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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf einer ersten Endfläche eines optischen Bauteils zur Lichtleitung sowie ein solches Bauteil.
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Ein optisches Bauteil zur Lichtleitung dient üblicherweise der Übertragung von Licht, beispielsweise auch zur Lichtmischung aus einer Mehrzahl von Lichtquellen. Dazu weist das Bauteil zwei funktionelle Regionen auf, nämliche einen Kern als eigentlichen Wellenleiter, in welchem das Licht geleitet und insbesondere gemischt werden soll, und einen Mantel, welcher den Kern umgibt. Der Mantel ist hierbei üblicherweise aus einem Material mit geringerem Brechungsindex als der Kern gefertigt und ermöglicht somit eine Beschränkung der Ausbreitung des Lichts auf den Kern aufgrund von Totalreflektion.
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Das Bauteil erstreckt sich üblicherweise in einer Längsrichtung und weist quer dazu einen beispielsweise kreisrunden Querschnitt auf, in dessen Mittelpunkt der Kern angeordnet ist. Prinzipiell sind allerdings beliebige Querschnittsgeometrien, Anordnungen und Verläufe sowohl für den Kern als auch den Mantel denkbar. Insbesondere umfasst ein als sogenannter Lichtmischer ausgebildetes Bauteil einen nicht-runden, vieleckigen, insbesondere hexagonalen Kern, der eine besonders gute Durchmischung von in den Kern eingekoppeltem Licht einer oder mehrerer Lichtquellen ermöglicht. Auch ist es prinzipiell möglich, dass ein Bauteil mehrere Kerne aufweist.
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Der benötigte Brechungsindexunterschied ist in einer typischen Ausgestaltung durch die Wahl entsprechend unterschiedlicher Materialien für den Kern und den Mantel realisiert. Alternativ ist es jedoch auch möglich, lediglich ein einziges Material als Basismaterial zu verwenden und zur Ausbildung des Kerns lokal zu modifizieren. Hierbei wird bei einem Rohling aus diesem Material lediglich in einem Teilbereich der Brechungsindex durch chemische oder physische Einwirkung verändert und auf diese Weise der Kern ausgebildet. Die Einwirkung ist beispielsweise ein Dotierung oder mechanische oder thermische Behandlung. Häufig verwendete Materialien sind beispielsweise diverse Gläser oder Quarz.
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Das Bauteil weist üblicherweise zumindest zwei Endflächen auf, über welche jeweils Licht ein- und/oder ausgekoppelt wird. Der Kern und der Mantel bilden dann auf der Endfläche jeweils eine Stirnfläche aus, nämlich eine Kern-Stirnfläche bzw. eine Mantel-Stirnfläche. Dabei soll in manchen Anwendungen ein insbesondere versehentliches Einkoppeln von Licht in den Mantel verhindert werden. In einer beispielhaften Anwendung wird Licht von einer oder mehreren Lichtquellen mittels eines Lichtmischers zu einer Keramik geleitet, um diese mittels des Lichts anzuregen und dadurch Fluoreszenzlicht zu erzeugen. Dabei besteht dann die Gefahr, dass das Fluoreszenzlicht über das Bauteil, insbesondere dessen Mantel zurückgeleitet wird; dies soll jedoch verhindert werden.
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Dazu ist es bekannt, die Mantel-Stirnfläche, d.h. entsprechend eine der Endflächen unter Auslassung der Kern-Stirnfläche mit einer Beschichtung zu versehen, beispielsweise einer absorbierenden oder spiegelnden Schicht, welche ein Einkoppeln von Licht verhindert. Üblicherweise wird hierzu zunächst die Kern-Stirnfläche mit einer Maskierung verdeckt oder abgedeckt, d.h. maskiert, anschließend die Beschichtung auf die gesamte Endfläche aufgebracht, beispielsweise aufgedampft und abschließend durch Entfernung der Maskierung die Beschichtung selektiv vom maskierten Bereich wieder entfernt.
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Zur Maskierung, d.h. zur Abdeckung mittels einer Maskierung sind prinzipiell zwei Ansätze bekannt: bei einem ersten Ansatz wird zur Ausbildung der Maskierung ein Lack auf die Kern-Stirnfläche aufgetropft. Besonders bei nicht kreisrunden Querschnitten ergibt sich hierbei jedoch zwangsläufig ein Überhang der Maskierung im Randbereich des Kerns, wodurch entsprechend auch ein Teil des Mantels ungewollt maskiert wird. Andersherum ist es auch möglich dass der Kern lediglich unvollständig maskiert und entsprechend beschichtet wird, sodass dann kein optimales Einkoppeln von Licht in den Kern möglich ist. Bei einem zweiten Ansatz wird dagegen auf die gesamte Endfläche ein photosensitiver Lack aufgebracht und dieser im Bereich des Kerns mittels einer Apertur belichtet. Die genaue Ausrichtung der Apertur ist jedoch aufwendig, besonders bei nicht kreisrunden Kern-Querschnitten. Zudem ist auch eine gleichzeitige Fertigung mehrerer Beschichtungen auf entsprechend mehreren Bauteilen aufgrund der ungenauen Positionierung stark fehlerbehaftet. Die bekannten Verfahren sind folglich verbesserungsbedürftig hinsichtlich der Genauigkeit beim selektiven Ausbilden der Beschichtung, insbesondere hinsichtlich der Abdeckung des Kerns.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Genauigkeit bei der Beschichtung einer Endfläche eines optischen Bauteils zur Lichtleitung zu verbessern. Insbesondere soll hierzu die Genauigkeit bei der Abdeckung eines Kerns des Bauteils verbessert werden, insbesondere eines Kerns mit beliebigem Querschnitt. Weiterhin soll ein optisches Bauteil mit einer entsprechend verbesserten Beschichtung angegeben werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein optisches Bauteil mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile und Ausgestaltungen sinngemäß auch für das Bauteil.
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Das Verfahren dient zum Aufbringen einer Beschichtung auf einer ersten Endfläche eines optischen Bauteils zur Lichtleitung, das weiterhin auch eine zweite Endfläche aufweist. Zur Lichtleitung umfasst das Bauteil zwei Regionen, nämlich einen Mantel sowie einen darin eingebetteten Kern, wobei sich die beiden Regionen insbesondere zwischen den beiden Endflächen erstrecken. Der Mantel und der Kern bilden beide auf der ersten Endfläche jeweils eine Stirnfläche aus, nämlich der Mantel eine Mantel-Stirnfläche und der Kern eine Kern-Stirnfläche, wobei die beiden Stirnflächen zusammen insbesondere der ersten Endfläche entsprechen. Bei dem Verfahren wird zunächst die Kern-Stirnfläche mit einer Maskierung abgedeckt, d.h. maskiert und anschließend die Beschichtung auf die erste Endfläche aufgebracht, d.h. insbesondere auf die Mantel-Stirnfläche und die maskierte Kern-Stirnfläche. Darauffolgend wird die Beschichtung von der maskierten Kern-Stirnfläche entfernt, indem insbesondere eine zur Abdeckung aus einer Lackschicht gebildete Maskierung gelöst wird, wodurch insbesondere die Kern-Stirnfläche freigelegt wird und die Beschichtung lediglich insbesondere als Mantel-Beschichtung auf der Mantel-Stirnfläche verbleibt.
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Zur Abdeckung, d.h. Maskierung der Kern-Stirnfläche wird auf die erste Endfläche eine Lackschicht aus einem photosensitiven Lack aufgebracht, der rückseitig lediglich im Bereich einer der Stirnflächen, d.h. selektiv, belichtet wird. Die selektive Belichtung erfolgt dadurch, dass Licht auf der zweiten Endfläche des Bauteils lediglich in eine der beiden Regionen, also entweder in den Kern oder in den Mantel, eingekoppelt wird. Zur Abdeckung wird dann anschließend der Lack selektiv entfernt, wodurch aus der Lackschicht insbesondere eine Maskierung erzeugt wird, die lediglich die Kern-Stirnfläche verdeckt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der auf die erste Endfläche aufgebrachte Lack mit besonders hoher Genauigkeit belichtet wird und dadurch eine optimale Abdeckung der Kern-Stirnfläche zwecks nachfolgendem Aufbringen einer Beschichtung möglich ist. Die Belichtung des Lacks ist auf vorteilhafte Weise durch die Geometrie, insbesondere den Querschnitt der zur Belichtung verwendeten Region des Bauteils vorgegeben; es wird lediglich derjenige Teilbereich des Lacks belichtet, welcher die zu dieser Region zugehörige Stirnfläche bedeckt. Ein wesentlicher Gedanke ist dabei, die Lichtleitungseigenschaften des Bauteils auch zur hochgenauen Applizierung des zur Belichtung des Lacks verwendeten Lichts zu verwenden. Die Konturen der Stirnflächen werden somit in optimaler Weise nachgebildet, wodurch sich eine hochgenaue Abdeckung des Kerns ergibt. Besonders an der Grenze zwischen Kern-Stirnfläche und Mantel-Stirnfläche lässt sich somit eine besonders exakte, die Grenze nachbildende Belichtung erzielen.
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Da die Belichtung prinzipbedingt automatisch an die Geometrien der Regionen angepasst ist, besteht ein weiterer Vorteil insbesondere darin, dass auch nicht-runde Kerne optimal maskierbar sind. Aufgrund der insgesamt verbesserten Abdeckung ergibt sich dann eine entsprechend besonders hohe Genauigkeit bei der selektiven Ausbildung der Beschichtung. Bei einem auf diese Weise selektiv beschichteten Bauteil ist dann im Betrieb ein ungewolltes Einkoppeln von Licht in den Mantel besonders effektiv verhindert.
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Das Bauteil dient im Betrieb vorrangig der Leitung von Licht, welches aufgrund von Totalreflektion im Kern geführt wird. Dazu weist der Kern insbesondere einen höheren Brechungsindex auf als der Mantel. Der Kern erstreckt sich in einer Längsrichtung und ist in den Mantel eingebettet, d.h. quer zur Längsrichtung vom Mantel umgeben. Zudem weisen der Kern und der Mantel quer zur Längsrichtung jeweils einen Querschnitt auf, nämlich einen Kern-Querschnitt bzw. Mantelquerschnitt, der insbesondere im Wesentlichen gleich der jeweiligen Stirnfläche ausgebildet ist. Die beiden Stirnflächen bilden gemeinsam die erste Endfläche des Bauteils; die zweite Endfläche ist vorzugsweise entsprechend gleich der ersten Endfläche ausgebildet, wodurch das Bauteil insbesondere rotationssymmetrisch bezüglich der Längsrichtung ist.
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Die Maskierung der Kern-Stirnfläche erfolgt mittels eines an sich bekannten photosensitiven Lacks, der zunächst als insbesondere dünne Lackschicht und beispielsweise mittels einer Belackungsanlage durch Schleudern oder Aufsprühen auf die gesamte erste Endfläche aufgebracht wird. Der Lack ist mittels Belichtung, insbesondere durch UV-Licht, und einem nachfolgenden Lösungsschritt entwickelbar. Zur Belichtung wird beispielsweise Licht, insbesondere UV-Licht einer Leuchtdiode oder Quecksilberdampflampe verwendet. Durch die selektive Belichtung ergeben sich dann entwickelte und nicht-entwickelte Teilbereiche der Lackschicht, welche in einem folgenden Lösungsschritt, der üblicherweise eine chemische Behandlung umfasst, unterschiedlich reagieren. Mit anderen Worten: unterschiedlich belichtete Teilbereiche sind entweder lösbar oder nicht lösbar. Die Belichtung definiert somit die nach dem Entwickeln des Lacks verbleibende Maskierung.
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Prinzipiell ist es auf oben beschriebene Weise möglich direkt die Kern-Stirnfläche zu maskieren. Alternativ ist es auch möglich, zunächst die Mantel-Stirnfläche zu maskieren und dann in an sich bekannter Weise die dadurch erhaltene Maskierung mittels einer zweiten Lackschicht und geeignetem Ablösen zu invertieren. In jedem Fall verbleibt nach dem Maskieren lediglich auf der Kern-Stirnfläche eine Lackschicht als Maskierung und die Mantel-Stirnfläche ist freiliegend.
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Die selektive Belichtung des Lacks zwecks selektiver Entwicklung erfolgt durch ein selektives Einkoppeln von Licht in das Bauteil. Unter selektiv wird allgemein insbesondere verstanden, dass lediglich eine der beiden Regionen und die dazugehörige Stirnfläche betroffen ist, also entweder der Mantel oder der Kern. Vorzugsweise wird zur selektiven Belichtung der Kern-Stirnfläche lediglich Licht in den Kern eingekoppelt, welches aufgrund von Totalreflektion im Kern bis zur Kern-Stirnfläche geführt wird und dort auf den zu belichtenden Lack trifft. Alternativ ist es aber auch möglich, das Licht in den Mantel einzukoppeln, mittels diesem zu führen und die Lackschicht lediglich über die Mantel-Stirnfläche zu belichten. Dabei erfolgt die Belichtung generell rückseitig, d.h. insbesondere aus dem Bauteil heraus.
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Je nach Ausgestaltung der Lackschicht wird diese in einer jeweiligen Variante zusätzlich thermisch behandelt, beispielsweise nach dem Aufbringen in einem sogenannten soft-bake-Verfahren, nach dem Belichten in einem sogenannten postexposure-bake-Verfahren oder nach dem Entwickeln in einem sogenannten hard-bake-Verfahren.
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Die Beschichtung ist eine insbesondere absorbierende oder spiegelnde, generell nicht-transparente Schicht, die vorzugsweise aus einem Metall gefertigt ist, besonders bevorzugt aus Chrom oder Titan, und dann in besonders einfacher Weise aufgedampft oder aufgesputtert wird. Entsprechend ist die Beschichtung insbesondere etwa zwischen 100 nm und 2000 nm dick, bevorzugt zwischen 200 nm und 300 nm. Je nach Anwendung ist es möglich, dass die Beschichtung lediglich in einem bestimmten und eingeschränkten Spektralbereich nicht-transparent ist. Die Beschichtung wird insbesondere auf die gesamte erste Endfläche aufgebracht, wobei die Maskierung eine selektive Beschichtung der Mantel-Stirnfläche zur Folge hat und eine direkte Beschichtung der Kern-Stirnfläche verhindert wird; vielmehr wird im Bereich des Kerns insbesondere die Maskierung beschichtet. Grundsätzlich sind auch andere gut haftende, metallische, organische oder anorganische Schichten denkbar, welche zweckmäßigerweise entweder eine minimale Absorption von zumindest 95 % oder eine minimale Reflektion von 95 % aufweisen, sodass in jedem Fall ein Eindringen von Licht von außerhalb des Bauteils im Bereich der Mantel-Stirnfläche verhindert wird.
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In einem nachfolgenden Schritt wird die Maskierung mit dem daraufliegenden Teil der Beschichtung entfernt, beispielsweise mittels eines an sich bekannten sogenannten lift-off-Verfahrens. Der verbleibende Teil der Beschichtung verdeckt dann lediglich die Mantel-Stirnfläche und diese insbesondere vollständig, sodass die Beschichtung als Mantel-Beschichtung ausgebildet wird. In einer vorteilhaften Weiterbildung wird anschließend eine zusätzliche funktionale Beschichtung aufgebracht, insbesondere eine Antireflexbeschichtung, welche dann in vorteilhafter Weise aufgrund der selektiven Beschichtung automatisch lediglich auf der Kern-Stirnfläche aufgebracht wird.
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Je nach Ausgestaltung der Lichtquelle und deren Anordnung relativ zum Bauteil bei der Belichtung ist es möglich, dass Licht, welches zwar in die eine Region eingekoppelt wurde, den Winkel der Totalreflexion überschreitet und entsprechend in die andere Region gelangt. Dies führt dann in nachteiliger Weise zur ungewollten Belichtung des Lacks auf der entsprechend anderen Stirnfläche. Daher wird das Licht zur Belichtung des Lacks zweckmäßigerweise derart in die eine der beiden Regionen eingekoppelt, dass ein Übersprechen von Licht in die andere Region und damit insbesondere auf die andere Stirnfläche verhindert wird. Dazu weist das in die eine der beiden Regionen eingekoppelte Licht insbesondere ein hinreichendes Maß an Parallelität auf, d.h. insbesondere weist ein eingekoppelter Lichtstrahl einen hinreichend kleinen Öffnungswinkel auf, sodass eine vollständige Lichtleitung in der einen der beiden Regionen gewährleistet ist. Dabei ist der maximal noch hinreichende Öffnungswinkel insbesondere von der Materialwahl und den Abmessungen des Bauteils und der beiden Regionen abhängig.
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Zudem ist es auch möglich, dass das Licht ein zu großes Maß an Parallelität aufweist, d.h. insbesondere das eingekoppelte Licht einen zu geringen Öffnungswinkel aufweist, und die zur Belichtung vorgesehene Stirnfläche entsprechend nicht vollständig ausgeleuchtet wird. Daher wird das Licht zur Belichtung des Lacks vorzugsweise derart in die eine der beiden Regionen eingekoppelt, dass die zugehörige Stirnfläche rückseitig vollständig ausgeleuchtet wird. Dazu ist das Licht insbesondere hinreichend diffus, insbesondere derart, dass entlang der einen der beiden Regionen durch Reflektionen des Lichts an den Grenzflächen dieser Region eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung des Lichts an der entsprechenden Stirnfläche erzielt wird. Dabei ist der minimal noch hinreichende Öffnungswinkel des Lichts insbesondere von der Materialwahl und den Abmessungen des Bauteils und der beiden Regionen abhängig.
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Geeigneterweise ist das zur Belichtung in die ausgewählte Region eingekoppelte Licht somit zugleich hinreichend parallel sowie hinreichend diffus, um sowohl eine optimale Ausleuchtung der entsprechenden Stirnfläche zu erzielen als auch ein Übersprechen in die andere Region zu vermeiden.
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In einer geeigneten Ausgestaltung wird das Licht zur Belichtung mittels einer Punktlichtquelle bereitgestellt, welche entsprechend diffus ist und auf vorteilhafte Weise Licht in einem hinreichend großen Öffnungswinkel emittiert.
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In einer zweckmäßigen Variante wird das Licht mittels einer Lichtquelle bereitgestellt, welche eine Querabmessung aufweist, die geringer ist als eine Breite derjenigen Region, in welche das Licht eingekoppelt wird, insbesondere geringer als eine Breite des Kerns. Dadurch wird insbesondere ein Überlapp der Lichtquelle mit der anderen Region und ein entsprechendes Einkoppeln von Licht in diese vermieden. Zudem ist die Justierung der Lichtquelle erheblich vereinfacht, da ein exakter Überlapp mit der zu beleuchtenden Region nicht mehr notwendig ist. Die flächenmäßig kleinere Lichtquelle braucht lediglich innerhalb der im Vergleich dazu größeren Stirnfläche positioniert werden; die Stirnfläche wird dennoch aufgrund der Lichtleitung vollständig und gleichmäßig ausgeleuchtet.
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Im Falle des Kerns entspricht die Breite, dann auch Kern-Breite genannt, insbesondere einem Durchmesser des Kerns, bei einem nicht-runden Kern insbesondere einem minimalen Durchmesser. Im Falle des Mantels entspricht die Breite, dann auch Mantel-Breite genannt, insbesondere einer minimalen Wandstärke des Mantels, d.h. einem minimalen Abstand zwischen der Grenzfläche zum Kern und einer Außenfläche des Mantels. Generell ist die Breite insbesondere senkrecht zur Längsrichtung. Unter Querabmessung wird insbesondere der Durchmesser derjenigen Fläche verstanden, über welche die Lichtquelle Licht abstrahlt. In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Querabmessung höchstens die Hälfte der Breite. Beispielsweise weist der Kern eine Breite von etwa 500 µm auf und die Lichtquelle eine Querabmessung von etwa 200 µm.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Licht mittels einer Lichtquelle bereitgestellt und über einer Blende eingekoppelt, welche zwischen der Lichtquelle und der zweiten Endfläche angeordnet ist. Dadurch ist die Parallelität des Lichts besonders optimal einstellbar und auf vorteilhafte Weise von der Wahl der Lichtquelle unabhängig. Die Blende umfasst dann eine Öffnung, mittels welcher der Öffnungswinkel des in die ausgewählte Region eingekoppelten Lichts optimal einstellbar sowie eine geeignete Strahlformung möglich ist. Insbesondere ergibt sich an der Blende ein vorteilhafter Beugungseffekt, welcher insbesondere zu einer Vergrößerung des Öffnungswinkels führt und somit zu einer diffuseren Belichtung.
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In einer geeigneten Variante wird das Licht mittels einer Lichtquelle bereitgestellt und über einer Blende eingekoppelt, die eine numerische Apertur der Lichtquelle auf eine erste numerische Apertur begrenzt, welche höchstens einer zweiten numerischen Apertur derjenigen Region entspricht, in welche das Licht eingekoppelt wird. Dadurch ist eine besonders effiziente Einkopplung des Lichts realisiert. Dabei ist die jeweilige numerische Apertur insbesondere ein Maß für den Öffnungswinkel des von der Lichtquelle insbesondere in Kombination mit der Blende abgestrahlten Lichts bzw. ein Maß für den Akzeptanzwinkel der Region. Durch entsprechende Abstimmung der numerischen Aperturen aufeinander ist dann insbesondere gewährleistet, dass lediglich hinreichend paralleles Licht in die Region eingekoppelt, welches dann mittels Totalreflektion durch die Region geleitet wird.
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Bevorzugterweise wird die Blende durch eine Aufnahme einer Halterung gebildet, in welche das Bauteil vor der Belichtung und insbesondere während des gesamten Verfahrens aufgenommen wird. Bevorzugt ist hierdurch auf vorteilhafte Weise eine automatische Selbstjustierung der Blende realisiert. Hierzu ist beispielsweise der Querschnitt der Aufnahme derart gewählt, dass das Bauteil innerhalb der Aufnahme geführt und z.B. zentriert wird. Durch Einsetzen des Bauteils in die Aufnahme wird dieses also automatisch korrekt bezüglich der Blende positioniert. Insbesondere aufgrund der oben erwähnten, erheblich vereinfachten Justierung und Ausrichtung der Lichtquelle und insbesondere auch der Blende fallen zudem Fertigungstoleranzen der Aufnahme und/oder des Bauteils nicht ins Gewicht; stattdessen ist eine im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungsverfahren grobe Justierung bei der Belichtung völlig ausreichend. Die Blende und die Aufnahme sind zudem vorzugsweise einstückig, d.h. als ein einzelnes Teil ausgeführt.
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In einer vorteilhaften Alternative ist die Blende ein separates Teil welches in eine Aufnahme einer Halterung eingesetzt wird, in welche wiederum das Bauteil vor der Belichtung aufgenommen wird. Dadurch ist die Blende in vorteilhafter Weise austauschbar und somit die Aufnahme an diverse Bauteile anpassbar. Desweiteren wird in einer bevorzugten Weiterbildung die Blende nach dem Ausbilden der Beschichtung entfernt und dann eine weitere funktionelle Beschichtung, insbesondere Antireflexbeschichtung aufgebracht, wobei das Bauteil weiterhin in der Halterung gehalten wird.
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Um auf besonders effektive Weise mehrere Bauteile zu beschichten, weist die Halterung in einer geeigneten Weiterbildung mehrere Aufnahmen auf, zur Aufnahme mehrerer Bauteile. Dabei dient insbesondere jede Aufnahme zur Aufnahme jeweils eines Bauteils. Insbesondere lassen sich auf diese Weise mehrere Bauteile gleichzeitig fertigen.
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Das Verfahren ist vorzugsweise ein Batch-Verfahren, bei dem mehrere Bauteile gleichzeitig belichtet werden und insbesondere auch beschichtet werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Herstellung einer besonders großen Anzahl von optimal beschichteten Bauteilen in besonders kurzer Zeit. Insbesondere lässt sich das Verfahren dann auch vollautomatisch durchführen, ein manuelles Eingreifen ist nicht mehr nötig.
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Geeigneterweise ist der Lack ein Negativlack oder ein Positivlack und wird selektiv lediglich von der nicht-belichteten bzw. belichteten Stirnfläche entfernt. Ein Negativlack zeichnet sich dadurch aus, dass dieser im Lösungsschritt lediglich an den nicht-belichteten Stellen gelöst wird, ein Positivlack wird dagegen entsprechend an den belichteten Stellen entfernt. Bei Verwendung eines Negativlacks lässt sich entsprechend die Kern-Stirnfläche direkt durch Belichtung über den Kern maskieren oder alternativ durch Belichtung über den Mantel und Invertierung mittels einer zweiten Lackschicht. Bei Verwendung eines Positivlacks lässt sich dann die Kern-Stirnfläche direkt durch Belichtung über den Mantel maskieren der alternativ durch Belichtung über den Mantel und anschließende Invertierung mittels einer zweiten Lackschicht.
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Besonders geeignet ist das Verfahren für ein optisches Bauteil mit einem Kern, der einen nicht-runden, d.h. insbesondere vieleckigen Kern-Querschnitt aufweist und dessen Kern-Stirnfläche nicht-rund ist. Ein solcher Kern führt zu einer vorteilhaften Durchmischung des Lichts in dem Sinne, dass durch Reflektionen an der Grenzfläche eine besonders gleichmäßige Verteilung des Lichts insbesondere an der Kern-Stirnfläche erfolgt. Dadurch wird dann eine besonders genaue und gleichmäßige Belichtung erzielt, die dann eine entsprechend exakte, selektive Beschichtung ermöglicht. Besonders geeignet ist eine Kern-Stirnfläche, die in der Form eines regelmäßigen Vielecks mit vier bis zehn Kanten ausgebildet ist, also z.B. als regelmäßiges Sechseck, d.h. Hexagon.
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Bevorzugterweise ist das optische Bauteil ein Wellenleiterstab, auch als Integratorstab bezeichnet und insbesondere aus Quarz gefertigt. Ein solcher Wellenleiterstab wird insbesondere als Lichtmischer verwendet, welcher im Kern geleitetes Licht im Querschnitt besonders gleichmäßig verteilt und entsprechend zur homogenen Ausleuchtung geeignet ist. Dazu weist der Wellenleiterstab zweckmäßigerweise einen nicht-runden Kern auf, mit den oben bereits beschriebenen Vorteilen.
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Vorteilhafterweise folgt die Beschichtung in Form und Größe der Mantel-Stirnfläche. Diese wird dadurch besonders exakt mittels der Beschichtung verdeckt, sodass ein Einkoppeln von Licht in das Bauteil über die Mantel-Stirnfläche vorteilhaft vermieden ist. Insbesondere überdeckt die Beschichtung entsprechend die gesamte Mantel-Stirnfläche. Dabei weist die Beschichtung im Bereich der Kern-Stirnfläche eine entsprechend Kern-Stirnflächen-förmige Öffnung auf, die auch als Kernöffnung bezeichnet wird. Dadurch ist wiederum eine Öffnungskontur der Beschichtung ausgebildet, welche vorteilhafterweise einer Außenkontur der Kern-Stirnfläche folgt.
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Wird die Beschichtung in einem Verfahren nach oben erwähntem Stand der Technik ausgebildet, ist die Beschichtung insbesondere im Grenzbereich zur Kern-Stirnfläche nicht formfolgend ausgebildet, so dass Teilflächen der Mantel-Stirnfläche nicht von der Beschichtung verdeckt sind und/oder Teilflächen der Kern-Stirnfläche verdeckt sind. Beispielsweise ergibt sich bei einer runden Kernöffnung und einem hexagonalen Kern ein Überlapp der Kernöffnung über die Kanten der Kern-Stirnfläche, sodass in diesem Bereich die Mantel-Stirnfläche unbeschichtet ist und gleichzeitig ragt die Beschichtung im Bereich der Ecken des Sechsecks über die Mantel-Stirnfläche hinaus und verdeckt somit die Ecken der Kern-Stirnfläche.
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Diese in nicht vorgesehener Weise beschichteten und/oder nicht-beschichteten Teilflächen bilden zusammen eine Fehlfläche, die sich durch eine fehlerhafte Beschichtung auszeichnet. Mit anderen Worten: eine Anzahl von beschichteten Teilflächen der Kern-Stirnfläche und eine Anzahl von nicht-beschichteten Teilflächen der Mantel-Stirnfläche bilden gemeinsam eine Fehlfläche aus. Diese Fehlfläche wird insbesondere durch das oben beschriebene Verfahren auf vorteilhafte Weise minimiert, insbesondere indem die Kernöffnung formfolgend ausgebildet wird, sodass die Öffnungskontur der Beschichtung der Außenkontur der Kern-Stirnfläche entspricht. Entsprechend weist das optische Bauteil in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Fehlfläche auf, die höchstens 1 % größer ist als die Kern-Stirnfläche und höchstens 1 % kleiner als diese.
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Insbesondere weist die Kernöffnung eine Öffnungsbreite auf, die in analoger Weise zur Breite der Kern-Stirnfläche definiert ist. Vorzugsweise unterscheidet sich die Öffnungsbreite dann höchstens um 1 % von der Breite der Kern-Stirnfläche. Dabei sind die Kern-Stirnfläche und die Öffnung insbesondere konzentrisch zueinander angeordnet, sodass sich ein entsprechend symmetrischer Über- oder Unterstand ergibt. Bei einer Kern-Stirnfläche mit einer Breite von beispielsweise 500 µm ist dann die Öffnungsbreite um lediglich maximal 5 µm größer oder kleiner, wobei dann insbesondere die Öffnungskontur die Außenkontur der Kern-Stirnfläche in einem Abstand von 2,5 µm umläuft bzw. umgekehrt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kern-Stirnfläche in der Form eines insbesondere regelmäßigen Vielecks mit zumindest vier und bevorzugt höchstens zehn Kanten ausgebildet. Ein solches Bauteil ist insbesondere aufgrund der Reflektion des Lichts im Kern besonders gut zur Lichtmischung und dann insbesondere als Wellenleiterstab geeignet. Insbesondere weist zudem der gesamte Kern durchgängig einen entsprechenden Kern-Querschnitt auf. Unter regelmäßig wird hierbei insbesondere verstanden, dass die Kanten jeweils in etwa gleich lang sind und jeweils zwei benachbarte Kanten im gleichen Winkel zueinander angeordnet sind.
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Der Kern wird dann vorzugsweise von einem ringförmigen Mantel mit beispielsweise kreisrunder Außenkontur und entsprechend nicht-runder, insbesondere vieleckiger Innenkontur umgeben. Insbesondere beträgt die Breite des Kerns etwa 100 µm bis 1 mm, die Breite des Mantels etwa 1 bis 3 mm, d.h. der Durchmesser des gesamten Bauteils quer zur Längsrichtung etwa 2 bis 7 mm. Das Bauteil weist bevorzugt eine Länge auf, die etwa im Bereich von 1 bis 5 cm liegt.
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Die Beschichtung besteht vorzugsweise aus Chrom oder Titan und weist bevorzugt eine Schichtdicke von wenigstens 100 nm und höchstens 500 nm auf. Eine solche Beschichtung weist optimale Reflektions- und/oder Absorptionseigenschaften auf, um eine Einkopplung von Licht über die Mantel-Stirnfläche zu Vermeiden. Das Verfahren ist prinzipiell zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine Endfläche eines beliebigen optischen Bauteils geeignet. Wesentlich hierbei ist insbesondere die selektive Lichtleitung des Bauteils, sowie dass das Bauteil zwei Endflächen aufweist, von denen die Eine selektiv beschichtet werden soll, indem über die Andere Licht zur Belichtung bei der Erzeugung der Maskierung eingekoppelt wird. So lassen sich zusätzlich zu den oben beschriebenen Wellenleiterstäben beispielsweise auch planare Lichtwellenleiterchips auf einfache Weise mit einer entsprechenden Beschichtung versehen oder auch reguläre optische Fasern zur Signalübertragung. Grundsätzlich muss dabei der Mantel den lichtleitenden Kern nicht zwingend vollständig umgeben. Üblicherweise umgibt der Mantel den Kern in Umfangsrichtung jedoch vollumfänglich.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen schematisch:
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1 ein optisches Bauteil in einer Schrägansicht,
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2 das Bauteil in einer seitlichen Schnittansicht,
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3 das Aufbringen einer Lackschicht,
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4a bis 4d jeweils eine Variante zur Belichtung der Lackschicht,
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5 das Bauteil mit Maskierung,
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6a und 6b optionale Zwischenschritte zur Ausbildung der Maskierung,
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7 das Aufbringen einer Beschichtung,
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8 das Bauteil mit fertig ausgebildeter, selektiver Beschichtung,
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9 das Bauteil in einer Halterung,
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10 das Bauteil in einer alternativen Halterung,
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11 eine Kern-Stirnfläche und eine Beschichtung nach dem Stand der Technik, und
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12 die Kern-Stirnfläche mit erfindungsgemäßer Beschichtung.
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1 zeigt ein optisches Bauteil 2, hier als Wellenleiterstab aus Quarz ausgebildet ist. Das Bauteil 2 umfasst einen Kern 4, der in einen Mantel 6 eingebettet ist. Der Kern 4 und der Mantel 6 bilden jeweils eine funktionelle Region 4, 6 des Bauteils 2. Der Kern 4 ist hier nicht-rund, insbesondere hexagonal ausgeführt, sodass sich das Bauteil 2 besonders als Lichtmischer eignet. Der Kern 4 dient der Lichtübertragung von einer ersten, hier vorderen Endfläche 8 zu einer zweiten, hier rückseitigen Endfläche 10 und/oder umgekehrt. Eine Lichtleitung durch den Kern 4 ist hierbei durch Totalreflektion an der Grenzschicht zwischen Mantel 6 und Kern 4 realisiert. Das gesamte Bauteil 2 weist einen Durchmesser D auf, der hier etwa 3 mm entspricht. Der Kern 4 weist eine Breite B1 auf, die hier eine minimale Breite ist, d.h. als Abstand zweier gegenüberliegender Seiten gemessen ist und in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 500 µm beträgt. Der Mantel 6 weist eine Breite B2 auf, die hier aufgrund der rotationssymmetrischen Ausführung einer Wandstärke des Mantels 6 entspricht und in 1 etwa 1,25 mm beträgt. Das Bauteil 2 weist zudem eine Länge L auf, welche dem Abstand zwischen den beiden Endflächen 8, 10 entspricht und hier etwa 2 cm beträgt.
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Auf der ersten Endfläche 8 bilden der Kern 4 und der Mantel 6 jeweils eine Stirnfläche 14, 16 aus, nämlich eine Kern-Stirnfläche 14 und eine Mantel-Stirnfläche 16. Bei dem hier gezeigten Bauteil 2 soll im Betrieb über die erste Endfläche 8 Licht in das Bauteil 2 eingekoppelt werden, jedoch nur in den Kern 4; ein Einkoppeln in den Mantel 6 soll vermieden werden. Dazu ist auf der ersten Endfläche 8 selektiv eine in 1 nicht dargestellte Beschichtung 18 aufgebracht, nämlich lediglich auf der Mantel-Stirnfläche 16 unter Auslassung der Kern-Stirnfläche 14. Die Beschichtung 18 ist dabei insbesondere aus einem absorbierenden oder reflektierenden Material, beispielsweise einem Metall gefertigt. Das Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung wird im Folgenden detailliert anhand der 2 bis 8 erläutert.
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Zunächst zeigt 2 das Bauteil 2 ohne Beschichtung in einer seitlichen Schnittansicht. Deutlich erkennbar sind der Kern 4 und der Mantel 6. Auf der ersten Endfläche 8, welche in 2 nach oben orientiert ist, soll selektiv eine Beschichtung aufgebracht werden. Dazu wird gemäß 3 zunächst eine Lackschicht 20 aus einem photosensitiven Lack aufgebracht, mittels welcher die Kern-Stirnfläche 14 maskiert werden soll. Dazu wird die Lackschicht 20 auf die gesamte erste Endfläche 8 aufgebracht, um anschließend selektiv belichtet zu werden.
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Die 4a bis 4d zeigen jeweils eine Variante der selektiven Belichtung der Lackschicht 20. Die Belichtung erfolgt dabei generell rückseitig mittels einer Lichtquelle Q, deren Licht, dargestellt durch Pfeile, selektiv in lediglich eine der Regionen 4, 6 über die zweite Endfläche 10 eingekoppelt wird. Die verschiedenen Belichtungsstrategien unterscheiden sich zum Einen in der Wahl der zur Belichtung verwendeten Lichtquelle Q und zum Anderen in der Wahl der Region 4, 6, in welche das Licht eingekoppelt wird.
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So zeigt die 4a eine Belichtung über den Kern 4 mittels einer Lichtquelle Q, die eine Querabmessung A aufweist, welche geringer ist als die Breite B1 des Kerns 4, insbesondere maximal der Hälfte der Breite B1 entspricht, und hier etwa 200 µm beträgt des Kerndurchmessers. Dadurch wird lediglich in den Kern 4 Licht eingekoppelt und durch diesen hindurch rückseitig zur Lackschicht 20 geleitet, sodass diese lediglich im Bereich der Kern-Stirnfläche 14 belichtet wird. 4b zeigt entsprechend eine selektive Belichtung der Lackschicht 20 im Bereich der Mantel-Stirnfläche 16. Dazu werden insbesondere mehrere Lichtquellen Q verwendet, deren Querabmessung A jeweils geringer ist als die Breite B2 des Mantels 6.
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In den 4c und 4d sind zwei weitere Alternativen zur Belichtung dargestellt, bei denen jeweils eine Blende 22 verwendet wird, um Licht einer hier insbesondere großflächig abstrahlenden Lichtquelle Q entsprechend selektiv in eine der Regionen 4, 6 einzukoppeln. In Analogie zu den 4a und 4b weist die Blende 22 eine Öffnung mit einer Querabmessung A auf, durch welche Licht der Lichtquelle Q hindurchtritt. Die Blende 22 bildet dann in Kombination mit der Lichtquelle Q eine Lichtquelle mit entsprechender Querabmessung A nach. Auch hier beträgt die Querabmessung A beispielsweise etwa 200 µm. Eine Belichtung erfolgt dann wahlweise wie in 4c über den Kern 4 oder wie in 4d über den Mantel 6.
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Insbesondere in letzterem Fall ist die Öffnung der Blende 22 nicht notwendigerweise rund oder kreisförmig ausgebildet, sondern in einer nicht gezeigten Alternative beispielsweise ringförmig und den Kern 4 umlaufend ausgebildet.
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Ein Wesentlicher zu beachtender Parameter bei der Wahl der Lichtquelle Q und/oder der Blende 22 ist vor allem die Parallelität des Lichts, welches über die zweite Endfläche 10 in eine der Regionen 4, 6 eingekoppelt wird. Zum Einen sollte das Licht hinreichend parallelisiert sein, um nicht in zu großem Winkel auf die Grenzfläche zwischen Kern 4 und Mantel 6 zu treffen und dann in die jeweils andere Region überzukoppeln. Mit anderen Worten: die Totalreflektion des Lichts muss gewährleistet sein. Zum Anderen sollte das Licht allerdings dennoch einigermaßen diffus sein, um bei der Lichtleitung in der entsprechenden Region 4, 6 verteilt zu werden und die jeweilige Stirnfläche 14, 16 vollständig auszuleuchten. Die geeignete Einstellung der Parallelität erfolgt dann durch entsprechende Wahl der Querabmessung A der Lichtquelle Q oder der Blende 22 sowie deren Beabstandung relativ zur zweiten Endfläche 10.
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Die mittels der Belichtung gemäß einer der 4a bis 4d selektiv belichtete Lackschicht 20 wird anschließend entwickelt, um die in der 5 gezeigte Maskierung 24 zu erhalten. Dabei maskiert die Maskierung 24 aufgrund der speziellen Belichtung exakt die Kern-Stirnfläche 14. Die Ausbildung der Maskierung 24 ist je nach gewählter Belichtungsstrategie und Art der Lackschicht 20 unterschiedlich durchführbar. Prinzipiell sind hierbei vier Varianten möglich: so führen sowohl ein Belichten der Kern-Stirnfläche 14 in Kombination mit einem Negativlack als auch ein Belichten der Mantel-Stirnfläche 16 in Kombination mit einem Positivlack nach dem Entwickeln der Lackschicht 20 direkt zum in 5 gezeigten Ergebnis. Alternativ erfolgt entweder ein Belichten der Kern-Stirnfläche 14 in Kombination mit einem Positivlack oder ein Belichten der Mantel-Stirnfläche 16 in Kombination mit einem Negativlack, wodurch beim Entwickeln die Lackschicht 20 lediglich auf der Mantel-Stirnfläche 16 verbleibt, wie in 6a gezeigt. Diese Lackschicht 20 wird dann gemäß 6b mittels einer zweiten Lackschicht 26 in an sich bekannter Weise invertiert, um schließlich zur Maskierung 24 der 5 zu gelangen.
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In 7 ist schließlich das Aufbringen der Beschichtung 18 gezeigt. Diese wird zunächst auf die gesamte erste Endfläche 8 aufgebracht, d.h. auf die freigelegte Mantel-Stirnfläche 16 sowie auf die maskierte Kern-Stirnfläche 14. Abschließend wird dann die Maskierung 24 mit dem darauf aufgebrachten Teil der Beschichtung 18 entfernt, wodurch das Bauteil 2 in der in 8 gezeigten Konfiguration mit selektiver Beschichtung 18 ausgebildet wird.
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Die 9 und 10 zeigen schließlich jeweils eine Halterung 28 mit einer Aufnahme 30, in welche das Bauteil 2 einsetzbar ist. Die Aufnahme 30 umfasst desweiteren eine Blende 22, die entsprechend zur Belichtung gemäß einer der 4c oder 4d ausgebildet ist. Durch diese Integration einer Blendenfunktionalität in die Halterung 28 ist eine schnelle und unkomplizierte Fertigung auch mehrerer selektiv beschichtetes Bauteil 2 möglich. Durch das Einsetzen eines jeweiligen Bauteils 2 in die Aufnahme 30 ist die Blende 22 automatisch optimal ausgerichtet. Eventuelle Fertigungstoleranzen wirken sich dabei nicht nachteilig aus, da die Querabmessung der Blende 22 hinreichend klein relativ zur Breite B1, B2 der Region 4, 6 gewählt ist, beispielsweise etwa halb so groß. In einer nicht gezeigten Alternative sind die Blende 22 und die Aufnahme 30 nicht einstückig ausgebildet, sondern die Blende 22 ist vielmehr ein separates Teil und in die Aufnahme 30 einsetzbar.
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Die Belichtung der dann später aufgebrachten Lackschicht 20 ist im Wesentlichen unabhängig von der genauen Positionierung der Blende 22 und resultiert vorrangig aus der gleichmäßigen Verteilung des Lichts bei der Leitung durch das Bauteil 2. Eine aufwendige Justierung entfällt somit. In einer hier nicht gezeigten Weiterbildung umfasst dann eine Halterung 28 mehrere Aufnahmen 30 mit jeweils einer Blende, sodass mehrere beschichtete Bauteils 2 gleichzeitig in einem Batch-Verfahren hergestellt werden.
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Zur Verdeutlichung der verbesserten Abdeckung der Mantel-Stirnfläche 16 mittels der Beschichtung 18 ist in den 11 und 12 jeweils die selektiv beschichtete erste Endfläche 8 eines optischen Bauteils 2 gezeigt, dessen Kern-Stirnfläche 14 durch eine von der selektiven Beschichtung 18 gebildete Kernöffnung 32 zugänglich ist. Dabei zeigt 11 eine herkömmliche Beschichtung 18 gemäß dem Stand der Technik, wobei die Kernöffnung 32 nicht formfolgend zur Kern-Stirnfläche 14 ausgebildet ist, d.h. die Beschichtung 18 ist insgesamt nicht formfolgend zur Mantel-Stirnfläche 16 ausgebildet. In dem in 11 gezeigten Beispiel ist die Kernöffnung 32 kreisrund, d.h. mit einer kreisrunden Öffnungskontur K1 ausgebildet, während die Kern-Stirnfläche 14 hexagonal, d.h. in Form eines gleichmäßigen Sechsecks mit einer sechseckigen Außenkontur K2 ausgebildet ist. Durch die nicht-formfolgende Ausgestaltung ergeben sich auf der Mantel-Stirnfläche 16 fälschlicherweise unbeschichtete Teilflächen 34 und auf der Kern-Stirnfläche 14 fälschlicherweise beschichtete Teilflächen 36, welche gemeinsam eine Fehlfläche 38 bilden, die entsprechend fehlerhaft beschichtet ist.
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In 12 dagegen folgt die Beschichtung 18 in Form und Größe der Mantel-Stirnfläche 16, wobei dann insbesondere die Kernöffnung 32 auch in Form und Größe der Kern-Stirnfläche 14 folgt, d.h. formfolgend zu dieser ausgebildet ist. Entsprechend ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die Kernöffnung 32 ebenfalls hexagonal, sodass die Fehlfläche 38 besonders stark minimiert ist. Zur besseren Sichtbarkeit ist die Fehlfläche 38 in 12 stark übertrieben dargestellt und etwas kleiner als die Kern-Stirnfläche 14, sodass auf dieser die Beschichtung 18 eine fehlerhaft beschichtete Teilfläche 36 bildet. Tatsächlich unterscheidet sich die Fehlfläche 38 vorteilhafterweise um höchstens 1 % von der Kern-Stirnfläche 14. Insbesondere weist die Fehlfläche 38 auch eine Öffnungsbreite B3 auf, die sich um weniger als 1 % von der Breite B1 der Kern-Stirnfläche 14 unterscheidet.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- optisches Bauteil
- 4
- Kern
- 6
- Mantel
- 8
- erste Endfläche
- 10
- zweite Endfläche
- 14
- Kern-Stirnfläche
- 16
- Mantel-Stirnfläche
- 18
- Beschichtung
- 20
- Lackschicht
- 22
- Blende
- 24
- Maskierung
- 26
- zweite Lackschicht
- 28
- Halterung
- 30
- Aufnahme
- 32
- Kernöffnung
- 34
- unbeschichtete Teilfläche
- 36
- beschichtete Teilfläche
- 38
- Fehlfläche
- A
- Querabmessung
- B1, B2
- Breite
- B3
- Öffnungsbreite
- D
- Durchmesser
- K1
- Öffnungskontur
- K2
- Außenkontur
- L
- Länge
- Q
- Lichtquelle
