DE102005010506A1 - Optical element e.g. fresnel lens has a carrier on which a light diffracting or light refracting optical structure is applied as an electrophotographic printed image - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Element mit einem Träger, auf dem eine lichtbeugende oder lichtbrechende optische Struktur als elektrofotografisches Druckbild aufgebracht ist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Elementes.The The invention relates to an optical element with a support a light-diffractive or refractive optical structure as Electrophotographic printed image is applied as well as a method for Production of such an optical element.
Aus dem Stand der Technik sind als optische Elemente Fresnellinsen bekannt. Deren Oberflächen sind nicht glatt, sondern sie weisen eine Ringstruktur mit unterschiedlicher Profilierung auf. Dadurch lassen sich Lichtstrahlen in einer Weise ablenken, für die ansonsten sehr dicke Linsen benötigt würden.Out Fresnel lenses are known as optical elements in the prior art. Their surfaces are not smooth, but they have a ring structure with different Profiling on. This allows light rays in a way distract for the otherwise very thick lenses needed would.
In jüngster Zeit stoßen Fresnellinsen in immer anspruchsvollere Anwendungsbereiche vor, etwa in der Optik, Optoelektronik, Medizintechnik, Unterhaltungselektronik, Verkehrssensorik und Materialbearbeitung, überall da, wo es darum geht, eine Strahlformung mit leichten und kompakten optischen Elementen zu erreichen. Die vielfältigen Möglichkeiten der Fesnellinsen spiegeln sich auch in den Abmessungen wider; die Durchmesser reichen von wenigen Millimetern wie zum Beispiel bei Intraokularlinsen, bis hin zu über einem Meter, wie im Falle von Großflächenbildschirmen. Die Abmessungen der Fresnelrillen selbst erstrecken sich über einen Bereich von ca. 10 μm bis hin zu mehreren Millimetern. Dies setzt allerdings voraus, dass Fresnellinsen als Massengut billig, aber mit hoher optischer Qualität hergstellt werden können.In recently, Time to come Fresnel lenses in increasingly demanding applications, such as in optics, optoelectronics, medical technology, consumer electronics, Traffic sensors and materials processing, wherever it is needed a beam forming with light and compact optical elements to reach. The diverse ones options The lenses are also reflected in the dimensions; the Diameters range from a few millimeters as for example Intraocular lenses, all the way over one meter, as in the case of large screens. The dimensions The Fresnel grooves themselves extend over a range of about 10 microns to to several millimeters. However, this requires that Fresnel lenses Bulk but cheap, but with high optical quality manufactures can be.
Der größte Teil der heute hergestellten Fresnellinsen sind Spritzgusslinsen oder heißgepresste Linsen aus Kunststoff oder Glas, für die eine Prägeform mit der entsprechenden Negativstruktur hergestellt werden muss. In Kunststoff kann in Spezialfällen ein Rillenabstand von 50μm erreicht werden.Of the biggest part the Fresnel lenses produced today are injection molded or hot-pressed lenses made of plastic or glass, for the one stamping mold must be made with the appropriate negative structure. In plastic can in special cases a groove spacing of 50μm be achieved.
An die dazu benötigten Abformwerkzeuge werden hohe Anforderungen gestellt, was optische Oberflächenqualität, Verschleißfestigkeit und Temperaturbeständigkeit betrifft.At the needed Impression molds are made high demands, which optical surface quality, wear resistance and temperature resistance concerns.
Eine optimale Verschleißfestigkeit ließe sich mit Formwerkzeugen aus gehärtetem Stahl erzielen – dieser ist dann aber nur noch mit Diamantwerkzeugen zu bearbeiten. In beiden Fällen fallen entweder durch den hohen Verschleiß oder durch die erschwerte Formherstellung hohe Werkzeugkosten an, die auf das zu fertigende optische Element umgelegt werden müssen. Geringe Losgrößen oder gar ein rapid prototyping lassen sich kaum kostengünstig realisieren.A optimum wear resistance could with molds of hardened Achieve steel - this But then you can only work with diamond tools. In both make fall either by the high wear or by the difficult Mold making high tooling costs that depend on the one being manufactured optical element must be transferred. Small lot sizes or even a rapid prototyping can hardly be realized cost-effectively.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zu schaffen, das auf einfache Weise als hochpräzise Optik fertigbar ist.It Object of the invention to provide an optical element, the in a simple way as high precision Optics is manufacturable.
Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Optik bereit zu stellen.It It is also an object of the invention to provide a process for producing a to provide such optics.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die optische Struktur unter Zuhilfenahme eines elektrofotografischen Druckverfahrens aufgedruckt wird.The The object of the invention is achieved in that the optical structure imprinted using an electrophotographic printing process becomes.
Die Erfindung benutzt das bekannte elektrofotografische Druckverfahren zur kostengünstigen Herstellung von hochpräzisen Optiken. Mit dieser Technologie kann auf einem Trägerwerkstoff eine zusätzliche optische Struktur mit hoher Strukturgenauigkeit aufgebracht werden. Das aufgebrachte Material – der Toner – ist ein Werkstoff, der die lichtbeugende oder die lichtbrechende Stuktur schafft. Im Falle der lichtbeugenden Struktur wird gezielt ein Strukturbild aufgebracht, das definierte Bereiche des lichtdurchlässigen Trägers lichtun- oder lichtteildurchlässig abdeckt. So lassen sich dann beispielsweise Lichtbeugungsgitter einfach erstellen. Im Falle der lichtbrechenden Struktur, beispielsweise diffraktiver oder Fresnelstruktur ist das aufgebrachte Material licht- oder lichtteildurchlässig. Auf diese Weise kann der Lichtweg in beziehungsweise an den Grenzflächen des Materiales gezielt beeinflusst werden. Da mit dem elektrofotografischen Druckverfahren sehr genaue Bilder erzeugt werden können, können auch die Strukturelemente der optischen Struktur mit hoher Genauigkeit zueinander angeodnet werden.The Invention uses the known electrophotographic printing process for cost-effective production of high precision Optics. With this technology can be on a carrier material an additional optical structure can be applied with high structural accuracy. The applied material - the Toner - is a material that the light-diffractive or refractive structure creates. In the case of the diffractive structure, a structural image is targeted applied, the defined areas of the translucent carrier lichtun- or partially transparent covers. So then, for example, light diffraction gratings just create. In the case of the refractive structure, for example diffractive or Fresnel structure is the applied material light- or partially transparent. In this way, the light path in or at the interfaces of the Materiales are specifically influenced. As with the electrophotographic Printing process very accurate images can be generated, can also Structural elements of the optical structure with high accuracy to each other be angeodnet.
Die optischen Elemente können in nahezu beliebigen Größen und Formen hergestellt werden. Das elektrofotografische Druckverfahren ermöglicht zum Einen eine reproduzierbare Fertigung mit hoher Reproduziergenauigkeit. Zum anderen können auch kleinste Losgrößen bis hin zu Eizelstücken ohne hohe Werkstückkosten kostengünstig gefertigt werden.The optical elements can in almost any size and Molds are made. The electrophotographic printing process allows for A reproducible production with high reproducibility. For another even the smallest batch sizes up towards egg pieces without high workpiece costs economical be made.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante kann es vorgesehen sein, dass die optische Struktur mehrere Strukturelemente aufweist, die mit einer Strukturgenauigkeit von 400 dpi bis 1200 dpi zueinander angeordnet sind. Unter Ausnutzung des elektrofotografischen Druckverfahrens können auf diese Weise laterale Auflösungen von bis zu 20 μm erzeugt werden.According to one preferred embodiment variant, it may be provided that the optical structure comprises a plurality of structural elements which coincide with a Structural accuracy of 400 dpi to 1200 dpi arranged to each other are. Taking advantage of the electrophotographic printing process can in this way lateral resolutions produced by up to 20 microns become.
Die optischen Eigenschaften des optischen Elementes lassen sich insbesondere dann optimieren, wenn vorgesehen ist, dass der Träger und die optische Struktur aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes bestehen.The optical properties of the optical element can be optimized in particular if it is provided that the carrier and the optical structure of materials with unterschiedli chen refractive indices exist.
Zur Herstellung von lichtbeugenden optischen Elementen kann es insbesondere vorgsehen sein, dass der Träger und die optische Struktur aus einem lichtdurchlässigen Material, insbesondere einem Glasmaterial, bestehen. Als Glasmaterial kann jeder bekannte Glaswerkstoff, insbesondere auch Glaskeramik, verarbeitet werden. Der Toner kann dann ein Keramikpulver mit glasigem Flussmaterial und Ladungssteuerungsstoffen sein. Das Glasmaterial hat eine geringe Lichtabsorption und damit verbunden eine verbesserte Strahlstabilität. Damit sind Laser- oder UV-Anwendungen möglich. Beispiels-weise kann es vorgesehen sein, dass die optische Struktur aus einem Material besteht, das eine UV-Transparenz im Bereich kleiner 280 nm und/oder eine Transparenz im infraroten Bereich der elektromagnetischen Strahlung größer 1000 nm aufweist. Der Träger und die aufgebrachte optische Struktur können zur Beeinflussung des Lichtleitweges dabei auch aus unterschiedlichen Glasmaterialien bestehen.to In particular, it is possible to produce light-diffractive optical elements vorgsehen be that the carrier and the optical structure of a translucent material, in particular a glass material. As a glass material, any known Glass material, in particular glass ceramic, are processed. The toner can then be a ceramic powder with glassy flow material and Charge control materials. The glass material has a low Light absorption and associated improved beam stability. In order to are laser or UV applications possible. For example, it may be provided that the optical structure Made of a material that has a UV transparency in the range smaller 280 nm and / or a transparency in the infrared region of the electromagnetic Radiation greater than 1000 nm. The carrier and the applied optical structure can be used to influence the Lichtleitweges also from different glass materials consist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es beispielsweise zur Herstellung optischer Linsen vorgesehen sein, dass das Material der optischen Struktur keine Absorption im sichtbaren Spektrum aufweist.According to one preferred embodiment of the invention, it may for example for Production of optical lenses be provided that the material of the optical structure has no absorption in the visible spectrum.
Denkbar ist es auch, dass das Material der optischen Struktur aus einem nanoskaligen Glasmaterial besteht oder ein solches aufweist. Eiin nanoskaliger Zuschlagstoff kann eingesetzt werden, um die mechanische Stabilität, insbesondere die Kratzfestigkeit, zu verbessern. Denkbar ist auch, durch einen nanoskaligen Zuschlagstoff die Lichtabsorption selektiv zu erhöhen, um damit eine zusätzliche Funktionalität, wie zum Beispiel eine Filterwirkung, zu erzielen. Die Verwendung von nanoskaligem Druckmaterial eröffnet aufgrund der damit verbundenen Kantenrauhigkeit die Möglichkeit, die derzeitige Auflösung des Druckprozesses deutlich zu verbessern.Conceivable It is also that the material of the optical structure of a nanoscale glass material or comprises such. Eiin nanoscale aggregate can be used to mechanical Stability, in particular the scratch resistance, to improve. It is also conceivable through a nanoscale aggregate the light absorption selectively to increase, order an extra functionality such as a filtering effect. The usage of nanoscale printing material opened due to the associated Edge roughness the possibility the current resolution of the Significantly improve the printing process.
Wenn vorgesehen ist, dass der Träger zumindest im Bereich der mit der optischen Struktur versehenen Seite eine gekrümmte, nichtplane Oberfläche aufweist, dann lässt sich die optische Eigenschaft des optischen Elementes auch durch die Oberflächengeometrie des Trägers zusätzlich beeinflussen.If it is provided that the carrier at least in the area provided with the optical structure side a curved, non-tarp surface has, then lets the optical property of the optical element also through the surface geometry of the carrier additionally influence.
Gemäß einer denkbaren Erfindungsvariante kann es vorgsehen sein, dass die optische Struktur zumindest teilweise aus zwei oder mehreren Schichten besteht. Beim Durchstrahlen des optischen Elementes entstehen so an den einzelnen Schichtgrenzen Gangunterschiede, wenn beispielsweise unterschiedliche Schichtmaterialen verwendet sind.According to one conceivable variant of the invention may be vorgsehen that the optical Structure at least partially consists of two or more layers. When irradiating the optical element arise so at the individual Shift boundaries path differences, if different, for example Layer materials are used.
Auf diese Weise lassen sich auch refraktiv modifizierte diffraktive, beispielsweise Fresnelloptiken, mit gradientförmigem Brechzahlverlauf einfach herstellen. Mit dem elektrofotogafische Druckprozess lassen sich für die einzelnen Schichten Dickengenauigkeiten derzeit bis zu 50 μm einhalten.On this way, refractive modified diffractive, For example Fresnelloptiken easy to produce with gradient-shaped refractive index course. With the electrophotographic printing process can be for the individual Layers thickness accuracies currently comply with up to 50 microns.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass der Träger und die optische Struktur eine Fresnellinse, ein Beugungsgitter oder ein Hologramm bildet.According to the invention it can be provided that the carrier and the optical structure is a Fresnel lens, a diffraction grating or forms a hologram.
Wird die Verfahrensführung so gewählt, dass zumindest ein Teil der optischen Struktur im Grautonverfahren erstellt wird, dann lassen sich die Kanten der aufgedruckten Strukturelemente verrunden.Becomes the procedure chosen so that at least a part of the optical structure in the gray-tone method is created, then let the edges of the printed structural elements Rounding.
Wenn zusätzlich vorgesehen ist, dass der Grauton mittels binären optischen Strukturen erzeugt wird, dann können in geeigneten Anwendungsfällen der üblicherweise mehrere Prozessschritte erfordernde Grautonprozess auf einige wenige und in Einzelfällen sogar auf einen einzigen Prozessschritt reduziert werden. Weniger Prozessschritte bedeuten in dieesm Zusammenhang eine Kosteneinsparung und Erhöhrung der Druckqualität.If additionally is provided that the gray tone is generated by means of binary optical structures, then can in appropriate applications usually several process steps requiring gray tone process to a few and in individual cases even be reduced to a single process step. Fewer In this context, process steps mean a cost saving and increase the print quality.
Um
eine Glättung
von Oberflächenunebenheiten
zu erreichen, kann es vorgesehen sein, dass die aufgedruckten Strukturelemente
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The Invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments.
Erfindungsgemäß lassen
sich als optische Elemente Fresnellinsen erzeugen, die den in
Die
optische Struktur besteht ebenfalls aus einem Glasmaterial. Denkbar
ist auch, dass für
den Träger
Die Einsatzgebiete für Fresnellinsen sind vielfältig. Zum Beispiel Lampen an Autos, Einstellscheiben in Spiegelreflexkameras, großflächige Bildschirme oder die Lupe im Heckfenster von Kombi-Autos, die das rückwärtige Einparken erleichtert – all diese Anwendungen machen sich die Wirkung von Ringlinsen zunutze. Für Beleuchtungsaufgaben und einfache Abbildungen können so auch sehr große Linsendurchmesser realisiert werden. Neben einer erheblichen Gewichtsreduktion ist eine deutliche Verkürzung der Baulänge optischer Systeme bei relativ großem Öffnungsverhältnis möglich.The Fields of application for Fresnel lenses are diverse. For example, lamps on cars, dials in SLR cameras, large screens or the magnifying glass in the rear window of estate cars, the rear parking relieved - all these Applications make use of the effect of ring lenses. For lighting tasks and simple pictures can so also very large lens diameter will be realized. In addition to a significant weight reduction is a significant reduction the length optical systems possible with a relatively large aperture ratio.
Strukturierte Beleuchtung und Strahlformung. Stufenlinsenscheinwerfer heißen auch Fresnellinsenscheinwerfer und erzeugen ein gerichtetes und weich gezeichnetes Licht. Damit eignet sich der Stufenlinsenscheinwerfer besonders als Frontlicht oder als Gegenlicht.Structured Lighting and beam shaping. Fresnel lenses are also called Fresnel lens spotlights, creating a directional and soft drawn light. This makes the Fresnel spotlight suitable especially as a front light or as a backlight.
Im Entwicklungsstadium befinden sich konzentrierende Systeme zur Solarstromerzeugung. Hier werden zum Beispiel Fesnellinsen genutzt, um das Sonnenlicht auf die Solarzellen zu bündeln. Dadurch ersetzt man das teure Halbleitermaterial durch eine konstengünstige Optik in Kombination mit einer kostengünstigen Mechanik. Vorteilhaft ist dabei, das man bei sehr hoher Konzentration und den dann sehr kleinflächigen Solarzellen (bis hinunter zu Leuchtdiodengröße) bessere, das heißt wirkungsvollere Materialien einsetzen kann, zum Beispiel Stapelzellen aus III-V-Halbleitern mit Zellwirkungsgraden über 30 %.in the Development stage are concentrating systems for solar power generation. Here For example, Feselellinsen be used to the sunlight to bundle the solar cells. This replaces the expensive semiconductor material with a low-cost optic in combination with a cost-effective mechanism. It is advantageous that you at very high concentration and the then very small area Solar cells (down to light-emitting diode size) better, that is more effective Materials, such as III-V semiconductor stacked cells with cell efficiencies over 30%.
Beugungsgitter, wie sie in Spektrometern der unterschiedlichsten Einsatzgebiete zur Anwendung kommen, werden bisher hauptsächlich über Gießtechnologien repliziert. Die Anforderungen der Spektroskopie an die optischen dispergierenden Systeme hinsichtlich Kleinheit, Lichtstärke und Streulichtarmut führen zwangsläufig zur Anwendung von konkaven Reflexionsgittern, mit aberrationskorrigierenden Eigschaften in einer optischen Freiraum-Anordnung. Diese Beugungsgitter zeichnen sich dadurch aus, dass neben der dispersiven Eigenschaft des Gitters eine abbildende und aberrationskorrigierende Funktion im Element enthalten sind. So benötigt ein kurzbrennweitiges, abbildungskorrigiertes Gitter mit einer spektralen Auflösung von 10 nm für den Spektralbereich von 850 nm–1300 nm eine Furchenzahl von weniger als 500 F/mm im Gitterscheitel.Diffraction grating, as in spectrometers of different fields of application have been replicated so far mainly via casting technologies. The Requirements of spectroscopy to the optical dispersive Systems in terms of small size, light intensity and stray light poverty inevitably lead to Application of concave reflection gratings, with aberration correcting Properties in a free-space optical arrangement. These diffraction gratings are characterized by the fact that in addition to the dispersive property of the grid is an imaging and aberration correcting function contained in the element. So requires a short focal length, Image-corrected grating with a spectral resolution of 10 nm for the spectral range from 850 nm to 1300 nm a number of grooves of less than 500 F / mm in the lattice vertex.
Denkbar ist auch die Erstellung leitfähiger Strukturen, die Mikrowellen beugen (Mikrowellen-Sammellinse).Conceivable is also the creation of conductive structures, the microwaves bend (microwave converging lens).
Computer generierte Hologramme. Der mathematische Zusammenhang zwischen dem Druckmuster auf dem Träger und dem durch Bestahlen erzeugten Bild ermöglicht es, für ein gewünschtes Bild die Druckstruktur zu berechnen und diese dann ohne Umwege direkt auf den Träger mittels des elektrofotografischen Druckverfahrns zu übertragen.computer generated holograms. The mathematical relationship between the Print pattern on the carrier and the image produced by painting allows for a desired Image to calculate the print structure and then directly without detours on the carrier to transmit by means of the electrophotographic Druckverfahrns.
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