CN113906319A - 复制光学元件的方法和复制的光学元件 - Google Patents

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Abstract

诸如横向围绕透明基板(120)上的涂层(140)中的孔(142)的沟槽(144)和/或壁(152)的流动屏障帮助在孔(142)上形成复制的光学元件期间控制复制材料(124)的流动。

Description

复制光学元件的方法和复制的光学元件
技术领域
本公开涉及复制的光学元件。
背景技术
包括一个或多个光学光发射器和一个或多个光学传感器的光学设备可以用于广泛的应用，包括例如距离测量、接近度感测、手势感测和成像。诸如成像设备和光投影仪的小型光电子模块采用光学配件，该光学配件包括沿着设备的光轴堆叠的透镜或其他光学元件，以实现期望的光学性能。复制的光学元件包括用于影响光束的透明衍射和/或折射光学元件。在一些应用中，这种光电子模块可以集成到各种消费电子产品中，诸如便携式计算设备(例如，智能电话、平板电脑、可穿戴设备和膝上型计算机)。
发明内容
本公开描述了用于在复制的光学元件的形成期间控制复制材料(例如，环氧树脂)的流动的技术。一般来说，诸如横向围绕透明基板上的涂层中的孔的沟槽和/或壁的流动屏障帮助在孔上形成复制的光学元件期间控制复制材料的流动。
例如，在一个方面，本公开描述了一种方法，该方法包括提供在其表面上具有涂层的透明基板，其中该涂层包括在其中的孔。该涂层还在其中具有至少一个沟槽，其中该至少一个沟槽横向围绕该孔。该方法包括使用复制技术以形成该透明基板上在该孔中的光学元件。该至少一个沟槽用作复制材料的流动的屏障。
本公开还描述了一种装置，该装置包括在其表面上具有涂层的透明基板，其中涂层包括在其中的孔。该涂层中还在其中具有至少一个沟槽，其中该至少一个沟槽横向围绕该孔。复制的光学元件在该透明基板上，并设置在该孔内。该光学元件具有在从该孔朝向该至少一个沟槽的方向上横向延伸的庭院(yard)部分。
另一方面，本公开描述了一种方法，该方法包括提供在其表面上具有涂层的透明基板，其中涂层包括在其中的孔。至少一个壁设置在涂层上并横向围绕孔。该方法包括使用复制技术以形成该透明基板上在该孔中的光学元件，所述光学元件由复制材料构成。该至少一个壁用作复制材料的流动的屏障。
本公开还描述了一种装置，该装置包括在其表面上具有涂层的透明基板，其中涂层包括在其中的孔。涂层上还在其上具有至少一个壁，其中该至少一个壁横向围绕该孔。复制的光学元件在该透明基板上，并设置在该孔内。该光学元件具有在从该孔朝向该至少一个壁的方向上横向延伸的庭院部分。
一些实施方式包括以下一个或多个特征。例如，在一些情况下，该装置包括具有与光学元件对准的光轴的发光或光感测设备。在一些实施方式中，存在横向围绕孔的多个沟槽。光学元件可以是例如微透镜阵列。在一些情况下，涂层由铬构成。
根据具体实施方式、附图和权利要求，其他方面、特征、优点将变得显而易见。
附图说明
图1示出了用于复制的工具-基板结构的横截面图。
图2示出了具有庭院部分的复制的光学元件。
图3示出了庭院部分的一部分的横截面图。
图4A是包括流动屏障的基板的俯视图。
图4B是通过图4A的圆圈A截取的横截面图，示出了复制材料的流动。
图5A示出了流动屏障的另一实施方式的横截面图。
图5B是通过图5A的圆圈B截取的横截面图，示出了复制材料的流动。
图6示出了在透明基板上具有庭院部分的复制的光学元件。
具体实施方式
图1示意性地示出了复制工具101和透明基板120的横截面，光学元件将通过复制形成在透明基板120上。工具101包括由例如玻璃的第一材料构成的刚性或相对较硬的背板102，以及由例如聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)的第二较软材料构成的复制部分104。复制部分104的相对较低的刚度可以允许复制部分在“正常”条件下(例如，在没有比由位于基板上的工具的重力引起的压力更大的压力的情况下，反之亦然)适应例如微米和/或亚微米级的粗糙度，因此，当它们彼此接触时，可以形成与基板表面的紧密连接。
复制部分104形成包括复制段106的复制表面108，每个复制段的表面是要通过复制制造的光学元件的表面形状的(负)副本。要通过复制制造的光学元件可以是例如透镜、漫射器或其他光学元件。在一些情况下，要复制的每个光学元件是微透镜阵列(MLA)。在一些情况下，复制段106可以是例如凸的，并且因此限定凹的光学元件表面，或者可以是凸的，并且限定凹的光学元件表面。
复制部分104具有布置在外围的接触间隔物部分112。接触间隔物部分112是复制工具101的沿着z轴从工具101伸出最远的结构。接触间隔物部分112基本上是平的，因此可操作以在复制期间靠在基板120上，其中接触间隔物部分112和基板120之间没有材料。接触间隔物部分112例如可以形成横向围绕复制表面108的外围的环，或者可以形成围绕外围的离散部分。
基板120具有第一侧(例如，基板表面126)和第二侧，并且可以由任何合适的材料构成，例如玻璃。基板表面126可以具有复制品将要对准的结构。该结构可以例如包括在x-y平面上结构化的涂层122，例如具有孔的屏幕，或者结构化的IR过滤器等。此外，或者作为替代，该结构可以包括类似标记的其他特征。
为了复制工具101的复制表面108，复制材料124被施加到基板120或工具101或工具101和基板120两者上。尽管图中示出了复制材料124的单个部分，但是复制材料124的施加可以包括施加复制材料124的多个部分(例如，每个复制段106的相应部分)。每个部分可以例如通过使用分配工具分配(例如喷射)一个或多个液滴来施加。复制材料124可以由例如环氧树脂构成。
在施加复制材料124之后，基板120和工具101例如在对准站相对于彼此对准。在对准之后，将基板120和工具101放在一起，接触间隔物部分112靠在基板表面上，以便限定z方向的高度，并且还锁定该工具以防止x-y移动。在复制工具101和基板120已经彼此相向移动且复制材料124在它们之间之后，基板-工具-配件可以从对准站移除并转移到硬化站，在硬化站复制材料124被硬化(例如，固化)。然后可以移除复制工具101。
参考图2，在复制期间，例如在喷射期间，施加的过量复制材料或环氧树脂通常溢出感兴趣区域，并在工具和基板120接触时形成庭院130。庭院130有时是环形或环状的，并且横向围绕光学元件131。庭院130是由于在复制过程期间添加的环氧树脂124比每个复制结构(例如，光学元件)需要的多而产生的，导致溢出。附加的环氧树脂确保特定结构所需的复制材料的完整体积是可用的(因为环氧树脂体积的公差不为零)，并且额外的流体一起形成庭院130。
图3示出了庭院130的一部分的横截面图，该庭院有时包括相对薄的膜或溢出区域132。溢出区域132可以具有小于5μm数量级的厚度，区域132的外部部分具有小于1μm的厚度。用作复制材料124的环氧树脂通常包括光引发剂，该光引发剂允许例如通过施加紫外(UV)辐射来使环氧树脂固化。然而，对于庭院的薄的段(例如，溢出区域132)，可能存在很少或没有光引发剂，使得复制材料124没有完全固化，并且即使在施加UV辐射之后仍保持液态。在图3的示例中，虚线136表示紫外固化有效所需的复制材料的最小高度。例如，未能实现复制材料124的完全固化可能是有问题的，因为环氧树脂可能流出模块的边缘，并可能导致可靠性问题。在图3中，箭头138表示未固化的复制材料的流动方向。
为了帮助防止在复制过程期间形成薄膜或薄溢出区域132，可以在基板120上设置流动屏障，以便控制环氧树脂的流动。第一示例示出在图4A和4B中。如图4A所示，金属(例如，铬的化合物或合金；铬)140可以设置在玻璃基板120的表面上。涂层140中的相应开口(例如，开口142)限定了光学元件复制到其上的孔。例如，可以通过使用标准蚀刻剂(例如，硝酸铈铵)选择性地蚀刻铬涂层140来形成孔142。在复制过程期间，一些复制材料(例如，环氧树脂)被分配或流到周围的涂层140上，并形成复制的元件的庭院部分。如图4A和图4B所示，一个或多个矩形或环形沟槽144横向围绕每个相应的孔142，以便控制复制材料124的流动，并且优选地，防止形成非常薄的溢出区域。例如，可以通过在形成孔142的同时选择性地蚀刻掉铬涂层140来形成沟槽144。由沟槽144提供的凹形台阶允许来自溢出复制材料124的过量环氧树脂流入沟槽144并在沟槽144中累积，从而减少在庭院130的周边形成非常薄(例如<5μm)的环氧树脂区域的可能性。因此，涂层140中沟槽144的存在为复制材料124的流动提供了障碍。在一些情况下，单个沟槽144可能就足够了。在其他情况下，如图4B所示，提供两个或更多个沟槽144可能是有益的。
在一些情况下，不是在铬涂层140中形成沟槽144，而是在铬涂层140的部分上选择性地添加一个或多个层，以形成环绕孔142的一个或多个相应的壁152，光学元件在孔142上复制(见图5A和5B)。取决于特定应用，壁152的附加层可以包括例如SiO2、铬和/或金。其他材料也可以用于壁152。因此，涂层140上壁152的存在为复制材料124的流动提供了障碍。如果存在一个以上的壁152，则壁152可以由狭窄的空间154分隔开，这也可以帮助在例如一些复制材料流过壁之一的情况下控制复制材料124的流动。
在一些情况下，复制材料流动屏障(144和/或152)的存在可以帮助提高制造过程的产量。流动屏障还可以用作制造过程期间目视检查的指南，在某些情况下，可以帮助提高此类检查的准确性，并可以减少人工检查时间。
上述技术可以例如在晶圆级进行，其中玻璃或其他透明基板在其表面上具有金属(例如铬)涂层，其中涂层在其中具有多个孔，每个孔被用作屏障的相应的一个或多个沟槽(或壁)围绕，以帮助控制复制过程期间复制材料(例如环氧树脂)的流动。光学元件(例如，MLA)被复制到每个孔上。子配件，包括在其表面上具有复制的光学元件的透明基板，然后可以附着到例如其上安装有多个发光设备(例如VCSEL、激光二极管或LED)的另一基板(例如印刷电路板)。每个光学元件与发光设备中的相应一个的光轴对准。然后可以分离(例如，通过切割)基板叠层，以形成单个模块或封装，每个模块或封装包括发光设备和光学元件。在本文中，基板是“透明的”，意思是它对发光设备发射的辐射波长(例如，可见、红外(IR)或紫外(UV))基本上是透明的。
在一些实施方式中，在其表面上具有复制的光学元件的透明基板被分成单独的单元，每个单元包括复制的光学元件(例如，MLA)中的一个。然后，作为光电封装的一部分，复制的光学元件可以例如被定位(例如，通过拾取和放置装备)成在诸如VCSEL、LED或激光二极管的光发射器上。
提供如下所述的屏障(144和/或152)来控制或限制复制材料124的流动也可能出于附加的原因是有利的。复制材料流动屏障可用于限定基板120上的复制材料的轮廓或横向形状。因此，在一些情况下，可以设置复制材料的轮廓，使得基板120的区域保持不被复制材料覆盖。例如，如图6所示，即使考虑到光学元件131的庭院部分130，透明基板120的区域150也不会被过量的复制材料(即庭院130)覆盖。当基板120被分割成单独的光学单元时，基板可以沿着不切穿复制材料(包括庭院130)的线被切割。这种技术可能是有利的，因为它可以帮助降低复制材料(例如，环氧树脂)分层的可能性。此外，基板120的不存在复制材料的区域150可以用于在光学单元装配到光电模块期间夹紧该光学单元，以便将光学单元保持在适当的位置。避免将例如夹具附接到存在复制材料的基板120的区域可以帮助减少可靠性问题的发生。
在一些情况下，包括在其表面上具有复制的光学元件的透明基板的子配件被附着到例如在其上安装有多个光(例如可见、IR或UV)传感器的另一基板(例如印刷电路板)。在本文中，基板是“透明的”，意思是它对光传感器可检测的辐射波长(例如，可见、红外(IR)或紫外(UV))基本上是透明的。
其他实施方式在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种方法，包括:
提供在其表面上具有涂层的透明基板，其中所述涂层包括在其中的孔，所述涂层还在其中具有至少一个沟槽，其中所述至少一个沟槽横向围绕所述孔；以及
使用复制技术以形成所述透明基板上在所述孔中的光学元件，所述光学元件由复制材料构成；
其中所述至少一个沟槽用作所述复制材料的流动的屏障。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述复制技术期间，一些所述复制材料流过所述涂层并进入所述至少一个沟槽。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中存在横向围绕所述孔的多个沟槽。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述光学元件是微透镜阵列。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述涂层由铬构成。
6.一种装置，包括:
在其表面上具有涂层的透明基板，其中所述涂层包括在其中的孔，所述涂层还在其中具有至少一个沟槽，其中所述至少一个沟槽横向围绕所述孔；以及
所述透明基板上设置在所述孔内的复制的光学元件，其中所述光学元件具有在从所述孔朝向所述至少一个沟槽的方向上横向延伸的庭院部分。
7.根据权利要求6所述的装置，还包括具有与所述光学元件对准的光轴的发光或光感测设备。
8.根据权利要求6或7所述的装置，包括横向围绕所述孔的多个沟槽。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的装置，其中所述光学元件是微透镜阵列。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的装置，其中所述涂层由铬构成。
11.一种方法，包括:
提供在其表面上具有涂层的透明基板，其中所述涂层包括在其中的孔，并且其中至少一个壁设置在所述涂层上并横向围绕所述孔；以及
使用复制技术以形成所述透明基板上在所述孔中的光学元件，所述光学元件由复制材料构成；
其中所述至少一个壁用作所述复制材料的流动的屏障。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述复制技术期间，一些所述复制材料在所述涂层上朝向所述至少一个壁流动。
13.根据权利要求11或12所述的方法，包括横向围绕所述孔的多个壁。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述光学元件是微透镜阵列。
15.权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述涂层由铬构成。
16.一种装置，包括:
在其表面上具有涂层的透明基板，其中所述涂层包括在其中的孔，所述涂层还在其上具有至少一个壁，其中所述至少一个壁横向围绕所述孔；以及
所述透明基板上设置在所述孔内的复制的光学元件，其中所述光学元件具有在从所述孔朝向所述至少一个壁的方向上横向延伸的庭院部分。
17.根据权利要求16所述的装置，还包括具有与所述光学元件对准的光轴的发光或光感测设备。
18.根据权利要求16或17所述的装置，包括横向围绕所述孔的多个壁。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的装置，其中所述光学元件是微透镜阵列。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的装置，其中所述涂层由铬构成。
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