KR20020034918A

KR20020034918A - 정밀 몰드 형성 장치

Info

Publication number: KR20020034918A
Application number: KR1020010067087A
Authority: KR
Inventors: 보더존; 담브라우스카스로버트; 사들리크크라이그에이
Original assignee: 로버트 디. 크루그; 이스트맨 코닥 캄파니
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2002-05-09
Also published as: EP1201409A2; EP1201409A3; US6846137B1; JP2002144349A; TW568807B

Abstract

회전 4분원 다이아몬드 커팅 부재를 갖는 형성 요소를 이용하는 마이크로렌즈 몰드 및 마이크로렌즈 어레이 몰드 제조 장치가 개시되어 있다. 기판은 다이아몬드 커팅 부재로 정렬되어, 커팅 부재는 몰드 캐비티를 기판에 밀링할 수 있다. 본 장치는 고 새그 렌즈 몰드를 높은 정확도와 거의 100%의 충진도로 제조하는데 이용될 수 있다.

Description

정밀 몰드 형성 장치{APPARATUS FOR FORMING A MICROLENS MOLD}

본 발명은 일반적으로 개선된 마이크로렌즈 몰드(microlens mold) 및 마이크로렌즈 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 마이크로렌즈 혹은 마이크로 렌즈 어레이와 같은 고 품질의 미세 광학 제품(optical article)을 형성하는데 적합한 정밀 몰드를 제조하는 방법에 관한 것이다.

사출 몰딩(injection molding) 혹은 압축 몰딩을 위한 몰드내의 회전 대칭 광학 표면(rotationally symmetric optical surface)은 전형적으로 그라인딩 혹은 다이아몬드 터닝(grinding or diamond turning) 중 하나의 공정으로 제조된다. 이러한 기법은 큰 표면에 적합하지만, 작은 크기 혹은 어레이에 고 품질의 광학 표면을 제조하는 경우에는 적합하지 않다. 다른 기법이 작은 규모의 단일 렌즈와 어레이를 제조하는데 이용될 수 있지만, 이 기법이 충진도(fill factor), 광학 정확도 및/또는 제조될 수 있는 렌즈 기하구조의 높이 혹은 새그(sag)에 관해 제한되지는 않는다.

그라인딩은 스크래치(scratch) 없이 정밀 광학 표면을 제조하기 위해 표면 그라인딩(grinding surface)의 궤도 이동(orbital motion)에 의존한다. 그러나, 궤도 이동 및 표면 그라인딩은 수 밀리미터 크기 미만으로 광학 표면을 제조하는 경우에는 비현실적이다. 어레이에 관한 다수 표면 그라인딩은 뒤에 서로 맞춰질 다수의 조각을 갖는 하나의 표면에 한 번만 수행될 수 있다.

다이아몬드 터닝은 광학 표면을 2 밀리미터 크기 미만으로 제조하는데 이용될 수 있지만, 셋업(setup)하는 것이 어렵다. 다수 광학 표면을 정확한 위치시키는 것은 다수의 셋업으로 인해 불가능하다. 다수의 셋업 필요성은 또한 어레이에 관한 가공 시간을 증가시켜 다이아몬드 터닝 비용을 상당히 증가시킨다.

마이크로렌즈를 2 밀리미터 미만으로 제조하는데 적합한 다른 기법이 폴리머 리플로(polymer reflow)이다. 폴리머 리플로는 폴리머 방울을 표면상에 증착한 후폴리머를 가열하여 폴리머가 표면 장력 효과의 영향으로 구 형상으로 용해되고 리플로 되게 함으로서 수행된다. 진정한 구형 광학 표면을 얻기 위해, 리플로 렌즈는 서로 분리되어 원형 패턴으로 기저 표면(underlying surface)과 접촉할 수 있다. 표면에서 각각의 렌즈의 원형 패턴을 유지하기 위해, 렌즈는 서로 분리되어 실질적으로 어레이에서의 충진도를 제한할 수 있다. "Method Of Manufacturing Lens Array"란 제목으로 1996년 7월 16일 출원된 아요마(Aoyama)등의 미국 특허 제 5,536,455호는 높은 충진도를 갖는 리플로 렌즈 어레이를 제조하는 두 단계 방안을 개시하고 있다. 이 기법 이용시, 제 2 직렬 렌즈가 제 1 세트의 렌즈 사이의 갭에 증착된다. 이 기법이 거의 100%의 충진도를 제공할 수 있지만, 제 2 세트의 렌즈가 기저 표면과 원형 접촉하지 않아서 형성된 광학 표면은 진정한 구형이 아니다. 또한, 리플로 기법은 일반적으로 중력 효과로 인해 100 미크론 새그 미만으로 제한된다. 비구면 표면(aspheric surface)은 폴리머 리플로를 이용하여 생성될 수 없다.

그레이스케일 리소그래피(grayscale lithography)는 또한 마이크로렌즈를 2 밀리미터 미만으로 제조하는데 이용될 수 있다. 그레이스케일 리소그래피는 거의 어느 형상이든 이를 제조하는데 이용될 수 있고, 높은 충진도를 렌즈 어레이에 생성할 수 있다. 그러나, 그레이스케일 리소그래피에서 이용되는 반응 이온빔 에칭(reactive ion beam etching)과 다른 에칭 기법은 광학 표면에 정확히 생성될 수 있는 깊이에 관해 제한되고, 전형적으로 새그는 30 미크론 미만으로 제한된다.

고 새그 렌즈는 전형적으로 촬상에 사용되는 고 배율(high magnification)혹은 고 파워 굴절 렌즈와 연관된다. 고 파워 굴절 렌즈는 고 새그를 수반하는 연관 광 수집 혹은 광 확산 및 홈각도(included angle)를 최대화하기 위해 타이트한 곡률(tight curvature)과 경사가 심한 측면부를 갖는다. 이미지 형성의 경우에, 굴절 렌즈는 이미지의 파면(wave front)을 유지하는 것이 바람직하다. 파면이 유지될 필요가 없는 조명과 같은 다른 경우에, 광 곡선이 세그먼트 링(segmented rings)으로 절단되는 경우에 프레넬(Fresnel) 렌즈 혹은 회절 렌즈가 렌즈의 전체 새그를 줄이기 위해 사용될 수 있다. 마이크로렌즈에 있어서, 고 파워 회절 렌즈는 저 새그의 고 파워 마이크로렌즈를 제조하는데 필요할 에지에서의 링 세그먼트의 경사도와 좁은 이격(narrow spacing)으로 인해 부적합하다.

호프만(Hoopman)등에 의해 1996년 5월 21일 출원된 "Microlens Array With Microlenses Having Modified Polygon Perimeters"란 제목의 미국 특허 제 5,519,539호 및 호프만 등에 의해 1994년 4월 5일 출원된 "Method Of Making A Microlens Array And Mold"란 제목의 미국 특허 제 5,300,263호는 표면 장력이 폴리머 표면을 거의 구형으로 형성하도록 폴리머를 일련의 작은 리셉터클(a series of small receptacle)에 주조하는 것을 포함하는 렌즈 어레이 제조 방법을 개시하고 있다. 커렉션(correction)이 리셉터클의 형상에 수행되어 표면을 더욱 구형으로 제조하지만, 이것은 풋볼 형상으로 교차(football-shaped intersections)되게 하여 광학 품질과 유효 충진도가 제한된다.

따라서, 마이크로 렌즈 혹은 마이크로렌즈 어레이와 같은 고 품질의 미세 광학 제품을 형성하는데 적합한 정밀 마이크로렌즈 몰드 제조 방법이 필요하다.

또한, 미세 광학 제품에 관한 정밀 몰드 제조 장치를 제공하는 것이 본 발명의 하나의 목적이다.

본 발명의 다른 목적은 몰드 표면을 손상하지 않는 정밀 몰드 제조 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 투과 깊이(depth of penetration)에 제한되지 않는 커팅 부재를 이용하는 몰드 제조 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 미세 광학 제품의 어레이를 형성하는데 이용할 수 있는 정밀 몰드 제조 장치를 제공하는 것이다.

고속 회전 4분원(half-radius) 다이아몬드 커팅 부재를 갖는 형성 요소가 정밀 몰드 표면을 기판에 형성하기 위해 사전설정된 커팅 패턴으로 기판과 회전적으로 맞물리는(engage) 점이 본 발명의 하나의 특징이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 미세 광학 제품에 관한 정밀 몰드 형성 장치는 기판 및 이 기판을 밀링(milling)하기 위한 형성 요소를 포함하는데, 형성 요소는 사전설정된 형상의 몰드 캐비티를 기판에 밀링하도록 배치된 회전 경화 커팅 부재를 갖는다.

본 발명의 다른 측면에 있어서, 본 발명의 장치의 마이크로렌즈 및 마이크로렌즈 어레이는 구형 표면, 비구면 형상 표면 혹은 왜상 형상 표면(anamorphicshaped surface)을 갖는다.

본 발명은 정밀 마이크로렌즈 몰드가 마이크로렌즈와 같은 고 품질의 미세 광학 제품으로 경사 측면과 고 새그를 갖는 대칭 표면을 구비한 광학 제품을 몰딩하는데 이용될 수 있고, 형성 요소가 컨투어링(contour)되어 매우 정확한 광학 표면을 단일 마이크로렌즈 혹은 어레이에 생성할 수 있는 이점이 있다. 이 어레이의 경우에, 거의 100%의 충진도가 몰딩된 제품에서 달성될 수 있다.

다음의 상세한 설명과 도면을 참조하면 본 발명의 전술한 목적과 다른 목적, 특징 및 이점을 알 수 있을 것이다.

도 1은 다수의 정방형 마이크로렌즈 몰드 캐비티를 갖는 본 발명의 기판의 투시도,

도 2는 본 발명의 방법에 의해 형성된 다수의 육각형 몰드 캐비티를 갖는 기판의 투시도,

도 3은 본 발명의 방법에 의해 형성된 다수의 랜덤 몰드 캐비티를 갖는 기판의 투시도,

도 4는 정밀 마이크로렌즈 몰드를 형성하기 위한 수직 구형 커팅 부재의 투시도,

도 5는 본 발명의 비구면 커팅 부재의 투시도,

도 6은 단일 마이크로렌즈 몰드를 형성하기 위한 본 발명의 장치의 투시도,

도 7은 마이크로렌즈 어레이 몰드를 형성하기 위한 본 발명의 장치의 투시도,

도 8은 몰드 캐비티에서의 틈새를 도시하는 본 발명의 형성 요소의 확대 투시도,

도 9는 본 발명의 방법에 의해 제조된 양면 마이크로렌즈 몰드의 투시도,

도 10은 사출 몰딩 혹은 압축 몰딩을 위해 몰드 베이스에서 사용하도록 장착된 마이크로렌즈 어레이 몰드의 투시도,

도 11은 양면 마이크로렌즈를 제조하기 위한 장치의 투시도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 마이크로렌즈 몰드12 : 몰드 캐비티

14 : 기판24 : 형성 요소

26 : 다이아몬드 커팅 부재36 : 제어 부재

40 : 비구면 형성 요소41 : 비구면 다이아몬드 커팅 부재

52 : 단일 마이크로렌즈 몰드54 : 플랫폼

56 : 툴 홀더62 : 마이크로렌즈 어레이 몰드

70 : 여유82 : 몰드 베이스

88 : 가이드 핀108 : 프레스

동일한 참조 번호는 도면에 공통인 동일한 피쳐(feature)를 나타낸다.

이제 도면, 특히 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 개선된 마이크로렌즈 몰드(10, 16, 20)가 도시되어 있다. 도 1에서, 마이크로렌즈 몰드(10)는 기판(14)에 형성된 다수의 상호연결된 정방형 교차 미세 몰드 캐비티(12)를 갖는데, 이를 상세히 후술하겠다. 도 2에서, 마이크로렌즈 몰드(16)는 기판(14)에 형성된 다수의 상호연결된 육각형 교차 미세 몰드 캐비티(18)를 갖는데, 이 또한 상세히 후술하겠다. 이와 달리, 도 3에서 마이크로렌즈 몰드(20)는 기판(14)에 형성된 단일 미세 몰드 캐비티(도시되지 않음) 혹은 다수의 임의 분포된 미세 몰드 캐비티(22) 중 하나의 캐비티를 갖는데, 이 또한 후술하겠다. 본 발명의 정밀 마이크로렌즈 몰드(10, 16, 20)가 형성되는 기판(14)은 다이아몬드 밀링툴(diamond milling tool)과 같은 고 강도 커팅 툴에 적합한 임의 물질로 제조될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 기판(14)은 구리, 니켈 , 니켈 합금, 니켈 도금(nickel plating), 황동(brass) 및 실리콘 중에서 선택되는 물질을 포함하는데, 경화 니켈 도금이 가장 바람직하다.

도 4와 도 5를 참조하면, 마이크로렌즈 몰드(10, 16, 20)는 본 발명의 신규한 다이아몬드 밀링 방법을 이용하여 개선된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 4분원 다이아몬드 커팅 부재(26)를 갖는 구형의 형성 요소(24)는 기판(14)으로의 다이아몬드 밀링에 의해 몰드 캐비티(12, 18, 22)를 마이크로렌즈 몰드(10, 16, 20)의 제각각의 기판(14)에 형성하는데 이용된다. 다이아몬드 커팅 부재(26)는 실질적으로 평면인 제 1 면(28), 실질적으로 평면으로 제 1 면(28)과 직각 교차하는 제 2 면(30) 및 제 1 면(28)과 제 2 면(30) 모두와 교차하는 구형 컨투어 형상의 커팅 표면(32)을 갖는다. 제 1 면(28)은 후술하는 바와 같이 제어 부재(36)에 동작가능하게 연결되고 밀링 기판(14)에 부착되는 경우의 다이아몬드 커팅 부재(26)의 회전축(34)을 규정한다. 형성 요소(24)는 구형 마이크로렌즈 몰드(10, 16 혹은 20)를 기판(14)(도 1 내지 도 3)에 형성하는데 이용될 수 있다. 구형 마이크로렌즈 몰드(10, 16 혹은 20)는 구형 마이크로렌즈 제품을 제조하는데 이용된다.

도 5에 있어서, 이와 다른 비구면 형성 요소(40)는 비구면 다이아몬드 커팅 부재(41)를 갖는다. 다이아몬드 커팅 부재(41)는 실질적으로 평면인 제 1 면(42), 실질적으로 평면으로 제 1 면과 직각 교차하는 제 2 면(46) 및 제 1 면(42)과 제 2 면(46) 모두에 인접(adjoin)하는 비구면 커팅 표면(44)을 갖는다. 제 1 면(42)은후술하는 바와 같이 제어 부재(48)에 동작가능하게 연결되고 밀링 기판(14)에 부착되는 경우의 다이아몬드 커팅 부재(41)의 회전축(49)을 규정한다. 제어 부재(48)를 갖는 형성 요소(40)는 비구면 마이크로렌즈 몰드(10, 16 혹은 20)를 기판(14)(도 1 내지 도 3)에 형성하는데 이용될 수 있다. 비구면 마이크로렌즈 몰드(10, 16 혹은 20)는 비구면 마이크로렌즈 제품을 제조하는데 이용된다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 측면에 있어서, 미세 광학 제품에 관한 (도 1 내지 도 3에 도시된 유형의) 정밀한 단일 마이크로렌즈 몰드를 형성하기 위한 장치(50)는 툴 홀더(tool holder)(56)에 동작가능하게 연결된 형성 요소(24 혹은 40)를 형성하고 제어 부재(58)를 회전시키는 것을 포함한다. 형성 요소(24 혹은 40)는 회전 경화 커팅 부재(26 혹은 41)를 갖는데, 선형 변위(linearly displaceable)(화살표 Z가 표시하는) 기판(14)에 대해 고정 정렬된 다이아몬드가 바람직하다(도 4와 도 5에 명확히 도시되어 있다). 제어 부재(64)에 동작가능하게 연결된 기판(14)은 후술하는 바와 같이 경화 커팅 부재(26 혹은 41)로 전진하고 후진할 수 있게 배치된다. 제어 부재(36 혹은 48), 형성 요소(24 혹은 40) 및 제어 부재(64)는 바람직하게 고 정밀 부분의 다이아몬드 터닝을 위해 특별히 설계된 뉴햄프셔주 케니(Keene, New Hampshire)에 위치한 프리시테크사(Precitech, Inc)가 제조한 것과 같은 정밀 공기 베어링 선반(precision air bearing lathe)의 모든 부분이다. 이 실시예에서, 장치(50)는 사전설정된 형상의 단일 마이크로렌즈 몰드(52)를 기판(14)에 밀링할 수 있다. 플랫폼(54)은 몰드 형성 프로세스 동안에 장치(50)를 형성 요소(24 혹은 40)와 기판(14) 모두로 지지하기 위한 고체의 비진동 베이스(solid, non-vibrating base)를 제공하는데 이용된다.

도 6과 도 7을 참조하면, 기판(14)은 바람직하게 고정된 형성 요소(24 혹은 40)에 대해 이동할 수 있게 장착된다. 도 6에 있어서, 장치(50)는 후술하는 바와 같이 단일 마이크로렌즈 몰드(52)를 기판(14)에 형성한다. 그러나, 도 7에서, 장치(60)는 마이크로렌즈 몰드 어레이(62)를 형성하기 위해 3차원 이동 장착 기판(14)을 갖는다. 유연 이동 기판(14)은 기판(14)의 이동을 제어하는 제어 부재(64)에 동작가능하게 연결된다. 이 경우에, 제어 부재(64)는 바람직하게 도7에 표시된 바와 같이 X-Y-Z 방향으로 기판(14)의 이동을 정밀 제어할 수 있다. X-Y-Z 테이블 이동을 갖는 정밀 공기 베어링 선반은 뉴햄프셔주 케니에 위치한 프리시테그사가 제조한 제품을 이용할 수 있다. 제어 부재(64)의 X-Y-Z 테이블 이동은 형성 요소(24 혹은 40)에 대해 기판을 유연적으로 이동시키는데 이용된다. 전술한 제어 부재 중 하나인 제어 부재(58)로, 다이아몬드 커팅 부재(26 혹은 41)를 갖는 제어 부재(58)를 회전시키도록 고정 부착된 툴 홀더(56)는 기판(14)의 밀링 마이크로렌즈 어레이 몰드(62)에 대해 배치된다. 이동 기판(14)이기 때문에, 마이크로렌즈 몰드 캐비티의 어레이가 기판(14)에 형성될 수 있다. 이동 기판(14)은 먼저 다수의 마이크로렌즈 몰드 캐비티 중 하나(62a)를 마이크로렌즈 어레이 몰드(62)에 밀링하도록 배치된다. 다수의 마이크로렌즈 몰드 캐비티 중 하나(62a)를 형성한 후에, 형성 요소(24 혹은 40)는 몰드 캐비티(62a)로부터 떨어진 후, 기판(14)은 다른 마이크로렌즈 몰드 캐비티(62b)를 형성하기 위해 제어 부재(64)에 의해 다른 위치로 측면(X-Y) 이동한다. 이 프로시쥬어는 마이크로렌즈 어레이 몰드(62)의 원하는 수의 마이크로렌즈 몰드 캐비티가 기판(14)에 형성될 때까지 반복된다. 따라서, 이러한 단계를 반복하여, 이동 기판(14)을 갖는 장치(60)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 고 품질의 마이크로렌즈 어레이 몰드(62)를 생성할 수 있다.

당업자라면 마이크로렌즈 표면과 같은 임의의 회전 대칭 광학 표면이 전술한 방식으로 생성될 수 있다는 것을 알 것이다. 구형 표면은 원형 세그먼트 다이아몬드를 갖는 4분원 다이아몬드를 이용하여 생성된다. 비구면은 비구면 커팅 에지를 갖는 다이아몬드를 이용하여 생성될 수 있다.

또한, 왜상 표면과 같은 어떤 회전 비대칭 렌즈 표면은 전술한 기법의 수정 버전을 이용하여 제조될 수 있다. 이 경우에, 다이아몬드 툴은 구형 혹은 비구면 표면의 연장 버전을 생성하도록 커팅 동작 동안에 측면 이동한다.

당업자라면 고 품질의 렌즈 표면을 얻기 위해, 어떤 기본 가공 개념을 따르는 것이 중요하다는 것을 알 것이다. 생성된 렌즈 표면에서의 센터 디펙트(center defect)를 최소화하기 위해, 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 다이아몬드 커팅 부재(26 혹은 41)를 센터링하는 것이 중요하다. 마이크로렌즈 몰드(10, 16, 20)의 품질은 다이아몬드 커팅 부재(26 혹은 41)의 (제각각의) 회전축(34 혹은 49)이 회전 제어 부재(58)(도 6 및 도 7)에서의 툴 홀더(56)의 회전축(도시되지 않음)에 대해 5 미크론 보다 우수하게 센터링되는 경우에 최상으로 달성된다. 또한, 툴 홀더(56)는 채터링(chatter)을 최소화하기 위해 진동을 제거하도록 균형이 맞춰질 수 있다. 고체 플랫폼(54)은 동작 동안에 장치(50 및 60)의 안정성을 높인다. 또한, 다이아몬드 터닝 부재(50 및 60) 회전 속도, 피드(feed),즉 다이아몬드 커팅부재(26 혹은 41)가 기판(14)을 관통하는 속도 및 윤활(lubrication)의 올바른 조합이 가장 깨끗한 절단(cleanest cut)을 달성하는데 이용될 수 있다. 또한, 도 8에 있어서, 다이아몬드 커팅 부재(26 혹은 41)(전술한 바와 유사한)를 갖는 형성 요소(24 혹은 40)는 기판(14)상의 드래그 마크(drag mark)를 피하기 위해 충분한 여유(clearance)(70)가 다이아몬드 커팅 부재(26 혹은 41)의 후면부(back side)상에 제공되는 식으로 생성될 수 있다. 드래그 마크(도시되지 않음)는 전형적으로 마이크로렌즈 몰드(76)의 형성 동안에 다이아몬드 커팅 부재(26)의 후면부(72)와 기판(14)의 마찰(interference)에서 기인한다.

본 발명의 방법을 이용하여, 구형 마이크로렌즈 몰드는 0.50 웨이브(Wave)(0.25 미크론) 보다 나은 틀림(irregularity)을 갖는 직경에서 30 미크론 미만으로 제조된다. 또한, 마이크로렌즈 몰드 어레이는 직교 레이아웃에서의 250 미크론 피치 와 거의 100%의 충진도를 갖는 80 X 80 마이크로렌즈까지 가능하다.

또한, 본 발명의 반복 밀링 프로세스(도 7)가 정확한 마이크로렌즈 어레이를 제조하는데 적합하다는 것을 이해해야 한다. 어레이내의 각 마이크로렌즈 제조 프로세스가 어레이내의 다른 렌즈에 연결되지 않기 때문에, 거의 100%의 충진도가 어레이에서 달성될 수 있다.

또한, 비구면 렌즈 표면은 이 기법을 이용하여 생성될 수 있다. 이 경우에, 비구면 다이아몬드 커팅 부재(41)(도 5)는 회전 순환의 비구면 렌즈 표면을 제조하는데 필요하다. 비구면 렌즈 표면은 또한 이 기법의 수정 버전을 이용하여 제조될수 있다. 이 경우에, 동일하거나 혹은 유사한 다이아몬드 커팅 부재(41)는 커팅 동작 동안에 측면으로 이동하여 연장 렌즈 표면을 생성한다.

본 발명의 방법 및 장치(50 혹은 60)로 제조된 정밀 몰드(10, 16, 20)(도 1 내지 도 3)는 마이크로렌즈와 같은 다수의 광학 제품을 제조하는데 이용될 수 있다. 일반적으로, 사출 몰딩 및 압축 몰딩은 전형적으로 유리 혹은 플라스틱 마이크로렌즈를 형성하기 위한 바람직한 몰딩 방법이다.

도 9 및 도 11을 참조하면, 몰드 베이스에 장착된 마이크로렌즈 몰드를 이용하는 플라스틱 마이크로렌즈의 사출 몰딩 혹은 압축 몰딩에 이용되는 장치가 도시되어 있다. 양면 마이크로렌즈 어레이(80)를 몰딩하기 위한 장치는 각각이 능동 몰딩면을 갖는 두 개의 큰 블록 혹은 몰드 베이스(82)로 구성된다. 몰드 베이스(82)는 전형적으로 강철 혹은 다른 금속으로 구성된다. 몰딩면(83)상에 정렬된 정렬 부재는 가이드 핀(88), 테이퍼 위치 부싱(tapered locating bushing)(86) 및 가이드 핀(88)과 테이퍼 위치 부싱(86)을 수신하기 위한 대응 개구(도시되지 않음)를 포함한다. 마이크로렌즈 몰드(84) 및 몰드 캐비티(85)는 본 발명의 방법 및 장치에 따라서 제조된다. 도 11을 참조하면, 동작시 장치(80)는 수압(hydraulic), 기압(pneumatic) 혹은 전기 구동 프레스(108)의 두 개의 플래튼(104. 106) 중 하나에 설치되는 몰드 베이스(82)를 포함한다. 장치(80)의 한쪽 면은 프레스(108)의 하나의 플래튼(104)에 연결되고, 다른쪽 면은 나머지 플래튼(106)에 연결된다. 프레스가 닫힐(close) 때, 가이드 핀(88)은 몰드 베이스(82)의 두 부분이 정렬하는 것을 돕는다. 최종적으로 닫힐 때, 테이퍼 위치부싱(86)은 몰드 베이스(82)와 마이크로렌즈 몰드(84)의 두 부분을 서로 정렬시킨다. 양면 마이크로렌즈 어레이를 몰딩하는 경우에, 마주보는 면상의 마이크로렌즈 표면이 서로 정렬되는 것이 매우 중요하다. 몰드 베이스(82)의 각 면에서의 마주보는 마이크로렌즈 표면의 정렬을 돕기 위해, 마이크로렌즈 몰드(84)는 전형적으로 (도 10에 도시된) 정방형 기판(100)상에 제조되어 몰드 베이스(82)에서 회전할 수 없다.

사출 몰딩의 경우에, 프레스와 몰드 베이스가 닫힌 후에, 용융 플라스틱은 압력하에 몰드 캐비티에 주입된다. 플라스틱이 응고될 정도로 몰드에서 냉각된 후에, 프레스와 몰드 베이스가 열리고, 몰딩된 마이크로렌즈 어레이가 몰드로부터 제거된다.

압축 몰딩의 경우에, 프레스를 닫기 전에, 고온 플라스틱 프리폼(preform)이 가열된 몰드 캐비티에 삽입된다. 그 후, 플라스틱 프리폼을 압축하고 플라스틱을 몰드 캐비티와 마이크로렌즈 어레이 몰드의 형상으로 형성하는 프레스와 몰드 베이스가 닫힌다. 그 후, 몰드와 플라스틱이 냉각되고, 프레스와 몰드 베이스가 열리며 몰딩된 마이크로렌즈 어레이가 몰드로부터 제거된다.

단면(one-sided) 마이크로렌즈 어레이 혹은 단일 마이크로렌즈가 사출 혹은 압축 몰딩되는 다른 경우에 있어서, 마이크로렌즈 몰드의 마주보는 면은 전형적으로 평면이고, 면-대-면(side-to-side) 및 회전 정렬이 문제되지 않기 때문에, 마이크로렌즈 몰드는 원형 기판상에 제조될 수 있다.

도 10은 장치(80)의 몰드 베이스(82)에서의 마이크로렌즈 어레이 몰드표면(98)의 회전을 방지하는데 전형적으로 이용되는 바와 같은 정방형 기판(100)을 갖는 마이크로렌즈 어레이 몰드(96)(또한, 도 9에 도시된)를 도시한다. 마이크로렌즈 어레이 몰드 표면(98), 몰드 캐비티(85)의 깊이 및 몰딩된 마이크로렌즈 어레이 제품의 두께는 기판(100)의 전체 높이와 기판(100) 저면의 보다 큰 원형 기판(102)의 높이를 조절하여 정확히 결정된다.

주조가 바람직한 생산 방법인 경우에, 물질은 몰드 캐비티에 간단히 부어진 후 냉각보다는 화학 반응에 의해 응고된다. 응고된 부분은 몰드로부터 제거된다.

본 발명자들의 경험에 의하면, 본 발명에 따라 제조된 마이크로렌즈 몰드는 후술하는 바와 같이 새그가 제한된 사출 몰드 마이크로렌즈 표면에 이용된다. 또한, 거의 반구형인 렌즈가 매우 경사진 측면을 가지고 생성될 수 있다. 또한, 본 발명자들의 경험에 의하면, 광학 표면은 니켈, 구리, 알루미늄, 황동, 니켈 도금 혹은 실리콘과 같은 몰드 물질로 직접 가공될 수 있다.

다이아몬드 커팅 부재(26, 41)를 제각기 갖는 형성 요소(24, 40)를 구비한 장치(50, 60)가 매우 정확하기 때문에, 본 발명자들의 경험에 의하면, 렌즈 표면은 직경 10 미크론과 2 미크론 새그 미만의 크기로 생성될 수 있다. 직경 25mm까지의 렌즈가 또한 12.5mm 이상의 새그를 갖게 생성될 수 있다.

다음은 본 발명의 방법과 장치에 따라 제조된 마이크로렌즈의 여러 실시예이다.

(실시예 1)

80 X 80 마이크로렌즈를 갖는 마이크로렌즈 어레이 몰드가 알루미늄으로 제조된다. 4분원 다이아몬드 툴은 노스 캘리포니아주 아덴에 위치한 ST&F Precision Technologies and Tools사의 제품을 이용한다. 마이크로렌즈 표면은 정방형 교차 어레이에 0.250mm 교차 배치된다. 마이크로렌즈 표면은 0.500mm의 반경과 33 미크론의 새그를 갖는 구형 곡률 이다. 도 4를 참조하면, 제어 부재(36)에서의 다이아몬드 커팅 부재(26)의 센터링은 테스트 절단이 현미경으로 검사되고 다이아몬드 커팅 부재(26)의 위치 조절이 센터 디펙트 사이즈를 기반으로 취해지는 반복 프로세스를 이용하여 수행된다. 사용되는 다이아몬드 커팅 부재(26)의 회전 속도는 약 1000rpm이다. 커팅 유체는 광물성유(mineral oil)로 정화된다. 이 프로세스의 결과는 2 미크론의 가공된 몰드와 1 웨이브(0.5 미크론)의 면틀림의 센터 디펙트이다. 후속적으로 사출 몰딩된 부분은 가공 몰드 표면을 이용하여 엠엠에이 마이크로렌즈 어레이(polymethylmethacrylate microlens arrays)를 생성한다.

(실시예 2)

경화 니켈 도금 기판이 가공된 몰드 표면에 사용된다는 점을 제외하면 실시예 1과 유사하다.

(실시예 3)

13 X 13 마이크로렌즈 표면을 갖는 마이크로렌즈 어레이 몰드가 경화 니켈-도금 기판에 제조된다. 마이크로렌즈 표면은 정방형 교차 어레이에 1.30mm 교차 배치된다. 4분원 다이아몬드 툴은 노스 캘리포니아주 아덴에 위치한 ST&F Precision Technologies and Tools사의 제품을 이용한다. 마이크로렌즈 표면은 3.20mm의 반경과 213 미크론의 새그를 갖는 구형 곡률 이다. 센터링과 가공 프로세스는 실시예 1과 동일하다. 이 결과가 0.30 웨이브(0.15 미크론)의 면틀림을 갖는 1.5 미크론의 센터 디펙트이다.

(실시예 4)

일련의 단일 마이크로렌즈 표면은 715개의 니켈 합금 기판에서 제조된다. 마이크로렌즈 표면 모두는 0.500mm 반경의 다이아몬드 툴로 제조된다. 직경은 0.062mm에서 0.568mm로 변한다. 가공 프로세스는 실시예 1의 프로세스와 유사하다.

(실시예 5)

보다 큰 63.5 X 88.9mm의 마이크로렌즈 어레이는 125 X 175 정방형 교차 어레이에서 총 21,760개의 마이크로렌즈로 제조된다. 0.5008mm 반경을 갖는 4분원 다이아몬드 툴은 오하이오주 챠던에 위치한 Chardon Tool사의 제품이 이용된다. 어레이는 0.50932 피치와 0.16609 새그로 제조된다. 기판은 니켈-도금 강철이다. 가공 프로세스는 실시예 1의 프로세스와 유사하다.

(실시예 6)

몰드에 관해 매칭된 광학 표면을 가공하여, 양면 마이크로렌즈가 다수 몰딩될 수 있는 것 또한 본 발명의 범주내이다. 도 9에 따르면, 두 개의 매칭된 마이크로렌즈 어레이 표면이 경화 니켈-도금 기판에서 제조된다. 4분원 다이아몬드 툴 혹은 다이아몬드 커팅 부재(26)(도 4)는 뉴햄프셔주 말보러프에 위치한 Contour Fine Tooling사의 제품이 이용된다. 마이크로렌즈 표면은 정방형 교차 패턴으로 1.475mm 반경과 0.750mm 피치로 제조되고, 새그는 99 미크론이다. 가공 프로세스는 실시예 1의 프로세스와 유사하다. 2 미크론의 센터 디펙트와 0.3 웨이브(0.15 미크론)의 틀림이 가공 표면에서 달성된다. 이 경우에, 두 개의 매칭된 마이크로렌즈 어레이 표면은 마주보게 몰드 베이스에 장착된다. 마이크로렌즈 표면을 각 면에 정렬하기 위해, 마이크로렌즈 표면은 몰드 베이스로의 장착에 앞서 정방형 기판으로 가공되어 회전 오정렬(rotational misalignment)을 방지한다. 그 후, 테이퍼 록 부싱(tapered lock bushings)이 측면 오정렬을 방지하기 위해 사용된다. 이 프로세스에 후속하여, 양면 마이크로렌즈 어레이는 엠엠에이가 사출 몰딩된다. 양면 어레이상의 몰딩된 마이크로렌즈는 30 미크론내로 서로 정렬된다.

본 발명은 마이크로렌즈 혹은 마이크로렌즈 어레이와 같은 고 품질의 미세 광학 제품을 형성하는데 적합한 정밀 몰드 형성 장치를 제공하는 효과가 있다.

Claims

미세 광학 제품(a micro-sized optical article)에 관한 정밀 몰드(a precision mold)를 형성하기 위한 장치에 있어서,

기판(a substrate) 및 상기 기판을 밀링(milling)하기 위한 형성 요소(a forming element)를 포함하되, 상기 형성 요소는 사전설정된 형상의 몰드 캐비티(a predetermined shaped mold cavity)를 상기 기판에 밀링하도록 배치된 회전 경화 커팅 부재(a rotatable hardened cutting member)를 갖는

정밀 몰드 형성 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전 경화 커팅 부재는 실질적으로 평면인 제 1 면(a substantially first face), 상기 실질적으로 평면인 제 1 면과 직교하는 평면인 제 2 면 및 상기 실질적으로 평면인 제 1 면과 상기 평면인 제 2 면을 교차(intersect)하는 일반적으로 컨투어링된 커팅면(a generally contoured cutting face)을 갖는 다이아몬드를 포함하는 정밀 몰드 형성 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 기판은 경화 니켈, 구리, 알루미늄, 황동(brass), 니켈 도금(nickel plating) 및 실리콘으로 구성되는 그룹에서 선택된 물질을 포함하는 정밀 몰드 형성 장치.