[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche
auf einem Gegenstand. Dabei soll eine strukturierte Oberfläche so ausgebildet werden,
dass definierte Farbeffekte infolge Brechungseffekten beim Bestrahlen der Oberfläche
hervorgerufen werden können.
[0002] In der jüngeren Vergangenheit wurden neue Laserstrukturierungsverfahren in die Praxis
eingeführt, mit denen Strukturen, die auch optisch wirken und visuell erfasst werden,
mit hoher Produktivität und in kurzer Zeit auf ausrechend großen Flächenbereichen
ausgebildet werden können.
[0003] Dies trifft zum einen auf das Verfahren der laserinduzierte periodische Mikrostrukturen
(auf English Laser Induced Periodic Surface Structures), bei denen polarisierte Laserstrahlung
zur Ausbildung von Strukturelementen eingesetzt wird (LIPSS) zu. Noch besser geeignet
sind Verfahren der direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP), da damit eine noch
größere Produktivität und Vielfalt bei der Ausbildung von periodischen Strukturelementen
erreicht werden kann.
[0004] Mit entsprechend an Oberflächen vorhandenen Strukturelementen können durch Brechungseffekte
auftreffender elektromagnetischer Strahlung je nach Einfallswinkel und dem Winkel
in Bezug zu einer Beobachtungsposition unterschiedliche Farbeindrücke an einer entsprechend
strukturierten Oberfläche hervor gerufen werden.
[0005] Insbesondere durch die jeweilige Beobachtungsposition und die Größe der beobachteten
bzw. erfassten entsprechend strukturierten Flächengröße tritt dabei der Effekt auf,
dass durch die unterschiedlichen Winkelverhältnisse keine größeren Flächenbereiche
einen gleichen Farbeindruck mit gleicher Farbe mit bestimmter Wellenlänge hervorrufen.
So wechselt die jeweilige Farbe entsprechend mit dem Betrachtungswinkel θ, beispielsweise
von rot zu orange bis gelb, obwohl die Strukturelemente mit einer Periodenstruktur
Λ für eine rote Wellenlänge ausgebildet worden sind.
[0006] In der Regel werden so auf einer Fläche immer mehrere Farben gebrochen und reflektiert,
so dass ein Regenbogeneffekt zu verzeichnen ist. Die Farbe weiß kann mit den bekannten
Strukturierungen gar nicht erreicht werden.
[0007] Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für Produktkennzeichnungen ist es aber
gewünscht dass bestimmte größere entsprechend strukturierte Oberflächenbereiche ausgehend
von einer Beobachtungsposition einen gleichen Farbeindruck hervorrufen und in Richtung
Beobachtungsposition elektromagnetische Strahlung von diesem oder mehreren so strukturierten
Oberflächenbereichen mit gleicher Wellenlänge oder in gleicher Farbe in Richtung Beobachtungsposition
reflektiert werden sollen. Dies ist aber bisher nicht in ausreichendem Maß erreicht
worden.
[0008] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen größere Oberflächenbereiche
einer mit periodisch angeordneten Strukturelementen versehenen Oberfläche eines Gegenstandes
einen gleichen Farbeindruck in gleicher Farbe bei Betrachtung oder Abbildung von oder
an einer Beobachtungsposition hervor zu rufen.
[0009] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs
1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
[0010] Bei dem Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche wird auf einem
Gegenstand die Gesamtfläche der strukturierten Oberfläche in Teilflächen eingeteilt.
[0011] In den einzelnen Teilflächen wird mittels Laserstrahlung ausgebildeten Strukturelementen
jeweils eine periodische Struktur mit einer Strukturperiode Λ(d) ausgebildet, so dass
von einer Beobachtungsposition mehrere Teilflächen, die in unterschiedlichen Abständen
und Winkeln zur Beobachtungsposition diskret zueinander angeordnet sind, jeweils eine
Abbildung mit gleichem Farbeindruck mit gleicher Wellenlänge λ bei einer Bestrahlung
der strukturierten Oberfläche mit weißem Licht erfasst oder erkannt werden.
[0012] Dabei wird die Strukturperiode Λ(d) der einzelnen Teilflächen nach der Gleichung

bestimmt.
[0013] Dabei ist θi der Einfallswinkel des weißen Lichts auf die strukturierte Oberfläche;
λi die jeweilige vorgegebene Wellenlänge der jeweiligen Farbe des Farbeindrucks der
jeweiligen Teilfläche, θobsn(d=0) der Winkel ausgehend von der Beobachtungsposition
bis zur jeweiligen Teilfläche n, der sich nach der Gleichung

berechnet.
[0014] Dabei ist wiederum L der Abstand der jeweiligen Teilfläche in horizontaler Richtung
zur Beobachtungsposition und h der Abstand der jeweiligen Teilfläche in vertikaler
Richtung zur Beobachtungsposition.
[0015] Die Beobachtungsposition wird dabei entweder von den Augen einer Person oder von
dem Ort einer Kamera in Bezug zu den Teilflächen bestimmt. Die Richtungen horizontal
und vertikal können auch in anderen Achsen liegen, wenn die jeweilige erfindungsgemäß
strukturierte Oberfläche nicht parallel zur Horizontalen ausgerichtet ist.
[0016] Wird durch eine Bewegung, bevorzugt eine sukzessive Bewegung die Beobachtungsposition
in Bezug zur strukturierten Fläche verändert, so ändert sich auch der erfassbare oder
wahrnehmbare Farbeindruck. So kann beispielsweise ein vorher mit entsprechend strukturierten
Teilflächen gebildeter Oberflächenbereich von gelb nach orange und von orange nach
rot wechseln.
[0017] Ein Gegenstand kann beispielsweise ein Produkt sein, das mit der erfindungsgemäß
hergestellten strukturierten Oberfläche gekennzeichnet oder auch beispielsweise zu
Werbezwecken genutzt werden kann.
[0018] Die jeweilige Strukturperiode Λ(d) von Teilflächen wird durch die Abstände von nebeneinander
angeordneten Strukturelementen vorgegeben. Die Strukturperiode Λ(d) sollte in jeder
Teilfläche konstant gehalten sein. Kleine Variationen der Strukturperiode Λ(d) innerhalb
einer Teilfläche können jedoch tolleriert werden. Dies trifft insbesondere dann zu,
wenn die Winkeldifferenz ausgehend von der Beobachtungsposition bis zu den vorderen
und hinteren Abständen der jeweiligen Teilfläche berücksichtigt worden ist.
[0019] Für die Herstellung eines strukturierten Oberflächenbereichs bei dem mehrere Teilflächen,
die in unterschiedlichen Abständen zur Beobachtungsposition in horizontaler Richtung
angeordnet sind und einen Farbeindruck mit gleicher Farbe mit gleicher Wellenlänge
λ hervorrufen sollen, soll der Winkel 0obs2 ausgehend von der Beobachtungsposition
bis zur am weitesten entfernten Teilfläche so berücksichtigt werden, dass

ist und dabei ist d der Abstand zwischen der zur Beobachtungsposition am weitesten
und der am nächsten in horizontaler Richtung angeordneten Teilfläche.
[0020] Die Teilflächen sollten mit einem Durchmesser oder einer Länge der Flächendiagonale
im Bereich 0,0003 mm bis 1,0000 mm strukturiert werden.
[0021] Die Teilflächen sollten mit Strukturelementen, die infolge eines Werkstoffabtrags,
eines Umschmelzprozesses oder einer Modifizierung des Werkstoffs des Gegenstands oder
einer an der Oberfläche ausgebildeten Beschichtung, die lokal definiert angeordnet
sind, ausgebildet werden. Dabei kann bei einem Umschmelzprozess eine Volumenveränderung
im mit Laserstrahlung bestrahlten Bereich erreicht werden. Durch Umschmelzen oder
auch eine Modifizierung des Werkstoffs im mit Laserstrahlung bestrahlten Oberflächenbereich
kann aber auch bei den so erhaltenen Strukturelementen eine Veränderung des optischen
Brechungsindex, der Transparenz und/oder der Reflektivität erreicht werden.
[0022] Es besteht auch die Möglichkeit, die Größe der Teilflächen mit größerem Abstand zur
Beobachtungsposition zu vergrößern und/oder die Strukturperiode Λ(d) mit kleinerem
Abstand zur Beobachtungsposition zu verkleinern.
[0023] Vorteilhaft können Teilflächen, die einen roten, grünen und blauen Farbeindruck hervorrufen
unmittelbar nebeneinander ausgebildet werden, so dass ein so ausgebildeter Oberflächenbereich
bei Bestrahlung mit weißem Licht einen von den Farben rot, grün und blau abweichenden
homogenen, insbesondere einen weißen Farbeindruck in diesem Oberflächenbereich hervorruft.
Dabei sollten die Teilflächen, die die unterschiedlichen Farbeindrücke grün, blau
und rot hervorrufen, in regelmäßiger Anordnung nebeneinander ausgebildet werden.
[0024] Es kann auch ein Einfluss auf einen erreichbaren Farbeindruck oder die Intensität
des Farbeindrucks, dadurch erreicht werden, dass Teilflächen, die zwar eine konstante
Strukturperiode Λ(d) aufweisen, sich aber in der Höhe bzw. Tiefe mit der Strukturelemente
in entsprechenden Teilflächen ausgebildet worden sind, unterscheiden.
[0025] Teilflächen können sich teilweise überlappend ausgebildet werden. Dabei sollten innerhalb
von Teilflächen, die in einem zumindest nahezu gleichen Abstand zur Beobachtungsposition
angeordnet sind, gleiche Strukturierungen ausgebildet werden. Eine überlappende Ausbildung
bietet sich bei kleinem Abstand bis zur jeweiligen Beobachtungsposition an.
[0026] Bei größerem Abstand können auch Abstände zwischen nebeneinander angeordneten Teilflächen
gewählt werden.
[0027] Mittels Laserstrukturierung können zum Beispiel linienförmige, punktförmige, kreuzförmige
oder säulenförmige Strukturelemente ausgebildet werden. Nichtlinienförmig ausgebildete
Strukturelemente sollten aber bevorzugt in einer Reihenanordnung ausgebildet werden.
[0028] Es können an einer auf einem Gegenstand ausgebildeten strukturierten Oberfläche Teilflächen
mit unterschiedlicher Größe und/oder Strukturelemente mit unterschiedlicher Ausrichtung
der jeweiligen Strukturelemente ausgebildet werden.
[0029] Es sollten Strukturelemente in den Teilflächen ausgebildet werden, die möglichst
homogen sind, was beispielsweise die Tiefe oder Höhe und die Ausdehnung in mindestens
eine Achsrichtung betrifft.
[0030] Wie bereits eingangs angedeutet, eignen sich Laserstrukturierungsverfahren, wie das
LIPSS und insbesondere das DLIP auch mit seinen Ausführungsformen.
[0031] Bei den DLIP-Verfahren kann die jeweilige Strukturperiode Λ(d) durch geeignet Wahl
der Einfallswinkel, der miteinander interferierenden Laserteilstrahlen beeinflusst
werden. So ergibt sich bei zwei Teilstrahlen die Strukturperiode Λ gemäß der Gleichung

[0032] Dabei ist λ die Wellenlänge der Laserstrahlung und θ der halbe Winkel zwischen den
einfallenden Teilstrahlen. So können Strukturen ausgebildet werden, die so klein sind,
wie die Hälfte der Laserstrahlwellenlänge, die zur Ausbildung von Strukturelementen
eingesetzt wird.
[0034] Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden.
[0035] Dabei zeigen:
Figur 1 die Abhängigkeit der erforderlichen Strukturperiode Λ(d) von Teilflächen von
der jeweiligen Beobachtungsposition in schematischer Form;
Figur 2 die Abhängigkeit der erforderlichen Strukturperiode Λ(d) von Teilflächen vom
jeweiligen Abstand zur jeweiligen Beobachtungsposition in schematischer Form;
Figur 3 bis 8 mögliche Beispiele für Strukturierungen von Teilflächen;
Figur 9 mit mehreren nebeneinander angeordneten Teilflächen, die auf unterschiedliche
Farbeindrücke strukturiert sind, erreichbare Farbeffekte und
Figur 10 erreichbare Farbeffekte bei einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäß
hergestellten Strukturierung.
[0036] Mit Figur 1 soll verdeutlicht werden, welchen Einfluss eine Beobachtungsposition
P auf die jeweilige erforderliche Strukturperiode Λ(d) von Teilflächen hat, wenn von
mehreren oder allen Teilflächen von einer Beobachtungsposition P gleichzeitig ein
gleicher Farbeindruck mit möglichst einer gleichen Wellenlänge λ erfasst bzw. erkannt
werden soll.
[0037] Es wird deutlich, dass der Abstand L in horizontaler Richtung und die Höhe h in vertikaler,
also der Richtung senkrecht zum Abstand L einen erheblichen Einfluss haben. Dies trifft
auch auf den Einfallswinkel θi des weißen Lichts zu, der bei diesem Beispiel bei 0°
gewählt wurde.
[0038] Auch durch eine Drehung oder die Einnahme einer anderen Winkelstellung in Bezug zur
Beobachtungsposition kann man den von der Beobachtungsposition erfassbaren Farbeindruck
bzgl. der erkennbaren Farbe(n) verändern.
[0039] Unter Berücksichtigung der in Figur 1 gezeigten Gleichungen kann die Strukturperiode
Λ(d) für jede einzelne Teilfläche berechnet und dann bei der Laserstrukturierung der
jeweiligen Teilflächen berücksichtigt werden, wenn mit mehreren Teilflächen ein jeweils
gleicher Farbeindruck von einer Beobachtungsposition P erreicht werden soll.
[0040] Dabei kann man auch das jeweilige Blick- oder Erfassungsfeld, das von einer Person,
wie gezeigt, oder einer Kamera erfasst werden kann, berücksichtigen. Dies ist mit
den Winkeln θobs1 und θobs2 angedeutet.
[0041] Die Veränderung der Strukturperiode Λ(d) in Abhängigkeit des Abstandes d von Teilflächen
1, 2, 3, .... n ist in der linken Darstellung von Figur 2 eindimensional und in der
rechten Darstellung zweidimensional verdeutlicht.
[0042] Man kann erkennen, dass sich die Strukturperiode Λ(d) mit größer werdendem Abstand
d von der Beobachtungsposition vergrößert. Die einzelnen Strukturelemente weisen also
dann mit größer werdendem Abstand kleinere Abstände zueinander auf.
[0043] In der rechten Darstellung von Figur 2 kann man erkennen, wie sich Strukturperioden
Λ(d) verändern sollten, wenn die Beobachtungsposition nicht mittig vor der strukturierten
Gesamtfläche, die mit den Teilflächen1, 2, 3, gebildet worden ist, angeordnet ist.
Durch eine Veränderung der jeweiligen Beobachtungsposition P kann sich der Farbeindruck
von Teilflächen verändern.
[0044] Der rechten Darstellung von Figur 2 kann man auch die Möglichkeit sich verändernder
Strukturperioden Λ(d) an Teilflächen 1, 2, 3, .... , n die in vertikaler und senkrechter
Richtung in Bezug zur jeweiligen Beobachtungsposition P, also in zwei senkrecht zueinander
ausgerichteten Achsrichtungen entsprechend strukturiert werden können.
[0045] Aus dieser Darstellung geht auch hervor, dass man an einer auf einem Gegenstand ausgebildeten
strukturierten Oberfläche auch Teilflächen 1,2, 3.... Mit unterschiedlicher Größe
ausbilden kann.
[0046] Die Abhängigkeit der jeweiligen Strukturperiode Λ(d) vom Abstand d der Teilflächen
1, 2 und 3 zu der jeweiligen Beobachtungsposition P kann man auch in Figur 3 erkennen.
Dabei sind die Teilflächen 1, 2 und 3 jeweils mit linienförmigen Strukturelementen
versehen worden, deren Abstand zueinander in den einzelnen Teilflächen 1, 2 und 3
die Strukturperiode Λ(d) bestimmt. Hier sind die Teilflächen 1, 2 und 3 kreisförmig
ausgebildet und unmittelbar nebeneinander angeordnet ausgebildet worden.
[0047] Die in Figur 4 gezeigten Teilflächen 1, 2 und 3 weisen Abstände zueinander auf.
[0048] Bei der Figur 5 wurden Teilflächen 1, 2 und 3 sich teilweise überlappend ausgebildet.
Dabei überlappen sich Teilflächen 1, 2 und 3 die jeweils die gleiche Strukturperiode
Λ(d) aufweisen.
[0049] In Figur 6 ist gezeigt, dass auch Teilflächen 1, 2 und 3 ausgebildet werden können,
die versetzt zueinander angeordnet sind.
[0050] Die Figur 7 zeigt die Möglichkeit, dass Teilflächen 1, 2 und 3 versetzt zueinander
und sich teilweise überlappend ausgebildet werden können.
[0051] Bei den in den Figuren 3 bis 7 gezeigten Oberflächenbereichen der strukturierten
Oberfläche konnte mit den entsprechenden Anordnungen von Teilflächen 1, 2 und 3 unter
Einhaltung der jeweiligen Strukturperioden Λ(d) in Abhängigkeit vom Abstand zur Beobachtungsposition
erreicht werden, dass man von dort bei Bestrahlung der strukturierten Oberfläche jeweils
den gleichen Farbeindruck erkennen bzw. erfassen kann.
[0052] In Figur 8 sind sechs Beispiele für mögliche Ausbildungen von Strukturelementen an
Teilflächen gezeigt. Dabei weisen die drei in der oberen Reihe gezeigten Teilflächen
linienförmige Strukturelemente mit unterschiedlicher Winkelausrichtung auf.
[0053] In der linken unteren Darstellung sind in einer Teilfläche linienförmige Strukturelemente
mit unterschiedlicher Ausrichtung, bei diesem Beispiel senkrechter Ausrichtung zueinander
ausgebildet worden. Die beiden daneben in der unteren Reihe gezeigten Beispiele von
Teilflächen weisen unterschiedliche punktförmige Strukturelemente, deren Abstände
zueinander die jeweilige Strukturperiode Λ(d) bestimmen.
[0054] Mit Figur 9 soll verdeutlicht werden, wie man Oberflächenbereiche einer erfindungsgemäß
strukturierten Oberfläche mit Teilflächen, die in Abhängigkeit der jeweiligen Beobachtungsposition
mit Strukturperioden Λ(d) für rotes, grünes und blaues Licht strukturiert worden und
entsprechend zueinander angeordnet sind, erhalten kann, die jeweils gleiche homogene
Farbeindrücke hervorrufen. Bei dem gezeigten Beispiel sind dies die Farben rot, gelb,
grün, blau, Cyan, Magenta und weiß.
[0055] Figur 10 zeigt einen Vergleich einer herkömmlich strukturierten Oberfläche, bei der
regenbogenförmige Farbeindrücke auftreten in der linken Darstellung. Die rechte Darstellung
zeigt, wie man durch Anpassungen von Strukturperioden Λ(d) in Teilflächen unter Berücksichtigung
der jeweiligen Beobachtungsposition gleiche Farbeindrücke erhalten kann.
1. Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand, bei
dem die Gesamtfläche der strukturierten Oberfläche in Teilflächen (1, 2, 3, .... ,
n) eingeteilt und
in den einzelnen Teilflächen (1, 2, 3, ...., n) mit Laserstrahlung ausgebildeten Strukturelementen
jeweils eine periodische Struktur mit einer Strukturperiode Λ(d) ausgebildet wird,
so dass von einer Beobachtungsposition (P) mehrere Teilflächen (1, 2, 3, .... , n),
die in unterschiedlichen Abständen und Winkeln zur Beobachtungsposition (P) diskret
zueinander angeordnet sind,
jeweils eine Abbildung mit gleichem Farbeindruck mit gleicher Wellenlänge λ bei einer
Bestrahlung der strukturierten Oberfläche mit weißem Licht erfass- oder erkennbar
ist und dabei die Strukturperiode Λ(d) der einzelnen Teilflächen (1, 2, 3, .... ,
n) nach der Gleichung

bestimmt wird, wobei
θ i der Einfallswinkel des weißen Lichts auf die strukturierte Oberfläche; λi die
jeweilige vorgegebene Wellenlänge der jeweiligen Farbe des Farbeindrucks der jeweiligen
Teilfläche(1, 2, 3, .... , n), θobsn(d=0) der Winkel ausgehend von der Beobachtungsposition
(P) bis zur jeweiligen Teilfläche (n), der sich nach der Gleichung

berechnet, ist,
wobei L der Abstand der jeweiligen Teilfläche (1, 2, 3, .... oder n) in horizontaler
Richtung zur Beobachtungsposition (P) und h der Abstand der jeweiligen Teilfläche
(1, 2, 3, .... oder n) in vertikaler Richtung zur Beobachtungsposition (P) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines strukturierten Oberflächenbereichs bei dem mehrere Teilflächen
(1, 2, 3, ...., n), die in unterschiedlichen Abständen zur Beobachtungsposition (P)
in horizontaler Richtung angeordnet sind und einen Farbeindruck mit gleicher Farbe
mit gleicher Wellenlänge λ hervorrufen sollen,
der Winkel θobs1 ausgehend von der Beobachtungsposition (P) bis zur am weitesten entfernten
Teilfläche so berücksichtigt wird, dass
θ obs2(d) = arctan((L - d)/h) ist und dabei d der Abstand zwischen der zur Beobachtungsposition
(P) am weitesten und der am nächsten in horizontaler Richtung angeordneten Teilfläche
(1, 2, 3, .... , n) ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilflächen (1, 2, 3, .... , n) mit einem Durchmesser oder einer Länge der Flächendiagonale
im Bereich 0,0003 mm bis 1,0000 mm strukturiert werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilflächen (1, 2, 3, .... , n) mit Strukturelementen, die infolge eines Werkstoffabtrags,
eines Umschmelzprozesses oder einer Modifizierung des Werkstoffs des Gegenstands oder
einer an der Oberfläche ausgebildeten Beschichtung, die lokal definiert angeordnet
sind, ausgebildet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Teilflächen (1, 2, 3, .... , n) mit größerem Abstand zur Beobachtungsposition
(P) vergrößert und/oder die Strukturperiode Λ(d) mit kleinerem Abstand zur Beobachtungsposition
verkleinert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teilflächen (1, 2, 3, .... , n), die einen roten, grünen und blauen Farbeindruck
hervorrufen unmittelbar nebeneinander ausgebildet werden, so dass ein so ausgebildeter
Oberflächenbereich bei Bestrahlung mit weißem Licht einen von den Farben rot, grün
und blau abweichenden homogenen, insbesondere einen weißen Farbeindruck in diesem
Oberflächenbereich hervorruft.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teilflächen (1, 2, 3, .... , n) sich teilweise überlappend ausgebildet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass linienförmige, punktförmige, kreuzförmige oder säulenförmige Strukturelemente ausgebildet
werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer auf einem Gegenstand ausgebildeten strukturierten Oberfläche Teilflächen
(1, 2, 3, .... , n) mit unterschiedlicher Größe und/oder Strukturelemente mit unterschiedlicher
Ausrichtung der jeweiligen Strukturelemente ausgebildet werden.