Diffraktiv optische Elemente zur Lichtlenkung in transparenten Medien (DiffraLicht)

Im Projekt DiffraLicht (Diffraktiv optische Elemente zur Lichtlenkung in transparenten Medien) will die Hochschule RheinMain dreidimensionale diffraktive optische Elemente (DOE) entwickeln, mit denen transparente Lichtflächen für die Beleuchtungstechnik und neuartige Displays unter anderem für Anwendungen im Bereich der Augmented Reality realisiert werden können. Projektleiter ist Prof. Dr. Stefan Kontermann. 

Herausforderung

Transparente, schaltbare Lichtflächen auf Basis von diffraktiven optischen Elementen (DOE) gelten als wichtige Neuerung in der Beleuchtungstechnik. Sie können als schwebend erscheinende Leuchten und schaltbare Raumtrennelemente („Lichtvorhänge“) eingesetzt werden und zum Beispiel als Fassadenfenster oder leuchtende Füllelemente in Geländern dienen. Selbst transparente Fensterflächen, die zugleich als Lichtfläche zur Innen- oder Außenbeleuchtung genutzt werden, sind denkbar. Außerdem hat die Technologie Potenzial für einen Einsatz im Bereich Augmented Reality (AR), zum Beispiel für die Einblendung von Informationen direkt auf der Windschutzscheibe im Auto. Die notwendigen lichtleitenden Strukturen im Material werden bisher für gewöhnlich eingeprägt oder durch Streupartikel erzeugt. Hierin liegt allerdings noch ein entscheidendes Problem dieser lichtlenkenden Strukturen: Die so entstehenden Lichtflächen sind nicht vollständig transparent.

Ziele und Vorgehen

Im Projekt DiffraLicht sollen dreidimensionale diffraktive optische Elemente (DOE) entwickelt werden, mit denen transparente Lichtflächen realisiert werden können. Anders als bei bisherigen Lösungsansätzen sollen diese DOEs vollständig transparent sein; sie werden in einem Wellenleiter platziert und sollen auch unter Beleuchtung mit polychromatischem („mehrfarbigem“) Licht ein weißes Beugungsbild erzeugen. Um das Ziel zu erreichen, wird ein Ultrakurzpuls-Laser (UKP-Laser) eingesetzt und an einen 3D-Mikroscanner gekoppelt. Parallel wird ein erstes DOE-Design im Wellenleiter entworfen, und das Projektteam nimmt die Simulationsarbeiten auf. Schließlich wird das finale DOE simuliert und realisiert. In mehreren Iterationsschritten, die jeweils eine umfangreiche optische, mechanische und strukturelle Charakterisierung der DOEs beinhalten, wird das DOE im Wellenleiter auf Labormaßstab auf die Anforderungen optimiert. Schließlich soll aus den DOEs ein Prototyp der transparenten Lichtfläche entwickelt werden. Abschließend wird eine Demonstrator-Leuchte basierend auf der transparenten Lichtfläche aufgebaut und bewertet.

Innovationen und Perspektiven

Die im Projekt entwickelte Mikrostrukturierungstechnologie wird insbesondere von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) für innovative und individualisierte Produkte sowie für flexible und automatisierte Fertigungsverfahren im Sinne von Industrie 4.0 benötigt. Die beteiligten Industriepartner sehen ein hohes Marktpotenzial für die transparenten DOEs und planen, diese in neuartige Produkte umzusetzen. So bringt etwa die LightTrans International UG ihre Optikdesign-Software VirtualLabFusion ins Projekt ein und plant, künftig auch Simulationen von DOEs in diese Software zu integrieren. Die LightFab GmbH erwartet Prozesserkenntnisse zum 3D-Rapid-Prototyping von transparenten Medien wie Plexiglas und Polycarbonat und zur Realisierung von DOEs mittels 3D-Printer. Die Hochschule RheinMain wird die Projektergebnisse im Rahmen von Konferenzbeiträgen und Publikationen sowie in der Lehre verwerten.