專利名稱：用于光束成形的復合物的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光束成形元件，諸如透鏡，衍射元件或反射鏡，其作為復合物而存在，包含一無機襯底和一呈聚合物形式的具有有機部分的組分，所述組分稱作有機組分。在所描述的生產(chǎn)方法中，所述聚合物通過熱引發(fā)處理由兩種或兩種以上的起始組分形成。在0與180℃之間的溫度下熱引發(fā)而實現(xiàn)。優(yōu)選，有機聚合物選自由聚氨酯和硅酮組成的群組。根據(jù)優(yōu)選實施例，所述聚合物為聚氨酯。
根據(jù)本發(fā)明的光束成形元件在精密度、剛性和耐久性方面具有有利特性，且還可通過經(jīng)濟的方法以容易的方式生產(chǎn)，所述方法也是本發(fā)明的主題。
背景技術：
從最新技術中已知包含作為無機組分的玻璃的不同復合材料。
在US 4,690,512中，描述一復合透鏡，其由結合塑料的玻璃或由兩個塑料部分組成，其中元件通過光學堵料(optical putty)彼此連接。塑料元件之間的堵料連接應通過脂肪族聚氨酯層而得以改善。US 5,323,191描述了“玻璃塑料透鏡”，其中薄玻璃層粘合到厚且透明的有機組分。所述連接通過基于具有特定特性的聚氨酯的粘著層而得以實現(xiàn)。EP 0 182 503涉及一光學層壓透鏡，其中一光學透明、粘結和粘著彈性體粘合劑連接透鏡的部分，所述透鏡優(yōu)選由具有塑料的透鏡部分的光致變色玻璃組成。
從使用不同材料(尤其是無機和有機材料)的最新技術中將了解，對于光束成形元件(尤其是透鏡)的生產(chǎn)來說，僅可通過復雜的粘著技術來實現(xiàn)。因此，需要提供光束成形元件，其一方面包含一無機襯底，且另一方面包含一有機組分，其中所述光束成形元件僅包含兩種所述組分，且不具有充當膠粘劑或粘合劑的額外物質層。所述元件而且應該可以容易且經(jīng)濟的方式生產(chǎn)。
驚訝地發(fā)現(xiàn)，涂覆有聚合物(諸如，聚氨酯或硅酮)的無機襯底(諸如，玻璃、石英玻璃、硅、金屬或礦物)非常合適作為光束成形元件且在此情況下具有優(yōu)越特性，諸如，高精密度、良好的剛性和耐久性。優(yōu)選使用的聚氨酯為脂肪族聚氨脂；優(yōu)選使用的硅酮為添加劑交聯(lián)的系統(tǒng)。尤其優(yōu)選聚氨酯為Rühl Puromer GmbH公司的“PUR Glasklar System”或Elastogran公司的Elastoclear。兩種材料特征在于脂肪族異氰酸酯用于異組分。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的光束成形元件任一個可對光檢查，所以(例如)其可具有透鏡形式，但其還可用于反射光，例如，以反射鏡形式。在這種情況下，例如，根據(jù)本發(fā)明的光束成形元件是作為以透明方式設計的透鏡，因此，所有選擇的材料均為透明的。
此外，本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)具有優(yōu)越特性的光束成形元件的廉價且容易的方法。
為生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的光束成形元件，例如，將一玻璃板放置并固定于鑄模中。對于聚氨酯涂層來說，在一適當設備中計量聚氨酯的二醇和異氰酸酯組分，混合并放入鑄模中。示范性適當?shù)脑O備為用于聚氨酯處理的高壓計量裝置。在使用所有組分之前對其進行抽空是有利的。以此方式，移除捕集的氣體或捕集的高揮發(fā)性污染物且相應地可分別減少或排除產(chǎn)品中氣泡的形成。為在填裝鑄模期間生產(chǎn)聚氨酯，所有組分優(yōu)選均在0到100.000hPa的壓力之下，更優(yōu)選在1.000到50.000hPa壓力之下。因此，可改善表面和結構質量，且可排除氣泡的形成。
對于生產(chǎn)具有作為有機組分的硅酮的復合物來說，由于貯存期較長，不得在鑄模工具附近通過混合頭直接實現(xiàn)所述組分的混合。
為實現(xiàn)特定光束成形，在生產(chǎn)方法期間，必須并入表面的構造。優(yōu)選，此通過將與有機組分(諸如，聚氨酯)接觸的鑄模的一結構區(qū)域來實現(xiàn)。所述結構區(qū)域可由金屬、玻璃、石英玻璃、硅或聚合物組成。尤其合適的為諸如硅酮(例如，RTF硅酮)或含有具有低表面能量的氟的聚合物，使得可完全或部分取消脫模劑。
為加速化學反應，優(yōu)選可將組分和鑄模(例如)加熱到約0℃到180℃范圍內(nèi)的溫度，優(yōu)選0到150℃，且更優(yōu)選0到100℃。例如，適合于使用聚氨酯的溫度范圍為4℃到100℃，根據(jù)一尤其優(yōu)選實施例，其為80℃。根據(jù)有機組分而定，所屬領域的技術人員將選擇一合適溫度。與最新技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點為不必要且也不需要使用UV光來固化有機相，因此可減少技術上的努力。如果可避免借助UV光的固化步驟，那么進一步存在還可使用不透明材料的優(yōu)點。
根據(jù)本發(fā)明的方法允許自由選擇兩種組分的厚度，此允許生產(chǎn)具有任何形狀的光束成形元件。
與純有機光學元件相比，由于使用無機襯底，諸如玻璃、半導體或晶體(諸如，石英或CaF2)，光學元件具有低熱膨脹、較高剛性和耐溫性。這還允許在變化的溫度和環(huán)境影響下使用。
適當玻璃為(例如)二氧化硅玻璃(石英玻璃)，在此可采用OH、鹵素或陽離子的含量具有高度差異的各種類型的玻璃；摻雜的石英玻璃，例如，關于具有TiO2的零膨脹，諸如Corning公司的ULE玻璃(超低膨脹)，還關于具有GeO2或氟等的折射率的具體變化；鈉鈣硅酸鹽玻璃；堿土鋁硅酸鹽玻璃(無堿性和含堿性金屬氧化物)；硼硅酸鹽玻璃；磷酸鹽玻璃；氟磷酸鹽玻璃；硼磷酸鹽玻璃；硼磷硅酸鹽玻璃；焊接玻璃和具有低Tg的玻璃；光學玻璃以及含鉛的(諸如，來自Schott的SF6)和無鉛的(諸如，來自Schott的BK7)光學玻璃；離子著色的彩色過濾玻璃；通過沉積第二納米相著色的彩色過濾玻璃(具有金屬或半導體的第二膠體相的回火玻璃)；激光玻璃；含稀土元素的玻璃和其它基于硅酸鹽或基于其它物質的“活性”玻璃(如，含大量氧化銻的玻璃)；法拉第(Faraday)玻璃；氟化物玻璃和其它鹵化物玻璃；硫族化物玻璃，例如，類似Se-As-Ge系統(tǒng)的一種；硫化物玻璃，碲化物玻璃等。
適當玻璃陶瓷例如鋰鋁硅酸鹽系統(tǒng)(LAS)；鎂鋁硅酸鹽系統(tǒng)(MAS)；可通過諸如Corning公司的MACOR的機器處理的玻璃陶瓷；燒結玻璃陶瓷，尤其是通過燒結方式生產(chǎn)的光學透明納米玻璃陶瓷；通過有機或無機溶膠-凝膠處理生產(chǎn)的玻璃陶瓷，尤其是以此方式生產(chǎn)的光學透明納米玻璃陶瓷。
視情況，通過添加適當物質來增加光學功能性是可能的。因此，例如，為進行UV保護，可添加UV吸收劑到兩種組分。諸如TiO2、Al2O3、Fe2O3、CeO2、ZnO、ZrO2、SiO2、In2O3、SnO2、NiO、Fe、Al、Au、Ag、Ni的納米粒子可添加用于增加折射率、改變色散或實現(xiàn)其它特性。視情況，為實現(xiàn)散射效應(所謂的漫射體)，還可添加優(yōu)選具有大于10nm的粒徑且具有不同于有機組分折射率的折射率的粒子。在此尤其是具有不同于聚氨酯的折射率的粒子為適當?shù)摹Ｋ隼?例如)可為玻璃粉或聚合物。
根據(jù)本發(fā)明的方法可用于校正熱壓玻璃組分的形狀偏差，所述熱壓玻璃組分諸如透鏡，尤其是厚度高度不同的組分，諸如用于汽車前燈的DE透鏡(三倍橢圓體，德語“dreifach ellipsoid”)。圖3a展示最初呈目標形狀的熱壓組分。此形狀在熱壓處理(圖3b)后可不希望地改變，其通過根據(jù)本發(fā)明的設置可再次通過聚合物的沉積而得以補償(圖3c)。接著，圖3d展示本發(fā)明的實例，通過聚合物根據(jù)其不僅可實現(xiàn)“缺陷”補償，而且有機物給予透鏡一結構表面。
在此處理中的玻璃體的典型形狀偏差具體來說為凹陷點，其在通過玻璃的收縮的DE透鏡的熱壓期間的冷卻處理期間出現(xiàn)。為校正的目的而使用聚合物尤其有利，當通過材料的選擇時，玻璃和聚合物的折射率和色散的差異保持較低。所以除了可以補償系統(tǒng)處理的不完整，還可以補償生產(chǎn)方法期間的變化，其允許將處理設計的更便宜。
根據(jù)本發(fā)明的光學元件還可組合使用和/或其可具有一多層結構。所以復合物可各自由若干層有機和無機材料組成。多層復合物還可含有不同無機材料，諸如不同玻璃。
另外，根據(jù)本發(fā)明的光學元件可用于改善其光學特性的球面透鏡的非球面的過成形。通過根據(jù)本發(fā)明的方法，還可能在平坦襯底上或透鏡上產(chǎn)生衍射結構。還可能在透鏡處附接固持器、調節(jié)裝置等或可能在半導體(諸如，LED、CMOS、CCD、VCSEL(垂直共振腔表面放射激光)等)上沉積折射或衍射光學元件。
通過適當設計衍射光學元件(DOE)，可實現(xiàn)數(shù)字圖片輸入單元(CCD、CMOS)的元件上的光學“低通濾波器”的效果。
同樣，影響反射的光學結構(諸如，具有抗反射涂層的元件)可并入復合物中。這也屬于光學襯底，諸如過濾玻璃、偏光器等。


無參考符號列表1 工具鑄模半部2 結構區(qū)域3 空腔4 玻璃透鏡5 裝配6 聚合物7 玻璃(a) 透鏡的目標形狀(b) 熱壓處理后的透鏡形狀(c) 根據(jù)本發(fā)明的設置使用聚合物補償形狀偏差(d) 根據(jù)本發(fā)明的設置使用一結構表面補償形狀偏差和額外光學功能n1 玻璃或層，例如SiO2
n2 玻璃n3 層，例如TiO2n4 聚合物，例如PU具體實施方式
通過下列實施例實例，本發(fā)明應得以更詳細的描述而不受其限制實例1將玻璃透鏡放置于具有一分離平面的鑄模工具中。為取出所述透鏡，在工具中裝配一種硅酮彈性體。用于所述裝配的適當材料為膠和橡膠、硅酮、氟聚合物或具有其硬度低于玻璃硬度的對應材料。所述工具為用于聚氨脂的高壓鑄造設施的組成部分。所述設施的概念對應于由Munich的KraussMaffei Kunststofftechnik開發(fā)的用于所謂透明涂層模制的系統(tǒng)。對于通常用于光學混合的少量材料有利的方法是在對應的環(huán)管系統(tǒng)中循環(huán)所述組分。為處理所述組分，將完整的存儲和傳送系統(tǒng)加熱至50到80℃。為維持所述組分的純度且為消除捕集的空氣，排空所述緩沖罐和填裝罐。
從Elastogran、Lemfrde公司購買了產(chǎn)品名稱為Elastoclear的PU組分。
將混合頭直接附裝于鑄模工具處。以此方式，防止了通過混合頭端口造成的污染。在鑄模工具內(nèi)部的壓力計的幫助下，在達到15巴(15.000hPa)的內(nèi)部工具壓力后，停止計量。因為與較低壓力相比，顯示出的所述內(nèi)部壓力尤其有利，所以可減少氣泡的形成并改善表面的質量。
所述組分的聚合在80℃的工具溫度下發(fā)生3分鐘。然后，打開工具，且移除混合物。
圖1展示工具鑄模內(nèi)部以及外部的呈透鏡形式的根據(jù)本發(fā)明的復合物。
實例2將玻璃板放置于具有分離面的鑄模工具中。所述工具的兩個半部含有由硅酮彈性體組成的結構區(qū)域。一個半部的表面結構形成衍射光學元件(DOE)且第二半部的結構形成菲涅耳(Fresnel)透鏡。
在兩側，一空腔保留于玻璃板與工具的結構表面之間。這用PU(聚氨酯)填滿，諸如實例1中所描述。
在打開工具后，可移除所述混合。在核心中，其含有玻璃板，且在表面處含有聚氨酯。所述混合執(zhí)行于DOE的一個表面上且執(zhí)行于菲涅耳透鏡的另一個表面上。
圖2展示工具鑄模內(nèi)部以及外部的呈板形式的根據(jù)本發(fā)明的復合物。
視情況，所述復合物可以一個聚合物層或若干聚合物層夾于兩個玻璃層的方式而制造。
實例可見于圖3到圖13中。
圖3a展示最初呈目標形狀的熱壓組分；圖3b展示在熱壓處理后具有一非所要的改變形狀的熱壓組分；圖3c展示通過沉積聚合物的根據(jù)本發(fā)明的設置；圖3d為本發(fā)明的一實施例；圖4展示建造為分層波導管中的光柵的具有兩個衍射光學元件的光束成形元件。兩個襯底通過聚合物(聚氨酯)連接；圖5展示兩個不同折射率(n1.63和n1.5)的用于分層波導管光柵結構的計算反射光譜；圖6展示具有通過聚合物(PU)連接且以無機襯底(玻璃)構造的兩個階梯式衍射光學元件(n2和n4)的光束成形元件。所述衍射光學元件執(zhí)行非球面透鏡功能；圖7展示具有通過聚合物(聚合物)連接且以無機襯底(玻璃)構造的兩個閃耀衍射光學元件(n2和n4)的光束成形元件；圖8展示通常閃耀光柵的0th、1st和2nd級的依賴于波長的計算衍射效率。結構高度d＝λ～/n-1，其中n為光柵材料的折射率；圖9展示如圖4或圖6中所示的不同材料的兩個閃耀光柵組合的計算衍射效率。展示0th、1st和2nd級的依賴于波長的衍射效率；
圖10展示具有兩個階梯式衍射光學元件(n1)的光束成形元件，在襯底處的每個階梯式衍射光學元件(n1)具有通過聚合物(n4，例如PU)連接的衍射光學元件(n2)；圖11展示由兩個光學元件(DOE1和DOE2)組成的光束成形元件，其用于校準(DOE1)且頻選地反射或縮窄(DOE2)分散的激光；圖12展示在一個襯底(n2)上具有兩個階梯式衍射光學元件(n1)的光束成形元件，所述兩個階梯式衍射光學元件(n1)中的每個的后側覆蓋有通過聚合物(n4)連接的呈波導管光柵(n3)形式的衍射光學元件；圖13展示在一無機襯底n2上具有通過聚合物(n4為聚合物層)連接的不同衍射光學元件的光束成形元件。n4可具有用于光束成形元件的“安裝元件”或外殼部分等的功能。
權利要求
1.一種作為復合物而存在的光束成形元件，其包含至少一個無機襯底，選自由玻璃、半導體材料、金屬、陶瓷或晶體組成的群組；和呈聚合物形式的至少一個具有有機部分的組分，其中所述聚合物由兩種或兩種以上的起始組分通過在0與180℃之間的溫度下熱引發(fā)而形成，且其中在所述有機襯底的形成期間，有機襯底和無機組分的各自層彼此直接連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其選自由透鏡、衍射元件、反射鏡或光學系統(tǒng)組成的群組。
3.根據(jù)權利要求2所述的光束成形元件，其中所述衍射元件選自線性光柵、啁啾光柵、鋸齒光柵、菲涅耳(Fresnel)透鏡、CGH(計算機生成的全息圖)。
4.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其中所述無機襯底選自由以下各物組成的群組二氧化硅玻璃、摻雜石英玻璃、鈉鈣硅酸鹽玻璃、無堿性或含堿性氧化物的堿土鋁硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、氟磷酸鹽玻璃、硼磷酸鹽玻璃、硼磷硅酸鹽玻璃、焊料玻璃和具有低Tg的玻璃、含鉛的或無鉛的光學玻璃、視情況離子或膠體著色的彩色過濾玻璃或玻璃陶瓷。
5.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其中所述無機襯底為非球面。
6.根據(jù)權利要求5所述的光束成形元件，其中所述非球面為三倍橢球面(DE)透鏡。
7.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其中所述光束成形元件為一半導體。
8.根據(jù)權利要求7所述的光束成形元件，其中所述半導體組件為一CCD或CMOS傳感器，或LED或VCSEL。
9.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其中所述光束成形元件為一低通濾波器。
10.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其中所述聚合物選自聚氨脂或硅酮。
11.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其中所述聚合物選自由具有脂肪族異氰酸酯(HDI)組分的聚氨脂或添加劑交聯(lián)的硅酮組成的群組。
12.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其包含呈三層形式的至少三種材料。
13.根據(jù)權利要求12所述的光束成形元件，其中包含一無機襯底和具有有機部分的組分的至少三種材料的折射率和/或阿貝數(shù)(Abbe number)不同。
14.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其中所述包含一無機襯底和具有有機部分的組分的不同材料以不同層M1、M2、M3的形式存在。
15.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其中所述層M1、M2和M3彼此鄰近。
16.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其中所述層M1、M2和M3的對應阿貝數(shù)ν1、ν2、ν3界定如下ν1＜ν2＜ν3，或ν1＞ν2＜ν3，或ν1＞ν2＞ν3。
17.根據(jù)權利要求13所述的光束成形元件，其中所述折射率滿足下列等式±(n1-1)d1±(n3-1)d2±(n2-1)d2＝mλ0，其中n1＝材料1(M1)的折射率n2＝材料2(M2)的折射率n3＝材料3(M3)的折射率d1＝材料1(M1)的結構高度d2＝材料2(M2)的結構高度d3＝材料3(M3)的結構高度。
18.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其中包含一無機襯底和一具有有機部分的組分的至少一種材料具有高于1.75的折射率nD。
19.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其中所述各自無機襯底和/或所述具有有機部分的組分的所述材料的外部排列表面具有一光學有效結構。
20.根據(jù)權利要求1所述的光束成形元件，其中所述包含一無機襯底和一具有有機部分的組分的材料中的至少一種除具有所述光學功能外還具有一機械功能且因此成形。
21.根據(jù)權利要求20所述的光束成形元件，其中所述機械功能適合于固定、組裝、夾持、調節(jié)或安裝。
22.一種生產(chǎn)光束成形元件的方法，其包含以下步驟將一無機襯底放置于一鑄模中，固定所述無機襯底，將所述聚合物的所述起始組分通過澆注至所述鑄模中而填裝于所述無機襯底上，和在0到180℃范圍內(nèi)的溫度下進行所述聚合物的所述起始組分的熱引發(fā)化學反應。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中所述鑄模的填裝壓力為0到100.000hPa，優(yōu)選為0到50.000hPa。
24.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中通過適當選擇所述鑄模的所述材料可避免使用脫模劑。
25.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中在所述化學反應之前，在減壓下對所述聚合物的所述起始組分進行除氣。
26.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中在一高壓攪拌器中處理作為聚合物的聚合聚氨脂組分，且其中視情況使用帶有循環(huán)的環(huán)管系統(tǒng)。
27.根據(jù)權利要求26所述的方法，其中為進行處理，將所述聚氨脂組分加熱到20到100℃的溫度。
28.根據(jù)權利要求27所述的方法，其中為進行處理，將所述聚氨脂組分加熱到30到80℃的溫度。
29.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中通過時間、體積、所述組分的所述壓力、門區(qū)域中的所述鑄模的內(nèi)部壓力或溢流區(qū)域中的所述鑄模的內(nèi)部壓力控制所述鑄模的所述填裝過程。
30.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中通過構造所述具有有機部分的組分的所述表面實現(xiàn)在所述生產(chǎn)過程中的光束成形特性。
31.根據(jù)權利要求30所述的方法，其中在所述鑄模中通過所述構造實現(xiàn)的所述結構為一空穴(negative)。
32.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中承載所述結構的所述鑄模的所述元件由一具有低表面能量的材料構成。
33.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中所述具有低表面能量的所述鑄模的材料選自硅酮或含有鹵素的聚合物。
34.根據(jù)權利要求33所述的方法，其中所述含有鹵素的聚合物選自PTFE或PVDF。
全文摘要
本發(fā)明涉及光束成形元件，諸如透鏡、衍射元件或反射鏡，其作為復合物而存在，包含一無機襯底和一呈聚合物形式的有機襯底，其可在0與180℃之間的溫度下熱固化。優(yōu)選所述有機聚合物選自由聚氨酯和硅酮組成的群組。根據(jù)一優(yōu)選實施例，其為聚氨酯。根據(jù)本發(fā)明的光束成形元件在精密度、剛性和耐久性方面具有有利特性，且還可通過經(jīng)濟的方法以容易的方式生產(chǎn)，所述方法也是本發(fā)明的標的物。
文檔編號B29C39/10GK1760697SQ20051010901
公開日2006年4月19日 申請日期2005年10月13日 優(yōu)先權日2004年10月13日
發(fā)明者呂佩爾·施內(nèi)爾, 埃德加·帕夫洛夫斯基, 沃爾弗拉姆·拜爾 申請人:史考特公司