專利名稱：微透鏡的制法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是與透鏡結(jié)構(gòu)有關，特別是指一種呈陣列狀微透鏡的制法。
背景技術：
隨著平面顯示器尺寸由小尺寸(對角線8.4寸以下)、中尺寸(對角線8.4-30寸)、演進至大尺寸(對角線30-300寸)，顯示器的背光源尺寸也越來越大，而且亮度的需求也越來越高，因此，如何促進背光源的外部耦合系數(shù)，以及增加發(fā)光元件的量子效率，已成為工程上的挑戰(zhàn)；從幾何光學的角度來看，若能破壞背光源的基板的波導現(xiàn)象，使發(fā)光元件的外部耦合系數(shù)增加，則光線傳遞出基板的成效極可能大于100％以上，因此，許多相關研究都集中于基板表面的微結(jié)構(gòu)研究。
例如美國第4966831號專利案所述，主要是在感光元件的每個像素邊緣放置間隔件(Spacer)，然后涂布一層透明光阻，利用微影的方式在各像素制作一個板狀結(jié)構(gòu)，再由熱整形將板狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成球狀的微透鏡；但是，在上述微透鏡的制法中，僅適用于中、小面積的基板，而且必須使用價格昂貴的光罩，以及光罩對準機才能進行曝光。
又如美國第5300263號專利案所述，其是先以精密機械切削方式在一試片表面制造出若干呈陣列狀的金字塔結(jié)構(gòu)，再以電鑄方式制作表面具有凹狀金字塔結(jié)構(gòu)的金屬模仁，接著將硬化型樹脂涂布在金屬模仁上，施以硬化處理后，就會直接形成表面具有彎月形微透鏡的復制品，然后以電鑄方式制作表面具有凹狀彎月形微透鏡的金屬模仁，也可以繼續(xù)翻模形成表面具有凸狀彎月形微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的金屬模仁，并以這最后的模仁大量翻制彎月形微透鏡；但上述利用精密機械切削方式的成本昂貴，不適用于中、大面積的微結(jié)構(gòu)制造，而且經(jīng)由二次翻制才能形成彎月形微透鏡，精確度較不易控制。
再如美國專利第5737126號專利案所述，是直接利用激光加熱一內(nèi)部材料中混有半導體顆粒的玻璃，玻璃本身不吸收激光光束，而半導體顆粒會吸收激光光束，由于半導體顆粒吸收光束而致使玻璃的局部區(qū)域熔化，再經(jīng)過固化后即形成微透鏡形狀，但是利用激光制作微透鏡的制法中，半導體顆?？赡軙绊懖ＡУ墓鈱W性質(zhì)，同時單位面積內(nèi)能形成的微透鏡數(shù)量不高。
綜上所述，目前已知的各種微透鏡的制法中，皆具有制造完成的微透鏡尺寸較不精確、單位面積所具有的微透鏡數(shù)量不高，或是受限于制造機器設備因素，而無法應用于大面積基板的種種缺點。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的乃在于提供一種微透鏡的制法，于小、中、大面積尺寸的基板皆可成形出微透鏡，而且單位面積內(nèi)所成形的微透鏡數(shù)量較高，微透鏡的尺寸較為精確，同時生產(chǎn)速度較快，成本較低。
為達成前揭目的，本發(fā)明提供一種微透鏡的制法，其特征在于，包含有下列步驟a.以涂布方式于一基板的表面設一覆蓋層；b.利用經(jīng)聚焦后的激光光束沿著一預定路徑照射該覆蓋層，使該覆蓋層形成有若干相互交叉的溝槽，以及若干呈陣列狀排列的板狀結(jié)構(gòu)；以及c.加熱該基板，使該等結(jié)構(gòu)形成球狀的微透鏡。
其中該步驟a的涂布方式是為刮刀涂布。
其中該覆蓋層是選用熱塑性高分子膜。
其中該覆蓋層是選用熱塑性光阻。
其中在步驟b時，是以激光光束照射該覆蓋層，使該覆蓋層具有若干相互交叉的曝光區(qū)域，接著對該覆蓋層進行顯影與干燥加工，用以移除該等曝光區(qū)域，使該覆蓋層形成若干呈陣列狀排列的板狀結(jié)構(gòu)，再進行加熱該基板，使該等結(jié)構(gòu)形成球狀的微透鏡。
其中在步驟c時，是將該基板加熱至高于該覆蓋層的玻璃轉(zhuǎn)換溫度。
其中在該步驟b中所形成各該板狀結(jié)構(gòu)的底部邊長為1至150mm，各該板狀結(jié)構(gòu)的間距為0.1至5mm，各該板狀結(jié)構(gòu)的高度為底部邊長的1/4至1/2。
其中是使該等微透鏡的底部面積與該基板的表面面積的比值大于0.5。
其中在步驟b時，是將該等板狀結(jié)構(gòu)的底部加工為方形。
其中該基板的材質(zhì)是選用玻璃、塑膠、撓性薄膜、金屬，或是陶瓷。
其中該激光加工的激光光束波長是選用紫外線范圍。
其中該激光光束經(jīng)一光學模組聚焦后是呈點狀。
其中該激光光束經(jīng)一光學模組聚焦后是呈長條狀。
其中還包含有一步驟d，是對該基板具有該等微透鏡的表面進行翻模加工，形成一具有若干凹窩的模仁，該模仁是用以制作呈陣列狀排列的微透鏡。
其中步驟d的翻模加工是為先以濺鍍或蒸鍍方法在該基板具有該等微透鏡的表面沉積一金屬薄膜，接著再進行電鑄加工，使該基板表面形成該模仁，最后使該基板與該模仁相互分離。
其中步驟d的翻模加工是為將除氣的液態(tài)二甲基硅氧莞澆注于該基板具有該等微透鏡的表面，而后加熱固化，使該基板表面形成該模仁，最后使該基板與該模仁相互分離。
其中該激光光束經(jīng)一光學模組聚焦后是呈網(wǎng)狀。
其中于步驟b中，該激光光束是先沿一第一軸向進行多次的線狀曝光以形成若干沿該第一軸向的線狀溝槽，之后再對一第二軸向進行多次的線狀曝光以形成若干沿第二軸向的線狀溝槽。


以下即配合附圖列舉若干較佳實施例，以對本發(fā)明進行詳細說明，其中所用各附圖的簡要說明如下，其中圖1是本發(fā)明第一較佳實施例的示意圖；圖2是本發(fā)明第一較佳實施例的示意圖，顯示覆蓋層設于基板的狀態(tài)；圖3是本發(fā)明第一較佳實施例的示意圖，顯示覆蓋層進行激光加工的狀態(tài)；圖4是本發(fā)明第一較佳實施例的示意圖，顯示微透鏡的狀態(tài)；圖5是本發(fā)明第一較佳實施例的示意圖，顯示各微透鏡表面呈球形的狀態(tài)；圖6是本發(fā)明第二較佳實施例的示意圖；圖7是本發(fā)明第二較佳實施例的示意圖，顯示覆蓋層設于基板的狀態(tài)；圖8是本發(fā)明第二較佳實施例的示意圖，顯示覆蓋層進行激光加工的狀態(tài)；圖9是本發(fā)明第二較佳實施例的示意圖，顯示微陣列結(jié)構(gòu)的狀態(tài)；圖10是本發(fā)明第二較佳實施例的示意圖，顯示各微陣列結(jié)構(gòu)表面呈球形的狀態(tài)；圖11是本發(fā)明第二較佳實施例的示意圖，顯示基板表面覆設一金屬模仁；圖12是本發(fā)明第二較佳實施例的示意圖，顯示金屬模仁的狀態(tài)；圖13是本發(fā)明第二較佳實施例的示意圖，顯示金屬模仁成形微透鏡的狀態(tài)；以及圖14是本發(fā)明第二較佳實施例的示意圖，顯示具有微透鏡的成品。
具體實施例方式
請參閱圖1至圖5，本發(fā)明第一較佳實施例所提供微透鏡的制法，包含有下列步驟步驟一如圖1所示，準備一透明平面基板10，基板10的材質(zhì)可為玻璃、塑膠，或是撓性薄膜。
步驟二如圖2所示，于基板10的表面以刮刀涂布方式涂布一覆蓋層12并進行軟烤；于本實施例中，覆蓋層12的材質(zhì)是為熱塑性高分子膜，并且呈透明狀。
步驟三如圖3及圖4所示，將基板10放在一移動平臺(XY-stage)16，并以一準分子激光14所發(fā)出的紫外線激光光束照射覆蓋層12，該激光光束經(jīng)一光學模組聚焦后以點狀方式照射于覆蓋層12，接著驅(qū)使移動平臺16沿第一軸向(X軸)線性位移一段距離而進行曝光后，再使曝光作業(yè)暫時停止，接著驅(qū)使移動平臺16沿第二軸向(Y軸)線性位移一間隔復沿第一軸向(X軸)反向線性位移上述相同距離而進行曝光，如此重復作業(yè)，使激光14將覆蓋層12剝蝕出若干相互平行且沿第一軸(X軸一)向延伸的溝槽18，接著驅(qū)使移動平臺16沿第二軸向(Y軸)線性位移一段距離而進行曝光后，再使曝光作業(yè)暫時停止，接著驅(qū)使移動平臺16沿第一軸向(X軸)線性位移一間隔復沿第二軸向(Y軸)反向線性位移上述相同距離而進行曝光，如此重復作業(yè)，使激光14將覆蓋層12剝蝕出若干相互平行且沿第二軸(Y軸)向延伸的溝槽(圖中未示)，覆蓋層12即可形成若干相互隔離，且呈陣列狀排列的方形板狀結(jié)構(gòu)20。
步驟四如圖4及圖5所示，將基板10置于一熱處理爐(圖中未示)中或加熱板加熱，基板10加熱到板狀結(jié)構(gòu)20的玻璃轉(zhuǎn)換溫度以上時，各板狀結(jié)構(gòu)20的表面即會產(chǎn)生表面質(zhì)傳的熱整形處理，使板狀結(jié)構(gòu)20形成為表面呈球狀的微透鏡22。
本發(fā)明的所以將微透鏡底部制成方形的原因，主要是因為呈陣列狀的微透鏡底部面積與基板面積的比值越高，微透鏡越能促進平面型發(fā)光元件的外部耦合系數(shù)，因此，在考慮三種分別具有不同底部形狀的微透鏡圓形、正六邊形，以及正方形，若是將上述三種微透鏡的圓底、正六邊形底部和正方形底部的內(nèi)切圓半徑固定為R，間距固定為d，則微透鏡的圓底直徑、正六邊形底部的邊長、正方形底部的邊長分別為2R、2R、 而其底部面積與基板面積的比值分別為 由此可見，當間距相同時，底部為正六邊形的微透鏡和底部為正方形的微透鏡的面積比值最高，而底部為圓形的微透鏡的面積比值最低，因此，由微透鏡底部面積與基板面積的比值，較佳的選擇為正方形底部和正六邊形底部的微透鏡，并且微透鏡的底部面積與基板的表面面積的比值最好大于0.5，而再加上考慮到激光加工的速度和簡單性，底部為正方形的微透鏡為最佳的選擇。
此外，微透鏡22之間的間距越小，促進平面型發(fā)光元件的外部耦合系數(shù)越大，但是當板狀結(jié)構(gòu)20間距太小時，在熱整形后會導致微透鏡22表面相互黏接而造成大小不一，因此，由于玻璃材質(zhì)基板10的熱膨脹系數(shù)為9×10-6(℃-1)，而覆蓋層12的熱膨脹系數(shù)約為100～200×10-6(℃-1)，覆蓋層12表面質(zhì)傳的熱整形溫度約為100～200(℃)，假定均取上述的最大值，則板狀結(jié)構(gòu)20的間距d應大于0.033L，其中L為板狀結(jié)構(gòu)20的底部邊長；然而，板狀結(jié)構(gòu)20的間距仍應考慮激光加工的極限，若假設激光波長為λ，也就是說d必須大于λ/2。當溫度上升ΔT時，基板10的尺寸增加量為ΔLSi，基板10的線膨脹系數(shù)為(CTE)Si，基板10的總尺寸LT-Si為L+d+ΔLSi。
ΔLSi＝(L+d)×ΔT×(CTE)SiLT-Si＝L+d+ΔLSi＝(L+d)×[1+ΔT×(CTE)Si]當溫度上升ΔT時，板狀結(jié)構(gòu)20的最上方尺寸增加量為ΔLPR(假設遠離基板10的另一面為自由膨脹)，板狀結(jié)構(gòu)20的線膨脹系數(shù)為(CTE)PR，而板狀結(jié)構(gòu)20最上方的總尺寸LT-PR為L+ΔLPR。
ΔLPR＝L×ΔT×(CTE)PRLT-PR＝L+ΔLPR＝L×[1+ΔT×(CTE)PR]當溫度上升ΔT時，若板狀結(jié)構(gòu)20的最上方的總尺寸和基板10的總尺寸LT-PR相同時，各板狀結(jié)構(gòu)20的最上方將會兩兩相接觸，因而造成相互粘著的現(xiàn)象。
LT-Si＝LT-PR(L+d)×[1+ΔT×(CTE)Si]=L×[1+ΔT×(CTE)PR]]]>⇒d=L×ΔT×[(CTE)PR-(CTE)Si1+ΔT×(CTE)Si]]>若是基板10的線膨脹系數(shù)為9×10-6、板狀結(jié)構(gòu)20的線膨脹系數(shù)為200×10-6、溫度差ΔT為175℃時，d＝0.0334×L。所以，d＞0.0334×L時，板狀結(jié)構(gòu)20的最上方才不會相接觸；于本實施例中，各板狀結(jié)構(gòu)20的底部邊長最佳為1至150μm，各板狀結(jié)構(gòu)20的間距最佳為0.1至5μm，各板狀結(jié)構(gòu)20的高度最佳為底部邊長的1/4至1/2。
經(jīng)由上述制法以及說明，本發(fā)明是結(jié)合刮刀涂布、激光加工、表面質(zhì)傳熱整形的混成技術來制作球狀的微透鏡，即可于小、中、大面積尺寸的基板成形出微透鏡，而且單位面積內(nèi)所成形的微透鏡數(shù)量較高，微透鏡的尺寸較為精確，同時生產(chǎn)速度較快，成本較低。
于上述的制法中，亦可將覆蓋層的材質(zhì)改為熱塑性光阻，熱塑性光阻在步驟三中受到激光光束的曝光，再藉由顯影與干燥加工移除曝光區(qū)域后，即可形成若干方形板狀微透鏡結(jié)構(gòu)，經(jīng)過步驟四的加熱后，同樣可達到本發(fā)明的目的；而且，上述制法中為了適用于大面積基板，是采用刮刀涂布方式涂布覆蓋層，若是基板為中、小面積時，亦可改以旋轉(zhuǎn)涂布方式涂布覆蓋層。
必須加以說明的是，激光光束也可經(jīng)不同于上述光學模組聚焦后而呈長條狀光束地照射于覆蓋層，因此利用長條狀的激光光束進行曝光作業(yè)，不需如上述的點狀激光光束需線性位移一大段距離而形成線狀溝槽，只要一次作業(yè)即可完成一線狀溝槽，則本發(fā)明的作業(yè)時間將更為減低，當然本發(fā)明亦可利用不同的光學模組設計，使該激光光束經(jīng)聚焦后直接呈現(xiàn)多條平行的長條狀光束，或直接成形為網(wǎng)狀光束。
本發(fā)明亦可應用于制作具有微透鏡結(jié)構(gòu)的模仁，如圖6至圖14所示，是為本發(fā)明第二較佳實施例所提供微透鏡的制法，包含有下列步驟步驟一如圖6所示，制備一第一基板30，第一基板30的材質(zhì)可為玻璃、塑膠、撓性薄膜、金屬，或是陶瓷。
步驟二如圖7所示，于第一基板30的表面以刮刀涂布方式涂布一覆蓋層32并進行軟烤；于本實施例中，覆蓋層32的材質(zhì)是為熱塑性高分子膜。
步驟三如圖8及圖9所示，將第一基板30放在一移動平臺(XY-stage)36，并以一準分子激光34所發(fā)出的激光光束照射覆蓋層32，使覆蓋層32受激光光束照射的區(qū)域曝光，接著驅(qū)使移動平臺36沿X軸向來回位移，使激光34將覆蓋層32剝蝕出若干相互平行且沿X軸向延伸的溝槽38，以及若干相互平行且沿Y軸向延伸的溝槽(圖中未示)，覆蓋層32即可形成若干相互隔離的微陣列結(jié)構(gòu)40。
步驟四如圖10所示，將第一基板30置于一熱處理爐(圖中未示)中或加熱板加熱，第一基板30加熱到微陣列結(jié)構(gòu)40的玻璃轉(zhuǎn)換溫度以上時，微陣列結(jié)構(gòu)40即會產(chǎn)生表面質(zhì)傳的熱整形處理，使各微陣列結(jié)構(gòu)40的表面呈球狀。
步驟五如圖11及圖12所示，進行翻模加工，于本實施例中是先以濺鍍或蒸鍍方法在第一基板30具有微陣列結(jié)構(gòu)40的表面沉積一金屬薄膜42，再接著進行電鑄加工，使第一基板30表面形成一金屬模仁50，最后分離第一基板30與模仁50，模仁50的表面即可具有呈陣列狀排列的方底球狀凹窩52。
經(jīng)由上述制法所完成的模仁50，如圖13及圖14所示，可于模仁50的各凹窩52與一透明第二基板54之間涂布一層紫外線硬化型高分子56，并以紫外線成形方法硬化高分子56，接著分離模仁50與第二基板54，即可于第二基板54的表面具有若干呈陣列狀排列的方底球狀微透鏡58，以達到大量且快速制造的目的。
另外，上述具有微陣列結(jié)構(gòu)的制法中，亦可將覆蓋層的材質(zhì)改為熱塑性光阻，熱塑性光阻在步驟三中受激光光束照射而曝光后，再由顯影與干燥加工移除曝光區(qū)域即可形成若干微透鏡結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)過步驟四的加熱后，同樣可達到本發(fā)明的目的；而步驟五的翻模加工，亦可改用除氣的液態(tài)液態(tài)二甲基硅氧莞(polydimethylsiloxane，PDMS)澆注于第一基板30具有微陣列結(jié)構(gòu)40的表面，而后加熱固化，使第一基板30表面形成模仁50，最后再分離第一基板30與模仁50。
權利要求
1.一種微透鏡的制法，其特征在于，包含有下列步驟a.以涂布方式于一基板的表面設一覆蓋層；b.利用經(jīng)聚焦后的激光光束沿著一預定路徑照射該覆蓋層，使該覆蓋層形成有若干相互交叉的溝槽，以及若干呈陣列狀排列的板狀結(jié)構(gòu)；以及c.加熱該基板，使該等結(jié)構(gòu)形成球狀的微透鏡。
2.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，其中該步驟a的涂布方式是為刮刀涂布。
3.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，其中該覆蓋層是選用熱塑性高分子膜。
4.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，其中該覆蓋層是選用熱塑性光阻。
5.依據(jù)權利要求4所述微透鏡的制法，其特征在于，其中在步驟b時，是以激光光束照射該覆蓋層，使該覆蓋層具有若干相互交叉的曝光區(qū)域，接著對該覆蓋層進行顯影與干燥加工，用以移除該等曝光區(qū)域，使該覆蓋層形成若干呈陣列狀排列的板狀結(jié)構(gòu)，再進行加熱該基板，使該等結(jié)構(gòu)形成球狀的微透鏡。
6.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，其中在步驟c時，是將該基板加熱至高于該覆蓋層的玻璃轉(zhuǎn)換溫度。
7.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，其中在該步驟b中所形成各該板狀結(jié)構(gòu)的底部邊長為1至150mm，各該板狀結(jié)構(gòu)的間距為0.1至5mm，各該板狀結(jié)構(gòu)的高度為底部邊長的1/4至1/2。
8.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，其中是使該等微透鏡的底部面積與該基板的表面面積的比值大于0.5。
9.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，其中在步驟b時，是將該等板狀結(jié)構(gòu)的底部加工為方形。
10.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，其中該基板的材質(zhì)是選用玻璃、塑膠、撓性薄膜、金屬，或是陶瓷。
11.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，其中該激光加工的激光光束波長是選用紫外線范圍。
12.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，其中該激光光束經(jīng)一光學模組聚焦后是呈點狀。
13.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，其中該激光光束經(jīng)一光學模組聚焦后是呈長條狀。
14.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，更包含有一步驟d，是對該基板具有該等微透鏡的表面進行翻模加工，形成一具有若干凹窩的模仁，該模仁是用以制作呈陣列狀排列的微透鏡。
15.依據(jù)權利要求14所述微透鏡的制法，其特征在于，其中步驟d的翻模加工是為先以濺鍍或蒸鍍方法在該基板具有該等微透鏡的表面沉積一金屬薄膜，接著再進行電鑄加工，使該基板表面形成該模仁，最后使該基板與該模仁相互分離。
16.依據(jù)權利要求14所述微透鏡的制法，其特征在于，其中步驟d的翻模加工是為將除氣的液態(tài)二甲基硅氧莞澆注于該基板具有該等微透鏡的表面，而后加熱固化，使該基板表面形成該模仁，最后使該基板與該模仁相互分離。
17.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，其中該激光光束經(jīng)一光學模組聚焦后是呈網(wǎng)狀。
18.依據(jù)權利要求1所述微透鏡的制法，其特征在于，其中于步驟b中，該激光光束是先沿一第一軸向進行多次的線狀曝光以形成若干沿該第一軸向的線狀溝槽，之后再對一第二軸向進行多次的線狀曝光以形成若干沿第二軸向的線狀溝槽。
全文摘要
一種微透鏡的制法，包含有下列步驟首先于一基板表面以涂布方式設一覆蓋層，然后利用聚焦后的激光沿一預定路徑照射覆蓋層，使覆蓋層形成若干相互交叉的溝槽，以及若干呈陣列狀排列的微透鏡，最后加熱基板，使該等微透鏡的表面呈球狀。
文檔編號C25D1/00GK1797043SQ200410104469
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月29日 優(yōu)先權日2004年12月29日
發(fā)明者魏茂國, 李三保, 林宏彝 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院