本發(fā)明一般地涉及光導(dǎo)，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(xué)元件的剛性光纖光導(dǎo)，及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

牙科導(dǎo)光棒形式的剛性光纖光導(dǎo)在現(xiàn)有技術(shù)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(qiáng)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(dǎo)光棒。

這些套是光導(dǎo)的外周表面的封閉部分，玻璃制成的光導(dǎo)的端面是暴露的。在光導(dǎo)中被引導(dǎo)的電磁輻射的發(fā)射輪廓因此主要由光導(dǎo)的玻璃的折射率和幾何形狀決定。如果需要不同的發(fā)射輪廓，例如為了獲得額外的光的勻質(zhì)化和/或聚焦，還需要必須附連到光導(dǎo)的其他光學(xué)系統(tǒng)。特別地，對于醫(yī)學(xué)或化妝應(yīng)用來說，產(chǎn)生以下問題，即，光導(dǎo)必須是能進(jìn)行衛(wèi)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(dǎo)上的座、透鏡框架、和透鏡結(jié)合劑的現(xiàn)有技術(shù)的透鏡系統(tǒng)，該要求不能被滿足或僅以非常大的花費(fèi)被滿足。

DE 10 2012 100 375 A1公開了一種光導(dǎo)，通過使用液體聚合物調(diào)整其光學(xué)性能。特別地，在光發(fā)出表面上，具有這些液體聚合物的區(qū)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(dǎo)來說，很難承受機(jī)械應(yīng)力，特別因為如果密封帽被拉開則液體聚合物可泄露。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在該背景下，本發(fā)明的目的是提供一種用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)或美容應(yīng)用的由玻璃制成的光導(dǎo)，該光導(dǎo)具有：能以簡單但堅固的方式被擴(kuò)展的光學(xué)功能；改進(jìn)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(chǎn)該光導(dǎo)的方法及其特別有利的應(yīng)用。

該目的還通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中被詳述。

根據(jù)本發(fā)明的光導(dǎo)具有外周表面和至少一個端面。典型地，光導(dǎo)是窄的、細(xì)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(dǎo)可配置為光纖棒(纖維棒，fiber rod)或光導(dǎo)棒形式的剛性光導(dǎo)，或配置為柔性光導(dǎo)，其具有結(jié)合到或熱熔到彼此的光進(jìn)入和/或光發(fā)出面。光導(dǎo)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(xué)元件被模制到玻璃的該端面，使得當(dāng)光導(dǎo)處于工作狀態(tài)時在光導(dǎo)中被引導(dǎo)的電磁輻射被引導(dǎo)經(jīng)過玻璃的端面進(jìn)入光學(xué)元件的透明塑料并從其發(fā)出。模制的光學(xué)元件在其處于工作狀態(tài)時使經(jīng)過元件的輻射成形(shape)并因此決定根據(jù)本發(fā)明的光導(dǎo)的發(fā)射輪廓。

發(fā)明人實(shí)現(xiàn)了：所述目的以出人意料地簡單的方式通過將塑料的光學(xué)元件直接模制到玻璃的端面而實(shí)現(xiàn)。這確保了對于光學(xué)元件的大的拔出力，使得耐用的且機(jī)械穩(wěn)定的連接被設(shè)置在端面和光學(xué)元件之間。本發(fā)明的上下文中的透明表示：光學(xué)元件的塑料在光導(dǎo)處于工作狀態(tài)時對于被引導(dǎo)經(jīng)過光導(dǎo)的電磁輻射來說是透過性的。特別地，光學(xué)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(shí)現(xiàn)。

模制的光學(xué)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(lián)(hot-linking)液體硅橡膠組成的組中選擇。光學(xué)元件從玻璃制成的光導(dǎo)的端面拔出的力有利地大于80N，特別大于100N。更具體地，光學(xué)元件不可拆開地連接到玻璃的光導(dǎo)的端面，也就是說，當(dāng)光學(xué)元件從端面拔出時，光導(dǎo)將損壞甚至毀掉。

原則上，其他高度透明的且熱穩(wěn)定的塑料也適于用來模制這種光學(xué)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(xué)特性，但他們具有較低的化學(xué)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(chǎn)的ULTEM)就所需的耐高壓滅菌性方面來說實(shí)際上是合適的，但具有琥珀本色并且很難處理。有機(jī)硅由于其永久的彈性是優(yōu)選的。

根據(jù)本發(fā)明，由透明塑料制成的光學(xué)元件直接模制到玻璃的端面，所以在光學(xué)元件的進(jìn)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(xué)元件形狀配合地和通過材料結(jié)合地結(jié)合到端面。為了增加機(jī)械穩(wěn)定性，也可優(yōu)選地想到粘接促進(jìn)劑被設(shè)置在光導(dǎo)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(jìn)劑到透明塑料的界面次序。

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

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

如之前所述的，光學(xué)元件具有在光學(xué)元件處于工作狀態(tài)時使經(jīng)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(jié)合，特別通過將具有不同折射率的透明塑料的層結(jié)合，光學(xué)元件的光束成形和/或混合性能可被選擇性地調(diào)整。

也可行的是：光學(xué)元件在其至少一部分上被由不同于光學(xué)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(jī)械損壞的防護(hù)，和/或可防止橫向的光發(fā)射。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，光導(dǎo)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(xué)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(xué)元件可被鎖定到所述光導(dǎo)，因而優(yōu)選地，光學(xué)元件從光導(dǎo)拔出的拔出力被再次進(jìn)一步增大。

特別優(yōu)選地，光導(dǎo)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(yōu)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(chǎn)上述的光導(dǎo)的創(chuàng)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(dǎo)光區(qū)域的光導(dǎo)，該光導(dǎo)具有玻璃的端面；提供包括光學(xué)元件的負(fù)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(xué)元件；將光導(dǎo)的至少端面引入注塑模具；以及通過反應(yīng)注塑成型模制塑料光學(xué)元件，其中光導(dǎo)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(xué)元件。

如上所述，LSR優(yōu)選用作塑料材料。反應(yīng)注塑成型的方法是已知的。令人驚奇的是，其能用于生產(chǎn)直接且不可拔出地結(jié)合到玻璃光導(dǎo)的光學(xué)元件。

在該方法的特別優(yōu)選的實(shí)施例中，在光學(xué)元件被模制到光導(dǎo)的端面之前，將粘接促進(jìn)劑至少應(yīng)用于光導(dǎo)的覆蓋有光學(xué)元件的塑料材料的區(qū)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(jìn)劑是聚硅烷或硅烷化合物。利用該預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)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(xué)預(yù)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(jī)硅中的Si-OH基之間形成化學(xué)結(jié)合。如上面已經(jīng)描述的，也可使用化學(xué)和/或物理預(yù)處理方法，由此玻璃表面能被活化。除了去除水膜和有機(jī)污染物之外，表面能以這種方式被額外地活化從而實(shí)現(xiàn)良好的粘接結(jié)合。

根據(jù)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(xué)元件模制到光導(dǎo)。在這種情況下，想到：光導(dǎo)浸漬在含液體有機(jī)硅的模具中并隨后被回火。這特別實(shí)現(xiàn)了在光導(dǎo)上產(chǎn)生薄的涂層。這里，再次地，可想到用粘接促進(jìn)劑至少局部地預(yù)處理光導(dǎo)的表面。

根據(jù)本發(fā)明的光導(dǎo)優(yōu)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(yè)上可應(yīng)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(jī)中的部件。也能想到在耳、鼻或喉的藥物領(lǐng)域中的應(yīng)用。

而且，同樣能想到在照明部分中的應(yīng)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(dǎo)在光發(fā)出表面上配有光學(xué)元件。

具有模制于其上的光學(xué)元件的光導(dǎo)的成本特別低的變型能在以下情況中實(shí)現(xiàn)，即，光纖(纖維，fiber)或?qū)Ч獍舯缓唵蔚劁彅嗖⒖蛇x地被研磨，隨后光學(xué)元件由液體有機(jī)硅被模制到該粗糙地鋸斷的表面上。通過對光導(dǎo)和光學(xué)元件的折射率的最佳的可能的適應(yīng)(即，折射率匹配)，鋸斷或研磨的光纖(纖維，fiber)或?qū)Ч獍舯砻婕y理能變得光學(xué)地基本光滑而無需任何昂貴的拋光步驟。這特別也實(shí)現(xiàn)成本低的應(yīng)用。

附圖說明

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

附圖標(biāo)記列表

1 光導(dǎo)

1.1 單光纖

1.2 包層

1.3 底切區(qū)域

2 擴(kuò)展部

3 光學(xué)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(qū)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(xué)元件的光導(dǎo)，其執(zhí)行會聚透鏡的功能。

圖2示出具有模制于其上的光學(xué)元件的光導(dǎo)，其執(zhí)行分散透鏡的功能。

圖3示出具有模制于其上的光學(xué)元件的光導(dǎo)，其執(zhí)行光混合器的功能。

圖4示出具有模制于其上的光學(xué)元件的光導(dǎo)，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(xué)元件的光導(dǎo)，其被覆蓋元件保護(hù)。

圖6示出具有模制于其上的光學(xué)元件并且具有用于耦合光源的安裝套的光導(dǎo)。

圖7示出具有模制于其上的光學(xué)元件的光導(dǎo)，該光學(xué)元件通過被鎖定在光導(dǎo)上而額外機(jī)械地穩(wěn)定。

圖8是作為高壓滅菌循環(huán)函數(shù)的光導(dǎo)的透射特性的曲線圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出由玻璃制成并且終止于端面10的光導(dǎo)1，透明塑料制成的光學(xué)元件3直接模制到端面10或利用粘接促進(jìn)層模制到端面10。產(chǎn)生的整個光導(dǎo)1是一體形成的，如所述的，也就是說，光學(xué)元件3永久地結(jié)合到光導(dǎo)1的玻璃部分。光學(xué)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(shí)施例中，光學(xué)元件3具有覆蓋光導(dǎo)1的橫向周圍表面的部分的擴(kuò)展部2。這種情況下，塑料和光導(dǎo)1的玻璃之間的接觸面積增大，由此，相比于光學(xué)元件3的塑料材料僅在光導(dǎo)的端面10處接觸光導(dǎo)1的情況獲得更大的拔出力。

利用下面描述的方法產(chǎn)生在附圖中示出的示例性實(shí)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?qū)Ч獍?單芯棒，縮寫為SCR)或這兩種類型的組合構(gòu)成的光導(dǎo)1通過注塑成型工藝?yán)酶叨韧该鞯挠袡C(jī)硅(silicone)在其端部二次成型。通過這種方式，光學(xué)元件3被一體地模制。在這里，使用反應(yīng)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(nèi)在熱的作用下發(fā)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(dǎo)致更快的交聯(lián)。該工藝的細(xì)節(jié)已經(jīng)在相關(guān)的文獻(xiàn)中被描述并且公眾能容易地獲得。

特別地，提到的有機(jī)硅材料能是高度透明的，使得能由其生產(chǎn)光學(xué)元件，例如透鏡或?qū)Ч庠?。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(yōu)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(yī)藥領(lǐng)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(yīng)用。這導(dǎo)致比PMMA或PC更大的應(yīng)用范圍，特別是用作醫(yī)藥和/或化妝領(lǐng)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(xué)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(xué)元件3的光導(dǎo)1，該光學(xué)元件用作分散透鏡并因此具有凹狀的光發(fā)出表面3.2。圖1中示出的光學(xué)元件的會聚透鏡的功能要求凸形的光發(fā)出表面3.1。

根據(jù)圖3的光學(xué)元件3在其光發(fā)出表面具有會聚透鏡3.1的功能，但是，在其上游設(shè)有混合區(qū)域4，混合區(qū)域4用作光混合器，以用于在工作狀態(tài)使從端面10發(fā)出的光勻質(zhì)化。這里，再次地，光學(xué)元件能被一體地制成，這意味著光束成形光發(fā)出表面3.1和混合區(qū)域4能以單個部件的形式實(shí)現(xiàn)。為了在混合區(qū)域4中進(jìn)行光混合和/或勻質(zhì)化，可有利的是，混合區(qū)域包括相對于直徑的擴(kuò)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(jù)圖4的光學(xué)元件3在光發(fā)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(xué)元件3也可形成為錐形細(xì)長的柔性導(dǎo)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(qū)域內(nèi)，甚至能例如獲得允許照亮齒間空間的側(cè)發(fā)射(side-emitting)效應(yīng)。被引入光學(xué)元件3的塑料材料的體積內(nèi)的散射粒子可進(jìn)一步用于使在光學(xué)元件3中被引導(dǎo)的光勻質(zhì)化。這兩種效應(yīng)當(dāng)然也可相結(jié)合。

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

在進(jìn)一步二次成型工藝中，例如，光學(xué)元件3可二次成型有作為覆蓋元件的有顏色的優(yōu)選不透明的第二層5，以便防止橫向地發(fā)射光，從而機(jī)械地保護(hù)光學(xué)元件，和/或?qū)鈱?dǎo)1進(jìn)行顏色標(biāo)記。這種光導(dǎo)1在圖5中被示出。

圖6示出能在光導(dǎo)1的光進(jìn)入表面附近模制套6，例如，該套允許光導(dǎo)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(jī)硅層的硬度低，能采取較廉價的干涉配合接收措施。因此，當(dāng)前的高公差要求能被降低，這對生產(chǎn)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(jìn)劑對于增大有機(jī)硅和光導(dǎo)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(dǎo)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(yù)處理，使得其能形成與有機(jī)硅的化學(xué)結(jié)合。

使用大氣壓等離子體(AP等離子體)的等離子體預(yù)處理能實(shí)現(xiàn)非常好的粘接。在這種情況下，在二次成型工藝之前光導(dǎo)在其一定距離處被導(dǎo)向經(jīng)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(yīng)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(jīng)受AD等離子體火焰。使用的有機(jī)硅材料是沃克公司(WACKER)的LR 7600/70。即使在200個高壓滅菌循環(huán)(每次均在134℃、3巴下經(jīng)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(dǎo)1的包層的底切區(qū)域1.3可有助于粘接。根據(jù)圖7，為此小的切開部或切口被引入光導(dǎo)1的包層，切開部或切口與塑料的光學(xué)元件3的擴(kuò)展部2相互接合。

基本由于存在界面而使產(chǎn)生的光功率較低，因而有利地是：對光導(dǎo)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(lán)光譜范圍內(nèi)。通過這種方式，能實(shí)現(xiàn)：借助透射率基本更好的玻璃棒，界面處引起的損失能被補(bǔ)償，或甚至被過度補(bǔ)償。

如果光學(xué)元件3被模制為具有突出超過光導(dǎo)1的端面10的塑料材料的擴(kuò)展部和光導(dǎo)1的外周表面的覆蓋部分，特別是在鄰接端面10的區(qū)域中，那么這些通過上述方式一體地形成的光學(xué)元件3可進(jìn)一步提供附加的優(yōu)點(diǎn)，即，提供額外的機(jī)械保護(hù)。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(shí)施例中，本發(fā)明進(jìn)一步考慮將整個光導(dǎo)涂覆有塑料，這也可通過上述的注塑成型來實(shí)現(xiàn)。在替代的工藝變型中，也可想到光學(xué)元件3通過浸涂工藝被模制到光導(dǎo)1。在這種情況下，想到光導(dǎo)1被浸漬在含液體有機(jī)硅的模具中并隨后被回火。通過這種方式，能在光導(dǎo)1上產(chǎn)生薄的涂層。這里，再次地，可想到用粘接促進(jìn)劑至少局部地預(yù)處理光導(dǎo)1的表面。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，由于光學(xué)元件的光束成形和/或光束勻質(zhì)化特性，根據(jù)本發(fā)明的光導(dǎo)1以簡單和耐用的方式提供以下優(yōu)點(diǎn)，即，改進(jìn)的照明性能。而且，玻璃的端面10能被機(jī)械地保護(hù)而免于損壞。產(chǎn)生的具有模制于其上的光學(xué)元件3的光導(dǎo)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(wèi)生要求。

圖8通過示例示出作為高壓滅菌循環(huán)(任意情況下，在134℃、10巴下經(jīng)過10分鐘的保持時間)函數(shù)的透射率特性的圖表。在這種情況下，光導(dǎo)1用AD等離子體進(jìn)行預(yù)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(huán)內(nèi)，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(huán)吸入的水至少部分地再次排出，該透射率損失經(jīng)過14天被部分地補(bǔ)償。該結(jié)果示出通過這種方式特別能滿足用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用例如牙科領(lǐng)域的制備要求。