CN1721170A

CN1721170A - 微透镜的制造方法以及微透镜的制造装置

Info

Publication number: CN1721170A
Application number: CNA2005100833321A
Authority: CN
Inventors: 长谷井宏宣
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2006-01-18
Also published as: JP2006030633A; TW200604568A; KR20060123678A; TWI294526B; JP4239915B2; KR20060050075A; KR100695792B1; KR100766990B1; US20060012058A1

Abstract

本发明的微透镜的制造方法，是将含有微透镜的构成材料的液滴从液滴喷头喷出并弹落于基体上，在从喷出所述液滴后直到刚刚弹落后期间，至少向所述液滴照射一次紫外线。另外，本发明的微透镜的制造装置具有：喷出含有微透镜的构成材料的液滴的液滴喷头、载置需要形成微透镜的基体的工作台、和对从所述液滴喷头朝向所述基体飞行中的所述液滴或在所述基体上弹落后的所述液滴照射紫外线的紫外线照射机构。

Description

微透镜的制造方法以及微透镜的制造装置

技术领域

本发明涉及微透镜的制造方法以及微透镜的制造装置。

背景技术

近年来，出现了具有多个称为微透镜的微小透镜的光学装置。

作为这样的光学透镜，包括例如具备激光器的分光装置、光纤的光学互接，进而包括用于聚集入射光的聚光透镜的固体摄像元件等。

作为这样的微透镜的制造方法，正研究采用喷墨法。在这种方法中，从在喷墨头上形成的微细喷嘴，将含有微透镜的构成材料的液滴喷出到基体上，使其固化而形成微透镜。

在喷墨法中，为了防止微细喷嘴的堵塞，可以喷出的液体(liquidmaterial)被限于是50cps(mPa·s)以下的较低粘度的液体。但是，对于低粘度的液体来说，液滴在弹落到(land on)基体上后润湿扩展，所以形成的微透镜的直径较大。

因此，正在研究通过调整基体上的表面能量来调整弹落后的液滴直径的方法。具体地说，通过在基体上实施疏液处理来限制弹落后的液滴的润湿扩展(例如，特开2003-240911号公报)。由此，可以形成直径小的微透镜。

但是，在调整基体上的表面能量的方法中，微透镜的形状在很大程度上依赖基体的表面能量，设计的自由度较小。另外，由于在已实施疏液处理的基体上形成微透镜，所以变得难以确保微透镜与基体的粘附性。

发明内容

本发明正是为了解决上述课题而完成的发明，其目的在于提供在确保微透镜与基体(substrate)的粘附性的同时可以使微透镜小型化的微透镜的制造方法和微透镜的制造装置。

为了达到上述目的，本发明的微透镜的制造方法，是将含有微透镜的构成材料的液滴从液滴喷头喷出并使其弹落(land on)在基体上而制造微透镜的方法，其特征在于，在从喷出上述液滴后开始直到刚刚弹落后期间，至少向上述液滴照射一次紫外线。

通过该构成，即使喷出前的液体的粘度较低，也可以通过对喷出后的液滴照射紫外线而使该粘度急剧地上升。由此，使弹落于基体上之后的液滴的润湿扩展变小，使形成小型的微透镜成为可能。此时，由于不需要调整基体的表面能量，所以也可以确保微透镜与基体的粘附性。

另外，上述微透镜的构成材料优选以紫外线固化性树脂材料为主成分。上述紫外线固化性树脂材料特别优选为环氧树脂。

作为微透镜的构成材料，如果采用紫外线固化性树脂材料，则能够通过对喷出后的液滴照射紫外线而使其粘度急剧上升。特别是因为环氧树脂通过阳离子聚合而固化，所以通过紫外线照射的固化速度比较快，能够通过对喷出后的液滴上照射紫外线而使其粘度急剧上升。另外，环氧树脂的固化收缩比较小，固化后的线膨胀速度系数也比较小。因而，通过采用环氧树脂作为紫外线固化性树脂材料，可以高精度地形成微透镜。

另一方面，本发明的微透镜的制造装置具有：喷出含有微透镜的构成材料的液滴的液滴喷头、载置需要形成微透镜的基体的工作台、对从上述液滴喷头朝向上述基体飞行中的上述液滴或在上述基体上弹落后的上述液滴照射紫外线的紫外线照射机构。

通过该构成，可以在确保与基体的粘附性的同时形成小型的微透镜。

附图说明

图1是表示实施方式中的微透镜的制造方法和制造装置的示意图。

图2是表示液滴在弹落后的润湿扩展的比较图。

图3是表示基体的疏液处理的示意图。

图4A是表示液滴喷头的概略立体图。

图4B是表示液滴喷头的截面图。

图5A、B是表示微透镜的制造装置的平面图。

图6是表示激光打印机用喷头的概略结构图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。还有，在以下说明中使用的各附图中，为了使各构件成为可以识别的尺寸，适当变更各构件的缩尺。

[微透镜的制造方法]

图1是表示本实施方式中的微透镜的制造方法的示意图。本实施方式的微透镜的制造方法，是将含有微透镜的构成材料的液滴22从液滴喷头34喷出并弹落于基体5而制造微透镜的方法，在从喷出液滴22后直到刚刚弹落后期间，至少对已被喷出的液滴22照射一次紫外线62。

[微透镜的构成材料]

作为微透镜的构成材料(透镜材料)，使用具有紫外线固化性的透光性树脂。作为该透光性树脂，特别优选使用非溶剂系的透光性树脂。该非溶剂系的透光性树脂，不是使用有机溶剂来溶解透光性树脂成为液体，而是例如通过用其单体稀释该透光性树脂而使其液态化而可以从液滴喷头喷出。另外，在该非溶剂系的透光性树脂中，可以通过配合联二咪唑系化合物等光聚合性引发剂而用作放射线照射固化性的材料。即，可以通过配合这样的光聚合引发剂，向上述透光性树脂赋予放射线照射固化性。在这里，放射线是指可见光线、紫外线、远紫外线、X线、电子射线等的总称，尤其是通常使用紫外线。

作为这样的透光性树脂，具体地说可以采用丙烯酸树脂或环氧树脂等。特别优选采用环氧树脂。由于丙烯酸树脂通过自由基聚合而固化，所以通过紫外线照射的固化速度比较慢，另外固化收缩也比较大。与此相对，环氧树脂由于是通过阳离子聚合固化，所以通过紫外线照射的固化速度比较快，另外固化收缩比较小。进而，当对固化后的丙烯酸树脂与环氧树脂进行比较时，折射率和透光率相同，但线膨胀系数在丙烯酸树脂比较大而在环氧树脂则比较小。因而，通过采用环氧树脂作为微透镜的构成材料，能够精度良好地形成微透镜。

另外，作为用作透镜材料的透光性树脂的表面张力，优选在0.02N/m以上且0.07N/m以下的范围内。当利用液滴喷出法进行喷墨时，如果表面张力不到0.02N/m，则墨水相对喷嘴面的润湿性增大，所以容易产生飞行弯曲。另外，如果表面张力超过0.07N/m，则在喷嘴顶端的新月形状不稳定，所以难以控制喷出量和喷出时间。

为了调整表面张力，最好向上述透光性树脂的分散液中，也在不使与基体5的接触角大大降低且不对折射率等光学特性造成影响的范围内，微量添加氟系、硅酮系、非离子系等表面张力调节剂。非离子系表面张力调节剂在提高墨水向基体5的润湿性、改良膜的流平性、防止发生膜的微细凹凸不平等中发挥作用。上述表面张力调节剂根据需要也可以含有醇、醚、酯、酮等有机化合物。

另外，作为用作透镜材料的透光性树脂的粘度，优选为1mPa·s以上、200mPa·s以下。当使用液滴喷出法以液滴形式喷出墨水时，在粘度小于1mpa·s的情况下，喷嘴的周边部容易被墨水的流出所污染。另外，在粘度大于50mPa·s的情况下，通过在喷头或液滴喷出装置上设置墨水加热机构而使喷出成为可能，但在常温下，在喷嘴孔处的堵塞频率升高，难以顺利地喷出液滴。在为200mPa·s以上的情况下，即使加热也难以将粘度降低到可以喷出液滴的程度。

[液滴喷出工序、紫外线照射工序]

将含有上述透镜材料的液滴从后述的液滴喷头喷出，并使其弹落在基体5上。

作为基体5，使用的是玻璃基板或半导体基板，进而使用在它们上形成各种功能性薄膜或功能性要素的基体。其中，对于基体5的表面而言，可以是平面，还可以是曲面，进而对基体自身的形状没有特别限定，可以采用各种形状的基体。

如果举一个例子，可以将在GaAs基板上形成多个的表面发射激光器的构件作为基体使用。这种情况下，在各表面发射激光器的射出口的周边形成由聚酰亚胺树脂等构成的绝缘层。接着，在成为各表面发射激光器的射出侧的面上设置基座构件，使透镜材料的液滴弹落于该基座构件的上面，形成微透镜。在这里，作为基座构件的形成材料，优选具有透光性的材料，即优选使用在从表面发射激光器2的发出的光的波长区域中几乎不引起吸收、从而实质上使该发出的光透过的材料，例如优选使用聚酰亚胺系树脂、丙烯酸系树脂、环氧系树脂、或者氟系树脂等，其中更优选聚酰亚胺系树脂。

[紫外线照射工序]

在本实施方式中，在从液滴喷出后直到刚刚弹落之后的至少某一时期，向已被喷出的液滴22照射紫外线62。为了对液滴赋予足够的能量，紫外线62的波长优选为200nm以上、400nm以下。特别是从确保作为紫外线照射机构的激光光源60的容易性出发，优选为254nm以上、365nm以下。

图2是表示液滴在弹落后的润湿扩展的比较图。一般为了从液滴喷头稳定地喷出液滴，需要采用低粘度的液体。但是，即使喷出前的液体为低粘度，也可以通过向喷出后的液滴照射紫外线，使其粘度急剧地上升。其理由为，通过紫外线照射使作为透镜材料的紫外线固化性树脂的一部分发生固化，另外，使在液滴中含有的光聚合引发剂或单体的一部分发生固化。接着，通过使液滴的粘度上升，可以抑制在基体5上弹落后的液滴的润湿扩展。如果举一个例子，在将体积5pL的液滴喷出到基体上的情况下，未进行紫外线照射的液滴28的弹落后的直径约为60μm左右，而进行了紫外线照射的液滴24的弹落后的直径约为40μm。还有，通过调整照射的紫外线的强度，也可以控制弹落后的液滴的直径。

然后，重新对弹落后的液滴进行紫外线照射等，使液滴完全硬化，形成微透镜。

如上所述，在本实施方式的微透镜的制造方法中，在从喷出液滴后直到刚刚弹落后的至少某一时期向液滴照射紫外线而构成的。由此，可以抑制弹落后的液滴的润湿扩展，所以可以使微透镜小型化。此时，可以不调整基体5上的表面能量，即可以不对基体5的表面实施疏液处理而形成微透镜，所以也可以确保微透镜与基体5的粘附性也成为可能。

还有，如图1所示，紫外线62的照射优选与被喷了液滴22的基体5平行地进行。在这种情况下，由于没有对基体5照射紫外线62，所以能够防止基体5上的表面能量的变化。另外，为了使喷出的所有液滴22通过紫外线62的束直径的内部，优选照射紫外线。在这种情况下，可以使所有液滴22的粘度均匀增加，能够使弹落后的液滴成为对称形状。由此，可以形成对称形状的微透镜，能够发挥良好的光学特性。

[疏液处理工序]

图3是表示基体的疏液处理的示意图。在上述的液滴喷出工序之前，在基体5上的微透镜的形成区域3的周围，优选预先实施疏液处理。作为该疏液处理，可以采用例如形成自组织化膜(self-assembled film)的方法或等离子体处理法等。

在上述的自组织化膜形成法中，在应形成导电膜布线的基体5的表面上，形成由有机分子膜等构成的自组织化膜70。

用于处理基体表面的有机分子膜具备可以与基体5结合的官能团、在其相反侧上的被称为亲液基或疏液基的对基体5的表面性进行改性(控制表面能量)的官能团、和连接这些官能团的碳的直链或一部分分支的碳链，与基体5结合并进行自组织化，从而形成分子膜、例如单分子膜。

在此，所谓自组织化膜70是指由可以与基体5的基底层等的构成原子发生反应的结合性官能团和除此之外的直链分子构成，且使通过直链分子的相互作用而具备极高的取向性的化合物进行取向而形成的膜。该自组织化膜70是通过对单分子进行取向而形成的，因此能够使膜厚极薄，而且能在分子水平上成为均匀膜。即，由于有相同分子位于膜的表面，因此能够向膜的表面赋予均匀且优良的疏液性或者亲液性。

作为上述具有高取向性的化合物，可以通过使用例如氟烷基硅烷，以使氟烷基位于膜的表面上的方式使各化合物进行取向，形成自组织化膜70，对膜表面赋予均匀的疏液性。

作为形成自组织化膜70的化合物，可以例示十七氟-1，1，2，2四氢癸基三乙氧基硅烷、十七氟-1，1，2，2四氢癸基三甲氧基硅烷、十七氟-1，1，2，2四氢癸基三氯硅烷、十三氟-1，1，2，2四氢辛基三乙氧基硅烷、十三氟-1，1，2，2四氢辛基三甲氧基硅烷、十三氟-1，1，2，2四氢辛基三氯硅烷、三氟丙基三甲氧基硅烷等氟烷基硅烷(以下称为“FAS”)。这些化合物可以单独使用，也可以组合两种以上使用。

其中，通过使用FAS，能够获得与基体5的密接性以及良好的疏液性。

FAS的一般结构式由RnSiX_(4-n)表示。在这里，n表示1以上3以下的整数、X表示甲氧基、乙氧基、卤素原子等水解基团。此外，R表示氟烷基，且具备(CF₃)(CF₂)x(CH₂)y的(在这里x表示0以上10以下的整数，y表示0以上4以下的整数)构造，并且，当多个R或者X与Si结合时，R或者X可以都相同，也可以都不同。由X表示的水解基团通过水解形成硅烷醇，并与基体(玻璃、硅)5的基底的羟基发生反应，而通过硅氧烷键与基体5结合。另一方面，R在表面具有(CF₂)等氟代基团(fluoro group)，因此将基体5的基底表面改性为不被润湿(表面能低)的表面。

关于由有机分子膜等构成的自组织化膜70，通过将上述的原料化合物和基体5放入同一密闭容器中，并在室温下放置2～3天左右，则可以在基体上形成。此外，通过保持整个密闭容器在100℃，可以在3小时左右形成于基体上。这些是从气相的形成法，但也可以从液相形成自组织化膜70。例如，在包含原料化合物的溶液中对基体5进行浸渍、清洗、干燥，从而在基体上形成自组织化膜70。

其中，在形成自组织化膜70之前，优选实施对基体表面照射紫外线，或者用溶剂进行清洗等基体表面的前处理。

另一方面，作为等离子体处理法，优选采用例如在大气气氛中将四氟甲烷作为处理气体的等离子体处理法(CF₄等离子体处理法)。该CF₄等离子体处理法的条件是，例如等离子体功率为50～1000kW、四氟甲烷(CF₄)的气体流量是50～100ml/min、基体5相对等离子放电电极的搬送速度是0.5～1020mm/sec、基体温度是70～90℃。其中，作为处理气体，并不仅限于四氟甲烷(CF₄)，还可以使用其他的碳氟化合物系气体。通过进行这样的疏液化处理，在基体5的表面导入氟基(fluorine-containinggroups)，从而赋予高疏液性。

由此，在对微透镜的形成区域的周围实施疏液处理的状态下，如果向微透镜的形成区域喷出液滴24，则能够抑制液滴24的润湿扩展。由此，能够以更高的精度形成微透镜的直径。

另外，如图2所示，与未进行紫外线照射的液滴28相比，已进行紫外线照射的液滴24其形状近似为球。还有，如果使微透镜接近球形状，则焦距变短。接着，通过使用焦距短的微透镜形成光学装置，可以使光学装置小型化。

[微透镜的制造装置]

接着，使用图1、图4A～图5B，对本实施方式的微透镜的制造装置进行说明。如图1所示，本实施方式的微透镜的制造装置具有：喷出含有微透镜的构成材料的液滴22的液滴喷头34、载置需要形成微透镜的基体5的工作台50、对从液滴喷头34朝向基体5飞行中的液滴22或在基体5上弹落后的液滴照射紫外线62的激光光源60。

图4A和图4B是表示液滴喷头的概略结构图。

本实施方式的微透镜的制造装置具备喷出含有微透镜的构成材料的液滴的液滴喷头34。例如如图4A所示，该液滴喷头34具备不锈钢制的喷嘴板12和振动板13，并借助隔离构件(储器板)14接合二者。在喷嘴板12与振动板13之间，由隔离部件14形成多个空腔15和储存部16，且这些空腔15和储存部16经由流路17相互连通。

在各空腔15和储存部16的内部充满有用于喷出的液体(透镜材料)，在它们之间的流路17发挥从储存部16将液体提供给空腔15的供给口的功能。此外，在喷嘴板12上，以纵横排列的状态形成有多个用于从空腔15喷射液体的孔状喷嘴18。另一方面，在振动板13上形成有向储存部16内开口的孔19，在该孔19上，借助管(未图示)连接有液体罐(未图示)。

此外，在振动板13的与朝向空腔15的面相反侧的面上，如图4B所示，接合有压电元件20。该压电元件20被夹持在一对电极21、21之间，并通过通电以向外侧突出的方式使其挠曲变形。

在这样的结构的基础上，接合有压电元件20的振动板13与压电元件20成为一体而同时向外侧挠曲变形，由此使空腔15的容积增大。这样，在空腔15内和储存部16内连通且在储存部16内填充有液体的情况下，与空腔15内增大的容积部分相当的液体，借助流路17而从储存部16流入。

此后，如果在该状态下解除向压电元件20的通电，则压电元件20和振动板13都返回至原来的形状。由此，由于空腔15也返回至原来的容积，因此空腔15内部的液体的压力上升，进而从喷嘴18喷出液体的液滴22。

其中，作为液滴喷头34的喷出机构，除了使用所述压电元件20的电机械变换体之外，例如还可以采用将能量产生元件用作电机械交换体的方式、或所谓带电控制型、加压振动型的连续方式、静电吸引方式、以及照射激光等电磁波使其发热并由基于该发热的作用喷出液体的方式。

返回到图1，以与上述的液滴喷头34的喷嘴板相对的方式，配置有载置需要形成微透镜的基体5的工作台50。该液滴喷头34和工作台50可以通过未图示的驱动机构进行3维相对移动。由于可以使液滴喷头34和工作台50在水平面内进行相对移动，能够向基体5上的任意位置喷出液滴。另外，由于可以使液滴喷头34和工作台50在垂直方向上相对移动，使调整液滴22的飞行距离成为可能，从而能够相对基体5上的规定位置准确地喷出液滴。

接着，在液滴喷头34和工作台50的侧方配设有作为紫外线照射机构的激光光源60。该激光光源60对从液滴喷头34向基体5飞行中的液滴22或在基体5上刚刚弹落后的液滴照射紫外线62。作为激光光源60，优选采用波长为200nm以上400nm以下的紫外线激光光源。特别是能够以低成本且容易地获得波长为254nm以上365nm以下的紫外线激光光源。另外，作为激光光源60，优选采用照射光的束直径大于从液滴喷头34喷出的液滴22的直径的激光光源。

接着，如图1所示，激光光源60以可以与载置在工作台50上的基体5平行地照射紫外线的方式进行配设。由此，能够防止紫外线对基体5的照射。还有，激光光源60也并不需要固定在工作台50侧，也可以固定在液滴喷头34侧。

图5A、B是表示微透镜的制造装置的平面图。在上述的液滴喷头34上定向配置多个喷嘴18，以可以从各喷嘴18同时或不同时喷出液滴的方式构成，高效率地形成多个微透镜成为可能。因此，为了可以对从多个喷嘴18同时喷出的液滴照射紫外线，优选例如以如下方式构成、配置激光光源60。

作为第1例，如图5A所示，采用可以照射与数量喷嘴相同的光线64的激光光源60。接着，以从激光光源60照射的各光线64的光轴分别横过从各喷嘴18喷出的液滴的飞行路径的方式，在与各喷嘴18的配列方向垂直的方向上配置激光光源60。由此，即使在从多个喷嘴18同时喷出液滴的情况下，也可以对各液滴照射紫外线。

作为第2例，如图5B所示，也可以采用能够面状照射光线66的激光光源60。在这种情况下，没有必要进行液滴的飞行路径和光线的光轴的精密对位，能够对从多个喷嘴18同时喷出的液滴照射紫外线。

通过使用上述的微透镜的制造装置，可以使从液滴喷头喷出的液滴的粘度急剧上升，弹落在基体上之后的液滴的润湿扩展变小，可以形成小型的微透镜。此时，由于没有必要调整基体的表面能量，所以也可以确保微透镜与基体的粘附性。

但是，如图2所示，在进行了紫外线照射的液滴24中，与未进行紫外线照射的液滴28相比，可以抑制弹落后的润湿扩展，所以其形状近似于球。其中，当使微透镜接近球形时，焦距变短。然后，通过使用焦距短的微透镜形成光学装置，可以使光学装置小型化。

[激光打印机用磁头]

图6是表示激光打印机用磁头的概略构成图。图6的激光打印机用磁头具备使用本实施方式的微透镜制造方法而制造出的微透镜。即，作为该激光打印机用磁头的光学装置，形成有将多个表面发射激光器2沿直线配置成的表面发射激光器阵列2a、和相对构成该表面发射激光器阵列2a的各个表面发射激光器2而配设的微透镜8a。其中，对于表面发射激光器2，设有TFT等驱动元件(未图示)，另外在该激光打印机用磁头上设有温度补偿电路(未图示)。

而且，通过具有这样结构的激光打印机用磁头，能构成激光打印机。

作为这样的激光打印机用磁头，具备如前所述具有良好光学特性的微透镜，因此能够形成描绘特性优良的激光打印机用磁头。

此外，具备该激光打印机用磁头的激光打印机，也如前所述具备描绘特性优良的激光打印机用磁头，因此该激光打印机自身在描绘特性方面也很优良。

其中，本发明的技术范围并不被上述实施方式所限定，而是在不超出本发明宗旨的范围内，能够进行各种变更。

例如，本发明的微透镜除了所述的用途以外，还可以用于各种光学装置中，例如，可以用作在固体摄像装置(CCD)的受光面或者光纤的光结合部、光传送装置、投影用屏幕、投影机系统等中设置的光学部件。

以上对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明并不限定这些实施例。在不脱离本发明宗旨的范围内，可进行构成的附加、省略、置换、以及其他变更。本发明不由上述的说明所限定，而仅由技术方案的范围所限定。

Claims

1.一种微透镜的制造方法，是制造微透镜的方法，其特征在于，

将含有微透镜的构成材料的液滴从液滴喷头喷出并弹落于基体上，

在从喷出所述液滴后直到刚刚弹落后期间，至少向所述液滴照射一次紫外线。

2.根据权利要求1所述的微透镜的制造方法，其特征在于，

所述微透镜的构成材料以紫外线固化性树脂材料为主成分。

3.根据权利要求2所述的微透镜的制造方法，其特征在于，

所述紫外线固化性树脂材料为环氧树脂。

4.一种微透镜的制造装置，其特征在于，具有：

喷出含有微透镜的构成材料的液滴的液滴喷头、

载置需要形成微透镜的基体的工作台、和

对从所述液滴喷头朝向所述基体飞行中的所述液滴或在所述基体上弹落后的所述液滴照射紫外线的紫外线照射机构。