DE102010035331B4

DE102010035331B4 - Verfahren zur Herstellung linsenförmiger optischer Bauelemente aus Glas und Reflow Asphäre

Info

Publication number: DE102010035331B4
Application number: DE102010035331.0A
Authority: DE
Inventors: Edgar Pawlowski; Wolfram Beier
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: DE102010035331A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung linsenförmiger optischer Bauelemente (3) aus Glas, umfassend ein
Beeinflussen wenigstens einer Grenzflächenspannung einer flüssigen auf einem Substrat (10) angeordneten Glasprobe (2) zu deren Formgebung, um die Abbildungseigenschaften des linsenförmigen optischen Bauelements (3) zu beeinflussen,
indem die flüssige Glasprobe (2) einer Atmosphäre ausgesetzt wird, die zumindest ein Gas zur Beeinflussung einer Oberflächenspannung der flüssigen Glasprobe (2) beinhaltet, um eine asphärische Oberfläche zu erzeugen,
wobei die Formgebung der flüssigen Glasprobe erfolgt, indem ein Flüssigkeitstropfen auf einem festen Substrat bereitgestellt wird, welcher einen Randwinkel aufweist, der ausschließlich durch die Grenzflächenspannung des festen Substrats gegen die Atmosphäre, die Grenzflächenspannung des festen Substrats gegen die Schmelze und die Oberflächenspannung der Schmelze gegen die Atmosphäre festgelegt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mikrolinsen und Mikrolinsen-Arrays.
Hintergrund der Erfindung
Optische Bauelemente aus Glas können zum Beispiel durch Schneiden, Schleifen und anschließendes Polieren aus einem Glasblock gewonnen werden. So beschreibt beispielsweise das Dokument DE 1144886 B ein aufwändiges Verfahren zum Aufteilen einer Silikatschmelze zu spinnbaren Fäden oder Fasern. Dies stellt jedoch ein zeit- und kostenintensives Verfahren dar. Das ist insbesondere dann zutreffend, wenn optische Bauelemente kleiner Abmessungen, wie zum Beispiel Mikrolinsen, hergestellt werden sollen. Denn zum einen ist deren Handhabung erschwert. Zum anderen ist eine ausreichende Genauigkeit der optisch relevanten Oberflächen, zum Beispiel hinsichtlich ihrer Rauheit und/oder ihrer geometrischen Kontur oder Krümmung, welche maßgeblich die Qualität eines optischen Bauelements bestimmen, nur unter erheblichem arbeits- und daher auch kostenintensiven Aufwand möglich.
Das Dokument AT 245181B B zeigt beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Partikeln aus Glas. Derartige Partikel können zwar in sehr kleinen Maßstäben hergestellt werden, eignen sich aufgrund der Kugelform allerdings nicht für einen Einsatz als Mikrolinsen, zumal deren geometrische Form vorgegeben, und damit sehr beschränkt ist. Die Abbildungseigenschaften sind damit, wenn überhaupt, nur unter sehr hohem Aufwand steuerbar, da die geometrische Form nachträglich verändert werden müsste.
Auch bei dem in DE 34 07 413 A1 vorgestellten Verfahren steht als veränderbarer Parameter zum Erzeugen einer Linsenform nur die Menge des aufgebrachten Materials und dessen Verschmelzen mit einer flüssigen Kugel am Ende eines zylindrischen Stabes zur Verfügung. Dies begrenzt die Möglichkeiten der Formgebung eines optischen Bauelements, wie beispielsweise einer Linse, sehr stark.
Ein weiteres Herstellungsverfahren für Mikrolinsen und auch für Mikrolinsen-Arrays basiert darauf, Glasstücke aufzuschmelzen, diese in einem flüssigen Zustand umzuformen (sogenanntes „Reflow“) und sie wieder abzukühlen (siehe dazu die 1.a bis 1.c). Die so erzeugten, erstarrten Glaskörper weisen im Allgemeinen eine Linsenwirkung auf. Die optische Funktion wird durch die geometrische Kontur determiniert, welche allerdings, da ohne Formen gearbeitet wird, in der Regel nicht optimal ist für die vorgesehenen Applikationen. Vielmehr stellen sich, während der in dieser Hinsicht ungesteuerten Produktion, Konturen und damit Abbildungsgüten ein, die von den idealen oder gewünschten Parametern abweichen. Weiterhin ist die Haftung der Linse auf dem Substrat nicht optimal.
In der DE 102 02 766 A1 ist ein weiterentwickeltes „Reflow“-Verfahren beschrieben, bei dem eine flüssige Glasprobe auf einer elektrisch leitfähigen Unterlage aufliegt und bei dem über eine mit der Glasprobe verbindbare Kontaktstelle eine elektrische Spannung in die Glasprobe eingeprägt wird. Dies führt zu einer Veränderung der Grenzflächenspannung der flüssigen Glasprobe. Mit Hilfe des Verfahrens kann das Ausfüllen bestimmter Formbereiche gesteuert werden. Die Kontaktstelle an der Gasprobe kann zu einer Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften einer aus der Glasprobe hergestellten Linse führen.
Ähnlich verhält es sich mit dem in DE 102008021436 A1 gezeigten Verfahren, bei dem ein Glasposten in einer Formhilfe aufgeschmolzen und definiert ausgebildet wird.
Bei dem in DE 102004034797 A1 dargestellten Verfahren wird zwar der Kontakt der Glasschmelze zu einer Form dadurch vermieden, dass das schmelzflüssige Glas in Levitation versetzt wird, jedoch sind Möglichkeiten der Formgebung dadurch auch stark eingegrenzt.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Vor dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung optischer Bauelemente, insbesondere Linsen und/oder LinsenArrays, bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik zumindest vermindert.
Vorzugsweise wird dabei eine verbesserte und gegebenenfalls definierte Produktionsmethode gesucht, um optische Bauelemente, vorzugsweise Linsen, mit verbesserter oder sogar optimierter Kontur herzustellen.
Dies ist insbesondere mit dem Ziel verbunden, für viele oder sogar für möglichst jede konkrete Abbildungsaufgabe die bestmögliche Kontur und damit Abbildungsgüte zu erreichen.
Die optischen Bauelemente sollen möglichst wirtschaftlich herstellbar sein.
Gelöst werden diese Aufgaben durch das Verfahren gemäß des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Kontur eines Tropfens, vorzugsweise eines Glastropfens, im schmelzflüssigen Zustand gezielt beeinflussbar ist durch Ausnutzung von Oberflächenspannungs- und Grenzflächenspannungseffekten.
Allgemein sieht die Erfindung vor, die Form und/oder die Kontur eines Tropfens einer Schmelze, vorzugsweise einer Glasschmelze, beispielsweise einer Silicat-Glasschmelze, durch eine gezielte Variation mindestens einer der drei an der Formbildung beteiligten Grenzflächenspannungen zu beeinflussen. Damit werden bessere Abbildungseigenschaften des nach Abkühlung aus dem Schmelztropfen entstehenden optischen Bauelements erzielt.
Die Erfindung sieht im Detail ein Verfahren zur Herstellung linsenförmiger optischer Bauelemente aus Glas, vor. Das Verfahren umfasst ein Beeinflussen wenigstens einer Grenzflächenspannung einer vorzugsweise flüssigen auf einem Substrat angeordneten Glasprobe zu deren Formgebung, um die Abbildungseigenschaften des linsenförmigen optischen Bauelements zu beeinflussen, indem die flüssige Glasprobe einer Atmosphäre ausgesetzt wird, die zumindest ein Gas zur Beeinflussung einer Oberflächenspannung der flüssigen Glasprobe beinhaltet, um eine asphärische Oberfläche zu erzeugen, wobei ein Gas zur Beeinflussung einer Oberflächenspannung der flüssigen Glasprobe zugegeben oder zugeführt wird. Die Formgebung der flüssigen Glasprobe erfolgt, indem ein Flüssigkeitstropfen auf einem festen Substrat bereitgestellt wird, welcher einen Randwinkel aufweist, der ausschließlich durch die Grenzflächenspannung des festen Substrats gegen die Atmosphäre, die Grenzflächenspannung des festen Substrats gegen die Schmelze und die Oberflächenspannung der Schmelze gegen die Atmosphäre festgelegt ist.
Die Oberflächenspannung der Glasprobe wird mittels der Zusammensetzung der Atmosphäre eingestellt. Dabei kann die Oberflächenspannung erhöht oder erniedrigt werden. Je höher die Oberflächenspannung dabei ist, desto kugelähnlicher wird die Glasprobe. Im Allgemeinen wird der Atmosphäre, die zum Beispiel durch Umgebungsbedingungen, insbesondere in einem Reinraum, bereitgestellt sein kann, das Gas zur Beeinflussung der Oberflächenspannung zugesetzt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Gas zur Beeinflussung der Oberflächenspannung mit einem Anteil von kleiner oder gleich 10 Vol.%, vorzugsweise kleiner oder gleich 5 Vol.% in der Atmosphäre bereitgestellt. In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung wird die Atmosphäre durch die Umgebung und somit durch normale Luft bereitgestellt. In einer alternativen Ausführungsform wird die Atmosphäre durch einen oder in einem evakuierten Raum bereitgestellt. Das Vakuum kann ein Vorvakuum sein mit einem Druck, der vorzugsweise in einem Bereich vom Atmosphärendruck bis zu einem Wert von etwa 10^-3 mbar liegt. Das Vakuum kann auch als ein Hochvakuum bereitgestellt werden mit einem Druckbereich von etwa 10^-3 mbar bis zu etwa 10^-8 mbar.
In einer Ausführungsform ist das Gas zur Beeinflussung der Oberflächenspannung ein Gas, dessen Atome bzw. Moleküle ein elektrisches Dipolmoment von größer oder gleich 1 Debye, vorzugsweise größer oder gleich 1,5 Debye besitzen. Es sind Atome bzw. Moleküle mit einem im Wesentlichen polaren Charakter. Dies resultiert in einer Erniedrigung der Oberflächenspannung. Vorzugsweise ist das Gas zur Beeinflussung, hier zur Erniedrigung, der Oberflächenspannung der Glasprobe wenigstens ein Gas, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus H₂F₂Si, SO₂, HF, H₂O und HNO₃. Auch das als Wasserdampf vorliegende Wasser senkt die Oberflächenspannung recht stark ab. Die vorstehend genannten Gase sind beispielhaft zu verstehen und beschränken sich keinesfalls auf die genannte Auswahl.
Die genannten Beispiele besitzen die folgenden elektrischen Dipolmomente:

H₂F₂Si : 1,55 Debye,

SO₂ : 1,63 Debye

HF : 1,826 Debye,

H₂O : 1,85 Debye und

HNO₃: 2,17 Debye.
Werden dagegen Gase mit im Wesentlichen unpolaren Atomen bzw. Molekülen oder schwachen polaren Eigenschaften verwendet bzw. der Atmosphäre zugesetzt, führt dies zu einer Erhöhung der Oberflächenspannung in der Glasprobe. Mögliche Beispiele für derartige Gase sind N₂ und/oder CO und/oder die gängigen in der Atmosphäre vorkommenden Gasen, wie O₂ und/oder N₂, sowie die Edelgase. Als ein Beispiel sei hier CO mit einem Wert von 0,11 Debye genannt. In dieser Ausführungsform ist das genannte Gas zur Beeinflussung der Oberflächenspannung ein Gas zur Erhöhung der Oberflächenspannung in der Glasprobe. Dessen Atome weisen ein elektrisches Dipolmoment von kleiner oder gleich 0,5 Debye, vorzugsweise von kleiner oder gleich 0,2 Debye, auf.
In einer ersten ergänzenden Ausführungsform der Erfindung wird die Formgebung des Glases durch zumindest ein in der Glasprobe enthaltenes Additiv zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung unterstützt. Alternativ kann auch die Erfindung als solche durch ein Verfahren zur Herstellung optischer Bauelemente, vorzugsweise aus Glas, beschrieben werden, das die folgenden Schritte umfasst: Beeinflussen wenigstens einer Grenzflächenspannung einer flüssigen Glasprobe zu deren Formgebung, indem der, vorzugsweise flüssigen, Glasprobe ein Additiv zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung zugegeben wird. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird jeweils das Additiv in dem Glas mit einem Anteil von kleiner als 10 Gew.%, bevorzugt von kleiner als 5 Gew.%, besonders bevorzugt von kleiner als 2 Gew.% bereitgestellt. In einer Ausführungsform, die am meisten bevorzugt ist, beträgt der Anteil kleiner als 1 Gew.%. Es sei noch darauf hingewiesen, dass das Additiv zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung nicht einem Gemenge, aus dem eine Glasschmelze hergestellt wird, zugegeben wird. Das Additiv zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung wird vielmehr dem fertigen Glas, zum Beispiel vor der Formgebung und/oder nach einem Wiederaufschmelzen, zugegeben.
In einer Ausführungsform ist das Additiv zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung wenigstens ein Additiv, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus K₂O, V₂O₅, CrO₃, Sulfaten und B₂O₃. Diese Additive resultieren in eine Erniedrigung der Grenzflächenspannung. Das Additiv zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung ist somit ein Additiv zur Erniedrigung der Grenzflächenspannung.
K₂O ist insbesondere wirkungsvoll im Hinblick auf eine Senkung der Grenzflächenspannung von Silicatglasschmelzen. CrO₃ ist ebenso insbesondere sehr wirkungsvoll hinsichtlich der Absenkung der Grenzflächenspannung. Sulfate oder Sulfatverbindungen (SO₄ ^2-), welche im Glas auch als SO₃ angegeben werden, erweisen sich auch zur Absenkung der Grenzflächenspannung als wirkungsvoll.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Additiv zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung wenigstens ein Additiv, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus MgO, Li₂O, MgO, CaO, ZnO, Al₂O₃, TiO₂ und ZrO₂. Diese Additive führen zu einer Erhöhung der Oberflächenspannung. Das Additiv ist somit ein Additiv zur Erhöhung der Grenzflächenspannung.
Da die Additive im Allgemeinen Nebenwirkungen bezüglich anderer Glaseigenschaften besitzen oder besitzen können, sollten sie möglichst gering dosiert zugegeben werden. Zum Beispiel färben die Oxide des Vanadins und des Chroms. Die genannte Auswahl der Additive ist exemplarisch zu verstehen und beschränkt sich nicht auf die vorstehend angeführten Additive.
Im Allgemeinen oder in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beeinflusst auch das Substrat die Formgebung des optischen Bauelements. Dabei beeinflusst die Oberfläche und/oder Glaskontaktfläche des Substrats die Grenzflächenspannung der Glasprobe und damit die Formgebung des optischen Bauelements. Daher kann auch die Erfindung als solche durch ein Verfahren zur Herstellung optischer Bauelemente, vorzugsweise aus Glas, beschrieben werden, das die folgenden Schritte umfasst: Beeinflussen wenigstens einer Grenzflächenspannung einer flüssigen Glasprobe zu deren Formgebung, die auf einem Substrat angeordnet ist, indem das Substrat zumindest mit einer Komponente zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung bereitgestellt wird.
In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird das Substrat zumindest an seiner Oberfläche und insbesondere auch in dem oberflächennahen Bereich mit zumindest einer Komponente zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung bereitgestellt. Die Komponente zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung kann nur in dem Glaskontaktbereich oder auch auf der gesamten Oberfläche des Substrats bereitgestellt werden.
In einer ersten Variante der Erfindung wird eine Schicht mit wenigstens einer Komponente zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung in dem Substrat bzw. in dem Substratmaterial durch ein Konditionieren des Substrats und/oder des Substratmaterials bereitgestellt. Beispiele für das Konditionieren sind Dotierung, Ionenaustausch, Abscheiden und/oder Aufbringen von Material, beispielsweise in einer Schicht. Zum Beispiel kann die Komponente zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung abgeschieden werden mittels PVD, SolGel-Beschichtung und/oder CVD. Die Komponente zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung kann aber auch durch ein Begasen des Substrats, mittels Plasma-Oxidation und/oder durch ein Eintauchen des Substrats in eine Flüssigkeit bereitgestellt werden, wobei das Gas bzw. die Flüssigkeit die Komponente zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung enthält.
Beispiele für das Substratmaterial sind Gläser, wie zum Beispiel BF33, AF32, AF37, Lithosil, Suprasil und/oder D263, polykristalline Werkstoffe, wie zum Beispiel Optokeramiken, und/oder transparente Kristalle, wie zum Beispiel Saphir. In einer zweiten Variante der Erfindung wird die Komponente auf dem Substrat, beispielsweise durch eine auf dem Substrat aufgebrachte Schicht, bereitgestellt. Materialbeispiele für die Schicht sind SiO₂, SiO, TiO₂, ZrO₂, ITO und/oder Ta₂O₅. Weitere Materialbeispiele sind die vorstehend für das Substratmaterial genannten Materialien.
Die Komponente zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung führt in einer ersten Ausführungsform zu einer Erhöhung der Grenzflächenspannung. Die Komponente zur Beeinflussung der Oberflächenspannung führt in einer zweiten Ausführungsform zu einer Erniedrigung der Grenzflächenspannung. Beispiele für diese Komponente sind V₂O₅ und/oder Ta₂O₅.
Die flüssige Glasprobe wird zur Formgebung mit einer Viskosität von etwa 10² bis etwa 10⁹ dPas, vorzugsweise von etwa 10³ bis etwa 10⁸ dPas, bereitgestellt. Die Glasprobe wird hierbei im Allgemeinen auf eine Temperatur von etwa 50 K bis etwa 300 K, vorzugsweise von etwa 80 K bis etwa 200 K, oberhalb von T_g des Glases der Glasprobe erwärmt. Vorzugsweise wird die Glasprobe vollständig flüssig bereitgestellt werden. Die Glasprobe kann auch nur abschnittweise flüssig sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Glasprobe auf dem Substrat durch Erhitzen verflüssigt. Die Glasprobe wird somit zunächst als ein Glasstück oder fester Glaskörper auf dem Substrat bereitgestellt. Das Erwärmen kann in einer ersten Ausführungsform zum Beispiel in einem Ofen erfolgen. Als ein weiteres ergänzendes oder alternatives Beispiel bietet sich ein Erwärmen mittels einer IR-Lichtquelle, insbesondere mittels eines IR-Lasers, an. Dadurch kann das optische Bauelement integral oder auch nur punktuell, vorzugsweise zusätzlich, erwärmt, erweicht und/oder verflüssigt werden. Es ist somit ein differentielles Erwärmen möglich.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Formgebung auf bzw. an dem Substrat zumindest eine Begrenzung bereitgestellt oder angeordnet mit dem Ziel, die Glasprobe definiert schmelzen bzw. aufschmelzen zu können. Die Begrenzung ist eine Art Grenze oder Formhilfe für das Kollabieren oder Zerfließen der Glasprobe, so dass sich das optische Bauelement, insbesondere alleine, aufgrund der Oberflächenspannung(en) definiert ausbilden kann. Vorzugsweise erstreckt sich die Begrenzung zumindest abschnittsweise oder vollständig über den Umfang der Glasprobe. Sie definiert eine Grenze für die Größe und die Gestalt des sich ausbildenden optischen Bauelements. Die Gestalt und die Größe der Begrenzung bilden sich dabei zumindest in einem Sockelbereich des optischen Bauelements ab.
In einer ersten Variante wird die Begrenzung über ein materialabtragendes Verfahren oder eine entsprechende ausgestaltetes Herstellungsverfahren des Substrats erzeugt. Hierbei werden Aussparungen, wie zum Beispiel Schlitze und/oder Gräben, auf der entsprechenden Seite des Substrats erzeugt oder eingebracht. Die Aussparungen werden auch als Nut bezeichnet. Die Begrenzung wird zum Beispiel über Sandstrahlen, Ätzen, wie RIE („Reactive Ion Etching“), Ultraschallschwingläppen, Sägen und/oder Laserablation eingebracht.
In einer zweiten Variante werden Erhebungen oder Stege auf dem Substrat erzeugt. In einer Ausgestaltung wird die Begrenzung über ein additives bzw. materialauftragendes Verfahren erzeugt. Eine Ausgestaltung zum Erzeugen der Begrenzung ist das Aufbringen einer separaten Lage. Das Material zum Ausbilden der separaten Lage ist oder umfasst vorzugsweise ein Metall, wie zum Beispiel Chrom und/oder Titan. Das Material zum Ausbilden der separaten Lage kann, alternativ oder ergänzend, auch durch zumindest ein Material bereitgestellt sein, das ausgewählt ist aus den vorstehend genannten Substratmaterialien und/oder aus den vorstehend genannten Materialbeispielen für die Schicht. Die Begrenzung kann zum Beispiel mittels Dünnschichttechnik und/oder Dickschichttechnik aufgebracht werden. PVD und/oder CVD stellen Beispiele für die genannte Dünnschichttechnik dar. Als Beispiele für die genannte Dickschichttechnik seien Aufkleben und/oder Sintern und/oder Siebdrucken genannt. Durch eine metallische Begrenzung ist es zum Beispiel möglich, eine Begrenzung zum Aufschmelzen als auch eine Energieversorgung und/oder Kontaktierung, beispielsweise für eine LED, in einem einzigen Schritt bereitzustellen.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Glasprobe als ein Fundament dient oder bereitgestellt wird. Auf dem Fundament wird dann zumindest eine weitere Glasprobe ausgebildet. Die weitere Glasprobe besitzt gegenüber dem Glas in dem Fundament ein niedrigeres T_g. Dadurch können auch komplexere Formen hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Linse oder Glasprobe als solche über das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt. In einer anderen Ausführungsform wird nur die für die optische Funktion relevante Oberfläche des optischen Bauelements, die auch als geometrische Kontur bezeichnet wird, über das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt oder geformt. Die für die optische Funktion relevante Oberfläche wird zum Beispiel bei einer konvexen oder konkaven Linse durch ihre gekrümmte(n) Oberfläche(n) bereitgestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird auf die flüssige Glasprobe oder das optische Bauelement keine äußere Kraft, beispielsweise durch einen Pressprozess, ausgeübt. Die Formgebung erfolgt auf der Substratoberfläche. Vorzugsweise erfolgt die Formgebung der flüssigen Glasprobe lediglich unter dem Einfluss der eigenen Gewichtskraft der Glasprobe und der auf die Glasprobe wirkenden Grenzflächenspannungen (σ₁: Festkörper gegen Atmosphäre, σ₂: Festkörper gegen Schmelze und/oder σ₃: Schmelze gegen Atmosphäre, Oberflächenspannung).
Als weitere ergänzende oder alternative Möglichkeiten zur Beeinflussung der Oberflächenspannung, insbesondere mittels einer definierten Atmosphäre, bietet sich noch eine Überformung der flüssigen Glasprobe oder des Glasschmelztropfens durch äußere Felder bzw. äußere Kräfte an, die auf die flüssige Glasprobe bzw. den Glasschmelztropfen einwirken. Alternativ kann auch die Erfindung als solche durch ein Verfahren zur Herstellung optischer Bauelemente, vorzugsweise aus Glas, beschrieben werden, das die folgenden Schritte umfasst: Beeinflussen einer flüssigen Glasprobe zu deren Formgebung, indem äußere Felder und/oder äußere Kräfte auf die flüssige Glasprobe einwirken. Damit ist insbesondere kein Pressprozess gemeint.
Neben dem einfachen Bereitstellen der Glasprobe in einer Atmosphäre mit dem Gas zur Beeinflussung der Oberflächenspannung der flüssigen Glasprobe kann diese auch alternativ oder ergänzend einer gezielten Gasströmung als äußere Kraft, vorzugsweise mit dem Gas zur Beeinflussung der Oberflächenspannung der flüssigen Glasprobe, derart ausgesetzt werden, dass die Glasprobe in einzelnen Bereichen oder insgesamt verformt wird. Dadurch kann die Glasprobe, beispielsweise mittels einer Art Haartrockner, gezielt angeblasen werden und lokal bzw. in einzelnen Bereichen oder auch insgesamt verformt werden.
Die Glasprobe und/oder das Substrat wird bzw. werden in einer ersten Ausführungsform derart bereitgestellt, dass die Schwerkraft normal bzw. senkrecht zum Substrat und/oder parallel zur Mittelachse der Glasprobe steht. In einer Variante steht die Schwerkraft schräg bzw. geneigt dazu. In einer weiteren ergänzenden und/oder alternativen Ausführungsform wird die Schwerkraft verstärkt, zum Beispiel indem die Glasprobe und/oder das Substrat in einer Zentrifuge angeordnet wird bzw. werden. In dieser Version wird die auf das Substrat und/oder die Glasprobe wirkende Zentrifugalkraft als äußere Kraft bereitgestellt. Als Ergänzung und/oder als Alternative kann die Glasprobe schließlich auch noch elektrischen und/oder magnetischen Feldern und/oder elektromagnetischen Feldern als äußeren Feldern ausgesetzt werden. Dies ist jedoch nur für Glassorten bzw. Schmelzen relevant, die infolge ihrer stofflichen Zusammensetzung darauf ansprechen.
Im Bereich der Erfindung liegt auch ein optisches Bauelement aus Glas umfassend eine asphärische Freiformfläche, das durch das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren herstellbar ist. Das optisches Bauelement weist dabei eine Oberflächenrauhigkeit Rms von weniger als 2 nm auf, sowie eine Unterseite und eine asphärische Oberfläche, welche an der Randlinie des Bauteils aufeinandertreffen, an welcher der Randwinkel zwischen asphärischer Oberfläche und Unterseite des Bauteils ausschließlich durch die Grenzflächenspannung des festen Substrats gegen die Atmosphäre, die Grenzflächenspannung des festen Substrats gegen die Schmelze und die Oberflächenspannung der Schmelze gegen die Atmosphäre festgelegt ist.
Die optischen Bauelemente, insbesondere für eine LED, besitzen typischerweise Abmessungen in den lateralen Abmessungen, die einem Bereich von etwa 1 µm bis etwa 10 mm, bevorzugt von etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm liegen. Die Höhe der optischen Bauelemente liegt in einer Größenordnung von kleiner als etwa 10 mm, bevorzugt kleiner als etwa 5 mm. Die Bauelemente weisen eine Oberflächengüte von < lambda/2.
Die optischen Bauelemente umfassen Bauelemente beliebiger Geometrie. Beispiele stellen, insbesondere polygonförmige, Prismen, Linsen, Stablinsen und Bauelemente mit konvexen, konkaven, sphärischen und/oder asphärischen, beispielsweise elliptischen, zylindrischen, hyperbolischen und/oder parabolischen, Oberflächen und/oder Freiformoberflächen dar. Vorzugsweise werden die optischen Bauelemente in einem Array bereit- und/oder hergestellt. Die vorstehend genannten optischen Bauelemente sind beispielhaft zu verstehen und beschränken sich keinesfalls auf die genannte Auswahl.
Bei dem vorzugsweise optischen Glas kann es sich beispielsweise um wenigstens ein Glas handeln, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Fluor-Phosphat-Gläser, Fluor-Kron-Gläser, Phosphor-Kron-Gläser, Phosphor-Schwer-Kron-Gläser, Bor-Kron-Gläser, Barium-Leicht-Kron-Gläser, Kron-Gläser, Zink-Kron-Gläser, Barium-Kron-Gläser, Schwer-Kron-Gläser, Kron-Flint-Gläser, Barium-Leicht-Flint-Gläser, Doppel-Schwer-Kron-Gläser, Lanthan-Kron-Gläser, Doppel-Leicht-Flint-Gläser, Barium-Flint-Gläser, Leicht-Flint-Gläser, Flint-Gläser, Barium-Schwer-Flint-Gläser, Lanthan-Flint-Gläser, Lanthan-Schwer-Flint-Gläser, Schwer-Flint-Gläser, Tief-Kron-Gläser, Tief-Flint-Gläser, Lang-Kron-Sondergläser, Tief-Schwer-Flint-Gläser, Kurz-Flint-Gläser, Kurz-Flint-Sondergläser, Quarzgläser und Bismunat Gläser. Die vorstehend genannten Gläser sind beispielhaft zu verstehen und beschränken sich keinesfalls auf die genannte Auswahl.
In einer Zusammenfassung kann die vorliegende Erfindung auch beschrieben werden durch ein Verfahren zur Herstellung optischer Bauelemente aus Glas, umfassend ein

Beeinflussen wenigstens einer Grenzflächenspannung einer flüssigen Glasprobe zu deren Formgebung,
indem die flüssige Glasprobe einer Atmosphäre ausgesetzt wird, die zumindest ein Gas zur Beeinflussung einer Oberflächenspannung der flüssigen Glasprobe beinhaltet und/oder
indem in dem Glas der Glasprobe zumindest ein Additiv zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung zugefügt wird und/oder
indem ein Substrat, auf dem die Glasprobe angeordnet ist, zumindest an seiner Oberfläche mit zumindest einer Komponente zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung bereitgestellt wird und/oder
indem die flüssige Glasprobe zu deren Formgebung zumindest einem äußeren Feld und/oder zumindest einer äußeren Kraft, welche auf die flüssige Glasprobe einwirkt bzw. einwirken, ausgesetzt wird.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele im Einzelnen erläutert. Hierzu wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Die gleichen Bezugszeichen in den einzelnen Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Teile.

1.a bis 1.c illustrieren das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip (1.a: feste Glasprobe, 1.b geschmolzene oder flüssige Glasprobe, 1.c: feste oder erstarrte Glasprobe),
2 zeigt die beteiligten Grenzflächenspannungen, welche die Kontur eines Flüssigkeitstropfens beeinflussen,
3.a bis 3.c illustrieren die Tropfenkontur bei konstantem Benetzungsverhältnis (konstanter Randwinkel (α) und steigendem Volumen im Schwerefeld,
4.a bis 4.d illustrieren die Tropfenformen bei gleichem Flüssigkeitsvolumen und unterschiedlichen Benetzungsverhältnissen (variabler Randwinkel α),
5.a bis 5.c illustrieren den Einfluss einer modifizierten Oberfläche,
6.a bis 6.g zeigen jeweils ein Linsenarray auf einem Substrat in einer Seitenansicht (6.a bis 6.c) und in einer Aufsicht auf das Substrat (6.d bis 6.g),
7.a bis 7.d illustrieren die Verwendung von Begrenzungen und ihren Einfluss auf die Tropfenkontur,
8.a und 8.b zeigen zwei weitere Ausführungsformen in einer schematischen Darstellung und
9.a bis 9.c zeigen drei Ausführungsformen einer Linsen-LED- bzw. Linsen-LED-Array-Anordnung in einer schematischen Darstellung.
10.a bis 10.c zeigen eine erstarrte Glasprobe ( 10.a), eine berechnete Abstrahlcharakteristik (10.b) und die Lichtverteilung bzw. -intensität auf einem Detektor (10.c).

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß geht es um die gezielte Beeinflussung der Kontur eines Tropfens einer Flüssigkeit, bevorzugt einer Schmelze, besonders bevorzugt einer Glasschmelze, beispielsweise einer Silicat-Glasschmelze. Dabei geht um die gezielte Beeinflussung der Kontur des nach erfolgter Erstarrung daraus entstandenen optischen Bauelements, wie einer Glaslinse. Die Kontur beschreibt die Form der Oberfläche oder die Umrisslinie in einer Querschnittansicht des optischen Bauelements.
Die Grundidee ist hierbei in den 1.a bis 1.c illustriert. Es wird zunächst ein Glasstück 1, hier auf einem Substrat 10, bereitgestellt (1.a) und aufgeschmolzen (1.b). Das Substrat 10 kann zum Beispiel auch durch eine LED bereitgestellt werden. Im schmelzflüssigen Zustand wird das geschmolzene Glasstück 1 bzw. die flüssige Glasprobe 2 durch die Wirkung von Gravitation und Oberflächenspannung(en) umgeformt und wieder abgekühlt (1.c). Der erstarrte Glaskörper 3 bzw. das entstandene optische Bauelement 3 zeigt eine Linsenwirkung. Hierbei wäre es allerdings ein großer Zufall, wenn die optische Funktion, die unter anderem durch die entstandene Kontur determiniert wird, exakt die wäre, welche für die vorgesehene Applikation optimal bzw. erwünscht ist. Vielmehr ist es wahrscheinlicher, dass die für die vorgesehene Verwendung ideale Kontur von der konkret gebildeten abweicht.
Die Erfinder haben nun festgestellt, dass die Kontur des Glastropfens im schmelzflüssigen Zustand gezielt beeinflussbar ist durch Ausnutzung von Oberflächenspannungs- und/oder Grenzflächenspannungseffekten. Die Oberflächenspannung ist die Ursache für das Verhalten von Tropfen, eine möglichst kugelähnliche Tropfenform oder Formen mit möglichst geringer Oberfläche einzunehmen. Je höher die Oberflächenspannung, desto kugelähnlicher wird der Tropfen.
Nachfolgend werden erfindungsgemäße Möglichkeiten benannt, die Oberflächen- und/oder Grenzflächenspannungen der beteiligten Komponenten, nämlich Atmosphäre, Substrat und/oder Glasprobe, definiert zu verändern und damit optimierte oder erwünschte Konturen der optischen Bauelemente, wie konkrete Linsenkonturen, gezielt einzustellen.
2 zeigt dazu die beteiligten Grenzflächenspannungen, die die Kontur eines Flüssigkeitstropfens 2 beeinflussen. Es ist der Gleichgewichtszustand eines Flüssigkeitstropfens 2 auf einem festen Substrat 10 dargestellt. Die Kontur des Flüssigkeitstropfens 2 auf dem festen Substrat 10 hängt von den beteiligten Grenzflächenspannungen (= Grenzflächenenergien) σ₁, σ₂ und σ₃, der Schwerkraft g sowie gegebenenfalls weiteren Kräften ab. Wenn ein Flüssigkeitstropfen 2 seine stabile Lage und Kontur erreicht hat, bewegt sich seine Randlinie nicht mehr. Das ist in der 2 (Seitenansicht oder Querschnittsansicht eines Tropfens) dadurch repräsentiert, dass die Punkte P1 und P2 fixiert sind. Infolge der drei wirkenden Grenzflächenspannungen σ₁ (Festkörper gegen Atmosphäre), σ₂ (Festkörper gegen Schmelze) und σ₃ (Schmelze gegen Atmosphäre, das ist die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit schlechthin) stellt sich ein Randwinkel α entsprechend der Young-schen Gleichung ein: $σ_{1} = σ_{2} + σ_{3} cos α$
Infolge dieser Kompensation der lateralen Vektorkomponenten nach Gleichung (1) wird der Benetzungswinkel α in jedem Fall ausschließlich durch die drei Grenzflächenspannungen festgelegt. Dagegen hängt die Tropfenform oder die Tropfenkontur (im Querschnitt) auch von der Schwerkraft g ab. Diese ist umso dominanter, je mehr Masse der Tropfen 2 enthält, d.h. je größer sein Volumen ist.
Dies ist in den 3.a bis 3.c schematisch dargestellt: Alle Grenzflächenspannungen (σ₁, σ₂ und σ₃) und damit der Randwinkel α seien gleich, aber das Volumen nimmt zu, mit großen Folgen für die konkrete Tropfenkontur. Mit steigenden Volumen steigt der Krümmungsradius des Tropfens 2 an. Der Tropfen 2 wird mit steigendem Volumen somit insgesamt flacher.
Wenn sich dagegen bei einem konstanten Volumen des Tropfens 2 die Benetzungsverhältnisse aufgrund der Änderung mindestens einer der beteiligten Grenzflächenspannungen ändern, dann können die in den 4.a bis 4.d dargestellten Fälle auftreten. Es zeigen 4.a eine wenig benetzende Konstellation mit einem resultierenden Randwinkel α > 90°, 4.b eine durchschnittlich benetzende Konstellation mit einem resultierenden Randwinkel α ≈ 90°, 4.c eine gut benetzende Konstellation mit einem resultierenden Randwinkel α < 90° und 4.d eine extrem benetzende Konstellation mit einem resultierenden Randwinkel α ≈ 0° („Spreizung“). So wie sich die Form eines Wassertropfens durch die Zugabe einer Spur eines Tensids zum Beispiel von der Situation 4.c in die Situation 4.d verändern lässt, kann auch ein Glasschmelztropfen 2, der auf einem bestimmten Substrat 10 eigentlich die Form gemäß 4.b annehmen würde, in die in der 4.c dargestellte Kontur überführt werden, wenn zum Beispiel das Glas mit bestimmten Additiven bereitgestellt, beispielsweise dotiert, wird.
Beeinflussung von σ₃ (der Oberflächenspannung der Glasschmelze:
a1) Definierte Einstellung der chemischen Zusammensetzung des Glases
Der Wert von σ₃ kann signifikant abgesenkt werden durch den Zusatz geringer Mengen bestimmter oxidischer Additive, wie zum Beispiel V₂O₅ und/oder CrO₃. Der zugrunde liegende chemisch/physikalische Zusammenhang wird sozusagen ausgenutzt zur Fertigung optischer Bauteile, wie Linsen, und einer Erhöhung der Modulation-Transfer-Function (MTF) und damit den Abbildungseigenschaften und/oder der fokussierten Lichtleistung.
Wird σ₃ abgesenkt, dann sinkt α entsprechend Gleichung (1) (siehe dazu 2), sofern σ₁ und σ₂ konstant gehalten werden. Werden umgekehrt Additive, wie zum Beispiel MgO, eingebracht, so geschieht das Entgegengesetzte: σ₃ steigt, und dementsprechend wächst α, sofern σ₁ und σ₂ konstant bleiben.
a2) Definierte Einstellung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre
Das Schmelzen und/oder die Formgebung erfolgt im Allgemeinen unter Umgebungsbedingungen und kann zum Beispiel in einem Reinraum erfolgen. Werden der Atmosphäre definierte Mengen solcher Gase zugesetzt, deren Moleküle ein großes elektrisches Dipolmoment, vorzugsweise von ≥ 1,5 Debye, aufweisen, so sinkt der Wert von σ₃ ebenfalls. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, insbesondere während der Heißformgebung, der Atmosphäre zum Beispiel 2 Vol.% H₂O oder 1 Vol.% S0₂ zuzusetzen. Die Atmosphäre wird mit Wasserdampf oder Wasser angereichert.
Auf diese Weise wird die Oberflächenspannung einer Silicatglasschmelze um bis zu 100 mN/m abgesenkt und so eine Veränderung der Tropfenform 2 vom Fall der 4.a in den in 4.c dargestellten Fall, insbesondere auch mit dem Potential aller dazwischen liegenden Übergangsformen, bewirkt. Umgekehrt kann durch eine Atmosphäre aus Molekülen mit kleinem Dipolmoment, wie zum Beispiel Argon, σ₃ und damit der Benetzungswinkel α gesteigert werden, mit entsprechenden Konsequenzen für die Linsenkontur und die optische Wirkung der Linse.
Beeinflussung von σ₁ und σ₂ durch eine Modifikation des Substrats:
Die 5.a bis 5.c illustrieren den Einfluss einer modifizierten Oberfläche eine Substrats 10. 5.a zeigt zunächst eine nicht modifizierte Oberfläche. Dabei kann, wie in 5.b dargestellt, das Substrat 10 als solches oder auch nur die Oberfläche des Substrats 10, zum Beispiel nur die obersten Atomlagen, modifiziert werden. Dies kann zum Beispiel durch einen Kationenaustausch geschehen. Ein erstes Beispiel stellt ein Alkaliionenaustausch, wie K⁺ für Na⁺ usw. dar. Ein zweites Beispiel stellt ein Einbau höherwertiger Kationen, insbesondere über eine Dotierung der Substratoberfläche mit grenzflächenspannungssenkenden Komponenten, wie V₂0₅, Ta₂0₅ usw., dar. Ein drittes Beispiel stellt ein Anionenaustausch, wie Stickstoff für Sauerstoff, dar, z.B. durch Glühen in NH₃-haltiger Atmosphäre.
Anstelle der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, in der das Substrat modifiziert wird, kann als Alternative auch ein Aufbringen dünner Schichten 11 oder einer dünnen Schicht 11, insbesondere mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 5 nm bis 100 nm, erfolgen (siehe 5.c). Es können ähnliche Materialien verwendet und Konsequenzen wie bei dem modifizierten Substrat 10 erzielt werden.
Die 6.a bis 6.c zeigen jeweils ein Linsenarray auf einem Substrat 10 in einer Seitenansicht. Bei einem solchen Linsenarray ist eine Vielzahl von Linsen 2 bzw. 3 auf dem Substrat 10 angeordnet. Bei Linsenarrays sollen die Einzellinsen 2 bzw. 3 einen gewissen Abstand voneinander haben (siehe schematisch 6.a) oder sehr dicht aneinander platziert werden (siehe 6.b). Im Allgemeinen sollten die Glaslinsen 2 bzw. 3 auf keinen Fall während der Herstellung in schmelzflüssigem Zustand ineinanderfließen (skizziert in 6.c).
Die 6.d bis 6.g zeigen jeweils ein Linsenarray auf einem Substrat 10 in einer Aufsicht auf das Substrat 10. 6.d und 6.f zeigen jeweils eine Ausführungsform, in der die Linsen 2 bzw. 3 beabstandet zueinander angeordnet sind. Im Gegensatz dazu zeigen die 6.e und 6.g jeweils eine Ausführungsform, in der die Linsen 2 bzw. 3 aneinandergrenzend angeordnet sind. 6.g zeigt hierbei eine bevorzugte Ausgestaltung eines Linsenarray, in der die Linsen 2 bzw. 3 in einer Art Hexagon angeordnet. Dadurch kann eine möglichst kompakte Anordnung erzielt werden.
Um ein undefiniertes Zerließen der flüssigen Glasprobe 2 und gegebenenfalls ein Überlappen zwischen einzelnen Glasproben 2 zu vermeiden oder um das Zerfließen gezielt zu beeinflussen oder zu steuern, werden in einer Weiterbildung der Erfindung Strukturen verwendet, die zuverlässig als eine Art Abstandshalter wirken. Dazu sind erfindungsgemäß Begrenzungen 12, 13 und 14 vorgesehen. Die 7.a und 7.d illustrieren dabei die Verwendung von Begrenzungen 12, 13 und 14 und ihren Einfluss auf die Tropfenkontur. 7.a zeigt zunächst den Flüssigkeitstropfen, vorzugsweise einer flüssige Glasprobe 2, in ihrem Gleichgewichtszustand.
Eine in diesem Sinne sehr wirksame Struktur oder Begrenzung ist eine Nut 12 mit scharfen oder definierten Begrenzungen, insbesondere mit scharf ausgeprägten rechten Winkeln in den Punkten P₁ und P₂ (siehe 7.b). Der Tropfen 2 ist zwar nicht in einem Gleichgewichtszustand, wird jedoch durch die Begrenzung 12 auf den Raum zwischen den beiden Punkten P₁ und P₂ beschränkt. Solche scharfen Begrenzungslinien wirken als eine Art Stopper für Glasschmelzen, die eigentlich noch weiter spreizen würden, um ihre Gleichgewichtskontur zu erreichen. Mit scharfkantigen Nuten 12, insbesondere mit einem Randwinkel von größer oder gleich 80°, kann also die Ausbildung einer Kontur, wie in 7.a dargestellt, verhindert, d.h. vorzeitig gestoppt und zum Beispiel eine Kontur entsprechend 7.b realisiert werden, welche die gewünschten optischen Abbildungseigenschaften bietet.
Einen ähnlichen Effekt wie Nuten 12 als Begrenzungen haben schmale Streifen 13 und 14, vorzugsweise aus einem anderen Material, das von der Glasschmelze nicht oder nur wenig benetzt werden kann. Hierbei kann auf alle vorstehend genannten Möglichkeiten zurückgegriffen werden, die Grenzflächenspannungen von Substraten 10 zu verändern. Die als Stopper wirkenden schmalen Streifen 12 und 13 können in Dünnfilmtechnik aufgebracht werden (schematisch dargestellt in 7.c). Diese Technik hat das Potential einer Kostenersparnis verglichen mit dem Einarbeiten von Nuten 11.
Die Streifen 13 können auch in Dickschichttechnik realisiert werden oder sogar in Form metallischer Leiterbahnen 13 (bis hin zu Drähten) ausgebildet sein (siehe 7.d). In dem letzteren Fall kann ein Netzwerk solcher Leiterbahnen 13, insbesondere aus Cu, Al, anderen Metallen und/oder Legierungen, zugleich dazu dienen, Ströme aus den Strukturen, wie zum Beispiel LED-Strukturen, an deren Oberseite abzuführen, und zwar ohne Abschattungseffekt, da die Leiterbahnen 13 nicht auf sondern zwischen den Einzellinsen 2 bzw. 3 verlaufen. Beide Funktionen, die gewünschte geometrische Fixierung der Einzellinsen 2 bzw. 3 sowie die Energieversorgung, vorzugsweise der LED, werden durch ein solches Netz von Leiterbahnen 13 in Kombination erreicht.
Die 8.a und 8.b zeigen zwei weitere Ausgestaltungen eines optischen Bauteils 2 bzw. 3, jedoch mit einem komplexeren Aufbau. 8.a illustriert, dass mit der vorliegenden Erfindung auch andere Formen als eine konvexe Form realisierbar sind. Hierzu zeigt 8.a als ein Beispiel ein optisches Bauteil 2 bzw. 3 mit einer konkaven Oberfläche anstatt einer konvexen Oberfläche. Die Flüssigkeit oder die Schmelze 2 besitzt in diesem Fall eine geringe Oberflächenspannung, mit dem Resultat einer hohen Benetzungstendenz. Die benetzende Flüssigkeit 2 steht den Wänden der Begrenzung 13 höher als in der Mitte. Die Begrenzung 13 bildet einer Art Gefäß. Die flüssige Glasprobe 2 wird an den Seiten sozusagen nach oben gezogen.
Dagegen zeigt 8.b eine Ausführungsform, in der zwei Gläser 4 und 5 mit unterschiedlichen T_g verwendet werden. Das Glas 4 mit dem höheren T_g (Glasübergangstemperatur) wird zunächst aufgeschmolzen und bildet das Fundament 4 für das optische Bauteil 3. Auf der Oberseite des Fundaments 4 wird nun das Glas 5 mit dem geringeren T_g angeordnet und gegebenenfalls aufgeschmolzen.
Die 9.a und 9.b zeigen jeweils eine erfindungsgemäß herstellte Linse 3. In 9.a ist die Linse 3 über eine Halterung 21 oder ein Gehäuse 21 beabstandet zu einer LED 20 positioniert. Die Linse 3 wurde getrennt von der LED 20 hergestellt. Dagegen illustriert 9.b die Möglichkeit, dass die Linse 3 auch direkt auf der LED 20 appliziert bzw. aufgeschmolzen werden kann. Dies ist möglich, wenn die LED 20 ausreichend temperaturstabil ist. Es ergibt sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der LED 20 und der Linse 3. Das gesamte nach oben aus der LED 20 austretende Licht kann wirksam fokussiert werden. 9.c zeigt ein Array oder eine Anordnung von LEDs, welche eine Vielzahl der erfindungsgemäß herstellten Linsen 3 aufweist. Dabei ist hier jeweils eine Linse 3 einer LED 20 zugeordnet.
Als weitere Möglichkeiten zur Beeinflussung der Formgebung, die jedoch nicht in den Figuren dargestellt sind, kommt die Überformung der Glasschmelztropfen 2 durch äußere Felder oder Kräfte in Betracht: a) Schwerkraft (normal, senkrecht) b) Schwerkraft (verstärkt, z.B. mit Zentrifuge), c) Schwerkraft (normal oder verstärkt, schräg) d) Gasdruck (schräg vorzugsweise laminar anblasen, entspricht evtl. dem Fall „Schwerkraft, schräg“ und/oder e) elektrische und/oder (elektro)magnetische Felder (nur für Schmelzen, die infolge ihrer stofflichen Zusammensetzung darauf ansprechen).
10.a zeigt beispielhaft eine erstarrte Glasprobe 3, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Das Glas ist P-SK57. Die Geometrie des bereitgestellten zu schmelzenden Glasstücks 1, aus dem die vorliegende Linse 3 hervorgeht, war 1,5 * 2 * 2 mm³. Das Glasstück 1 wurde in einem Ofen für eine Zeitdauer von etwa 20 Minuten einer Temperatur von etwa 640°C ausgesetzt. Das eingesetzte Gas war ein Luftgemisch bei Normaldruck. Die 10.b und 10.c zeigen eine zu der erstarrten Glasprobe 3 berechnete Abstrahlcharakteristik (10.b) und die zugehörige Lichtverteilung auf einem Detektor (10.b). Es ist somit möglich, mittels Aufschmelzen und einem definierten Erstarren eine Kontur zu erzeugen, welche in eine im Wesentlichen gleichmäßige Lichtverteilung resultiert.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind. Die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt sondern kann in vielfältiger Weise variiert werden, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.
Merkmale einzelner Ausführungsformen und die im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Merkmale können jeweils untereinander als auch miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Glasstück
2: Flüssige Glasprobe oder Flüssigkeitstropfen
3: Erstarrte Glasprobe oder optisches Bauteil oder erstarrte Linse
4: Glas mit einem ersten Tg oder Fundament
5: Glas mit einem zweiten gegenüber dem Glas mit dem ersten Tg niedrigeren Tg oder weitere Glasprobe
10: Substrat
11: Schicht zur Beeinflussung der Oberflächenspannung
12: Aussparung, Schlitz Graben oder Nut
13: Erhebung oder Steg oder Streifen (abgeschieden über Dünnschichttechnik)
14: Erhebung oder Steg oder Streifen (abgeschieden über Dickschichttechnik)
20: LED
21: Halterung oder Gehäuse

Claims

Verfahren zur Herstellung linsenförmiger optischer Bauelemente (3) aus Glas, umfassend ein Beeinflussen wenigstens einer Grenzflächenspannung einer flüssigen auf einem Substrat (10) angeordneten Glasprobe (2) zu deren Formgebung, um die Abbildungseigenschaften des linsenförmigen optischen Bauelements (3) zu beeinflussen, indem die flüssige Glasprobe (2) einer Atmosphäre ausgesetzt wird, die zumindest ein Gas zur Beeinflussung einer Oberflächenspannung der flüssigen Glasprobe (2) beinhaltet, um eine asphärische Oberfläche zu erzeugen, wobei die Formgebung der flüssigen Glasprobe erfolgt, indem ein Flüssigkeitstropfen auf einem festen Substrat bereitgestellt wird, welcher einen Randwinkel aufweist, der ausschließlich durch die Grenzflächenspannung des festen Substrats gegen die Atmosphäre, die Grenzflächenspannung des festen Substrats gegen die Schmelze und die Oberflächenspannung der Schmelze gegen die Atmosphäre festgelegt ist.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas zur Beeinflussung der Oberflächenspannung mit einem Anteil von kleiner oder gleich 10 Vol.% in der Atmosphäre bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas zur Beeinflussung der Oberflächenspannung mit einem elektrischen Dipolmoment von größer oder gleich 1 Debye bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas zur Beeinflussung der Oberflächenspannung wenigstens ein Gas ist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus H₂F₂Si, SO₂, HF, H₂O und HNO₃.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas zur Beeinflussung der Oberflächenspannung mit einem elektrischen Dipolmoment von kleiner oder gleich 0,5 Debye bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas zur Beeinflussung der Oberflächenspannung wenigstens ein Gas ist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend sind H₂, CO, O₂, N₂ und Edelgasen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung der Glasprobe (2) durch zumindest ein in dem Glas der Glasprobe (2) enthaltenes Additiv zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung unterstützt wird.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv in dem Glas mit einem Anteil von kleiner als 10 Gew.% bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv wenigstens ein Additiv ist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus K₂O, V₂O₅, CrO₃, Sulfaten und B₂O₃.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) zumindest an seiner Oberfläche mit zumindest einer Komponente zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Oberseite des Substrats (10) zumindest eine Schicht mit wenigstens einer Komponente zur Beeinflussung der Grenzflächenspannung bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Formgebung der flüssigen Glasprobe (2) zumindest eine Begrenzung (12, 13, 14) auf dem Substrat (10) angeordnet wird.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung (12, 13, 14) mittels einer Aussparung (12) und/oder mittels eines Stegs (13, 14) auf dem Substrat (10) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasprobe (2) als ein Fundament (4) bereitgestellt wird und auf dem Fundament (4) zumindest eine weitere Glasprobe (5) ausgebildet wird.
Optisches Bauelement aus Glas umfassend eine asphärische Freiformfläche, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche und welches eine Oberflächenrauhigkeit Rms von weniger als 2 nm aufweist, wobei das Bauteil eine Unterseite und eine asphärische Oberfläche aufweist, welche an der Randlinie des Bauteils aufeinandertreffen, an welcher der Randwinkel zwischen asphärischer Oberfläche und Unterseite des Bauteils ausschließlich durch die Grenzflächenspannung des festen Substrats gegen die Atmosphäre, die Grenzflächenspannung des festen Substrats gegen die Schmelze und die Oberflächenspannung der Schmelze gegen die Atmosphäre festgelegt ist.