CN112714879A - 光学系统及其制造过程 - Google Patents

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CN112714879A CN201980061135.XA CN201980061135A CN112714879A CN 112714879 A CN112714879 A CN 112714879A CN 201980061135 A CN201980061135 A CN 201980061135A CN 112714879 A CN112714879 A CN 112714879A
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阿加特·普什卡
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Abstract

本描述涉及一种光学系统(5)，包括层(16)，该层包括旨在接收辐射的第一表面(11)和与第一表面相对的第二表面(13)。该层对辐射不透明并且包括在第一表面上开口的贯通的或部分贯通的孔(18)。该光学系统包括覆盖该层的微米级光学元件(14)矩阵。每个光学元件被配置为充当焦距在1μm至100μm之间的会聚透镜。与第一和第二表面等距的表面与光学元件的焦点之间的距离小于所述层的厚度的两倍。

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
本公开一般地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。另一应用示例对应于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，例如以对由每个显示像素发射的辐射进行角度滤波。
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。
发明内容
因此，需要一种厚度缩小的光学系统。
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光学系统，所述光学系统包括一个层，所述层包括旨在接收辐射的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述层对所述辐射不透明并且包括在所述第一表面上开口的贯通的或部分贯通的孔，所述光学系统包括覆盖所述层的微米级光学元件阵列，每个光学元件被配置为充当焦距在1μm至100μm的范围内的会聚透镜，与所述第一和第二表面等距的表面与所述光学元件的焦点之间的距离小于所述层的厚度的两倍。
根据一个实施例，所述光学系统被配置为阻挡其相对于与所述第一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辐射的光线，以及允许其相对于与所述第一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，所述微米级光学元件阵列包括微米级透镜阵列、微米级菲涅耳透镜阵列、微米级渐变折射率微透镜阵列，或微米级衍射光栅阵列。
根据一个实施例，所述微米级光学元件阵列包括微米级透镜阵列。
根据一个实施例，所述微米级透镜的焦平面是混杂的。
根据一个实施例，所述微米级透镜具有圆形或六边形底面，并且根据六边形平铺布置。
根据一个实施例，所述微米级透镜具有正方形底面，并且根据正方形平铺布置。
根据一个实施例，所述微米级光学元件阵列包括微米级非球面透镜阵列。
根据一个实施例，每个非球面透镜包括被外围部分围绕的中心部分，所述外围部分的曲率半径大于所述中心部分的曲率半径。
根据一个实施例，每个透镜具有等于-1的圆锥常数，并且中心处的曲率半径在所述透镜的间距的1/3至2/3的范围内。
根据一个实施例，所述透镜是球面透镜，并且其中所述透镜的曲率半径大于所述透镜的所述间距的一半且小于所述透镜的所述间距。
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，垂直于所述第一表面测量的所述孔的高度与平行于所述第一表面测量的所述孔的宽度之比在0.1至10之间变化。
根据一个实施例，所述孔像所述光学元件一样布置，同一行或同一列的相邻孔之间的间距在1μm至500μm之间变化。
根据一个实施例，沿着与所述第一表面正交的方向测量的每个孔的高度在0.1μm至1mm之间变化。
根据一个实施例，平行于所述第一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，所述光学系统包括所述层和附加层的堆叠，所述层包括所述贯通的或部分贯通的孔，所述附加层包括与所述孔对准的贯通的或部分贯通的附加孔。
根据一个实施例，所述光学系统还包括覆盖所述微米级光学元件阵列的涂层，所述微米级光学元件阵列介于所述涂层与所述层之间，所述涂层的折射率不同于空气的折射率。
根据一个实施例，所述涂层的折射率小于所述微米级光学元件阵列的折射率。
根据一个实施例，所述涂层与每个光学元件完全接触。
根据一个实施例，所述涂层仅在光学元件的顶部处与每个所述光学元件接触，并且与所述光学元件的其余部分具有空隙。
根据一个实施例，所述光学系统包括位于所述微米级光学元件阵列与所述层之间的支撑件。
根据一个实施例，所述支撑件的折射率大于所述层的折射率。
根据一个实施例，所述支撑件的折射率大于所述微米级光学元件阵列的折射率。
根据一个实施例，所述孔填充有折射率小于所述支撑件的折射率的固体、液体或气体材料。
根据一个实施例，所述微米级光学元件的所述间距的一半与所述支撑件的厚度之比的反正切值大于填充所述孔的材料的折射率与所述支撑件的折射率之比的反正弦值。
根据一个实施例，所述孔是截锥形的。
根据一个实施例，所述光学元件的所述焦平面位于所述第二表面内的1μm以内。
根据一个实施例，对于每个孔，所述第一表面上的所述孔的尺寸等于由面向所述孔的所述光学元件聚焦的所述第一表面上的所述辐射的尺寸，或比其大至多10％。
根据一个实施例，对于每个孔，所述第二表面上的所述孔的尺寸等于由面向所述孔的所述光学元件聚焦的所述辐射在所述第二表面上的尺寸，或比其大至多10％。
一个实施例还提供了一种图像采集系统，该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波器的诸如上面定义的光学系统。
根据一个实施例，所述图像传感器包括光电探测器阵列，并且所述光学元件的间距小于所述光电探测器的间距的一半。
一个实施例还提供了一种照明或显示或照射系统，所述系统包括光源和覆盖所述光源的诸如上面定义的光学系统。
根据一个实施例，所述光源包括辐射的发射区域，所述辐射位于包含所述光学元件的所述焦点的平面内的0.1μm以内，并且对于每个孔，垂直于所述第一表面测量的所述孔的高度与平行于所述第一表面测量的所述孔的宽度之比大于5，由此所述光学系统起着用于准直所述辐射的装置的作用。
附图说明
在以下参考附图通过举例而非限制的方式给出的对特定实施例的描述中，将详细描述上述以及其他特征和优点，其中：
图1是光学系统的一个实施例的局部简化截面图，该光学系统包括具有开口的层和微透镜阵列；
图2是包括图1所示的光学系统的具有开口的层的俯视图；
图3示出了图1的光学系统的变型，在这种情况下，微透镜嵌入折射率大于1的介质中；
图4示出了图1的光学系统的另一变型；
图5示出了图1的光学系统的另一变型；
图6示出了图1的光学系统的另一变型；
图7示出了图1的光学系统的另一变型；
图8示出了图1的光学系统的另一变型；
图9示出了图1的光学系统的另一变型；
图10示出了图1的光学系统的另一变型；
图11示出了图1的光学系统的另一变型；
图12示出了具有开口的层的透射率变化曲线；
图13示出了具有不同形状的孔的角度滤波器的光学特性；
图14示出了图1的光学系统的其他光学特性；
图15是光学系统的一个实施例的局部简化截面图，该光学系统包括具有开口的层和用于仿真的微透镜阵列；
图16示出了针对图15的光学系统利用第一尺寸和光学参数获得的归一化角透射率的变化曲线；
图17示出了针对图15的光学系统利用第二尺寸和光学参数获得的归一化透射率的变化曲线；
图18示出了微透镜布置的实施例；
图19示出了微透镜布置的另一实施例；
图20示出了微透镜布置的另一实施例；
图21的左侧部分包括图1的光学系统在球面微透镜和具有开口的层的开口的高度处的截面图，其右侧部分包括利用左侧部分所示的微透镜获得的聚焦点的俯视图。
图22是与图21相似的非球面透镜的图；
图23示出了图像采集系统的实施例；
图24示出了照明或投影系统的实施例；
图25示出了制造图3所示的光学系统的方法的实施例的步骤；
图26示出了该方法的另一步骤；
图27示出了该方法的另一步骤；
图28示出了该方法的另一步骤；
图29示出了该方法的另一步骤；
图30示出了用于获得第一孔形状的参数；
图31示出了用于获得第二孔形状的参数；
图32示出了制造图3所示的光学系统的方法的另一实施例的步骤；以及
图33示出了该方法的另一步骤。
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。
透射率对应于从光学系统5发射的辐射的强度与进入光学滤波器的辐射的强度之比。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。
此外，在下面的描述中，“有用辐射”是指电磁辐射在操作中穿过光学系统并且由于光学系统相关联的光源发射或者被与光学系统相关联的探测器捕获。在以下描述中，“微米级光学元件”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 forOxygen Gas Transmission Rate Through Plastic Film and Sheeting Using aCoulometric 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 Methodfor Water Vapor Transmission Rate Through Plastic Film and Sheeting Using aModulated 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。在以下描述中，固体、液体或气体材料的折射率对应于该材料在有用辐射波长范围内的折射率。除非另有说明，否则折射率被认为在有用辐射的波长范围内是基本恒定的，例如等于有用辐射波长范围内的折射率的平均值。
根据一个实施例，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，从而起到角度滤波器的作用，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、微米级渐变折射率微透镜阵列，或微米级或纳米级衍射光栅阵列，每个微米级或纳米级光学元件与具有开口的层的一个开口相关联。
现在将针对以下光学系统描述光学系统的这些实施例：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的一个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，具有上下表面11和13，例如平坦和平行的上下表面；
-中间层12，其覆盖包含开口的层10，该中间层12可以被空气膜取代；
-微米级光学元件14阵列，例如覆盖中间层12的微透镜14阵列，中间层然后能够发挥微透镜14阵列的支撑件的作用，其中中间层12和微透镜14阵列可以对应于单片结构。
图1示出了作为示例的两条穿过光学系统5的光线R和R'。将半径R的初始入射称为穿过微透镜14之前的光线R与垂直于表面11的方向D之间的角度R，并将光线R的最终入射α称为穿过微透镜14之后的R与垂直于表面11的方向D之间的角度。
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包括被孔18(也称为开口)穿过的不透明层16。优选地，孔18是通孔，因为它们延伸穿过层16的整个厚度。根据另一实施例，孔18只能穿过不透明层16的厚度的一部分延伸，不透明层16的其余部分保留在孔18的底部。但是，在这种情况下，位于孔18的底部的不透明层16的残留部分的厚度足够小，以使得包含孔18的组件可能被填充，并且可以将位于孔18的底部的不透明层16的残留部分视为对于有用辐射透明。
根据一个实施例，孔18的分布遵循微透镜14的分布。作为示例，图2对应于其中微透镜以正方形网格的形式分布的情况。但是，微透镜14的其他布局也是可能的，例如采取六边形网格的形式。层16的厚度被称为“h”，其对应于孔18的高度。层16可以对全部或部分光谱的入射辐射不透明。层16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16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。形成光学元件14阵列的材料的折射率被称为n1。形成中间层12的材料的折射率被称为n2。形成层16的材料的折射率被称为n3。孔18的填充材料的折射率被称为n4。
在图2中，孔18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18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18被示出为在不透明层16的整个厚度上具有恒定的横截面。但是，每个孔18的横截面可以在不透明层16的整个厚度上变化。在通过包括光刻步骤的方法形成孔18的情况下，可以通过诸如曝光剂量、显影时间、光刻法曝光源的发散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18以行和列布置。孔18可以具有基本相同的尺寸。沿着行或列的方向测量的孔18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18的直径。根据一个实施例，孔18沿着行和列规则地布置。孔18的间距，即俯视图中一行或一列中的两个连续孔18的中心之间的距离称为“p”。如在下文进一步详细描述的，孔的布局复制微透镜14的布局。
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11的最终入射小于最大的最终入射角αmax的有用入射辐射光线通过，该入射角αmax由以下关系(1)定义，在这种情况下，形成层16的材料优选地具有吸收性，并且在这种情况下，孔18的入口处的宽度w等于孔18的出口处的宽度：
tanαmax＝w/h(1)
包含开口的层10的孔径角“a”等于最大的最终入射角αmax的两倍。孔径角a对应于具有完美吸收率的材料的情况。对于吸收率小于100％的实际材料，孔径a角可以大于从关系式(1)获得的值。
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500μm之间，优选地在1μm至100μm之间变化，更优选地在10μm至50μm之间变化，例如大约等于15μm。高度h可以在0.1μm至1mm之间，优选地在1μm至130μm之间，优选地在10μm至130μm之间或在1μm至200μm之间变化。宽度w可以在0.1μm至100μm之间，优选地在1μm至10μm之间变化，例如大约等于2μm。孔18可以全部具有相同的宽度w。作为变型，孔18可以具有不同的宽度w。
微透镜14是会聚透镜，每个透镜的焦距f在1μm至100μm，优选地在5μm至50μm的范围内。根据一个实施例，所有微透镜14基本相同。根据一个实施例，微透镜14的最大厚度在1μm至20μm的范围内。
微透镜14和孔18的组合能够优化两个重要的参数。更具体地说，这能够在减小视角的同时增加法向入射的透射率。没有微透镜14，优化这两个参数需要具有极低的宽高比的孔和有效的填充率，这在实践中很难实现。在孔18上添加微透镜14可以消除相对于开口的形状因子和填充率的限制。
图3是图1所示的光学系统5的变型的截面图，其中光学系统5进一步包括覆盖微透镜14阵列的涂层20。涂层20例如包括多个层的堆叠，例如两个层22和24的堆叠，并且包括上表面26，涂层20可以省略，然后上表面26对应于微透镜14阵列的上表面。层22的折射率小于微透镜14阵列的折射率n1。作为变型，涂层20可以仅包括层22。层22的功能是保护微透镜14和/或形成基本平坦的表面，以简化与未示出的上层的组装。层22优选地具有小于微透镜14的折射率，以保持微透镜14的聚焦效果。根据一个实施例，层22的折射率在1.2至1.5的范围内，微透镜14的折射率在1.4至1.6的范围内。
图4是图3所示的光学系统5的变型的截面图，其中涂层20仅包含层24，层24对应于施加在微透镜14阵列上的膜。在这种情况下，层24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。层24可用于保护微透镜14，和/或形成基本平坦的表面，以简化与未示出的上层的组装。层24也可以是用于将光学系统5组装到上层的粘合层。
图5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16的附加不透明层28，层28位于不透明层16的与微透镜14相对的一侧，并被与孔18成一条直线的孔30穿过。
图6是图5所示的光学系统5的变型的截面图，其中包含开口的层10包括对有用辐射透明的中间层32，该中间层32介于不透明层16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。
图7是图1所示实施例的光学系统5的变型的局部简化截面图，其中孔18的横截面不是恒定的。在图7所示的实施例中，每个孔18的横截面随着到微透镜14的距离的增加而减小。根据一个实施例，孔18具有基本截锥形的形状。根据一个实施例，表面11侧上的孔18的直径在2μm至10μm的范围内，而表面13侧的孔18的直径在1μm至5μm的范围内。
图8是图1所示实施例的光学系统5的变型的局部简化截面图，其中包括开口的层10包括由第一材料制成的基层34，该基层34至少部分地对有用辐射透明并覆盖有对有用辐射不透明的涂层36，例如相对于有用辐射具有吸收性和/或反射性。第一材料可以是树脂，第二材料可以是金属(例如铝(Al)或铬(Cr))、金属合金或有机材料。根据层16的特性，该材料可能会如图8所示覆盖孔壁，也可能不覆盖。
图9是图1所示实施例的光学系统5的另一变型的局部简化截面图，其中相对于有用辐射具有反射性的层38覆盖包含与微透镜14相对的开口的层10的表面。在图9中，孔18具有适合于微透镜14的形状，例如基本上是圆柱形的。反射层38可以是金属层，例如铝(Al)或铬(Cr)的层。
图10是类似于图9的截锥形孔18的图，每个孔18的最大直径面向微透镜14。
图11是图9所示实施例的光学系统5的变型的局部简化截面图，其中反射层38覆盖包含与微透镜14相对的开口的层10的表面，并且可能覆盖孔18的内侧壁。
图9、10和11所示的实施例有利地使得能够通过反射或通过吸收来增加角度滤波器5对倾斜光线的阻碍。
根据一个实施例，层16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16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16由可激光切割的材料制成，即能够在激光辐射的作用下降解的材料。可激光切割的材料的示例是石墨、低厚度金属膜(通常为50nm至100nm)、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16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，层16可以进一步由吸收给定颜色的可见光(例如蓝光、绿光或青光或红外光)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，并且给定颜色的滤波器插在图像传感器与待检测物体之间。
当包含开口的层10由至少两个不透明层16、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18、30可以用空气或对有用辐射至少部分地透明的固体、液体或气体材料，尤其是空气(例如聚二甲基硅氧烷(PDMS))填充。作为变型，孔18、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波器的作用。这样允许相对于存在与光学系统5不同的有色滤波器的情况减小系统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18、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，和/或使结构变硬并提高包含开口的层10的机械阻力，和/或增加法向入射的透射性。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18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14阵列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。中间层12的厚度或者当用中间层12被空气膜取代时的空气膜的厚度在1μm至500μm，优选地在5μm至50μm的范围内。在中间层12对应于固体材料膜的情况下，中间层12的厚度可以对应于市售膜的标准厚度，例如12μm、19μm、23μm、36μm、50μm、100μm。如果期望针对具有开口10的层的微透镜14的分隔距离获得其他值，可以在所有微透镜共用的基层上形成微透镜14阵列，该基层位于中间层上并允许调节包括层12和基层的堆叠的总厚度。
涂层20对有用辐射至少部分地透明。涂层20的最大厚度可以在0.1μm至10mm的范围内。上表面26可以是基本上平坦的或具有弯曲的形状。
根据一个实施例，层22是遵循微透镜14的形状的层。层22可以从光学透明粘合剂(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/丙烯酸酯胶，或气体或气体混合物(例如空气)的薄膜获得。优选地，当层22遵循微透镜14的形状时，层22由具有低折射率，折射率低于微透镜14的材料的制成。层22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22对应于施加在微透镜14阵列上的膜，例如OCA膜。在这种情况下，层22与微透镜14之间的接触面积可以减小，例如限于微透镜的顶部。然后，层22可以由具有比层22遵循微透镜14的形状的情况更高的折射率的材料制成。根据另一实施例，层22对应于施加在微透镜14阵列上的OCA膜、具有使膜22完全地或基本完全地遵循微透镜表面形状的特性的粘合剂。根据一个实施例，层22的折射率小于微透镜14的折射率。根据一个实施例，层24可以由先前针对层22指示的一种材料制成。可以省略层24。层24的厚度在1μm至100μm的范围内。
根据一个实施例，微透镜14的数量与孔18的数量一样。优选地，微透镜14的布局遵循孔18的布局。特别地，相邻微透镜14的光学中心之间的间距与孔18的先前描述的间距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。这有利地允许增加法向入射处的滤波器的透射率。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16的整个厚度上或者与不透明层16相隔一定距离。根据一个实施例，微透镜的焦平面位于距表面11在不透明层16的厚度h的0至1.5倍的范围内的距离处。根据一个实施例，微透镜的焦平面基本上位于包含开口的层10的下表面13的水平处，例如位于下表面13的1μm之内，优选地在0.5μm之内，更优选地在0.1μm之内。根据一个实施例，当孔18的横截面不恒定时，表面11侧的每个孔18的入口尺寸等于或略大于微透镜在表面11的平面上折射的光束的直径，并且表面13侧的每个孔18的尺寸等于或略大于聚焦光的表面积。然而，表面11侧的每个孔18的入口尺寸可以相对于前文所述减小，以避免与来自相邻微透镜的光的相互串扰。此外，表面13侧的每个孔18的入口尺寸可以相对于前文所述减小，以避免与来自相邻微透镜的光的相互串扰和/或减小滤波器的孔径角。
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、环氧树脂或丙烯酸酯制成。微透镜14可以通过阻块的流动形成。微透镜14还可以通过PET、PEN、COP、PDMS/硅酮或环氧树脂或丙烯酸聚合物层的模塑，特别是通过UV模塑或热模塑来形成。
为了增加光学系统5的透射率，在表面11侧的每个孔18的直径等于表面13侧的孔18的直径的情况下，优选地，包含开口的层10的对称面位于微透镜14的焦平面上。包含开口的层10的对称面是与表面11和13等距的平面。选择包含开口的层10的视角“a”，使得每个开口18收集最大数量的来自相关联的微透镜14的光线，同时尽可能少地允许来自相邻透镜的光线通过。根据一个实施例，选择孔径角“a”，使其小于2*arctan(D/2f)，其中D是在具有圆形底面的微透镜的情况下的微透镜底面的直径，更一般是指微透镜底面的最大尺寸。
图12示出了在没有微透镜14阵列的情况下，光学系统5的透射率Tr的变化的曲线C1，其根据准直入射辐射的入射角α，先前描述的初始入射和最终入射是混杂的。法向入射处的透射率Tr0是入射角α等于0°时的透射率。当入射α趋向±90°时，大角度下的透射率Tr∞是透射率Tr趋向于的极限。考虑到层16的表面反射率以大角度增加的事实，大角度下的透射率Tr∞代表形成层16的材料的透明度。在图12所示的示例中，大角度下的透射率Tr∞基本上等于5％。根据一个实施例，层16的折射率n3小于中间层12的折射率n2。根据另一实施例，层16的折射率n3大于中间层12的折射率n2。对于对有用辐射完全不透明的材料，大角度下的透射率Tr∞基本上等于0％。将视角称为曲线C1的半峰全宽(FWHM)。所考虑的光学系统5的开口18的串扰等于与所考虑的开口相邻的开口18的出口处的光强度与进入所考虑的开口的光强度之比。
图13示出了图13的左侧部分所示的图1的具有圆柱形孔18的角度滤波器与图13的右侧部分所示的图7的具有截锥形孔18的角度滤波器之间的光学特性的差异。在结构相同的情况下，具有圆柱形孔的角度滤波器的根据光线R的初始入射的透射率的降低比具有截锥形孔的角度滤波器要慢。因此，具有圆柱形孔的角度滤波器的角度选择性小于具有截锥形孔的角度滤波器的角度选择性。通常，孔18的形状可以特别是根据所需的角度选择性进行调整。
图14是类似于图1的视图，其中示出了光学系统5的另一光学特性。根据一个实施例，通过选择形成中间层12的材料和孔18的填充材料，来减小相邻孔18之间的串扰，从而获得具有高最终入射的光线在中间层12与孔18之间的界面处的全反射，为了获得该界面处的全反射，折射率n4应小于折射率n2。获得最终入射大于由关系式(2)定义的最小入射角αmin的光线在中间层12与孔18的界面处的全反射：
αmin＝arcsin(n4/n2)(2)
此外，根据一个实施例，为了限制相邻孔18之间的串扰，微透镜14的间距的一半与支撑件12的厚度之比的反正切大于αmin。
作为示例，当孔18填充有空气(折射率n4等于1)并且中间层12由PMMA(折射率n2等于1.48)制成时，最小入射角αmin大约等于42°，当孔18填充有空气并且中间层12由PET(折射率n2等于1.65)制成时，最小入射角αmin大约等于37°。最小入射角αmin越小，允许全反射的可能的入射次数越多。对于给定的中间层12厚度，这尤其使得能够减小相邻微透镜14之间的间距，同时减少相邻孔18之间的串扰。此外，如果折射率n1小于折射率n2，则中间层12变为光的引导元件，该引导元件允许在中间层12的整个厚度上引导和衰减之后尚未透射穿过角度滤波器5的侧面边缘的光排出。
法向入射Tr0处的透射率特别取决于微透镜14的填充率，即，俯视图中的微透镜14在一个区域中所占的表面积与该区域的表面积之比。因此，通过减小分隔相邻微透镜14的间隙，可以增加法向入射Tr0处的透射率。
图15是根据图3所示的配置的第一光学系统5的截面图，该第一光学系统5被示出并用于进行仿真。对于第一光学系统5，微透镜14的间距为20μm。微透镜14阵列包括厚度为1.5μm的公共层，其上具有最大厚度为6.5μm的微透镜。微透镜14的曲率半径为11.1μm。将微透镜14浸入折射率等于1.34的介质中，如图3的介质22。中间层12的厚度为36μm。每个孔18的输入直径为8μm，每个孔18的输出直径为4μm。不透明层16的厚度为15μm。发明人通过仿真确定所获得的法向入射处的透射率为60％。
图16示出了图15所示的光学系统5的归一化透射率的变型的曲线C2。被定义为归一化角透射率峰值的半峰处的角度的视角为2.2°。
已形成根据图15所示的配置的第二光学系统5。对于第二光学系统5，微透镜14的间距为12μm。微透镜14阵列包括厚度为1.5μm的公共层，其上具有最大厚度为2μm的微透镜。微透镜14的曲率半径为9.9μm，中间层12的厚度为19μm。微透镜14位于折射率等于1的介质中，如图1所示。每个孔18的输入直径为5μm，每个孔18的输出直径为2μm。不透明层16的厚度为10μm。发明人通过仿真确定所获得的法向入射处的透射率为64％。
图17示出第二光学系统5的归一化透射率的变型的曲线C3。视角为2.4°。具有低折射率介质22的第一光学系统5的结构能够避免微透镜14与要在光学系统5上组装的部分之间存在空隙。然而，不带介质22的第二光学系统5的结构需要能够简化光学系统5的制造方法和组装的空隙。
对于先前结合图16和图17所述的仿真，微透镜14是球面透镜、相邻的并根据六边形平铺布置。但是，如果使用微透镜的100％填充率，则法向入射处的透射率大约为80％，特别是如下面进一步详细描述的。
图18是微透镜14的布置的实施例的俯视图，其中每个微透镜14具有圆形的底面。在本实施例中，微透镜14根据正方形平铺以行和列布置，其中除了微透镜阵列的外围之外，在俯视图中，每个微透镜14的边缘39内接在虚线所示的正方形内，这些正方形中的每一个都具有与其他四个正方形共有的边。然后获得大约78％的填充率。
图19是微透镜14的布置的实施例的俯视图，其中每个微透镜14具有圆形的底面。在本实施例中，微透镜14根据六边形平铺布置，其中除了微透镜阵列的外围之外，在俯视图中，每个微透镜14的边缘内接在虚线所示的六边形内，这些六边形中的每一个都具有与其他六个六边形共有的边，因此微透镜14基本上仅在孤立点相遇，这种布置可以达到90％的填充率，即，该填充率比使用根据正方向平铺的具有圆形底部的微透镜14的布置所达到的填充率大得多。在每个微透镜14基本为球面透镜的情况下，微透镜的曲率半径小于微透镜14的间距P。
图20是微透镜14的布局的实施例的俯视图，其中每个微透镜14具有圆形的底面。在本实施例中，微透镜14根据六边形平铺布置，其中除了微透镜的外围之外，在俯视图中，每个微透镜14的理论边缘19都外接到六边形，这些六边形中的每一个都具有与其他六个六边形共有的边，然后相邻微透镜14之间具有部分重叠。这种布置允许达到100％的填充率，即，该填充率大于图19所示的六边形平铺的填充率。根据一个实施例，在每个微透镜14基本为球面微透镜的情况下，微透镜的曲率半径大于微透镜14的间距P的一半。根据一个实施例，在非球面微透镜14的情况下，每个微透镜都具有等于-1的圆锥常数，并且中心处的曲率半径在透镜的间距的1/3至2/3的范围内。
在前述实施例中，每个微透镜14具有圆形的底面。但是，可以使用具有圆形底面的微透镜以外的微透镜。根据一个实施例，可以使用具有正方形底面或六边形底面的微透镜14。这样的布置允许达到大约100％的填充率。然而，可能不期望获得太高的填充率，特别是为了降低源自两个相邻微透镜的光的串扰。
在微透镜14为球面透镜的实施例中，图21的左侧部分包括位于微透镜14和层10的开口18的水平处的图1的光学系统5的一部分的截面图。图21的右侧部分进一步包括利用左侧部分中示出的球面透镜14获得的聚焦点40的俯视图。由于微透镜14的球面像差，零初始入射的光线不会全部聚焦在一个点上，然后，聚焦点40的轮廓可能会模糊，进而可能导致相对于零入射处的理论透射率Tr0，实际获得的零入射处的透射率Tr0降低。因为某些光线，特别是那些在微透镜14的外围到达微透镜14的光线，被包含开口的层10阻挡，所以角度选择性进一步提高了。
图22是其中每个微透镜14为非球面透镜的实施例中的与图21相似的图。每个非球面微透镜14可以包括被凹凸外围部分44围绕的凸出的中心部分42。非球面微透镜14允许获得清晰的聚焦点40。此外，相对于其中微透镜为球面透镜的实施例，非球面微透镜14能够增加零入射处的透射率Tr0，因为非球面微透镜14能够增加未被包含开口的层10阻挡的光线数量。根据一个实施例，外围部分44是凸起的并且外围部分44的曲率半径小于微透镜14的凸起的中心部分42的曲率半径。此外，非球面微透镜14相对于球面微透镜14能够减小聚焦点40的尺寸，这样允许减小孔18的宽度w，从而增加角度滤波器的选择性。
根据一个实施例，可以在每个开口18的侧面上沉积一层反射材料。根据另一实施例，可以实施使开口18的侧面变粗糙的方法。该方法可能涉及等离子体。根据一个实施例，开口18的侧面的算术粗糙度Ra在10nm至1μm的范围内。
现在将针对图像采集系统的角度滤波器描述光学系统5的应用示例。
图23是接收辐射52的图像采集系统50的一个实施例的局部简化截面图。在图23中，图像采集系统50从底部到顶部包括：
-图像传感器54，其具有上表面56；以及
-光学系统5，其形成角度滤波器并覆盖表面56。
根据一个实施例，在图23中，图像传感器54从底部到顶部包括：
-支撑件58；
-覆盖支撑件58的光子传感器(也称为光电探测器)阵列60；
-电绝缘层62，其覆盖光电探测器阵列60并且介于光电探测器阵列60与光学系统5之间，绝缘层62限定表面56；以及
-透明层64，其用作层62与包含开口的层10之间的粘合剂。
图像传感器54还包括导电迹线和允许选择光电探测器60的未示出的开关元件，特别是晶体管。图像采集系统50进一步包括用于处理由例如包括微处理器的图像传感器60输出的信号的装置(未示出)。
在图23中，光电探测器被示出为以基本恒定的间距隔开。光电探测器60可以由有机材料制成。光电探测器60可以对应于有机光电二极管(OPD)、有机光敏电阻。光电探测器60可以由无机材料制成。光电探测器60可以对应于与CMOS晶体管阵列相关联的单晶硅光电二极管，或者对应于与CMOS晶体管阵列相关联的非晶硅光电二极管。根据一个实施例，与光学系统5相对并且包含光电探测器60的图像传感器54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54的上表面56可以是基本平坦的。作为变型，图像传感器54的上表面56可以是弯曲的。
层62对有用辐射透明。层62的厚度在10nm至50μm的范围内。层62可以由先前针对层22和24所述的材料中的至少一种制成，特别是在层24是粘合层的情况下。根据一个实施例，层62不存在。层62可以进一步是不透氧和/或不透水的。根据另一实施例，层62不存在，并且光学系统62与光电探测器阵列60直接接触。
根据一个实施例，每个光电探测器60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60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60能够检测不同波长范围内的电磁辐射。
覆盖图像传感器54的角度滤波器5能够根据辐射52相对于上表面26的初始入射来过滤入射辐射52，特别是使得每个光电探测器60仅接收其相对于上表面26的垂直轴的入射小于最大初始入射角(小于45°，优选地小于30°，更优选地小于20°，还更优选地小于10°，特别是小于5°)的光线。角度滤波器5能够阻挡其相对于上表面26的垂直轴的初始入射大于最大初始入射角的入射辐射光线。
根据一个实施例，光电探测器60可以以行和列分布。在图23中，光电探测器60的间距与孔18的间距相同。然后，优选地，包含开口的层10与图像传感器54对准，使得每个孔18位于光电探测器60的对面。根据一个实施例，开口18的横截面积与关联的光电探测器18的俯视图中的面积之比在1/10至1/2的范围内。根据另一实施例，孔18的间距p小于图像传感器54的光电探测器60的间距，例如小于光电探测器的间距的一半，优选地小于光电探测器60的间距的四分之一。在这种情况下，多个孔18可以位于同一光电探测器60的对面。根据另一实施例，孔18的间距p大于图像传感器54的光电探测器60的间距。在这种情况下，多个光电探测器60可以位于同一孔18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24是输出准直光的照明系统70的一个实施例的局部简化截面图。在图24中，照明系统70从底部到顶部包括：
-光源72，其发射非准直辐射74；以及
-前面所述的光学系统5，其覆盖光源72并接收由光源72发出的辐射74，在图24中没有涂层20，包含开口的层10介于光源72与微透镜14阵列之间。
优选地，光源72的发射平面靠近光学系统5的焦平面，优选地位于光学系统5的焦平面内的0.1μm之内。此外，根据设想的应用，层10的孔18的形状因子(高宽比)非常高，优选地大于5，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18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72输出的辐射74。在图24中，光源72被示出为具有基本平坦的发射表面。作为变型，光源72的发射表面可以是弯曲的。在图24中，光源72被示为在光学系统5下方延伸的连续光源。然而，应该清楚的是，光源72可以包括单独的光源，并且每个单独的光源可以与孔18之一对准。
图25至图29是在制造图3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。
图25示出了在中间层12上形成微透镜14阵列之后获得的结构。作为变型，可以在不同于中间层12的支撑件上形成微透镜14阵列。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，通过模塑形成微透镜14。在图25中，微透镜14被示为是分离的或几乎分离且相邻的。作为变型，微透镜14阵列可以包括图14所示的所有微透镜共有的基层。
图26示出了当具有涂层20时，在微透镜14阵列上形成涂层20之后获得的结构。当没有涂层16时，可以在先前关于图25描述的步骤之后直接执行下文关于图27描述的步骤。根据一个实施例，涂层20的形成可以包括以下步骤：
-在微透镜14阵列上沉积形成层22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22。这可以包括使形成层22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22上层压膜，在层22上形成层24，或者在没有层22时，形成与微透镜层14接触的层24。
图27示出了在中间层12的与微透镜14阵列相对的一侧上形成不透明层16之后获得的结构。不透明层16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28示出了在将不透明层16的部分78上的期望的孔18的位置暴露于穿过微透镜14的准直辐射76的步骤期间获得的结构。
图29示出了在不透明层16的显影步骤中获得的结构，该步骤导致在显影剂中溶解了不透明层16的暴露于入射辐射76的部分78，从而形成孔18。因此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。
该方法可以包括后续步骤，其中包括用填充材料填充孔18。
用于曝光不透明层16的辐射取决于所使用的抗蚀剂。作为示例，辐射76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16暴露于辐射76的持续时间具体取决于所使用的正性抗蚀剂的类型，并且优选地，足以使不透明层16的暴露部分78在不透明层16的整个厚度上延伸。
不透明层16的曝光通过微透镜14进行。所获得的孔18的形状特别是取决于形成层16的材料的吸收和散射特性，并且取决于入射光束的形状。根据一个实施例，不透明层16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76是基本准直的辐射，因此基本上在不透明层16的水平或接近不透明层16的水平上被每个微透镜14聚焦。当不透明层16通过微透镜14暴露于辐射76时，不透明层16可以相对于微透镜14的焦平面偏移以在不透明层16的获得具有所需尺寸的光斑。优选地，辐射76相对于上表面26的倾斜度基本上对应于在图像采集系统5的正常使用期间由旨在被光电探测器60捕获的辐射相对于上表面26形成的平均倾斜度。根据一个实施例，辐射76基本上垂直于表面26。根据另一实施例，辐射76相对于与表面26垂直的方向倾斜，从而能够获得相对于微透镜14偏移的孔18。
图30示出了当辐射76被形成层16的材料强烈散射并且基本被聚焦在层16的对称面上时的暴露部分78的形状的示例。可以获得诸如图29所示的基本呈圆柱形的孔18，即这些孔的横截面面积恒定。
然而，如前所述，孔18的横截面面积可能不是恒定的。作为示例，孔18可以具有截锥形形状。
图31示出了当辐射76被形成层16的材料轻微散射并且相对于微透镜14被基本聚焦在层16的下游时的暴露部分78的形状的示例。可以获得诸如图7所示的基本呈截锥形的孔18。
通常，树脂显影和曝光参数能够调节孔的轮廓。根据另一实施例，入射辐射76表现出发散，例如发散角大于1°，到达微透镜14的入射辐射76的发散角将被调整，以调制形成在层16中的孔18的宽度。
根据另一实施例，特别是当没有涂层20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14阵列上，以改变微透镜14的焦距，使得曝光部分78具有期望的尺寸。
根据一个实施例，在曝光步骤期间，可以根据期望的孔18的形状，例如通过改变光源相对于与表面26正交的方向的倾斜度和/或通过使光源更靠近微透镜14或通过将光源拉离微透镜14阵列来相对于微透镜14阵列移动发射准直或不准直的曝光辐射76的光源。作为示例，发射曝光辐射的光源76可以呈环形放置，从而获得具有环形横截面的孔18。这样的孔形状尤其允许形成带通角度滤波器，这样便允许其相对于与表面26正交的方向的初始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26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76的波长而具有不同的聚焦点。抗蚀剂层16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16、28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18、30。
图32和图33是在制造图3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25至图29描述的步骤，不同之处在于层16被旨在填充包含孔的层10的孔18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32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76的负性抗蚀剂部分，在曝光步骤中暴露的负性抗蚀剂层因此形成焊盘80。显影剂的组成取决于已使用的负性抗蚀剂的性质。
图33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16之后获得的结构。根据一个实施例，不透明层沉积在整个结构上，特别是在焊盘80上，并且例如通过光刻、蚀刻或剥离等步骤去除不透明层的覆盖焊盘80的部分。因此，焊盘80限定层16中的孔18。这样便获得了包含开口的层10。根据一个实施例，对于每个焊盘80，剥离方法的实现可能需要与层12接触的焊盘80的底部的尺寸小于焊盘80的顶部的尺寸。可以通过在先前关于图32描述的负性抗蚀剂层的曝光步骤中提供位于层12中的微透镜14的焦平面来制造具有此类形状的焊盘80。
制造图3所示的光学系统5的方法的另一实施例包括先前关于图25至图29所描述的步骤，不同之处在于层16由能够在辐射76的作用下降解的材料制成，特别是在辐射76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14阵列，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78的水平处使层16退化。在先前关于图28描述的曝光步骤中，暴露于辐射76的部分78因此被该辐射破坏，然后直接形成孔18。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5或6所示，当包含开口的层10包括至少两个层16、28的堆叠，每个层包含孔18、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18的第一层16，然后形成包含孔30的第二层28，其中考虑了存在第一层16。
有利地，在前述制造方法实施例中，借助形成孔18的方法自动实现孔18相对于微透镜14的对准。此外，当包含开口的层10包括至少第一层和第二不透明层16、28的堆叠时(每个层包含孔18、30)，第二不透明层28的孔30相对于第一不透明层16的孔18的对准是通过形成第二不透明层28的孔30的方法自动实现的。
根据图1和图2所示的光学系统5的制造方法的另一实施例，包含开口的层10和微透镜14阵列分别形成，然后彼此粘合。在这种情况下，一种制造包含开口的层10的方法包括将有色树脂层沉积在支撑件上；通过光刻在树脂层上印刷图案；然后对树脂层进行显影以仅保留包含开口的层10。制造包含开口的层10的方法的另一实施例包括通过光刻步骤形成透明树脂模具，该透明树脂模具的形状与包含开口的层10的期望形状互补；用形成包含开口的层10的材料填充该模具，然后从模具中去除所获得的结构。制造包含开口的层10的方法的另一实施例包括在有色膜(例如PDMS、PMMA、PEC、COP膜)上穿孔。可以通过使用微穿孔工具(例如包括微针)来进行穿孔，以获得所需的孔18的尺寸和孔18的间距。
制造图8所示的包含开口的层10的方法的实施例包括以下步骤：
-例如通过旋涂或通过狭缝挤压涂布在支撑件上沉积正性树脂层；
-通过光刻法在树脂层中印刷包含开口的层10的图案；
-对树脂层进行显影，以仅保留包含孔18的基层34；以及
-在基层34上和孔18的侧壁上形成涂层36，特别是通过选择性沉积，例如通过仅在基层34上蒸镀形成涂层36的第二材料，或通过在整个结构上沉积一层形成涂层36的第二材料，即在基层34上，在孔18的侧壁上，以及在孔18的底部上形成沉积一层第二材料，然后去除存在于孔18的底部的第二材料。
已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解，可以组合这些各种实施例和变型的某些特征，并且本领域技术人员将想到其他变型。特别地，图5至11所示的包含开口的层10的所述实施例可以与先前关于图18、19、21和22所描述的微透镜14阵列的实施例一起使用。
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 (34)

1.一种光学系统(5)，包括层(16)，所述层包括旨在接收辐射的第一表面(11)和与所述第一表面相对的第二表面(13)，所述层对所述辐射不透明并且包括在所述第一表面上开口的贯通的或部分贯通的孔(18)，所述光学系统包括覆盖所述层的微米级光学元件(14)阵列，每个光学元件被配置为充当焦距在1μm至100μm的范围内的会聚透镜，与所述第一和第二表面等距的表面与所述光学元件的焦点之间的距离小于所述层的厚度的两倍。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其被配置为阻挡其相对于与所述第一表面(11)正交的方向的入射在至少一个第一入射范围内的所述辐射的光线，以及允许其相对于与所述第一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。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其中所述微米级光学元件(14)阵列包括微米级透镜阵列、微米级菲涅耳透镜阵列、微米级渐变折射率微透镜阵列，或微米级衍射光栅阵列。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其中所述微米级光学元件(14)阵列包括微米级透镜阵列。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其中所述微米级透镜(14)的焦平面是混杂的。
6.根据权利要求4或5所述的光学系统，其中所述微米级透镜(14)具有圆形或六边形底面，并且根据六边形平铺布置。
7.根据权利要求4或5中任一项所述的光学系统，其中所述微米级透镜(14)具有正方形底面，并且根据正方形平铺布置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学系统，其中所述微米级光学元件(14)阵列包括微米级非球面透镜阵列。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其中每个非球面透镜(14)包括被外围部分(44)围绕的中心部分(42)，所述外围部分的曲率半径大于所述中心部分的曲率半径。
10.根据权利要求9所述的光学系统，其中每个透镜具有等于-1的圆锥常数，并且中心处的曲率半径在所述透镜的间距的1/3至2/3的范围内。
11.根据权利要求4至7中任一项所述的光学系统，其中所述透镜是球面透镜，并且其中所述透镜(14)的曲率半径大于所述透镜的所述间距的一半且小于所述透镜的所述间距。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光学系统，包括与孔(18)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。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光学系统，其中对于每个孔(18)，垂直于所述第一表面(11)测量的所述孔的高度与平行于所述第一表面测量的所述孔的宽度之比在0.1至10之间变化。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的光学系统，其中所述孔(18)像所述光学元件(14)一样布置，同一行或同一列的相邻孔之间的间距(p)在1μm至500μm之间变化。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的光学系统，其中沿着与所述第一表面(11)正交的方向测量的每个孔(18)的高度在0.1μm至1mm之间变化。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的光学系统，其中平行于所述第一表面(11)测量的每个孔(18)的宽度在0.1μm至100μm之间变化。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的光学系统，包括所述层(16)和附加层(28)的堆叠(10)，所述层(16)包括所述贯通的或部分贯通的孔(18)，所述附加层(28)包括与所述孔对准的贯通的或部分贯通的附加孔(30)。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的光学系统，还包括覆盖所述微米级光学元件(14)阵列的涂层(22)，所述微米级光学元件(14)阵列介于所述涂层与所述层(16)之间，所述涂层(22)的折射率不同于空气的折射率。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述涂层(22)的折射率小于所述微米级光学元件(14)阵列的折射率。
20.根据权利要求18或19所述的系统，其中所述涂层(22)与每个光学元件完全接触。
21.根据权利要求18或19所述的光学系统，其中所述涂层(22)仅在光学元件的顶部处与每个所述光学元件接触，并且与所述光学元件的其余部分具有空隙。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的光学系统，包括位于所述微米级光学元件(14)阵列与所述层(16)之间的支撑件(12)。
23.根据权利要求22所述的光学系统，其中所述支撑件(12)的折射率大于所述层(16)的折射率。
24.根据权利要求22或23所述的光学系统，其中所述支撑件(12)的折射率大于所述微米级光学元件(14)阵列的折射率。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的光学系统，其中所述孔(18)填充有折射率小于所述支撑件的折射率的固体、液体或气体材料。
26.根据权利要求25所述的光学系统，其中所述微米级光学元件(14)的所述间距的一半与所述支撑件(12)的厚度之比的反正切值大于填充所述孔(18)的材料的折射率与所述支撑件的折射率之比的反正弦值。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的光学系统，其中所述孔(18)是截锥形的。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的光学系统，其中所述光学元件(14)的所述焦点位于所述第二表面(13)内的1μm以内。
29.根据权利要求28所述的光学系统，其中对于每个孔(18)，所述第一表面(11)上的所述孔的尺寸等于由面向所述孔的所述光学元件(14)聚焦的在所述第一表面上的所述辐射的尺寸，或比其大至多10％。
30.根据权利要求28或29所述的光学系统，其中对于每个孔(18)，所述第二表面(13)上的所述孔的尺寸等于由面向所述孔的所述光学元件(14)聚焦的所述辐射在所述第二表面上的尺寸，或比其大至多10％。
31.一种图像采集系统(50)，包括图像传感器(54)和覆盖所述图像传感器并形成角度滤波器的根据权利要求1至30中任一项所述的光学系统(5)。
32.根据权利要求31所述的图像采集系统(50)，其中所述图像传感器(54)包括光电探测器(60)阵列，并且其中所述光学元件(14)的间距小于所述光电探测器的间距的一半。
33.一种照明或显示或照射系统(70)，包括光源(72)和覆盖所述光源的根据权利要求1至30中任一项所述的光学系统(5)。
34.根据权利要求33所述的照明或显示或照射系统(70)，其中所述光源(72)包括辐射(74)的发射区域，所述发射区域位于包含所述光学元件(14)的焦点的平面内的0.1μm以内，并且其中对于每个孔(18)，垂直于所述第一表面(11)测量的所述孔的高度与平行于所述第一表面测量的所述孔的宽度之比大于5，由此所述光学系统起着用于准直所述辐射的装置的作用。
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