TWI238266B - Microlens arrays having high focusing efficiency - Google Patents

Description

1238266 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】

本發明侧於具有高聚;#、效率之微透鏡陣列 亦關於製造該陣列之方法。 X 本發明於有效地將雷射光線綠 ，散，以及控制同調或不同調光線之散射以作為^射3 傳送顯示，以及其他應用中。 【先前技術】 #軸合賴μ要微透鏡 光t ，邮雜縣《、至數條 先纖。其他重要的應用包含光線擴散以及銀幕。 決定於應用情況，人們需要微透鏡精 列情況下透ΐ 為=的。為了有效地聚焦光線，透鏡分 戌m妨除此，作為高密度麵合，擴散，或銀幕之庫用微透镱 通常為重要的。在該 被=乍』=愴以控制。當整個有用的表面區域 卩稱為具有刪填充係數。 數小======透_之填充係 可利用的基質區域u上在楗透鏡12規則地位方 陣列之一個單Y A在各別破透鏡間遺留下空間。圖1 44〇/〇。 ” σ以虛線13顯示。該陣列之填充係數為 1238266 存在數種方法以製造分離之微透鏡單元，盆姑 〒界避免緊密的接觸。由於相鄰透鏡間内疋部 g界間存在則、的距離，陣列的填充係數必定小於i(或刚 使聽前技術之製造方法以達成有效緊密排列透 :之困難躺於該方法無法精確地簡微透鏡邊界，特別 疋小的以及強烈聚焦透鏡。 ，、 使用熱變形之方法例如美國第5324623號專利 罪體積洋凸以及因而無法在微透鏡間之邊 料的融合j在融合扭曲將使聚焦能力減小遭實 之方法為簡單的，但是無法控制各別微透鏡之結構。 其他方法例如美國第5300623號專利所說明之方 生機械鑄模，其界定出可固化液體之容器。液體注 容==及=„力產生f曲的表面，其作_透鏡 。八有各種谷态之鑄模界定出陣列之排列。由於該方法 =微透，單元之形狀受到_，對於—般顧情況，其效 率…、法為最佳的。依靠直接控制各別微透鏡之其他機 鑽石旋躲為較適合於製造出各別之微透鏡而= 造出陣列。 _依靠離子擴散處理法將產生梯度折射率陣列例如 第5867321號專利無法提供1_填充係數，兩個相 郇镟透鏡間之區域通常為微透鏡重複間距之20%。 射率陣列對於A量製造存在嚴重的關，其由於本質^緩 慢的擴散處理過程所致。 、 在抗光層上使用直接雷射劃記以製造出微透鏡陣列之 處理過程為已知的技術。可參閱在1999年12

第麵/6侧號專利，Gale等人之美國第描侧號口專為 ^•1, Micro-Optics Elements, systems and applications ans . Herzig, ed. Taylor & Francis, Bristol, PA 1238266 。該處理過程所選擇之光關為正抗光 度。不過，如底下所說明，在本發明之前並不 數鏡陣列，其在使用正光阻劑為高填充係 數h况下具有南聚焦效率。 ·*、±·Γ藉由提供製造具有高聚焦效率之微透鏡陣列的 ΐΐΐίΐΐί術之困難，高聚焦效率經由在高填充係數 t月況下精確地製造出微透鏡而達成。陣列能夠以任意方式 tii!!’例如為方形，六邊形，或不規則形狀。除此，該方 法月匕夠對不同的方向製造出任意形 微透鏡（變形透鏡）。 又手之 【發明内容】 由於先剷之说明，本發明目標包含至少一些以及優先 地所有下列情況： 一 (1) 提供製造方法以形成凹下微透鏡陣列，其具有高 焦效率； (2) 配製凸出及/或凹下微透鏡陣列，其聚焦效率大於 75%，聚焦效率優先地大於85%，以及聚焦效率最優先地大於 95%； (3) 提供精確地製造凸出微透鏡陣列之方法，該 高填充係數;及/或 (4) 提供精確地製造凸出及/或凹下微透鏡陣列，其填 充係數大於90%，優先地大於95%，以及最優先地約為γ〇〇%， 使得整個基質有用的表面能夠使用作為聚焦，或散射昭’ 光束。 ” 連同這些目標，本發明另外一項目標為使微透鏡陣列 具有任意形狀（支距函數)，其能夠在陣列範圍内隨機地變 化0 1238266 、>本發明另外一項目標在於提供改良方法以使用正抗 光劑以產生高填充係數之凸出微透鏡陣列。 /為了達成先前以及其他目標，本發明提供一種製造凸 出微透鏡陣列之方法，其中使用導引雷射劃記以在^ 光劑中產生最初成品(最初鑄模)，其中最初成品之表面構 ，為凸出微透鏡所需要陣列之負版(互補）的輪廓。即最初成 二為凹下的而非凸出表面輪廓。在該情況下，如同底下所 說明，由雷射光束有限尺寸以及該光束與凹下微透鏡所需 要，佈之捲旋所產生的問題能夠加以克服。藉由克服這些 問題，具有高聚焦效率之凸出微透鏡陣列能夠完成。一 一般，高聚焦效率之微透鏡陣列依靠兩項因素彳^高 填充係數，以及(2)精確地複製所需要透鏡分佈/兩個因μ素 為必需的以及單獨一項因素為充份的。 因而，高填充係數能夠藉由一種處理過程達成，其改變 所有光阻劑薄膜部份，但是假如改變無法相對於所需要之 透鏡分佈，陣列之聚焦效率仍會受損，因為部份具有不正確 分佈之光阻劑薄膜無法適當地將入射光線聚焦。另外一方 面，利用各別分開之微透鏡精確複製所需要的透鏡分佈亦 導致低聚焦效率，在該情況下係由於光線通過微透鏡間之 空間所致。 我們發現兩個因素藉由使用凹下形式初始地在正抗光 劑中劃§己出凸出透鏡而加以解決。在該情況下，經由精確 地製造所需要高填充係數之透鏡分佈能夠達成高聚焦效率。 在本發明優先貫施例中，本發明藉由使用玻璃所構成 之基質以支撐第一介質以產生初始的成品（初始鑄模）而實 現，而後以經濟的方式精確地複製所需要微透鏡陣列。特、 別地，光敏性正光阻劑薄膜沉積在基質上至適當的厚度與 最終微透鏡陣列所需要之厚度一致。在暴露於光線時，正 光阻劑優先地為低對比之種類，能夠產生平滑地變化之浮 8 1238266 凸分佈。 雷射ί 露祕有良好地分佈之 ;=束。藉由改變光束之ϊ度:===; 雷射照射處=藉 像。 化予特性在光敏性薄膜中產生潛變的影 ^次，細進行顯影以產生表 過程將去除所照射之 光阻巧开述結合表面洋凸結果以及初始成品之 微小雷射光束之捲旋效應減=夠 伊其=:3雷射光束之捲旋效應實質地為相同的， 不考慮雷射光賴射是衫生凸 雕i=ff产凸出微透鏡陣列趣 成高填充係數(例如填充係數等於聊以 明旋…底下詳細說 出di夠，來配製中間產品（中間鑄模)，其為凸 中間產品能夠再加以多次地複製以提供最終產σ 匕終··，)，目前相下形式。因而對最終町二方 高有凸出形式以及提供 陣列並不需要限制為規則的週期性排列，例如為方 ίΐί，列，細可假設為任何—般任意形式，如設計規 。斤扣疋。除此，透鏡形狀並不需要相同的，實際上可對陣 1238266

for &reenS 本發明重要一項為形成於正光阻劑薄膜 產生/人滿意，在部份陣列範圍内能夠 其將減小陣狀填充餘與聚焦效率。 微透鏡陣列為-個陣列之微透鏡以及相關單位小格之 車列，-個微透鏡與每—單元小格結合。本發明之

m有ft需要輪廓以及能夠形成於例如支撐於，1活 土形式上…揭不於G. Mlchael M〇rris以及Tass〇R ，美=60/222. 033號專利申請案中，該專利名稱為 Structured Screens For Controlled Spreading of

Light”，該專利之說明在此加入作為參考。因而在 用”微透鏡”係指能夠將光線聚焦之微結構。 级透鏡巧列填充係數為單位小格内由微透鏡所佔據 面積總和與單位小格面積總和之比值。 微透鏡陣列之”聚焦效率”為微透鏡焦點處量測光線強 度，和除^投射於單位小格陣列光線強度總和，該陣列為 沿著光軸藉由準直空間不同調光源例如準直白色光源加以 照射之陣列。熟知此技術者了解此為聚焦效率之” St^ehl 形式Π定義。 一些凹下微透鏡通常具有虛焦點（例如空氣中平面—凹 面微透鏡具有負版值放大率以及為準直光線之虛焦點），在該 情況下需要使用輔助光學系統以產生實焦點，其強度能夠Λ 加以量測。辅助光學系統至少能夠減小實焦點處之強度， 以及在決定虛焦點之強度大小時應該考慮這些減小情況’。 10 I238266 隹受形破透鏡情況中，在微透鏡每， 度包含於量測光線強度之總和中。 【實施方式】 參考附圖，圖2顯示出沉積於基f 22上 ，阻劑薄膜21，該基質通常由玻璃製造出 f於或大於透鏡陣列界定出之總深度。光阻劑需要 處理例如硬化，其決定於陣列之總厚度。 、 進行處理後，雷射光束聚焦於光阻劑薄膜 以照射整個光阻劑表面，如圖3所示。 受影像以光_材料化學轉變形式印記於光阻1、，負I曰 行顯ίΐίί ΐΓϋ織化學性變化之光阻劑薄膜進 屬顯;刺i時=時V J液例如為標準鹼金 處理過繼嶋之_，術未=^^顯影 鏡需斤r之處理過程陣微透 =要以凹下喊在正光_巾形成。在 分佈，其為料想情況。雜料絲加人表面浮凸 夠要;==東之函數果需能 FM= [f/(x'，/fe(XO)的y，⑴ 出所需要之表面浮凸，g表示劃 表示光敏薄科製造之表面11域，（x，y)代 尤舣，專膜表社之點，以及F表示最終表面形狀。 11 1238266 公式⑴之妥當性依靠假設雷射光束與光敏 相互制為線㈣，其表絲面之反應趣離^昭^ 成正比以及數個光束之重疊具有簡單相加之效應。=、於于 好的近似，該假設為正確的以及能夠在以凹下开广^J良 面 構中觀察到，該結構凸出於光‘二 預期的捲旋效應能夠立即地在凸出結構 ^況產生-般的想像:相_式之行為發生於凹下了开大W 貝際上，假如並不使用公式（1)，以及為了達成凹下; 2只單純地需要將凸出形狀乘以-1以及加上常數因而众 相了種航，暇現出齡職應該為 不過，其產生雷射光束與光敏性薄膜間之相互 非為線性的以及因而捲旋關係能夠近似 / ;竹=上我們發現雷射劃記處理過程更類以ί;2 機械衣置例如為鑽石器具進行裝置之製造。 更 於利用二二文f仍,存在’但是其為不同性質異 〗用田射先束所硯祭到之情況，因為潛變影像形 二不會發生。機械器具與被處理之表面 ，據本發明，我們發現當考慮凸出及凹下形狀 is ΐίίΐΐ相同的原理操作以及呈現出類似的田不對 出料、可的結果能夠製造出完全緊密的排列之i 孔;^=列’胁辆技術前技似雜在部份陣列 孔1圍内之精確分佈，該陣列為完全地塞滿之排列皁歹j 重要地，雷射劃記處理過程當使用來製造凹下表面浮 12 1238266 凸結構時不但達成作為凹下結構 供顯著的能力，該能力超越機納衣置，同W 不存在_顧雷賴 =ί=*:Γίίΐ身之尺核以捕ί透鏡= ,======地減小。 造出高聚焦以==

械器具，雷射器具，或其他處理過程I 二斤使用機 6 /ίί=\ 方式叫出形式產生_顯示於圖 為取隹在該5 f需要的微透鏡形狀以曲線61表示，可作 為伞:、、、之面積由減A表示。不過，由於製造，實 形狀演變結果由曲線6 2表示以及可作為变隹之面'笋'士 。在微魏雜處峨參 作為二i異ίίΐ鏡焦狀位置。因n面積β變為可 作^焦。在讀況下，估計微透鏡之聚焦效率^能夠表 不為： 100%. (2)

先前技術中Β永遠小於Α，因而聚焦效率小於麵。利 用本發明處理過程，最初表面浮凸結構以凹下形式劃記出 使得透鏡間的尖銳邊界良好地再形成於最終微透鏡陣列中 。當凹下產品被複製時，可以得到凸出陣列使得Β等於Α。 因而聚焦效率實質上等於100%。 、 實驗研究已經確認上述之分析，特別是高數值孔徑凸 出微透鏡（快速透鏡)情況，其中光線以大角度加以聚焦。 圖7A顯示出直徑等於50微米之微透鏡陣列以凸出方式製造 13 1238266 效地使用作 歹u焦效率估計約為1{){)%。除了凹下表 ’糾=陣 ΐί5"：ί：^ 劑中=i發明ί理過程另外—項重要的部份，在正抗光 對準於 避i最終微透鏡過度的圓形化，二ΐ較為 =ίίί2相鄰凹腔存在相對垂直偏移時二i 類似情i開“ 。類似的並不對準，只有其頂部對準 式產:1製；能夠立即地以咖 塑膠樹ί構^不適合大量複製，因而鑄模優先地由較強固 例如為破璃之基質以參考數字 1238266 ，貝103,塑膠樹脂i〇4沉積於該基質上。該樹脂比光阻劑 制，合使，作為中間複製器具。圖i〇c顯示出圖1⑽中間複 衣态^之複製結果以產生所需要凸出微透鏡105陣列。 月匕，使用類似於圖丨〇之順序以製造高效率高填充係數 之^下彳政透鏡陣列，再度使初始表面浮凸結構以凹下形式 形成於正光阻劑中。 ^本發日赠定實施例已加以說明，熟知此技術者了 改麵不會麟本發日狀精神與翻。下列 /月專巧範圍含蓋所有變化，變化及其對等情況。 【圖式簡單說明】 第，(一圖1)為填充絲小於100%之透鏡陣列頂視圖。 於其^j(SI 2)顯示出玻璃基f，其具有光賴薄膜沉積 產生i if il3遽示料射光束掃描於光敏性薄膜上，其 屋生=冋化予特性之區域（潛變影像）。 效應弟四圖A及B(圖4A及4B)顯示出製造凸出結構中之捲旋 凹下ί 示出呈現為凸出以及 以凸出以及凹下 鏡單陣列之微透 形式透示出 15 1238266 基質區域11;微透鏡12;單位小格13;光阻劑薄膜 21;基質22;曲線61，62;凹下表面浮凸圖案101;基質 102;基質103;塑膠樹脂104;凸出微透鏡105。 16

Claims (1)

1238266 十、申請專利範圍： 1· 一種製造微透鏡陣列之方法，該微透鏡表面輪廓具有波 峰及波谷以及包含多個單位小格以及多個微透鏡，每一單 位小格一個微透鏡，該方法包含·· (a)提供正光阻劑； /b)利用具有有限光束寬度之雷射光束照射正光阻劑，正 光阻劑尺寸小於任何所形成微透鏡橫向尺寸，該照射使用 導引雷射劃記處理過程進行劃記處理，該劃記處理採用相 對移動於有限光束寬度之雷射光束與正光阻劑之間以在光 阻劑中形成潛在影像； (c) 將潛在影像發展出以形成光阻劑主模版，該光阻劑主 模版表面輪廓實質上為微透鏡陣狀貞絲面輪廊；以及 (d) 使用光阻劑主模版以： (i)產生微透鏡陣列，及/或 (ii)產生印模版以使用來形成微透鏡陣列，該印模版具 有表面輪廟為微透鏡陣列表面輪廓之負版;其中： (A) 該微透鏡陣列只由位於相鄰單位小格之凸微透鏡所 構成，使得光阻劑主模版以及假如製造出之印模版只由位 於相鄰單位小格之凹腔所構成； (B) 微透鏡陣列之聚焦效率大於5〇%;以及 (C) 微透鏡陣列之聚焦效率為5〇%或較小，其係假如藉由 相同的導引雷賴記處理過雜製出，該處理過程使用在 光阻劑處财相同雜絲寬度之_雷射光束然而使用 光阻劑主模版劃§己因而在相鄰小格處由凸出物所構成而非 由凹腔所構成。 2.依據申請專利範圍第旧之方法，其中光阻劑主模版位於 第一平面與第二平面之間，凹腔以第一平面朝向第二平面 之方向延伸至主模版，以及每一凹腔帛大支距在第一平面 上0 17 1238266 3.依據巾料概目糾狀綠，射光 第一平而鱼楚-日日 片〗王核版位於 弟+面與弟一干面之間，凹腔以第—平面朝 之方向延伸至光_域版，以及每—凹軸對於第 面之取大支距所在位置_#緩慢速率·於至少_ 格《，使職雜_之料、效祕不減桃 4第第1項之方法’其中光阻劑主模版位於 弟-千面與弟二平面之間，凹腔以第—平面朝向第 :方=至光阻劑主模版，以及至少兩個凹腔的 第一平面間之距離為不同的。 利範圍第4項之方法，其中距離為隨機地分佈。 6·依射請補侧第丨項之方法，射至少—細腔為變 形的。 7·依據申請專利範圍第1項之方法，其中微透鏡陣列之 效率至少為75%。 …、 8·依據申請專利範圍第1項之方法，其中微透鏡陣列之聚隹 效率至少為85%。 …、 9.依據申請專利範圍第1項之方法，其中微透鏡陣列之聚隹 效率至少為95%。 ίο.依據申請專利範圍第㈣之方法，其中微透鏡陣列之填充 係數至少為90%。 、 11·依據申請專利範圍第1項之方法，其中微透鏡陣列之填充 係數至少為95%。 、 12.依據申請專利範圍第㈣之方法，其中微透鏡陣列之填充 係數為100%。 13·依據申請專利範圍第！項之方法，其中微透鏡陣列具有聚 焦效率至少為75%以及填充係數至少為g〇%。 14·依據申請專利範圍第i項之方法，其中微透鏡陣列具有聚 焦效率至少為95%以及填充係數等於1〇⑽。 18 Ϊ238266 ϊ效轉5奴枝，射_鱗列具有聚 丨之方法，其中微透鏡陣列之填充 16·依據申請專利範圍第5項 係數至少為90%。 ;====透__ t種製造微透鏡陣列之方法，該微透鏡表面輪廓具有波 峰及波奋以及包含多個單位小格以及多個微透鏡，每—單 位小袼有一個微透鏡，該方法包含： (a)提供正光阻劑； ⑹利用具有有限光束寬度之雷射光束照射正光阻劑正 光阻劑尺寸小於任何所形成微透鏡橫向尺寸，該照射使用 導引雷射劃記處理過程進行劃記處理，該劃記處理採用相 對移動於有限光束紐之雷射光束與正光剛之間以在光 阻劑中形成潛在影像； (c) 將潛在影像發展出以形成光阻劑主模版，該光阻劑主 模版表面輪廓實質上為微透鏡陣列之負版表面輪廓；以及 (d) 使用光阻劑主模版以： ’ (i)產生微透鏡陣列，及/或 (ii)產生印模版以使用來形成微透鏡陣列，該印模版具 有表面輪廓為微透鏡陣列表面輪廓之負版;其中： (A)該微透鏡陣列只由位於相鄰單位小格之凸微透鏡所 構成，使得光阻劑主模版以及假如製造出之印模版只由位 於相鄰單位小格之凹腔所構成； (B) 微透鏡陣列之聚焦效率大於75%;以及 (C) 微透鏡陣列之聚焦效率為75%或較小，其係假如藉由 相同的導引雷射劃記處理過程配製出，該處理過程使用在 19 1238266 光阻劑處具有相同有限光束寬度之相同雷射光束然而使用 光阻劑主模版劃記因而在相鄰小格處由凸出物所構成而非 由凹腔所構成。 20·依據申請專利範圍第19項之方法，其中光阻劑主模版位 於第一平面與第二平面之間，凹腔以第一平面朝向第二平 面之方向延伸至光阻劑主模版，以及凹腔頂點與第一平面 間之距離為不同的。 21·依據申請專利範圍第2〇項之方法，其中距離為隨機地分 22·依據申請專利範圍第19項之方法，其中至少一個凹腔為 變形的。 ^ 23· —種製造微透鏡陣列之方法，該微透鏡表面輪廓具有波 峰及波谷以及包含多個單位小格以及多個微透鏡，每一單 位小格一個微透鏡，該方法包含： (a) 提供正光阻劑； (b) 利用具有有限光束寬度之雷射光束照射正光阻劑正 光阻劑尺寸小練何·錄透職向尺寸，該照射使用 導引雷射劃記處理過程進行劃記處理，該劃記處理採用相 對移動於有喊束寬紅雷射光束與正光_之間以在光 阻劑中形成潛在影像； (c)將潛在難魏丨⑽絲_域版，磐遍丨主

(i)產生微透鏡陣列，及/或 (⑴產生顿版贿用來形成微透鏡_，該印模 有表面輪麼為微透鏡陣列表面輪廓之負版· ，該印模版具 ;其中: (A)該微透鏡陣列只由位於相鄰單位小袼之凸 構成，使得光阻劑主模版以及假如製造出之印模 於相鄰單位小袼之凹腔所構成； 、 微透鏡所 版只由位 20 1238266 (B) 微透鏡陣列之聚焦效率大於85%;以及 (C) 微透鏡陣列之聚焦效率為85%或較小，其係假如藉由 相同的導引雷射劃記處理過程配製出，該處理過程使用在 光阻劑處具有相財限光束寬度之相同雷射光束然而使用 光阻劑主模版劃記因而在相鄰小格處由凸出物所構成而非 由凹腔所構成。 24^依據申請專利範圍第烈項之方法，其中光阻劑主模版位 於第一平面與第二平面之間，凹腔以第一平面朝向第二平 面之方向延伸至光阻劑主模版，以及凹腔頂點與第一平面 間之距離為不同的。 25·依據申請專利範圍第24項之方法，其中距離為隨機地分 佈0 26·依據申請專利範圍第23項之方法，其中至少一個凹腔為 變形的。 27· · -種製造微透鏡陣列之方法，該微€鏡表面輪廊具有波 峰及波谷以及包含多個單位小格以及多個微透鏡，每一單 位小格一個微透鏡，該方法包含： (a)提供正光阻劑； 、> (b)利用具有有限光束寬度之雷射光束照射正光阻劑，正 光阻劑尺寸小於任何所形成微透鏡橫向尺寸，該照射^用 導引雷射劃記處理過程進行劃記處理，該劃記處理採用相 對移動於有限光束寬度之雷射光束與正光阻劑之間以在光 阻劑中形成潛在影像； # (c)將潛在影像發展出以形成光阻劑主模版，該光阻劑主 模版表面輪扉實質上為微透鏡陣列之負版表面輪庵；以及 (d)使用光阻劑主模版以： (i)產生微透鏡陣列，及/或 (ii)產生印模版以使用來形成微透鏡陣列，該印模版具 有表面輪廓為微透鏡陣列表面輪廓之負版;其中· 、/、 21 1238266 (A) 該，透鏡陣列只由位於相鄰單位小袼之凸微透鏡所 構成，使付光阻劑主模版以及假如製造出之印模版只由位 於相鄰單位小袼之凹腔所構成； (B) 微透鏡陣列之聚焦效率大於95%，·以及 ⑹微透鏡_之糕效率細%或較小，鶴假如藉由 相同的導引雷射劃記處理過程配製出，該處理過程使用在 光阻劑處具有相同有限光束寬度之相同雷射光束然而使用 光阻劑主模版劃記因而在相鄰小格處由凸出物所才籌 由凹腔所構成。 28·依據申請專利範圍第27項之方法，其中光阻劑主模版位 於第-平面與第二平面之間，凹腔以第_平面朝向第二平 面之方向延伸至光阻劑主模版，以及凹腔頂點與第一 間之距離為不同的。 、’面 29.依據申請專利範圍第28項之方法，其中距離為隨機岭 佈。 30·依據申請專利範圍第27項之方法，其中至少—個凹腔 變形的。 22