TWI241415B - Microlens arrays having high focusing efficiency - Google Patents

Description

1241415 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於具有高聚焦效率之微透鏡陣 亦關於製造該陣列之方法。 』尽毛月 本發明適有效地將雷射親聚焦 擴散，以及控制同調或不同調光線之散射 傳送顯示，以及其他應用中。 ’’、、又、 【先前技術】 在許多應用例如將光線由雷射I禺合光纖 巧條 )必需精確地加以製造，該G度I，常支距函數 ，其中;I賴明歧之波長度通以於或優於例如又/4 使用整 ==== = 人射光線能夠藉由陣列加以㈣#敕況下，所有 被使用來作為聚焦，陣列即稱有 鄰微其係指相 陣列。其他排列;如為方形陣 數小=====發:填充係 44%。 虛線13顯示。該陣列之填充係數為 存在數種方法以製造分離之微透鏡單元，其邊緣清 ^分離使得其邊界避免緊密的接觸。由於相鄰透鏡間内 0邊界間存在微小的距離，陣列的填充係數必定小於丨（或 %)。 使用先前技術之製造方法以達成有效緊密排列透鏡 列之困難伽於該方法無法精確地保持微透鏡邊界 是小的以及強烈聚焦透鏡。 ’ 土使用熱變形之方法例如美國第5324623號專利主要依 靠體積浮凸以及目而無法在微透鏡間之内部邊界處控制材 料的融合三ΐ在融合扭曲將使聚焦能力減小。實施熱變形 之方法為簡單的，但是無法控制各別微透鏡之結構。 —其他方法例如美國第5300623號專利所說明之方法包 ^產生機械鑄模，其界定出可固化液體之容器。液體注入 容器内以及自絲面張力產生f㈣表面，其作為微透鏡 。具有各種谷态之鑄模界定出陣列之排列。由於該方法 控制微透，單元之形狀受麻制，.—般細情況，其效 率無法為最佳的。依靠直接控制各別微透鏡之其他機械方 法例如鑽石旋轉法為較適合於製造出各別之微 造出陣列。 衣 一依靠離子擴散處理法將產生梯度折射率陣列，例如揭 ，於美國第5867321號專利無法提供麵填充係數，兩個相 部微透鏡間之區域通常為微透鏡重複間距之施。梯 射率陣列對於大量製造存在嚴重的限制，其由於本質性緩 慢的擴散處理過程所致。 、、 在抗光層上使用直接雷射劃記以製造出微透鏡陣列之 處理過程為已知的技術。可參閱在1999年12月16日 PCT第W099/64929號專利，Gale等人之美國第4464030號專

Micro-Optics Elements, systems and applications ans P. Herzig, ed. Taylor & Francis, Bristol, PA 1241415 南丨ra f3—152。該處理過程所選擇之光阻劑為正抗光 ^編，契負版光阻劑比較，正光阻劑可更廣泛地被利用，抗 造商作更廣泛的研究以及發展之工作，以及通常具 Ϊίί之解析度。不過，如底下職明，在本發明之前並不 =衣造出正微透鏡陣列，其在使用正光為 數情況下具有高聚焦效率。 本發明藉由提供製造具有高聚焦效率之微透鏡陣列的 =解J先前技術之困難，高聚焦效率經由在高填充係數 〜下精確地製造出微透鏡而達成。陣列能夠以任意方式 列，例如為方形，六邊形，或不規則形狀。除此，該方 押月同的方向製造出任意形狀以及可變化聚焦率之 锨透鏡（變形透鏡）。 【發明内容】 由於先前之說明，本發明目標包含至少一此 地所有下列情況： 反认 焦if提供製造方法以形成凹下微透鏡陣列，其具有高聚 7R。/ 配製凸出及’或凹下微透鏡陣列，其聚焦效率大於 =，德效率優先地大於85%，以及聚焦效率最優先地大於 9b% \ (3) 提供精確地製造凸出微透鏡陣列之方 鬲填充係數;及/或 (4) 提供精確地製造凸出及/或凹下微透鏡陣列苴填 m’優先地大於95%，以及最優先地約為^%， 1正Sli胃有用的表面能夠使用作為聚焦，或散射照明 光束。 Μ SΞ這些目標，本發明另外一項目標為使微透鏡陣列 二有壬思形狀（支距函數)，其能夠在陣列範圍内隨機地 化0 7 本發明另外一項目標在於提供改良方法以使用正抗 光劑以產生高填充係數之凸出微透鏡陣列。 為了達成先前以及其他目標，本發明提供一種製造凸 出微透鏡陣列之方法，其中使用導引雷射劃記以在^抗 光劑中產生最初成品（最初鑄模），其中最初成品之表面構 造，凸出微透鏡所需要陣列之負版(互補）的輪廓。即最初成 為凹下的而非凸出表面輪廓。在該情況下，如同底下所 說明，由雷射光束有限尺寸以及該光束與凹下微透鏡所需 要^布之捲旋所產生的問題能夠加以克服。藉由克服這些 問題，具有高聚焦效率之凸出微透鏡陣列能夠完成。一 了般，高聚焦效率之微透鏡陣列依靠兩項因素：（1)言 填充係數，以及(2)精確地複製所需要透鏡分佈。兩個因同 為必需的以及單獨一項因素為充份的。 ” 因而，高填充係數能夠藉由一種處理過程達成苴改 所有光阻劑薄膜部份，但是假如改變無法相對於所’需要之 透鏡分佈，陣列之聚焦效率仍會受損，因為部份具有不正 分佈之光阻劑薄膜無法適當地將入射光線聚焦了另外一方 ，，利用各別分開之微透鏡精確複製所t要_鏡分佈 =3焦效率，在該情況下係由於光線通過微透鏡ί: 空問所致。 們發現兩個因素藉由使用凹下形式初始地在正抗光 :l:i:己ΐ凸出透鏡而加以解決。在該情況下，經由精確 也要❺填充係數之透鏡分佈能夠達成高聚焦效率。 之美中’本發明藉由使用玻璃所構成 招土二支料—”貝以產生减的成品(初始鑄模）而實 現，而後以_的方式精確地複製所需要微透鏡陣列、 ^地，光敏性正光___在基f上 】 f 顺需要之厚度—致。在暴露於光 先阻秦先地為低對比之種類，能夠產生平滑地變化之浮 1241415 凸分佈。 ★在沉積於基質後，正光阻劑暴露於具有良好地分佈之 Z射光束。預先決定取樣速率，光阻_膜區域暴露 於辑射光束。藉由改變光束之強度，陣列中每一微透鏡之 f補形狀靖於級射。制地，f射照射處理過程藉 =改變其物舰及化學特性在級㈣财產生潛變的影 像。

其次，薄膜進行卿以產生表面浮凸結構。對於正種 f之光阻綱膜，顯影棘將去除所騎之區域而遺留下 域。上述結合表面浮凸結果以及初始成品之 為本發_鍵項目，因為只有經由合併所指出 “高ΐ=ί微小雷射光束之捲旋效應減為最低而能夠 儘管應實質地為相同的， 。士代叫"射先束々射疋否產生凸出或凹下浮凸結構 雕ii 造凸出微透鏡陣列初始產品為凹下浮 及;達成而填充係數(例如填充係數等於1 〇〇%)以 如聚焦效率至少高於75%)。底下詳細說 月棱出如何結合以解決捲旋之問題。

需要之_，帽難步驟通常為 出形式。製中間產品（中間鑄模)，其為凸 (最線鑄模）曰目產二1此夠再加以多次地複製以提供最終產品 大量為凹下形^。因而對最終凹下產品進行 扣出形式以及提供 或六要限制為規則的週期性排列，例如為方形 格二匕二而可假設為任何-般任意形式，如設計； σ S疋。示此，透鏡形狀並不需要相同的，實際上可對陣 9 1241415 列中每-微透鏡可加以變化。例如，本發明能夠使 造微結構之輪廓以及分佈，其揭示於先前所提及相同$ 人之美國專利申請案中，該專利名稱為” Structured &二耶 for Controlled Spreading of Light” 。 本發明重要一項為形成於正光阻劑薄膜中凹下浮凸 結構的凹腔頂部優先地加以對準或相對相鄰元件為緩慢地 變化。假如導引線並不令人滿意，在部份陣列範圍内能^句 產生精確的分佈，其將減小陣列之填充係數與聚焦效率。 【定義】 微透鏡陣列為一個陣列之微透鏡以及相關單位小格之 陣列，一個微透鏡與每一單元小格結合。本發明之微透鏡 能夠具有任何所需要輪廓以及能夠形成於例如支撐於，，活 ： 塞”形式上，其揭示於G· Michael Morris以及Tass〇R M 如les之美國第60/222· 033號專利申請案中，該專利名稱為 Structured Screens For Controlled Spreading of Light”，該專利之說明在此加入作為參考。因而在此所使 用被透鏡係指能夠將光線聚焦之微結構。 微透鏡陣列”填充係數，，為單位小格内由微透鏡所佔據 面積總和與單位小格面積總和之比值。 微透鏡陣列之"聚焦效率”為微透鏡焦點處量測光線強 度總和除以投射於單位小格陣列光線強度總和，該陣列為 鲁 沿著光軸藉由準直空間不關光源例如準直白色光源加以 知、射之陣列。熟知此技術者了解此為聚焦效率之"^ 形式π定義。 /一些凹下微透鏡通常具有虛焦點（例如空氣中平面—凹 面微透鏡具有負版值放大率以及為準直光線之虛焦點），在該 情況了需要使用辅助光學系統以產生實焦點，其強度能夠Λ 加以量測三辅助光學系統至少能夠減小實焦點處之強度， 以及在決疋虛焦點之強度大小時應該考慮這些減小情況。 10 1241415 士變，微透鏡情況中，在微透鏡每一焦點處之光線強 度〇 §於置測光線強度之總和中。 【實施方式】 參考^圖，圖2顯示出沉積於基質22上低對比之光敏性 基質通常由玻璃製造出。薄膜厚度應該 f於或大於透鏡陣列界定出之總深度。光阻劑需要預先之 處理，如硬化，其決定於陣列之總厚度。 、 J初，阻9健行處理後，雷射光束聚焦於光阻劑薄膜 ίϋίΐί面掃描以照射整個光阻劑表面，如圖3所示。 度隨著每—點變化使得所需要凹下微透鏡負版潛 义衫像以光賴材料化學轉變形式印記於紐劑上。、 了 ΐ成表面浮凸結構，化學性變化之光阻劑薄膜進 仃顯影之處理過程，包含暴露於一種溶液例如 ^ 屬歷時—段時間，該時間隨著陣列整個厚度而^化 需要越長的顯影時間。對於正抵抗劑，顯影 處理過，去除照射之區域，遺留下未被照射之區域。 鏡需要所說明之處料程，陣列中每一微透 t要以凹下喊在正恤射形成。在該情況下，當微 2^凹2式製造出時有可能顯著地減小觀察到圓形化 ΐϋΛ製造處理過程本身將外形表面加入表面浮凸 刀佈，其為並不想要的情況。 束需丄要表面浮凸結構之數學描述以及劃記雷射光 Hflf;阻劑薄膜得到之浮凸結構通常描述為所需 _下列1式==束之函數作捲旋處理。捲旋效果能 外’少)=——咖命，⑴ 數，其描述出所需要之表面浮凸，g表示書1 ;之數學函數，s表示所製造之表面區域，（X，y)代 义/、 4膜表面上之點，以及F表示最終表面形狀。 11 1241415 公式（1)之妥當性依靠假設雷射光束與光敏性薄膜之 相互作用域性的，其表示表面之反應直接地與雷射照射 成正比以及數個光束之重疊具有簡單相加之效應。對於良 好的近似，5亥假设為正確的以及能夠在以凹下形式掣迭出 之表面浮凸結構中觀察到，該結構凸級光阻面㈣ 4A及4R所彔。 預期的捲旋效應能夠立即地在凸出結構中觀察到哕 情況產生一般的想像:相同形式之行為發生於凹下形狀Γ 實際亡，假如並不使用公式⑴，以及為了達成凹下形狀，人 們只單純地需要將凸出形狀乘以―丨以及加上常數，因而對 凸出形狀兩種情況，所呈現出最終形狀應該為 相同的，除了符號改變。 、不過，其產生雷射光束與光敏性薄膜間之相互作用並 非為線性的以及因而捲旋關係能夠近似地說明製造處理過 耘。、實際上我們發現雷射劃記處理過程更類似於藉由堅 機械裝置例如為鑽石器具進行裝置之製造。 在該製造中，捲旋效應仍然存在，但是其為不同性質显 於利用雷射光柄觀察狀情況，因為潛變影像形成並不’、 存在以及重疊效應並不會發生。機械器具與被處理之表面 接觸將產生表面浮凸。_在凸&與凹下結構之機^ 中存在本質性之不對稱。由於器具之有限尺寸，不可铲: 過兩個相鄰結構間之狹窄區域，但是產生兩個凹下結 尖銳接觸點並不困難。此顯示於圖5人及邪中。口 依據本發明，我們發現當考慮凸出及凹下形狀時雷射 劃記處理過程依據相同的原理操作以及呈現出類似的田不 稱性。此令人驚奇的結果能夠製造出完全緊密的排列之Π 出微透鏡陣列，異於先前技術，先前技術只確保在部份陣 孔徑範圍内之精確分佈，該陣列為完全地塞滿之排列。 重要地，雷射劃記處理過程當使用來製造凹下表面浮 12 1241415 達，為凹下結構之機械劃_置，同時提 力，魏力超越機械舰方法之優點。例如並 =在關於糊雷射劃記處理過程製造出⑧域鏡的尺寸或 :機械$具本身之尺寸蚊出相鄰微透鏡間之 。利用雷射劃記，該區域能夠任意地減小。 保持由、、、。構之頂點至相鄰邊界凹下邊界處邊緣之凹下 ^面夺凸雜的能力能_造㈣聚紐 車列。由於能夠使最終凸出微透鏡具有完全塞滿=鏡

Si比;列直接地以凸出形式製造出，與所使用機 ίϋ，Λ，或其他處理過程無關，兩個相鄰微透鏡 之邊界無法作為聚焦似__之聚紐率減小。 以^械或雷射n具方式以凸出形式產生_顯示於圖 。在该圖中，所需要的微透鏡形狀以曲線61表示，可作 為聚焦之面積由參數Α表示。不過，由於製 微 變結果㈣線62表示以及可作為聚焦^面積^由鏡參 f t表不。在錢鏡邊界處峨察咖形化效應使入射光 、、、轉向至異於微透鏡焦點之位置。因而，只有面積β 作，聚焦。在該情況下，估計微透鏡之聚焦效率樣夠表 不為： ：!00%. (2)

先前技術中B永遠小料，因而聚焦效率小於刪。利 用^發明處理過程，最初表面浮凸結構以凹下形式劃記出 使知透鏡間的尖銳邊界良好地再形成於最終微透鏡陣列中 。當凹下產品被複製時，可以得到凸出陣列使得B等於A。 因而聚焦效率實質上等於100%。 、 實驗研究已經確認上述之分析，特別是高數值孔徑凸 出微透鏡一(快速透鏡 > 情況，其中光線以大角度加以聚焦。 圖7A顯不出直徑等於50微米之微透鏡陣列以凸出方式製造 13 1241415 清楚地圓形化以及無法有效地使用作 為水焦陣列中母一微透鏡之效率為50%。 非常 列聚焦效率估計約為_。除了凹 ΐ=:=;:直接劃 劑中:ίΞΐί理過程另外—項重要的部份，在正抗光 圖8所顯示光使其最高值對準於 犬、似ν況開始喪失。對於一此銀幕 、^ ^ ^ 能夠=所r他情況下r聚以失為=。 定…入不，凹下表面浮凸結構凹腔之頂部間對準之藉 相=己特性隨機地變化之陣列的規定 。類似的並不對準，只有其頂部對準 第·4ί 3 情得到之表面浮凸結構提供 製=== :凸=如被:凹=:製=== ΐ:::不適合大量複製，因而魏優二= 圖!ίί=ί;，序地由請至㈣顯示出。 例如為破璃^;=表==: 14 1241415 ϋ〇3’塑膠樹脂1〇4沉積於該基質上。該樹脂比光阻劑 2，用/乍為中間複製器具，1〇c顯示出圖1〇β中間複 衣為^之複製結果以產生所需要凸出微透鏡1〇5陣列。 月匕夠使用類似於圖10之順序以製造高效率高填充係數 =下微透鏡陣列，再度使初始表面浮凸結構·下形式 形成於正光阻劑中。 妒々ίΐ本發明特定實施例已加以說明，熟知此技術者了 、艾化及改變並不會脫離本發明之精神與範圍。下列 申广專利範圍含蓋所有變化，變化及其對等情況。 【圖式簡單說明】 第一，(一圖1)為填充係數小於1〇〇%之透鏡陣列頂視圖。 圖（圖2)顯示出玻璃基質，其具有光阻劑沉積 於具表面上。 第三圖（圖3)顯示出雷射光束掃描於光敏性薄膜上，其 產生=同化學特性之區域（潛變影像）。 ^ ▲第四圖Α&Β(圖4Α及4Β)顯示出製造凸出結構中之捲方」 效應。 五圖Α及β(圖5Α及5β)分別地顯示出呈現為凸出以 凹下，列關係之堅硬製造器具的相互作用。 抑第/、圖（圖6)顯示出一種技術以估計一個陣列之微透 、兄早=的聚焦效率，其以凸出形式製造出。 料八及6(圖7A&7B)分別地顯示出以凸出以及凹一 々八衣w出之相同微透鏡分佈的實驗圖。 成凹及f九圖（圖8及圖9)顯示出在正光阻劑中所形 浮凸結構，其中凹腔邊緣之邊界對準於 ，十圖A，B，C(圖10A，10B及10C)顯示出具有凹下凹炉 初ϋ鱗模的複製以得到最終之凹下微透鏡。 【主要元件符號說明】 15 1241415 基質區域11;微透鏡12;單位小格13;光阻劑薄膜 21;基質22;曲線61，62;凹下表面浮凸圖案101;基質 102;基質103;塑膠樹脂104;凸出微透鏡105。

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Claims (1)

1241415 十、申請專利範圍： 1. 一種微透鏡陣列，其包含多個單位小格以及多個微透鏡， 每一單位小格一個微透鏡，其中： (a) 陣列之聚焦效率至少為75%;以及 (b) 至少兩個微透鏡彼此隨機地不相同。 2·依據申請專利範圍第1項之微透鏡陣列，其中陣列之聚焦 效率至少為85°/〇。 3.依據申請專利範圍第1項之微透鏡陣列，其中陣列之聚焦 效率至少為95%。 4·依據申請專利範圍第1項之微透鏡陣列，其中陣列之填充 係數至少為90%。 5·依據申請專利棘圍弟1項之被透鏡陣列，其中陣列之填充 係數至少為95%。 6·依據申請專利範圍第1項之微透鏡陣列，其中陣列之填充 係數為100%。 7·依據申請專利範圍第1項之微透鏡陣列，其中微透鏡為凸 出微透鏡。 8·依據申請專利範圍第1項之微透鏡陣列，其中至少一些微 遷鏡為變形的。 9·依據申請專利範圍第1項之微透鏡陣列，其中單位小格為 緊密的排列。 17