TWI856168B - 微光學元件、其製造方法及其用途 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種微光學元件，包括：具有厚度t≤1500μm、較佳t≤1200μm、更佳t≤1100μm的玻璃基板，以及由壓印在玻璃基板上的聚合物形成的微結構層。玻璃基板的膠接觸角θg小於45°、較佳小於40°、更佳小於30°，並且玻璃基板與微結構層之間的黏合強度大於0.5MPa、較佳大於1MPa、更佳大於1.5MPa。因此，玻璃基板與微結構層之間的黏合力非常強，從而在不同環境下具有長時間的強黏合性和穩定性。
Description
本發明涉及3D成像和感測領域中的微光學元件，特別是晶片級光學器件。特別地，本發明涉及一種微光學元件，該微光學元件具有彼此黏合的玻璃基板和微結構層並且由於玻璃基板與微結構層之間的緊密黏合而具有高穩定性。
對於具有玻璃基板和微結構層的微光學元件，在玻璃基板與微結構層之間的黏合強度是關鍵的要求，因為微結構層與玻璃基板的剝離一直是難點並一直受到人們的關注。
為了可靠地獲得在玻璃基板和微結構層之間的具有高黏合強度的黏合表面，Koji等人在EP 3093139 A1中提出了一種由熱塑性聚合物組成物製成的菲涅耳(Fresnel)透鏡，該熱塑性聚合物組成物包括丙烯酸類嵌段共聚物(A)和丙烯酸類樹脂(B)，在其中丙烯酸類嵌段共聚物(A)是在分子內具有至少一種結構的丙烯酸類嵌段聚合物，在該結構中主要由甲基丙烯酸酯單元構成的聚合物嵌段(a2)鍵結到主要由丙烯酸酯單元組成的聚合物嵌段(a1)的每個末端。熱塑性聚合物成分可以與施加至玻璃基板的矽烷偶聯劑可靠地黏合。但是，丙烯酸嵌段共聚物(A)的合成費時費力，並且生產成本昂貴，這是不經濟的。
因此，在微光學領域，仍然存在以省力省錢地方式提供在玻璃基板和微結構層之間的微光學元件的需求。
本申請的目的是提供一種微光學元件，該微光學元件具有彼此黏合的玻璃基板和微結構層，並且由於玻璃基板與微結構層之間的緊密黏合而具有高穩定性。
該目的通過獨立項中要求保護的具有特定玻璃成分和優化的幾何表面特性的玻璃基板實現。具有高的非橋氧(NBO，non-bridge oxygen)或活性氧的玻璃成分會生成OH-
，其可以提高與微結構層的黏合強度。玻璃基板具有合適的總厚度變化(TTV)、厚度公差和翹曲，這些有利於獲得具有一致的微結構層的高黏合強度。高TTV和翹曲不利於獲得穩定的微結構化聚合物層生產工藝，因為聚合物的厚度受玻璃的TTV和翹曲的影響。另一方面，在旋塗、噴塗、沉積或壓印過程中，微結構層也會受到玻璃粗糙度的影響。低的玻璃粗糙度有利於聚合物在玻璃上的塗抹，這有益於形成一致的微結構層。
根據本發明的一個態樣，微光學元件包括：玻璃基板和微結構層。玻璃基板具有t≤1500μm、較佳t≤1200μm、更佳t≤1100μm的厚度。也可以使用≤900μm、800μm、700μm、500μm、400μm、300μm、200μm、100μm的其他厚度。但是本專利中的玻璃厚度不限於上述厚度。由聚合物形成的微結構層被壓印在玻璃基板上。通過光學設計，微結構具有光學功能。微結構可以是根據光學設計在光學器件中能夠產生折射效應或繞射效應的任何結構(例如半球、多階、圓形、正方形)。玻璃基板表現出小於35°、較佳小於25°、更佳小於15°的膠接觸角θg。黏合強度P被規定為能夠分離微結構層與玻璃基板的最小壓強。玻璃基板與微結構層之間的黏合強度大於0.5MPa、較佳大於1MPa、更佳大於1.5MPa。在85℃的溫度和85%的濕度下經過1000次循環後，黏合強度的退化小於60%、較佳小於50%、更佳小於40%。
在另一個較佳具體例中，玻璃基板具有在1.4至2.5的範圍內、較佳在1.41至2.1的範圍內、較佳在1.42至2.0的範圍內、較佳在1.45至1.9的範圍內、特佳在1.45-1.8的範圍內、更佳在1.45-1.7的範圍內、最佳在1.45-1.6的範圍內的折射率nd
。在這種情況下，玻璃基板可用於光學應用。在一個具體例中，玻璃基板與微結構層之間的折射率nd
之差Δnd
＜0.5。
在一個較佳具體例中，玻璃基板具有非橋氧NBO＞0.3的非橋氧NBO的數量，較佳NBO＞0.5，更佳NBO＞1，特佳NBO＞1.5，最佳NBO＞2，其中NBO = (R2
O + R'O)/(P2
O5
+ Al2
O3
+ B2
O3
+ TiO2
+ZrO2
)。比值X = (R2
O + R'O - P2
O5
- Al2
O3
-B2
O3
)/(SiO2
+ P2
O5
+ Al2
O3
+ B2
O3
)大於-0.2、較佳大於0、更佳大於0.2。在本發明中，R為鹼金屬，包括Li、Na、K；R'是鹼土金屬，包括Mg、Ca、Ba。
在另一個較佳具體例中，玻璃包含以下以莫耳%計的基於氧化物的組成：
| 成分 | 比例(莫耳%) |
| SiO2 | 60 – 83 |
| B2 O3 | 0 – 12 |
| Na2 O | 0 – 13 |
| K2 O | 0 – 7 |
| MgO | 0 – 7 |
| CaO | 0 – 10 |
| BaO | 0 – 1 |
| TiO2 | 0 – 4 |
| ZnO | 0 – 6。 |
在較佳具體例中，玻璃基板具有在1300℃下≥100dyn/ cm的表面張力σ，特佳在1300℃下σ≥120dyn/cm，更佳在1300℃下σ≥140dyn/cm。較高的表面張力會導致較小的水/膠接觸角，這增加了玻璃與微結構層之間的黏合強度。
總厚度變化(TTV)是遍及玻璃的厚度的最小值和最大值之間的差。在掃描圖案中或通過在玻璃上進行一系列的點測量來識別TTV。在另一個較佳具體例中，玻璃基板具有TTV≤40μm的總厚度變化(TTV)，較佳TTV≤30μm，更佳TTV≤20μm，特佳TTV≤10μm，最可能為TTV≤5μm。在這種情況下，由於低的TTV，玻璃表面和微結構層之間的黏合強度是均勻的並且改進的。
在另一個較佳具體例中，玻璃基板具有δ≤80μm、較佳為δ≤50μm、更佳為δ≤20μm、進一步較佳為δ≤10μm、特佳為δ≤5μm、最佳為δ≤2μm的厚度公差δ。
在另一個較佳具體例中，玻璃基板展示出≤500μm、較佳≤100μm、更佳≤80μm、最佳≤50μm的翹曲。在這種情況下，玻璃基板可以基本平行於微結構層，這可以提高玻璃基板和微結構層之間的均勻黏合強度。
在另一個較佳具體例中，玻璃基板的TTV(總厚度變化)與厚度之比小於10%、較佳小於8%、更佳小於5%。
在另一個較佳具體例中，玻璃基板具有≤20nm的表面粗糙度Ra、較佳Ra≤10nm、更佳Ra≤5nm。在這種情況下，由於表面粗糙度低，可以避免玻璃基板和微結構層之間的空黏著層，並且可以實現黏著層的均勻厚度。低的玻璃粗糙度有利於聚合物在玻璃上的塗抹，有利於形成一致的微結構層。另一方面，高粗糙度會降低光學性能。
在另一個較佳具體例中，玻璃基板在400〜1500nm的光波長下顯示出透射率T≥90%、較佳T≥91%、更佳T≥92%。玻璃基板上可以有塗層。通過塗覆例如抗折射塗層，透射率可以為T≥95%、更佳為T≥99%。
在另一個較佳具體例中，玻璃基板表現出的熱膨脹係數為CTE20-300 ℃
≤15×10-6
/K、較佳為CTE20-300 ℃
≤10×10-6
/K。另外，玻璃基板的CTE玻璃
與微結構層的CTE聚合物
之比CTE聚合物
/CTE玻璃
≤100、較佳CTE聚合物
/CTE玻璃
≤80。
在另一個較佳具體例中，玻璃基板與微結構層之間的折射率nd
之差Δnd
≤0.5。
在該具體例中，繞射光學元件DOE被設計為用於與雷射和高功率雷射的應用。其在光束整形和光束輪廓修改中用作多點分束器，這些元件在不同的應用領域提供了無限的可能性。DOE可用於光學應用，尤其是繞射光學元件或折射光學元件，所有這些光學元件都可以用於3D成像和感測領域或需要深度檢測或識別功能的領域，例如娛樂、姿勢識別、手關節的跟蹤以及面部識別系統、擴增實境、虛擬實境。
在另一個較佳具體例中，玻璃基板由選自以下的玻璃所組成的群組製成：矽酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃、鋁矽酸鹽玻璃、硼矽酸鋁玻璃、鈉鈣玻璃和矽酸鋰鋁玻璃(LAS)。
在另一個較佳具體例中，微結構層由選自環氧樹脂和丙烯酸樹脂的聚合物所組成的群組組成。聚合物可能包含一些無機材料(例如SiO2
)以增加聚合物的折射率。但是聚合物不限於上述聚合物。能夠形成所需的微結構的任何聚合物都可以用於製造微結構層。
在本發明的另一態樣，提供了一種用於製造上述微光學元件的方法。該方法包括以下步驟：
- 提供玻璃基板，該玻璃基板的厚度t≤1500μm、較佳t≤1200μm、更佳t≤1100μm，其中玻璃基板的總厚度變化TTV≤40μm、較佳TTV≤30μm、更佳TTV≤ 20μm、特佳TTV≤10μm、最佳TTV≤5μm；玻璃基板的厚度公差為δ≤80μm、較佳δ≤50μm、更佳δ≤20μm、進一步較佳δ≤10μm、特佳δ≤5μm、最佳δ≤2μm，
– 在玻璃基板上施加微結構化的聚合物層，其中微結構輪廓可以是根據光學設計的金字塔形、圓形、三角形、正方形、鋸齒形、具有兩相能級的超穎表面的繞射光柵、不對稱幾何相位光學元件和其他無限光學元件的週期性結構。
微結構化聚合物層在玻璃基板上應用包括三個主要過程步驟：起源(origination)、複製(replication)和圖案轉移，即：
(a)將聚合物沉積在基板上，並且將紫外線透光模板放置在上方；
(b)將模板壓入聚合物中，並通過紫外線照射模板或加熱模板以固化聚合物；以及
(c)釋放模板，留下具有壓印特徵的固化聚合物，以形成微結構層，其中模板可以由金屬、石英或其他合適的材料製成，並且聚合物可以通過加熱、UV閃光或其他合適的方法固化。
在另一個較佳具體例中，微結構層可以可替代地通過壓印、旋塗、噴塗或沉積以及不限於此的方法來施加。
在另一較佳具體例中，微結構層可以通過熱加熱或類似的方法來固化。
在另一個較佳具體例中，微結構層可以施加到玻璃基板的兩個側面上。
在本發明中，玻璃的NBO數量多，並且因此，玻璃具有更多的帶負電荷的氧(所謂的「活性氧」)。已經發現，NBO數量較多或活性氧更多可以產生高活性的玻璃表面，其可以增加玻璃表面的潤濕性並減小水/膠接觸角。良好的玻璃表面潤濕性和小的水/膠接觸角有益於增加玻璃和膠(即黏著層)的黏合強度，從而增加了穩定性。
根據本發明的微光學元件可以用於繞射光學元件、折射透鏡、反射鏡、稜鏡、GRIN透鏡、混合元件、3D成像/感測器中的漫射器、擴增實境、虛擬實境、照相機、自動化製造系統、行動通訊。
通過下面參考附圖描述的實施例和具體例，更詳細地說明了本發明的目的、特徵和優點。
圖1顯示根據本發明的具有直接黏合在一起的玻璃基板2和微結構層3的微光學元件1的簡化視圖。微結構層3被壓印在玻璃基板2上，玻璃基板2在其頂部具有光學結構，例如在本具體例中為透鏡4。在本發明中，光學結構不限於透鏡4，並且可以包括其他光學元件，例如感測器。對於微結構層3，通常由包括作為UV固化壓印材料的環氧樹脂的聚合物(例如，一種膠DELO®
KATIOBOND®
OM 614)和丙烯酸樹脂製成。但是，該聚合物不僅限於環氧樹脂和丙烯酸樹脂，還包括具有膠特性的其他聚合物。
玻璃基板2由選自以下所組成的群組製成的超薄玻璃：矽酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃、鋁矽酸鹽玻璃、硼矽酸鋁玻璃、鈉鈣玻璃和矽酸鋰鋁玻璃(LAS)。根據本發明的超薄玻璃可以通過例如下拉法、上拉法、浮法或溢流熔融的方法來製造。
玻璃基板2的厚度t≤800μm、較佳t≤500μm更佳t≤100μm。玻璃基板2的膠接觸角θg小於5°、較佳小於40°、更佳小於30°、並且最佳小於15°。在這種情況下，由於玻璃基板2的膠接觸角θg小，這有利於玻璃基板與微結構層3的黏合強度，提高了可靠性和穩定性。
已經發現，玻璃基板的膠接觸角θg由玻璃的特定參數確定。簡而言之，如上所述，高的非橋氧(NBO)可以產生更多帶負電荷的氧(「活性氧」)，而多NBO或更多活性氧可以產生高活性的玻璃表面，從而增加玻璃表面的潤濕性並減少水/膠接觸角。良好的玻璃表面潤濕性和低的水/膠接觸角有助於提高玻璃與膠(例如在這種情況下的微結構層3)的黏合強度，從而增加了穩定性。在本發明中，NBO由以下的式(1)定義。
NBO = (R2
O + R'O)/(P2
O5
+ Al2
O3
+ B2
O3
+ TiO2
+ZrO2
) (1)
其中R為鹼金屬，包括Li、Na、K；R'是鹼土金屬，包括Mg、Ca、Ba。
在本發明中，玻璃基板具有一定數量的NBO。大量的NBO可以提高玻璃基板2和微結構層3之間黏合的性能、可靠性和黏合強度。較大的NBO可以在玻璃表面上吸引更多的OH，進而更多的OH可以產生更好的液體潤濕性，從而提高了玻璃基板2和微結構層3之間的黏合強度。此外，大量的NBO可以減小水/膠接觸角，進而較低的接觸角可以產生更好的黏合強度。已經發現，如果NBO的值大於1，則意味著存在足夠的改性劑，其在玻璃基板中提供NBO，並且玻璃結構疏鬆。如果NBO的值小於或等於1，則意味著玻璃基板中的玻璃改性劑不足，並且玻璃結構緻密。在本發明中，玻璃基板的NBO值大於0.3、較佳大於0.5、更佳大於1、特佳大於1.5、最佳大於2。
另外，為了評估玻璃中的活性氧比率，規定了特定比率X = (R2
O + R'O - P2
O5
- Al2
O3
- B2
O3
)/(SiO2
+ P2
O5
+ Al2
O3
+ B2
O3
)。這表示，活性氧隨著X值的增加而增加。也就是說，如果X較大，則意味著活性氧更多。如果X＞ 0，則意味著玻璃基板中有足夠的活性氧，並且玻璃基板、特別是玻璃表面是活性的。簡而言之，當X＞ 0時，玻璃表面上有足夠的非鍵結氧離子，活性氧容易與空氣中的水分反應形成[OH-
]基。活性[OH-
]基有利於增加玻璃基板2與微結構層3(即聚合物)之間的潤濕性，並且減小玻璃基板2與微結構層3之間的接觸角。活性氧和活性[OH-
]基可以改善玻璃基板的表面黏附能力。
從實驗中發現，如果玻璃的X值低，例如X≤-0.2，則意味著所有的氧都與玻璃形成劑陽離子(例如Si、Al、B、P)鍵結，並且玻璃是嵌體。在這種情況下，在玻璃表面上無法形成足夠的[OH-
]。另外，發現如果玻璃具有高的X值，例如X≥-0.2，則其導致玻璃表面上具有足夠的活性[OH]基並且與玻璃基板上的膠的潤濕接觸角較小。這種特殊的性能有利於玻璃在晶片級光學器件和繞射光學元件上的應用。根據本發明，玻璃基板的比率X≥-0.2、較佳≥0、更佳≥0.2。
為了提供更高的NBO值，在本發明中，玻璃包含以下以莫耳%計的基於氧化物的組成：
| 成分 | 比例(莫耳%) |
| SiO2 | 60 – 83 |
| B2 O3 | 0 – 12 |
| Na2 O | 0 – 13 |
| K2 O | 0 – 7 |
| MgO | 0 – 7 |
| CaO | 0 – 10 |
| BaO | 0 – 1 |
| TiO2 | 0 – 4 |
| ZnO | 0 – 6。 |
在本發明中使用的玻璃、特別是上述玻璃也可以被改性。例如，可以通過向玻璃成分中添加過渡金屬離子、稀土離子例如Nd2
O3
、Fe2
O3
、CoO、NiO、V2
O5
、MnO2
、TiO2
、CuO、CeO2
、Cr2
O3
和0-2 重量% 的As2
O3
、Sb2
O3
、SnO2
、SO3
、Cl、F、和/或CeO2
來改變顏色。
通過在含K+
、Na+
、Ag+
的鹽浴或含Cu2+
的鹽浴中對玻璃製品進行離子交換，玻璃製品還可具有抗微生物功能或化學鋼化作用。離子交換後，Ag+
或Cu2+
的濃度高於1ppm、較佳高於100ppm、更佳高於1000ppm。
由於其性能要求，微光學元件1需要高可靠性和高光學效率。為了滿足這些要求，必須在玻璃基板2和微結構層3之間實現高黏合。為了確保這一點，玻璃基板2應具有特定的幾何特性，例如表面粗糙度、總厚度變化(TTV)和翹曲以及熱膨脹係數(CTE)。這些性質可能會影響玻璃基板和微結構層之間的黏合可靠性。
在本發明中，玻璃基板2的總厚度變化TTV≤40μm、較佳TTV≤30μm、更佳TTV≤20μm、最佳TTV≤10μm。在這種情況下，由於低的TTV，微結構層3均勻地接觸玻璃基板2的表面，並且微結構層3與玻璃基板2之間的黏合增加。
此外，為了提高玻璃基板和微結構層之間的黏合強度，在25mm2
時，玻璃基板的局部厚度變化LTV≤5μm、較佳LTV≤1μm、更佳LTV≤0.5μm、最佳LTV≤0.1µm，這是因為LTV以與TTV相同的方式影響玻璃基板和微結構層之間的黏合強度。
另外，玻璃基板的厚度公差為δ≤80μm、較佳為δ≤50μm、更佳為δ≤20μm。在一個具體例中，玻璃基板的公差與厚度之比小於10%、較佳小於8%、更佳小於5%。由於厚度公差δ和公差與厚度之比非常低，所以入射到微光學元件上的光可以均勻地透射通過玻璃基板，從而提高了成像質量。
為了進一步提高玻璃基板和微結構層之間的黏合強度，玻璃基板的翹曲≤200μm、較佳≤100μm、更佳≤80μm、最佳≤50μm。在這種情況下，玻璃基板可以基本平行於微結構層，這可以提高玻璃基板2和微結構層3之間的均勻黏合強度。另外，這還可以根據需要在光透射率或反射率方面改善微光學元件的質量。
為了進一步提高玻璃基板與微結構層之間的黏合強度，本發明的玻璃基板2的表面粗糙度Ra≤20nm、較佳為Ra≤10nm、更佳為Ra≤5nm。
根據微光學元件在光學方面的要求，玻璃基板2應在光學方面表現出一些特性。在另一個較佳具體例中，玻璃基板2的折射率nd
在1.4至2.5的範圍內、較佳在1.5至2.3的範圍內、更佳在1.8至2.0的範圍內。在這種情況下，上面列出的折射率nd
與用於微結構層的現有聚合物匹配，因此提高了光學效率，因此玻璃基板可用于光學應用。在較佳具體例中，玻璃基板與微結構層之間的折射率nd
之差Δnd
小於0.5。
根據微光學元件在光學方面的要求，玻璃基板2在範圍從400到1500 nm的光波長下的透射率T≥90%、較佳地T≥91%、更佳地T≥92%。在該具體例中，玻璃基板可用於光學、特別是在3D成像和感測領域中。
為了減少微結構層3在受到熱衝擊時從玻璃基板2上的剝離，玻璃基板的熱膨脹係數CTE20-300 ℃
(CTE)與微結構層的熱膨脹係數應該沒有太大差異。在理想條件下，玻璃基板的CTE基本上等於微結構層的CTE。在這種情況下，當微光學元件受到熱衝擊時，玻璃基板和微結構層相似地膨脹並且在它們之間不發生位移。在本發明的一個具體例中，玻璃基板的CTE20-300 ℃
≤15×10-6
/K，較佳CTE20-300 ℃
≤12×10-6
/K。
此外，玻璃基板和微結構層之間的黏合強度是通過使用例如奈米壓印技術對微光學元件的關鍵要求。剝離始終是難題和關注點。本發明旨在提供一種具有合適的表面性質的玻璃基板，例如，高表面張力、玻璃基板與微結構層之間的低表面張力比、一定數量的NBO，以增加玻璃表面張力和表面潤濕性，這有助於提高玻璃基板與微結構層之間的黏合強度。已經發現，較高的表面張力導致較小的水/膠接觸角，這增加了玻璃基板的表面黏附能力。
實施例：
表1顯示根據本發明的玻璃基板的幾個實施例。
R為鹼金屬，包括Li、Na、K；
R'是鹼土金屬，包括Mg、Ca、Ba；以及
R''包括Ti、Zr，但不包括Si。
| 成分 | 百分比(莫耳%) | ||||
| 實施例-1 | 實施例-2 | 實施例-3 | 實施例-4 | 實施例-5 | |
| SiO2 | 66 | 64 | 67 | 83 | 76 |
| Al2 O3 | 11 | 4 | 11 | 2 | 13 |
| B2 O3 | 0 | 8 | 10 | 12 | |
| R2 O | 16 | 13 | 0 | 4 | 0 |
| R'O | 7 | 6 | 11 | 0 | 12 |
| R''O2 | 1 | 4 | |||
| 參數 | |||||
| NBO | 1.94 | 1.16 | 0.54 | 0.33 | 0.92 |
| X=(R2 O+R'O–Al–B-P)/(SiO2 +Al2 O3 +B2 O3 +P2 O5 ) | 0.14 | 0.04 | -0.11 | -0.09 | -0.01 |
| 膠接觸角 (°) | 10.8 | 10.8 | 11.2 | 11.3 | 11.2 |
| 黏合強度 (MPa) | 7 | 7 | 6 | 6 | 5 |
從上表中，以實施例2的玻璃為例，該玻璃提供大量的NBO(例如1.16)，因此提供更高的比率X ＝ -0.11。在這種情況下，它將在玻璃表面吸引更多的OH-
並導致更好的液體潤濕性。
詳細地，參考圖4A至圖4C，分別相對於實施例2、實施例5和實施例3示出了玻璃的膠接觸角，其膠接觸角分別為10.8°、11.2°和11.3°。在這種情況下，結合圖7，玻璃基板與微結構層之間的結合強度為7MPa、6MPa和5MPa。
圖2和圖3分別顯示膠接觸角與NBO和X值之間的關係。從這兩個圖可以確定，NBO和X的值越高，膠接觸角越小，這繼而提高了玻璃基板2和微結構層3的黏合強度和穩定性。
圖5A和圖5B顯示用於在玻璃的一個表面上鍵結的自由基的示意圖。圖5A顯示用於在玻璃的一個表面上鍵結的自由基的示意圖，具有低的NBO值並且在玻璃表面上具有較少的活性氧。圖5B顯示用於在玻璃的一個表面上鍵結的自由基的示意圖，具有高的NBO值並且在玻璃表面上具有較多的活性氧。
圖7顯示玻璃與微結構層例如聚合物反應的原理。在該圖中，還表明玻璃上較高的[OH-
]含量會在玻璃表面上產生更多的活性氧，並使玻璃表面更具活性，進而使玻璃與微結構層之間的黏合更牢固。
根據本發明，玻璃基板與微結構層之間的黏合強度大於0.5MPa、較佳大於1MPa、並且更佳大於1.5MPa。
在本發明的另一態樣，提供一種用於製造上述微光學元件的方法。該方法包括以下步驟：
(a)將聚合物沉積到基板上，並且將紫外線透光模板放置在上方。
(b)將模板壓入聚合物中，並通過紫外線照射模板以固化聚合物。
(c)釋放模板，使固化的聚合物具有壓印的特徵，即微結構層。
在一個具體例中，微結構層3由改性環氧樹脂製成，例如DELO®
KATIOBOND®
OM614。在這種情況下，當在步驟c)中固化微結構層3時，使用波長範圍為320至380nm的UV光。簡而言之，固化將在25 mW/cm2
的UV功率下進行300秒。固化後，將微光學元件在120℃退火1小時。
根據本發明的玻璃顯示大量的NBO，因此，玻璃具有更多的帶負電荷的氧。較高的NBO數或更多的活性氧可以生成高活性的玻璃表面，同時可以增加玻璃表面的潤濕性並減小水/膠的接觸角。良好的玻璃表面潤濕性和低的水/膠接觸角有利於玻璃和膠(即微結構層)的黏合強度。
1:微光學元件
2:玻璃基板
3:微結構層
圖1顯示具有玻璃基板和微結構層的微光學元件的簡化視圖；
圖2顯示接觸角和NBO值之間關係的採樣曲線；
圖3顯示接觸角和X值之間關係的採樣曲線；
圖4A至圖4C顯示根據本發明的玻璃的膠接觸角；
圖5A至圖5B顯示根據現有技術和本發明的在玻璃表面上的鍵結的示意圖；
圖6顯示根據本發明的活化玻璃以及與微結構層的化學鍵結的示意圖；以及
圖7顯示相對於接觸角的黏合強度的示意圖。
1:微光學元件
2:玻璃基板
3:微結構層
Claims (20)
- 一種微光學元件，包括：玻璃基板，所述玻璃基板的厚度t1500μm；以及由壓印在所述玻璃基板上的聚合物形成的微結構層；其中所述微結構層與所述玻璃基板之間的黏合強度大於0.5MPa；所述玻璃基板的總厚度變化TTV
40μm；所述玻璃基板的厚度公差為δ
80μm。
- 如請求項1之微光學元件，其中，所述玻璃基板具有特定數量的非橋氧NBO0.3，其中NBO=(R2O+R'O)/(P2O5+Al2O3+B2O3+TiO2+ZrO2)，其為莫耳比率；其中R為鹼金屬，包括Li、Na、K；R'是鹼土金屬，包括Mg、Ca、Ba；並且所述玻璃基板的膠接觸角θg小於35°。
- 如請求項1之微光學元件，其中，所述玻璃基板具有莫耳比率X=(R2O+R'O-P2O5-Al2O3-B2O3)/(SiO2+P2O5+Al2O3+B2O3)大於-0.2；其中R為鹼金屬，包括Li、Na、K；R'是鹼土金屬，包括Mg、Ca、Ba；並且所述玻璃基板的膠接觸角θg小於35°。
- 如請求項1之微光學元件，其中，所述玻璃基板的翹曲500μm。
- 如請求項1之微光學元件，其中，所述玻璃基板的TTV與玻璃厚度之比小於10%。
- 如請求項1之微光學元件，其中，所述玻璃基板的透射率T90%。
- 如請求項1之微光學元件，其中，所述玻璃基板的熱膨脹係數CTE20-300℃15×10-6/K。
- 如請求項1之微光學元件，其中，所述玻璃基板的CTE玻璃與所述微結構層的CTE聚合物的比率CTE聚合物/CTE玻璃100。
- 如請求項1至8中任一項之微光學元件，其中，所述玻璃基板的表面粗糙度Ra20nm。
- 如請求項1至8中任一項之微光學元件，其中，所述玻璃包括以下基於氧化物的莫耳%組成：
- 如請求項1至8中任一項之微光學元件，其中，所述玻璃基板的折射率nd在1.4至2.5的範圍內。
- 如請求項1至8中任一項之微光學元件，其中，所述 玻璃基板與所述微結構層之間的折射率nd之差△nd0.5。
- 如請求項1至8中任一項之微光學元件，其中，所述玻璃基板由選自以下所組成之群組的玻璃製成：矽酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃、鋁矽酸鹽玻璃、硼矽酸鋁玻璃、鈉鈣玻璃和矽酸鋁鋰玻璃。
- 如請求項1至8中任一項之微光學元件，其中，所述微結構層由環氧樹脂或丙烯酸樹脂的聚合物組成。
- 一種用於製造請求項1至14中任一項之微光學元件的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟：-提供玻璃基板，所述玻璃基板的厚度t1500μm，其中所述玻璃基板的總厚度變化TTV
40μm；所述玻璃基板的厚度公差為δ
80μm；以及-將微結構化聚合物層施加於所述玻璃基板以形成微結構層。
- 如請求項15之方法，其中，所述微結構化聚合物層能夠通過旋塗、噴塗或沉積均勻地施加。
- 如請求項15之方法，其中，將所述微結構化聚合物層施加到所述玻璃基板上包括以下步驟：(a)將聚合物沉積在基板上，並且將紫外線透光模板放置在上方；(b)將所述模板壓入所述聚合物層並固化；以及(c)釋放所述模板，留下具有壓印特徵的固化聚合物，以形成微結構層。
- 如請求項17之方法，其中，所述微結構層能夠通過UV或熱加熱來固化。
- 如請求項15至18中任一項之方法，其中，所述微結構層能夠被施加到所述玻璃基板的兩個側面上。
- 一種請求項1至14中任一項之微光學元件的用途，所述微光學元件用於繞射光學元件、折射透鏡、反射鏡、稜鏡、梯度折射率(GRIN)透鏡、混合元件、3D成像/感測器中的漫射器、擴增實境、虛擬實境、照相機、自動化製造系統、行動通訊中。
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