CN103476568A

CN103476568A - 光学成型体的制备方法

Info

Publication number: CN103476568A
Application number: CN2011800658504A
Authority: CN
Inventors: O.策尔纳; C.克林肯贝格; C.赫曼森; M.博岑
Original assignee: Bayer Pharma AG
Current assignee: Covestro Deutschland AG
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2031-11-24
Also published as: EP2643135B1; US20130265776A1; KR20130132871A; KR101954462B1; WO2012069590A1; CN103476568B; ES2663841T3; EP2643135A1

Abstract

本发明涉及光学成型体（2）、特别是透镜元件（2）的制备方法，包括通过第一塑料的注塑在成型模具中产生预成型件（4）和通过第二塑料的注塑在预成型件（4）上产生至少一个覆盖层（6.1,6.2），其中用来产生预成型件（4）的成型模具的温度比用来产生所述至少一个覆盖层（6.1,6.2）的成型模具的温度低30%-60%。

Description

光学成型体的制备方法

本发明涉及光学成型体、特别是光学透镜的制备方法，其中通过第一热塑性塑料的注塑在成型模具中产生预成型件和通过第二热塑性塑料的注塑在预成型件上产生至少一个覆盖层。此外，本发明涉及根据该本发明的方法制备的成型体和该成型体的应用。

具有光学品质的成型体对许多应用是至关重要的。例如，光学透镜主要用于照明***中的光控制。其中除了有汽车大灯，还有家用领域和公共场所的照明装置，例如街道照明。作为光源，越来越多地使用贫UV和IR的发光二极管（LED）。

此外，视力辅助用品（例如眼睛或隐形眼镜）以及光学设备（例如显微镜、双筒望远镜或者单筒望远镜）需要具有好的光学品质的透镜。

光学成型体的例子已经是在现有技术中已知的。例如DE 102008034153 A1公开了由塑料材料制备光学成型体的方法，其中光学成型体的制备包括至少三步相互连续的注射(Einstpritzen)过程。

DE 69725535 T2公开了用于光学目的的塑料产品的制备方法，其中首先由树脂形成初级成型件，在该成型件上再施加由相同树脂形成的层而形成次级成型件。其中，将考虑用来覆盖初级成型件的树脂加热到推荐的最低注射温度加5℃和推荐的最高温度减5℃之间的温度并注射在初级成型件上，从而在初级和次级成型件的温度范围内通过熔化而相互焊接起来，后来也没有出现皱缩的情况。

在DD 298620 A5中描述了借助注塑模具制备塑料成型件的二步骤的注塑方法，其限定成型件的面可以平行推移。

JP 2001-191365 A描述了注塑厚壁透镜的方法，该透镜具有逐渐构建起来的多层透镜结构。这样制备的透镜可以用减少的循环时间来制备，并且显示出减少的收缩。

另外在文献中已经描述过，在成型模具中注塑时应该调节注射阶段的高温以及冷却阶段的低温。相应的调温过程也称为变热（variotherm）调温并尤其在US 2004/0188886 A1中公开。

DE69411728 T2描述了层状的光致变色的眼镜透镜的制备方法，其中在注射热塑性塑料之前将所使用的成型模具加热到稍高于热塑性塑料的玻璃化转变温度的温度。

DE20022726 U1公开了用于制备可植入的塑料透镜的注射冲压机的模具，使用它可以制备出在不用机械精加工的情况下具有非常小的形状偏差和非常高的表面质量的成型件，同时该成型件没有应力。需要指出的是，必须将模腔在注射塑料过程中保持在足够高的温度，以便可以实现好的光学品质。

US 20090283926 A1描述在注塑机中将功能性膜层压到注塑的热塑性透镜上的方法。当使用聚碳酸酯作为用于透镜体的热塑性塑料时，在260-315.6℃的熔化温度以及93.3-146.1℃的模具温度下注射该热塑性塑料。

US 7615176公开了在使用两个模腔的情况下改善多层复合体内部粘附性的方法，其中将第一模腔保持在比第二模腔更高的温度。

在现有技术中，通常调节最佳的模具温度来产生不同的热塑性塑料层。其中在现有技术中存在的主要观点是，只有在基本上对每个层最佳的模具温度下才能产生高品质的光学成型体。成型模具的最佳温度取决于所使用的塑料材料和特别是塑料材料的玻璃化转变温度。对于聚碳酸酯，厚壁的光学构件的最佳温度例如在约120℃（大约比聚碳酸酯的玻璃化转变温度低20-30℃）。

然而，120℃的最佳模具温度却产生了缺点。例如，由于高的模具温度，甚至在变热过程中产生了长的冷却时间（每个成型体最多20分钟）。

因此，本发明的目的在于，提供光学成型体的制备方法，由此产生的光学成型体具有出色的光学品质和特别是改善的光学成像性能和低的内应力。

前面引出和指出的目的按照本发明的第一个方面通过根据权利要求1的制备光学成型体的方法而得到实现。光学成型体的制备方法包括：

- 通过第一塑料的注塑在成型模具中产生预成型件，

- 通过第二塑料的注塑在预成型件上产生至少一个覆盖层，

- 其中用来产生预成型件的成型模具的温度比用来产生所述至少一个覆盖层的成型模具的温度低30%-60%。

与现有技术相反，根据本发明的教导，减小由透明热塑性塑料形成的光学成型体的内应力，其通过使用明显较低的模具温度而不是使用近乎最佳的模具温度来产生预成型件。此外，通过显著更低的模具温度，由于较少的冷却时间可以显著地减少了光学成型体的制备时间。

在第一步中，产生由透明的热塑性塑料形成的预成型件或者第一层。与现有技术相反，这却不是在最佳的模具温度下，而是在明显更低的温度下产生的。优选地，可以将模具温度（即模具壁温度）调节到比（近乎）最佳的模具温度低30%-60%，在该最佳的模具温度会产生所述至少一个覆盖层。

根据本发明发现，令人惊讶的是对于高品质的光学构件足以用（近乎）最佳的模具温度产生所述至少一个覆盖层，同时可以用明显较低的模具温度产生预成型件。

例如，可以将两个覆盖层例如时间上连续地注射到预成型件相对的表面上。也可以在第一覆盖层上接着注射第二或者第三覆盖层。根据本发明方法的第一优选的实施方式，可以在预成型件上通过同步注塑覆盖层来施加上部覆盖层和下部覆盖层。同步注塑特别是指在相同的时间和以相同的方式可以产生两个覆盖层。其中显示出，通过同步注塑上部覆盖层和下部覆盖层可以减小内应力。同时可以用注塑物料配置预成型件的两个表面。可以实现更好的光学特性和特别是好的表面成型。

根据另一实施方式，所述第一塑料可以由与第二塑料相同的材料形成。由此可以以简单的方式制备光学构件。这样可以不用复杂的模具，其中该模具允许用至少两种不同的塑料进行注塑。以简单的方式和特别短的冷却时间可以形成光学成型体。

替代性地，所述第一塑料可以由与第二塑料不同的材料形成。通过使用不同种类的塑料可以组合利用两种不同塑料材料的优点。例如对于要在外部照明中使用的光学结构元件，可以使用塑料材料用于所述至少一个覆盖层，该塑料材料比起预成型件和/或另一覆盖层的塑料材料更耐环境的影响。例如，可以将聚-或者共聚甲基丙烯酸甲酯（例如PMMA）用于覆盖层，其提供了改善的UV保护，而将聚碳酸酯用于预成型件。也可以考虑利用不同种塑料的不同折射率。例如，可以选择具有由塑料形成的覆盖层的光学成型体，其中该塑料具有与预成型件的塑料的折射率不同的第一折射率，从而实现一定的光控制（Lenkung）。可以得到具有特殊功能和/或性能的光学成型体。

根据本发明方法的优选实施方式，所述塑料可以是透明的热塑性塑料，特别是聚碳酸酯。

除了聚碳酸酯（例如Makrolon?），可以用来制备光学成型体的热塑性塑料例如有共聚碳酸酯、聚酯碳酸酯、聚苯乙烯、苯乙烯共聚物、芳族聚酯、如聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、PET-环己烷二甲醇共聚物（PETG）、聚萘二甲酸乙二酯（PEN）、聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）、聚酰胺、环状聚烯烃、多-或聚-或共聚丙烯酸酯和聚-或共聚甲基丙烯酸酯，如聚-或共聚甲基丙烯酸甲酯（如PMMA）、以及与苯乙烯的共聚物，如透明的聚苯乙烯丙烯腈（PSAN）、热塑性聚氨酯、基于环状烯烃的聚合物（例如TOPAS?、Ticona公司的商业产品）、聚甲基丙烯酸甲酯或上述组分的混合物。其它可以使用的材料是例如Momentive公司的所谓液态硅橡胶（LSR）。

也可以是多种热塑性聚合物的混合物，特别是当它们可以相互混合并且是透明的，其中在一个特殊的实施方式中优选聚碳酸酯与PMMA（更优选PMMA小于2重量%）或者聚酯的混合物。

在本文中，另一特殊的实施方式可以包括聚碳酸酯和小于2.0重量％、优选小于1.0重量％、更优选小于0.5重量％的PMMA的混合物，其中含有至少为0.01重量％的PMMA（基于聚碳酸酯的量计），其中PMMA优选的摩尔重量为<40000 g/mol。在一个特别优选的实施方式中，PMMA的含量为0.2重量%和特别优选0.1重量%（基于聚碳酸酯的量计），其中PMMA优选的摩尔重量为<40000 g/mol。

替代性的另一特殊的实施方式可以包括PMMA和小于2重量％、优选小于1重量％、更优选小于0.5重量％的聚碳酸酯的混合物，其中含有至少为0.01重量％的聚碳酸酯（基于PMMA的量计）。

在一个特别优选的实施方式中，聚碳酸酯的含量可以是0.2重量%和特别优选0.1重量%（基于PMMA的量计）。

所有已知的聚碳酸酯是适用于制备本发明的塑料组合物的聚碳酸酯。它们是均聚碳酸酯、共聚碳酸酯和热塑性聚酯碳酸酯。

聚碳酸酯的制备优选根据相界面方法或者熔体转酯化方法进行。

相界面方法例如参照H. Schnell编著的"Chemistry and Physics of Polycarbonates", Polymer Reviews, 卷9, Interscience Publishers, New York 1964 33页等，和Polymer Reviews, 卷10, "Condensation Polymers by Interfacial and Solution Methods", Paul W. Morgan, Interscience Publishers, New York 1965, 章节VIII, 325页，和Dres. U. Grigo, K. Kircher与P.R. Müller编著的 "Polycarbonate" in Becker/Braun, Kunststoff-Handbuch, 卷3/1, Polycarbonate, Polyacetale, Polyester, Celluloseester, Carl Hanser Verlag Munich, Vienna 1992, 118-145页，以及EP 0 517 044 A1。

熔体转酯化方法例如在Encyclopedia of Polymer Science, 卷10 (1969), Chemistry and Physics of Polycarbonates, Polymer Reviews, H. Schnell, 卷9, John Wiley and Sons, Inc. (1964)以及专利文献DE-B 10 31 512和US-B 6 228 973中描述过。

聚碳酸酯优选通过双酚化合物与碳酸化合物（特别是光气或者在熔体转酯化过程的碳酸二苯酯或者碳酸二甲酯）的反应来制备。

其中，特别优选基于双酚A的均聚碳酸酯和基于单体双酚A和1,1-双-（4-羟基苯基）-3,3,5-三甲基环己烷的共聚碳酸酯。

可以用于聚碳酸酯合成的这些和其它的双酚-或者二醇化合物主要在WO 2008037364 A1 (第7页第21行到第10页第5行)、EP 1 582 549 A1 ([0018]到[0034])、WO 2002026862 A1(第2页第20行到第5页第14行)、WO 2005113639 A1(第2页第1行到第7页第20行)中公开了。

聚碳酸酯可以是直链的或者支化的。也可以使用支化的和未支化的聚碳酸酯的混合物。

用于聚碳酸酯的合适支化剂在文献中已知，例如在专利文献US-B 4 185 009和DE 25 00 092 A1 (根据本发明的3,3-双-（4-羟基芳基-羟吲哚，分别参见整篇文章), DE 42 40 313 A1 (见第3页第33到55行), DE 19 943 642 A1 (见第5页第25到34行)和US-B 5 367 044以及这里引用的文献中描述过。此外，所使用的聚碳酸酯也可以是固有支化的，其中在聚碳酸酯合成的过程中没有添加支化剂。固有支化的例子是所谓的弗里斯结构（Fries-Struktur），正如在EP 1 506 249 A1中用于熔体聚碳酸酯而公开的。

此外，可以在聚碳酸酯制备中使用链终止剂。优选的链终止剂是酚类如苯酚，烷基酚类如甲酚和4-叔丁基苯酚，氯酚，溴酚，对异丙基酚或它们的混合物。此外，聚碳酸酯可以包含聚合物添加剂，如流动改进剂、热稳定剂、脱模剂或加工助剂。

此外，可以含有UV吸收剂或者IR吸收剂。合适的UV吸收剂例如在EP 1 308 084 A1、DE 102007011069 A1和DE 10311063 A1中描述过。合适的IR吸收剂例如在EP 1 559 743 A1、EP 1 865 027 A1、DE 10022037 A1、DE 10006208 A1以及意大利专利申请RM2010A000225、RM2010A000227以及RM2010A000228中公开过。

优选的IR吸收剂是那些基于硼化物和钨酸盐以及基于ITO和ATO的吸收剂以及其组合。

在一个特别优选的本发明的实施方式中，热塑性塑料可以是分子量Mw为20000-32000、更优选22000-27000的聚碳酸酯，其通过凝胶渗透色谱法用聚碳酸酯校准而测定。

对于本发明的光学成型体，每个层可以完全由热塑性塑料或者由热塑性塑料的混合物组成。替代性地，这些层也可以由不同的热塑性塑料或者热塑性塑料的不同混合物构建成。但是，在本发明的范围优选将热塑性塑料或者热塑性塑料的混合物用于光学成型体的所有层。

根据本发明方法的一个优选实施方式，用来产生预成型件的成型模具的温度可以是50-100℃、优选60-80℃、特别优选约70℃。特别是对于聚碳酸酯，在传统的注塑方法中将更高的模具温度调节在（最佳的）约120℃的范围（大约比聚碳酸酯的玻璃化转变温度低20-30℃）。相对于传统的成型模具温度，较低的成型模具温度的优点在于，可以减少光学成型体的冷却时间。可以减少制备时间并因此可以提高生产量。同时可以制备出高质量、高品质的光学透镜。其原因在于，在产生后压铸件（Nachspritzling）时模具温度更高和特别是在最佳模具温度的范围中。根据一个优选的实施方式，用来产生至少一个覆盖层的成型模具的温度可以是90-130℃、优选约120℃。特别是在模具温度为120℃时，基于该模具壁温度可以保证高的构件质量。

当模具温度在产生由聚碳酸酯形成的预成型件时基本上为70℃并且模具温度在（同步）产生由聚碳酸酯形成的上部和下部覆盖层时基本上为120℃，则可以得到特别好的结果。

特别是通过在提高的和特别是最佳的模具温度注射上至少一个覆盖层可以抵消和特别是克服预成型件表面的不平整或者干扰。

此外发现，与现有技术相反，在成型模具中产生的压力，即续压（Nachdruck），在产生预成型件时明显地可以减小，并且没有在终产物出现质量的缺点。为了避免缩孔和类似的缺陷，在传统的产生聚碳酸酯层的注塑方法中产生至少800bar的压力。根据本发明方法的另一优选的实施方式，在产生预成型件的过程中在所述成型模具中产生的压力为250-800bar、优选350-800bar、特别优选350-500bar。通过较低的压力可以进一步降低内应力。可以实现更好的光学特性。此外，低的压力可以产生成型模具较低的负荷。

根据另一优选的实施方式，在产生所述至少一个覆盖层的过程中在所述成型模具中产生的压力为800-1000bar。由此可以保证，光学成型体的表面几乎没有凹陷。

此外，根据另一实施方式所述预成型件和覆盖层之间的层厚度比为60:40到70：30。与现有技术中预成型件与覆盖层的比例始终为50:50（三个层时为25%-50%-25%）相反，根据本发明发现，产生的预成型件的层厚度可以明显大于覆盖层的层厚度。层厚度比特别是可以取决于过程参数，对于特定的性能可以优化该参数。例如，层厚度比可以选择依赖于在整个成品件的横截面在脱模时刻（有针对性）所选择的温度分布、在整个构件的横截面在预成型件或者预压铸件喷出（Ueberspritz）的时刻（有针对性）所选择的温度分布、在预压铸件的横截面在预压铸件脱模的时刻（有针对性）所选择的温度分布、在预压铸件的横截面在预压铸件物料的注射结束之后（有针对性）所选择的温度分布、待用于预压铸件和覆盖层的不同塑料和/或在成品件的几何保真度和内部特性方面所要求的构件质量。可以分别通过在预压铸件和覆盖层的封闭模具中的注射塑料的物料温度、模具壁温度和/或停留时间（冷却时间）来影响上述的在构件中的温度分布。

特别是由于较低的模具温度而可以使所述预成型件具有较高的层厚度，而不用提高光学结构元件的冷却时间。这样带来的好处是，可以减小所述至少一个覆盖层的层厚度。减小的层厚度可以产生更好的表面性能。在冷却时间保持相同的情况下，可以制备具有更好的表面性能的光学成型体。

原则上，在两个覆盖层的情况下两个覆盖层的层厚度是不同的。根据一个优选的实施方式，上部覆盖层的层厚度基本上相当于下部覆盖层的层厚度。可以均匀地冷却光学构件。产生较低的内应力。

此外，根据另一实施方式可以制备厚度至少10mm的光学成型体。特别是可以制备10-40mm、例如20mm或30mm的（厚壁）光学成型体。

根据另一实施方式，在产生所述至少一个覆盖层时在注射过程中可以调节最佳的成型模具温度（约120℃），然后将该成型模具温度例如通过水冷却来冷却。可以减少冷却时间并以此减少制备时间。

本发明的另一方面是光学成型体、特别是透镜元件的制备方法，包括：

- 通过第一塑料的注塑在成型模具中产生预成型件，

- 通过第二塑料的注塑在预成型件上产生至少一个覆盖层，

- 其中在产生预成型件的过程中在所述成型模具中产生的压力为250-800bar。

如已经描述过的，上面设定的目的也可以通过减小压力来实现，而不必减小温度。在产生预成型件的过程中，压力，即续压，优选可以在350-800bar的范围。然而，相比于最佳的压力或者最佳的模具温度优选可以降低压力和模具温度。

本发明的另一方面是光学成型体、特别是透镜元件，其根据上述的方法制备。

另一方面是光学成型体，特别是根据上述的方法制备，包含由第一塑料形成的预成型件和至少一个由第二塑料形成的覆盖层，其中第一塑料由与第二塑料不同的塑料材料形成。

如已经描述过的，通过使用不同种类的塑料可以组合利用两种不同塑料材料的优点。

根据所述光学成型体的一个优选实施方式，所述预成型件和覆盖层之间的层厚度比为60:40到70：30。此外，上部覆盖层的层厚度基本上相当于下部覆盖层的层厚度。

本发明的另一方面是上述光学成型体在具有发光二极管作为光源的照明***中作为透镜的应用。照明***的例子是前大灯，特别是机动车辆大灯、路灯、房屋门面照明、外部照明、内部照明、工业照明等。

本方法和结构元件的特征可以自由地相互组合。特别是本说明和/或从属权利要求的特征，即使在完全或者部分规避独立权利要求的特征的情况下，以单独或者自由相互组合的形式可以是独立创造性的。

有许多种可能可以形成和进一步开发用来根据本发明制备光学成型体的方法、根据本发明的光学成型体和根据本发明的光学成型体的应用。这可以参照在独立专利权利要求后面的专利权利要求以及连同附图的具体实施方案的描述。在附图中显示了：

图1 根据本发明通过多层注塑制备由透明的热塑性塑料形成的光学构件的方法的具体实施方案的流程图，

图2 通过本发明方法制备的光学构件的具体实施方案的示意图，

图3 通过照明透镜的光路的示意图，

图4 通过多层注塑而制备的注塑构件的示意图，

图5 光学构件和冷却时其温度分布的示意图，

图6 注塑构件冷却时间的示例图，

图7 具有在由聚碳酸酯形成的双层透镜的情况下示例性的定性的冷却时间最佳值的图示，

图8 具有在由聚碳酸酯形成的三层透镜的情况下示例性的定性的冷却时间最佳值的图示，

图9a 在2-组分注塑机上制备单层-、双层-和三层透镜的示意图，

图9a 在2-组分注塑机上制备单层-、双层-和三层透镜的另一示意图，

图10 与单层透镜相比双层-和三层透镜的冷却时间减少的示例图，

图11 在单层-、双层-和三层实施方式中透镜体（Makrolon LED 2245）的示意图，

图12 平整度的最大偏差相对于成型模具中的续压变化的曲线的示例图，

图13 平整度的最大偏差相对于成型模具中的续压变化的另一曲线的示例图，

图14 平整度的最大偏差相对于冷却时间变化的曲线的示例图，

图15 测量的单层-、双层-和三层透镜的透射率和黄度（Yellowness）值的平均值的图示，

图16 像素移动（Verschiebung）的测试结构和测试原理的示例图，

图17 根据图16的结构中的试样、油和膜的曲线变化的示例图，

图18 通过注塑构件的光路的示例图，

图19 像素移动的测试原理的示例图，

图20 示例图显示了加工对三层透镜的“像素移动”的影响，其中用来产生预成型件的模具温度和用来产生覆盖层的模具温度基本上相同，

图21 示例图显示了加工对单层透镜的“像素移动”的影响，其中用来产生预成型件的模具温度低于用来产生覆盖层的模具温度，

图22 示例图显示了加工对单层透镜的“像素移动”的影响，

图23 示例图显示了加工对单层透镜的“像素移动”的影响，

图24 示例图显示了退火（Tempern）对单层透镜中的“像素移动”的影响，

图25 像素平均值的示例图，

图26 测量光学结构元件质量的示例图，

图27 产生偏转角的示例图，和

图28 测量光学结构元件质量的测试结构的示例图。

图1显示了根据本发明的方法的具体实施方案的流程图。在第一步骤101中，在成型模具中通过注塑形成预成型件。特别是可以使用透明的塑料作为材料。优选制备由聚碳酸酯形成的预成型件。

将成型模具的温度、特别是成型模具的腔室的温度调到比在产生所述至少一个覆盖层时的成型模具的温度低30%-60%的值。优选可以将该温度减少30%-50%。特别是对于聚碳酸酯可以调到60-80℃、优选约70℃的模具温度。令人惊奇地发现，特别是在70℃左右的温度范围，即约65-75℃，可以减小在成型件内的内应力。同时可以减少制备之间。

作为替代或除了降低模具温度，在产生预成型件的时候相比于最佳压力可以减小成型模具中的压力。例如，在产生由聚碳酸酯形成的预成型件时可以产生约250-800bar、特别是350-800bar的压力。由此也可以减少光学成型件中的内应力。

在下一步骤102中通过注塑施加至少一个覆盖层、优选两个覆盖层。优选可以使用与在产生预成型件时相同的塑料材料，特别是聚碳酸酯。优选可以产生三层透镜。在预成型件上可以施加上部和下部覆盖层。当同步进行注射时，可以进一步减小成型件中的内应力。

上部和下部覆盖层的同步注塑特别是可以在最佳的模具温度和/或最佳的压力下进行。最佳的模具温度特别是指可以制备具有（近乎）最佳光学性能的层或者成型体的温度。最佳的压力特别是指可以制备具有（近乎）最佳光学性能的层或者成型体的压力。对于聚碳酸酯，最佳的模具温度为约120℃，而最佳的压力为800-1000bar。

在冷却阶段之后，可以将光学成型件在步骤103中从腔室中取出。此外，可以在下一步骤104中进行另一加工步骤。

图2显示了根据上述方法制备的光学成型体2的具体实施方案。特别是可以形成透明的成型体2。成型体2优选可以是透镜元件2。光学成型体2优选可以用于照明***中，特别是作为LED汽车大灯的透镜元件2。

所描绘的光学成型体2包含预成型件4或者中间的塑料层4。在预成型件4的两个宽阔表面上设置了上部覆盖层6.1和下部覆盖层6.2。

所述光学成型体2的厚度12为10-30mm。根据本具体实施方案，预成型件4的厚度8大于覆盖层6.1,6.2的厚度10。如能够识别的，在本具体实施方案中上部覆盖层6.1的层厚度10基本上相当于下部覆盖层6.2的层厚度10。所述预成型件4的层厚度8与覆盖层6.1,6.2的层厚度10的比例优选可以为70:30到60：40。

例如，光学成型体20的层厚度12可以是20mm。预成型件4的层厚度8可以是约12mm，而覆盖层6.1,6.2的层厚度10可以是约4mm。

可以理解，原则上可以产生更复杂的形状和特别是元件的层厚度分布可以变化。此外，除了聚碳酸酯也可以使用其它塑料材料。这里可以理解为，必须根据所使用的塑料材料调节的成型模具的温度和/或压力。

此外需要注意，在接下来的几年在LED技术方面主要聚焦在非成像照明，而在过去几年研发的重点主要在成像光学***领域。与成像光学相反，其不是指光源图像的产生。光学专业领域的主要兴趣是如何将目标照的通亮。对于给定的光源产生一定的光分布。光分布是通过反射和透射的材料而产生的，这些材料的表面将入射光反射、折射和弯曲。这些材料被称为光学无源的（passiv）。与光源组合形成光学***。光学设计对于提高效率和最佳的光再分布是必须的。

在非成像光学领域和完全特别是在照明光学中，塑料得到了新的应用。通过开发LED照明物质可以开辟出还没有光学***存在的新领域。由于LED相比于传统的照明物质具有长的使用寿命和能量高效，所以许多工业领域对LED照明很感兴趣。在汽车制造领域，支持在照明光学元件（Optik）中使用热塑性塑料的观点还包括相比于玻璃可以节省重量和功能一体化的可能性。

如今，新型的照明光学元件需要高度复杂的、自由成型的、半折射和半反射的光学元件，这些光学元件用玻璃很难制造。此外，在照明光学领域经常可以遇到大众应用（Massenanwendung），这些应用证明了注塑技术的使用是正确的。对于许多照明应用来说光学的要求同样很高，但是与成像光学元件直接相比可以较容易的转化为塑料光学元件。因此，成像错误是次要的，而光学设计者在设计其光学元件中具有更多的几何自由度。由此更能抵消和/或容忍塑料光学性能的缺点（例如折射率和几何形状的温度依赖性）。

如上所述，光学塑料在照明光学元件中具有很大的应用潜力。然而主要是存在工艺技术上的挑战，这在下文中简短地阐述：

实现许多照明光学元件的功能的前提条件是，将散射-和强度损失以及光线偏转保持在低的水平。通过功能表面的几何形状（形状、波纹和粗糙度）和内部特点（透射、吸收、色散、应力、密度分布）而集成式地实现功能。

这意味着，将光输入和输出耦合（auskoppeln）的光功能面的成型精度必须非常高。对于凹陷和成型偏差，准确度需要在下两位的mm范围，而对于表面粗糙度甚至必须在一位的nm范围。另外这也意味着，成型件体积必须具有尽可能低的内应力、杂质和各向异性的材料特性，以便没有负面地影响到光学特性。

上述的挑战明确地指出了在注塑过程中需要提出什么要求。一方面，由于注塑过程在成型件中存在空间和时间上不同的压力-、温度-和定向分布。由此通过如上所述可能影响到光学性能的分子定向、密度分布和极化作用而形成了或多或少非常显著的光学各向异性。另一方面，沿着整个工艺链必须要注意非常洁净和保护性的制备，因为必须要避免各种杂质和缺陷，例如缩孔、夹杂物、流线，这些负面地影响到其光学特性。

此外，这些基于工艺的要求与源自光学设计的几何构成相重叠。非常紧凑的透镜体通常需要厚壁。在此形成重心的透镜在塑料技术领域可以被称作厚壁的。10mm、20mm和30mm是常见的壁厚，该壁厚值此外根据光学设计和功能一体化仍可以显著地变化。厚的成型件区域的固化比薄的区域较慢，从而可能在薄的区域中形成不希望的熔体淤积和特别是在续压阶段在厚壁区域中使压力转移变差。由此使均匀的成型件填充和所要求的光学面成型精确度困难。此外，大的厚壁导致非常长的冷却时间。根据壁厚其可能为5-20分钟和部分情况下更长时间。由于与此相关的在注塑机的塑化单元中长的停留时间，塑料的热负荷和因此材料损害的危险比在其它的应用中更大。此外，由于长的冷却时间而使连续的工艺操作、工艺控制和试验计划变困难。并不是最后一点，由于长的冷却-和循环时间而负面影响到这些构件的成本。

综上所述，对于在这里所考虑的光学元件可以发现，工艺技术的挑战来自光学设计所要求的非常高的精确度和洁净度连同对于塑料加工技术非常不利的厚壁几何形状。用来制备这些元件的工艺链的重要组成目前还处于开发和试验阶段，特别是在尽可能短的循环时间达到所要求的照明质量。

多层注塑与传统的注塑或压铸方法不尽相同，并尝试一层一层地制备光学构件。在一层一层的制备中，各个层比总的壁厚薄，从而可以减少冷却时间，因为每个层的冷却时间的总和比在单层方法中的冷却时间更短。初步的理论估算预测了，多层注塑具有很大的潜力可以减少循环时间。由BMBF资助的项目“自动灯”（在VDI的赞助下）在一个分项目中的目的是，对于复杂的自由成型光学元件（Freiformoptik）基本上改善用来预测最有利的层分配的模拟技术。特别是也通过定量的冷却时间预测与质量预测包括在模拟中进行组合。

此外提出的问题是，是否在实现一定的光学和几何形状的质量特征时在通过单层-、双层-或者三层注塑而制备的光学构件之间存在不同。

具体的实际试验目前在Bayer MaterialScience的研究中进行。该试验的核心在于，表明在光学构件中多层注塑相比于标准注塑基本的不同。为此进行了对在单层-、双层-和三层注塑中制备的光学几何形状的比较试验。

光学构件的要求的范围是多方面的。这些要求的重要性又分别根据照明光学元件的应用领域而不同。如上所述，这些要求通过材料性能和几何形状的组合而实现。其中，影响和限制制备工艺的知识是非常重要的，因为由此可以非常大地影响到后面的性能。

几何形状的要求可以是轮廓、表面积、粗糙度、曲率半径、尺寸、角度和公差。光学要求可以是折射率/色散、反射度、透射、吸收、散射、固有色、双重折射。视觉要求可以是光泽、缩孔、夹杂物、表面缺陷（条纹缺陷，夹杂物）、污垢和流线。光技术要求可以是发光物质、照明、光线分布、显色、法定要求。环境要求可以是温度稳定性，湿度，耐化学性，泛黄，E-模量、结构一体化，机械性和耐受力。经济的要求可以是循环时间，件数，固定成本、模具和机器消耗，次品率和公差。

LED光不具有或者只具有少量的UV和IR含量，并允许新颖的光学元件。注塑工艺在表面成型和形状多样性方面的优点可以在照明-和传感器光学元件中被完全充分地利用。值得在注塑工艺中制成模型的大众应用是在照明-和传感器光学元件方面。用透明的塑料可以实现的质量满足精确的照明光学元件和传感器的要求。

透明塑料用于照明光学元件的潜力和挑战：

存在潜力是因为复杂的、自由成型的、半折射和半反射的光学元件大量地用玻璃仅仅仍很难制备。

挑战是照明特性，如功能表面的几何形状（形状、波纹和粗糙度）和内部特性（透射、吸收、色散、应力），低的散射和强度损失，以及光线的偏转，因此高的光学功能面注塑工艺的成型精确度产生了光学各向异性材料结构（密度、应力、定向、极化），高的纯度要求即没有杂质和缺陷，如缩孔、夹杂物、流线，紧凑的具有厚壁的透镜体（10mm、20mm和30mm）。由此使均匀的成型件填充和压力转移困难。此外，大的厚壁导致非常长的冷却时间。

冷却时间的基本考虑（见图6）：

。

初步的理论估算预测了，多层注塑具有很大的潜力来减少循环时间。特别是在包括可实现的质量的预测情况下，在BMBF的“自动灯”项目中对多层体系和复杂的自由成型光学元件的冷却时间的模拟广泛有效。

实施例：在2-组分注塑机上制备单层-、双层-和三层透镜（见图9a、9b）。正如可以特别看出的，在三层透镜中的循环时间相比于单层透镜减少了超过50%。

透镜总的厚度 S = 20mm

物料温度 JM = 280℃

模具温度预压铸件 VS = 120℃

模具温度后压铸件 VS = 120℃

导热系数 a = 2000 W/m2K

在成型件中间的脱模温度 JE = 150℃

每600s两个单层透镜

每290s一个双层透镜

每580s两个双层透镜

每240s一个三层透镜

每480s两个三层透镜。

不可靠的理论结果：这里只纯粹考虑冷却时间的减少。这里没有考虑在多层注塑时由于额外的模具中间开放和注射而产生的时间部分。

在不均匀的介质中，折射率不是恒定的（见图18）。折射率变化的梯度（最显著变化的方向）。在界面上适用常见的折射定律的通过的光线。光线在梯度的方向上被折射。如果加上这个变化，通常得到不是直线的光路和不均匀的点移动。如果在各向异性的介质中在两个极化方向上的折射率和其梯度区域不同，则产生点***。当介质是各向异性的和不均匀的时，两个效果相互叠加。这种情况出现在注塑件中。

预压铸件或者预成型件（TWZ VS）的模具温度在整个复合体中对像素移动具有很大的影响（见图20和21）。

对于多层构件可以在更好的表面成型的情况下实现较低的压力。在聚碳酸酯的情况，非常正面地影响三层体系中的透射和黄度系数。可以描绘对制备方法和加工的影响。

其它实施方式涉及测量仪器和光学结构元件在透射时的质量的测试方法。

为了确定结构元件的扭变，研究光线相对于在结构元件中的位置的偏转。确定点离开其额定位置的移动，当这些通过结构元件录取下来时。为了这个目的实现下列结构。使用观察单元（特别是IDSμEye CMOS Kamera）借助200mm的物镜通过结构元件记录目标单元，特别是点矩阵。该点矩阵由具有3.5mm间距的1mm大的黑点的透明薄膜组成，该薄膜安装在照明箱上。

为了排除结构元件的表面效应（例如曲面，划痕和浇口边缘（Angusskante）），根据本发明的一个有利的实施方案在被具有与注塑件相同的折光力的浸渍油所包围的比色皿中测量结构元件。该比色皿由一个金属框架和两个硼硅酸盐窗口组成，其中该金属框架具有将结构元件最佳定位的引导，而两个硼硅酸盐窗口是彼此平行地布置的。为了精确地调节浸渍油的折射率使之与PC结构元件匹配，在650至700nm的波长范围内进行测量。

为了抵消比色皿的任何缺陷，首先用比色皿和浸渍油制备空像（Nullbild）。优选摄取三次空像，其中搅拌所述油以便使该油的不均匀性最小化。这样做是必要的，因为所述浸渍油是不均匀的。

根据本发明的一个有利的实施方案设置一个分析单元，该分析单元与观察单元在数据技术上相通，其中配置该分析单元以便以空间分辨的方式量化其扭变。这些和其操作方式在下文完全通过实施例来说明：

软件分析：

在检测图像中的圆圈时，选择所有灰度值小于65的像素（注射件的图像的灰度值小于75）作为区域。这个区域被划分成单独的连接区域。具有小于900像素的面（结构元件150像素）的区域不被考虑。

用于空像点的位置，形成在每次测量序列之前摄取的三个空像的平均值，以便获取测量设置的移动。

然后，在结构元件图像中将扭变的圆圈作为区域提取出来并确定其位置。在一个迭代方法中，将最接近的空圆圈分配到扭变的圆圈图像。这以10-20像素的幅度（Schritt）进行，以便没有错误分配发生。对于一些测试的图像，必须满足空分配的附加条件，以便避免错误分析。例如，在一些序列中在图像的左侧区域，点图像必须总是位于空像的右侧。

点到零点的距离总是最短的对角线。

根据到空圆圈的水平或垂直距离，将所分配的区域染成不同的颜色。

10像素森林绿

20像素绿色

30像素土黄色

40像素鲜黄色

50像素印度红

70像素红色

90像素红色

100像素红色。

圆圈位置距离原位的偏差是结构元件扭变的量度，这是由于聚合物晶体的非有序结构引起的（双重折射、折射率梯度）。

所有成像点的移动以具有重叠的空区域的颜色编码的区域图像的形式给出。在区域上的上面黑色数字说明了像素移动。白色数字是区域号。

在结构元件中位置的角度移动从结构元件到照相机光学元件的位置、标尺（Massstab）和像素移动而得到。

α = arctan

。

10像素的偏差产生0.005°或0.000087RAD的角度偏差。

照相机调节：

照明是一种发光物质管，其在500Hz下工作，以便避免亮度的波动。以109ms的积分时间和5.8fps的帧速率进行摄取。图像尺寸为2560×1920像素，像素分辨率为24.4μm/像素（图像区：46.83×62.44mm）。

照相机和比色皿的距离: 2000 mm

比色皿和点矩阵的距离: 800 mm。

数据导入到Excel中，并且建立一个分段宽度（Klassenweite）为5像素的矩阵图。

测量方法的重复性误差是±2个像素。

Claims

1. 光学成型体（2）、特别是透镜元件（2）的制备方法，包括：

- 通过第一塑料的注塑在成型模具中产生预成型件（4），和

- 通过第二塑料的注塑在预成型件（4）上产生至少一个覆盖层（6.1,6.2），

其特征在于，

- 用来产生预成型件（4）的成型模具的温度比用来产生所述至少一个覆盖层（6.1,6.2）的成型模具的温度低30%-60%。

2. 根据权利要求1的方法,其特征在于,通过覆盖层（6.1,6.2）的同步注塑在预成型件（4）上施加一个上部覆盖层（6.1）和一个下部覆盖层（6.2）。

3. 根据权利要求1或2的方法,其特征在于,

- 所述第一塑料由与第二塑料相同的塑料材料形成，或者

- 所述第一塑料由与第二塑料不同的塑料材料形成。

4. 根据上述权利要求之一的方法,其特征在于,所述塑料是透明的热塑性塑料，特别是聚碳酸酯。

5. 根据权利要求4的方法,其特征在于,

- 用来产生预成型件（4）的成型模具的温度为50-100℃、优选60-80℃、特别优选约70℃，和/或

- 用来产生所述至少一个覆盖层（6.1,6.2）的成型模具的温度为90-130℃、优选约120℃。

6. 根据上述权利要求之一的方法,其特征在于,在产生预成型件(4)的过程中，在所述成型模具中产生的压力为250-800bar,优选350-800bar,特别优选350-500bar。

7. 根据上述权利要求之一的方法,其特征在于,所述预成型件（4）和覆盖层（6.1,6.2）之间的层厚度比为60:40到70：30。

8. 根据上述权利要求2至7之一的方法,其特征在于,上部覆盖层（6.1）的层厚度基本上相当于下部覆盖层（6.2）的层厚度。

9. 根据上述权利要求之一的方法,其特征在于,制备厚度为至少10mm的光学成型体（2）。

10. 根据上述权利要求之一的方法,其特征在于,在用来产生所述至少一个覆盖层（6.1,6.2）的注射过程之后降低成型模具的温度。

11. 光学成型体（2）、特别是透镜元件（2）的制备方法，包括：

- 通过第一热塑性塑料的注塑在成型模具中产生预成型件（4），和

- 通过第二热塑性塑料的注塑在预成型件（4）上产生至少一个覆盖层（6.1,6.2），

其特征在于，

在产生预成型件(4)的过程中，在所述成型模具中产生的压力为250-800bar。

12. 光学成型体(2),特别是根据权利要求1至11之一的方法制备的,具有由第一塑料形成的成型体(4)和至少一个由第二塑料形成的覆盖层(6.1,6.2),其特征在于,所述第一塑料由与第二塑料不同的塑料材料形成。

13. 根据权利要求12的光学成型体,其特征在于,所述预成型件（4）和覆盖层（6.1,6.2）之间的层厚度比为60:40到70：30。

14. 根据权利要求12或13的光学成型体,其特征在于,上部覆盖层（6.1）的层厚度基本上相当于下部覆盖层（6.2）的层厚度。

15. 根据权利要求12至14之一的光学成型体（2）在具有发光二极管作为光源的照明***中作为透镜的应用。