CN1386204A - 有高聚焦效率的微透镜阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有高聚焦效率的微透镜阵列(105)。高聚焦效率是通过精确制造单个微透镜并以高填充因子组成阵列的方式实现的。正微透镜阵列是通过使用激光直接写入方法在正光致抗蚀剂(21)上形成有凹表面起伏图形(101)的母板制造的。通过这种方法,与所要求的微透镜外形与有限激光束关联的卷积问题得以解决。本发明的微透镜阵列的聚焦效率至少为75%。

Description

有高聚焦效率的微透镜阵列

I.发明领域

本发明涉及有高聚焦效率的微透镜阵列，也涉及制备这种阵列的方法。

本发明可用于将激光有效聚焦到光纤，光漫射器和在其它应用中控制投射和透射显示器的相干或不相干光的散射。II.定义

这里使用下面的定义

“微透镜阵列”是一微透镜的阵列，与单一单元阵列相关，有一个与每一单一单元相关的微透镜。本发明的微透镜可以有任何要求的结构，能够在例如受让的美国专利申请No.60/222033中公开的支撑“活塞”上形成，该专利申请是在2000年7月31日以G.Michael Morris和Tasso R.M的名义申请的，名称是“为控制光扩展的结构屏(Structured Screens for ControlledSpreading of Light)”，其全部内容在这里引为参考。因此，正如在这里所使用的，术语“微透镜”意指是能聚焦光的任何微结构。

“填充因子”：微透镜阵列的填充因子是微透镜占据的单一单元面积之和与单一单元面积的总和之比。

“聚焦效率”：微透镜阵列的聚焦效率是对基本上空间不相干的准直光源，例如准直白光源沿其光轴入射到阵列上，在微透镜焦点上测得的光强度的总和除以入射到阵列的单一单元上的光强度之和。正如本专业技术人员会认识到的那样，这是聚焦效率的Strehl型定义。

由于凹的微透镜会有虚焦点(例如空气中的一个平-凹微透镜会有一负的放大率和因此有一准直光的虚焦点)，这种情况需要一附属的光学系统用来产生其强度能度量的实焦点。至少在一定程度上，附属光学系统会减小实焦点上的强度，这种减小在测定虚焦点的强度值时，应予考虑。

在变形微透镜情况下，微透镜的每个焦点上的光强度包括在测得的光强度总和中。

III.背景技术

许多应用中需要微透镜，例如从激光器到光纤的光耦合，它既可以是单一透镜的形式也可以阵列形式，依靠微透镜，几个光束被聚焦到几根光纤中。其它重要的应用包括光漫射器和屏。

根据不同应用，需要能控制聚焦特性的精确外形的微透镜，或者在一阵列的情况下，要求阵列中的大多数透镜有高质量。为了有效地聚焦光，透镜的外形(或者垂度函数)必须精确地制造，其典型精度等于或大于例如λ/4，这里λ是入射光源的波长。

此外，特别对高密度耦合、漫射或屏应用来说，微透镜利用整个表面聚焦常常是重要的。以这一方式，基本上所有入射光能被阵列所控制。当全部有用的表面积用来聚焦时，就说阵列具有100％填充因子。

紧密压缩的微透镜意味着填充因子等于100％，也表示相邻微透镜之间的内边界是紧密接触的。紧密压缩的简单例子是一六角形的阵列。其它排列方式，例如方形阵列，也是紧密压缩的。

在科学文献和专利文献中看到的微透镜阵列，填充因子低于100％是很常见的。图1表示的一种阵列，在这阵列中，微透镜12规则地排列在可用的基板面积11上，每一微透镜之间都留有空隙。图1的阵列的每一个单元用虚线13示出，这种阵列的填充因子仅44％。

有几种现在的方法制备分开的微透镜单元或微透镜阵列，它们的边界完全分开以使其边界避免了紧密接触。因为在相邻透镜的内边界之间有一有限的距离，这种阵列的填充因子一定小于1(100％)。

由于这些方法不能精确地保持微透镜的边界，特别对小的强聚焦透镜，因此，难以用已有的工艺得到紧密压缩的透镜阵列。

使用热变形的方法，像在美国专利No.5,324,623中所揭示的，这种方法基于体积弛豫，因此不能控制在微透镜之间内边界上材料的熔化。而随着材料的熔化，就有使聚焦能力降低的畸变。热形变的方法实施起来是简单的，但对控制单个微透镜结构却受到限制。

另一种方法，像美国专利5,300,623中所描述的，包括制作机械模子，这模子限定了可固化液体的容器。液体被注入到容器中，自然的表面张力产生一弓状的表面，可用作微透镜。这种有各种容器形状的模子限定了阵列的类型。由于这种方法对控制微透镜单元形状固有的限制，其效率对通常的应用来说不能达到最大。基于直接制作单个微透镜的其它机械方法，诸如金刚石车削，则更适于制作单个微透镜而不是制作阵列。

基于制作渐变折射率阵列的离子扩散工艺的方法，诸如美国专利No.5,867,321所描述的，不能提供100％的填充因子，二个相邻的微透镜之间的区域一般是微透镜重复间隔的20％。由于固有的缓慢扩散过程，渐变折射率阵列对大规模制造来说存在重大限制。

使用的光致抗蚀剂上直接激光写入方法制造微透镜阵列的工艺是众所周知的。参见普通受让的PCT专利，公开号NO.WO99/64929、Galt等人递交、美国专利NO.4,464,030以及微光学：元件、系统和应用(Micro-optics：Elements，Systems and applications)，Hans P.Herzig，ed.，Taylor & Francis，Bristol，PA，1997，pp53-152。这一工艺中选择的光致抗蚀剂是正的光致抗蚀剂，这是因为与负的光致抗蚀剂相比较，正的光致抗蚀剂使用得更广泛，光致抗蚀剂制造厂商投入的研发工作更多，而且一般来说有更高的分辨率。但正如下面详细讨论的，在本发明以前，使用正的光致抗蚀剂，不可能制作有高填充因子、高聚焦效率的正微透镜阵列。

本发明通过提供制备有高聚焦效率的微透镜阵列的方法解决已有技术的困难，该方法通过制造高填充因子的精密微透镜来实现。阵列可以以任何方式排列，如正方形、六角形或任意形状的。此外，该方法还允许制造任意形状的微透镜以及在不同方向上改变聚焦功率(变形透镜)。

IV.发明内容

鉴于前面的陈述，本发明的目的包括了至少下述的某些目的，最好是包括下述的全部目的：

(1)提供有高聚焦效率的微凸透镜阵列的制造方法；

(2)提供微凸和/或微凹透镜阵列，其聚焦效率大于75％，较好的大于85％，最好大于95％；

(3)提供精密制造高填充因子的微凸透镜阵列的方法；和/或

(4)提供精密制造的微凸和/或微凹透镜阵列，其填充因子大于90％，较好的大于95％，最好接近100％，以至于整个所使用的基极区域能用来聚焦或者更通常的是散射入射光束。

与上述目的有关，本发明的另一目的是使阵列的微透镜具有任意形状(垂度函数)，可在阵列中任意改变。

本发明的再一个目的是提供使用正的光致抗蚀剂制造高填充因子微凸透镜阵列的改进方法。

为了实现上述目的和其它目的，本发明提供了一种制造微凸透镜阵列的方法，该方法使用在正的光致抗蚀剂上直接激光写入以产生初始母板(初始模子)，初始母板的表面结构与要求的微凸透镜阵列相反(互补的)。也就是初始母板有一凹的而不是凸的表面结构。以这种方式，正如下面所详细讨论的，克服了因有限大小的激光束和与该光束要求的凸微透镜分布的卷积所引起的困难。通过这些困难的克服，高聚焦效率的凸微透镜得以实现。

一般来说，微透镜阵列的高聚焦效率依赖于二个因素：(1)高填充因子，和(2)精确再现所要求的透镜外形。二个因素都是必须的，只有一个因素是不够的。

因此，高填充因子可以通过改变整个抗蚀剂膜来实现，但如果这种改变与所要求的透镜外形不相配，由于部分有不精确外形的抗蚀剂膜会不正确地聚焦入射光，从而使阵列的聚焦效率蒙受损失。另一方面，精确复制所要求的单个微透镜分得很开的透镜外形也导致低的聚焦效率，此时，光将穿过微透镜之间的空隙。

根据本发明，已发现通过将凹面引入正光致抗蚀剂上的初始写入的凸透镜的方式能够同时解决这二个因素。以这种方式，以高填充因子通过精确制得的所要求的透镜外形实现高聚焦效率。

根据一较佳的实施例，本发明是以下述方法实现的：使用一典型的是用玻璃做的基板支撑一第一介质以产生一初始母板(初始模子)，这一母板用作以有效成本精确复制所要求的微透镜阵列。特别是，在基板上淀积正的光敏抗蚀剂膜，该抗蚀剂膜的淀积厚度与所要求的最终微透镜阵列的厚度一致。正的抗蚀剂最好是低对比度的那一种，当曝光时，能形成光滑变化的表面起伏分布。

基板上淀积抗蚀剂以后，正的抗蚀剂在一特征分布的激光束下曝光。所关注的抗蚀剂膜区域在激光束下以预定的取样速率曝光。通过改变激光束强度，阵列中的每一微透镜的互补形状在抗蚀剂中编码。特别是通过调节光敏膜的物理和化学性质，激光曝光使光敏膜上产生潜像。

接着，薄膜显影产生一表面起伏结构。对正的抗蚀薄膜，显影除去曝光区域而留下未曝光区。上面的表面起伏结构与初始母板的光致抗蚀剂类型组合是本发明的关键，因为只有通过指出的组合能通过高填充因子实现高聚焦效率且使得限定的激光束的卷积效应最小化。

本领域通常相信，有限的激光束的卷积效应基本上相同，不管激光束曝光产生的是凸的还是凹的表面起伏结构。按照本发明，已经发现这种概念不对，事实上，微凸透镜阵列的初始母板制作为凹表面起伏结构时，可获得高填充因子(例如填充因子等于或基本等于100％)和高聚焦效率(例如聚焦效率至少大于75％)。这种组合怎样解决卷积问题的详细讨论下面会提到。

为了制作大量复制有用的模子，通常需要中间复制步骤，因为抗蚀剂膜通常不适于大规模复制。例如，凹的表面起伏结构可用来制备在凸起形状的中间母版(中间模子)。中间母版可以多次复制以提供最终母板(最终模子)，最终母版是凹形的。因此，用凹形最终母版进行大规模复制是可能的，从而最后的阵列是凹形的并有高填充因子和高聚焦效率。

阵列并不要求限制成规则的周期性配置，诸如正方或六角阵列，而可以假定为任何普通的不规则形状，正如设计要求所规定的。进而，透镜形状也不要求一样，事实上对于阵列中的每一微透镜来说，都是可以改变的。例如，本发明的工艺能用来制造前面参考材料中提到的标题为“控制扩展光的结构屏”的受让美国专利申请中提出的微透镜结构和分布。

本发明中的一个重要事实是在正的抗蚀剂膜上形成的凹的表面起伏结构的凹面顶点最好是排成一线或对任何相邻的元件来说变化很慢的。如果这个指标不满足，精密外形只在一部分阵列中产生，会减小填充因子，也降低阵列的聚焦效率。

V.附图说明

图1是填充因子小于100％的透镜阵列的顶视图。

图2表示表面上淀积光敏膜的玻璃基板。

图3表示激光束在光敏膜上扫描产生一独特的化学性质区(潜像)。

图4A和图4B表示制备凸结构时的卷积效应。

图5A和图5B分别表示对于凸和凹透镜阵列硬制造工具的相互作用。

图6表示一个阵列的微透镜单元的聚光效率的计算，这阵列制成凸起形状。

图7A和图7B分别表示制成凸起和凹陷形状的相同微透镜外形的实验曲线。

图8和图9表示在正的光致抗蚀剂上形成有凹的空腔的表面起伏结构，空腔的边界与光致抗蚀剂顶面对准。

图10A、图10B、图10C表示有凹的空腔的初始模子的复制过程，以得到最终的微凸透镜阵列。

VI.发明的详细描述

现在参考附图，图2表示在通常用玻璃制成的基板22上淀积的低对比度的光敏抗蚀剂薄膜21。膜的厚度等于或大于透镜阵列所确定的总深度。依赖于阵列的总厚度，抗蚀剂需要进行像硬化之类的预处理。

在抗蚀剂初始处理后，激光束聚焦在抗蚀剂膜上并沿表面扫描以使整个抗蚀剂表面曝光，如图3所示。对每一点改变激光束强度，从而，以抗蚀剂材料化学变化的方式在抗蚀剂上印上所要求的凸微透镜的负的潜像的图形。

为了得到表面起伏结构，化学方式调节的抗蚀剂薄膜经历一显影过程，这一显影过程包含放在一溶液，例如标准的碱性显影液中，显影时间随阵列总厚度而变化。较深的阵列要求较长的显影时间。对于正型抗蚀剂，曝光工艺去掉曝光区，留下非曝光区。

根据这里描述的本发明的工艺，阵列中的每一个微透镜需要在正的光致抗蚀剂上以凹下的形式制造。只有以这种方式，才能显著降低当微透镜制备成凸起的形式时观察到的周边效应。这是因为制备工艺本身将这些特征引入表面起伏外形中，而这是不希望看到的。

给出所要求的表面起伏结构的数字描述并写入激光束，通过抗蚀剂曝光得到的起伏结构通常描述为所要求的表面函数与激光束函数的卷积，可用下面的数学公式描述卷积操作： $F(x,y)=\underset{s}{\∫\∫}f(x^{\′},y^{\′})g(x^{\′}-x,y^{\′}-y)d{x}^{\′}d{y}^{\′}$ 这里f表示描述期望表面起伏的数学函数，g表示写入激光束的数学形式，S代表制备的表面区，(x，y)指光敏膜表面上的点，F代表最终的表面形状。

方程(1)的正确性有赖于以下假设：激光束和光敏膜的互相作用是线性的，即薄膜的响应正比于激光曝光强度，几个激光束的叠加有简单的迭加效应。作为一良好的近似，这一假设是正确的，并能在以凸起形式制得的表面起伏结构上观察到，这就是在图4A和4B中描述的从抗蚀剂表面突出的结构。

容易在凸起结构观察到期待的卷积效应的事实导致相信对凹下形状也发生同样类型的行为。事实上，假如用方程(1)并注意得到凹下形状只要简单地用-1乘以凸起形状并加一常数，则显然，最终形状除了符号改变外，对凹下形状和凸起形状都是一样的。

但是，转到在激光束和光敏膜之间的互相作用是非线性的情况，则卷积关系只能近似地描述制备过程。事实上，根据本发明，我们已经发现，写入激光过程更接近于借助硬质机械装置，诸如金刚石工具制备器件的过程。

在这种制备方法中，卷积效应仍然存在，但不同于用激光束观察到的，因为不存在潜像的形成，不发生迭加效应。机械工具与受控制的表面接触以产生表面起伏。但在机械方法制备凸起和凹下结构时，存在固有的不对称。因为机械工具大小有限，因此，不可能穿过二相邻结构间的狭窄区域，但在产生二个凹结构的明显的接触点时，并不存在困难。这在图5A和5B中描述。

根据本发明，我们已经发现，激光写入方法依据相似原理操作，当考虑凸起或凹下形状时，显示出类似的不对称。这令人惊奇的结果使得能制备全压缩的微凸透镜阵列，这正与先前的只能在阵列的部分孔径上以全压缩的方式保证其精确外形的方法相反。

重要的是，当用来制造凹表面起伏结构的激光写入方法对凹下结构不仅得到机械控制装置的优点，而且提供了大大超出机械控制方法所能提供的能力。例如，用激光写入制造微透镜的大小和形状实质上不受限制。然而，机械工具本身的大小决定了相邻微透镜之间边界区的宽度。使用激光写入，这一边界区可以任意地减小。

保持从结构顶点到相邻凹面边界上的最边缘处的凹表面起伏形状的能力，允许制造高聚焦效率的凸微透镜阵列。由于允许最终的凸微透镜有全压缩的配置，这的确如此。相反，如果阵列以凸的形状直接制得，不管是用机械工具、激光工具还是其它方法，其二个相邻微透镜的边界不能有效地用于聚焦，因此，阵列的聚焦效率会降低。

不管是用机械工具还是激光工具，以凸的形状制造阵列的缺陷，在图6中描述。在该图中，曲线61代表所要求的微透镜形状，用参数A代表能聚焦的面积。但是，由于制造的原因，真实的微透镜形状由曲线62给出。现在，能聚焦的面积以参数B表示。观察到的微透镜边界上的周边效应使得入射光射到微透镜焦点以外的位置上。因此，只有区域B能用于焦聚。这样，计算微透镜的聚焦效率η能以下式表示： $\mathrm{\η}={\left(\frac{B}{A}\right)}^2\×100\%......\left(2\right)$

用已有工艺，B总是小于A，因此，聚焦效率小于100％。而用本发明的方法，初始表面起伏结构以凹下的形状写入，透镜之间的明显的边界在最终微透镜阵列中良好地再现。当凹形母板被复制时，得到凸阵列，以致于B基本上等于A。因而聚焦效率基本上等于100％。

实验研究证实了上面的分析，特别在高数值孔径(快镜)的凸微透镜情况下，光以大角度聚焦。图7A表示以凸模制造的直径等于50μm的微透镜阵列。微透镜的边界很清楚是圆形的，不能有效的聚焦。对这个阵列的每一微透镜，计算得到的效率为50％。

另一方面，当同样的阵列以凹形制造时，得到的结果要好得多，如图7B所示。注意，边界得以保持。这一阵列算得的聚焦效率为100％。此外，凹表面起伏结构能全部压缩而不损失效率。而凸阵列的直接写入不能得到这种全压缩而不损失效率。

作为本发明的方法的另一个重要内容，在正光致抗蚀剂上形成的凹表面起伏结构的凹面的未端与抗蚀剂表面对准，如图8所示。所要求的排列的任何改变应慢得足以避免最终微透镜成为过渡的圆形，否则会导致低透射效率。机械控制和激光写入之间的类比在相邻凹面有一相对垂直偏差时，像上面参照的标题为“控制光扩散的结构屏”的受让的专利申请中所提到的“活塞”，没有意义，。对这种类型的屏应用，降低效率也许是可接受的。在其它情况，聚焦效率的损失是无法容忍的。

如图9所示，凹表面起伏结构的凹面顶部之间的准直要求完全可与个别微透镜聚焦特性随机变化的某些阵列的要求相兼容。此时凹面的顶点不准直，只是它们的顶点。类似的原理应用于二维阵列。

显影后，用激光曝光得到的表面起伏结构提供能用于复制的第一个模子。如果构成光敏膜的材料是适于复制的，则母板的复制能容易地制成凸形。如要求复制凹形，一中间复制步骤是必须的，由此形成准备制造凹阵列的凸工具。典型地，光敏膜是不适合多次复制的，因此，模具最好用例如强度较好的塑料树脂制造。

一代表性的复制工艺顺次在图10A-10C中描述。

图10A表示凹形的初始表面起伏结构101，它有准直的顶点。基板，如玻璃基板用标号102标出。图10B表示另一基板103，基上淀积塑料树脂104。这种树脂比光致抗蚀剂更适于使用或用作中间复制工具。图10C表示图10B的中间复制工具复制的结果，这一结果制得了所要求的凸微透镜阵列105。

类似于图10表示的顺序，能用来制造高效率、高填充因子的凹微透镜阵列，此时，初始表面起伏结构以凹面形式在正光致抗蚀剂上形成。

尽管已描述了本发明的特定的实施例，但对本领域的技术人员，很明显知道，在不背离本发明的精神和范围的前提下，能做出修改和变化。因此，下面的权利要求试图覆盖前面提到的特定实施例以及各种修改、变化及等同物。

Claims (23)

1.一种制造微透镜阵列的方法，所述的微透镜阵列有峰和谷的表面结构，并包含多个单一单元和多个微透镜，每个单一单元一个微透镜；其特征在于，该方法包括下述步骤：

(a)提供一正的光致抗蚀剂；

(b)正的光致抗蚀剂在一有限束宽的激光束下曝光以形成母板，所述母板的表面结构与微透镜阵列的表面结构基本上相反；和

(c)使用母板以

    (i)制造微透镜阵列，和/或

    (ii)制造用来形成微透镜阵列的下一个母板，和/或

    (iii)制造用来形成微透镜阵列的第一组一系列的下一个母板；

其中所述的微透镜阵列包括在相邻的单个单元上的至少二个凸微透镜从而母板包括在相邻的单元上至少二个凹面。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微透镜阵列只包括凸微透镜使得母板只包括凹面。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，母板置于第一平面和第二平面之间，凹面在第一平面向第二平面方向上延伸到母板，每个凹面的最大垂度在第一平面。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，母板置于第一平面和第二平面之间，凹面在从第一平面向第二平面方向延伸到母板，每个凹面相对于第一平面最大下垂的位置在至少某些相邻单一单元之间以足够慢的速率变化以使微透镜阵列的聚焦效率不降低到低于75％。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，母板处在第一平面和第二平面之间，至少二个凹面在从第一平面向第二平面方向延伸到母板，至少二个凹面的顶点和第一平面之间的距离是不同的。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的距离是随机分布的。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的至少二个凹面中至少一个是渐变的。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微透镜阵列的聚焦效率至少是75％。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微透镜阵列的聚焦效率至少是85％。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微透镜阵列的聚焦效率至少是95％。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微透镜阵列的填充因子至少是90％。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微透镜阵列的填充因子至少是95％。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微透镜阵列的填充因子基本上等于100％。

14.一种微透镜阵列，其特征在于，包括多个单一单元和多个微透镜，每一单一单元一个微透镜，所述的阵列的聚焦效率至少是75％。

15.如权利要求14所述的微透镜阵列，其特征在于，所述阵列的聚焦效率至少是85％。

16.如权利要求14所述的微透镜阵列，其特征在于，所述阵列的聚焦效率至少是95％。

17.如权利要求14所述的微透镜阵列，其特征在于，所述阵列的填充因子至少是90％。

18.如权利要求14所述的微透镜阵列，其特征在于，所述阵列的填充因子至少是95％。

19.如权利要求14所述的微透镜阵列，其特征在于，所述阵列的填充因子基本上等于100％。

20.如权利要求14所述的微透镜阵列，其特征在于，所述微透镜是凸微透镜。

21.如权利要求14所述的微透镜阵列，其特征在于，所述至少某些微透镜是渐变的。

22.如权利要求14所述的微透镜阵列，其特征在于，至少二个微透镜是彼此随机地不同的。

23.如权利要求14所述的微透镜阵列，其特征在于，所述单一单元是紧密压缩的。

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