CN110531450A - 微透镜单元及其制作方法、微透镜光学组件 - Google Patents

微透镜单元及其制作方法、微透镜光学组件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微透镜单元及其制作方法、微透镜光学组件，微透镜单元，包括：基板、位于所述基板上同一侧的导电膜层和第一焊盘、位于所述导电膜层上的微透镜阵列，所述第一焊盘与所述导电膜层电连接，所述微透镜阵列暴露出所述第一焊盘。微透镜阵列、导电膜层和第一焊盘均位于所述基板的同一侧，且微透镜阵列形成在导电膜层上，所述微透镜阵列暴露出(不覆盖)所述第一焊盘，导电膜层用于检测微透镜破损的同时，微透镜单元结构紧凑，体积小。

Description

微透镜单元及其制作方法、微透镜光学组件
技术领域
本发明属于光学及电子技术领域，具体涉及微透镜单元及其制作方法、微透镜光学组件。
背景技术
微透镜列阵是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的列阵，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。当前随着现代技术的发展，人们要求光学元件小型化、集成化，微透镜阵列作为新一代光学元件在光学领域里得到了广泛的应用。
垂直腔面发射激光器(VCSEL)通过谐振效应，使光的能量放大最终形成激光。垂直腔面发射激光器(VCSEL)发射的激光具有光束集中、发散角小的特点。微透镜单元包括微透镜列阵，VCSEL与微透镜单元搭配使用，微透镜单元将VCSEL发出的激光(集中的光束)变为均匀的面型光。实际使用中，微透镜单元存在破损的情况，微透镜单元一旦破损，VCSEL发射的激光(具有较高能量)将从微透镜单元的破损处直接射出，存在安全风险(例如激光摄入人眼等)，因此亟需设计合适的微透镜单元，能检测微透镜单元破损的同时，不增大微透镜单元的体积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微透镜单元及其制作方法、微透镜光学组件，能检测微透镜单元破损的同时，不增大微透镜单元的体积。
为了实现上述目的，本发明提供了一种微透镜单元，包括：
基板、位于所述基板上同一侧的导电膜层和第一焊盘、位于所述导电膜层上的微透镜阵列，所述第一焊盘与所述导电膜层电连接，所述微透镜阵列暴露出所述第一焊盘。
进一步的，所述导电膜层包括：ITO，所述基板的材质为玻璃。
进一步的，所述第一焊盘位于所述导电膜层的两侧。
进一步的，所述微透镜阵列相对的两个面中，一个面为平面，另一个面为阵列球状。
本发明还提供了一种微透镜单元的制作方法，包括：
提供镜头模具，所述镜头模具的压印侧上形成多个与微透镜形状匹配的间隔分布的图形阵列；
提供基板，所述基板上形成多个间隔分布的导电膜层，所述导电膜层与所述图形阵列对应分布；
在所述镜头模具的压印侧涂敷胶体；
将所述镜头模具和所述基板压合，并固化所述胶体；
将所述镜头模具从所述胶体上分离；
形成第一焊盘，所述第一焊盘位于所述基板上且与所述导电膜层电连接。
进一步的，微透镜单元的制作方法采用晶圆级制备方法，所述镜头模具为圆级镜头模具，所述基板为晶圆级基板。
进一步的，所述镜头模具的材质包括：UV胶或PDMS。
进一步的，图形阵列包括：凹陷阵列或凸起阵列。
本发明还提供了一种微透镜光学组件，包括：
微透镜单元；
垂直腔面发射激光器；
所述微透镜阵列具有阵列球状光学表面，所述阵列球状光学表面面向所述垂直腔面发射激光器的出光口；
所述垂直腔面发射激光器通过所述第一焊盘与所述导电膜层电连接。
进一步的，还包括：底板和支架，所述垂直腔面发射激光器固定在所述底板上，所述微透镜单元固定在所述支架上，所述底板上位于所述垂直腔面发射激光器的两侧分布有第二焊盘，所述垂直腔面发射激光器与所述导电膜层通过所述第二焊盘和所述第一焊盘电连接。
与现有技术相比，本发明提供的提供一种微透镜单元及其制作方法、微透镜光学组件，微透镜阵列、导电膜层和第一焊盘均位于所述基板的同一侧，且微透镜阵列形成在导电膜层上，所述微透镜阵列暴露出(不覆盖)所述第一焊盘，导电膜层用于检测微透镜破损的同时，微透镜单元结构紧凑，体积小。
附图说明
图1为一种微透镜光学组件的剖面结构示意图；
图2为另一种微透镜光学组件的剖面结构示意图；
图3为本发明实施例的微透镜单元的剖面结构示意图；
图4为本发明实施例的微透镜单元的制作方法流程示意图；
图5至图12为本发明实施例的微透镜单元的制作方法各步骤示意图；
图13为本发明实施例的微透镜单元的俯视图；
图14为本发明实施例的微透镜光学组件的剖面结构示意图。
其中，附图标记如下：
01-基板；02-导电膜层；03-微透镜阵列；04-第一焊盘；
05-基板；06-导电膜层；08-微透镜阵列；07-第一焊盘；
11-基板；12-导电膜层；13-微透镜阵列；14-第一焊盘；15-镜头模具；16-钢圈；17-遮挡部；18-图形阵列；20-垂直腔面发射激光器(VCSEL)；21-第二焊盘；30-底板；40-支架；A-胶体；B-豁口。
具体实施方式
如背景技术所述亟需设计合适的微透镜单元，以便于检测微透镜破损的同时，不增大微透镜单元的体积。
图1为一种微透镜光学组件的剖面结构示意图；如图1所示，发明人尝试设计一种微透镜单元及微透镜光学组件，微透镜光学组件包括微透镜单元、VCSEL20、底板30和支架40，所述VCSEL20安装固定在所述底板30上，微透镜单元配置在支架40上，微透镜单元包括：基板01、位于所述基板01上的导电膜层02和第一焊盘04、覆盖所述导电膜层02和所述第一焊盘04的微透镜阵列03，所述第一焊盘04与所述导电膜层02电连接。所述底板30上位于所述VCSEL20的两侧分布有第二焊盘21，所述VCSEL20需与导电膜层02通过两侧的第二焊盘21、第一焊盘04连接构成电学通路，以检测所述微透镜单元是否破损。所述微透镜单元破损时，例如出现依次贯穿微透镜阵列03、导电膜层02和基板01的破洞，此时导电膜层02由于破洞的存在，导致所述VCSEL20与导电膜层12构成电学通路中，电阻发生变化，通过电阻的变化来检测所述微透镜单元是否破损。
微透镜阵列03采用高分子膜层复制法成型工艺制成，高分子膜层复制法由于整层完全覆盖基板01，不方便图形化，导致第一焊盘04被微透镜阵列03覆盖，从而不方便第一焊盘04引出或探测，中断了第一焊盘04和第二焊盘21的连接通路。
图2为另一种微透镜光学组件的剖面结构示意图；基于高分子膜层复制法形成的微透镜阵列03不方便第一焊盘04引出或探测，于是发明人又尝试另一种微透镜单元及微透镜光学组件，在基板的一侧制作微透镜阵列，在基板的另一侧制作导电膜层和第一焊盘。如图2所示，微透镜单元包括：基板05、所述基板05的一侧形成微透镜阵列08、所述基板05的另一侧形成导电膜层06和所述第一焊盘07，所述第一焊盘07与所述导电膜层06电连接，所述第一焊盘07与第二焊盘21电连接，VCSEL20与导电膜层06通过两侧的第二焊盘21、第一焊盘07连接构成电学通路，以检测微透镜单元是否破损。微透镜单元的底部和顶部固定在支架40上。此种微透镜单元及微透镜光学组件倒是实现了第二焊盘21与第一焊盘07的连接，但是微透镜阵列03与第一焊盘07(或导电膜层06)分别在基板05的两侧，微透镜单元的体积增大，相应的封装微透镜单元的体积以及微透镜光学组件的体积均较大，不能满足现在产品日益小型化的要求。
基于上述研究，本发明提供一种微透镜单元及其制作方法、微透镜光学组件。以下结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明实施例提供一种微透镜单元，如图3所示，微透镜单元10包括：基板11、位于所述基板11上同一侧的导电膜层12和第一焊盘14、位于所述导电膜层12上的微透镜阵列13，所述第一焊盘14与所述导电膜层12电连接，所述微透镜阵列13暴露出(不覆盖)所述第一焊盘14。
具体的，所述导电膜层12例如为ITO(氧化铟锡)薄膜，所述基板11的材质例如为玻璃，所述导电膜层13的两侧均分布有所述第一焊盘14，所述微透镜阵列13相对的两个面中，一个面为平面，另一个面为阵列球状。
微透镜阵列13、导电膜层12和第一焊盘14均位于所述基板11的同一侧，且微透镜阵列13形成在导电膜层12上，所述微透镜阵列13暴露出(不覆盖)所述第一焊盘14，导电膜层12用于检测微透镜破损的同时，微透镜单元结构紧凑，体积小。
本发明实施例还提供一种微透镜单元的制作方法，如图4所示，包括：
提供镜头模具，所述镜头模具的压印侧上形成多个与微透镜形状匹配的间隔分布的图形阵列；
提供基板，所述基板上形成多个间隔分布的导电膜层，所述导电膜层与所述图形阵列对应分布；
在所述镜头模具的压印侧涂敷胶体；
将所述镜头模具和所述基板压合，并固化所述胶体；
将所述镜头模具从所述胶体上分离；
形成第一焊盘，所述第一焊盘位于所述基板上且与所述导电膜层电连接。
具体的，微透镜单元的制作方法可采用晶圆级制备方法，所述镜头模具为圆级镜头模具，所述基板为晶圆级基板。具体步骤如下：
提供晶圆级镜头模具，所述晶圆级镜头模具的压印侧上形成多个与微透镜形状匹配的间隔分布的图形阵列；
提供晶圆级基板，所述晶圆级基板上形成多个间隔分布的导电膜层，所述导电膜层与所述图形阵列对应分布；
在所述晶圆级镜头模具的压印侧涂敷胶体；
将所述晶圆级镜头模具和所述晶圆级基板压合，并固化所述胶体；
将所述晶圆级镜头模具从所述胶体上分离；
形成第一焊盘，所述第一焊盘位于所述基板上且与所述导电膜层电连接，得到晶圆级微透镜单元；
将所述晶圆级微透镜单元切割得到单个的微透镜单元(芯片级)。
晶圆级微透镜单元为晶圆级光学元件(WLO)，采用晶圆级镜头制造技术和工艺，可用半导体工艺批量复制加工镜头，多个镜头晶圆压合在一起，然后切割成单颗镜头，体积小、成本低、可利用半导体工艺大规模生产的优势，且在晶圆级实现了光学元件集成，满足商业级及消费级应用对于成本、体积和生产规模的要求。
下面结合图5至图12详细介绍本发明实施例的微透镜单元的制作方法。
如图5所示，提供镜头模具15，所述镜头模具15的压印侧上形成多个与微透镜形状匹配的间隔分布的图形阵列18；可通过机械加工形成所述图形阵列18。所述镜头模具15的材质可为UV胶或PDMS。采用UV胶形成的镜头模具15硬度较高，可保持较好的微透镜面形精度。UV(Ultraviolet Rays)胶又称光敏胶、紫外光固化胶，是一种必须通过紫外线光照射才能固化的胶，固化原理是UV固化材料中的光引发剂(或光敏剂)在紫外线的照射下吸收紫外光后产生活性自由基或阳离子，引发单体聚合、交联化学反应，UV胶在数秒钟内由液态转化为固态。PDMS(聚二甲基硅氧烷，polydimethylsiloxane)，是有机硅的一种，其成本低，使用简单，具有良好的化学惰性的聚合物材料。
可在所述图形阵列18中涂覆脱膜剂，以便于后续脱膜。具体的，所述镜头模具15的与压印侧相对的一侧设置有钢圈16，钢圈16上设置有间隔分布的遮挡部17，相邻的遮挡部17之间即未遮挡部分在纵向上与图形阵列18对应。图形阵列18可为凹陷阵列或凸起阵列，对图形阵列18的具体形状不作限制，图形阵列18的形状根据要形成的微透镜的形状匹配即可。
如图6所示，提供基板11，所述基板11上形成多个间隔分布的导电膜层12，所述导电膜层12与所述图形阵列18对应分布。所述基板11例如为玻璃基板，所述导电膜层12包括：ITO。
如图7所示，在所述镜头模具15的压印侧涂敷胶体A；所述胶体A的材质可为UV胶。具体的，可在每个图形阵列处点胶，也可在压印侧中心区域集中涂敷胶体。可使用点胶机点胶，具体点胶量可根据要形成的微透镜单元的大小匹配设置。
如图8和图9所示，将所述镜头模具15和所述基板11压合，并固化位于所述图形阵列与所述导电膜层12之间的所述胶体。可采用紫外光照射固化所述胶体，具体的紫外光(UV光)从相邻的遮挡部17之间(未遮挡部分)照射至胶体A，UV光照射到的胶体A固化后形成微透镜阵列13，将所述镜头模具15从所述胶体上分离。
如图9和图10所示，除去相邻的所述微透镜阵列13之间的未固化的胶体(没有照射到UV光的胶体)。
如图11所示，形成第一焊盘14，所述第一焊盘14位于所述基板11上，具体的，可在每个所述导电膜层12的两侧均形成所述第一焊盘14，所述第一焊盘14与所述导电膜层12电连接。
如图12所示，切割所述基板11，形成多个独立的微透镜单元。根据工艺要求对所述微透镜阵列13的镜头进行形貌,位置和發射光場角测量，可使用具有测量功能的显微镜和近红外光学特性检测仪进行测量。
图13为本发明实施例的微透镜单元的俯视图，如图13所示，图中示出了两种结构的微透镜单元的俯视图。俯视方向看微透镜单元周边形成不同形状的豁口B，结合图10和11所示，豁口B为俯视方向看在基板11上没有形成微透镜阵列13的地方，如此一来，在豁口B处可制作第一焊盘14，可根据第一焊盘14在俯视方向的位置对应制作出各式形状的豁口B的设计。豁口B通过将没有照射到UV光的胶体部分去除后得到。
采用本发明实施例的微透镜单元的制作方法形成的微透镜单元，在回流焊模拟测试(260℃)及高低温温度循环TC200次(-40C/+85℃)测试后光场角(FOI)及外观无明显的变化,也没有发现微透镜阵列与基板分层(剥离)的现象，满足产品可靠性实验要求，提高微透镜单元的使用寿命。
镜头模具的图形阵列通过机械加工即可实现，成本低、制作快，比复杂且高成本的光刻工艺或激光直写工艺有较经济的优势。
采用晶圆级制备方法，通过晶圆级镜头模具和晶圆级基板将数千颗孤岛型微透镜阵列制作在导电膜层上，且暴露出(不覆盖)所述第一焊盘，突破高分子膜层复制法制作微透镜阵列的局限(高分子膜层复制法由于整层完全覆盖基板，不方便图形化，导致第一焊盘被微透镜阵列覆盖，从而不方便第一焊盘引出或探测)。微透镜阵列可根据第一焊盘位置制作出各式形状豁口B结构的设计。
本发明实施例还提供一种微透镜光学组件，如图14所示，包括：
微透镜单元，所述微透镜单元包括：基板11、位于所述基板11上同一侧的导电膜层12和第一焊盘14、位于所述导电膜层12上的微透镜阵列13，所述第一焊盘14与所述导电膜层12电连接，所述微透镜阵列13暴露出(不覆盖)所述第一焊盘14。
垂直腔面发射激光器(VCSEL)20；
所述微透镜阵列13具有球状光学表面，所述球状光学表面面向所述垂直腔面发射激光器20的出光口；
所述垂直腔面发射激光器20通过所述第一焊盘14与所述导电膜层12电连接。
具体的，微透镜光学组件还包括底板30和支架40，所述VCSEL20安装固定在所述底板30上，所述微透镜单元的基板11配置在所述支架40上，使所述微透镜阵列13的球状光学表面面向所述VCSEL20的出光口，所述微透镜阵列13用于接收并发散所述VCSEL20发射的光束。微透镜单元将VCSEL20发出的激光(集中的光束)变为均匀的面型光。所述底板30上位于所述VCSEL20的两侧分布有第二焊盘21，所述VCSEL20与导电膜层12通过两侧的第二焊盘21、第一焊盘14电连接构成电学通路，以检测所述微透镜单元是否破损。所述微透镜单元破损时，例如出现依次贯穿微透镜阵列13、导电膜层12和基板11的破洞，此时导电膜层12由于破洞的存在自身电阻发生变化，导致所述VCSEL20与导电膜层12构成电学通路中，电阻发生变化，通过电阻的变化来检测所述微透镜单元是否破损。
本发明实施例的微透镜光学组件可用于TOF产品。TOF(Time of Flight，飞行时间)，所谓飞行时间法3D成像，是通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离其实是一种深度信息测量方案，垂直腔面发射激光器(VCSEL)20向外发送激光脉冲，所述微透镜阵列13用于接收并发散所述VCSEL20发射的光束。微透镜单元将VCSEL20发出的激光(集中的光束)变为均匀的面型光。面型光遇到被测物体后反射，并被接收模组接收，通过记录激光脉冲从发射到被接收的时间，计算出被照物体深度信息。TOF已经被广泛应用在测绘、物流、无人驾驶等多个工业领域。TOF对环境光线的适应能力更强，识别距离可以达到10m，响应时间也更快，而且工艺难度也相对低，在人脸识别方案中也可广泛应用。
综上所述，本发明提供的提供一种微透镜单元及其制作方法、微透镜光学组件，微透镜阵列、导电膜层和第一焊盘均位于所述基板的同一侧，且微透镜阵列形成在导电膜层上，所述微透镜阵列暴露出(不覆盖)所述第一焊盘，导电膜层用于检测微透镜破损的同时，微透镜单元结构紧凑，体积小。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的器件相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见器件部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种微透镜单元，其特征在于，包括：
基板、位于所述基板上同一侧的导电膜层和第一焊盘、位于所述导电膜层上的微透镜阵列，所述第一焊盘与所述导电膜层电连接，所述微透镜阵列暴露出所述第一焊盘。
2.如权利要求1所述的微透镜单元，其特征在于，所述导电膜层包括：ITO，所述基板的材质为玻璃。
3.如权利要求1所述的微透镜单元，其特征在于，所述第一焊盘位于所述导电膜层的两侧。
4.如权利要求1所述的微透镜单元，其特征在于，所述微透镜阵列相对的两个面中，一个面为平面，另一个面为阵列球状。
5.一种微透镜单元的制作方法，其特征在于，包括：
提供镜头模具，所述镜头模具的压印侧上形成多个与微透镜形状匹配的间隔分布的图形阵列；
提供基板，所述基板上形成多个间隔分布的导电膜层，所述导电膜层与所述图形阵列对应分布；
在所述镜头模具的压印侧涂敷胶体；
将所述镜头模具和所述基板压合，并固化所述胶体；
将所述镜头模具从所述胶体上分离；
形成第一焊盘，所述第一焊盘位于所述基板上且与所述导电膜层电连接。
6.如权利要求5所述的微透镜单元的制作方法，其特征在于，采用晶圆级制备方法，所述镜头模具为圆级镜头模具，所述基板为晶圆级基板。
7.如权利要求5或6所述的微透镜单元的制作方法，其特征在于，所述镜头模具的材质包括：UV胶或PDMS。
8.如权利要求5或6所述的微透镜单元的制作方法，其特征在于，图形阵列包括：凹陷阵列或凸起阵列。
9.一种微透镜光学组件，其特征在于，包括：
权利要求1至4任意一项所述的微透镜单元；
垂直腔面发射激光器；
所述微透镜阵列具有阵列球状光学表面，所述阵列球状光学表面面向所述垂直腔面发射激光器的出光口；
所述垂直腔面发射激光器通过所述第一焊盘与所述导电膜层电连接。
10.如权利要求9所述的微透镜光学组件，其特征在于，还包括：底板和支架，所述垂直腔面发射激光器固定在所述底板上，所述微透镜单元固定在所述支架上，所述底板上位于所述垂直腔面发射激光器的两侧分布有第二焊盘，所述垂直腔面发射激光器与所述导电膜层通过所述第二焊盘和所述第一焊盘电连接。
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