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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsenarrays für eine Beleuchtungsanordnung, wobei an einer ersten Flachseite eines transparenten Grundkörpers eine jedenfalls abschnittsweise lichtundurchlässige Projektionsschicht hergestellt wird und auf die Projektionsschicht jedenfalls abschnittsweise Mikrolinsen aufgebracht werden.
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Mikrolinsenarrays für Beleuchtungsanordnungen werden heute hergestellt, indem an einer im Bereich einer ersten Flachseite mit Chrom beschichteten Glasscheibe mittels optischer Verfahren und Ätztechnik eine lokal lichtdurchlässige Projektionsschicht hergestellt wird. Die Strukturierung des mit der Chromschicht versehenen Glaswafers mittels der optischen Verfahren und der Ätztechnik erfolgt dabei so, dass zur Projektion eines vorgegebenen Bildelements Teile der Chromschicht gezielt entfernt werden. Die Projektionsschicht ist in den Bereichen, in denen der Chrom auf der Glasscheibe verbleibt, intransparent, und ansonsten lichtdurchlässig. Nach dem Herstellen der Projektionsschicht wird auf einer der ersten Flachseite gegenüberliegenden zweiten Flachseite der Glasscheibe und auf der Projektionsschicht selbst mittels einer Negativform und eines UV-aushärtenden Harzes jeweils eine Mehrzahl von Mikrolinsen ausgeformt. Hierbei wird entweder das Harz auf die Glasscheibe aufgebracht und dann das Harz über die Glasscheibe in die Negativform gedrückt, wobei sich dann das Harz zwischen Glasscheibe und Innenwandung der Negativform verteilt. Oder es wird das Harz wird in die Negativform gebracht und dann die Negativform mit dem Harz auf die Glasscheibe platziert, wobei sich dann das Harz zwischen Glasscheibe und Innenwandung der Negativform verteilt. Jeweils wird anschließend das Harz mittels UV-Licht ausgehärtet. Zur Verbesserung der Anhaftung des Harzes an der Projektionsschicht beziehungsweise der Glasscheibe wird üblicherweise ein Haftvermittler eingesetzt. Sobald das Harz in die Linsenform verbracht ist, wird es mittels UV-Licht ausgehärtet. Anschließend werden die Mikrolinsenarrays durch Zuschnitt des Wafers gewonnen. Grundsätzlich bietet das Verfahren nach dem Stand der Technik die Möglichkeit, Mikrolinsenarrays in der geforderten Genauigkeit bereitzustellen. Es besteht jedoch das Bestreben, die Kosten der Mikrolinsenarrays zu senken.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demzufolge, ein verbessertes Herstellverfahren für Mikrolinsenarrays anzugeben, welches die Kosten für die Mikrolinsenarrays senkt.
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Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Grundkörper mittels Spritzprägens beziehungsweise Spritzgießens aus einem Kunststoffmaterial hergestellt wird und das im Zug der Herstellung des transparenten Grundkörpers auf eine der ersten Flachseiten gegenüberliegenden Seite des transparenten Grundkörpers weitere Mikrolinsen ausgeformt werden.
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Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die weiteren Mikrolinsenarrays zusammen mit dem transparenten Grundkörper in einem einzigen Arbeitsschritt im Wege des Spritzprägens beziehungsweise Spritzgießens hergestellt werden. Der Aufwand für das Herstellen der weiteren Mikrolinsen sinkt. Darüber hinaus entfällt die Verbindung des Grundkörpers mit den weiteren Mikrolinsen verfahrensinhärent. Das Vorsehen von Haftvermittler ist entbehrlich und negative Einflüsse des Haftvermittlers auf die optischen Eigenschaften des Mikrolinsenarrays werden vermieden.
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Kerngedanke der Erfindung ist es insofern, dass gegenwärtig genutzte, Wafer gestützte Verfahren und die Verwendung einer Glasscheibe als transparenten Grundkörper vollständig zu ersetzen und den transparenten Grundkörper zusammen mit den weiteren Mikrolinsen einstückig herzustellen. Insbesondere wird für den transparenten Grundkörper ebenso wie für die weiteren Mikrolinsen ein gleiches, jedenfalls im fertigen Zustand transparentes Kunststoffmaterial verwendet. Es ergibt sich insofern der zusätzliche Vorteil, dass optische Einflüsse einer zwischen zwei unterschiedlichen Materialien gebildeten Grenzschicht vermieden werden.
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Beim Spritzgießen wird der aus Kunststoff gefertigte transparente Grundkörper gefertigt, indem der plastifizierte Werkstoff unter Druck in eine Spritzgießform eingespritzt wird und nach dem Abkühlen beziehungsweise einer Vernetzungsreaktion aus der Form entnommen wird. Insbesondere bei großen Stückzahlen ist das Verfahren wirtschaftlich vorteilhaft. Glatte Oberflächen können dabei ebenso ausgeformt werden wie strukturierte Bereiche, Muster oder andere Gravuren. Eine weitere Verbesserung insbesondere bei der Herstellung sehr feiner Mikrostrukturen ergibt sich durch das Spritzprägen. Hier können Geometrien hochgenau hergestellt werden, indem die Kunststoffschmelze praktisch drucklos in die nicht vollständig geschlossene Form eingebracht wird. Während des Erstarrungsvorgangs wird die Form vollständig geschlossen. Dabei wird der Grundkörper unter dem sich aufbauenden Schließdruck der Form endgültig ausgeformt. Insbesondere können Mikrostrukturen, Muster beziehungsweise Gravuren exakt und präzise ausgeformt werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann an dem Grundkörper ein Randbereich ausgeformt werden, in dem die Mikrolinsen, die weiteren Mikrolinsen beziehungsweise die Projektionsschicht ausgespart werden. Vorteilhaft vereinfacht sich durch das Ausformen des Randbereichs und den Verzicht auf die optischen Strukturen dort die Montage des Mikrolinsenarrays in der Beleuchtungsanordnung. Insbesondere werden die erfindungsgemäßen Mikrolinsenarrays in einer Sandwichanordnung verbaut und zwischen zwei Stützkomponenten der Beleuchtungsanordnung positioniert. Die Positionierung und Festlegung kann in besonderes einfacher und vorteilhafter Weise in dem Randbereich erfolgen. Es werden hierdurch zum einen ungewünschte Beeinträchtigungen der optischen Eigenschaften des Mikrolinsenarrays vermieden. Zum anderen ist einer Schädigung des Mikrolinsenarrays und insbesondere der hieran vorgesehenen Mikrolinsen vorgebeugt. Des Weiteren kann eine Dichtung der Beleuchtungsanordnung in dem Randbereich erfolgen. Das Herstellen der Dichtung in dem beispielsweise eben ausgebildeten Randbereich ist in einfacher Weise zuverlässig möglich. An dem Randbereich können optional Positioniermarken oder eine mechanische Kodierung vorgesehen werden, welche dafür sorgen, dass die Montage einfach und korrekt durchgeführt wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die auf der Projektionsschicht vorgesehenen Mikrolinsen ebenfalls mittels Spritzprägens beziehungsweise mittels Spritzgießens hergestellt. Dabei dringt das Material, aus dem die Mikrolinsen hergestellt werden, in Freiräume ein, welche jedenfalls vor dem Spritzprägen beziehungsweise dem Spritzgießen der Mikrolinsen in der Projektionsschicht vorgesehen sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Mikrolinsen aus dem gleichen Kunststoffmaterial hergestellt sind aus dem auch der transparente Grundkörper gefertigt wird. Vorteilhaft vereinfacht sich die Herstellung der Mikrolinsen, wenn hierbei auf das gleiche Fertigungsverfahren zurückgegriffen wird, welches für die Herstellung des Grundkörper und der daran vorgesehenen weiteren Mikrolinsen zur Anwendung kommt. Abhängig von dem Herstellungsverfahren ergeben sich wirtschaftliche Vorteile, wobei größere Stückzahlen besonders kostengünstiger hergestellt werden. Es ergibt sich insbesondere ein durchgängiges, einheitliches Fertigungsverfahren für das gesamte Mikrolinsenarray. Es wird durch die Verwendung des gleichen Kunststoffmaterials eine Verbesserung der optischen Eigenschaften des Mikrolinsenarrays erreicht und negative optische Einflüsse der zwischen zwei unterschiedlichen Werkstoffen gebildeten Grenzschicht werden vermieden. Auf einen Haftvermittler kann ebenfalls verzichtet werden, sodass auch die Vorteile in Bezug auf die optische Güte erreicht werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Mikrolinsen zunächst einzeln oder gruppenweise vorgefertigt und dann auf die Projektionsschicht aufgeklebt werden. Insbesondere in kleinen Stückzahlen können Mikrolinsenarrays hierdurch kostengünstig hergestellt werden. Der zum Aufkleben der Mikrolinsen auf die Projektionsschicht vorgesehene Kleber ist bevorzugt UV-aushärtend und transparent.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Projektionsschicht hergestellt, indem beim Spritzprägen beziehungsweise Spritzgießen des transparenten Grundkörpers und der daran vorgesehenen weiteren Mikrolinsen an der ersten Flachseite eine Mikrostruktur aus dem zur Herstellung des Grundkörper verwendeten Kunststoffmaterials hergestellt wird und dann Ausnehmung in der Mikrostruktur mit einem nicht transparenten Substrat ausgefüllt werden. Sofern beim Ausfüllen der Ausnehmungen überschüssiges Substrat aufgetragen wird, kann dieses chemisch beispielsweise durch Ätzen oder mechanisch beispielsweise durch Läppen entfernt werden. Die mit dem Substrat gefüllten Ausnehmungen bilden dann die lichtundurchlässigen Bereiche der Projektionsschicht, während die Mikrostruktur aus dem Kunststoffmaterial lichtdurchlässig ausgebildet ist.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die Projektionsschicht hergestellt werden, indem an der ersten Flachseite des Grundkörpers nach dem Reinigen derselben eine Metallschicht und auf die Metallschicht ein Fotolack aufgebracht wird. Der Fotolack wird durch eine Maske UV-belichtet. Lokal wird der Fotolack dann abgelöst und die Metallschicht an den Stellen, an den der Fotolack entfernt ist, ätztechnisch entfernt. Schließlich wird der verbleibende Fotolack entfernt und die darunter noch vorhandenen Teile der Metallschicht freigelegt. Anschließend können die Mikrolinsen auf die so hergestellte Projektionsschicht aufgeklebt werden. Alternative können die Mikrolinsen im Bereich der Projektionsschicht mittels Spritzprägens beziehungsweise mittels Spritzgießens hergestellt werden. Nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass entweder unbelichtete Fotolack entfernt und dann die darunter vorgesehene Metallschicht weggeätzt wird, oder dass der unbelichtete Fotolack auf der Metallschicht verbleibt, dass der belichtete Fotolack entfernt wird und dass anschließend die Metallschicht dort abgetragen wird.
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Die Mikrolinsenarrays können in dem erfindungsgemäßen Verfahren entweder unmittelbar in der für die Applikation benötigten Größe hergestellt werden. Beispielsweise können Mikrolinsenarrays mit einer Größe von 12 mm × 12 mm spritzgeprägt werden, wobei auf jeder Flachseite des Grundkörpers 150 oder mehr Mikrolinsen ausgeformt sind. Alternativ können die Mikrolinsenarrays hergestellt werden, indem ein mit Übermaß gefertigter Grundkörper mit den daran vorgesehenen Mikrolinsen und der Projektionsschicht zugeschnitten wird.
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Aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung zu entnehmen. Dort erwähnte Merkmale können jeweils einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Die Zeichnungen dienen lediglich beispielhaft der Klarstellung der Erfindung und haben keinen einschränkenden Charakter.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines ersten Schritts des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens in einer ersten Ausführungsform,
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2 ein zweiter Schritt der ersten Aufführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens,
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3 ein dritter Schritt der ersten Aufführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens,
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4 ein vierter Schritt der ersten Aufführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens,
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5 ein fünfter Schritt der ersten Aufführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens,
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6 ein sechster Schritt der ersten Aufführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens,
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7 ein siebter Schritt der ersten Aufführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens,
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8 ein achter Schritt der ersten Aufführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens,
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9 ein neunter Schritt der ersten Aufführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens,
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10 ein erster Schritt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens,
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11 ein zweiter Schritt der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens,
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12 ein dritter Schritt der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens,
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13 ein vierter Schritt der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens,
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14 ein fünfter Schritt der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens und
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15 ein nach einem erfindungsgemäßen Herstellverfahren gefertigtes Mikrolinsenarrays.
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Eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Mikrolinsenarrays nach den 1 bis 9 sieht vor, dass ein Grundkörper 1 aus einem jedenfalls im ausgehärtenden Zustand transparenten Kunststoffmaterial mittels Spritzprägens beziehungsweise Spritzgießens hergestellt wird. Der Grundkörper 1 weist eine erste Flachseite 2 auf, an der im weiteren Mikrolinsen 3 sowie eine Projektionsschicht 4 hergestellt werden. Im Zuge des Spritzprägens beziehungsweise Spritzgießens des Grundkörpers 1 werden an einer der ersten Flachseite 2 gegenüberliegenden Seite weitere Mikrolinsen 5 ausgeformt, vergleiche 1. Die Herstellung des Grundkörper 1 und der hieran vorgesehenen weiteren Mikrolinsen 5 erfolgt einstückig. Insbesondere wird das gleiche Kunststoffmaterial für die Herstellung des Grundkörpers 1 und der weiteren Mikrolinsen 5 verwendet.
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Die Flachseite 2 wird dann gereinigt und es wird eine Metallschicht 6 hergestellt, vergleiche 2. Die Metallschicht 6 ist lichtundurchlässig. Auf die Metallschicht 6 wird eine weitere Schicht 7 aus Fotolack aufgebracht, vergleiche 3 Der Fotolack wird – wie in 4 dargestellt – durch eine Maske 8 mit UV-Licht bestrahlt und belichtet. In einem weiteren Verfahrensschritt nach 5 wird der unbelichtete Fotolack entfernt und man erhält eine unterbrochene Fotolackschicht 7‘. Dann wird ätztechnisch die Metallschicht 6 lokal an den Stellen, an den der Fotolack entfernt ist, weggeätzt, vergleiche 6. Im Weiteren wird, wie in 7 dargestellt, die unterbrochene Fotolackschicht 7‘ vollständig entfernt, sodass schließlich die Projektionsschicht 4 hergestellt ist.
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Auf die Projektionsschicht 4 werden schließlich die Mikrolinsen 3 durch Spritzprägen oder Spritzgießen hergestellt. Dabei werden in der Projektionsschicht 4 bis zum Herstellen der Mikrolinsen 3 vorgesehene Freiräume 9 ganz oder teilweise mit dem Material, aus dem die Mikrolinsen 3 hergestellt werden, ausgefüllt, vergleiche 8.
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Die Mikrolinsenarrays können einzeln gefertigt werden. Optional kann das Mikrolinsenarrays hergestellt werden, indem der spritzgeprägte Grundkörper 1 mit den Mikrolinsen 3, der Projektionsschicht 4 und den weiteren Mikrolinsen 5 auf Übermaß gefertigt und dann zugeschnitten wird. Dies ist exemplarisch in 9 für das vorliegenden Herstellverfahren dargestellt. Die im Verbund gefertigten Mikrolinsenarrays können dabei in einem nicht dargestellten optikfreien Randbereich miteinander verbunden sein.
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Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, welche nicht bildlich dargestellt ist, können die Mikrolinsen 3 auf die wie dargestellt hergestellte Projektionsschicht 4 aufgeklebt werden. Es kann hierzu beispielsweise ein transparenter, UV-aushärtender Klebstoff verwendet werden. Die Freiräume 9 in der Projektionsschicht 4 können frei bleiben oder ganz beziehungsweise teilweise mit dem transparenten Klebstoff gefüllt sein.
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Die 10 bis 14 zeigen eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für Mikrolinsenarrays. Hierbei wird in einem ersten Verfahrensschritt nach 10 der Grundkörper 1 mit den weiteren Mikrolinsen 5 und mit einer im Bereich der Flachseite 2 vorgesehenen Mikrostruktur 10 durch Spritzprägen beziehungsweise durch Spritzgießen hergestellt. Ausnehmung 11, welche in der Mikrostruktur 10 vorgesehene sind, werden in einem weiteren Verfahrensschritt mit einem nicht transparenten Substrat 12 ausgefüllt, vergleiche 11. Überschüssiges Substrat, welches außerhalb der Ausnehmungen 11 vorgesehen ist, wird anschließend mechanisch, beispielsweise durch Läppen, oder chemisch beispielsweise durch Ätzen, entfernt (12). Das Substrat ist hierbei lichtundurchlässig und bildet die Projektionsschicht 4.
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In einem weiteren Verfahrensschritt nach 13 wird dann auf die Projektionsschicht 4 und die Mikrostruktur 10 die Mikrolinsen 3 aufgebracht. Dies erfolgt beispielsweise durch Spritzprägen beziehungsweise Spritzgießen, oder indem einzeln oder gruppenweise vorgefertigte Mikrolinsen 3 auf die Projektionsschicht 4 und die Mikrostruktur 10 verklebt werden.
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14 verdeutlicht prinziphaft, dass die Mikrolinsenarrays optional durch Zuschnitt hergestellt werden können. Alternativ können die Mikrolinsen unmittelbar auf Maß gefertigt werden.
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15 zeigt ein Mikrolinsenarray, welches nach einem erfindungsgemäßen Herstellverfahren gefertigt wurde. Dabei ist zwischen der Projektionsschicht 4 und den der Projektionsschicht 4 zugeordneten Mikrolinsen 3 eine Zwischenschicht 13 vorgesehen. Die Zwischenschicht 13 ist bevorzugt aus dem gleichen Kunststoffmaterial gefertigt wie der Grundkörper 1. Erfindungsgemäß kann insofern vorgesehen sein, dass die Mikrolinsen 3 des Mikrolinsenarrays durch die Zwischenschicht 13 beabstandet von der Projektionsschicht 4 vorgesehen sind.
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Gleiche Bauteile und Bauteilfunktionen sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundkörper
- 2
- Flachseite
- 3
- Mikrolinsen
- 4
- Projektionsschicht
- 5
- weitere Mikrolinsen
- 6
- Metallschicht
- 7
- Fotolack-Schicht
- 7‘
- Fotolack-Schicht (unterbrochen)
- 8
- Maske
- 9
- Freiraum
- 10
- Mikrostruktur
- 11
- Ausnehmung
- 12
- Substrat
- 13
- Zwischenschicht
