DE102022109831A1

DE102022109831A1 - Geschützte Optikkomponente und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102022109831A1
Application number: DE102022109831.1A
Authority: DE
Inventors: Simon Thiele; Nils Fahrbach
Original assignee: Printoptix GmbH
Current assignee: PRINTOPTIX GMBH, DE
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2023-10-26
Also published as: WO2023208555A1

Abstract

Mikro-Optik, insbesondere zur Verbindung mit einer optischen Faser oder einem Substrat, mit einer Optikbaugruppe, wobei die Optikbaugruppe mindestens ein optisches Element aufweist und mindestens einen an eine Seite des optischen Elements unmittelbar angrenzenden Hohlraum, und einer die Optikbaugruppe vollständig umgebenden Hülse, wobei die Hülse und die Optikbaugruppe mit einem lichtundurchlässigen Kleber miteinander verbunden sind, und wobei durch den lichtundurchlässigen Kleber eine Blende der Optikbaugruppe gebildet wird.

Description

Komplexe Mikrooptiken können mechanisch ausgesprochen empfindlich sein, besonders wenn sie mittels 3D-Druck aus einem Polymermaterial hergestellt worden sind. Für viele Anwendungen ist die Verbindung solcher Optiken mit optischen Fasern essenziell. Eine derart auf der Faserspitze befestigte Optik kann schon bei leichten Berührungen abfallen, sich verformen oder zerkratzt werden. Zudem müssen für die optische Funktion häufig Lufträume zwischen den einzelnen optischen Elementen erhalten bleiben, um einen ausreichenden Brechungsindexunterschied zu erzeugen. Das heißt in diese Zwischenräume/Hohlräume dürfen keine Flüssigkeiten eindringen.
Hierbei besteht jedoch die Schwierigkeit, insbesondere bei Mikro-Optiken, welche mittels 3D-Druck aus einem flüssigen Polymermaterial durch gezieltes lokales Aushärten hergestellt werden, dass das nicht gehärtete Polymermaterial, welches sich in den Hohlräumen befindet und weiterhin flüssig ist, aus diesen Hohlräumen entfernt werden muss. Hierdurch entsteht eine komplexe Struktur wie sie beispielsweise in EP 3 162 549 beschrieben ist, wobei die Hohlräume jeweils Kanäle aufweisen, um das nicht ausgehärtete flüssige Polymermaterial aus den Hohlräumen wieder zu entfernen.
Zudem ist es für eine optimale Funktion erforderlich, dass die Mikro-Optiken gegen seitliches Streulicht abgeschirmt werden. Insbesondere bei Mikro-Optiken, welche mittels 3D-Druck hergestellt werden, stehen jedoch die Kanäle zur Entfernung des nicht gehärteten Polymermaterials aus den Hohlräumen einer vollständigen und effizienten Ummantelung entgegen. Insbesondere EP 3 162 549 A1 weist somit keine vollständige Ummantelung auf, sodass weiterhin seitlich Streulicht in die Optik gelangen kann und hierdurch die Qualität der Abbildung der Mikro-Optik negativ beeinflussen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine verbesserte Mikro-Optik bereitzustellen insbesondere hergestellt durch ein vereinfachtes Verfahren.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Mikro-Optik gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Mikro-Optik gemäß Anspruch 14.
Die erfindungsgemäße Mikro-Optik weist eine Optikbaugruppe auf, welche insbesondere im Wesentlichen zylindrisch ist. Dabei weist die Optikbaugruppe mindestens ein optisches Element auf und mindestens einen an eine Seite des optischen Elements unmittelbar angrenzenden Hohlraum. Bei dem optischen Element handelt es sich beispielsweise um eine Linse, ein Linsensystem, einen Filter oder dergleichen. Durch Vorsehen des Hohlraums unmittelbar angrenzend an das optische Element wird ein ausreichender Brechungsindexunterschied erzeugt. Hierbei ist der Brechungsindexunterschied zwischen dem Brechungsindex des Hohlraums und dem Brechungsindex des optischen Elements insbesondere größer als 0.3, bevorzugt größer als 0.4 und besonders bevorzugt größer als 0.5.
Weiterhin weist erfindungsgemäß die Mikro-Optik eine Hülse auf, welche die Optikbaugruppe vollständig umgibt. Bei der Hülse gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein separates Bauteil. Durch die Hülse wird die Optikbaugruppe der Mikro-Optik vor mechanischen Einflüssen geschützt, so dass Beschädigungen wie beispielsweise Abbrechen, Zerkratzen insbesondere der optischen Oberflächen und/oder Verformen der Optikbaugruppe verhindert wird. Dabei sind erfindungsgemäß die Hülse und die Optikbaugruppe mit einem lichtundurchlässigen Kleber miteinander verbunden und insbesondere verklebt. Hierbei bezeichnet „lichtundurchlässig“ die Eigenschaft des Klebers, aufgrund derer Licht im nahen Infrarotbereich, im sichtbaren Spektralbereich und/oder in nahem UV-Bereich im Wesentlichen nicht durch das Material des Klebers durchtreten kann. Im Wesentlichen bedeutet in diesem Zusammenhang weniger als 50% des Lichts tritt durch den undurchlässigen Kleber, vorzugsweise weniger als 75%, weiter bevorzugt weniger als 90% und besonders bevorzug weniger als 95%. Durch den lichtundurchlässigen Kleber wird weiter eine Blende der Optikbaugruppe gebildet. Hierbei kann es sich bei der Blende um das mindestens eine optische Element der Optikbaugruppe handeln oder um ein zusätzliches optisches Element. Somit wird durch den lichtundurchlässigen Kleber einerseits die Optikbaugruppe mit der Hülse verbunden, sodass die Hülse als mechanischer Schutz die Optikbaugruppe vor Beschädigung schützt. Gleichzeitig wird der lichtundurchlässige Kleber genutzt, um hierdurch eine Blende zu erzeugen. Weiterhin sorgt der lichtundurchlässige Kleber dafür, dass zwischen Hülse und der Optikbaugruppe kein Streulicht in die Optik gelangen kann und somit eine effektive Abschirmung durch den lichtundurchlässigen Kleber erreicht wird.
Vorzugsweise weist das optische Element Abmessungen bzw. Ausdehnungen auf im unteren Millimeter- bis Mikrometerbereich, d. h. Abmessungen kleiner als 2mm, beispielsweise kleiner als 1000 µm und vorzugsweise kleiner als 600 µm. Ebenso kann die Optikbaugruppe eine entsprechende Abmessung (Durchmesser/Seitenlänge) aufweisen von weniger als 2mm, vorzugsweise weniger als 1000 µm und besonders bevorzugt von weniger als 600 µm.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Optikbaugruppe um ein monolithisches Bauteil, welches einstückig aufgebaut ist.
Vorzugsweise wird die Optikbaugruppe durch 3D-Druck erzeugt, sodass auf einfache Weise die optischen Elemente, Trägerelemente um den jeweiligen Hohlraum herum und weitere insbesondere komplexe Strukturen der Optikbaugruppe erzeugt werden können. Die dreidimensionale Struktur der Optikbaugruppe wird dabei mit Hilfe eines 3D-Druckers auf Basis eines vorbestimmten oder vorgegebenen Layouts bzw. Designs ausgebildet und gedruckt. Bei dem 3D-Drucker kann es sich beispielsweise um ein 3D-Lithographie-System, insbesondere eine 3D-Laser-Lithographie-System oder ein 3D-Multi-Photon-Laser-lithographie-System handeln, welches vorzugsweise auf einer 2-Photonen-Polymerisation eines UV härtenden Fotolacks basiert bzw. hieraus dreidimensionale komplexe Strukturen erstellt. Hierzu wird der flüssige Lack an bestimmten Stellen, welche durch das 3D-Design vorgegeben sind, ausgehärtet. Der verbleibende flüssige Lack wird entfernt, um die 3D-Struktur zu erhalten.
Vorzugsweise ist die Optikbaugruppe transparent. Insbesondere wird die Optikbaugruppe aus einem transparenten Polymer hergestellt. Insbesondere, sofern die Optikbaugruppe durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt wird, wird hierzu ein transparenter Lack verwendet. Somit ist auch die Optikbaugruppe entsprechend transparent ausgebildet. Hierbei bezeichnet „transparent“ die Eigenschaft des Materials der Optikbaugruppe, aufgrund derer Licht im nahen Infrarotbereich, im sichtbaren Spektralbereich und/oder in nahem UV-Bereich im Wesentlichen durch das Material der Optikbaugruppe hindurchtreten kann. Im Wesentlichen bedeutet in diesem Zusammenhang mehr als 50% des Lichts tritt durch das Material, vorzugsweise mehr als 75%, weiter bevorzugt mehr als 90% und besonders bevorzug mehr als 95%. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit einer seitlichen Abschirmung gegen Streulicht, welche durch den lichtundurchlässigen Kleber, welche die Hülse und die Optikbaugruppe umgibt bereitgestellt wird und/oder durch die Hülse.
Vorzugsweise ist eine erste Endfläche der Optikbaugruppe unmittelbar mit einer optischen Faser oder einem Substrat verbunden. Hierbei kann eine zweite Endfläche, welche der ersten Endfläche gegenüber liegt, ausgebildet sein als Austrittsfacette oder Eintrittsfacette der Optikbaugruppe.
Vorzugsweise erstreckt sich die Hülse axial über die Optikbaugruppe hinaus und umfasst einen Abschnitt der optischen Faser. Hierdurch wird die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen der Optikbaugruppe und der optischen Faser verbessert.
Vorzugsweise ist mehr als ein Hohlraum vorgesehen, wobei insbesondere das optische Element auf beiden Seiten unmittelbar angrenzt an einen Hohlraum.
Vorzugsweise wird ein Hohlraum gebildet zwischen dem optischen Element der Optikbaugruppe und einem Faserende bzw. Substrat. Hierdurch wird der Hohlraum auf einer ersten Seite durch das optische Element begrenzt und auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite begrenzt durch das Faserende bzw. das Substrat, wodurch das Eindringen von Flüssigkeit in den Hohlraum verhindert wird.
Vorzugsweise wird der Hohlraum gebildet zwischen dem optischen Element und einer Endfläche der Optikbaugruppe. Hierbei kann es sich bei der Endfläche beispielsweise um die Austritts-/Eintrittsfacette der Optikbaugruppe handeln, welche somit den Hohlraum begrenzt und das Eindringen von Flüssigkeit in den Hohlraum verhindert.
Vorzugsweise ist ein Ringspalt ausgebildet zwischen der Optikbaugruppe und der Hülse, wobei der Ringspalt vom Kleber insbesondere vollständig gefüllt wird. Hierbei dringt der Kleber mittels Kapillareffekt in den Ringspalt ein und verteilt sich hierdurch zwischen der Optikbaugruppe und der Hülse, um diese miteinander zu verbinden. Vorzugsweise umgibt dabei der Ringspalt die Optikbaugruppe vollständig, sodass auch ein vollständiges Verbinden der Optikbaugruppe mit der Hülse durch den lichtundurchlässigen Kleber erreicht wird.
Vorzugsweise weist die Optikbaugruppe Abstandselemente auf, wobei die Abstandselemente sich radial nach außen erstrecken und unmittelbar mit der Hülse in Kontakt stehen. Durch die Abstandselemente wird insbesondere der Ringspalt ausgebildet. Gleichzeitig dienen die Abstandselemente einer radialen Positionsfixierung der Optikbaugruppe innerhalb der Hülse, so dass insbesondere eine konzentrische Ausrichtung der Optikbaugruppe innerhalb der Hülse erreicht wird vor dem Verkleben mittels des lichtundurchlässigen Klebers. Hierbei sind mindestens drei Abstandselemente vorgesehen, welche an der Optikbaugruppe angeordnet sind. Vorzugsweise sind mehr Abstandselemente vorgesehen. Insbesondere entspricht die radiale Länge der Abstandselemente ausgehend von der Oberfläche der Optikbaugruppe gerade der Bereite des Ringspalts. Insbesondere weisen die Abstandselemente eine Abmessung in ihrer Breite auf von 1-20 µm und vorzugsweise 1-10 µm. Insbesondere stellen die Abstandselemente die einzige unmittelbare Verbindung zwischen der Optikbaugruppe und der Hülse dar, wobei sonst lediglich eine mittelbare Verbindung zwischen Optikbaugruppe und der Hülse durch den lichtundurchlässigen Kleber vorliegt.
Vorzugsweise beträgt die Breite des Ringspalts weniger als 50µm, bevorzugt weniger als 30µm, weiter bevorzugt weniger als 20µm und besonders bevorzugt weniger als 10µm .
Vorzugsweise handelt es sich bei der Hülse um eine Metallhülse und/oder eine lichtundurchlässige Hülse. Insbesondere ist die Hülse aus einem anderen Material gebildet als die Optikbaugruppe. Insbesondere bei einer Metallhülse ist eine hohe mechanische Stabilität gewährleistet, welche die Optikbaugruppe vor Beschädigungen schützt. Gleichzeitig wird durch eine lichtundurchlässige Hülse seitliches Streulicht effizient vermieden. Insbesondere da die Hülse die Optikbaugruppe vollständig umgibt, besteht somit gleichzeitig vollständiger Schutz der Optikbaugruppe und vollständige Abschirmung gegen das seitliche Eindringen von Streulicht.
Vorzugsweise weist die Hülse eine Dicke auf von 20µm bis 250µm, bevorzugt 20µm bis 150µm und besonders bevorzugt 20µm bis 100µm. Dabei bezeichnet die Dicke der Hülse die Wandstärke.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem lichtundurchlässigen Kleber um einen Zweikomponentenkleber mit einem Farbstoff und/oder Partikeln, durch welche die Lichtundurchlässigkeit des Klebers erzeugt wird.
Vorzugsweise ist die Blende gebildet durch eine ringförmige Ausnehmung der Optikbaugruppe, welche von dem lichtundurchlässigen Kleber gefüllt ist. Dabei ist die ringförmige Ausnehmung an den radialen Außenflächen der Optikbaugruppe offen, sodass Kleber, welcher sich zwischen der Hülse und der Optikbaugruppe verteilt, in die ringförmige Ausnehmung einfließen kann. Dies erfolgt insbesondere ebenfalls durch einen Kapillareffekt.
Vorzugsweise erstreckt sich die ringförmige Ausnehmung radial nach innen über mehr als 20%, vorzugsweise mehr als 50% und besonders bevorzugt mehr als 80% des Radius der Optikbaugruppe. Durch den verbleibenden Teil der transparenten Optikbaugruppe wird sodann die Blendenöffnung gebildet, welche ringförmig durch den lichtundurchlässigen Kleber umgeben ist.
Vorzugsweise weist die ringförmige Ausnehmung ein Entlüftungsloch bzw. Luftausgleichsloch auf, um die durch den in die ringförmige Ausnehmung eintretenden Kleber verdrängte Luft auszuleiten und hierdurch eine vollständige Befüllung der ringförmigen Ausnehmung zu gewährleisten. Hierzu ist das Entlüftungsloch insbesondere an dem radial inneren Ende der ringförmigen Ausnehmung angeordnet. Insbesondere ist das Entlüftungsloch derart angeordnet, dass das Entlüftungsloch die ringförmige Ausnehmung mit dem mindestens einen Hohlraum verbindet, sodass die in der ringförmigen Ausnehmung durch den Kleber verdrängte Luft in den mindestens einen Hohlraum geleitet wird.
Vorzugsweise ist der Durchmesser des Belüftungsloch derart gewählt, dass Luft hindurchtreten kann, der Kleber aufgrund seiner Viskosität und Oberflächenspannung jedoch nicht. Insbesondere weist das Belüftungsloch einen Durchmesser auf von weniger als 10 µm, weiter bevorzugt 5 µm und besonders bevorzugt 1 µm.
Vorzugweise tritt der Kleber nicht in den mindestens einen Hohlraum ein. Somit ist der Hohlraum weiterhin mit Luft oder einem Gas gefüllt, um den erforderlichen Berechnungsindexunterschied zwischen dem optischen Element und seiner Umgebung, insbesondere dem Hohlraum, zu erhalten.
Vorzugsweise weist der mindestens eine Hohlraum mindestens eine Öffnung auf, welche sich insbesondere in Umfangsrichtung erstreckt und offen ist in Richtung der Außenseite der Optikbaugruppe. Weist die Optikbaugruppe beispielsweise eine zylindrische Form auf, so ist die Öffnung des mindestens einen Hohlraums an der Mantelfläche der Optikbaugruppe angeordnet. Insbesondere sind mehrere Öffnungen vorgesehen, welche entlang der Umfangsrichtung verteilen sind. Durch die Öffnung ist es möglich im Herstellungsprozess nicht gehärteten Lack wieder aus dem Hohlraum zu entfernen. Durch die Öffnung wird somit eine Verbindung von dem Inneren des Hohlraums nach Außen geschaffen, um den nicht-gehärteten Fotolack zu entfernen.
Vorzugsweise kompensiert ein Druck in dem mindestens einen Hohlraum die Kapillarkraft des Klebers, sodass ein Eindringen des Klebers in den Hohlraum aufgrund des erhöhten Drucks in dem Hohlraum verhindert wird. Dabei entsteht der Druck im Hohlraum durch die durch den Kleber verdrängte Luft beim Befüllen des Ringspalts und/oder ringförmigen Ausnehmung zur Erzeugung der Blende. Hierdurch entsteht ein Druckgleichgewicht, sodass ein weiteres Vordringen des Klebers in den jeweiligen Hohlraum gerade verhindert wird.
Vorzugsweise weist die mindestens eine Öffnung, mehrere Öffnungen oder alle Öffnungen des mindestens einen Hohlraums, ein Kontaktelement auf.
Vorzugsweise weist das Kontaktelement eine schwachbenetzende Stelle aufweist zur Unterdrückung des Kapillareffekt des Klebers. Diese schwachbenetzende Stelle kann beispielsweise durch Oberflächenbehandlung des Kontaktelements erfolgen. Aufgrund der schwachbenetzenden Eigenschaften der Oberfläche des Kontaktelements zur Verringerung der Adhäsionskräfte kann der Kapillareffekt unterdrückt werden und somit ein ungewolltes Befüllen des mindestens einen Hohlraums durch den lichtundurchlässigen Kleber verhindert werden.
Dabei wird durch die Verringerung der Adhäsionskräfte der Kontaktwinkel des Klebers erhöht, wodurch die Kapillarwirkung reduziert wird.
Vorzugsweise weist das Kontaktelement eine schräge Fläche auf zur Unterdrückung des Kapillareffekts des Klebers. Aufgrund der schrägen Fläche ändert sich der Kontaktwinkel des Klebers, sodass ein weiteres Vordringen des Klebers durch die Öffnung hindurch in den Hohlraum der Optikbaugruppe nicht mehr möglich ist. Dabei weist insbesondere die schräge Fläche radial nach außen. Insbesondere weist die schräge Fläche einen Winkel auf zur Axialrichtung der Optikbaugruppe, der kleiner oder gleich dem Kontaktwinkel des Klebers ist und bevorzugt zwischen 5° und 35° und insbesondere 10° bis 30° beträgt. Somit wird durch die schräge Fläche des Kontaktelements sichergestellt, dass die Hohlräume weiterhin bestehen bleiben und nicht durch den lichtundurchlässigen Kleber, welcher die Optikbaugruppe mit der Hülse verbindet, befüllt werden. Gleichzeitig ist es nicht erforderlich gesonderte Kanäle vorzusehen, welche die Hohlräume mit der Umgebung verbinden zum Entfernen des nicht-gehärteten Fotolacks. Vielmehr können Öffnungen vorgesehen werden, welche jedoch ausgebildet sind, so dass der lichtundurchlässige Kleber nicht durch die Öffnungen in den mindestens einen Hohlraum gelangt.
Hierdurch wird der Aufbau der Optikbaugruppe deutlich vereinfacht. Gleichzeitig ist es möglich die Optikbaugruppe vollständig durch eine Hülse bzw. einen lichtundurchlässigen Kleber zu umgeben, und so das seitliche Eindringen von Streulicht zu verhindern. In Kombination mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Blende ergeben sich hierdurch verbesserte optische Eigenschaften bei gleichzeitig vereinfachtem Aufbau.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mikro-Optik mit den Schritten:

Bereitstellen einer Optikbaugruppe, wobei die Optikbaugruppe mindestens ein optisches Element aufweist und mindestens einen an eine Seite des optischen Elements unmittelbar angrenzenden Hohlraum;
Bereitstellen und einer Hülse;
Einfügen der Optikbaugruppe in die Hülse;
Einfügen eines lichtundurchlässigen Klebers zwischen Hülse und Optikbaugruppe, wobei sich der Kleber zwischen Hülse und Optikbaugruppe mittels des Kapillareffekts verteilt und eine Blende ausbildet.

Vorzugsweise ist die Mikro-Optik ausgebildet wie vorstehend beschrieben.
Vorzugsweise dringt der Kleber nicht in den mindestens einen Hohlraum ein.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Aushärten des lichtundurchlässigen Klebers beispielsweise durch Trocknung, Wärmeeinwirkung und/oder Belichtung beispielsweise mittels UV-Licht. Alternativ hierzu kann es sich um eine chemisch initiierte Polymerisation handeln, wie beispielswiese bei einem 2-Komponenten-Kleber.
Vorzugsweise weist das Verfahren zusätzliche Schritte auf, dass nachdem Einfügen des lichtundurchlässigen Klebers und insbesondere ein Aushärten des lichtundurchlässigen Klebers ein Polieren mindestens einer Endfläche der Mikro-Optik erfolgt, um hierdurch eine Endfacette der Mikro-Optik zu erzeugen.
Vorzugsweise umfasst der Schritt Bereitstellen einer Optikbaugruppe das Herstellen der Optikbaugruppe mittels 3D-Drucks insbesondere mittels 2-Photonen-Absorption eines UV härtenden Polymers/Fotolacks.
Vorzugsweise ist das Verfahren weitergebildet anhand der Merkmale der vorstehend beschrieben Mikro-Optik.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsform unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Die Figuren zeigen:

1 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 die Ausführungsform der 1 im zusammengesetzten Zustand,
3 die Ausführungsform der 2 in einer Schnittansicht,
4 die Ausführungsform der 1 im vollständig zusammengefügten Zustand als Schnittansicht,
5A, 5B Detailansicht des Kontaktelements gemäß der vorliegenden Erfindung,
6A - 6F eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
7A, 7B eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Im Folgenden wird Bezug genommen auf die Ausführungsform der 1-4. In 1 ist eine Optikbaugruppe 10 gezeigt, welche unmittelbar an eine Endfacette einer optischen Faser 12 angebracht ist bzw. unmittelbar auf das Ende der optischen Faser 12 erzeugt wird insbesondere mittels 3D-Drucks. Hierzu wird im 3D-Druckverfahren ein flüssiger Fotolack lokal selektiv gehärtet beispielsweise durch ein 3D-Lithographieverfahren und insbesondere mittels eines 3D-Laser-Lithographieverfahrens, welches beispielsweise auf einer 2-Photonen-Absorpotion eines UV härtenden Fotolacks basiert. Hierdurch wird eine unmittelbare Verbindung der Optikbaugruppe 10 mit der optischen Faser 12 erreicht. Weiterhin weist die Mikro-Optik eine Hülse 14 auf, welche beispielsweise als Metallhülse und/oder lichtundurchlässige Hülse ausgebildet ist. Die Optikbaugruppe 10 wird gemäß der 2 zusammen mit der Faser in die Hülse eingeschoben. Dabei umgibt die Hülse 14 die Optikbaugruppe 10 vollständig. Hierdurch wird die Optikbaugruppe optimal vor mechanischen Einflüssen geschützt. Weiterhin umgibt die Hülse 14 ebenfalls einen Teil der optischen Faser 12, sodass die axiale Länge der Hülse 14 im Ausführungsbeispiel der 1-4 größer ist als die axiale Länge der Optikbaugruppe 10, um den teilweisen Überlapp der Hülse 14 mit der optischen Faser 12 zu erzeugen. Durch den Überlapp der Hülse wird ein mechanischer Schutz der Verbindung zwischen Optikbaugruppe 10 und der optischen Faser 12 erreicht. Weiterhin wird das seitliche Eintreten von Streulicht durch die lichtundurchlässige Hülse 14 verhindert, wodurch die Abbildungseigenschaften der Optikbaugruppe 10 verbessert werden. Insbesondere für den Fall, dass die Optikbaugruppe 10 hergestellt ist aus einem transparenten Polymer, kann durch die lichtundurchlässige Hülse eine negative Beeinflussung der optischen Leistung der Optikbaugruppe 10 verursacht durch seitlich einfallendes Streulicht verhindert werden.
Insbesondere ist die Optikbaugruppe 10 im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Dabei entspricht der Durchmesser der Optikbaugruppe 10 im Wesentlichen dem Durchmesser der optischen Faser 12.
Weiterhin ist die Optikbaugruppe insbesondere monolithisch also einstückig ausgebildet.
Bevorzugt ist die Optikbaugruppe 10 durch 3D-Druck erzeugt.
Dabei weist die Optikbraugruppe 10 gemäß der 1 an ihrer Außenseite Abstandselemente 27 auf, welche entlang des Umfangs verteilt sind. Beim Einführen der Optikbraugruppe 10 in die Hülse 14 gelangen diese Abstandselemente 27 in Kontakt mit der Innenfläche der Hülse 14, wodurch die Optikbaugruppe 10 innerhalb der Hülse 14 zentriert, ausgerichtet und gegebenenfalls verklemmt wird beispielsweise mittels Kraftschluss.
Die Optikbaugruppe 10 gezeigt in der 3 weist mindestens ein optisches Element 16 auf, welches gemäß der 3 als Linse ausgebildet ist. Dabei grenzt das optische Element unmittelbar an einen oberhalb des optischen Elements 16 angeordneten Hohlraum 18 und einen unterhalb des optischen Elements 16 angeordneten Hohlraums 20. Diese Hohlräume 18, 20 sind dabei mit Luft oder einem sonstigen Gas gefüllt, um hierdurch einen geeigneten Brechungsindexunterschied zu erzielen zwischen dem Medium des Hohlraums 18, 20 und dem optischen Element 16. Somit ist eine geeignete Lenkung des Lichts innerhalb der Optikbaugruppe 10 zu erreichen. Insbesondere kann eine ausreichende Fokussierung durch die Linse 16 erreicht werden, um beispielswiese die Divergenz des aus der Endfacette der optischen Faser 12 austretenden Lichts zu kompensieren und im Wesentlichen kollimiertes Licht zu erhalten. Andersherum kann das Licht, welches durch die Optikbaugruppe 10 hindurchtritt auf Grund der erreichten Fokussierung der Linse 16 effizient in die optische Faser 12 eingekoppelt werden.
Weiterhin weist die Optikbraugruppe 10 eine Endfacette 22 auf, welche den unteren Hohlraum 20 abschließt und diesen somit gegen ein Eindringen von Flüssigkeit schützt. Dabei kann die Endfacette 22 beispielsweise poliert werden. Durch die Endfacette 22 tritt Licht durch die Optikbaugruppe in die Faser bzw. kann Licht aus der optischen Faser 12 durch die Optikbaugruppe 10 aus der Endfacette 22 austreten.
Wie aus der 1 ersichtlich weisen die Hohlräume 18, 20 jeweils nach außen offene Öffnungen 32, d. h. Öffnungen in der Mantelfläche der Optikbaugruppe 10 auf. Im Fertigungsprozess wird die Optikbaugruppe 10 aus einem Fotolack erzeugt. Nicht-gehärteter Fotolack muss aus den Hohlräumen 18, 20 entfernt werden durch die Öffnungen 32. Die Öffnungen weisen dabei insbesondere eine Größe von 0,3-0,9 * U/n auf, wobei U den Umfang der Mantelfläche und n die Anzahl der Öffnungen bezeichnet. Insbesondere weisen die Öffnungen eine axiale Höhe auf von 10µm bis 250µm und bevorzugt 50µm bis 100pm.
Zwischen der Hülse 14 und der optischen Faser 12 bzw. der Optikkomponente 10 ist ein Ringspalt 26 ausgebildet. Dieser Ringspalt 26 hat, je nach Größe der Baugruppe, beispielsweise eine Dicke zwischen 3 µm und 100 µm. Zum Verbinden der Optikbaugruppe 10 mit der Hülse 14 sowie der optischen Faser 12 mit der Hülse 14 wird ein Kleber in den Ringspalt 26 eingebracht und verteilt sich dort durch den Kapillareffekt.
Die Optikbaugruppe 10 weist eine ringförmige Ausnehmung 28 auf. In die ringförmige Ausnehmung 28 dringt ebenfalls der Kleber aufgrund des Kapillareffekts ein, welcher zur Verklebung der Optikbaugruppe 10 mit der Hülse 14 verwendet wird. Hierbei handelt es sich insbesondere um einen lichtundurchlässigen Kleber. Durch den lichtundurchlässigen Kleber wird eine Blende erzeugt, welche in dem Beispiel der 4 das optische Element 16 zumindest teilweise umgibt. Insbesondere erstreckt sich Ringspalt 28 über mindestens 50%, bevorzugt mindestens 70% und besonders bevorzugt mindestens 90% des Radius der Optikbaugruppe 10. Hierdurch wird eine Blendenöffnung 29 geschaffen, sodass Licht durch die Blendenöffnung 29 und durch das optische Element 16 hindurchtreten kann. Somit erfüllt der lichtundurchlässige Kleber gleichzeitig zwei Aufgaben: Erstens wird durch den lichtundurchlässigen Kleber eine Verbindung geschaffen zwischen der Optikbaugruppe 10 und der Hülse 14. Gleichzeitig wird durch den lichtundurchlässigen Kleber eine Blende ausgebildet. Weiterhin umgibt der lichtundurchlässige Kleber die Optikbaugruppe 10 vollständig, sodass auch seitlich eintretendes Streulicht durch den lichtundurchlässigen Kleber zusätzlich abgeschirmt wird.
Durch Vorsehen der Öffnungen 32 zum Entfernen des nicht-gehärteten Fotolacks im Herstellungsprozess der Optikbaugruppe 10 besteht jedoch das Problem, dass der lichtundurchlässige Kleber nicht durch die Öffnung 32 in die Hohlräume 18, 20 eindringen darf. Hierzu ist ein Kontaktelement an den Kanten der Öffnung 32 vorgesehen. Das Kontaktelement 36 weist dabei in der Ausführungsform der 5A, 5B eine schräge Fläche 38 auf, welche radial nach außen weist. Durch die schräge Fläche 38 des Kontaktelements 36 wird der Kontaktwinkel zwischen der Optikbaugruppe 10 und dem aufgrund des Kapillareffekts einfließenden lichtundurchlässigen Klebers geändert, sodass kein lichtundurchlässiger Kleber durch die Öffnung 32 hindurch treten kann in die Hohlräume 18, 20. Dies ist in der 5B dargestellt. Aufgrund des Kontaktelements 36 bildet der lichtundurchlässige Kleber 34 einen Meniskus aus und tritt nicht durch die Öffnung 32. Insbesondere weist die schräge Fläche 38 einen Winkel auf relativ zur Axialrichtung 42 der Optikbaugruppe auf zwischen 15° und 45° und insbesondere zwischen 20° und 35°.
Wie in der 3 dargestellt weist die ringförmige Ausnehmung mindestens eines, idealerweise aber eine Vielzahl von Entlüftungslöchern 30 bzw. Luftausgleichslöchern auf, welche die ringförmige Ausnehmung 28 mit dem Hohlraum 18 verbindet. Durch die Entlüftungslöcher 30 kann Luft aus der ringförmigen Ausnehmung 28, welche durch den einfließenden lichtundurchlässigen Kleber verdrängt wird, in den Hohlraum 18 entweichen, um so eine vollständige Füllung der ringförmigen Ausnehmung 28 durch den lichtundurchlässigen Kleber zu erzielen. Hierdurch steigt der Druck in dem Hohlraum 18 wobei der erhöhte Druck wiederum einem Einfließen des lichtundurchlässigen Klebers durch die Öffnung 32 in den Hohlraum 18 entgegenwirkt.
Im Folgenden wird Bezug genommen auf die Ausführungsform der 6A bis 6F. Dabei werden gleiche oder ähnliche Merkmale mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Bei der Ausführungsform der 6A-6F ist eine Optikbaugruppe 10 auf einem Substrat 42 angeordnet. Der Aufbau der Optikbaugruppe 10 entspricht gemäß der 6A und 6F im Wesentlichen den Merkmalen der Ausführungsform der 1-4. Insbesondere ist ein optisches Element 16 vorgesehen, welches auf beiden Seiten unmittelbar mit einem Hohlraum 18 in Verbindung steht bzw. an diesen angrenzt. Weiterhin ist eine ringförmige Ausnehmung 28 vorgesehen mittels derer eine Blende gebildet wird.
Die Optikbaugruppe 10 wird gemäß 6B in eine Hülse 14 eingeführt. Hierdurch bildet sich ein Ringspalt 26 aus. Gemäß den 6C und 6D wird ein flüssiger lichtundurchlässiger Kleber 34 auf eine Stirnfläche der Mikro-Optik aufgebracht und gehärtet, wobei der gehärtete Kleber bezeichnet wird mit 34'. Nachfolgend erfolgt ein Polieren der Stirnfläche der Mikro-Optik, sodass gemäß der 6E eine polierte Lichtaustritt-/ Eintrittsfläche erzeugt wird. Gemäß der 6F füllt dabei der lichtundurchlässige Kleber 34' die ringförmige Ausnehmung 28, wodurch eine Blende ausgebildet wird. Gleichzeitig verbindet der lichtundurchlässige Kleber 34' die Hülse 14 mit der Optikbaugruppe 10, sodass die Hülse 14 die Optikbaugruppe 10 vor Beschädigungen schützt.
Insbesondere ist einer der Hohlräume 18 auf der einen Seite begrenzt durch die Blende sowie das optische Element 16 und auf der anderen Seite begrenzt durch das Substrat 42, wobei durch das Substrat 42 ein Eindringen von Flüssigkeit in den Hohlraum verhindert wird.
Weitere Merkmale der Ausführungsform der 6A-6F entsprechen oder können den Merkmalen wie vorstehend beschrieben im Hinblick auf die Ausführungsform der 1-5, den Ansprüchen oder der allgemeinen Beschreibung entsprechen.
Im Folgenden wird Bezug genommen auf die Ausführungsform der 7A und 7B. Hierbei unterscheidet sich die Ausführungsform der 7A und 7B dadurch, dass die ringförmige Ausnehmung an einer Stirnseite 50 der Mikro-Optik vorgesehen ist. Dabei kann wiederum ein lichtundurchlässiger Kleber aufgetragen werden und sich durch einen Ringspalt zwischen der Optikbaugruppe 10 und der Hülse 14 verteilen. Gleichzeitig wird an der Stirnseite 50 eine Blende erzeugt mit einer Blendenöffnung 52, durch die Licht ein- bzw. austreten kann. Insbesondere kann die Stirnfläche 50 durch Polieren erzeugt werden.
Weiterhin weist die Mikro-Optik gemäß der 7B drei optische Elemente 16', 16" und 16 auf, welche allesamt als Linsen ausgebildet sind. Dabei sind die Linsen jeweils durch einen Hohlraum voneinander getrennt, wodurch ein ausreichender Brechungsindexunterschied zwischen den jeweiligen optischen Elementen erzielt wird.
Nachfolgend wird Bezug genommen auf die 8. 8 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mikro-Optik.
In Schritt S01 wird eine Optikbaugruppe bereitgestellt, wobei die Optikbaugruppe mindestens ein optisches Element aufweist und mindestens einen an eine Seite des optischen Elements unmittelbar angrenzenden Hohlraum.
In Schritt S02 wird eine Hülse bereitgestellt.
In Schritt S03 wird die Optikbaugruppe in die Hülse eingefügt.
In Schritt S04 wird ein lichtundurchlässiger Kleber zwischen Hülse und Optikbaugruppe eingebracht, wobei sich der Kleber zwischen Hülse und Optikbaugruppe mittels des Kapillareffekts verteilt und eine Blende ausbildet.
Insbesondere kann das Bereitstellen einer Optikbaugruppe umfassen einen 3D-Druck der Optikbaugruppe 10 beispielsweise durch lokales Auswerten eines Fotolacks in einem Lithographiesystem bzw. einem Laser-Lithographiesystem. Hierbei kommt insbesondere eine 2-Photon-Absorption zur Anwendung zum lokalen Härten des Fotolacks. Nachfolgend wird der nicht gehärtete Fotolack entfernt. Hierdurch wird ein monolithische Optikbaugruppe 10 erzeugt, welche insbesondere aus einem transparenten Polymer besteht. Dieses wird sodann gemäß Schritt S03 in die Hülse 14 eingeführt und mittels eines lichtundurchlässigen Klebers mit der Hülse 14 verbunden. Dabei breitet sich der Kleber zwischen Hülse 14 und Optikbaugruppe 10 mittels des Kapillareffekt aus. Gleichzeitig wird durch den lichtundurchlässigen Kleber und insbesondere das Vorsehen einer ringförmigen Ausnehmung 18 in der Optikbaugruppe 10, welche durch den lichtundurchlässigen Kleber befüllt wird, eine Blende erzeugt.
Hierbei wird durch die Hülse 14 die mechanische Stabilität der komplexen Struktur der Optikbaugruppe 10 geschützt. Dabei erfolgt ein festes Verbinden zwischen Hülse 14 und Optikbaugruppe 10 durch den lichtundurchlässigen Kleber. Gleichzeitig wird durch den lichtundurchlässigen Kleber sowie die Hülse 14 verhindert, dass Streulicht seitlich eintritt. Gleichzeitig wird durch den lichtundurchlässigen Kleber eine Blende gebildet. Durch das Bereitstellen einer Blende sowie dem Vermeiden des seitlichen Eintritts von Streulicht wird die Abbildungsqualität der Mikro-Optik verbessert. Dabei wird durch die Hohlräume sichergestellt, dass ein ausreichender Brechungsindexunterschied zwischen den optischen Elementen 16, 16' und 16" sowie den angrenzenden Komponenten vorliegt, um effektiv Licht zu brechen bzw. den Lichtverlauf innerhalb der Mikro-Optik zu steuern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3162549 [0002]
EP 3162549 A1 [0003]

Claims

Mikro-Optik, insbesondere zur Verbindung mit einer optischen Faser oder einem Substrat, mit einer Optikbaugruppe, wobei die Optikbaugruppe mindestens ein optisches Element aufweist und mindestens einen an eine Seite des optischen Elements unmittelbar angrenzenden Hohlraum, und einer die Optikbaugruppe vollständig umgebenden Hülse, wobei die Hülse und die Optikbaugruppe mit einem lichtundurchlässigen Kleber miteinander verbunden sind, und wobei durch den lichtundurchlässigen Kleber eine Blende der Optikbaugruppe gebildet wird.
Mikro-Optik nach Anspruch 1, wobei eine erste Endfläche der Optikbaugruppe unmittelbar mit einer optischen Faser oder einem Substrat verbunden ist.
Mikro-Optik nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Ringspalt zwischen der Optikbaugruppe und Hülse ausgebildet ist, wobei der Ringspalt vom Kleber gefüllt ist und insbesondere die Optikbaugruppe vollständig umgibt.
Mikro-Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Optikbaugruppe Abstandselemente aufweist, wobei die Abstandselement sich radial nach außen erstrecken und unmittelbar mit der Hülse in Kontakt stehen.
Mikro-Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich bei der Hülse um eine Metallhülse und/oder eine lichtundurchlässige Hülse handelt.
Mikro-Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Blende gebildet ist durch eine ringförmige Ausnehmung der Optikbaugruppe, welche von dem Kleber gefüllt ist.
Mikro-Optik nach Anspruch 6, wobei die ringförmige Ausnehmung ein Belüftungsloch aufweist.
Mikro-Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kleber mittels Kapillarkraft zwischen Optikbaugruppe und Hülse verteilt wird.
Mikro-Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der mindestens eine Hohlraum mindestens eine Öffnung aufweist.
Mikro-Optik nach Anspruch 9, wobei ein Druck in dem mindestens einen Hohlraum die Kapillarkraft des Klebers im Wesentlichen kompensiert.
Mikro-Optik nach Anspruch 9 oder 10, wobei die mindestens eine Öffnung ein Kontaktelement aufweist, wobei das Kontaktelement eine schwach benetzende Fläche aufweist zur Unterdrückung des Kapillareffekts des Klebers.
Mikro-Optik nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die mindestens eine Öffnung ein Kontaktelement aufweist, wobei das Kontaktelement eine schräge Fläche aufweist zur Unterdrückung des Kapillareffekts des Klebers.
Mikro-Optik nach Anspruch 12, wobei die schräge Fläche einen Winkel aufweist zur Axialrichtung, der kleiner oder gleich dem Kontaktwinkel des Klebers ist.
Verfahren zur Herstellung einer Mikro-Optik, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit den Schritten: Bereitstellen einer Optikbaugruppe, wobei die Optikbaugruppe mindestens ein optisches Element aufweist und mindestens einen an eine Seite des optischen Elements unmittelbar angrenzenden Hohlraum; Bereitstellen einer Hülse; Einfügen der Optikbaugruppe in die Hülse; Einfügen eines lichtundurchlässigen Klebers zwischen Hülse und Optikbaugruppe, wobei sich der Kleber zwischen Hülse und Optikbaugruppe mittels des Kapillareffekts verteilt und eine Blende ausbildet.