具有模制于其上的光學元件的光導的制作方法

本發明一般地涉及光導，更具體地涉及具有模制于其上的高度透明的塑料制成的光學元件的剛性光纖光導，及其應用。

背景技術：

牙科導光棒形式的剛性光纖光導在現有技術中是已知的。它們通常通過拉拔玻璃棒或成束的芯包層棒而制成。特別地，它們可二次成型有作為套的塑料。用于該目的的塑料材料是黑色不透明的、通常玻璃纖維增強的PPS塑料(泰科納公司(TICONA)的)。這種安裝套用于容納緊密配合在包括光源的手持件中的牙科導光棒。

這些套是光導的外周表面的封閉部分，玻璃制成的光導的端面是暴露的。在光導中被引導的電磁輻射的發射輪廓因此主要由光導的玻璃的折射率和幾何形狀決定。如果需要不同的發射輪廓，例如為了獲得額外的光的勻質化和/或聚焦，還需要必須附連到光導的其他光學系統。特別地，對于醫學或化妝應用來說，產生以下問題，即，光導必須是能進行衛生清理的并因此必須是能消毒和/或高壓滅菌的。利用包括用于安裝在光導上的座、透鏡框架、和透鏡結合劑的現有技術的透鏡系統，該要求不能被滿足或僅以非常大的花費被滿足。

DE 10 2012 100 375 A1公開了一種光導，通過使用液體聚合物調整其光學性能。特別地，在光發出表面上，具有這些液體聚合物的區域能被定位，這些液體聚合物通過密封帽被封閉。對于這種光導來說，很難承受機械應力，特別因為如果密封帽被拉開則液體聚合物可泄露。

技術實現要素：

在該背景下，本發明的目的是提供一種用于工業、醫學或美容應用的由玻璃制成的光導，該光導具有：能以簡單但堅固的方式被擴展的光學功能；改進的粘接以及因此帶來的大的拔出力；和非常好的耐高壓滅菌性；其目的還在于詳述用于生產該光導的方法及其特別有利的應用。

該目的還通過獨立權利要求的主題實現。優選實施例在從屬權利要求中被詳述。

根據本發明的光導具有外周表面和至少一個端面。典型地，光導是窄的、細長的物品。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個纖維棒。光導可配置為光纖棒(纖維棒，fiber rod)或光導棒形式的剛性光導，或配置為柔性光導，其具有結合到或熱熔到彼此的光進入和/或光發出面。光導的由玻璃制成的部分終止于玻璃的端面。由至少一個透明塑料制成的光學元件被模制到玻璃的該端面，使得當光導處于工作狀態時在光導中被引導的電磁輻射被引導經過玻璃的端面進入光學元件的透明塑料并從其發出。模制的光學元件在其處于工作狀態時使經過元件的輻射成形(shape)并因此決定根據本發明的光導的發射輪廓。

發明人實現了：所述目的以出人意料地簡單的方式通過將塑料的光學元件直接模制到玻璃的端面而實現。這確保了對于光學元件的大的拔出力，使得耐用的且機械穩定的連接被設置在端面和光學元件之間。本發明的上下文中的透明表示：光學元件的塑料在光導處于工作狀態時對于被引導經過光導的電磁輻射來說是透過性的。特別地，光學元件的至少90％或更大值的透射率值被有利地使用，該值主要通過選擇塑料而實現。

模制的光學元件的塑料有利地從由液體硅橡膠(LSR)、特別是具有高透明度和高抗熱性的熱交聯(hot-linking)液體硅橡膠組成的組中選擇。光學元件從玻璃制成的光導的端面拔出的力有利地大于80N，特別大于100N。更具體地，光學元件不可拆開地連接到玻璃的光導的端面，也就是說，當光學元件從端面拔出時，光導將損壞甚至毀掉。

原則上，其他高度透明的且熱穩定的塑料也適于用來模制這種光學元件，盡管收縮特性和對玻璃的粘接是決定性的。雖然PC或PMMA具有非常好的光學特性，但他們具有較低的化學抗性和耐熱性。透明的熱塑性材料例如聚醚酰亞胺(PEI，例如GE Plastics公司生產的ULTEM)就所需的耐高壓滅菌性方面來說實際上是合適的，但具有琥珀本色并且很難處理。有機硅由于其永久的彈性是優選的。

根據本發明，由透明塑料制成的光學元件直接模制到玻璃的端面，所以在光學元件的進入面和端面之間存在界面并因此在玻璃和塑料之間存在界面。特別地，光學元件形狀配合地和通過材料結合地結合到端面。為了增加機械穩定性，也可優選地想到粘接促進劑被設置在光導的玻璃表面上，特別是在玻璃的端面上，使得存在玻璃到粘接促進劑到透明塑料的界面次序。

而且，玻璃表面的物理和/或化學的表面預處理可以是有利的，特別對于表面激活和產生高表面能來說。這種方法特別包括電暈放電、等離子體預處理，例如大氣壓等離子體，或表面蝕刻等。預處理可特別在施加粘接促進劑和/或在模制光學元件之前被執行。

透明塑料的光學元件也可形成為使得其突出超過玻璃的端面并覆蓋光導的外周表面的至少一部分。也能想到完全覆蓋光導。在玻璃的光導和光學元件之間的接觸面積因此增大，使得能獲得改進的粘接和更大的拔出力。

如之前所述的，光學元件具有在光學元件處于工作狀態時使經過元件的電磁輻射成形的作用。特別地，其可用作會聚透鏡或用作分散透鏡和/或用作光混合器。通過將不同的透明塑料結合，特別通過將具有不同折射率的透明塑料的層結合，光學元件的光束成形和/或混合性能可被選擇性地調整。

也可行的是：光學元件在其至少一部分上被由不同于光學元件的透明塑料的塑料制成的覆蓋元件覆蓋。然后這種覆蓋元件可例如用作透明塑料例如抵抗機械損壞的防護，和/或可防止橫向的光發射。

在優選的實施例中，光導的外周表面具有特征部件，所謂的底切部分，該底切部分與光學元件和/或覆蓋元件的一體模制的特征部件相互接合。通過這種方式，可以說，光學元件可被鎖定到所述光導，因而優選地，光學元件從光導拔出的拔出力被再次進一步增大。

特別優選地，光導由玻璃棒或多個非可釋放地相互連接的玻璃棒形成，并且優選地該玻璃棒是芯包層棒。芯包層棒通常是玻璃棒，該玻璃棒具有由玻璃制成的芯，該芯被相比于芯的玻璃具有更低折射率的玻璃的包層圍繞。

一種用于生產上述的光導的創造性的方法，其包括以下方法步驟：提供具有由玻璃制成的至少一個導光區域的光導，該光導具有玻璃的端面；提供包括光學元件的負輪廓的注塑模具；提供至少一個塑料前體，由此在完成塑料前體的固化時限定光學元件；將光導的至少端面引入注塑模具；以及通過反應注塑成型模制塑料光學元件，其中光導的至少端面覆蓋有至少一個塑料前體，并且塑料前體被固化，由此形成光學元件。

如上所述，LSR優選用作塑料材料。反應注塑成型的方法是已知的。令人驚奇的是，其能用于生產直接且不可拔出地結合到玻璃光導的光學元件。

在該方法的特別優選的實施例中，在光學元件被模制到光導的端面之前，將粘接促進劑至少應用于光導的覆蓋有光學元件的塑料材料的區域的至少部分面積上。在特別有利的方式中，也稱為引物(primer)或粘接劑清潔劑的粘接促進劑是聚硅烷或硅烷化合物。利用該預處理，實現了：一方面表面被清潔并且特別厚(fat)或臟的層被去除，另一方面玻璃表面被化學預處理，使得除了純粹的形狀配合之外，能在玻璃中的Si-O鍵和有機硅中的Si-OH基之間形成化學結合。如上面已經描述的，也可使用化學和/或物理預處理方法，由此玻璃表面能被活化。除了去除水膜和有機污染物之外，表面能以這種方式被額外地活化從而實現良好的粘接結合。

根據該方法的一個變型，也可想到：通過浸涂工藝而不是通過注塑成型將光學元件模制到光導。在這種情況下，想到：光導浸漬在含液體有機硅的模具中并隨后被回火。這特別實現了在光導上產生薄的涂層。這里，再次地，可想到用粘接促進劑至少局部地預處理光導的表面。

根據本發明的光導優選在以下裝置中使用：在牙科照明裝置中，特別是牙科固化裝置中；用于固化工業上可應用的粘接劑的裝置中、例如電子裝置中或牙科手持件中；例如作為渦輪機中的部件。也能想到在耳、鼻或喉的藥物領域中的應用。

而且，同樣能想到在照明部分中的應用，例如，用于陳列柜照明或家具照明，其中剛性或柔性的光導在光發出表面上配有光學元件。

具有模制于其上的光學元件的光導的成本特別低的變型能在以下情況中實現，即，光纖(纖維，fiber)或導光棒被簡單地鋸斷并可選地被研磨，隨后光學元件由液體有機硅被模制到該粗糙地鋸斷的表面上。通過對光導和光學元件的折射率的最佳的可能的適應(即，折射率匹配)，鋸斷或研磨的光纖(纖維，fiber)或導光棒表面紋理能變得光學地基本光滑而無需任何昂貴的拋光步驟。這特別也實現成本低的應用。

附圖說明

參考附圖更詳細地說明本發明。所有的附圖都是示意性的，真實物品的尺寸和比例可與附圖所示的不同。

附圖標記列表

1 光導

1.1 單光纖

1.2 包層

1.3 底切區域

2 擴展部

3 光學元件

3.1 會聚透鏡

3.2 分散透鏡

3.3 任意定制的光束成形

4 混合區域

5 覆蓋元件

6 安裝套

10 端面

在附圖中：

圖1示出具有模制于其上的光學元件的光導，其執行會聚透鏡的功能。

圖2示出具有模制于其上的光學元件的光導，其執行分散透鏡的功能。

圖3示出具有模制于其上的光學元件的光導，其執行光混合器的功能。

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

圖5示出具有模制于其上的光學元件的光導，其被覆蓋元件保護。

圖6示出具有模制于其上的光學元件并且具有用于耦合光源的安裝套的光導。

圖7示出具有模制于其上的光學元件的光導，該光學元件通過被鎖定在光導上而額外機械地穩定。

圖8是作為高壓滅菌循環函數的光導的透射特性的曲線圖。

具體實施方式

圖1示出由玻璃制成并且終止于端面10的光導1，透明塑料制成的光學元件3直接模制到端面10或利用粘接促進層模制到端面10。產生的整個光導1是一體形成的，如所述的，也就是說，光學元件3永久地結合到光導1的玻璃部分。光學元件3具有自由端，該自由端成形為用作會聚透鏡。在本示例性實施例中，光學元件3具有覆蓋光導1的橫向周圍表面的部分的擴展部2。這種情況下，塑料和光導1的玻璃之間的接觸面積增大，由此，相比于光學元件3的塑料材料僅在光導的端面10處接觸光導1的情況獲得更大的拔出力。

利用下面描述的方法產生在附圖中示出的示例性實施例。由直的、弧形的和/或錐形的纖維棒1.1(多芯棒，縮寫為MCR)或導光棒(單芯棒，縮寫為SCR)或這兩種類型的組合構成的光導1通過注塑成型工藝利用高度透明的有機硅(silicone)在其端部二次成型。通過這種方式，光學元件3被一體地模制。在這里，使用反應注塑成型工藝，其中都是液體的成分A和B被混合，然后在壓力下注入工具。在工具內在熱的作用下發生硫化。通常硫化時間是每毫米壁厚3至10秒，更高的溫度導致更快的交聯。該工藝的細節已經在相關的文獻中被描述并且公眾能容易地獲得。

特別地，提到的有機硅材料能是高度透明的，使得能由其生產光學元件，例如透鏡或導光元件。例如，邁圖公司(MOMENTIVE)的LSR 7000系列的液體硅橡膠(LSR)的變體具有高的透射率(＞90％)和良好的耐UV光性。更優選的LSR變體是瓦克公司(WACKER)的LSR型LR7600。而且，提供了足夠高的耐熱性以便甚至承受醫藥領域中通常使用的制備方法，例如高壓滅菌(例如，3巴的壓力134℃之下10分鐘的保持時間)。而且，能獲得范圍為5至90肖爾A(Shore A)的肖氏硬度，以便能適于不同的應用。這導致比PMMA或PC更大的應用范圍，特別是用作醫藥和/或化妝領域中的照明裝置。上述材料的替代是例如已知名字為LC seri系列的DOW CORNIN的LSR變體，或MS-1002。

光學元件3的形狀特別地由其光束成形功能的要求確定。圖2示出具有模制于其上的光學元件3的光導1，該光學元件用作分散透鏡并因此具有凹狀的光發出表面3.2。圖1中示出的光學元件的會聚透鏡的功能要求凸形的光發出表面3.1。

根據圖3的光學元件3在其光發出表面具有會聚透鏡3.1的功能，但是，在其上游設有混合區域4，混合區域4用作光混合器，以用于在工作狀態使從端面10發出的光勻質化。這里，再次地，光學元件能被一體地制成，這意味著光束成形光發出表面3.1和混合區域4能以單個部件的形式實現。為了在混合區域4中進行光混合和/或勻質化，可有利的是，混合區域包括相對于直徑的擴展部分(長度l，直徑D)。例如，比值l/d＞1(理想地l/d＞2)是有利的，如通過示例在圖3中示出的。

根據圖4的光學元件3在光發出表面3.3處也可具有任意期望的形狀，該形狀由期望的光束成形特性決定。例如，非球面表面和/或會聚與聚焦表面的組合是可行的。光學元件3也可形成為錐形細長的柔性導光棒。

例如，通過選擇性地將散射粒子引入透明塑料材料的近表面區域內，甚至能例如獲得允許照亮齒間空間的側發射(side-emitting)效應。被引入光學元件3的塑料材料的體積內的散射粒子可進一步用于使在光學元件3中被引導的光勻質化。這兩種效應當然也可相結合。

由于通過上述的注塑成型工藝獲得光學元件3，其中光發出表面的形狀通過注塑模具的負形狀而產生，所以全部都需要的是一次產生合適的形狀，然后能大量生產具有模制于其上的反應光學元件3的光導。通常，要求對光學元件3的光發出表面不進一步處理，但是，如果期望的話，當然可采取其他措施例如拋光和/或涂覆有功能層。

在進一步二次成型工藝中，例如，光學元件3可二次成型有作為覆蓋元件的有顏色的優選不透明的第二層5，以便防止橫向地發射光，從而機械地保護光學元件，和/或對光導1進行顏色標記。這種光導1在圖5中被示出。

圖6示出能在光導1的光進入表面附近模制套6，例如，該套允許光導被耦合到光源。因為相比于玻璃采取安裝套6的形式的有機硅層的硬度低，能采取較廉價的干涉配合接收措施。因此，當前的高公差要求能被降低，這對生產成本來說具有積極效果。

為了保證大的拔出力(通常大于100N)，粘接促進劑對于增大有機硅和光導1之間的粘接是有利的，其在二次成型工藝之前施加于玻璃光導1。為此，硅烷化合物，也被稱為引物，在注塑成型工藝之前被施加。除了清潔之外，玻璃表面通常被預處理，使得其能形成與有機硅的化學結合。

使用大氣壓等離子體(AP等離子體)的等離子體預處理能實現非常好的粘接。在這種情況下，在二次成型工藝之前光導在其一定距離處被導向經過等離子體火焰，因而表面被清潔，濕氣被去除，和/或額外地表面被活化。

這種情況下，例如，利用具有10mm直徑的測試橫截面的相應的纖維棒樣品，獲得大于200N、通常約250N的拔出力。樣品的表面在約10至15mm的距離處經受AD等離子體火焰。使用的有機硅材料是沃克公司(WACKER)的LR 7600/70。即使在200個高壓滅菌循環(每次均在134℃、3巴下經過10分鐘的保持時間)之后，粘接仍然為粘接的初始值的約65％。

此外，用于獲得形狀配合(form fit)連接的光導1的包層的底切區域1.3可有助于粘接。根據圖7，為此小的切開部或切口被引入光導1的包層，切開部或切口與塑料的光學元件3的擴展部2相互接合。

基本由于存在界面而使產生的光功率較低，因而有利地是：對光導1來說使用玻璃芯材料，該玻璃芯材料具有特別好的透射率，尤其是在藍光譜范圍內。通過這種方式，能實現：借助透射率基本更好的玻璃棒，界面處引起的損失能被補償，或甚至被過度補償。

如果光學元件3被模制為具有突出超過光導1的端面10的塑料材料的擴展部和光導1的外周表面的覆蓋部分，特別是在鄰接端面10的區域中，那么這些通過上述方式一體地形成的光學元件3可進一步提供附加的優點，即，提供額外的機械保護。另一方面，通過選擇性地選擇被使用的LSR材料的肖氏硬度，能獲得更好的觸覺。

在有利的實施例中，本發明進一步考慮將整個光導涂覆有塑料，這也可通過上述的注塑成型來實現。在替代的工藝變型中，也可想到光學元件3通過浸涂工藝被模制到光導1。在這種情況下，想到光導1被浸漬在含液體有機硅的模具中并隨后被回火。通過這種方式，能在光導1上產生薄的涂層。這里，再次地，可想到用粘接促進劑至少局部地預處理光導1的表面。

相比于現有技術，由于光學元件的光束成形和/或光束勻質化特性，根據本發明的光導1以簡單和耐用的方式提供以下優點，即，改進的照明性能。而且，玻璃的端面10能被機械地保護而免于損壞。產生的具有模制于其上的光學元件3的光導1能作為整個部件被消毒和/或高壓滅菌，使得他們滿足最高的衛生要求。

圖8通過示例示出作為高壓滅菌循環(任意情況下，在134℃、10巴下經過10分鐘的保持時間)函數的透射率特性的圖表。在這種情況下，光導1用AD等離子體進行預處理。如通過對于例如460nm和410nm波長的輻射的曲線所示的，在第一次200個循環內，在開始處僅存在輕微的透射率損失。通過在室溫(RT)下干燥以允許借助高壓滅菌循環吸入的水至少部分地再次排出，該透射率損失經過14天被部分地補償。該結果示出通過這種方式特別能滿足用于醫學應用例如牙科領域的制備要求。