CN1721171A - 微透镜的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微透镜的制造方法，将包含透镜的构成材料的液滴从液滴喷出装置喷出并弹落在基体上，在所述液滴弹落后经过规定时间，再对弹落的所述液滴进行固化处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种微透镜的制造方法。
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。
作为这样的光学装置，包括例如具备激光器的发光装置、光纤的光互连、以及具有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。在该方法中，从形成于喷墨喷头上的微小喷嘴，向基体喷出包含微透镜的构成材料的液滴，再进行固化而形成微透镜(例如，特开2003-240911号公报)。作为该微透镜的形成材料，可以利用紫外线固化性或者热固化性的树脂材料等。
在喷墨法中，为了防止微小喷嘴的堵塞，能喷出的液体(liquidmaterial)被限定在具有50cps(mPa·s)以下的较低粘度的物质。在喷出该低粘度树脂材料之后紧接着，如果对液滴照射紫外线或者对液滴进行加热使其固化，则出现液滴直径不均的问题。与此相伴随，形成的微透镜的直径也变得不均。
该现象即使当微透镜的形成材料中不含有机溶剂且其几乎是由紫外线固化性或者热固化性材料构成时也会发生。对其原因虽然不清楚，但认为在微透镜的形成材料中含有的聚合引发剂或者单体的蒸发是其一个原因。此外，在被喷出的液滴碰撞到基体时显示弹性动作也被认为是一个原因。
发明内容
本发明正是为了解决上述问题而完成的发明，其目的在于提供一种能高精度形成微透镜的微透镜的制造方法。
为了达到上述目的，提供一种微透镜的制造方法，是将含有微透镜的构成材料的液滴从液滴喷出装置喷出并弹落(land on)在基体(substrate)上，并对弹落的所述液滴实施固化处理而制造微透镜的方法，其特征在于，在所述液滴弹落下后经过规定时间，再进行所述固化处理。
此外，优选所述规定时间是指所述液滴在所述基体上的直径变化率下降到规定值以下为止的时间。
一般来说，液滴弹落在基体上之后，马上随着时间的推移，液滴直径减小。其中，弹落之后液滴直径马上急剧减小，但在经过规定时间后，液滴直径的减小变得缓慢。因此，在经过至到液滴的直径变化率下降到规定值以下的规定时间之后，对液滴实施固化处理，由此不会因固化处理的时间的微小差异而导致固化后的液滴直径上产生较大偏差。由此，可以高精度形成微透镜，从而提供能稳定发挥良好的光学特性的微透镜。
其中，还可以在所有的所述液滴弹落到所述基体上之后，从最后的所述液滴弹落后经过所述规定时间，再对所有的所述液滴进行固化处理。
根据该构成，可以分离液滴喷出工序和固化处理工序，因此能降低设备成本。
其中，还可以对每个喷出到所述基体上的所述液滴，在经过所述规定时间之后依次进行所述固化处理。
根据该构成，可以在短时间内有效地进行液滴喷出工序以及固化处理工序。
此外，优选所述微透镜的构成材料是紫外线固化性树脂材料，所述固化处理是通过照射紫外线而进行。
根据该构成，通过对作为固化对象的液滴进行紫外线照射，可以在不给其他液滴造成影响的情况下进行个别固化处理。
此外，在喷出所述液滴之前，优选在所述基体上的除了所述微透镜形成区域之外的区域上预先实施疏液处理。
根据该构成，能够抑制液滴的润湿扩大，因此能进一步高精度地形成微透镜。
附图说明
图1是实施方式的微透镜制造方法的示意图。
图2A、B是液滴喷头的概略构成图。
图3是表示液滴弹落后的经过时间和液滴直径之间的关系的曲线图。
图4是刚弹落后的液滴以及弹落后经过规定时间后的液滴的形状的示意图。
图5是基体的疏液处理的示意图。
图6是激光打印机用磁头的概略构成图。
具体实施方式
项目，参照附图说明本发明的实施方式。其中，在以下说明中使用的各附图中，为了将各部件设定为能够识别的大小，适当改变了各部件的缩尺。
[微透镜的制造方法]
图1是表示本实施方式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，是将包含透镜的构成材料的液滴从液滴喷头喷出并弹落在基体上，并对弹落的液滴实施固化处理而制造微透镜的方法，其特征在于，从所述液滴弹落后直到进行所述固化处理为止，不实施固化处理而放置规定时间。
[微透镜的构成材料]
作为微透镜的构成材料(透镜材料)，可以使用透光性树脂。可以具体举出聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟基乙酯、聚甲基丙烯酸环己酯等丙烯酸系树脂，聚双烯丙基碳酸二乙二醇酯、聚碳酸酯等烯丙基系树脂、甲基丙烯酸树脂、聚氨酯系树脂、聚酯系树脂、聚氯乙烯系树脂、聚乙酸乙烯酯系树脂、纤维素系树脂、聚酰胺系树脂、氟系树脂、聚丙烯系树脂、聚苯乙烯系树脂等热塑性或者热固化性树脂，可以使用其中的一种，或者混合多种使用。
此外，作为所述透光性树脂，特别优选使用非溶剂系的树脂。对于该非溶剂系的透光性树脂，不是使用有机溶剂溶解透光性树脂而制成液体，而是例如用其单体稀释该透光性树脂而液态化，并可以从液滴喷头喷出。此外，在该非溶剂系的透光性树脂中，通过配合联二咪唑系化合物等光聚合引发剂，可以作为放射线照射固化型材料使用。即，通过配合这样的光聚合引发剂，可以对所述透光性树脂赋予放射线照射固化性。在这里，放射线是可见光线、紫外线、远紫外线、X线、电子射线等的统称，尤其是通常使用紫外线。
[液滴喷头]
将上述的透镜材料从液滴喷头喷出。
图2A和图2B是液滴喷头的概略构成图。本实施方式的微透镜的制造装置具备喷出包含微透镜的构成材料的液滴的液滴喷头34。如图2A所示，该液滴喷头34具备不锈钢制的喷嘴板12和振动板13，两者借助隔离部件(储存板)14接合。在喷嘴板12和振动板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2B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。
其中，作为用作透镜材料的透光性树脂的表面张力，优选采用0.02N/m以上且0.07N/m以下的范围内。当用液滴喷出法喷出墨水时，如果表面张力不到0.02N/m，则墨水对喷嘴的面的润湿性增大，因此容易产生飞行弯曲。此外，如果表面张力超过0.07N/m，则在喷嘴顶端的弯月面的形状不稳定，因此很难对喷出量以及喷出时间进行控制。
为了调整表面张力，在不使与基体的接触角大幅度降低且在不影响折射率等光学特性的范围内，可以在上述透光性树脂的分散液中微量添加氟系、硅酮系、非离子系等的表面张力调节剂。非离子系表面张力调节剂起到提高墨水向基体的润湿性、改进膜的流平性、防止产生膜的微细的凹凸不平的作用。在上述表面张力调节剂中根据需要还可以包含醇、醚、酯、酮等有机化合物。
此外，作为用作透镜材料的透光性树脂的粘度，优选是1mPa·s以上且200mPa·s以下。当使用液滴喷出法喷出作为液滴的墨水时，当粘度小于1mPa·s时，由墨水的流出而容易污染喷嘴周围。此外，当粘度大于50mPa·s时，通过在喷头或者液滴喷出装置上设置墨水加热机构而可以进行喷出，但是在常温下，喷嘴孔被堵塞的频率增高，很难顺畅地喷出液滴。在为200mPa·s以上的情况下，即使加热也很难将粘度降低至能喷出液滴的程度。
[液滴喷出工序]
接着，使从液滴喷头喷出的透镜材料的液滴弹落在基体上。
作为基体，可以使用玻璃基体或者半导体基体，进而还可以使用在这些基板上形成各种功能性薄膜或者功能性要素的基体。其中，基体的表面可以是平面，也可以是曲面，进而对基体自身的形状没有特别限定而可以采用各种形状。
如果举出一例，则作为基体，可以使用在GaAs基体上形成多个表面发射激光器的基体。在该情况下，在各表面发射激光器的射出口周边形成有由聚酰亚胺树脂等构成的绝缘层(未图示)。而且，在各表面发射激光器的成为射出侧的面上设有底座部件，在该底座部件的上面使液滴弹落，形成微透镜。在这里，作为底座部件的形成材料，优选使用具有透光性的材料，即优选使用在从表面发射激光器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。
图3是表示液滴弹落后的经过时间和点径(液滴直径)之间的关系的曲线图。
根据图3可知，在液滴弹落到基体上之后，液滴马上随着时间的经过而收缩，液滴直径变小。此外还知道，虽然在弹落之后(例如至弹落之后约100秒)液滴直径急剧减小，但当经过相当时间后，液滴直径的减小变得缓慢。另外该现象与透镜材料中是否包含有机溶剂没有关系，已确认即使在透镜材料的几乎全部由紫外线固化性材料或者热固化性树脂等固化性材料占据的情况下也会发生。
归其原因，认为是液滴中含有的聚合引发剂或者单体的蒸发。即，在刚刚弹落之后由于蒸气压较大而使液滴直径急剧减小，而当经过相当时间后，蒸气压降低，使得液滴直径的减小变得缓慢。此外，作为其他原因，认为是液滴向基体冲撞时显示的弹性动作。图4是表示刚弹落后的液滴以及弹落后经过规定时间后的液滴的形状的示意图。如图4所示，刚弹落的液滴28变形成为扁平形状，但经过规定时间后的液滴24渐渐恢复为半球形状。因此液滴直径减小。
在这里，如果在液滴直径急剧减小的过程中进行固化处理，则由固化处理的时间的微小不同而使固化后的液滴直径出现很大偏差。由此，微透镜的直径会产生很大偏差，无法稳定获得良好的光学特性。
因此，自液滴弹落到经过规定时间之前，不对液滴实施固化处理。该规定时间是直到液滴直径的变化率(单位时间之内的变化量)降低到规定值以下的时间，而该变化率可以从应形成的微透镜的直径的尺寸允许值计算出。在该规定时间内，只要不进行固化处理即可，可以在此期间进行从液滴喷出平台(stage)向固化平台搬送基体的作业，也可以不进行任何作业而放置起来。
在本实施方式中，着眼于微透镜的直径的偏差，不实施固化处理直到液滴直径的变化率下降至规定值以下。与此相对，如果着眼于微透镜直径以外的尺寸或者形状、物性等的偏差，则可以不对液滴实施固化处理，直到液滴直径以外的尺寸或者形状、物性等的变化率下降到规定值以下。
[固化处理工序]
接着，在经过规定时间后对液滴进行固化处理。在使用紫外线固化性树脂材料作为透镜材料的情况下，作为固化处理主要是使用紫外线照射处理，而当使用热固化性树脂材料作为透镜材料时，则作为固化处理主要是进行加热处理。
而且，当为了形成多个微透镜而在基体上的多个位置喷出液滴的情况下，可以在喷出所有的液滴之后经过规定时间，再对所有的液滴进行固化处理。在此情况下，能够分离液滴喷出工序和固化处理工序，因此能够降低设备成本。
此外，还可以对各个液滴进行个别的固化处理。在该情况下，对喷出后经过规定时间的液滴开始依次进行固化处理。由此，可以在短时间内有效进行液滴喷出工序和固化处理工序。其中，在使用紫外线固化性树脂材料作为透镜材料的情况下，通过向作为固化对象的液滴照射紫外线，能够在不影响其他液滴的情况下，进行个别地固化处理。
如上所述，在本实施方式的微透镜的制造方法中，采取自液滴弹落至经过规定时间期间，不对液滴进行固化处理的构成。该规定时间是指直到液滴直径的变化率降低到规定值以下的时间。根据该构成，不会由固化处理的时间的微小不同而使固化后的液滴直径出现很大偏差。由此，能够以良好精度形成微透镜的直径，并可以提供能稳定发挥良好的光学特性的微透镜。
[疏液处理工序]
图5是基体的疏液处理的示意图。在上述的液滴喷出工序之前，优选在基体5上的微透镜形成区域3的周围，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、或者等离子体处理法等。
在上述的自我组织膜的形成方法中，在应该形成导电膜配线的基体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，具备能与基体5结合的官能团、在其相反侧上的称之为亲液基或者疏液基等的对基体5的表面性进行改性(控制表面能)的官能团、和连结这些官能团的碳的直链或者一部分分支的碳链，从而，与基体5结合并进行自组织化，形成分子膜，例如形成单分子膜。
在这里，自组织化膜70是由能够与基体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。
作为上述的具有高取向性的化合物，例如通过使用氟烷基硅烷，能够以使氟烷基位于膜的表面的方式使各化合物进行取向而形成自组织化膜70，从而向膜的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-containing groups)，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的润湿扩大。由此，能够以更高的精度形成微透镜的直径。
此外，如图4所示，与刚弹落后的液滴28相比，从弹落后经过规定时间后的液滴24的形状接近球的形状。其中，如果使微透镜接近于球状，则焦距变短。从而，通过使用焦距短的微透镜形成光学装置，能够实现光学装置的小型化。
[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构件。
以上对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明并不限定于这些实施例。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 (6)
1.一种微透镜的制造方法，是制造微透镜的方法，其特征是：
将包含透镜的构成材料的液滴从液滴喷出装置喷出并弹落在基体上，在所述液滴弹落后经过规定时间，再对已弹落的所述液滴实施固化处理。
2.如权利要求1所述的微透镜的制造方法，其特征是：
所述规定时间是直到已弹落的所述液滴的直径的变化率下降到规定值以下的时间。
3.如权利要求1所述的微透镜的制造方法，其特征是：
在喷出多个液滴且所有的所述液滴弹落在所述基体上之后，从最后的所述液滴弹落开始经过所述规定时间，再对所有的所述液滴进行固化处理。
4.如权利要求1所述的微透镜的制造方法，其特征是：
对每个喷出到所述基体上的所述液滴，在经过所述规定时间后依次进行所述固化处理。
5.如权利要求1所述的微透镜的制造方法，其特征是：
所述微透镜的构成材料是紫外线固化性树脂材料，所述固化处理是通过照射紫外线而进行。
6.如权利要求1所述的微透镜的制造方法，其特征是：
在喷出所述液滴之前，在所述基体上的除所述微透镜的形成区域之外的区域，预先实施疏液处理。
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