CN1797043A - 微透镜的制法 - Google Patents

Abstract

一种微透镜的制法，包含有下列步骤：首先于一基板表面以涂布方式设一覆盖层，然后利用聚焦后的激光沿一预定路径照射覆盖层，使覆盖层形成若干相互交叉的沟槽，以及若干呈阵列状排列的微透镜，最后加热基板，使该等微透镜的表面呈球状。

Description

微透镜的制法

技术领域

本发明是与透镜结构有关，特别是指一种呈阵列状微透镜的制法。

背景技术

随着平面显示器尺寸由小尺寸(对角线8.4寸以下)、中尺寸(对角线8.4-30寸)、演进至大尺寸(对角线30-300寸)，显示器的背光源尺寸也越来越大，而且亮度的需求也越来越高，因此，如何促进背光源的外部耦合系数，以及增加发光元件的量子效率，已成为工程上的挑战；从几何光学的角度来看，若能破坏背光源的基板的波导现象，使发光元件的外部耦合系数增加，则光线传递出基板的成效极可能大于100％以上，因此，许多相关研究都集中于基板表面的微结构研究。

例如美国第4966831号专利案所述，主要是在感光元件的每个像素边缘放置间隔件(Spacer)，然后涂布一层透明光阻，利用微影的方式在各像素制作一个板状结构，再由热整形将板状结构转换成球状的微透镜；但是，在上述微透镜的制法中，仅适用于中、小面积的基板，而且必须使用价格昂贵的光罩，以及光罩对准机才能进行曝光。

又如美国第5300263号专利案所述，其是先以精密机械切削方式在一试片表面制造出若干呈阵列状的金字塔结构，再以电铸方式制作表面具有凹状金字塔结构的金属模仁，接着将硬化型树脂涂布在金属模仁上，施以硬化处理后，就会直接形成表面具有弯月形微透镜的复制品，然后以电铸方式制作表面具有凹状弯月形微透镜的金属模仁，也可以继续翻模形成表面具有凸状弯月形微透镜阵列结构的金属模仁，并以这最后的模仁大量翻制弯月形微透镜；但上述利用精密机械切削方式的成本昂贵，不适用于中、大面积的微结构制造，而且经由二次翻制才能形成弯月形微透镜，精确度较不易控制。

再如美国专利第5737126号专利案所述，是直接利用激光加热一内部材料中混有半导体颗粒的玻璃，玻璃本身不吸收激光光束，而半导体颗粒会吸收激光光束，由于半导体颗粒吸收光束而致使玻璃的局部区域熔化，再经过固化后即形成微透镜形状，但是利用激光制作微透镜的制法中，半导体颗粒可能会影响玻璃的光学性质，同时单位面积内能形成的微透镜数量不高。

综上所述，目前已知的各种微透镜的制法中，皆具有制造完成的微透镜尺寸较不精确、单位面积所具有的微透镜数量不高，或是受限于制造机器设备因素，而无法应用于大面积基板的种种缺点。

发明内容

因此，本发明的主要目的乃在于提供一种微透镜的制法，于小、中、大面积尺寸的基板皆可成形出微透镜，而且单位面积内所成形的微透镜数量较高，微透镜的尺寸较为精确，同时生产速度较快，成本较低。

为达成前揭目的，本发明提供一种微透镜的制法，其特征在于，包含有下列步骤：

a.以涂布方式于一基板的表面设一覆盖层；

b.利用经聚焦后的激光光束沿着一预定路径照射该覆盖层，使该覆盖层形成有若干相互交叉的沟槽，以及若干呈阵列状排列的板状结构；以及

c.加热该基板，使该等结构形成球状的微透镜。

其中该步骤a的涂布方式是为刮刀涂布。

其中该覆盖层是选用热塑性高分子膜。

其中该覆盖层是选用热塑性光阻。

其中在步骤b时，是以激光光束照射该覆盖层，使该覆盖层具有若干相互交叉的曝光区域，接着对该覆盖层进行显影与干燥加工，用以移除该等曝光区域，使该覆盖层形成若干呈阵列状排列的板状结构，再进行加热该基板，使该等结构形成球状的微透镜。

其中在步骤c时，是将该基板加热至高于该覆盖层的玻璃转换温度。

其中在该步骤b中所形成各该板状结构的底部边长为1至150mm，各该板状结构的间距为0.1至5mm，各该板状结构的高度为底部边长的1/4至1/2。

其中是使该等微透镜的底部面积与该基板的表面面积的比值大于0.5。

其中在步骤b时，是将该等板状结构的底部加工为方形。

其中该基板的材质是选用玻璃、塑胶、挠性薄膜、金属，或是陶瓷。

其中该激光加工的激光光束波长是选用紫外线范围。

其中该激光光束经一光学模组聚焦后是呈点状。

其中该激光光束经一光学模组聚焦后是呈长条状。

其中还包含有一步骤d，是对该基板具有该等微透镜的表面进行翻模加工，形成一具有若干凹窝的模仁，该模仁是用以制作呈阵列状排列的微透镜。

其中步骤d的翻模加工是为先以溅镀或蒸镀方法在该基板具有该等微透镜的表面沉积一金属薄膜，接着再进行电铸加工，使该基板表面形成该模仁，最后使该基板与该模仁相互分离。

其中步骤d的翻模加工是为将除气的液态二甲基硅氧莞浇注于该基板具有该等微透镜的表面，而后加热固化，使该基板表面形成该模仁，最后使该基板与该模仁相互分离。

其中该激光光束经一光学模组聚焦后是呈网状。

其中于步骤b中，该激光光束是先沿一第一轴向进行多次的线状曝光以形成若干沿该第一轴向的线状沟槽，之后再对一第二轴向进行多次的线状曝光以形成若干沿第二轴向的线状沟槽。

附图说明

以下即配合附图列举若干较佳实施例，以对本发明进行详细说明，其中所用各附图的简要说明如下，其中：

图1是本发明第一较佳实施例的示意图；

图2是本发明第一较佳实施例的示意图，显示覆盖层设于基板的状态；

图3是本发明第一较佳实施例的示意图，显示覆盖层进行激光加工的状态；

图4是本发明第一较佳实施例的示意图，显示微透镜的状态；

图5是本发明第一较佳实施例的示意图，显示各微透镜表面呈球形的状态；

图6是本发明第二较佳实施例的示意图；

图7是本发明第二较佳实施例的示意图，显示覆盖层设于基板的状态；

图8是本发明第二较佳实施例的示意图，显示覆盖层进行激光加工的状态；

图9是本发明第二较佳实施例的示意图，显示微阵列结构的状态；

图10是本发明第二较佳实施例的示意图，显示各微阵列结构表面呈球形的状态；

图11是本发明第二较佳实施例的示意图，显示基板表面覆设一金属模仁；

图12是本发明第二较佳实施例的示意图，显示金属模仁的状态；

图13是本发明第二较佳实施例的示意图，显示金属模仁成形微透镜的状态；以及

图14是本发明第二较佳实施例的示意图，显示具有微透镜的成品。

具体实施方式

请参阅图1至图5，本发明第一较佳实施例所提供微透镜的制法，包含有下列步骤：

步骤一：如图1所示，准备一透明平面基板10，基板10的材质可为玻璃、塑胶，或是挠性薄膜。

步骤二：如图2所示，于基板10的表面以刮刀涂布方式涂布一覆盖层12并进行软烤；于本实施例中，覆盖层12的材质是为热塑性高分子膜，并且呈透明状。

步骤三：如图3及图4所示，将基板10放在一移动平台(XY-stage)16，并以一准分子激光14所发出的紫外线激光光束照射覆盖层12，该激光光束经一光学模组聚焦后以点状方式照射于覆盖层12，接着驱使移动平台16沿第一轴向(X轴)线性位移一段距离而进行曝光后，再使曝光作业暂时停止，接着驱使移动平台16沿第二轴向(Y轴)线性位移一间隔复沿第一轴向(X轴)反向线性位移上述相同距离而进行曝光，如此重复作业，使激光14将覆盖层12剥蚀出若干相互平行且沿第一轴(X轴一)向延伸的沟槽18，接着驱使移动平台16沿第二轴向(Y轴)线性位移一段距离而进行曝光后，再使曝光作业暂时停止，接着驱使移动平台16沿第一轴向(X轴)线性位移一间隔复沿第二轴向(Y轴)反向线性位移上述相同距离而进行曝光，如此重复作业，使激光14将覆盖层12剥蚀出若干相互平行且沿第二轴(Y轴)向延伸的沟槽(图中未示)，覆盖层12即可形成若干相互隔离，且呈阵列状排列的方形板状结构20。

步骤四：如图4及图5所示，将基板10置于一热处理炉(图中未示)中或加热板加热，基板10加热到板状结构20的玻璃转换温度以上时，各板状结构20的表面即会产生表面质传的热整形处理，使板状结构20形成为表面呈球状的微透镜22。

本发明的所以将微透镜底部制成方形的原因，主要是因为呈阵列状的微透镜底部面积与基板面积的比值越高，微透镜越能促进平面型发光元件的外部耦合系数，因此，在考虑三种分别具有不同底部形状的微透镜：圆形、正六边形，以及正方形，若是将上述三种微透镜的圆底、正六边形底部和正方形底部的内切圆半径固定为R，间距固定为d，则微透镜的圆底直径、正六边形底部的边长、正方形底部的边长分别为2R、2R、而其底部面积与基板面积的比值分别为

由此可见，当间距相同时，底部为正六边形的微透镜和底部为正方形的微透镜的面积比值最高，而底部为圆形的微透镜的面积比值最低，因此，由微透镜底部面积与基板面积的比值，较佳的选择为正方形底部和正六边形底部的微透镜，并且微透镜的底部面积与基板的表面面积的比值最好大于0.5，而再加上考虑到激光加工的速度和简单性，底部为正方形的微透镜为最佳的选择。

此外，微透镜22之间的间距越小，促进平面型发光元件的外部耦合系数越大，但是当板状结构20间距太小时，在热整形后会导致微透镜22表面相互黏接而造成大小不一，因此，由于玻璃材质基板10的热膨胀系数为9×10^-6(℃^-1)，而覆盖层12的热膨胀系数约为100～200×10^-6(℃^-1)，覆盖层12表面质传的热整形温度约为100～200(℃)，假定均取上述的最大值，则板状结构20的间距d应大于0.033L，其中L为板状结构20的底部边长；然而，板状结构20的间距仍应考虑激光加工的极限，若假设激光波长为λ，也就是说d必须大于λ/2。当温度上升ΔT时，基板10的尺寸增加量为ΔL_Si，基板10的线膨胀系数为(CTE)_Si，基板10的总尺寸L_T-Si为L+d+ΔL_Si。

ΔL_Si＝(L+d)×ΔT×(CTE)_Si

L_T-Si＝L+d+ΔL_Si＝(L+d)×[1+ΔT×(CTE)_Si]

当温度上升ΔT时，板状结构20的最上方尺寸增加量为ΔLPR(假设远离基板10的另一面为自由膨胀)，板状结构20的线膨胀系数为(CTE)_PR，而板状结构20最上方的总尺寸L_T-PR为L+ΔL_PR。

ΔL_PR＝L×ΔT×(CTE)_PR

L_T-PR＝L+ΔL_PR＝L×[1+ΔT×(CTE)_PR]

当温度上升ΔT时，若板状结构20的最上方的总尺寸和基板10的总尺寸L_T-PR相同时，各板状结构20的最上方将会两两相接触，因而造成相互粘着的现象。

L_T-Si＝L_T-PR

$(L+d)\×[1+\mathrm{\ΔT}\×{\left(\mathrm{CTE}\right)}_{\mathrm{Si}}]=L\×[1+\mathrm{\ΔT}\×{\left(\mathrm{CTE}\right)}_{\mathrm{PR}}]$

$\⇒d=\frac{L\×\mathrm{\ΔT}\×[{\left(\mathrm{CTE}\right)}_{\mathrm{PR}}-{\left(\mathrm{CTE}\right)}_{\mathrm{Si}}}{1+\mathrm{\ΔT}\×{\left(\mathrm{CTE}\right)}_{\mathrm{Si}}}$

若是基板10的线膨胀系数为9×10^-6、板状结构20的线膨胀系数为200×10^-6、温度差ΔT为175℃时，d＝0.0334×L。所以，d＞0.0334×L时，板状结构20的最上方才不会相接触；于本实施例中，各板状结构20的底部边长最佳为1至150μm，各板状结构20的间距最佳为0.1至5μm，各板状结构20的高度最佳为底部边长的1/4至1/2。

经由上述制法以及说明，本发明是结合刮刀涂布、激光加工、表面质传热整形的混成技术来制作球状的微透镜，即可于小、中、大面积尺寸的基板成形出微透镜，而且单位面积内所成形的微透镜数量较高，微透镜的尺寸较为精确，同时生产速度较快，成本较低。

于上述的制法中，亦可将覆盖层的材质改为热塑性光阻，热塑性光阻在步骤三中受到激光光束的曝光，再藉由显影与干燥加工移除曝光区域后，即可形成若干方形板状微透镜结构，经过步骤四的加热后，同样可达到本发明的目的；而且，上述制法中为了适用于大面积基板，是采用刮刀涂布方式涂布覆盖层，若是基板为中、小面积时，亦可改以旋转涂布方式涂布覆盖层。

必须加以说明的是，激光光束也可经不同于上述光学模组聚焦后而呈长条状光束地照射于覆盖层，因此利用长条状的激光光束进行曝光作业，不需如上述的点状激光光束需线性位移一大段距离而形成线状沟槽，只要一次作业即可完成一线状沟槽，则本发明的作业时间将更为减低，当然本发明亦可利用不同的光学模组设计，使该激光光束经聚焦后直接呈现多条平行的长条状光束，或直接成形为网状光束。

本发明亦可应用于制作具有微透镜结构的模仁，如图6至图14所示，是为本发明第二较佳实施例所提供微透镜的制法，包含有下列步骤：步骤一：如图6所示，制备一第一基板30，第一基板30的材质可为玻璃、塑胶、挠性薄膜、金属，或是陶瓷。

步骤二：如图7所示，于第一基板30的表面以刮刀涂布方式涂布一覆盖层32并进行软烤；于本实施例中，覆盖层32的材质是为热塑性高分子膜。

步骤三：如图8及图9所示，将第一基板30放在一移动平台(XY-stage)36，并以一准分子激光34所发出的激光光束照射覆盖层32，使覆盖层32受激光光束照射的区域曝光，接着驱使移动平台36沿X轴向来回位移，使激光34将覆盖层32剥蚀出若干相互平行且沿X轴向延伸的沟槽38，以及若干相互平行且沿Y轴向延伸的沟槽(图中未示)，覆盖层32即可形成若干相互隔离的微阵列结构40。

步骤四：如图10所示，将第一基板30置于一热处理炉(图中未示)中或加热板加热，第一基板30加热到微阵列结构40的玻璃转换温度以上时，微阵列结构40即会产生表面质传的热整形处理，使各微阵列结构40的表面呈球状。

步骤五：如图11及图12所示，进行翻模加工，于本实施例中是先以溅镀或蒸镀方法在第一基板30具有微阵列结构40的表面沉积一金属薄膜42，再接着进行电铸加工，使第一基板30表面形成一金属模仁50，最后分离第一基板30与模仁50，模仁50的表面即可具有呈阵列状排列的方底球状凹窝52。

经由上述制法所完成的模仁50，如图13及图14所示，可于模仁50的各凹窝52与一透明第二基板54之间涂布一层紫外线硬化型高分子56，并以紫外线成形方法硬化高分子56，接着分离模仁50与第二基板54，即可于第二基板54的表面具有若干呈阵列状排列的方底球状微透镜58，以达到大量且快速制造的目的。

另外，上述具有微阵列结构的制法中，亦可将覆盖层的材质改为热塑性光阻，热塑性光阻在步骤三中受激光光束照射而曝光后，再由显影与干燥加工移除曝光区域即可形成若干微透镜结构，最后经过步骤四的加热后，同样可达到本发明的目的；而步骤五的翻模加工，亦可改用除气的液态液态二甲基硅氧莞(polydimethylsiloxane，PDMS)浇注于第一基板30具有微阵列结构40的表面，而后加热固化，使第一基板30表面形成模仁50，最后再分离第一基板30与模仁50。

Claims (18)

1.一种微透镜的制法，其特征在于，包含有下列步骤：

a.以涂布方式于一基板的表面设一覆盖层；

b.利用经聚焦后的激光光束沿着一预定路径照射该覆盖层，使该覆盖层形成有若干相互交叉的沟槽，以及若干呈阵列状排列的板状结构；以及

c.加热该基板，使该等结构形成球状的微透镜。

2.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，其中该步骤a的涂布方式是为刮刀涂布。

3.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，其中该覆盖层是选用热塑性高分子膜。

4.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，其中该覆盖层是选用热塑性光阻。

5.依据权利要求4所述微透镜的制法，其特征在于，其中在步骤b时，是以激光光束照射该覆盖层，使该覆盖层具有若干相互交叉的曝光区域，接着对该覆盖层进行显影与干燥加工，用以移除该等曝光区域，使该覆盖层形成若干呈阵列状排列的板状结构，再进行加热该基板，使该等结构形成球状的微透镜。

6.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，其中在步骤c时，是将该基板加热至高于该覆盖层的玻璃转换温度。

7.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，其中在该步骤b中所形成各该板状结构的底部边长为1至150mm，各该板状结构的间距为0.1至5mm，各该板状结构的高度为底部边长的1/4至1/2。

8.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，其中是使该等微透镜的底部面积与该基板的表面面积的比值大于0.5。

9.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，其中在步骤b时，是将该等板状结构的底部加工为方形。

10.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，其中该基板的材质是选用玻璃、塑胶、挠性薄膜、金属，或是陶瓷。

11.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，其中该激光加工的激光光束波长是选用紫外线范围。

12.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，其中该激光光束经一光学模组聚焦后是呈点状。

13.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，其中该激光光束经一光学模组聚焦后是呈长条状。

14.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，更包含有一步骤d，是对该基板具有该等微透镜的表面进行翻模加工，形成一具有若干凹窝的模仁，该模仁是用以制作呈阵列状排列的微透镜。

15.依据权利要求14所述微透镜的制法，其特征在于，其中步骤d的翻模加工是为先以溅镀或蒸镀方法在该基板具有该等微透镜的表面沉积一金属薄膜，接着再进行电铸加工，使该基板表面形成该模仁，最后使该基板与该模仁相互分离。

16.依据权利要求14所述微透镜的制法，其特征在于，其中步骤d的翻模加工是为将除气的液态二甲基硅氧莞浇注于该基板具有该等微透镜的表面，而后加热固化，使该基板表面形成该模仁，最后使该基板与该模仁相互分离。

17.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，其中该激光光束经一光学模组聚焦后是呈网状。

18.依据权利要求1所述微透镜的制法，其特征在于，其中于步骤b中，该激光光束是先沿一第一轴向进行多次的线状曝光以形成若干沿该第一轴向的线状沟槽，之后再对一第二轴向进行多次的线状曝光以形成若干沿第二轴向的线状沟槽。

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