CN1584743A

CN1584743A - 微透镜的制造方法

Info

Publication number: CN1584743A
Application number: CN200410054485.9A
Authority: CN
Inventors: 赵恩亨; 李明馥; 孙镇升; 郑美淑; 金海成
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2005-02-23
Also published as: JP2005043897A; US6989932B2; US20050018962A1

Abstract

提供一种制造微透镜的方法，其中使用压印技术首先模制至少一个第一透镜。进而，制造透镜支架以及形成在下表面上的第二透镜，所述透镜支架包括其上设有第一透镜的孔。随后，通过沿透镜支架的孔中的光轴对准第一和第二透镜来结合第一和第二透镜。因此，能容易地制造由衍射透镜和折射透镜所构成的混合微透镜以及混合微透镜阵列。

Description

微透镜的制造方法

技术领域

本发明涉及一种使用机械加工工艺和光刻工艺或纳米压印技术制造混合微透镜以及混合微透镜阵列的方法。

背景技术

制造微透镜阵列的传统方法的实例包括：使用机械加工工艺制造单一微透镜的方法，运用光致抗蚀剂的光刻工艺制造微透镜阵列的方法等。

图1为说明运用机械加工工艺制造单一微透镜的传统方法的示意图。参照图1，为了形成单一微透镜，上层模具11和底层模具13首先被加工成单一微透镜表面的形状。在上层和底层模具11和13之间的空间中插入球形或块状(G)透镜，并在高温下挤压，进而形成单一微透镜。这种机械加工工艺中使用的透镜通常由玻璃制成。运用通过机械加工工艺制造的精密模具，通过注入模制(injection molding)制造可塑透镜。这种机械加工工艺可以实现高精密的表面加工。然而，这种机械加工工艺在加工超小透镜以及形成透镜阵列时存在一定的局限性。因此，这种机械加工工艺被用于需要高数值孔径的光信息存储介质或某些光通信透镜。

图2A至2E为说明使用光刻工艺制造微透镜阵列的传统方法的截面图。首先，如图2A所示，衬底21涂覆有光致抗蚀剂23。如图2B所示，掩模M置于光致抗蚀剂23上方，其被曝露于紫外线。此后，显影和蚀刻光致抗蚀剂23所曝光的部分，进而如图2C所示形成光致抗蚀剂图案23a。当对光致抗蚀剂图案23a施加热量并在其中回流时，如图2D所示，所述光致抗蚀剂图案23a转变成球形形状的感光透镜23b。因此，如图2E所示，使用离子交换技术调节感光透镜23b的折射系数。

图2A至2E的传统方法很难获得高数值孔径所必需的高垂度(sag)，以及很难形成像差校正所需的非球面弯曲的表面加工。同样，图2A至2E的传统方法很难制造具有500μm以上直径的大数值孔径。

发明内容

本发明提供一种使用机械加工工艺和光刻工艺制造混合微透镜以及微透镜阵列的方法。

根据本发明的一方面，制造微透镜的方法包括如下操作：使用压印技术模制至少一个第一透镜；制造透镜支架以及形成在下表面上的第二透镜，所述透镜支架包括其上设有第一透镜的孔；通过沿所述透镜支架的孔中的光轴对准所述第一和第二透镜来结合第一和第二透镜。

模制至少一个第一透镜的操作包括以下子操作：预备具有和第一透镜形状相同的表面形状的模具；以及向下挤压模具上的第一透镜形成材料并模制第一透镜。

第一透镜可以具有一个球面或非球面的表面以及平的另一表面。

制造所述透镜支架的操作包括以下操作：通过将光致抗蚀剂涂覆所述映底的上表面以及构图所述光致抗蚀剂来形成第一蚀刻区域；通过使用光致抗蚀剂涂覆所述衬底的下表面、构图光致抗蚀剂以及形成通向所述第一蚀刻区域的第二蚀刻区域来形成所述孔；以及将所述孔的底板接合到所述衬底的下表面上，以使第二蚀刻区域位于所述衬底的下表面上。

在制造所述透镜支架的操作中，对准标记可形成在所述衬底的上表面以及底板中。

制造所述透镜支架的操作还包括在形成所述孔的底板之后抛光所述底板的子操作。

制造所述透镜支架的操作包括以下子操作：通过将紫外线固化材料涂覆所述底板、向下挤压聚合物模具上的紫外线固化材料、以及施加紫外射线硬化所述紫外线固化材料来形成第二透镜；并将第一透镜插入所述孔中，使得第一和第二透镜沿光轴对准。

制造透镜支架的操作包括：通过使用聚合物涂覆底板、向下挤压具有衍射表面的模板上的聚合物、以及施加紫外射线硬化紫外线固化材料来形成第二透镜；并将第一透镜插入所述孔中，使得第一和第二透镜沿光轴对准。

所述底板可由透明玻璃形成。

所述紫外线固化材料可以具有不小于1.5的衍射系数。

所述紫外线固化材料可以具有不小于95％的透光率。

生产所述透镜支架的操作包括以下子操作：预备一种包含上和下模具的透镜支架模具；通过将热塑性树脂注入上和下模具之间的空间中来注入模制具有孔的透镜支架；以及在其上形成有所述孔的表面的相对表面上形成第二透镜。

制造透镜支架的操作包括以下子操作：预备包含上层模具和下层模具的透镜支架模具，其具有与第二透镜的表面相同的表面；并通过将热塑性树脂注入上和下模具之间的空间中来注入模制具有孔的透镜支架。

所述透镜支架的上层模具包括其上设有第一透镜的梯形部分。

所述第一透镜为折射透镜，并且第二透镜为衍射透镜。

附图说明

本发明的上述和其他特征以及优势，通过参照附图详细说明本发明的示意性实施例而变得更清晰，其中：

图1为说明使用机械加工工艺制造单一微透镜的传统方法的示意图；

图2A至2E为说明使用微制造技术制造微透镜阵列的传统方法的截面图；

图3A至3C为说明根据本发明实施例、形成多个折射透镜的方法的示意图；

图4A至4E为说明根据本发明实施例、使用微制造技术制造透镜支架的方法的截面图；

图5A至5C为说明根据本发明实施例、使用注入模制法制造透镜支架的方法的截面图；

图6A至6E为说明根据本发明实施例、使用光刻工艺制造衍射透镜的方法以及结合衍射透镜和折射透镜的方法的截面图；以及

图7A至7D为说明根据本发明实施例、使用纳米压印工艺制造衍射透镜的方法的截面图。

具体实施方式

现参照附图详细地说明根据本发明一个实施例的微透镜的制造方法。在所述方法中，运用机械加工工艺形成多个折射透镜，使用光刻工艺或纳米压印法形成多个衍射透镜，并且所述折射透镜和衍射透镜被结合在一起。

图3A至3C为根据本发明实施例、说明使用机械加工工艺形成具有高数值孔径的高精密微透镜的方法的示意图。首先，如图3A所示，使用金刚石旋转(diamond rotation)机械装置形成高精密金属模具。上层模具31形成得平坦，而下层模具33具有凹槽32，所述凹槽具有球面或非球面表面使得熔融状态的透镜形成材料35被固化以具有球面或非球面的形状。如图3B所示，所述透镜形成材料35被放入凹槽32中，并在高温下将上层模具31向下挤压到下层模具33上，以便形成具有平下表面的凸平面透镜35a。如图3C所示，通过压模法制成具有球面或非球面顶表面以及平面下表面的所述凸平面透镜35a。形成所述凸平面透镜35a的材料35通常为玻璃。

图4A至4E为根据本发明实施例、使用光刻工艺制造透镜支架阵列的方法的截面图。所述透镜支架阵列用于将通过图3A至3C的方法制造的微透镜扩展成微透镜阵列。首先，如图4A所示，在硅衬底41上涂覆光致抗蚀剂43，在光致抗蚀剂43上设置掩模M1，以及随后光致抗蚀剂43被曝光。此后，执行显影和蚀刻以移除硅衬底41未曝光的部分，使得硅衬底41如图4B所示被构图。所执行的蚀刻为感应耦合等离子反应离子蚀刻(inductivecoupled plasma-reactive ion etching，ICP-RIE)

此后，如图4C所示，所述硅衬底41被倒转，并且在所述硅衬底41的下表面涂覆光致抗蚀剂43。随后，掩模M2被设置在光致抗蚀剂43上，并且所述光致抗蚀剂43被曝光。在图4D中，运用显影和刻蚀工艺使第一和第二蚀刻区域44a和44b彼此穿透。在图4E中，玻璃衬底被阳极键合到硅衬底41的下表面，以便用作通过贯穿第一和第二蚀刻区域44a和44b而形成的孔44的底板45。优选地，而非必要地，玻璃衬底由透明材料制成。如果需要，可执行化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)以调节所述底板45的厚度。

图5A至5C为根据本发明实施例、说明使用注入模制法而不是使用图4A至4E中所用的光刻法来制造透镜支架的方法的截面图。参照图5A，预先准备下层和上层金属模具51a和52a。根据所述尺寸精确定形所述下层和上层金属模具51a和52a，并且各模具具有用来对准折射透镜的梯状部分54。热塑性树脂，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，被注入下层和上层金属模具51a和52a之间的空间中，并随后被向下挤压。当所述下层和上层金属模具51a和52a从注入的热塑性树脂分离时，获得具有梯状部分54的透镜支架53a。

图5B说明了通过在下层模具51b中形成衍射表面48来制造包括衍射透镜的透镜支架的方法。在制造下层模具51b时，使用精密机械加工工艺形成所述下层模具51b的衍射表面48。热塑性树脂，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，被注入到下层模具51b和上层模具52b之间的空间中，并随后向下挤压。相应地，能够获得包含梯状部分54和衍射透镜55的透镜支架53b。

图5C说明了一种制造透镜支架的方法，所述透镜支架包含衍射表面48而不包含对照图5A和5B中的梯状部分54。在制造下层模具51c时，使用精密机械加工的方法形成所述下层模具51c的衍射表面48。热塑性树脂(如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))被注入下层模具51c和上层模具52c之间的空间中，并随后向下挤压。相应地，能够获得包含衍射透镜55的透镜支架53c。多个微透镜35b被精确对准并被接合到所述透镜支架53c。

图6A至6E为根据本发明实施例、说明了使用紫外线(UV)浮凸压印法制造衍射透镜阵列(也就是，衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)透镜)的方法的截面图。图6E说明了对准衍射透镜和折射透镜的方法。

图6A示出了通过图4A至4E的工艺所制成的透镜支架阵列40。所述透镜支架阵列40中的透镜支架可以是图5A中的透镜支架53a。所述透镜支架阵列40包括具有孔阵列的衬底41和形成衬底41的孔的下表面的底板45。为了对准所述透镜支架阵列40和DOE透镜，可使用衬底41的对准标记42a和42b(图4B至4E中所示)，或可在底板45中形成额外的对准标记(未示出)。

如图6B所示，使用旋涂在透镜支架阵列40的上表面涂覆熔融的紫外线固化材料47，并且在熔融紫外线固化材料47上设置具有衍射表面48的聚合物模具49(其形成DOE透镜)。优选地，而不是必要地，所述紫外线固化材料47为具有1.5或更大衍射系数以及95％或更大内部光透射率的玻璃。同样，优选地，而不是必要地，所述紫外线固化材料47具有强粘合性，其容易粘附到聚合物模具49上和从聚合物模具49拆卸，并对依赖于温度变化的衍射系数变化不敏感。特别地，当接收具有200至300nm波段的紫外线时，所述紫外线固化材料47必须硬化。在所述紫外线固化材料47上设置聚合物模具49，使得所述衍射表面48面向所述孔44。所述衍射表面48被形成为具有一种菲涅耳透镜的形状，以便执行聚焦功能和色差消除功能。

如图6C所示，所述聚合物模具49被向下压在紫外线固化材料47上，使得所述紫外线固化材料47被模制成具有与衍射表面48相同的形状。优选地，而不是必要地，所述聚合物模具49和所述紫外线固化材料47均由具有高透光率的透明材料形成。通过对聚合物模具49的上表面施加紫外线，硬化所述紫外线固化材料47。在图6D中，所述聚合物模具49从紫外线固化材料47上移开，使得多个所需DOE透镜47a在紫外线固化材料47上对准。

在图6E中，微透镜35c被对准并被接合到所述DOE透镜47和透镜支架阵列40相互结合的结构中。所述透镜支架阵列40中的透镜支架可以是图5B或5C中的透镜支架53b或53c。所述透镜35c被插入衬底41的透镜孔44中并使用粘结剂将其结合在其中。使用图3A至3B中所说明的机械加工工艺形成所述微透镜35c。对比于图3C中的微透镜35a，所述微透镜35c具有倾斜的左右侧，使其插入到所述孔44中时能够减少左右侧的损坏。将粘合剂注入到其上设有微透镜35c的梯状部分44s上，以将微透镜35c牢固地固定到所述衬底41上。

可使用纳米压印工艺而不是使用图6A至6D中所说明的紫外线浮凸压印法来制造衍射透镜(也就是，DOE透镜)。所述纳米压印技术能够容易地制造数量大的纳米图案并提供高工艺产量。这可参照图7A至7D予以更加详细地说明。

参照图7A，形成具有衍射透镜图案(也就是，衍射表面61)的模板62。如图7B所示，具有衍射表面61的模板62被设置在衬底64上方，其中将要形成衍射透镜。所述衬底64涂覆有聚合物65。所述衬底64可以是硅衬底、石英衬底或者氧化铝衬底。热塑性树脂，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，通常用作形成在所述衬底64上的聚合物65。所述模板62由具有高透光率的材料形成，并且熔融的紫外线固化材料可用作聚合物65。优选地，而不是必要地，执行预处理以在所述衍射表面61上形成隔离层63，以便轻松地使模板62与衬底64上的聚合物65分离。

如图7C所示，模板62被向下压至衬底64上使得形成在模板62上的衍射表面61不改变地压印在聚合物65上。因为模板62和聚合物65都由具有高透光率的材料形成，所以在向下挤压过程中透过模板62的紫外线使得聚合物65硬化。

如图7D所示，当模板62和衬底64彼此分开时，能获得形成在所述聚合物65上的衍射透镜66。当使用具有多个衍射透镜图案的模板62时，能轻松地获得衍射透镜66的阵列。换句话说，通过这种工艺使得衍射透镜阵列能够被直接转录(transcried)在所述衬底64上。

使用上述本发明实施例制造的混合透镜可由面向一圆盘的具有平面的折射透镜以及非球面曲面构成，以便用作物镜。当从光源发出的光束入射到物镜上时，所述光束主要被物镜的衍射表面折射并且其次被折射透镜折射(也就是，聚焦)，以便形成几乎是衍射极限的精细光点。因此，减少了折射透镜上的折射(其用于聚焦)负荷，并减少了制造具有高数值孔径的透镜的负荷。

本发明提供一种使用现有的机械加工工艺与现有的微制造工艺来简单地制造由折射透镜和衍射透镜构成的混合透镜以及混合透镜阵列(也就是，微透镜阵列)的方法。同样，在本发明中，能量被分散到折射透镜和衍射透镜，因此便于使用机械加工工艺制造衍射透镜。此外，因为与传统透镜相比较，所述方法能使用低折射材料和高折射材料两者，所以能够制造具有高折射同时保持与传统透镜数值孔径相类似的数值孔径的轻的微透镜。

如上所述，使用机械加工工艺、微制造技术、紫外线浮凸压印技术或纳米压印技术制造能够分散能量和校正色彩像差的混合透镜。因此，能容易地制造包含折射透镜和衍射透镜的混合透镜以及混合透镜阵列。

虽然参照本发明实施例已具体示出和说明了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的范围和精神下，可在形式和细节上进行各种变化。

Claims

1.一种制造微透镜的方法，所述方法包括：

使用压印技术模制至少一个第一透镜；

制造透镜支架以及形成在下表面上的第二透镜，所述透镜支架包括其上设有所述第一透镜的孔；和

通过沿所述透镜支架的孔中的光轴对准所述第一和第二透镜来结合所述第一和第二透镜。

2.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个第一透镜的模制包括：

预备具有与所述第一透镜的形状相同的表面形状的模具；以及

向下挤压所述模具上的第一透镜形成材料并模制所述第一透镜。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一透镜具有一个球面或非球面的表面以及平的另一表面。

4.根据权利要求1所述的方法，其中透镜支架的制造包括：

通过将光致抗蚀剂涂覆所述衬底的上表面以及构图所述光致抗蚀剂来形成第一蚀刻区域；

通过使用光致抗蚀剂涂覆所述衬底的下表面、构图该光致抗蚀剂以及形成通向所述第一蚀刻区域的第二蚀刻区域来形成所述孔；以及

将所述孔的底板接合到所述衬底的下表面上，以使所述第二蚀刻区域位于所述衬底的下表面上。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述透镜支架的制造中，对准标记可形成在所述衬底的上表面以及所述底板中。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述透镜支架的制造还包括在形成所述孔的所述底板之后抛光所述底板。

7.根据权利要求4所述的方法，其中透镜支架的制造包括：

通过将紫外线固化材料涂覆所述底板、向下挤压一聚合物模具上的所述紫外线固化材料、以及施加紫外线硬化所述紫外线固化材料来形成所述第二透镜；和

将所述第一透镜插入所述孔中，使得所述第一和第二透镜沿光轴对准。

8.根据权利要求4所述的方法，其中透镜支架的制造包括：

通过使用聚合物涂覆所述底板、向下挤压在一具有衍射表面的模板上的所述聚合物，以及施加紫外线硬化所述紫外线固化材料以形成第二透镜；和

9.根据权利要求4所述的方法，其中所述底板由透明玻璃形成。

10.根据权利要求7所述的方法，其中所述紫外线固化材料具有不小于1.5的衍射系数。

11.根据权利要求7所述的方法，其中所述紫外线固化材料具有不小于95％的透光率。

12.根据权利要求1所述的方法，其中透镜支架的制造包括：

预备包含上和下模具的透镜支架模具；

通过将热塑性树脂注入所述上和下模具之间的空间中来注入模制具有孔的透镜支架；以及

在与其上形成有所述孔的表面相对的表面上形成所述第二透镜。

13.根据权利要求1所述的方法，其中透镜支架的制造包括：

预备包含上层模具和下层模具的透镜支架模具，其具有与所述第二透镜的表面相同的表面；以及

通过将热塑性树脂注入所述上层和下层模具之间的空间中来注入模制具有孔的透镜支架。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述透镜支架的所述上层模具包括其上设有所述第一透镜的梯形部分。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一透镜为折射透镜。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二透镜为衍射透镜。