CN104364069A - 用于制造多个微透镜的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于由透镜材料制造多个微透镜(10)的方法，其具有下列步骤，尤其具有下列流程:-将以流体形式的为压印微透镜(10)设置的透镜材料，尤其可硬化的流体(2)，优选聚合物，涂覆在多个在第一压模(3)的第一压印侧(3o)上分布的第一透镜模型(5)用于压印微透镜(10)，-第一压模(3)和基本上平行，即在XY平面上，并且相对第一压模(3)布置的第二压模(4)在基本上垂直于XY平面延伸的Z方向上的对彼此的运动，-通过成型并且硬化透镜材料压印微透镜(10)，其中成型通过第一和第二压印侧(3o，4o)的对彼此的运动直至到在Z方向上透镜材料的厚度D1来实现，其特征在于，每个微透镜(10)的透镜材料至少在硬化期间由每个在XY平面中相邻的微透镜(10)的透镜材料分离。此外本发明涉及相应的设备。

Description

用于制造多个微透镜的方法和设备
本发明涉及根据权利要求1所述的用于由透镜材料制造多个微透镜的方法。此外本发明涉及根据权利要求8所述的用于由透镜材料制造多个微透镜的设备。
微透镜首先可应用于需要光学聚焦装置的装置，例如移动电话的摄像头。由于微型化压印功能区域应该总是越来越小。微透镜要越进一步微型化，其光学正确制造就越难，因为同时存在理想方式在批量制作的要制造的微透镜的巨大成本压力。在现有技术中载体衬底上微透镜通过不同制造方法产生，例如US 6846137Bl，US 5324623，US 5853960和US 5871888中所示。所有所提及的方法共同的是，原理相关地需要某个厚度并且穿过微透镜的光不仅必需经过透镜而且必需经过载体衬底。由于在同时较高亮度的情况下需要同时较高高质量和较高分辨率的要求（该较高亮度取决于此外沿光轴的光学元件（也就是光路）的数量和厚度），期望微透镜的进一步优化。
特别重要的是微透镜的不走样。这理解为，微透镜要是压模的准确负片。但是非常经常微透镜的不走样在微透镜的硬化过程期间不能保持，因为微透镜收缩并且因此压模和微透镜之间存在体积差。
好的微透镜的进一步重要的特性在于光轴。对于微透镜的准确光轴特别重要的是克服压模相对载体的推挤误差，因为在压印时存在推挤误差的情况下光轴不能准确地垂直于载体压印。
本发明任务在于，提出设备或者方法，用该设备或者方法，尤其在大量生产中可制造微透镜，该微透镜具有高生产准确性，尤其非常高的不走样性并且准确对齐的光轴。
这个任务权利要求1和8的特征来解决。本发明的有利扩展方案在从属权利要求中提出。由至少两个由说明书、权利要求书和/或附图提出的特征的整体组合也落在在本发明的范围中。在其提出的值范围的情况下还位于所述极限内的值应适合作为极限值公开并且可以以任意组合要求保护。
本发明的思想在于，多个在方法过程中制造的微透镜(微透镜场)同时压印并且硬化，但是单独微透镜空间上彼此分开硬化。以这种方式和方法可能的通过压印和硬化传输的误差限制在相应微透镜上，使得误差不累加。此外这导致正面结果:用于将微透镜彼此分离的分离步骤可以取消。这个分离在一定程度上系统相关地，尤其通过分离的涂覆或通过借助于压模空间分离实现。
微透镜的彼此分离也是根据本发明的，主动、力调整的压模控制的前提，其首先确保了所有微透镜的不走样。如果微透镜不彼此分离，在硬化微透镜和以此开始的收缩过程中材料在晶片的总长度上集中并且以此产生与位置相关不同的大收缩，该收缩至少不能在整个晶片上补偿。
如果确保，压模在硬化过程情况主动，也就是受控制地，继续压印过程，并且直到确保，其不再发生较小微透镜的形状变化（因为硬化过程完全结束），根据本发明可以维持不走样。
根据本发明设置下列方法步骤，尤其以下列实施的顺序:
-将以流体形式的为压印微透镜设置的透镜材料，尤其可硬化的流体，优选聚合物，涂覆到多个在第一压模的第一压印侧上分布的第一透镜模型用于压印微透镜，
-第一压模和基本上平行，即在XY平面中，并且相对第一压模布置的第二压模在基本上垂直于XY平面延伸的Z方向上对彼此的运动，
-容纳来自至少三个激发器的平均力值，该至少三个激发器在压印过程的开始在通过压印材料完全填充压模模型之后控制两个压模之一，
-硬化透镜材料并且同时通过另外的对彼此的运动再调整两个压模相对彼此的距离，使得在硬化的开始平均的力值在硬化过程期间彼此相同或至少更大，以便确保，透镜材料的可能的收缩通过压模的对彼此的运动无论如何补偿，
根据本发明的设备尤其具有下列特征:
-第一压模，具有在第一压模的压印侧上分布的第一透镜模型，
-第一容纳装置，用于在与压印侧背离的容纳侧上容纳第一压模，
-第二容纳装置，用于在其与其压印侧背离的容纳侧上容纳第二压模，
-涂覆工具，用于将以流体形式的为压印微透镜设置的透镜材料，尤其可硬化的流体，尤其聚合物，涂覆到第一透镜模型上，
-压印工具，用于通过成型并且硬化透镜材料压印微透镜，其中成型通过在Z方向上第一压模和第二压模的尤其直至透镜材料的厚度D1的对彼此的运动来实现，尤其通过用于第一(3)和第二压模(4)相对彼此的位置控制的工具实现，其中
设置测量工具用于测量在压印时的压印力，借助于压印力尤其至少在硬化期间尤其通过力控制，优选附加于位置控制影响压印。
压模在这个文献中理解为与硬化的流体相接触并且这相应地变形的元件。因此尤其是由Si，玻璃或每个任意其他材料组成的较简单平面晶片（仅在其未结构化时）还可以看作压模。
根据设备并且根据方法本发明尤其特征在于，每个微透镜的透镜材料至少在硬化期间与每个在XY平面上相邻的微透镜的透镜材料分离。XY平面尤其通过第一压印侧定义，其中XY平面的X方向垂直于XY平面的Y方向。
尤其通过对设备分配的，优选在其中集成的控制装置实现根据本发明描述的特征的控制。控制装置从根据设备设置的传感器或检测工具获取信号并且将相应控制或调节信号提供给设备的实施根据本发明的方法的器具。
集成的控制装置优选由位置调节器组成，位置调节器可以移动两个压模的至少一个，使得可实现对彼此的运动，也就是两个压模的相对移动。此外设置至少三个测力计，测力计如此安装在设备中，使得实现面压力的确定并且因此在两个压模之间的XY平面上的面力的确定。
力调节尤其如此实现，使得至少在硬化期间实现力调节，尤其附加于位置控制实现，其中压印力在硬化期间补偿地设计成透镜材料的收缩。这优选通过力调节如此起作用，使得压印力在硬化期间补偿不变或根据尤其位置有关和/或时间有关的控制而增加。
微透镜的模型一方面通过第一透镜模型并且另一方面通过根据本发明尤其可以具有第二透镜模型的第二压模确定。第一透镜模型尤其凸状或凹形弯曲，而第二压模尤其具有平坦压印面。透镜模型或者压模因此形成微透镜的负片。
根据本发明微透镜的透镜材料尤其从涂覆到硬化，优选在总的根据本发明的方法期间，对于每个微透镜单独布置。换句话说根据本发明微透镜的透镜材料尤其没有彼此的之间连接。
根据本发明的有利实施方式，根据设备和方法规定，在硬化期间，彼此实现两个压模的力控制和位置控制靠近，使得微透镜的可能收缩通过重印材料来补偿。
备选地或与所述实施方式共同地优选解决方案在于，在硬化期间和/或在压印期间实现在XY平面中第一压印侧相对第二压印侧的XY对齐。对此设备具有尤其具有调整台的容纳装置，该调整台设计成平移的并且附加地尤其压模彼此的旋转移动实施。
备选地或与所述实施方式共同地优选解决方案在于，在硬化前和/或在压印前推挤误差补偿通过用于平行地对齐压印侧的推挤误差补偿工具实现。推挤误差补偿工具产生多个微透镜的每个微透镜的光轴的准确并且可再生产，正好垂直的位置。
在低于压模的第一压印侧和第二压印侧之间的距离的确定值之后，尤其持续地可实现尤其推挤误差补偿或XY对齐或Z校正。然后根据本发明特别有利的是，对齐，校正和/或推挤误差补偿稍微在透镜晶片的压印或者硬化之前并且在硬化期间进行，因为在这个时间点两个位置相对压印侧之间的最少可能距离存在，使得尤其利用对压印侧刚性的位置检测装置，实现压印侧的位置的极其准确检测并且因此晶片和压模的位置的极其准确检测。通过检测压模或者相应压印侧彼此的位置推挤误差补偿工具以及XY对齐工具的准确控制成为可能。相应地在实现根据本发明的有利实施方式位置调节和/或力调节的成型时，这是特别有利的。根据本发明位置检测可以借助于电容和/或电感距离测量和/或光学装置（如干涉计）实现。
只要压模尤其在其压印侧上，优选至少在压模的周边边缘上，分别具有对应的对齐标记用于推挤误差补偿和/或XY对齐，可实现压印侧的位置的还更准确的检测并且通过尤其齐平地集成在压印侧中在压印侧上布置对齐标记，尽可能减小对齐标记之间的距离。由此位置检测的准确性通过根据本发明的检测工具（尤其光学元件形式的，优选显微镜）明显提高。
在此当透镜材料对于电磁波束，尤其对于光透明，使得在对齐期间位置检测通过透镜材料实现时特别有利，其中标记在透镜下设置。这在下面称为液体中对齐并且通过这个方法产生尤其关于流体的折射指数作为乘数放大的根据本发明设置的位置检测工具（尤其是用于检测压模的压印侧或者对齐标记的位置的光学元件）的焦深范围。
结果是这特别有利的是，在设置光学位置检测工具，尤其光学元件用于推挤误差补偿和/或用于XY对齐和/或用于Z校正，其中在推挤误差补偿和/或XY对齐和/或Z校正期间不但第一压模的压印侧或其对齐标记而且第二压模的压印侧或其对齐标记，尤其同时地，在尤其对压模刚性的光学位置检测工具的焦深范围中布置。在此根据本发明不再需要，位置检测工具在位置检测期间或者在对齐并且成型期间移动，使得位置检测工具自身不对第一压模到第二压模的相对位置具有影响并且因此排除附加的误差源。在现有技术中问题在于，必须使用具有较大焦深范围的刚性位置检测工具或具有较小焦深范围的运动位置检测工具.这个困境通过根据本发明的方法消除。
在在位置检测期间在Z方向上第一压模的压印侧(或对齐标记)和第二压模的压印侧(或对齐标记)之间的距离大于0并且同时小于在Z方向上的焦深范围的时候，改善或提高检测精度。
有利地根据本发明的另一扩展方案根据设备和/或方法规定，透镜材料的涂覆通过液滴涂覆实现。对此根据设备设置液滴涂覆工具，尤其滴分配器。用这样的液滴涂覆工具可以控制每个微透镜的透镜材料的相应数量的准确计量。控制尤其通过控制装置实现。
微透镜场的每个微透镜的透镜材料的分开根据本发明的另一有利实施方式实现，其方式为设置至少部分，尤其完全，包围第一透镜模型的自由空间用于在硬化时分离相邻微透镜的透镜材料。因此微透镜的透镜材料至少大多数，优选完全，空间上彼此分开。
只要根据本发明微透镜在硬化期间的收缩，尤其通过推挤误差补偿工具和/或XY对齐工具和/或通过Z校正和/或位置检测工具，来补偿，微透镜的精度再次明显提高。
此外作为独立本发明设置通过根据本发明的设备和/或根据本发明的方法生产的微透镜场，其包括下列特征:
具有多个从第二压模压印并且硬化的微透镜的尤其设计为平坦衬底（优选晶片）的第二压模，微透镜彼此分开地在第二压模上布置。
尤其第二压模，尤其在压印侧上，优选至少在第二压模的周边边缘上具有对齐标记用于推挤误差补偿和/或用于XY对齐和/或用于Z校正。
优选两个压模之一和压印材料之间的附着力比到其他压模更大。因此确保，在通过除去压模的透镜的出模的情况下，微透镜仅在压模上半保留。有利地停留在微透镜上的压模是下压模。
在变形后透镜的再处理可以以不同方式实现。
可想到并且优选的可能性为使用临时载体作为下压模，在下压模上传输透镜，以便在稍后的过程中取走。
例如可使用弹抛片粘合器（Flip-Chip-Bonder），以便容纳透镜并且放置在其他晶片上。透镜可以相应地堆叠，设置有孔径等等。
另一可能性在于，透明晶片作为下压模使用，在下压模上微透镜永久停留。在另一步骤中单独部分区域的分割可以实现以便得到多个具有相应“骨干”基础的单独微透镜。
根据方法公开的特征应还适合作为根据设备公开并且反之亦然。
本发明的其他优点，特征并且细节从优选实施例的下面描述以及根据附图得出。这在下列示出;
图la:示出用于制造根据本发明的微透镜场的根据本发明的微透镜在涂覆透镜材料的第一根据本发明的方法步骤中根据本发明的设备的示意性切割的侧视图，
图lb:示出借助于根据本发明的位置检测工具的XY对齐的根据本发明的方法步骤的示意性表示，
图lc:示出通过压印工具压印的根据本发明的方法步骤的示意性表示，
图1d:示出通过硬化工具硬化的根据本发明的方法步骤的示意性表示以及
图le:示出根据本发明压印并且硬化的微透镜场的示意性表示。
在附图中根据本发明的实施方式本发明的优点和特征用这些分别标识的附图标记表征，其中具有相同或相同作用的功能的部件或者特征用相同附图标记表征。
图la到le示出根据用于由透镜材料即可硬化的流体2，在这种情况下为聚合物制造多个微透镜10的本发明的实施方式(见图le)的根据本发明的方法流程。
图la示出第一压模3，第一压模容纳在在未示出的用于容纳第一压模3在与压印侧3o相背的容纳侧3a的第一容纳装置。容纳装置的运动和因此还有第一压模3的运动通过未示出的控制装置控制。
容纳侧3a在图la中示出的，涂覆为压印微透镜10设置的可硬化的流体2的第一方法步骤的情况下指向上布置，因此可硬化流体2的涂覆可借助于液滴分配器1通过可硬化的流体2的重量实现。
涂覆以流体、未硬化的形式在多个在第一压印侧3o上分别的第一透镜模型5上实现。第一透镜模型5的压印面5o在示出的实施例的情况下凹形作为要制造的微透镜10的负片成型。可硬化流体2的涂覆对于每个要制造的微透镜10分开地在相应第一透镜模型5上借助于液滴分配器1实现。这通过控制装置控制并且将准确数量的可硬化的流体2涂覆到每个第一透镜模型5上。
紧接着下面，图1b中示出方法步骤中第一压模3 180度旋转(翻转)，使得容纳侧3a向上指。这可例如借助于机器人臂实现，其尤其还用作容纳装置。根据本发明还可设想，压模3不旋转并且压模4从上侧接近。
第一压模3与第二压模4的向上指的第二压印侧4o相对布置并且借助于第一压模3的对应第一对齐标记6，6'以及第二压模4的第二对齐标记7，7'对齐。
对齐标记6，6'，7，7'优选分别位于第一和第二压模3，4的周边边缘3u，4u上，优选在通过透镜模型5遮盖的区域外部。
对此设置第二显微镜8，9形式的检测工具以及用于相对第二压模4对齐第一压模3的对齐工具。对齐工具能够在X方向，Y方向和旋转方向以及其相对水平平面(XY平面)的角位置对齐第一压模3和/或第二压模4。角位置的对齐尤其通过推挤误差补偿工具实现，推挤误差补偿工具负责压印侧3o，4o的优选理想平行的对齐。推挤误差补偿工具以及XY对齐工具的控制通过控制装置实现，控制装置从检测工具并且可能另外的传感器获得关于第一压模3和第二压模4的相对和/或绝对位置的值。
第二压模4通过未示出的容纳装置容纳。第一和第二容纳装置可以设计成尤其作为具有固定第一和/或第二压模3或4的吸管的卡盘。第一和/或第二压模3，4可以尤其设计作为晶片，其中第二压模在示出的实施例中具有平面压印侧4o。根据本发明第二压印侧4o还可以具有第二透镜模型，第二透镜模型到第一压模3的第一透镜模型5的对应位置上布置。
接着实现在Z方向上第一压模3相对第二压模4的对彼此的运动。在对彼此的运动期间尤其持续发生另外XY对齐和/或推挤误差补偿。
实现直到可硬化的流体2的厚度D1的对彼此的运动，其中厚度的检测优选通过测量对应第一和第二对齐标记6，7或6'，7'之间的距离dA或在其中压模的表面4o，3o为平的其他合适位置上，实现(见图1c)。
在图ld示出的方法步骤中可硬化的流体2通过硬化工具(在此UV波束的形式)硬化，硬化工具穿过第一压模3和/或第二压模4。在硬化期间根据本发明实现力的测量并且两个压模彼此位置重调节，使得力保持相同或至少增加。
硬化可通过每种电磁辐射实现，尤其通过UV光实现。还可设想化学硬化或每个任意其他硬化方法。硬化方法大多取决于使用的材料并且为每个本领域技术人员所知。
除了XY对齐和推挤误差补偿以外根据本发明考虑至少在Z方向上可硬化的流体2的收缩，尤其附加地在X并且Y方向上的收缩并且调整微透镜10的厚度D2，由此微透镜10具有完美的光学特性并且没有因为收缩产生的凹点或缺陷处产生。
厚度D1和D2对应于尤其Z方向上透镜的最大厚度。
只要硬化实现，第一压模3从第二压模4解开并且根据本发明彼此分离的微透镜10留在第二压模4。根据本发明在硬化后的机械分离可取消。
分离尤其通过承载面5o之间的距离A实现，距离A如此测量，使得在图le示出的步骤中可硬化的流体2的压印并且硬化之后在压印并且硬化的微透镜10之间存在距离B。
因此在总方法流程期间在每个微透镜10的周边或者对于微透镜10分别设置的可硬化的流体2边设置自由空间11，自由空间中可硬化的流体2可在某个极限内扩展或收缩。因此微透镜10的对于光学元件重要的区域不因为相应变形受影响，使得微透镜10在可硬化的流体2的硬化之后至少在微透镜10的对于光学元件重要的中间区域中具有其中每个微透镜10的光轴完美在Z方向上对齐的最优模型。
附图标记列表
1    液滴分配器
2    可硬化的流体
3    第一压模
3a    容纳侧
3o    第一压印侧
3u    周边边缘
4    第二压模
4a    容纳侧
4o    第二压印侧
4u    周边边缘
5    第一透镜模型
5o   压印面
6，6'    第一对齐标记
7，7'    第二对齐标记
8   显微镜
9   显微镜
10   微透镜
11   自由空间 
A    距离
B   距离
D1   (最大)厚度
D2   (最大)厚度
X   X方向
Y   Y方向
Z   Z方向

Claims (14)

1. 用于由透镜材料制造多个微透镜(10)的方法，具有下列步骤，尤其具有下列流程:
-将以流体形式的设置用于压印所述微透镜(10)的透镜材料，尤其是可硬化的流体(2)，优选聚合物，涂覆在多个在第一压模(3)的第一压印侧(3o)上分布的第一透镜模型(5)上用于压印所述微透镜(10)，
-所述第一压模(3)和基本上平行，即在XY平面上，并且相对所述第一压模(3)布置的第二压模(4)在基本上垂直于XY平面延伸的Z方向上，尤其通过位置控制的对彼此的运动，
-通过成型并且硬化透镜材料来压印所述微透镜(10)，其中所述成型通过第一和第二压印侧(3o，4o)的对彼此的运动实现，
其特征在于，在压印时测量压印力，借助于所述压印力可尤其至少在硬化期间，尤其通过力控制，优选附加于位置控制来影响压印。
2. 如权利要求1所述的方法，其中每个微透镜(10)的透镜材料至少在硬化期间与每个在XY平面上相邻的微透镜(10)的透镜材料分离。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中在硬化期间和/或在压印期间实现在XY平面上所述第一压印侧(3o)相对所述第二压印侧(4o)的XY对齐。
4. 如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一压模(3)和所述第二压模(4)，尤其在其压印侧(3o，4o)上，优选至少在其周边边缘(3u，4u)上，分别具有彼此对应的对齐标记(6，6'，7，7')用于推挤误差补偿和/或用于XY对齐。
5. 如上述权利要求中任一项所述的方法，其中透镜材料的涂覆通过液滴涂覆实现。
6. 如上述权利要求中任一项所述的方法，其中在硬化时设置至少部分，尤其完全，包围第一透镜模型(5)的自由空间(11)用于分离相邻微透镜(10)的透镜材料。
7. 如上述权利要求中任一项所述的方法，其中在硬化期间补偿所述微透镜(10)的收缩。
8. 用于由透镜材料制造多个微透镜(10)的设备，具有:
-第一压模(3)，具有在第一压模(3)的压印侧(3o)上分布的第一透镜模型(5)，
-第一容纳装置，用于在与压印侧(3o)相背的容纳侧(3a)上容纳第一压模(3)，
-第二容纳装置，用于在其与其压印侧(4o)相背的容纳侧(4a)上容纳第二压模(4)，
-涂覆工具，用于将以流体形式的为压印所述微透镜(10)设置的透镜材料，尤其是可硬化的流体(3)，尤其是聚合物，涂覆到第一透镜模型(5)上，
-压印工具，用于通过成型并且硬化透镜材料来压印微透镜，其中所述成型通过所述第一压模(3)和第二压模(4)在Z方向上的对彼此的运动实现，尤其通过用于所述第一(3)和第二压模(4)相对彼此的位置控制的工具进行，
其特征在于，
设置测量工具用于在压印时测量压印力，借助于所述压印力尤其至少在硬化期间尤其通过力控制，优选附加于位置控制来影响压印。
9. 如权利要求8所述的设备，其如此设计，使得每个微透镜(10)的透镜材料可通过涂覆工具如此涂覆，使得其至少在硬化期间与每个在XY平面上相邻的微透镜(10)的透镜材料分开。
10. 如权利要求8或9所述的设备，其如此设计，使得通过所述设备的XY对齐工具在硬化期间和/或在压印期间可实施在XY平面上第一压印侧(3o)相对第二压印侧(4o)的XY对齐。
11. 如权利要求8-10中至少一项所述的设备，其如此设计，使得在所述第一压模(3)中，尤其在所述第一压印侧(3o)上，优选至少在所述第一压模(3)的周边边缘(3u)上，设置第一对齐标记(6，6')用于推挤误差补偿和/或用于XY对齐，与第二压模(4)的第二对齐标记(7，7')对应地布置所述第一对齐标记。
12. 如权利要求8-11中至少一项所述的设备，其中所述涂覆工具设计作为液滴涂覆工具，尤其是液滴分配器(1)。
13. 如权利要求8-12中至少一项所述的设备，其中所述设备具有至少部分，尤其完全，包围第一透镜模型(5)的自由空间(11)用于在硬化时分离相邻微透镜(10)的透镜材料。
14. 如权利要求8-13中至少一项所述的设备，其中所述设备具有补偿工具用于补偿微透镜(10)在硬化期间的收缩。
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