DE10231141A1 - Device for directing light and method for producing the device - Google Patents

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Wolfgang Dipl.-Phys. Hoßfeld
Andreas Dr. Gombert
Volkmar Dipl.-Phys. Boerner
Peter Dr. Nitz
Christopher Dipl.-Phys. Bühler
Jörg Dipl.-Ing. Mick
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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusorwirkung mit wenigstens einer strukturierten Oberfläche, mit der ein Lichtstrahl in Wechselwirkung tritt und durch Reflexion oder Transmission aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung gezielt ablenkbar ist. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung beschrieben. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die strukturierte Oberfläche periodische Oberflächenstrukturanteile aufweist, dass die periodischen Oberflächenstrukturanteile von stochastischen Oberflächenstrukturanteilen überlagert sind und dass die periodischen und stochastischen Oberflächenstrukturanteile Strukturelemente und Strukturdimensionen aufweisen, die wenigstens der Wellenlänge des auf die strukturierte Oberfläche auftreffenden Lichtstrahls entsprechen.Described is a device for directing light with an optical diffuser effect with at least one structured surface, with which a light beam interacts and can be specifically deflected from its original direction of propagation by reflection or transmission. Furthermore, a method for producing such a device is described. DOLLAR A The invention is characterized in that the structured surface has periodic surface structure portions, that the periodic surface structure portions are overlaid by stochastic surface structure portions and that the periodic and stochastic surface structure portions have structural elements and structural dimensions that correspond at least to the wavelength of the light beam striking the structured surface ,

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusorwirkung mit wenigstens einer strukturierten Oberfläche, mit der ein Lichtstrahl in Wechselwirkung tritt und durch Reflexion oder Transmission aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung gezielt ablenkbar ist. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung angegeben.The invention relates to a Device for directing light with an optical diffuser effect at least one structured surface with which a light beam interacts and emerges through reflection or transmission its original Direction of propagation is specifically deflectable. It is also a procedure specified for the manufacture of the device.

Lichtlenkende Vorrichtungen der vorstehend genannten Gattung enthalten optische Diffusoren in Form von Streuflächen, an denen einfallendes Licht diffus gestreut wird.Light directing devices of the above mentioned genus contain optical diffusers in the form of scattered surfaces where the incident light is diffusely scattered.

Eine wesentliche Eigenschaft derartiger Streuflächen ist deren Streuprofil, das die winkelaufgelöste Streueffizienz bei senkrecht auf den Diffusor einfallender, kollimierter Lichtstrahlung beschreibt. In der Regel kann ein Diffusor durch zwei eindimensionale Streuprofile in horizontaler bzw. x-Richtung und vertikaler bzw. y-Richtung charakterisiert werden. Ein Diffusor, dessen x- und y-Streuprofil annähernd gleich sind, wird als symmetrischer Diffusor bezeichnet. Bei unterschiedlichen Streuprofilen für x- und y-Richtung handelt es sich um einen asymmetrischen oder auch anisotropen Diffusor. Selbstverständlich werden vor allem Licht-streuende Oberflächen als anisotrope Diffusoren verstanden, deren Streuprofile sich winkelselektiv, d.h. nicht nur bezüglich der x- und y-Achse voneinander unterscheiden.An essential property of such scatterers is their scattering profile, which is the angle-resolved scattering efficiency at vertical describes collimated light radiation incident on the diffuser. As a rule, a diffuser can be separated by two one-dimensional profiles characterized in the horizontal or x-direction and vertical or y-direction become. A diffuser, whose x and y scatter profile is approximately the same are referred to as a symmetrical diffuser. With different Scatter profiles for x and y direction is an asymmetrical or also anisotropic diffuser. Of course, especially light-scattering surfaces understood as anisotropic diffusers, whose scattering profiles are angle-selective, i.e. not just regarding the x and y axes.

Je nach beabsichtigten Einsatzzweck ist das Streuprofil des Diffusors entsprechend zu wählen, so dass sich für jede Anwendung aus den geometrischen Gegebenheiten und der beabsichtigten optischen Wirkung ein spezifischer Blickwinkelbereich ergibt, in den der Diffusor Lichtanteile streut. So ist bspw. bei großformatigen Projektionsbildschirmen, die für sich genommen Diffusorflächen darstellen, in der Regel ein asymmetrischer Blick- bzw. Streuwinkelbereich wünschenswert, bei dem der horizontale Blickwinkel größer als der vertikale Blickwinkel ausfallen sollte. Auch finden zunehmend Diffusorsysteme Anwendung als Elemente zur Tageslichtlenkung für die Innenraumbeleuchtung.Depending on the intended application the diffuser's diffusion profile should be selected accordingly so that for every application from the geometric conditions and the intended optical effect results in a specific viewing angle range, in which the diffuser scatters light. For example, with large format Projection screens that are for taken diffuser surfaces represent, usually an asymmetrical viewing or scattering angle range desirable, where the horizontal viewing angle is larger than the vertical viewing angle should fail. Diffuser systems are also increasingly being used as elements for daylight control for interior lighting.

Stand der TechnikState of the art

Von besonderem Interesse sind daher asymmetrische Diffusoren sowie deren Herstellungsverfahren.Are therefore of particular interest asymmetrical diffusers and their manufacturing processes.

In diesem Zusammenhang geht aus der US 5,365,354 ein Verfahren zur Herstellung asymmetrischer Diffusoren hervor, bei dem ein Lichtbündel durch einen Primärdiffusor geleitet, wobei anschließend ein lichtempfindliches Material belichtet wird. Innerhalb des lichtempfindlichen Material bildet sich durch die Belichtung ein Volumenhologramm aus, das bei erneuter Bestrahlung durch Rekonstruktion des aufgenommenen Primärdiffusors streuend wirkt. In einer weiteren Ausgestaltung dieses Verfahrens werden zwei diffuse Lichtbündel aus unterschiedlichen Richtungen eingestrahlt, um einen so genannten Multiplex-Diffusor herzustellen. Bei einem Multiplex-Diffusor ist das Diffusionsverhalten in verschiedenen Richtungen unterschiedlich, da unter einem bestimmten Einfallswinkel nur das Hologramm des einen und unter einem anderen Einfallswinkel nur das Hologramm des anderen Lichtbündels rekonstruiert wird. Eine derartige Technik ist nur durch Erstellung von Volumenhologrammen möglich und erfordert, dass die beiden Wellenfelder der beiden Lichtbündel bei der Belichtung nicht zueinander kohärent sind. Das Verfahren der US 5,365,354 führt jedoch in der Regel zu gaußförmigen oder nahezu gaußförmigen Streuprofilen, da die Form des Streuprofils des im Belichtungsaufbau benutzten Primärdiffusors dupliziert wird. Die mit diesem Verfahren erzielbare Streuwirkung ist daher nur bedingt anisotrop.In this context, the US 5,365,354 describes a method for producing asymmetrical diffusers, in which a light beam is passed through a primary diffuser, after which a light-sensitive material is exposed. Due to the exposure, a volume hologram is formed within the light-sensitive material, which has a scattering effect upon renewed irradiation by reconstruction of the primary diffuser. In a further embodiment of this method, two diffuse light beams are irradiated from different directions in order to produce a so-called multiplex diffuser. In a multiplex diffuser, the diffusion behavior differs in different directions, since only the hologram of one light beam is reconstructed at a certain angle of incidence and only the hologram of the other light beam is reconstructed at a different angle of incidence. Such a technique is only possible by creating volume holograms and requires that the two wave fields of the two light beams are not coherent with one another during exposure. The procedure of US 5,365,354 however, usually leads to Gaussian or almost Gaussian scattering profiles, since the shape of the scattering profile of the primary diffuser used in the exposure setup is duplicated. The scattering effect that can be achieved with this method is therefore only conditionally anisotropic.

Die US 3,708,217 beschreibt ebenfalls eine Technik zur Aufnahme eines Volumenhologrammes für die Herstellung von asymmetrischen Diffusoren. Bei diesem Verfahren wird auf einer lichtempfindlichen Schicht eine Referenzwelle mit einer Objektwelle überlagert, die durch einen Primärdiffusor transmittiert wurde, um ein Volumenhologramm herzustellen. Durch geeignete räumliche Anordnung des Primärdiffusors zur lichtempfindlichen Schicht lässt sich ein stark richtungsabhängiges Streuprofil erzeugen. Die Verwendung einer ebenen Referenzwelle führt jedoch dazu, dass die optische Transferfunktion des Volumenhologrammes einen stark periodischen Anteil aufweist, der zu unerwünschten Farbeffekten beim Einsatz dieses Diffusors führen kann. Weiterhin wird in dieser Druckschrift keine Lösung angeboten, mit der ein möglichst flaches Streuprofil realisiert werden könnte.The US 3,708,217 also describes a technique for recording a volume hologram for the manufacture of asymmetrical diffusers. In this method, a reference wave is superimposed on a light-sensitive layer with an object wave that has been transmitted through a primary diffuser in order to produce a volume hologram. With a suitable spatial arrangement of the primary diffuser in relation to the light-sensitive layer, a strongly direction-dependent scattering profile can be generated. However, the use of a flat reference wave means that the optical transfer function of the volume hologram has a strongly periodic portion, which can lead to undesired color effects when using this diffuser. Furthermore, this document does not offer a solution with which a scatter profile that is as flat as possible could be realized.

In D.J. Schertler et al., Applied Optics 38 No. 2, 1999, Seiten 291–303, ist eine Technik zur Erzeugung eines abgeflachten Streuprofils beschrieben, bei der eine Kombination eines eindimensionalen Phasenbeugungsgitters mit einem symmetrisch streuenden Diffusor eingesetzt wird. Diese beiden Komponenten können dabei entweder als Einzelkomponenten hintereinander angeordnet oder in Form der beiden Oberflächen eines transparenten Trägermaterials ausgebildet sein. Die Diffusoroberfläche wurde hierbei mit einer Ätztechnik, die Gitteroberfläche mit einer Photoresisttechnik erzeugt.In D.J. Schertler et al., Applied Optics 38 No. 2, 1999, pages 291-303, is a technique for Generation of a flattened scattering profile described in which one Combination of a one-dimensional phase diffraction grating with one symmetrical scattering diffuser is used. These two components can do it either arranged one behind the other or in Shape of the two surfaces of a transparent carrier material be trained. The diffuser surface was here with an etching technique, the grid surface generated with a photoresist technique.

Neben den vorstehend genannten Diffusorsysteme sind auch Mikrolinsen dazu geeignet Licht mit einer bestimmten Streucharakteristik durch entsprechende Brennweitenwahl und Einstellung bestimmter optischer Abbildungseigenschaften zu streuen. Mikrolinsen als Diffusoren sind beispielsweise beschrieben in dem Artikel von P.C.H. Poon et al., „Microlens array diffuser for incoherent illumination, 3rd EOS Topical Meeting on Microlens Arrays, National Physics Laboratory, Teddington (UK), Mai 1995, 89–91. Dabei finden Zylinderlinsen oder sogenannte Lentikulare sowie auch sphärische Linsen Anwendung. In beiden Fällen sind Farb- und Beugungs-Effekte und bei Displays Moire-Effekte von großem Nachteil.In addition to the diffuser systems mentioned above, microlenses are also suitable for this purpose. Light with a specific scattering characteristic through appropriate focal length selection and adjustment of certain optics scattering imaging properties. Microlenses as diffusers are described, for example, in the article by PCH Poon et al., “Microlens array diffuser for incoherent illumination, 3 rd EOS Topical Meeting on Microlens Arrays, National Physics Laboratory, Teddington (UK), May 1995, 89-91. Cylindrical lenses or so-called lenticulars as well as spherical lenses are used. In both cases, color and diffraction effects and moire effects in displays are of great disadvantage.

Auch ist ein Diffusor-System bestehend aus Lentikularen, d.h. einachsig astigmatisch gekrümmte Mikrolinsen, bspw. Zylinderlinsen, kombiniert mit einem Diffusor aus der Literatur bekannt. In dem Artikel von R. Bradley et. al., „Ultra-wide viewing angle rear projection television screen, IEEE Trans. Consum. Electron. CE-31, 185–193, 1985 ist ein Projektionssystem für die Rückwandprojektion, bspw. für Großbildschirmflächen beschrieben, das einen Volumendiffusor vorsieht, an dessen Lichtaustrittsfläche lamellenartig angeordnete Zylinderlinsen angeordnet sind.There is also a diffuser system from lenticulars, i.e. uniaxial astigmatic curved microlenses, For example, cylindrical lenses combined with a diffuser from the literature known. In the article by R. Bradley et. al., "Ultra-wide viewing angle rear projection television screen, IEEE Trans. Consum. Electron. CE-31, 185-193, 1985 is a projection system for the rear wall projection, e.g. for Large screen areas described, which provides a volume diffuser, lamellar at the light exit surface arranged cylindrical lenses are arranged.

Desweiteren lassen sich weitere Druckschriften nennen, bspw. WO 00/11498, DE 28 56 542 C2 , in denen optische Elemente mit lichtstreuenden Eigenschaften beschrieben sind, die eine Kombination aus makro-optischen Elementen, wie bspw. Mikrolinsen, die in einer periodischen Abfolge angeordnet sind, und eine diffus Licht-streuende Oberfläche aufweisen. Auch in den vorstehend genannten beiden Fällen sind die Mikrolinsenanordnung und die streuende Oberfläche als zwei getrennte, optisch wirksame Elemente oder auf getrennten Oberflächen eines optischen Elementes ausgebildet, die in gemeinsamer optischer Überlagerung eine anisotrope optische Streuwirkung erzielen.Furthermore, other publications can be mentioned, for example WO 00/11498, DE 28 56 542 C2 , which describe optical elements with light-scattering properties, which have a combination of macro-optical elements, such as, for example, microlenses, which are arranged in a periodic sequence and have a diffuse light-scattering surface. In the aforementioned two cases, too, the microlens arrangement and the scattering surface are designed as two separate, optically active elements or on separate surfaces of an optical element, which achieve an anisotropic optical scattering effect in common optical superimposition.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Ausgehend von dem vorstehend zitierten Stand der Technik besteht die Aufgabe eine Vorrichtung zur gezielten Lichtlenkung mit optischer Diffusor-Wirkung anzugeben, die über einen vergleichsweise einfachen optischen Aufbau verfügt. Die in ihrer optischen Streuwirkung gezielt einstellbare Vorrichtung zur Lichtlenkung soll insbesondere beugungsbedingte Farbeffekte auf ein Minimum reduzieren, trotz einer angestrebten räumlichen Minimierung der für die gezielte Lichtlenkung verantwortlichen optischen Strukturen. Ferner soll die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zur Lichtlenkung kostengünstig in der Herstellung sein, wodurch eine hohe Produktattraktivität erzielt werden soll. Auch gilt es in diesem Zusammenhang ein möglichst preisgünstiges und ökonomisches Verfahren zur Herstellung einer diesbezüglichen Vorrichtung anzugeben.Based on the above The prior art has the task of a device for targeted Specify light control with an optical diffuser effect that over a comparatively simple optical structure. The in their optical Scattering effect selectively adjustable device for directing light especially to minimize diffraction-related color effects, despite a desired spatial Minimizing the for the targeted light control responsible optical structures. Furthermore, the designed according to the invention Device for directing light to be inexpensive to manufacture, whereby a high product attractiveness should be achieved. Also In this context, it is important to use the cheapest possible and economical Specify a method for manufacturing a related device.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 8 sowie 15 sind erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusor-Wirkung. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The solution of the basis of the invention Task is specified in claim 1. Subject of claim 8 and 15 are methods according to the invention for producing a device for directing light with an optical Diffuser effect. Advantageously further developing the inventive idea Features are the subject of the subclaims and the description with reference to the embodiments refer to.

Erfindungsgemäß zeichnet eine Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusor-Wirkung mit wenigstens einer strukturierten Oberfläche, mit der ein Lichtstrahl in Wechselwirkung tritt und durch Reflexion oder Transmission aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung gezielt ablenkbar ist, dadurch aus, dass die strukturierte Oberfläche periodische Oberflächenstrukturanteile aufweist. Zudem sind die periodischen Oberflächenstrukturanteile von stochastischen Oberflächenstrukturanteilen überlagert, wobei die periodischen und stochastischen Oberflächenstrukturanteile Strukturelemente mit Strukturdimensionen vorsehen, die wenigstens der Wellenlänge des auf die strukturierte Oberfläche auftreffenden Lichtstrahls entsprechen.According to the invention, a device draws for directing light with an optical diffuser effect with at least a structured surface, with which a light beam interacts and by reflection or Transmission from its original Direction of propagation can be specifically deflected, in that the structured surface periodic surface structure shares having. In addition, the periodic surface structure components are stochastic Superimposed surface structure, wherein the periodic and stochastic surface structure parts structural elements provide with structural dimensions that are at least the wavelength of the on the structured surface correspond to the incident light beam.

Im Unterschied zu den bisher bekannten, gattungsgemäßen Lichtlenkvorrichtungen, wie eingangs beschrieben, die zur gezielten anisotropen Lichtstreuung wenigstens zwei optisch wirksame Grenzflächen, die räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, vorsehen, zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung nur durch eine einzige optisch wirksame Grenzfläche aus, deren Oberfläche periodische Oberflächenstrukturanteile aufweist, die von stochastischen Oberflächenstrukturanteilen überlagert sind.In contrast to the previously known, generic light control devices, as described above, for targeted anisotropic light scattering at least two optically effective interfaces that are spatially separated from one another are arranged, provide, the device according to the invention only stands out by a single optically effective interface, the surface of which is periodic Surface structure shares has, which is overlaid by stochastic surface structure components are.

Um eine wirksame Lichtlenkung für Lichtstrahlen aus dem sichtbaren Wellenlängenspektrum an der einzigen optisch wirksamen Grenzfläche zu ermöglichen, ist es erforderlich, die die Lichtstrahlen brechenden und/oder beugenden Strukturelemente, gleichgültig ob sie der Gruppe der periodischen oder stochastischen Oberflächenstrukturanteilen zuzurechnen sind, größer zu dimensionieren als die Wellenlänge des durch die Strukturelemente lenkenden Lichtes. Im einzelnen bedeutet dies, dass die Strukturen zur effektiven Lichtlenkung von sichtbaren Licht, vorzugsweise Strukturelemente größer 1 μm aufweisen sollten.Effective light control for light rays from the visible wavelength spectrum at the only optically effective interface, it is necessary the structural elements refracting and / or diffracting, indifferent whether they belong to the group of periodic or stochastic surface structure are to be assigned larger dimensions than the wavelength of the light guiding through the structural elements. Specifically means this is that the structures for effective light control from visible Light, preferably structural elements larger than 1 μm should have.

Zur richtungsselektiven Lichtlenkung dienen die in periodischer räumlicher Abfolge angeordneten Strukturelemente, die vorzugsweise in Form prismatischer Formkörper, arrayförmig angeordneter Linsenelemente oder durch Ausbildung eines optischen Oberflächengitters auszubilden sind. Je nach räumlicher Ausbildung und Beschaffenheit der periodisch sich wiederholenden Strukturelemente sowie deren Positionierung relativ zu den auf die Oberfläche auftreffenden Lichtstrahlen, werden die Lichtstrahlen im Wege der Lichtbrechung und/oder -beugung in gezielt vorgebbare Raumbereiche ab- bzw. umgelenkt.For directionally selective light control serve the in periodic spatial Sequence arranged structural elements, preferably in the form prismatic molded body, array-like arranged lens elements or by forming an optical surface grid are to be trained. Depending on the spatial Training and nature of the periodically repeating Structural elements and their positioning relative to those on the surface incident light rays, the light rays are in the way of Light refraction and / or diffraction in specific, predeterminable room areas deflected or redirected.

Um die durch die periodischen Oberflächenstrukturanteile hervorgerufenen beugungs- oder dispersionsbedingten Farbeffekte zu minimieren bzw. vollständig zu unterdrücken, sind die in periodischer Abfolge angeordneten Strukturelemente, die die periodischen Oberflächenstrukturanteile darstellen, zusätzlich mit stochastischen Strukturelementen überlagert, wodurch die strenge Periodizität aufgebrochen wird. Durch die zusätzlichen, stochastisch auf der Oberfläche verteilten Strukturelemente werden die beugungsbedingten sowie auch brechungs- bzw. dispersionsbedingten Farbeffekte aufgrund der den stochastisch verteilten Strukturelementen innewohnende Streuwirkung bis zu einem visuell nicht mehr wahrnehmbaren Maße gestreut.In order to minimize or completely suppress the diffraction or dispersion-related color effects caused by the periodic surface structure components, they are in a periodic sequence ordered structural elements, which represent the periodic surface structure components, additionally overlaid with stochastic structural elements, whereby the strict periodicity is broken up. Due to the additional structural elements distributed stochastically on the surface, the diffraction-related as well as refraction or dispersion-related color effects are scattered to an extent that is no longer visually perceptible due to the scattering effect inherent in the stochastically distributed structural elements.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung liegt in der Ausbildung nur einer einzigen optisch-funktionalen Oberflächenstruktur, die über zwei kombinierte optische Funktionen verfügt, nämlich über eine präzise Lichtlenkung sowie eine diffuse Lichtstreuung.The particular advantage of those designed according to the invention Device lies in the formation of only a single optically functional Surface structure, the above has two combined optical functions, namely precise light control and one diffuse light scattering.

Die im Anspruch 1 gewählte Formulierung, nach der ein Lichtstrahl mit der strukturierten Oberfläche in Wechselwirkung tritt und durch Reflexion oder Transmission aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung gezielt ablenkbar ist, soll neben der klassischen Beleuchtungssituation, bei ein Lichtstrahl auf die Oberfläche auftrifft auch jenen Fall umfassen, in dem ein zumindest teilweise optisch transparentes Flächenelement eine erfindungsgemäß ausgebildete optisch-funktionale Oberflächenstruktur aufweist, die einer Lichtquelle abgewandt angeordnet ist, so dass die von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen das Flächenelement sozusagen rückwärtig durchstrahlen, um innerhalb des Flächenelementes auf die erfindungsgemäß umlenkende Oberflächenstruktur zu treffen, an der die Lichtstrahlen in der gewünschten Weise abgelenkt werden.The wording chosen in claim 1, after which a light beam interacts with the structured surface occurs and by reflection or transmission from its original Direction of propagation that can be deflected in a targeted manner should, in addition to the classic Lighting situation in which a light beam strikes the surface also include that case in which an at least partially optical transparent surface element a trained according to the invention optically-functional surface structure has, which is arranged facing away from a light source, so that the light rays emitted by the light source make up the surface element so to speak shine backwards, to within the surface element on the surface structure deflecting according to the invention to meet where the light rays are deflected in the desired manner.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedarf es daher lediglich einer Oberflächenbehandlung an nur einer einzigen Oberfläche, wodurch der damit verbundene verfahrenstechnische Aufwand sowie die damit einhergehenden Herstellungskosten erheblich reduziert werden können.To manufacture the device according to the invention therefore only one surface treatment is required single surface, whereby the associated procedural effort as well the associated manufacturing costs are significantly reduced can be.

Gleichgültig, ob es sich bei der Vorrichtung um ein lichttransparentes optisches Flächenelement oder um ein Flächenelement mit einer reflektierenden Oberfläche handelt, ist es möglich, die der erfindungsgemäß ausgebildeten optisch-funktionalen Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Flächenelementes für eine andere, Funktion zu nutzen. Auch im Lichte der Bedien- und Wartungsfreundlichkeit weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Vorteile gegenüber bekannten, gattungsgemäßen Vorrichtungen auf. So können Justagearbeiten einfacher durchgeführt werden, als in Fällen, in denen zwei unabhängige Oberflächen relativ zueinander positioniert werden müssen. Auch reduziert sich der Wartungsaufwand beträchtlich gegenüber bekannten Vorrichtungen, zumal lediglich eine einzige Oberfläche bspw. aufgrund möglicher Verschmutzungen gereinigt werden muss.No matter whether the device a light-transparent optical surface element or a surface element with a reflective surface it is possible that of the trained according to the invention optically functional surface opposing surface of the surface element for another, Function. Also in the light of ease of use and maintenance shows the device according to the invention Advantages over known generic devices on. So can Adjustment work can be carried out more easily than in cases in which two independent surfaces must be positioned relative to each other. The is also reduced Maintenance work considerably across from known devices, especially since only a single surface, for example. due to possible Soiling must be cleaned.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedient man sich den Mitteln der holographischen Belichtung einer auf einem Substrat aufgebrachten Schicht aus photoempfindlichem Material, die nach entsprechenden Belichtungsprozessen entwickelt wird. Ein besonderer Aspekt kommt beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren der Eigenschaft der hohen Replizierbarkeit zu, mit der die Oberflächenstrukturierung durchgeführt werden kann.To manufacture the device according to the invention one uses the means of holographic exposure one on a substrate layer of photosensitive Material developed after appropriate exposure processes becomes. A special aspect comes with the manufacturing method according to the invention the property of high replicability with which the surface structuring carried out can be.

Die erfindungsgemäß ausgebildete optisch-funktionale Oberflächenstruktur lässt sich grundsätzlich mit zwei unterschiedlichen Belichtungsverfahren herstellen.The optically functional designed according to the invention surface structure let yourself basically with produce two different exposure methods.

In einer ersten Herstellungsalternative wird die Schicht aus photoempfindlichem Material in wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten derart belichtet, dass in wenigstens einem Belichtungsschritt, vorzugsweise einem ersten Belichtungsschritt, ein periodisches Belichtungsmuster zur Ausbildung der periodischen Oberflächenstrukturanteile erhalten wird. Anschließend wird in wenigstens einem weiteren Belichtungsschritt ein stochastisches Belichtungsmuster zur Ausbildung der stochastischen Oberflächenstrukturanteile erhalten.In a first manufacturing alternative the layer of photosensitive material becomes at least two successive exposure steps so exposed that in at least one exposure step, preferably a first Exposure step, a periodic exposure pattern for training the periodic surface structure proportions is obtained. Subsequently becomes a stochastic in at least one further exposure step Exposure pattern for the formation of the stochastic surface structure components receive.

Durch die kombinierte Anwendung beider Belichtungsschritte auf ein und derselben Schicht aus photoempfindlichem Material wird die erfindungsgemäße optisch-funktionale Oberflächenstruktur erhalten, die sowohl periodische als auch stochastische Oberflächenstrukturanteile aufweist.By combining both Exposure steps on one and the same layer of photosensitive The optical-functional surface structure according to the invention becomes material get both periodic and stochastic surface structure fractions having.

Alternativ zu dem vorstehend beschriebenen Verfahren, das wenigstens zwei Belichtungsschritte vorsieht, von denen einer periodische und der andere stochastische Oberflächenstrukturanteile zu erzeugen in der Lage ist, sieht eine zweite Verfahrensvariante die holographische Belichtung der auf einem Substrat aufgebrachten Schicht aus photoempfindlichem Material mit nur einem einzigen Belichtungsschritt vor, durch den annäherungsweise das gleiche Belichtungsergebnis erhalten wird, wie im vorstehend geschilderten Fall. Hierbei wird die Schicht aus photoempfindlichem Material durch Überlagerung eines kohärenten Wellenfeldes, das aus einem kontinuierlichen Einfallswinkelspektrum auf die Schicht auftrifft, mit wenigstens einer Welle, die aus einer diskreten Raumrichtung auf die Schicht auftrifft, belichtet.Alternatively to that described above Method that provides at least two exposure steps from that one periodic and the other stochastic surface structure parts is able to generate sees a second process variant the holographic exposure of those applied to a substrate Layer of photosensitive material with only a single exposure step before, by the approximate the same exposure result is obtained as in the above described case. The layer is made of photosensitive Material by overlay of a coherent Wave field, which consists of a continuous angle of incidence spectrum strikes the layer, with at least one wave, which consists of a discrete spatial direction strikes the layer, exposed.

Auch ist es möglich, die zweitgenannte Verfahrensalternative mit der erstgenannten Verfahrensalternative derart zu kombinieren, dass die zweite Verfahrensalternative den ersten Belichtungsschritt zum Erhalt der periodischen Oberflächenstrukturanteile innerhalb der ersten Verfahrensalternative ersetzt. So kann in einer bevorzugten Form das mit der zweiten Verfahrensalternative erhaltene Belichtungsergebnis in einem weiteren Belichtungsschritt, der zur Herstellung stochastischer Oberflächenstrukturanteile durchgeführt wird, kombiniert werden.It is also possible to use the second alternative to combine with the former method alternative in such a way that the second process alternative is the first exposure step to maintain the periodic surface structure within the first alternative process. So in a preferred Form the exposure result obtained with the second method alternative in a further exposure step, which is used to produce stochastic Surface structure shares carried out will be combined.

Weitere Details über verfahrenstechnische Maßnahmen zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Belichtungsschritte sind im weiteren den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.Further details on procedural measures to carry out the exposure steps described above are below the embodiments refer to.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is hereinafter without restriction the general inventive concept based on exemplary embodiments described by way of example with reference to the drawing. It demonstrate:

1a,b Rasterelektronenmikrosopaufnahme einer erfindungsgemäß ausgebildeten optisch-funktionalen Oberflächenstruktur, 1a, b Scanning electron microscope image of an optically functional surface structure designed according to the invention,

2a,b Rasterelektronenmikroskopaufnahmen von periodisch ausgebildeten Oberflächenstrukturanteilen, 2a, b Scanning electron microscope images of periodically formed parts of the surface structure,

3 Ortsfrequenzspektrum von stochastischen und periodischen Oberflächenstrukturanteilen, 3 Spatial frequency spectrum of stochastic and periodic surface structure components,

4 Ortsfrequenzdarstellung von stochastisierten periodischen Oberflächenstrukturanteilen und 4 Spatial frequency representation of stochastized periodic surface structure components and

5a–d Sequenzbilddarstellungen zur Herstellung einer optisch-aktiven Oberflächenstruktur. 5a-d Sequence image representations for the production of an optically active surface structure.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to Execute the Invention, industrial applicability

Zum Erhalt der gewünschten optischen anisotropen Streueigenschaften an einer optisch-funktionalen Oberflächenstruktur, an der vorzugsweise sichtbares Licht in gezielte Raumbereiche gestreut bzw. gelenkt werden soll, ist erfindungsgemäß eine strukturierte Oberfläche vorgesehen, die Teil eines optischen Elementes ist. Die optisch funktionale Oberflächenstruktur kann entweder in die Oberfläche eines optisch transparenten Elementes eingebracht oder als Schicht aufgebracht sein oder aber mit einer die Oberflächenstruktur konturerhaltenden optisch funktionalen, bspw. reflektierenden, Schicht überzogen sein.To get the one you want optical anisotropic scattering properties on an optically functional surface structure, where preferably visible light is scattered into targeted areas a structured surface is provided according to the invention, which is part of an optical element. The optically functional surface structure can either surface an optically transparent element or as a layer be applied or with a contour preserving the surface structure optically functional, for example reflective, coated layer his.

Falls das optische Element als Oberflächenstruktur gemäß der nachfolgenden beschriebenen Eigenschaften ausgebildet ist, besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die einmal hergestellte Struktur durch formgebende Replikationsverfahren in nahezu beliebig großen Flächen kostengünstig zu vervielfältigen. Das beschriebene Verfahren beschreibt also vorteilhafterweise nicht nur die Herstellung einer Vorrichtung zur Lichtlenkung selbst, sondern die Strukturgeneration in einer lichtempfindlichen Schicht. Nach Entwicklung dieser Schicht kann die Struktur z.B. durch galvanische Verfahren auf einen oder mehrere Präge- oder allgemeiner Formstempel (Walzen, Rollen, ...) übertragen werden.If the optical element as a surface structure according to the following described properties is formed, there is the advantageous Possibility, the structure once created by means of shaping replication processes in almost any size surfaces economical to reproduce. The method described therefore advantageously does not describe only the manufacture of a device for directing light itself, but the structure generation in a light-sensitive layer. To Development of this layer can e.g. through galvanic Process on one or more embossing or general form stamps (Rolling, rolling, ...) transferred become.

Das große wirtschaftlich-gewerbliche Potenzial von optisch-funktionalen Oberflächenstrukturen liegt unter anderem darin, dass sie sich in vergleichsweise einfacher Weise und potenziell zu geringen Kosten in anderen Werkstoffen, z.B. als Folie oder Platte in einem transparenten Kunststoff, replizieren lassen, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusorwirkung dann letztlich hergestellt wird.The big economical-commercial The potential of optically functional surface structures lies below other in that they are comparatively simple and potentially at low cost in other materials, e.g. as Replicate foil or plate in a transparent plastic let, whereby the device for directing light is then ultimately produced with an optical diffuser effect.

In den 1a und b sind Rasterelektronenmikroskopaufnahmen einer diesbezüglich erfindungsgemäß strukturierten Oberfläche in unterschiedlichen Auflösungsmaßstäben dargestellt. 1a sieht eine Massstabsskalierung von 50 μm vor, repräsentiert durch die gesamte abgebildete Massstabsskala, 1b sieht entsprechend einen Massstab von 20 μm vor. Aus beiden Rasterelektronenmikroskopaufnahmen ist eine Abfolge parallel zueinander verlaufender Wellenzüge zu entnehmen, die den periodischen Oberflächenstrukturanteilen entsprechen. Den periodischen Oberflächenstrukturanteilen sind stochastische Oberflächenstrukturanteile überlagert, durch die die an sich nahezu perfekt linear zueinander verlaufenden Wellenzüge stochastischen, geometrischen Verformungen unterworfen sind.In the 1a and b Scanning electron microscope images of a surface structured according to the invention in this regard are shown in different resolution scales. 1a provides for a scale scaling of 50 μm, represented by the entire scale scale shown, 1b accordingly provides a scale of 20 μm. A sequence of wave trains running parallel to one another can be taken from both scanning electron microscope images, which correspond to the periodic proportions of the surface structure. Stochastic surface structure portions are superimposed on the periodic surface structure portions, by means of which the wave trains, which are almost perfectly linear to one another, are subjected to stochastic, geometric deformations.

Um einen qualitativen Eindruck über das tatsächliche Ausmaß der den periodischen Oberflächenstrukturanteilen überlagerten stochastischen Oberflächenstrukturanteilen zu erhalten, sind in den 2a und 2b Rasterelektronenmikroskopaufnahmen von reinen periodischen Oberflächenstrukturanteilen dargestellt. So zeigt 2a eine schräge Draufsicht auf technisch herstellbare periodisch angeordnete prismatische Formkörper mit eben ausgebildeten Seitenflanken und spitzkantigen Rippenzügen. In 2b ist eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles für eine periodisch ausgebildete Oberflächenstruktur dargestellt, die im Querschnitt wogenförmig ausgebildete, in strenger periodischer Abfolge aneinander angeordnete Strukturelemente vorsieht.In order to obtain a qualitative impression of the actual extent of the stochastic surface structure portions superimposed on the periodic surface structure portions, in the 2a and 2 B Scanning electron microscope images of pure periodic surface structure parts are shown. So shows 2a an oblique top view of technically producible periodically arranged prismatic molded bodies with flat side flanks and pointed ribs. In 2 B a front view of a further exemplary embodiment of a periodically formed surface structure is shown, which provides structural elements which are of a wavy cross section and are arranged in strict periodic succession.

Die Rasterelektronenmikroskopaufnahmen gemäß der 2a und b machen deutlich, in welch exakter Weise die Herstellung periodischer Oberflächenstrukturanteile möglich ist. Vergleicht man nun die periodischen Oberflächenstrukturanteile gemäß der 2a und b mit der optisch-funktionalen Oberflächenstruktur gemäß der Bilddarstellungen in den 1a und b, so wird deutlich, welch formverändernder Beitrag von der zusätzlichen Überlagerung der periodischen Oberflächenstruktur durch die stochastischen Oberflächenstrukturanteilen herrührt.The scanning electron microscope images according to the 2a and b make it clear how precisely it is possible to produce periodic parts of the surface structure. If you now compare the periodic surface structure proportions according to the 2a and b with the optically functional surface structure according to the image depictions in the 1a and b , it becomes clear what shape-changing contribution comes from the additional superimposition of the periodic surface structure by the stochastic surface structure components.

An dieser Stelle sei nur der guten Ordnung halber darauf hingewiesen, dass das in 1a auf der optisch-aktiven Oberflächenstruktur aufliegende Partikel eine Art Staubpartikel darstellt, das nichts mit der erfindungsgemäßen Idee zu tun hat.At this point it should only be pointed out for the sake of good order that the in 1a particles lying on the optically active surface structure represent a kind of dust particle that has nothing to do with the idea of the invention.

Bei genauerer Betrachtung der parallel zueinander verlaufenden Wellenzüge gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1b ist festzustellen, dass der Querschnitt jeder einzelnen Welle nicht symmetrisch ausgebildet ist, d.h. die Wellenflanken pro Welle weisen unterschiedliche Längen und Neigungen auf.On closer inspection of the wave trains running parallel to one another according to the embodiment of FIG 1b it should be noted that the cross section of each individual shaft is not symmetrical, ie the shaft flanks per shaft have different lengths and inclinations.

Gleichsam den in den 1a und 1b dargestellten Wellenzügen können die periodisch sich wiederholenden Strukturelemente auch als gerade Prismenzüge ausgebildet sein, wie sie der 2a entnehmbar sind. Alternativ können die Prismenzüge auch über geschwungen verlaufende Prismenkantenzüge verfügen und über gekrümmt geformte Seitenflanken verfügen.As it were in the 1a and 1b shown wave trains, the periodically repeating structural elements can also be formed as straight prism trains, as the 2a are removable. Alternatively, the prism cables can also have curved prism edge cables and have curved side flanks.

Um das Verhältnis zwischen periodischen und stochastischen Oberflächenstrukturanteilen quantifizieren zu können, werden die auf der Oberfläche vorhandenen Strukturelemente, die die periodischen sowie stochastischen Oberflächenstrukturanteile ergeben, im Ortsfrequenzspektrum betrachtet. In diesem Zusammenhang wird auf 3 verwiesen, die eine Diagrammdarstellung zeigt, längs deren Ordinate Werte einer normierten Amplitude, die als Maß für die Häufigkeit von Strukturelementen mit gleicher Form und Größe anzusehen sind, und längs deren Abszisse die Ortsfrequenzen in Einheiten 1/m aufgetragen sind. Geht man von streng periodischen Oberflächenstrukturanteilen aus, so besteht das Ortsfrequenzspektrum lediglich aus einzelnen Peaks 1, wie sie unter Bezugnahme auf 3 bei den Ortsfrequenzen von 400.000, 800.000, 1,2 Millionen und 1,6 Millionen 1/m zu beobachten sind.In order to be able to quantify the relationship between periodic and stochastic surface structure components, the structural elements present on the surface, which result in the periodic and stochastic surface structure components, are considered in the spatial frequency spectrum. In this regard, is on 3 referenced, which shows a diagram along the ordinate values of a normalized amplitude, which are to be regarded as a measure of the frequency of structural elements with the same shape and size, and along the abscissa the spatial frequencies are plotted in units 1 / m. If one assumes strictly periodic parts of the surface structure, the spatial frequency spectrum consists only of individual peaks 1 as referring to 3 can be observed at the spatial frequencies of 400,000, 800,000, 1.2 million and 1.6 million 1 / m.

Im Beispiel sei angenommen, dass die periodischen Strukturelemente eine Periode von 2,5 μm aufweisen. Da in den Spektren Ortsfrequenzen größer als 1 Million 1/m nur durch kleine Amplituden repräsentiert sind weisen die durch die Spektren beschriebenen Strukturen keine wesentlichen Strukturelemente kleiner als 1 μm auf.In the example it is assumed that the periodic structural elements have a period of 2.5 μm. Because in the spectra spatial frequencies greater than 1 million 1 / m only through small amplitudes are represented the structures described by the spectra have no significant Structural elements smaller than 1 μm on.

Würde bspw. eine Oberflächenstruktur ausschließlich streng periodische Strukturanteile enthalten, die zudem auf einer unendlich ausgedehnten Fläche angeordnet wären, so würde das entsprechende Ortsfrequenzspektrum ausschließlich δ-Peaks aufweisen. Von periodischen Oberflächenstrukturanteilen kann hingegen dann ausgegangen werden, wenn im zugehörigen Ortsfrequenzspektrum lokale Maxima mit periodischen Frequenzabständen auftreten, die Vielfache einer Grundfrequenz darstellen.Would for example a surface structure exclusively contain strictly periodic structural components, which are also based on a infinite area would be ordered so would the corresponding spatial frequency spectrum only have δ peaks. From periodic Surface structure shares can, however, be assumed if in the associated spatial frequency spectrum local maxima with periodic frequency intervals occur, the multiples represent a fundamental frequency.

Demgegenüber führen stochastische Oberflächenstrukturanteile zu einem nahezu kontinuierlichen Ortsfrequenzspektrum (siehe hierzu Linienzug 3). Kontinuierlich heisst in diesem Zusammenhang, dass keine Ortsfrequenz eine herausragende Gewichtung erfährt, sondern dass ein begrenzter Bereich von Ortsfrequenzen mit nur gering bis mäßig variierenden Anteilen/Amplituden vertreten ist und in einer Auftragung des Ortsfrequenzspektrums keine starken Steigungen und Peaks auftreten. Durch Überlagerung der periodischen Oberflächenstrukturanteile 1 mit den stochastischen Oberflächenstrukturanteilen wird ein Ortsfrequenzspektrum erhalten, das durch den Funktionsverlauf gemäß Linie 2 repräsentiert wird. Ist somit, wie im angegebenen Beispiel das Ortsfrequenzspektrum auf die maximale Amplitude 1 normiert, so sind die stochastischen und periodischen Oberflächenstrukturanteile derart gewählt, dass im Ortsfrequenzspektrum keine Frequenzen größer f = 1/L, wobei L die Strukturdimension der periodischen Strukturelemente entspricht, mit Amplituden größer 1/e (e = Euler-Zahl) (siehe auch Linienzug 4 im Diagramm gemäß 3) repräsentiert werden.In contrast, stochastic surface structure fractions lead to an almost continuous spatial frequency spectrum (see the line drawing 3 ). In this context, continuous means that no spatial frequency is given an outstanding weighting, but that a limited range of spatial frequencies is represented with only slightly to moderately varying proportions / amplitudes and that no steep slopes and peaks occur in a plot of the spatial frequency spectrum. By overlaying the periodic surface structure parts 1 With the stochastic surface structure components, a spatial frequency spectrum is obtained, which is determined by the course of the function according to the line 2 is represented. Thus, as in the example given, the spatial frequency spectrum is at the maximum amplitude 1 normalized, the stochastic and periodic surface structure components are selected in such a way that no frequencies greater than f = 1 / L in the spatial frequency spectrum, where L corresponds to the structural dimension of the periodic structure elements, with amplitudes greater than 1 / e (e = Euler number) (see also line drawing) 4 in the diagram according to 3 ) are represented.

Zur Herstellung einer optisch-funktionalen Oberflächenstruktur mit einem Ortsfrequenzspektrum nach Art des in 3 dargestellten Ortsfrequenzspektrums wird eine auf einem Substrat aufgebrachte Schicht aus einem photoempfindlichen Material mittels holographischer Belichtungen im Wege wenigstens zweier aufeinanderfolgender Belichtungsschritte belichtet. So erfolgt eine erste Belichtung derart, dass sich ein periodisches Belichtungsmuster zur Ausbildung der periodischen Oberflächenstrukturanteile innerhalb der Schicht aus photoempfindlichem Material ausbildet. Der Belichtungsschritt, der zum periodischen Belichtungsmuster führt, erfolgt vorzugsweise durch Überlagerung wenigstens zweier kohärenter Wellen, die aus diskreten Raumrichtungen auf die Schicht aus photoempfindlichem Material auftreffen.To produce an optically functional surface structure with a spatial frequency spectrum of the type described in 3 The spatial frequency spectrum shown is exposed to a layer of a photosensitive material applied to a substrate by means of holographic exposures by means of at least two successive exposure steps. A first exposure takes place in such a way that a periodic exposure pattern for forming the periodic surface structure portions within the layer of photosensitive material is formed. The exposure step which leads to the periodic exposure pattern is preferably carried out by superimposing at least two coherent waves which impinge on the layer of photosensitive material from discrete spatial directions.

Zum Erhalt der stochastischen Oberflächenstrukturanteile werden in einem darauffolgenden zweiten Belichtungsschritt kohärente Wellenfelder, die aus einem kontinuierlichen Einfallswinkelspektrum sowie mit einer ortsabhängigen stochastisch sich verändernden Phase auf die Schicht aus photoempfindlichem Material auftreffen, überlagert. Dies kann bspw. mittels eines durch einen Primärdiffusor hindurchtretenden aufgeweiteten Laserstrahl zur Erzeugung eines Speckelmusters realisiert werden. Alternativ ist es möglich, das stochastische Belichtungsmuster auf der bereits vorbelichteten Schicht aus photoempfindlichem Material durch optisches Abbilden einer, ein stochastisches Muster aufweisenden Maske auf der Schicht zu erhalten.To maintain the stochastic surface structure components in a subsequent second exposure step, coherent wave fields from a continuous angle of incidence spectrum as well as with a location-dependent stochastically changing Impact phase on the layer of photosensitive material, superimposed. This can be done, for example, by means of a through a primary diffuser expanded laser beam to produce a speckle pattern become. Alternatively, it is possible the stochastic exposure pattern on the already pre-exposed Layer of photosensitive material by optical imaging a mask with a stochastic pattern on the layer to obtain.

Nach entsprechender Entwicklung der vorstehend belichteten Schicht aus photoempfindlichem Material kann die erfindungsgemäß optisch-funktionale Oberflächenstruktur wie vorstehend erläutert gewonnen werden.After appropriate development of the above exposed layer of photosensitive material the optically functional according to the invention surface structure as explained above be won.

Auch ist es möglich, die erfindungsgemäß ausgebildete optisch-funktionale Oberflächenstruktur im Rahmen eines einzigen Belichtungsschrittes zu erhalten. Hierbei wird die Schicht aus photoempfindlichem Material durch Überlagerung eines kohärenten Wellenfeldes, das aus einem kontinuierlichen Einfallswinkelspektrum auf die Schicht aus photoempfindlichem Material auftrifft, mit wenigstens einer Welle, die aus einer diskreten Raumrichtung auf die Schicht aus photoempfindlichem Material auftrifft, überlagert. Dabei gilt es folgende Zusammenhänge zu beachten: Es sei angenommen, dass das kohärente Wellenfeld W eine zentrale Welle Wz mit einem zentralen K-Vektor k aufweist. Das kohärente Wellenfeld W besteht grundsätzlich aus einer Vielzahl einzelner Wellen, aus denen repräsentativ die Wellen w1 und w2 herausgegriffen werden, mit zugehörigen E-Feld-Amplituden Ew1 und Ew2 sowie mit zugehörigen K-Vektoren

Figure 00150001
und
Figure 00150002
. Ferner weist die aus der diskreten Raumrichtung auf die Schicht gerichtete Welle Wd lokal einen Wellenvektor k d auf, der sich ortsabhängig ändern kann.It is also possible to obtain the optically functional surface structure designed according to the invention in a single exposure step. Here, the layer of photosensitive material is overlaid by at least one wave, which impinges on the layer of photosensitive material from a discrete spatial direction, by superimposing a coherent wave field which strikes the layer of photosensitive material from a continuous angle of incidence spectrum. The following relationships must be observed: It is assumed that the coherent wave field W has a central wave Wz with a central K vector k. The coherent wave field W basically consists of a large number of individual waves, from which the waves w 1 and w 2 are selectively taken out, with associated E-field amplitudes E w1 and E w2 and with associated K-vectors
Figure 00150001
and
Figure 00150002
, It also points out the discrete In the spatial direction, the wave Wd directed to the layer locally has a wave vector k d which can change depending on the location.

Der vorstehend beschriebene Belichtungsschritt wird nun derart durchgeführt, dass für alle einzelne Wellen w1 und w2 des kohärenten Wellenfeldes W, für die gilt:

Figure 00150003
folgender weiterer Zusammenhang gilt:
Figure 00150004
The exposure step described above is now carried out in such a way that for all individual waves w 1 and w 2 of the coherent wave field W, for which the following applies:
Figure 00150003
the following further connection applies:
Figure 00150004

Dies bedeutet im einzelnen, dass die Belichtung derart durchgeführt wird, dass die k-Vektordifferenz aus den Wellen w1 und w2 stets kleiner als die Hälfte der Vektordifferenz aus dem zentralen K-Vektor der zentralen Welle Wz und dem K-Vektor der Welle Wd sein muss. Der Index P in vorstehender Beziehung bedeutet, dass sich die Vektor-Differenzen aus den auf die Probenebene bzw. Belichtungsebene projizierten k-Vektoren der jeweiligen Wellen ergeben.Specifically, this means that the exposure is carried out in such a way that the k vector difference from the waves w 1 and w 2 is always less than half the vector difference from the central K vector of the central wave Wz and the K vector of the wave Wd have to be. The index P in the above relationship means that the vector differences result from the k-vectors of the respective waves projected onto the sample plane or exposure plane.

Wird der vorstehende Belichtungsschritt durchgeführt, so werden strukturierte Oberflächenstrukturanteile erhalten, die sowohl periodische als auch stochastische Oberflächenstrukturanteile enthalten, deren Ortsfrequenzspektren die in 4a dargestellte Form annehmen. Es handelt sich hierbei um verbreiterte einzelne Peaks, die grundsätzlich periodische Oberflächenstrukturanteile repräsentieren. Aufgrund der Peak-Verbreiterung werden die streng periodischen Oberflächenstrukturanteile sozusagen durch stochastische Oberflächenstrukturanteile verwässert, wodurch eine diffus wirkende Streuwirkung der Oberfläche erhalten wird. In diesem Zusammenhang kann auch von einer stochastisierten periodischen Struktur gesprochen werden.If the above exposure step is carried out, structured surface structure portions are obtained which contain both periodic and stochastic surface structure portions, the spatial frequency spectra of which are shown in FIGS 4a take the form shown. These are broadened individual peaks that basically represent periodic surface structure portions. Due to the peak broadening, the strictly periodic surface structure portions are watered down, so to speak, by stochastic surface structure portions, whereby a diffusely scattering effect of the surface is obtained. In this context, one can also speak of a stochastized periodic structure.

Die 5a–d zeigen Sequenzen zur Herstellung eines optischen Elementes mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten optisch-aktiven Oberflächenstruktur.The 5a-d show sequences for producing an optical element with an optically active surface structure designed according to the invention.

Ein Photoresist 5, der auf ein Substrat 6, z.B. Glassubstrat, aufgebracht ist, wird im Wege einer holographischen Belichtung 7 belichtet (5a).A photoresist 5 that on a substrate 6 , for example glass substrate, is applied by means of holographic exposure 7 exposed ( 5a ).

Durch einen nachfolgenden Entwicklungsprozess (5b) wird der Photoresist 5 in den belichteten Bereichen abgetragen und dadurch das aufgezeichnete Intensitätsmuster in ein Höhenprofil übertragen, das dem sogenannten Photoresist-Master entspricht. Danach kann das Profil durch einen Ätzprozess (5c) in das Substratmaterial 6 übertragen werden. Alternativ kann die Photoresist-Oberfläche durch einen Sputterprozess metallisch, z.B. mit Gold, beschichtet werden (5d). Diese Sputterschicht dient dann als Startschicht für einen nachfolgenden Galvanikprozess (z.B. Nickel-Galvanik). In diesem Galvanik-Prozess wird ein Blech (Nickel-Master 8) hergestellt, das das negative Profil des ursprünglichen Profils trägt. Von diesem Nickel-Master können durch weitere Galvanik-Schritte weitere sogenannte Nickel-Shims hergestellt werden, die, je nach Anzahl der Zwischenkopien, positive oder negative Profile tragen. Diese Nickel-Shims können dazu eingesetzt werden, andere Materialien, wie Kunststoffe oder anorganische Materialien zu prägen. Dafür kommen Mikroreplikationsprozesse, wie z.B. Spritzguss, Heissprägen, Gießen, Walzenprägen, UV-Replikation in Frage. Durch diese Prozesskette kann die Struktur eines Masters kostengünstig in eine große Zahl von Produkten übertragen werden. Außerdem ist es durch die Gestaltung der Prozesskette, bspw. Anzahl der galvanischen Zwischenkopien, möglich, in die Produkt-Oberfläche entweder das gleiche Profil wie im Photoresist oder das negativ davon zu übertragen. Für die Herstellung einer bestimmten optisch-funktionalen Oberflächenstruktur im Produkt bietet dies einen weiteren wichtigen Freiheitsgrad.Through a subsequent development process ( 5b ) becomes the photoresist 5 ablated in the exposed areas and thereby transfer the recorded intensity pattern into a height profile that corresponds to the so-called photoresist master. The profile can then be etched ( 5c ) in the substrate material 6 be transmitted. Alternatively, the photoresist surface can be coated with a metal, e.g. with gold, using a sputtering process ( 5d ). This sputter layer then serves as the starting layer for a subsequent electroplating process (eg nickel electroplating). In this electroplating process, a sheet (nickel master 8th ) that carries the negative profile of the original profile. From this nickel master, further so-called nickel shims can be produced by further electroplating steps, which, depending on the number of intermediate copies, carry positive or negative profiles. These nickel shims can be used to emboss other materials, such as plastics or inorganic materials. For this purpose, microreplication processes such as injection molding, hot stamping, casting, roller stamping, UV replication can be used. Through this process chain, the structure of a master can be inexpensively transferred into a large number of products. In addition, by designing the process chain, for example the number of galvanic intermediate copies, it is possible to transfer either the same profile as that in the photoresist or the negative thereof into the product surface. For the production of a certain optically functional surface structure in the product, this offers another important degree of freedom.

Claims (18)

Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusorwirkung mit wenigstens einer strukturierten Oberfläche, mit der ein Lichtstrahl in Wechselwirkung tritt und durch Reflexion oder Transmission aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung gezielt ablenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche periodische Oberflächenstrukturanteile aufweist, dass die periodischen Oberflächenstrukturanteile von stochastischen Oberflächenstrukturanteilen überlagert sind, und dass die periodischen und stochastischen Oberflächenstrukturanteile Strukturelemente mit Strukturdimensionen aufweisen, die wenigstens der Wellenlänge des auf die strukturierte Oberfläche auftreffenden Lichtstrahls entsprechen.Device for directing light with an optical diffuser effect with at least one structured surface with which a light beam interacts and can be deflected in a targeted manner by reflection or transmission from its original direction of propagation, characterized in that the structured surface has periodic surface structure fractions, that the periodic surface structure fractions of stochastic Surface structure portions are superimposed, and that the periodic and stochastic surface structure portions have structural elements with structural dimensions that correspond at least to the wavelength of the light beam striking the structured surface. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturdimensionen der Strukturelemente der periodischen und stochastischen Oberflächenstrukturanteile zwischen 500 nm und 1 mm liegen.Device according to claim 1, characterized in that the Structural dimensions of the structural elements of the periodic and stochastic Surface structure shares are between 500 nm and 1 mm. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Oberflächenstrukturanteile aus prismatischen Formkörpern bestehen, die in paralleler Anordnung und periodischer Abfolge zueinander angeordnet sind.Device according to claim 1 or 2, characterized in that that the periodic surface structure proportions made of prismatic moldings exist in a parallel arrangement and periodic sequence to each other are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die prismatischen Formkörper Seitenflanken aufweisen, die eben oder gekrümmt geformt sind, und dass die prismatischen Formkörper jeweils wenigstens einen Kantenzug aufweisen, der spitz oder abgerrundet ausgebildet ist.Apparatus according to claim 3, characterized in that the prismatic molded body Have side flanks that are flat or curved, and that the prismatic moldings each have at least one edge pull that is pointed or rounded is trained. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Oberflächenstrukturanteile optisch wirksame Elemente sind, die zumindest abschnittsweise linsenförmig ausgebildet sind.Device according to claim 1 or 2, characterized in that that the periodic surface structure proportions are optically effective elements that are at least partially lenticular are. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Oberflächenstrukturanteile aus einem optischen Gitter bestehen.Device according to claim 1 or 2, characterized in that that the periodic surface structure proportions consist of an optical grating. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die stochastischen Oberflächenstrukturanteile aus einzelnen stochastisch auf den periodischen Oberflächenstrukturanteilen verteilten Strukturelementen bestehen, die ein kontinuierliches Ortsfrequenzspektrum aufweisen.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the stochastic surface structure shares from individual stochastic on the periodic surface structure parts distributed structural elements exist that are continuous Show spatial frequency spectrum. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusorwirkung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durch holographische Belichtung einer auf einem Substrat aufgebrachten Schicht aus einem photoempfindlichen Material mit anschließender Entwicklung, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus photoempfindlichen Material in wenigstens zwei Belichtungsschritten derart belichtet wird, dass in wenigstens einem Belichtungsschritt ein periodisches Belichtungsmuster zur Ausbildung der periodischen Oberflächenstrukturanteile erhalten wird, und dass in wenigstens einem anderen Belichtungsschritt ein stochastisches Belichtungsmuster zur Ausbildung der stochastischen Oberflächenstrukturanteile erhalten wird.Method for producing a device for directing light with an optical diffuser effect according to one of claims 1 to 7 by holographic exposure of an applied to a substrate Layer of a photosensitive material with subsequent development, thereby characterized that the layer of photosensitive material is exposed in at least two exposure steps such that in at least one exposure step, a periodic exposure pattern for Formation of the periodic surface structure parts obtained will, and that in at least one other exposure step a stochastic exposure pattern to form the stochastic Surface structure shares is obtained. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Belichtungsschritt gleichzeitig oder zeitlich hintereinander durchgeführt werden.A method according to claim 8, characterized in that the first and second exposure step simultaneously or in succession carried out become. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsschritte derart durchgeführt werden, dass das periodische und das stochastische Belichtungsmuster innerhalb der Schicht aus photoempfindlichen Material überlagert werden.A method according to claim 8 or 9, characterized in that the exposure steps are carried out in such a way that the periodic and the stochastic exposure pattern within the photosensitive layer Material overlaid become. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach einzelnen oder allen Belichtungsschritten die belichtete Schicht aus photoempfindlichen Material entwickelt wird.A method according to claim 10, characterized in that after single or all exposure steps the exposed layer is developed from photosensitive material. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Belichtungsschritt, der zu dem periodischen Belichtungsmuster führt, durch Überlagerung wenigstens zweier kohärenter Wellen, die aus diskreten Raumrichtungen auf die Schicht aus photoempfindlichen Material auftreffen, erfolgt.Method according to one of claims 8 to 11, characterized in that that the exposure step leading to the periodic exposure pattern leads, by overlay at least two more coherent Waves from discrete spatial directions on the layer of photosensitive Material hit, takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Belichtungsschritt, der zu dem stochastischen Belichtungsmuster führt, durch Überlagerung kohärenter Wellenfelder, die aus einem kontinuierlichen Einfallswinkelspektrum auf die Schicht aus photoempfindlichen Material auftreffen, erfolgt.Method according to one of claims 8 to 12, characterized in that that the exposure step that leads to the stochastic exposure pattern leads, by overlay coherent Wave fields that consist of a continuous angle of incidence spectrum impinging on the layer of photosensitive material. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Belichtungsschritt, der zu dem stochastischen Belichtungsmuster führt, durch optisches Abbilden einer, ein stochastisches Muster aufweisenden Maske auf die Schicht aus photoempfindlichen Material erfolgt.Method according to one of claims 8 to 12, characterized in that that the exposure step that leads to the stochastic exposure pattern leads, by optically imaging a stochastic pattern Mask is made on the layer of photosensitive material. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsschritte zum Erhalt des periodischen und stochastischen Belichtungsmusters derart durchgeführt werden, dass die periodischen und stochastischen Oberflächenstrukturanteile Strukturelemente mit Strukturdimensionen größer der Lichtwellenlänge des zu lenkenden Lichtes aufweisen.Method according to one of claims 8 to 14, characterized in that that the exposure steps to maintain the periodic and stochastic Exposure pattern can be performed so that the periodic and stochastic surface structure components Structural elements with structural dimensions greater than the light wavelength of the have light to be directed. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Lichtlenkung mit einer optischen Diffusorwirkung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durch holographische Belichtung einer auf einem Substrat aufgebrachten Schicht aus einem photoempfindlichen Material mit anschließender Entwicklung, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus photoempfindlichen Material durch Überlagerung eines kohärenten Wellenfeldes (W), das aus einem kontinuierlichen Einfallswinkelspektrum auf die Schicht auftrifft, mit wenigstens einer Welle (Wd), die aus einer diskreten Raumrichtung auf die Schicht auftrifft, belichtet wird.Method for producing a device for directing light with an optical diffuser effect according to one of Claims 1 to 7 by holographic exposure of a layer applied to a substrate from a photosensitive material with subsequent development, characterized in that the layer of photosensitive material by superimposing a coherent wave field (W), which impinges on the layer from a continuous angle of incidence spectrum, with at least one wave (Wd), which arises from a discrete spatial direction the layer hits, is exposed. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das kontinuierliche Einfallswinkelspektrum des Wellenfeldes W derart gewählt wird, dass – das kohärente Wellenfeld W eine zentrale Welle Wz mit einem zentralen k-Vektor k aufweist, – das kohärente Wellenfeld W Wellen w1 und w2 mit zugehörigen E-Feld-Amplituden Ew1 und Ew2 sowie k-Vektoren
Figure 00200001
und
Figure 00150002
enthält, – die aus der diskreten Raumrichtung auf die Schicht gerichtete Welle (Wd) einen Wellenvektor k d aufweist, und dass für die Wellen w1 und w2, für die
Figure 00200002
gilt, weiterer folgender Zusammenhang gilt:
Figure 00200003
mit Emax(w1,w2): maximale E-Feldamplitude der Wellen w1 und w2, Index P: Projektion der vektoriellen Differenz auf die zu belichtende Schichtebene.A method according to claim 16, characterized in that the continuous angle of incidence spectrum of the wave field W is selected such that - the coherent wave field W has a central wave Wz with a central k vector k, - the coherent wave field W waves w 1 and w 2 associated E field amplitudes E w1 and E w2 as well as k vectors
Figure 00200001
and
Figure 00150002
contains - the wave (Wd) directed onto the layer from the discrete spatial direction has a wave vector k d , and that for the waves w1 and w2, for the
Figure 00200002
applies, the following relationship also applies:
Figure 00200003
with E max (w1, w2): maximum E-field amplitude of the waves w1 and w2, index P: projection of the vectorial difference onto the layer plane to be exposed. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer, nachfolgender Belichtungsschritt, gemäß der Ansprüche 12 oder 13 durchgeführt wird.A method according to claim 16 or 17, characterized in that that a further, subsequent exposure step, according to claims 12 or 13 performed becomes.
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