DE19726644A1

DE19726644A1 - Verfahren zur Herstellung von optischen Bauelementen

Info

Publication number: DE19726644A1
Application number: DE1997126644
Authority: DE
Inventors: Volker Dr Ing Guyenot; Stefan Dipl Ing Risse; Thomas Dr Peschel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-06-18
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2017-06-19
Also published as: DE19726644B4

Description

Die bekannten Herstellungsverfahren optischer Bauelemente sind gut bekannt/KAROW, H.K.: "Fabrication Methods for Precision Optics", John Wiley & Sons, Inc., New York 1993/. Es gibt auch mehrere Methoden diffraktive Mikrolinsen herzustellen. Der Erfindung am nächsten liegende Methoden sind:

- Tropfenerzeugung eines UV-härtbaren Optikklebstoffs auf einen Glasträger mit Hilfe einer medizintechnischen Spritze, wodurch eine Mikrolinse bzw. Anordnungen von Mikrolinsen geschaffen werden können/Keyworth, B.P. et al. Dispensed Polymer Microlenses, OSA Ann. Meet. 1995/. Die Tropfengröße und die Reproduzierbarkeit des Volumens sind unbefriedigend. Es sind nur konvexe Linsen machbar.
- Warmprägen oder Spritzgießen von Kunststofflinsen, wobei die Formenherstellung das Problem darstellt. Vorteilhaft ist die beliebige Formenvielfalt
- fotolithografische Generierung im Resist, Ätzen von zylindrischen Formen im Mutterstück, Galvanoabformung, Ausgießen mit Kunststoff und Aufschmelzen der Kunststoffzylinder, so daß eine linsenförmiges Gebilde entsteht/Popovic, Z.D. et al: "Technique for monolithic fabrication of microlens arrays", Appl. Optics, Vol. 27, pp. 1281-11984/. Nachteile sind im Aufwand der Formenherstellung zu sehen und in der Unmöglichkeit, die planare Grundstruktur des Trägers zu verlassen. Auch bei diesem Verfahren sind nur konvexe Linsen machbar.
- Aufschmelzen der Kunststoffzylinder, wobei die Formen in Kombination mit einem LIGA- Prozeß gewonnen werden, Nachteile wie vorgenannt.
- Im PCT/US95/02480 = WO 95/23037 beanspruchen die Erfinder D. J. Hayes und W. R. Cox das Verfahren, einen dod-Tintenstrahldruckkopf zur Erzeugung der Mikrolinsen und Linsenarrays einzusetzen. Es wird nicht erkannt, daß optisch passive und aktive Bauteile direkt mit den Mikrolinsen verbunden werden können, so daß die Bauteile völlig neue Wirkungen erhalten. Die dem Verfahren innewohnenden Ausgestaltungsmöglichkeiten werden noch nicht erkannt, insbesondere werden patentlich nicht beansprucht. Weitere Literatur: COX, W.R. et al.: "Fabrication of micro-optics by microjet printing", SPIE Vol. 2783, pp. 110-115; "Mikrodosierung", Firmenschrift der Fa. microdrop, Norderstedt, 1993; Cox, W. R. : "Microjet printing of anamorphotic microlens arrays", SPIE Vol. 2687, pp. 89-91.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des bekannten Wissensstands zu überwinden, wobei die Gestaltung optisch aktiver und passiver Bauelemente mit Mikrolinsenstrukturen im Vordergrund steht. Effekte der Achromatisierung, der spektralen Farbteilung, der richtungsabhängigen Positionserkennung bei fotoelektrischen Empfängern sind gewünscht und sollen mit der vorliegenden Erfindung untersetzt werden. Nach dem bekannten Stand der Mikrolinsenherstellung gibt es kein Verfahren außer der aufwendigen Herstellung von Spritzgußformen und der anschließenden Spritzurformung von Kunststofflinsen, mit welchem Konkavlinsen erzeugt werden können. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer solchen einfachen und kostengünstigen Möglichkeit.

Wesen der Erfindung

Verfahren zur Herstellung von passiven optischen Bauelementen (Linsen, Prismen, Gitter, Teilerplatten, Spiegel) und/oder aktiven optischen Bauelementen (Fotoempfänger, Positionsdetektoren etc.), die mit Hilfe der bekannten Verfahren der optischen bzw. der Mikroelektronikindustrie produziert werden, gekennzeichnet dadurch, daß die optisch wirksamen Flächen mit einer oder mehreren Mikrolinsen durch Aufspritzen kleiner Klebstofftröpfchen versehen werden. Dadurch entsteht beispielsweise bei einer Linse neben der normalen optischen Abbildung eine zweite Abbildung (Strahlenteilung) durch Wirkung der Mikrolinsenstruktur. Zu den optischen Bauelementen zählen auch Fasern, Streifen- und Schichtwellenleiter, die erfindungsgemäß besonders effektiv durch Auftrag der Klebstofftröpfchen eine Aperturanpassung erfahren bzw. bei zusätzliche Auftrag neuartige Auskoppelstellen erhalten können. Durch den Auftrag der Klebstofftröpfchen auf Wellenleiter können auch Mikro-Resonatoren geschaffen werden.

Die Klebstofftröpfchen können in einer oder mehreren Reihen, in kreisförmiger, quadratischer oder in beliebigen anderen geometrischen Anordnungen auf einen Bauelemente-Träger aufgespritzt werden.

Zum Aufspritzen können Klebstoffe verschiedener Brechzahlen eingesetzt werden. Bei Mikrolinsenstrukturen, die mehrere Mikrolinsen umfassen, können somit unterschiedliche optische Wirkungen (Fokuslagen) erzielt werden.

Erfindungsgemäß können auch Klebstoffe verschiedener Dispersionen übereinander aufgetragen werden. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Möglichkeit der Darstellung von konkaven Formen kann somit eine Achromatisierung des Strahlengangs bei geeigneter Wahl der Klebstoffe erreicht werden.

Weiterhin ist die Erfindung gekennzeichnet dadurch, daß die Klebstofftröpfchen optisch farblos oder eingefärbt sein können. Eine Auftrennung des Strahlengangs mit den verschiedenen Farben und Abbildungsverhältnissen wird dadurch ermöglicht.

Eine besondere Bedeutung erlangen mikrooptische Bauelemente. Sie sind charakterisiert dadurch, daß sie neben einer fotoempfindlichen Struktur auf dem gleichen Chip auch die mikroelektronische Struktur zur Ansteuerung und Signalverarbeitung aufweisen. Als Herstellungstechnologien sind neben der bekannten Hybridbauweise in neuerer Zeit Tendenzen erkennbar, die mikroelektronische Schaltung und die optischen Funktionsflächen im Batch- Prozeß zu erzeugen, um somit eine preisgünstige Massenfertigung nach annähernd bekannten Mikroelektronikverfahren zu erreichen. Die fotoelektronischen Funktionsflächen dienen der Detektion von Licht bezüglich dessen Beleuchtungsstärke, Position, Spektrum, Polarisation, Richtungsabhängigkeit und anderer dem Licht innewohnender und kombinierter Eigenschaften.

Erfindungsgemäß können nun auf die optisch wirksame Empfängerfläche des mikrooptischen bzw. lichtleitenden Bauelements die Klebstofftröpfchen aufgetragen werden, wodurch eine optische abbildende Wirkung erzielt wird. Das ist vorteilhaft für die Koppelung von Empfängerfläche und Input-Fenster am Gehäuse oder für die Koppelstelle von Faser und Wellenleiter.

Die Klebstofftröpfchen können nahezu sphärisch, asphärisch oder zylindrisch ausgebildet sein. Das ist komfortabel mittels Aufspritzvorrichtung steuerbar. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Möglichkeit der Darstellung von konkaven Formen können auch Zylinderlinsen mit zerstreuender Wirkung geschaffen werden.

Weiterhin ist die Erfindung gekennzeichnet dadurch, daß die Klebstofftröpfchen auf elastische, optisch transparente, für Licht teildurchlässige bzw. für Licht undurchlässige Bänder aufgespritzt werden können. Somit sind interessante neuartige optische Bauelemente herstellbar. Die Mikrolinsen sind beispielsweise in einer oder mehreren Reihen auf dem Band angeordnet, wodurch eine bestimmte Abbildung erzielt wird. Bei einer Längenänderung des Bandes durch eine Zugeinwirkung verändern sich die Abstände der Mikrolinsen, die Abbildung wird verändert. Das kann ausgenutzt werden für eine Meßvorrichtung zur Messung der Dehnung, einer Längenveränderung oder einer Krafteinwirkung auf das Band. Bei mehren Linsenreihen kann ein einfaches Encoding erreicht werden.

Erfindungsgemäß sollen die mikrooptischen Strukturen auch als Konkavlinsen ausgebildet werden. Dazu ist ein zweistufiges Verfahren vorgesehen, wobei in einer 1. Verfahrensstufe eine Ringwulst aus einem 1. Klebstoff aufgetragen wird und in einem 2. Verfahrensschritt diese Ringwulst mit dem eigentlichen optisch wirksamen 2. Klebstoff aufgefüllt wird. Der Effekt der Adhäsion in Verbindung mit Kohäsion und Schwerkraft wird so genutzt, daß in der Ringwulst der 2. Klebstoff die gewünschte konkave Form annimmt. Das ist bei geeigneter Materialauswahl und Formgebung möglich.

Die Herstellung von Konkavlinsen ist vorteilhaft durch Auffüllen bereits für diesen Zweck vorgesehener Aussparungen im Träger machbar, wobei ebenfalls der Effekt der Adhäsion ausgenutzt wird. Auf die gleiche Weise können Zylinderlinsen mit zerstreuender Wirkung als mikrooptisches Bauteil erzeugt werden.

Beansprucht wird weiterhin der schichtweise Aufbau optischer Strukturen durch mehrfachen Auftrag des Optikklebstoffs, wobei das Aushärten des Optikklebstoffs mittels strukturierter Beleuchtung, durch Scannen, durch zeitliche Modulation, durch gefilterte bzw. abgeschwächte Bestrahlung erreicht wird. Somit können Bauelemente, z. B. der Lichtleittechnik, Diffusoren und asphärische Flächen für Strahlformungselemente der Mikrooptik u.ä. gestaltet werden, die bisher nur über einen aufwendigen Formenbau und anschließender Kunstoffspritzformung darstellbar sind. Eine weitere Modifizierung der Bauelemente-Form kann durch Variation von Netzmitteln, Temperatur und anderen Umgebungsbedingungen erreicht werden. Dabei wird der Effekt der Veränderung von Oberflächenaktivität am Bauelemente-Träger bzw. am Untergrund bewußt genutzt.

Die Erfindung ist auch gekennzeichnet dadurch, daß ein schichtweiser Aufbau optischer Strukturen vorgenommen wird unter Nutzung verschiedenartiger Optikklebstoffe, insbesondere von Optikklebstoffen mit unterschiedlicher Dispersion. In Verbindung mit der vorgenannten Möglichkeit konkave Formen zu generieren, ergibt sich die Möglichkeit, achromatische Systeme aufzubauen bei Nutzung von Optikklebstoffen mit unterschiedlicher bzw. passender Dispersion.

1. Beispielanordnung Generierung von Konkavlinsen

Die Konkavlinse wird entsprechend Fig. 1 durch Auffüllen einer Bohrung in einem Träger mittels Klebstoff 2 erzeugt. Der Klebstoff 2 hat nach dem Aushärten die notwendigen optischen Eigenschaften wie Brechzahl, Dispersion, Transmission, Bläschen- und Schlierenfreiheit usw. Infolge der Adhäsion bildet sich im flüssigen Zustand eine rotationssymmetrische, annähernd konkave Oberfläche 3 aus. Nunmehr kann der Hilfsträger 4 entfernt werden. In der Bohrung des Trägers 1 befindet sich eine Plan-Konkav-Linse, die aus dem Träger 1 herausgenommen werden kann oder im Träger 1 gehaltert bleibt oder die erfindungsgemäß als Basis zum Aufbringen einer Bikonvex-Linse genutzt werden kann.

Zur Fabrikation von Bikonvex-Linsen wird in einem zweiten Arbeitsschritt ein anderer Klebstoff 5 auf die Oberfläche 3 appliziert. Der Klebstoff 5 muß nach dem Aushärten die notwendigen optischen Eigenschaften aufweisen, insbesondere eine andere Dispersion als der Klebstoff 2. Die Bikonvexform wird dadurch erreicht, daß die Dicke der Trägerplatte 1 und der Klebstoffe 2 und 5 so aufeinander abgestimmt sind, daß sich im flüssigen Zustand des Klebstoffs 5 eine rotationssymmetrische, annähernd konvexe Oberfläche 6 ausbilden kann. Im Ergebnis wird bewirkt, daß erfindungsgemäß mikrooptische Linsengruppen mit achromatischen oder andere Bildfehler beeinflussenden Wirkungen direkt generiert werden können.

2. Beispielanordnung Schaffung von geometrischen Strahlteilern

In Fig. 2 ist eine Sammellinse 1 dargestellt, die das Objekt 2 in der Fokusebene F₁ abbildet. Auf die Darstellung von Bildfehlern wird verzichtet. Die Sammellinse 1 kann eine konventionelle Glaslinse sein, die beispielsweise aus dem Material BK 7 besteht, einen Radius r auf beiden Seiten von 3 mm hat und eine Linsendicke von 2 mm aufweist. Durch den Auftrag einer Mikrolinse 3 durch Klebstoffaufspritzen auf die Sammellinse 1 kann z. B. im achsennahen Raum die optische Wirkung so verändert werden, daß eine zweite Abbildung des Objekts 2 in der Fokusebene F₂ entsteht. In der Fokusebene F₂ kann ein Sensor 4 angeordnet werden, der z. B. zur Helligkeitsmessung oder zur Fokuslagenbestimmung genutzt werden kann. Anstelle des Sensors 4 könnte an gleicher Stelle auch eine Lichtquelle (Laser, LED, Glühlampe) eingesetzt werden, die zur Beleuchtung des Objekts 2 dient.

3. Beispielanordnung Lichtverteiler

Fig. 3a zeigt einen Glasträger 1, auf dem durch kontinuierliches Klebstoffaufspritzen Zylinderlinsen 2 aufgebracht wurden. Wenn eine zweite Baugruppe dieser Ausführung, bestehend aus dem Glasträger 1' und den Zylinderlinsen 2', senkrecht zur ersten übereinander angeordnet wird, kann die Wirkung eines Lichtverteilers für durchgehendes Licht erwartet werden. Die Vorderansicht ist in Fig. 3b, die Seitenansicht in Fig. 3c zu sehen. Lichtverteiler nach diesem Prinzip haben die Aufgabe, Lichtbündel zu homogenisieren bei geringsten Leistungsverlusten.

4. Beispielanordnung Lichtverteiler

In Fig. 4 ist ein meniskusartiger Glasträger 1 dargestellt, der dicht mit aufgespritzten Kunststoffmikrolinsen 2 besetzt ist. Die Anordnung kann als Streuscheibe genutzt werden. Die Vorteile des Verfahrens kommen voll zur Wirkung, da es keine geeignete konkurrierende Methode gibt, auf nichtplanare Träger Mikrolinsen aufzubringen. Selbst das Prägen kann nicht funktionieren, da die Urform konventionell nicht hergestellt werden kann. Der Lichtverteiler kann auch als Lichtintegrator, in seiner Wirkung vergleichbar mit der Ulbricht-Kugel, verwendet werden. Es sei auch auf die Möglichkeit hingewiesen, in den Hauptfokus des Glasträgers 1 einen Sensor 3 anzuordnen. Dieser Sensor kann die Globalstrahlung aufnehmen, die auf die gesamte Fläche des Glasträgers 1 einfällt.

5. Beispielanordnung Mikrooptischer winkelauflösender Streulichtsensor

Es besteht die Aufgabe, die Probe 1 optisch zu charakterisieren. Insbesondere sollen Orts- und Winkelauflösung kombiniert werden. Das Meßprinzip ist unter dem Begriff Angular Resolution Scattering Measurement (ARS) in die Literatur eingeführt. Gerätetechnische Ausführungen sind bekannt, haben aber den Nachteil einer außerordentlich aufwendigen Montage und einer unhandlichen Baugröße. Entsprechend Fig. 5 wird die Probe 1 mit einem Meßstrahl 2 beleuchtet. Der Auftreffpunkt 3 des direkten Reflexes 4, der auf Grund der zu detektierenden Oberflächencharakteristik der Probe 1 nicht in sich zurückfällt, liefert die notwendigen Informationen über den Oberflächenzustand.

Erfindungsgemäß wird der eigentliche Streulichtempfänger durch Aufspritzen von Klebstofflinsen 5 auf einen transparenten Zwischenträger 6 geschaffen. An diesen Träger 6 sind mit nicht dargestellten Mitteln die einzelnen Fotodioden 7 gegenüber jeder Mikrolinse 5 angebracht. Der Reflex 4 kann unmittelbar in Höhe und Azimut ausgelesen werden. Der Meßkopf wird somit miniaturisiert, wodurch eine ambulante Benutzung, beispielsweise durch Aufsetzen auf eine Optikpoliermaschine, ermöglicht wird.

6. Beispielanordnung Werkzeugherstellung für Mikrooptiken

Die serienhafte Herstellung von mikrooptischen Strukturen erfolgt üblicherweise durch ein Replizieren einer in Kunststoff ausgeführten Urform, die ihrerseits durch Aufschmelzen von Fotoresist, durch Elektronenstrahllithographie usw. hergestellt worden ist. Das Replizieren kann durch Warmprägen oder Spritzguß erfolgen. In jedem Fall sind einige Prozeßschritte Galvanikprozesse, um aus dem Positiv der Urform in Kunststoff letztendlich ein Negativ der Prägeform in Metall herauszubilden. Erfindungsgemäß wird in einer 1. Verfahrensstufe die Struktur nach Anspruch 1-16 auf den Träger aufgebracht, dann in einer 2. Verfahrensstufe die Struktur einschließlich Träger galvanisiert und mit den bekannten Umformverfahren in weiteren Verfahrensstufen schließlich ein Preß-, Stempel- oder Spritzwerkzeug für die Massenfabrikation hergestellt. Auf eine zeichnerische Darstellung der Galvanikbäder und der Spritz- und Prägemaschinen wird verzichtet. Der Vorteil der Methode ist in der kostengünstigen Schaffung der Urform zu sehen, alle weiteren Prozeßschritte sind analog den bekannten Verfahren.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von optischen Bauelementen (passive optische Bauelementen: Linsen, Prismen, Gitter, Teilerplatten, Spiegel, Wellenleiter, Lichtleitelementen; ) und/oder aktiven optischen Bauelementen (Fotoempfänger, Positionsdetektoren, LED, Laserdioden etc.), die mit Hilfe der bekannten Verfahren der optischen bzw. der Mikroelektronikindustrie produziert werden, gekennzeichnet dadurch, daß die optisch wirksamen Flächen mit einer oder mehreren mikrooptischen Strukturen (Linsen, Reflektoren, Wellenleiter etc.) durch Aufspritzen kleiner Klebstofftröpfchen versehen werden.

2. nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß zum Aufspritzen Klebstoffe verschiedener Brechzahlen verwendet werden.

3. nach 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Klebstoffe verschiedener Dispersionen übereinander aufgetragen werden.

4. nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Klebstofftröpfchen punktuell in einer oder mehreren Reihen, kreisförmig, quadratisch oder in anderen beliebigen geometrischen Anordnungen aufgespritzt werden.

5. nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Klebstofftröpfchen optisch farblos oder eingefärbt sind.

6. nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Klebstofftröpfchen berührungslos und direkt auf die optisch wirksame Empfänger- oder Senderfläche des mikrooptischen Bauelements aufgetragen werden.

7. nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Klebstofftröpfchen nahezu sphärisch, asphärisch, oval, zylindrisch oder als Streifen ausgebildet sind.

8. nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Klebstofftröpfchen auf elastische, optisch transparente, für Licht teildurchlässige bzw. für Licht undurchlässige Bänder aufgespritzt werden.

9. nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Herstellung der mikrooptischen Strukturen, insbesondere von Konkavlinsen, in einem zweistufigen Verfahren vorgenommen wird, wobei in einer 1. Verfahrensstufe eine Ringwulst aus einem 1. Klebstoff aufgetragen wird und in einem 2. Verfahrensschritt diese Ringwulst mit dem eigentlichen optisch wirksamen 2. Klebstoff aufgefüllt wird.

10. nach 9, gekennzeichnet dadurch, daß der 1. Klebstoff für die Ringwulst so beschaffen ist, daß der optisch wirksame 2. Klebstoff durch Adhäsionswirkung an der Ringwulst die gewünschte konkave Form annimmt.

11. nach 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Herstellung von Konkavlinsen vorteilhaft durch Auffüllen bereits für diesen Zweck vorgesehener Aussparungen im Bauteil-Träger vorgenommen wird.

12. nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein schichtweiser Aufbau optischer Strukturen vorgenommen wird durch mehrfachen Auftrag des Optikklebstoffs, insbesondere in Kombination mit einem strukturiertem Aushärten des Optikklebstoffs.

13. nach 12, gekennzeichnet dadurch, daß daß das strukturierte Aushärten des Optikklebstoffs mittels zeitlich und/oder räumlich modulierter Bestrahlung realisiert wird.

14. nach 12, gekennzeichnet dadurch, daß ein schichtweiser Aufbau optischer Strukturen vorgenommen wird unter Nutzung verschiedenartiger Optikklebstoffe, insbesondere von Optikklebstoffen mit unterschiedlicher Dispersion.

15. nach 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Herstellung der mikrooptischen Strukturen, insbesondere von Konkavlinsen, in einem dreistufigen Verfahren vorgenommen wird, wobei in einer 1. Verfahrensstufe eine Wachsschicht auf den Träger aufgebracht wird, in einem 2. Verfahrensschritt diese Wachsschicht mit bekannten, hier nicht näher erläuterten Mitteln, bis auf den Träger freigelegt wird und in einem 3. Verfahrensschritt diese freien Stellen mit dem eigentlichen optisch wirksamen 2. Klebstoff aufgefüllt werden.

16. nach 15, gekennzeichnet dadurch, daß die Herstellung der mikrooptischen Strukturen, insbesondere von Konkavlinsen und Wellenleiteranordnungen, in einem mehrstufigen Verfahren vorgenommen wird, wobei in einer 1. Verfahrensstufe eine Wachsschicht auf den Träger aufgebracht wird, in einem 2. Verfahrensschritt diese Wachsschicht mit bekannten, hier nicht näher erläuterten Mitteln bis auf den Träger freigelegt wird, in einem 3. Verfahrensschritt der Träger in ein Säure- bzw. ein Laugenbad gelegt wird und in einem 4. Verfahrensschritt die somit entstandenen Vertiefungen mit dem eigentlichen optisch wirksamen 2. Klebstoff aufgefüllt werden.

17. nach 1-16, gekennzeichnet dadurch, daß die serienhafte Herstellung der mikrooptischen Strukturen in einem weiteren mehrstufigen Verfahren vorgenommen wird, wobei in einer 1. Verfahrensstufe die Struktur nach Anspruch 1-16 auf den Träger aufgebracht wird, in einer 2. Verfahrensstufe die Struktur einschließlich Träger galvanisiert wird und in bekannten Umformverfahren in weiteren Verfahrensstufen schließlich ein Preß-, Stempel- oder Spritzwerkzeug für die Massenfabrikation hergestellt wird und die Strukturen/mikrooptischen Bauelemente durch Prägen, Spritzen, Drücken fabriziert werden.