-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines (integrierten) Mikroprojektors für ein Projektionsdisplay, insbesondere eines (integrierten) Mikroprojektors, wie es aus der
DE 10 2009 024 894 A1 (vgl. z.B.
1/
2 gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 ), der
US 8 777 424 B2 bzw. der
DE 10 2011 076 083 A1 bekannt ist. Die in der
DE 10 2009 024 894 A1 vorgeschlagene Anordnung besteht aus einer regelmäßigen Anordnung von mehreren Feldlinsen, abzubildenden und als „identisch“ bezeichneten Strukturen und Projektionslinsen. Eine Lichtquelle beleuchtet dabei einen Feldlinsenarray, in dessen unmittelbarer Nähe sich ein Array bildgebender Strukturen befindet.
-
Das jeweilige zu projizierende Objekt (bildgebende Struktur) befindet sich in der Brennweite der zugeordneten Linse des Projektionslinsenarrays. Die korrespondierende Feldlinse befindet sich im Vergleich zum Abstand der Projektionslinse zum Objekt sehr nahe am Objekt, um eine Köhlersche Beleuchtung der Projektionslinse zu gewährleisten. Das Projektionslinsenarray gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 bildet eine Überlagerung aller Einzelbilder auf einen Schirm ab. Durch das Verwenden von Mikrolinsen in einer regelmäßigen Anordnung als Projektionsobjektive in einer Vielkanalarchitektur ist es gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 möglich, die Baulänge des Gesamtsystems gegenüber herkömmlichen Einkanalprojektoren gleicher Bildhelligkeit zu reduzieren. Während die geringe Baulänge des Mikroprojektors aus den Brennweiten der Linsen von nur wenigen Millimetern resultiert, sorgt die Objektflächenvervielfachung gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 für eine proportionale Steigerung der Bildhelligkeit.
-
Durch einen leicht verringerten Mittenabstand (Pitch) der Projektionslinsen gegenüber den bildgebenden Strukturen entsteht ein vom Arrayzentrum nach außen wachsender Versatz des jeweiligen Objekts und der entsprechenden Projektionsoptik. Die so entstehende leichte Verkippung der optischen Achsen äußerer Projektoren gegenüber der des Zentralkanals sorgt für eine Superposition der reellen Einzelabbildungen in einer endlichen Entfernung D auf die für die Projektion vorgesehene Projektionsfläche.
-
Gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 ergibt sich die Projektionsentfernung D des Mikroprojektors aus der Brennweite f der Projektionslinse, dem Mittenabstand der Projektionsoptiken P
PL und dem Mittenabstand der Bilder P
BL (vgl.
3 gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 ):
-
Die Vergrößerung M des Mikroprojektors folgt aus dem Verhältnis der Projektionsentfernung D zur Brennweite f der Projektionslinse:
-
Das Projektionsdisplay generiert gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 eine zweidimensionale Projektion auf eine Projektionsfläche, wobei gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 als „identisch“ bezeichnete Objekte projiziert werden. Durch die Superposition der Projektionen von Projektionslinsen mit Köhlerscher Beleuchtung erzielt der Mikroprojektor gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 parallel zur Projektion die Homogenisierung der Lichtquelle.
-
Der maximale Öffnungswinkel der Lichtquelle soll den Akzeptanzwinkel der Feldlinse, unter dem die Austrittspupille der Projektionslinse voll ausgeleuchtet wird, nicht überschreiten, da sonst gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 dem eigentlichen Bild benachbarte Störbilder entstehen können. Als Beleuchtung können gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 z.B. sehr flache Einheiten, ähnlich den Hinterleuchtungen von transmittiven Displays (
US 2008/0310160 A1 ) mit angepassten Auskoppelstrukturen, verwendet werden. Der Akzeptanzwinkel peripherer Einzelprojektoren des Mikroprojektors wird gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 durch die telezentrische Abstrahlcharakteristik der Quelle im Vergleich zum zentralen Projektorkanal eingeschränkt. Eine zusätzliche makroskopische Feldlinse, z.B. in Form einer dünnen Fresnellinse, kann gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 diese Telezentrie aufheben und somit gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 die Gesamthelligkeit der Projektion weiter steigern (
4 gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 ).
-
Das Aufbringen geeigneter lichtführender Elemente, z.B. Konzentratoren, als Teil des Feldlinsenarrays kann gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 die Totzonen zwischen den Feldlinsen ausblenden und somit den Füllfaktor erheblich steigern (
5 gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 ). Das Verwenden von sogenannten „gechirpten“ Linsenarrays, also Linsenarrays mit über das Array variablen Parametern (z.B. unterschiedliche Brennweiten der Projektionslinsen über das Array bzw. unterschiedliche Brennweiten tangential und sagittal durch Ausbildung als elliptische Linsen) kann eine Korrektur des Defokus und des Astigmatismus der peripheren Projektionsoptiken erzielen.
-
Um den Einfluss der Verzeichnung sowohl des Einzelkanals als auch der Superposition aller abbildenden Kanäle zu unterdrücken ist gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 eine kanalweise Vorverzerrung der bildgebenden Strukturen möglich. Die Verwendung von kurzbrennweitigen Mikrolinsen ist gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 mit einer Einschränkung der übertragbaren Informationen verbunden. Die darstellbare Bildauflösung wird gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 durch die Überlagerung von Aberrationen und Beugungseffekten begrenzt. Eine Steigerung der Gesamtinformationsübertragung ist gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 durch Segmentierung des Projektionsbildes und Zuweisen definierter Gesichtsfeldbereiche an Gruppen von Einzelprojektoren in einer verschränkten Anordnung innerhalb eines Mikroprojektors möglich (vgl.
6/
7 gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 ).
-
Eine Vollfarbprojektion wird gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 durch Verschachteln von drei Array-Projektionsdisplays gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 , von denen jedes einen Grundfarbanteil des zu projizierenden Bildes in Form von Objektstrukturen darstellt, ermöglicht (vgl.
8/
9 gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 ). Weiter besteht gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 die Möglichkeit der kanalweisen Farbfehlerkorrektur, welche, im Vergleich zu herkömmlichen einkanaligen Projektionssystemen mit komplexen achromatisierten mehrlinsigen Projektionsobjektiven, eine drastische Vereinfachung der Projektionsoptik darstellt. Wird die Objektstruktur durch einen digitalen Bildgeber generiert, der als Bildinhalt ein Array identischer Bilder in variablem Pitch zeigt, ermöglicht der Mikroprojektor die Darstellung dynamischer Bild inhalte.
-
Durch elektronischen Versatz der Einzelbilder auf dem Bildgeber kann gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 die Projektionsdistanz ohne mechanische Komponenten geregelt werden (s.o. Formel für den Projektionsabstand D). In Kombination mit einer Abstandsmessung zur Projektionsfläche kann gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 somit innerhalb eines Regelkreises die Projektionsdistanz elektronisch nachgeführt werden. Der Bildgeber kann gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 z.B. ein transmittives LCD-Display (vgl.
10 gemäß der
DE 10 2009 024 894 A1 ) sein.
-
Die
DE 10 2015 216 985 A1 offenbart eine Projektionsvorrichtung mit mindestens einer Lichtquelle und einem Array von optischen Kanälen. Jeder Kanal weist eine erste refraktive optische Freiformfläche und eine zweite refraktive optische Freiformfläche sowie eine Projektionsoptik auf. Die erste und die zweite refraktive optische Freiformfläche sind zwischen der Lichtquelle und der Projektionsoptik angeordnet und bewirken eine Köhlersche Beleuchtung der Projektionsoptik von einer Lichtobjektstruktur die auf einer Bildfläche der Projektionsoptik das zu projizierende Bild ergeben, wobei sich Bilder des Arrays der optischen Kanäle überlagern.
-
Die
DE 10 2016 221 918 A1 offenbart eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Multiapertur-Projektionsdisplay mit einem Leuchtmittel zur Beleuchtung einer Vielzahl von Bildsegmenten sowie einem Array aus Projektionslinsen, wobei jeder Projektionslinse ein Bildsegment zugeordnet ist, das mittels der zugehörigen Projektionslinse in eine Projektionsebene projiziert wird, wodurch in der Projektionsebene aus allen projizierten Bildsegmenten eine Lichtverteilung erzeugt wird. Das Array aus Projektionslinsen umfasst mehrere Teilarrays, wobei ein jeweiliges Teilarray die gleichen Projektionslinsen enthält und sich die Projektionslinsen von unterschiedlichen Teilarrays voneinander unterscheiden, so dass jedes Teilarray einen Flächenbereich in der Lichtverteilung generiert und die Größe und/oder Position der generierten Flächenbereiche zwischen den Teilarrays unterschiedlich ist.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Projektionsdisplay bzw. einen verbesserten Mikroprojektor anzugeben. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung eines Mikroprojektors bzw. eines verbesserten Mikroprojektors anzugeben.
-
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen eines Mikroprojektors vorgeschlagen, wobei der Mikroprojektor einen Träger umfasst, auf dem ein Projektionslinsenarray mit einer Mehrzahl von Projektionslinsen angeordnet ist, wobei optional auf einer dem Projektionslinsenarray abgewandten Seite des Trägers ein Objektstrukturenarray mit einer Mehrzahl von Objektstrukturen angeordnet ist, wobei einer Objektstruktur zumindest eine Projektionslinse derart zugeordnet sein kann, dass sich die Projektionen der Objektstrukturen durch die Projektionslinsen zu einem Gesamtbild überlagern, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Abstand zwischen einer Projektionslinse und der zugeordneten Objektstruktur der Brennweite der jeweiligen Projektionslinse entspricht, wobei auf dem Objektstrukturenarray optional ein Feldlinsenarray, insbesondere derart, angeordnet sein kann, dass bei Beleuchtung des Feldlinsenarrays eine Köhlersche Beleuchtung der den jeweiligen Feldlinsen zugeordneten Objektstrukturen bzw. Projektionslinsen ermöglicht wird, wobei auf dem Träger und/oder den Objektstrukturen eine Maske mit Aussparungen aufgebracht wird, wodurch die Projektionslinsen und/oder Feldlinsen mittels einer transparenten Tinte aus einer Vielzahl von Tröpfchen, die sich im flüssigen Zustand zu einem Tropfen vereinen, der nach Aushärtung eine Projektionslinse bzw. Feldlinse bildet, in die Aussparungen gedruckt werden, und wobei
- - zumindest zwei, insbesondere zumindest drei, insbesondere zumindest vier Aussparungen jeweils zueinander eine unterschiedliche (insbesondere mittlere bzw. durchschnittliche) Tiefe aufweisen und/oder
- - zumindest zwei, insbesondere zumindest drei, insbesondere zumindest vier Aussparungen jeweils innerhalb einer Aussparung Bereiche unterschiedlicher Tiefe aufweisen, und/oder
- - zumindest zwei, insbesondere zumindest drei, insbesondere zumindest vier Aussparungen jeweils innerhalb einer Aussparung eine erste Teilaussparung und zumindest eine zweite Teilaussparung aufweisen, wobei inbesondere vorgesehen ist, dass die erste Teilaussparung zwischen dem Träger und der zweiten Teilaussparung vorgesehen ist, und/oder
- - zumindest zwei, insbesondere zumindest drei, insbesondere zumindest vier Aussparungen jeweils zumindest eine unterschiedliche Grundfläche aufweisen und/oder
- - die Maske (einschließlich der Aussparungen) durch Drucken von Maskenmaterial auf den Träger, insbesondere ohne die Verwendung von Fotolack, erzeugt wird.
-
Eine Grundfläche einer Aussparung ist insbesondere die Querschnittsfläche einer Aussparung parallel zur Oberfläche des Trägers und/oder den Objektstrukturen. Eine Grundfläche im Sinne dieser Offenbarung ist insbesondere eine trägerseitig und/oder objektstrukturenseitig nicht mit dem Maskenmaterial beschichtete Fläche einer Aussparung. Eine Grundfläche einer Aussparung im Sinne dieser Offenbarung ist insbesondere die Oberfläche des Trägers und/oder der Objektstrukturen, die aufgrund der Aussparung nicht von dem Maskenmaterial bedeckt ist. Grundflächen können sich beispielsweise in ihrer Größe und ihrer geometrischen Form unterscheiden. So kann z.B. eine kreisrunde Aussparung zum Rand hin in eine ellipsenförmige Grundfläche übergehen. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich die Grundfläche verkleinert oder vergrößert. Eine Grundfläche im Sinne dieser Offenbarung ist insbesondere orthogonal zur Richtung, die die Tiefe einer Aussparung angibt. Träger im Sinne dieses Absatzes kann Träger im engeren Sinne oder Träger mit Objektstruktur sein. Eine erste Teilaussparung im Sinne dieser Offenbarung ist insbesondere eine aus Maskenmaterial gebildete oder durch Maskenmaterial begrenzte Objektstruktur/Struktur. Die erste Teilaussparung ist in Verbindung mit einer zweiten Teilaussparung, die der Formung der Feldlinse dient, insbesondere derart geformt, dass die Objektstruktur bzw. die von der ersten Teilaussparung begrenzte lichtdurchlassende Objektstruktur/Struktur einteilig mit der Feldlinse gedruckt werden kann bzw. wird.
-
Das Maskenmaterial kann z.B. Wachs oder wachsartig sein. Maskenmaterial im Sinne dieser Offenbarung kann opak bzw. im Wesentlichen opak sein. Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Maskenmaterial abweisend in Bezug auf die transparente Tinte ist. Das Maskenmaterial ist insbesondere hydrophob. Das Drucken des Maskenmaterials kann z.B. mittels eines LP 50 3D-Druckers erfolgen. Das Drucken einer Maske auf einen Träger ohne Verwendung von Fotolack soll im Sinne dieser Offenbarung insbesondere bedeuten, dass die Aussparung durch das Drucken des Maskenmaterials entsteht und nicht durch späteres Entfernen einer Schicht, auf die Maskenmaterial aufgebracht/gedruckt wurde. Es ist insbesondere vorgesehen, dass eine Maske mittels Maskenmaterials derart gedruckt wird, dass auch die Aussparungen durch das Drucken erzeugt werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Objektstrukturen ebenfalls mit Maskenmaterial gedruckt werden. Dabei kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass die Aussparung des Maskenmaterials die Form der gewünschten Objektstruktur besitzt. So kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass auf der dem Projektionslinsenarray abgewandten Seite des Trägers eine Maske auf den Träger aufgebracht wird, die Aussparungen aufweist, wobei die Aussparungen oder eine Lichtverteilung in den Aussparungen mittels Projektionslinsen abgebildet werden bzw abbildbar sind. Sofern nicht ausdrücklich in dieser Offenbarung Bezug genommen wird auf das Drucken von Maskenmaterial ist mit dem Drucken das Drucken von Linsenmaterial bzw. das Drucken mit transparenter Tinte zur Herstellung von Linsen gemeint.
-
Die Projektionslinsen und/oder die Feldlinsen werden insbesondere mit einer Hybrid-Polymer-„Tinte“ gedruckt. Die Tinte enthält insbesondere Ormocer. Als Ausgangsmaterial der Tinte sind insbesondere anorganisch-organische Hybridpolymere, sog. Ormocere, oder Vorstufen solcher Hybridpolymere, die durch UV-Belichtung polymerisieren, vorgesehen. Diese werden je nach Randbedingungen des Druckverfahrens mit einem Lösungsmittel oder anderen Verdünnungsmitteln, z.B. (sogenannte) Reaktivverdünnern gemischt, um die Viskosität der Tinte einzustellen. Es werden insbesondere mehrere, insbesondere 400 bis 1000, Tröpfchen, insbesondere 6 bis 84 pl (Picoliter) auf eine Stelle zum Aufbau eines Tropfens (=Mikrolinse nach Aushärtung), der aus mehreren Tröpfchen besteht bzw. mehrere Tröpfchen aufweist, gedruckt. In der Terminologie dieser Offenbarung ist ein Tröpfchen eine Portion Tinte, die einen Druckkopf verlässt. Ein Tropfen ist das Volumen von Tinte, das sich auf einem Träger, wie einem Substrat oder einem beschichteten Substrat, aufbaut, wenn mehrere Tröpfchen auf eine Stelle gedruckt werden.
-
Es ist jedoch insbesondere vorgesehen, dass jede einzelne Linse aus mehreren Düsen eines Druckkopfes gedruckt wird. So können z.B. für einen Tropfen, der eine spätere Linse formt, Tröpfchen aus 3 bis 20 Düsen verwendet werden. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der späteren Linsenkontur erhöht werden, da Schwankungen der Tröpfchengröße per Düse zum Teil kompensiert werden. Eine weitere Kompensation kann z.B. dadurch erfolgen, dass der Druckkopf, der mehrere Düsen aufweist, während des Druckens über das Substrat bewegt wird. Es kann vorgesehen sein, dass die durch die Tröpfchen aufgebauten Mikrolinsen individuell gestaltet werden. D.h. insbesondere, dass sich zumindest zwei, jedoch vorteilhafterweise mehrere Mikrolinsen (z.B. eines Mikroprojektors) voneinander unterscheiden.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Tröpfchengeschwindigkeit zumindest 5m/s. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Tröpfchengeschwindigkeit nicht mehr als 7m/s. In besonders geeigneter Weise beträgt die Tröpfchengeschwindigkeit 5,0 bis 5,3m/s. Vorgenannte Tröpfchengeschwindigkeiten werden insbesondere durch geeignete Einstellung der Druckkopftemperatur und der Steuerspannung am Druckkopf eingestellt. Die Steuerspannung an einem Xaar-Druckkopf sollte in einem Bereich von 22V bis 29V, z.B. in einem Bereich von 24V-26V liegen, um eine optimale Tropfenbildung zu erreichen. Die Druckkopftemperatur sollte in einem Bereich von 29 bis 35°C, z.B. in einem Bereich von 31-31,5°C liegen. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Schwankung der Druckkopftemperatur nicht mehr als als ±0,2°C, insbesondere nicht mehr als ±0,1°C, insbesondere nicht mehr als ±0,05°C.
-
In einer Ausgestaltung wird ein, insbesondere erwärmtes, zum Beispiel auf 40 °C erwärmtes, Substrat (die Begriffe „Substrat“ und „Träger“ werden in dieser Offenbarung synonym verwendet) bereitgestellt. Es ist insbesondere vorgesehen, dass beim Drucken das Substrat wärmer ist als die Tinte, d.h. die Temperatur des Substrats ist beim Drucken vorteilhafterweise höher als die Temperatur der Tinte bzw. des Druckkopfes. Ein Substrat kann auch ein Wafer sein, auf den die Mikrolinsen mehrerer Mikrolinsenarrays gedruckt werden. Dabei ist insbesondere vorgesehen, das der äußere Bereich jenseits eines Grenzwertes, der zum Beispiel bei 1 cm liegen kann, nicht für Mikrolinsenarrays verwendet wird, bzw. nicht verwendet wird, selbst wenn in diesem Bereich Mikrolinsenarrays gedruckt werden. Auf das Substrat wird direkt oder indirekt die optische Nutzschicht, also das abzubildende Objekt (=abzubildende, insbesondere aufgrund von Vorverzerrung von identischen Strukturen abweichende, Struktur) aufgebracht. Die Größe bzw. die Form der Mikrolinse bzw. des Tropfens wird durch die Anzahl der Tröpfchen, der Grundfläche einer Aussparung, der Tiefe einer Aussparung und des Maskenmaterials sowie durch die Benetzungseigenschaften (der Tinte und des Lösungsmittelgehalts und/oder des Maskenmaterials und/oder des Materials des Trägers und/oder des Materials der Objektstrukturen) eingestellt.
-
Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Tropfen (=Mikrolinse) direkt oder später nach Aufbringen der gewünschten Anzahl von Tröpfchen getrocknet und belichtet wird, zum Beispiel durch UV-Strahlung. Auf diese Weise wird eine Aushärtung erreicht. Das beschriebene Verfahren wird ggf. auf beiden Seiten des Substrats angewandt.
-
In einer weiteren Ausgestaltung sind die abzubilden Objekte veränderbar bzw. individuell ansteuerbar. Auf diese Weise können unterschiedliche Projektionsmuster erzielt werden (siehe
DE 10 2009 024 894 A1 ). So kann zum Beispiel vor einem Kraftfahrzeug ein Pfeil projiziert werden, der entweder nach links oder nach rechts zeigt, je nachdem wie die Objekte, die abgebildet werden, angesteuert werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich das Projektionsmuster und damit die Ansteuerung der Objekte in Abhängigkeit des Schlüssels bzw. Zündschlüssels eines Kraftfahrzeuges einstellen lässt. D.h. der Benutzer des einen Schlüssels erhält eine andere Projektion als der Benutzer eines anderen Schlüssels.
-
Eine Mikrolinse im Sinne der Erfindung kann eine Linse sein, deren Durchmesser kleiner ist als 1 mm. Drucken auf der Stelle bzw. auf einer Stelle soll im Sinne der Erfindung insbesondere umfassen, dass exakt an die Stelle gedruckt wird oder, dass zumindest im Bereich gedruckt wird, in dem die Mikrolinse entstehen soll. Eine Charge von Mikroprojektoren im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Menge von Mikroprojektoren, die aus einem Wafer gefertigt werden. Eine Charge von Mikroprojektoren kann im Sinne der Erfindung auch eine Menge von Mikroprojektoren sein, die aus Wafern einer Wafercharge gefertigt werden.
-
Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:
- 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Projektionsdisplays,
- 2A ein Ausführungsbeispiel für einen Zwischenschritt bei der Herstellung eines Mikroprojektors, wobei auf einem Träger eine Maske mit Aussparung angeordnet ist,
- 2B das Ausführungsbeispiel gemäß 2A, wobei in die Aussparungen der Maske Projektionslinsen gedruckt sind,
- 2C das Ausführungsbeispiel des Zwischenschritts gemäß 2B, jedoch mit einer Maske mit Aussparungen für Feldlinsen,
- 2D ein Ausführungsbeispiel eines Mikroprojektors,
- 3 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen von Mikroprojektoren einschließlich eines Verfahrens zum Bedrucken eines Wafers,
- 4 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß 3,
- 5 eine Draufsicht auf einen Wafer mit gedruckten Projektionslinsen,
- 6 ein Ausführungsbeispiel eines Zusammenhangs zwischen Temperatur (Druckkopftemperatur) und Höhe einer Linse
- 7 ein Ausführungsbeispiel für eine alternative Ausgestaltung einer Feldlinse und
- 8 eine Draufsicht auf die Feldlinse gemäß 7
-
1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Projektionsdisplays 100. Das Projektionsdisplay 100 umfasst einen Mikroprojektor 200 sowie eine Lichtquelle 300 zur Beleuchtung des Mikroprojektors 200. Der Mikroprojektor 200 umfasst ein Substrat bzw. einen Träger 3 (z.B. Teil eines Wafers), auf dem eine Beschichtungslage 2 angeordnet sein kann. Auf der Beschichtungslage 2 oder auf dem Träger 3 direkt ist eine Projektionslinsenlage 1 angeordnet. Auf der der Projektionslinsenlage 1 abgewandten Seite des Trägers 3 ist eine Objektlage 4 mit abzubildenden Objektstrukturen angeordnet. Auf der Objektlage 4 ist optional eine Beschichtungslage 5 und auf dieser wiederum optional eine Feldlinsenlage 6 angeordnet. Die Feldlinsenlage 6 kann auch direkt auf der Objektlage 4 angeordnet sein.
-
2D zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Mikroprojektors 200. Dabei ist auf einem Substrat bzw. Träger 3 eine Maske 20 mit Aussparungen 21, 22, 23, 24 angeordnet. In den Aussparungen 21, 22, 23, 24 wiederum sind Projektionslinsen 11, 12, 13, 14 insbesondere aus Hybrid-Polymer angeordnet. Die Projektionslinsen 11, 12, 13, 14 sind Teil eines Projektionslinsenarrays. Auf der dem Projektionslinsenarray abgewandten Seite des Trägers 3 sind Objektstrukturen 41, 42, 43, 44 angeordnet, die mittels des Projektionslinsenarrays bzw. mittels der Projektionslinsen 11, 12, 13, 14 abgebildet werden. So bildet die Projektionslinse 11 die Objektstruktur 41 ab, die Projektionslinse 12 bildet die Objektstruktur 42 ab, die Projektionslinse 13 bildet die Objektstruktur 43 ab, und die Projektionslinse 14 bildet die Objektstruktur 44 ab. In diesem Sinne bilden die Projektionslinse 11 und die Objektstruktur 41 einen optischen Kanal, die Projektionslinse 12 und die Objektstruktur 42 einen optischen Kanal, die Projektionslinse 13 und die Objektstruktur 43 einen optischen Kanal und die Projektionslinse 14 und die Objektstruktur 44 einen optischen Kanal.
-
Auf den Objektstrukturen 41, 42, 43, 44 der Objektlage 4 ist optional eine Maske 50 mit Aussparungen 51, 52, 53, 54 vorgesehen. In den optionalen Aussparungen 51, 52, 53, 54 sind Feldlinsen 61, 62, 63, 64 angeordnet. Die Feldlinsen 61, 62, 63, 64 sind insbesondere aus Hybrid-Polymermaterial gefertigt. Mittels der Feldlinsen 61, 62, 63, 64 wird eine Köhlersche Beleuchtungsoptik implementiert.
-
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Herstellen von Mikroprojektoren wie dem Mikroprojektor 200. Dabei werden in einem Schritt 81 die Objektstrukturen 41, 42, 43, 44 für mehrere Mikroprojektoren auf einen Träger 3, wie z.B. einen Wafer, aufgebracht (vgl. Lithographiestation 91 in 4). Zudem wird der Wafer in einem Schritt 82 mit Referenzmarken versehen, die eine exakte Ausrichtung, insbesondere beim späteren Drucken, ermöglichen (vergleiche Station 92 in 4).
-
Es folgt ein einer in 4 dargestellten Linsenfertigung 93 zugeordneter Schritt 83, in dem die Maske 20 mit den Aussparungen 21, 22, 23, 24 auf den Wafer aufgebracht werden (vgl. 2A), in die die Projektionslinsen 11, 12, 13, 14 (vgl. 2B) gedruckt werden, wobei zunächst die Referenzmarken durch einen Sensor erfasst werden und der Wafer und der Druckkopf anhand der Referenzmarken relativ zueinander ausgerichtet werden. Geeignet für das Drucken der Maske 20 ist z.B. ein LP50 und zum Drucken der Projektionslinsen 11, 12, 13, 14 z.B. ein Xaar-Druckkopf mit 1000 Düsen. Der Druckkopf ist insbesondere mit einer Durchfluß-Tintenversorgung versehen (Temperatur- und Unterdruckregelung). So kann vorgesehen sein, dass in einem Druckschritt 831 die Projektionslinsen 11, 12, 13 und 14 auf dem als Träger 3 dienenden Wafer bzw. in die Aussparungen 21, 22, 23, 24 gedruckt werden, wobei mittels des Druckkopfes etwa 50 bis 4000 Tröpfchen, insbesondere 400 bis 1000 Tröpfchen zu jeweils 6 bis 84 pl (Picoliter) gedruckt werden, so dass sich die Tröpfchen in flüssigem Zustand vereinen und eine Tropfenmasse bilden, die zu einem Tropfen anwächst, der nach Aushärtung die entsprechende Projektionslinse 11, 12, 13, 14 bildet. Dazu erhält der Druckkopf von einem Druckertreiber Informationen über die Anzahl der zu druckenden Tröpfchen sowie eine Positionsangabe zur Angabe der Position, an der die Tröpfchen platziert werden sollen. Der Druckkopf kann zum Beispiel bis zu 1000 Düsen umfassen.
-
2A zeigt dabei vier Aussparungen 21, 22, 23 und 24, deren Grundflächen G21, G22, G23 und G24 sich voneinander unterscheiden bzw. unterschiedlich groß sind. Darüber hinaus sind die mittleren Tiefen TM21, TM22, TM23 und TM24 der Aussparungen 21, 22, 23 und 24 jeweils unterschiedlich. Darüber hinaus variiert - wie in Bezug auf Aussparung 24 beispielhaft dargestellt - die Tiefe der Aussparung innerhalb der Aussparung 24. So ist beispielsweise ein Bereich einer Tiefe TB241 und ein Bereich einer Tiefe TB242 vorgesehen.
-
Es folgt ein Trocknungsschritt 832, in dem der Wafer in der Linsenfertigung 93 gemäß 4 dem Drucksystem 931 gemäß 4 entnommen und einer Trockenstation 932 gemäß 4 zugeführt werden kann. Die Trocknung kann auch im Drucksystem auf einem geheizten Substrathalter bzw. Waferhalter erfolgen. Beim Trocknen ist vorgesehen, dass das Lösungsmittel verdunstet (ausgast). Zudem stellt sich bei erhöhter Temperatur die Linsen-Oberfläche durch eine entsprechende Oberflächenspannung ein (sog. Reflow-Prozess). Die Trocknungstemperatur kann z.B. 60°C bei einer Verweildauer von vier Stunden betragen. Die Trockungstemperatur kann bevorzugt z.B. auch 90°C bei einer Verweildauer von 90 Minuten betragen. Ein geeigneter Wertebereich ist eine Trocknungstemperatur zwischen 50° C und 120° C, wobei eine Verweildauer zwischen 5 Minuten und mehreren Stunden betragen kann. Die Trocknungstemperatur bleibt in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung während des Trocknens bzw. der Verweildauer konstant.
-
Dem Trocknungsschritt 832 folgt ein Aushärtungsschritt 833 zur UV-Aushärtung der Linsen 11, 12, 13 und 14. Dazu wird der Wafer der Trocknungsstation 932 gemäß 4 entnommen und einer UV-Station 933 gemäß 4 zugeführt. In der UV-Station 933 werden die Linsen 11, 12, 13, 14 durch UV-Strahlung ausgehärtet bzw. vernetzt bzw. polymerisiert. Die UV-Aushärtung kann unter lokaler Schutzgasatmosphäre (z.B. Stickstoff-Atmosphäre) erfolgen (insbesondere bei Tinte ohne Lösungsmittel), um Einflüsse von Sauerstoff auf die Vernetzung zu unterdrücken (sog. Sauerstoffinhibitation). Die Aushärtung bzw. UV-Aushärtung kann in zwei oder mehr Schritten erfolgen. Sie wird in bevorzugter Weise zunächst in einem Schritt 8331 mit niedriger Intensität bzw. erster Intensität der UV-Strahlung insbesondere mit dem Ziel gehärtet, unregelmäßige Schwindung zu verhindern. Einem solchen UV-Aushärtungsschritt 8331 folgt optional ein weiterer UV-Aushärtungsschritt 8332 mit der gleichen, einer höheren bzw. zweiten Intensität zur vollständigen Aushärtung, wobei die erste UV-Intensität geringer ist als die zweite UV-Intensität. Die UV-Aushärtung kann bei erhöhter Temperatur erfolgen, wie etwa 60°C. Dabei kann der Wafer während der UV-Aushärtung auf einer Heizplatte und/oder in einem Ofen liegen. Es kann vorgesehen sein, dass nach erfolgter UV-Aushärtung ein (weiterer) thermischer Behandlungsschritt 8333 erfolgt, insbesondere mit dem sich die finalen optischen Eigenschaften (vor allem der Brechungsindex) stabilisieren sollen bzw. lassen. Es ist insbesondere vorgesehen, dass dieser nachfolgende thermische Behandlungsschritt zwischen 5 Minuten und 300 Minuten. vorteilhafterweise zwischen 100 Minuten und 200 Minuten, erfolgt, wobei das auszuhärtende Teil einen Temperaturbereich zwischen 80° C und 200° C, z.B. zwischen 140° C und 160° C, insbesondere zwischen 149° C und 151° C ausgesetzt ist.
-
Anschließend wird der Wafer wieder der Druckstation 931 zugeführt und - sofern notwendig - ebenfalls gedreht, so dass die Feldlinsen 61, 62, 63, 64 (von oben) gedruckt werden können. Das Drucken der Feldlinsen 61, 62, 63, 64 erfolgt in einem Schritt 834, der dem Schritt 831 entspricht, wobei zunächst eine Maske 50 mit Aussparungen 51, 52, 53, 54 gedruckt wird (vgl. 2C) und wobei anschließend die Feldlinsen 61, 62, 63, 64 in die Aussparungen 51, 52, 53, 54 gedruckt werden (vgl. 2D). Es folgt wiederum ein Trocknungsschritt 835, der dem Trocknungsschritt 832 entspricht (wobei jedoch die Feldlinsen 61, 62, 63, 64 getrocknet werden), gefolgt von einem Aushärtungsschritt 836, der dem Aushärtungsschritt 833 entspricht (wobei jedoch die Feldlinsen 61, 62, 63, 64 ausgehärtet werden). Abweichend von der Darstellung der 2B und 2C kann vorgesehen sein, dass zunächst die Masken 20 und 50 gedruckt werden und anschließend die Projektionslinsen 11, 12, 13, 14 bzw. die Feldlinsen 61, 62, 63, 64.
-
Es kann eine Kalibrierung des Druckprozesses vorgesehen sein. Bei einer derartigen Kalibrierung wird eine definierte Anzahl von Tröpfchen aus einer Düse oder einer Gruppe von Düsen auf ein Testsubstrat gedruckt und die gedruckte Tinte mittels einer Waage gewogen oder mit einem anderen Verfahren Masse und/oder Volumen bestimmt. Aus der Abweichung von der Sollmasse bzw. von dem Sollvolumen wird mittels eines Kallibriermoduls ein Korrekturfaktor bestimmt, um die Abweichung der gedruckten Masse bzw. des gedruckten Volumens über den Druckkopf hinweg durch Änderung der Tröpfchenanzahl auszugleichen. Die Kalibrierung erfolgt dabei in regelmäßigen Abständen, z.B. einmal pro Schicht bzw. Fertigungsschicht.
-
Dem Schritt 83 folgt ein Schritt 84, in dem zunächst ein Roboter den Wafer nach erfolgter UV-Aushärtung aus der UV-Station 933 entnimmt und der Transport des entnommenen Wafers zu einer Lasertrennanlage 94 gemäß 4 (ggf. über ein Transportband) erfolgt. Mittels einer Lasertrennanlage 94 erfolgt ein Vereinzeln des Wafers zu einzelnen Mikroprojektoren mittels eines Lasertrennprozesses. Dabei erfolgt zunächst eine Nanoperforation mit einem Kurzpulslaser, wodurch eine mechanische Spannung in das Glas des Wafers eingetragen wird. In einem anschließenden Separationsprozess mechanisch gebrochen (vergleiche 3D-Micromacwird mit einem CO2-Laser die Schnittkante erhitzt, so dass die zuvor eingetragenen Spannungen zur Trennung in einzelne Mikroprojektoren führen. Die Mikrolinsen am äußersten Rand der Schnittkante, wie beispielsweise in 5 die grau unterlegten Mikrolinsen, sind vorteilhafterweise funktionslos bzw. werden gar nicht erst gedruckt. Geeignete Laservereinzelungsanlagen sind z.B. die Corning CLT 45G oder Corning CLT 500X. Im Anschluss kann ein Prüfschritt 85 mit einer lichttechnischen Prüfung (in einem Prüfstand 95 gemäß 4) vorgesehen sein. Dabei werden in vorteilhafter Ausgestaltung weniger als 50%, insbesondere weniger als 30%, insbesondere weniger als 10% Mikroprojektoren einer Charge oder Projektionsdisplays auf der Basis von Mikroprojektoren einer Charge getestet.
-
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine alternative Ausgestaltung beispielsweise der Feldlinse 61 durch Formung in einer Aussparung 51', wobei mit 50' die Maske bezeichnet ist, die die Aussparung 51' aufweist. Die Aussparung 51' wiederum umfasst eine erste Teilaussparung 511 und eine zweite Teilaussparung 512. Dabei ersetzt die erste Teilaussparung 511 die Objektstruktur und bildet in dem Ausführungsbeispiel einen Pfeil als abzubildendes Objekt (vergleiche 8).
