DE69311840T2

DE69311840T2 - Pressform zur Herstellung eines mikro-optischen Elementes, zugehöriges Herstellungsverfahren, mikro-optisches Element und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69311840T2
Application number: DE69311840T
Authority: DE
Inventors: Masaki Aoki; Makoto Umetani
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-04-21
Filing date: 1993-04-20
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2013-04-21
Also published as: EP0567896A1; US5436764A; DE69311840D1; EP0567896B1; JPH05297210A; JP3147481B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Preßform zum Herstellen eines mikrooptischen Elements, beispielsweise eines Gitters, einer Mikro-Fresnellinse oder eines Mikro-Linsenarrays, sowie ein Herstellungsverfahren für ein derartiges mikrooptisches Element.

Stand der Technik

Zur Herstellung eines Gitters wurde bisher ein thermoplastisches Harz direkt bearbeitet, um ein Gitter zu bilden (vgl. JP-A-54-1 10 857 und JP-A-60-25 761). Ein derartiges Harzgitter hat jedoch den Nachteil, daß sich Volumen oder Form des Gitters in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit ändern. Dadurch verschlechtert sich die Präzision des Gitters. Weil das Harz eine geringe Festigkeit hat, wird außerdem seine Oberfläche leicht beschädigt. Ein Gitter von sehr hoher Präzision und Zuverlässigkeit kann somit aus einem thermoplastischen Harz nicht hergestellt werden.
Demgegenüber hat ein Glasgitter den Vorteil, daß es sehr haltbar ist, an der Oberfläche nicht leicht beschädigt wird und daß sich seine Präzision nicht umgebungsabhängig verschlechtert. Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem ein Glasgitter durch Trockenätzen unmittelbar auf der Glasoberfläche gebildet wird (vgl. JP-A-55-57 807). Allerdings ist für die Herstellung eines Gitters nach diesem Verfahren viel Zeit erforderlich und eine Massenfertigung gleicher Gitter nicht möglich.
In letzter Zeit wurde für die Massenfertigung optischer Glaselemente wie asymmetrischer Linsen aus Glas das Glasformpressen vorgeschlagen. Bei der Herstellung optischer Glaselemente sehr hoher Präzision nach dem Formpreßverfahren muß die Form des optischen Glaselements sehr exakt reproduziert werden. Das Material einer Preßform zum Formpressen muß daher gegenüber Glas bei hohen Temperaturen inaktiv sein, es muß in dem Oberflächenbereich der beim Formen des Glases mit dem Glas in Kontakt steht, ausreichend hart sein, es darf durch Reibung und dergleichen nicht leicht beschädigt werden, es darf kaum plastisch verform bar sein, es dürfen sich im Oberflächenbereich bei hohen Temperaturen nur schwer Kristallkörner bilden, es muß temperaturschockbeständig sein, und es muß zur exakten Formgebung sehr gut bearbeitbar sein.
Preßformmaterialien, die diesen Bedingungen in gewissem Umfang genügen, sind beispielsweise SiC und Si&sub3;N&sub4; (vgl. JP-A-52-45 613). Wird SiC oder Si&sub3;N&sub4; als Preßformmaterial verwendet, besteht das Problem, daß eine Preßform in der gewünschten Form wegen der Härte des Materials nur sehr schwer hergestellt werden kann. Außerdem tritt das Material bei hohen Temperaturen mit Glas in Wechselwirkung, so daß nach wiederholten Formpreßvorgängen Glas an der Preßform haften bleibt und ein exaktes Gitter nicht herstellbar ist.
In letzter Zeit wurde außerdem eine Preßform vorgeschlagen, bei der ein Trägermaterial aus Hartmetall mit einer Dünnschicht aus einer Legierung der Platingruppe beschichtet wird (vgl. JP-A-60-246 230). Die Preßform kann zum Schleifen verwendet werden, jedoch nicht zur exakten Herstellung feiner Formen. Somit kann die Preßform nicht als Preßform für Gitter verwendet werden.
Die JP-A-03-050127 offenbart ein Herstellungsverfahren für eine Form zum Herstellen eines optischen Glaselements. Bei diesem bekannten Verfahren wird eine gesinterte Hartlegierung, die im wesentlichen aus WC besteht, oder ein Keramik-Metall-Verbundwerkstoff, der im wesentlichen aus TiN, TiC, Cr&sub2;0&sub3; oder Al&sub2;O&sub3; besteht, als Basismaterial für ein Formstempelpaar aus einem oberen und einem unteren Preßstück verwendet und geläppt. Darauf wird eine Zwischenschicht aus metallischem Ni oder einer Legierung, die im wesentlichen aus Ni-P oder Ni-B besteht, gebildet, geschliffen und durch Präzisionsendbearbeitung in die gewünschte Form gebracht. Darauf wird eine Schicht aus einem Metallnitrid wie TiN, einem Metallcarbid wie ZrC, einem Metallbond wie TaB&sub2;, aus einer Legierung wie Ir-W, Ru-W, Ir-Ta, Ru-Ta, Ir-Re und Ru-Re usw. gebildet, um eine Form zur Herstellung eines optischen Glaselements zu erhalten. Das Glasmaterial, das man durch sphärisches Formen eines optischen Glases erhält, wird vorerwärmt, auf das untere Preßstück der Preßforrn gegeben, durch das obere Preßstück in einer N&sub2;- Gas-Atmosphäre gepreßt und verformt und dann abgekühlt und als das optische Glaselement entnommen.
Aus der EP-A-O 404 481 ist eine Preßform zum Präzisionsformpressen eines optischen Elements bekannt, die folgendes aufweist: ein Basismaterial, das bei hohen Temperaturen hervorragend hitzebeständig, temperaturschockbeständig und von hervorragender mechanischer Festigkeit ist, eine auf dem Basismaterial gebildete Zwischenschicht aus einer Dünnschicht, die sich hervorragend durch Schleifen und Schneiden bearbeiten läßt, und eine auf der Zwischenschicht gebildete Oberflächenschutzschicht aus einer Metalldünnschicht, die bei hohen Temperaturen von hervorragender Wärmebeständigkeit und mechanischer Festigkeit ist und mit dem Material des optischen Elements weniger in Wechselwirkung tritt. Zwischen dem Basismaterial und der Zwischenschicht kann eine weitere Dünnschicht vorgesehen werden, um die Haftfestigkeit zwischen Basismaterial und Zwischenschicht zu erhöhen.
Ferner beschreibt die JP-A-03-279 901 die Herstellung eines Arrays von optischen Elementen. Nach diesem bekannten Verfahren wird eine erste Bezugsscheibe für optische Elemente durch Plotten mit einem Elektronenstrahl hergestellt. Dann werden mehrere Stück der ersten Metallform durch Elektroschmelzen nach der ersten Bezugsscheibe hergestellt. Anschließend werden auf einem Substrat für ein Linsenarray unter Verwendung mehrerer Stück der ersten Metallformen mehrere Mikro-Fresnellinsenprofile gebildet, um eine zweite Bezugsscheibe zu erhalten. Eine zweite Metallform zur Herstellung des Mikro-Fresnellinsenarrays wird nach einem Elektroschmelzverfahren unter Verwendung der zweiten Bezugsscheibe erzielt. Das Array optischer Elemente wird somit durch Plotten mit einem Elektronenstrahl hergestellt, ohne daß die Bezugsscheibe des Arrays optischer Elemente direkt hergestellt wird.
Was andere mikrooptische Elemente als Gitter angeht, so gibt es bisher keine Preßform zum Form pressen von Glas zu einem zuverlässigen und präzisen mikrooptischen Element.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem auf einfache Weise eine sehr haltbare Preßform hergestellt werden kann, mit der zur Herstellung einer großen Menge sehr präziser und zuverlässiger mikrooptischer Elemente Glas wiederholt formgepreßt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung mikrooptischer Elemente aus Glas zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung der genannten Aufgaben wird gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Preßform zum Herstellen eines mikrooptischen Elements zur Verfügung gestellt mit den Schritten, daß man ein Bezugsformstück des herzustellenden mikrooptischen Elements bereitstellt; auf der Oberfläche des Bezugsformstücks eine erste Schicht bildet, wobei die erste Schicht eine erste Oberfläche von invertierter Gestalt des Bezugsformstücks aufweist und im wesentlichen aus einem hitzebeständigen Material hergestellt ist; die erste Schicht vom Bezugsformstück trennt;
eine flache zweite Oberfläche auf der Seite der ersten Schicht bildet, die der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist;
einen Grundkörper bereitstellt, der eine flache Ebene aufweist und hergestellt ist aus einem harten Metall, das Wolframcarbid als Hauptkomponente enthalten kann, aus einem Keramik-Metall-Verbundwerkstoff mit Titancarbid oder Titannitrid als Hauptkomponente oder aus einem gesinterten WC-Material;
die zweite Oberfläche der ersten Schicht an die flache Ebene des Grundkörpers anhängt; und
auf die erste Oberfläche der ersten Schicht eine zweite Schicht aufbeschichtet, wobei die zweite Schicht im wesentlichen aus einem Material hergestellt ist, welches an Glas nicht haftet und welches bei den hohen Temperaturen, bei denen die Preßform eingesetzt wird, hitzebeständig ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen definiert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für ein mikrooptisches Element zur Verfügung gestellt, mit den Schritten, daß man eine erste Preßform für das mikrooptische Element bereitstellt, welches hergestellt wurde mit den Schritten, daß man
ein Bezugsformstück des herzustellenden mikrooptischen Elements bereitstellt; auf der Oberfläche des Bezugsformstücks eine erste Schicht bildet, wobei die erste Schicht eine erste Oberfläche von invertierter Gestalt des Bezugsformstücks aufweist und im wesentlichen aus einem hitzebeständigen Material hergestellt ist; die erste Schicht vom Bezugsformstück trennt;
eine flache zweite Oberfläche auf der Seite der ersten Schicht bildet, die der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist;
einen Grundkörper bereitstellt, der eine flache Ebene aufweist und hergestellt ist aus einem harten Metall, das Wolframcarbid als Hauptkomponente enthalten kann, aus einem Keramikmetall-Verbundwerkstoff mit Titancarbid oder Titannitrid als Hauptkomponente oder aus einem gesinterten WC-Material; die zweite Oberfläche der ersten Schicht an die flache Ebene des Grundkörpers anhängt; und
auf die erste Oberfläche der ersten Schicht eine zweite Schicht aufbeschichtet, wobei die zweite Schicht im wesentlichen aus einem Material hergestellt ist, welches an Glas nicht haftet und welches bei den hohen Temperaturen, bei denen die Preßform eingesetzt wird, hitzebeständig ist;
eine zweite Preßform bereitstellt, welches mit den Schritten hergestellt wurde, daß man
eine Oberfläche des Grundkörpers schleift und eine dritte Schicht auf die Oberfläche des Grundkörpers aufbeschichtet, wobei die dritte Schicht im wesentlichen aus einem hitzebeständigen Material hergestellt ist;
eine Glasplatte zwischen der ersten und der zweiten Preßform anordnet;
die Glasplatte bis auf über die Erweichungstemperatur der Glasplatte erwärmt;
die Glasplatte zwischen der ersten und der zweiten Preßform preßformt; und
die Glasplatte abkühlt, um sie aus dem Bereich zwischen den zwei Preßformen herauszunehmen.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine Preßform liegt darin, daß die invertierte Gestalt des Bezugsformstücks direkt reproduziert wird, so daß die Preßform eine exakte Form hat.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß eine kostengünstige Massenfertigung von mikrooptischen Elementen möglich ist.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen mikrooptischen Elements liegt in seiner exakten Form.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen mikrooptischen Elements liegt darin, daß es außerordentlich haltbar ist und daß sich seine Form nicht umgebungsabhängig verändert, weil es aus Glas gefertigt ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die genannten und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden aus nachfolgender Beschreibung anhand der bevorzugten Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich. Es zeigen:
Fig. 1: ein schematisches Schnittbild eines Gitter-Bezugsformstücks für eine Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2: ein schematisches Schnittbild einer Schicht aus einer Ni-P-Legierung, die die Form eines erfindungsgemäßen Gitter-Bezugsformstücks invertiert wiedergibt;
Fig. 3: ein schematisches Schnittbild einer Preßform in einem Zustand, in dem eine Metallisierungsschicht aus einer Ni-P-Legierung, die die Form der Preßform für Gitter invertiert wiedergibt, auf eine Oberfläche eines Basismatenals aufgebracht ist, das an der oberen und der unteren Ebene eines Keramik-Metall-Zylinders, der TiN als Hauptkomponente enthält, spiegelglatt poliert worden ist;
Fig. 4: ein schematisches Schnittbild einer Preßform im Zustand des Formpressens eines erfindungsgemäßen Gitters;
Fig. 5: ein schematisches Schnittbild einer Formpresse für eine Ausführungsforin der Erfindung;
Fig. 6: ein schematisches Schnittbild eines Gitters, das nach einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt worden ist;
Fig. 7: ein schematisches Schnittbild einer erfindungsgemäßen Preßform zum Formpressen eines Mikrolinsenarrays;
Fig. 8: ein schematisches Schnittbild eines Mikrolinsenarrays, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt worden ist;
Fig. 9: ein schematisches Schnittbild einer erfindungsgemäßen Preßform zum Formpressen eines kombinierten mikrooptischen Elements; und
Fig. 10: ein schematisches Schnittbild eines gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellten kombinierten optischen Elements;
Fig. 11: ein schematisches Schnittbild einer Preßform zum Form pressen einer erfindungsgemäßen Mikro-Fresnellinse; und
Fig. 12: ein schematisches Schnittbild einer Mikro-Fresnellinse in einer Ausführungsform der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Als erstes wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine Preßform zum Formpressen eines Gitters erläutert.
Ein Gitter-Bezugsformstück, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, wird in der nachstehend beschriebenen Weise hergestellt. Zunächst wird eine Dünnschicht 12 aus Aluminium (AI) auf einem flachen Glassubstrat 11 abgeschieden und mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Diffraktionsgittern ein exaktes sägezahnförmiges Gittermuster mit einer Teilung von 2 µm und einer Tiefe von 0,5 µm gebildet. Anschließend wird nach Beschichtung der Oberfläche des Gitter-Bezugsformstücks mit einem Trennmittel auf der sägezahnförmigen Dünnschicht 12 eine etwa 0,1 pm dicke Dünnschicht 22 aus Nickel (Ni) abgeschieden und dann auf die Nickelschicht 22 mit einer Galvanotechnik eine 50µm dicke Dünnschicht 21 aus einer Nickel-Phosphor- Legierung (Ni-P) aufgebracht. Die Lage 32, die die so gebildeten beiden Schichten 21, 22 umfaßt, wird von dem Gitter-Bezugsformstück abgenommen. Auf diese Weise ist die Form des Gitter-Bezugsformstücks invertiert bzw. spiegelverkehrt auf die Dünnschicht 22 übertragen worden. Fig. 2 zeigt die Dünnschichtlage 32 in diesem Zustand im Querschnitt.
Anschließend wird die rückseitige Oberfläche der Ni-P-Dünnschicht 21 der Lage 32 glattgeschliffen. Zusätzlich wird ein Keramik-Metall-Zylinder 31, der TiN als Hauptkomponente enthält und einen Durchmesser von 20 mm sowie eine Dicke von 6 mm hat, an der Ober- und an der Unterseite glattpoliert und an der Oberseite spiegelglatt poliert. Dann wird die flache Oberfläche der Lage 32 mit einem Haftmittel mit der spiegelglatten Oberfläche des Keramik-Metall-Zylinders verbunden. Fig. 3 zeigt die Preßform in diesem Zustand.
Wenn mit der in Fig. 3 gezeigten Preßform Glas formgepreßt wird, oxidiert die Oberfläche der Ni-P-Dünnschicht 22, und es kann kein sehr exaktes Gitter gebildet werden. Dann wird auf die Oberfläche der Preßform, wie in Fig. 4 gezeigt, durch Sputtern eine etwa 5 µm dicke Dünnschicht 43 aus einer Platin-Ruthenium-Tantal- Legierung (Pt-Ru-Ta) als Schutzschicht aufgebracht. Damit ist die Preßform für sehr exakte Gitter aus Glas fertig.
Die Preßform umfaßt also den Keramik-Metall-Grundkörper 31, die mit dem Grundkörper 31 verbundene Lage 32 mit der invertierten Form des Gitter-Bezugsformstücks und die auf die Lage 32 aufgebrachte Schutzschicht 43 aus der Pt-Ru-Ta- Legierung. Weil die vorstehend beschriebene Preßform eine exakte Replik mit der invertierten Form des in Fig. 1 gezeigten Gitter-Bezugsformstücks ist, können mit der Preßform sehr exakte Glasgitter geformt werden, die die gleiche Form haben wie das Gitter-Bezugsformstück.
Im folgenden wird die Herstellung eines Glasgitters mit der Preßform erläutert. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Formpresse, wie sie bei dieser Ausführungsform verwendet wird. Eine obere Preßform 53 ist an einem Block 51 montiert, der mit einem Preßkolben 510 verbunden ist. In dem Block 51 ist eine Heizeinrichtung 52 vorgesehen, und ein Thermoelement 58 mißt die Temperatur der oberen Preßform 53. Andererseits ist eine untere Preßform 59 an einem Block 57 montiert, der auf einer Basis 514 montiert ist. In dem Block 57 ist eine Heizeinrichtung 56 vorgesehen, und ein Thermoelement 59 mißt die Temperatur der unteren Preßform 59. Eine zu formende Glasplatte 54 wird zwischen die obere Preßform 53 und die untere Preßform 55 gelegt. Durch Niederdrücken des Preßkolbens 510 wird die Glasplatte 54 geformt. Es ist ein Positionsfühler 511 vorgesehen, der einen am Preßkolben 510 montierten Stopper 512 erfaßt. Eine Abdeckung 513 umschließt die obere Preßform 53 und die untere Preßform 55.
Die in Fig. 4 gezeigte Preßform wird als obere Preßform 53 verwendet, während als untere Preßform 55 eine flache Preßform verwendet wird. Die flache Preßform 55 besteht aus einem Keramik-Metall-Zylinder mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 6 mm, der TiN als Hauptl(omponente aufweist. Die obere und die untere Ebene der flachen Preßform 55 haben eine flache Oberfläche, und die obere Ebene ist spiegelglatt poliert und mit einer etwa 5 µm dicken Dünnschicht aus einer Pt-Ru-Ta-Legierung als Schutzschicht beschichtet, die durch Sputtern auf den Keramik-Metall-Zylinder aufgebracht wurde. Die Glasplatte 54 mit dem Handelsnamen SF-8, de die Form einer Scheibe mit 10 mm Radius und 1 mm Dicke aufweist, wird auf die untere Preßform 55 gelegt und die obere Preßform 53 über die Glasplatte 54 gebracht. Im Inneren der Abdeckung 513 wird eine Stickstoffatmosphäre hergestellt. Mit den Heizeinrichtungen 52, 56 wird dann die Temperatur auf 500 ºC erhöht und mit dem Preßkolben 510 ein Druck von etwa 40 kg/cm² ausgeübt, um die Glasplatte 54 zwischen der oberen Preßform 53 und der unteren Preßform 55 zu verformen und ein Glasgitter 61 herzustellen, wie es in Fig. 6 schematisch dargestellt ist. Dann wird die Temperatur auf 400 ºC herabgesetzt und das entstandene Glasgitter 61 aus der Formpresse entnommen.
Die Funktion der Preßform wird geprüft wie nachstehend erläutert. Nach 10.000- maliger Wiederholung des vorstehend erwähnten Formpreßvorgangs werden die obere Preßform 53 und die untere Preßform 55 aus der Maschine entnommen. Dann wird die Präzision der Preßform bewertet, indem der Zustand der Oberfläche, die mit der zu formenden Glasplatte 54 in Kontakt ist, unter dem Lichtmikroskop untersucht wird, während gleichzeitig die Oberflächenrauheit (quadratischer Mittelwert, Å) gemessen wird. Weil nach dem Stand der Technik keine Preßform für Präzisionsgitter vorhanden ist, werden für vergleichende Untersuchungen zwei Preßformen gefertigt, und zwar eine flache Preßform aus einem herkömmlichen gesinterten SiC-Material und eine flache Preßform mit einem Grundkörper aus Hartmetall, der WC als Hauptkomponente enthält und mit einer Schicht aus einer Pt-Ir-Legierung beschichtet ist. Mit diesen Preßformen werden in der Formpresse 10.000 Formpreßvorgänge durchgeführt, woraufhin die Präzision der Preßformen bewertet wird. Die Ergebnisse des Formpreßtests sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Tabelle 1
Von der Preßform mit flacher Oberfläche aus gesintertem SiC-Material (Probe Nr. 2) kann nach mehreren Formpreßvorgängen weder die obere noch die untere Preßform weiter verwendet werden, weil an deren Oberfläche Glas anhaftet.
Bei der Preßform mit flacher Oberfläche aus einem mit einer Pt-Ir-Legierung beschichteten WC-Grundkörper (Probe Nr.3) hat nach 10.000 Formpreßvorgängen die obere Preßform eine Oberflächenrauheit von 9,3 Å und die untere Preßform eine Oberflächenrauheit von 9,1 Å, d.h. die Oberflächenrauheit der oberen und der unteren Preßform ist fast die gleiche wie vor dem Formpressen, was bedeutet, daß die Preßformen mit flacher Oberfläche für die Massenfertigung geeignet sind. Außerdem ist der Oberflächenzustand der Preßformen gegenüber dem Zustand vor dem Formpressen völlig unverändert. Leider kann eine Preßform für Gitter, die den gleichen Aufbau wie die Probe Nr.3 hat, wegen Schwierigkeiten bei der Formung nicht hergestellt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Preßform (Probe Nr. 1) verändert sich der Oberflächenzustand auch nach wiederholtem Form pressen nicht, und auch die Oberflächenrauheit ist nach 10.000 Formpreßvorgängen ganz unverändert. Somit hat die erfindungsgemäße Preßform in etwa die gleiche Lebensdauer wie die Probe Nr. 3, obwohl die erfindungsgemäße Preßform keine flache Oberfläche wie die Probe Nr. 3, sondern eine fein strukturierte Oberfläche hat. Damit kann die Gitter-Preßform für die Massenfertigung von Präzisionsglasgittern eingesetzt werden.
Wie bereits erwähnt, kann eine Preßform zum Formpressen von Glasgittern auf einfache Weise hergestellt werden, und eine nach diesem Verfahren hergestellte Preßform ist außerordentlich haltbar und langlebig. Es können also immer wieder Glasgitter formgepreßt werden.
Außerdem ergibt sich beim Nachmessen der Form von 1 0.000 durch Form pressen hergestellten Glasgittern, daß diese dieselbe Form aufweisen wie das Gitter-Bezugsformstück. Außerdem werden wie vorstehend beschrieben hergestellte Glasgitter 300 Stunden lang in einer Atmosphäre von 60 ºC und 95 % Feuchtigkeit belassen und ihre Form nachgemessen, ohne daß eine Formveränderung festgestellt wird. Die Gitter erweisen sich somit als sehr zuverlässig.
Ein mit der Preßform hergestelltes mikrooptisches Element hat eine sehr präzise Form. Weil es aus Glas gefertigt ist, hat es eine hervorragende Haltbarkeit, und Veränderungen durch Temperatur- und Feuchtigkeitsunterschiede sind im Vergleich zu Elementen aus thermoplastischem Harz außerordentlich gering.
Zwar wird für den Grundkörper 31 der Preßform ein Keramik-Metall mit TiN als Hauptkomponente verwendet, jedoch können die gleichen Ergebnisse erzielt werden, wenn für den Grundkörper 31 ein Hartmetall mit WC als Hauptkomponente, ein Keramik-Metall mit TiC als Hauptkomponente oder ein gesintertes WC- Material verwendet wird.
Die zusammengesetzte Lage 32 wird aus hitzebeständigen Materialien hergestellt. Sie kann aus hitzebeständigem Metall, einem hitzebeständigen Metalloxid, einem hitzebeständigen Metallnitrid oder einem hitzebeständigen Metallcarbid hergestellt werden.
Obwohl als Schutzschicht 43 eine Dünnschicht aus einer Pt-Ru-Ta-Legierung verwendet wird, können selbstverständlich auch Dünnschichten aus einer anderen Legierung der Platingruppe verwendet werden, die haltbar und gegenüber Glas ziemlich inaktiv sind, um gleiche Ergebnisse zu erzielen.
Weiter ist zu sagen, daß zwar eine Galvanotechnik verwendet wird, um die Dünnschicht 22 aus der Ni-P-Legierung zu bilden, auf die die Form des in Fig. 1 gezeigten Gitter-Bezugsformstücks übertragen wird, daß jedoch jedes beliebige Verfahren verwendet werden kann, um die invertierte Form des Gitter-Bezugsformstücks zu reproduzieren.
Außerdem war bisher auch die Massenfertigung nicht nur von Gittern, sondern auch von anderen mikrooptischen Elementen aus Glas, die feine Strukturen aufweisen, nicht möglich. Jedoch läßt sich eine Preßform für ein derartiges optisches Element ebenfalls auf einfache Weise herstellen.
Fig. 7 zeigt eine Preßform für das in Fig. 8 gezeigte Mikrolinsenarray. Das Mikrolinsenarray besteht aus einer Anordnung von Mikrolinsen mit einem Durchmesser von jeweils 200 µm, die in einem ladungsgekoppelten Element, in einer Flüssigkristallanzeige oder ähnlichem zum Bündeln von Licht auf jedes Pixel verwendet werden kann, um Licht effektiv zu nutzen.
Zunächst wird ein Bezugsformstück für das Mikrolinsenarray hergestellt. Nach dem Beschichten der Oberfläche des Bezugsformstücks mit einem Trennmittel wird auf der Oberfläche des Bezugsformstücks eine etwa 0,1 µm dicke Schicht 73 aus Nickel (Ni) abgeschieden, und auf die Nickelschicht 73 wird mit einer Galvanotechnik eine 50 µm dicke Dünnschicht 72 aus einer Nickel-Phosphor-Legierung (Ni-P) aufgebracht. Die so hergestellten zwei Lagen von Dünnschichten 72, 73 werden dann vom Bezugsformstück abgenommen, und die Form des Bezugsformstücks ist invertiert auf die Dünnschicht 73 übertragen. Die Rückseite der Schicht 73 wird flachgeschliffen. Außerdem wird ein Keramik-Metall-Zylinder 71 mit TiN als Hauptkomponente, einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 6 mm poliert, um eine obere und eine untere Ebene zu erhalten, und die obere Ebene wird spiegelglatt poliert. Dann wird die Dünnschicht 72 mit einem Haftmittel zum Anhaften an die spiegelglatte Ebene des Keramil(-Metall-Zylinders gebracht. Anschließend wird auf die Oberfläche der Schicht 73 als Schutzschicht eine etwa 5 µm dicke Dünnschicht 74 aus einer Platin-Ruthenium-Tantal-Legierung (Pt-Ru-Ta) aufgesputtert. Damit ist die in Fig. 7 gezeigte Preßform fertig. Bei Verwendung dieser Preßform als obere Preßform 53 in der in Fig. 5 gezeigten Formpresse kann das in Fig. 8 gezeigte Mikrolinsenarray mit Präzision hergestellt werden.
Fig. 9 ist ein schematisches Schnittbild einer Preßform für ein zusammengesetztes mikrooptisches Element, wie es schematisch in Fig. 10 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform ist das zusammengesetzte mikrooptische Element eine Mikrogitterlinse mit einer einzelnen integrierten Sammellinse von 3 mm Durchmesser, die Aberrationen verringern kann.
Zunächst wird ein Bezugsformstück für das zusammengesetzte mikrooptische Element hergestellt. Nach dem Beschichten der Oberfläche des Bezugsformstücks mit einem Trennmittel wird auf der Oberfläche des Bezugsformstücks eine etwa 0,1 µm dicke Schicht 93 aus Nickel (Ni) abgeschieden, und auf die Nickelschicht 93 wird mit einer Galvanotechnil( eine 50 µm dicke Dünnschicht 92 aus einer Nickel-Phosphor-Legierung (Ni-P) aufgebracht. Die so hergestellte Doppellage aus den Dünnschichten 92, 93 wird vom Bezugsformstück abgenommen, und die Form des Bezugsformstücks ist invertiert auf die Dünnschicht 93 übertragen. Die Rückseite der Schicht 93 wird flachgeschliffen. Außerdem wird ein Keramik-Metall- Zylinder 91 mit TiN als Hauptkomponente, einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 6 mm poliert, um eine obere und eine untere Ebene zu erhalten, und die obere Ebene wird spiegelglatt poliert. Dann wird die Dünnschicht 92 mit einem Haftmittel zum Anhaften an die spiegelglatte Ebene des Keramik-Metall- Zylinders gebracht. Anschließend wird auf die Oberfläche der Schicht 93 als Schutzschicht eine etwa 5 µm dicke Dünnschicht 94 aus einer Platin-Ruthenium- Tantal-Legierung (Pt-Ru-Ta) aufgesputtert. Damit ist die in Fig. 9 gezeigte Preßform fertig. Sie wird als obere Preßform 53 verwendet. Als untere Preßform 55 wird eine Preßform einer vorgegebenen Form, die der Form der konvexen Linse entspricht, hergestellt. Bei Verwendung der oberen Preßform 53 und der unteren Preßform 55 in der in Fig. 5 gezeigten Formpresse können die in Fig. 10 gezeigten zusammengesetzten optischen Elemente mit Präzision gefertigt werden.
Fig. 11 zeigt eine Preßform für die in Fig. 12 gezeigte Mikro-Fresnellinse. Die Mikro-Fresnellinse von 1,2 mm Durchmesser ist eine Diffraktionslinse mit der sehr geringen Dicke von 1 µm und kann für einen Photoempfänger, einen Strahlteiler und dergleichen verwendet werden.
Zunächst wird ein Bezugsformstück für die Mikro-Fresnellinse hergestellt. Nach dem Beschichten der Oberfläche des Bezugsformstücks mit einem Trennmittel wird auf der Oberfläche des Bezugsformstücks eine etwa 0,1 µm dicke Schicht 113 aus Nickel (Ni) abgeschieden, und auf die Nickelschicht 113 wird mit einer Galvanotechnik eine 50 µm dicke Dünnschicht 112 aus einer Nickel-Phosphor-Legierung (Ni-P) aufgebracht. Die so hergestellte Doppellage aus den Dünnschichten 11 2, 113 wird vom Bezugsformstück abgenommen, und die Form des Bezugsformstücks ist invertiert auf die Dünnschicht 113 übertragen. Außerdem wird ein Keramik-Metall-Zylinder 111 mit TiN als Hauptkomponente, einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 6 mm poliert, um eine obere und eine untere Ebene zu erhalten, und die obere Ebene wird spiegelglatt poliert. Dann wird die Dünnschicht 112 mit einem Haftmittel zum Anhaften an die spiegelglatte Ebene des Keramik-Metall-Zylinders gebracht. Anschließend wird auf die Oberfläche der Schicht 113 als Schutzschicht eine etwa 5 µm dicke Dünnschicht (zur Vereinfachung nicht eingezeichnet) aus einer Platin-Ruthenium-Tantal-Legierung (Pt-Ru- Ta) aufgesputtert. Damit ist die in Fig. 11 gezeigte Preßform fertig. Bei Verwendung der Preßform als obere Preßform 53 in der in Fig. 5 gezeigten Formpresse kann die in Fig. 12 gezeigte Mikro-Fresnellinse mit Präzision hergestellt werden. Die Erfindung wurde vollständig anhand der bevorzugten Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß im Rahmen der Ansprüche zahlreiche Abwandlungsmöglichkeiten gegeben sind.

Claims

1. Herstellungsverfahren für eine Preßform (53) zum Herstellen eines mikrooptischen Elements (61; 81; 121) mit den Schritten, daß man ein Bezugsformstück (11, 12) des herzustellenden mikrooptischen Elements bereitstellt;

auf der Oberfläche des Bezugsformstücks eine erste Schicht (21, 22; 32; 72, 73; 92, 93; 11 2, 113) bildet, wobei die erste Schicht eine erste Oberfläche von invertierter Gestalt des Bezugsformstücks aufweist und im wesentlichen aus einem hitzebeständigen Material hergestellt ist;

die erste Schicht (21, 22; 32; 72, 73; 92, 93; 11 2, 113) vom Bezugsformstück trennt;

eine flache zweite Oberfläche auf der Seite der ersten Schicht (21, 22; 32; 72, 73; 92, 93; 11 2, 113) bildet, die der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist;

einen Grundkörper (31; 71; 91; 111) bereitstellt, der eine flache Ebene aufweist und hergestellt ist aus einem Metall-Keramik-Verbundwerl(stoff mit Titancarbid (TiC) oder Titannitrid (TiN) als Hauptkomponente oder aus einem gesinterten WC-Material;

die zweite Oberfläche der ersten Schicht (21, 22; 32; 72, 73; 92, 93; 112, 113) an die flache Ebene des Grundkörpers (31; 71; 91; 111) anhängt; und auf die erste Oberfläche der ersten Schicht eine zweite Schicht (43; 74; 94) aufbeschichtet, wobei die zweite Schicht im wesentlichen aus einem Material hergestellt ist, welches an Glas nicht haftet und welches bei den hohen Temperaturen, bei denen die Preßform (53) eingesetzt wird, hitzebeständig ist.

2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Schicht (21, 22; 32; 72, 73; 92, 93; 112, 113) aus einem hitzebeständigen Metall, einem hitzebeständigen Metalloxid, einem hitzebeständigen Metallnitrid oder einem hitzebeständigen Metallcarbid hergestellt ist.

3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Schicht (21, 22; 32; 72, 73; 92, 93; 112, 113) mit einem Feuchtabscheidungsverfahren des Elektroplattierens oder des stromlosen Plattierens oder mit einem Trockenverfahren der Vakuumabscheidung, des Sputterns oder des Ionenplattierens hergestellt wird.

4. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Schicht (43; 74; 94) aus einer Legierung der Platingruppe hergestellt ist, welche mindestens einen Vertreter aus Platin (Pt), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru) und Osmium (Os) enthält.

5. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem das mikrooptische Element ein Gitter (61) ist.

6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem das mikrooptische Element eine Mikro-Fresnellinse (121) ist.

7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem das mikrooptische Element ein Mikro-Linsenarray (81) ist.

8. Herstellungsverfahren für ein mikrooptisches Element (61; 81; 121) mit den Schritten, daß man

eine erste Preßform (53) für das mikrooptische Element bereitstellt, welches hergestellt wurde mit den Schritten, daß man

ein Bezugsformstück (11, 12) des herzustellenden mikrooptischen Elements bereitstellt;

auf der Oberfläche des Bezugsformstücks eine erste Schicht (21, 22; 32; 72, 73; 92, 93; 112, 113) bildet, wobei die erste Schicht eine erste Oberfläche von invertierter Gestalt des Bezugsformstücks aufweist und im wesentlichen aus einem hitzebeständigem Material hergestellt ist;

die erste Schicht (21, 22; 32; 72, 73; 92, 93; 112, 113) vom Bezugsformstück trennt;

eine flache zweite Oberfläche auf der Seite der ersten Schicht (21, 22; 32; 72, 73; 92, 93; 112, 113) bildet, die der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist;

einen Grundkörper (31; 71; 91; 111) bereitstellt, der eine flache Ebene aufweist und hergestellt ist aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff mit Titancarbid (TiC) oder Titannitrid (TiN) als Hauptkomponente oder aus einem gesinterten WC-Material;

die zweite Oberfläche der ersten Schicht (21, 22; 32; 72, 73; 92, 93; 112, 113) an die flache Ebene des Grundkörpers (31; 71; 91; 111) anhängt; und auf die erste Oberfläche der ersten Schicht eine zweite Schicht (43; 74; 94) aufbeschichtet, wobei die zweite Schicht im wesentlichen aus einem Material hergestellt ist, welches an Glas nicht haftet und welches bei den hohen Temperaturen, bei denen die Preßform (53) eingesetzt wird, hitzebeständig ist;

eine zweite Preßform (55) bereitstellt, welches mit den Schritten hergestellt wurde, daß man

eine Oberfläche des Grundkörpers schleift und eine dritte Schicht auf die Oberfläche des Grundkörpers aufbeschichtet, wobei die dritte Schicht im wesentlichen aus einem hitzebeständigen Material hergestellt ist; eine Glasplatte (54) zwischen der ersten und der zweiten Preßform (53, 55) anordnet;

die Glasplatte (54) bis auf über die Erweichungstemperatur der Glasplatte (54) erwärmt;

die Glasplatte (54) zwischen der ersten und der zweiten Preßform (53, 55) preßformt; und

die Glasplatte (54) abkühlt, um sie aus dem Bereich zwischen den zwei Preßformen (53, 55) herauszunehmen.