CN111830605A - 具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片 - Google Patents

具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片 Download PDF

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Abstract

一种具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，包含：一光学镜片，为一体材质，并具有一表面及相反面之一曲面，并以激光诱发光学镜片的曲面，使光学镜片的曲面形成一激光诱发周期表面微结构，激光诱发周期表面微结构的结构排列及结构尺寸，结构排列为多个结构体呈现周期性排列，结构尺寸为各结构体之间隔在50nm～1000nm及高度在50nm～500nm。

Description

具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片
技术领域
本发明是有关一种具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，尤指一种在光学镜片的曲面具有近似周期性的微结构，使此光学镜片具有疏水性、或亲水性、或降低光线入射至光学镜片的曲面的反射率等功效，此微结构为使用超快激光照射于光学镜片的曲面，或光学镜片的曲面的薄膜而产生。
背景技术
在光学镜片表面形成附着材料，再将微纳米结构制作于此附着材料上，通常此附着材料为光敏性、高分子、或是低硬度等易于加工材质，与被附着的光学镜片材质不同，在实用上的问题，乃于光学镜片与附着材料的折射率存在差异，光通过此接口时因菲涅尔损失(Fresnel loss)原理，使得穿透能量损失，以及增加不必要的反射光。
其次，关于微纳米结构的制造，通常为应用包括微影、蚀刻等技术，而步骤包含1.将光阻涂布于曲面；2.在光阻上微影图形；3.对光阻层进行蚀刻。此方法实施的问题包含：1.将光阻均匀涂布于曲面不易；2.需制作光罩，且难以在曲面进行精确的微影；3.在曲面实施蚀刻，均匀性控制困难。针对曲面上的实施，也有提出方法，乃采用真空电浆装置，导入反应气体，对玻璃表面进行干式蚀刻，再藉由控制电浆强度以及气体种类、含量，对基材进行混合物理性及化学性的蚀刻。此方法虽然有机会实施在曲面，但镜片曲率越大，自顶点往边缘的蚀刻特性差异越大，同时微纳米结构的排列为随机，尺寸也不一致，造成镜片上微纳米结构不均匀分布、光学机能不安定。综合上述，虽然微影蚀刻方法可在平面基材上制作微纳米结构，但过程繁琐且实施在曲面上是极为困难的。
发明内容
因此，本发明的主要目的是在提供一种具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，藉由适当激光入射光的能量、偏振方向特性，可在被照射物表面产生近似周期性的微结构，在实务上此加工特性可被控制。被加工物的表面结构，周期特征可接近或小于激光波长，配合激光聚焦、脉冲数、扫描速度、扫描路径等参数，可在大面积、曲面上制作具功能性的微结构。
本发明的又一目的，是在提供一种具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，超快激光指脉冲时间在10-15秒等级或更短的激光。
为达上述目的，本发明的一种具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，包含:一光学镜片，为一体材质，并具有一表面及相反面的一曲面，并以激光诱发该光学镜片的曲面，使该光学镜片的曲面形成一激光诱发周期表面微结构，并可控制该激光诱发周期表面微结构的结构排列及结构尺寸，该结构排列为多个结构体呈现周期性排列，该结构尺寸为各个结构体的间隔在50nm～1000nm及高度在50nm～500nm。
该光学镜片为玻璃或高分子材料其中之一所构成。
该结构体为锥状体，该锥状体是自底部至顶部的截面积由大逐渐变小。
该结构体为蛾眼体，该蛾眼体是自底部至顶部的截面积由大逐渐变小。
更包括至少一层薄膜，是披覆在该光学镜片的曲面上，且该薄膜材质的折射率是匹配该光学镜片材质的折射率。
该薄膜为金属、半导体或介电质其中之一所构成。
该薄膜的膜厚为20nm～500nm。
更包括一激光装置的激光参数，该激光参数具有一激光脉冲宽度参数、一波长参数、一聚焦范围参数、一激光重复频率参数、一扫描速度参数及一能量密度参数，并可调整该激光参数来控制该激光诱发周期表面微结构的结构排列及结构尺寸。
该激光脉冲宽度参数为1fs～100ps、该波长参数为300nm～1500nm、该聚焦范围参数为1μm～500μm、该激光重复频率参数为1Hz～10MHz、该扫描速度参数为40μm/s～5m/s及该能量密度参数为0.01J/cm2～50J/cm2。
该激光脉冲宽度参数为20fs～2000fs、该波长参数为300nm～1500nm、该聚焦范围参数为1μm～500μm、该激光重复频率参数为1Hz～3MHz、该扫描速度参数为40μm/s～5m/s及该能量密度参数为50mJ/cm2～3000mJ/cm2。
该光学镜片为玻璃材料，配合该激光脉冲宽度参数为100fs、该波长参数为800nm、该聚焦范围参数为80μm、该激光重复频率参数为62Hz、该扫描速度参数为160μm/s及该能量密度参数为995mJ/cm2。
更包括至少一层薄膜，是披覆在该光学镜片的曲面上，且该薄膜材质的折射率是匹配该光学镜片材质的折射率，该薄膜为氧化铟锡材质与该薄膜的膜厚为180nm，配合该激光脉冲宽度参数为100fs、该波长参数为800nm、该聚焦范围参数为15μm、该激光重复频率参数为2000Hz、该扫描速度参数为40μm/s及该能量密度参数为190mJ/cm2～230mJ/cm2。
利用超快激光照射于该光学镜片的曲面，在该光学镜片的曲面产生近似周期性的微结构，也可在该光学镜片的曲面先披覆一层或多层薄膜，该薄膜材质可为金属、半导体或介电质，再利用超快激光照射于该薄膜，在该薄膜产生近似周期性的微结构。藉由适切的激光加工参数，可控制微结构的外型、间隔，满足亲水、疏水或是降低反射率等机能，配合扫描照射，可实现大面积、曲面，且快速地制作纳米结构。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2A是本发明激光装置诱发光学镜片的曲面的示意图。
图2B是本发明激光诱发周期表面微结构的局部示意图。
图2C是本发明激光诱发周期表面微结构的另一局部示意图。
图2D是本发明激光诱发周期表面微结构的电子显微镜俯视图。
图2E是本发明激光诱发周期表面微结构的反射率曲线图。
图3A是本发明另一较佳实施例的激光装置诱发光学镜片的曲面的示意图。
图3B是本发明另一较佳实施例的激光诱发周期表面微结构的局部示意图。
图3C是本发明另一较佳实施例的激光诱发周期表面微结构的另一局部示意图。
图3D是本发明另一较佳实施例的激光诱发周期表面微结构的电子显微镜俯视图。
图3E是本发明另一较佳实施例的激光诱发周期表面微结构的另一电子显微镜俯视图。
图3F是本发明另一较佳实施例的激光诱发周期表面微结构的又一电子显微镜俯视图。
图3G是本发明另一较佳实施例的激光诱发周期表面微结构的再一电子显微镜俯视图。
图3H是本发明另一较佳实施例的激光诱发周期表面微结构的反射率曲线图。
附图标记列表：a～c-步骤；10-光学镜片；101-表面；102-曲面；11-薄膜；20-激光装置；21-激光参数；211-激光脉冲宽度参数；212-波长参数；213-聚焦范围参数；214-激光重复频率参数；215-扫描速度参数；216-能量密度参数；30-激光诱发周期表面微结构；301-底部；302-顶部；31-结构体；D-间隔；H-高度；B-基底；L-激光。
具体实施方式
首先，请参阅图1所示的流程图，本发明一种具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，包含下列步骤所完成：a).制作一体材质的光学镜片10，该光学镜片10具有一表面101及相反面之一曲面102；b).调整一激光装置20的激光参数21，该激光参数21具有一激光脉冲宽度参数211、一波长参数212、一聚焦范围参数213、一激光重复频率参数214、一扫描速度参数215及一能量密度参数216，并以激光诱发该光学镜片10的曲面102，使该光学镜片的曲面102形成一激光诱发周期表面微结构(Laser Induced Periodic Surface Structure,LIPSS)30；以及c).控制该激光诱发周期表面微结构30的结构排列及结构尺寸，该结构排列为多个结构体31呈现周期性排列，及该结构尺寸为各个结构体31的间隔(D)在50nm～1000nm或50nm～300nm及高度(H)在50nm～500nm。
承上，藉由上述的步骤所完成的物，包含:一光学镜片10，为一体材质，并具有一表面101及相反面之一曲面102，并以激光诱发该光学镜片10的曲面102，使该光学镜片10的曲面102形成一激光诱发周期表面微结构30，该激光诱发周期表面微结构30的结构排列及结构尺寸，该结构排列为多个结构体31呈现周期性排列，及该结构尺寸为各个结构体31的间隔(D)在50nm～1000nm及高度(H)在50nm～500nm。
承上，在一最佳实施例中，该激光脉冲宽度参数211为1fs～100ps、该波长参数212为300nm～1500nm、该聚焦范围参数213为1μm～500μm、该激光重复频率参数214为1Hz～10MHz、该扫描速度参数215为40μm/s～5m/s及该能量密度参数216为0.01J/cm2～50J/cm2，另一最佳实施例中，该激光脉冲宽度参数211为20fs～2000fs、该波长参数212为300nm～1500nm、该聚焦范围参数213为1μm～500μm、该激光重复频率参数214为1Hz～3MHz、该扫描速度参数215为40μm/s～5m/s及该能量密度参数216为50mJ/cm2～3000mJ/cm2，但不以此为限。
进一步，该光学镜片10为玻璃或高分子材料其中之一所构成，而在第一实施例中，如图2A所示，该光学镜片10为玻璃材料，如BK7玻璃等，配合该激光装置20的激光参数21，而该激光脉冲宽度参数211为100fs、该波长参数212为800nm、该聚焦范围参数213为80μm、该激光重复频率参数214为62Hz、该扫描速度参数215为160μm/s及该能量密度参数216为995mJ/cm2，经由激光(L)诱发该光学镜片10的曲面102，如图2B所示，该结构体31为锥状体，该锥状体是自底部301至顶部302的截面积由大逐渐变小，或如图2C所示，该结构体31为蛾眼体，该蛾眼体是自底部301至顶部302的截面积由大逐渐变小，但不以此为限。
承上，如图2D所示，透过电子显微镜可微观该激光诱发周期表面微结构30的形貌；图2E所示，量测该光学镜片10的曲面102未激光诱发与激光诱发的光学反射率的比较，亦该光学镜片10的曲面102经激光诱发处理，而可有效降低光学反射率，达到降低光学组件表面反光，消除镜头内部杂光的目的。
进一步，更可包括至少一层薄膜11，是披覆在该光学镜片10的曲面102上，且该薄膜11材质的折射率是匹配该光学镜片10材质的折射率，除此之外，该薄膜11的膜厚为20nm～500nm或20nm～300nm，且该薄膜11为金属、半导体或介电质其中之一所构成，而在第二实施例中，如图3A所示，该薄膜11为氧化铟锡材质与该薄膜11的膜厚为180nm，配合该激光装置20的激光参数21，而该激光脉冲宽度参数211为100fs、该波长参数212为800nm、该聚焦范围参数213为15μm、该激光重复频率参数214为2000Hz，该扫描速度参数215为40μm/s及该能量密度参数216为190mJ/cm2～230mJ/cm2，经由激光(L)诱发该薄膜11，如图3B所示，该结构体31为锥状体，该锥状体是自底部301至顶部302的截面积由大逐渐变小，或如图3C所示，该结构体31为蛾眼体，该蛾眼体是自底部301至顶部302的截面积由大逐渐变小，但不以此为限。
承上，如图3D、3E、3F及3G所示，激光的偏振为水平方向，而分别在不同激光能量密度参数为223mJ/cm2、212mJ/cm2、202mJ/cm2、191mJ/cm2扫描后，并透过电子显微镜可微观该激光诱发周期表面微结构30的形貌；图3H所示，量测该薄膜11未激光诱发与激光诱发的光学反射率的比较，亦该薄膜11经激光诱发处理，而可有效降低光学反射率，达到降低光学组件表面反光，消除镜头内部杂光的目的。
在上述第一及二实施例中，该锥状体可藉由尺寸的控制，使外来水滴或脏污接触于该顶部302，因而减少接触面积，达成疏水、自洁特性；或可藉由尺寸的控制，使外来水滴渗入该锥状体的间隔(D)中，因而增加表面接触面积，达到表面亲水特性。
基于如此的构成，该光学镜片10的曲面102形成该激光诱发周期表面微结构30，而该光学镜片的表面101与该激光诱发周期表面微结构30之间形成一基底(B)，其优点如下所述:
1.该激光诱发周期表面微结构30与该基底(B)为一体材质，折射率可由空气渐变至该光学镜片10，而避免菲涅耳损失，减少不必要反射光的产生。在镜头的应用中，可藉此减少画面中杂光。
2.若先在该光学镜片10的曲面102披覆一层或多层薄膜11，该薄膜11可选择与该基底(B)接近折射率的材质，降低菲涅耳损失。
3.传统制作微结构制程难以在曲面上实施。激光(L)则可藉由扫描路径规划、调整聚焦位置等方法，直接在曲面上实施大面积近似周期性微结构加工。
4.传统微影制程须透过制作光罩、微影、蚀刻，每个阶段皆须妥善控制质量以满足最终微纳米结构的形状，制造过程繁琐。而激光加工，可直接由激光制程参数控制加工成品的微结构形状，无需使用光阻、蚀刻液等化学药剂，几乎不产生废弃物，制程简易且环保。
上述所揭露的附图、说明，仅为本发明的较佳实施例，大凡熟悉此项技艺人士，依本案精神范畴所作的修饰或等效变化，仍应包括在本发明申请专利范围内。

Claims (12)

1.一种具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，包含：
一光学镜片，为一体材质，并具有一表面及相反面之一曲面，并以激光诱发该光学镜片的曲面，使该光学镜片的曲面形成一激光诱发周期表面微结构，该激光诱发周期表面微结构的结构排列及结构尺寸，该结构排列为多个结构体呈现周期性排列，该结构尺寸为各个结构体的间隔在50nm～1000nm及高度在50nm～500nm。
2.如权利要求1所述的具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，其中，该光学镜片为玻璃或高分子材料其中之一所构成。
3.如权利要求1所述的具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，其中，该结构体为锥状体，该锥状体是自底部至顶部的截面积由大逐渐变小。
4.如权利要求1所述的具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，其中，该结构体为蛾眼体，该蛾眼体是自底部至顶部的截面积由大逐渐变小。
5.如权利要求1所述的具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，更包括至少一层薄膜，是披覆在该光学镜片的曲面上，且该薄膜材质的折射率是匹配该光学镜片材质的折射率。
6.如权利要求5所述的具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，其中，该薄膜为金属、半导体或介电质其中之一所构成。
7.如权利要求5所述的具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，其中，该薄膜的膜厚为20nm～500nm。
8.如权利要求1所述的具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，更包括一激光装置的激光参数，该激光参数具有一激光脉冲宽度参数、一波长参数、一聚焦范围参数、一激光重复频率参数、一扫描速度参数及一能量密度参数，并可调整该激光参数来控制该激光诱发周期表面微结构的结构排列及结构尺寸。
9.如权利要求8所述的具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，其中，该激光脉冲宽度参数为1fs～100ps、该波长参数为300nm～1500nm、该聚焦范围参数为1μm～500μm、该激光重复频率参数为1Hz～10MHz、该扫描速度参数为40μm/s～5m/s及该能量密度参数为0.01J/cm2～50J/cm2。
10.如权利要求8所述的具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，其中，该激光脉冲宽度参数为20fs～2000fs、该波长参数为300nm～1500nm、该聚焦范围参数为1μm～500μm、该激光重复频率参数为1Hz～3MHz、该扫描速度参数为40μm/s～5m/s及该能量密度参数为50mJ/cm2～3000mJ/cm2。
11.如权利要求8所述的具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，其中，该光学镜片为玻璃材料，配合该激光脉冲宽度参数为100fs、该波长参数为800nm、该聚焦范围参数为80μm、该激光重复频率参数为62Hz、该扫描速度参数为160μm/s及该能量密度参数为995mJ/cm2。
12.如权利要求8所述的具有激光诱发周期表面微结构的光学镜片，更包括至少一层薄膜，是披覆在该光学镜片的曲面上，且该薄膜材质的折射率是匹配该光学镜片材质的折射率，该薄膜为氧化铟锡材质与该薄膜的膜厚为180nm，配合该激光脉冲宽度参数为100fs、该波长参数为800nm、该聚焦范围参数为15μm、该激光重复频率参数为2000Hz、该扫描速度参数为40μm/s及该能量密度参数为190mJ/cm2～230mJ/cm2。
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