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Diffractive optical surfaces with spatially variable structures angle

Subject Area Microsystems
Term from 2014 to 2019
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 257419907
 
Final Report Year 2019

Final Report Abstract

Innerhalb des Projektes konnte gezeigt werden, dass diamantgedrehte Hologramme (DTH) für den Einsatz als optische Sicherheitsmerkmale geeignet sind. Diese robusten Hologramme lassen sich mit einer Beleuchtung mittels Laser oder LED in einem einfachen Aufbau mit der Kamera eines Mobiltelefons erfassen. Die Fertigung erfolgte in einem Plandrehprozess mit hochdynamischem Werkzeugversteller. Um einen zusätzlichen Freiheitsgrad in der Bearbeitung und für das Design der Hologramme zu erhalten, wurde die Werkzeugbewegung um die Y-Achse der Werkzeugmaschine durch den Einsatz einer Rotationsachse erweitert. Es zeigte sich, dass die Dynamik der Verstellung der Achse erheblichen Einschränkungen unterliegt, weshalb der Einsatz nur kontinuierlich erfolgen konnte. Die realisierbare Winkeldifferenz pro Umdrehung betrug hierbei maximal ±4.8°. Durch diese Begrenzung konnte die Nutzbarkeit des zusätzlichen Freiheitsgrades für das optische Design experimentell nicht erfolgreich nachgewiesen werden. Der Fertigungsprozess konnte durch die Erarbeitung einer Justiermethodik und der Untersuchung der Verfahrensgrenzen optimiert werden. Hierdurch wurde die Herstellung von DTH’s mit einer geringen Abweichung von der berechneten Sollstruktur und einer hohen Rekonstruktionsqualität ermöglicht. Die gefertigten Hologramme wiesen hierbei einen festen Strukturwinkel auf, hierdurch konnten Strukturbreiten kleiner als die Schneidenbreite des Werkzeugs realisiert werden. Bei der Untersuchung des Einflusses verschiedener Strukturparameter auf die Rekonstruktionsqualität stellten sich der Strukturwinkel, die Strukturgröße und die Strukturtiefe als die wesentlichen Einflussgrößen heraus. Diese Erkenntnisse wurden zusammen mit den Fertigungsparametern in der Berechnung der Strukturdaten für die Fertigung von DTH’s miteinbezogen. Die Berechnung der Strukturdaten für die Fertigung der DTH’s erfolgte mit einem iterativen Verfahren. Um die Rekonstruktion von beliebigen Intensitätsverteilungen in unterschiedlichen Ebene zu ermöglichen wurde zusätzlich ein Iterative Compensation Algorithmus in die Berechnung implementiert. Die Lichtformung erfolgt im Wesentlichen durch eine Phasenmodulation der Wellenfront in der Hologrammebene. Der Strukturwinkel konnte als zusätzlicher Freiheitgrad für die Phasenmodulation identifiziert werden und es wurden Modelle für die Nutzung in der Wellenfeldapproximation entwickelt. Zur Berechnung von Hologrammen für einen breiten Wellenlängenbereich wurde ein Ansatz zur Herstellung von hybriden Oberflächen entwickelt. Eine hybride Oberfläche besteht hierbei aus einer Freiformfläche mit einer diffraktiven Feinstruktur. Dies ermöglichte in numerischen Simulationen eine gute Rekonstruktionsqualität für einen Wellenlängenbereich von mehr als ± 50 nm um die Designwellenlänge. Die gefertigten Hologramme zeigten eine hohe Rekonstruktionsqualität, sowohl in einer als auch in mehreren Rekonstruktionsebenen. Mit einem DTH mit einem Durchmesser von 10 mm konnte eine Rekonstruktionsgröße von mehr als 50 mm erreicht werden. Die Rekonstruktionsqualität erlaubt das Auslesen von QR-Codes mit einem Mobiltelefon. Bei der Wahl der Beleuchtung ist jedoch auf die Form der Referenzwelle und in einem gewissen Rahmen die Wellenlänge zu achten. Dieser Einfluss kann als zusätzliches Sicherheitsmerkmal angesehen werden, da für das Auslesen gewisse Vorkenntnisse erforderlich sind. In weiterführenden Arbeiten wird der Prozess um eine weitere Slow-Tool-Achse erweitert. Durch die Verwendung der maschineneigenen Z-Achse wird eine makroskopische 3-dimensionale Oberflächengeometrie erzeugt. In Kombination mit dem hochfrequenten nFTS soll es so möglich werden, eine mikrostrukturierte Freiformfläche zu fertigen.

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