CN1294439C - 平面透镜及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种平面透镜，其能够补偿色差，易于形成并使得能够易于组装光学检拾器，以及一种形成平面透镜的方法。平面透镜包括一透明基底，在透明基底的一个表面上带有一透镜型腔，以及形成在透镜型腔之中的一透镜元件，带有一第一折射表面，接触于透镜型腔的底部，以及一第二衍射表面，具有一对置于第一折射表面的衍射光栅。
Description
技术领域
本发明涉及平面透镜和平面透镜形成方法，而更为具体地说，涉及能够补偿色差的易于形成的平面物镜，后者是光学检拾器不可或缺的部分，光学检拾器则用在光盘驱动装置(ODD)之中，以便把信息写进光盘和/或从光盘上重现信息，诸如光盘(CD)或数字通用盘(DVD)，以及涉及形成平面微透镜的简易方法。
背景技术
物镜用以通过把发自用作光源的半导体激光的激光束聚焦在光盘录制表面上而把信息写进光盘，并通过把从光盘反射的光线向光探测器汇聚而从光盘读出信息。通常，用于相对于光学信息储存媒体写入和读出信息的物镜一直是用以机械方式切割和抛光固态玻璃或塑料使之达到所需形状来形成的。形成这些玻璃透镜的另一些通常方法采用压挤模塑或喷射模塑，其中物镜是采用通过机械加工形成的模具用融熔或半融熔的玻璃或塑料形成的。
为了用压挤模塑形成物镜，如图1之中所示，其中需要如下部件：上部和下部模具2a和2b，其分别位于有待形成的目标对象即透镜1以上和以下；环圈3，其置于上部与下部模具2a与2b之间；套4，其作为上部和下部模具2a和2b的支承件。这些上部和下部模具2a和2b通常是由带有钻石砂轮的高精密车床形成的。不过，这一模具加工方法局限于对应球面或非球面透镜表面的弯曲模具表面的加工。具体地说，为了形成球面或非球面透镜表面，模具需要机加工成凹表面以匹配于所需的球面或非球面透镜表面。不过，难以用机械式模具机加工方法来机加工用于直径在大约1mm以下的透镜的凹形模具，因为受限于切削工具和钻石砂轮的曲率。
近年来轻便、微型和高密度光盘的发展趋势需要兼容于这种微型光盘的较小的光学检拾器。较小的光学检拾器应当由较小的光学构成器件组装而成，诸如激光二极管、瞄准仪、反射镜、光探测器以及其它。不过，较小的光学器件是难以形成和组装的，在具有1mm或以下直径的微透镜的情况下尤其如此，由于如上述，在其模塑机加工方面难度很大。由于模塑机加工方面的限制，此前所知比如用喷射模塑形成的最小透镜在0.85数值孔径(NA)情况下，具有大约4mm的直径。即使可以形成这种直径1mm或以下的微透镜，也难以处理如此微小的微透镜和用微透镜组装光学捡拾器。
一般的物镜两个对置的表面，它们是球面或非球面的并与其他各邻近的光学器件相比，突出到更接近光盘，以致在撞到光盘时可能被磨蚀和损坏。
为免除这些问题，历来有一些建议采取的方法，用于利用比如通常的半导体形成过程在平面基底上成组地形成物镜。这些方法有利于大量生产并使得可能以低成本组装光学检拾器。
图2A至2D表明由Akira Kouchiyama等人提出的微透镜组形成过程(日文J.Appl.phys，part，Vol.40，No.3B，p.1792，2001)。
简言之，在Akira Kouchiyama提出的方法中，玻璃基底5涂以光刻胶6，如图2A之中所示。在形成图形之后，如图2B之中所示。得到的光刻胶图形6’通过加热到预定温度，比如大约150℃，而重新流动。经过这一重新流动过程，形成半球状光刻胶图形6”，如图2C之中所示。接着，活性离子被供给等离子体蚀刻透镜型腔以通过半球形光刻胶图形6”蚀刻基底5，以致微透镜组形成在玻璃基底5上，如图2D之中所示。随着光刻胶图形6因加热而重新流动，光刻胶图形6’由于在重新流动过程中产生的表面张力而成为半球形的。随着等离子体干式蚀刻在适当的条件下以半球形光刻胶6”作为掩模在玻璃基底5上完成，掩模的半球形状就被转移到玻璃基底5上。得到的微透镜具有半球形折射表面。
在借助于等离子体蚀刻的这种微透镜组形成方法中，难以为适当厚度的物镜把光刻胶均匀地沉积到充分的厚度，以致得出的微透镜的弧矢高度是有限的。此外，由于通过重新流动而形成的半球形光刻胶图形被直接转移到玻璃基底上面，所以此方法不能用于除球面透镜之外的一般非球面透镜。
按照由Masahiro Yamada等人提出的一种微透镜形成方法-TechnicalDigest of ISOM/ODS 2002，p.398，用于光学控制的带有透镜型腔的基底是通过喷射模型形成的，而透镜型腔填以高折射率材料并经受抛光以形成平面透镜。
Masahiro的方法要求具有所需形状的模具以形成基底上的透镜型腔。不像一般模塑过程中透镜型腔形成在基底上以对应所需透镜的凸出表面那样，而是通过机械加工形成一个模具，加工成形插入物或镶嵌物状，带有匹配于基底所需透镜型腔的凸出表面。在带有使用插入物状通过喷射模塑形成的透镜型腔的整个基底上，通过阴极溅镀使高折射率材料沉积到预定厚度并予以抛光，以致高折射率材料只留在基底的透镜型腔之内。填以高折射率材料的透镜型腔起到透镜的作用。
这一方法适于形成单个微透镜而不是一组多个透镜。另外，用在此方法之中的薄膜沉积技术，例如阴极溅镀，对于具有适当厚度的透镜层要占用很长的持续时间。其次，抛光沉积成的高折射率材料透镜层也是很费时间的。
发明内容
本发明提供一种平面物镜，易于形成、使得能够容易组装光学检拾器和良好的光学性能，以及一种形成平面物镜的方法。
按照本发明的一个方面，提供一种平面透镜，包括：一透明基底，在透明基底的一表面上带有一透镜型腔；以及一透镜元件，形成在透镜型腔之中，带有一第一折射表面，接触于透镜型腔的底部，以及一第二衍射表面，具有对置于第一折射表面的一衍射光栅；
在符合本发明的一种平面透镜中，透镜元件可以由一种比用于透明基底的材料的折射率高的材料形成的。
按照本发明的另一方面，提供一种形成平面透镜的方法，此方法包括：(a)在一透明基体上形成的一透镜型腔；(b)以一种透镜形成材料填充透镜型腔；以及(c)在充满透镜形成材料的表面上形成一衍射光栅。
在符合本发明的一种形成平面透镜的方法中，步骤(b)可以由一种溶液-凝胶方法来实现，此方法包括旋转涂敷和烘焙透镜形成材料。在步骤(a)中，透镜型腔可以形成一球面或非球面表面。
另外，本发明提供一种形成平面透镜的方法，此透镜包括：一镜体，形成在透镜型腔之中，带有一第一折射表面，接触于透镜型腔的底部，以及一第二衍射表面，具有对置于第一折射表面的一衍射光栅，此方法包括：(a)在透明基底上形成透镜型腔；(b)粘合于透明基底上一带有一图形区域的模具，此图形区域与透镜元件的衍射光栅相匹配，以致模具的图形区域从上面调准于透镜型腔；(c)把一种含有某一高折射率材料前体的液态透镜形成材料注入到透镜型腔里面，所述高折射率材料的折射率比用于透明基底的材料的折射率更高；(d)固化透镜型腔之中的液态透镜形成材料；以及(e)使模具从透明基底分离。
在以上方法的另一实施例中，液态透镜形成材料可以由UV辐射使之固体-核化和加热使之完全固化。优选是，液态透镜形成材料是一种包括(Si，Ti)O2前体的醇盐溶液。
在步骤(a)中，透镜型腔形成一球面或非球面底部表面。
在符合本发明的以上方法的又一另外实施例中，在透明基底上形成透镜型腔的步骤(a)可以包括：在一基底上形成一带有一窗口的掩模，基底的一透镜型腔区域经由此窗口被曝光；用各向同性干式或湿式蚀刻来蚀刻经由窗口被曝光的基底透镜型腔区域以便在窗口下面形成透镜型腔；以及从基底上去除掩模。
在符合本发明以上方法的再一另外的实施例中，在透明基底上形成透镜型腔的步骤(a)包括：在透明基底整个顶部表面上沉积光刻胶；在沉积的光刻胶上形成一凹槽，其形状与有待形成的透镜型腔一样；以及在基底上蚀刻沉积的光刻胶到某一深度以便把凹槽的形状转移到透明基底上面，从而在透明基底上得出透镜型腔。在此情况下，在沉积的光刻胶上形成凹槽可以通过经由一灰度掩模曝光或通过直接曝光于激光束或电子束而实现。
附图说明
本发明的以上和其他特性和优点通过参照附图详细说明其各示范实施例会变得更加明显。
图1表明用于形成透镜的现有方法的范例；
图2A至2D是剖面视图，表明用于形成一组微透镜的现有方法；
图3是符合本发明一实施例的平面物镜的剖面视图；
图4A至4D是剖面视图，表明本发明实施例的平面物镜形成方法；
图5A至5D是剖面视图，表明本发明制造平面物镜时在基底上形成透镜型腔的方法的实施例；
图6A至6D是剖面视图，表明本发明制造平面物镜时在基底上形成透镜型腔的另一方法的实施例；以及
图7A至7E是剖面视图，表明本发明另一实施例形成平面物镜的方法。
具体实施方式
按照本发明形成物镜的方法形成的物镜各实施例将参照附图说明。
参照图3，符合本发明一项实施例的物镜10具有的结构包括透镜元件11，其处在透镜型腔12a之中，而透镜型腔12a形成在带有凹的非球面或球面表面的基底12之顶面的中部。透镜元件11具有对应于透镜型腔12a底部的第一表面和对置于第一表面的第二表面。透镜元件11的第一表面是折射表面，具有匹配透镜型腔12a底部轮廓的非球面或球面曲率，而第二表面是带有衍射光栅的衍射表面。
图3的物镜10是平面透镜，是通过以透镜元件11填充基底12的透镜型腔12a而形成的，不像一般的折射表面是向外凸出的凸面物镜。在此具有以上结构的物镜10中，比如，当激光光束自光源(未画出)入射在基底12底部上时，激光光束首先通过在透镜元件11反射表面11b处被折射而聚焦，而其次在衍射表面11a处被聚焦成可能接近于衍射极限的最小光点。透镜元件的衍射表面11a设计得使之能够补偿透镜象差，具体地说，色差，以及以与通常的菲涅耳(Fresnel)透镜同样的形式聚焦光线。
此后，将详细说明符合本发明、具有上述结构的、平面物镜的一种形成方法。虽然以下说明单独一种透镜的形成，但是以下所述的方法可以用以在单独一件基底上形成一组多个透镜。
图4A至4D表明符合本发明一项实施例的一种平面物镜形成方法。参照图4A，开始，备好透明的玻璃基底12。接着，在玻璃基底12上形成透镜型腔12a，如图4B之中所示。透镜型腔12a是用光刻法随之以掩模作湿式蚀刻或干式蚀刻而形成的。
如图4C之中所示，透镜型腔12a填充以高折射率材料以形成透镜元件11。具体地说，在带有透镜型腔12a的基底12整个表面上，用溶胶凝胶方法沉积高折射率材料，在此方法中重复进行高折射率材料的旋转涂敷和烘焙以形成具有所需厚度的涂敷层。接着，高折射材料涂敷层抛光到以致只在透镜型腔12a中留有高折射材料，形成透镜元件11。
如图4D之中所示，衍射光栅形成在透镜型腔中的透镜元件11表面上以形成符合本发明的所需物镜。
下面详细地说明参照图4所述物镜的形成方法。图5和6表明形成示于图4之中的物镜时形成基底12上透镜型腔12a的方法。
透镜型腔形成的实施例1
参照图5A，备好的基底12的整个表面涂以光刻胶13并以窗口14a作为透光路径经由掩模14经受曝光。在此实施例中，采用正性光刻胶，以致有待蚀刻的区域被曝光以在其下面形成透镜型腔12a。
接着，光刻胶13的已曝光区域通过冲洗过程被除去，如图5B之中所示，而露出基底12的透镜型腔区域。
基底12露出的透镜型腔区域，没有覆盖光刻胶13，经受各向同性的干式或湿式蚀刻，以致形成带有球面底部表面的透镜型腔12a，如图5C所示。
在余留的光刻胶13被剥离之后，如图5D之中所示，就实现了示于图4C之中的过程。
形成透镜型腔的实施例2
参照图6A，备好的基底12的整个表面涂以光刻胶13并经由带有透光度局部变化的窗口的灰度掩模15经受曝光。在此实施例中，采用正性光刻胶，以致有待蚀刻的区域被曝光以在其下面形成透镜型腔12a。
由于用在此实施例之中的灰度掩模15的窗口具有局部变化的透光度，所以，在曝光过程期间通过窗口照射在光刻胶13上的光量是不均匀的遍及被曝光区域。灰度掩模15的窗口的透光度需要按照所需球面或非球面透镜的曲率予以适当控制。
接着，通过冲洗过程在光刻胶13上形成球面或非球面凹槽13a，如图6B之中所示。
接着，如图6C之中所示，在光刻胶13上和基底12中进行干式蚀刻，比如活性离子蚀刻以便把光刻胶13之中的球面或非球面凹槽13a转移到基底12里面。结果，透镜型腔12a形成在基底12上，如图6D之中所示。在完成透镜型腔12a的形成之后，就实现了以上示于图4C之中的过程。
在图4C的过程中，作为填充透镜型腔12a的高折射率材料，可以采用一种材料，它具有2.0或更大的折射率和对于比如具有405纳米波长的兰光的高透光度，诸如SiO2、TiO2、ZrO2、HfO2、SrTiO3、BaTiO3、PbTiO3、PZT、PLZT，等等，以及这些材料之中两种或更多种物质的组合和采用了兼容于溶胶凝胶技术。
在此溶胶凝胶方法中，与一般物理沉积方法相比如阴极溅镀相比，短时间之内可以形成比较均匀的厚厚一层。由于以高折射率材料填充透镜型腔12a而形成的透镜元件的顶部表面是不平整的，所以要抛光透镜元件的凹凸不平的顶部表面(图4C)。接着，在由高折射率材料形成的透镜元件的表面上形成衍射光栅(图4D)。在形成透镜元件的折射表面时，可以采用用于形成通常的衍射光学元件(DOE)的方法，包括利用双元光学的光刻法、灰度光刻法和利用电子束和激光束的直接刻印法。
图7A至7E表明符合本发明另一实施例的一种平面物镜形成方法。参照图7A，开始，备好基底。接着，利用以上实施例1和2之中所述的任何一种方法在基底12上形成透镜型腔12a。
如图7C之中所示，盖模16，具有匹配所需透镜元件(衍射透镜)衍射表面11a(参照图3)的图形区域16a，被制备出来并调准在基底12上和与之组装。为形成此盖模16，主基底形成得量有与所需衍射透镜或所需衍射透镜组的衍射表面11a衍射光栅同样的图形，而盖模16是比如通过镀镍从主基底形成出来的，它具有的图形区域16a相对于所需衍射透镜的衍射光栅具有相反的图形并与之匹配。
接着，如图7D之中所示，透镜形成材料，比如包含(Si，Ti)O2前体的醇盐溶液被注入用盖模16覆盖的透镜型腔12a。任何包含任何高折射率材料的前体除(Si，Ti)O2之外的溶液都可以用作透镜形成材料。注入透镜形成材料之后，用紫外(UV)射线照射基底12的底部表面，用于把透镜形成材料核化成为半固体状态。接着，基底12被加热到预定温度以完全固化透镜形成材料。
在透镜形成材料完全固化成为透镜元件11之后，盖模16被去除以形成所需的物镜或物镜组，如图7E之中所示。
按照此实施例中所述的方法，既不需要用透镜材料溶液反复旋转涂敷基底并予以烘焙，如参照图4A至4D在以上实施例中所述的溶胶凝胶方法之中取样，也不需要相伴的表面抛光。当预先形成的盖模可供使用时，可以只是应用以上UV固化技术在短时间内形成所需透镜。因此，在此实施例中所述的方法非常有利于大量生产。此外，如上述取样采用盖模，与采用双元光学、灰度光刻法的光刻法以及采用电子束或激光束的刻印法相比，会使所需衍射表面的形成容易一些。
按照上述方法形成的本发明一种平面物镜提供的结构上的优点如下。
首先，与用压挤或喷射模塑形成的一般物镜不一样，由于符合本发明的物镜是用嵌置在平面基底中的透镜元件形成的，所以容易加工处理，而且光学检拾器可以容易与这种物镜组装在一起。此外，物镜的厚度可以尽量减小而用于微型光学检拾器。当许多物镜在晶片平面上同时形成时，集成式光学检拾器可以容易以高效组装，即通过简单地对准上面装有其他各光学元件的另一晶片并与它粘接。
其次，符合本发明的物镜透镜元件在一个表面上具有折射表面而在对置表面上具有衍射表面，由此两个透镜表面形成很强的聚光效应。因此，可以形成具有很大的数值孔径(NA)的物镜。此外，通过适当地组合折射和衍射表面，可以形成无色差的消色差透镜。
符合本发明的一种平面物镜形成方法在以下各方面是具有优点的。
首先，按照本发明，在基底上形成透镜型腔时，不是应用要使用凸模的模塑技术，而应用通常用在半导体装置形成之中并使微细加工成为可能的湿式或干式蚀刻技术。所以在晶片上能制作成组的微透镜。
其次，由于利用溶胶凝胶方法或UV固化方法使高折射率材料用于透镜来代替诸如阴极溅镀这样的物理薄膜沉积技术，所以可以减少整个加工处理时间。此外，UV固化技术不需要随在沉积高折射率材料之后的表面抛光，以致整个制造时间可显著减少而具有很高的生产率。
符合本发明的平面物镜可以用在便携式微型光盘驱动装置之中，光盘具有30mm或更小的直径并采用400-410nm兰色波长的半导体激光光线作为光源用于录制和重放。符合本发明的这种平面物镜具有0.85的数值孔径并可用以录制和重放音频和视频的便携式微盘(MD)播放机、便携式摄像录音一体机、数字相机、个人数字助理(PDA)、MP3播放机等。符合本发明的平面物镜用于适合多种光盘驱动装置以及需要兰色光源、具有1-GB信量容量和30mm或更小直径的光盘的任何类型不同尺寸的光学检拾器。
虽然本发明已经具体地参照其各示范性实施例作了图示和说明，但本技术领域中具有普通熟练水平的人员将会理解，本发明不限于上述的具体结构和配置而在其中可以作出形式和细节方面的多种改变而不脱离由以下各项权利要求所确定的本发明的精神和范畴。
Claims (15)
1.一种平面透镜，包括：
一透明基底，在透明基底的一表面上带有一透镜型腔；以及
一透镜元件，形成在透镜型腔之中，带有一第一折射表面，接触透镜型腔底部，以及一第二衍射表面，具有对置于第一折射表面的一衍射光栅。
2.按照权利要求1所述的平面透镜，其中，透镜元件是由一种比用于透明基底的材料的折射率高的材料形成。
3.一种形成平面透镜的方法，此方法包括：
(a)在一透明基底上形成一透镜型腔；
(b)以一种透镜形成材料填充透镜型腔；
(c)在充满透镜形成材料的透镜型腔表面上形成一衍射光栅。
4.按照权利要求3所述的方法，其中，步骤(b)是由一种溶胶凝胶方法实现的，此方法包括旋转涂敷和烘焙透镜形成材料。
5.按照权利要求3所述的方法，其中，在步骤(a)中，透镜型腔形成一球面或非球面底部表面。
6.按照权利要求3所述的方法，其中，在透明基底中形成透镜型腔的步骤(a)包括：
在一基底上形成一带有一窗口的掩模，基底的一透镜型腔区域经由此窗口被曝光；
利用各向同性干式或湿式蚀刻对经由窗口被曝光的基底透镜型腔区域进行蚀刻以便在窗口下面形成透镜型腔；以及
从基底上去除掩模。
7.按照权利要求3所述的方法，其中，在透明基底上形成透镜型腔的步骤(a)包括：
在透明基底整个顶部表面上沉积光刻胶；
在沉积的光刻胶上形成一凹槽，其形状与有待形成的透镜型腔一样；
在基底上蚀刻沉积的光刻胶到某一深度，以便把凹槽的形状转移到透明基底上面，从而在透明基底上得出透镜型腔。
8.按照权利要求7所述的方法，其中，在沉积的光刻胶上形成凹槽是通过经由一灰度掩模曝光或通过直接曝光于激光束或电子束而实现的。
9.一种形成平面透镜的方法，所述平面透镜包括在一透明基底的一透镜型腔中形成的一透镜元件，透镜元件具有一第一折射表面，其接触于透镜型腔的底部，以及一第二衍射表面，具有对置于第一折射表面的一衍射光栅，此方法包括：
(a)在透明基底上形成透镜型腔；
(b)粘合于透明基底上的一带有一图形区域的模具，该图形区域与透镜元件的衍射光栅相匹配，以致模具的图形区域从上面调准于透镜型腔；
(c)把一种包含某一高折射率材料前体的液态透镜形成材料注入到透镜型腔里面，所述高折射率材料的折射率比用于透明基底的材料的折射率更高；
(d)固化透镜型腔之中的液态透镜形成材料；以及
(e)使模具从透明基底分离。
10.按照权利要求9所述的方法，其中，液态透镜形成材料由UV辐射使之成固态核形并由加热使之完全固化。
11.按照权利要求9所述的方法，其中，液态透镜形成材料是一种包括(Si，Ti)O2前体的醇盐溶液。
12.按照权利要求9所述的方法，其中，在步骤(a)中，透镜型腔形成一球面或非球面底部表面。
13.按照权利要求9所述的方法，其中，在透明基底上形成透镜型腔的步骤(a)包括：
在一基底上形成一带有一窗口的掩模，基底的一透镜型腔区域经由此窗口被曝光；
利用各向同性干式或湿式蚀刻对经由窗口被曝光的基底透镜型腔区域进行蚀刻以便在窗口下面形成透镜型腔；以及
从基底上去除掩模。
14.按照权利要求9所述的方法，其中，在透明基底上形成透镜型腔的步骤(a)包括：
在透明基底整个顶部表面上沉积光刻胶；
在沉积的光刻胶上形成一凹槽，其形状与有待形成的透镜型腔一样；
在基底上淀积蚀刻的光刻胶到某一深度以便把凹槽的形状转移到透明基底上面，从而在透明基底上得到透镜型腔。
15.按照权利要求14所述的方法，其中，在沉积的光刻胶上形成的凹槽是通过经由一灰度掩模曝光或通过直接曝光于激光束或电子束实现的。
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