WO2017050627A1 - Optisches bauteil und verfahren zum beschichten eines optischen bauteils - Google Patents

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film
coating
sharp
lacquer
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PCT/EP2016/071796
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Jens PROCHNAU
Jörg Pütz
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Carl Zeiss Smart Optics Gmbh
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    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features

Definitions

  • the present invention relates to a method for coating an optical component which has one or more sharp-edged structures. Moreover, the invention relates to a coated optical component with a sharp-edged structure.
  • sharp-edged structures In the case of optical components, it may be necessary for application or production reasons to provide sharp-edged structures. For example, it may be advantageous to introduce stray light edges in an optical component to prevent unwanted stray light or stray light in light-guiding device areas. Due to their function, such scattered light edges and corners may, under certain circumstances, have a sharp-edged design, ie they may have no or only a very small rounding-that is, only a very small radius of curvature. In addition, sharp edges can also occur due to the process, for example during injection molding. The sharp edges can either be concave (opening angle of the edge defining surfaces smaller than 180 °) or convex (opening angle of the edge defining surfaces greater than 180 °) may be formed.
  • optical components often have to be provided with functional layers via coating processes.
  • primer layers which, for example, serve for adhesion promotion
  • hard coatings for increasing the mechanical resistance of the surface of the component.
  • the application of coatings in wet coating processes can be problematic because it becomes a result of surface tension Accumulation of coating material can come in the area of the edge or corner.
  • the coating thickness at this point is significantly higher than on the adjacent surfaces, this can lead to cracking or even spalling or delamination of the coating in many of the coatings typically used as a result of stress build-up.
  • the frequently used hard coatings based on polysiloxanes are particularly susceptible.
  • the primer or hardcoat would influence the optical properties of the scattered light edge or the adjacent surfaces (eg by forming a meniscus of primer layer or hard layer, etc.).
  • the first object is achieved by a method for coating an optical component according to claim 1, the second object by an optical component according to claim 10.
  • the dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.
  • the sharp-edged structure is rounded by means of a flowable film.
  • sharp-edged structure all structures should be considered which have a sharp edge or a sharp corner, the edges being considered sharp-edged and corners being pointed if they have a radius of curvature of zero or near zero.
  • edges are to be regarded as sharp or corners as pointed, whose radius of curvature is less than 1 mm, more particularly less than 0.1 mm.
  • the surfaces adjacent to the edge or corner can in particular have an angle in the range of 0 ° to 45 ° (concave sharp edge or corner) or an angle of 315 ° to 360 ° (convex sharp edge or corner).
  • the rounding of the sharp-edged structure takes place within the scope of the invention in that a flowable film forming a film meniscus is applied to the sharp-edged structure and then solidified, wherein the film meniscus forms the rounding after solidification of the flowable film.
  • the material of the film is chosen so that the film forms a concave meniscus and, in the case of a convex edge or corner, so that the film forms a convex meniscus.
  • the solidification of the flowable film itself can take place by drying the film, ie by volatilization of liquid film constituents and / or by curing of the film, ie crosslinking of polymer constituents of the film.
  • drying and curing may be simultaneous, or drying may be performed first, followed by curing.
  • the curing can also be triggered by external influence.
  • external influences can be temperature effects, for example, in that the optical component provided with the film is in an oven, exposures by means of electromagnetic radiation, for example by exposing the component provided with the film to ultraviolet light, etc.
  • a flowable film it is possible, for example, to use a lacquer which has low shrinkage and / or at least during film formation and solidification has a high flexibility.
  • the varnish may be a reactive varnish with or without a solvent, ie a single-component or multicomponent varnish which already cures at room temperature due to the former reaction.
  • a reactive varnish with solvent it is first dried and then the dried film is cured by reaction (eg with UV radiation).
  • reaction eg with UV radiation
  • a solvent-free lacquer an immediate curing of the wet film takes place.
  • a varnish can be used as a flowable film but also another viscous mass, for example.
  • a resin or a dispersion use in the method according to the invention, after the rounding, a coating is applied to the optical component, the coating being applied at least to the film meniscus.
  • the rounded surface has a considerably larger radius of curvature compared to the sharp-edged structure. Therefore, a coating can be applied with more uniform thickness compared to the prior art, so that an accumulation of coating material or a flow of coating material in the region of the sharp-edged structure (edge or corner) does not occur and therefore the problems of crack formation described at the outset, spalling, delamination, formation of inhomogeneities, etc. avoided or at least greatly reduced.
  • an optical absorption varnish which completely absorbs incident light, for example, by high carbon black content and matched refractive index, can be applied as varnish.
  • the sharp-edged structure is designed, for example, as a scattered light edge which, as a diaphragm-like structure, prevents the penetration of unwanted scattered light into light-guiding regions of the optical component and should eliminate stray light from the internal beam path.
  • a polymer-based paint can be used in particular as a paint. Such paints can be provided with a high flexibility compared to other paints.
  • polymer-based paints are available in a variety of compositions, so that a suitable paint can be selected for a variety of substrate or coating materials.
  • a suitable polymer-based paint can be selected with regard to the best possible adhesion conditions of the paint on the substrate, ie the optical component, or the coating on the paint.
  • the polymer based paint may be selected in view of the optical properties of the material of the optical component or the coating material.
  • the coating to be applied may comprise at least one functional layer, such as, for example, a hard layer and / or an antireflection layer.
  • it may comprise a primer layer, ie a primer layer, which improves the adhesion of the following functional layer to the film.
  • the primer Layer both good adhesion properties in relation to the film used and with respect to the following functional layer.
  • the functional layer can also be applied directly to the film, provided that it offers sufficient adhesion properties for the functional layer.
  • An optical component according to the invention with a sharp-edged structure has a film which is applied over the sharp-edged structure and, in the region of the sharp-edged structure, has a film meniscus formed over the sharp-edged structure. At least on the film meniscus a coating is present.
  • This coating may comprise a functional layer such as a hard layer and / or an antireflection layer.
  • a primer layer may be present under the functional layer.
  • the sharp-edged structure in the component according to the invention can in this case, for example, be a stray light edge.
  • a spectacle lens for data glasses or a coupling-in device for coupling an imaging beam path into the spectacle lens of data glasses is considered.
  • the component according to the invention is advantageous in that the coating can be applied with a uniform thickness to the optical component due to the meniscus formed in the film over the sharp-edged structure, and thus due to the increased radius of curvature compared to the sharp-edged structure.
  • the coating can have a uniform thickness wherever it is present on the component.
  • the film may be an optical absorption varnish.
  • the film is a polymer-based paint, as has already been explained above. Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures.
  • Figure 1 shows an embodiment of an inventive
  • FIGS. 2 to 5 show an optical component according to the invention in various stages of its production process.
  • FIG. 6 shows a spectacle lens for data glasses together with a prism for coupling an imaging beam path into the spectacle lens.
  • FIG. 1 describes the sequence of the method on the basis of a flowchart
  • FIGS. 2 to 5 describe an optical component according to the invention during various stages of the coating method.
  • an optical component 1 having a sharp edge 3 present in its surface 5 is provided in step S1.
  • a sharp edge should be understood to mean an edge which has essentially no rounding in the edge region.
  • the edge can be regarded as having no rounding if the radius of curvature of a rounding is ⁇ 1 mm, in particular ⁇ 0.1 mm.
  • the surfaces adjacent to the edge may in particular enclose an angle in the range of 0 ° to 45 ° (concave sharp edge) or an angle of 315 ° to 360 ° (convex sharp edge).
  • Such sharp edges can be used for example as stray light edges in optical components or occur due to production.
  • a schematic representation of an optical component 1 with the sharp edge 3, as in Step S1 of the method is provided is shown in FIG. In this optical component, the sharp edge is a concave edge.
  • Data glasses include i.a. usually a spectacle lens, through which an imaging beam path originally emanating from a display device is guided with multiple reflection at the spectacle lens surfaces to a decoupling structure, from which it is coupled out of the spectacle lens in the direction of a user's eye.
  • a spectacle lens 100 An example of such a spectacle lens 100 is shown in FIG.
  • the spectacle lens 100 can, as shown in FIG. 6, have an edge thickening region 106 in which the thickness of the spectacle lens 100 is increased in order to optimally guide the imaging beam path to the decoupling structure 104.
  • the coupling of the imaging beam path 102 into the spectacle lens 100 takes place with the aid of a prism 108, which serves as a coupling device.
  • the prism 108 which is sometimes also called a tube
  • the imaging beam 102 originating from the display is coupled into the spectacle lens 100 at an angle such that it is under multiple reflection at the outer surface 101 and the inner surface 103 of the spectacle lens 100
  • Outcoupling structure 104 can get.
  • a scattered light edge may be present in the spectacle lens 100 or in the prism 108. This stray light edge serves to prevent stray light from reaching the decoupling structure 104, from where it would be coupled out in the direction of the user's eye. The decoupled stray light would then lead to undesirable effects in the user perceived image.
  • a flowable film 7 is applied to the surface 5 of the optical component 1.
  • a paint 7 is applied as a flowable film.
  • the lacquer 7 is applied at least in that area of the surface 5 in which the concave sharp edge 3 is located. There it forms a concave lacquer meniscus 8 with one in comparison to the radius of curvature of the sharp ones Edge 3 large radius of curvature.
  • the optical component 1 with the applied lacquer 7 is shown in FIG.
  • the lacquer used is a lacquer which forms no cracks during drying and / or curing, even if lacquer layer 7 has regions with different thicknesses, as is the case in FIG. It can be seen in FIG. 3 that the thickness of the lacquer layer 7 in the area of the sharp edge 3 is significantly greater due to the formation of the meniscus 8 than in the adjacent areas of the surface 5. Cracks in the paint can be avoided by the fact that the paint used has the lowest possible shrinkage and / or high flexibility, which in turn can be achieved in particular by the fact that the paint has a high solids content. A high solids content can be assumed here if the proportion by weight of the solids is at least 50% by weight, in particular at least 70% by weight.
  • a reactive varnish with or without solvent
  • solid contents of up to almost 100% by weight are possible.
  • the thickness of the lacquer 7 and the radius of curvature of the lacquer meniscus 8 in the region of the sharp edge 3 are, inter alia, the viscosity of the liquid lacquer, the surface tension of the liquid lacquer and the interfacial tension between the liquid lacquer and the material of which the optical component is made. affected.
  • the following parameters of the lacquer are of particular importance: solids content, viscosity and surface tension. Another parameter that matters for the selection is the interfacial tension between the liquid paint and the material making up the optical component.
  • the sharp-edged structure 3 forms a scattered light edge
  • an absorption varnish which absorbs scattered light as the varnish 7.
  • a drying of the paint 7 is brought about. This can be done, for example, by the fact that the optical component 1 provided with the liquid lacquer remains at room temperature until the lacquer has dried through. Alternatively, drying may also take place at elevated temperatures in order to accelerate the drying, for example by heating the optical component provided with the liquid paint in an oven.
  • the liquid paint components volatilize, whereby the solid particles move towards each other due to the capillary effect that occurs in the volatilization of the amount of liquid in the paint.
  • the associated reduction in the paint volume can lead to an increase in stress and thus to cracks if the solids content in the paint is too low.
  • too fast drying can also lead to cracks.
  • the drying is therefore slow enough in the present process that the solid particles have sufficient time during drying to rearrange without cracking.
  • step S4 curing of the varnish takes place in an optional step S4, crosslinking of polymer constituents of the varnish taking place.
  • the lacquer 7 used is therefore a curable lacquer, for example a polymer-based lacquer.
  • the curing of the paint can be brought about by external energy supply, for example by heat or ultraviolet radiation.
  • the painted optical component 1 can be introduced into an oven, or be irradiated with UV light. It should be noted at this point, however, that the drying and curing need not necessarily be done sequentially.
  • the curing can also be carried out simultaneously with the drying, depending on the paint used, especially if the drying takes place at elevated temperature.
  • a primer layer 9 is applied to the lacquer 7 as the first layer of a coating in the present exemplary embodiment. Because of the meniscus 8 formed in the lacquer 7 over the sharp edge 3, a large radius of curvature is present in the area of the sharp edge 3 for the primer layer 9, which results in the primer layer 9 having a large extent uniform thickness can be applied to the entire paint layer 7. Since there are no thickness differences in the primer layer 9, the risk of cracking when solidifying the primer layer 9 is greatly reduced. To the material of the primer layer 9 are therefore much lower requirements with regard to the prevention of cracks when solidifying the layer to make, as to the paint 7. It can therefore find common primer layers use that would be prone to cracking, if in the layer areas with different layer thicknesses would be present.
  • the optical component 1 with the primer layer 9 applied to the lacquer layer 7 is shown in FIG. 4.
  • a hard layer 11 is applied to the primer layer 9 in the present exemplary embodiment.
  • the hard layer 1 1 can be applied with a uniform thickness, so that cracking can be reliably avoided, even if the Be Mrsungsmatenal used in the case of Regions with different layer thicknesses would tend to cracks.
  • the finished coated optical component 1 is shown in FIG. 5.
  • the present invention has been described in detail with reference to a concrete embodiment for the purpose of explanation. It is understood, however, that the embodiment does not cover all possible embodiments of the invention, but this may include deviations from the embodiment. So includes the Coating in the present embodiment, a primer layer as a primer layer and a hard layer applied above.
  • the coating can also be structured differently. For example, it can also have an antireflection layer (AR layer) in addition to the hard layer or alternatively to the hard layer.
  • the primer layer can be dispensed with if the adhesion properties of the hard layer or the AR layer on the lacquer permit this.
  • a resin or a dispersion can be applied as a flowable film. Further possible deviations from the concrete exemplary embodiment were already described in the context of the individual method steps. The scope of the invention should therefore not be limited solely to the described embodiment, but only by the appended claims.

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Abstract

Es werden Verfahren zum Beschichten eines optischen Bauteils (1) mit einer scharfkantigen Struktur (3) und ein optisches Bauteil (1) zur Verfügung gestellt. In einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird die scharfkantige Struktur (3) im optischen Bauteil (1) verrundet, indem ein Lack (7), der einen Lackmeniskus (8) bildet, auf die scharfkantige Struktur (3) aufgebracht und anschließend verfestigt wird, wobei der Lackmeniskus (8) nach dem Verfestigen des Lackes (7) die Verrundung bildet. Nach der Verrundung wird eine Beschichtung (9, 11) auf das optische Bauteil (1) aufgebracht, wobei die Beschichtung zumindest auf den Lackmeniskus (8) aufgebracht wird.

Description

Optisches Bauteil und Verfahren zum Beschichten
eines Optischen Bauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines optischen Bauteils, welches eine oder mehrere scharfkantige Strukturen aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein beschichtetes optisches Bauteil mit einer scharfkantigen Struktur.
Bei optischen Bauteilen kann es anwendungs- oder fertigungsbedingt notwendig sein, scharfkantige Strukturen vorzusehen. Zum Beispiel kann es von Vorteil sein, Streulichtkanten in ein optisches Bauteil einzuführen, um ungewolltes Streulicht oder Falschlicht in lichtführenden Bauteilbereichen zu unterbinden. Derartige Streulichtkanten und -ecken müssen aufgrund ihrer Funktion unter Umständen scharfkantig ausgebildet sein, d.h. sie dürfen keine oder nur eine sehr kleine Verrundung - also nur einen sehr geringen Krümmungsradius - aufweisen. Scharfe Kanten können darüber hinaus auch prozessbedingt auftreten, bspw. beim Spritzgießen. Die scharfen Kanten können dabei entweder konkav (Öffnungswinkel der die Kante begrenzenden Flächen kleiner als 180°) oder konvex (Öffnungswinkel der die Kante begrenzenden Flächen größer als 180°) ausgebildet sein. Des Weiteren müssen optische Bauteile häufig über Beschichtungsprozesse mit Funktionsschichten versehen werden. Beispielhaft seien hier Primer- Schichten, die bspw. der Haftvermittlung dienen, und Hartschichten zur Erhöhung der mechanischen Beständigkeit der Oberfläche des Bauteils genannt. Im Bereich einer konkaven scharfen Kante oder Ecke kann die Aufbringung von Beschichtungen in Nassbeschichtungsprozessen problematisch sein, da es in Folge der Oberflächenspannung zu einer Anhäufung von Beschichtungsmaterial im Bereich der Kante bzw. Ecke kommen kann. Da hierdurch die Beschichtungsdicke an dieser Stelle deutlich höher ist als auf den angrenzenden Flächen, kann dies bei vielen der typischerweise verwendeten Beschichtungen infolge eines Spannungsaufbaus zu Rissbildung oder gar zu einem Abplatzen oder zu einer Ablösung (Delamination) der Beschichtung führen. Hierfür sind insbesondere die häufig eingesetzten Hartschichten auf der Basis von Polysiloxanen anfällig. Aber auch reine polymerbasierte Lacke wie sie als Primer-Schichten eingesetzt werden, können bei zu hoher Schichtdicke ähnliche Phänomene zeigen. Daneben kann es bei einer konvexen scharfen Kante oder Ecke zu einer sog. Kantenflucht des Beschichtungsmaterials, also einem Wegfließen von der Kante bzw. Ecke kommen, was wiederum zur Folge hat, dass im Bereich dieser Kante die Schichtdicke zu gering sein kann. Dies ist nicht nur im Hinblick auf die Haltbarkeit der Schichten kritisch, sondern kann auch bei nachfolgenden Prozessen zu Verunreinigungen oder ähnlichem und darüber hinaus zu Beeinträchtigungen und optischen Fehlern führen, bspw. durch eine inhomogene und/oder unvollständige Trocknung. Bei inhomogener Schichtdicke kann es sein, dass bspw. der Primer oder Hartlack die optischen Eigenschaften der Streulichtkante bzw. der angrenzenden Flächen beeinflussen würde (z.B. durch Ausbildung eines Meniskus aus Primerschicht oder Hartschicht, etc.). Andererseits ist es für die Hartlackaufbringung oft von großem Vorteil, wenn das komplette Bauteil beschichtet werden kann. Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beschichtungsverfahren für das Beschichten eines optischen Bauteils mit einer scharfkantigen Struktur zur Verfügung zu stellen, mit welchem Beschichtungen wie bspw. Primer-Schichten und/oder Hartschichten oder andere funktionelle Schichten mit bspw. photochromen oder reflexmindernden Eigenschaften, ohne die oben beschriebenen Probleme aufgebracht werden können. Darüber hinaus ist es eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes optisches Bauteil mit einer scharfkantigen Struktur zur Verfügung zu stellen. Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Beschichten eines optischen Bauteils gemäß Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein optisches Bauteil gemäß Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Beschichten eines optischen Bauteils mit einer scharfkantigen Struktur wird die scharfkantige Struktur mit Hilfe eines fließfähigen Films verrundet. Als scharfkantige Struktur sollen dabei alle Strukturen angesehen werden, die eine scharfe Kante oder eine spitze Ecke aufweisen, wobei die Kanten als scharfkantig und Ecken als spitz angesehen werden sollen, wenn sie einen Krümmungsradius von Null oder nahe Null aufweisen. Insbesondere sollen Kanten als scharf bzw. Ecken als spitz angesehen werden, deren Krümmungsradius kleiner als 1 mm, weiter insbesondere kleiner 0,1 mm ist. Außerdem können bei einer scharfen Kante bzw. einer spitze Ecke die an die Kante bzw. Ecke angrenzenden Flächen insbesondere einen Winkel im Bereich von 0° bis 45° (konkave scharfe Kante bzw. Ecke) oder einen Winkel von 315° bis 360° (konvexe scharfe Kante bzw. Ecke) einschließen.
Die Verrundung der scharfkantigen Struktur erfolgt im Rahmen der Erfindung dadurch, dass ein fließfähiger Film, der einen Filmmeniskus ausbildet, auf die scharfkantige Struktur aufgebracht und anschließend verfestigt wird, wobei der Filmmeniskus nach dem Verfestigen des fließfähigen Films die Verrundung bildet. Im Falle einer konkaven Kante oder Ecke ist das Material des Films so gewählt, dass der Film einen konkaven Meniskus bildet, und im Falle einer konvexen Kante oder Ecke so, dass der Film einen konvexen Meniskus bildet. Das Verfestigen des fließfähigen Films selbst kann durch Trocknen des Films, also durch ein Verflüchtigen flüssiger Filmbestandteile und/oder durch Aushärten des Films, also ein Vernetzen von Polymerbestandteilen des Films, erfolgen. Wenn sowohl ein Trocknen als auch ein Aushärten erfolgt, können das Trocknen und das Aushärten simultan erfolgen, oder es kann zuerst ein Trocknen und anschließend ein Aushärten erfolgen. Das Aushärten kann auch durch Einwirkung von außen ausgelöst werden. Einwirkungen von außen können hierbei Temperatureinwirkungen sein, beispielsweise indem das mit dem Film versehene optische Bauteil in einem Ofen erwärmt wird, Einwirkungen mittels elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise indem das mit dem Film versehende Bauteil ultraviolettem Licht ausgesetzt wird, etc. Als fließfähiger Film kann bspw. ein Lack Verwendung finden, der zumindest während der Filmbildung und des Verfestigens einen geringen Schrumpf und/oder eine hohe Flexibilität besitzt. Insbesondere kann der Lack ein Reaktivlack mit oder ohne Lösungsmittel sein, also ein Ein- oder Mehrkomponentenlack, der durch ehem. Reaktion bereits bei Raumtemperatur härtet. Bei einem Reaktivlack mit Lösungsmittel wird zunächst getrocknet und der getrocknete Film dann reaktiv ausgehärtet (z.B. mit UV-Strahlung). Bei einem lösungsmittelfreien Lack erfolgt eine sofortige Aushärtung des nassen Films. Statt eines Lackes kann als fließfähiger Film aber auch eine andere viskose Masse, bspw. ein Harz oder eine Dispersion Verwendung finden. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird nach der Verrundung eine Beschichtung auf das optische Bauteil aufgebracht, wobei die Beschichtung zumindest auf den Filmmeniskus aufgebracht wird.
Im erfindungsgemäßen Verfahren weist die verrundete Oberfläche im Vergleich zur scharfkantigen Struktur einen erheblich größeren Krümmungsradius auf. Daher kann eine Beschichtung mit im Vergleich zum Stand der Technik gleichmäßigerer Dicke aufgebracht werden, so dass eine Anhäufung von Beschichtungsmaterial oder ein Abfließen von Beschich- tungsmaterial im Bereich der scharfkantigen Struktur (Kante oder Ecke) nicht auftritt und deshalb die eingangs geschilderten Problematiken einer Rissbildung, eines Abplatzens, einer Schichtablösung, einer Ausbildung von Inhomogenitäten, etc. vermieden oder zumindest stark reduziert werden.
Für den zur Verrundung zu verwendenden fließfähigen Film existiert eine größere Auswahl an möglichen Materialien als z.B. für die Primer-Schichten und insbesondere als für die Hartschichten. Beim Verrunden der scharfkantigen Struktur mit einem fließfähigen Film wie etwa einem Lack kann die Problematik einer Rissbildung, eines Abplatzens, einer Schichtablösung, einer Ausbildung von Inhomogenitäten, etc. daher dadurch vermieden werden, dass ein Filmmaterial Verwendung findet, das während des Verfestigens eine genügend hohe Flexibilität besitzt, um auch bei großen Dickenunterschieden in der Filmschicht keine Risse, Abplatzungen oder Schichtablösungen auszubilden. Hierbei sind insbesondere Filme in Form von Lacken mit einem hohen Feststoffgehalt, d.h. einem Feststoffgehalt von über 50 Gew%, insbesondere über 70 Gew%, geeignet, da dadurch der Schrumpf des Filmes gering gehalten werden kann. Bei der Auswahl eines geeigneten Films kann darüber hinaus auch die Viskosität und die Oberflächenspannung des Films im flüssigen Zustand sowie die Sprödigkeit des verfestigten Films Berücksichtigung finden.
Als Lack kann insbesondere ein optischer Absorptionslack, der bspw. durch hohen Rußanteil und angepassten Brechungsindex auftreffendes Licht vollständig absorbiert, aufgebracht werden. Diese Variante bietet sich insbesondere an, wenn die scharfkantige Struktur bspw. als Streulichtkante ausgebildet ist, welche als blendenähnliche Struktur das Eindringen ungewollten Streulichtes in lichtführende Bereiche des optischen Bauteils verhindern und Streulicht aus dem internen Strahlengang eliminieren soll.
Als Lack kann außerdem insbesondere ein Lack auf Polymerbasis Verwendung finden. Derartige Lacke können im Vergleich zu anderen Lacken mit einer hohen Flexibilität bereitgestellt werden. Außerdem liegen Lacke auf Polymerbasis in vielfältigen Zusammensetzungen vor, so dass für eine Vielzahl von Substrat- oder Beschichtungsmaterialien ein geeigneter Lack ausgewählt werden kann. Beispielsweise kann ein geeigneter Lack auf Polymerbasis im Hinblick auf möglichst gute Haftungsbedingungen des Lackes auf dem Substrat, also dem optischen Bauteil, oder der Beschichtung auf dem Lack ausgewählt werden. In einem anderen Beispiel kann der Lack auf Polymerbasis im Hinblick auf die optischen Eigenschaften des Materials des optischen Bauteils oder des Beschichtungsmaterials ausgewählt werden.
Die aufzubringende Beschichtung kann wenigstens eine Funktionsschicht wie bspw. eine Hartschicht und/oder eine Antireflexschicht umfassen. Außerdem kann sie eine Primer-Schicht, also eine Grundierung bzw. Haftvermittlerschicht, umfassen, welche die Haftung der folgenden Funktionsschicht auf dem Film verbessert. Als solche weist die Primer- Schicht sowohl gute Haftungseigenschaften in Bezug auf den verwendeten Film als auch in Bezug auf die folgende Funktionsschicht auf. Die Funktionsschicht kann aber auch direkt auf den Film aufgebracht werden, sofern dieser hinreichende Haftungseigenschaften für die Funktionsschicht bietet.
Ein erfindungsgemäßes optisches Bauteil mit einer scharfkantigen Struktur weist einen Film auf, der über der scharfkantigen Struktur aufgebracht ist und im Bereich der scharfkantigen Struktur einen über der scharfkantigen Struktur ausgebildeten Filmmeniskus aufweist. Zumindest auf dem Filmmeniskus ist eine Beschichtung vorhanden. Diese Beschichtung kann eine Funktionsschicht wie beispielsweise eine Hartschicht und/oder eine Antireflexschicht umfassen. Zudem kann unter der Funktionsschicht eine Primer-Schicht vorhanden sein. Die scharfkantige Struktur im erfindungsgemäßen Bauteil kann hierbei bspw. eine Streulichtkante sein. Als erfindungsgemäßes optisches Bauteil mit einer scharfkantigen Struktur kommt bspw. ein Brillenglas für eine Datenbrille oder eine Einkopplungsvor- richtung zum Einkoppeln eines Abbildungsstrahlengang in das Brillenglas einer Datenbrille in Betracht.
Das erfindungsgemäße Bauteil ist insofern vorteilhaft, als dass die Beschichtung aufgrund des im Film über der scharfkantigen Struktur ausgebildeten Meniskus - und damit aufgrund des im Vergleich zur scharfkantigen Struktur vergrößerten Krümmungsradius - mit einer gleichmäßigen Dicke auf das optische Bauteil aufgebracht werden kann.
Risse, Delaminationen, Abplatzungen der Beschichtung, Inhomogenitäten in der Beschichtung, etc. können dadurch zuverlässig vermieden werden.
Insbesondere kann die Beschichtung überall dort, wo sie auf dem Bauteil vorhanden ist, eine gleichmäßige Dicke aufweisen.
Wenn die scharfkantige Struktur im optischen Bauteil eine Streulichtkante ist, kann der Film insbesondere ein optischer Absorptionslack sein. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Film ein Lack auf Polymerbasis ist, wie bereits weiter oben erläutert worden ist. Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes
Verfahren zum Beschichten eines optischen Bauteils in
Form eines Ablaufdiagramms.
Figuren 2 bis 5 zeigen ein erfindungsgemäßes optisches Bauteil in verschiedenen Stadien seines Herstellungsprozesses.
Figur 6 zeigt ein Brillenglas für eine Datenbrille zusammen mit einem Prisma zum Einkoppeln eines Abbildungsstrahlenganges in das Brillenglas.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten eines optischen Bauteils unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Die Figur 1 beschreibt dabei den Ablauf des Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms, die Figuren 2 bis 5 ein erfindungsgemäßes optisches Bauteil während verschiedener Stadien des Beschichtungsverfahrens.
Zu Beginn des Verfahrens zum Beschichten eines optischen Bauteils wird in Schritt S1 ein optisches Bauteil 1 mit einer in seiner Oberfläche 5 vorhandenen scharfen Kante 3 bereitgestellt. Unter einer scharfen Kante soll hierbei eine Kante zu verstehen sein, die im Kantenbereich im Wesentlichen keine Verrundung aufweist. Die Kante kann als keine Verrundung aufweisend angesehen werden, wenn der Krümmungsradius einer Verrundung <1 mm ist, insbesondere <0,1 mm. Außerdem können bei einer scharfen Kante die an die Kante angrenzenden Flächen insbesondere einen Winkel im Bereich von 0° bis 45° (konkave scharfe Kante) oder einen Winkel von 315° bis 360° (konvexe scharfe Kante) einschließen. Derartige scharfe Kanten können beispielsweise als Streulichtkanten in optischen Bauteilen zum Einsatz kommen oder fertigungsbedingt auftreten. Eine schematische Darstellung eines optischen Bauteils 1 mit der scharfen Kante 3, wie es in Schritt S1 des Verfahrens bereitgestellt wird, ist in Figur 2 gezeigt. In diesem optischen Bauteil ist die scharfe Kante eine konkave Kante.
Optische Bauteile, in denen Streulichtkanten zur Anwendung kommen, finden beispielsweise im Bereich der Datenbrillen Verwendung. Eine Datenbrille umfasst u.a. in der Regel ein Brillenglas, durch welches ein ursprünglich von einer Anzeigevorrichtung ausgehender Abbildungsstrahlengang unter mehrfacher Reflektion an den Brillenglasflächen zu einer Auskopplungsstruktur geleitet wird, von der es in Richtung auf das Auge eines Benutzers aus dem Brillenglas ausgekoppelt wird. Ein Beispiel für ein derartiges Brillenglas 100 ist in Figur 6 dargestellt. Das Brillenglas 100 kann wie in Fig. 6 gezeigt, einen Randverdickungsbereich 106 aufweisen, in dem die Dicke des Brillenglases 100 erhöht ist, um ein optimales Leiten des Abbildungsstrahlengangs zur Auskopplungsstruktur 104 zu erreichen. Das Einkoppeln des Abbildungsstrahlengangs 102 in das Brillenglas 100 erfolgt mit Hilfe eines Prismas 108, welches als Einkopplungsvorrichtung dient. Mittels des Prismas 108, das gelegentlich auch Tubus genannt wird, wird der vom Display (nicht dargestellt) ausgehende Abbildungsstrahlengang 102 unter einem derartigen Winkel in das Brillenglas 100 eingekoppelt, dass er unter mehrfacher Reflexion an der Außenfläche 101 und der Innenfläche 103 des Brillenglases 100 zur Auskopplungsstruktur 104 gelangen kann. Eine Streulichtkante kann hierbei im Brillenglas 100 oder im Prisma 108 vorhanden sein. Diese Streulichtkante dient dazu, zu verhindern, dass Streulicht zur Auskopplungsstruktur 104 gelangt, von wo es in Richtung auf das Auge des Benutzers ausgekoppelt würde. Das ausgekoppelte Streulicht würde dann zu unerwünschten Effekten in dem vom Benutzer wahrgenommenen Bild führen.
Im Schritt S2 erfolgt ein Aufbringen eines fließfähigen Films 7 auf die Oberfläche 5 des optischen Bauteils 1 . Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als fließfähiger Film ein Lack 7 aufgebracht. Der Lack 7 wird zumindest in demjenigen Bereich der Oberfläche 5 aufgebracht, in dem sich die konkave scharfe Kante 3 befindet. Dort bildet er einen konkaven Lackmeniskus 8 mit einem im Vergleich zum Krümmungsradius der scharfen Kante 3 großen Krümmungsradius aus. Das optische Bauteil 1 mit dem aufgebrachten Lack 7 ist in Fig. 3 dargestellt.
Als Lack kommt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Lack zur Anwendung, der beim Trocknen und/oder Aushärten auch dann keine Risse bildet, wenn die Lackschicht 7 Bereiche mit unterschiedlichen Dicken aufweist, wie dies in Fig. 3 der Fall ist. In Figur 3 ist zu erkennen, dass die Dicke der Lackschicht 7 im Bereich der scharfen Kante 3 durch die Ausbildung des Meniskus 8 deutlich größer als in den angrenzenden Bereichen der Oberfläche 5 ist. Risse im Lack können dadurch vermieden werden, dass der verwendete Lack einen möglichst geringen Schrumpf und/oder eine hohe Flexibilität aufweist, was wiederum insbesondere dadurch erreicht werden kann, dass der Lack einen hohen Feststoffgehalt aufweist. Von einem hohen Feststoffgehalt kann hierbei ausgegangen werden, wenn der Gewichtsanteil der Feststoffe mindestens 50 Gew.-%, insbesondere mindestens 70 Gew.-% beträgt. Falls als Lack ein Reaktivlack (mit oder ohne Lösungsmittel) Verwendung findet, sind Feststoffgehalte bis nahe 100 Gew.-% (mehr als 90 Gew.-%) möglich. Die Dicke des Lackes 7 und der Krümmungsradius des Lackmeniskus 8 im Bereich der scharfen Kante 3 werden unter anderem von der Viskosität des flüssigen Lackes, der Oberflächenspannung des flüssigen Lackes und der Grenzflächenspannung zwischen dem flüssigen Lack und dem Material, aus dem das optische Bauteil besteht, beeinflusst. Für die Auswahl eines geeigneten Lackes sind daher insbesondere die folgenden Parameter des Lackes von Bedeutung: Feststoffgehalt, Viskosität und Oberflächenspannung. Als weiterer Parameter, der für die Auswahl von Bedeutung ist, kommt die Grenzflächenspannung zwischen dem flüssigen Lack und dem Material, aus dem das optische Bauteil besteht, hinzu. Wenn die scharfkantige Struktur 3 bspw. eine Streulichtkante bildet, kann als Lack 7 insbesondere ein Absorptionslack Verwendung finden, welcher Streulicht absorbiert. In dem auf das Aufbringen des Lackes 7 folgenden Schritt S3 wird eine Trocknung des Lackes 7 herbeigeführt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das mit dem flüssigen Lack versehene optische Bauteil 1 solange bei Zimmertemperatur verweilt, bis der Lack durchgetrocknet ist. Alternativ kann eine Trocknung auch bei erhöhten Temperaturen stattfinden, um die Trocknung zu beschleunigen, bspw. indem das mit dem flüssigen Lack versehene optische Bauteil in einem Ofen erwärmt wird. Beim Trocknen des Lackes verflüchtigen sich die flüssigen Lackbestandteile, wobei sich die Feststoff partikel aufgrund des Kapillareffektes, der bei der Verflüchtigung der Flüssigkeitsmenge im Lack auftritt, aufeinander zubewegen. Die damit verbundene Verringerung des Lackvolumens kann zu Spannungszunahme und dadurch zu Rissen führen, wenn der Feststoffgehalt im Lack zu niedrig ist. Außerdem kann ein zu schnelles Trocknen ebenfalls zu Rissen führen. Das Trocknen erfolgt daher im vorliegenden Verfahren langsam genug, dass die Feststoff partikel während des Trocknens genügend Zeit haben, sich neu zu ordnen, ohne dabei Risse zu bilden.
Nachdem der Lack in Schritt S3 getrocknet worden ist, erfolgt in einem optionalen Schritt S4 ein Aushärten des Lackes, wobei eine Vernetzung von Polymerbestandteilen des Lackes erfolgt. Falls dieser optionale Schritt S4 ausgeführt wird, findet als Lack 7 daher ein aushärtbarer Lack, bspw. ein Lack auf Polymerbasis, Verwendung. Das Aushärten des Lackes kann durch Energiezufuhr von außen herbeigeführt werden, beispielsweise durch Wärme oder ultraviolette Strahlung. Hierzu kann das lackierte optische Bauteil 1 in einen Ofen eingebracht werden, oder mit UV-Licht bestrahlt werden. Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass das Trocknen und das Aushärten nicht notwendiger Weise nacheinander zu erfolgen braucht. Das Aushärten kann je nach verwendeten Lack auch simultan mit dem Trocknen erfolgen, insbesondere dann, wenn auch das Trocknen bei erhöhter Temperatur stattfindet. Außerdem gibt es auch polymerbasierte Lacke, die an Luft aushärten, so dass kein Einbringen von Energie in den Lack notwendig ist.
In dem auf das Trocknen und ggf. das Aushärten folgenden Schritt S5 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel als erste Schicht einer Beschichtung eine Primer-Schicht 9 auf den Lack 7 aufgebracht. Aufgrund des im Lack 7 über der scharfen Kante 3 ausgebildeten Meniskus 8 liegt im Bereich der scharfen Kante 3 für die Primer-Schicht 9 ein großer Krümmungsradius vor, welcher dazu führt, dass die Primer-Schicht 9 mit einer weitgehend gleichmäßigen Dicke auf die gesamte Lackschicht 7 aufgebracht werden kann. Da keine Dickenunterschiede in der Primer-Schicht 9 vorhanden sind, ist das Risiko einer Rissbildung beim Verfestigen der Primer-Schicht 9 stark reduziert. An das Material der Primer-Schicht 9 sind daher erheblich geringere Anforderungen im Hinblick auf die Vermeidung von Rissen beim Verfestigen der Schicht zu stellen, als an den Lack 7. Es können daher gängige Primer-Schichten Verwendung finden, die zu Rissbildung neigen würden, wenn in der Schicht Bereiche mit unterschiedlichen Schichtdicken vorhanden wären. Das optische Bauteil 1 mit der auf die Lackschicht 7 aufgebrachten Primer-Schicht 9 ist in Fig. 4 dargestellt.
Im letzten Schritt S6 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Primer-Schicht 9 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Hartschicht 1 1 aufgebracht. Auch hier gilt wieder, dass aufgrund des Meniskus 8 vorhandenen großen Krümmungsradius im Bereich der scharfen Kante 3 die Hartschicht 1 1 mit einer gleichmäßigen Dicke aufgebracht werden kann, so dass eine Rissbildung zuverlässig vermieden werden kann, selbst dann, wenn das verwendete Beschichtungsmatenal im Falle von Bereichen mit unterschiedlichen Schichtdicken zu Rissen neigen würde. Das fertig beschichtete optische Bauteil 1 ist in Fig. 5 dargestellt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die bisher verwendeten Primer- und Hartschichten bei einem Bauteil mit einer scharfen Kante auch im Bereich der scharfen Kante aufzubringen, ohne dass diese Schichten beim Verfestigen Risse ausbilden. Maßgeblich hierfür ist, dass zumindest im Bereich der scharfen Kante 3 unter der Beschichtung eine Film 7 aufgebracht wird, welche im Bereich der scharfen Kante 3 einen Meniskus 8 ausbildet und so den Krümmungsradius im Bereich der scharfen Kante 3 erhöht, so dass die eigentliche Beschichtung mit Schichten gleichmäßiger Dicke erfolgen kann.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels zu Erläuterungszwecken ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass das Ausführungsbeispiel nicht alle möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung abdeckt, sondern diese auch Abweichungen vom Ausführungsbeispiel umfassen kann. So beinhaltet die Beschichtung im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Primer-Schicht als Haftvermittlerschicht und eine darüber aufgebrachte Hartschicht. Die Beschichtung kann jedoch auch anders aufgebaut sein. Beispielsweise kann sie zusätzlich zur Hartschicht oder alternativ zur Hartschicht auch eine Antireflexschicht (AR-Schicht) aufweisen. Darüber hinaus kann auch die Primer-Schicht verzichtet werden, wenn die Haftungseigenschafften der Hartschicht oder der AR-Schicht auf dem Lack dies zulassen. Zudem kann statt eines Lackes auch ein Harz oder eine Dispersion als fließfähiger Film aufgebracht werden. Weitere mögliche Abweichungen vom konkreten Ausführungsbeispiel wurden bereits im Rahmen der einzelnen Verfahrensschritte beschreibe. Der Umfang der Erfindung soll daher nicht alleine auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt sein, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.
Bezuqszeichenliste
I optisches Bauteil
3 scharfe Kante
5 Oberfläche
7 Lack
8 Lackmeniskus
9 Primer-Schicht
I I Hartschicht 100 Brillenglas
101 Außenfläche
102 Abbildungsstrahlengang
103 Innenfläche
104 Auskopplungsstruktur
106 Verdickungsbereich
108 Prisma
51 Bereitstellen eines optischen Bauteils mit einer scharfen Kante
52 Aufbringen eines Lackes
S3 Trocknen des Lackes
54 Aushärten des Lackes
55 Aufbringen einer Primer-Schicht
56 Aufbringen einer Hartschicht

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Beschichten eines optischen Bauteils (1 ) mit einer scharfkantigen Struktur (3) dadurch gekennzeichnet, dass die scharfkantige Struktur (3) verrundet wird, indem ein fließfähiger Film (7), der einen Filmmeniskus (8) bildet, auf die scharfkantige Struktur (3) aufgebracht und anschließend verfestigt wird, wobei der Filmmeniskus (8) nach dem Verfestigen des fließfähigen Films (7) die Verrundung bildet, und nach der Verrundung eine Beschichtung (9, 1 1 ) auf das optische Bauteil (1 ) aufgebracht wird, wobei die Beschichtung zumindest auf den Filmmeniskus (8) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfestigen des fließfähigen Films (7) ein Trocknen des fließfähigen Films (7) und/oder ein Aushärten des fließfähigen Films (7) beinhaltet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der fließfähiger Film (7) durch einen Lack gebildet wird, der während der Filmbildung und des Verfestigens einen geringen Schrumpf und/oder eine hohe Flexibilität besitzt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Lack (7) ein optischer Absorptionslack aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Lack (7) ein Lack auf Polymerbasis Verwendung findet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der fließfähige Film (7) einen mittleren bis hohen Feststoffgehalt aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (9, 1 1 ) wenigstens eine Funktionsschicht (1 1 ) umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (9, 1 1 ) eine Primer-Schicht (9) umfasst, wobei die Primer- Schicht (9) zumindest im Bereich des Filmmeniskus (8) auf das optische Bauteil (1 ) aufgebracht wird aufgebracht wird und die wenigstens eine Funktionsschicht (1 1 ) auf die Primer-Schicht (9) aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (9, 1 1 ) eine Hartschicht (1 1 ) und/oder eine Antireflexschicht als die wenigstens eine Funktionsschicht umfasst.
10. Optisches Bauteil (1 ) mit
einer scharfkantigen Struktur (3);
einem über der scharfkantigen Struktur aufgebrachten Film (7) mit einem Filmmeniskus (8) im Bereich der scharfkantigen Struktur (3); und
- einer Beschichtung (9, 1 1 ), die zumindest auf dem Filmmeniskus
(8) vorhandenen ist.
1 1 . Optisches Bauteil (1 ) nach Anspruch 10, in dem die Beschichtung (9, 1 1 ) überall dort, wo sie auf dem Bauteil (1 ) vorhanden ist, eine gleichmäßige Dicke aufweist.
12. Optisches Bauteil (1 ) nach Anspruch 10 oder Anspruch 1 1 , in dem der fließfähige Film ein Lack (7) ist.
13. Optisches Bauteil (1 ) nach Anspruch 12, in dem der Lack (7) ein optischer Absorptionslack ist.
14. Optisches Bauteil (1 ) nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, in dem der Lack (7) ein Lack auf Polymerbasis ist.
15. Optisches Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, in dem die Beschichtung (9, 1 1 ) wenigstens eine Funktionsschicht (1 1 ) umfasst.
16. Optisches Bauteil (1 ) nach Anspruch 15 in dem unter der wenigstens einen Funktionsschicht (1 1 ) eine Primer-Schicht (9) vorhanden ist.
17. Optisches Bauteil (1 ) nach Anspruch 15 oder Anspruch 1 6, in dem die wenigstens eine Funktionsschicht eine Hartschicht (1 1 ) und/oder eine Antireflexschicht umfasst.
18. Optisches Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, in dem die scharfkantige Struktur (3) eine Streulichtkante ist.
19. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 18, welches als Brillenglas (100) oder als Einkopplungsvorrichtung (108) für eine Datenbrille ausgebildet ist.
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