CN112437891A - 光学系统及其制造过程 - Google Patents

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Abstract

本描述涉及一种制造光学系统(5)的过程，该光学系统包括层(24)，该层包含通孔或盲孔(26)并被微米级光学元件矩阵阵列(14)覆盖。该光学系统包括旨在接收第一发射的表面(22)。此过程包括通过微米大小的光学元件矩阵阵列(14)使具有与该层相同的材料或不同的材料的膜(24)暴露于第二发射，所述材料对第二发射光敏感或能够使用第二发射加工，此方法还包括去除膜的暴露于或未暴露于第二发射的部分以界定全部或部分地穿过所述层的孔(26)。

Description

光学系统及其制造过程
本专利申请主张法国专利申请FR18/56709的优先权益，该申请在此纳入作为参考。
技术领域
本公开涉及光学系统及其制造方法。
背景技术
光学系统是诸如反射镜、透镜、衍射光栅等之类的光学元件的组件，其能够改变光线的轨迹或光的性质。光学系统的应用示例涉及图像采集系统，其中光学系统介于图像传感器的感光部分与待成像物体之间，这样可以形成要在图像传感器的感光部分上成像的物体的清晰图像。另一应用示例包括将光学系统耦合到单个光电探测器(例如光电二极管)，以控制由光电探测器收集的光。另一应用示例涉及显示或投影系统，其中光学系统覆盖光源(例如显示屏)，并且能够改变由光源发射的辐射，例如以准直由每个显示像素发射的辐射。
然而，在某些情况下，不能使用常规光学系统。例如，在图像采集系统的情况下，可能无法在图像传感器的感光部分与待成像物体之间放置常规光学系统。当图像传感器占据较大的表面积(大于一平方厘米)，并且待成像物体与图像传感器的感光部分之间的距离小于一厘米时，情况尤其如此。
然后，必须将待成像物体放置在最靠近图像传感器的位置，以使在图像传感器的感光部分上形成的图像足够清晰。但是，物体与图像传感器之间可能存在一定距离，从而导致在图像传感器的感光部分上形成的图像的清晰度可能不足以用于某些应用，例如用于指纹的捕获。
为了在缺乏复杂光学系统的情况下增加由图像采集系统的图像传感器获取的图像的清晰度，可以用具有简单结构的光学系统覆盖图像传感器，从而起到角度滤光器的作用，该光学系统包括不透明层，该不透明层具有开口，并覆盖有微米级光学元件阵列，例如微米级透镜或微透镜阵列、微米级渐变折射率透镜阵列，或微米级衍射光栅阵列，每个微米级光学元件与包含开口的层的一个开口相关联。
一种制造这种光学系统的方法示例包括制造包含开口的层，制造微米级光学元件，以及相对于包含开口的层定位微米级光学元件。相对于包含开口的层定位微米级光学元件的步骤需要使用对准工具。存在这样的对准工具，但是产生了用于制造这些光学系统的巨大成本，最重要的是不能大规模地制造这些光学系统。此外，由于使用有机材料，包含开口的层和/或微米级光学元件可能会由于热效应和/或机械效应而发生变形，从而对于所有微米级光学元件而言，不可能使每个微米级光学元件与包含开口的层的相应开口正确地对准。
发明内容
实施例的目的是完全或部分地克服由于制造包括具有开口的层以及微米级光学系统阵列的光学系统，以及先前描述的制造光学系统的方法导致的限制。
实施例的目的是能够足够准确地相对于包含孔的层的各个孔定位微米级光学系统。
实施例的另一目的是能够以工业规模实现光学系统制造方法。
为此，一个实施例提供了一种制造光学系统的方法，所述光学系统包括一个层，所述层包含贯通的或部分贯通的孔并被微米级光学元件阵列覆盖。所述光学系统包括旨在接收第一辐射的表面。所述方法包括通过所述微米级光学元件阵列使具有与所述层相同的材料或不同的材料的膜暴露于第二辐射，所述材料对所述第二辐射光敏感或能够通过所述第二辐射加工，所述方法还包括去除所述膜的暴露于或未暴露于所述第二辐射的部分以界定完全或部分地穿过所述层的孔。
根据一个实施例，所述膜由对所述第二辐射光敏感的抗蚀剂制成。
根据一个实施例，所述层由对所述第二辐射正性光敏感的抗蚀剂制成，所述膜的去除部分是暴露于所述第二辐射的部分。
根据一个实施例，所述膜由对所述第二辐射负性光敏感的抗蚀剂制成，所述膜的去除部分是未暴露于所述第二辐射的部分。
根据一个实施例，所述方法包括通过激光束加工所述层。
根据一个实施例，所述光学系统形成角度滤光器，所述角度滤光器被配置为阻挡相对于与所述表面正交的方向的入射在至少一个第一入射范围内的所述第一辐射的光线，以及允许相对于与所述表面正交的方向的入射在不同于所述至少一个第一入射范围的至少一个第二入射范围内的所述第一辐射的光线通过。
根据一个实施例，所述第一辐射不同于所述第二辐射。
根据一个实施例，所述第一辐射在可见光范围内和/或在红外光范围内。
根据一个实施例，所述第二辐射在可见光范围内和/或在紫外光范围内。
根据一个实施例，所述方法包括在所述曝光步骤中，使得所述微米级光学元件阵列接触具有不同于所述微米级光学元件的折射率的、不同于空气的材料。
根据一个实施例，所述光学系统的制造是卷对卷执行的。
根据一个实施例，所述方法包括：在形成所述孔之后，用粘合材料填充所述孔，以及经由粘合材料将包括所述孔的所述层固定到装置上。
根据一个实施例，所述第二辐射被准直。
根据一个实施例，所述第二辐射具有大于1°的发散角。
一个实施例还提供了一种光学系统，所述光学系统包括旨在接收第一辐射的表面、包含贯通的或部分贯通的孔并被微米级光学元件阵列覆盖的层。所述层由一种材料制成或者所述孔用所述材料填充，所述材料对第二辐射光敏感或能够通过所述第二辐射加工。
根据一个实施例，所述层对所述第一辐射不透明，所述系统被配置为阻挡相对于与所述表面正交的方向的入射在至少一个第一入射范围内的所述第一辐射的光线，以及允许相对于与所述表面正交的方向的入射在不同于所述至少一个第一入射范围的至少一个第二入射范围内的所述第一辐射的光线通过。
根据一个实施例，所述材料是对所述第二辐射光敏感的抗蚀剂。
根据一个实施例，所述光学系统包括与孔一样多的微米级光学元件，所述微米级光学元件之间的间距与孔之间的间距相同。
根据一个实施例，对于每个孔，垂直于所述表面测量的所述孔的高度与平行于所述表面测量的所述孔的宽度之比在1至10之间变化。
根据一个实施例，所述孔以行和列布置，同一行或同一列的相邻孔之间的间距在1μm至100μm之间变化。
根据一个实施例，沿着与所述表面正交的方向测量的每个孔的高度在1μm至800μm，尤其是在10μm至800μm或在1μm至100μm之间变化。
根据一个实施例，沿着平行于所述表面测量的每个孔的宽度在0.1μm至100μm之间变化。
根据一个实施例，所述系统包括所述层和附加层的堆叠，所述层包含所述贯通的或部分贯通的孔，所述附加层包含与所述孔对准的附加的贯通的或部分贯通的孔。
一个实施例还提供了一种图像采集系统，所述图像采集系统包括图像传感器和覆盖所述图像传感器并形成角度滤光器的诸如前面定义的光学系统。
根据一个实施例，所述图像传感器包括光电探测器阵列，所述光电探测器之间的间距等于、大于或小于孔之间的间距。
根据一个实施例，所述光学系统包括起到所述图像传感器的保护层作用的辅助层。
根据一个实施例，所述图像传感器至少部分地由有机材料制成，并且其中所述光学系统包括水密和/或氧密膜。
一个实施例还提供了一种照明或显示系统，所述照明或显示系统包括光源和覆盖所述光源的诸如前面定义的光学系统。
附图说明
在下面的具体实施方式的描述中，将参考附图，以说明而非限制的方式详细描述了上述特征和优点以及其他特征和优点，其中：
图1是光学系统的实施例的局部简化截面图，该光学系统包括包含开口并被微透镜阵列覆盖的层；
图2是图1所示的光学系统的包含开口的层的俯视图；
图3是图1所示的光学系统的变型的局部简化截面图；
图4是图1所示的光学系统的另一变型的局部简化截面图；
图5是图像采集系统的一个实施例的局部简化截面图；
图6是照明或投影系统的一个实施例的局部简化截面图；
图7是照明系统的另一实施例的局部简化截面图；
图8是在制造图1和图2所示的光学系统的方法的一个实施例的一个步骤中获得的结构的局部简化截面图；
图9是在制造图1和图2所示的光学系统的方法的一个实施例的另一步骤中获得的结构的局部简化截面图；
图10是在制造图1和图2所示的光学系统的方法的一个实施例的另一步骤中获得的结构的局部简化截面图；
图11是在制造图1和图2所示的光学系统的方法的一个实施例的另一步骤中获得的结构的局部简化截面图；
图12是在制造图1和图2所示的光学系统的方法的一个实施例的另一步骤中获得的结构的局部简化截面图；
图13是在制造图1和图2所示的光学系统的方法的另一实施例的一个步骤中获得的结构的局部简化截面图；以及
图14是在制造图1和图2所示的光学系统的方法的另一实施例的另一步骤中获得的结构的局部简化截面图。
具体实施方式
在各个附图中，相同的特征已经用相同的参考标号表示，特别地，各个实施例中的公共结构和/或功能特征可以具有相同的参考标号，并且可以具有相同的结构、尺寸和材料特性。
为清楚起见，仅示出并详细描述了对理解本文描述的实施例有用的那些步骤和元件。特别地，图像传感器的结构是本领域技术人员公知的，下文不再赘述。
在以下描述中，当提及诸如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等之类的限定绝对位置的术语，或诸如术语“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等之类的限定相对位置的术语时，或者当提及诸如术语“水平”、“垂直”等之类的限定方向的术语时，除非另有所指，否则指的是图形的取向或者指的是处于正常使用位置的光学系统。
除非另有所指，否则“大概”、“近似”、“基本上”和“大约”等表达指示在10％之内，优选地在5％之内。
在以下描述中，当穿过层或膜的辐射的透射率小于10％时，则认为该层或膜对辐射不透明。在以下描述中，当穿过层或膜的辐射的透射率大于10％时，则认为该层或膜对辐射透明。根据一个实施例，对于相同的光学系统，光学系统中对辐射不透明的所有元件的透射率小于光学系统中对所述辐射透明的元件的最低透射率的一半，优选地小于五分之一，更优选地小于十分之一。在本公开的其余部分中，“有用辐射”的表达是指电磁辐射在操作中穿过光学系统。在以下描述中，“微米级光学元件”的表达是指在支撑件表面上形成，并且在平行于所述表面测量的最大尺寸大于1μm且小于1mm的光学元件。在以下描述中，当膜或层在40℃下的透氧率小于1.10-1cm3/(m2*天)时，则认为该膜或层是不透氧的。透氧率可以根据题为“Standard Test Method for Oxygen Gas Transmission Rate ThroughPlastic Film and Sheeting Using a Coulometric Sensor(使用库仑传感器测量通过塑料薄膜和薄片的氧气透过率的标准测试方法)”的ASTM D3985方法进行测量。在以下描述中，当膜或层在40℃下的透水率小于1.10-1g/(m2*天)时，则认为该膜或层是不透水的。透水率可以根据题为“Standard Test Method for Water Vapor Transmission Rate ThroughPlastic Film and Sheeting Using a Modulated Infrared Sensor(使用调制红外传感器测量通过塑料薄膜和薄片的水蒸气透过率的标准测试方法)”的ASTM F1249方法进行测量。
现在将针对以下光学系统描述光学系统的实施例：即，该光学系统包括微米级光学元件，在这种情况下，每个微米级光学元件对应于微米级透镜或微透镜。然而，应当清楚的是，这些实施例也可以用其他类型的微米级光学元件来实现，其中每个微米级光学元件可以对应于微米级菲涅耳透镜、微米级渐变折射率透镜或微米级衍射光栅。
图1是光学系统5的实施例的局部简化截面图。在图1中，光学系统5从底部到顶部包括：
-层10，该层包含开口；
-中间层12，其覆盖包含开口的层10，该中间层12可以省略；
-微米级光学元件阵列14，例如覆盖中间层12的微透镜阵列14，其中中间层12和微透镜阵列14可以对应于单片结构；
-涂层16，其覆盖微透镜阵列14，例如包括多个层(例如两个层18和20)的堆叠，并包括上表面22，其中涂层16可以省略，上表面22则对应于微透镜阵列的上表面14。
图2是图1所示的包含开口的层10的俯视图。在本实施例中，包含开口的层10包括由孔26(也称为开口)穿过的不透明层24。优选地，孔26是通孔，因为它们延伸穿过层24的整个厚度。根据另一实施例，孔26只能穿过不透明层24的厚度的一部分延伸，不透明层24的其余部分保留在孔26的底部。但是，在这种情况下，位于孔26的底部的不透明层24的残留部分的厚度足够小，以使得包含孔26的组件可能被填充，并且可以将位于孔26的底部的不透明层24的残留部分视为对于有用的辐射透明。层24的厚度称为“h”。层24可以对全部或部分光谱的辐射42不透明。层24可以对在操作中使用的有用辐射不透明，例如吸收或反射有用辐射。根据一个实施例，层24在可见光范围或可见光范围的一部分和/或近红外光和/或红外光范围内吸收。
在图2中，孔26被示出为具有圆形横截面。通常，根据所使用的的制造方法，孔26在俯视图中可以具有任何横截面，例如圆形、椭圆形或多边形，尤其是三角形、正方形或矩形。此外，在图1中，孔26被示出为在不透明层24的整个厚度上具有恒定的横截面。但是，每个孔26的横截面可以在不透明层24的整个厚度上变化。在通过包括光刻步骤的方法形成孔26的情况下，可以通过诸如曝光剂量和显影时间之类的方法参数以及通过微透镜的形状来调节孔的形状。
根据一个实施例，孔26以行和列布置。孔26可以具有基本相同的尺寸。沿着行或列的方向测量的孔26的宽度称为“w”。在孔具有圆形横截面的情况下，宽度w对应于孔26的直径。根据一个实施例，孔26沿着行和列规则地布置。孔26的间距，即俯视图中一行或一列中的两个连续孔26的中心之间的距离称为“p”。
包含开口的层10仅允许其相对于包含开口的层10的上表面的入射小于最大入射角α的有用入射辐射光线通过，该入射角由以下关系(1)定义：
tanα＝w/h(1)
比率h/w可以在1至10之间变化，甚至大于10。间距p可以在1μm至100μm之间变化，例如大约等于15μm。高度h可以在0.1μm至1mm之间，特别地在1μm至800μm，优选地在10μm至130μm之间或在1μm至100μm之间变化。宽度w可以在0.1μm至100μm之间变化，例如大约等于2μm。孔26可以全部具有相同的宽度w。作为变型，孔26可以具有不同的宽度w。
图3是图1所示的光学系统5的变型的截面图，其中涂层16仅包括层18，层18对应于施加在微透镜阵列14上的膜。在这种情况下，透镜18与微透镜14之间的接触面积减小，例如限于微透镜14的顶部。
图4是图1所示的光学系统5的另一变型的截面图，其中包含开口的层10包括覆盖不透明层24的附加不透明层28，层28位于不透明层24的与微透镜14相对的一侧，并被与孔26成一条直线的孔30穿过。对有用辐射透明的中间层可以插在不透明层24与28之间。通常，包含开口的层10可以包括两个以上不透明层的堆叠，每个不透明层被孔穿过，每对相邻不透明层中的不透明层被或不被一个或多个透明层隔开。
根据一个实施例，层24完全由至少吸收和/或反射有用辐射中要被角度过滤的波长的材料制成。
根据一个实施例，层24由正性抗蚀剂制成，即对于该抗蚀剂，树脂层的暴露于辐射的部分变得可溶于显影剂，而抗蚀剂层的未暴露于辐射的部分保持不溶于显影剂。不透明层24可以由有色树脂制成，例如有色或黑色的DNQ-Novolack树脂或DUV(深紫外)抗蚀剂。DNQ-Novolack树脂基于重氮萘醌(DNQ)和线型酚醛清漆树脂(酚醛树脂)的混合物。DUV抗蚀剂可以包含基于聚羟基苯乙烯的聚合物。
根据另一实施例，层24由负性抗蚀剂制成，即对于该抗蚀剂，树脂层的暴露于辐射的部分变得不溶于显影剂，而抗蚀剂层的未暴露于辐射的部分保持溶于显影剂。负性抗蚀剂的示例是环氧聚合物树脂，例如以商品名SU-8出售的树脂、丙烯酸酯树脂和非化学计量硫醇-烯(OSTE)聚合物。
根据另一实施例，层24由可激光加工的材料制成，即能够在激光辐射的作用下降解的材料。可激光加工的材料的示例是石墨、塑料材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，或染色的塑料薄膜，例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、环烯烃聚合物(COP)和聚酰亚胺(PI)。
此外，作为示例，层24可以由在可见光范围和/或近红外光范围内吸收的黑色树脂制成。根据另一示例，不透明层24可以进一步由吸收给定颜色的可见光(例如蓝光、绿光或青光)的有色树脂制成。这种例子适用于光学系统5与仅对给定颜色的光敏感的图像传感器一起使用的情况。这种例子进一步适用于光学系统5与对可见光敏感的图像传感器一起使用，并且给定颜色的滤光器插在图像传感器与待检测物体之间，例如插在包含开口的层10与中间层12之间的情况。
当包含开口的层10由至少两个不透明层24、28的堆叠形成时，每个不透明层可以由前述材料之一制成，这些不透明层也可以由不同的材料制成。
孔26、30可以用空气或对有用辐射至少部分地透明的材料(例如聚二甲基硅氧烷(PDMS))填充。作为变型，孔26、30可以被具有部分吸收性的材料填充，从而过滤有用辐射光线的各种波长。光学系统5然后可以进一步起到波长滤光器的作用。这样允许相对于存在与光学系统5不同的有色滤光器的情况减小系统5的厚度。具有部分吸收性的填充材料可以是有色树脂或有色塑料，例如PDMS。
可以选择孔26、30的填充材料，以使其折射率与接触包含开口的层10的中间层12相匹配，或者使结构变硬并提高包含开口的层10的机械阻力。此外，填充材料还可以是能够将光学系统5组装在另一装置(例如图像传感器)上的液体或固体粘合材料。填充材料还可以是用于封装表面上放置有光学系统的装置(例如图像传感器)的环氧树脂或丙烯酸酯胶，此时将层12视为封装膜。在这种情况下，胶水填充孔26并与图像传感器的表面接触。胶水还可以将光学系统层压在图像传感器上。
可以省略的中间层12对有用辐射至少部分地透明。中间层12可以由透明聚合物制成，具体是PET、PMMA、COP、PEN、聚酰亚胺、介电或无机聚合物(SiN、SiO2)层或薄玻璃层。如前所述，层12和微透镜阵列14可以对应于单片结构。此外，层12可以对应于上面附着有光学系统5的装置(例如图像传感器)的保护层。如果图像传感器由有机材料制成，则层12可以对应于保护有机材料的水密和氧密的阻挡膜。作为示例，该保护层可以对应于与包含开口的层10接触的PET、PEN、COP和/或PI膜的表面上的大约1μm的SiN沉积物。
根据一个实施例，具有与孔26一样多的微透镜14。优选地，微透镜14的布局遵循孔26的布局。特别地，相邻微透镜14的光学中心之间的间距与先前所述的孔26的间距p相同。
根据另一实施例，在俯视图中，微透镜14可以具有多边形的底面，特别是正方形、矩形、五边形或六边形。优选地，在俯视图中，微透镜14基本上会合。根据另一实施例，在俯视图中，微透镜14具有圆形或椭圆形的底面。
优选地，微透镜14的焦平面是混杂的。微透镜14的焦平面可以基本上位于不透明层24的整个厚度上或者与不透明层24相隔一定距离。根据一个实施例，微透镜14全部具有相同的形状。根据另一实施例，微透镜14具有不同的形状。微透镜14可以由二氧化硅、PMMA、正性抗蚀剂、PET、PEN、COP、PDMS/硅酮或环氧树脂制成。微透镜14可以通过阻块的流动形成。微透镜14还可以通过在PET、PEN、COP、PDMS/硅酮或环氧树脂层上进行模制来形成。
涂层16对有用辐射至少部分地透明。涂层16的最大厚度在0.1μm至10mm的范围内。上表面22可以是基本平坦的或具有弯曲的形状。
根据一个实施例，层18是遵循微透镜14的形状的层。层18可通过光学透明粘合剂(OCA)，特别是液体光学透明粘合剂(LOCA)，或具有低折射率的材料，或环氧树脂/丙烯酸酯胶，或气体膜或气体混合物(例如空气)膜获得。优选地，当层18遵循微透镜14的形状时，层18由具有低折射率的材料制成，该折射率低于微透镜14的材料的折射率。层18可以由填充材料制成，该填充材料是非粘合透明材料。根据另一实施例，层18对应于施加在微透镜阵列14上的膜，例如OCA膜。在这种情况下，层18与微透镜14之间的接触面积减小，例如限于微透镜的顶部。然后，层18可以由折射率高于层18遵循微透镜14的形状时的材料制成。根据一个实施例，层20可以由先前针对层18指示的一种材料制成。可以省略层20。层20的厚度在1μm至100μm的范围内。
现在将针对图像采集系统的角度滤光器描述光学系统的应用示例。
图5是接收辐射42的图像采集系统40的一个实施例的局部简化截面图。在图5中，图像采集系统40从底部到顶部包括：
-图像传感器44，其具有上表面46；以及
-光学系统5，其形成角度滤光器并覆盖表面46。
图像传感器44包括支撑件47和布置在支撑件47与光学系统5之间的光子传感器48(也称为光电探测器)的阵列。光电探测器48可被未示出的透明保护涂层覆盖。图像传感器44还包括导电迹线和允许选择光电探测器48的未示出的开关元件，特别是晶体管。在图5中，光电探测器以基本恒定的间距隔开。光电探测器48可以由有机材料制成。光电探测器48可以对应于有机光电二极管(OPD)、有机光敏电阻、与CMOS晶体管阵列相关的非晶硅光电二极管。与光学系统5相对并且包含光电探测器48的图像传感器44的表面积大于1cm2，优选地大于5cm2，更优选地大于10cm2，特别地大于20cm2。图像传感器44的上表面46可以是基本平坦的。
根据一个实施例，每个光电探测器48能够检测400nm至1100nm的波长范围内的电磁辐射。所有光电探测器48能够检测相同波长范围内的电磁辐射。作为变型，光电探测器48能够检测不同波长范围内的电磁辐射。
图像采集系统40还包括未示出的装置，用于处理由例如包括微处理器的图像传感器44输出的信号。
覆盖图像传感器44的角度滤光器5能够根据辐射42相对于上表面22的入射来过滤入射辐射42，特别是使得每个光电探测器48仅接收其相对于上表面22的垂直轴的入射小于最大入射角(小于45°，优选地小于30°，更优选地小于20°，还更优选地小于10°)的光线。角度滤光器5能够阻挡其相对于上表面22的垂直轴的入射大于最大入射角的入射辐射光线。
根据一个实施例，光电探测器48可以以行和列分布。在图5中，光电探测器48的间距与孔26的间距相同。然后，优选地，包含开口的层10与图像传感器44对准，使得每个孔26位于光电探测器48的对面。根据另一实施例，孔26的间距p小于图像传感器44的光电探测器48的间距。在这种情况下，多个孔26可以位于光电探测器48的对面。根据另一实施例，孔26的间距p大于图像传感器44的光电探测器48的间距。在这种情况下，多个光电探测器48可以位于孔26的对面。
现在将针对照明或显示系统的准直装置描述光学系统5的另一应用示例。
图6是输出准直光的照明系统50的实施例的局部简化截面图。在图6中，照明系统50从底部到顶部包括：
-光源52，其发射非准直辐射54；以及
-前面所述的光学系统5，其覆盖光源52并接收由光源52提供的辐射54，在图6中没有涂层16，层10包含插在光源52与微透镜阵列14之间的开口。
优选地，光源52的发射平面靠近光学系统5的焦平面。此外，根据设想的应用，层的孔26的形状因数(高宽比或纵横比)应足够高，使得从给定微透镜14对面的开口26出来的光线都不会穿过相邻的微透镜。实际上，在这种情况下，输出光线不被准直。如前所述，层10的孔径角通过开口26的纵横比来调节。
在本实施例中，光学系统5起到准直装置的作用，其能够准直由光源52输出的辐射54。在图6中，光源52被示出为具有基本平坦的发射表面。作为变型，光源52的发射表面可以是弯曲的。
现在将针对照明系统筛选装置描述光学系统5的另一应用示例。
图7是照明系统60的一个实施例的局部简化截面图。在图7中，照明系统60从底部到顶部包括：
-光源62，其发射辐射；以及
-前面所述的光学系统5，其覆盖光源62并接收由光源62发射的辐射，图7中没有涂层16，微透镜阵列14插在光源62与包含开口的层10之间。
在本实施例中，包含开口的层10包括不透明的焊盘64，每个焊盘64位于微透镜14的对面并且被孔26围绕，孔26彼此连通。在本实施例中，光学系统5起筛网的作用，其被配置为阻挡由光源62发射的相对于光源62的发射表面基本上垂直的光线66，以及允许相对于光源62的发射表面倾斜的光线68通过。这样的照明系统60特别地可在需要漫射照明的显微镜中使用。
光学系统5的另一应用示例包括在光刻方法中将光学系统5用作掩模。
图8至图12是在制造图1和图2所示的光学系统5的方法的一个实施例的连续步骤中获得的结构的局部简化截面图。
图8示出了在中间层12上形成微透镜阵列14之后获得的结构。作为变型，可以在不同于中间层12的支撑件上形成微透镜阵列14。当存在中间层12时，在形成中间层12之前去除该支撑件，或者当没有中间层12时，在形成包含开口的层10之前去除该支撑件。根据一个实施例，微透镜14的制造包括在中间层或另一支撑件上形成构成微透镜14的材料层，并且例如通过形成微透镜的阵列使该层变形。根据另一实施例，通过模制形成微透镜14。
图9示出了当具有涂层16时，在微透镜阵列14上形成涂层16之后获得的结构。当没有涂层16时，可以在先前关于图8描述的步骤之后直接执行下文关于图10描述的步骤。根据一个实施例，涂层16的形成可以包括以下步骤：
-在微透镜阵列14上沉积形成层18的液体或粘性材料层。液体层因此遵循微透镜14的形状。该层优选地执行自平坦化，即，它自动形成基本平坦的自由表面；
-固化该液体层以形成层18。这可以包括使形成层18的材料交联的步骤，特别是通过热交联和/或通过紫外线束的辐射来实现此步骤；以及
-例如通过在层18上层压膜，在层18上形成层20，或者在没有层18时，形成与微透镜层14接触的层20。
图10示出了在中间层12的与微透镜阵列14相对的一侧上形成不透明层24之后获得的结构。不透明层24可通过液体沉积，通过阴极溅射或通过蒸镀来沉积。特别地，可以使用诸如旋涂、喷涂、照相制版法、狭缝挤压涂布、刮涂、柔性版印刷或丝网印刷之类的方法。根据所实现的沉积方法，可以提供干燥沉积材料的步骤。
图11示出了在不透明层24的部分72在期望的孔26的位置处暴露于穿过微透镜14的辐射70的步骤期间获得的结构。用于曝光不透明层24的辐射取决于所使用的的抗蚀剂。作为示例，辐射70是在DNQ-Novolack树脂的情况下具有大约在300nm至450nm范围内的波长的辐射或针对DUV抗蚀剂的紫外线辐射。不透明层24暴露于辐射70的持续时间具体取决于所使用的正性抗蚀剂的类型，并且足以使不透明层24的暴露部分72在不透明层24的整个厚度上延伸。
不透明层24的曝光通过微透镜14进行。然后，不透明层24优选地位于微透镜14的焦平面内或接近微透镜14的焦平面。根据一个实施例，到达微透镜14的入射辐射70是基本准直的辐射，因此基本上在不透明层24的水平或接近不透明层24的水平上被每个微透镜14聚焦。当不透明层24通过微透镜14暴露于辐射70时，不透明层24可以相对于微透镜14的焦平面偏移以在不透明层24的获得具有所需尺寸的光斑。优选地，辐射70相对于上表面22的倾斜度基本上对应于在图像采集系统5的正常使用期间由光电探测器48捕获的辐射6相对于上表面22形成的平均倾斜度。根据一个实施例，辐射70基本上垂直于层24。根据另一实施例，辐射70相对于与层24垂直的方向倾斜，从而能够获得相对于微透镜偏移的孔26。在图11中，孔26是圆柱形的，即它们的横截面面积恒定。然而，如前所述，孔26的横截面面积可能不是恒定的。作为示例，孔26可以具有锥形形状。根据另一实施例，入射辐射70表现出发散，例如发散角大于1°，到达微透镜14的入射辐射70的发散角将被调整，以调制形成在层24中的孔26的宽度。
根据另一实施例，特别是当没有涂层16时，可以在曝光步骤期间将具有合适折射率的材料层临时布置在微透镜阵列14上，以改变微透镜14的焦距，使得曝光部分72具有期望的尺寸
根据一个实施例，在曝光步骤期间，可以根据孔26的期望形状相对于微透镜阵列14放置发射曝光辐射的光源70。作为示例，发射曝光辐射的光源70可以呈环形放置，从而获得具有环形横截面的孔26。这样的孔形状尤其允许形成带通角度滤光器，这样便允许其相对于与表面22正交的方向的入射在至少一个第一入射范围内的光线通过，以及允许其相对于与表面22正交的方向的入射至少在不同于所述至少一个第一入射范围的至少一个第二范围内的光线通过。
根据一个实施例，微透镜14可以根据曝光辐射70的波长而具有不同的聚焦点。抗蚀剂层24可以对这些不同的波长敏感。作为变型，当包含开口的层10包括多个光敏层的堆叠时，每个光敏层可以对特定波长的辐射敏感。然后，曝光步骤可以包括将一个或多个光敏层暴露于这些不同波长的辐射下，以获得具有期望形状的孔26。
图12示出了在不透明层24的显影步骤中获得的结构，该步骤导致在显影剂中溶解不透明层24的暴露于入射辐射70的部分72，从而形成孔26。这样便获得了包含开口的层10。显影剂的组成取决于已使用的正性抗蚀剂的性质。
此方法可以包括后续步骤，其中包括用填充材料填充孔26，以及将以此方式获得的光学系统5粘合到图像传感器44。
图13和图14是在制造图1和图2所示的光学系统5的方法的另一实施例的连续步骤中获得的结构的局部简化截面图。
制造方法的本实现模式的初始步骤包括先前关于图8至图11描述的步骤，不同之处在于层24被旨在填充包含孔的层10的孔26的材料层代替，该材料层由负性抗蚀剂制成，该负性抗蚀剂对有用辐射透明。
图13示出了在负性抗蚀剂的显影步骤中获得的结构，该步骤导致在显影剂中溶解在曝光步骤期间尚未暴露于所使用的辐射70的负性抗蚀剂部分，随后在曝光步骤中暴露的负性抗蚀剂部分因此形成焊盘80。显影剂的组成取决于已使用的负性抗蚀剂的性质。
图14示出了例如通过旋涂、喷涂、照相制版法、狭缝挤压涂布、刮涂、柔性版印刷或丝网印刷在焊盘80之间形成不透明层24之后获得的结构。因此，焊盘80界定了层24中的孔26。然后获得包含开口的层10。
制造图1和图2所示的光学系统5的方法的另一实施例包括先前关于图8至图11所描述的步骤，不同之处在于层24由能够在辐射70的作用下降解的材料制成，特别是在辐射70对应于激光辐射时。该激光辐射的照度足够低以避免损坏微米级光学元件阵列14，并且在通过微米级光学元件阵列准直之后足够高以在部分72的水平处使层24退化。在先前关于图11描述的曝光步骤中，暴露于辐射70的部分72因此被该辐射破坏，然后直接形成孔26。因此获得包含开口的层10。
根据一个实施例，制造光学系统的方法可以对应于卷对卷方法。根据另一实施例，制造光学系统的方法可以对应于片对片方法。
如图4所示，当包含开口的层10包括至少两个层24、28的堆叠，每个层包含孔26、30时，根据前述制造方法实施例中的任一个，首先形成包含孔26的第一层24，然后形成包含孔30的第二层28，其中考虑了存在第一层24。层24与28之间可以具有透明中间层。
有利地，通过形成孔26的方法自动实现孔26相对于微透镜14的对准。此外，当包含开口的层10包括至少第一和第二不透明层的堆叠，每个层包含孔时，通过形成第二不透明层的孔的方法自动实现第二不透明层的孔相对于第一不透明层的孔的对准。
已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解，可以组合这些实施例的某些特征，并且本领域技术人员将容易想到其他变型。
最后，基于上文提供的功能指示，本文描述的实施例和变型的实际实现在本领域技术人员的能力之内。

Claims (30)

1.一种制造光学系统(5)的方法，所述光学系统包括层(24)，所述层包含贯通的或部分贯通的孔(26)并被微米级光学元件阵列(14)覆盖，所述光学系统包括旨在接收第一辐射(42、54)的表面(22)，所述方法包括穿过所述微米级光学元件阵列(14)使具有与所述层相同的材料或不同的材料的膜(24)暴露于第二辐射(70)，所述材料对所述第二辐射光敏感或能够通过所述第二辐射加工，所述方法还包括去除所述膜的暴露于或未暴露于所述第二辐射的部分(72)以界定完全或部分地穿过所述层的孔(26)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述膜(24)由对所述第二辐射(70)光敏感的抗蚀剂制成。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述层(24)由对所述第二辐射正性光敏感的抗蚀剂制成，所述膜的去除部分(72)是暴露于所述第二辐射的部分。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述膜(24)由对所述第二辐射负性光敏感的抗蚀剂制成，所述膜的去除部分(72)是未暴露于所述第二辐射的部分。
5.根据权利要求1所述的方法，包括通过激光束加工所述层(24)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述光学系统(5)形成角度滤光器，所述角度滤光器被配置为阻挡相对于与所述表面(22)正交的方向的入射在至少一个第一入射范围内的所述第一辐射(42)的光线，以及允许相对于与所述表面正交的方向的入射在不同于所述至少一个第一入射范围的至少一个第二入射范围内的所述第一辐射的光线通过。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述第一辐射(42、54)不同于所述第二辐射(70)。
8.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中所述第一辐射(42、54)在可见光范围内和/或在红外光范围内。
9.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中所述第二辐射(70)在可见光范围内和/或在紫外光范围内。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，包括在所述曝光步骤中，使得所述微米级光学元件阵列(14)接触具有不同于所述微米级光学元件的折射率的、不同于空气的材料。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述光学系统(5)的制造是卷对卷执行的。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，包括：在形成所述孔(26)之后，用粘合材料填充所述孔，以及经由粘合材料将包括所述孔的所述层(24)固定到装置(44)上。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述第二辐射(70)被准直。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述第二辐射(70)具有大于1°的发散角。
15.一种光学系统(5)，包括旨在接收第一辐射(42、54)的表面(22)、包含贯通的或部分贯通的孔(26)并被微米级光学元件阵列(14)覆盖的层(24)，所述层由一种材料制成或者所述孔用所述材料填充，所述材料对第二辐射(70)光敏感或能够通过所述第二辐射加工。
16.根据权利要求15所述的光学系统，其中所述层(24)对所述第一辐射(42、54)不透明，所述系统被配置为阻挡相对于与所述表面(22)正交的方向的入射在至少一个第一入射范围内的所述第一辐射的光线，以及允许相对于与所述表面正交的方向的入射在不同于所述至少一个第一入射范围的至少一个第二入射范围内的所述第一辐射的光线通过。
17.根据权利要求15或16所述的光学系统，其中所述材料是对所述第二辐射(70)光敏感的抗蚀剂。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的光学系统，包括与孔(26)一样多的微米级光学元件(14)，所述微米级光学元件之间的间距与孔之间的间距相同。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的光学系统，其中对于每个孔(26)，垂直于所述表面(22)测量的所述孔的高度与平行于所述表面测量的所述孔的长度之比在1至10之间变化。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的光学系统，其中所述孔(26)以行和列布置，同一行或同一列的相邻孔之间的间距(p)在1μm至100μm之间变化。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的光学系统，其中沿着与所述表面(22)正交的方向测量的每个孔(26)的高度在1μm至800μm之间变化。
22.根据权利要求21所述的光学系统，其中沿着与所述表面(22)正交的方向测量的每个孔(26)的高度在10μm至800μm之间变化。
23.根据权利要求21所述的光学系统，其中沿着与所述表面(22)正交的方向测量的每个孔(26)的高度在1μm至100μm之间变化。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的光学系统，其中平行于所述表面(22)测量的每个孔(26)的宽度在0.1μm至100μm之间变化。
25.根据权利要求15至24中任一项所述的光学系统，包括所述层(24)和附加层(28)的堆叠(10)，所述层(24)包含所述贯通的或部分贯通的孔(26)，所述附加层(28)包含与所述孔对准的附加的贯通的或部分贯通的孔(30)。
26.一种图像采集系统，包括图像传感器(44)和覆盖所述图像传感器并形成角度滤光器的根据权利要求15至25中任一项所述的光学系统(5)。
27.根据权利要求26所述的图像采集系统，其中所述图像传感器(44)包括光电探测器阵列(48)，所述光电探测器之间的间距等于、大于或小于孔(26)之间的间距。
28.根据权利要求26或27所述的图像采集系统，其中所述光学系统(5)包括起到所述图像传感器(24)的保护层作用的辅助层(24)。
29.根据权利要求26至28中任一项所述的图像采集系统，其中所述图像传感器(44)至少部分地由有机材料制成，并且其中所述光学系统(5)包括水密和/或氧密膜(12)。
30.一种照明或显示系统(50、60)，包括光源(52、62)和覆盖所述光源的根据权利要求15至25中任一项所述的光学系统(5)。
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