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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Verbundkörpers aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil mittels Ansprengen gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Verbundkörpers gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 6.
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Ansprengen ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Verbinden von Teilen, beispielsweise zum Verbinden von Teilen zu einem Verbundkörper für optische Anwendungen. Unter Ansprengung wird ein spontanes Verbinden oder Anhaften zweier Körper verstanden. Die Verbindung durch Ansprengen kann zwischen zwei Körpern aus gleichem Material oder aus unterschiedlichem Material stattfinden. Beim Ansprengen werden zwei Oberflächen aneinander angenähert, um eine Verbindung herzustellen. Eine derartige Verbindung erfolgt mittels intermolekularer Wechselwirkungen, nämlich mittels sogenannter van-der-Waals-Kräfte.
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Die
DE 33 22 212 A1 offenbart ein Verfahren zum Verbinden von Teilen durch optisches Ansprengen. Bei diesem Verfahren werden in einem ersten Verfahrensschritt die anzusprengenden Teile justiert und in einem zweiten Verfahrensschritt der Ansprengvorgang eingeleitet. Die DE 33 22 212 A1 sieht ferner vor, dass zum Einleiten des Ansprengvorganges eine Hilfsflüssigkeit in den Spalt zwischen den zu verbindenden Flächen der Teile eingebracht wird.
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Für diverse Anwendungsszenarien in der Optik ist es notwendig, dass bestimmte Bereiche einer Oberfläche eines erstes Teils, die gegenüber anderen Bereichen abgesenkt sind und in weiterer Folge eine optische Funktion übernehmen, nicht mit einem anderen zweiten Teil angesprengt werden, während die anderen Bereiche der Oberfläche des ersten Teils mit einem zweiten Teil durch einen Ansprengvorgang verbunden werden. Eine Verbindung aller Bereiche des ersten Teils mit allen Bereichen des zweiten Teils kann beispielsweise dann auftreten, wenn der Verbundkörper aus erstem und zweitem Teil im Gebrauch oder beim Transport thermischen und damit auch mechanischen Belastungen ausgesetzt wird. Weiterhin entstehen bei der Fertigung eines abgesenkten Bereiches, der typischerweise im Nanometerbereich liegt, keine sehr steilen Kanten. Im Einsatz wird dadurch ebenfalls ein Ansprengen der gesamten Oberfläche des ersten Teils mit der gesamten Oberfläche des zweiten Teils begünstigt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers aus einem ersten und einem zweiten Teil zur Verfügung zu stellen, bei dem gewisse Bereiche miteinander verbunden werden und gewisse Bereiche nicht miteinander verbunden werden. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
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In einem Grundgedanken der Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Verbundkörpers mittels Ansprengen aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil folgende Schritte auf:
Bereitstellen des ersten Teils mit einer ersten Oberfläche und des zweiten Teils mit einer zweiten Oberfläche;
Bearbeiten der ersten und zweiten Oberfläche derart, dass eine erste und zweite Kontaktfläche und eine erste und zweite optische Funktionsfläche entsteht, wobei der Schritt des Bearbeitens ein Absenken der ersten optischen Funktionsfläche gegenüber der ersten Kontaktfläche und/oder der zweiten optischen Funktionsfläche gegenüber der zweiten Kontaktfläche umfasst, so dass zwischen der ersten optischen Funktionsfläche und der zweiten optischen Funktionsfläche ein Spalt ausgebildet wird;
Bereitstellen einer Unstetigkeit zwischen der ersten Kontaktfläche und der ersten optischen Funktionsfläche und/oder der zweiten Kontaktfläche und der zweiten optischen Funktionsfläche;
Zusammenbringen der ersten und der zweiten Kontaktfläche zum Ansprengen des ersten Teils an den zweiten Teil.
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Die Erfindung macht sich damit die Erkenntnis zu Nutze, dass durch die Ausbildung einer Unstetigkeit eine räumliche Trennung zwischen den angesprengten Kontaktflächen und den optischen Funktionsflächen erzielt wird. Durch die Unstetigkeit wird bei mechanischen Deformationen eine Fortsetzung des Ansprengens ausgeschlossen. Unter dem Merkmal „optische Funktionsfläche” wird vorliegend eine optisch wirksame Fläche verstanden. Beispielsweise kann an der optischen Funktionsfläche ein Lichtstrahl reflektiert oder totalreflektiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens des ersten und des zweiten Teils ein Reinigen und ein Polieren der ersten und zweiten Oberfläche. Durch einen Reinigungsprozess können gezielt Wassermoleküle von den zu kontaktierenden Oberflächen entfernt werden. Da bei einem Ansprengen van-der-Waals-Kräfte zwischen den zu verbindenden Teilen wirken, kann sich eine feuchte Oberfläche negativ auf den Verbindungsvorgang auswirken.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Zusammenbringens des ersten und zweiten Teils ein Justieren der Teile zueinander mittels eines Manipulators und zwar derart, dass die erste Kontaktfläche auf der zweiten Kontaktfläche angesprengt wird. Hierfür werden in einem ersten Verfahrensschritt die beiden zu verbindenden Teile derart nahe aneinander gebracht, dass zwischen den Teilen ein Spalt von einigen Nanometern gebildet wird. In einem zweiten Verfahrensschritt werden die beiden Teile dann mittels des Manipulators derart verschoben, dass die erste Kontaktfläche oberhalb der zweiten Kontaktfläche zum Liegen kommt. In einem dritten Verfahrensschritt wird ein Druck auf die beiden Teile oder auf zumindest ein Teil ausgeübt und damit der Ansprengvorgang eingeleitet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt des Absenkens der ersten und/oder zweiten optischen Funktionsfläche gegenüber der jeweiligen Kontaktfläche mittels eines Ätzprozesses realisiert. Durch einen Ätzprozess kann relativ einfach ein abgesenkter Bereich bereitgestellt werden, der die optische Funktionsfläche ausbildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt des Bereitstellens einer Unstetigkeit durch einen Schleifprozess oder einen Sandstrahlprozess realisiert. Beispielsweise ist es in diesem Zusammenhang möglich, dass die Bereiche, die keine Unstetigkeit aufweisen sollen durch eine Maske abgedeckt werden und der Bereich, der eine Unstetigkeit aufweisen soll durch einen Sandstrahlprozess abgetragen wird.
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Die Erfindung stellt auch einen Verbundkörper, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird mit folgenden Merkmalen bereit:
Einem ersten Teil mit einer ersten Oberfläche und einem zweiten Teil mit einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine erste Kontaktfläche und eine erste optische Funktionsfläche aufweist und wobei die zweite Oberfläche eine zweite Kontaktfläche und eine zweite optische Funktionsfläche aufweist und wobei die erste und/oder zweite optische Funktionsfläche gegenüber der jeweiligen Kontaktfläche abgesenkt ausgebildet ist und wobei zwischen der ersten Kontaktfläche und der ersten optischen Funktionsfläche und/oder zwischen der zweiten Kontaktfläche und der zweiten optischen Funktionsfläche eine Unstetigkeit ausgebildet ist und wobei die erste Kontaktfläche des ersten Teils an die zweite Kontaktfläche des zweiten Teils angesprengt ist.
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In einer Ausführungsform ist die Unstetigkeit als Kanal, insbesondere als die erste und/oder zweite Funktionsfläche umschließender zusammenhängender Kanal ausgebildet. Durch einen zusammenhängenden Kanal kann die optische Funktionsfläche besonders wirksam räumlich von der Kontaktfläche getrennt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erste und zweite Teil als Prisma aus Quarzglas ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste und/oder zweite optische Funktionsfläche gegenüber der jeweiligen Kontaktfläche in einem Bereich von 20 bis 200 nm, bevorzugt 100 nm abgesenkt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erste optische Funktionsfläche des Verbundkörpers zur zweiten Funktionsfläche des Verbundkörpers einen Abstand A auf und die Unstetigkeit eine Tiefe T, wobei die Ungleich T > A gilt.
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Es versteht sich, dass die eben beschriebenen Ausführungsformen in Alleinstellung oder in Kombination untereinander dargestellt werden können. Umfasst eine bevorzugte Ausführungsform eine „und/oder”-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass die Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 Schematischer Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers;
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2a–2b Schematischer Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers;
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3 Schematischer Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers;
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4 Schematischer Aufbau eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers;
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5a–5d Verschiedene Ansichten eines erfindungsgemäßen ersten Teils eines Verbundkörpers;
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verbundkörpers V. Ein Verbundkörper V umfasst ein erstes Teil 1 und ein zweites Teil 2. Die beiden Teile werden durch einen Ansprengvorgang gefügt und bilden nach dem Vorgang den Verbundkörper V aus. Ein derartiger Ansprengvorgang kann beispielsweise durch eine Kraft auf eines der beiden Teile eingeleitet werden.
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Das erste Teil 1 weist eine erste Oberfläche 100 auf. Das zweite Teil 2 weist eine zweite Oberfläche 200 auf. Die beiden Teile sind schematisch nur in einem Fügebereich dargestellt. Bei den beiden Teilen kann es sich beispielsweise um Prismen oder Prismenstümpfe aus Quarzglas handeln.
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Ziel der Erfindung ist es, dass die beiden Teile an Kontaktflächen angesprengt werden. Hierfür weist das erste Teil eine erste Kontaktfläche 110 und das zweite Teil eine zweite Kontaktfläche 210 auf. Ziel der Erfindung ist es ferner, dass die beiden Teile an optischen Funktionsflächen nicht angesprengt werden. Hierfür weist das erste Teil eine erste optische Funktionsfläche 120 und das zweite Teil eine zweite optische Funktionsfläche 220 auf. Zumindest eine der beiden Funktionsflächen ist gegenüber der Kontaktfläche abgesenkt, so dass sich in einem angesprengten Zustand ein Spalt 5 zwischen der ersten optischen Funktionsfläche und der zweiten optischen Funktionsfläche ausgebildet wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite optische Funktionsfläche 220 gegenüber der zweiten Kontaktfläche 210 abgesenkt. Um ein Ansprengen der ersten mit der zweiten optischen Funktionsfläche zu verhindern, ist eine Unstetigkeit 3 zwischen der ersten Kontaktfläche 110 und der der ersten optischen Funktionsfläche 120 ausgebildet. Die Unstetigkeit 3 stellt eine räumliche Trennung zwischen diesen beiden Flächen dar. Die Unstetigkeit ist als ein, die optische Funktionsfläche umlaufender Kanal ausgebildet.
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In diesem Zusammenhang wird auf die 5a bis 5d verwiesen, die verschiedene Ansichten eines ersten Teils 1 eines Verbundkörpers V zeigen. Insbesondere zeigt die 5d eine perspektivische Ansicht des ersten Teils 1 mit einer ersten Kontaktfläche 110, einer ersten optischen Funktionsfläche 120 und einem umlaufenden Kanal 3. Wie den 5c bis 5b ferner zu entnehmen ist, ist diese Unstetigkeit 3, beziehungsweise der umlaufende Kanal in einem Randbereich eines ersten Teils 1 ausgebildet.
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Die 2a und 2b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verbundkörpers V. 2a zeigt einen ersten Zustand, in dem die beiden Teile noch nicht angesprengt sind. 2b zeigt einen zweiten Endzustand, in dem die beiden Teile angesprengt sind. Die Darstellung in der 2b entspricht weitestgehend der Darstellung in der 1 mit dem Unterschied, dass die Unstetigkeit 3 einerseits eine andere Form aufweist und andererseits in einem Bereich oberhalb der ersten optischen Funktionsfläche angeordnet ist. Die 2b zeigt auch die Größenverhältnisse der Tiefe T der Unstetigkeit 3, also ein Abstand zwischen der ersten optischen Funktionsfläche 120 und einem Boden 4 der Unstetigkeit 3 und einem Abstand A der beiden optischen Funktionsflächen, also der ersten optischen Funktionsfläche 120 und der zweiten optischen Funktionsfläche 220. Es gilt die Ungleichung T > A.
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Die 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verbundkörpers V. Die Darstellung in der 3 entspricht weitestgehend der Darstellung in der 2b mit dem Unterschied, dass der abgesenkte Bereich im ersten Teil 1 ausgebildet ist. Somit weist das erste Teil 1 sowohl die Unstetigkeit 3 als auch den eine optische Funktionsfläche bildenden abgesenkten Bereich auf.
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Die 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Verbundkörpers V, wobei sich dieses Ausführungsbeispiel an das Ausführungsbeispiel gemäß den 2a und 2b anlehnt. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Ausführungsbeispielen besteht darin, dass die Tiefe T der Unstetigkeit im Ausführungsbeispiel gemäß 4 größer ausgebildet ist als im Ausführungsbeispiel gemäß 2b.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder”-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- V
- Verbundkörper
- 1
- Erstes Teil
- 2
- Zweites Teil
- 3
- Unstetigkeit
- 4
- Boden der Unstetigkeit
- 5
- Spalt
- 100
- Erste Oberfläche
- 200
- Zweite Oberfläche
- 110
- Erste Kontaktfläche
- 210
- Zweite Kontaktfläche
- 120
- Erste optische Funktionsfläche
- 220
- Zweite optische Funktionsfläche
- A
- Abstand zwischen erster und zweiter optischer Funktionsfläche
- T
- Tiefe der Unstetigkeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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