CN113031128B - 晶圆级光学窗口及制作方法和具有该光学窗口的微镜装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种晶圆级光学窗口，包括：基材层，基材层具有相对设置的第一面和第二面；光学元件层，光学元件层集成于所述第一面和/或所述第二面的特定区域内。相应地，本发明提供了一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置。本发明还提供了一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置，包括晶圆级光学窗口，还包括：基底；MEMS微镜，MEMS微镜设置于所述基底上；支撑架，支撑架设置于晶圆级光学窗口与MEMS微镜之间。本发明通过在晶圆级光学窗口的特定区域上集成光学元件层，利用该集成有光学元件层的晶圆级光学窗口与MEMS微镜形成微镜装置，并将该微镜装置应用于各类光学系统中，能够实现包括散斑抑制、光束准直、聚光和扫描角度增大等功能。

Description

晶圆级光学窗口及制作方法和具有该光学窗口的微镜装置
技术领域
本发明涉及光学系统领域，具体涉及一种晶圆级光学窗口及制作方法和具有该光学窗口的微镜装置。
背景技术
自1980年第一款扫描式硅镜发布以来，微机电系统(microelectromechanicalsystems，以下简称MEMS)被广泛应用于光学扫描领域，并发展出大量的技术及产品。光学扫描领域已经成为了MEMS研究的重要方向。而随着技术的发展，在过去的十年间，微型投影技术和众多的医学成像技术的应用，成为了当前MEMS光学扫描装置，尤其是激光扫描装置发展的主要方向。
在基于MEMS微镜和激光光源的微型投影技术中，激光照射光学粗糙表面或通过不均匀媒质时，通常会因其强相干性而产生强度随机分布的颗粒状斑纹，称为散斑。散斑会导致显示的图像信息部分缺少，降低显示的分辨率，因此，如何抑制散斑，是提升成像分辨率的关键之一。
从散斑的成因分析，形成散斑的根本原因是照射光束具有极好的相干性。因此，散斑抑制的根本方法在于降低照射光束的相干性。现有的众多散斑抑制技术大体可分为三类：通过驱动多激光器形成低相干激光光源或平均形成的散斑亮度、通过振动的投影屏幕在人类视觉上进行弥补、通过在光路中添加具有特定功能的光学元件从时间和/或空间上影响激光光束的光学性质。其中，由于激光器的发光特性，总输出光功率一定，驱动多激光器的功耗大于驱动单一激光器的功耗。同时，激光器增多，生产成本也随之增加。而通过使投影屏幕振动实现散斑抑制的技术在实际应用时存在过多制约。因此，进行散斑抑制时，通过在模组的光路中添加具有特定功能的光学元件，在现阶段具有最广阔的应用前景。
现有技术中，主要使用的光学元件包括各类散射片、衍射光学元件、微透镜阵列以及表面粗糙化的MEMS微镜。
其中，散射片在静止状态下散斑抑制效果相当有限，需要通过驱动系统进行驱动，光束透过旋转和/或振动的散射片后形成具有时变性随机相位的子光束。子光束形成的散斑效果小且相互重合后使整体效果降低。然而，在激光显示系统中增加额外的驱动系统，既有可能对精密光学系统的可靠性造成不利影响，又有可能产生如噪声之类的负面效果，同时也不利于系统模组集成化、小型化，制约了系统模组的商业应用价值。
衍射光学元件在静止状态下即可对透过的光束进行分束，由于衍射光学元件具有微纳结构，分束后的子光束具有随机的相位，且子光束形成的散斑效果小且相互重合后使整体效果降低。但是，特定的衍射光学元件只能对特定波长的相干光光束进行分束，所以使用时存在一定的限制。
微透镜阵列也可以在静止状态下对光束进行分束，且相较于衍射光学元件具有更好的分束与匀束效果。通常，微透镜阵列通常需要2个阵列一起组合使用。因为单个微透镜阵列的匀束效果不如微透镜阵列组的匀束效果，所以匀束后光斑内亮度分布不均，散斑抑制效果不佳。然而，使用多个微透镜阵列会增加模组尺寸。同时，使用微透镜阵列组时需两个微透镜阵列需要相互对应，对于尺寸和位置的精度要求很高。另外，由于制作工艺的原因，使用透镜阵列(不止是微透镜阵列)时不可避免的会出现散射现象，造成能量损耗，光斑亮度降低，对于激光显示较为不利。
表面粗糙化的MEMS微镜通过在一个或多个维度内振动，使反射光束获得具有时变性的相位。但是，现有的表面粗糙化的MEMS微镜系统，仍存在一定的不足，例如工艺复杂、成品稳定性差、成本高、产率低等。同时，根据若干文献的记载，在实际使用中，粗糙化形成的凸起高度或深度需为入射波长的1/4～2倍，故对粗糙化MEMS微镜的表面微纳结构的精度要求较高，同时，使用额外的MEMS微镜无疑会增加设备的生产成本，所以实际使用时存在一定的限制。
综上，以上几种光学元件在相干光的显示系统中仅能实现散斑抑制功能，不能实现其他功能，例如光束准直和增大扫描角度等功能，而随着相干光的显示系统发展的趋势，对模组微型化、集成化提出了更高的要求，传统的光学元件越来越不能满足需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶圆级光学窗口及制作方法和具有该光学窗口的微镜装置，以解决现有技术中存在的上述问题。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供了一种晶圆级光学窗口，所述晶圆级光学窗口基于各类光学元件，包括但不限于各类透镜和透镜阵列等。
所述各类光学元件可通过各类工艺，包括模压工艺、纳米压印工艺等，集成在所述晶圆级光学窗口的至少一个面的特定区域上。
所述晶圆级光学窗口加工完成后，可通过半导体加工和晶圆级光学工艺与预先加工好的MEMS微镜、支撑架和基底进行晶圆级的耦接、封装，共同构成晶圆级真空封装的毫米级尺寸的微镜装置。
优选的，所述晶圆级光学窗口包括：
基材层，所述基材层具有相对设置的第一面和第二面；
光学元件层，所述光学元件层集成于所述第一面和/或所述第二面的特定区域内，用于对入射光束进行准直、分束、聚光，产生由若干子光束构成的光束，增大反射角度。
优选的，所述光学元件层以一体成型或非一体成型的方式集成于基材层的特定区域内。
优选的，所述基材层和所述光学元件层的材料相同或不相同。
优选的，所述基材层为玻璃晶圆。
优选的，所述光学元件层为二维微透镜阵列、一维柱状微透镜阵列和准直透镜中的一种或几种。
优选的，所述第一面和/或所述第二面的特定区域上蒸镀有金属反射层。
本发明的第二方面，提供了一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置，所述微镜装置可应用在激光投影显示、激光雷达等光学系统中，以解决相应的模组中诸如散斑抑制、扫描角度增大、光束准直、聚光等技术难题。
优选的，所述微镜装置包括上述晶圆级光学窗口，还包括：
基底；
MEMS微镜，所述MEMS微镜设置于所述基底上；
支撑架，所述支撑架设置于所述晶圆级光学窗口与所述MEMS微镜之间。
优选的，所述MEMS微镜包括依次设置的单晶硅衬底层、二氧化硅掩埋层和单晶硅器件层，所述单晶硅衬底层与所述基底相耦接，所述单晶硅器件层与所述支撑架相耦接。
优选的，所述二氧化硅掩埋层设置有至少一层，其厚度在0.1～3μm之间。
优选的，所述单晶硅器件层设置设置有至少一层，其厚度在10～100μm之间。
优选的，所述单晶硅器件层的特定区域内蒸镀有金属层，所述金属层的厚度在10～100nm之间。
优选的，所述MEMS微镜具有梳齿结构、扭转轴和弹簧结构。
优选的，所述MEMS微镜驱动方式为包括静电驱动、电磁驱动、热电驱动和压电驱动。
可选的，所述基底由单晶硅晶圆或玻璃晶圆材料制成，厚度在100μm～2mm之间。
优选的，所述支撑架由半导体晶圆(单晶硅)材料制成，厚度在200μm～2mm之间。
所述微镜装置可以进一步集成在各类光学系统中，包括但不限于激光投影显示系统和激光雷达系统等。根据所述晶圆级光学窗口上集成的光学元件种类，可以实现不同的功能。
当应用于激光显示系统中，且所述光学窗口上集成有二维微透镜阵列或两个呈正交排布的一维柱状透镜阵列时，由光源产生的光束入射到所述晶圆级光学窗口，并透过所述二维微透镜阵列或一维柱状透镜阵列，形成由若干子光束重合构成的光束。构成光束的子光束在投影面成像时各自形成能量较小的散斑图样，能量较小的散斑图样效果相互重叠，使散斑整体效果均匀化，亮度弱化，从而对成像时出现的散斑进行抑制，实现散斑抑制功能。
当应用于激光显示系统中，且所述光学窗口上集成有准直透镜时，由光源产生的光束入射到所述晶圆级光学窗口并透过所述准直透镜，形成准直光束并被所述MEMS微镜扫描成扫描光束，从而实现光束准直功能。
当应用于激光雷达系统中，且所述光学窗口上集成有金属反射层时，通过与所述MEMS微镜配合，能够增大所述微镜装置的扫描角度，从而实现扫描角度增大功能。
本发明的第三方面，提供了一种晶圆级光学窗口的制作方法，该制作方法基于热熔模压工艺，包括以下步骤：
步骤一，将经过预处理的基材层与预先制作的两个填充有熔融态玻璃材料的模具对齐，其中，所述模具的表面上设有多个与所需要的光学元件层形状相同的空腔；
步骤二，将对齐后的所述基材层与预先制作的两个所述模具贴合、挤压，并保持一段时间直至填充的熔融态玻璃材料冷却；
步骤三，待填充的熔融态玻璃材料冷却后，脱模，使所需要的光学元件层集成在所述基材层的表面上，即形成一种集成有光学元件层的晶圆级光学窗口。
本发明的第四方面，提供了另一种晶圆级光学窗口的制作方法，该制作方法基于半导体光刻工艺，包括以下步骤：
步骤一，将经过预处理的基材层在表面旋涂光刻胶后，与预先准备好的印章对齐，其中，所述印章的表面上设有多个与所需要的光学元件层形状相同的空腔；
步骤二，利用所述印章压印所述基材层表面的光刻胶并保持一段时间，使光刻胶填充满所述印章的空腔；
步骤三，完成压印后，通过曝光、后烘、显影和坚膜工艺，形成与所述印章表面上设置的空腔相对应的图形层；
步骤四，通过刻蚀工艺，使所述图形层的光学元件层结构转移至所述基材层上，即形成一种集成有光学元件层的晶圆级光学窗口。
本发明的第五方面，提供了又一种晶圆级光学窗口的制作方法，该制作方法基于半导体光刻工艺，包括以下步骤：
步骤一，在经过预处理的基材层的第一面上蒸镀金属反射层；
步骤二，蒸镀完成后，在所述基材层的第一面上旋涂光刻胶，待光刻胶固化后形成保护层；
步骤三，所述保护层形成后，倒置所述基材层，在与所述第一面相对的第二面上旋涂正性光刻胶，并与预先制作好的印章对齐，其中，所述印章的表面上设有与所需要的光学元件层形状相同的空腔，利用所述印章压印光刻胶并保持一段时间，使光刻胶填充满所述印章的空腔；
步骤四，完成压印后，通过曝光、后烘、显影和坚膜工艺，使所述印章与所述基材层分离，在所述基材层的第二面形成由光刻胶构成的图形层，所述图形层的结构与所述印章的空腔的结构相对应；
步骤五，所述图形层形成后，通过刻蚀工艺，将所述图形层的光学元件层结构转移至所述基材层上，使所述基材层的第二面形成具有光学元件层结构的一体化结构；
步骤六，去除所述基材层的第一面上的保护层，即形成一种集成有光学元件层的晶圆级光学窗口。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过在晶圆级光学窗口的特定区域上集成光学元件层，利用该集成有光学元件层的晶圆级光学窗口与MEMS微镜形成为晶圆级真空封装的微镜装置，并将该微镜装置应用于各类光学系统中，能够实现包括散斑抑制、光束准直、聚光和扫描角度增大等功能；
2、本发明的微镜装置实际应用于各类光学系统中时，通过集成在光学窗口上的微型光学元器件，取代了原先放置在模组中的传统的光学元器件，可极大地减小整体模组的整体尺寸，并保有原模组的功能，甚至进一步提升或丰富原模组的功能；
3、本发明的晶圆级光学窗口可通过各类工艺，包括模压和纳米压印等工艺进行加工制造，成本低，工艺稳定性高，可大批量重复生产；
4、本发明的微镜装置的加工制造为晶圆级，工艺流程连贯，成本低，且利于进行大规模生产；
5、本发明对现有技术的排斥性较弱，适用性好，可以与部分现有技术搭配使用，包括振动屏幕技术以及基于粗糙化镜面的散斑抑制技术等，从而进行进一步的散斑抑制，弥补部分现有技术在散斑抑制程度上的不足。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1(a)为本发明实施例一提供的一种晶圆级光学窗口的结构示意图；
图1(b)为本发明实施例一提供的另一种晶圆级光学窗口的结构示意图；
图1(c)为本发明实施例一提供的又一种晶圆级光学窗口的结构示意图；
图2(a)为本发明实施例二提供的一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置的结构示意图；
图2(b)为本发明实施例二提供的另一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置的结构示意图；
图2(c)为本发明实施例二提供的又一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置的结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的一种晶圆级光学窗口的结构示意图；
图4为本发明实施例四提供的一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置的结构示意图；
图5为本发明实施例五提供的一种晶圆级光学窗口的结构示意图；
图6为本发明实施例六提供的一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置的结构示意图；
图7为本发明实施例七提供的一种晶圆级光学窗口的结构示意图；
图8为本发明实施例八提供的一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置的结构示意图；
图9为本发明实施例九提供的一种晶圆级光学窗口的结构示意图；
图10为本发明实施例十提供的一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置的结构示意图；
图11(a)-(c)为本发明实施例十一提供的一种制作晶圆级光学窗口的工艺的流程示意图；
图12(a)-(d)为本发明实施例十一提供的一种制作晶圆级光学窗口的工艺的流程示意图；
图13(a)-(f)为本发明实施例十一提供的一种制作晶圆级光学窗口的工艺的流程示意图；
附图说明：
11-基底，12-MEMS微镜，12a-单晶硅衬底层，12b-二氧化硅掩埋层，12c-单晶硅器件层，12d-金属层，13-支撑架，
101-基材层，101a-第一面，101b-第二面，102-二维微透镜阵列，
201-基材层，201a-第一面，201b-第二面，202-二维微透镜阵列，
301-基材层，301a-第一面，301b-第二面，302-一维柱状微透镜阵列，
401-基材层，401a-第一面，401b-第二面，402-一维柱状微透镜阵列，
501-基材层，501a-第一面，501b-第二面，502-二维微透镜阵列，503-准直透镜，
601-基材层，601a-第一面，601b-第二面，602-二维微透镜阵列，603-准直透镜，
701-基材层，701a-第一面，701b-第二面，702-准直透镜，
801-基材层，801a-第一面，801b-第二面，802-三色激光器芯片，803-准直透镜，
901-基材层，901a-第一面，901b-第二面，902-准直透镜，903-金属反射层，
1001-基材层，1001a-第一面，1001b-第二面，1002-准直透镜，1003-金属反射层，1004-脉冲激光芯片，
1101-基材层，1102-模具，1103-熔融态玻璃，1104-二维微透镜阵列，
1201-基材层，1202-光刻胶，1203-印章，1204-空腔，1205-一维柱状微透镜阵列，1206-图形层，
1301-基材层，1301a-第一面，1301b-第二面，1302-金属反射层，1303-保护层，1304-正性光刻胶，1305-印章，1306-准直透镜，1307-图形层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
实施例一
本发明提供了一种晶圆级光学窗口，该晶圆级光学窗口能够与MEMS微镜集成在一起。所述晶圆级光学窗口既可通过纳米压印、纳米打印等新兴工艺制造，也可通过热熔等传统工艺制造，优选模压工艺制造。当然，也可以采用其他制造工艺制造，本发明并不做具体限制。
根据制造工艺的不同，所述晶圆级光学窗口可以分为非一体化光学窗口和一体化光学窗口。
所述非一体化光学窗口含有基材层101和光学元件层，所述光学元件层通过各类工艺，包括模压、纳米压印、蒸镀等制造工艺等，以非一体成型的方式集成在所述基材层101的表面上。
其中，所述基材层101为晶圆，所述光学元件层为各类光学元件，包括但不限于各类透镜和透镜阵列等。所述非一体化光学窗口的光学元件层和基材层101的材料可以相同，也可以不同。通常情况下，所述非一体化光学窗口的光学元件层和基材层101的材料不同。所述基材层101优选为玻璃晶圆，厚度在0.1～2mm之间。
所述一体化光学窗口含有基材层101和光学元件层，所述基材层101通过铸模、压印等工艺以一体成型的方式集成在所述基材层101的表面上。所述一体化光学窗口的基材层101和光学元件层的材料可以相同，也可以不同。通常情况下，所述一体化光学窗口的基材层101和光学元件层的材料相同。所述一体化光学窗口的基材层101与光学元件层之间不存在任何缝隙或其他介质，光束连续透过上述结构时，不会因折射率变化而发生偏移。
在本实施例中，所述晶圆级光学窗口为一体化光学窗口。如图1(a)、图1(b)和图1(c)所示，所述晶圆级光学窗口包括基材层101和光学元件层，所述基材层101具有相对设置的第一面101a和第二面101b，所述光学元件层集成在所述第一面101a和/或所述第二面101b的特定区域内。
在一个示例中，所述光学元件层为二维微透镜阵列102，所述二维微透镜阵列102集成在所述第一面101a的特定区域内，如图1(a)所示。
在另一个示例中，所述光学元件层为二维微透镜阵列102，所述二维微透镜阵列102集成在所述第二面101b的特定区域内，如图1(b)所示。
在又一个示例中，所述光学元件层为二维微透镜阵列102，所述二维微透镜阵列102集成在所述第一面101a和所述第二面101b的特定区域内，如图1(c)所示。
实施例二
本发明还提供了一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置，该微镜装置可应用在激光投影显示、激光雷达等光学系统中，以解决相应的模组中诸如散斑抑制、扫描角度增大、光束准直、聚光等技术难题。
所述微镜装置包括如图2(a)、图2(b)或图2(c)所示的晶圆级光学窗口。在一个示例中，所述微镜装置包括如图2(a)所示的晶圆级光学窗口，所述晶圆级光学窗口包括基材层201和光学元件层，所述基材层201具有相对设置的第一面201a和第二面201b，所述光学元件层为二维微透镜阵列202，所述二维微透镜阵列202集成在所述第一面201a的特定区域内。
在另一个示例中，所述微镜装置包括如图2(b)所示的晶圆级光学窗口，所述晶圆级光学窗口包括基材层201和光学元件层，所述基材层201具有相对设置的第一面201a和第二面201b，所述光学元件层为二维微透镜阵列202，所述二维微透镜阵列202集成在所述第二面201b的特定区域内。
在又一个示例中，所述微镜装置包括如图2(c)所示的晶圆级光学窗口，所述晶圆级光学窗口包括基材层201和光学元件层，所述基材层201具有相对设置的第一面201a和第二面201b，所述光学元件层为二维微透镜阵列202，所述二维微透镜阵列202集成在所述第一面201a和第二面201b的特定区域内。
该微镜装置除了包括如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示的晶圆级光学窗口外，还包括MEMS微镜12、基底11和支撑架13。
其中，所述MEMS微镜12既可以是一维MEMS微镜12，也可以是二维MEMS微镜12。在一个示例中，所述MEMS微镜12由SOI晶圆通过半导体加工工艺制造而成。所述SOI晶圆由单晶硅衬底层12a、二氧化硅掩埋层12b和单晶硅器件层12c组成。其中，所述二氧化硅掩埋层12b设置在所述单晶硅衬底层12a上表面，且设置有一层或多层，厚度在0.1～3μm之间。所述单晶硅器件层12c设置在所述二氧化硅掩埋层12b上表面，且设置有一层或多层，厚度在10～100μm之间。所述单晶硅器件层12c上表面的特定区域蒸镀有金属层12d，所述金属层12d的厚度在10～100nm之间，构成所述MEMS微镜12的镜面。
所述MEMS微镜12包含梳齿结构，所述梳齿结构可以为水平梳齿，也可以为垂直梳齿，还可以为水平梳齿+垂直梳齿。进一步地，所述MEMS微镜12还包括扭转轴和弹簧等结构。所述MEMS微镜12的梳齿结构、扭转轴及弹簧等结构，其形状、排布方式多种多样，不仅限于本实施例所述或所示结构。
在一个示例中，所述MEMS微镜12为静电驱动MEMS微镜12，其镜面在静电力驱动下，通过所述梳齿结构、所述扭转轴及所述弹簧等可动构件，在至少一个维度内偏转、平移。具体的运动模式取决于MEMS微镜12的梳齿类型等。根据梳齿类型的不同，镜面可作周期性共振运动或准静态运动。当然，除了静电式MEMS微镜12外，所述晶圆级光学窗口还可集成于包括热电式、压电式、电磁式等在内的各类MEMS微镜12。
在一个示例中，所述基底11由半导体晶圆(单晶硅)材料制成，厚度在100μm～2mm之间。所述MEMS微镜12利用半导体加工工艺制造完成后，通过所述单晶硅衬底层12a与所述基底11以共晶键合或玻璃浆料键合的方式耦接。在另一个实施例中，所述基底11由玻璃晶圆制成，厚度在100μm～2mm之间。
在一个示例中，所述支撑架13由半导体晶圆(单晶硅)材料制成，厚度在200μm～2mm之间。所述支撑架13利用半导体加工工艺制造完成后，通过其底面与所述单晶硅器件层12c以共晶键合或玻璃浆料键合的方式耦接。
如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示的晶圆级光学窗口制造完成后，其中一个面与所述支撑架13的一个面通过阳极键合等方式耦接。如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示，所述晶圆级光学窗口的不含透镜结构的第二面201b与所述支撑架13耦接。除了图2(a)、图2(b)和图2(c)所示情况外，所述支撑架13也可以与所述晶圆级光学窗口的集成有透镜结构的第一面201a进行耦接。
所述晶圆级光学窗口独立加工完成后，可通过半导体加工和晶圆级光学工艺与预先加工好的所述MEMS微镜12、所述基底11和所述支撑架13耦接、封装，共同构成晶圆级真空封装的毫米级尺寸的微镜装置。本实施例提供的微镜装置可应用于激光显示系统，并具有散斑抑制功能。
实施例三
本实施例提供了一种晶圆级光学窗口，所述晶圆级光学窗口为一体化光学窗口。如图3所示，所述晶圆级光学窗口包括基材层301和光学元件层，所述基材层301具有相对设置的第一面301a和第二面301b，所述光学元件层集成在所述第一面301a和/或所述第二面301b的特定区域内。
在一个示例中，所述光学元件层包括两个一维柱状微透镜阵列302，两个所述一维柱状微透镜阵列302分别集成在所述第一面301a的两个特定区域内，且两个所述一维柱状微透镜阵列302呈正交分布，如图3所示。
在另一个示例中，所述光学元件层包括两个一维柱状微透镜阵列302，两个所述一维柱状微透镜阵列302分别集成在所述第二面301b的两个特定区域内，且两个所述一维柱状微透镜阵列302呈正交分布。
在又一个示例中，所述光学元件层包括四个一维柱状微透镜阵列302，其中两个所述一维柱状微透镜阵列302分别集成在所述第一面301a的两个特定区域内，另外两个所述一维柱状微透镜阵列302分别集成在所述第二面301b的两个特定区域内，且两个所述一维柱状微透镜阵列302呈正交分布。
需要说明的是，在本实施例中，位于所述第一面301a或第二面301b的特定区域内的两个所述一维柱状微透镜阵列302中的一个阵列可以替换为二维微透镜阵列。
实施例四
本实施例提供了一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置，其除了所述晶圆级光学窗口的结构与实施例二提供的微镜装置中所述晶圆级光学窗口的结构略有不同外，其余结构均与所述实施例二提供的微镜装置的结构相同。
本实施例提供的微镜装置中所述晶圆级光学窗口的结构与实施例二提供的微镜装置中所述晶圆级光学窗口的结构的区别在于，所述基材层401的第一面401a和/或第二面401b的两个特定区域内分别设置有所述光学元件层。
在一个示例中，所述光学元件层包括两个一维柱状微透镜阵列402，两个所述一维柱状微透镜阵列402分别集成在所述晶圆级光学窗口的第一面401a的两个特定区域内，且两个所述一维柱状微透镜阵列402呈正交分布，如图4所示。
在另一个示例中，所述光学元件层包括两个一维柱状微透镜阵列402，两个所述一维柱状微透镜阵列402分别集成在所述晶圆级光学窗口的第二面401b的两个特定区域内，且两个所述一维柱状微透镜阵列402呈正交分布。
在又一个示例中，所述光学元件层包括四个一维柱状微透镜阵列402，其中两个所述一维柱状微透镜阵列402分别集成在所述第一面401a的两个特定区域内，另外两个所述一维柱状微透镜阵列402分别集成在所述第二面401b的两个特定区域内，且两个所述一维柱状微透镜阵列402呈正交分布。
与实施例二的微镜装置中采用二维微透镜阵列相比，在本实施例中，制造两个所述一维柱状微透镜阵列402的加工更为简单。
实施例五
本实施例提供了一种晶圆级光学窗口，所述晶圆级光学窗口为一体化光学窗口。如图5所示，所述晶圆级光学窗口包括基材层501和光学元件层，所述基材层501具有相对设置的第一面501a和第二面501b，所述光学元件层集成在所述第一面501a和/或所述第二面501b的特定区域内。
在一个示例中，所述光学元件层包括一个二维微透镜阵列502和一个准直透镜503，所述二维微透镜阵列502和所述准直透镜503分别集成在所述第一面501a的两个特定区域内，如图5所示。
在另一个示例中，所述光学元件层包括一个二维微透镜阵列502和一个准直透镜503，所述二维微透镜阵列502和所述准直透镜503分别集成在所述第二面501b的两个特定区域内。
在又一个示例中，所述光学元件层包括两个二维微透镜阵列502和两个准直透镜503，其中一个所述二维微透镜阵列502和一个所述准直透镜503分别集成在所述第一面501a的两个特定区域内，另外一个所述二维微透镜阵列502和一个所述准直透镜503分别集成在所述第二面501b的两个特定区域内。
需要说明的是，在本实施例中，所述二维微透镜阵列502也可以替换为一维柱状微透镜阵列。
实施例六
本实施例提供了一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置，其除了所述晶圆级光学窗口的结构与实施例二提供的微镜装置中所述晶圆级光学窗口的结构略有不同外，其余结构均与所述实施例二提供的微镜装置的结构相同。
本实施例提供的微镜装置中所述晶圆级光学窗口的结构与实施例二提供的微镜装置中所述晶圆级光学窗口的结构的区别在于，所述基材层601的第一面601a和/或第二面601b的两个特定区域内分别设置有所述光学元件层。
在一个示例中，所述光学元件层包括一个二维微透镜阵列602和一个准直透镜603，所述二维微透镜阵列602和所述准直透镜603分别集成在所述第一面601a的两个特定区域内，如图6所示。
在另一个示例中，所述光学元件层包括一个二维微透镜阵列602和一个准直透镜603，所述二维微透镜阵列602和所述准直透镜603分别集成在所述第二面601b的两个特定区域内。
在又一个示例中，所述光学元件层包括两个二维微透镜阵列602和两个准直透镜603，其中一个所述二维微透镜阵列602和一个所述准直透镜603分别集成在所述第一面601a的两个特定区域内，另外一个所述二维微透镜阵列602和一个所述准直透镜603分别集成在所述第二面601b的两个特定区域内。
相较于实施例二的微镜装置，本实施例的微镜装置可应用在激光显示系统中，并被放置在距离激光器出光口较近的位置，同时具有散斑抑制和光束准直的功能。本实施例的微镜装置利用激光从激光器出射后具有一定的弥散角度的特性，在激光显示系统中，不需要配置额外的扩束元器件便可实现散斑抑制的功能，节省了空间。
实施例七
本实施例提供了一种晶圆级光学窗口，所述晶圆级光学窗口为一体化光学窗口。如图7所示，所述晶圆级光学窗口包括基材层701和光学元件层，所述基材层701具有相对设置的第一面701a和第二面701b，所述光学元件层集成在所述第一面701a和/或所述第二面701b的特定区域内。
在一个示例中，所述光学元件层包括三个准直透镜702，三个所述准直透镜702依次集成在所述第一面701a的特定区域内，如图7所示。
在另一个示例中，所述光学元件层包括三个准直透镜702，三个所述准直透镜702依次集成在所述第二面701b的特定区域内。
在又一个示例中，所述光学元件层包括六个准直透镜702，其中三个所述准直透镜702依次集成在所述第一面701a的特定区域内，另外三个所述准直透镜702依次集成在所述第二面701b的特定区域内。
实施例八
本实施例提供了一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置，其除了所述晶圆级光学窗口的结构与实施例二提供的微镜装置中所述晶圆级光学窗口的结构略有不同外，其余结构均与所述实施例二提供的微镜装置的结构相同。
本实施例提供的微镜装置中所述晶圆级光学窗口的结构与实施例二提供的微镜装置中所述晶圆级光学窗口的结构的区别在于，集成于所述基材层801上的所述光学元件层不包括微透镜阵列。
在一个示例中，所述光学元件层包括三个准直透镜803，三个所述准直透镜803依次集成在所述第一面801a的特定区域内，如图8所示。
在另一个示例中，所述光学元件层包括三个准直透镜803，三个所述准直透镜803依次集成在所述第二面801b的特定区域内。
在又一个示例中，所述光学元件层包括六个准直透镜803，其中三个所述准直透镜803依次集成在所述第一面801a的特定区域内，另外三个所述准直透镜803依次集成在所述第二面801b的特定区域内。
由于本实施例提供的微镜装置不含有微透镜阵列，因此不具备散斑抑制功能。但是，本实施例提供的微镜装置可以与三色激光器芯片802构成高度集成的微投影显示系统。所述三色激光器芯片802属于片上系统(system on chip)，三个激光发生器共用一个芯片载体，构成集成于单个芯片的激光光源系统。通过调整设计所述激光发生器与集成于所述微镜装置的准直透镜803间的相对位置，从而构成高度集成的微型投影显示系统。如图8所示，所述三色激光器芯片802的出射端依次位于集成在所述晶圆级光学窗口表面的三个准直透镜803的焦平面上，优选的，所述准直透镜803的焦距小于1mm。三个所述激光器产生的激光光束分别通过三个所述准直透镜803进行准直后，由所述MEMS微镜扫描反射形成扫描光束，并投影至投影面进行激光显示。
实施例九
本实施例提供了一种晶圆级光学窗口，所述晶圆级光学窗口为一体化光学窗口。如图9所示，所述晶圆级光学窗口包括基材层901和光学元件层，所述基材层901具有相对设置的第一面901a和第二面901b，所述光学元件层集成在所述第二面901b的特定区域内。
在一个示例中，所述光学元件层包括准直透镜902和金属反射层903，所述准直透镜902集成在集成在所述第一面901a的特定区域内，所述金属反射层903通过蒸镀工艺蒸镀在所述第二面901b的特定区域内，如图9所示。
在另一个示例中，所述光学元件层包括准直透镜902和金属反射层903，所述准直透镜902集成在集成在所述第一面901a的特定区域内，所述金属反射层903通过蒸镀工艺蒸镀在所述第二面901b的特定区域内。
需要说明的是，所述金属反射层903也可以蒸镀在实施例一、实施例三、实施例五和实施例七提供的晶圆级光学窗口的所述第一面901a和/或所述第二面901b的特定区域内。
实施例十
本实施例提供了一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置，其除了所述晶圆级光学窗口的结构与实施例二提供的微镜装置中所述晶圆级光学窗口的结构略有不同外，其余结构均与所述实施例二提供的微镜装置的结构相同。
本实施例提供的微镜装置中所述晶圆级光学窗口的结构与实施例二提供的微镜装置中所述晶圆级光学窗口的结构的区别在于，集成于所述基材层1001上的所述光学元件层不包括微透镜阵列。
如图10所示，在一个示例中，所述光学元件层包括准直透镜1002和金属反射层1003，所述准直透镜1002集成在集成在所述第一面1001a的特定区域内，所述金属反射层1003通过蒸镀工艺蒸镀在所述第二面1001b的特定区域内。脉冲激光芯片1004产生的905nm或1550nm波段的激光，通过所述MEMS微镜和在特定位置蒸镀的金属反射层1003反射，实现晶圆级的扫描角度加倍。本实施例提供的所述微镜装置特别适用于激光雷达系统中，并作为激光雷达的发射端。
实施例十一
本实施例提供了一种晶圆级光学窗口的制作方法，基于热熔模压工艺，用于制作实施例一所述的晶圆级光学窗口。需要明确的是，实施例三、实施例五、实施例七和实施例九所述的晶圆级光学窗口，也可采用本实施例提供的制作方法进行制作，但具体的制作流程需要进行部分调整。
如图11(a)-11(c)所示，本实施例提供的制作方法包括以下步骤：
步骤一，将经过预处理的基材层1101与预先制作的两个填充有熔融态玻璃材料的模具1102对齐，其中，所述模具1102的表面上设有多个与所需要的光学元件层形状相同的空腔1103，如图11(a)所示；
优选的，所述基材层1101为玻璃晶圆。所述基材层1101的预处理包括减薄、打磨、抛光等工序。优选的，所述模具1102的表面按照设计排布有若干个呈二维微透镜阵列1104形状的空腔1103。由于在实施例一中，集成在所述晶圆级光学窗口的两个面上的二维微透镜阵列1104完全对称，因此预先制作的两个模具1102完全相同。所述模具1102的材料和制作方法属于公知内容，在本实施例中不再进行赘述。
对于实施例一所述的晶圆级光学窗口，其主要特征在于集成在两个面上的二维微透镜阵列1104，两个二维微透镜阵列1104相对设置，且完全对称。因此，在加工过程中，预先制作的两个所述模具1102的对齐工作尤为重要。在本实施例中，采用现阶段常用的记号法等对齐方法，控制对齐的精度。
步骤二，将对齐好的所述基材层1101与预先制作的两个所述模具1102贴合、挤压，并保持一段时间至填充的熔融态玻璃材料冷却，如图11(b)所示；
步骤三，待填充的熔融态玻璃材料冷却固化后，脱模，使所述二维微透镜阵列1104集成在所述基材层1101的两个面上，即形成实施例一所述的集成有二维微透镜阵列1104的晶圆级光学窗口，如图11(c)所示。
可选的，集成有二维微透镜阵列1104的晶圆级光学窗口形成后，可通过公知的方法蒸镀增透膜，以提升所述晶圆级光学窗口的性能。
可选的，除了图11(a)-(c)所示工艺流程外，还可采用传统的热玻璃制造工艺，加热玻璃晶圆(基板)至熔融态的同时，直接使用单晶硅制模具压印所述玻璃晶圆，从而实现一体化的表面集成有光学元器件的光学窗口。
实施例十二
本实施例提供了一种晶圆级光学窗口的制作方法，基于半导体光刻工艺，用于制作实施例三所述的晶圆级光学窗口。需要明确的是，实施例一、实施例五、实施例七和实施例九所述的晶圆级光学窗口，也可采用本实施例提供的制作方法进行制作，但具体的制作流程需要进行部分调整。
如图12(a)-12(d)所示，本实施例提供的制作方法包括以下步骤：
步骤一，将经过预处理的基材层1201在表面旋涂光刻胶1202后，与预先准备好的印章1203对齐，其中，所述印章1203的表面上设有多个与所需要的光学元件层形状相同的空腔1204，如图12(a)所示；
优选的，所述基材层1201为玻璃晶圆。所述基材层1201的预处理包括打磨、抛光等工序，使所述基材层1201的表面变得平滑。所述印章1203由透光材料，如石英玻璃等制作而成。优选的，所述印章1203的表面按照设计排布有若干个呈一维柱状微透镜阵列1205形状的空腔1204，且两个相邻的一维柱状微透镜阵列1205构成一组，一组中的两个一维柱状微透镜阵列1205呈正交排布。
步骤二，利用所述印章1203压印所述基材层1201表面的光刻胶1202并保持一段时间，使光刻胶1202填充满所述印章1203的空腔1204，如图12(b)所示；
步骤三，完成压印后，通过曝光、后烘、显影(退胶)和坚膜等一系列工艺，形成与所述印章空腔结构对应的图形层1206，如图12(c)所示；
步骤四，通过刻蚀工艺，使所述图形层1206的光学元件层结构转移至所述基材层1201上，形成实施例三所述的集成有一维柱状微透镜阵列的一体化的晶圆级光学窗口，如图12(d)所示。
所述一体化的晶圆级光学窗口意味着光学窗口的光学元件层结构与基材层结构间不存在任何缝隙或其他介质，当光束连续透过上述结构时，不会因折射率变化而发生偏移。
可选的，集成有一维柱状微透镜阵列的晶圆级光学窗口形成后，可通过公知的方法蒸镀增透膜，以提升所述晶圆级光学窗口的性能。
实施例十三
本实施例提供了一种晶圆级光学窗口的制作方法，基于半导体光刻工艺，用于制作实施例九所述的晶圆级光学窗口。需要明确的是，实施例一、实施例三、实施例五和实施例七所述的晶圆级光学窗口，也可采用本实施例提供的制作方法进行制作，但具体的制作流程需要进行部分调整。
如图13(a)-13(f)所示，本实施例提供的制作方法包括以下步骤：
步骤一，在经过预处理的基材层1301的第一面1301a上蒸镀金属反射层1302，如图13(a)所示；
优选的，所述基材层1301为玻璃晶圆。所述金属反射层1302的材料为金，厚度在20～50nm之间。所述基材层1301的预处理包括打磨、抛光等工序，使所述基材层1301的表面变得平滑。
可选的，完成所述金属反射层1302蒸镀后，在所述基材层1301的第一面1301a上蒸镀一层增透膜，以提升所述基材层1301的光学性能。
步骤二，完成蒸镀所述金属反射层1302后，在所述基材层1301的第一面1301a上旋涂光刻胶或PI，待所述光刻胶或PI固化后形成保护层1303，如图13(b)所示；
步骤三，所述保护层1303形成后，倒置所述基材层1301，在与所述第一面1301a相对的第二面1301b上旋涂正性光刻胶1304，并与预先制作好的印章1305对齐，其中，所述印章1305的表面上设有与所需要的光学元件层形状相同的空腔，利用所述印章1305压印光刻胶并保持一段时间，使光刻胶填充满所述印章1305的空腔，如图13(c)所示；
优选的，所述光学元件层为准直透镜1306。
步骤四，完成压印后，通过曝光、后烘、显影(退胶)和坚膜等一系列工艺，使所述印章1305与所述基材层1301分离，在所述基材层1301的第二面1301b形成由光刻胶构成的图形层1307，所述图形层1307的结构与所述印章1305的空腔结构相对应，如图13(d)所示；
步骤五，所述图形层1307形成后，通过传统的刻蚀工艺，将所述图形层1307的光学元件层结构转移至所述基材层1301上，使所述基材层1301的第二面1301b形成排布有光学元件层结构的一体化结构，如图13(e)所示；
可选的，刻蚀完成后，还可通过公知的蒸镀工艺，在所述基材层1301的第二面1301b上蒸镀增透膜，以提升所述基材层1301的光学性能。
步骤六，完成上述工序后，去除所述基材层1301的第一面1301a上的保护层1303，即形成实施例九所述的集成有准直透镜1306和金属反射层1302的晶圆级光学窗口，如图13(f)所示。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过在晶圆级光学窗口的特定区域上集成光学元件层，利用该集成有光学元件层的晶圆级光学窗口与MEMS微镜形成为晶圆级真空封装的微镜装置，并将该微镜装置应用于各类光学系统中，能够实现包括散斑抑制、光束准直、聚光和扫描角度增大等功能；
2、本发明的微镜装置实际应用于各类光学系统中时，可极大地减小整体模组的整体尺寸，并保有原模组的功能，甚至进一步提升或丰富原模组的功能；
3、本发明的晶圆级光学窗口可通过各类工艺，包括模压和纳米压印等工艺进行加工制造，成本低，工艺稳定性高，可大批量重复生产；
4、本发明的微镜装置的加工制造为晶圆级，工艺流程连贯；
5、本发明对现有技术的排斥性较弱，适用性好，可以与部分现有技术搭配使用，包括振动屏幕技术以及基于粗糙化镜面的散斑抑制技术等，从而进行进一步的散斑抑制，弥补部分现有技术在散斑抑制程度上的不足。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有晶圆级光学窗口的微镜装置，其特征在于，包括：
晶圆级光学窗口，所述晶圆级光学窗口为一体化光学窗口，所述一体化光学窗口包括：
基材层，所述基材层具有相对设置的第一面和第二面；
光学元件层，所述光学元件层集成于所述第一面和/或所述第二面的特定区域内，用于对光束进行分束，产生由若干子光束构成的光束，所述特定区域包括光束入射区域和光束出射区域，所述光束入射区域和光束出射区域中的一个集成的光学元件层为一维柱状微透镜阵列，所述光束入射区域和光束出射区域中的另一个集成的光学元件层为二维微透镜阵列或与所述一维柱状微透镜阵列呈正交设置的另一一维柱状微透镜阵列；或者，所述光学元件层集成于所述第一面和/或所述第二面的两个特定区域内，用于对光束进行准直和分束，所述光学元件层包括二维微透镜阵列和准直透镜，所述二维微透镜阵列和所述准直透镜分别集成在所述两个特定区域内；
所述基材层与所述光学元件层之间不存在任何缝隙或其他介质；
所述微镜装置还包括：
基底；
MEMS微镜，所述MEMS微镜设置于所述基底上；所述MEMS微镜用于对通过所述晶圆级光学窗口的光束入射区域的入射光束进行反射扫描以形成从所述晶圆级光学窗口的光束出射区域出射的扫描光束；
支撑架，所述支撑架设置于所述晶圆级光学窗口与所述MEMS微镜之间。
2.根据权利要求1所述的微镜装置，其特征在于，所述基材层为玻璃晶圆。
3.根据权利要求2所述的微镜装置，其特征在于，所述第一面和/或所述第二面的特定区域上蒸镀有金属反射层。
4.根据权利要求1所述的具有晶圆级光学窗口的微镜装置，其特征在于，所述MEMS微镜包括依次设置的单晶硅衬底层、二氧化硅掩埋层和单晶硅器件层，所述单晶硅衬底层与所述基底相耦接，所述单晶硅器件层与所述支撑架相耦接。
5.根据权利要求1所述的具有晶圆级光学窗口的微镜装置，其特征在于，所述MEMS微镜具有梳齿结构、扭转轴和弹簧结构。
6.根据权利要求1所述的具有晶圆级光学窗口的微镜装置，其特征在于，所述MEMS微镜驱动方式包括静电驱动、电磁驱动、热电驱动和压电驱动。
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