CN112130237A

CN112130237A - 一种微透镜装置及其制造方法

Info

Publication number: CN112130237A
Application number: CN202011063987.3A
Authority: CN
Inventors: 陈梓林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2020-12-25

Abstract

一种微透镜装置，包括透明基板以及设置在该透明基板上的微透镜单元，微透镜单元包括透明的支撑部和平滑部，支撑部由多层折射率一致的微型透明树脂片重叠而成，平滑部覆盖支撑部且具有由流体在支撑部上浸润形成的平滑表面。这种微透镜装置无需采用模具在塑料板上压制而成，其制造成本得以降低。本发明还提供了上述微透镜装置的制造方法。

Description

一种微透镜装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微透镜装置及其制造方法，属于光学透镜的技术领域。

背景技术

微透镜一般指特征尺寸(如直径、宽度，以下同)小于1mm，尤其是小于0.2mm的光学透镜。将大量微透镜设置在透镜基板上做成的微透镜装置，可以用在阵列式光学传感器、阵列式发光装置等设备上，具有非常高的应用价值。

目前，这种微透镜一般采用硬质模具在透明塑料板上压制而成，其模具需要非常精确地设置多个微透镜的模，开模成本非常高，而且，在压制过程中，模具与塑料板由于存在接触而会损伤，模具的使用次数也存在着限制。由此，这类微透镜装置的制造成本在目前很难降低。

发明内容

本发明的目的为提供一种微透镜装置，其无需采用模具在塑料板上压制而成，其制造成本得以降低；本发明还提供了上述微透镜装置的制造方法。所采用的技术方案如下：

一种微透镜装置，其特征为：

包括透明基板以及设置在该透明基板上的微透镜单元，所述微透镜单元包括透明的支撑部和平滑部，所述支撑部由多层折射率一致的微型透明树脂片重叠而成，所述平滑部覆盖所述支撑部且具有由流体在所述支撑部上浸润形成的平滑表面。

所述透明基板一般可为厚度0.2mm〜2.0mm的透明玻璃基板或厚度10μm〜200μm的耐高温塑料膜(如无色聚酰亚胺膜)。所述微透镜单元可为微型的凸透镜、凹透镜、柱镜、棱镜等可通过光线折射实现聚焦、成像等功能的光学透镜。微透镜单元的特征尺寸可以小于1mm，优选其特征尺寸小于0.2mm。所述支撑部所包含的树脂片的层数一般可由微透镜单元的尺寸、各个树脂片的厚度以及微透镜的立体形状来决定。所述树脂片的厚度优选为2μm〜100μm，优选所述光敏树脂通过挤压涂布(slit coating)的方式进行设置，由此能够保证每个树脂片的厚度，避免由于树脂片厚度不均且多层累积之后发生畸变而影响到微透镜单元的光学功能。优选所述树脂片由经紫外光照射之后发生固化的负性透明光敏树脂涂层形成，以及通过曝光、显影等黄光工艺形成所需的轮廓(即图形化)，黄光工艺可使构成每个微透镜单元支撑部的树脂片具有高精度的轮廓，避免其轮廓误差过大且多层累积之后发生畸变而影响到微透镜单元的光学功能，除此之外，每次黄光工艺能够同时形成构成巨量微透镜单元的一层树脂片，其制作效率非常高，而作为其图形模具的掩膜板在制作过程中也几乎不会损耗。优选地，在采用黄光工艺的制作过程中，还可通过显影过程的控制，使得树脂片的边缘具有30°—80°的倾斜角，由此可减少其叠加之后的支撑部边缘的不平，更有利于平滑部在其上形成平滑表面。

所述平滑部可以为透明的树脂材料，其可通过印刷(如移印、丝印)、点胶、喷涂、黄光等工艺方法设置在支撑部上，并在其(或使其)处于流体状态时与所述支撑部浸润以形成平滑的表面。优选地，所述平滑部与上述树脂片采用相同的树脂材料，由此其在支撑部上不仅具有良好的浸润性，且具有一致的折射率，能够消除平滑部与支撑部之间的界面反射和折射，使得所形成的微透镜单元具有更完好的光学功能。当所述平滑部为热熔性树脂材料时，一般可通过加热烘烤等方式使得其处于流体状态而浸润形成平滑的表面；当所述平滑部为光敏树脂时，其在未固化的状态下可在所述支撑部上浸润，再通过照射紫外光使其固化，以形成所需的平滑部。

由此，可通过树脂片的轮廓图形设计，使得所述支撑部初步具有微透镜单元的立体形状，再利用平滑部使微透镜单元表面平滑，最终实现所需的透镜光学功能。这种微透镜装置的微透镜单元主要通过多个树脂层的图形化工艺制作而成，而图形化工艺一般采用预先设有图案的光掩膜板来实现，掩膜板与所加工的微透镜装置无需接触，因而在微透镜装置的制造过程中不存在磨损、压损等消耗，其使用次数不存在限制，能够大幅度降低这种微透镜装置的制造成本。

在本发明的一优选方案中，所述树脂片由底到顶逐层缩小，使得所述支撑部的边缘具有台阶，所述平滑部覆盖所述台阶，其具有由流体在所述台阶上填充形成的平滑表面。

在本发明的一优选方案中，所述支撑部由多个圆形的树脂片重叠而成，所述树脂片的半径从底到顶按照负抛物线函数关系逐层递减，由此所形成的微透镜装置包括多个具有凸透镜功能的微透镜单元。

在本发明的一优选方案中，所述支撑部由多个条形的树脂片重叠而成，所述树脂片的宽度从底到顶按照负抛物线函数关系逐层递减，由此所形成的微透镜装置包括多个具有柱镜功能的微透镜单元。

在本发明的一优选方案中，所述支撑部由多个条形的树脂片重叠而成，所述树脂片的宽度从底到顶按照线性函数关系逐层递减，由此所形成的微透镜装置包括多个具有棱镜功能的微透镜单元。

在本发明的一优选方案中，所述微透镜单元在透明基板上排列为阵列，这种微透镜单元可用在阵列式光传感器、阵列式发光装置等设备上。

所述微透镜单元的边沿为与基板接触的平滑部，其局部在流体成型之后一般存在畸变，使得局部的透射光会发生异常折射，影响到微透镜单元的透镜功能。为此，在本发明的一优选方案中，所述透明基板还设有用于遮挡光线的遮挡层，遮挡层设有与各微透镜单元相对应的透光窗口，而所述微透镜单元的边沿处于其对应透光窗口之外的部分遮挡层上。由此，遮挡层可遮挡掉原本经过微透镜单元边沿(以及微透镜单元之外)的透射光，避免了其影响到微透镜单元的透镜功能。

进一步优选地，所述遮挡层为图形化的黑色光敏树脂涂层，尤其是厚度为2μm〜20μm的黑色光敏树脂涂层，其具有良好的遮光性，且能够通过曝光、显影等黄光工艺形成包括大量透光窗口的精确图形。

或者，进一步优选地，所述遮挡层为图形化的金属层，金属层的遮光性更好，厚度可做得更薄(小于1μm)，能够进一步减少对微透镜单元形状的影响。所述金属层可以采用磁控溅射等方式制作而成，再通过光刻等黄光工艺形成包括大量透光窗口的精确图形。更进一步优选其为铬金属层，铬金属层的表面容易氧化变黑以减少其反射光。

本发明还提供一种微透镜装置的制造方法，包括以下步骤：

步骤一、采用黄光工艺在透明基板上重叠多层的微型透明树脂片，形成多个支撑部；

步骤二、在所述支撑部上设置流体状态的透明光敏树脂层，所述光敏树脂与支撑部浸润而具有光滑的外表面；进一步照射紫外光，固化所述透明光敏树脂层而形成覆盖在支撑部上的平滑部。

优选地，在步骤一之前，上述制造方法还预先在透明基板设置遮挡层，所述遮挡层采用曝光、显影或是光刻等黄光工艺做成包括大量透光窗口的精确图形；以及，在所述步骤一到步骤三中，所述支撑部和平滑部设置在所述透光窗口之上。

以下通过附图和实施例来对本发明的技术方案做进一步的说明。

附图说明

图1为实施例一的微透镜装置的部分区域的外形示意图；

图2为实施例一的微透镜装置的微透镜单元剖面结构示意图；

图3为实施例一的微透镜装置的制造步骤(1)示意图；

图4为实施例一的微透镜装置的制造步骤(2)示意图；

图5为实施例一的微透镜装置的制造步骤(3)示意图；

图6为实施例二的微透镜装置的部分区域的外形示意图；

图7为实施例三的微透镜装置的部分区域的外形示意图。

具体实施方式

实施例一

微透镜装置100，包括0.4mm厚的透明玻璃基板10，透明玻璃基板10的一个面设有遮挡层20和由大量微透镜单元30构成的微透镜阵列。

遮挡层20为图形化的黑色光敏树脂层(透光率小于10%)，其通过曝光、显影等黄光工艺图形化形成大量的圆形透光窗口21，透光窗口21处于各个微透镜单元30的底部。

微透镜单元30设置在各透光窗口21上，其为直径小于0.2mm的微型凸透镜。每个微透镜单元30包括透明的支撑部31和平滑部32，支撑部31由多层折射率一致的圆形透明树脂片311重叠而成，树脂片311的厚度为20μm左右，其半径从底到顶按照负抛物线函数关系逐层递减，使得支撑部31初步具有微型凸透镜的立体形状(支撑部31的边缘具有台阶)，树脂片311的边缘具有45°左右的倾斜角。

平滑部32覆盖在支撑部31上，其材料与树脂片311相同，且具有由流体在支撑部31的整个表面(包括台阶)浸润填充形成的平滑表面321。平滑部32还构成微透镜单元30的边沿33，其覆盖在透光窗口21之外的部分遮挡层20上。

微透镜装置100的制造方法如下：

步骤(1)、采用挤压涂布法(slit-coating)在玻璃基板10上涂布一层5μm厚度的负性黑色光敏树脂，曝光显影形成遮挡层20，遮挡层20具有大量阵列排列的圆形透光窗口21。

步骤(2)、制作由多层树脂片311重叠而成的支撑部31，每层树脂片311都采用挤压涂布法(slit coating)涂布对应厚度(约20μm)的负性透明光敏树脂、再通过曝光显影形成。树脂片311的尺寸由其曝光显影用的掩膜板的图案决定(掩膜板的图案做有预先设计，不同层的树脂片311一般对应不同的掩膜板)，控制曝光显影的时间可使得树脂层的边缘具有45°左右的倾斜角。对于任一支撑部31来说，最底层的树脂片311对准圆形透光窗口21，而各树脂片311的相互对准(误差小于5μm)且其半径从底到顶按负抛物线函数关系321逐层递减，使得树脂片311相互重叠形成具有微型凸透镜立体形状的支撑层。

步骤(3)、先采用丝印工艺(或其他印刷工艺，以及点胶、喷涂工艺)在各支撑层顶部设置负性透明光敏树脂(与树脂片311相同材料)，加热增加其流动性，使得负性透明光敏树脂流延、覆盖、浸润整个支撑层的表面，其填充支撑层的顶部和边缘台阶而具有平滑表面321。在上述过程中，可控制树脂的量，使得树脂流延到透光窗口21之外的遮挡层20上并构成微透镜单元30的边沿33。最后，照射紫外光使得树脂固化形成覆盖在支撑部31上的平滑部32。由此，完成了基于玻璃基板10的微透镜装置100的制作。

由此，在微透镜装置100的制作过程中，可通过树脂片311的轮廓图形设计，使得所述支撑部31初步具有微透镜单元30的立体形状，再利用平滑部32使微透镜单元30表面平滑，最终实现所需的透镜光学功能。微透镜单元30主要通过多个树脂层的图形化工艺制作而成，而图形化工艺一般采用预先设有图案的光掩膜板来实现，掩膜板与所加工的微透镜装置100无需接触，因而在微透镜装置100的制造过程中不存在磨损、压损等消耗，其使用次数不存在限制，能够大幅度降低这种微透镜装置100的制造成本。

在本实施例的其他方案中，遮挡层20还可以为图形化的金属层，金属层的遮光性更好，厚度可做得更薄(小于1μm)，能够进一步减少对微透镜单元30形状的影响。金属层可以在上述步骤一中采用磁控溅射等方式制作而成，再通过光刻等黄光工艺形成包括大量透光窗口21的精确图形。上述金属层还可进一步选择为铬金属层，其表面容易氧化变黑以减少其反射光。

在本实施例的其他方案中，透明玻璃基板10还可替换为厚度10μm〜200μm的无色聚酰亚胺膜。无色聚酰亚胺膜可以先设置在一作为母板的玻璃基板上，待遮掩层和微透镜单元30做好之后再从母板上剥离下来，由此获得基于塑料膜的微透镜装置100。

实施例二

在实施例一的基础上，将支撑部改为由多个条形的树脂片311’重叠而成，且树脂片311’的宽度从底到顶按照负抛物线函数关系逐层递减，由此所形成的微透镜装置100’包括多个具有柱镜功能的微透镜单元30’，则构成本发明的实施例二。

实施例三

在实施例二的基础上，将树脂片311’的宽度改为从底到顶按照线性函数关系逐层递减，由此所形成的微透镜装置100”包括多个具有棱镜功能的微透镜单元30”，则构成本发明的实施例三。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种微透镜装置，其特征为：

2.如权利要求1所述的微透镜装置，其特征为：所述树脂片由经紫外光照射之后发生固化的负性透明光敏树脂涂层形成，所述光敏树脂涂层通过挤压涂布的方式设置而成。

3.如权利要求2所述的微透镜装置，其特征为：所述树脂片的轮廓通过包括曝光、显影的黄光工艺形成。

4.如权利要求1所述的微透镜装置，其特征为：所述平滑部与所述树脂片采用相同的树脂材料制作而成。

5.如权利要求1所述的微透镜装置，其特征为：所述支撑部由多个圆形的树脂片重叠而成，所述树脂片的半径从底到顶按照负抛物线函数关系逐层递减。

6.如权利要求1所述的微透镜装置，其特征为：所述支撑部由多个条形的树脂片重叠而成，所述树脂片的宽度从底到顶按照负抛物线函数关系逐层递减。

7.如权利要求1所述的微透镜装置，其特征为：所述支撑部由多个条形的树脂片重叠而成，所述树脂片的宽度从底到顶按照线性函数关系逐层递减。

8.如权利要求1所述的微透镜装置，其特征为：所述透明基板还设有遮挡层，遮挡层设有与各微透镜单元相对应的透光窗口，所述微透镜单元的边沿处于其对应透光窗口之外的部分遮挡层上。

9.一种微透镜装置的制造方法，包括：

步骤一、采用黄光工艺在透明基板上重叠多层的微型透明树脂片，形成支撑部；

10.如权利要求9所述的微透镜装置制造方法，其特征为：在步骤一之前，还在透明基板设置遮挡层，所述遮挡层采用黄光工艺做成包括大量透光窗口的图形；以及，在所述步骤一到步骤三中，所述支撑部和平滑部设置在所述透光窗口之上。