TWI554377B - 製造具有聚合物光學系統之光學模組的方法、光學模組及燈及其用途 - Google Patents

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Description

製造具有聚合物光學系統之光學模組的方法、光學模組及燈及其用途
本發明係關於一種製造光學模組之方法，其包含在開放式鑄模中用聚合物澆鑄配料覆蓋基板之第一表面。本發明亦關於一種光學模組，其包含具有第一表面及塗覆於第一表面上之聚合物澆鑄配料層的基板，藉此藉助於開放式澆鑄方法在聚合物澆鑄配料層中提供光學元件。
WO 2012/031703 A1描述一種板上晶片型模組之製造方法，其中基板包含具有多個LED之板狀載體，其中在開放式鑄模中提供基板之表面，該表面具有由用於提供光學系統之層組成之覆蓋層。
本發明之目標為設計一種製造具有廣泛應用之光學模組之方法。
該目標藉由一種製造光學模組之方法得以實現，該方法包含以下步驟：a.提供具有第一表面之基板，該基板呈半透明載體之形式；b.提供開放式鑄模，其中在鑄模中提供至少一種光學元件之形成物；c.在開放式鑄模中用聚合物澆鑄配料覆蓋表面，同時自澆鑄配料形成光學元件；d.在鑄模中固化澆鑄配料，藉此半透明載體與澆鑄配料一起形成光學系統。
可容易地自適合於現有需求之材料製造根據本發明之光學系統。在此類型之光學系統中，載體根據原則可由與塗覆於載體之層相同或不同之材料組成。該載體較佳由例如玻璃組成。此尤其可為紫外半透明玻璃，例如石英玻璃。
本發明之範疇中之聚合物澆鑄配料可為在所需波長範圍上為透明的任何合適的聚合物，例如聚矽氧、PMMA、聚碳酸酯或其類似物。
在本發明之範疇中，光學元件應理解為意謂允許光(視需要而定，包括在UV範圍及/或IR範圍內之光)明確傳輸之呈層形式之任何形成物。較佳實施例可使光學元件成為透鏡，例如聚光透鏡、散光透鏡、圓柱透鏡、夫瑞奈透鏡(Fresnel lens)或其類似透鏡。在其他實施例中，光學元件同樣可由光散射、藉助於稜鏡之繞射或其類似形式組成。用於光簡單傳輸之平面平行表面之形成物為根據本發明之範疇的光學系統。其中形成光學元件之聚合物層形成正好配置於基板上之光學系統。
可以多種方式覆蓋鑄模中之基板。首先可將澆鑄配料添加至鑄模中，隨後將基板浸入澆鑄配料中。或者，可首先將基板插入至少部分空置的鑄模中，隨後以控制方式添加澆鑄配料。在任一情況下，鑄模均含有較佳結構，例如鰭狀物、凸起物或其類似結構，在此結構上承載且安置基板。
在一較佳例示性實施例中，澆鑄配料不含有黏著促進劑之混合物。此導致澆鑄配料容易自鑄模脫模，其中在合適之情況中，亦可放棄使用脫模薄膜。至少使用某些澆鑄配料(例如聚矽氧)，亦可實現特別良好之紫外半透明性。
較佳地，澆鑄配料可含有用於引發固化製程之催化劑。此可涉及例如鉑或類似物質之極少混合物。催化誘導固化允許獲得高純度之 澆鑄配料。由於在多數情況下特別期望對於紫外光之高度半透明性，因此澆鑄配料不被紫外光固化為尤其較佳的。
此外，該方法較佳包含在鑄模中加熱澆鑄配料至規定溫度之步驟以引發及/或加速固化製程。例如可藉由加熱來加速催化誘導固化，其使得該方法更有效且降低甚至另外所需催化劑之量。然而，僅藉助於高溫來進行固化製程同樣是可設想的。典型的規定溫度為以下範圍，其中應預期澆鑄配料之脆化或其他退化。若澆鑄配料為聚矽氧，則例示性溫度範圍為約100℃，較佳低於140℃。除其他因素以外，規定溫度取決於哪些溫度與基板相容。
在一較佳實施例中，本發明提供在用聚合物澆鑄配料覆蓋第一表面之前，用黏著促進劑塗佈第一表面之步驟。在待塗佈之基板之表面上塗覆黏著促進劑允許避免或減少在鑄模中向澆鑄配料中混合添加劑。此外，可獲得用於塗佈之較寬範圍之澆鑄配料。另一有利的作用為固化澆鑄配料自鑄模良好脫模。在本發明之情況下，尤其不需要藉由此方法用脫模薄膜塗佈或加襯鑄模。
為了最小化自基板向聚矽氧過渡時之副作用，較佳提供黏著促進劑，其塗覆於表面上，形成平均厚度小於100nm之塗覆層。在此背景中，對於光學性質而言，需要黏著促進劑層之厚度小於穿過光學元件之光之波長的一半。更佳地，該層之厚度小於10nm，尤其不超過10個單層。由於黏著促進劑之功能，僅應用一個單層為理想且所需的。
可將黏著促進劑以合適之方式塗覆於基板，例如藉由浸入、氣相沈積、應用液滴、噴霧或藉助於旋塗。尤其較佳為在塗覆之後使塗覆層變薄，例如藉由吹掉過量之黏著促進劑。
較佳地，黏著促進劑自身抗紫外線。若黏著促進劑層足夠薄，則至少可容許黏著促進劑藉由紫外輻射發生退化。用於澆鑄配料之黏 著促進劑通常為已知的且取決於待使用之基板。黏著促進劑通常為具有與基板結合之第一端基以及與澆鑄配料結合之第二端基的分子。黏著促進劑較佳為藉助於化學鍵與澆鑄配料結合之黏著促進劑。取決於現有情況，黏著促進劑可藉助於化學及/或物理鍵與基板結合，例如藉由黏合力或凡得瓦爾力。若澆鑄配料為例如聚矽氧，則典型之黏著促進劑係由例如反應性矽氧烷及矽樹脂之混合物組成。端基尤其可經過最佳化以適合於基板。
為了使開放式澆鑄方法最佳化，本發明提供在固化之前低於1,000mPa*s之澆鑄配料黏度。較佳地，黏度低於100mPa*s，尤其較佳低於50mPa*s。上述低黏度允許快速填充鑄模而不產生氣泡，且尤其允許覆蓋基板而不產生氣泡。在此背景中，藉由浸入之基板所置換之任何過量的澆鑄配料可在溢流中容易地流出。
本發明通常適宜提供具有在10至90肖氏(Shore)A範圍內之硬度之固化澆鑄配料。硬度尤其較佳在50到75肖氏A範圍內。此提供充足之機械穩定性以便甚至確保複雜光學系統之準確塑形。此外，塗層之高彈性提供極好保護以使其不受機械性影響，例如衝擊、振動或熱誘導之機械拉伸。
一通常較佳的實施例提供由對超過1W/cm2且波長範圍在400nm以下之照射強度具有持久抗紫外線性的澆鑄配料組成的光學元件。對於超過10W/cm2之照射強度亦具有明顯抗性為尤其較佳的。高純度聚矽氧尤其為在紫外輻射下使用之極好材料已為顯而易知的。在此背景中，持久抗性應理解為意謂輻射曝露可持續至少數月之長時間段而無聚矽氧的顯著退化或顏色變化及/或黃化。因此，對於據估計約為0.15W/cm2之日光，根據本發明之模組之較佳抗紫外線性顯著高於材料之普通抗紫外線性。
在一通常較佳之實施例中，本發明提供(至少主要)由聚矽氧組成 之聚合物澆鑄配料。聚矽氧提供用於在開放式鑄模中有效加工之良好性質，例如在黏度、反應性、黏合力等方面。
一較佳改進提供在置放於鑄模中之前呈至少兩種聚矽氧之混合物形式之聚矽氧。該等雙組分或多組分系統為市售的，其中混合尤其兩種高純度聚矽氧轉而再次產生高純度聚矽氧，其中混合引發固化製程及/或交聯製程。因此，例如可設計一種聚矽氧，使得其含有用於固化不獨立交聯該聚矽氧之混合物之催化劑。
聚矽氧通常適宜為高純度的且含有低於100ppm之雜質。雜質含量尤其較佳低於10ppm。術語雜質應理解為意謂除催化劑以外，不是交聯、固化聚矽氧系統自身之部分的所有有機或其他混合物。混合黏著促進劑為不合需要之雜質之實例。大體而言，亦將包含碳鏈鍵之組分視為不合需要之雜質。此類型之鍵通常不具有抗紫外線性。根據本發明所需之聚矽氧因此至少在固化之後包含不超過一個碳原子，例如呈甲基殘基之形式。聚矽氧之高純度尤其允許其實現特別高的抗紫外線性。此不僅適用於聚矽氧之機械阻力，而且適用於光學耐久性，因為即使存在少量雜質也與曝露在紫外線下之聚矽氧之過早黃化相關。
取決於個別設計，根據本發明之光學模組可傳輸尤其在紫外範圍或紅外範圍內之高輻射強度。其較佳可用於製造將高照射密度集中於規定結構中之燈。一尤其較佳用途為製造用於乾燥塗層之裝置。此類型之裝置可用於在印刷程序中、尤其在平版印刷程序中乾燥漆。
另一較佳實施例在步驟d之後另外提供待塗佈之第二表面，其中第二表面之塗佈亦包含程序步驟a至d。因此，例如可在中心載體(例如玻璃板)上製造層之兩側經相同或不同地成形之光學系統。
在此背景中，第二表面可為基板之第二表面(例如就塗層而言)、與第一塗層相對之基板之側面或任何其他表面。此尤其可涉及第一塗層之外表面，藉由重複應用根據本發明之方法將第二塗層塗覆於該外 表面上。取決於現有需求，可將第二層恰巧塗覆於第一層上。或者，第二表面同樣可屬於首先塗覆於例如第一塗層上的中間層(例如塗層、沈積金屬等)。
本發明之目標亦藉由一種光學模組得以實現，該光學模組包含具有第一表面及塗覆於第一表面上之聚合物澆鑄配料層之基板，其中藉由開放式澆鑄方法在澆鑄配料層中提供光學元件，其中以半透明載體之形式提供基板，該基板連同該層一起形成光學系統。
根據本發明之光學模組亦較佳包含一或多個根據技術方案1至13中任一項之特徵。在此背景中，聚合物澆鑄配料尤其較佳由聚矽氧(尤其為具有更多上述較佳特徵之聚矽氧)組成。可尤其根據本發明之方法製造光學模組。但是，根據原則，同樣可藉由不同方法製造光學模組。
本發明之目標亦藉由包含根據本發明之光學模組之燈得以實現。
根據本發明，此類型之燈較佳用於乾燥層。此可較佳地涉及在印刷程序中使用。
根據以下描述之例示性實施例以及附屬申請專利範圍，本發明之其他優點及特徵為顯而易知的。
根據圖1之光學模組包含基板1，黏著促進劑2之層已塗覆於該基板上。已將聚合物澆鑄配料之成形層3塗覆於黏著促進劑2上，且在本發明之情況中，成形層3包含複數個呈聚光透鏡形式之光學元件4。在以下描述之例示性實施例之每一者中，聚矽氧為澆鑄配料。大體而言，其他聚合物澆鑄配料同樣為合適的。
在此背景中，基板係由半透明載體1(在本發明之情況中為玻璃板)組成。載體1及一或多個聚矽氧層3、3'(參見圖4、圖5)共同形成光學系統10，該等聚矽氧層已類似於第一實例經過塗覆且其中提供有光學元件4、4'。在本發明之情況中，基板及/或半透明載體1各自顯示為具有平面平行表面之板。取決於現有需求，載體同樣可包含光學元件，例如透鏡。
在根據圖1上圖之實例中，提供呈聚光透鏡形式之光學元件4。
在根據圖1中圖之實例中，提供呈夫瑞奈透鏡形式之光學元件4。
在根據圖1下圖之實例中，提供呈光繞射結構及/或形成物之準隨機集合形式之光學元件4，藉由該準隨機集合達到散射效果。
層3、3'各自由硬度約為65肖氏A之高純度聚矽氧組成。聚矽氧為無色且透明的。聚矽氧在約300nm至約1,000nm之波長範圍內為高度半透明的。聚矽氧對波長為400nm以下且能量密度超過10Watt/cm2之持久照射具有抗紫外線性。
根據以下方法製造上述光學模組中之每一者：首先，提供開放式鑄模6(參見圖2)，其含有用於光學元件4之形成物之陰模。此外，在模具6中提供於一定位置承載基板1之呈鰭狀或 凸起形式之支撐體6a。
隨後，可能在清潔步驟之後用黏著促進劑2塗佈待塗佈之基板1之表面5。隨後例如藉由塗覆該物質之液滴且吹掉任何過量之該物質來進行塗佈，該吹掉操作亦乾燥殘留之黏著促進劑。在理想情況中，塗覆之黏著促進劑之厚度僅等於一個單層，在任何情況下厚度較佳為小於100nm。
一旦如所述那樣製備了基板，則製造兩種組分之聚矽氧混合物且將其置放於開放式鑄模中。該等組分中之一者含有催化劑且另一組分含有交聯劑。在本發明之情況中，混合物之黏度低於50mPa*s。作為原則問題，儘管固化製程在例如室溫之低溫下非常緩慢地進行，但是混合組分仍引發該製程。
隨後，以控制方式將基板置放於鑄模中，其中經塗佈之表面5面向下，且將該基板浸入聚矽氧混合物中(參見圖2左圖)。
詳言之，在此背景中可在鑄模上提供溢流7，如圖3圖解說明。該溢流及聚矽氧之低黏度共同確保基板之浸入深度為明確的且任何經基板置換之聚矽氧尤其可流出。藉由此方法，在任何有需要的情況下不僅可確保基板之表面5、而且可確保基板之正面被層3之圓周邊緣8覆蓋，而基板之背面9未被塗佈。但在其他實施例中，基板之完全包裹可能為需要的。
當載體基板1在其邊緣處或在邊對邊配置之多個該等模組上被承載時，邊緣8不僅對於載體基板1具有保護功能，而且實現基板之直接的、無縫隙的、透明的配置，且因此將在兩個載體基板之間的光學邊界上的光偏差最小化。
一旦將基板安置於支撐體6a上，就根據需要檢查表面5是否完全潤濕且尤其不形成氣泡。在本發明之一可能改進中，同樣可在真空下浸入基板以防止產生氣泡問題。然而，由於黏度較低，通常在不存在 真空之情況下亦可實現無氣泡塗佈。
在安置之後，固化及/或交聯聚矽氧。以有利方式，藉由提高溫度，其得到明顯地加速。典型地，在約100℃之溫度下，固化可在半小時內完成。在150℃範圍內之溫度下，固化典型地可僅在幾分鐘內完成。對於此熱固化製程，溫度之選擇必須亦將各別基板之性質考慮在內。
一旦固化聚矽氧，就可將目前塗佈之基板自可再用之鑄模中取出，如圖2右圖所示。
由於在本發明之情況中使用聚矽氧中無任何黏著促進劑之混合物之高純度聚矽氧，因此不需要其他旨在將聚矽氧3自模6脫模之措施。詳言之，未用脫模薄膜或其類似物加襯鑄模。此簡化製造且能夠非常準確地重現鑄模之結構。
如需要，則可反覆應用上述方法以實現相同目標。圖4及圖5顯示本發明之實施例，其各自顯示圖4之實例之該等改進。在各情況下，在製造具有光學元件4之第一層3之後，製造具有光學元件4'之第二層3'。
在根據圖4之實例之情況下，將第二層3'塗覆於基板1之背面及/或對面上，其中在本發明之情況中基板1以平板形式提供。出於此目的，基板僅需要在未塗佈之側面9上提供黏著促進劑2，接著將該基板向前插入相應之鑄模6中。其他程序步驟與上述程序相對應。
在圖4所示之實例中，出於說明目的，已用複數個聚光透鏡4塗佈第一表面5(即基板1之正面)。已用各自與聚光透鏡4對準之夫瑞奈透鏡4'塗佈第二表面9(即基板1之背面)。
在圖5所示之實例中，首先將在本發明之情況中具有夫瑞奈透鏡之層3塗覆於第一表面5(即基板之正面)。隨後，將黏著促進劑2塗覆於該層3上且隨後將具有聚光透鏡4'之第二層3'塗覆於第一層3上。在 該情況下，經塗覆之第一層3為根據本發明範疇之基板，且基板之外表面為第二表面9。
作為原則問題，該等多個層之編號及設計無論如何均不受限制。
該等層同樣可在澆鑄材料之組成上不同，尤其為不同之澆鑄材料及/或澆鑄材料之混合物。因此，可將不同性質組合，或可幾乎逐漸地影響藉由應用許多層所得之光學性質，例如藉助於所用澆鑄材料之折射率之稍微變化。同樣，在例如藉由矽烷化聚矽氧邊界層，藉助於濺鍍、噴霧、濕潤或任何其他常規表面塗佈程序之介電質或金屬塗佈來塗覆下一層之前，可影響且改變最終流邊界層。
上文規定使用特別純的聚矽氧為較佳的，以便優化在臨界波長範圍內之高程度之透射及材料抗力。作為原則問題，可用光學有效材料填充澆鑄材料以便因此產生其他光學功能性，例如藉助於引入磷光及螢光物質(例如稀土元素)來變換光波長，或藉助於引入散射物質(例如透明或半透明粒子(例如由玻璃或陶瓷材料製成)或金屬粒子)來影響光學系統之不透明度。
圖6顯示如上文所述之光學系統10與二維光源結合之較佳用途。在該情況下光源以具有呈陣列配置之多個LED之LED模組11之形式提供。光學系統位於光源前面一定距離處，且藉助於各自分配給一個LED之聚光透鏡以所需方式折射個別LED之光。
圖7顯示另一較佳用途，其中將LED模組11與根據圖1之本發明之模組組合。在此背景中，提供LED模組11以具有一次光學系統(primary optical system)12。作為光學系統10提供之光學模組配置於第一光學模組之上游。兩個模組均較佳包含多個聚光透鏡，各聚光透鏡均與LED關聯，其共同起作用以傳輸LED之較大張角。
可例如根據WO 2012/031703 A1之教示內容製造具有一次光學系 統12之LED模組11。
1‧‧‧基板/半透明載體/載體基板
2‧‧‧黏著促進劑
3‧‧‧聚合物澆鑄配料/聚矽氧層/聚矽氧/第一層
3'‧‧‧聚矽氧層/第二層
4‧‧‧光學元件/聚光透鏡
4'‧‧‧光學元件/夫瑞奈透鏡/聚光透鏡
5‧‧‧第一表面
6‧‧‧開放式鑄模/模具/鑄模
6a‧‧‧支撐體
7‧‧‧溢流
8‧‧‧圓周邊緣
9‧‧‧背面/第二表面
10‧‧‧光學系統
11‧‧‧LED模組
12‧‧‧一次光學系統
以下描述若干本發明之較佳例示性實施例，且基於隨附圖式來更詳細地說明該等實施例。在圖式中：圖1顯示根據本發明之光學模組之三種變體的截面圖。
圖2顯示在製造根據本發明之光學模組期間，開放式鑄模及基板之兩種視圖。
圖3顯示根據圖2之鑄模之變體。
圖4顯示根據圖1之模組之第一改進。
圖5顯示根據圖1之模組之第二改進。
圖6顯示根據圖1之模組之用途的實例。
圖7顯示本發明之不同例示性實施例之組合用途的實例。
1‧‧‧基板/半透明載體/載體基板
2‧‧‧黏著促進劑
3‧‧‧聚合物澆鑄配料/聚矽氧層/聚矽氧/第一層
4‧‧‧光學元件/聚光透鏡
5‧‧‧第一表面
6‧‧‧開放式鑄模/模具/鑄模
6a‧‧‧支撐體
8‧‧‧圓周邊緣

Claims (16)

  1. 一種製造光學模組之方法，其包含以下步驟：a.提供具有第一表面(5)之基板(1)，該基板呈半透明載體之形式；b.提供開放式鑄模(6)，其中在該鑄模(6)中提供至少一種光學元件(4、4')之形成物；c.在該開放式鑄模中用聚合物澆鑄配料(3)覆蓋該表面(5)，同時自該澆鑄配料(3)形成該光學元件，其中該聚合物澆鑄配料(3)不含有黏著促進劑之混合物；d.在該鑄模中固化該澆鑄配料，藉此該半透明載體與該澆鑄配料(3)一起形成光學系統(10)，其中在用該聚合物澆鑄配料(3)覆蓋該第一表面(5)之前，用黏著促進劑(2)塗佈該第一表面(5)。
  2. 如請求項1之方法，其中該聚合物澆鑄配料含有用於引發固化製程之催化劑。
  3. 如請求項1或2之方法，其包含以下步驟：在該鑄模中加熱該聚合物澆鑄配料(3)至規定溫度以引發及/或加速固化製程。
  4. 如請求項1或2之方法，其中將該黏著促進劑(2)塗覆於該表面(5)上，其中塗覆層之平均厚度小於100nm。
  5. 如請求項1或2之方法，其中在固化之前該聚合物澆鑄配料(3)之黏度低於1,000mPa*s。
  6. 如請求項1或2之方法，其中該固化澆鑄配料(3)之硬度在10至90肖氏A之範圍內。
  7. 如請求項1或2之方法，其中該光學元件(3)係由對超過1W/cm2且 波長範圍在400nm以下之照射強度具有持久抗紫外線性之該聚合物澆鑄配料(3)組成。
  8. 如請求項1之方法，其中該聚合物澆鑄配料(3)至少主要由聚矽氧組成。
  9. 如請求項2之方法，其中該聚合物澆鑄配料(3)至少主要由聚矽氧組成。
  10. 如請求項8或9之方法，其中在將該聚矽氧(3)放入該鑄模(6)之前，以至少兩種聚矽氧之混合物形式提供該聚矽氧(3)。
  11. 如請求項8或9之方法，其中該聚矽氧(3)為高純度的且含有低於100ppm之雜質。
  12. 如請求項1、2、8或9之方法，其包含以下步驟：在步驟d之後塗佈第二表面(9)，藉此該第二表面(9)之該塗佈亦包含程序步驟a至d。
  13. 一種光學模組，其包含具有第一表面(5)之基板(1)，及塗覆於該第一表面(5)上之聚合物澆鑄配料層(3)，藉此藉助於開放式澆鑄方法在該澆鑄配料層(3)中提供光學元件(4)，其特徵在於以半透明載體之形式提供該基板(1)，其連同該層一起形成光學系統(10)。
  14. 如請求項13之光學模組，其另外包含一或多個如請求項1至12中任一項之特徵。
  15. 一種燈，其包含如請求項13或14之光學模組。
  16. 一種如請求項15之燈之用途，其用於乾燥層，尤其用在印刷程序中。
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