WO1998048306A1 - Verfahren und form zur herstellung miniaturisierter formenkörper - Google Patents

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Manfred Lacher
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Bernhard Pech
Jens Hossfeld
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    • G02B6/2931—Diffractive element operating in reflection

Definitions

  • the invention relates to a miniaturized optical component according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a manufacturing method for such components.
  • DE 3611246 C2 proposed that the optical components of the component, including the Echelette grating or grids, be produced by means of X-ray lithography, X-ray depth lithography, galvanoplastic or an imaging technique derived therefrom, the grating lines running parallel to the X-ray radiation.
  • this method has the disadvantage that three-dimensional structures, such as mirrors curved in two planes, cannot be produced, because no structuring is possible in the direction of the X-rays due to the linear propagation.
  • LIGA technology opens up a wide variety of shapes and materials as well as high precision of the detail structures (see, for example, W. Ehrfeld, H. Lehr, Rad. Physics and Chemistry, 1995, Pergamon Press). This results in mold inserts which can be replicated as plastic, metal or ceramic parts using various molding techniques and which are structured only on the side walls of the hollow body.
  • the optical component In these miniaturized optical components, there is a further disadvantage that, owing to the layer thickness of the optical component which is limited by the production method, the optical component must be provided on the top and bottom with a substrate, so that a layer waveguide arrangement is formed in which the light is reflected by total reflection the boundary of the micro device to the substrate is guided within the micro device. Since this interface is generally not sufficiently smooth, disturbing stray radiation occurs.
  • the invention has for its object to provide an optical component in which the manufacture of the components in common operations is possible with the elimination of a separate adjustment.
  • This object is achieved with a component in which the free jet arrangement is located in a cavity which is delimited by a one-piece component which is produced by molding and which has the optical microstructure and the connection structure for light on its inner surface facing the cavity.
  • a one-piece component in which the optical microstructures and connection structure are already produced during manufacture, offers the advantage that no adjustment of the individual optical components is necessary. The spatial allocation is thus shifted into the manufacturing process, whereby a much higher accuracy can be achieved than would be possible when assembling individual components.
  • a curved diffraction grating structure can be considered as the optical microstructure. It is also possible to form a plurality of microstructures on the inner surface, which can comprise at least one planar or curved diffraction grating structure and at least one planar or curved concave mirror structure.
  • the component can have at least one recess for receiving a detector.
  • the one-piece component can consist of metal, an alloy, a ceramic or a plastic. According to a further embodiment, there is also the possibility of combining several materials, so that despite temperature or humidity fluctuations, a consistently high precision with regard to the spatial assignment of the microstructures is retained.
  • the component can preferably have a plurality of layers of different materials.
  • the method for producing such an optical component is characterized in that a molded body with structures on its outside which are complementary to the optical microstructure (s) and the connection structure for light of the optical component is molded.
  • the basic shape of the molded body can preferably be produced from only one material in a single inexpensive molding step. Any materials or combinations of materials, in particular plastics, which are adapted to the intended application can be used as materials.
  • a polymer material for example PMMA or PC, is preferred. used.
  • the material must be able to completely fill structures with detailed dimensions in the submicron range without the formation of disturbing cavities.
  • the solidification takes place by curing, for example when using reactive resins, or by cooling, for example when using molten polymer material. It is also possible to introduce casting resins based on methacrylic into the mold and to carry out polymerization in the mold.
  • planar or curved diffraction grating structures, planar or curved mirror structures and / or at least one connection structure for polychromatic and / or monochromatic light on or in the walls of the self-adjusting mold inserts can be provided as structures in optical microcomponents.
  • the mold body After the mold body has been removed from the mold, it is molded to produce the optical component. Before molding, at least some of the microstructures of the molded body are preferably mirrored.
  • the molding can be done by applying at least one metallic layer and / or one plastic layer to the molded body.
  • the material of the molded body is then removed, which can be done, for example, using known etching techniques.
  • the optical component is preferably constructed by selective deposition of various functional layers on the molded body.
  • the surface coating is carried out, for example, in a location-selective manner on the mold body and serves several purposes:
  • Electroplating process as a starting layer with the highest reflectivity in the mirror and grating area as an absorption layer for wall areas that are not in the target beam path.
  • the layers can be applied by selective vapor deposition, sputtering or electroplating of metallic layers, the spatial selectivity being achieved by masking during the coating.
  • Mirror and grating areas on the first mold body are typically covered with a gold layer, whereas the general starting layer e.g. consists of black chrome and thus reduces stray light effects when the optical component is used as a spectrometer due to a very low degree of reflection.
  • the metal body is further built up and reinforced by galvanic deposition, so that finally a stable metallic sheathing of the molded body is present.
  • the polymer core is then removed, for example by rinsing with a solvent, so that ultimately a metallic hollow body is present.
  • a solvent for example, a solvent for removing metallic hollow body from a material that is present.
  • Other materials such as ceramics, alloys or plastics, for example also in combination with one another or with metal, can also be used for the production of the hollow body, a structure being produced in layers or layers.
  • a suitable plastic is, for example, an epoxy resin.
  • a metallic optical component In order to minimize the thermal expansion coefficient of a metallic optical component, this can e.g. made of nickel-iron alloy with a low expansion coefficient (e.g. 65% Fe, 35% Ni).
  • a metallic optical component e.g. made of nickel-iron alloy with a low expansion coefficient (e.g. 65% Fe, 35% Ni).
  • the resulting stable metallic hollow body thus has decisive advantages over moldings which consist of polymer materials or in which light is guided in polymer materials:
  • the electromagnetic radiation introduced into the hollow bodies is not attenuated, dispersed or caused by any wavelength
  • Absorption impaired e.g. occurs with polymer materials in the ultraviolet and infrared range.
  • a metallic molded body has a higher mechanical
  • a hollow body can also be used as the molded body. It is advantageous here that the molded body can be removed more quickly, for example by detaching it. Exemplary embodiments are explained in more detail below with the aid of the schematic drawings:
  • FIG. 1 shows an optical component according to the invention in section
  • Fig. 5 shows the three-dimensional representation of a molded body.
  • a free jet arrangement is located in the cavity 61 delimited by the one-piece component 60.
  • the inner surface 62 of the component 60 facing the cavity 61 has optical microstructures 21b and 22b, a connection structure 23b for light and a connection structure 24b for receiving a detector.
  • the two optical microstructures 21b here represent concave mirrors.
  • a diffraction grating structure 22b is arranged on the opposite inner surface.
  • the component consists of a layer of a material, for example metal.
  • the optical microstructures 21b and 22b are mirrored.
  • the remaining inner surface of the optical component can have a light-absorbing layer, for example black chrome, for reducing scattered light.
  • the optical component each has a wall which closes the cavity in a light-tight manner to the outside.
  • the beam path in the cavity of the optical component is indicated by solid and broken lines.
  • Light is directed into the cavity 61 via the connection structure 23b, the divergent light beams 50 being parallelized by the concavely curved left focusing mirror 21b and directed onto the grating 22b.
  • the light beams are split in an angle-dispersive manner and fed to another, the right-hand focusing mirror 21b, which images the different wavelengths in a location-dispersive manner in a plane that lies on the connection structure 24b.
  • connection strukmr 23b for light can be a holder and holder for an optical fiber.
  • connection structure 23b can be a channel-like recess in the component 60, in which the glass fiber can be inserted and its position can be fixed by means of an adhesive.
  • optical structures 21b, 22b, 23b and 24b are integrated in the component 60, these structures are fixed in their position when the component is manufactured. This eliminates the need to adjust the structures and fix them in position after manufacture.
  • FIG. 2 A further optical component according to the invention is shown in FIG. 2.
  • the component that closes the cavity 61 is formed by two layers 63 and 64.
  • the inner layer 63 has on its inner surface 62 a curved lattice structure 25, a connection structure 23b for light and connection structure 24b for a detector.
  • the lattice structure 25 is mirrored, whereas the remaining inner surface 62 is provided with a light-absorbing layer.
  • the beam path of the light is indicated by the solid and dashed lines.
  • the diverging incident light 50 is imaged by the concavely curved diffraction grating structure 25, for example a holographic grating, in an image plane that lies on the connection structure 24b.
  • the inner layer 63 can be, for example, a thin metallic layer which is surrounded by an outer layer 64, for example an epoxy resin, in order to increase the mechanical stability. It is also conceivable that the component is made up of more than two layers.
  • FIG. 3 shows the top view of a mold 1, which consists of two mold inserts 2 and 4.
  • a molded body can be obtained by molding, which in turn is used for the molding production of the optical component shown in FIG. 1.
  • the inner wall 15 of the mold insert 2 has two concave mirror structures 21.
  • the opposite inner wall 12 of the mold insert 4 has a connection structure 23 for light, a connection structure 24 for a detector and a planar diffraction grating structure 22.
  • the non-structured base plate and the top plate which lie below and above the sectional plane shown and which close off the mold cavity, are not shown.
  • the mold insert 2 has groove-shaped depressions 33 and the mold insert 4 has correspondingly shaped projections 34 which engage in these recesses.
  • the adjustment means 33, 34 precisely adjust them relative to one another.
  • FIG. 4 shows the section through a molded body 5 produced with mold 1, which is used to produce the optical component according to FIG. 1.
  • the structures 21-24 of the mold 1 can be found in the mold body 5 as corresponding structures 21a-24a. Since the structures 21a and 22a are intended to produce concave mirrors or a grating, a metallic coating is required to produce a mirror layer.
  • This molded body is now, for example galvanically, molded.
  • the surface of the molded body 5 is provided with an electrically conductive starting layer. This can be done by sputtering or vapor deposition, for example a layer of black chrome, which is characterized by a low degree of reflection.
  • a metal layer for example made of an iron-nickel alloy, is then galvanically grown. It can be electrodeposited until the resulting layer thickness establishes sufficient mechanical stability, or one or more further layers of one or different materials, for example an epoxy resin, are applied.
  • the molded body 5 is then removed from the component thus obtained. This can be done by dissolving out using a suitable solvent or solvent mixture.
  • the solvent can be brought to the molded body 5 via the connection structures 23b, 24b.
  • the molded body 5 is particularly advantageously designed as a hollow body, as a result of which the dissolution is accelerated due to the larger inner surface.

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Abstract

Es wird ein miniaturisiertes optisches Bauelement mit einer Freistrahlanordnung, die mindestens eine optische Mikrostruktur (21b, 22b) und mindestens eine Anschlussstruktur (23b) für Licht aufweist, beschrieben, das eine Fertigung der Komponenten in gemeinsamen Arbeitsgängen unter Wegfall einer gesonderten Justierung ermöglicht. Hierzu befindet sich die Freistrahlanordnung in einem Hohlraum (61), der von einem einstückigen, abformtechnisch hergestellten Bauteil (60) begrenzt ist, das auf seiner dem Hohlraum zugewandten Innenfläche (62) die optische Mikrostruktur (21b, 22b) und die Anschlussstruktur (23) für Licht aufweist. Das Bauteil (60) kann aus einer oder mehreren Lagen bestehen. Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemässen optischen Bauelementes sieht vor, dass ein Formenkörper mit Strukturen an seiner Aussenseite, die zu der oder den optischen Mikrostruktur/en und der Anschlussstruktur für Licht des optischen Bauelementes komplementär sind, abgeformt wird. Die optischen Mikrostrukturen des Formenkörpers können vor der Abformung verspiegelt werden. Bei dem Abformen werden mindestens eine metallische und/oder eine Kunststoffschicht auf dem Formenkörper aufgebracht. Anschliessend wird das Material des Formenkörpers entfernt.

Description

Verfahren und Form zur Herstellung miniaturisierter Formenkörper
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein miniaturisiertes optisches Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Herstellungsverfahren für solche Bauelemente.
Komplexe optische miniaturisierte Bauelemente wurden bisher in der Weise hergestellt, daß die Einzelkomponenten wie Beugungsgitter, Spiegel usw. in getrennten Fertigungsverfahren hergestellt, dann sorgfältig justiert und montiert werden mußten. Für die Massenfertigung waren diese Verfahren nicht geeignet, weil jedes optische miniaturisierte Bauelement die aufwendige Justierung der Einzelkomponenten erforderlich macht.
Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde in der DE 3611246 C2 vorgeschlagen, die optischen Komponenten des Bauelementes einschließlich des oder der Echelette-Gitter auf röntgenlithographischem, röntgentiefenlithographisch- galvanoplastischem oder hiervon abgeleiteten abformtechnischem Wege herzustellen, wobei die Gitterlinien parallel zur Röntgenstrahlung verlaufen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß dreidimensionale Strukturen, wie z.B. in zwei Ebenen gekrümmte Spiegel nicht hergestellt werden können, weil in Richtung der Röntgenstrahlung wegen der geradlinigen Ausbreitung keine Strukturierung möglich ist. Bei diesen mikrotechnischen Verfahren eröffnet die LIGA-Technik eine große Form- und Materialvielfalt sowie eine hohe Präzision der Detailstrukturen (s. z.B. W. Ehrfeld, H. Lehr, Rad. Physics and Chemistry, 1995, Pergamon Press). Dabei entstehen Formeinsätze, die durch verschiedene Abformtechniken als Kunststoff-, Metall- oder Keramikteil repliziert werden können und eine Strukturierung nur an den Seitenwänden des Hohlkörpers aufweisen.
Durch die Abformung eines mittels LIGA-Technik gefertigten, geöffneten Hohlkörpers wird dessen Seitenwandprofil (z.B. Gitter, Spiegel) übertragen. Die optischen Elemente weisen dabei nur in einer Ebene eine Krümmung auf, so daß eine Fokussierung des Lichts nur in dieser Ebene stattfindet. Bei der Herstellung miniaturisierter optischer Bauelemente wird zur Führung und Begrenzung des Lichtwegs in der dazu senkrechten Richtung deshalb eine Schichtwellenleiteranordnung eingesetzt, deren Höhe beschränkt ist (vgl. z.B. Interdisciplinary Science Reviews, 1993, 18, No. 3, S. 273).
Bei diesen miniaturisierten optischen Bauelementen besteht ein weiterer Nachteil darin, daß aufgrund der durch das Herstellungsverfahren begrenzten Schichtdicke des optischen Bauelementes dieses an der Ober- und Unterseite mit jeweils einem Substrat versehen werden muß, so daß eine Schichtwellenleiteranordnung entsteht, bei der das Licht durch Totalreflexion an der Grenze des Mikrobauelementes zum Substrat innerhalb des Mikrobauelementes geführt wird. Da diese Grenzfläche im allgemeinen nicht genügend glatt ausgeführt ist, tritt hierbei störende Streustrahlung auf.
Wegen der Modenabhängigkeit der Ausbreitungskonstanten tritt bei Schichtwellenleiteranordnungen jedoch eine Auflösungsverminderung ein (vgl. A. Reule, Optik 66, No. 1 (1983), S. 73-90). Es ist daher wünschenswert, eine Freistrahloptik bei miniaturisierten Bauelementen zu realisieren, bei der die Lichtstrahlen sich ungehindert im miniaturisierten optischen Bauelement ausbreiten können. Es muß daher nach einem Herstellungsverfahren gesucht werden, das es gestattet, in zwei Ebenen gekrümmte Seitenwände des miniaturisierten Bauelementes zu fertigen und damit eine Fokussierung des Lichts in zwei zueinander senkrechten Ebenen sowie eine verbesserte Auflösung zu realisieren.
Es sind zwar sogenannte monolithische Mimaturspektrometer bekannt, die eine solche Freistrahloptik erlauben, allerdings muß hier zunächst ein Glaskörper ohne Strukturierung hergestellt werden. Alle optischen Komponenten, wie abbildendes Gitter, Faserquerschnittswandler als optische Eingänge und Diodenzeilen als opto-elektronische Ausgänge sind um den Zentralkörper angeordnet und müssen mit diesem verklebt werden, was ebenfalls bei jedem Bauelement eine entsprechende Justierung erforderlich macht.
Ein ähnliches Verfahren ist aus der EP 0 489 286 Bl bekannt. Das Ausbilden von Strukturen durch Heißpressen einzelner Flächen eines Glaskörpers wird in der DE 32 16 516 AI beschrieben, wobei dann, wenn mehrere Flächen strukturiert werden sollen, mehrere Glaskörper hergestellt und bearbeitet und anschließend zusammengeklebt werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Bauelement zu schaffen, bei dem die Fertigung der Komponenten in gemeinsamen Arbeitsgängen unter Wegfall einer gesonderten Justierung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Bauelement gelöst, bei dem sich die Freistrahlanordnung in einem Hohlraum befindet, der von einem einstückigen, abformtechnisch hergestellten Bauteil begrenzt ist, das auf seiner dem Hohlraum zugewandten Innenfläche die optische MikroStruktur und die Anschlußstruktur für Licht aufweist. Ein einstückiges Bauteil, bei dem während der Herstellung bereits die optischen MikroStrukturen und Anschlußstruktur hergestellt werden, bietet den Vorteil, daß keinerlei Justierung der einzelnen optischen Komponenten notwendig ist. Die räumliche Zuordnung wird somit in den Herstellungsprozeß verlagert, wodurch eine weitaus höhere Genauigkeit erreicht werden kann, als dies beim Zusammensetzen einzelner Bauteile möglich wäre.
Als optische MikroStruktur kann eine gekrümmte Beugungsgitterstruktur in Frage kommen. Es ist auch möglich, mehrere MikroStrukturen an der Innenfläche auszubilden, die mindestens eine planare oder gekrümmte Beugungsgitterstruktur und mindestens eine planare oder gekrümmte Hohlspiegelstruktur umfassen kann.
Zusätzlich kann das Bauteil mindestens eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Detektors aufweisen.
Das einstückige Bauteil kann aus Metall, einer Legierung, einer Keramik oder einem Kunststoff bestehen. Es besteht auch die Möglichkeit gemäß einer weiteren Ausführungsform mehrere Materialien zu kombinieren, so daß trotz Temperatur- oder Feuchtigkeitsschwankungen eine gleichbleibend hohe Präzision bezüglich der räumlichen Zuordnung der MikroStrukturen erhalten bleibt. Vorzugsweise kann das Bauteil mehrere Lagen unterschiedlicher Materialien aufweisen.
Das Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Bauelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Formenkörper mit Strukturen an seiner Außenseite, die zu der oder den optischen Mikrostruktur/en und der Anschlußstruktur für Licht des optischen Bauelementes komplementär sind, abgeformt wird. Die Grundform des Formenkörpers läßt sich in einem einzigen kostengünstigen Abformschritt vorzugsweise aus nur einem Material herstellen. Als Werkstoffe können beliebige, für den jeweils vorgesehenen Einsatzzweck angepaßte Materialien oder Materialkombinationen, insbesondere Kunststoffe, verwendet werden. Vorzugsweise wird ein Polymermaterial, beispielsweise PMMA oder PC. verwendet. Das Material muß in der Lage sein, Strukturen mit Detailabmessungen im Submikrometerbereich ohne die Bildung störender Hohlräume vollständig auszufüllen. Je nachdem welches Material verwendet wird, erfolgt das Verfestigen durch Aushärten, z.B. bei der Verwendung von Reaktionsharzen, oder durch Abkühlen, z.B. bei der Verwendung von geschmolzenem Polymermaterial. Es ist auch möglich, Gießharze auf Methacrylbasis in die Form einzubringen und eine Polymerisation in der Form durchzuführen.
Aufgrund der Festlegung der räumlichen Zuordnung der Strukturen sind diese vorzugsweise ausschließlich auf den Wänden der für die Herstellung vorgesehenen, vorzugsweise selbstjustierenden Formeinsätze vorgesehen. Die Anzahl der Formeinsätze richtet sich nach der Komplexität der Strukturen sowie nach der Anzahl der Flächen des Formenkörpers, die Strukturen aufweisen sollen. Als Strukturen bei optischen Mikrobauelementen können planare oder gekrümmte Beugungsgitterstrukturen, planare oder gekrümmte Spiegelstrukturen und/oder mindestens eine Anschlußstruktur für polychromatisches und/oder monochromatisches Licht auf oder in den Wänden der selbstjustierenden Formeinsätze vorgesehen sein.
Nach der Entnahme des Formenkörpers aus der Form wird dieser zur Herstellung des optischen Bauelementes abgeformt. Vor dem Abformen wird vorzugsweise mindestens ein Teil der MikroStrukturen des Formenkörpers verspiegelt. Das Abformen kann durch das Aufbringen mindestens einer metallischen Schicht und/oder einer Kunststoffschicht auf dem Formenkörper erfolgen. Anschließend wird das Material des Formenkörpers entfernt, was beispielsweise mit bekannten Ätztechniken erfolgen kann.
Der Aufbau des optischen Bauelementes erfolgt vorzugsweise durch selektive Abscheidung verschiedener Funktionsschichten auf dem Formenkörper. Die Oberflächenbeschichtung wird beispielsweise ortsselektiv am Formenkörper vorgenommen und dient mehreren Zwecken:
als elektrisch leitende und haftfähige Startschicht für den nachfolgenden
Galvanisierungsprozeß , als Startschicht mit höchster Reflektivität im Spiegel- und Gitterbereich als Absorptionsschicht für Wandbereiche, die nicht im Sollstrahlengang liegen.
Das Aufbringen der Schichten kann durch selektives Aufdampfen, Sputtern oder Galvanisieren metallischer Schichten erfolgen, wobei die Ortsselektivität durch eine Maskierung während der Beschichtung erreicht wird. Spiegel- und Gitterbereiche am ersten Formenkörper werden typischerweise mit einer Goldschicht bedeckt, wohingegen die allgemeine Startschicht z.B. aus Schwarzchrom besteht und somit durch einen sehr niedrigen Reflexionsgrad Streulichteinflüsse bei einer Nutzung des optischen Bauelements als Spektrometer reduziert. Der Metallkörper wird durch galvanische Abscheidung weiter aufgebaut und verstärkt, so daß schließlich eine stabile metallische Ummantelung des Formenkörpers vorliegt.
Anschließend wird der Polymerkern beispielsweise durch Spülen mit einem Lösungsmittel herausgelöst, so daß letztlich ein metallischer Hohlkörper vorliegt. Für die Herstellung es Hohlkörpers können auch andere Materialien wie Keramiken, Legierungen oder Kunststoffe, beispielsweise auch in Kombination untereinander oder mit Metall verwendet werden, wobei ein Aufbau in Schichten oder Lagen hergestellt wird. Ein geeigneter Kunststoff ist beispielsweise ein Epoxid-Harz.
Um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines metallischen optischen Bauelements zu minimieren, läßt sich dieses z.B. aus Nickel-Eisen-Legierung mit geringem Ausdehnungskoeffizienten aufbauen (z.B. 65% Fe, 35 % Ni). Der so entstehende stabile metallische Hohlkörper weist somit gegenüber Formenkörpern, die aus Polymermaterialien bestehen oder bei denen Licht in Polymermaterialien geführt wird, entscheidende Vorteile auf:
Die in den Hohlkörpern eingeführte elektromagnetische Strahlung wird durch keinerlei wellenlängenabhängige Dämpfung, Dispersion oder
Absorption beeinträchtigt, wie dies z.B. bei Polymermaterialien im ultravioletten und infraroten Bereich auftritt.
Durch die Anwendung eines metallischen Formenkörpers wird dessen
Einsatzfähigkeit in einem weiten Temperaturbereich möglich. Dies ist ein weiterer Vorteil gegenüber Polymermaterialien, da deren linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient um ein bis zwei Größenordnungen größer als bei metallischen Materialien ist.
Ein metallischer Formenkörper weist eine höhere mechanische
Festigkeit auf.
Die räumliche Zuordnung der Strukturen bleibt auch beim optischen Bauelement erhalten, so daß keine Justierung erforderlich ist.
Als weitere Ausführungsform kann als Formenkörper auch ein Hohlkörper verwendet werden. Vorteilhaft hierbei ist, daß dieer Formenkörper schneller durch beispielsweise Herauslösen entfernt werden kann. Beispielhafte Ausführangsformen werden nachfolgend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes optisches Bauelement im Schnitt,
Fig. 2 ein weiteres optisches Bauelement im Schnitt,
Fig. 3 zwei selbstjustierende Formeinsätze zur Herstellung eines Formenkörpers in Draufsicht,
Fig. 4 die Beschichtung eines Formenkörpers,
Fig. 5 die dreidimensionale Darstellung eines Formenkörpers.
In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes optisches Bauelement dargestellt. In dem durch das einstückige Bauteil 60 begrenzten Hohlraum 61 befindet sich eine Freistrahlanordnung. Die dem Hohlraum 61 zugewandte Innenfläche 62 des Bauteils 60 weist optische MikroStrukturen 21b und 22b, eine Anschluß Struktur 23b für Licht und eine Anschlußstruktur 24b zur Aufnahme eines Detektors auf. Die beiden optischen MikroStrukturen 21b stellen hier Hohlspiegel dar. Auf der gegenüberliegenden Innenfläche ist eine Beugungsgitterstruktur 22b angeordnet. Das Bauteil besteht aus einer Schicht eines Materials, beispielsweise Metall. Die optischen MikroStrukturen 21b und 22b sind verspiegelt. Die übrige Innenfläche des optischen Bauteils kann eine Licht absorbierende Schicht, beispielsweise Schwarz-Chrom, zur Reduktion von Streulicht aufweisen. Ober- und unterhalb der dargestellten Schnittebene weist das optische Bauelement jeweils eine Wand auf, die den Hohlraum nach außen hin lichtdicht abschließt. In der Fig. 1 ist der Strahlengang in dem Hohlraum des optischen Bauelementes mit durchgezogenen und durchbrochenen Linien angedeutet. Über die Anschlußstruktur 23b wird Licht in den Hohlraum 61 gelenkt, wobei die divergenten Lichtstrahlen 50 durch den konkav gekrümmten linken Fokussierspiegel 21b parallelisiert und auf das Gitter 22b gelenkt werden. Dort werden die Lichtstrahlen winkeldispersiv aufgespalten und einem weiteren, dem rechten Fokussierspiegel 21b zugeleitet, der die unterschiedlichen Wellenlängen ortsdispersiv in einer Ebene abbildet, die auf der Anschlußstruktur 24b liegt.
Die Anschluß strukmr 23b für Licht kann eine Aufnahme und Halterung für eine Glasfaser sein. So kann die Anschlußstruktur 23b beispielsweise eine kanalartige Ausnehmung im Bauteil 60 sein, in der die Glasfaser eingelegt und mittels eines Klebers in ihrer Lage fixiert werden kann.
Dadurch, daß die optischen Strukturen 21b, 22b, 23b und 24b in dem Bauteil 60 integriert sind, sind diese Strukturen mit der Herstellung des Bauteils in ihrer Lage festgelegt. Damit entfällt nach der Herstellung eine Justierung der Strukturen und eine Fixierung in ihrer Lage.
In der Fig. 2 ist ein weiteres erfindungsgemäßes optisches Bauelement dargestellt. Das den Hohlraum 61 abschließende Bauteil wird von zwei Lagen 63 und 64 gebildet. Die innere Lage 63 weist auf ihrer Innenfläche 62 eine gekrümmte Gitterstruktur 25 , eine Anschlußstruktur 23b für Licht und Anschlußstruktur 24b für einen Detektor auf. Die Gitterstruktur 25 ist verspiegelt, wohingegen die übrige Innenfläche 62 mit einer Licht absorbierenden Schicht versehen ist. Der Strahlengang des Lichts ist anhand der durchgezogenen und gestrichelten Linien angedeutet. Das divergierend einfallende Licht 50 wird von der konkav gekrümmten Beugungsgitterstruktur 25 , beispielsweise einem holographischen Gitter, winkeldispersiv in einer Bildebene abgebildet, die auf der Anschlußstruktur 24b liegt. Die innere Lage 63 kann beispielsweise eine dünne metallische Schicht sein, die zur Erhöhung der mechanischen Stabilität von einer äußeren Lage 64, beispielsweise eines Epoxid-Harzes, umgeben ist. Es ist auch denkbar, daß das Bauteil aus mehr als zwei Lagen aufgebaut ist.
In der Fig. 3 ist die Draufsicht auf eine Form 1 dargestellt, die aus zwei Formeinsätzen 2 und 4 besteht. Mittels dieser Form kann ein Formenkörper abformtechnisch erhalten werden, der wiederum zur abformtechnischen Herstellung des in Fig. 1 dargestellten optischen Bauelementes dient. Die Innenwand 15 des Formeinsatzes 2 weist zwei Hohlspiegelstrukturen 21 auf. Die gegenüberliegende Innenwand 12 des Formeinsatzes 4 weist eine Anschluß Struktur 23 für Licht, eine Anschlußstruktur 24 für einen Detektor und eine planare Beugungsgitterstruktur 22 auf. Nicht dargestellt sind die unter- und oberhalb der dargestellten Schnittebene liegende, nicht strukturierte Boden- und die Deckplatte, die den Formenhohlraum abschließen.
Da es bei dem herzustellenden Formenkörper nicht nur auf die räumliche Zuordnung der Strukturen 22, 23 und 24 zueinander, sondern auch auf deren räumliche Zuordnung zu den Strukturen 21 ankommt, ist eine Justierung der Formeinsätze 2 und 4 zueinander erforderlich. Hierzu weist der Formeinsatz 2 nutförmige Vertiefungen 33 und der Formeinsatz 4 entsprechend geformte in diese Ausnehmungen eingreifende Vorspränge 34 auf. Beim Zusammensetzen der beiden Formeinsätze 2 und 4 erfolgt mittels der Justagemittel 33, 34 deren präzise Justierung zueinander.
Die Abformung des Formenkörpers mittels der Form 1 kann über Spritzgießen oder Spritzprägen erfolgen. Als Formstoff wird vorteilhaft ein Polymer, wie PMMA, gewählt, das sich leicht mittels eines Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemisches lösen läßt, und das eine hohe Abformgenauigkeit der optischen Mikrostrukmren ermöglicht. In der Fig. 4 ist der Schnitt durch einen mit der Form 1 hergestellter Formenkörper 5 dargestellt, der zur Herstellung des optischen Bauteils nach Fig. 1 dient. Die Strukturen 21-24 der Form 1 finden sich im Formenkörper 5 als entsprechende Strukturen 21a-24a wieder. Da die Strukturen 21a und 22a Hohlspiegel bzw. ein Gitter ergeben sollen, ist eine metallische Beschichtung zur Herstellung einer Spiegelschicht erforderlich. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von Masken 40, 41 erfolgen, wobei die Pfeile 42 die Richtung des Materialflusses bei dem Beschichtungsvorgang anzeigen. Es erfolgt eine flächenselektive Beschichtung, so daß sich ein Formenkörper 5 ergibt, wie er in der Fig. 5 dargestellt ist.
Dieser Formenkörper wird nun, beispielsweise galvanisch, abgeformt. Hierzu wird die Oberfläche des Formenkörpers 5 mit einer elektrisch leitenden Startschicht versehen. Dies kann durch Sputtern oder Aufdampfen, beispielsweise einer Schicht aus Schwarz-Chrom, welches sich durch einen niedrigen Reflexionsgrad auszeichnet, erfolgen. Anschließend wird galvanisch eine Metallschicht, zum Beispiel aus einer Eisen-Nickel-Legierung, aufwachsen lassen. Es kann solange galvanisch abgeschieden werden, bis die resultierende Schichtdicke eine ausreichende mechanische Stabilität begründet, oder es wird eine oder mehrere weitere Lagen eines oder unterschiedlicher Materialien, beispielsweise eines Epoxid-Harzes aufgebracht.
Anschließend wird der Formenkörper 5 aus dem so erhaltenen Bauteil entfernt. Dies kann durch Herauslösen mittels eines geeigneten Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemisches erfolgen. Hierzu kann das Lösungsmittel über die Anschlußstrukturen 23b, 24b an den Formenkörper 5 herangeführt werden. Besonders vorteilhaft ist hierzu der Formenkörper 5 als Hohlkörper ausgeführt, wodurch das Auflösen aufgrund der größeren inneren Oberfläche beschleunigt wird. Bezugszeichen:
1 Form
2 Formeinsatz
4 Formeinsatz
5 Formenkörper
12-15 Innenwand
21 Hohlspiegelstruktur
21a,b Hohlspiegel
22 Gitterstruktur
22a,b Gitterstruktur
23 Anschlußstruktur
23a,b Anschlußstruktur
24 Anschluß Struktur
24a,b Anschlußelement
25 gekrümmte Gitterstruktur
33 keilförmige Nut
34 keilförmiger Vorsprang
40 Maske
41 Maske
42 Pfeil
50 Lichtstrahl
60 Bauteil
61 Hohlraum
62 Innenfläche
63 Schicht, Lage
64 Schicht, Lage

Claims

Patentansprüche :
1. Miniaturisiertes optisches Bauelement mit einer Freistrahlanordnung, die mindestens eine optische MikroStruktur und mindestens eine Anschlußstruktur für Licht aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Freistrahlanordnung in einem Hohlraum (61) befindet, der von einem einstückigen, abformtechnisch hergestellten Bauteil (60) begrenzt ist, das auf seiner dem Hohlraum (61) zugewandten Innenfläche (62) die optische MikroStruktur (21b,22b,25) und die Anschluß Struktur (23b) für Licht aufweist.
2. Bauelement nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen MikroStrukturen mindestens eine planare oder gekrümmte Beugungsgitterstraktur (22b) und mindestens eine planare oder gekrümmte Hohlspiegelstraktur (21b) umfaßt.
3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Mikrostraktur eine gekrümmte Beugungsgitterstraktur (25) ist.
4. Bauelement nach einem der Anspräche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (60) mindestens eine Ausnehmung (24b) zur Aufnahme eines Detektors aufweist.
5. Bauelement nach einem der Anspräche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (60) aus einem Metall, einer Legierung, einer Keramik oder einem Kunststoff besteht.
6. Bauelement nach einem der Anspräche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (60) mehrere Lagen (63,64) unterschiedlicher Materialien aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelementes nach einem der Anspräche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formenkörper (5) mit Strakmren an seiner Außenseite, die zu der oder den optischen Mikrostraktur/en und der Anschlußstraktur für Licht des optischen Bauelements komplementär sind, abgeformt wird.
8. Verfahren nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Formenkörper ein Hohlkörper verwendet wird.
9. Verfahren nach Ansprach 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Formenkörper ein mittels eines Abformverfahrens hergestellter Formenkörper aus mindestens einem Kunststoff verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Anspräche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Abformen zumindest ein Teil der Mikrostrukmren des Formenkörpers verspiegelt wird.
11. Verfahren nach einem der Anspräche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Abformen zur Herstellung des optischen Bauelements durch Aufbringen mindestens einer metallischen Schicht und/oder mindestens einer Kunststoffschicht auf dem Formenköφer erfolgt und daß anschließend das Material des Formenkörpers entfernt wird.
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