DE102006050160A1

DE102006050160A1 - Verfahren zur Herstellung von sphärischen optischen Linsen sowie nach diesem Verfahren hergestellte Linsen

Info

Publication number: DE102006050160A1
Application number: DE200610050160
Authority: DE
Inventors: Thomas Samland
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-10-22
Filing date: 2006-10-22
Publication date: 2008-04-24

Abstract

Sphärische optische Linsen mit einem Krümmungsradius R, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abformung der Linsen in Kunststoff oder Glas ein metallisches Formwerkzeug 20 verwendet wird und/oder eine Replikation und/oder eine galvanische Abformung des Formwerkzeuges 20, wobei das Formwerkzeug 20 mittels einfacher oder mehrfacher elektrochemischer Abformung 21, 22 einer Metallkugel 11 hergestellt wurde, wobei der Durchmesser der Metallkugel 11 dem zweifachen Krümmungsradius der Linse entspricht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Herstellung von optischen sphärischen Linsen aus Glas oder Kunststoff.
Stand der Technik
Bislang werden zur Herstellung kleiner Linsen neben Resist Reflow- und Trockenätz-Verfahren insbesondere Replikations-Verfahren zur Abformung von Kunststoff-Linsen verwendet. Hierzu werden zunächst Abform-Werkzeuge erstellt, die zumeist aus Glas, Messing oder Silizium bestehen. Zur Herstellung dieser Werkzeuge finden photolithographische- oder Elektronen-lithographische Verfahren oder Mikrodrehen bzw. Mikrodiamantfräsen Verwendung. Diese Verfahren sind entweder relativ aufwendig oder zu ungenau, um eine optische Oberfläche mit hoher Präzision bereitzustellen. Insbesondere die Herstellung von kleinen Linsen (Mikrolinsen) und von Linsenarrays, d.h. von mehreren nebeneinander angeordneten Linsen, deren Linsenkappen für hohe Füllfaktoren direkt aneinander angrenzen, ist aufwendig und teuer. Ferner sind mittels Reflow-Verfahren keine Linsenarrays mit hohem Füllfaktor herstellbar.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und preiswertes Verfahren anzugeben, mittels welchem äußerst präzise Formen für sphärische Linsen hergestellt werden können und welches auch Linsenarrays mit einem hohen Füllfaktor bis hin zu 100% herzustellen in der Lage ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen sowie andere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Hierzu wird ein weiterentwickeltes elektrochemisches (ECM) Verfahren angewendet, indem eine Metallkugel, die sehr genau sphärisch gefertigt werden kann, elektrochemisch berührungslos in ein metallisches Werkstück abgeformt wird, das wiederum als Formwerkzeug zur Abformung der Linsen dient. Das Formwerkzeug besteht dabei beispielsweise aus Nickel, das eine große Homogenität aufweist und daher äußerst gleichmäßig mittels ECM bearbeitet werden kann und dabei eine geringe Oberflächenrauhigkeit aufweist. Die Metallkugel ist dabei so bemessen, dass ihr Durchmesser dem doppelten Krümmungsradius der in das Formwerkzeug abgeformten negativen Kugeloberfläche entspricht.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, Oberflächengenauigkeiten von einer zehntel Wellenlänge und darunter einzuhalten bei einer äußerst geringen Oberflächen-Rauhigkeit.
Weiterhin können neben konvexen auch konkave Linsenformen durch eine galvanische Abformung des Formwerkzeuges hergestellt werden.
Ferner ist es möglich und auch wirtschaftlich, Formen in Wafergröße mittels dieses Verfahrens zu strukturieren, die anschließend in Kunststoffe oder Glas abgeformt werden können. Hierdurch erhält man eine äußerst wirtschaftliche Fertigung von Linsen, da jeweils ein Glas- oder Kunststoff-Substrat mit je nach Größe der einzelnen Linsen bzw. Linsenarrays mehr als 100 bis 500 Linsen abgeformt werden können. Anschließend werden die Linsen bzw. Linsenarrays vereinzelt.
Die anschließende Abformung in Kunststoffe geschieht mittels Spritzguss, Spritz-Präge- oder durch reine Prägeverfahren. Eine Abformung in Glas ist nach vorheriger Beschichtung der Oberfläche der Metallform etwa mittels Nitridschichten möglich.
Da eine Kugel äußerst genau und einfach herstellbar ist und eine ECM-Abformung sehr genau die Kontur der Kugel in dem Formwerkzeug wiedergibt, ist hierdurch ein einfaches Verfahren bereitgestellt, mittels dessen äußerst genaue sphärische Linsenoberflächen hergestellt werden können. Insgesamt können Linsenarrays mit alternativ voneinander beabstandeten, aneinander angrenzenden bzw. auch ineinander übergehenden Linsenformen sukzessive in das Formwerkzeug eingeformt werden. Hierzu ist der seitliche Versatz der Metallkugel bei der ECM-Abformung in das Formwerkzeug kleiner, gleich oder größer dem Durchmesser der in die Metallplatte eingeformten negativen Kugeloberfläche der zu replizierenden Linse. Hierdurch ist insbesondere die Herstellung eines Formwerkzeuges zur Abformung von Mikrolinsen-Arrays mit hohem Füllfaktor möglich.
Bei dem ECM-Verfahren wird zwischen einer Werkzeugelektrode und einem zu bearbeitenden metallischen Werkstück, das als Gegenelektrode dient, eine Spannung angelegt. Zwischen dem Werkstück und der Werkzeugelektrode befindet sich ein stromleitender Elektrolyt, wobei bei Anlegen einer Spannung die der Werkzeugelektrode gegenüberliegende Oberfläche des Werkstückes als Metall-Innenverbindung in Lösung geht. Durch Spülung des Elektrolyten während des Prozesses wird verhindert, dass sich Abbauprodukte zwischen den Elektroden ablagern. Durch das Anlegen von kurzen Spannungspulsen wird das Werkstück nur in unmittelbarer Nähe der Werkzeugelektrode elektrochemisch abgetragen. Der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück beträgt bei sehr kurzen Spannungspulsen weniger als ein Mikrometer. Hierdurch ist eine äußerst präzise Abformung sichergestellt.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnungs-Figuren erläutert:
Die 1 stellt die ECM-Bearbeitung des Formwerkzeuges mittels der Kugeloberfläche dar,
die 2 zeigt zwei aneinander angrenzende Linsenformen,
die 3a und 3b zeigen eine vorzugsweise Ausformung der Kugel-Aufnahe.
In der 1 erkennt man die Werkzeugelektrode 10, bestehend aus einer Aufnahme 12 zur Aufnahme einer Kugel 11 sowie der Kugel 11, die einen Radius R aufweist. Die Kugel 11 wird in senkrechter Richtung langsam zur Oberfläche des Werkstückes 20 zugeführt, wobei durch die elektrochemische Reaktion das Werkstück in unmittelbarer Nähe zur Kugel 11 als naheliegendstem Teil der Werkzeugelektrode 10 durch Materialabtragung in der Oberfläche des Werkstückes 20 eine sphärische Form 21 als Negativform einer Kugeloberfläche mit Krümmungsradius R erzeugt wird.
In dem Spalt 30 zwischen den Oberflächen der Kugel 11 sowie des Werkstückes 20 befindet sich ein Elektrolyt (nicht zeichnerisch dargestellt) zur Stromleitung sowie zur elektrochemischen Ablösung der Werkstück-Oberfläche. Hierzu ist bevorzugt die gesamte Oberfläche des Werkstückes 20 mit dem Elektrolyten bedeckt bzw. das Werkstück befindet sich vollständig in einem Elektrolyt-Bad. Der Elektrolyt weist bevorzugt eine Strömung auf, um die Abbauprodukte des Werkstückes zu entfernen. Der Spalt 30, d.h. der Abstand zwischen der Oberfläche der Kugel 11 und der Oberfläche des Werkstückes 20, ist vorzugsweise kleiner als ein Mikrometer, besonders bevorzugt kleiner als 200 nm.
Als Kugeln können beispielsweise Kugellagerkugeln verwendet werden. Diese sind metallisch sowie mit einer äußerst geringen Unrundheit und Rauhigkeit von lediglich einigen nm preiswert verfügbar. Zum Schutz des Kugelmaterials ist die Kugel dabei mit einem rostfreien Material, wie etwa Chrom oder Gold beschichtet.
In der 2 ist schematisch zu erkennen, wie ein Mikrolinsenarray mit hohem Füllfaktor hergestellt wird. Nachdem eine erste sphärische Form 21 in einem ersten Prozess-Schritt mittels des ECM-Verfahrens in das Werkstück 20 eingeformt wurde, wird direkt angrenzend eine weitere sphärische Form 22 elektrochemisch erzeugt. Dabei können die Formen lateral ineinander übergehen, so dass Linsenformen mit einem hohen Füllfaktor bis hin zu 100 % herstellbar sind, da die einzelnen Formen sich nicht beeinflussen, da aufgrund des berührungslosen Formgebungs-Verfahrens kein seitlicher Material-Verdrängungsprozess des Werkstückes 20 stattfindet.
Die 3a und 3b zeigen eine vorzugsweise Ausgestaltung des Teiles 12 der Werkzeugelektrode 10 zur Aufnahme der Kugel 11. In der Aufnahme 12 befindet sich eine zentrische Bohrung mit einem geringfügig geringeren Innen-Durchmesser als der Durchmesser der Kugel 11, wobei der Rand endseitig Schlitze 14 aufweist, so dass die Kugel 11 in die Aufnahme 12 eingepresst werden kann und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Aufnahme 12 und der Kugel 11 sichergestellt ist.
Das Werkstück, in welches mittels des ECM-Verfahrens die Linsen als Negativformen eingeformt wurden, besteht vorzugsweise aus Nickel und dient anschließend als Formwerkzeug (Stamper, Matrize) zur Abformung von optischen Linsen in Kunststoff oder Glas. Dies kann etwa mittels Prägen, Spritzguss oder Spritzprägen geschehen. Weiterhin können vom Formwerkzeug galvanische Abformungen (Vater/Mutter/Sohn-Replikation) hergestellt werden, die ebenfalls als Abform-Matrize dienen können. Durch eine einfache galvanische Abformung können auch Zertreuungs-Linsen mit konkaver Oberfläche hergestellt werden. Durch eine Gegenüberstellung von verschiedenen Matrizen im Abformwerkzeug können alle Linsenformen, wie plan-konvexe, plan-konkave, konvex-konkave, bi-konvexe und bi-konkave Linsen hergestellt werden, wobei die beiden Seiten der Linsen auch unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen können.

10: Werkzeugelektrode
11: Kugel
12: Aufnahme
14: Schlitze
20: Formwerkzeug/Werkstück
21, 22: sphärische Linsenformen
30: Spalt

Claims

Verfahren zur Herstellung von sphärischen optischen Linsen mit einem Krümmungsradius R, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: (a) einfache oder mehrfache elektrochemische Abformung 21, 22 einer Metallkugel 11 mit einem Durchmesser 2R in ein metallisches Formwerkzeug 20, wobei eine mehrfache Abformung mit einem lateralen Versatz geschieht, (b) optionale galvanische Abformung bzw. Replikaton des Formwerkzeuges 20, (c) Abformung in Kunststoff oder Glas mittels des Formwerkzeuges 20 und/oder der Abformung und/oder der Replikation des Formwerkzeuges 20.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug 20 aus Nickel besteht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenformen 21, 22 konvex oder konkav sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abformung in Kunststoff mittels Spritzguss, einer Spritz-Präge-, oder einer Präge-Technik geschieht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkugel 11 aus Stahl besteht und anschließend mit einem Edelmetall beschichtet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Abformung Spannungs-gepulst betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Kugel 11 und dem Formwerkzeug 20 während der elektrochemischen Abformung kleiner als 1 Mikrometer beträgt.
Sphärische optische Linsen mit einem Krümmungsradius R, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abformung der Linsen in Kunststoff oder Glas ein metallisches Formwerkzeug 20 verwendet wird und/oder eine Replikation und/oder eine galvanische Abformung des Formwerkzeuges 20, wobei das Formwerkzeug 20 mittels einfacher oder mehrfacher elektrochemischer Abformung 21, 22 einer Metallkugel 11 hergestellt wurde, wobei der Durchmesser der Metallkugel 11 dem zweifachen Krümmungsradius der Linse entspricht.