專利名稱：制造微透鏡陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光控制構(gòu)件，具體地，涉及一種制造用于成像系統(tǒng)、光掃描系統(tǒng)、復(fù)印機(jī)等的微透鏡陣列的方法。
背景技術(shù)：
在微型封裝中，微透鏡陣列為成像應(yīng)用提供光學(xué)適用性。傳統(tǒng)上，微透鏡定義為直徑小于一毫米的透鏡；但是有時直徑大到五毫米的透鏡也被認(rèn)為是微透鏡。
一種用于制造微透鏡的常用技術(shù)通過以選定的光致抗蝕劑涂布基板開始，通過掩模向被光致抗蝕劑涂布的基板輻射曝光，或替代地，對光致抗蝕劑進(jìn)行灰階激光曝光。加熱基板時，被曝光的光致抗蝕劑熔化，且表面張力將材料拉成凸透鏡的形式。光致抗蝕劑的深度決定透鏡的焦距。
制造微透鏡的另一種方法采用離子交換。在該方法中，離子擴(kuò)散到玻璃棒內(nèi)，以引起徑向折射率分布。折射率在透鏡中心最高，并以自中心軸起的徑向距離的二次方函數(shù)減少。采用離子交換方法制造的微透鏡用于在例如遠(yuǎn)程通信中準(zhǔn)直來自光纖的光。
微透鏡的使用正在從分立的微透鏡轉(zhuǎn)向微透鏡陣列。用于生產(chǎn)玻璃微透鏡陣列的一個制造工藝通常涉及熔融硅的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)。通常，很難滿足采用RIE制造的微透鏡陣列的所有條件。RIE技術(shù)在能生產(chǎn)最終產(chǎn)品之前涉及許多步驟，因而產(chǎn)量通常很小而產(chǎn)品昂貴。
壓力模制光學(xué)品質(zhì)玻璃來形成微透鏡陣列也是眾所周知的方法。該方法包括在高溫下壓縮光學(xué)元件預(yù)成型物，即通常所知的坯料(gob)，從而形成玻璃透鏡元件。在壓力模制過程中，坯料插入模腔內(nèi)。在模制期間，模具處于不含氧的室內(nèi)。坯料通常位于下模具上，并被加熱到玻璃轉(zhuǎn)變溫度以上并接近玻璃軟化溫度。然后上模具與坯料接觸，并施加壓力使坯料與模腔形狀一致。冷卻后，從模具中取出透鏡。
然而，使用一個或多個預(yù)成型物壓力模制微透鏡陣列有許多困難，包括相對公共軸對準(zhǔn)每個透鏡元件的機(jī)械和光學(xué)軸，以及相對陣列中的參考點定位每個透鏡元件。另外，如果微透鏡直徑小于1mm，用常規(guī)技術(shù)加工凸的非球面模腔非常困難。
微透鏡陣列通常在光敏(如CCD)或發(fā)光(如微顯示器)硅芯片頂面上形成。首先在硅基板上形成平坦化層。接著，在子像素區(qū)域與硅基板中的有源器件準(zhǔn)確對準(zhǔn)的情況下，在平坦化層上方形成濾色層。另一平坦化層通常形成在濾色層上方，最后光致抗蝕劑材料淀積在第二平坦化層上方。然后利用常規(guī)的光刻技術(shù)在光致抗蝕劑中形成矩形圖案。曝光后，顯影步驟移除曝光區(qū)域中的光致抗蝕劑，使像素有源區(qū)域上方中心島區(qū)域透明。顯影以及刻蝕移除這些中心區(qū)域之間的光致抗蝕劑材料，并在光致抗蝕劑區(qū)域中形成溝槽，這些溝槽分離限定分立微透鏡部的光致抗蝕劑島。接下來，硅基板的深等離子刻蝕會移除基板上方的所有層。然后光致抗蝕劑被剝?nèi)?，通過控制時間和溫度烘烤器件，使微透鏡回流形成合適的光學(xué)形態(tài)。
因此，需要一種的改進(jìn)的方法形成微透鏡陣列，該方法可以不涉及常規(guī)技術(shù)而是采用光學(xué)透明材料束的新穎的工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于制造光控制構(gòu)件，通常指用于成像系統(tǒng)、光掃描系統(tǒng)、復(fù)印機(jī)等的微透鏡或微透鏡陣列的方法。
在本發(fā)明的一個方面中，提供一種用于制造微透鏡陣列的方法。該方法包括將光學(xué)透明部件束，例如棒或纖維粘合或結(jié)合在一起。該光學(xué)透明部件束被切割而形成部件段的片。片的剖面或表面可類似蜂巢狀結(jié)構(gòu)。該表面被拋光，以使切割過程生成的粗糙邊緣平滑。如有需要，這些片的一面(端)或兩面(端)可被修整，使其端面成形為所需形狀。所修整的端面暴露于能量源，例如熱源、電脈沖(electrical spike)、激光等，使得每個部件段的端面形成透鏡段。
由本發(fā)明的方法制造的微透鏡陣列可小可大。例如，可使微透鏡陣列的尺寸從小于10μm平方到大于70in.×70in.壁式顯示單元(wall display unit)。與其它微透鏡陣列制造方法不同，每個透鏡元件以高度的透鏡尺寸均勻性制成。如下更詳細(xì)的描述，陣列中透鏡元件的排列可根據(jù)不同應(yīng)用而固定。
本發(fā)明的范圍由在本節(jié)引作參考的權(quán)利要求限定。通過以下一個或多個實施例的詳細(xì)描述，將向本領(lǐng)域的技術(shù)人員提供本發(fā)明的實施例的更充分的理解及對其它優(yōu)點的認(rèn)識。首先，將參照附圖簡要描述。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例示出的本發(fā)明的方法的流程圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的光學(xué)透明部件束的簡化表示；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的橫截圖2的束獲得的光學(xué)透明部件段的切片的簡化表示；圖3B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的單個光學(xué)透明部件段的側(cè)視圖；圖4A是根據(jù)本發(fā)明的實施例示出的經(jīng)熱處理的光學(xué)透明部件段陣列的簡化側(cè)視圖；圖4B是根據(jù)本發(fā)明的實施例示出的經(jīng)熱處理的光學(xué)透明部件段陣列的簡化側(cè)視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用在包括微透鏡陣列的投影系統(tǒng)中的光束形狀轉(zhuǎn)換器及光譯碼器(light interpreter)的簡化表示；圖6A、6B、6C和6D是根據(jù)本發(fā)明的微透鏡陣列的各種結(jié)構(gòu)的簡化側(cè)視圖；圖7A和7B是根據(jù)本發(fā)明的實施例示出的光學(xué)透明部件束的簡化側(cè)視圖；圖8A和8B根據(jù)本發(fā)明的實施例示出經(jīng)刻蝕工藝的標(biāo)準(zhǔn)切割光學(xué)透明部件段的簡化表示；圖9是根據(jù)本發(fā)明的實施例示出的經(jīng)熱處理的光學(xué)透明部件段的簡化表示。
本發(fā)明的實施例及其優(yōu)點通過參照以下詳細(xì)描述而更好理解。應(yīng)理解相同的參考標(biāo)號用于指代一個或多個圖中所示相同的元件。
具體實施例方式
圖1是示出本發(fā)明的方法100的流程圖。該方法包括提供光學(xué)透明部件束，例如玻璃、塑料等制成的光學(xué)透明棒或光纖束(s102)。該光學(xué)透明部件束被分割或切片成一片或多片光學(xué)透明部件段(s104)，每片具有第一面和第二面。每片的厚度可制成任何所需厚度。
每片中每個光學(xué)透明部件段的端面可被拋光，從而形成光滑的端面。方法100還可包括對片的一面或兩面修整(s106)，以將片的表面形成為從平面變?yōu)檩^圓化面的表面。
可選地，每個透明部件段的端面可被修整(s107)，從而在透鏡元件成形過程中生成可變尺寸和形狀的透鏡構(gòu)件。
如以下更詳細(xì)的描述，每片光學(xué)透明部件段的一面或兩面被施加可提供熱處理的能量源，使得在光學(xué)透明部件段的一端或兩端形成透鏡元件(s108)。另外，如有需要，新形成的透鏡元件陣列可用薄膜涂敷(s110)。涂層包括用于顯示屏應(yīng)用的防反射或防眩光材料。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的多個光學(xué)透明部件202的束200的簡化表示。在一個實施例中，每個光學(xué)透明部件202可為棒、柱、纖維或其它可提供光通路的類似形狀的部件。所述多個光學(xué)透明部件202沿每個部件的縱軸扎束在一起(s102)。所得構(gòu)件的剖面類似蜂巢形結(jié)構(gòu)。
在一個實施例中，光學(xué)透明部件202可采用任何合適的粘合劑，例如UV硬化粘合劑等粘合在一起形成束200。優(yōu)選地，當(dāng)使用UV粘合劑形成光學(xué)透明部件202的束200時，在粘合劑硬化之前用粘合劑填充可能存在于部件之間的任何縫隙。替代地，可在拉制(drawing/polling)過程中形成束200。
光學(xué)透明部件202可由多種材料制成。例如，在一個實施例中，光學(xué)透明部件202由玻璃(SiO2)，塑料、聚合物絲和其它類似的光學(xué)透明材料制成。
構(gòu)成束200的每個光學(xué)透明部件202的直徑和長度通常依據(jù)應(yīng)用確定。
例如，在一個實施例中，在制造微透鏡陣列時，束200的厚度(即，部件202的長度)大于或至少等于應(yīng)用所需的微透鏡陣列優(yōu)選的厚度。例如，如圖3A所示，為確保合適的厚度，束200可被切(s104)成單個的層或片300，以形成具有厚度t的光學(xué)透明部件段302的陣列。因此，光學(xué)透明部件202的長度應(yīng)大于或等于t。
例如，在一個實施例中，當(dāng)提供用于成像系統(tǒng)(例如照相機(jī))的微透鏡陣列時，光學(xué)透明部件段302的每片300的厚度可為大約100μm，而對于采用光學(xué)積分器的圖像投影系統(tǒng)，該厚度可接近幾毫米。
在一個實施例中，束200中每個光學(xué)透明部件202的直徑可為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，芯尺寸為9μm而總直徑為大約125μm。通常每個光學(xué)透明部件202的直徑可根據(jù)應(yīng)用在大約小于1到大約幾毫米之間的范圍。
圖7A和7B是束700a的另一個實施例的簡化表示。在該實施例中，可使束700a包括直徑分別變化的光學(xué)透明部件。例如，在圖7A中，所示束700a具有直徑d1的光學(xué)透明部件702a和直徑d2的光學(xué)透明部件702b，其中d2大于d1。在該實施例中，光學(xué)透明部件702a位于束700a的周圍區(qū)域A1上，而光學(xué)透明部件702b位于束700a的芯區(qū)域A2中。
在該例中，可實現(xiàn)導(dǎo)入到根據(jù)本發(fā)明原理由束700a形成的微透鏡陣列內(nèi)的光輸入704的光束強(qiáng)度，如強(qiáng)度曲線706所示，重新分布。光強(qiáng)度的重新分布在例如圖像投影系統(tǒng)、照相機(jī)等這樣的系統(tǒng)中是有用的。
圖7B示出具有直徑d4的光學(xué)透明部件702c和直徑d3的光學(xué)透明部件702d的束700b，其中d3大于d4。在該實施例中，光學(xué)透明部件702d位于束700b的周圍區(qū)域A3上，而光學(xué)透明部件702c位于束700b的芯區(qū)域A4中。
在該例中，可實現(xiàn)導(dǎo)入到根據(jù)本發(fā)明原理從束700b形成的微透鏡陣列內(nèi)的光輸入708的光束強(qiáng)度，如強(qiáng)度曲線710所示，重新分布。
按適合特定應(yīng)用的所需規(guī)格設(shè)計的圖2的成束前光學(xué)透明部件202已商品化，例如，紐約科寧公司(Corning Inc.)出售的。
再次參照圖3A，束200可用常規(guī)的切割技術(shù)，如劃片鋸和切割輪切割成片300。
如圖3A和3B所示，一旦光學(xué)透明部件段302的切片300被切成所需厚度t，面304和306可被修整。在一個實施例中，切片300的端或面304和306可拋光或者“清潔”，以在切片300的一端或兩端上形成光滑的平面。
在另一實施例中，拋光可用于修整曲率、尺寸，切片300的每面304和306的相關(guān)參數(shù)可最優(yōu)化以在切片的一面或兩面上形成所需微透鏡陣列面。陣列面的形狀由應(yīng)用決定。例如，圖6D是示出在一面上以彎曲方式形成透鏡的微透鏡陣列面608的實施例的簡化表示。在一個實施例中，陣列608的切片面304的曲率可在拋光過程中得以控制。例如，可在旋轉(zhuǎn)切片300的同時使拋光臂搖擺，以在面304上形成部件段302的曲面。
每個光學(xué)透明部件段302的端面304和306各自的形狀也可調(diào)整或修整，以生成每個光學(xué)透明部件段302的曲率、尺寸，以及參數(shù)(s107)。該修整可采用各種技術(shù)，包括拋光、刻蝕、酸刻蝕等實現(xiàn)。
例如，在一個實施例中，可通過刻蝕每個部件段302的周圍區(qū)域而修整每個端面304和306為各種形狀。例如，圖8A示出經(jīng)刻蝕的光纖段302，使得芯區(qū)域A1在周圍區(qū)域A2的上方而形成刻蝕的部件段802，這使得當(dāng)向其施加熱時，可產(chǎn)生更高曲率的透鏡元件804，如下所述。
在另一個實施例中，如圖8B所示，增加部件段302的刻蝕，以在芯區(qū)域A1內(nèi)形成大致尖角的區(qū)域，并在刻蝕部件段806的周圍區(qū)域A2內(nèi)形成較陡斜坡，這使得向其施加熱時，可產(chǎn)生曲率更高的透鏡元件808，如下所述。
在一個實施例中，上述刻蝕過程可通過將端面304和306放入HF酸浴內(nèi)一段特定的時間而實現(xiàn)。酸浴在影響芯區(qū)域A1前影響周圍區(qū)域A2，因而光學(xué)透明部件段302保持在酸浴中的時間越長，刻蝕越嚴(yán)重(即被刻蝕區(qū)域的斜坡越陡)。
優(yōu)選地，具有刻蝕端的光學(xué)透明部件段形成焦距更短的透鏡并可改善光聚焦。
如圖4A所示，不論是否刻蝕，光學(xué)透明部件段302陣列的面308和/或310都被施加能量源，以便加熱(s108)而形成透鏡元件406，透鏡元件406構(gòu)成微透鏡陣列400。
如圖9所示，熱處理使得每個部件段302的周圍區(qū)域P1比芯區(qū)域C1更快地軟化或融化。不均勻燒熔引起的表面張力使得在部件段的端面形成曲面，生成透鏡元件904和906。
熱處理可采用包括以下所述實施例的等效物的任何合適的發(fā)熱裝置而實行。參照圖4A，在一個實施例中，光學(xué)透明部件段302的陣列可放到爐402內(nèi)。爐402能夠達(dá)到允許為任何給定的光學(xué)透明部件段材料實現(xiàn)熱處理的加熱水平。熱處理導(dǎo)致在第一端面304上形成透鏡元件904，并且替代地，如有需要在第二端面306上形成透鏡元件906。
在另一實施例中，如圖4B所示，熱處理可通過用高能激光404掃描面308和/或310而實現(xiàn)，所述激光采用的波長可被光學(xué)透明部件段材料吸收以加熱該材料并形成透鏡元件904和/或906。
在其它實施例中，提供加熱的能量源可為位于光學(xué)透明部件段端面附近的電火花/電弧或輝光放電。
圖3B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的單個光學(xué)透明部件段302的側(cè)視圖。在該實施例中，光學(xué)透明部件段302的第一端面304可被加熱過程修整為在互相垂直或其它不同方向上具有不同的曲率半徑。圖3B中的具體表示示出了第一端面304上的曲面308，例如橢圓形、半橢圓形、平/凸非球面等形狀的透鏡面，這可在相對透鏡面的主軸不同的光學(xué)軸上提供不同的光學(xué)性能。
在一個實施例中，第二端306可修整為平的，或者在互相垂直或其它不同方向上具有不同的曲率半徑。圖3B示出第二端306上的曲面310，例如橢圓形或半橢圓形的透鏡面，這可在相對透鏡面的主軸不同的光學(xué)軸上提供不同的光學(xué)性能。
微透鏡陣列的節(jié)距和尺寸還可根據(jù)具體應(yīng)用的要求而調(diào)整。微透鏡陣列的制造規(guī)格和公差由特定應(yīng)用決定并因而由最終用戶限定。
在一個實施例中，利用本發(fā)明的方法，采用大約125μm直徑的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，可制出在整個陣列上焦距均勻性小于5％的微透鏡陣列。
圖5示出采用本發(fā)明的方法制出的微透鏡陣列應(yīng)用的例子。該例子包括投影系統(tǒng)500，所述投影系統(tǒng)500可包括為特定應(yīng)用設(shè)計，不定尺寸和形狀的多個微透鏡陣列。在一個實施例中，光在具有第一形狀506(例如，圓形)的第一微透鏡陣列504的第一端502進(jìn)入投影系統(tǒng)500。光通過第二形狀512(例如，矩形)的第二微透鏡陣列510在第二端508從投影系統(tǒng)500射出。從該例中應(yīng)理解，根據(jù)本發(fā)明的方法，微透鏡陣列的形狀和尺寸可如任何應(yīng)用所需而制成。
如必要或需要，微透鏡陣列400中的透鏡元件406可涂層(s110)。在一個實施例中，對于顯示屏應(yīng)用，微透鏡陣列400可用防反射和/或防眩光涂層涂敷。施加到微透鏡陣列400的涂層可由已知的技術(shù)，例如濺射、淀積、蒸鍍、噴濺、浸泡、旋涂、滾壓等施加。
如前所述，微透鏡陣列的厚度t可根據(jù)應(yīng)用隨透鏡面的尺寸和形狀以及透鏡側(cè)面的數(shù)目而改變。圖6A是示出在兩側(cè)上都形成透鏡的微透鏡陣列602的實施例的簡化表示。微透鏡陣列602的厚度t可制得很小，例如在大約100μm到大約1毫米之間。
圖6B是示出在兩側(cè)上都形成透鏡的微透鏡陣列604的實施例的簡化表示；但是，厚度t較大，例如大于1毫米。從這些實施例中應(yīng)理解，厚度t可根據(jù)需要制出。
圖6C示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的只在一側(cè)上形成透鏡的微透鏡陣列606的實施例的簡化表示。
上述本發(fā)明的原理是對于成束的柱形光學(xué)透明部件描述的。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解本發(fā)明的原理可應(yīng)用于其它類似形狀的材料。
上述實施例示出但不限制本發(fā)明。應(yīng)理解根據(jù)本發(fā)明的原理可做許多修整和變化。因此，本發(fā)明的范圍只由以下權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種制造微透鏡陣列的方法，包括提供光學(xué)透明部件束；切割所述光學(xué)透明部件束以形成至少一片光學(xué)透明部件段；以及加熱所述至少一片光學(xué)透明部件段以形成透鏡段。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，進(jìn)一步包括修整所述至少一片光學(xué)透明部件段的至少一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述修整包括修整所述光學(xué)透明部件段的兩端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述提供包括用粘合劑將所述光學(xué)透明部件粘合在一起而形成蜂巢狀結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光學(xué)透明部件包括由玻璃、聚合物以及塑料組成的組中選取的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述加熱包括加熱每個光學(xué)透明部件段的一端，以在其上形成透鏡面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述透鏡面包括凸的、凹的或平的透鏡面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述加熱包括加熱每個光學(xué)透明部件段的兩端，以在其上形成透鏡面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述至少一片包括在大約100μm與1mm之間的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述至少一片包括大于1mm的厚度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述加熱包括將所述至少一片光學(xué)透明部件段放入爐內(nèi)，以將所述光學(xué)透明部件段的端部暴露于熱源。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述加熱包括將所述至少一片光學(xué)透明部件段暴露到能量源。
13.一種制造微透鏡陣列的方法，包括提供束在一起的光學(xué)透明柱狀棒，以形成具有蜂巢狀結(jié)構(gòu)剖面的構(gòu)件；切割所述光學(xué)透明柱狀棒束，以形成至少一片光學(xué)透明棒段，每個光學(xué)透明棒段具有第一端和第二端；以及加熱至少一個所述端，以在所述端上形成透鏡面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述提供包括用UV硬化粘合劑將所述光學(xué)透明柱狀棒粘合在一起而形成所述束。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述光學(xué)透明柱狀棒包括由玻璃、聚合物以及塑料組成的組中選取的材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括修整每個光學(xué)透明棒段的至少一端的形狀。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述透鏡面包括凸的、凹的或平的透鏡面。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述至少一片光學(xué)透明部件段包括在大約100μm與大約1mm之間的厚度。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述加熱包括將所述至少一片光學(xué)透明棒段放入爐內(nèi)，以將所述光學(xué)透明棒段的端部暴露于能量源。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述加熱包括將所述光學(xué)透明棒段的端部暴露于光源。
全文摘要
一種用于制造光控制構(gòu)件，即通常所指的微透鏡或微透鏡陣列的方法。該方法包括提供光學(xué)透明部件束；切割該光學(xué)透明部件束，以形成至少一片光學(xué)透明部件段；以及加熱所述至少一片光學(xué)透明部件段的至少一端，以在其上形成透鏡面。
文檔編號G02B6/255GK1914541SQ200480041391
公開日2007年2月14日 申請日期2004年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月8日
發(fā)明者因·S·唐 申請人:因·S·唐