CN108027482B - 具有射束偏转元件的光学构件、其制造方法及适合于光学构件的射束偏转元件 - Google Patents

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Abstract

本发明之光学构件具有具有衬底表面(1)的衬底、布置在衬底表面上的辐射输出元件(2)和/或布置在衬底表面上的辐射输入元件(2)、以及布置在衬底表面(1)上的辐射输出元件或辐射输入元件(2)上且在三个空间方向上的尺寸都小于1mm的射束偏转元件(3)，其作用是将辐射输出元件(2)输出的基本上垂直于衬底表面(1)的电磁辐射偏转，并且形成比离开辐射输出元件的射束与衬底表面形成的出射角小或甚至是负角度的射束，或是平行于衬底表面的射束，或是将以与衬底表面夹有一确定角度射入射束偏转元件(3)的电磁辐射聚焦并且偏转射入辐射输入元件，其中，射束偏转元件(3)具有入射面及出射面，以及至少两个影响穿透射束偏转元件之射束的路线的面，其中，面引起将至少一部分入射辐射偏转，另面引起变化所述射束发散度和/或所述射束形状，其中，射束偏转元件的至少入射面及出射面是平坦的，其特征在于，这些平坦的面至少部分地直接处于所述辐射输出元件或辐射输入元件的出射面或入射面上。此外，本发明还包括一种制造所述光学构件的方法及适合于所述光学构件的射束偏转元件。

Description

具有射束偏转元件的光学构件、其制造方法及适合于光学构 件的射束偏转元件
技术领域
本发明涉及一种(微)光学构件，所述构件可以是一种具有其他光学和/或电子元件的光学构件，或是被集成到具有其他光学和/或电子元件的构件内。根据本发明的构件具有射束偏转元件，其如此构型，使得其可以在特別有利的几何条件下使光源发出的电磁辐射偏转到光接收结构周围或中(或空间中)，或使光发送结构(或空间)发出的电磁辐射偏转到光学输入端周围或中，所述电磁辐射基本上垂直地从光发射器或通过用于辐射耦合输出的光栅等(完全一般地：辐射输出元件)出射，或基本上垂直地射入到探测器或用于辐射耦合输入的光栅(完全一般地：辐射输入元件)中。射束偏转元件直接处于处于光学构件处或上的辐射输入元件或辐射输出元件的辐射输入端或辐射输出端上。本发明也包括适合于所述构件的特定的射束偏转元件。本发明还指向所述构件的特定的制造方法，借助所述方法第一次能够将射束偏转元件直接布置在辐射输入元件和/或辐射输出元件上的方法。
背景技术
光学构件或光电构件通常具有光子芯片或光子载板内的一个或多个辐射输入元件或辐射输出元件，例如光发射器(例如VCSEL、边缘发射激光、LED)、探测器、用于光耦合输入的光栅、用于光耦合输出的光栅和射束偏转器。在大多数的情况下，这些辐射输入元件或辐射输出元件处于衬底上，并且以基本上垂直于衬底表面或以相对于衬底表面小角度发射或接收电磁辐射。一种常见的情况是，如果直接将光导体(例如玻璃)直接布置在辐射输入元件或辐射输出元件上，则很难使光导体与衬底表面平行，因为其前提是光导体的末端区域弯曲90度，这在材料技术不能微型化地实现。在现有技术中，这例如通过设置玻璃纤维实现。典型的弯曲半径处于1-2cm的范围中。因此，现有技术中的组成部分或部件具有大于1cm的尺寸。这导致不能够如所期望的那样平地构型光学构件。
但为了引起在基本上垂直方向上从辐射输出元件发出/或射入辐射输入元件中的辐射的至少一部分偏转，在现有技术中提出，使用能够将辐射偏转90度并且在此部分地收集辐射的镜面或凹面镜。因此，JP 2005/338696 A使用具有适当表面积的凹面镜，以便引起响应的辐射偏转。US 2011/0235964 A1通过波导体末端的倾斜面使被夹住固定的波导体发出的光束/射入波导体的光束偏转。JP 2008/250007 A描述的光电印制电路板同样具有波导体，所述波导体在其核心的末端处设有倾斜45度的镜子，使得能够使从波导体发出的光束偏转90度射入到光接收元件中。JP 1020140077533 A描述的光学衬底同样具有布置在衬底表面上的波导体；在那里设置有金属涂覆的镜反射凹部。
US 2011/026208 A1描述一种由至少一个光电元件形成的活性光学连接，所述光电元件通过线连接与衬底连接。线接合埋到形成进行光偏转的表面的聚合物材料中。通过所述表面使从光电元件发出的光偏转到横向与所述光电元件的射束方向布置的光导体中。这种用于VCSEL、进行接通的线连接部、线接合及光纤输送通道且端侧的输送漏斗开口一体地形成的光偏转器由可紫外线硬化的环氧树脂制成，而且借助PDMS中间压印(PDMS-Zwischenstempel)制造。这种光偏转器与大气接触的面可以是平坦的，但也可以如凹面镜那样弯曲，使得输入光纤的能量达到最大。
WO 2006/012819描述一种具有设置用于产生辐射的半导体激光芯片及光学装置的半导体激光构件，所述光学装置具有载体、布置在所述载体上的辐射偏转元件以及外部光学谐振器的布置在所述载体上的外部镜。所述辐射偏转元件是阳极接合、黏合、或焊接到所述载体上，用于使由所述半导体激光芯片产生的并且由外部镜反射的辐射的至少一部分偏转。辐射偏转元件可以是玻璃棱镜并且使入射光偏转90度，其方式是：所述辐射偏转元件的反射器面与所述载体的主面围成大约45度的角度。在一种替代方案中，所述辐射偏转元件对第一辐射具有高反射性并且对在另一位置频率变换的辐射具有高透射性，为此，反射器面可以相应地进行涂层。在另一种替代方案中，所述辐射偏转元件可以实施为优选二向色性的分束器。
WO 2007/128022 A2描述一种印制电路板元件，其具有衬底、埋在层状的可光聚合的光学材料中的光电构件以及与所述光学构件光学耦合的光-波导体。在所述衬底上布置有预先制造并且埋在光学材料中的偏转镜。偏转镜例如可以由具有金属涂层的硅或玻璃预先制造并且优选地由具有倾斜或凹的镜面的棱形体构成。以黏合的方式将所述偏转镜施加到所述衬底上。借助TPA(双光子吸收)使光波导体在可光聚合的光学材料内如此结构化，使得其要么直接止于所述偏转镜处，要么止于所述偏转镜前方很近的位置。
WO 2007/128021 A1示出一种略为不同的偏转镜。这种偏转镜是由一种能够成型的透明材料构成，例如一种无机-有机混合聚合物或硅酮。这种偏转镜的形状类似半球形，或非球面形地构型，且在其外侧或背面进行镜面涂层。这种偏转镜由一种光学复制材料(也就是尚未最终交联的混合聚合物或优选作为溶胶凝胶材料的硅酮)经多个步骤制成。在经过成型的溶胶凝胶材料上设置具有相应缺口的透明掩模，然后穿透所述掩模对所述溶胶凝胶材料进行曝光并且因此硬化。
相较于简单的射束偏转面，现有技术中提出的凹结构具有如下优点：其不仅可以使照射的射束偏转，而且可以使其集束。但是汇聚镜或聚焦镜的缺点是：射束源发出的光锥在唯一的面如此被偏转且聚焦，使得光束大多作为平行集束的方式从偏转装置射出。射束的高度限定出射集束的直径。理想的薄透镜或理想的镜(凹结构)不变化射束位置，仅变化方向。如果聚焦元件使射束平行集束，射束直径在照射到透镜上之后不再变化。因此，射束必须在透镜或镜的位置就已经具有期望直径。因此，射束源与透镜或镜之间的距离是固定的。因此，视所期望的几何形状而定可能需要选择相对大的偏转镜。但使用较小的偏转镜是有利的，因为可以制造出更紧密、更小的且主要是更低的光学构件及“组合件”(Packages)。但借助较小的偏转镜可能不能达到所期望的射束期望高度或所期望的射束直径。
US 2006/239605 A1的光电电路中示出光学偏转结构，其具有直径0.5至1mm的尺寸的镜及准直透镜。因此，通过光纤入射线通过准直器偏转90度，然后耦合输入到硅集成电路波导体(SI-IC-Wellenleiter)中。所述集成电路在与准直透镜相对置的侧上具有聚焦硅透镜。在准直透镜与硅透镜之间存在一间隙，其中，透镜装置的在所述集成电路背侧以上的总高度小于2mm。
WO 2011/135877 A1示出一种使光纤的光耦合输入到光接收元件中的光学元件。所述光学元件具有用于入射光的面以及用于出射光的面，其中一个是平的并且其中另一个是弯曲的。在光反射面处，入射光被偏转45度并且偏转到用于出射光的面上。借助这种元件可以减小光学装置的高度。
发明内容
本发明的目的是提出用于耦合电磁辐射的光学构件，其具有偏转元件，在所述偏转元件的情况下，在小结构高度的情况下，彼此独立地确定射束高度及输出射束的直径。此外，本发明的目的还是达到进一步的微型化，例如提高在光学构件或包含所述光学构件的芯片上的包装密度。
本发明的目的通过提出一种光学构件来解决，其包括具有衬底表面(1)的衬底、布置在所述衬底表面上的辐射输出元件或辐射输入元件(2)以及射束偏转元件(3)，其布置在所述辐射输出元件/辐射输入元件(2)上并且如此构型，使得其使从辐射输出元件(2)射出的基本上垂直于所述衬底表面(1)的电磁辐射偏转并且在此形成如下射束：所述射束具有相对于离开所述辐射输出元件的射束与所述衬底表面形成的出射角更小的角度或甚至负角度或者平行于衬底表面取向，或者使得其使以相对于所述衬底表面的确定角度射入到所述射束偏转元件(3)中的电磁辐射聚焦并且偏转到所述辐射输入元件中，其中，所述射束偏转元件(3)具有用于入射辐射的入射面以及用于所述辐射的出射面，并且具有影响穿透所述元件的辐射的路线的至少两个面，其中一个引起入射辐射的至少一部分的偏转，其中另一个引起射束发散度和/或射束形状变化，其特征在于，所述射束偏转元件的入射面和出射面中的至少一个如此平坦地构造，使得其至少部分地直接处于所述辐射输出元件或所述辐射输入元件的出射面或入射面上。
用于制造所述构件的方法的特征在于，通过可光结构化的材料的光感应固化直接就地由合适的、通常少的量的原始材料(例如原始材料的液滴)在光学构件上产生射束偏转元件(3)。由此，第一次能够将所述射束偏转元件或耦合输入元件或耦合输出元件直接布置在辐射输入元件和/或辐射输出元件上，而不需要使用粘接剂或其他保持结构。
这种方法可以使光学构件高度减除粘接剂的高度，而至今必须借助所述粘接剂将分开制造的射束偏转元件固定在所述辐射输出元件/辐射输入元件上。所述粘接剂通常对射束引导意义重大；在计算射束引导时，必须将粘接剂的光学特性考虑进去。由于本发明的方法无需使用粘接剂，因此除了可以减低光学构件高度外，也可以减化整个光学构件的制造方法。调整是纯被动的；其在最大信号时进行，因为硬化是由于光输入而引起的。
在本发明的有利的实施方式中，所述射束偏转元件借助双光子或多光子吸收(TPA，MPA)产生，如在下面详细示出。
最后，本发明涉及适用于本发明特定的射束偏转元件。所述射束偏转元件设置用于布置在光学构件(例如光子芯片或光子集成电路(PIC，Photonics IntegratedCircuit))的辐射输出元件和/或辐射输入元件上，并且因此具有在三个空间方向中的每个上小于1mm、优选均小于600μm的尺寸。所述射束偏转元件具有用于入射辐射的入射面以及用于所述辐射的出射面并且如此构造，使得至少要么入射面要么出射面如此平坦地构造，使得其可以平放在辐射输出元件或辐射输入元件的出射面或入射面上。入射面及出射面彼此有角度地布置，所述角度处于优选70度至110度之间、更优选80度至100度之间和特别优选大约90度。但是在特殊情况下，所述角度也可以小于70度。这些射束偏转元件具有影响穿透射束偏转元件的辐射的路线的至少两个面，其中一个引起入射辐射的至少一部分的偏转，其中另一个引起射束发散度和/或射束形状变化。所述射束偏转元件的特征在于，要么：
(a)引起射束发散度和/或射束形状变化的面是所述射束偏转元件内部中的衍射光学元件、透镜、透镜组合、面全息图、体全息图、超材料或由所提及的元件中的多个构成的组合，或者，引起射束发散度和/或射束形状变化的面涉及射束偏转元件的反射面上的衍射光学元件，其中，用于入射辐射的入射面以及用于所述辐射的出射面彼此具有优选70度至110度之间、更优选80度至100度之间和特别优选大约90度的角度，要么
(b)所述射束偏转元件两个部分地或多个部分地构造，其中，所述射束偏转元件的第一部分的面如此平坦地构造，使得其可以平放在辐射输出元件或辐射输入元件的出射面或入射面上，其中，所述射束偏转元件的第二部分构造用于布置在衬底上，其中，所述射束偏转元件的第一部分具有引起入射辐射的至少一部分的偏转的面，所述射束偏转元件的第二部分具有引起射束发散度和/或射束形状变化的面，或反之亦然，要么
(c)所述射束偏转元件具有用于入射辐射的入射面以及用于所述辐射的出射面，所述用于入射辐射的入射面以及用于所述辐射的出射面彼此平行并且优选处于同一平面上，所述射束偏转元件具有引起入射辐射的至少一部分的偏转的至少两个面以及引起入射辐射的射束发散度和/或射束形状变化的至少两个面，其中，这些面彼此如此布置，使得可以将射束从辐射输出元件通过射束偏转元件引导到辐射输入元件中，其中，尤其(c')引起射束发散度和/或射束形状变化的至少两个面中的每个是透镜的、两个或多个透镜的透镜序列的、菲涅尔波带片的、光栅的、衍射光学元件的、面全息图的、体全息图的或超材料的组成部分，要么
(d)所述射束偏转元件在其内部具有至少一个分束器，所述分束器引起从辐射输出元件射出的光辐射分成彼此平行或指向不同空间方向的两个或多个部分射束，或者，所述射束偏转元件具有用于射束汇聚的装置，其中，在分开的情况下空间地和/或根据波长分离或聚拢所述光辐射。
根据本发明，“影响辐射的面”可以理解为以下元件：元件与(a)周围气氛(例如空气)或(b)包围射束偏转元件的材料(例如光导体的材料)的起光学作用的交界面，其中，光学作用来自于元件在交界面处的材料折射率与周围环境的折射率的差异，或(c)元件内的起光学作用的交界面，例如由于元件内存在两种折射率不同的材料而形成的起光学作用的交界面。
根据本发明，“至少部分地直接处于出射面或入射面上”应该理解为，所述射束偏转元件必须至少在如下程度上布置在所述面上，使得实现文中描述的光束引导。在此，所述射束偏转元件可以完全(并且自然直接)布置在所述面上；但也可以是突出于这个面，使得一部分不布置在所述面上。
在此，“起光学作用”是指所提及的交界面影响射束集束中的光束的方向，也就是说具有折射力，例如通过衍射元件、折射元件或反射元件产生的折射力。在此，唯一的交界面可以产多个所述功能，并且在此例如作为分束器。
根据本发明，“聚焦”通常应该理解为引起射束形状变化，其中，在引起聚焦的面(具有折射力的面)后方的光束朝焦点的方向行进(收敛光束)。在一些情况下，所述表述指的可能是更广义的射束形状变化，例如射束扩大(发散射束)。对于光学领域的技术人员而言，不难推断出相应的意义。
“准直”通常理解为射束的平行化。在本发明的一些语境中，所述表述可能有更广义的意思，本领域技术人员不难识别出该意思。
在起反射作用的交界面处的反射可能完全由于所提及的折射率差异引起；替代地，相应的面可以是偏转元件的外表面，例如以反射金属涂层的面。
根据本发明，由于将偏转及聚焦分配到两个不同的面上，可以分别独立地确定射束高度及射束直径。此外，如果微光学构件具有至少两个有折射力的面，光学器件可以达到更好的成像效率。改善尤其出现在：
-系统的总折射力更高，
-可容许的制造公差更大，
-颜色修正，例如通过衍射光学元件(DOE)与透镜的组合实现颜色修正，和/或
-通过有限场修正的光学器件补偿偏转元件在衬底或辐射输出元件/辐射输入元件上的定位误差。
以下根据如下实施方式的射束引导的实施方式，进一步说明本发明：光学构件具有辐射输出元件，射束偏转元件设置于所述辐射输出元件上。在此，辐射从辐射输出元件出发射入到射束偏转元件中，在那里被偏转并且形成如下射束：所述射束具有相对于离开辐射输出元件的射束与衬底表面形成的出射角更小的角度或甚至负角度，或平行于衬底表面取向。通过偏转元件形成的射束可以是平行或聚焦(也就是说也可能扩大)的射束集束。
但必须说明的是，关于这种实施方式的说明也适用于如下实施方式：射束由外部照射到射束偏转元件上并且被引导(耦合输入)到布置在衬底上的辐射输入元件中，反之亦然。在这样的情况下，入射射束被如此偏转并且如此聚焦，使其能够射入到辐射输入元件中。
所述衬底可以是任意衬底，如光学或光子领域常用的衬底，例如印制电路板、刚性或柔性的衬底(例如薄膜，尤其有机聚合物制成的薄膜)、或芯片(例如硅芯片，InP芯片，Triplex芯片)、或一般地光子集成电路。在衬底的表面上至少存在辐射输出元件或辐射输入元件。辐射输出元件可以选择主动元件、如光发射器(例如激光器、VCSEL、LED)或选择将输送至其的光束导传递的被动元件(例如衬底内的用于光耦合输出的光栅、或(玻璃)偏转镜)。同样地，辐射输入元件也可以选择主动元件(例如传感器、探测器)或被动元件(例如衬底内的光导入元件或偏转镜)。在任何情况下，根据本发明使用的辐射输出元件及辐射输入元件都是以垂直或基本上垂直于衬底表面、或以相对于衬底的垂直线的小的角度(优选小于20度、特别优选小于或等于10度)耦合输入或耦合输出光。在个別情况下，衬底及辐射输出元件是相同的，例如LED(发光二极体)可以同时作为衬底且发射光。必要时，衬底可以具有至少两个辐射输出元件或至少两个辐射输入元件或至少一个辐射输出元件和一个辐射输入元件。根据本发明使用的构件优选配属于微光学器件，因此具有尽可能小的尺寸。
根据本发明的射束偏转元件直接布置在这些辐射输出元件/辐射输入元件上，或直接布置在这些辐射输出元件/辐射输入元件中的至少一个上，更确切地说射束偏转元件通常以平坦的面与辐射输出元件/辐射输入元件的平坦表面连接，且其通常会伸出辐射输出元件/辐射输入元件的平坦表面。
射束偏转元件由一种或多种具有所期望的折射率的材料构成。材料的折射率通常以有利的方式处于1.50或更高，但也可以低于1.50。以下将进一步说明为此合适的材料及制造可能性。射束偏转元件的尺寸应根据使用目的适当地选择，但要指出的是，本发明可以使用非常小的射束偏转元件，其例如具有如下范围中的尺寸：高度在大约1mm至500μm之间优选小于大约300μm。示例性的射束偏转元件在以下将详细说明的“简单”型中具有如下尺寸：高度大约200μm或更小(部分地甚至仅大约100μm左右)，宽度大约150μm；“组合”型具有相似的高度，但是宽度较大。由于根据本发明的射束偏转元件的高度小，因此需要极小的空间，由于上述理由又能够实现极精确的光引导及光控制。
在本发明的所有实施方式中，射束偏转元件如此成型，使得从辐射输出元件射出的电磁辐射(通常具有7-10度的射出角)(在大多数的情况下、但不是总是、首先)照射到射束偏转元件的具有至少部分反射特性的平坦或弯曲的交界面上。所述面可以是平坦的或弯曲的，也就是说，所述面可以具有附加的准直或聚焦(包括射束扩大)特性。所述面通常是射束偏转元件的外表面，所述外表面为改善反射作用可以选择性地镜面化。在本发明的一种特殊的构型中，所述面充当分束器，也就是说，反射辐射的一部分，另一部分发生折射在所述位置从射束偏转元件射出。在本发明的替代的、同样特殊的实施方式中，所述面是衍射性的，也就是说，所述面构造为光栅或类似菲涅尔波带片的相位片或构造为DOE，或具有体结构化的折射率改变(全息图、超材料)的形式。
在辐射到达所述前面提及的影响辐射且起光学作用的面时，辐射中的至少有一部分被引导到射束偏转元件的内部。
如果射束首先射到所述面上，被偏转到射束偏转元件内部的光束根据本发明最迟在最终离开射束偏转元件时被再次变形。这经常通过透镜状的元件实现，其中，要么射束偏转元件(或如果在以下描述的多部分射束偏转元件的情况下，则是最后的射束偏转元件)的出射面是弯曲的和/或射束被引导穿过布置在元件内的由不同的折射率的材料制成的透镜。结合偏转元件的材料与周围环境之间的折射率差异如此选择透镜的曲率，使得平行射束集束、收敛或发散射束从所述元件射出。在第一替代方案中，涉及不弯曲的出射面。这然后能够实现，使偏转元件材料与周围环境之间的折射率差结合射束照射到所述面上的角度引起附加的偏转，例如辐射集束相比于其在偏转元件内的形状(更强的)收敛。在另一种特殊的构型中，射束在偏转元件内通过衍射光学元件、透镜、透镜组合、面全息图、体全息图、超材料(一种波长或子波长等级的结构化材料)、或是提及元件中的多个的组合被射束成型或聚焦。所述元件可以具有替代的或附加的波长限定的光学作用。
在本发明的一些构型中，射束首先通过前面提及的元件或相应的元件组合引导，然后才照射到前面描述的射束偏转元件的具有至少部分反射特性的平坦或弯曲的交界面上。
在本发明的一种特殊的构型中，射束偏转元件两部分或多部分地构造，其中，第一部分如前面提及的整个射束偏转元件那样直接布置在这些辐射输出元件/辐射输入元件上或这些辐射输出元件/辐射输入元件中的至少一个上，并且大多伸出所述辐射输出元件/辐射输入元件。第二部分如此布置在衬底的表面上的一位置处，使得所述第二部分强制地直接处于从第一部分射出的辐射(或所述辐射的至少一部分)的射束路径中。在本发明的这种构型中，影响穿过偏转元件的射束的射束路径的至少两个面分配在两个部分上，使得处于射入输出元件/辐射输入元件上的第一部分(在大多数的情况下)具有引起入射辐射的至少一部分的偏转的面，而另一面(引起射束直径的变化的面)处于偏转元件的第二部分处(在极少数的情况下是反过来的)。是在这种构型中，偏转元件的第一部分尤其可以非常简单地以仅仅平坦的面形成，其中一个如前面提及那样使射束折射。第二部分例如可以是处于一适当的狭窄部位的透镜或相应的透镜组合，其使从第一部分射出的射束成型。所述射束可以作为平行射束、作为收敛射束或作为分散射束从唯一的透镜或透镜序列的最后透镜射出。
在本发明的另一、与此独立的构型中，辐射输出元件及辐射输入面处于衬底的表面上。在这两个元件上布置有各一个射束偏转元件，其中，这两个射束偏转元件彼此如此对准，使得从射束偏转元件射出的射束射入另一射束偏转元件。在所述变型方案中，优选地，从第一射束偏转元件射出的射束是平行的射束集束。这两个射束偏转元件可以具有完全相同的几何形状，但这不是必需的标准，并且因此能够将从辐射输出元件射出的射束引导到辐射输入元件。
在对于所述构型的一种特殊的变型方案中，两个射束偏转元件布置在辐射输入元件或辐射输出元件上，其中，它们不处于同一衬底表面上，而是处于两个并列布置的光学构件的衬底上，所述两个光学构件是固定在具有其他电的和/或光学的部件的芯片上，或固定在其他衬底上。在这种特殊的变型方案中，偏转元件将从第一光学元件射出的射束引导到第二光学元件上的探测器或用于光耦合输入的光栅中。在这种变型方案中，两个偏转元件的几何形状可以是相同的，也可以是不同的。
前面提及的本发明的构型涉及当前称为“简单的”射束偏转元件。此外，本发明还包括所谓的“组合射束偏转元件”。组合射束偏转元件不能理解为前面描述的由多部分的元件，而是如下元件：其翻倍地具有“简单元件”的必要功能及几何结构，而且通常(但并非一定)具有镜像对称的形式。因此可以将组合元件定义为由两个“简单”元件组合而成。
本发明的一种特殊的构型提出一种组合元件，所述组合元件和“简单”元件一样，也布置在辐射输出元件及辐射输入元件上。在这种情况下，离开输出元件的射束优选射到射束偏转元件的具有至少部分反射特性的平坦或弯曲的第一交界面上。所述面通常是射束偏转元件的外表面，为改善反射作用，所述面可以选择性地镜面化。在本发明的一种特殊的构型中，所述面充当分束器，也就是说，反射射束的一部分，另一部分射束发生折射在所述位置从射束偏转元件射出。在本发明的替代的、同样特殊的构型中，所述面是衍射性的，也就是说，所述面构造为相位片、光栅或DOE。
在射束到达所述前面提及会影响射束且起光学作用的面时，射束中的至少一部分被引导到射束偏转元件内部。根据这种构型的最简单形式，镜面是弯曲的，并且赋予射束平行射束集束的形状，也就是使射束在射束偏转元件内以平行于衬底表面的方式行进，直到射束到达所述元件的相对置的并且可选择性镜面化的外表面，所述外表面与第一外表面具有相同的几何形状。所述外表面将射束朝辐射输入元件的方向反射及准直或聚焦。因此这种组合元件用于将从辐射输出元件发射的射束引导到辐射输入元件。
根据所述实施方式的一种较复杂的方式，在射束偏转元件内的射束射到改变射束直径的第二个面。所述面优选是由不同于偏转元件的材料(因此具有不同的折射率)制成的透镜的一部分，其中，射束在透镜的另一侧又射出。例如，通过透镜可以将从镜射出的分散射束聚焦。然后如前面关于“简单元件”的描述一样，所述射束被引导到相对置的镜面，最后再射入辐射输入元件。
也可以使用透镜序列或其他的光学元件取代埋设在射束成型元件中的透镜，例如菲涅尔波带片、光栅、衍射光学元件、面全息图、体全息图、或超材料。
根据所述实施方式的另一种构型，组合元件的作用并且非将从辐射输出元件射出的射束引导到同一衬底上的辐射输入元件，而是将所述射束引导到第二衬底上的辐射输入元件。从所述作用来看，组合元件相当于前面描述的两个彼此面对面、布置在不同衬底上的射束偏转元件。
在本发明的这种构型中，射束也可以先被前面提及的元件或相应的元件组合引导，然后才照射到射束偏转元件的至少具有部分反射特性的平坦或弯曲的交界面上。可以设置第二个这样的元件或这样的元件组合，但也可以不设置。
在本发明的一系列的构型，射束偏转元件具有缺口或背切。这种构型以至今用于射束片抓元件的制造方法不能够实现。但是本发明提出的制造方法却可以获得这种构型。
例如，如果射束偏转元件具有一透镜状的垂直出射面，则射束偏转元件需具有背切。根据一种有利的情况，所有组合元件在其与辐射输入元件及辐射输出元件接触的面之间的区域都具有缺口。所述区域并且非射束引导所需，所述缺口节省材料，以及使定位更为精确。此外，这种构型还具有附加的可以弯曲的表面，且其折射力可被用于射束成型，或一般地具有其他的光学功能。这也适用于具有附加的光学元件的射束偏转元件，其中，所述等附加的光学元件通常是用于延长偏转元件在射束方向(通常平行于衬底表面)的长度：偏转元件的面向衬底表面的区域也不需要用于光学目的。
由于有多种可能的几何形状及折射率差，因此可以使射束偏转元件射出的射束形成任何一种形状；射束可以是发散的，也可以是收敛的，以及在可能的几何形状的范围内具有一任意直径。同样的，射束轮廓及波前的几何形状也没有任何限制。此外，也可以将射束分开，其中，将射束分成两个或多个平行或指向不同的空间方向的部分射束；反之亦可多个射束组合在一起(多工(Multiplexing))。必要时亦可根据波长将射束分开。
根据本发明的射束偏转元件通常是用于将辐射从辐射输出元件引导到波导体(光导体)(或反之亦然)。可以将波导体(光导体)直接布置在射束偏转元件的(通常是平坦的)面上；但在光束到达光导体的入口之前，也可以引导光束穿过一种中间介质(例如空气或一种填料)。辐射可以具有电磁频谱的任意波长；辐射的波长通常是1550nm或1310nm，也可以是位可见光范围的波长或850nm、必要时也是980nm。对这些波长具有很高的透明性的材料是已知的，而且已被广泛应用。本发明的射束偏转元件特別适于以下的应用：
(a)将光子芯片或光子集成电路上的栅级耦合器发出的光耦合输出且准直到光纤中。
(b)将主动电光学的光发射器发出的光耦合输出且准直到光纤中。
(c)将要聚拢的光耦合输出且聚焦，以及耦合输入到光纤(从光子芯片或光子集成电路上的栅级耦合器发出)中。
(d)将要聚拢的光耦合输出且聚焦，以及耦合输入到光纤(从主动电光学的光发射器发出)。
(e)将VCSEL发出的光耦合输出并且聚焦到探测器上。
(f)将光子芯片上的光栅发出的光耦合到同一光子芯片上的另一光栅中或光子集成电路上的另一光栅中。
(g)将光子芯片上的光栅发出的光耦合到不同光子芯片上的另一光栅中或光子集成电路上的另一光栅中。
(h)将光纤发出的准直光耦合输入到探测器中。
(i)将光纤发出的准直光耦合输入到光栅中。
(j)将光纤发出的发散光耦合输入到探测器中。
(k)将光纤发出的发散光耦合输入到光栅中。
本发明的射束偏转元件可以由不同的适当的光学材料制成，尤其是对前面提及的波长具有高透明性的材料，因此材料的阻尼性很小。例如玻璃、有机聚合物、无机-有机混合聚合物(除了有机聚合基外，通常还含有Si-O-Si键形成的无机网络，其中，一部分硅原子可以被其他的金属原子取代)。这种混合聚合物在现有技术中是已知的。视制造技术而定，也可以使用其他的材料。这些材料的折射指数优选在1.3至1.6之间，其中，有些纯有机材料可能具有相对低的折射指数，而无机-有机混合材料的折射指数视(贴别地可适配的)构型而定通常在1.40至1.9之间，优选在1.45至1.6之间。必要时玻璃可能具有较高的折射指数，例如含有较重的金属离子(例如钛)的玻璃。
由现有技术已知，独立地制造射束偏转元件，例如由可压印的材料制造射束偏转元件。可以直接在光学构件上进行压印；一种适当的材料是可以再固化的聚合物，例如由WO2007/128021 A1或US 8,876,408 B2已知的那样。替代地，可以独立地、例如由玻璃或聚合物制造偏转元件，然后安装到需要的位置，例如以粘接方式安装。
另一种可行的制造方法是利用激光烧结(3D列印SiOx粉末)，或是以3D列印有机聚合物或无机-有机混合聚合物。在此，通常每加上一层或结束材料涂覆后，利用光(例如紫外光)进行(在一些情况下也结构化的)固化。另外还可以使用热处理步骤，以控制对整个体积进行预固化或再固化。必要时可以对所产生的玻璃体或聚合物体进行拋光处理。
一种有利的方式是使用可光结构化的材料。例如有机聚合物，如加聚物(丙烯酸酯，甲基丙烯酸酯，含乙烯基、丙烯基、或苯乙烯基的聚合物或环氧聚合物)、或具有无机网络(通常具有Si-O-Si键桥，其中，一部分Si原子可以被其他金属原子取代)及有机交联基(例如乙烯基，丙烯基，苯乙烯基，丙烯酸基甲基丙烯酸基，原冰片烯基，交联的环氧基)的无机-有机混合聚合物。这些材料例如在WO 03/031499 A2中公开；如前所述，这些材料的折射率通常为1.50或大于1.50，这样的折射率对于本发明是非常有利的。由于无机及有机交联混合聚合物的变异性很大，因此也可以被调整成较低的折射率。根据现有技术，由于具有可光结构化的特性，因此可以通过灰色调光刻或立体光刻从有材料池的材料结构化出纯有机及无机-有机混合材料。在这些材料中，无机-有机混合聚合物特别有利，因为其通常是通过单初始化合物(通常硅烷)的水解缩聚反应制成。经过水解缩聚、但在光化学上仍未交联的缩聚物(通常称为树脂)通常是液状或膏状，因此无需溶剂或只需极少的溶剂(例如制造完成后很难或不能从缩聚物中去除的溶剂仅占全部重量的1％或2％)即可制成。在光结构化后，通常将剩下的液态材料洗掉，也就是说“显影”射束偏转元件。显然也可以使用纯有机材料及可光结构化或光热折射的玻璃执行前面提及的光刻方法。
若使用光结构化、如立体光刻，可能以此方式产生光学组件的其它部件。
如果可光结构化的材料也能够热固化，则可以将光结构化及热固化结合在一起，例如用于后固化，以获得最终固化的元件。自然所述加工最好是在元件形成之后进行。
立体光刻法通常提供高的表面粗糙度。在一些情况下，这是没关系的，例如基于光学理由，粗糙度大于λ/10即已足够。在另外的情况下则需要进后拋光。
本发明的射束偏转元件的表面粗糙度通常应在非常精细(数个nm的范围、也就是说小于10nm)直到100nm之间的范围中，优选最大50nm。
在本发明的一种特別有利的实施方式中，借助所谓的双光子吸收或多光子吸收(TPA，MPA，英文“Two-Photon Absorption”)制造射束偏转元件(必要时与其他以所述技术可制造的光学元件一起)。这种技术已知，例如在WO 03/037606 A1中详细说明，并且根据无机-有机混合物(经有机改良的有机可聚合硅酸(杂)缩聚物或硅氧烷)说明所述技术。也可以使用TPA/MPA由纯有机可光结构化材料制造本体。在此，完全一般地由液态的“池(Bad)”材料将本体结构化出来。相较于立体光刻，这种技术的优点是可以非常精确地结构化出非常细小的本体，并且可以形成自由的形状和非常高的表面品质。WO 2011/141521 A1公开适用于所述技术的适当装置及方法。制造出的本体的表面粗糙度最小可小到1-4nm，其中，典型的粗糙度值为10至50nm，有时视材料而定，也可以是100nm。借助这种技术，可以独立地(必要时同时以多种实施方案)制造射束偏转元件，或直接就地由原始材料的液滴在光学构件上制造射束偏转元件；同时必要时可以由相同的液滴制造其他的光学部件、例如波导体或棱镜。也可以借助其他的光结构化方法(例如前面提及的立体光刻)直接在所期望的构件基底上产生射束偏转元件，但这样做通常不能达到期望的表面品质或小于20μm。以这种方式可以直接将射束偏转元件布置在辐射入口或出口上，使得可以不必使用对高度及光学计算的要求都很高的粘接材料。
有些玻璃是可光结构化的，这些玻璃的化学特性(例如可溶性)会因为曝光而变化。因此在光结构化之后，可以用氢氟酸、氟化铵溶液、或氢氟酸及氟化铵溶液的混合物将曝光的玻璃洗去，也就是说，这是一种正性方法。
也可以使用TPA或MPA过程，以产生射束偏转元件的实施方式，这些实施方式具有处于内部或外部的透镜，例如以下根据E基本型(图5-1)示出的透镜所述透镜例如可以由玻璃构成，并且在TPA/MPA过程(在本情况中是从独立的材料池产出)中作为用于固定可光结构化材料用的载体。
只要所使用的原始材料能够被光化学结构化及热固化，就可以将射束偏转元件构型成如下结构体：其具有两个不同主结构的区域(也就是说具有由不同的化学联结(例如影响交联度的联结)区分的区域，或是依据所产生的重新排序或重新配置区分的区域)，和/或具有不同的次结构(此次是指分子在结构体复合物中的排序，例如受折迭或浓缩影响的排序)，其中，不同的主结构和/或次结构例如可以具有不同的折射率。相应的技术例如在WO2014/108546 A2和WO 2014/108538 A2中描述：将对象(此处为射束偏转元件)塑造成适当的(外部)形状，并且优选热地(一些情况是以聚光照射热处理)预固化，然后借助激光及TPA/MPA产生(“写入”)具有不同的主结构和/或次结构的内部结构，最后以根据需要附加地进行最终固化，如果没有预固化，则一定要进行最终固化。令人讶异的是，即使是已经经过热预固化的材料也可以通过TPA/MPA进一步加工并且受到影响，即使必须假定可能的聚合反应已经在热处理预固化过程中全部完成。即使是这样，材料也会在激光的强度能够造成TPA/MPA的位置(立体像素)发生变化；尤其是材料具有其他的折射率。这种方法适用用来制造根据本发明的所有如下射束偏转元件：在其内部有写入二维面(例如格栅)或体积元件(例如透镜或波导体)，所述二维面或体积元件可以影响穿过的射束的射束路径，例如透镜能够通过反射将射束分裂成不同波长，或是将具有不同波长的射束分裂成每个波长行经不同的路线，弯曲90度的波导体在弯曲处具有光子结构(例如光子晶体)。
根据本发明的另一变型方案，可以用这种方法在一固体环境中制造射束偏转元件。为此，将一种可热处理固化及可光结构化的液态材料配备到光学构件上的应设有固体材料且具有至少一个辐射输入元件或辐射输出元件的区域上，例如可以配备这种液态材料的液滴或一层这种液态材料，而且这层材料能够使光学构件的高度达到需要的高度，或是将光学构件整个覆盖住。接著优选借助聚光照射或热处理使液态材料固化。然后在辐射输入元件或辐射输出元件上借助TPA/MPA在液滴或这样预固化的材料中使射束偏转元件结构化。也可以借助所述方法在液滴或预固化的材料中制造其他的光学元件、例如波导体结构。如前所述，除了预固化之外，接著还可以进行后固化；如果之前没有进行预固化，则一定要进行后固化。
借助TPA制造波导体是已知的；其也在WO 2007/128021 A1中对于这种元件提出。如前所述，根据本发明，除了射束偏转元件外，显然也可以借助TPA结构化制造出波导体。必要时可以在相同的制造步骤制造波导体。和前面关于射束偏转元件的说明一样，所述制造步骤也可以只在固体环境中直接制造出波导体，其中，周围的材料充当覆盖材料，或是也同时制造出埋设在固体材料中的射束偏转元件。如果射束偏转元件的射束射出面是平坦的，则所形成的波导体可以直接与辐射输出面相邻；替代地，波导体与辐射输出面之间存在距离，射束可以跨越这段距离(二者之间的空间中的介质可以视构型而定是空气，或其他的气态环境介质或固体材料，例如前所述的制造射束偏转元件和/或波导体的材料)。
如前所述，如果借助光结构化然后再显影的方式制造出波导体，则可以用一种适当的材料(例如一种固体、液体或气体)将环绕波导体的空间填满。这种材料应该在化学成分和/或物理特性、尤其折射率方面与波导体的材料不同，并且优选也与射束偏转件的材料不同。如果是一种液体材料，则尤其使用能够经过光化学和/或热处理交联的液体材料。这样做的好处是可以达到较高的NA/较大的折射率差异，因而提高波导体的效率。
要指出的是，除了可以借助TPA/MPA制造波导体或其他光学元件外，替代地但是也可以借助1-光子-聚合过程制造波导体或其他光学元件。也可以将不同的方法组合在一起。
具体实施方式
以下根据特定的示例对本发明做进一步的说明。在此，通常根据离开辐射输出元件的射束或射束集束的路线描述射束路径，但应该清楚的是，射束路径显然也具有相反的方向并且能够射入相应的辐射输入元件。在所有的附图中都可以看见衬底(例如光子芯片或光子积分电路)，在衬底的表面1上布置有辐射输出(或输入)元件2。元件2本身也可以作为衬底，在这种情况下，1和2是相同的。如前所述，这种元件的射束集束通常具有7-10度的射束角。在所有的情况中，射束偏转元件直接布置在辐射输出元件/辐射输入元件2上。
图1-1示出具有射束偏转元件的基本型(G型)的微光学构件，这种基本型使用由现有技术已知的射束偏转原理。射束偏转元件3具有弯曲面，所述弯曲面对于从辐射输出元件射出的辐射充当聚焦的聚焦镜(镜加上透镜)。通过所述镜准直的光束通过偏转元件的另一面——光束垂直于面平面通过所述另一面，因此所述另一面不影响射束形状——从元件3射出并且在此进入自由空间中。在现有技术中，这种射束偏转元件埋设在一种固体材料内，所述固体材料的折射率不同于用于射束偏转元件的材料的折射率。射束路径由此不变化。所示出的射束偏转元件在射束出射面以下具有节省材料的背切，目前的制造这种元件的方法均不能实现所述背切。因此，所述射束偏转元件的形状是新的。但是背切对于射束路径无任何意义。
图1-2及图1-3明确阐述这种射束偏转元件的技术极限：如前所述，使用用于使射束偏转及准直或其他的成形的面的缺点是：不能彼此独立地确定射束高度及射束直径；在所期望的射束直径时，射束高度自动确定。图1-2示出实施方式，借助所述实施方式虽然达到所期望的狭窄的射束直径，但是却不能达到准直光束的期望高度，因为为了形成狭窄的射束，弯曲面与辐射源之间的距离必须保持在很小的程度。图1-3示出相反的情况：虽然达到期望高度，但是不能达到期望直径；由于弯曲面与辐射源之间的距离较大产生过宽的射束。
根据本发明的射束偏转元件克服所述缺点，以下根据各个实施方式对所述根据本发明的射束偏转元件做进一步的说明。从以下关于实施方式的说明可以清楚的看出，不同的实施方式的不同的特征也可以彼此组合；这些组合显然也由本发明包括。
图2-1示例性地示出这种射束偏转元件的A基础型。在所述基础型中，元件所述具有两个影响射束形状的外表面。在具体情况中待选择的形状自然也与射束偏转元件材料的折射率有关，并且与相对于周围空间的折射率差异有关。离开射束源的光束到达选择性(例如具有金属)反射的平的倾斜(外表)面，在所述面上被反射。在反射之后，在射束偏转元件内，光束扩大必要时继续进行。光束朝对其造成影响的第二(外表)面的方向运动，所述面弯曲成透镜状。光束在所述面上被偏转及准直。光束作为平行光束4离开偏转元件，并且在这种实施方式中射入到自由空间(例如空气，真空)中，例如以便以确定的距离到达具有光学输入端的元件，例如光导体、传感器、探测器或光栅。替代地，射束偏转元件埋到一种液态或固态介质中，所述介质的折射率不同于偏转元件材料的折射率。很明显的，借助这种实施方式，即使在辐射源与反射面之间的距离很短，因而形成紧密的、紧凑的结构，也能够产生可自由选择且宽度很大的射束。
图2-2示出准直光束的进一步路径，在此进入一条光纤。所述光纤可以是由玻璃或其他透明材料制成，且由覆盖层环绕。例如，如前所述，可以通过借助TPA/MPA在一液态或预固化的材料内结构化制造这种光纤。所述光纤可以是处于偏转元件3上的光学构件的一部分并且例如锚定在偏转元件的表面1上，但所述光纤并非必须是光学构件的一部分(表面可以连接两个这种元件，或是将光引导到另一对象)。
图2-3示出所述光学构件的一种替代方案。在此，从偏转元件3射出的准直光束4也就是说通过镜像构造且镜像布置的第二偏转元件3被引导到辐射输入元件5中，其中，所述辐射输入元件及所述辐射输出元件2处于同一光学元件上。
在图2-4示出的另一变型方案中，射束4通过自由空间传播被引导到具有第二衬底表面1的第二光学元件，以便在那里通过镜像构造且镜像布置的第二偏转元件3射入到处于第二光学元件的衬底表面1上的辐射输入元件5中，例如射入探测器或用于光耦合输入的光栅中。
如果如前面示出的A基础型射束偏转元件一样，影响通过射束偏转元件的辐射的路线的两个面是所述元件的外表面，则离开偏转元件3的射束4就不一定必须是平行的。替代地，透镜构型成使射束能够被聚焦到任意对象上，如根据图3-1的B基础型示意性所示。很明显的，也可以如此选择偏转元件的几何形状及透镜形状，使得产生扩大的射束。
图3-2示出射束偏转元件的B基础型的一种变型方案，其中，射束聚焦到光纤5的输入端上。作为光纤，玻璃光纤或是如图2-2借助TPA/MPA结构化的光纤又合适。尤其是这种实施方式对单模光纤最为适合。
在图4-1的本发明的实施方式中，射束偏转元件两个部分地或多个部分地构造，其中，第一部分直接布置在辐射输出元件2上或布置在辐射输出元件2中的至少一个上，并且通常略微突出于辐射输出元件之外。在所述图中示出的C型射束偏转元件中，所述射束偏转元件的第一部分3具有如A型及B型的反射面(图2及图3)。但是，在从射束偏转元件的所述部分射出时不使射束准直或聚焦。射束从如下面射出：在所述面处，射束视照射不同(垂直于所述面或以不是90度的角度)保持不变或是仅被略微折射。然后是在独立的透镜4处进行所需的准直，所述透镜例如可以直接布置在衬底上的一根杆子上(但不必须)。射束穿过所述透镜并且被所述透镜准直成所期望的形状(平行化，如第4图所示，或是被，如图4-2作为“D型”表示的构型示出的那样被聚焦。代替地，也可以将射束扩大)。
C型及D型又是可以有很多不同的替代方案的基础型。例如，替代一个透镜，可以使用透镜组。替代地或累积地，可以透镜形、凹形或以其他合适的方式构型射束偏转元件的第一部分3的出射面。
如前面关于A型及B基础型的说明，出射射束可以传播到自由空间中或进入到周围的液态或固态介质中。
图5-1示出一种构型(E基础型)，其中，透镜表面4不是射束偏转元件3的外表面或独立的透镜不布置在离开射束偏转元件的第一部分的射束的射束路径中，而是在射束偏转元件的内部设置透镜，所述透镜具有影响射束路径的表面。这可以通过如下方式实现：使用两种光学密度不同的材料用于透镜且用于射束偏转元件的包围透镜的材料。所述变型方案通过如下方式制造：例如可以将玻璃透镜置于液态或膏状的有机可聚合材料中，然后使所述材料聚合成合适的形状，其中，所形成的聚合物具有不同于玻璃透镜的折射率。一种更为灵巧的制造途径通过借助TPA/MPA将透镜“写入”实现。为此，例如通过聚合(光或热)、立体光刻法、或印刷方法使射束偏转元件以其形状预结构化。随后，借助激光在预固化的材料内进行双光子或多光子聚合，其中，激光光造成附加的TPA/MPA，因而引起固化(如前所述，主结构和/或次结构的变化)。由此达到的相对于未照射激光的材料的折射率差异足以引起使射束偏转。
要说明的一点是，透镜不一定必须完全处于射束偏转元件内；代替地，透镜的面中的形成射束偏转元件的如下(外表)面：光辐射通过所述面射出。射束偏转元件可以由两个以不同材料制成的部件组合而成，其方式是：例如将透镜置于剩下的射束偏转元件的凹缺口中，并且在那里粘接或以其他方式固定住。
在根据图5-2的变型方案中，射束偏转元件3的出射面直接与光纤连接(“对接耦合”(butt coupling))。所述光纤也可以是玻璃光纤，在此尤其多模光纤、或通过TPA/MPA结构化的波导体。
根据图5-3可以看出，射束偏转不一定必须按照“先反射，再射束成型”的顺序进行。所述附图示出E型的一种变型方案，其中，射束先通过透镜，然后再通过反射面。
借助图5-4中可以看出，不仅透镜可以作为集成的射束改型元件。在此，示意地示出元件4集成到本发明的偏转元件中，所述元件代表任意一种引起体结构化的元件，例如“经典的”透镜、多个透镜的序列、衍射光学元件、面全息图、体全息图或超材料。所述元件也可以是用于射束汇聚的装置(输入元件)或用于射束分离的装置(输出元件)。
在所示出的型中，射束通过弯曲的面从射束偏转元件射出；过视射束之前在射束偏转元件内部受到的条件而定，所述面也可以是平坦的。
图5-5示出所述变型方案中的集成的衍射光学元件4(DOE)的一种特殊情况。
图5-6的变型方案示出另一种特殊情况。在此，衍射光学元件(DOE)集成到射束偏转元件的反射面中。由此，到达反射面的射束不仅被反射，而是其相位/振辐也会被调制，由此在射束几何内形成干涉图案和/或强度图案。
例如，在以上两种情况中，DOE可以是一种呈菲涅尔波带片形状的用于聚焦的相位片。
图6-1示出的F基础型示出具有透镜的E型的一种变型方案，其中，透镜如此成型，使得不是平行射束、而是收敛射束从射束偏转元件3射出。所述收敛射束可以对准任意光学元件或对象，例如对准光纤的输入端(在图6-2中示出)或对准独立的透镜(如前文关于C型及D型阐述的那样，所述透镜是射束偏转元件的组成部分)。
图6-3以F基础型为基础示出一种变型方案，这种变型方案在说明书的普遍部分中称为“组合元件”，也就是说，其具有“简单的E基础元件”双倍的必要功能及几何形状，而且在这种情况下是镜像对称的(在这种情况下，透镜的两个外表面分别充当改变射束发散度和/或射束形状的元件，其中，其中一个配属于组合元件的第一部分，其中另一个配属于组合元件的第二部分)。使用这种元件，以便将射束从布置在衬底的表面1上的辐射输出元件2(例如激光器等)引导到布置在同一表面上的辐射输入元件5(例如探测器等)，其中，可以为此使用透镜(或替代地透镜序列等)，使得在从光源到探测器的路径上改变特性，如射束形状、输入及输出耦合方向和数值孔径。这种射束偏转元件自然能够以相同的方式将光从第一衬底的表面上的辐射输出元件传送到第二衬底的表面上的辐射输入元件。
在所述实施方式的一种特殊的变型方案中，元件的反射面同时可以如此弯曲，使得准直且平行于相对置的弯曲反射面地引导光束。这种情况无需使用到透镜。可以将这种变型方案(在图6-4中示出)描述为由现有技术已知的G基础型的“组合元件”，其中，本发明对组合元件的扩展不具有耦合功能(偏转和聚焦)的与所述基础型关联的技术缺点，因为射束在其从辐射输出元件到辐射输入元件的路径上未离开所述元件，所以射束的期望高度和期望直径在射束偏转元件的几何形状范畴内都可以任意选择。根据本发明的这种变型方案，因为射束偏转元件具有影响辐射的第一面和影响辐射的第二面，其中，第一面引起入射辐射的至少一部分的偏转，第二面引起射束发散度和/或射束形状变化。但是，根据本发明而言，这种变形方案(射束偏转元件具有影响通过元件的射束的路线的仅两个面，所述两个面是两个处于外部且彼此相对置的弯曲反射面)不如所有其他变形方案优选。
图6-4示出的变型方案不一定必须对称地构造，这适用于本发明的所有“组合”射束偏转元件。例如，如图6-5所示，如果辐射输出元件的射束首先照射到如下反射面上：所述反射面如此弯曲，使得产生如下(收敛)光束：所述(收敛)光束的重心相对于衬底表面具有一角度，则在相对置的侧上通过适当倾斜的镜面能够捕捉所述光束并且将其引导到辐射输入元件中。在这种实施方案中，发射极例如可以具有不同于探测器接受的射束发散。例如，如果发射极发出±10度的锥形，而探测器仅接受具有±1度的垂直的光，则射束集束在第二反射镜上必须非常狭窄，以便将所有光耦合到探测器中。非对称的射束路径需要非对称的元件。类似地，可以适配射束形状。例如，在将作为辐射输出元件的具有矩形出射面的边缘发射激光器发出的射束偏转到具有圆形入射面的探测器的情况下，可以使用所述变型方案。
图7-1示出具有非弯曲出射面的射束偏转元件的一种构型。偏转元件材料与周围环境材料之间的折射率差异与射束照射到所述面上的角度组合引起附加的偏转，也就是说使辐射集束相比于其在偏转元件内的形状的更强收敛。
在本发明的一种特殊的实施方式中，射束偏转元件具有附加的光学作用元件。例如所谓的“多路复用器”，其将不同波长的光束的光学路径分开。这种元件可以是光栅、DOE、全息图、光子晶体或二向色性镜。在一些情况下，可以借助TPA/MPA直接将多路转换器“写入”射束偏转元件的体(Volumen)中。否则，如前面关于E变型方案(图6-1、图6-3)的透镜的说明，将多路转换器作为预制元件埋设到射束偏转元件的尚未最终固化的材料中。
图8-1示出包含多路转换器的射束偏转元件的一种可能的变型方案。多路转换器4将射束分成两个垂直的组分7、8(二者波长不同)，所述两个组分通过透镜状的面5和7离开射束偏转元件。所述方式的先决条件是极高的定位精准性。
图8-2示出具有多路转换器4的另一变型方案，其中，多路转换器将射束分成两个水平的组分7、8，所述两个组分通过相应的透镜5、6从射束偏转元件射出。
借助这种变型方案可以实现多个可能的射束形状。例如，通过写入体中的元件，可以将两个或更多数量的不同波长的光的路径分开，这些光从两个或多个处于唯一的射束偏转元件下面的辐射输出元件射入到射束偏转元件中。因此，可以形成平行、聚焦、或发散的射束，其例如由不同波长的射束组成，其中，从橫截面看过去，射束的不同部分以不同的方式包含不同波长的光。如图8-3所示，可以通过平的光栅或其他的平面元件5形成射束，所述射束的核心形成从两个辐射输出元件2、3射出的射束的共同光路径，其中，两个辐射输出元件2、3发射不同波长的光。在此，射束偏转元件如此成型，使得从辐射输出元件2射出的波长1的光在反射面上被如此反射，使得在通过射束偏转元件的透镜状交界面射出后，所述光与从3发射的波长2的光(在元件5处被反射)相比形成更宽的平行射束。在此，元件5如此形成，使得波长1的光能够穿过所述元件。
如果元件5具有与波长相关的折射力(扩散能力(Dispersion))，如此选择所述扩散能力，使得两个路径的位置、方向及直径相同。如图8-4所示，在所述情况下，准直光束6在其直径上的所有位置都由两个从2、3发射的波长的相同混合构成。
除了可以使用平的元件外，也可以在射束偏转元件内设置复杂的立体结构化元件，例如光子晶体、全息图或超材料。因此能够获得的射束图样与使用面元件是可比的，参阅图8-5，其中，立方体5代表体元件。
自然，两个辐射输出元件不必须如图8-4及图8-5所示以辐射路径为基准前后排列，两个辐射输出元件而是也可以是并列布置。图8-6示出相应的示例。
图9示出A基础型的两个射束偏转元件的电子显微拍摄。左边的偏转元件是正确的，右边的偏转元件是不完整的(为了便于观察内部情况，将上盖去除，元件的剩余部分是空的)。辐射输出元件处于元件后方部分的下方，光束在其路径向上向上照射左后方可见到的倾斜面，所述光束在所述倾斜面上被反射。光束从后方向斜前方通过略呈锥形的元件本体并且在前方在弯曲面处射出。

Claims (13)

1.一种用于制造光学构件的方法，所述光学构件包括：
具有衬底表面的衬底，
处于所述衬底表面上的辐射输出元件和/或处于所述衬底表面上的辐射输入元件，以及
射束偏转元件，其具有在所有三个空间方向上小于1mm的尺寸，所述射束偏转元件布置在所述衬底表面上的辐射输出元件或辐射输入元件上并且如此构型，使得其使基本上垂直于所述衬底表面从所述辐射输出元件出射的电磁辐射偏转并且在此形成如下射束：所述射束相对于离开所述辐射输出元件的射束与所述衬底表面形成的出射角具有更小的角度或甚至负角度或者平行于衬底表面取向；或者使得其使以相对于所述衬底表面的确定角度入射到所述射束偏转元件中的电磁辐射聚焦并且偏转到所述辐射输入元件中，其中，所述射束偏转元件具有用于入射辐射的入射面以及用于所述辐射的出射面，并且具有影响穿透所述元件的辐射的路线的不同于所述入射面和出射面的至少两个另外的面，所述至少两个另外的面中的一个引起入射辐射的至少一部分的偏转，所述至少两个另外的面中的另一个引起射束发散度和/或射束形状发生变化，其中，所述射束偏转元件的入射面和出射面中的至少一个平坦地构造，其中，所述平坦的面至少部分地直接处于所述辐射输出元件的出射面或所述辐射输入元件的入射面上，
其特征在于，
通过可光结构化的材料的光感应固化直接在所述衬底上的辐射输出元件和/或辐射输入元件上就地由原始材料产生所述射束偏转元件，从而能够将所述射束偏转元件直接制造在辐射输入元件和/或辐射输出元件上，而不需要使用粘接剂或其他保持结构，所述光感应固化借助双光子吸收/多光子吸收来实现，以及所述射束偏转元件的表面粗糙度低于或者等于100nm。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述射束偏转元件的引起所述射束发散度的变化的和/或所述射束形状的变化的面是弯曲的面或平坦的面，所述弯曲的面或平坦的面充当用于辐射的入射面或出射面。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述射束偏转元件的引起所述射束发散度的和/或所述射束形状的变化的面是辐出射面并且相对于以下面——所述射束通过所述面入射——具有70度至110度之间的角度，或者，所述射束偏转元件的引起所述射束发散度的变化和/或射束形状发生变化的面是辐入射面并且相对于以下面——所述射束通过所述面出射——具有70度至110度之间的角度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述射束偏转元件的引起所述射束发散度的和/或所述射束形状的变化的面是所述射束偏转元件内部中的衍射光学元件、透镜、透镜组合、面全息图、体全息图、超材料或由所提及的元件中的多个构成的组合，或者，引起所述射束发散度和/或所述射束形状的变化的面是所述射束偏转元件的反射面上的衍射光学元件，其中，用于入射辐射的入射面和用于所述辐射的出射面具有70度至110度之间的角度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述射束偏转元件两个部分地或多个部分地构造，其中，第一部分至少部分地直接布置在所述衬底表面上的辐射输出元件或辐射输入元件上，并且第二部分如此布置在所述衬底的表面上的一位置处，使得所述第二部分强制地直接处于从所述第一部分出射的或入射到第一部分中的辐射的射束路径中或从所述第一部分出射的或入射到第一部分中的辐射的射束路径的至少一部分中，其中，所述射束偏转元件的所述第一部分具有引起所述入射辐射的至少一部分的偏转的面，所述射束偏转元件的所述第二部分具有引起入射射束的射束发散度和/或射束形状发生变化的面，或反之亦然。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述射束偏转元件部分地直接布置在辐射输出元件上，其特征在于，所述射束偏转元件还部分地直接布置在辐射输入元件上，所述辐射输入元件是第二光学构件的部分，其中，所述射束偏转元件具有引起入射辐射的至少一部分的偏转的至少两个面以及引起所述射束发散度和/或射束形状发生变化的至少两个面，其中，所述面彼此如此布置，使得将所述射束从所述光学构件的辐射输出元件通过所述射束偏转元件引导到所述第二光学构件的辐射输入元件中。
7.根据权利要求1所述的方法，其还包括波导体，所述波导体要么与所述射束偏转元件的平坦的辐射输入面或辐射输出面直接相邻地布置要么与所述射束偏转元件的平坦的辐射输入面或辐射输出面间隔开地布置。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述波导体与所述射束偏转元件的平坦的辐射输入面或辐射输出面间隔开地布置，并且所述平坦的辐射输入面或辐射输出面与所述波导体之间的空间以气体、液体或固体填充或对其抽真空，其中，所述液体或所述固体相比形成所述射束偏转元件的辐射输入面或辐射输出面的材料具有不同的折射率并且相比用于形成所述波导体的材料具有不同的折射率。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由相同的液滴产生至少一个另外的光学部件。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述另外的光学部件是波导体，所述波导体要么与所述射束偏转元件的平坦的辐射输入面或辐射输出面直接相邻地布置要么与所述射束偏转元件的平坦的辐射输入面或辐射输出面间隔开地布置。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述射束偏转元件和另外的光学部件的光结构化之后，洗掉残留的液态材料。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述另外的光学部件是波导体，其中，在洗掉所述残留的液态材料之后，以气体、液体或固体填充所述射束偏转元件的平坦的辐射输入面或辐射输出面与所述波导体之间的空间或对其抽真空，其中，所述液体或所述固体相比形成所述射束偏转元件的辐射输入面或辐射输出面的材料具有不同的折射率并且相比用于形成所述波导体的材料具有不同的折射率。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述射束偏转元件的和/或所述另外的光学部件的所述光结构化之前和/或之后，使整个液滴材料充满光和/或对其进行热处理并且以这种方式使其固化。
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