CN100427972C - 平板型微透镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种简单、成本低的平面型微透镜，其能够以机械和热方面稳定的方式用于各种光学领域中。利用透明DLC膜(41)形成微透镜。该DLC膜(41)包括具有渐变折射率的区域(Rmn)。当光束通过具有渐变折射率的区域时，使光聚焦。

Description

平板型微透镜及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种能够用于各种光学领域的平面型微透镜以及用于制造该平面型微透镜的改进方法。

背景技术

平面型微透镜能够用于各种光学领域中。例如，它们可以作为聚光器用于光通信领域中，从而在激光二极管(LD)与光纤之间提供光耦合。而且，平面型微透镜阵列能够有效地用作投影仪中的聚焦透镜阵列。

图5A是常规平面型微透镜阵列实例的局部切除的简化透视图。

图5B表示了图5A的透镜阵列的简化横截面图，用于说明光学特征(参见2003年4月28日Gijutsu Jouhou Kyoukai发表的“微透镜(阵列)的超精处理和批量生产技术(Ultra-precision processing andmass production technology for microlens(arrays))”第20-21和71-81页)。在平面型微透镜阵列1中，在均匀的薄玻璃1a的主表面上形成以阵列设置的多个高折射率区域1b。每个高折射率区域1b在薄玻璃1a中具有粗略的半球形状(例如200微米直径、80微米深)。因此，如图5B所示，每个高折射率区域1b起到凸透镜的作用，并且将入射平行光2聚焦到焦点F。

图6A到图6C表示了用于制造图5中的平面型微透镜阵列的方法的实例的简化横截面图。在图6A中，实施光刻和蚀刻，从而在玻璃基板1a上形成金属抗蚀层3，其具有以阵列设置的小孔3a。在图6B中，通过实施公知的离子交换法，即由相反的箭头4表示的离子交换，利用金属抗蚀层3的小孔3a形成高折射率区域1b。因为离子交换通过离子的各向异性热扩散而继续进行，所以在玻璃基板1a中自然地按照简化的半球形状形成该高折射率区域1b。当然，金属抗蚀层3必须形成为这样：即，其具有足以经受热扩散温度的耐热性，并且还必须能够阻止离子的通过。然后，在图6C中，去除金属抗蚀层3以获得平面型微透镜阵列1。

这种类型的微透镜利用了光的折射现象，是一种折射微透镜。另外，这种在整个透光(透明)基板内分布不同折射率的透镜有时称作GRIN(渐变折射率)透镜。

常规上，微透镜主要为折射微透镜，但是为了减少光学系统的尺寸、重量、成本等等，近来更加关注衍射微透镜。在衍射微透镜中，利用了光的衍射现象来实现透镜功能。衍射微透镜主要可以粗分为浮凸微透镜(relief lens)(或者渐变厚度透镜)和渐变折射率微透镜。在典型的浮凸微透镜中，在透光基板的表面上按照同心环状形成多个微小的凹槽，凹槽的深度(即基板的厚度)按照周期性的方式变化。在典型的渐变折射率微透镜中，将平面基板分成多个形如同心环状的带状区域，并且这些区域的折射率按照周期性的方式变化。

透光基板的厚度或折射率的周期性变化使得通过该基板的光的相位周期性变化，从而类似于衍射光栅产生光的衍射效果。通过该衍射光栅的光的衍射角随着衍射光栅栅距的减小而增大。因此，通过形成同心圆状衍射光栅，使得栅距从同心圆中心向边缘减小，就能够像凸透镜一样使通过该衍射光栅的光聚焦。

图7表示了用于制造常规浮凸微透镜的方法的实例的简化横截面图。图8表示了用于图7所示的方法中的曝光掩模的简化平面图。

在图7A中，在Si基板11上形成正性光致抗蚀层12，以及通过第一光掩模13照射紫外光14a。该第一光掩模13具有如图8A所示的同心带状环，并且环之间的间距朝外侧边缘减小。在图8A中，仅表示了两个透光环，以简化该图中的结构，但是毫无疑问，可以使用更多的环。

在图7B中，使已曝光的正性光致抗蚀层12显影，以形成第一抗蚀图案12a。然后，将第一抗蚀图案12a用作掩模，以利用如箭头14b所示的反应离子蚀刻(RIE)形成具有预定深度的带状凹槽环。

在图7C中，去除第一抗蚀图案12a以提供二进制级(光学相位以两个级别渐变)浮凸微透镜11a。设置带状凹槽环的宽度和深度，从而为两级或多级浮凸微透镜的特定结构提供最佳衍射效率。

图7D到图7F表示了在与图7A到图7C类似的步骤之后用于制造四级微透镜的步骤。

在图7D中，在通过与到图7C类似的步骤构成的Si基板11a的上表面上形成第二抗蚀层15。通过第二掩模16照射紫外光14c。图8B表示了第二掩模16的简化平面图。如图8A和图8B所示，第二掩模16与第一掩模13相比具有两倍数量的带状透光环。换句话说，第二掩模的带状透光环和带状不透光环的宽度近似为第一掩模的带状透光环和带状不透光环宽度的1/2。

在图7E中，使已曝光的第二抗蚀层15显影，从而形成如图所示的第二抗蚀图案15a。然后，利用第二抗蚀图案15a实施如箭头14d所示的RIE，从而蚀刻到预定深度。

在图7F中，去除第二抗蚀图案15a，从而获得能够生成四级相变的浮凸微透镜11b。与两级衍射透镜相比，多级衍射透镜能够提供更高衍射效率和更高的聚焦效率。而且，通过N次重复上述光刻和RIE步骤，能够制造具有2^N级的浮凸微透镜。尽管可以利用具有无限的级数量的衍射透镜实现100％的衍射效率，但是这需要很多的生产步骤和花费高的生产成本。实际上，提供95％衍射效率的8级衍射透镜似乎就足够了(可以通过重复以上步骤N＝3次来制造)。

发明内容

在如图6(6A-6C)所示的通过离子交换在玻璃基板中形成的折射微透镜阵列中，通过离子交换所获得的折射率Δn的提高仅近似为0.17。由于这种较低的折射率差，所以难以制造出具有短焦距的透镜。而且，因为通过各向异性热扩散形成离子交换区域1b，所以透镜区域1b总是形成为粗略的半球形状，这样便难以通过改变透镜厚度来调整焦距。

在衍射微透镜中，浮凸微透镜必须通过蚀刻在透光基板上形成凹槽，从而需要足够厚的基板。而且，精确调整蚀刻凹槽的深度并不容易。此外，因为在浮凸微透镜的表面上形成了微小的凹凸，所以灰尘和污染物容易粘附到表面上。

另一方面，难以将衍射微透镜形成为渐变折射率微透镜。原因在于，在如上所述的玻璃基板中通过离子交换能够实现的最大折射率变化仅近似为Δn＝0.17，从而难以形成有效的渐变折射率衍射光栅。尽管已知通过向石英玻璃施加能量射束(例如紫外光)来提高折射率的方法，但是这种方法带来的折射率变化甚至小于离子交换带来的折射率变化(不超过约Δn＝0.01)。

本发明的目的是克服上述背景技术存在的问题，并且提供这样一种简单和低成本的平面型微透镜：其在机械方面和热方面稳定并且能够用于各种光学领域中。

在本发明中，由透明DLC(diamond-like carbon类金刚石碳)膜形成微透镜，其包括折射率渐变的区域。当光束通过折射率渐变的区域时，使光聚焦。

该微透镜可以是折射微透镜。在这种情况下，在第一主表面上形成具有较高折射率的折射透镜区域。该透镜区域可以具有由与粗略球表面的一部分对应的边界表面和DLC膜的第一主表面围绕构成的凸透镜形状，或者由与粗略圆柱表面的一部分对应的边界表面和DLC膜的第一主表面围绕构成的柱面凸透镜形状，圆柱表面具有平行于第一主表面的中心轴线。

另外，该透镜区域可以具有贯通DLC膜的粗略圆柱形状。在这种情况下，圆柱形状的中心轴线垂直于DLC膜，并且越接近中心轴线折射率越大。此外，该透镜区域可以是贯通DLC膜的带状区域。在这种情况下，越接近通过带状区域的宽度方向中点且垂直于DLC膜的平面，折射率越大。

此外，本发明的微透镜可以是衍射微透镜。在这种情况下，该DLC膜能够包括多个同心带状环区域，并且折射率是渐变的，这样使得该带状环区域起到衍射光栅的作用。带状环区域的宽度随着其距同心圆中心的距离增大而减小。

在具有多个同心带状环区域的衍射微透镜中，DLC膜可以包括m个同心环区，并且这些环区中的每一个都包含n个带状环区域。在每个环区内，内侧的带状环区域优选具有比外侧的带状环区域更高的折射率，并且对于环区中相对应的带状环区域优选具有相同的折射率。

此外，在本发明的衍射微透镜中，DLC膜可以包括多个平行带状区域，并且折射率是渐变的，这样使得该带状区域起到衍射光栅的作用。带状区域的宽度随着距预定带状区域的距离的增大而减小。

在包含多个平行带状区域的衍射微透镜中，该DLC膜优选包括m个平行带区，并且每个带区包含n个带状区域。在每个带区中，带状区域的折射率可以随着距预定带状区域的距离的减小而增大。不同带区中的相应带状区域可以具有相同的折射率。

上述根据本发明的微透镜对于包含波长在0.4微米到2.0微米范围内的光能够起到透镜作用。因此，根据本发明的微透镜能够用于广泛的光学领域中，例如光通信领域以及投影仪等。

在制造根据本发明的微透镜过程中，优选利用等离子CVD(化学气相沉积)来形成DLC膜。利用等离子CVD，能够在不同类型的基板上以较低的温度形成透明DLC膜，该基板例如是硅基板、玻璃基板或者聚合物基板等。

通过在DLC膜上施加能量射束来提高折射率，从而能够在DLC膜中容易地形成具有较高折射率的区域。对于能量射束而言，可以使用紫外线照射、X射线、同步加速器辐射(SR)、离子束、电子束等等。而且，通过施加能量射束，能够同时在单个DLC膜上容易地形成以阵列设置的多个微透镜。

附图说明

图1(1A-1C)是表示用于制造根据本发明实施例的折射微透镜阵列的方法的简化横截面图。

图2(2A-2D)是表示用于形成能够用于制造图1所示的折射微透镜阵列的方法中的刻印模(imprint mold)的方法的简化横截面图。

图3A是表示根据本发明另一实施例的衍射微透镜的简化平面图，图3B是其对应的横截面图。

图4(4A-4B)是表示用于制造图3所示的衍射微透镜的方法的实例的简化横截面图。

图5A是表示常规折射微透镜阵列的部分切除的简化透视图，图5B是表示其特征的简化横截面图。

图6(6A-6C)是表示用于制造图5所示的折射微透镜阵列的方法的简化横截面图。

图7(7A-7F)是表示用于制造常规浮凸型衍射微透镜的方法的简化横截面图。

图8(8A-8B)是表示用于制造图7所示的浮凸微透镜的方法中的掩模的简化平面图。

具体实施方式

首先，本发明人确认，通过使透明DLC膜暴露于能量射束，能够提高其折射率。通过在硅基板、玻璃基板或者各种其它类型的基板上实施等离子CVD(化学气相沉积)，能够形成这种DLC膜。按照这种方式通过等离子CVD获得的透明DLC膜通常具有约1.55的折射率。

用于提高DLC膜的折射率的能量射束能够为紫外(UV)光、X射线、同步加速器辐射(SR)、离子束、电子束等等。SR光通常包括宽波长范围(从紫外光到X射线)的电磁波。

例如，通过以800keV的加速电压和5×10¹⁷/cm²的光量注入He离子，能够将折射率变化提高到约Δn＝0.65。通过注入H离子、Li离子、B离子、C离子等等，也能够类似地提高折射率。同样，通过施加具有0.1-130nm光谱的SR光，也能够最大程度地将折射率提高到Δn＝0.65。此外，利用UV辐射，通过例如以每个脉冲160mW/mm²的辐射密度、100Hz的频率脉冲照射波长为248nm的KrF受激准分子激光(由KrF受激准分子激光器产生)，能够将折射率变化提高到约Δn＝0.22。利用诸如ArF(193nm)、XeCl(308nm)、XeF(351nm)等受激准分子激光或者Ar激光(488nm)，也能够以类似的方式提高折射率。显而易见的是，由这种DLC膜的能量射束曝光而产生的折射率变化显著大于由常规的玻璃离子交换(至多Δn＝0.17)而产生的折射率变化，或者显著大于由石英玻璃的UV曝光而产生的折射率变化(不超过约Δn＝0.01)。

图1表示了用于制造根据本发明实施例的折射微透镜阵列的方法的简化横截面图。

在图1A中，在DLC膜21上形成掩模层22。能够限制能量射束23透射的各种材料能够用于掩模层22。例如，该材料可以从金、铬、镍、铝、钨等材料中选择，以便根据对于能量射束透过掩模层的程度的设计要求来提供最佳结果。掩模层22包括微小的凹腔(凹部)22a的阵列。这些凹腔22a中的每一个具有下表面，其形成了一部分粗略球表面或者一部分粗略圆柱表面(该圆柱表面的中心轴线垂直于纸面)。并且，将能量射束23通过包括凹腔22a的阵列的掩模层22施加到DLC膜21上。

在图1B中，在掩模层22曝光于能量射束23之后，去除该掩模层22，以获得在DLC膜21中形成的微透镜阵列21a。更具体地讲，通过施加能量射束23，与掩模层22的凹腔22a的阵列相对应，从而在DLC膜21中形成了高折射率区域21a的阵列。因为掩模层22的凹腔22a具有球形或圆柱形下表面，所以掩模层的厚度从凹腔21a的中心朝向边缘渐渐增大。换句话说，能量射束23更易于透过凹腔22a的中心部，而不是边缘部。因此，高折射率区域21a的深度朝向中心部更深，周缘部分形成为浅球面凸透镜或者柱面凸透镜。因此，这些高折射率区域21a中的每一个用作单个微透镜。

当能量射束23用于制造如图1所示的微透镜阵列时，能够调整粗略球形或者粗略圆柱形凹腔22a的深度，以控制微透镜21a的厚度，即焦距。在不改变凹腔22a的深度的情况下，也能够通过改变所施加的能量射束23的透射量，以调整微透镜21a的焦距。例如，如果将He离子束用作能量射束23，则提高离子的加速能量会提高透射量，这样使得微透镜21a的焦距减小。另外，因为施加到DLC膜上的能量射束23的光量越大折射率变化Δn也越大，所以通过调整光量也能够调整微透镜21a的焦距。

图1C表示了微透镜阵列的另一实施例的简化横截面图。微透镜21b包括贯通DLC膜21的圆柱形或带状区域。如果微透镜21b为圆柱形的，则其中心轴线21c平行于DLC膜21的厚度方向，并且越接近中心轴线21c折射率越大。如果微透镜21b是带状的，则通过宽度方向(垂直于纸面)中点的中心平面21c平行于DLC膜21的厚度方向，并且越接近中心平面21c折射率越大。

例如与图1A相似的方法也能够形成图1C中的微透镜阵列。更具体地讲，能够通过掩模层22和DLC膜21的薄区域的高能量射束可以用于提高折射率，从而在中心轴线或者中心平面21c周围的区域以较高光量施加能量射束。

利用各种方法能够制造包含具有如图1A所示的粗略圆形或粗略圆柱形下表面的凹腔22a的掩模层22。例如，在DLC膜21上形成均匀厚度的掩模层22，并且形成具有微小孔或者平行线状开口的阵列的抗蚀层。然后，从该抗蚀层的微小孔或者线状开口开始实施各向异性蚀刻，从而在掩模层22中，在这些微小的孔下形成粗略的半球形或者粗略的半圆柱形凹腔22a。

利用图2中的简化横截面图表示的方法制备的刻印模，也能够容易地制造包括具有如图1A所示的粗略球形或者粗略圆柱形下表面的凹腔22a的掩模层22。

在图2A中，例如在二氧化硅基板31上形成抗蚀图案32。在该基板31上，该抗蚀图案32形成了多个微小圆形区域或者多个薄的平行带状区域的阵列。

在图2B中，加热并熔化抗蚀图案(抗蚀剂)32。在微小圆形区域或者薄的带状区域上熔化的抗蚀图案32由于表面张力而形成具有粗略球形或者粗略圆柱形凸透镜形状的抗蚀剂32a。

在图2C中，如果在形状粗略如凸透镜的抗蚀剂32b以及二氧化硅基板31a上实施RIE，则RIE在减少抗蚀剂32b的直径或宽度的同时，对该二氧化硅基板31a进行蚀刻。

因此，最终结果是如图2D所示的二氧化硅刻印模31c，其中设置了粗略球形或者粗略圆柱形的凸起31b。通过控制图2C中抗蚀剂32b的蚀刻速率与二氧化硅基板31a的蚀刻速率之比，能够调整该凸起31b的高度。

所得到的刻印模31c适于制造包含如图1A所示的凹腔22a的掩模层22。更具体地讲，如果掩模层22由例如金构成，则利用金的延展性，可以用刻印模31c对该金制的掩模层22进行刻印，从而容易地形成凹腔22a。而且，一旦制成该刻印模31c，则能够重复使用该刻印模。这样，与通过蚀刻在掩模层22中形成凹腔22a相比，可以很容易地以更低的成本形成凹腔22a。

在如本发明的使用DLC膜的折射微透镜阵列中，通过施加能量射束来形成高折射率透镜。因此，与常规玻璃基板相比，能够在比玻璃基板薄得多的DLC膜中形成折射微透镜。然而，即使对于使用DLC膜的折射微透镜，该DLC膜也会比下述的衍射微透镜厚，该DLC膜的厚度为约10微米到20微米或更厚。

图3A中的简化平面图和图3B中的简化横截面图表示了根据本发明另一实施例的衍射微透镜。能够使衍射微透镜比折射微透镜更薄，并且可以使DLC膜中的衍射微透镜具有约为1～2微米的厚度。更具体地讲，利用DLC膜41也可以制造衍射微透镜40，并且其包括多个同心带状环区域Rmn。此处使用的符号Rmn表示第m个环区中的第n个带状环区域，还表示从同心圆中心到带状环区域的外周的半径。带状环区域Rmn的宽度随着距中心距离的增加而变小。

相邻的带状环区域Rmn具有不同的折射率。在图3中的衍射微透镜中，如果该透镜为两级衍射透镜，达到m＝3的环区包含达到n＝2的带状环区域。在单一的环区内，内侧的带状环区域比外侧的带状环区域具有更大的折射率。

类似地，在四级衍射透镜中，单一的环区包含达到n＝4的带状环区域。而且在这种情况下，在单一环区中，越接近中心的带状环区域具有越大的折射率。更具体地讲，从单一环区的内周侧到外周侧形成了折射率变化的四个级别。并且折射率变化的这四个级别对于每个环区而言重复m次。

能够按照以下的等式(1)设置带状环区域的外周的半径，该等式包括标量近似(scalar approximation)并且基于衍射理论。在该等式(1)中，L表示透镜的衍射级，λ表示光的波长，f表示透镜的焦距。而且，最大折射率变化Δn必须生成最大相位调制振幅

等式1

$\mathrm{Rmn}=\sqrt{\frac{2\mathrm{mnf\λ}}{L}+{\left(\frac{\mathrm{mn\λ}}{L}\right)}^2}---\left(1\right)$

在图4所示的简化横截面图中，表示了用于制造如图3所示的两级衍射微透镜的方法的实例。

在图4A中，利用公知的EB(电子束)气相沉积法，在DLC膜41上形成例如Ni导体层的导电层42。在该Ni导电层上形成抗蚀图案43，使其覆盖对应于图3中的n＝1的带状环区域Rmn(m＝1-3)。实施电镀以在抗蚀图案43的开口处形成金掩模44。

在图4B中，去除抗蚀图案43，并且留下金掩模44。然后通过该金掩模44的开口向DLC膜41施加能量射束45。因此，暴露于能量射束45的带状环区域Rm1(图中的区域41a)的折射率增大，而未暴露于能量射束45的带状环区域Rm2(图中的区域41b)保持DLC膜的初始折射率。因此，获得了如图3所示的两级衍射微透镜。在能量射束曝光之后，通过在基于氰的蚀刻溶液中在室温下浸没几分钟，来溶解并去除该金掩模。

在图4所示的实例中，直接在DLC膜上形成掩模层，但是还可以如图8A所示，利用其中独立的掩模开口和遮蔽部分反转的掩模向DLC膜施加能量射束。基于此，如图8B所示，能够看出如何利用其中独立的掩模开口和遮蔽部分反转的掩模，通过向DLC膜施加能量射束来形成四级衍射微透镜。还可以理解，在这种情况下，这种通过能量射束使DLC膜曝光来形成衍射微透镜的方法比图7所示的用于制造浮凸微透镜的方法简单得多。

此外，作为如图2D所示的刻印模的替代，还可以利用具有诸如图7F所示的形状的刻印模，在DLC膜上刻印金掩模层。通过刻印的金掩模层施加能量射束，能够通过施加一次能量射束来制造多级衍射微透镜。

此外，在衍射微透镜的以上实施例中，该衍射微透镜对应于球形凸面折射透镜，但是本发明还能够用于对应于圆柱凸面折射透镜的衍射微透镜。在这种情况下，能够使用具有渐变折射率的多个平行带状区域，来取代具有渐变折射率的多个同心带状环区域。例如，在图3B中的横截面图中，具有渐变折射率的多个平行带状区域垂直于附图平面延伸。而且，在这种情况下，金掩模44也能够垂直于纸面延伸。

工业实用性

本发明提供了一种平面型微透镜，其简单并且成本低，能够以机械方面和热方面稳定的方式用于各种光学领域中。而且，因为本发明的衍射微透镜是渐变折射率微透镜，所以其具有不同于常规浮凸微透镜的平坦表面。这样便可以容易地涂敷抗反射涂层，还可以防止透镜功能降低，这是因为灰尘不会粘附到透镜表面上的缘故。此外，因为能够在不同类型的基板表面上形成DLC膜，所以本发明的微透镜能够与其它光学部件一体地形成。

Claims (6)

1.一种平面型微透镜，其中：

所述微透镜是利用透光DLC膜形成的；

所述DLC膜包括具有渐变折射率的区域；并且

当光束通过所述具有渐变折射率的区域时，所述光束聚焦，

具有较高折射率的折射透镜区域形成在所述DLC膜上，从而与各所述微透镜相对应；

所述折射透镜区域是完全贯通所述DLC膜的带状区域；并且

越接近通过所述带状区域的宽度方向中点且垂直于所述DLC膜并平行于所述DLC膜厚度方向的平面，折射率越高。

2.根据权利要求1所述的平面型微透镜，其中：所述微透镜对于波长在0.4微米到2.0微米范围内的光能够起到透镜作用。

3.一种用于制造根据权利要求1到2中任一项所述的平面型微透镜的方法，其中：利用等离子CVD形成所述DLC膜。

4.根据权利要求3所述的用于制造平面型微透镜的方法，其中：

通过向所述DLC膜施加能量射束以提高折射率，从而能够在所述DLC膜中形成具有较高折射率的区域。

5.根据权利要求4所述的用于制造平面型微透镜的方法，其中：

所述施加能量射束包括紫外线照射、X射线照射、同步加速器辐射、离子束照射以及电子束照射。

6.根据权利要求4或5所述的用于制造平面型微透镜的方法，其中：

通过施加能量射束同时在单一DLC膜上形成以阵列设置的多个微透镜。

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