeit zu weiteren optischen Systemen sehr wichtig. Hierzu muss die optische Maske zu anderen optischen Systemen einen definierten Abstand aufweisen, welcher über die ganze Fläche hinreichend konstant ist.
Auch hieraus sind die entsprechend kleinen Toleranzen ableitbar. In einer beispielgebenden Anordnung kann eine transmissive oder selbst leuchtende Bildmatrix in der Brennebene eines Lentikulars angeordnet sein. Hieraus ist ersichtlich, dass die Genauigkeit des Abstandes zwischen der Bildmatrix und des Lentikulars die Qualität der resultierenden optischen Abbildung wesentlich und nachhaltig beeinflusst.
Die Flachoptik verliert durch eine Verwerfung oder Durchbiegung die gewünschte Formgenauigkeit. Infolgedessen ist der Abstand in Lichtrichtung zu weiteren optischen Systemen nicht mehr in der erforderlichen Weise konstant, so dass eine gewünschte hohe Qualität der optischen Abbildung nicht mehr erreicht werden kann.
In einer ersten nahe liegenden Lösung zur Erhöhung der Formstabilität wird die
Dicke der Träger-Substratplatte erhöht. Überraschend hat sich gezeigt, dass auch bei einem Verhältnis der optischen Maske zur Träger-Substratplatte in der Größenordnung von 1 zu 20 die Gefahr einer Verwerfung der Träger- Substratplatte nicht wünschenswert kompensiert.
In einer nächsten fachgemäßen Ausführung ist die Qualität der Träger-Substratplatte erhöht. Hierzu wird in einer ersten Ausführung insbesondere großen Wert auf die spannungsarme Herstellung der Substratplatte gelegt. Weitere Möglichkeiten zur Vermeidung des Verwerfens bestehen darin, eine Träger-Substratplatte mit einer höheren Steifigkeit zu verwenden.
Ferner ist es denkbar, die Platte in eine Spannvorrichtung unter Zugspannung einzuspannen, wodurch sich jedoch der konstruktive Aufwand erhöht. In der Regel ist allerdings die Raumkapazität in komplexen optischen Systemen beschränkt.
Die genannten nahe liegenden oder fachgemäßen Lösungsmöglichkeiten können nicht hinreichend gewährleisten, dass eine Flachoptik formstabil ist und seine gewünschte Form ohne Gefahr eines Durchbiegens oder einer Verwerfung behält.
Unter der Voraussetzung einer maßgenauen optischen Maske kann eine hohe optische Qualität nur erreicht werden, wenn es gelingt, die Durchbiegung und die Verwerfung der gesamten Flachoptik nachhaltig zu vermeiden.
In Verbindung der voran genannten Aufgabenstellungen zur Maß- und Formgenauigkeit optischer Masken soll die genannte dünnschichtige Flachoptik eine hohe Formstabilität insbesondere in der axialen Ausbreitungsrichtung des Lichts aufweisen und somit eine hochgradige Qualität der optischen Abbildung gewährleisten.
Hierzu soll ein Verfahren zur Herstellung der formstabilen Flachoptik geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs; sowie für die Flachoptik durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ansprüchen, insbesondere aus einer Kombination der Verfahrensansprüche und der Ansprüche der Flachoptik, der optischen Maske und des steuerbaren optischen Flachelements.
Eine Flachoptik weist auf einer Seite einer Träger-Substratplatte eine optische Maske oder ein steuerbares optisches Flachelement auf.
Verallgemeinernd wird nachfolgend auf die optische Maske Bezug genommen. Die optische Maske, insbesondere für ein autostereoskopisches Display, ist in der Regel rechteckig und hat eine zylindrische oder sphärische Strukturierung.
Zylindrische Masken sind insbesondere Lentikulare, beispielsweise mit einer Vielzahl aneinander liegender paralleler Lentikel in Form von Zylinderlinsen. Eine zylindrische optische Maske kann ebenso eine zylindrische Fresnel-Linse oder eine Prismenmaske oder dergleichen sein. Sphärische optische Masken sind beispielgebend sphärische Fresnel-Linsen. Die optische Maske kann auch ein holografisches optisches Element HOE oder dergleichen sein.
Die Masken haben in der Regel die Größe eines Bildschirms beziehungsweise eines Displays. Die Maske auf der Träger-Substratplatte ist dünnschichtig mit einer Dicke in der Größenordnung von wenigen Zehnteln Millimetern. Vorzugsweise liegt die Dicke der optischen Maske im Bereich unter 300 Mikrometern.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die resultierenden Materialspannungen, die zu einer Verwerfung oder Durchbiegung einer Flachoptik führen, durch ein Ausgleichselement zu kompensieren.
Erfindungsgemäß weist die Flachoptik auf der Rückseite der Träger-Substratplatte ein flächenförmiges, mit der Träger-Substratplatte festsitzend verbundenes Ausgleichselement auf.
Das Ausgleichselement ist an der Seite auf der Träger-Substratplatte angebracht, welche der optischen Maske gegenüber liegt. Das Ausgleichselement ist flächenförmig und überdeckt in Flächenrichtung die optische Maske, beziehungsweise den für die optische Abbildung genutzten Bereich der Maske.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist das Ausgleichselement eben, plan, und weist eine unstrukturierte Oberfläche auf. Im Weiteren kann das
Ausgleichselement konvex oder konkav ausgeführt sein und/oder im Sinne einer optischen Maske strukturiert sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung der formstabilen Flachoptik. Die Ausführungen des Verfahrens sind durch die Art, wie die die optische Maske und das Ausgleichselement auf die Träger-Substratplatte aufgebracht werden, gekennzeichnet.
Hierzu werden grundlegend die Schritte des Abformens, des Mouldings, und des Klebens, des Gluings, unterschieden. Moulding ist hier ein Oberbegriff für das Abformen und Aushärten eines Körpers aus einem Fluid. Gluing ist hier ein Oberbegriff für das stoffschlüssige Verbinden von Körpern und umfasst in einer einfachen Ausführung das Kleben, Schweißen oder dergleichen.
In einer ersten Ausführung des Verfahrens wird die optische Maske sowie das Ausgleichselement auf die Träger-Substratplatte sequentiell ausgeformt und ausgehärtet.
Hierzu umfasst das Verfahren in einem ersten Schritt das Mask-Moudling-and- Hardening, wobei die optische Maske aus einem auf einer Seite der Träger- Substratplatte aufgebrachten Fluid ausgehärtet wird. In einem sequentiell nachfolgenden Schritt erfolgt nach dem Aushärten der optischen Maske der Schritt des Compensation-Moulding-and-Hardenings, wobei auf die Rückseite der Träger- Substratplatte aus einem aufgebrachten Fluid das flächenförmige Ausgleichselement ausgehärtet wird. Die ausgehärteten Elemente bleiben mit der Träger-Substratplatte stoffschlüssig festsitzend verbunden.
In den genannten Verfahrensschritten des Mouldings werden die optische Maske und das Ausgleichselement aus einem transparenten Kunststoff oder einem Harz ausgeformt. Zum Moulding der optischen Maske und des Ausgleichselements kann das Verfahren zur Replikation fein strukturierter optischer Masken nach DE 10 2004 043 385 des Anmelders vorteilhaft eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens erfolgt das Moulding-and-Hardening der optischen Maske und des Ausgleichselement parallel.
Hierbei wird auf einer Seite der Träger-Substratplatte aus einem aufgebrachten Fluid die optische Maske und auf der Rückseite der Träger-Substratplatte aus einem aufgebrachten Fluid das flächenförmige Ausgleichselement ausgehärtet. Das Aushärten der Maske und des Ausgleichselements erfolgt zeitgleich oder zeitlich überlappend.
In weiteren bevorzugten Varianten des Verfahrens wird die optische Maske und/oder das Ausgleichselement auf die Träger-Substratplatte aufgebracht und stoffschlüssig verbunden.
In einer Weiterführung des Erfindungsgedankens werden Materialspannungen in der optischen Maske, die zu einer Verwerfung oder Durchbiegung der gesamten Flachoptik führen, durch das Ausgleichselement kompensiert.
Die Materialspannungen in der optischen Maske sind thermisch bedingt oder entstehen durch eine Schrumpfung der Maske im Zuge des Herstellungsverfahrens. Im Allgemeinen ist eine Volumsminderung des Fluids während des Aushärteprozesses beobachtbar. Diese Schrumpfung der optischen Maske führt in Bezug auf die Träger-Substrat-Platte zu resultierenden Materialspannungen. Diese Zugspannung in der optischen Maske bewirkt, dass sich die Flachoptik verwirft oder durchbiegt. Erfindungsgemäß weist das Ausgleichselement in Flächenrichtung wirkende resultierende Materialspannungen auf, welche die analogen resultierenden Spannungen in der optischen Maske kompensieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ausgleichselement so gestaltet, dass die kompensierende Wirkung des Ausgleichselements erst während der Betriebsphase in einem optischen Gesamtsystem ein Maximum erreicht. Entsprechend der Temperaturverteilung werden vom Ausgleichselement die Materialspannungen in der optischen Maske während der Betriebsphase maximal kompensiert und die Flachoptik ist über die ganze Fläche innerhalb der gewünschten kleinen Toleranzen plan.
Die Gestaltung und kompensierende Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Ausgleichselements ist in der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele weiterführend erläutert.
Aufgabengemäß weist die Flachoptik eine hohe Formstabilität auf. Das erfindungsgemäße Ausgleichselement kompensiert einseitige auf die Träger- Substratplatte wirkende Materialspannungen und verhindert ein Verwerfen oder Durchbiegen der Flachoptik. Somit ist ein hinreichend konstanter Abstand zu weiteren optischen Systemen gewährleistet. Die Qualität der optischen Abbildung ist nachhaltig erhöht.
Weitere Ausführungen werden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Die Figuren zeigen
Fig. 1 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Flachoptik in einer Seitenansicht;
Fig. 2 eine Schemadarstellung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Flachoptik als Anwendung in einem autostereoskopischen Display; und
Fig. 3 eine Flachoptik mit einer Fresnel-Linse.
Fig. 1 zeigt in einer Seitenansicht einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Flachoptik. Es weist auf einer Seite einer Träger-Substratplatte TP eine fein strukturierte optische Maske LM auf.
Die optische Maske LM ist hier als Lentikular mit aneinander grenzenden sphärischen Lentikeln in Form von Zylinderlinsen ausgeführt. Auf der Rückseite, in der Darstellung links gezeichnet, weist die Flachoptik ein Ausgleichselement LX auf. Das Ausgleichselement ist mit der Träger-Substratplatte TP festsitzend verbunden und wurde hier in einem Moulding-Schritt aus einem auf die Platte TP aufgebrachten Fluid abgeformt und ausgehärtet. In Flächenrichtung betrachtet überdeckt das Ausgleichselement die ganze optische Maske LM.
Fig. 2 zeigt eine zu Fig. 1 gleichartiges Flachoptik als Lentikular und ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Bestandteil einer Bildtrenneinrichtung für ein autostereoskopisches Display.
Das Lentikular ist in Ausbreitungsrichtung L des Lichts einer Bildmatrix BM nachfolgend angeordnet. Die Bildmatrix BM ist als ein transmissives Display ausgeführt und liegt hier in der Brennebene des Lentikulars.
Die optische Maske LM ist gemäß dem Mask-Moulding-and-Hardening-Schritt aus einem auf einer Seite der Träger-Substratplatte TP aufgebrachten Fluid abgeformt und ausgehärtet.
Sequentiell nachfolgend ist das Ausgleichselement LM gemäß dem Compensation- Moulding-and-Hardening-Schritt auf der Rückseite der Träger-Substratplatte TP aus einem aufgebrachten Fluid ausgehärtet.
Hier ist jeweils eine Volumsminderung des Fluids und eine Schrumpfung der optischen Maske LM beziehungsweise des Ausgleichselements LX während des Aushärtungsprozesses beobachtbar. Im Ausgleichselement LX und in der optischen Maske LM entstehen in Bezug auf die Träger-Substratplatte TP jeweils resultierende Materialspannungen Fx und Fm.
Das Ausgleichselements LX weist eine Dicke dX auf, so dass die resultierenden Materialspannungen Fx im Ausgleichselement LX den resultierenden Materialspannungen Fm der optischen Maske LM in Flächenrichtungen nahezu gleicht. Das Ausgleichselement LX kompensiert somit in einem ersten Schritt die Wirkung dieser Spannungen in der optischen Maske LM .
Ferner kompensiert das Ausgleichselement thermisch bedingte Materialspannungen, die sich mit den oben genannten Spannungen überlagern. Das optische System mit der Bildmatrix und der Flachoptik weist auf ihren Seiten eine unterschiedliche Temperatur auf.
Im autostereoskopischen Display bewirkt die Wärmeabgabe der Bildmatrix, eine unterschiedliche mittlere Temperatur der Seiten der Flachoptik. Die über die Fläche gemittelte Temperatur des Ausgleichselements LX ist höher als jene der optischen Maske LM.
Die angepasste Dicke dX des Ausgleichselements ergibt eine resultierende Materialspannung Fx, welche der resultierenden Materialspannung Fm der optischen Maske LM nahezu gleicht und somit kompensiert.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Maske und des Ausgleichselements ist in diesem Ausführungsbeispiel gleich, ansonsten müsste dieser sowie weitere kennzeichnende Parameter in die Gestaltung beziehungsweise Dimensionierung des Ausgleichselements einfließen.
Das Ausgleichselement gewährleistet, dass die Flachoptik formstabil ist. Das Verwerfen der Flachoptik verbleibt innerhalb der gewünschten kleinen Toleranzen. Der definierte Abstand der optischen Maske zur Bildmatrix ist hinreichend konstant und gewährleistet eine hochgradige Qualität der optischen Abbildung.
Ist die Bildmatrix, oder ein ähnliches steuerbares optisches Flachelement ebenso auf einer Träger-Substratplatte aufgebracht, so kann auch hier auf der Rückseite der Platte dem Gedanken der Erfindung folgend ein Ausgleichselement angebracht sein. Die Materialspannungen im steuerbaren optischen Flachelement sind durch das erfindungsgemäße Ausgleichselement kompensiert.
Der Werkstoff und insbesondere die Dicke des Ausgleichselements sind auf die thermischen Eigenschaften der Träger-Substratplatte und der Bildmatrix, sowie auf die erwartete Temperaturverteilung im gesamten optischen System abgestimmt. Demgemäß weist die Flachoptik während der Betriebsphase die kleinsten Abweichungen von der gewünschten flächenplanen Form auf.
Hierzu ist in einer besonders bevorzugten Ausführung die außen liegende Oberfläche des Ausgleichselements leicht konvex oder konkav gekrümmt, so dass eine über die Fläche gesehen nichtlineare kompensierende Wirkung des
Ausgleichselements erreicht wird. Vorzugsweise ist ein gekrümmtes Ausgleichselement eingesetzt, wenn die Bildmatrix komplexe nichtlineare thermische Eigenschaften aufweist und der implizite optische Keilterm des gekrümmten Ausgleichselements vernachlässigt werden kann.
Die optische Maske LM in Fig. 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine runde sphärische Fresnel-Linse aus Glas. Die Linse ist im Zentrum der rechteckigen Träger-Substratplatte TP aufgeklebt und in der Figur auf der rechten Seite der Träger-Substratplatte TP abgebildet. Das Ausgleichselement LX besteht ebenso aus Glas, überdeckt die Fresnel-Linse und ist auf die Träger-Substratplatte TP geklebt. Zur Vereinfachung der Sichtbarkeit in der Darstellung ist das Ausgleichselement LX von der Träger-Substratplatte TP abgetrennt gezeichnet. Die entsprechenden Pfeile veranschaulichen die wirkliche Position des Elements. Ferner ist die insbesondere die Dicke der optischen Maske und des Ausgleichselements nicht maßstabsgetreu, sondern stark erhöht dargestellt.
Das Ausgleichselement LX ist in dieser einfachen Ausführung ebenfalls rund gewählt. Die Dicke dX des Ausgleichselements LX ist so dimensioniert, dass thermisch bedingte resultierende Materialspannungen Fx im Ausgleichselement LX die resultierenden Materialspannungen Fm in der Fresnel-Linse, kompensieren. Die Temperaturdifferenz entspricht hier den vorberechneten Erwartungswerten der Temperaturverteilung im gewählten optischen Gesamtsystem.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer formstabilen Flachoptik, welche auf einer Seite einer Träger-Substratplatte (TP) eine optische Maske (LM) aufweist, beinhaltend die Schritte:
Schritt 1 : Mask-Moulding and Hardening, wobei die optische Maske (LM) aus einem auf einer Seite der Träger- Substratplatte (TP) aufgebrachten Fluid abgeformt und ausgehärtet wird und mit der Platte (TP) festsitzend verbunden verbleibt; und
Schritt 2: Compensation-Moulding and Hardening, wobei auf der Rückseite der Träger-Substratplatte (TP) aus einem aufgebrachten Fluid ein flächenförmiges Ausgleichselement (LX) abgeformt und ausgehärtet wird und mit der Platte (TP) festsitzend verbunden verbleibt.
2. Verfahren zur Herstellung einer formstabilen Flachoptik, welche auf einer Seite einer Träger-Substratplatte (TP) eine optische Maske (LM) aufweist, beinhaltend den
Schritt Mask- and Compensation-Moulding and Hardening, wobei auf einer Seite der Träger-Substratplatte (TP) aus einem aufgebrachten Fluid eine optische Maske (LM) sowie auf der Rückseite der Träger- Substratplatte (TP) aus einem aufgebrachten Fluid ein flächenförmiges Ausgleichselement (LX) abgeformt und ausgehärtet werden, die mit der
Platte (TP) festsitzend verbunden verbleiben.
3. Verfahren zur Herstellung einer formstabilen Flachoptik nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten der optischen Maske (LM) und des Ausgleichselements (LX) zeitgleich erfolgt.
4. Verfahren zur Herstellung einer formstabilen Flachoptik nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten der optischen Maske (LM) und des Ausgleichselements (LX) zeitlich überlappend erfolgt.
5. Verfahren zur Herstellung einer formstabilen Flachoptik, welche auf einer Seite einer Träger-Substratplatte (TP) eine optische Maske (LM) aufweist, beinhaltend die Schritte Schritt 1 : Mask-Gluing, wobei die optische Maske (LM) oder ein optisches Flachelement auf einer Seite der Träger-Substratplatte (TP) aufgebracht und stoffschlüssig festsitzend verbunden wird; und
Schritt 2: Compensation-Moulding and Hardening, wobei auf der Rückseite der Träger-Substratplatte (TP) aus einem aufgebrachten Fluid ein flächenförmiges Ausgleichselement (LX) abgeformt und ausgehärtet wird und mit der Platte (TP) festsitzend verbunden verbleibt.
6. Verfahren zur Herstellung einer formstabilen Flachoptik, welche auf einer Seite einer Träger-Substratplatte (TP) eine optische Maske (LM) aufweist, beinhaltend die Schritte
Schritt 1 : Mask-Moulding and Hardening, wobei die optische Maske (LM) aus einem auf einer Seite der Träger- Substratplatte (TP) aufgebrachten Fluid abgeformt und ausgehärtet wird und mit der Platte (TP) festsitzend verbunden verbleibt; und
Schritt 2: Compensation-Gluing, wobei auf der Rückseite der Träger-Substratplatte (TP) ein flächenförmiges Ausgleichselement (LX) aufgebracht und festsitzend verbunden wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer formstabilen Flachoptik, welches auf einer Seite einer Träger-Substratplatte (TP) eine optische Maske (LM) aufweist, beinhaltend den Schritt Mask-and Compensation-Gluing, wobei die optische Maske (LM) oder das steuerbare optische Flachelement und ein flächenförmiges Ausgleichselement (LX) jeweils auf einer Seite der Träger-Substratplatte (TP) aufgebracht und stoffschlüssig festsitzend verbunden werden.
8. Verfahren zur Herstellung Flachoptik nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (LX) durch das Aushärten bedingte Volumenänderungen resultierende Materialspannungen (Fx) in Flächenrichtung aufweist, welche jene der optischen Maske (LM mit Fm) kompensiert.
9. Verfahren zur Herstellung einer formstabilen Flachoptik nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (LX) thermisch bedingte resultierende Materialspannungen (Fx) in Flächenrichtung aufweist, welche jenen der optischen Maske (LM mit Fm) gleicht.
10. Verfahren zur Herstellung einer formstabilen Flachoptik nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Maske (LM) und/oder das Ausgleichselement (LX) aus einem transparenten Harz oder Kunststoff abgeformt und ausgehärtet werden.
11. Formstabile Flachoptik, welche auf einer Seite einer Träger- Substratplatte (TP) ein steuerbares optisches Flachelement oder eine optische Maske (LM) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachoptik auf der Rückseite der Träger-Substratplatte (TP) ein flächenförmiges, mit der Träger- Substratplatte (TP) festsitzend verbundenes Ausgleichselement (LX) aufweist.
12. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (LX) resultierende Materialspannungen (Fx) in Flächenrichtung aufweist, welche jene der optischen Maske (LM mit Fm) oder des steuerbaren optischen Flachelements kompensiert.
13. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (LX) resultierende Materialspannungen (Fx) in
Flächenrichtung aufweist, welche jenen der optischen Maske (LM mit Fm) oder des steuerbaren optischen Flachelements während der Betriebsphase in einem optischen Gesamtsystem kompensiert
14. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass bei Temperaturdifferenz zwischen dem Ausgleichselement (LX) und der optischen Maske (LM) oder des steuerbaren optischen Flachelements das Ausgleichselement und die optischen Maske (LM) gleiche thermisch bedingte resultierende Materialspannungen in Flächenrichtung aufweisen.
15. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Temperaturdifferenz zwischen dem Ausgleichselement (LX) und der optischen Maske (LM) oder des steuerbaren optischen Flachelements das Ausgleichselement und die optischen Maske (LM) während der Betriebsphase in einem optischen Gesamtsystem gleiche thermisch bedingte resultierende Materialspannungen in Flächenrichtung aufweisen.
16. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (LX), die optische Maske Ausgleichselement (LX) und das steuerbare optische Flachelement einen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
17. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (LX) in Flächenrichtung das steuerbare optische Flachelement oder die optische Maske (LM) mindestens überdeckt.
18. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Maske (LM), das steuerbare optische Flachelement und/oder das Ausgleichselement (LX) durch Kleben oder Schweißen mit der Träger- Substratplatte (TP) stoffschlüssig festsitzend verbunden ist/sind.
19. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Maske (LM) und/oder das Ausgleichselement (LX) aus einem transparenten Fluid abgeformt, ausgehärtet und mit der Träger-Substratplatte (TP) festsitzend verbunden sind.
20. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Maske (LM) ein Lentikular oder eine Feldlinse ist.
21. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Maske (LM) eine Fresnel-Linse ist.
22. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Maske ein holografisches optisches Element (HOE) ist.
23. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl steuerbaren Einzelelemente, Pixel, Öffnungen, Lichtmodulatoren, aktive oder passive Bildelemente oder Micro-Mirrors umfasst.
24. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die außen liegende Oberfläche des Ausgleichselements (LX) plan ist.
25. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die außen liegende Oberfläche des Ausgleichselements (LX) eine Struktur aufweist.
26. Formstabile Flachoptik nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die außen liegende Oberfläche des Ausgleichselements (LX) konvex oder konkav gekrümmt ist.
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