用于制造具有聚合物光学系统的光学模块的方法、光学模块及其使用的制作方法

用于制造具有聚合物光学系统的光学模块的方法、光学模块及其使用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于制造光学模块的方法，包括如下步骤：a）提供被构造为光可透射的载体的衬底（1），该衬底具有第一表面（5）；b）提供开放式铸模（6），其中在铸模中构造有至少一个光学元件（4，4'）的构型；c）在由聚合浇铸剂（3）构造所述光学元件的情况下在开放式铸模中利用该浇铸剂（3）覆盖该表面（5）；d）使铸模中的浇铸剂硬化，其中光可透射的载体和浇铸剂（3）总体上构造光学系统（10）。
【专利说明】用于制造具有聚合物光学系统的光学模块的方法、光学模块及其使用

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于光学模块的制造方法，其包括在开放式铸模中利用聚合浇铸剂覆盖衬底的第一表面。此外，本发明涉及一种光学模块，其包括具有第一表面的衬底和施加在第一表面上的由聚合烧铸剂构成的层，其中在由烧铸剂(Vergussmittel)构成的层中借助开放式浇铸方法来构造光学元件。

【背景技术】
[0002]WO 2012/031703 Al描述一种用于板上芯片模块的制造方法，在所述板上芯片模块中衬底包括具有多个LED的板状载体，其中该衬底的表面在开放式铸模中以覆盖的方式被配备用于构造光学系统的层。


【发明内容】

[0003]本发明的任务是说明一种用于制造光学模块的方法，该方法具有宽泛的使用可能性。
[0004]该任务通过用于制造光学模块的方法来解决，该方法包括如下步骤:
a.提供被构造为光可透射的载体的衬底，该衬底具有第一表面；
b.提供开放式铸模,其中在铸模中构造有至少一个光学元件的构型(Ausformung)；
c.在由聚合浇铸剂构造光学元件的情况下在开放式铸模中利用该浇铸剂覆盖表面；
d.使铸模中的浇铸剂硬化，其中光可透射的载体和浇铸剂总体上构造光学系统。
[0005]根据本发明的光学系统可以以简单的方式由分别适配于要求的材料来制造。在这种光学系统中，载体原则上可以由与所施加的层相同的材料或与所施加的层不同的材料构成。优选地，载体例如可以由玻璃构成。尤其可以涉及UV可透射的玻璃，例如石英玻璃。
[0006]在本发明的意义上的聚合浇铸剂可以是任何合适的、对于所期望的波长范围而言透明的聚合物，例如硅树脂、PMMA、聚碳酸酯或诸如此类。
[0007]在本发明的意义上的光学元件应被理解为层中的任何构型，该构型根据要求也在UV范围内和/或在IR范围内允许光的明确限定的穿透。在优选的实施方式中，光学元件尤其可以是透镜，例如聚光透镜、散射透镜、圆柱形透镜、菲尼尔透镜或诸如此类。但在其他实施方式中，光学元件也可以在于光的散射、通过棱镜的分开或诸如此类。用于光的简单穿透的平面平行的面的构造也是在本发明的意义上的光学系统。具有构型于其中的光学元件的聚合层构造直接布置在衬底上的光学系统。
[0008]在铸模中覆盖衬底可以以不同的方式进行。或者浇铸剂可以首先被带到铸模中，此后衬底被浸入浇铸剂中。替代于此，也可以首先将衬底置入到至少部分空的铸模中，此后受控地填入浇铸剂。在任何情况下，铸模优选地具有如桥接片、凸起部或诸如此类的结构，在所述结构上放上和定位该衬底。
[0009]在一种优选的实施例中，浇铸剂不包含作为掺杂物的增附剂。由此可以实现容易地从铸模松开，其中在合适的情况下也可以舍弃分离薄膜的使用。此外，在一些浇铸剂、例如硅树脂的情况下尤其可以获得特别好的UV透射性。
[0010]优选地，浇铸剂可以包含催化剂，用于使硬化过程开始。例如，在此可以涉及钼或类似物质的非常少的掺合，通过催化的引起的硬化可以获得浇铸剂的高纯度。尤其优选地，当前不借助UV光来进行浇铸剂的硬化，因为在许多情况下恰好期望对UV光的高透射性。
[0011]此外优选地，该方法包括步骤:将铸模中的浇铸剂加热到限定的温度，以使硬化开始和/或加速。例如，催化引起的硬化可以通过加热来加速，这使该方法更有效并且进一步减少所需的催化剂量。但也可设想如下硬化，这些硬化仅通过被提高的温度来进行。典型的限定的温度处于如下范围之下，在这些范围中能预期浇铸剂的脆化或其他退化。在例如浇铸剂是硅树脂时，示例性的温度范围处于大约100°c、优选地小于140°C。限定的温度尤其取决于哪些温度与衬底兼容。
[0012]在本发明的一种优选的实施方式中，设置有如下步骤:在利用聚合浇铸剂覆盖之前利用增附剂涂覆第一表面。通过将增附剂施加到衬底的要涂覆的表面上，可以避免或减小辅助物质到铸模中的浇铸剂的掺合。此外，较大类别的浇铸剂可供用于涂覆。另一有利的效果是将硬化的浇铸剂从铸模良好地脱离。尤其，在此当前可以舍弃铸模的涂覆或具有分离薄膜的铸模的设计。
[0013]为了最小化衬底到硅树脂的过渡的范围内的不利效果，优选地规定，增附剂以小于10nm的平均层厚度被施加到表面上。在此，对于光学特性来说尤其值得期望的是，增附剂的层厚度处于穿过光学元件的光的半波长之下。进一步优选地，层厚度小于10nm，尤其不大于10个单层。由于增附剂的功能，施加仅仅一个单层是理想的并且是所期望的。
[0014]将增附剂涂敷到衬底上可以以合适的方式、例如通过浸入、蒸发、滴落、喷射或借助旋转涂覆进行。特别优选地，在涂敷之后，例如通过吹掉多余增附剂进行所涂敷的层的变薄。
[0015]增附剂优选地自身是UV稳定的。如果层足够薄，那么由于UV辐射引起的增附剂的退化至少可以被容忍。用于浇铸剂的增附剂一般是已知的并且取决于各自要使用的衬底。通常，增附剂具有分子，这些分子具有:第一端基，该第一端基连接在衬底上；和第二端基，该第二端基连接在浇铸剂上。优选地涉及如下增附剂，该增附剂通过化学键连接在浇铸齐IJ上。增附剂可以根据情况以化学和/或物理方式、例如通过粘附或范德华力连接在衬底上。当浇铸剂例如是硅树脂时，典型的增附剂例如由反应性硅氧烷和硅树脂的混合物构成。尤其是，所述端基可以根据衬底进行优化。
[0016]为了优化开放式浇铸方法而规定，浇铸剂在硬化之前具有小于1000mPa*s的粘度。优选地，该粘度小于100mPa*s，特别优选地小于50mPa*s。这些低粘度允许铸模的无气泡且快速的填充并且尤其允许无气泡地遮盖衬底。在此，例如被浸入的衬底所挤出的多余的浇铸剂可以容易地在溢出口处流出。
[0017]一般来说有利地规定，硬化的浇铸剂具有在10肖氏A到90肖氏A的范围内的硬度。特别优选地，硬度处于50肖氏A到75肖氏A的范围内。由此给定了足够的机械稳定性，以便确保即使要求高的光学系统的精确的成形。同时，涂层由于其高弹性而提供非常好的保护以免受机械影响、如冲击、振动或热弓I起的机械张力。
[0018]在一种一般来说优选的实施方式中规定，由浇铸剂构成的光学元件相对于在小于400nm的波长的范围中大于lW/cm2的照射强度具有持久的UV耐久性。特别优选地，该耐久性(Bestjindigkeit)也可以相对于大于10W/cm2的照射强度而存在。已显示出，尤其高纯娃树脂是用于与UV辐射一起使用的非常好的材料。持久的耐久性在此应理解为，照射可以在至少几个月的长时间间隔上施加，而硅树脂没有显著地退化或褪色或变黄。根据本发明的模块的优选的UV耐久性因此显著地处于材料相对于太阳辐照的通常的UV耐久性之上，该太阳辐照可以被估计为大约0.15W/cm2。
[0019]在本发明的一般来说优选的实施方式中规定，聚合浇铸剂至少主要由硅树脂构成。硅树脂例如在粘度、反应性、粘附等方面带来用于在开放式铸模中有效处理的良好前提。
[0020]在一种优选的改进方案中规定，硅树脂直接在引入到铸模之前被构造为至少两种硅树脂的混合物。这样的两组分或多组分系统可在市场上获得，其中通过将两种尤其高纯的硅树脂混合又得到高纯的硅树脂，在该硅树脂中然而通过混合启动硬化过程或交联。因此例如这两种硅树脂中的一种可以被设计，使得该硅树脂包含用于使混合物硬化的催化齐?，该催化剂但是单独地不使该硅树脂交联。
[0021]一般来说有利地，该硅树脂是高纯的并且包含少于10ppm的杂质。特别优选地，杂质的含量少于lOppm。杂质在此应被理解为除了催化剂之外的所有有机的或其他的掺合物，这些掺合物不属于交联的、硬化的硅树脂系统本身。不期望的杂质的实例是被掺合的增附剂。一般来说，具有碳链键的组分也被视为不期望的杂质。这样的键经常并不是UV稳定的。根据本发明所期望的硅树脂因此至少在硬化之后可能具有单独的例如甲基剩余基团形式的碳原子。由于硅树脂的高纯度，尤其可以实现特别高的UV耐久性。这不仅涉及硅树脂的机械耐久性而且涉及光学耐久性，因为在存在已经少量的污物的情况下出现UV照射的硅树脂的提早变黄。
[0022]根据本发明的光学模块根据设计可以传输尤其在UV范围中或也在IR范围中的高辐射强度。这些光学模块优选地可以用于构建发光体，这些发光体将高照射密度聚束到限定的结构中。特别优选的使用针对构建用于干燥涂层的设备而存在。这种设备例如可以被用于在印刷方法、尤其是胶版印刷方法中干燥漆。
[0023]在另一优选的实施方式中规定，此外在步骤d之后对第二表面进行涂覆，其中对第二表面的涂覆同样包括方法步骤a至e。这样例如具有两个相同或不同地形成的层侧面的光学系统可以在中央载体、例如玻璃板上被制造。
[0024]第二表面在此或者可以例如在涂覆在第一涂层对面的衬底侧的情况下是衬底的第二表面，或者也可以是其他表面。尤其是可以涉及第一涂层的外表面，然后在该方法的重新应用中将第二涂层施加到第一涂层上。根据要求，第二层可以直接被施加到第一层上。替代于此，第二表面也可以属于中间层、如调质、金属蒸镀等，该中间层例如首先被施加到第一涂层上。
[0025]此外，本发明的任务通过一种光学模块来解决，该光学模块包括具有第一表面的衬底和施加在第一表面上的由聚合浇铸剂构成的层，其中在该由浇铸剂构成的层中借助开放式浇铸方法构造有光学元件，其中该衬底被构造为光可透射的载体，该载体与该层一起总体上构造光学系统。
[0026]优选地，根据本发明的光学模块此外包括根据权利要求1至13之一所述的一个或多个特征。特别优选地，在此聚合浇铸剂由硅树脂构成，尤其具有前面所描述的优选特征中的其他特征。尤其是，该光学模块可以根据按照本发明的方法来制造。但原则上也可以根据不同的方法来制造该光学模块。
[0027]此外，本发明的任务通过一种发光体来解决，该发光体包括根据本发明的光学模块。
[0028]根据本发明，这种发光体优选地被用于将层干燥。在此可以优选地涉及在印刷方法中的使用。
[0029]本发明的其他优点和特征从随后描述的实施例以及从属权利要求中得到。

【专利附图】

【附图说明】
[0030]随后描述并且借助附图更详细地解释本发明的多个优选的实施例。
[0031]图1示出根据本发明的光学模块的三个修改方案的剖面图。
[0032]图2示出在根据本发明制造光学模块的过程中开放式铸模和衬底的两个图示。
[0033]图3示出图2中的铸模的修改方案。
[0034]图4示出根据图1的模块的第一改进方案。
[0035]图5示出根据图1的模块的第二改进方案。
[0036]图6示出根据图1的模块的使用的实例。
[0037]图7示出本发明的不同实施例的组合使用的实例。

【具体实施方式】
[0038]根据图1的光学模块包括衬底1，在该衬底I上施加有由增附剂2构成的层。在增附剂2上施加有由聚合浇铸剂形成的层3，该层当前包括多个聚光透镜形式的光学元件4。在随后所描述的实施例中，浇铸剂分别为硅树脂。但是一般来说其他聚合浇铸剂也是适用的。
[0039]在此，衬底由光可透射的载体1、当前由玻璃板构成。载体I与一个或多个类似于第一实例所施加的具有构造在其中的光学元件4、4’的硅树脂层3、3’(也参见图4、图5)—起构造光学系统10。当前，衬底或光可透射的载体I分别作为具有平面平行的表面的板被示出。但是，根据要求，载体也可以包括光学元件、譬如透镜。
[0040]在根据图1的上面的实例中，光学元件4被构造为聚光透镜。
[0041]在根据图1的中间的实例中，光学元件4被构造为菲涅尔透镜。
[0042]在根据图1的下面的实例中，光学元件4被构造为光折射的结构或构型的准随机的聚集，由此获得散射效果。
[0043]层3、3’分别由硬度为大约65肖氏A的高纯硅树脂构成。该硅树脂是无色且透明的。该硅树脂在大约300nm到大约100nm的波长范围中是可高度透射的。该硅树脂相对于波长在400nm之下且能量密度大于10Watt/cm2的持久照射是抗UV的。
[0044]前面所描述的光学模块的制造分别根据以下方法来进行:
首先，提供开放式铸模6 (参见图2)，该铸模尤其包含用于光学元件4的构型的阴模。此外，在模具6中设置有桥接片或凸起部形式的支承体6a，用于衬底I的定位支承。
[0045]此后，衬底I在其要涂覆的表面5上必要时在清洁步骤之后利用增附剂2来涂覆。该涂覆例如通过滴落和吹掉多余物质来进行，由此同时进行剩下的增附剂的干燥。在理想情况下，所涂敷的增附剂的厚度仅为一个单层，但在任何情况下优选地小于lOOnm。
[0046]—旦以此方式制备了衬底，由两种组分构成的硅树脂混合物就被制造并且被引入到开放式铸模中。在此，一种组分包含催化剂而另一组分包含交联剂。该混合物具有当前小于50mPa*s的粘度。通过混合这些组分原则上开始硬化过程，但该过程在低温、譬如室温下相当缓慢地进行。
[0047]随后，衬底受控地以被涂覆的表面5向下被引入到铸模中并且被浸入到硅树脂混合物中(参见图2，左侧)。
[0048]在此，尤其是可以在铸模上设置溢出口 7，如在图3中示意性示出的那样。该溢出口结合硅树脂的低粘度导致衬底的浸入深度被良好地限定并且尤其被衬底挤出的硅树脂可以流出。以此方式例如可以在需要时确保，除了衬底的表面5之外衬底的端面也以层3的环绕的边缘8遮盖，但衬底的背面9并未被涂覆。但在其他实施方式中，也可以期望衬底的完全包覆。
[0049]边缘8—方面在保持在载体衬底的边缘上或这些光学系统的边对边(auf StoB)的模块化的排列的情况下具有用于载体衬底I的保护功能，并且该边缘能够实现衬底的直接的、无缝的透明的排列并且因此能够实现在两个载体衬底之间的光学界面处的光偏转的最小化。
[0050]在衬底被定位在支承体6a上之后，在需要时还检查是否表面5的润湿完全并且尤其在没有气泡的情况下进行。在本发明的一种可能的改进方案中，衬底的浸入也可以在真空中进行以便减少气泡的问题。但一般来说由于低粘度也可以无真空地实现无气泡的涂覆。
[0051]在定位之后，进行硅树脂的硬化或交联。这合乎目的地通过提高温度而被显著地加速。在大约100°c的温度下，可以在典型地半小时中进行硬化。在150°C的范围内的温度下，典型地可以在几分钟中进行硬化。在选择这种热硬化的温度时，也应考虑相应衬底的特性。
[0052]一旦硅树脂被硬化，现在被涂覆的衬底就可以从可重复使用的铸模中取出，参见图2中的右图。
[0053]因为当前高纯硅树脂在该硅树脂中没有掺合增附剂的情况下被使用，所以也无需其他措施来将硅树脂3与模具6分离。尤其是舍弃具有分离薄膜或诸如此类的铸模的设计。由此简化制造并且能够实现模具的结构的非常精确的浇铸。
[0054]前面所描述的方法在需要时可以多次相继地被应用于相同的对象。图4和图5示出本发明的实施方式，所述实施方式分别是图4中的实例的这种改进方案。在此，分别在制造具有光学元件4的第一层3之后制造具有光学元件4’的第二层3’。
[0055]在根据图4的实例的情况下，第二层3’被施加到当前被构造为平板的衬底I的背面或相对侧上。为此，该衬底只须在还未被涂覆的侧9上配备增附剂2并且然后向前被引入到相应的铸模6中。其他方法步骤如前面所描述的那样进行。
[0056]在图4所示的实例中，为了图解目的，衬底I的正面或第一表面5已经涂覆有多个聚光透镜4。衬底I的背面或第二表面9涂覆有菲涅尔透镜4’，所述菲涅尔透镜分别与聚光透镜4对齐。
[0057]在图5中所示的实例中，首先将当前具有菲涅尔透镜的层3施加到衬底的第一表面5或正面上。随后将增附剂2施加到该层3上并且将具有聚光透镜4’的第二层3’施加到第一层3上。在此情况下,所施加的第一层3是在本发明的意义上的衬底,而该层的外表面是第二表面9。
[0058]原则上，这样的多个层的数目和设计并不受限制。
[0059]这些层也可以具有浇铸材料的不同组成，尤其是不同的浇铸材料和/或浇铸材料的掺杂物。这样，不同的特性可以被彼此组合，或光学特性在施加多个层时例如通过轻微地改变所使用的浇铸材料的折射率几乎逐渐地被影响。同样，当前完工的边界层可以在施加下一层之前例如通过经由溅射、喷洒、润湿或其他常用表面涂覆方法将硅树脂边界层、介电或金属涂层硅烷化而被影响和改变。
[0060]前面，特别纯的硅树脂的使用被称为优选的，以便尤其在关键的波长范围中优化高的透射和材料耐久性。但原则上浇铸材料可以以光学上有效的材料来填充，以便因此产生其他光学功能性，譬如借助引入发磷光和发荧光的物质、譬如稀土元素来转换光波长，或用于借助引入散射物质、譬如透明的或半透明的(例如由玻璃或陶瓷构成的)颗粒或金属颗粒来影响光学系统的不透明性。
[0061]图6示出前面所描述的光学系统10结合平面的光源的优选的使用。该光源在此被构造为具有多个以光栅布置的LED的LED模块11。该光学系统间隔地被布置在该光源之前并且以所期望的方式、当前通过分别被分配给LED的聚光透镜来折射各个LED的光。
[0062]图7示出另一种优选的使用，其中LED模块11与根据图1的根据本发明的模块组合。在此，LED模块11构造有初级光学系统12。被构造为光学系统10的根据本发明的光学模块被置于第一光学模块之前。当前，两个模块分别具有多个与LED相关联的聚光透镜，所述聚光透镜以共同作用的方式总体上传送LED的大的张角。
[0063]具有初级光学系统12的LED模块11例如可以根据WO 2012/031703A1的教导来制造。
【权利要求】
1.用于制造光学模块的方法，包括如下步骤: a.提供被构造为光可透射的载体的衬底(I)，该衬底具有第一表面(5 )；b.提供开放式铸模(6)，其中在所述铸模中构造有至少一个光学元件(4，4’)的构型； c.在由聚合浇铸剂(3)构造所述光学元件的情况下在所述开放式铸模中利用所述浇铸剂(3)覆盖所述表面(5)； d.使所述铸模中的浇铸剂硬化，其中所述光可透射的载体和所述浇铸剂(3)总体上构造光学系统(10)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合浇铸剂不包含作为掺杂物的增附剂。
3.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述聚合浇铸剂包含用于使硬化过程开始的催化剂。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，包括如下步骤: 将所述铸模中的聚合浇铸剂(3)加热到限定的温度以便使硬化开始和/或加速。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，包括如下步骤: 在利用所述聚合浇铸剂覆盖之前利用增附剂(2 )涂覆所述第一表面(5 )。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述增附剂(2)以小于10nm的平均层厚度被施加到所述表面(5)上。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述聚合浇铸剂(3)在硬化之前具有小于1000mPa*s的粘度。
8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，硬化的浇铸剂(3)具有10肖氏A到90肖氏A范围内的硬度。
9.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，由所述聚合浇铸剂构成的光学元件(3)相对于在小于400nm的波长的范围内大于lW/cm2的照射强度具有持久的UV耐久性。
10.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述聚合浇铸剂(3)至少主要由硅树脂构成。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述硅树脂(3)直接在引入到所述铸模(6)中之前被构造为至少两种硅树脂的混合物。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述硅树脂(3)是高纯的并且包含少于10ppm的杂质。
13.根据上述权利要求之一所述的方法，包括如下步骤: 在步骤d之后涂覆第二表面(9 )，其中所述第二表面(9 )的涂覆同样包括方法步骤a至CL
14.光学模块，包括: 具有第一表面(5)的衬底(1)，以及 施加在所述第一表面(5)上的由聚合浇铸剂构成的层(3)， 其中在所述由浇铸剂构成的层(3 )中借助开放式浇铸方法构造有光学元件(4 )， 其特征在于， 所述衬底(I)被构造为光可透射的载体，所述载体与所述层一起总体上构造光学系统(10)。
15.根据权利要求14所述的光学模块，此外包括根据权利要求1至13之一所述的一个或多个特征。
16.发光体，包括根据权利要求14或15所述的光学模块。
17.根据权利要求16所述的发光体的使用，用于尤其是在印刷方法中对层进行干燥。
【文档编号】B29K105/00GK104395051SQ201380022924
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年3月21日 优先权日:2012年5月2日
【发明者】M.派尔, S.沙特, H.迈韦格, M.黑尔姆林 申请人:贺利氏特种光源有限责任公司