Optisches Bauteil und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauteil , einen Prägestempel, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils und einen Wellenleiter. Bei dem optischen Bauteil handelt es sich insbesondere um ein Multiwellenlängen-Diffraktionselement, vorzugsweise hergestellt mittels Imprintlithographie.

Im Stand der Technik existieren optische Elemente, deren Aufgabe darin besteht, Licht aus einem Wellenleiter ein- oder auszukoppeln. Diese optischen Elemente werden hauptsächlich für optisches Licht, das heißt Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich, verwendet. Die Auskopplung erfolgt dabei regelmäßig über Diffraktionselemente, insbesondere Diffraktionsgitter, innerhalb mehrerer, insbesondere übereinander liegenden, Ebenen. Im Allgemeinen wird ein Diffraktionsgitter für eine spezielle Wellenlänge beziehungsweise einen sehr schmalen Wellenlängenbereich verwendet. Um mehrere Wellenlängen auskoppeln zu können, insbesondere mindestens die drei wichtigsten Wellenlängen für die Farbbereiche rot, grün und blau, müssen daher mehrere Diffraktionsgitter in Serie geschaltet werden .

Das größte Problem mit dem Stand der Technik besteht darin, dass j edes Diffraktionsgitter eine gewisse Masse besitzt und durch die Verwendung mehrerer Diffraktionsgitter die Masse des optischen Bauteils steigt. Des Weiteren ist der Herstellungsprozess des optischen Bauteils komplizierter, da die Diffraktionsgitter einer j eden Ebene extra hergestellt, insbesondere geprägt werden müssen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das Licht der verdeckten Diffraktionsgitter eine geringere Intensität aufwei st, d a es mindestens ein weiteres Diffraktionsgitter passieren muss. Dadurch können einige Diffraktionsgitter darunterliegende Diffraktionsgitter verdecken, was zu einem Intensitätsverlust des Lichts führt, welches von einem verdeckten Diffraktionsgitter diffraktiert wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein optisches Bauteil, einen Prägestempel zu Herstellung eines optischen Bauteil s, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils und einen Wellenleiter aufzuzeigen, welche die im Stand der Technik aufgeführten Nachteile zumindest zum Teil beseitigen, insbesondere vollständig beseitigen. Insbesondere soll ein verbessertes optisches Bauteil, ein verbesserter Prägestempel zur Herstellung eines optischen Bauteils, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils und einen verbesserter Wellenleiter aufgezeigt werden.

Die vorliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei in der B eschreibung, in den Ansprüchen und/oder den Zeichnungen angegebenen Merkmalen. Bei angegebenen Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein.

Demnach betrifft die Erfindung ein optisches Bauteil, vorzugswei se hergestellt mittels Imprintlithographie, aufweisend mindestens ein erstes Diffraktionselement zur Beugung von Licht einer ersten Wellenlänge und mindestens ein zweites Diffraktionselement zur Beugung von Licht einer zweiten Wellenlänge, wobei das mindestens eine erste Diffraktionselement und das mindestens eine zweite Diffraktion selement in derselben Fläche, insbesondere nebeneinander, angeordnet sind. Das optische Bauteil kann im Allgemeinen auch gekrümmt sein, so dass das mindestens einer erste Diffraktionselement und das mindestens eine zweite Diffraktionselement nebeneinander entlang einer gekrümmten oder zumindest teilweise gewölbten Fläche angeordnet sind. Die Diffraktionselemente sind entsprechend entlang der Fläche beziehungsweise nebeneinander angeordnet.

Im weiteren Verlauf des Textes wird der Einfachheit halber auch von einer flachen, zweidimensionalen Fläche, also einer Ebene, gesprochen werden. Die Erfindung ist j edoch nicht auf Ausführungsformen beschränkt, bei denen die Diffraktionselemente in einer flachen Fläche angeordnet sind. Vielmehr kann die Fläche auch gewölbt sein, insbesondere konvex, konkav oder wellig geformt sein. Die Diffraktionselemente können sehr wohl auch auf beziehungsweise in einer gekrümmten Oberfläche hergestellt beziehungsweise flächig angeordnet werden. Von besonderer Bedeutung ist, dass die Diffraktionsgitter für unterschiedliche Wellenlängen in Bezug auf eine Fläche, insbesondere eine gewölbte, gekrümmte oder flache Fläche, nebeneinander angeordnet sind. Dabei werden die Diffraktionselemente zur Beugung unterschiedlicher Wellenlängen vorzugsweise auf derselben Oberfläche hergestellt beziehungsweise erzeugt.

Die Diffraktionselemente sind vorzugswei se nebeneinander entlang einer Fläche angeordnet, welche wiederum gekrümmt beziehungsweise gewölbt ausgebildet sein kann, mithin eine teilweise gewellte Kontur beziehungsweise Oberfläche ausweisen kann . Das optische Bauteil ist vorzugsweise flächig entlang der Fläche ausgebildet. Es ist j edoch auch denkbar, dass die Fläche beziehungsweise die durch das opti sche Bauteil aufgespannte Oberfläche gekrümmt ist. Entscheidend ist insbesondere, dass die Diffraktionselemente zum Beugen von Licht verschiedener Wellenlängen nicht übereinander angeordnet sind. Das auf die Diffraktionselemente treffende Licht wird so gebeugt, dass gezielt Licht einer bestimmten Wellenlänge beziehungsweise eines bestimmten Wellenlängenbereiches auskoppelbar ist. Dabei sind das erste Diffraktionselement und das zweite Diffraktionselement j eweil s für ein Beugen von Licht einer bestimmten (ersten und zweiten) Wellenlänge ausgebildet. Die erste und die zweite Wellenlänge sind dabei vorzugsweise verschieden und liegen besonders bevorzugt im Bereich des sichtbaren Lichts.

Im Stand der Technik werden die Diffraktionselemente übereinander erzeugt beziehungsweise gestapelt. Durch die Anordnung der Diffraktionselemente für verschiedene Wellenlängen in einer Fläche beziehungsweise nebeneinander wird die Höhe des optischen Bauteils verringert. Weiterhin kann auf dies e Weise die Masse des opti schen Bauteils verringert werden und folglich das Gewicht reduziert werden. Weiterhin können Fehler verringert werden, da bei übereinander gestapelten Diffraktionselementen Überlagerungen entstehen können. Dabei ist ein gezieltes Beugen des Lichts durch nebeneinander beziehungsweise entlang derselben Fläche angeordnete Diffraktionselemente deutlich weniger Fehler anfällig, da die Stellung eines Diffraktionselementen- Stapels keine Fehlerquelle bei der Fertigung darstellt. Zudem kann die Lichtintensität erhöht beziehungsweise der Lichtverlust verringert werden, da nicht mehrere Diffraktionselemente transmittiert werden müssen. Da die Photonen allesamt von derselben Fläche und insbesondere nicht von übereinander gestapelten Diffraktionselementen emittiert werden, ist die Intensität des ausgekoppelten Lichtes einer bestimmten Wellenlänge gleich. Die Lichtintensität ist somit für die verschiedenen Wellenlängen vorteilhaft gleich und es müssen keine Maßnahmen zum Ausgleichen beziehungsweise Anpassen der Lichtintensität für verschiedene Wellenlängen getroffen werden.

Weiterhin betrifft die Erfindung einen Prägestempel, insbesondere zum Prägen einer Prägemasse, zumindest aufweisend mindestens eine erste Prägestruktur zum Prägen des mindestens einen ersten Diffraktionselements zum Beugen von Licht der ersten Wellenlänge und mindestens eine zweite Prägestruktur zum Prägen des mindestens einen zweiten Diffraktionselements zum Beugen von Licht der zweiten Wellenlänge, wobei die mindestens eine erste Prägestruktur und die mindestens eine zweite Prägestruktur in einer Fläche angeordnet sind. Die Prägestrukturen entsprechen dabei j eweils dem Negativ zu den Diffraktionselementen für eine j eweilige bestimmte Wellenlänge beziehungsweise einem Wellenlängenbereich, so dass die Prägemasse nach einem Prägen mit dem Prägestempel die Struktur der Diffraktionselemente aufweist. Auf diese Weise können die Diffraktionselemente für verschiedene Wellenlängen vorteilhaft mit einem Stempel hergestellt werden. Weiterhin kann der Prägestempel die Diffraktionselemente vorteilhaft entlang einer Fläche erzeugen. Auf diese Weise sind bei der Herstellung nicht mehrere Prägestempel für mehrere Diffraktionselemente einer bestimmten Wellenlänge notwendig. Mit dem Prägestempel kann ein Verfahren zum Prägen eines optischen Bauteils besonders einfach und effizient durchgeführt werden.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils mit zumindest den folgenden Schritten: i) Bereitstellen des Prägestempels, ii) Prägen einer Prägemasse mit dem Prägestempel .

Das Verfahren stellt dabei einen Prägestempel zur Verfügung, welcher die entsprechenden Negativen der Strukturen aufweist, welche auf dem optischen Bauteil die Diffraktionselemente bilden. Auf diese Weise kann ein optisches Bauteil besonders einfach und effizient hergestellt werden.

Weiterhin betrifft die Erfindung einen Wellenleiter zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln von Licht, aufweisend mindestens ein erfindungsgemäßes optisches Bauteil, insbesondere hergestellt nach dem Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils. Auf dem Wellenleiter wird vorzugswei se das optische Bauteil erzeugt, vorzugsweise geprägt. Das optische Bauteil kann auch auf einem Wellenleitermaterial angebracht werden. Dabei ist das Wellenleitermaterial vorzugsweise eine Metamaterial, so dass das Licht gezielt und unverfälscht ein- beziehungsweise auskoppelbar ist. Vorzugsweise weist der Wellenleiter zumindest zwei optische Bauteile auf. Zwischen den optischen Bauteilen kann das Licht beispielsweise durch das Wellenleitermaterial geleitet werden. Zudem kann der Wellenleiter zwischen den beiden optischen Bauteile noch über weitere optische Bauteile verfügen, insbesondere solche, welche das Licht vom ersten opti schen Bauteil zum zweiten optischen Bauteil verändern, beeinflussen oder messen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische Bauteil ferner mindestens ein drittes Diffraktionselement zur Beugung von Licht einer dritten Wellenlänge aufweist. Auf diese Weise können vorteilhaft mehrere Wellenlängen an den j eweiligen Diffraktionselementen gebeugt werden. Vorteilhaft können bei spielsweise die drei wichtigen Grundfarben rot, grün und blau entsprechend gezielt ausgekoppelt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine dritte Diffraktionselement in der Fläche angeordnet ist. Das dritte Diffraktionselement für die dritte Wellenlänge i st somit ebenfalls in der Fläche beziehungsweise entlang derselben Fläche angeordnet beziehungswei se befindet sich neben dem ersten und/oder dem zweiten Diffraktionselement . Neben einer flacheren Bauweise des optischen Bauteils und dem geringeren Gewicht, kann vorteilhaft höhere und gleichmäßi ge Lichtintensität für die verschiedenen Wellenlängen beziehungsweise Wellenlängenbereiche erreicht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Diffraktionselemente als Diffraktionsgitter ausgebildet sind. Das erste Diffraktionselement, das zweite Diffraktionselement und/oder das dritte Diffraktionselement sind folglich als Diffraktionsgitter ausgebildet. Die Diffraktionsgitter besitzen j eweils eine sich periodisch widerholende Struktur zur Beugung des Lichts einer bestimmten Wellenlänge. Dabei kann vorteilhaft durch die Periodenlängen (Abstände zwischen den sich widerholenden Strukturen; beispielsweise einem Gitterabstand) die entsprechende zu beugende Wellenlänge eingestellt werden. Dabei können die unterschiedlichen Diffraktionsgitter eine beliebige Form aufweisen und gegebenenfalls um sich selb st gedreht auf dem opti schen Bauteil ausgebildet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine erste Diffraktionselement und das mindestens eine zweite Diffraktionselement und/oder das mindestens eine dritte Diffraktionselement, zusammen ein Pixel ausbilden . Ein Pixel weist somit mindestens zwei Diffraktionselemente zur Beugung von mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen auf. Bevorzugt weist ein Pixel genau ein erstes Diffraktionselement, ein zweites Diffraktionselement und ein drittes Diffraktionselement auf. Der Pixel ist somit ein örtlicher Bereich, in welchem Diffraktionselemente für unterschiedliche Wellenlängen angeordnet sind. Die Diffraktionselemente eines Pixels sind dabei in der Fläche angeordnet. Die Diffraktionselemente und damit das ausgekoppelte Licht der entsprechenden Wellenlängen können vorteilhaft durch die Anordnung in Pixeln geordnet werden und entsprechend gezielt ausgekoppelt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Diffraktionselemente eines Pixels zueinander in einer vorgegebenen Orientierung angeordnet sind. Die Orientierung der j eweiligen periodi schen Strukturen der Diffraktionselemente zueinander kann somit vorteilhaft eingestellt werden. Diese Ausführungsform weist mindestens einen Pixel mit mindestens zwei Diffraktionselemente auf, die entlang derselben Fläche angeordnet sind beziehungsweise nebeneinander angeordnet sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische Bauteil eine Vielzahl von Pixeln aufweist, wobei die einzelnen Pixel in einer ersten Richtung entlang der Fläche und in einer zweiten Richtung entlang der Fläche j eweils äquidistant zueinander angeordnet sind, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung bevorzugt senkrecht zueinander sind. Das optische Bauteil weist somit mehrere Pixel, vorzugsweise bestehend aus j eweil s mindestens zwei Diffraktionselementen zum Beugen von Licht unterschiedlicher Wellenlängen, auf. Dabei wird j eder Pixel vorzugsweise aus denselben Diffraktionselementen gebil det. Weitere optische Elemente können dabei zwischen den Pixeln angeordnet sein. Die Pixel sind besonders bevorzugt geleichmäßig auf dem optischen Bauteil angeordnet. Dabei sind die Abstände der Pixel zueinander entlang der Fläche vorzugswei se äquidistant.

Der Abstand in der ersten Richtung entlang der Fläche und der Abstand in der zweiten Richtung entlang der Fläche zwischen den Pixeln ist somit j eweil s gleich groß. Handelt es sich bei der Fläche um eine flache Fläche, insbesondere eine Ebene, sind die Pixel äquidistant und nebeneinander angeordnet. Handelt es sich bei der Fläche um eine gekrümmte Fläche, sind die Pixel entlang der j eweiligen Ab schnitte entlang der Fläche äquidi stant angeordnet und können entsprechend der Krümmung senkrecht zu der Fläche leicht zueinander versetzt nebeneinander angeordnet sein . Zudem können bei einer gekrümmten Fläche die Pixel auch vorteilhaft so beabstandeten werden, so dass aus einem bestimmten Blickwinkel auf die Fläche, die Bildpunkte zueinander ungefähr denselben Abstand aufwei sen. Das ausgekoppelte Licht kann somit vorteilhaft für die Darstellung bestimmter und gleichmäßig angeordneter Bildpunkte genutzt werden. Solche optischen Bauteile sind daher für den Einsatz in Brillen mit eingesetzten Displays , Kontaktlinsen mit Display oder in Head-Mounted Displays prädestiniert. In einer bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pixel und/oder die Diffraktionselemente eines Pixels nicht gleichmäßig entlang der Fläche verteilt angeordnet sind. Die Position und/oder Orientierung der Pixel und/oder die Diffraktionselemente eines Pixels werden vorzugswei se durch Software und/oder Hardware, insbesondere numeri sch, berechnet. Derartige Software und/oder Hardware ist auf die Berechnung derartiger komplexer optischer Systeme ausgelegt. Eine optimale Positionierung und Orientierung der Pixel entlang der Fläche kann somit berechnet werden. Die Anordnung der Pixel beziehungsweise der Diffraktionselemente wird bevorzugt so berechnet, dass die austretende Lichtintensität und gleichzeitig die Auflösung besonders hoch sind. Da die zu optimierenden Eigenschaften variieren können und die zu erzielenden Ergebnisse höchst unterschiedlich sind, macht es in dieser Druckschrift keinen Sinn, genauer auf derartige Berechnungen einzugehen. Der Fachmann auf dem Gebiet weiß, dass man mit Hilfe entsprechender Software und/oder Hardware alle notwendigen Berechnungen durchführen kann, um ein spezielles optisches Problem beziehungsweise eine optisch zu realisierende Aufgabe zu lösen.

Die Diffraktionselemente können aus j edem beliebigen Material gefertigt werden, das dazu geeignet ist, Photonen zu streuen. Vorzugsweise werden die folgende Materialien beziehungsweise Kombinationen der folgenden Materialien verwendet:

-Metalle, insbesondere

- Cu, Ag, Au, Al, Fe, Ni, Co, Pt, W, Cr, Pb, Ti, Ta, Zn, Sn

-Halbleiter, insbesondere

- GaAs, GaN, InP, InxGal -xN ,InSb, InAs, GaSb, AIN, InN, GaP, BeTe, ZnO, CuInGaSe2, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, Hg( l -x)Cd(x)Te, BeSe, HgS, AlxGal -xAs, GaS, GaSe, GaTe, InS, InSe, InTe, CuInSe2,

CuInS2, CuInGaS2, SiC, SiGe, Ge, Si, Alpha-Sn, Fullerene, B, Se, Te,

-Metallorganische Materialien,

-Polymere, insbesondere

-Polyhedrales oligomerisches Silsesquioxan (POS S) ,

Polydimethylsiloxan (PDMS), Tetraethylorthosilicat (TEOS),

Poly(organo)siloxane (Silikon), Perfluoropolyether (PFPE),

-Gläser, insbesondere

-Metallische Gläser,

-Nichtmetallische Gläser, insbesondere

-Organische nichtmetallische Gläser,

-Anorganische nichtmetallische Gläser, insbesondere

-Nichtoxidische Gläser, insbesondere

-Halogenidgläser, Chalkogenidgläser,

-Oxidische Gläser, insbesondere

-Phosphatische Gläser,

-Silikatische Gläser, insbesondere

-Alumosilikatgläser, Bleisilikatgläser,

-Al kali -Silikatgläser, insbesondere

-Alkali -Erdal kali silikatgläser,

-Borosilikatgläser,

-Quarzglas,

-Boratgläser, insbesondere

-Alkaliboratgläser,

-Materialien, die als Gläser bezeichnet werden aber keine sind, insbesondere

-Saphirglas. Die Materialien der Diffraktionselemente sind vorzugsweise möglichst homogen.

Der Brechungsindex der Materialien ist insbesondere so zu wählen, dass die physikalische Aufgabe erfüllt werden kann. Der Brechungsindex liegt vorzugswei se zwischen 1.00 und 5.00, noch bevorzugter zwi schen 1.00 und 4.00, am bevorzugtesten zwischen 1.00 und 3.00, am allerbevorzugtesten zwischen 1 .00 und 2.50.

Die Transmi ssivität der Materialien ist größer als 5%, vorzugsweise größer als 20%, noch bevorzugter größer al s 50%, am bevorzugtesten größer als 70%, am allerbevorzugtesten 100%.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Prägestempel mindestens eine dritte Prägestruktur zum Prägen des mindestens einen dritten Diffraktionselements zum Beugen von Licht einer dritten Wellenlänge aufweist. Auf diese Weise können vorteilhaft mehr als zwei Diffraktionsgitter für unterschiedli che Wellenlängen in beziehungsweise entlang der Fläche, insbesondere nebeneinander, auf eine Prägemasse übertragen beziehungsweise geprägt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine erste Prägestruktur und die mindestens eine zweite Prägestruktur und/oder die mindestens eine dritte Prägestruktur des Prägestempels zusammen eine Pixelprägestruktur ausbilden. Die Pixelprägestruktur ist somit dazu geeignet einen Pixel mit den entsprechenden Diffraktionselementen auf die Prägemasse zu übertragen. Auf diese Weise können vorteilhaft effizient und schnell mehrere Prägestrukturen (für die entsprechenden Diffraktionselemente) erzeugt beziehungsweise geprägt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Prägestempel eine Vielzahl von Pixelprägestrukturen aufweist. Die Vielzahl der Pixelprägestrukturen sind dabei bevorzugt gleichmäßig auf dem Prägestempel angeordnet, so dass mehrere Pixel gleichzeitig auf die Prägemasse übertragen werden beziehungsweise erzeugt werden können. Auf diese Weise i st mit einem Prägestempel mit einer Vielzahl von Pixelprägestrukturen ein optisches Bauteil besonders einfach und effizient herstellbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die einzelnen Pixelprägestrukturen in einer vertikalen Richtung des Prägestempels und in einer horizontalen Richtung des Prägestempel s äquidistant zueinander angeordnet sind. Die einzelnen Pixelprägestrukturen der Vielzahl von Pixelprägestrukturen sind somit besonders regelmäßig und gleichmäßig zueinander angeordnet. Entsprechend kann auf der Prägemasse mit einem solchen Prägestempel die Vielzahl von Pixeln besonders effizient geprägt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsformen des Prägestempels, in denen die Pixel und/oder die Diffraktionselemente eines Pixels ni cht gleichmäßig entlang der Fläche verteilt angeordnet werden sollen, sind die einzelnen Pixelprägestrukturen des Prägestempels auch nicht glei chmäßig verteilt. Die Pixelprägestrukturen werden vorzugsweise entsprechend der zuvor beschriebenen numerischen Berechnungen verteilt angeordnet. Denkbar ist auch, dass der Prägestempel als step-and-repeat Prägestempel ausgeführt wird. Der Prägestempel verfügt damit über die geringste Anzahl an Prägestrukturen, die notwendig sind, um einen Teil einer Prägemasse zu prägen. Nach dem Präg- und Aushärtevorgang wird der Prägestempel von der Prägemasse entfernt und es erfolgt eine Relativbewegung zwischen Prägestempel und Prägemasse. Danach wird erneut geprägt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die gesamte Prägemasse, geprägt wurde. Die Prägestempelfläche ist damit kleiner als die Fläche der Prägemasse.

Im weiteren Verlauf des Textes werden Diffraktionsgitter als die bevorzugten Diffraktionselemente erwähnt, da an ihnen die physikalischen Prinzipien am einfachsten und anschaulichsten zu beschreiben sind. Alles gesagte gilt im Allgemeinen aber für beliebige Diffraktionselemente.

Ein Kern der Erfindung besteht insbesondere darin, Diffraktionsgitter für unterschiedliche Wellenlängen innerhalb einer Fläche herzustellen, insbesondere um keine gestapelte Anordnung der Diffraktionsgitter beziehungsweise Diffraktionselemente zu erhalten . Erreicht wird das vorzugswei se mit Hilfe der Imprintlithographie und einem Stempel, der alle entsprechenden Diffraktionsgitter beziehungsweise deren Strukturen aufweist.

In einem alternativen Herstellverfahren werden die Diffraktionsgitter durch optische Lithographie, Laserschreiben, Elektronenstrahlschreiben, Abscheideprozesse, Ätzprozesse oder eine Kombination daraus hergestellt.

Ein Vorteil der Erfindung besteht in einer Gewichtsersparnis. Durch die Verwendung nur einer einzigen flächigen Anordnung an Diffraktionsgittern, vorzugswei se nebeneinander, kann man sich weitere Diffraktionsgitter und damit Gewicht einsparen. Das ist insbesondere vorteilhaft für die Verwendung in Augmented Reality oder Virtual Reality Wearables wie Brillen, die von einer Person getragen werden müssen. Die Wearables werden dadurch leichter und der Tragekomfort steigt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die diffraktierten Photonen alle von derselben Fläche und nicht aus unterschiedlichen Flächen, insbesondere nicht aus übereinander liegenden Flächen, emittiert werden und durch kein anderes Diffraktionsgitter transmittieren müssen. Dadurch kann zumindest gewährleistet werden, dass bei gleicher Dichte für alle Diffraktionsgitter beziehungsweise Diffraktionselemente für unterschiedliche Wellenlängen die Intensität der emittierten Photonen für j ede Wellenlänge gleich ist.

Unter einem Diffraktionsgitter versteht man eine, insbesondere, periodische Struktur, an der Licht einer spezifischen Wellenlänge so gestreut wird, dass mindestens eine Beugungsordnung entsteht. Insbesondere handelt es sich bei den Diffraktionselementen um Diffraktionsgitter. Diffraktionselement ist daher ein Oberbegriff von Diffraktionsgitter und weiter auszulegen al s Diffraktionsgitter. Der Einfachheit und Anschaulichkeit halber werden in der Offenbarung Diffraktionsgitter erwähnt, da an ihnen die physikalischen Prinzipien am einfachsten zu erklären sind. Es kann aber ein beliebiges Diffraktionselement verwendet werden. Es können grundsätzlich Photonen beliebiger Wellenlänge diffraktiert werden, sofern die optischen Strukturen der Diffraktionselemente, insbesondere Diffraktionsgitter, für die j eweilige Wellenlänge ausgelegt sind. Besonders bevorzugt sind die Diffraktionselemente beziehungsweise die Diffraktionsgitter für Photonen mit einer Wellenlänge zwischen dem Infraroten- und dem Röntgenbereich ausgelegt.

Unter einem Pixel versteht man einen örtlich abgegrenzten Bereich, indem sich mindestens ein Diffraktionsgitter, befindet. Ein Pixel kann daher aus einem Diffraktionsgitter für eine spezielle Wellenlänge bestehen. Bevorzugt ist allerdings, dass sich in einem Pixel mehrere Diffraktionsgitter für unterschiedliche Wellenlängen befinden. Besonders bevorzugt befinden sich dann mindesten genau drei unterschiedliche Diffraktionsgitter beziehungsweise Diffraktionselemente für die Wellenlängen rot, grün und blau in einem Pixel . Ein Pixel ist damit ein örtlich abgegrenzter Bereich.

Die Diffraktionsgitter können j ede beliebige Form haben, sind aber vorzugswei se

• Rechteckig, insbesondere o Quadratisch

• Elliptisch, insbesondere o Rund

• Dreieckig.

In einer Ausführungsform besteht das optische Bauteil aus einer Menge an Pixeln die, insbesondere regelmäßig, über die gesamte Oberfläche verteilt sind.

Es kann notwendig sein von der regelmäßigen Anordnung der Pixel abzuweichen um andere, bessere optische Eigenschaften, insbesondere eine optimalere Auflösung, zu erhalten. Insbesondere kann auf Grundlage der numerischen Berechnungen eine optimale Anordnung der Diffraktionselemente oder der Pixel bestimmt werden.

Des Weiteren können, insbesondere nicht runde Diffraktionsgitterentlang der Anordnung rotiert werden, sodass auch die Rotation des Diffraktionsgitters eine Änderung der optischen Eigenschaften hervorruft.

Des Weiteren können auch die Diffraktionsgitter, die in einem Pixel zusammengefasst sind, als Funktion des Ortes am optischen Bauteil relativ zum Ursprung des j eweiligen Pixels, beispielsweise dem Schwerpunkt aller Diffraktionsgitter eines Pixels, rotiert werden. In einer Ausführungsform sind die Pixel bezüglich Position und/oder Orientierung statistisch verteilt angeordnet.

In einer ersten Ausführungsform befindet sich in j edem Pixel genau ein Diffraktionsgitter. Um mehr al s eine Farbe diffraktieren zu können, müssen mindestens zwei Diffraktionsgitter existieren. Besonders bevorzugt sind es mindestens drei Diffraktionsgitter, j e einer für die Farbe rot, grün und blau. Die Pixel werden dann als r-Pixel, g-Pixel und b-Pixel bezeichnet.

In einer zweiten Ausführungsform befinden sich in j edem Pixel mindestens zwei Diffraktionsgitter. Vorzugsweise sind es mindestens drei Diffraktionsgitter, j e eines für die Farbe rot, grün und blau. Ein solcher Pixel wird im weiteren Verlauf der Druckschrift vereinfacht als rgb -Pixel bezeichnet.

Insbesondere bei einer regelmäßigen Anordnung der Pixel sind diese zueinander auf eine wohldefinierte Weise beanstandet. Im Allgemeinen werden eine vertikale und eine horizontale Beabstandung angegeben.

Die Positionen der Pixel zueinander, sowie deren Ausrichtung und Form und damit die Positionen, Ausrichtungen und Formen der Diffraktionsgitter wird vorzugswei se durch eine Optiksoftware so optimiert, dass die Lichtausbeute, vorzugswei se aber die Auflösung optimal sind. Optimale Positionen, Ausrichtungen und Formen können daher nicht angegeben werden, da für deren Evaluierung numerische Verfahren verwendet werden müssen.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die einzelnen Pixel allerdings in horizontaler und vertikaler Richtung äquidistant zueinander beabstandet, besitzen eine möglichst einfache, vorzugsweise rechteckige, noch bevorzugter quadrati sche oder kreisförmige Form und besitzen zueinander aller dieselbe Rotation. Die Diffraktionsgitter für unterschiedliche Wellenlängen befinden sich dabei sich in derselben Fläche.

Produkte

Ein erstes Produkt ist insbesondere ein optische Bauteil, vorzugsweise hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren . Das optische Bauteil wird vorzugswei se mehrfach auf einem Substrat hergestellt beziehungswei se erzeugt. Das Substrat kann danach vereinzelt werden. Das optische Bauteil wird dann durch entsprechende Transferprozesse auf andere Bauteile aufgebracht. Das optische Bauteil zeichnet sich dadurch aus, dass mehrere Pixel in der Fläche beziehungsweise entlang der Fläche nebeneinander erzeugt werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden Diffraktionsgitter für unterschiedliche Wellenlängen nicht übereinander geprägt und/oder gestapelt, sondern die Herstellung, insbesondere Prägung aller Diffraktionsgitter für alle Wellenlängen erfolgt in beziehungsweise innerhalb beziehungswei se entlang derselben Fläche.

Das optische Bauteil kann auch direkt auf einem anderen Produkt, insbesondere einem Wellenleiter, hergestellt, insbesondere geprägt, werden.

Ein zweites Produkt ist ein erfindungsgemäßer Wellenleiter, der insbesondere auf der Eingangs- und der Ausgangsseite über j eweils ein erfindungsgemäßes optisches Bauteil verfügt. Das optische Bauteil kann entweder direkt auf der Eingangs- und/oder Ausgangsseite des Wellenleiters hergestellt, d.h. geprägt werden. Diese Herstellungsvariante ist am bevorzugtesten. Denkbar ist allerdings auch, dass das optische Bauteil separat hergestellt und dann auf die Eingangs- und/oder Ausgangsseite des Wellenleiters aufgebracht wird. Das optische Bauteil dient auf der Eingangsseite der Einkoppelung des Lichts in den Wellenleiter. Der Wellenleiter transportiert das Licht danach zur Ausgangsseite. An der Ausgangsseite wird das Licht ebenfalls mit einem optischen Bauteil ausgekoppelt und gelangt so zu einem Detektor, insbesondere dem menschlichen Auge. Insbesondere können sich noch weitere optische Bauteile zwischen dem ersten und dem zweiten opti schen Bauteil befinden.

Verfahren

In einem ersten Prozessschritt eines ersten Prozesses wird ein Stempel erzeugt, dessen Prägestrukturen an der Oberfläche das Negativ der Pixel darstellen, die in die Prägemasse zu prägen sind. Dabei werden Diffraktionsgitter für mehrere Wellenlängen auf dem Stempel erzeugt. Bei dem Stempel handelt es sich vorzugswei se um einen Weichstempel . In diesem Fall erfolgt die Herstellung des Weichstempels durch Abformung des Weichstempels von einem Masterstempel .

In einer zweiten, weniger bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Stempel um einen Hartstempel, dessen Prägeoberfläche durch aufwendigere Prozesse, insbesondere Elektronenstrahllithographie, hergestellt wurde.

In einem zweiten Prozessschritt des ersten Prozesses erfolgt die Abscheidung einer Prägemasse auf einem Substrat. Die Prägemasse wird vorzugsweise zentrisch auf einem Substrat aufgebracht und durch einen Schleuderprozess über die Substratoberfläche verteilt. Denkbar i st allerdings auch, dass die Prägemasse durch den folgenden Kontaktierungsprozess verteilt wird.

In einem dritten Prozessschritt des ersten Prozesses erfolgt die Ausrichtung des Stempels zum Substrat. Am Stempel und am Substrat können sich Ausrichtungsmarken befinden, welche zueinander ausgerichtet werden. Das ist vor allem dann notwendig, wenn sich am Substrat bereits gefertigte Strukturen, insbesondere funktionale Einheiten wie MEMs, Chips, etc. befinden. Denkbar wäre in diesem Zusammenhang al so, dass die Diffraktionsgitter über ein Substrat mit funktionellen Einheiten geprägt werden. Dadurch wird das Endprodukt noch vielseitiger.

In einem vierten Prozessschritt des ersten Prozesses erfolgt die Prägung der Prägemasse auf dem Substrat durch den Stempel . Dabei kommt es zu einer relativen Annäherung der Prägemasse auf dem Substrat und dem Stempel .

In einem fünften Prozessschritt des ersten Prozesses erfolgt die Aushärtung der Prägemasse auf dem Substrat. Die Aushärtung kann thermisch oder durch elektromagnetische Strahlung erfolgen. Besonders bevorzugt ist die Aushärtung durch elektromagnetische Strahlung, insbesondere UV-Licht, da durch diese Aushärtung keine bzw. höchstens sehr geringe thermischen Dehnungen entstehen. Die Aushärtung erfolgt vorzugsweise durch den Stempel . Der Stempel ist damit thermisch leitfähig und/oder transparent für die verwendete elektromagneti sche Strahlung.

In einem sechsten Prozessschritt des ersten Prozesses erfolgt die Entformung des Stempels von der Prägemasse. Die Entformung erfolgt vorzugswei se durch einen Prozessschritt, bei dem der Stempel nicht vollflächig, sondern schrittweise, vorzugswei se von einer Seite, noch bevorzugter radialsymmetrisch vom Rand, von der Prägemasse abgelöst wird. Dadurch werden entsprechend geringe Kräfte aufgebracht und eine Beschädigung der ausgehärteten Prägemasse weitestgehend verhindert.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nach folgender Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die zeigen schematisch in: Figur 1 drei beispielhafte Diffraktionselemente in Form von Diffraktionsgittern gemäß dem Stand der Technik in verschiedenen Ansichten,

Figur 2 ein Pixel aus drei Diffraktionsgittern, welche erfindungsgemäß in einer Fläche angeordnet sind,

Figur 3 eine erfindungsgemäßes optisches Bauteil in einer Draufsicht, wobei die Fläche beziehungsweise Oberfläche aus mehreren Pixeln besteht,

Figur 4 einen erfindungsgemäßen Wellenleiter mit zwei erfindungsgemäßen optischen Bauteilen zum Ein- und Auskoppeln von Licht.

Um die einzelnen Diffraktionsgitter in den Figuren besser unterscheiden zu können, werden die Diffraktionsgitter für die unterschiedlichen Farben rot, grün und blau, unterschiedlich gefärbt dargestellt. Die Färbung dient dabei nur der Darstellung und der besseren Unterscheidungsmöglichkeit und hat nichts mit der tatsächlich geprägten Struktur zu tun. Insbesondere unterscheiden sich die tatsächlich geprägten Strukturen nur in Bezug auf Ihre Gitterparameter.

In den Figuren sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die Figur 1 zeigt mehrere erste Diffraktionselemente, insbesondere Diffraktionsgitter, 1 , 1 ‘ , 1“ . In den folgenden Figuren werden immer Diffraktionsgitter als Beispiel eines Diffraktionselements verwendet. Jedes Diffraktionselement 1 , 1 ‘ , 1“ ist al so in den dargestellten Figuren so hergestellt, dass es als Diffraktionsgitter wirkt. Die Diffraktionselemente 1 , 1 ‘ , 1“ sind also im Allgemeinen unterschiedliche Diffraktionsgitter, mit unterschiedlichen Formen und Orientierungen. Die Figur 1 zeigt pro Zeile immer drei Diffraktionsgitter mit unterschiedlichen Formen von oben (links) und exemplarisch die Querschnittsdarstellungen des rechteckigen, dritten Diffraktionsgitters (rechts). Exemplarisch werden drei unterschiedliche Diffraktionsgitter für die Wellenlängen rot (r), grün (g) und blau (b) dargestellt. Die Darstellung erfolgt in den Farben Schwarz (r), Grau (g) und Weiß (b). Die dargestellten Diffraktionsgitter unterscheiden sich in Bezug auf die Form und die Orientierung. Es wurden exemplarisch die drei Formen Kreis, Dreieck und Rechteck gewählt.

Die unterschiedlichen Formen sollen vor allem verdeutlichen und offenbaren, dass ein Diffraktionsgitter eine beliebige Form haben kann. Durch die unterschiedliche Orientierung der Dreiecke wird angedeutet, dass die Diffraktionsgitter beliebig in der Fläche rotiert sein können. Das exemplarisch stark übertrieben Rechteck dient als Ausgangspunkt für die rechts dargestellt Schnittzeichnung, um die Diffraktionsgitter darzustellen. Erkennbar ist, dass sich die Gitterparameter ar, ag und ab für die unterschiedlichen Diffraktionsgitter unterscheiden, was notwendig ist, um entsprechend Wellenlängensensitiv sein zu können. Dem Fachmann auf dem Gebiet der Optik sind diese Zusammenhänge klar.

In den weiteren Figuren werden möglichst einfache geometrische Formen und Orientierungen verwendet, um die Darstellung möglichst einfach zu halten.

Die Figur 2 zeigt einen Pixel, im vorliegenden Fall eine Menge von exakt drei Diffraktionsgittern 1 , 1 ‘ , 1“ , die sich in ihren Gitterparametern unterscheiden aber dieselbe Form besitzen. Sie werden zu einem Pixel zusammengefasst. Ob die Diffraktionsgitter der unterschiedlichen Prägestrukturen dieselbe Orientierung besitzen, kann man auf Grund der einfarbigen beziehungsweise kreisförmigen Darstellung nicht erkennen. Dem Fachmann auf dem Gebiet ist allerdings klar, dass die Orientierung der Diffraktionsgitter zueinander gleich oder verschieden sein kann. Diese Gruppe von Prägestrukturen würde entsprechend weißes Licht, das mindestens Photonen mit einer roten, einer grünen und einer blauen Wellenlänge besitzt, streuen. Dabei befinden sich die Diffraktionsgitter des Pixels erfindungsgemäß alle in derselben Fläche und sind nicht hintereinander, also nicht gestapelt, angeordnet.

Die Figur 3 zeigt ein sehr einfach aufgebautes, rechteckiges erfindungsgemäßes optisches Bauteil 3 , bestehend aus einer Menge von Pixeln 2, von denen j edes aus drei Diffraktionsgittern 1 , 1 ‘, 1“ besteht. Das optische Bauteil 3 besitzt eine Länge L und einer Breite B . Das Bauteil 3 kann natürlich beliebig geformt sein. Insbesondere kann es auch gekrümmt sein. Von besonderer Bedeutung ist, dass die Diffraktionsgitter 1 , 1 ‘, 1 “ alle in beziehungsweise entlang derselben Fläche angeordnet sind. Alle Diffraktionsgitter 1 , 1 ‘ , 1“ eines j eden Pixels 2 befinden sich in einer Fläche. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine ebene beziehungswei se flache Fläche. Jedoch können in anderen Ausführungsformen die Pixel 2 und somit die darin angeordneten Diffraktionselemente 1 , 1 ‘ , 1 “ entlang einer gewölbten oder gekrümmten Fläche angeordnet werden.

Die Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Wellenleiter 4, bestehend aus einem ersten erfindungsgemäßen opti schen Bauteil 3 e zur Einkoppelung von Licht und einem zweiten erfindungsgemäßen optischen Bauteil 3 a zur Auskoppelung von Licht. Alle Diffraktionsgitter 1 , 1 ‘ , 1 “ (nicht eingezeichnet) eines j eden Pixels 2 (nicht eingezeichnet) befinden sich in einer Fläche. Insofern sind die Diffraktionsgitter, insbesondere auch für unterschiedliche Wellenlängen, nicht hintereinander geprägt und sind auch nicht gestapelt. Auf die Darstellung der Strukturen, die für die Weiterleitung des Lichts zwischen den Bauteilen 3 e und 3 a verantwortlichsind, wird nicht näher eingegangen. Der Fachmann auf dem Gebiet kennt derartige Wellenleiter. Insbesondere handelt es sich dabei um Metamaterialien. B e z u g s z e i c h e n l i s t e

1, 1‘, 1“ Diffraktionsgitter, Diffraktionselement

2 Pixel

3, 3a, 3e (optisches) Bauteil

4 Wellenleiter

L Länge

B Breite