TW515752B - Apparatus and method for making a double-sided microlens mold and microlens array mold - Google Patents

Description

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本發明大體上關於改良的微型透鏡模及微型透鏡。更特 疋。I ’本發明涉及一種製造適於形成高品質微型光學物 件（例如一微型透鏡或微型透鏡陣列）之精確模具的方法。 /王射成型或壓縮成型用模具之旋轉對稱光學表面通常是 二肖i (grinding)或金鋼石車削（diain〇nd turning)方式製造。 雖然k些技術對較大表面的工作效果良好，其並不適用於 製造小型或陣列式高品質光學表面。現今有製造小尺寸單 透鏡和陣列之其他技術，但這些技術在填充係數、光學精 度及/或其所能製造之透鏡幾何形狀的高度或垂度（sag)方面 有所限制。 盧削法依靠磨削表面之一軌道運動製造一無刮痕精確光 學表面。然而，軌道運動及磨削表面在製造尺寸小於數公 釐足光學表面時變得不實用。對一陣列磨削多個表面僅能 以一次磨削一個表面然後將多個工作件裝在一起的方式進 行。 金鋼石車削能用來製造不小於2公釐之光學表面，但排設 作業（setup)相當困難。多個光學表面之精確定位因多重排 設作業而不可能實現。多重排設作業之需求亦使一陣列之 加工時間增加’使得金鋼石車削的成本過高。 另一種適於製造小於2公釐之微型透鏡的技術爲聚合物軟 熔法（polymer reflow)。聚合物軟熔法爲將數滴聚合物滴到 一表面上，然後加熱該聚合物讓其熔化且在表面張力效應 的衫審下軟溶成球面狀。爲了後得一眞實球面光學表面， 得將软熔透鏡相互分開使其以一圓形圖案接觸下層表面。 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 515752 A7 ------B7 五、發明説明（2 ) " 〜一 -- 爲了維持在該表面之每一透鏡的圓形圖案，得將該等透鏡 相互分開，此會實質限制一陣列内之填充係數。等 人之1996年7月16曰美國專利第5,53M55號"Meth〇d 〇f

Manufactunng Lens Array”中提出一種製造有高填充係數之 軟熔透鏡陣列的兩階段式提案。利用此技術，第二組透鏡 安置在第-組透鏡間的間隙内。雖然此技術能提供幾近⑽ %的％无係數，第二組透鏡並未與下層表面有圓形接觸， j以所形成的光學表面並非眞球面。又，軟熔技術整體而 言因重力效應而侷限於小於100微米之垂度。非球面表面無 法用聚合物軟熔法製成。 灰階微影術（grayscale llthography)亦可用於製造小於2公 爱的微型透鏡。灰階微影術幾乎能用來製造任何形狀且能 在透鏡陣列内造成高填充係數。然而，灰階微影術中使用 的活性離子束蝕刻和其他蝕刻技術在能對一光學表面準確 產生的深度万面有所限制，通常垂度限制在3〇微米以下。 大垂度透鏡通常與用以成像之高放大率或高光焦度折射 透鏡有關。高光焦度折射透鏡具有銳曲率和陡邊使夾角及 相關光線集聚或光線發散最大化，此意味一大垂度。在影 像成形之案例中，折射透鏡最好保存影像的波前二在不： 定要保存波前之其他案例（例如照明）中，得使用光學曲面切 削成属形圈之菲(呈耳（FreSnel)或繞射透鏡以減小透鏡之整體 垂度。在微型透鏡的案例中，因爲要製造一小垂度、高光 =微型透鏡所要求之邊緣處環形段的陡度和窄小間隔使 得高光焦度繞射透鏡無法實現。 -5- 本纸張尺度適用中關家鮮(CNS) A4規格(21Q χ —公董了 515752 A7 B7 五、發明説明（3 )

Hoopman等人之1996年5月21日美國專利第5,5 19,539號 ” Microlens Array With Microlenses Having Modified Polygon Perimeters·’以及 Hoopman等人之 1994年 4 月 5 日美國 專利第 5,300,263 號” Method Of Making A Microlens Array

And Mold”提出一種製造透鏡陣列之方法，該方法涉及將一 聚合物澆鑄於一系列小容器内讓表面張力將聚合物表面成 形爲近似球面形狀。對容器形狀做一修正使該等表面更爲 接近球面，但如此會造成足球形交會處，所以光學品質和 有效填充係數受到限制。 因此，在此技藝中持續需要一種製造適於形成高品質微 型光學物件（例如一微型透鏡或微型透鏡陣列）之精確微型透 鏡模的方法。 依據申請專利範圍第丨項之裝置能滿足此需求。 本1明具有以下優點：精確微型透鏡模能用來模造具有 陡邊和大垂度之對稱表面的高品質微型光學元件（例如微型 透鏡）J成形元件造型爲在單微型透物車列内產生極準 確的光學表面。在陣列之案例中，能於模造物件達到幾近 100%的填充係數。 上述及其他本發明目的、特徵和優點在—起參照以下說 :和圖式時會變得更爲明確，在圖式中盡可能使用相同參 考數罕代表各圖共通的相同部件，圖式中： 圖1爲-用於本發明之基板的透視圖，該 形微型透鏡模穴； π win万 圖2爲—由本發明所用方法形成之基板的透視圖，該基板 -6- A7 B7 五、發明説明（5 數個隨機分佈微型模穴22，詳見下文。内有用於本發明之 和確微型透鏡模10，16，2〇的基板14可由與高硬度切削工 具（例^ 一金鋼石銑磨工具）相容之任何材料製成。在本發明 車又佳η施例中，基板14包含從下列材料選出之材料：銅， 釦，鎳合金，鍍鎳材料，黃銅，和矽；其中以淬硬鍍鎳材 料爲最佳。 爹照圖4和5,已利用本發明所用新穎金鋼石銑磨方法開 發微型透鏡模Η)，16, 2〇。如圖4所示，使用一個具有半圓 弧至鋼石切削構件26之球面成形元件24用金鋼石銑磨基板 14的方式在微型透鏡模1〇, 16, 2〇各自的基板14内形成模 穴12，1S，22。金鋼石切削構件26有一大致平坦第一面28 大致平坦第二面30與第一面28正交交會，及一球面造 土切削面j2與第一面Μ和第二面3〇交會。第一面Μ定義當 金鋼石切削構件26可操作地連接於控制構件36並固定用Ζ 銑磨基板14時之旋轉軸線34，詳見下文。成形元件24可用 來在基板丨4内形成一球面微型透鏡模10, 16或20 (圖1至3) 。球面微型透鏡模丨0, 16或20係用來製造球面微型透鏡物 件。 依據圖5 替代非球面成形元件4〇有一非球面金鋼石切 削構件41。金鋼石切削構件41有一大致平坦第一面42，一 大致平坦第二面46與第一面42正交交會，及—非球面切削 面44與第-面42和第：祕相接。第—㈣定義當金鋼石 切削構件41可操作地連接於控制構件48並固定用以銑磨基 板14時之旋轉軸線49，詳見下文。具有控制構件48之成形 -8 - 515752 A7 B7 五、發明説明（6 ) ： 兀件40可用來在基板14内形成一非球面微型透鏡模1〇，16 或20 (圖1至3)。非球面微型透鏡模1〇, 16或2〇係用來製造 I非球面微型透鏡物件。 參照圖6，在另一實施例中，用來形成一微型光學物件用 之精確單微型透鏡模（圖1至3所示類型）的裝置50包含一成形 元件24或40可操作地連接於工具夾座％及旋轉控制構件58 。成形兀件24或40有一可旋轉淬硬切削構件26或41 [較佳爲 至鋼石（Μ疋TF於圖4和5)]牢固地相對於一可線性位移（以箭 頭Ζ標π)之基板14校直。可操作地連接於控制構件64之基 板14安排爲朝向和遠離淬硬切削構件26或41移動，如前所 述。控制構件36或48、成形元件24或4〇、及控制構件以最 好都是一精確氣浮車床的零件，例如位在Keene, Hampshue之Precitech，Inc所出品之車床，其特意設計爲供 高精確度零件之金鋼石車削使用。在此實施例中，裝置％ 能在基板14内銑磨出一預定造型單微型透鏡模52。平台54 係用來在模具成形過程中提供一實體無振動底座以支撑裝 有成形元件24或40和基板η的裝置5〇。 爹照圖6和7，基板14最好安裝爲能相對於固定的成形元 件24或4G移動。依據圖6，裝置5Q在基板14内形成—單微型 透鏡模52,如前所述。然而在圖7中，裝請有—安裝爲= 做三維運動之基板14用來形成一微型透鏡模陣列62。可挽 性運動基板14可操作地連接於掌控基板⑽動之控制構件 64。此案例中〈控制構件64較佳具有精確控制基板14以圖7 所不X-Y-Z方向進行之運動的能力。位在κ㈣^ I__ -9- 家標---— A7 B7 五、發明説明（7

Hampshire々Precitech，—有具備精確工作台運動之 精確氣浮車床產品。控制構件64之^工作台運動係用以 產生基板14相對於成形元件24或40之撓性運動。一個有金 鋼石切削構件26或41 (如前所述)且牢固地附接於旋轉控制 構件58 (例如爲前文所述者）的工具夾座％定位爲要在基板 Μ内銑磨出微型透鏡陣列模62。由於有一可動基板μ，故 能在基板14内形成微型透鏡模穴陣列。可動基板14首先定 位局要銑磨出微型透鏡陣列模62中複數個微型透鏡模穴62a 的其中之一。在形成複數個微型透鏡模穴62a的其中之一之 後，成形兀件24或40離開模穴62a，然後由控制構件以使基 板14橫向（X-Y)移動至另一位置以形成另一微型透鏡模穴 62b。在基板14内形成微型透鏡陣列模“之期望數量微型透 鏡模穴之前重複此程序。因此，藉由重複這些步驟，有一 可動基板14之裝置60能產生一高品質微型透鏡陣列模Q， 例如像圖1至3中所示。 熟習此技藝者會理解到能以上述方式產生任何旋轉對稱 光學表面，例如一微型透鏡表面。球面表面係利用一個有 一圓扇形金鋼石之半㈣金鋼石產生。非球面係利用一個 有一非球面切削邊緣之金鋼石產生。 此外，有一些非旋轉對稱透鏡表面（例如歪像表面）能利用 前述技術之一修改版本製造。在此案例中，金鋼石刀具於 切削動作過程中橫向移動以產生—長條形版本球面或非球 面表面。 技藝嫻熟的技工會理解到4 了獲得_ H㈣表面， -10 - 515752 A7 ---- B7___ 五、發明説明（ίο ) '~^ ~~ 列的案例中，重點在於兩相反側上之微型透鏡表面要互相 對正。爲協助模座82兩側内之相對面微型透鏡表面對正， 微型透鏡模84通常是用方形基板1〇〇製成（如圖1〇所示）使其 無法在模座82内轉動。 在注射成型的案例中，在壓機和模座閉合之後，熔融塑 料由壓力注入模穴内。在塑料於模具内冷卻至已固化的程 度之後，將壓機和模座打開並將已成型微型透鏡陣列移離 模具。 在壓縮成型的案例中，在壓機閉合之前，將一高溫塑料 預製件嵌入熱模穴内。然後將壓機和模座閉合壓縮該塑料 預製件且將塑料造型爲模穴和微型透鏡陣列模之形狀。然 後使模具和塑料冷卻，將壓機和模座打開並將已成型微型 透鏡陣列移離模具。 在一以注射成型法或壓縮成型法製成一單面微型透鏡陣 列或單微型透鏡之替代案例中，微型透鏡模之對面側通常 是一平坦表面，且因爲面對面對正和旋轉對正已非重點， 微型透鏡模可爲製造在一圓基板上。 圖10顯示具備一如通常用來避免微型透鏡陣列模表面98 在裝置80模座82内轉動之方形基板1〇〇的微型透鏡陣列模％ (如圖9所示）。微型透鏡陣列模表面98、模穴85之深度以及 已成型微型透鏡陣列物件之厚度係由調整基板丨〇〇整體高度 以及基板100底部上較大圓基板1〇2高度的方式精確決定。 在以澆鑄法爲較佳生產方法的案例中，原料係單純地傾 倒在模穴内且是由化學反應而非冷卻的方式讓其固化。在 -13- I紙張尺度適财S S家標準(CNS) A4規格(21GX297公爱)~--- 515752 A7 B7 11 五、發明説明（ 其固化後將其移離模具。 依據吾人之經驗，依據本發明製造之微型透鏡模已用於 垂度不受限制之注射成型微型透鏡表面，如下文所指出。 此外，能生產出具備高陡度側壁的近似半球面透鏡。又， 依據吾人之經驗，光學表面能直接加工在模具材料如鎳、 銅、鋁、黃銅、鍍鎳材料或矽上。 由於擁有具備金鋼石切削構件26，4 1之成形元件24，4〇 的裝置50，60相當準確，依據吾人之經驗，能夠製造直徑 小達10微米或更小且垂度爲2微米之透鏡表面。亦有可能製 造垂度大於12.5公釐且直徑高達25公釐的透鏡。 下文爲利用本發明之方法和裝置製造的數個微型透鏡範 例。 實例1 用鋁製造一個具有80 x 80微型透鏡之微型透鏡陣列模。 半Π ?瓜至鋼石工具係從位在Arden，North Carolina之ST&F Precwon TeChn〇l〇gles and T〇〇ls取得。微型透鏡表面以 0.250公釐錯開定位成一方形相交陣列。微型透鏡表面爲曲 率半& 0.500 A屋且垂度3 3微米之球面。參照圖4，控制構 件允内I金鋼石切削構件26的中心對正係由一迭代程序完 成，在此迭代程序中用顯微鏡檢視一測試切口並以中心缺 陷的大小爲基準對金鋼石切削構件26的位置做調整。所用 至鋼石切削構件26轉速爲每分鐘1〇〇〇轉。切削用液爲精鍊 礦物油。此程序的成果爲加工後模具之中心缺陷爲2微米且 表面不勻度爲—個波（〇.5微米）。然後利用加工後模具表面 -14- --—___ B7 五、發明説明（12 ) 以）王射成型法製造聚甲基丙烯酸甲酯微型透鏡陣列。 實例2 了使用一坪硬鍍鎳基板做爲加工模具表面外其他與實 例1相同。 實例3 用一淬硬鍍鎳基板製造一個具有13 X 13微型透鏡表面之 微型透鏡陣列模。微型透鏡表面以1.30公釐錯開定位成一 方形相交陣列。半圓弧金鋼石工具係從位在Arden，N〇nh

Caiolina 之 ST&F Precision Technologies and Tools 取得。微 型透鏡表面爲曲率半徑3.2〇公釐且垂度213微米之球面。中 心對正和加工程序與實例1所述相同。此程序的成果爲中心 缺陷爲1.5微米且表面不勻度爲〇 3〇個波（015微米）。 實例4 用一個7 15鎳合金基板製造一系列單微型透鏡表面。所有 微型透鏡表面都是由一 0.500公釐圓弧金鋼石工具造成。直 徑從0.062公釐到0.568公釐。加工程序與實例1所述相同。 實例5 製k 個X 88.9公董較大微型透鏡陣列，其共有 21，760個微型透鏡排列成125 X 175方形相交陣列。使用從位 在 Chardon，Ohio 之 Chardon Tool，Inc.取得的 0.5008 公爱半徑 金鋼石半圓孤工具。該陣列製造爲有一 〇 50932節距和一 0.16609垂度。基板爲鍍鎳鋼。加工程序與實例1所述相同。 實例6 藉由對一模具加工匹配的光學表面即能大量模造雙側微 -15- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 515752 A7 B7 五、發明説明（13 ) 型透鏡陣列亦在本發明範圍以内。依據圖9，於淬硬鍍鎳基 板内製造兩匹配微型透鏡陣列表面。半圓弧金鋼石工具或 金鋼石切肖1j構件26 (圖4)係從位在Marlborough，New Hampshire之 Contour Fine Tooling，Inc.取得。微型透鏡表面 製造成1.475公釐半徑且以0.750公釐節距排列成一方形相交 圖案，垂度爲99微米。加工程序與實例1所述相同。已加工 表面達成之中心缺陷爲2微米且不勻度爲0.30個波（0.15微米） 。在此案例中，將兩匹配微型透鏡陣列表面嵌裝在一模座 内使二者相對。爲了讓每一側上的微型透鏡表面對正，微 型透鏡表面在嵌入一模座内之前加工於方形基板上藉以避 免旋轉錯位。然後使用錐形定位襯套以防侧向錯位。在此 程序之後，用聚甲基丙烯酸甲酯注射成型製造雙侧微型透 鏡陣列。此雙侧陣列上之模造微型透鏡相互以3 0微米以内 的差距對正。 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

Claims (1)

1. f090122493號專利申請案 益 中文申請專利範圍修正本(91年9月) C8 A8 B8 C8

   六、申請專利範圍

   一種製造雙側微型透鏡之裝置，其包括·· 一第一模座和一第二模座，該第一模座有一第一對位 構件用來與該第二模座内之相應對正第二對位構件配合 ，且其中該第一和第二模座皆有一第一和第二基板用來 容納以一固定關係接收一微型透鏡模之一對並列模穴， 及用來使該第一基板與該第二基板對正之一組對位部件 壓模裝置’其有一第一壓盤和一相向第二壓盤，該 第一壓盤支撐該第一模座且該第二壓盤支撐該第二模座 以在該等微型透鏡模内模造一雙側微型透鏡。 2.如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一對位構件包括 對刀開的導銷配置在形成於該第二模座内之一對相應 分開的孔内。 3 ·如申請專利範圍第2項之裝置，其中該組對位部件包括一 對分開的錐形襯套安排在第一基板内且可對正地配置在 形成於該第二基板内之一對相應分開的接收孔内。 4·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該壓模裝置為一注射 成型機。 5·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該壓模裝置為一壓縮 成型機。 6·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該對並列模穴形成於 一多邊开> 基板内用來以一固定關係接收該微型透鏡模。 7· 一種製造雙側微型透鏡之方法，其包括以下步驟：

   六、申請專利範圍 位部件和一相應基板撓性地安裝在該第一模座和第二模 座内，該相應基板有一相應模穴和一對對位部件； 提供構形為固定地安排在該相應模穴内之相應對微型 透鏡模，該相應模穴形成於一大致多邊形基板内； 將該相應對微型透鏡模中每一微型透鏡模安排在該相 應模穴其中之一内； 將該第一模座和第二模座分別以受支撐方式安排在一 壓模裝置之一第一壓盤和一相向第二壓盤上； 將一熔融塑料導入該相應模穴内； 將該壓模裝置之第一壓盤壓合於該相向第二壓盤上使 該第一模座和第二模座内之該等微型透鏡模對正；及 使該相應模穴内之熔融塑料固化以形成一雙側微型透 鏡。 8·如申請專利範圍第7項之方法，其中該提供相應對微型透 鏡模之步驟包括以下步驟：用一金鋼石切削構件在該大 致多邊形基板内形成該相應對微型透鏡模之每一微型透 鏡模。 9·如申請專利範圍第8項之方法，其中該大致多邊形基板包 括由以下材料群組中選出之材料··淬硬鎳，鎳合金，黃 銅，銅，鋁，和矽。 、 如申μ專利範圍第8項之方法，其中該大致多邊形基板為 淬硬鎳。 •如申凊專利範圍第8項之方法，其中該金鋼石切削構件具 有一大致球面形狀。 /、 515752 8 8 8 8 A BCD 々、申請專利範圍 12. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該金鋼石切削構件具 有一大致非球面形狀。 13. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該金鋼石切削構件具 有一歪像的形狀。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐）