TWI387564B - 形成一光學元件與基板之方法及裝置以及成型工具 - Google Patents

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Description

形成一光學元件與基板之方法及裝置以及成型工具
本發明總體而言涉及藉由光學基板之熱成形、尤其係藉由擠壓或熱壓花或模壓一光學基板來生產光學元件。更具體而言，本發明涉及一種藉由一熱成形製程形成一光學元件之方法，及一種用於此一方法之基板及成形工具。
繞射光學元件(DOE)、透鏡陣列以及折射微光學元件作為現代光學元件正變得越來越重要。當今許多用於消費市場應用之電子裝置經常亦含有光學元件，該等光學元件對該電子裝置之主要功能發揮著決定性作用。作為一實例，帶有整合式數位照相機之行動電話當今正日益流行。另外，在光學記錄裝置中，用於精確成像和在讀取及/或寫入之過程中形成光線之光學元件亦必不可少。特別對於消費者市場應用，開發用於製造具有一足夠精度之光學元件之低成本製造方法非常重要。
一般而言，在光學表面之熱成形方面，「擠壓」製程與「熱壓花」或「模壓」製程有所區別。當採用「擠壓」製程時，欲製造之光學元件之基板或半成品之表面形狀會完全改變。作為一實例，一球形表面或平面表面可變形為一特定之非球形表面。但時，當採用「熱壓花」或「模壓」製程時，為形成該光學元件，基板或半成品之表面外形僅發生局部改變。由此，當生產繞射光學元件或微光學元件(亦即相對較小之結構)時，可以保持表面(該表面在大多數情況下為平面或相比於欲製造之微型結構來說僅係局部少量彎曲)不變，而僅在表面上熱壓花或模壓出局部之凹陷或凸起。與擠壓製程相比，熱壓花或模壓所造成之變形比率明顯較低。
若不再需要對已發生變形之光學元件表面上具有光學效應之結構(即繞射或折射結構)實施精加工，則光學元件之熱成形具有特別之經濟優勢。眾所周知，此要求用於熱成形之成形工具具有一高精度。繞射光學元件(例如微透鏡)要求表面品質處於光線波長之四分之一數量級。繞射微光學之製造精度甚至應更高。在採用熱成形來製造光學元件時所遇到之一問題係：在熱成形過程中，在光學元件之表面中夾含製程氣體，由此會導致干擾光學元件表面上之陷口狀凹陷。根據現有技術，已知有各種措施可用於在一熱壓成形製程中避免光學元件之表面上夾進製程氣體。
根據一第一方法，在一真空腔室中實施熱成形。作為一實例，市場上可購得一種由美國東芝機器有限公司生產的GMP－211V型商用高精度玻璃成形擠壓設備，其可以在高於6×10－ 1 Pa之真空條件下為最大外徑高達110 mm之壓模提供19.6 kN之最大擠壓壓力。但是，本方法耗時且要求配備真空泵。
根據第2002－293 553 A號日本公開專利申請案所揭示之另一種方法，採用一預成形步驟製造一玻璃預成形件，該玻璃預成形件之表面上已形成結構，且該結構在一後續之主要模壓步驟中經變形製成所需之結構。由於變形比率較小，夾含在壓模與該玻璃預成形件之間之製程氣體之總量亦較小。但是，此種方法不能可靠地避免製程氣體之夾含。另外，其尚需要一額外之模壓工具和一額外之製程步驟，從而降低了效率。
EP 648 712 A2揭示光學元件之一種模壓成形製程，其中將一坯料放置在一模壓模具內，週期性地加大或減小用於擠壓之力。在壓力增大時，與模具表面相接觸之坯料表面發生變形，直至一製程氣體泡形成於由變形表面所包圍之一體積內。當壓力降低時，夾含在該體積內並處於某種過壓狀態之製程氣體可沿模具之表面橫向逸出。由於該壓力之中間降低，總擠壓時間較長。另外，由於難以預測和建模分析夾含氣體，所以事先難於規定欲生產之光學元件之精度。即使週期性地多次加大或減少壓力，仍會留有殘留夾含氣體，此會損害該光學元件之表面品質。
US 6,305,194 B1揭示一種用於模壓成形一光學元件陣列之製程和裝置。一相對較小之光學材料球被放置在一壓模之殼形中心穴窩。當兩個壓模互相擠壓在一起時，球體被逐漸壓平。在此過程中，該光學材料向外徑向流動，將殘餘製程氣體趕出壓模之體積。在此過程中，該光學元件之材料發生劇烈變形，導致相對較長之處理時間和較高之製造費用。若在該模具之表面上形成相對較小之結構(例如，用於形成微透鏡或繞射結構)，則在此過程中無法控制材料流入該結構(例如壓印)。因此，在該熱成形過程中無法避免殘餘製程氣體夾含在該光學元件之表面內。
US 6,305,194 B1尚揭示了一種方法，其中一成形工具之上半部分包括一呈凸曲形之模壓或熱壓花部分，及其中一成形工具之一下半部分包括一呈凹曲形之模壓或熱壓花部分。一平凸預成形件被放置在該成形工具之兩半之間，從而該預成形件被變形為一凹凸透鏡。該凹曲模壓或熱壓花部分之曲率半徑小於該凸曲模壓或熱壓花部分之曲率半徑，從而在該成形工具之兩半互相擠壓在一起時，各模壓或熱壓花部分均在一中心區附近接觸該預成形件，從而在該預成形件之熔化或軟化材料徑向外流時，不會有氣體被捕捉於各模壓或熱壓花部分內。
US 6,305,194 B1尚揭示了一種製程，其中一模壓工具之一上半部分包括一凸曲之模壓或熱壓花部分，而一下半部分包括一凹曲之模壓或熱壓花部分。一平凸預成形件被放置在該成形工具之兩半之間，該預成形件被變形為一凹凸透鏡。該凸曲模壓或熱壓花部分之曲率半徑小於該凹曲模壓或熱壓花部分之曲率半徑，從而在該成形工具之兩半互相擠壓在一起時，各模壓或熱壓花部分首先在一中心部分附近接觸該預成形件，從而在該預成形件之熔化或軟化材料徑向外流時，不會有氣體被捕捉於各模壓或熱壓花部分內。
但是，在上述製程中該預成形件之變形量相對較高，導致總處理時間相對較長，而較長之總處理時間係不經濟。另外，該預成形件之較高變形率要求處理溫度亦相對較高，導致變形後之光學元件內存有應力。此一應力或張力可導致該光學元件產生一不期望之雙折射現象。在所需之較高處理溫度下，該預成形件之軟化或熔化材料會黏到各模壓或熱壓花部分上，此會損害該光學元件之表面品質。
本發明之一個目的係提供一種用於以熱成形方式形成一光學元件之製程和裝置，其中能夠更有效地避免在該熱成形製程中夾含氣體，且其中可更精確和成本高效地製造該光學元件。根據本發明之另一態樣，尚提供一種利用本發明之製程和裝置製造一光學元件之基板和玻璃預成形件及形成該光學元件之成形工具。
本發明之一製程包括下列步驟：提供一成形工具，在其表面上形成用於在一基板上模壓或熱壓花一具有一光學效應之結構之至少一個模壓或熱壓花部分；提供該基板，其中在該基板面向該成形工具之一表面上形成一個與該各模壓或熱壓花部分相關聯之預成形部分；將該基板加熱至該基板材料之一轉變或軟化溫度；及將該成形工具和基板互相擠壓在一起，使各預成形部分接觸相關模壓或熱壓花部分之一表面並發生變形，以形成一具有至少一個具有一光學效應之結構之光學元件，該結構之形狀取決於相關模壓或熱壓花部分之形狀。
根據一第一態樣，本發明之該製程具有如下特徵：該成形工具和該基板經設置以使各模壓或熱壓花部分之一中心區接觸相關預成形部分之一中心區，其中相應預成形部分與模壓或熱壓花部分經成形以使各預成形部分之一表面與相關模壓或熱壓花部分之一表面之間的一縫隙自該中心部分向各預成形部分之一邊緣逐漸變寬。
在熱成形製程中，當使該成形工具與該基板互相擠壓並因基板朝向該光學元件變形而彼此逐漸靠近時，各預成形部分內之基板之表面材料逐漸變形，從而越來越靠近該成形工具之相關模壓或熱壓花部分之表面。從該預成形部分之平滑形狀之中心區開始－其在該熱成形製程開始時即接觸該相關模壓或熱壓花部分之具有對應形狀之平滑形中心區(從而沒有製程氣體夾含於相關模壓或熱壓花部分之具有對應形狀之中心區內)，首先，預成形部分內毗鄰該中心區之部分接觸相關模壓或熱壓花部分之表面。在後續之熱成形製程中，基板、成形工具和氣體之間的相介面自該預成形部分之中心逐漸移向預成形部分之邊緣。該縫隙中存留之氣體逐漸被移至預成形部分外，直到該基板最後完全接觸預成形部分內相關模壓或熱壓花部分之表面。由此，根據本發明，該基板與該成形工具之間不會夾含任何製程氣體。
由於在該熱成形製程中，製程氣體被平穩而連續地移位或擠出該模壓或熱壓壓花部分，根據本發明，在該熱成形製程中不必要使用真空，因而可以節省一個製程步驟，並能以更低之總成本提供該裝置。根據本發明，僅需在預定之時間段內施加一次用於使該成形工具和基板相互擠壓之壓力，並可在整個製程步驟中保持該壓力且較佳保持恒定。由此，不必要週期性地加大或減小製程壓力。
根據本發明，在熱成形過程中，該基板之變形比率較低。更具體而言，該基板之基質，或者在一單個基板上同時形成複數個光學元件(例如形成一個微透鏡陣列或事後分割之複數個光學元件)之情況下，相應預成形部分之基質基本上相同於相關模壓或熱壓花部分之基質，或者在同時形成複數個光學元件之情況下，相同於相應相關模壓或熱壓花部分之基質。由此，根據本發明，可迅速完成熱成形。根據本發明，可避免(例如)對該光學元件之邊緣進行精處理。由於本發明相對較小之變形比率，基板之預成形部分僅發生一小距離之變形，此相對於基板之總厚度基本上較小，或者換言之，根據本發明，該基板僅發生一小距離之變形，該變形相對於基板之總厚度基本上較小。
較佳之情況係，預成形部分之外形與相關模壓或熱壓花部分之外形匹配，從而使該預成形部分表面與相關模壓或熱壓花部分表面之間的縫隙在整個熱成形製程中朝向相應預成形部分之邊緣連續地逐漸展寬。由此可保證：即使在該熱成形製程結束時，當該模壓或熱壓花部分之幾乎整個表面完全接觸基板時，製程氣體仍然可以朝向相應相關預成形部分之邊緣逸出。可簡單地藉由模擬該基板材料在熱成形製程過程中之流動特性來計算該預成形部分之合適輪廓。
一根據本發明另一態樣之方法(其亦可以獨立申請專利且可專門用於在該光學元件之表面上形成具有一光學效應之凸曲或凹曲結構)具有如下特徵：該成形工具和基板經設置以使各模壓或熱壓花部分之一中心區與相關預成形部分之一中心區相接觸，其中相應預成形部分與相應模壓或熱壓花部分形成為保持下述關係：r1<r2，其中r1係各模壓或熱壓花部分之曲率半徑；若各模壓或熱壓花部分之一表面曲率中心位於成形工具所在之半空間內，則r1為正數，而若各模壓或熱壓花部分之一表面曲率中心位於另一(相對)半空間內，則r1為負數；其中r2係相關預成形部分之曲率半徑，若相應相關預成形部分之一表面曲率中心位於基板所在之半空間內，則r2為正數，而若各相應預成形部分之一表面曲率中心位於另一半空間內，則r2為負數，從而在相應之預成形部分表面與相關模壓或熱壓花部分之表面之間形成一縫隙。
較佳之情況係，該成形工具之模壓或熱壓花部分之外形與基板之相應相關預成形部分之外形相匹配，從而使該縫隙自中心區朝向相應預成形部分或模壓或熱壓花部分之邊緣連續逐漸展寬。此一縫隙使基板材料在整個熱成形製程中具有連續而平滑之流動特性，從而該基板材料可自中心區開始，逐漸向外流動，直至最後填滿整個模壓或熱壓花部分。當基板材料向外流動時，縫隙中留存之任何殘留製程氣體被向外排出並完全移至模壓或熱壓花部分之外。
較佳之情況係，在自中心區至預成形部分或模壓或熱壓花部分邊緣之路徑上沒有可能阻擋排出製程氣體之障礙物，從而該製程氣體得以自縫隙中無阻擋地向邊緣排出。
為進一步支持將製程氣體自該成形工具與基板之間的縫隙排出，可在相應模壓或熱壓花部分外之成形工具及/或基板之表面上形成一縱向凹陷(例如一溝道或凹槽)，該凹陷通往該成形工具或基板之邊緣。由此，該相應凹陷被佈置在不形成具有一光學效應之結構之區域中，從而使該些光學結構(即繞射或折射結構)之光學功能不致受到影響。
相應之縱向凹陷亦可與該預成形部分之表面與相關模壓或熱壓花部分之表面之間的至少一縫隙相連通，從而可在熱成形製程中更高效地排出製程氣體。
根據本發明之一第一實施例，該預成形部分之表面與相關模壓或熱壓花部分之表面之間的縫隙僅可沿一與該成形工具之一表面相平行之方向展寬。例如，若想要形成用於製造一光學繞射光柵之線狀突出部分(例如，一炫耀繞射光柵之帶有一鋸齒形狀之線狀結構)，基板之表面可以一凸起方式並沿與該成形工具之線形結構之縱向方向相平行之方向稍微彎離該成形工具之表面。由此，在熱成形製程中，該凸曲基板之中心區首先接觸成形工具之表面。在該熱成形製程中，光學基板被壓平成為一平面基板，在其表面上模壓或熱壓印出線狀結構，以使其形狀與在該成形工具之表面上形成之結構一致。
根據本發明之另一實施例，預成形部分之表面與相關模壓或熱壓花部分之表面之間的縫隙可在兩個彼此正交並與該成形工具之一表面平行之方向上展寬。
根據本發明之另一實施例(其對於形成具有一光學效應之凸曲或凹曲結構具有特別之用處)，預成形部分之表面與相關模壓或熱壓花部分之表面之間的縫隙被形成為一環形縫隙，其自中心區開始向外徑向展寬。
根據本發明，該至少一個模壓或熱壓花部分(其被提供在該成形工具之表面上)被形成為一突起(突出)部分或一凹壓印，其具有一與將要在光學元件表面上形成之光學結構所執行之光學功能相匹配之外形。此種外形之例子有凸曲或凹曲外形、非球曲面突起(突出)或凹陷部分、矩形或多角結構以及具有傾斜部分之結構。可採用合適之製程技術，尤其可採用(例如)雷射燒蝕、離子束或電子束刻寫、離子束蝕刻或離子束研磨、反應性離子蝕刻、化學輔助離子束蝕刻以及濕法或幹法蝕刻藉由直接機加工該成形工具之表面而在該成形工具之表面上形成具有合適形狀之模壓或熱壓花部分。
根據本發明，提供該基板作為一預成形件，在其一表面上，即在對應於擠壓或模壓裝置內該成形工具之相關模壓或熱壓花部分之位置處至少形成一個具有一突起(或突出)部分或凹陷形狀之預成形部分。可採用任何合適之製造製程(例如)藉由機加工一相應基板之表面來提供此種預成形件。然而，較佳之情況係，亦可採用本發明之一熱成形製程藉由(例如)擠壓或模壓或熱壓成形製程形成該預成形件。
為獲得光學元件之較高表面品質，重要之一點係將該預成形件製造成具有一合適之高表面品質。然而，根據本發明，此一表面品質可低於欲製造之光學元件之表面品質，因為該等預成形部分在熱成形過程中會進一步變形。因而，具有一光學效應之結構之表面品質實質上取決於該成形工具之模壓或熱壓花部分之表面品質、基板材料之規格以及該熱成形製程中之製程參數。
較佳之情況係，相應模壓或熱壓花部分之體積對應於相關預成形部分之體積。由此，可以保證在熱成形製程中，任何製程氣體被完全移出該成形工具之模壓或熱壓花部分，及該成形工具之模壓或熱壓花部分可被基板材料完全充滿。在熱成形製程後，該光學元件之表面係該成形工具表面之一倒模形式。具更體而言，該模壓或熱壓花部分之總體積可對應於相關預成形部分之體積，或者對應於使用合適之製程參數(尤其係用於加熱基板以使相關預成形部分可發生變形之能源)將相關預成形部分加熱至基板材料之一轉變或軟化溫度以上時相關預成形部分之總體積。
根據本發明之另一態樣，該預成形件亦可被構造為：在該熱成形製程後，在該模壓或熱壓花部分之一邊緣處，基板之表面與該成形工具之表面之間仍留用一較小空隙。此一空隙有助於稍後自光學元件之表面上提離該成形工具，並且更可靠地確保在熱成形製程中，所有製程氣體被排出該成形工具之模壓元件或熱壓花部分。此一方法特別適用於人們期望利用熱成形製程在一單個基板上形成複數個光學元件以使光學結構之間之區域無光學效應之情況。在熱成形製程結束後，可在此種區域中切割或分割基板，將該複數個光學元件分開。
當然，亦可給該成形工具之表面提供一塗層，其可在該熱成形製程中降低該成形工具與基板材料之間的潤濕性。合適之塗層在現有技術中已為所屬領域之技術人員所知曉，並特別包括薄金屬層，較佳為一貴金屬或一貴金屬合金。
根據本發明之再一態樣，提供該成形工具和該基板，使得該成形工具與該基板之間的形狀公差d由下列公式得出：d>10μm且 d<(200μm＋D/10)；其中，D代表一模壓或熱壓花部分或該成形工具上一結構之直徑(單位為微米)。由於此一較小之形狀公差，根據本發明，可實現一甚為有益之低變形比率。
本發明之製程適合於各種不同繞射及/或折射之光學元件之熱成形，例如微透鏡、微透鏡陣列、平凸透鏡、平凹透鏡、凸凸透鏡、凹凸透鏡、凹凹透鏡、非球面透鏡、諸如繞射光柵和炫耀繞射光柵之變形及繞射光學結構、及菲涅耳波帶片。
根據本發明之又一態樣，可利用根據本發明製造之複數個光學元件組裝任意之光學系統。
根據本發明，該光學元件或系統可用於任意光學應用中，例如：在數位光學投影中；在類比或數位照相機中，特別是行動電話和攝錄影機之照相機；在顯微術中用作透鏡或透鏡陣列、用作光束均質器、用作成像光學元件；在汽車行業應用中，例如用於LED前燈；平視顯示器；用於光學微反射鏡；用於雷射成像(特別是RGB雷射)；用作光學儲存領域中用於以光學方式自一光學儲存媒體(包括藍光碟)讀取資料及/或向一光學儲存媒體(包括藍光碟)寫入資料之光學元件。
為本申請案之目的，光學元件(例如透鏡)應在直徑方面與對應之微光學元件區別開來。更具體而言，諸如透鏡等光學元件具有一至少為1 mm之直徑，而微光學元件具有一小於1 mm之直徑。
本發明之製程不僅限於製造微光學結構，而且藉由一熱成形製程尚可用於製造任意之折射及/或繞射結構。
本發明之製程可應用於可藉助一熱成形製程變形之任何光學材料，特別適用於任何類型之玻璃，尤其是低轉變溫度玻璃、鈉鈣玻璃、硼玻璃、硼矽玻璃、磷酸鹽玻璃、氟化玻璃、氟磷酸鹽玻璃、鹵化物玻璃、光學玻璃，或應用於光學應用之任何合適之塑膠材料，特別是PMMI、COC、TOP、PMMA、聚亞胺酯、TOPAS和PC(聚碳酸酯)。基板可與前述材料中之任何一種形成為一體。根據本發明之另一態樣，該基板亦可被形成為具有一覆蓋層之兩層或多層複合材料，該覆蓋層內形成有預成形部分，該預成形部分以前述方式被變形為光學元件或結構。較合適之情況係，該覆蓋層之軟化溫度低於其下面設置之複合材料層之軟化溫度，從而在變形過程中，唯該覆蓋層材料(而非其下層之材料)軟化，從而使該複合材料保持穩定。
本發明之尚一態樣係關於一相應形成之基板、一相應形成之成形工具、一用於使用前述製程形成一光學元件之裝置、一光學元件及一包括至少一個此種光學元件之光學成像系統。
在所有附圖中，相同之參考編號指代相同或基本等效之元件或元件組。
參照圖1a－1c，下文介紹一用於模壓或熱壓花或擠壓一平凸透鏡之製程。參照圖1a，一模具1和一基板10(例如一玻璃預成形件)被放置在一裝置內，其中該模具1和該基板10被垂直箭頭所表示的一個力互相擠壓。如圖1a所示，該模具1和該基板10具有在該熱成形製程中互相平行對準之平坦背側。在該模具1之表面上形成有一凹壓印3。在該基板10之表面上形成有一凸曲突起部分16。一凹壓印3之曲率半徑大於該凸曲部分16之曲率半徑。
該凹壓印3用作一模壓或熱壓花部分。採用下文所述之一熱成形製程，該凹壓印3之外形被模壓或熱壓在該基板10之表面上。該凸曲部分16以本發明申請之意義預成形，例如採用另一熱成形製程。當然，該基板10亦可係經過適當研磨或預成形(例如擠壓成形)之一坯件。如圖1a所示，凸出部分之基質與該凹壓印3之基質基本上對應。
在該熱成形開始時，該模具1與該基板10互相逐漸靠近，以使凹壓印3及凸曲部分16之中心區11互相接觸。在此種情況下，在凹壓印3之邊緣3和基板10之邊緣14處仍留有一空隙WO，與凹壓印3及凸曲部分16之橫向尺寸分別相比，該空隙較小。
為了實施熱成形，將該基板10加熱至一超過該基板10材料之一轉變溫度之溫度，以便可使該基板10之表面變形。由於該模具1與該基板10之間存有壓力，該凸曲部分16自中心區11開始不斷變形。在此過程中，該基板之材料自該中心區11向外側移位，即移位至基板10之邊緣14。圖1b中用參考編號12標注並用粗線勾劃之部分係一變形部分，其中基板10之材料仍可變形，即其中基板10之材料被加熱至一超過其轉變溫度之溫度。在此熱成形製程中，該模具1和基板10越來越互相靠近，從而使該模具1或基板10邊緣之空隙w變小。如箭頭所示，當基板材料被移位時，位於該模具1之凹壓印3與該基板10之凸曲部分16之間的環形縫隙中之製程氣體被逐漸排出或擠出。該熱成形製程一直延續至該模具1與該基板10之間的縫隙消失為止。屆時，基板10之整個表面會接觸模具1之凹壓印3之表面。由此，基板10之外形與模具1用作一模壓或熱壓花部分之凹壓印3之外形準確對應起來。自已變形之基板10提離模具1後，即可獲得一圖1c所示之具有一凸曲表面21之光學元件20。該凸曲表面21之形狀準確對應於該模具1之凹壓印3之形狀。
在熱成形製程中，隨著基板、模具和製程氣體之間的介面逐漸自模具1或基板10之中心區11移向邊緣2或14，所有製程氣體均被排出該模具1與該基板10之間的環形縫隙。因此，在光學元件20之凸曲表面21上將不再存在陷口狀結構，而根據現有技術，在熱成形製程中會因夾含氣體而形成陷口狀結構。
儘管在圖1a中未顯示，但所屬領域之技術人員易知，另外亦可在實施熱成形製程之前垂直於圖1a之圖紙平面以凸面方式彎曲基板10，從而亦可在熱成形製程中，將製程氣體沿與圖1a－1c之圖紙平面垂直之方向排出。所屬領域之技術人員易知，本發明之基本原理已在上文參照圖1a－1c加以說明，根據圖1a－1c，製程氣體在熱成形製程中被逐漸向外排出。在該熱成形製程結束後，光學元件20較佳地形成一柱面透鏡，其沿與圖1c之圖紙平面相垂直之方向延伸。但是，一般而言，本發明並不僅限於形成柱面透鏡，而是，根據本發明之另一較佳態樣，圖1c之光學元件20亦可形成一平凸光學透鏡。
參照圖2a－2c，下文介紹一種用於在一平面基板10上形成一炫耀繞射光柵之製程。為此目的，假設該基板10跨越一由相互正交之座標軸x和y所跨越之平面。如圖2a所示，基板10(例如一玻璃基板)被設置為一預成形件，其具有一部分16沿y方向以凸出方式彎曲。由此，在整個熱成形製程期間，在該模具1之表面與基板10之表面之間存在一縫隙，該縫隙向外側連續展寬，其中該縫隙之一個表面為平面並由模具1之平面界定，且其中該縫隙之另一個表面以凸出方式彎曲並由基板10之表面界定。由此，在基板10之邊緣14處即存在一空隙WO，其相對於基板10之橫向尺寸來說較小。作為一實例，凸出彎曲部分16之曲率半徑可位於大約100 mm與400 mm之間的範圍內。
圖2b顯示熱成形製程剛好結束之前的模具1和基板10，此時該基板10之整個平面接觸該模具1之表面。
在提離該模具1後，即可獲得一光學元件20，其具有一變形之平面22，在該平面22上形成有複數個具有鋸齒形外形之等距線狀結構23。根據圖2c，該線狀結構23沿y方向延伸。亦在該熱成形製程中，基板10之表面16(其在最初時沿y方向凸出彎曲)亦發生變形，從而使縫隙6自中心區11開始逐漸變小，並且使夾於縫隙6中之製程氣體被基板材料沿y方向向外排出，從而使全部製程氣體逐漸排出縫隙6，如圖2a之箭頭所示。
參照圖3a－3d，下文將介紹另一用於在一平面基板上模壓或擠壓一凸微透鏡陣列之本發明較佳製程。如圖3a所示，固定於一底模30上之基板10向外凸出彎曲，與圖1a相仿。在模具1中形成有兩個相同或者亦可不同之凹壓印3。當該模具1與該基板10相互靠近時，該兩個凹壓印3之間的模具1之平面部分將首先接觸基板10之凸鼓部分16之中心區11。
當該模具1與該基板10被進一步互相擠壓時，該中心區最終將變形，如圖3b中參考編號12所示。當該模具1與該基板10被繼續互相擠壓時，基板材料被逐漸壓入該模具1之凹壓印3。同時，存在於該凹壓印3中之製程氣體被逐漸向外排出凹壓印3之外。
當該模具1與該基板10被進一步互相擠壓時，最後凹壓印3幾乎完全充滿基板材料，該基板材料仍然可以變形，從而在該基板10之表面上形成凸球26。當該模具1與該基板10被進一步互相擠壓時，最後基板材料將完全充滿該模具1之凹壓印3。在此種條件下，該基板材料完全接觸該模具1之凹壓印之內表面，從而如圖3d所示，在基板10上形成兩個凸微透鏡25。在提離模具後，亦可在一後續之製程步驟中將該兩個微透鏡25分開。
在圖3a中，假定虛線代表凹壓印3所形成之空間V1。另外，假定基板10之中心區11附近用陰影線表示之區域40代表體積為V2之基板材料，其在熱成形製程中將被變形和移位。在體積V2內，基板溫度高於基板材料之軟化溫度，此可藉由合適之加熱條件容易地實現。為使包含於模具1與基板10之間的製程氣體在已變形之基板完全接觸模具之前被完全排出，根據本發明，假定係圖3a－3d所圖示之情形(其中在基板10上要形成兩個微透鏡)，則該體積V2大於或等於一由2×V1表示之體積。一般而言，該由預成形部分所全部包含且溫度高於基板材料軟化點溫度之總體積大於或等於該模壓或熱壓花部分所包含之體積。
參照圖4a－4c，下文將介紹對圖3a－3d所示用於在一平面基板上模壓或擠壓形成一凸微透境陣列之製程所做之另一修改。如圖4a所示，模具1表面上形成有複數個凹壓印3，該等凹壓印3用作模壓或熱壓花部分，並用於確定欲形成之光學結構之外形。參照圖4a，提供一基板10(例如一玻璃預製坯)，在其一表面上對應於模具1之凹壓印3之位置處形成複數個凸曲之突起部分16。該等凸曲部分16之曲率半徑小於模具1之凹壓印3之曲率半徑。由此，當凸曲部分16之中心區11接觸模具1之凹壓印3之中心區11時，凹壓印3之表面與凸曲部分16之表面之間的一縫隙或空隙仍然保持存在，該縫隙沿橫向連續展寬。在各凹壓印3之間的區域中，模具1之表面和基板10之表面均係平面。
圖4b顯示熱成形製程結束時之模具1和基板10，此時實際上整個曲部16已出現變形，且僅在各凹壓印3邊緣處及各凹壓印3之間的區域中及模具1之表面與基板10之表面之間留有一狹窄之縫隙。
在提離模具1後即可獲得一光學元件20，在該光學元件20之一表面上形成有複數個凸微透鏡25和平面部分24。
如圖5所示，本發明之製程亦可用於在一基板10上形成凹壓印17。為此目的，在模具1之表面上形成複數個凸曲之突起部分4。在熱成形後，可在凹壓印17上提供一反射塗層，從而形成一凹面鏡。
如圖6所示，可在圖4a所示之模具1中設置另一縱向溝道，例如楔形槽5，其可與模具1中一相應凹壓印3之邊緣部分連通，從而放出用作一模壓或熱壓花部分之凹壓印3中之殘留製程氣體。
所屬領域之技術人員易知，可藉由適當地研磨基板來提供圖4a、圖5或圖6中任何一圖所示具有凸曲部或凹壓印之基板。或者，可藉由一額外之製程步驟藉助熱成形(例如模壓一基板)來適當地提供圖4a、圖5或圖6所示之基板。由於此一額外製程步驟一般會導致額外費用，所以一般根據本發明，係在一單個製程步驟中實施該熱成形來同時製成如圖3a－3d所示之具有一光學效應之複數個結構。
所屬領域之技術人員易知，採用本發明製程，亦可形成具有至少一個非球形曲面或一形成為一自由形狀之表面之光學元件。在此一製程中，在基板之相應預成形部分變形至非球形曲面或變形至一形成為一自由形狀表面之表面之前，可對其進行球形彎曲。就本申請案而言，自由形狀表面係指在一x－y平面中延展之表面，其可採用下列關係式來描述： 其中，L＝常數，N＝10。
如圖7所示，本發明製程亦適用於非彎曲之光學結構之熱成形。如圖7所示，在模具1之表面上形成有複數個傾斜部分8，用以在模具1之表面上形成楔形溝道。在基板10(例如一玻璃預成形件)表面之對應位置處，形成有傾斜部分18，以便在基板10之表面上形成楔形突出部分。根據圖7，傾斜部分18之傾角大於傾斜部分8之傾角，從而使模具1之表面與基板10之表面之間的縫隙6自中心區11連續展寬，在中心區11處，該楔形凹壓印或突起部分之頂點互相接觸。在該熱成形製程中，該縫隙6逐漸變窄，直到最後模具1和基板10之表面完全互相接觸。
儘管在圖4a－圖7中未顯示，然而亦可在執行一熱成形製程之前沿與圖4a－圖7之圖紙平面相垂直之方向凸曲該基板。
當然，亦可沿一與圖紙平面垂直之方向在較小程度上凸曲圖7所示之基板10(例如如圖2a所示)，從而在熱成形製程中更有效地排出該縫隙中所夾含之製程氣體。
參照圖8，下文將介紹一種用以分別表徵本發明模具和本發明基板之凸曲或凹曲模壓部分或預成形部分之正負號規約。參照圖8，假定中心軸9垂直於基板10之凸曲面之一切線，並經由中心區11延伸，在中心區11處，基板10之凸曲部分與模具1之凹壓印恰好在熱成形開始之前互相接觸。在此種構造中，模具1之凹壓印3之曲率半徑M1和基板10之凸鼓部分16之曲率半徑M2將分別位於該中心軸9上。在圖8中，箭頭r1指示模具1表面中凹壓印3之曲率半徑，而箭頭r2指示基板10表面上凸鼓部分16之曲率半徑。為表徵之目的，假定曲率半徑r1和r2係帶正負號之實數。用於表徵該表面之正負號規約類似於光學中在旁軸光學近似法中用於表徵球形曲面狀界面之折射率之正負號規約。
根據圖8，該凹壓印3之表面將圖紙平面劃分為一其中佈置有該模具1之上半空間及一其中未佈置有該模具1之下半空間。同樣，該凸曲表面16將圖8之圖紙平面劃分為一其中未佈置有基板10之上半空間及一其中佈置有該基板10之下半空間。為表徵模壓部分3和預成形部分16之表面，假定在模具1之模壓部分3之表面之曲率中心位於佈置有模具1之彼半空間內時，該模壓部分之曲率半徑r1為正數，且假定在模壓部分3之表面之曲率中心位於另一半空間內時，曲率半徑r1為負數。另外，假定在基板10之預成形部分16之表面曲率中心位於其中佈置有基板10之彼半空間內時，基板10之相關預成形部分16之曲率半徑r2為負數，且當該預成形部分16之表面曲率中心位於另一半空間內時，該曲率半徑r2為正數。
若採用本正負號規約，在圖8所給出之例子中，曲率半徑r1為負數，曲率半徑r2同樣如此。如自圖8可得出，r1之絕對值大於r2之絕對值。因此，下列關係式成立：r1<r2<0。
在欲模壓或熱壓花一凹曲表面之對應情形中，應使模具1之模壓部分凸曲，從而得到一對應之正曲率半徑r1。另外，應使基板表面之相關預成形部分凹曲，從而對應之曲率半徑r2亦應為正。因此，r2之絕對值應大於r1之絕對值，即：0<r1<r2。
若採用本規約，一平面之曲率半徑將係無窮大。例如，若欲使用一平面玻璃預成形件製造一凹曲透鏡表面，則模具1之模壓部分應凸曲，亦即對應之曲率半徑r1為正，而該平面玻璃預成形件之曲率半徑將係無窮大。因此，下列關係式成立：r1<r2。
當然，上文所解釋之正負號規約須服從一次要條件，即在剛好開始實施熱成形製程之前該模壓部分之中心區必須接觸該預成形部分之中心區。由此，即排除了自一平面玻璃預成形件形成一在一平面之所有方向上均凸曲之透鏡。
實施例1
為擠壓出一帶有非球形柱面透鏡之柱面透鏡(直徑30 mm)平面陣列，擠壓一具有相同直徑、一平面和一曲率半徑為300 mm之凸面之玻璃預成形件。該凸面朝向帶有該柱面透鏡陣列之模具。
該柱面透鏡之高度為0.3 mm。由於該玻璃預成形件之曲率，須經過一約0.4 mm之額外擠壓距離。該熱成形係在一氮氣氣氛下實施，以避免腐蝕該成形工具。
據觀察，可製成不因夾含氮氣而變得粗糙之柱面透鏡之非球形面。
實施例2
為擠壓出一非球面成像透鏡，擠壓一具有相同直徑(70 mm)、一平面和一曲率半徑為45 mm之凸面之玻璃預成形件。該凸側朝向帶有該柱面透鏡陣列之模具。由於該玻璃預成形件之曲率，須經過一約0.3 mm之額外擠壓距離。據觀察，可製成不因夾含氮氣而變得粗糙之非球形面。一般而言，該結構之高度可表示為： 其中，Z：透鏡高度，C：曲率，K：錐度參數。
在該實施例中，所選參數如下：c＝1/36.409；k＝－1；a2＝1.08E－06 a4＝2.16E－10 a6＝－5.19E－15其中B270用作玻璃。
實施例3
為在一非球形成像透鏡上模壓繞射光學元件(DOE)，採用一非球形透鏡(按實施例2設計)。將平面部分塗佈以塑膠材料，然後利用一上述模壓製程藉由一DOE模具對其進行結構化。該平面朝向帶有DOE之模具。因為該玻璃預成形件之曲率，須經過一大約0.05 mm之額外模壓距離。據觀察，可製造出不因夾含氮氣而變得粗糙之DOE。DOE之相位函數表示為：φ(r )＝－6.75r 2 ＋0.001045r 4 其中，f[弧度]和r：0－35 mm。
所屬領域之技術人員在研究上文說明後易知，本發明之另一態樣係關於一種光學引擎，其具有至少一個上文所述用於成像光(特別是光線)之成像光學器件或成像光學系統。某些實例(但其不應視為限定本發明之範圍)如下：數位光學投影；類比或數位照相機，特別是行動電話和攝錄影機之照相機；顯微裝置；帶有透鏡或透鏡陣列之成像裝置；用於均化包括雷射束在內之光束之均質器；成像光學元件；汽車行業中之光學成像裝置，例如LED前燈；平視顯示器；光學微反射鏡；用於以光學方式自及/或向一光學記錄媒體(包括藍光碟)讀取及/或寫入資料之光學儲存驅動器。
該領域之技術人員藉由閱讀以上說明可明瞭，本發明製程既可用於球面和非球面透鏡體之熱成形，亦可用於具有一不同外形且具有一光學效應之任意結構之熱成形。更佳地，本發明製程可用於沿一第一方向彎曲並沿一與該第一方向正交之第二方向縱向延伸之柱面透鏡(亦為透鏡體)之熱成形，或用於繞射光學元件(DOE)之熱成形。較佳地，在實施該熱成形製程後，該光學元件包括複數個繞射或折射結構。亦可在該熱成形製程後分離該等結構。一般而言，在該熱成形製程後，具有一光學效應之該等結構亦可用於一或多個光束之成形或均化。
1．．．模具
2．．．邊緣
3．．．凹壓印
4．．．突起部分
5．．．楔形槽
6．．．縫隙
8．．．傾斜部分
9．．．中心軸
10．．．基板
11．．．中心區
12．．．變形部分
14．．．邊緣
16．．．凸曲部分
17．．．凹壓印
18．．．傾斜部分
20．．．光學元件
21．．．凸曲表面
22．．．平面
23．．．線狀結構
24．．．平面部分
25．．．微透鏡
26．．．凸球
r1 ．．．曲率半徑
r2 ．．．曲率半徑
M1．．．曲率半徑
M2．．．曲率半徑
下文將結合較佳之實例性實施例和附圖來說明本發明，自附圖中可得出其他之特點、優勢和目的，附圖包括：圖1a－1c以一橫截面示意圖形式圖解說明一本發明用於模壓或擠壓一平凸透鏡之製程；圖2a－2c以一橫截面示意圖形式圖解說明一本發明用於模壓或擠壓一具有一平面且平面上形成有繞射結構之光學元件之製程；圖3a－3d以一橫截面示意圖形式圖解說明一本發明用於在一平面基板上模壓或擠壓一凸微透鏡陣列之較佳方法；圖4a－4c以一橫截面示意圖形式圖解說明圖3a－3d所示用於在一平面基板上模壓或擠壓一凸微透鏡陣列之製程之修改；圖5以一橫截面示意圖形式圖解說明圖3a－3d所示用於在一平面基板上模壓或擠壓一凹鏡陣列之製程之另一修改；圖6以一橫截面示意圖形式圖解說明圖3a－3d所示用於在一平面基板上模壓或擠壓一凸曲微透鏡陣列之製程之另一修改；圖7以一局部示意圖形式圖解說明一成形工具及一用於在基板之一表面上形成棱形突起光學結構之光學基板；及圖8以一示意圖形式解釋一用於表徵一基板之一預成形部分之曲率半徑及一成形工具之一模壓或熱壓花部分之曲率半徑之正負號規約，其可用於表徵本發明。
1．．．模具
2．．．邊緣
3．．．凹壓印
10．．．基板
11．．．中心區
12．．．變形部分
14．．．邊緣
16．．．凸曲部分
20．．．光學元件
21．．．凸曲表面

Claims (22)

  1. 一種用於形成一光學元件之方法，其包括如下步驟：提供一成形工具(1)，在其一表面上形成有複數個模壓或熱壓花部分(3；4)，以用於在一基板(10)上模壓或熱壓花具有一光學效應之結構；提供該基板(10)，使得在該基板(10)之一面向該成形工具(1)的表面上形成複數個預成形部分(16；17)，該等預成形部分(16；17)之每一者係相對於該等複數個模壓或熱壓花部分(3；4)之相應一者；將該基板(10)加熱至一高於該基板(10)之一材料之轉變溫度之溫度；及使該成形工具(1)與該基板(10)互相擠壓，從而形成一具有複數個具有一光學效應之結構(21；23；25)之光學元件(20)，其中該具有一光學效應之結構之形狀係由相應之相關模壓或熱壓花部分(3；4)之形狀給定；在該方法中：在該成形工具(1)與該基板(10)互相擠壓時，該基板(10)之該相應預成形部分(16；17)首先在其一中心區(11)處接觸該相關模壓或熱壓花部分(3；4)，從而使一形成於該相應預成形部分(16；17)之一表面與該相關模壓或熱壓花部分(3；4)之一表面之間之縫隙(6)自該中心區(11)朝該相應預成形部分(16；17)之一邊緣(2，14)延伸和展寬，其中該相應預成形部分之一基質與該相關模壓或熱壓花部分之一基質基本上相同，以此在將一相應預 成形部分變形為具有一光學效應之一相應結構時能夠具有一低變形比率。
  2. 根據請求項1之方法，其中該成形工具與該基板(10)之設置方式使得該基板(10)之該相應預成形部分(16；17)與該成形工具(10)之該等相關模壓或熱壓花部分(3；4)界定兩個相應之半空間並且使：r1<r2，其中r1係該相應模壓或熱壓花部分(3；4)之一曲率半徑，若該相應模壓或熱壓花部分之該表面之一曲率中心位於其中佈置有該成形工具(1)之彼半空間內，則其為正，而若該相應模壓或熱壓花部分之該表面之該曲率中心位於另一半空間內，則其為負，及r2係該相關預成形部分(16；17)之一曲率半徑，若該相應預成形部分之該表面之一曲率中心位於其中佈置有該基板(10)之彼半空間內，則其為負，而若該相應預成形部分之該表面之該曲率中心位於另一半空間內，則其為正，其中當該成形工具(1)與該基板(10)互相擠壓時，該相應預成形部分(16；17)因接觸該相關模壓或熱壓花部分(3；4)之一表面而變形，直至該相應預成形部分(16；17)之該曲率半徑(r2)等於該相關模壓或熱壓花部分(3；4)之該曲率半徑，以形成一具有一光學效應之結構。
  3. 根據請求項1或2之方法，其中該成形工具(1)和該基板(10)之設置方式使得該縫隙(6)自該中心區(11)朝該相應 預成形部分(16；17)之一邊緣(2，14)連續展寬。
  4. 根據請求項3之方法，其中該成形工具(1)和該基板(10)之設置方式使得一氣體可朝向該相應預成形部分(16；17)之該邊緣(2，14)逸出該縫隙(6)。
  5. 根據請求項4之方法，其中該成形工具(1)和該基板(10)之設置方式使得至少一個縱向溝道(5)形成於該成形工具(1)和該基板(10)其中之一之一位於該相應模壓或熱壓花部分以外之表面上。
  6. 根據請求項5之方法，其中該成形工具(1)和該基板(10)之設置方式使得一相應縱向溝道(5)與位於該預成形部分(16；17)之該表面與該相關模壓或熱壓花部分(3；4)之該表面之間之至少一個縫隙(6)相連通。
  7. 根據請求項1之方法，其中該成形工具(1)和該基板(10)之設置方式使得該縫隙(6)沿一與該成形工具(1)之一表面相平行之方向展寬。
  8. 根據請求項1之方法，其中該成形工具(1)和該基板(10)之設置方式使得該縫隙(6)沿兩個相互正交且與該成形工具(1)之一表面相平行之方向展寬。
  9. 根據請求項1之方法，其中該成形工具(1)和該基板(10)之設置方式使得該縫隙(6)形成一環形縫隙，該環形縫隙自該中心區(11)沿徑向向外展寬。
  10. 根據請求項1之方法，其中當藉由互相擠壓該成形工具(1)與該基板(10)以形成該光學元件(20)時，該基板(10)實質上不沿一橫向於一壓力施加方向之方向展寬。
  11. 根據請求項1之方法，其中該成形工具(1)和該基板(10)之設置方式使得該等模壓或熱壓花部分(3；4)與該相關預成形部分(16；17)分別形成為該成形工具(1)和該基板(10)之一表面上之一凸起部分或複數個壓印。
  12. 根據請求項11之方法，其中該成形工具(1)和該基板(10)之設置方式使得該等模壓或熱壓花部分(3；4)和該相關預成形部分(16；17)分別形成為該成形工具(1)和該基板(10)之該表面上之凸曲或凹曲部分。
  13. 根據請求項1之方法，其中該成形工具(1)和該基板(10)之設置方式使得該模壓或熱壓花部分(3；4)之一總體積等於該相關預成形部分之一體積或等於該相關預成形部分(16；17)之總體積。
  14. 根據請求項1之方法，其中在將該相應預成形部分(16；17)變形至一具有一光學效應之結構後，該基板(10)之一表面與該成形工具(1)之一表面之間在一邊緣(2，14)處仍保持一空隙。
  15. 根據請求項1之方法，其中該成形工具(1)和該基板(10)之設置方式使得該具有一光學效應之結構和該光學元件(20)為繞射性及/或折射性。
  16. 根據請求項1之方法，其中至少一個預成形部分(16；17)係球面彎曲，且其中至少一個模壓或熱壓花部分3；4)係非球面彎曲或形成為一自由形狀表面，以使至少一個預成形部分(3；4)變形為一非球面彎曲之光學結構或一形同一自由形狀表面之光學結構。
  17. 根據請求項1之方法，其中在該相應預成形部分(16；17)之該表面已變形後，藉由分離其中形成有至少一個光學結構之該基板(10)之子部分而將複數個光學元件分離。
  18. 根據請求項1之方法，其中該成形工具(1)和該基板(10)之設置方式使得該成形工具(1)與該基板(10)之間之一形狀偏差d表示為：d>10 μm且d<(200 μm+D/10)；其中D係該成形工具(1)之一模壓或熱壓花部分(3；4)之一直徑(以微米為單位)。
  19. 一種供一用於形成一光學元件之方法中使用之基板，其中在該基板(10)之一表面上形成複數個預成形部分(16；17)，在該方法中：設置一成形工具(1)，在其一表面上形成複數個模壓或熱壓花部分(2；3；4)，以用於在一基板上模壓或熱壓花具有一光學效應之結構；該基板(10)之設置方式使得在該基板(10)一朝向該成形工具之表面上形成複數個預成形部分；將該基板(10)加熱至一高於該基板之一材料之轉變溫度之溫度；及使該成形工具(1)與該基板(10)互相擠壓，以形成一具有複數個具有一光學效應之結構(21；23；25)之光學元件(20)，其中該具有一光學效應之結構之形狀由該相應相關模壓或熱壓花部分(2；3；4)給出；其中： 當使該成形工具(1)與該基板(10)互相擠壓時，該基板(10)之該相應預成形部分(16；17)首先在其一中心區(11)處接觸該相關模壓或熱壓花部分(3；4)，以使一形成於該相應預成形部分(16；17)之一表面與該相關模壓或熱壓花部分3；4)之一表面之間之縫隙(6)自該中心區(11)朝向該相應預成形部分(16；17)之一邊緣(2，14)延伸和展寬，該基板(10)和該成形工具(1)具有一基本相同之基質，以此在將一相應預成形部分變形為具有一光學效應之一相應結構時能夠具有一低變形比率。
  20. 一種用於形成一光學元件之方法，其包括：提供一成形工具(1)，在其一表面上形成有複數個模壓或熱壓花部分(3)，以用於在一基板上模壓或熱壓花具有一光學效應之結構；提供該基板(10)，使得在該基板(10)之一面向該成形工具的表面上形成至少一預成形部分(16)，該至少一預成形部分(16)係相對於所有模壓或熱壓花部分；將該基板(10)加熱至一高於該基板之一材料之轉變溫度之溫度；及使該成形工具(1)與該基板(10)互相擠壓，從而形成一具有複數個具有一光學效應之結構之光學元件，其中該具有一光學效應之結構之形狀係由相應之相關模壓或熱壓花部分(3)之形狀給定；其中在該成形工具與該基板互相擠壓時，該基板之該相應預成形部分首先在其一中心區處接觸該成形工具， 從而使一形成於該相應預成形部分(16)之一表面與該成形工具(1)之一表面之間之縫隙自該中心區朝該基板之一邊緣延伸和展寬，其中該基板(10)與該成形工具(1)係具備一基本上相同之基質，以此在將一相應預成形部分變形為具有一光學效應之一相應結構時能夠具有一低變形比率。
  21. 根據請求項20之方法，其中當該光學元件係透過該成形工具和該基板(10)互相擠壓形成時，該基板(10)在相對於擠壓應用方向之一橫向方向上基本上不展寬。
  22. 根據請求項21之方法，其中該基板(10)係一平面基板。
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