用于制造光学结构的方法以及光学结构与流程

背景技术：

1、本发明涉及一种用于制造包括至少一个光学微结构、特别是微透镜的方法。

2、这样的光学结构是已知的，并且例如用作透镜。近年来，随着快速原型制作(rapidprototyping)、特别是增材制造的兴起，已经显示出这样的光学结构可以容易地通过例如三维打印来制造。这些光学结构可以高定制性地制造，并且可以包括附加结构。

3、例如，对于眼科透镜、显微镜或半导体制造来说，期望产生具有非常小的尺寸(例如，在微米或甚至纳米范围内)的光学微结构。

4、然而，这给当前的三维打印技术带来了问题，因为现代3d打印机可以打印的结构比这种微结构所需的结构更大(其中，术语“微结构”也用于表示更小的结构，诸如纳米结构)。

5、因此，为了制造期望的微结构，在制造更小的液滴尺寸的任务上花费了许多努力。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供一种用于制造光学结构的方法，该光学结构包括至少一个光学微结构、特别是微透镜，该方法是可重复且容易的，并且允许制造不同的微结构。

2、根据本发明，该目的通过一种用于制造光学结构的方法来实现，该光学结构包括至少一个光学微结构、特别是微透镜，

3、-其中，在第一步骤中，提供基部结构，

4、-其中，在第二步骤中，在该基部结构上打印至少一个模板结构，其中，该模板结构由至少一个打印墨的液滴构建，特别是由通过至少部分地并排地靶向放置打印墨的液滴而沉积的至少一层打印墨构建，

5、-其中，在第三步骤中，至少在该模板结构的顶部上打印平滑层，其中，该平滑层由通过至少部分地并排地靶向放置打印墨的液滴而沉积的至少一层打印墨构建，

6、-其中，在第四步骤中，将该平滑层固化，

7、其中，在该第三步骤和/或该第四步骤期间，选择打印工艺的参数和/或固化工艺的参数，使得该平滑层在该平滑层的外表面上包括光学微结构，该光学微结构位于该模板结构竖直上方的位置处，其中，该光学微结构包括高度，该高度低于该模板结构的高度。

8、根据本发明的方法有利地允许以特别容易的方式来制造微结构(诸如微透镜)，而不需要修改现有的三维打印机。特别地，申请人惊奇地发现，通过打印较大的模板结构并且在该结构上施加平滑层，可以精确地制造出较小尺寸的结构、特别是微结构。因此，有利地能够产生具有小结构尺寸的结构，例如微透镜。

9、结合本发明的该主题描述的实施例和优点也适用于本发明的另一主题，反之亦然。

10、优选地，光学结构是旨在至少部分地透射光的三维结构。更优选地，光学结构旨在用于可见光谱。优选地，为了满足光学目的，光学结构是至少部分地光学透明的，特别是至少对于预定范围的波长(诸如可见光谱)是至少部分地光学透明的。

11、如上文所提及的，在本技术的上下文中，术语“微结构”不旨在局限于尺寸在几微米范围内的结构，而是还包括尺寸在几纳米范围内的较小结构(即，纳米结构)。此外，在本发明的范围内，使用的术语“微结构”与术语“光学微结构”同义。

12、优选地，微结构的形状与模板结构的大体形状大致对应。例如，在大致穹顶形状的模板结构的简单情况下，优选地，微结构也将包括穹顶形状，但具有不同的尺寸，特别是具有较小的高度。因此，有利地，可以以约几百或几千纳米的高度常规地打印模板结构，并且所得到的微结构可以包括仅几纳米、例如几十纳米的高度。

13、根据本发明，模板结构由至少一个打印墨的液滴组成，优选地，该至少一个打印墨的液滴通过靶向放置而沉积在预定位置处。优选地，模板结构包括通过至少部分地并排地靶向放置打印墨的液滴而沉积的至少一层打印墨。模板结构也可以包括多于一层，其中，连续的层被至少部分地打印在前一层的顶部上。

14、根据本发明的优选实施例，以多遍打印模式至少部分地打印基部结构、模板结构和/或平滑层，其中，优选地，以多遍打印模式打印的层包括在后续的子层打印步骤中打印的多个子层，其中，在至少一个子层打印步骤之后是至少部分地固化的步骤。这允许以非常有利的方式高度灵活地且可定制地制造光学结构，特别是包括微结构(诸如微透镜)的光学结构。多遍打印模式优选地包括打印头进行若干遍打印，特别是来和/或回打印，其中，在每遍期间，打印该层的子层。可以对每个子层进行单独的固化步骤，可以仅对完整的层进行固化步骤，或者可以以规则或不规则的间隔进行固化步骤，例如，只要打印了预定数量的子层和/或在已经经过打印之后的预定时间之后就进行固化步骤。替代地或附加地，以多遍打印模式打印基部结构、模板结构和/或平滑层的至少一层，其中，以非多遍打印模式打印至少另一层。通过包括多遍打印模式，有利地能够校正光学结构中的误差。该过程在本技术人的先前申请ep 3722073a1中有详细说明。该前述申请的公开内容(至少是关于用于减小近似误差的多遍打印模式的应用的公开内容)并入本公开中。

15、根据本发明的优选实施例，在第一步骤之后和/或在第二步骤之后，执行附加的固化步骤。特别地，通常可以在该过程中的任何时间执行固化子步骤；例如，可以在完成打印层之后执行部分地固化。优选地，在打印后续层之前，将层至少部分地固化。更优选地，在打印后续元件(即，模板结构和/或平滑层)之前，将光学结构的元件(即，特别是基部结构、模板结构和/或平滑层)大致完全地固化。这有利地允许光学结构的精确成形。另一方面，在未完全地固化的层的顶部上打印层可以有利地改善层或元件之间的结合。

16、根据本发明的另一优选实施例，在第二步骤和第三步骤之间的附加步骤中，将模板结构至少部分地固化。因此，可以有利地调整模板结构的形状、和/或与基部结构和/或平滑层的结合。

17、在本发明的上下文中，光学结构的打印包括由打印墨层构建该结构。这些打印墨层是通过至少部分地并排地靶向放置打印墨的液滴来获得的。优选地，打印墨的液滴从打印头的喷嘴通常在大致竖直方向上朝向衬底或基部结构喷射，尽管也可以以一定角度喷射。构成后续层的各层的液滴至少部分地朝向先前沉积的层喷射，使得三维结构逐层构建。优选地，三维打印是多喷口打印(multi-jet printing)。

18、优选地，打印墨包括半透明成分或透明成分。更优选地，打印墨包括至少一种可光聚合成分。最优选地，该至少一种可光聚合成分是单体，当该单体暴露于辐射(例如，紫外(ultra-violet，uv)光)时会聚合。优选地，沉积的液滴在沉积之后被针固化(pin cured)，即，部分地固化。更优选地，增加打印墨的至少一种成分的粘度。最优选地，在相应的液滴沉积之后执行针固化，或者在整个层或仅一部分层的沉积之后执行针固化。替代地，以一定的间隔执行针固化，例如，在每两个层的打印之后执行针固化。特别地，对于光学部件和/或光学结构，期望的是该结构是至少部分地半透明的和/或透明的。优选地，固化可以包括主动固化和/或被动固化，其中特别地，被动固化包括让液滴随时间干燥或固化，而主动固化包括作用于所沉积的液滴，例如，使液滴受到诸如电磁辐射(特别是uv光)的额外的能量。

19、根据本发明的优选实施例，打印工艺的参数包括如下中的至少一者：环境温度、打印墨的温度、打印墨的组成、打印墨的粘度、液滴尺寸、液滴喷射速度、液滴密度和打印速度，并且/或者，固化工艺的参数包括如下中的至少一者：固化温度、固化时间、辐照强度和辐照波长。根据本发明，调节这些参数，以产生光学微结构、特别是具有预定尺寸的光学微结构。因此，有利地能够获得具有预定尺寸和性质的微结构。例如，通过相应地选择参数，可以获得光学结构(特别是平滑层)的改善的抗划伤性。

20、根据本发明的另一优选实施例，使用不同的墨用于打印平滑层和用于打印模板结构。特别地，用于基部结构、模板结构和/或平滑层的打印墨包括至少一个不同的参数，其中，该参数是如下中的至少一者：玻璃化转变温度、弹性、热系数、粘度、折射率、离散度、透射率、吸收性、反射系数和颜色，其中，特别地，用于模板结构的打印墨包括与用于平滑层并因此用于光学微结构的打印墨的参数不同的至少一个参数。因此，通过根据预定的形状和/或厚度优选地利用不同的墨来打印各层，可以有利地根据期望调整所得到的光学结构的机械性质和光学性质。使用具有不同性质的打印墨是获得期望的微结构的特别容易并因此有利的方式。

21、在本发明的上下文中，结构和元件的尺寸包括但不限于高度(即，垂直于基部结构的区域的竖直延伸)以及横向宽度(即，平行于基部结构的区域的水平延伸)。本领域技术人员理解的是，模板结构和/或微结构可以根据期望包括大致任何外轮廓和/或形状，特别地，模板结构和/或微结构可以包括不同取向上的不同的高度和/或不同的横向宽度。为了简单起见，出于所有意图和目的，仅提及了优选指示最大高度的高度以及优选指示最大横向宽度的横向宽度。权利要求的该范围不应被明确解释为限于具有均匀的高度和/或均匀的横向宽度的结构。代替地，本发明还涵盖其他形状，特别是更复杂的形状。所有对应的解释均同等适用。特别地，模板结构的高度指示从基部结构的(假设是)平坦的表面到该模板结构的最高点的竖直延伸，并且/或者微结构的高度指示从平滑层的(假设是)平坦的表面到该微结构的最高点的竖直延伸。特别地，微结构的高度不同于平滑层的(最大)厚度。

22、根据本发明的优选实施例，基部结构是衬底、透镜胚料和/或三维打印的结构。特别地，基部结构可以包括打印在衬底上的基层。这是特别有利的，因为所得到的基部结构可以被制造为诸如包括非常光滑的表面，这在产生光学微结构时特别重要。此外，可以选择基层的材料，以允许与一侧上的衬底和另一侧上的模板结构和/或平滑层的最佳结合。优选地，基部结构包括玻璃和/或聚合物，特别是高级氨基甲酸乙酯聚合物(trivex)、三醋酸纤维素(cellulose triacetate，tac)、环烯烃共聚物(cyclic olefin copolymer，coc)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，pet)、聚碳酸酯(polycarbonate，pc)和/或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，pmma)，聚甲基丙烯酸甲酯也称为亚克力玻璃或有机玻璃。这些材料是用于光学目的的公知的且经过测试的材料，因此特别适合于制造根据本发明的光学结构。优选地，在本发明的上下文中，假设并优选的是，基部结构大体平坦，因此基部结构包括大致平坦的表面区域。当然，基部结构也可以包括弯曲表面。所有特征和解释在这种情况下都是同等适用的。

23、优选地，光学结构被制造为使得在一些区域中，模板结构接触基部结构的表面，并且平滑层被打印在模板结构的顶部上，而在其他区域中，平滑层被直接打印在基部结构上。替代地，模板结构可以包括大致覆盖基部结构的至少一层，并且在预定位置处(特别是在要制造微结构的位置处)包括特定结构。

24、根据本发明的优选实施例，以预定图案打印多个微结构，使得该多个微结构产生光学元结构(metastructure)、特别是衍射光栅。本领域技术人员认可的是，单个光学微结构可以其自身是光学部件(诸如微透镜)，但也可以是由多个微结构组成的较大光学结构或部件的一部分(诸如衍射光栅)。特别地，衍射光栅可以由多个正弦曲线形的或大致矩形的脊组成。因此，特别有利地能够制造具有非常小的结构尺寸的(光学)衍射光栅。因此，有利地能够通过常规的三维打印工艺来制造具有非常小的结构尺寸的光学元结构。

25、根据本发明的优选实施例，微结构的高度包括模板结构的高度的1％至50％、优选小于40％、更优选小于30％、最优选小于20％。例如，模板结构的高度可以包括100nm至2000nm，则对应的微结构的高度可以包括1nm至1000nm。有利地，可以通过相应地控制平滑层来实现这种大范围的尺寸、特别是微结构的小的所得到的高度。例如，用于打印平滑层的打印墨的低粘度、长的固化时间和/或长的等待时间(即，打印和固化之间的时间)产生具有特别小的高度的微结构，因为平滑层的材料可以更容易地分散开并且产生更平滑的外表面(即，使由模板结构产生的形貌平滑)。

26、根据本发明的另一优选实施例，微结构的横向宽度包括模板结构的横向宽度的20％至500％、优选地50％至200％。本领域技术人员认可的是，这意味着微结构的横向宽度可以小于或大于对应的模板结构的横向宽度。例如，模板结构的横向宽度可以包括50微米至500微米，而对应的微结构的横向宽度可以包括10微米至1000微米。

27、申请人已经进行了初步测试。在第一测试中，打印了大致圆形的穹顶形状的模板结构，该模板结构包括约1400nm的高度和约60微米的横向宽度。打印并固化平滑层，使得在模板结构的位置处的所得到的微结构产生约90nm的高度和约95微米的横向宽度。在第二测试中，模板结构的高度为约260nm，并且模板结构的横向宽度为约300微米。所得到的微结构包括约20nm的高度和约250微米的横向宽度。

28、根据本发明的另一优选实施例，在第五步骤中，在平滑层的顶部上打印涂层。优选地，涂层通过三维打印来制造，并且优选地沉积在平滑层上。这种涂层是特别有利的，因为它可以防止外部影响对光学结构的损害。更优选地，涂层包括均匀的厚度，特别地，涂层在其整个横向延伸上包括恒定的厚度。更优选地，涂层包括比基部结构、模板结构和/或平滑层低的厚度。这是特别有利的，因为以这样的方式，优选地，仅保护性涂层不会实质影响光学结构的光学性质。优选地，涂层提供光学结构的防紫外辐照的屏蔽、颜色校正和/或抗反射性能。因此，有利地能够保护光学结构不受外部损坏和/或劣化的影响。替代地，平滑层被配置为诸如用作涂层。这例如可以通过相应地选择材料性质和/或相应地控制最外层的打印参数和/或固化参数来实现。因此，有利地能够产生具有保护性质的相对薄的光学结构，而不必打印附加层和/或使用不同的打印墨以用于涂层。

29、本发明的另一主题是一种光学结构，该光学结构特别地通过根据本发明的方法来制造，其中，该光学结构包括基部结构、打印在该基部结构上的模板结构以及打印在该模板结构上的平滑层，其中，该平滑层在该平滑层的外表面处包括光学微结构，该光学微结构位于模板结构竖直上方的位置处，该光学微结构特别是微透镜，其中，该光学微结构包括高度，该高度低于该模板结构的高度。

30、结合本发明的该主题描述的实施例和优点也适用于本发明的另一主题，反之亦然。

31、根据本发明的该主题的优选实施例，基部结构包括厚度，该厚度高于模板结构的高度和/或平滑层的最大厚度。特别地，在本发明的上下文中，厚度意味着表示两个(假设是)平坦的平面之间的最大或平均的竖直延伸。优选地，基部结构的厚度包括衬底的厚度和打印在衬底上的基层的厚度的组合。更优选地，基部结构的厚度至少是模板结构的高度和/或平滑层的最大厚度的两倍、三倍、五倍或十倍。替代地，平滑层的厚度(特别是平均厚度或最大厚度)高于基部结构的厚度，特别是高于基层的厚度。因此，有利地能够提供稳定的基部结构，该稳定的基部结构允许精确地制造微结构，而不受基部结构的不规则或变形的影响。附加地或替代地，至少基层是薄的且光学均匀的层。特别地，在该上下文中，薄应被理解为包含仍产生期望结果的最小厚度，这些期望结果诸如为与衬底的良好结合、与模板结构的良好结合和/或衬底的表面不规则性的减轻。在(相对)薄的基层的该情况下，例如根据光学结构的期望用途，可以自由地选择下方的衬底的厚度。特别地，基层的厚度与模板结构的厚度在相同的范围内。

32、根据本发明的该主题的另一优选实施例，基部结构、特别是在施加模板结构和/或平滑层的区域中的基部结构包括平滑的和/或平坦的上表面。因此，有利地能够防止基部结构的不规则表面具有比微结构的高度高的粗糙度。

33、根据本发明的该主题的又一优选实施例，光学微结构的高度包括模板结构的高度的1％至50％、优选小于40％、更优选小于30％、最优选小于20％，并且/或者微结构的横向宽度包括模板结构的横向宽度的20％至500％、优选50％至200％。

34、根据本发明的该主题的另一优选实施例，该光学结构包括多个光学微结构、特别是大致相同的多个光学微结构，其中，该多个光学微结构以预定图案布置，使得光学结构包括光学元结构、特别是衍射光栅。

35、根据本发明的该主题的优选实施例，光学结构包括由多个微结构组成的光波导。特别地，多个微结构产生可以用作光波导的衍射光栅。因此，有利地能够使用根据本发明的方法来产生包括光波导的光学结构。

36、根据本发明的该主题的优选实施例，光学结构包括位于平滑层的顶部上的涂层。因此，有利地能够保护光学结构免受化学劣化和/或机械劣化。替代地，平滑层被配置为诸如作为涂层。这例如可以通过相应地选择材料性质和/或相应地控制最外层的打印参数和/或固化参数来实现。因此，有利地能够产生具有保护性质的相对薄的光学结构，而不必打印附加层和/或使用不同的打印墨以用于涂层。