具有模制于其上的光学元件的光导的制作方法

文档序号:11141853阅读:601来源:国知局
具有模制于其上的光学元件的光导的制造方法与工艺

本发明一般地涉及光导,更具体地涉及具有模制于其上的高度透明的塑料制成的光学元件的刚性光纤光导,及其应用。



背景技术:

牙科导光棒形式的刚性光纤光导在现有技术中是已知的。它们通常通过拉拔玻璃棒或成束的芯包层棒而制成。特别地,它们可二次成型有作为套的塑料。用于该目的的塑料材料是黑色不透明的、通常玻璃纤维增强的PPS塑料(泰科纳公司(TICONA)的)。这种安装套用于容纳紧密配合在包括光源的手持件中的牙科导光棒。

这些套是光导的外周表面的封闭部分,玻璃制成的光导的端面是暴露的。在光导中被引导的电磁辐射的发射轮廓因此主要由光导的玻璃的折射率和几何形状决定。如果需要不同的发射轮廓,例如为了获得额外的光的匀质化和/或聚焦,还需要必须附连到光导的其他光学系统。特别地,对于医学或化妆应用来说,产生以下问题,即,光导必须是能进行卫生清理的并因此必须是能消毒和/或高压灭菌的。利用包括用于安装在光导上的座、透镜框架、和透镜结合剂的现有技术的透镜系统,该要求不能被满足或仅以非常大的花费被满足。

DE 10 2012 100 375 A1公开了一种光导,通过使用液体聚合物调整其光学性能。特别地,在光发出表面上,具有这些液体聚合物的区域能被定位,这些液体聚合物通过密封帽被封闭。对于这种光导来说,很难承受机械应力,特别因为如果密封帽被拉开则液体聚合物可泄露。



技术实现要素:

在该背景下,本发明的目的是提供一种用于工业、医学或美容应用的由玻璃制成的光导,该光导具有:能以简单但坚固的方式被扩展的光学功能;改进的粘接以及因此带来的大的拔出力;和非常好的耐高压灭菌性;其目的还在于详述用于生产该光导的方法及其特别有利的应用。

该目的还通过独立权利要求的主题实现。优选实施例在从属权利要求中被详述。

根据本发明的光导具有外周表面和至少一个端面。典型地,光导是窄的、细长的物品。通常,其由玻璃制成,至少其芯部,包括由不同玻璃成分制成的多个纤维棒。光导可配置为光纤棒(纤维棒,fiber rod)或光导棒形式的刚性光导,或配置为柔性光导,其具有结合到或热熔到彼此的光进入和/或光发出面。光导的由玻璃制成的部分终止于玻璃的端面。由至少一个透明塑料制成的光学元件被模制到玻璃的该端面,使得当光导处于工作状态时在光导中被引导的电磁辐射被引导经过玻璃的端面进入光学元件的透明塑料并从其发出。模制的光学元件在其处于工作状态时使经过元件的辐射成形(shape)并因此决定根据本发明的光导的发射轮廓。

发明人实现了:所述目的以出人意料地简单的方式通过将塑料的光学元件直接模制到玻璃的端面而实现。这确保了对于光学元件的大的拔出力,使得耐用的且机械稳定的连接被设置在端面和光学元件之间。本发明的上下文中的透明表示:光学元件的塑料在光导处于工作状态时对于被引导经过光导的电磁辐射来说是透过性的。特别地,光学元件的至少90%或更大值的透射率值被有利地使用,该值主要通过选择塑料而实现。

模制的光学元件的塑料有利地从由液体硅橡胶(LSR)、特别是具有高透明度和高抗热性的热交联(hot-linking)液体硅橡胶组成的组中选择。光学元件从玻璃制成的光导的端面拔出的力有利地大于80N,特别大于100N。更具体地,光学元件不可拆开地连接到玻璃的光导的端面,也就是说,当光学元件从端面拔出时,光导将损坏甚至毁掉。

原则上,其他高度透明的且热稳定的塑料也适于用来模制这种光学元件,尽管收缩特性和对玻璃的粘接是决定性的。虽然PC或PMMA具有非常好的光学特性,但他们具有较低的化学抗性和耐热性。透明的热塑性材料例如聚醚酰亚胺(PEI,例如GE Plastics公司生产的ULTEM)就所需的耐高压灭菌性方面来说实际上是合适的,但具有琥珀本色并且很难处理。有机硅由于其永久的弹性是优选的。

根据本发明,由透明塑料制成的光学元件直接模制到玻璃的端面,所以在光学元件的进入面和端面之间存在界面并因此在玻璃和塑料之间存在界面。特别地,光学元件形状配合地和通过材料结合地结合到端面。为了增加机械稳定性,也可优选地想到粘接促进剂被设置在光导的玻璃表面上,特别是在玻璃的端面上,使得存在玻璃到粘接促进剂到透明塑料的界面次序。

而且,玻璃表面的物理和/或化学的表面预处理可以是有利的,特别对于表面激活和产生高表面能来说。这种方法特别包括电晕放电、等离子体预处理,例如大气压等离子体,或表面蚀刻等。预处理可特别在施加粘接促进剂和/或在模制光学元件之前被执行。

透明塑料的光学元件也可形成为使得其突出超过玻璃的端面并覆盖光导的外周表面的至少一部分。也能想到完全覆盖光导。在玻璃的光导和光学元件之间的接触面积因此增大,使得能获得改进的粘接和更大的拔出力。

如之前所述的,光学元件具有在光学元件处于工作状态时使经过元件的电磁辐射成形的作用。特别地,其可用作会聚透镜或用作分散透镜和/或用作光混合器。通过将不同的透明塑料结合,特别通过将具有不同折射率的透明塑料的层结合,光学元件的光束成形和/或混合性能可被选择性地调整。

也可行的是:光学元件在其至少一部分上被由不同于光学元件的透明塑料的塑料制成的覆盖元件覆盖。然后这种覆盖元件可例如用作透明塑料例如抵抗机械损坏的防护,和/或可防止横向的光发射。

在优选的实施例中,光导的外周表面具有特征部件,所谓的底切部分,该底切部分与光学元件和/或覆盖元件的一体模制的特征部件相互接合。通过这种方式,可以说,光学元件可被锁定到所述光导,因而优选地,光学元件从光导拔出的拔出力被再次进一步增大。

特别优选地,光导由玻璃棒或多个非可释放地相互连接的玻璃棒形成,并且优选地该玻璃棒是芯包层棒。芯包层棒通常是玻璃棒,该玻璃棒具有由玻璃制成的芯,该芯被相比于芯的玻璃具有更低折射率的玻璃的包层围绕。

一种用于生产上述的光导的创造性的方法,其包括以下方法步骤:提供具有由玻璃制成的至少一个导光区域的光导,该光导具有玻璃的端面;提供包括光学元件的负轮廓的注塑模具;提供至少一个塑料前体,由此在完成塑料前体的固化时限定光学元件;将光导的至少端面引入注塑模具;以及通过反应注塑成型模制塑料光学元件,其中光导的至少端面覆盖有至少一个塑料前体,并且塑料前体被固化,由此形成光学元件。

如上所述,LSR优选用作塑料材料。反应注塑成型的方法是已知的。令人惊奇的是,其能用于生产直接且不可拔出地结合到玻璃光导的光学元件。

在该方法的特别优选的实施例中,在光学元件被模制到光导的端面之前,将粘接促进剂至少应用于光导的覆盖有光学元件的塑料材料的区域的至少部分面积上。在特别有利的方式中,也称为引物(primer)或粘接剂清洁剂的粘接促进剂是聚硅烷或硅烷化合物。利用该预处理,实现了:一方面表面被清洁并且特别厚(fat)或脏的层被去除,另一方面玻璃表面被化学预处理,使得除了纯粹的形状配合之外,能在玻璃中的Si-O键和有机硅中的Si-OH基之间形成化学结合。如上面已经描述的,也可使用化学和/或物理预处理方法,由此玻璃表面能被活化。除了去除水膜和有机污染物之外,表面能以这种方式被额外地活化从而实现良好的粘接结合。

根据该方法的一个变型,也可想到:通过浸涂工艺而不是通过注塑成型将光学元件模制到光导。在这种情况下,想到:光导浸渍在含液体有机硅的模具中并随后被回火。这特别实现了在光导上产生薄的涂层。这里,再次地,可想到用粘接促进剂至少局部地预处理光导的表面。

根据本发明的光导优选在以下装置中使用:在牙科照明装置中,特别是牙科固化装置中;用于固化工业上可应用的粘接剂的装置中、例如电子装置中或牙科手持件中;例如作为涡轮机中的部件。也能想到在耳、鼻或喉的药物领域中的应用。

而且,同样能想到在照明部分中的应用,例如,用于陈列柜照明或家具照明,其中刚性或柔性的光导在光发出表面上配有光学元件。

具有模制于其上的光学元件的光导的成本特别低的变型能在以下情况中实现,即,光纤(纤维,fiber)或导光棒被简单地锯断并可选地被研磨,随后光学元件由液体有机硅被模制到该粗糙地锯断的表面上。通过对光导和光学元件的折射率的最佳的可能的适应(即,折射率匹配),锯断或研磨的光纤(纤维,fiber)或导光棒表面纹理能变得光学地基本光滑而无需任何昂贵的抛光步骤。这特别也实现成本低的应用。

附图说明

参考附图更详细地说明本发明。所有的附图都是示意性的,真实物品的尺寸和比例可与附图所示的不同。

附图标记列表

1 光导

1.1 单光纤

1.2 包层

1.3 底切区域

2 扩展部

3 光学元件

3.1 会聚透镜

3.2 分散透镜

3.3 任意定制的光束成形

4 混合区域

5 覆盖元件

6 安装套

10 端面

在附图中:

图1示出具有模制于其上的光学元件的光导,其执行会聚透镜的功能。

图2示出具有模制于其上的光学元件的光导,其执行分散透镜的功能。

图3示出具有模制于其上的光学元件的光导,其执行光混合器的功能。

图4示出具有模制于其上的光学元件的光导,其用于光束成形并可具有任意期望的表面形貌。

图5示出具有模制于其上的光学元件的光导,其被覆盖元件保护。

图6示出具有模制于其上的光学元件并且具有用于耦合光源的安装套的光导。

图7示出具有模制于其上的光学元件的光导,该光学元件通过被锁定在光导上而额外机械地稳定。

图8是作为高压灭菌循环函数的光导的透射特性的曲线图。

具体实施方式

图1示出由玻璃制成并且终止于端面10的光导1,透明塑料制成的光学元件3直接模制到端面10或利用粘接促进层模制到端面10。产生的整个光导1是一体形成的,如所述的,也就是说,光学元件3永久地结合到光导1的玻璃部分。光学元件3具有自由端,该自由端成形为用作会聚透镜。在本示例性实施例中,光学元件3具有覆盖光导1的横向周围表面的部分的扩展部2。这种情况下,塑料和光导1的玻璃之间的接触面积增大,由此,相比于光学元件3的塑料材料仅在光导的端面10处接触光导1的情况获得更大的拔出力。

利用下面描述的方法产生在附图中示出的示例性实施例。由直的、弧形的和/或锥形的纤维棒1.1(多芯棒,缩写为MCR)或导光棒(单芯棒,缩写为SCR)或这两种类型的组合构成的光导1通过注塑成型工艺利用高度透明的有机硅(silicone)在其端部二次成型。通过这种方式,光学元件3被一体地模制。在这里,使用反应注塑成型工艺,其中都是液体的成分A和B被混合,然后在压力下注入工具。在工具内在热的作用下发生硫化。通常硫化时间是每毫米壁厚3至10秒,更高的温度导致更快的交联。该工艺的细节已经在相关的文献中被描述并且公众能容易地获得。

特别地,提到的有机硅材料能是高度透明的,使得能由其生产光学元件,例如透镜或导光元件。例如,迈图公司(MOMENTIVE)的LSR 7000系列的液体硅橡胶(LSR)的变体具有高的透射率(>90%)和良好的耐UV光性。更优选的LSR变体是瓦克公司(WACKER)的LSR型LR7600。而且,提供了足够高的耐热性以便甚至承受医药领域中通常使用的制备方法,例如高压灭菌(例如,3巴的压力134℃之下10分钟的保持时间)。而且,能获得范围为5至90肖尔A(Shore A)的肖氏硬度,以便能适于不同的应用。这导致比PMMA或PC更大的应用范围,特别是用作医药和/或化妆领域中的照明装置。上述材料的替代是例如已知名字为LC seri系列的DOW CORNIN的LSR变体,或MS-1002。

光学元件3的形状特别地由其光束成形功能的要求确定。图2示出具有模制于其上的光学元件3的光导1,该光学元件用作分散透镜并因此具有凹状的光发出表面3.2。图1中示出的光学元件的会聚透镜的功能要求凸形的光发出表面3.1。

根据图3的光学元件3在其光发出表面具有会聚透镜3.1的功能,但是,在其上游设有混合区域4,混合区域4用作光混合器,以用于在工作状态使从端面10发出的光匀质化。这里,再次地,光学元件能被一体地制成,这意味着光束成形光发出表面3.1和混合区域4能以单个部件的形式实现。为了在混合区域4中进行光混合和/或匀质化,可有利的是,混合区域包括相对于直径的扩展部分(长度l,直径D)。例如,比值l/d>1(理想地l/d>2)是有利的,如通过示例在图3中示出的。

根据图4的光学元件3在光发出表面3.3处也可具有任意期望的形状,该形状由期望的光束成形特性决定。例如,非球面表面和/或会聚与聚焦表面的组合是可行的。光学元件3也可形成为锥形细长的柔性导光棒。

例如,通过选择性地将散射粒子引入透明塑料材料的近表面区域内,甚至能例如获得允许照亮齿间空间的侧发射(side-emitting)效应。被引入光学元件3的塑料材料的体积内的散射粒子可进一步用于使在光学元件3中被引导的光匀质化。这两种效应当然也可相结合。

由于通过上述的注塑成型工艺获得光学元件3,其中光发出表面的形状通过注塑模具的负形状而产生,所以全部都需要的是一次产生合适的形状,然后能大量生产具有模制于其上的反应光学元件3的光导。通常,要求对光学元件3的光发出表面不进一步处理,但是,如果期望的话,当然可采取其他措施例如抛光和/或涂覆有功能层。

在进一步二次成型工艺中,例如,光学元件3可二次成型有作为覆盖元件的有颜色的优选不透明的第二层5,以便防止横向地发射光,从而机械地保护光学元件,和/或对光导1进行颜色标记。这种光导1在图5中被示出。

图6示出能在光导1的光进入表面附近模制套6,例如,该套允许光导被耦合到光源。因为相比于玻璃采取安装套6的形式的有机硅层的硬度低,能采取较廉价的干涉配合接收措施。因此,当前的高公差要求能被降低,这对生产成本来说具有积极效果。

为了保证大的拔出力(通常大于100N),粘接促进剂对于增大有机硅和光导1之间的粘接是有利的,其在二次成型工艺之前施加于玻璃光导1。为此,硅烷化合物,也被称为引物,在注塑成型工艺之前被施加。除了清洁之外,玻璃表面通常被预处理,使得其能形成与有机硅的化学结合。

使用大气压等离子体(AP等离子体)的等离子体预处理能实现非常好的粘接。在这种情况下,在二次成型工艺之前光导在其一定距离处被导向经过等离子体火焰,因而表面被清洁,湿气被去除,和/或额外地表面被活化。

这种情况下,例如,利用具有10mm直径的测试横截面的相应的纤维棒样品,获得大于200N、通常约250N的拔出力。样品的表面在约10至15mm的距离处经受AD等离子体火焰。使用的有机硅材料是沃克公司(WACKER)的LR 7600/70。即使在200个高压灭菌循环(每次均在134℃、3巴下经过10分钟的保持时间)之后,粘接仍然为粘接的初始值的约65%。

此外,用于获得形状配合(form fit)连接的光导1的包层的底切区域1.3可有助于粘接。根据图7,为此小的切开部或切口被引入光导1的包层,切开部或切口与塑料的光学元件3的扩展部2相互接合。

基本由于存在界面而使产生的光功率较低,因而有利地是:对光导1来说使用玻璃芯材料,该玻璃芯材料具有特别好的透射率,尤其是在蓝光谱范围内。通过这种方式,能实现:借助透射率基本更好的玻璃棒,界面处引起的损失能被补偿,或甚至被过度补偿。

如果光学元件3被模制为具有突出超过光导1的端面10的塑料材料的扩展部和光导1的外周表面的覆盖部分,特别是在邻接端面10的区域中,那么这些通过上述方式一体地形成的光学元件3可进一步提供附加的优点,即,提供额外的机械保护。另一方面,通过选择性地选择被使用的LSR材料的肖氏硬度,能获得更好的触觉。

在有利的实施例中,本发明进一步考虑将整个光导涂覆有塑料,这也可通过上述的注塑成型来实现。在替代的工艺变型中,也可想到光学元件3通过浸涂工艺被模制到光导1。在这种情况下,想到光导1被浸渍在含液体有机硅的模具中并随后被回火。通过这种方式,能在光导1上产生薄的涂层。这里,再次地,可想到用粘接促进剂至少局部地预处理光导1的表面。

相比于现有技术,由于光学元件的光束成形和/或光束匀质化特性,根据本发明的光导1以简单和耐用的方式提供以下优点,即,改进的照明性能。而且,玻璃的端面10能被机械地保护而免于损坏。产生的具有模制于其上的光学元件3的光导1能作为整个部件被消毒和/或高压灭菌,使得他们满足最高的卫生要求。

图8通过示例示出作为高压灭菌循环(任意情况下,在134℃、10巴下经过10分钟的保持时间)函数的透射率特性的图表。在这种情况下,光导1用AD等离子体进行预处理。如通过对于例如460nm和410nm波长的辐射的曲线所示的,在第一次200个循环内,在开始处仅存在轻微的透射率损失。通过在室温(RT)下干燥以允许借助高压灭菌循环吸入的水至少部分地再次排出,该透射率损失经过14天被部分地补偿。该结果示出通过这种方式特别能满足用于医学应用例如牙科领域的制备要求。

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