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Dank der Mikro- und Nano-Optik werden immer kompaktere optische Systeme geschaffen. Diese ebnen den Weg für völlig neue Funktionalitäten, die mit herkömmlichen Optiken nicht erreicht werden können. Der UV-Aufdruck macht die kosteneffiziente Massenproduktion solcher Optiken inzwischen zur Realität. Sollen jedoch zusätzliche Funktionen, wie elektrische Leiter oder schwarze Blenden, in das optische Modul integriert werden, kommen häufig aufwändige Verfahren (z.B. Photolithographie) zum Einsatz. Diese Verfahren sind nicht nur teuer, sondern auch in Kombination mit dem UV-Druckverfahren nicht ideal. Durch die Kombination verschiedener Funktionspolymere können Sie die Kosten senken, den Prozess vereinfachen und die Zuverlässigkeit des optischen Elements erhöhen.
[Translate to German:] Monolithic wafer with functional structures made of DELO DUALBOND IC343 combined with nanostructures made of DELO KATIOBOND OM614.
Vereinfacht gesagt, ist die Mikrooptik eine miniaturisierte Version der herkömmlichen Optik. Deren Komponenten wie Linsen, Spiegel oder Prismen sind nur wenige Größenordnungen länger als die Wellenlänge des Lichts, das sie durchläuft.
Medizinische Endoskope sind eine Anwendung, bei der die Vorteile der Verkleinerung von Optiken besonders deutlich werden. In den letzten Jahren ist es durch die Mikrooptik und entsprechende Fertigungstechniken gelungen, das gesamte optische Modul (einschließlich des Bildsensors) auf einen Würfel mit einer Kantenlänge von <1 mm zu reduzieren (siehe Abbildung 1a).
Neben den geringeren Abmessungen ermöglicht die Mikrooptik auch neue und verbesserte Konzepte für jahrhundertealte optische Aufgaben, wie z.B. Projektionssysteme. Anstatt mit einzelnen, hintereinander angeordneten Linsen einen sperrigen Aufbau für die Bildprojektion zu schaffen, wird ein Array von Mikrolinsen zur Parallelisierung der Projektion eingesetzt. Dadurch wird dank einer verkürzten Brennweite ein hoher Lichtstrom bei einem Bruchteil der Größe herkömmlicher Projektionssysteme erreicht (siehe Abbildung 1b).
Wird die Dimension von mikro- auf nanoskopisch verkleinert, ändert sich die Methode der Lichtlenkung von refraktiv auf diffraktiv. Dies eröffnet eine Fülle von neuen Möglichkeiten. So können beispielsweise diffraktive optische Elemente (DOEs) verwendet werden, um einen kollimierten (geraden) Laserstrahl in praktisch jede gewünschte Lichtverteilung zu verwandeln. Ein bemerkenswertes Beispiel ist die Erzeugung eines Punktmusters, das in der 3D-Sensorik zur Messung der Breite, Höhe und Tiefe eines Objekts verwendet wird (siehe Abbildung 1c).
Abbildung 1: Anwendungen der Mikrooptik: (a) miniaturisierte Kamera (z. B. für Endoskope); (b): Mikrolinsen-Array (z. B. für Autoscheinwerfer); (c) diffraktives optisches Element (z. B. für 3D-Sensorik)
Wird die Dimension von mikro- auf nanoskopisch verkleinert, ändert sich die Methode der Lichtlenkung von refraktiv auf diffraktiv. Dies eröffnet eine Fülle von neuen Möglichkeiten. So können beispielsweise diffraktive optische Elemente (DOEs) verwendet werden, um einen kollimierten (geraden) Laserstrahl in praktisch jede gewünschte Lichtverteilung zu verwandeln. Ein bemerkenswertes Beispiel ist die Erzeugung eines Punktmusters, das in der 3D-Sensorik zur Messung der Breite, Höhe und Tiefe eines Objekts verwendet wird (siehe Abbildung 1c).
Diese neue Art von Optik erfordert natürlich neue Herstellungsmethoden. Herkömmliche Verfahren wie das Spritzgießen sind aufgrund der erforderlichen Strukturgrößen und der genauen Ausrichtung weniger geeignet.
Das UV-Mikro-/Nano-Imprint-Verfahren ist inzwischen ein etabliertes Werkzeug, das auf Standardmaschinen mehrerer Hersteller verfügbar ist. Dabei wird ein flüssiges, transparentes UV-härtendes Material auf einen Glaswafer aufgetragen und anschließend mit einem strukturierten Stempel in Kontakt gebracht. Nachdem die Geometrie der Optik, wie Linsen und DOEs, durch den Stempel definiert wurde, wird das Material durch UV-Licht ausgehärtet. Anschließend wird der Stempel entfernt und der strukturierte Wafer in einzelne Module geschnitten (siehe Abbildung 2).
Abbildung 2: UV-Aufdruckverfahren
Etwas komplizierter wird es, wenn zusätzliche Merkmale in ein optisches Element integriert werden müssen. Blenden zum Beispiel sind Schlüsselelemente in vielen optischen Designs.
Bisher wurden Blenden standardmäßig mit einem photolithografischen Verfahren in geprägte Optiken integriert. Dabei wird zunächst eine strukturierte Chromschicht auf einem Glaswafer erzeugt und dann die Optik direkt auf den Wafer aufgedruckt.
Das fotolithografische Verfahren umfasst eine Vielzahl von Schritten:
Nachteile dieser Lösung:
Viele der genannten Probleme lassen sich vermeiden, indem ein funktionales (z.B. schwarzes) Material direkt in die Polymeroptik eingebettet wird. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist das Einprägen definierter Kanalstrukturen zusätzlich zur optischen Struktur während des Prägeprozesses. Diese Kanäle können dann mit einem schwarzen, niedrigviskosen Material gefüllt werden, das entweder durch UV-Licht oder Wärme ausgehärtet wird (siehe Abbildung 3). Dies vereinfacht den Prozess enorm.
Ein weiterer Vorteil dieser Option ist, dass die thermomechanischen Eigenschaften der beiden Materialien (optisch transparent und schwarz) viel näher beieinander liegen als die von Glas, Chrom und Polymer. Dadurch werden thermische Spannungen vermieden, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) verursacht werden. Dies verbessert unmittelbar die Zuverlässigkeit, wie Temperaturwechseltests gezeigt haben. Da bei diesem Verfahren keine Glassubstrate mehr erforderlich sind, werden Gewicht und Höhe der Optiken effektiv minimiert und gleichzeitig die Kosten gesenkt.
Figure 3: Forming channel like structures during the imprint process and subsequentially filling with black material
Another possible approach is to start with a temporary carrier (e.g., a plastic foil). The apertures are produced on the carrier by screen printing a light-blocking polymer. After UV or heat curing the polymer, the standard UV imprint follows, where the optical structures can be precisely aligned with the apertures. Once the transparent material has cured and the stamp has been removed, the carrier foil can be peeled off. The result is a completely monolithic (all-polymeric) optical module with integrated apertures (see Figure 4).
Both new approaches have the common advantage in that the properties of black materials can be adapted to either optical design and its respective processes:
Figure 4: Depositing Apertures on a temporary carrier, followed by UV imprint and subsequent peeling of the carrier foil
Einige Anwendungen erfordern die Integration von elektrisch leitenden Strukturen in das optische Element. Ein Beispiel ist das Diffusorelement, das in Lichtlaufzeitsensoren oder für Sensoren für strukturiertes Licht verwendet wird, die den kollimierten Laserstrahl des Senders bilden. Hier werden die leitfähigen Strukturen als Sicherheitsnetz verwendet, um eine mögliche Beschädigung des Diffusorelements zu erkennen und so eine Gefährdung durch den emittierten Laserstrahl zu vermeiden. Für die Herstellung eines solchen Sicherheitsnetzes kann ein ähnliches Verfahren wie für die Blenden verwendet werden. Allerdings wird anstelle eines schwarzen Polymers ein isotroper elektrisch leitfähiger Klebstoff (ICA) verwendet.
Zunächst wird ein ICA (z.B. DELO DUALBOND IC343) im Siebdruckverfahren auf eine temporäre Trägerfolie gedruckt, die verschiedene Strukturen (z.B. Leiterbahnen, Öffnungen) enthält. Anschließend wird mit einem transparenten, UV-härtenden Material (z. B. DELO KATIOBOND OM614) eine Nanostruktur auf diese Folie gedruckt, die das diffraktive optische Element bildet. Durch Abziehen der Trägerfolie entsteht ein Vollpolymer-Wafer mit mehreren DOEs und einer integrierten leitfähigen Struktur.
Dieses Verfahren besticht durch seine Einfachheit und Kosteneffizienz:
Bei DELO finden Sie ein umfangreiches Portfolio an solchen Produkten.
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DELO ist ein führender Anbieter von Hightech-Klebstoffen. Seit über 25 Jahren bieten wir Lösungen für die Automobil-, Elektronik- und Halbleiterindustrie. Unsere innovativen Technologien setzen Maßstäbe in der Branche. Unternehmen wie Bosch, Huawei und Siemens verlassen sich auf DELO, wenn es um hochwertige Klebstofftechnologien geht.
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