DE102005063276B4

DE102005063276B4 - Verfahren zum Herstellen von Glasbauteilen mit strukturierter Oberfläche

Info

Publication number: DE102005063276B4
Application number: DE102005063276A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. 55124 Wölfing; Ralf Dr. 55252 Biertümpfel
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2025-12-30
Also published as: DE102005063276A1; KR20070072386A; JP2007182372A; KR101158598B1

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Glasbauteilen mit strukturierter Oberfläche, mit folgenden Schritten:
– Bereitstellen einer Form (10, 10a, 10b) mit einer Oberfläche (20), von der aus sich mindestens eine Vertiefung (16, 16a, 16b) erstreckt; Platzieren eines Glassubstrates (12) auf der Oberfläche (20) der Form (10, 10a, 10b);
– Aufheizen der Form und des Glassubstrates (12) auf eine Temperatur oberhalb der Glasumwandlungstemperatur T_g, so dass sich eine Viskosität zwischen 0,5·10⁸ dPas und 2·10⁹ dPas ergibt, und
– Pressen des Glassubstrates (12) gegen die Oberfläche (20) der Form (10, 10a, 10b), um an jeder Vertiefung (16, 16a, 16b) der Form eine Erhebung (18) an dem Glassubstrat (12) auszubilden, ohne dass die Erhebung (18) in Kontakt mit dem Boden (30) der Vertiefung (16, 16a, 16b) gelangt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Glasbauteilen mit strukturierter Oberfläche, an der insbesondere Mikrolinsen ausgebildet sind.
In der modernen Optik werden zahlreiche Glasbauteile verwendet, an deren Oberfläche eine Vielzahl von Mikrolinsen oder ein Linsenarray ausgebildet ist. Die Herstellung derartiger Bauteile mit klassischen Verfahren, wie Schleifen und Polieren oder Blankpressen, ist sehr aufwändig. Da solche Bauteile teilweise in hohen Stückzahlen erforderlich sind, sind die bekannten Herstellungsverfahren hierzu nur unzureichend geeignet.
Eine denkbare Herstellung solcher Bauteile durch ein Lithographieverfahren erscheint für große Stückzahlen ebenfalls ungeeignet.
Bei einer denkbaren Herstellung durch Blankpressen wären ausreichend präzise geformte Formwerkzeuge notwendig. Dies führt zu erheblichen Herstellkosten. Ferner ergeben sich durch den Kontakt mit der Form insbesondere im Bereich der herzustellenden Linsen häufig Verunreinigungen, was zu entsprechenden Qualitätseinbußen führen kann.
Bei einem aus der DE 199 56 654 A1 bekannten Verfahren zur Herstellung von Glasbauteilen mit strukturierter Oberfläche wird zunächst ein erstes Substrat bereitgestellt, in dessen Oberfläche Vertiefungen erzeugt werden. Auf diese Oberfläche wird nun ein Glassubstrat aufgelegt und durch ein geeignetes Verfahren, vorzugsweise anodisches Bonden bei Unterdruck, mit der Oberfläche des ersten Substrates verbunden. Anschließend wird das mit dem ersten Substrat verbundene Glassubstrat derart getempert, dass ein Hineinfließen des Glasmaterials in die Vertiefungen des ersten Substrates erfolgt und so Erhebungen an der Oberfläche des Glassubstrates ausgebildet werden. Anschließend wird das erste Substrat von dem strukturierten Glaskörper entfernt, was vorzugsweise durch Ätzen erfolgt. Das erste Substrat wird hierbei vorzugsweise aus einem Siliziumwafer hergestellt.
Ein derartiges Herstellverfahren ist infolge der aufwändigen Bondetechnik und des nachfolgend notwendigen Ätzschrittes zum Entfernen des ersten Substrates – bei dem das erste Substrat zerstört wird – von dem hergestellten Glasbauteil relativ aufwändig. Zudem ist die Bondetechnik auf bewegliche positive Ionen (z. B. Bor oder Schwefel) im Glas angewiesen und daher nicht für jedes Glas anwendbar. Eine noch größere Einschränkung ist, dass das Glas, das auf den Siliziumwafer gebondet wird, von der thermischen Ausdehnung sehr gut zum Silizium (CTE 3·10^–6K^–1) passen muss. Dies schränkt die Auswahl optischer Gläser sehr stark ein.
Ein Verfahren zur Herstellung von kleinen Linsen unter Verwendung eines Kunststoffes, wie etwa Polycarbonat, ist aus der GB 2 264 890 A bekannt. Danach werden die Linsen gegen eine Oberfläche mit Vertiefungen gepresst, derart, dass das Linsenmaterial Vorsprünge an den Vertiefungen ausbildet. Alternativ kann das Verfahren auch unter Verwendung von Glas durchgeführt werden, wobei jedoch keinerlei Angaben über den Temperaturbereich oder den Viskositätsbereich gemacht sind.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Glasbauteilen mit strukturierter Oberfläche zu schaffen, das auf einfache und kostengünstige Weise durchführbar ist und das sich für eine Großserienfertigung eignet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen von Glasbauteilen mit strukturierter Oberfläche mit folgenden Schritten gelöst:

– Bereitstellen einer Form mit einer Oberfläche, von der aus sich mindestens eine Vertiefung erstreckt;
– Platzieren eines Glassubstrates auf der Oberfläche der Form;
– Aufheizen der Form und des Glassubstrates auf eine Temperatur oberhalb der Glasumwandlungstemperatur T_g, so dass sich eine Viskosität zwischen 0,5·10⁸ dPas und 2·10⁹ dPas ergibt, und
– Pressen des Glassubstrates gegen die Oberfläche der Form, um an jeder Vertiefung der Form eine Erhebung an dem Substrat auszubilden, ohne dass die Erhebung in Kontakt mit dem Boden der Vertiefung gelangt.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt nämlich dadurch, dass das Pressen des Glassubstrates gegen die Oberfläche der Form so erfolgt, dass die sich bildenden Erhebungen nicht in Kontakt mit dem Boden der Vertiefungen gelangen, im Gegensatz zum herkömmlichen Blankpressen eine kontaktlose Ausbildung der Erhebungen an den Vertiefungen der Form. So wird die Größe der Erhebungen nur durch den Querschnitt der Vertiefungen der Form bestimmt, ohne dass jedoch ein Formkontakt an den Erhebungen selbst auftritt. Somit muss die Form im Bereich jeder Vertiefung lediglich den Umfang einer jeden Erhebung vorgeben, während die maximale Ausdehnung jeder Erhebung gegenüber der Oberfläche des Glassubstrates durch andere Parameter, wie etwa den Pressdruck, die Presstemperatur und die Pressdauer, beeinflusst werden kann. Die Herstellung der Formen ist somit gegenüber dem bekannten Blankpressen deutlich vereinfacht. Auch ergeben sich qualitativ sehr hochwertige Oberflächen an den hergestellten Erhebungen, da diese kontaktlos ausgebildet sind und somit frei von Verunreinigungen sind. Auch weisen die Oberflächen eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit von feuerpolierten Oberflächen (Rms < 1 nm) auf. Im Vergleich zu dem im Stand der Technik bekannten Senken ohne Druck ergibt sich eine deutlich verbesserte Präzision des hergestellten Presskörpers, ohne dass eine aufwändige vakuumdichte Kontaktierung zwischen Glassubstratoberfläche und Form erfolgen muss und ohne dass die Form nach Beendigung des Formgebungsprozesses in aufwändiger Weise etwa durch Ätzen von der Glasoberfläche entfernt werden muss.
Die Formoberfläche ist vielmehr so ausgebildet, dass sich nach Beendigung des Pressvorgangs der Presskörper einfach von der Form löst. Die Form kann darüber hinaus bis zu zehntausend Mal oder darüber hinaus eingesetzt werden.
Im Vergleich zu dem aus der DE 199 56 654 A1 bekannten Verfahren, bei dem über das Vakuum ein fester Druck eingestellt wird, der zwischen 0 MPa und 0,1 Mpa (Atmosphärendruck) betragen kann, kann der Druck im Verfahren der Erfindung zwischen 0 MPa und 100 MPa (10 kN Presskraft auf eine Fläche von 1 cm²) und mehr betragen und zeitlich variiert werden. Dadurch steht ein wesentlich größerer Parameterraum zur Verfügung, der die Herstellung einer größeren Variation von Konturverläufen und ihre genauere Einstellung erlaubt.
Die zumindest eine Erhebung kann bevorzugt als Linse ausgebildet sein.
So kann das herzustellende Glasbauteil etwa mit einer Vielzahl von Mikrolinsen an der Oberfläche des Glassubstrates erzeugt werden. Die herzustellenden Erhebungen können einen beliebigen Umfang aufweisen. So können beispielsweise Vertiefungen mit kreisförmigem Querschnitt, mit ellipsenförmigem Querschnitt, mit quadratischem oder rechteckförmigem Querschnitt oder auch mit anderen Querschnittsformen verwendet werden. So können Linsen mit speziellen Eigenschaften erzeugt werden.
Des Weiteren kann nicht nur eine Form mit einer ebenen Oberfläche verwendet werden, sondern auch eine Form mit einer gekrümmten Oberfläche. Hierzu wird dann in der Regel ein entsprechend gekrümmter Pressstempel zum Anpressen des Glassubstrates an die Form verwendet.
Auf diese Weise ist es sogar möglich, Glasbauteile mit einer gekrümmten Oberfläche zu erzeugen, von der ausgehend sich eine Vielzahl von Erhebungen etwa in Form von Mikrolinsen erstreckt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Form verwendet, bei der zumindest eine Vertiefung zueinander parallele Wände aufweist, die sich von der Oberfläche der Form aus senkrecht erstrecken.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Form verwendet, bei der zumindest eine Vertiefung zueinander geneigte Wände aufweist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Form verwendet, bei der wenigstens eine Vertiefung einen von der Oberfläche der Form ausgehenden ersten Bereich aufweist, an den sich ein zweiter Bereich anschließt, der einen geringeren Querschnitt als der erste Bereich aufweist.
Hierbei kann der erste Bereich beispielsweise als Fase ausgebildet sein.
Durch diese Maßnahmen lässt sich eine besondere Ausgestaltung der Erhebungen und so etwa der herzustellenden Mikrolinsen an der Oberfläche des Glassubstrates erreichen. Durch die Form der Vertiefungen insbesondere am Übergangsbereich von der Oberfläche der Form und am Beginn jeder Vertiefung lässt sich das Fließverhalten des Glases während des Pressvorgangs besonders beeinflussen. Neben einer Fase ist auch eine gekrümmte Ausbildung des ersten Bereiches denkbar.
Die Kontur der herzustellenden Erhebungen bzw. Linsen kann auf diese Weise beeinflusst werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird während des Pressvorgangs die Viskosität des Glassubstrates zwischen 10⁸ dPas und 10⁹ dPas eingestellt.
Bei einer derartigen Einstellung der Viskosität des Glassubstrates während des Formvorgangs ergibt sich einerseits innerhalb ausreichend kurzer Presszeiten eine gute Abformung. Andererseits ist das Glassubstrat nicht so dünnflüssig, dass die Vertiefungen praktisch vollständig ausgefüllt werden. Vielmehr kann in diesem Viskositätsbereich der Pressvorgang so gesteuert werden, dass sich Erhebungen mit einem bestimmten Krümmungsradius ergeben.
Hierzu kann bei Verwendung einer bestimmten Form und eines bestimmten Glases durch eine Steuerung der Viskosität, des Pressdrucks und der Pressdauer ein bestimmter Soll-Krümmungsradius für jede Erhebung eingestellt werden.
Dabei kann der Pressvorgang nach einer vorgegebenen Zeit oder mit Erreichen eines vorbestimmten Krümmungsradius beendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird nach einer vorgegebenen Zeit oder mit Erreichen eines bestimmten Krümmungsradius einer Erhebung mit einer Kühlung begonnen.
Auf diese Weise kann der Formgebungsprozess mit Erreichen einer gewünschten Form der Erhebungen abgebrochen werden und der erreichte Zustand als Endzustand des hergestellten Glaskörpers fixiert werden.
Der Pressdruck wird vorzugsweise zwischen 0,5 und 10 MPa eingestellt, weiter bevorzugt zwischen 1 und 8 MPa, besonders bevorzugt zwischen 1 und 6 MPa.
Mit derartigen Pressdrücken lassen sich insbesondere in dem zuvor genannten Viskositätsbereich präzise Vorgaben bezüglich Höhe und Krümmungsradius der herzustellenden Erhebungen einhalten.
Durch eine Variation des Pressdruckes bei sonst unveränderten Bedingungen kann der Krümmungsradius der herzustellenden Erhebungen variiert werden. Mit Erhöhung des Pressdruckes lassen sich kleinere Krümmungsradien bei sonst gleichen Bedingungen erzielen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Abstand zwischen dem Boden der Vertiefung(en) und der Oberfläche der Form so gewählt, dass dieser mindestens das Doppelte, vorzugsweise mindestens das Dreifache, besonders bevorzugt mindestens das Vierfache der Höhe der herzustellenden Erhebung(en) gegenüber der Oberfläche des Glassubstrates beträgt.
Auf diese Weise wird ein Kontakt der sich während des Pressvorgangs ausbildenden Erhebungen mit dem Boden der Vertiefungen sicher vermieden. Gleichzeitig wird es vermieden, dass in den Vertiefungen eingeschlossenes Gas beim Einfließen des Glases in die Vertiefung zu einem deutlich erhöhten Druck innerhalb der Vertiefung führt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Form aus Metall, Keramik, Glaskeramik oder Glas verwendet, die im verwendeten Temperaturbereich ausreichend stabil ist und ein leichtes Ablösen des gepressten Glaskörpers von der Form erlaubt.
Die Form kann beispielsweise aus Stahl, Wolframcarbid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Silizium bestehen.
Die Auswahl des Formmaterials wird vom Temperaturbereich, in dem der Pressvorgang stattfindet, beeinflusst. Dieser hängt wiederum naturgemäß vom verwendeten Glastyp ab.
Ferner kann eine Form verwendet werden, die mit einer Beschichtung versehen ist, die ein leichtes Ablösen der gepressten Glaskörper von der Form erlaubt.
Die Vertiefungen selbst können auf beliebige Weise in der Form erzeugt werden. Hierzu gehören unter anderem Bohren, Fräsen, Ätzen, Läppen, lithographische Verfahren usw. Eine Herstellung der Vertiefungen unter Verwendung von Laserstrahlen ist vorteilhaft, um besonders feine Strukturen erzeugen zu können.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Form, die in Kontakt mit einem Glassubstrat ist, das mittels eines Pressstempels auf die Form gepresst wird, in vereinfachter Darstellung;
2 einen vergrößerten Querschnitt durch die Form gemäß 1 im Bereich einer Vertiefung;
3 eine gegenüber der Ausführung gemäß 2 abgewandelte Ausführung einer Vertiefung in geschnittener Darstellung;
4 eine Aufsicht auf eine Form gemäß 1 in verkleinerter Darstellung;
5 einen Ausschnitt einer Ansicht auf eine Form von oben in abgewandelter Ausführung;
6 eine Darstellung der Abhängigkeit des Krümmungsradius einer Erhebung in Abhängigkeit von der Presskraft; und
7 ein Foto eines hergestellten Presskörpers in vergrößerter Darstellung.
Anhand von 1 soll zunächst das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden.
Aus einem Glassubstrat 12 wird unter Verwendung einer Form 10, in der eine Mehrzahl von Vertiefungen 16 vorgesehen ist, durch einen Pressvorgang ein Glasbauteil mit strukturierter Oberfläche hergestellt, wobei sich im Bereich jeder Vertiefung 16 der Form 10 eine Erhebung 18 an dem Glassubstrat 12 ausbildet.
Der Vorgang geschieht unter Druck bei einer Temperatur oberhalb der Transformationstemperatur T_g des Glases. Das Glassubstrat 12 wird durch einen Pressstempel 14 während des Formgebungsprozesses an die Form 10 angepresst. Dabei sind die Einflussparameter so gewählt, dass im Gegensatz zum herkömmlichen Blankpressen das Glas nur teilweise in die Vertiefungen 16 der Form 10 hinein fließt, so dass sich Erhebungen 18 in Form von Mikrolinsen ausbilden. Die Form der Erhebungen 18 und deren Krümmungsradius hängt nicht nur von der Form und Größe der Vertiefungen 16 ab, sondern insbesondere vom verwendeten Glastyp, d. h. dessen Transformationstemperatur T_g, vom verwendeten Pressdruck und anderen Parametern, auf die im Folgenden noch eingegangen wird.
Da naturgemäß die Transformationstemperatur T_g des verwendeten Glases in Abhängigkeit von der Glaszusammensetzung in großen Bereichen variieren kann, ist die Gesamttemperatur während des Pressvorgangs wenig aussagekräftig. Dagegen kann durch die Angabe der Viskosität des Glassubstrates während des Pressvorgangs eine gute Charakterisierung des Bereiches erfolgen, in dem der Vorgang des viskosen Fließens während der Herstellung erfolgt. Die Viskosität des Glassubstrates 12 wird während des Pressvorgangs vorzugsweise zwischen 0,5·10⁸ dPas und 2·10⁹ dPas, insbesondere zwischen 10⁸ dPas und 10⁹ dPas, eingestellt.
Durch die Verwendung dieses Viskositätsbereiches ergibt sich eine deutliche Abgrenzung gegenüber reinen Fließ- bzw. Senkprozessen etwa gemäß der DE 199 56 654 A1 , da diese bei einer deutlich erniedrigten Viskosität durchgeführt werden, die mindestens eine Größenordnung niedriger als der genannte Bereich liegt. Im Allgemeinen finden Fließprozesse in Gläsern in einem Viskositätsbereich von 4·10⁷ dPas bis 1·10⁴ dPas statt. Die wesentlich geringere Viskosität ergibt sich als logische Konsequenz der wesentlich geringeren Druckes, der die treibende Kraft der Umformung ist.
Ein derart niedriger Viskositätsbereich wird erfindungsgemäß jedoch vermieden. Stattdessen wird mit einem hohem Pressdruck gearbeitet.
Da die Bedingungen so gewählt werden, dass die sich beim Pressvorgang ausbildenden Erhebungen 18 nicht in Kontakt mit dem Boden 30 der Vertiefungen 16 gelangen, weisen die Erhebungen 18 eine blanke Oberfläche und somit eine hohe Oberflächengüte auf.
Die Vertiefungen 16 weisen eine Tiefe d, d. h. Abstand des Bodens 30 einer Vertiefung 16 von der Oberfläche 20 der Form 10, auf, die mindestens das Zweifache der Höhe h einer sich bildenden Erhebung 18 beträgt, vorzugsweise ist das Verhältnis noch deutlich größer und beträgt mindestens den Faktor 4. Auf diese Weise wird vermieden, dass während des Pressvorgangs in den Vertiefungen verbleibendes Gas einen merklich erhöhten Gasdruck erzeugt, der sich nachteilig auf die Ausbildung der Erhebungen 18 während des Pressvorgangs auswirken könnte.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere zur Herstellung von Glasbauteilen mit Mikrolinsen bzw. Mikrolinsenarrays genutzt, wie sie heute für zahlreiche Anwendungen gefordert werden.
Eine mögliche Ausgestaltung eines Presswerkzeuges 10 ist beispielhaft in 4 in der Aufsicht dargestellt.
Es versteht sich, dass dies lediglich rein beispielhaft ist und dass beliebige andere Formen von Vertiefungen bzw. Erhebungen verwendet werden können.
5 zeigt beispielhaft eine Form 10b mit rechteckförmigen Vertiefungen 16b zur Herstellung von länglichen Mikrolinsen.
Die Form selbst kann aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen, das ausreichend temperaturbeständig ist und ein leichtes Ablösen des hergestellten Presskörpers von der Form nach Beendigung des Pressvorgangs erlaubt. Die Form kann z. B. aus Wolframcarbid, Siliziumcarbid, Stahl, Silizium, Glas, Siliziumnitrid, aber auch aus anderen Eisenwerkstoffen, Nichteisenlegierungen oder anderen Keramiken bestehen. Je nach Glas, Material und Temperaturbereich kann eine Beschichtung auf die Form aufgebracht sein, um ein Ankleben des Glases zu verhindern.
Zur Herstellung der Vertiefungen können gängige Verfahren genutzt werden, wozu Bohren, Fräsen, Ätzen, Läppen, lithographische Verfahren, Laserverfahren usw. gehören.
Der Abstand und die Größe der Vertiefungen 16 ist durch das Herstellverfahren für die Vertiefungen bestimmt. Die Herstellung sehr feiner Vertiefungen kann z. B. durch Laserbohren erfolgen. Das genaue Verfahren ist durch die konkrete Geometrie der gewünschten Optik festgelegt.
Bei Abweichungen der Form der Vertiefungen 16 von einer kreisförmigen bzw. zylindrischen Gestalt können richtungsabhängig unterschiedliche Brennweiten der so hergestellten Linsen erzielt werden. Dies kann z. B. bei einer linienförmigen Linse so erwünscht sein. Entlang der langen Seite ergibt sich eine größere Brennweite, entlang der kürzeren eine kleinere Brennweite. Auf diese Weise können zwei Funktionen an einer Linse kombiniert werden.
Die Kontur der hergestellten Erhebungen 18 bzw. Linsen wird darüber hinaus durch die Ausgestaltung des Übergangsbereiches zwischen der Oberfläche der Form und der Vertiefung beeinflusst. Dies ist beispielhaft anhand von 3 dargestellt. Eine Form 10a weist hierbei Vertiefungen 16a auf, die einen ersten, von der Oberfläche 20 ausgehenden Bereich 24 aufweisen, an den sich ein zweiter Bereich 26 anschließt. Während der zweite Bereich 26 zylindrisch ausgebildet ist, ist bei der Ausgestaltung gemäß 3 der erste Bereich 24 durch eine Fase gebildet, so dass sich ein schräger Übergang vom zweiten Bereich 26 über den ersten Bereich 24 zur Oberfläche 20 der Form 10a ergibt.
Es versteht sich, dass natürlich der Winkel dieser Schräge variiert werden kann, und dass darüber hinaus auch andere Formgebungen, insbesondere mit gekrümmten Oberflächen, denkbar sind.
Während bei den Ausführungen gemäß der 1 bis 5 die Vertiefungen 16 bzw. 16a bzw. 16b immer parallele Wände 22 aufweisen, die sich ausgehend von der Oberfläche 20 der Form aus senkrecht nach innen erstrecken, ist auch eine Ausgestaltung mit schrägen Wänden 22 denkbar.
Die Kontur der herzustellenden Erhebungen 18 bzw. Linsen wird durch eine ganze Reihe von Parametern beeinflusst. Hierzu gehören die Art und Zusammensetzung des Glases, die Viskosität während des Pressvorgangs, der Pressdruck, die Pressdauer, die Abmessung und Form der Vertiefungen, das Gesamttemperaturniveau, die Einzeltemperaturen von Form 10 und Pressstempel 14 und der zeitliche Druckverlauf (z. B. ein Aufheben des Druckes einige Zeit vor Beginn eines Kühlvorgangs). Weitere Einflussparameter sind z. B. die Oberflächenspannung des Glases und die Dicke des Glassubstrates 12, wodurch das Fließverhalten beeinflusst wird.
7 zeigt ein Foto eines erfindungsgemäß hergestellten Presskörpers mit einem Durchmesser von 30 mm. Die Einzellinsen haben einen Durchmesser von 2,5 mm. Es wurde unter Verwendung des Glases P-LaSF 47 (Katalogglas von Schott, T_g = 530°C) mit einem Stahlstempel bei 10⁸ dPas mit einer Presskraft von 2.256 N (230 kp) über eine Dauer von 200 s gepresst. Im linken Teil von 7 ist der Presskörper erkennbar, während im rechten Teil von 7 sein Schattenbild und das in die Brennpunkte der Einzellinsen fokussierte Licht zu sehen ist.
In 6 ist dargestellt, wie der Krümmungsradius der Erhebungen bzw. Mikrolinsen über den Druck während des Pressvorgangs eingestellt werden kann. Hierbei wurden Presskörper aus P-LaSF 47 bei einer Viskosität von 10⁸ dPas mit einer Presszeit von 200 s gepresst. Der Durchmesser der Vertiefungen 16 der Form 10 betrug 0,7 mm.
Aus 6 ist zu ersehen, dass bei sonst gleichen Parametern der Krümmungsradius r der sich bildenden Mikrolinse durch eine Variation des Druckes während des Pressvorgangs beeinflusst werden kann. So ergibt sich beispielsweise ein Krümmungsradius von etwa 5,25 mm bei einer Presskraft von etwa 850 N (85 kp). Dagegen ergibt sich bei einer Presskraft von etwa 3.100 N (320 kp) ein Krümmungsradius von etwa 1,8 mm.
Es versteht sich, dass auch verschiedene Vertiefungen auf einer Form vorgesehen sein können, um so ortsabhängig Linsen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften zu erzeugen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht darüber hinaus die Möglichkeit, die den Erhebungen abgewandte Oberfläche des Glassubstrates zu strukturieren, z. B. durch diffraktive Strukturen, um so die optische Funktion des betreffenden Bauteils zu erweitern bzw. zu optimieren.
In Abhängigkeit vom Querschnitt der Vertiefungen lassen sich geringere oder größere Abweichungen von einer sphärischen Kontur der Erhebungen einstellen. So wurden z. B. Linsen mit einem Durchmesser von 0,7 mm erzeugt, wobei sich gemäß 6 angenäherte Krümmungsradien zwischen etwa 1,8 und 5,2 mm ergaben. Über 80% des Durchmessers zeigt sich dabei eine Konturabweichung von etwa ±1 μm. Teilweise sind solche Toleranzen ausreichend, um kostengünstige abbildende Mikrolinsen zu erzeugen. Diese Toleranzen sind jedenfalls vollkommen ausreichend, um beispielsweise Licht auf einen Sensor zu fokussieren, oder um beispielsweise Beleuchtungsoptiken für LEDs herzustellen. So kann beispielsweise über eine größere Fläche einfallendes Licht auf einen empfindlichen Bereich eines Sensors gebündelt werden. Der gewünschte Radius und der gewünschte Konturverlauf (sphärisch oder asphärisch), sowie die zu erzielenden Konturgenauigkeiten hängen von der jeweiligen spezifischen Anwendung ab. Die in den Anwendungsbeispielen gezeigten Ergebnisse stellen nicht die Grenzen der mit dem Verfahren herstellbaren Konturverläufe und/oder erreichbaren Konturgenauigkeiten dar, sondern sollen lediglich mögliche Beispiele aufzeigen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit insbesondere zur Herstellung einer Mikrooptik für LEDs und zur Herstellung von Sensoren verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Glasbauteilen mit strukturierter Oberfläche, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Form (10, 10a, 10b) mit einer Oberfläche (20), von der aus sich mindestens eine Vertiefung (16, 16a, 16b) erstreckt; Platzieren eines Glassubstrates (12) auf der Oberfläche (20) der Form (10, 10a, 10b); – Aufheizen der Form und des Glassubstrates (12) auf eine Temperatur oberhalb der Glasumwandlungstemperatur T_g, so dass sich eine Viskosität zwischen 0,5·10⁸ dPas und 2·10⁹ dPas ergibt, und – Pressen des Glassubstrates (12) gegen die Oberfläche (20) der Form (10, 10a, 10b), um an jeder Vertiefung (16, 16a, 16b) der Form eine Erhebung (18) an dem Glassubstrat (12) auszubilden, ohne dass die Erhebung (18) in Kontakt mit dem Boden (30) der Vertiefung (16, 16a, 16b) gelangt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zumindest eine Erhebung (18) als Linse ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Form (10, 10a, 10b) mit einer ebenen Oberfläche (20) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Form (10, 10a, 10b) mit einer gekrümmten Oberfläche (20) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Form (10, 10a, 10b) verwendet wird, bei der zumindest eine Vertiefung (16, 16a, 16b) zueinander parallele Wände (22) aufweist, die sich von der Oberfläche (20) der Form (10, 10a, 10b) aus senkrecht erstrecken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Form (10, 10a, 10b) verwendet wird, bei der zumindest eine Vertiefung (16, 16a, 16b) zueinander geneigte Wände aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Form (10a) verwendet wird, bei der zumindest eine Vertiefung (16a) einen von der Oberfläche der Form (16a) ausgehenden ersten Bereich (24) aufweist, an den sich ein zweiter Bereich (26) anschließt, der einen geringeren Querschnitt als der erste Bereich (24) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine Form (10a) verwendet wird, bei der der erste Bereich (24) als Fase ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während des Pressvorgangs die Viskosität des Glassubstrates (12) zwischen 10⁸ dPas und 10⁹ dPas eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei Verwendung einer bestimmtem Form (10, 10a, 10b) und eines bestimmten Glases durch eine Steuerung der Viskosität, des Pressdrucks und der Pressdauer ein bestimmter Soll-Krümmungsradius für jede Erhebung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Pressvorgang nach einer vorgegebenen Zeit oder mit Erreichen eines bestimmten Krümmungsradius einer Erhebung beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem nach einer vorgegebenen Zeit oder mit Erreichen eines bestimmten Krümmungsradius einer Erhebung mit einer Kühlung begonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Pressdruck zwischen 0,5 und 10 MPa eingestellt wird, vorzugsweise zwischen 1 und 8 MPa, besonders bevorzugt zwischen 1 und 6 MPa.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Abstand (d) zwischen dem Boden der Vertiefung(en) und der Oberfläche der Form mindestens das Doppelte, vorzugsweise mindestens das Dreifache, weiter bevorzugt das Vierfache der Höhe (h) der herzustellenden Erhebung(en) gegenüber der Oberfläche (28) des Glassubstrates (12) beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Form (10, 10a, 10b) aus Metall, Keramik, Glaskeramik oder Glas verwendet wird, die im verwendeten Temperaturbereich ausreichend stabil ist und ein leichtes Ablösen des gepressten Glaskörpers von der Form (10, 10a, 10b) erlaubt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem eine Form (10, 10a, 10b) verwendet wird, die aus Stahl, Wolframcarbid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Silizium besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Form (10, 10a, 10b) verwendet wird, die mit einer Beschichtung versehen ist, die ein leichtes Lösen der gepressten Glaskörper von der Form (10, 10a, 10b) erlaubt.