TWI606919B - 微透鏡陣列結構的製作方法以及微透鏡陣列結構其模具的製作方法 - Google Patents

Description

微透鏡陣列結構的製作方法以及微透鏡陣列結構其模具的製作方法

本發明係關於一種微透鏡陣列結構的製作方法以及微透鏡陣列結構其模具的製作方法，特別是關於一種運用薄膜形變技術之微透鏡陣列結構的製作方法以及微透鏡陣列結構其模具的製作方法。

微透鏡陣列結構是一個相當重要的微光學元件，而微光學元件是製造小型光電子系統的關鍵元件可增強光線強度聚焦等，且具有體積小、質量輕、成本低等優點，並實現微小、陣列、成像的變化等功能，故期望能降低成本快速生產，而有完整的透光度與精確度，而將微透鏡陣列廣泛運用。

傳統之微透鏡陣列結構具有多種製造方法。一般而言，這些製造方法多是以微影製程製作模具。然而，以微影製程製作模具會有成本較高與尺寸難以控制的問題。尤其是，當微透鏡陣列結構須要具有多種透鏡曲率時，其加工及製程難度係大幅提高，且整體製程亦不穩定。因此，如何改善是一重要課題。

本發明之一目的係在提供一種微透鏡陣列結構的製作方法，其具低成本、尺寸易控制與以及方便快速修改結構之優點。

本發明之另一目的係在提供一種微透鏡陣列結構其模具的製作方法，其具低成本、尺寸易控制與以及方便快速修改結構之優點。

為達成上述之目的，本發明提供一種微透鏡陣列結構的製作方法，其包括下述步驟：以一精密機械加工製作一第一模具；於該第一模具成型一撓性體，該撓性體具有一本體、多個凹部以及連通該些凹部之一通道，其中該些凹部以及該通道形成於該本體，且該些凹部使該本體之一側形成一薄膜層陣列組合；將該撓性體與一基板結合，其中該薄膜層陣列組合與該基板間構成多個腔室，其中該些腔室具有一預定壓力；於該薄膜層陣列組合上形成一可固化材料層；使該撓性體與該基板之組合的外部壓力不同於該預定壓力，驅使該薄膜層陣列組合形變，而具有一變形面；固化該薄膜層陣列組合上之該可固化材料層；移除該撓性體與該基板之組合，而固化後之該可固化材料層係具該變形面；以及以具該變形面之固化後的該可固化材料層為一第二模具，並於該第二模具成型該微透鏡陣列結構，其中該微透鏡陣列結構具有該變形面。

本發明再提供一種微透鏡陣列結構其模具的製作方法，包括：以一精密機械加工製作一第一模具；於該第一模具成型一撓性體，該撓性體具有一本體、多個凹部以及連通該些凹部之一通道，其中該些凹部以及該通道形成於該本體，且該些凹部使該本體之一側形成一薄膜層陣列組合；將該撓性體與一基板結合，其中該薄膜層陣列組合與該基板間構成多個腔室，其中該些腔室具有一預定壓力；於該薄膜層陣列組合上形成一可固化材料層；使該撓性體與該基板之組合的外部壓力不同於該預定壓力，驅使該薄膜層陣列組合形變，而具有一變形面；固化該薄膜層陣列組合上之該可固化材料層；以及移除該撓性體 與該基板之組合，而固化後之該可固化材料層係具該變形面，以形成該微透鏡陣列結構之模具。

根據本發明之一實施例，該精密機械加工係銑削加工或是放電加工。

根據本發明之一實施例，該第一模具的製作方法包括：提供一模體；以及於該模體之表面進行該精密機械加工，以形成該第一模具。

根據本發明之一實施例，該模體之材質為聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethy Mathacrylate,PMMA)。

根據本發明之一實施例，該基板之材質為聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethy Mathacrylate,PMMA)或聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)，該基板為電子晶片(wafer)，該撓性體之材質為可撓性高分子材料或是聚二甲基矽氧烷(Poly-Dimethyl Siloxane,PDMS)，而該可固化材料層之材質為光固化膠。

根據本發明之一實施例，使該撓性體與該基板之組合的外部壓力不同於該預定壓力之方法包括：於該通道灌輸流體以產生該預定壓力。

根據本發明之一實施例，該些凹部具有不同的尺寸，使得該些腔室具有不同的空間大小，且該薄膜層陣列組合具有多個薄膜層，該些薄膜層具有不同的厚度。

根據本發明之一實施例，在該撓性體與該基板之組合的外部壓力不同於該預定壓力時，該些薄膜層具有不同的之形變量。

根據本發明之一實施例，微透鏡陣列結構其模具的製作方法更包括於該第二模具上形成一金屬層。

根據本發明之一實施例，該通道連通部分該些凹部，另一通道連通其他部分之該些凹部，該些通道彼此不相通，且具有不同之該預定壓力，而該薄膜層陣列組合具有至少二種薄膜層陣列結構。

根據本發明之一實施例，精密機械加工係以是鑽石刀車削或是铣削。

根據本發明之一實施例，第一模具是以化學加工進行製作。

基於上述，本發明是利用控制薄膜形變之技術來使驅使該薄膜層陣列組合形變，而具有一變形面。詳細地說，本發明可以於該通道灌輸流體以產生該預定壓力，進而使該撓性體與該基板之組合的外部壓力不同於該預定壓力，以在後續製程中製作出具多種透鏡曲率之微透鏡陣列結構。

此外，本發明亦可應用精密機械加工來取代成本較高、製程較複雜、且時間較長的黃光微影製程，以製造出微透鏡陣列結構。如此一來，本發明即具有較佳效率之微透鏡陣列結構的製作方法以及較低之製作成本。另一方面，由於本發明之微透鏡陣列結構的製作方法以及微透鏡陣列結構其模具的製作方法係較為簡易，因此亦具有較佳之製程穩定性。

再者，在藉由第一模具來成型之撓性體中，由於其薄膜層陣列組合具有多個薄膜層，且該些薄膜層具有不同的厚度，因此在微透鏡陣列結構須要具有多種透鏡曲率時，即可藉由控制讓這些不同的厚度的薄膜層在同一壓力環境下產生不同程度之曲度形變，進而在後續製程中製作出具多種透鏡曲率之微透鏡陣列結構。

相較於習知技術無法有效控制具多種透鏡曲率之微透鏡陣列結構製程，亦或是應用複雜且加工難度高之技術，本發明係應用控制薄膜形變之技術以及應用精密機械加工技術來快速穩定地製作出低成本之微透鏡陣列結構以及低成本之微透鏡陣列結構之模具。

210‧‧‧第一模具

220‧‧‧撓性體

221‧‧‧本體

221a‧‧‧本體之一側

222、222’‧‧‧凹部

223、223’‧‧‧通道

224、224’‧‧‧薄膜層陣列組合

225‧‧‧腔室

230‧‧‧基板

240‧‧‧可固化材料層

250‧‧‧微透鏡陣列結構

S‧‧‧變形面

S110-S180‧‧‧步驟

圖1繪示本發明一實施例之微透鏡陣列結構的製作流程圖。

圖2A至圖2H繪示圖1之微透鏡陣列結構的流程剖視圖。

圖3繪示本發明另一實施例之撓性體與基板之組合的剖視圖。

為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉較佳具體實施例說明如下。

圖1係繪示本發明一實施例之微透鏡陣列結構的製作流程圖，圖2A至圖2H繪示圖1之微透鏡陣列結構的流程剖視圖，其中在參考圖1的同時，請同時參考圖2A至圖2H。本實施例之微透鏡陣列結構的製作方法包括下列步驟。首先，如步驟S110以及圖2A所示，製作一第一模具210。在本實施例中，製作第一模具210之方法例如為精密機械加工或是化學加工。精密機械加工例如是超精密加工技術，其可以是鑽石刀車削或是铣削。化學加工例如是反應式離子蝕刻(reactive-ion etching or deep reactive-ion etching)。當第一模具210的製作方法為精密機械加工時，第一模具210的製作方法例如是預先提供一模體，並於模體之表面進行精密機械加工，以形成第一模具210。在一較佳實施例中，精密機械加工例如是銑削加工或是放電加工。此外，上述模體之材質例如是可依據精密機械加工之製程來選定，本發明在此不做任何限制。在本實施例中，模體之材質例如為聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethy Mathacrylate,PMMA)。

接著，如步驟S120-S130以及圖2B所示，於第一模具210成型具有一薄膜層陣列組合224之一撓性體220(步驟S120)，並將撓性體220與一基板230結合，以構成具一預定壓力之多個腔室(步驟S130)。詳細地說，本實施例之撓性體220例如具有一本體221、多個凹部222以及連通這些凹部222之一通道223，其中這些凹部222以及通道223形成於本體221，而這些凹部222即使得本體221之一側 221a形成有薄膜層陣列組合224。此外，撓性體220與基板230結合之後，薄膜層陣列組合224與基板230間即構成多個具有預定壓力之腔室225。在本實施例中，撓性體220之材質例如為可撓性高分子材料，其例如是聚二甲基矽氧烷(Poly-Dimethyl Siloxane,PDMS)。此外，基板230之材質例如是聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethy Mathacrylate,PMMA)或是聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)，基板230亦可以是任何形式之電子晶片(wafer)，本發明在此並不作限制。

接著，如步驟S140-S160以及圖2C(或圖2D)所示，於薄膜層陣列組合224上形成一可固化材料層240(步驟S140)，並使撓性體220與基板230之組合的外部壓力不同於腔室225之預定壓力(步驟S150)，進而驅使薄膜層陣列組合224形變，以具有一變形面S，接著再固化薄膜層陣列組合224上之可固化材料層240(步驟S160)。其中，在圖2C中，撓性體220與基板230之組合的外部壓力係小於腔室225之預定壓力，因此固化薄膜層陣列組合224會產生凸變形。相反地，在圖2D中，撓性體220與基板230之組合的外部壓力係大於腔室225之預定壓力，因此固化薄膜層陣列組合224會產生凹變形。無論薄膜層陣列組合224產生凸變形或是凹變形，均可讓可固化材料層240於具變形面S之狀態下進行固化。在一較佳實施例中，使撓性體220與基板230之組合的外部壓力不同於預定壓力之方法包括：於通道223灌輸流體以產生該預定壓力，讓該預定壓力與環境壓力不同。

此外，雖上述之實施方式係先進行步驟S140(於薄膜層陣列組合224上形成一可固化材料層240)，再進行步驟S150(使撓性體220與基板230之組合的外部壓力不同於腔室225之預定壓力)，然而，在其他較佳實施例中，亦可先進行步驟S150(使撓性體220與基板230之組合的外部壓力不同於腔室225之預定壓力)，再進行步驟S140(於薄膜層陣列組合224上形成一可固化材料層240)。本發明在此對步驟S140以及步驟S150之實施順序並不作任何限制。此外，在本實施例中，可固化材料層240之材質例如為光固化膠(或樹脂)，其可為一UV固化膠。

在進行步驟S140-S160之後，接著如步驟S170以及圖2E(或圖2F)所示，移除撓性體220與基板230之組合。亦即，本實施例之微透鏡陣列結構的製作方法進行一脫模程序，而在脫模程序之後，固化後之可固化材料層240即具變形面S，固化後之可固化材料層240即是微透鏡陣列結構之製作模具。其中，圖2E所示之可固化材料層240係對應圖2C所示的撓性體220與基板230之組合所產生，而圖2F所示之可固化材料層240係對應圖2D所示的撓性體220與基板230之組合所產生。

最後，如步驟S180以及圖2G(或圖2H)所示，以上述具變形面S之固化後的可固化材料層240為一第二模具，並於第二模具成型微透鏡陣列結構250，而微透鏡陣列結構250即具有變形面S。其中，圖2G所示之微透鏡陣列結構250係對應圖2E所示的可固化材料層240(第二模具)所生成，而圖2H所示之微透鏡陣列結構250係對應圖2F所示的可固化材料層240(第二模具)所生成。

特別的是，在本實施例中，上述這些凹部222係可依據微透鏡陣列結構之透鏡尺寸與配置位置而具有不同的尺寸與配置設計。依據微透鏡陣列結構之透鏡尺寸設計會連帶地使得這些腔室225具有不同的空間大小。另一方面，本實施例之薄膜層陣列組合224例如是由多個薄膜層所構成，以達到後續之透鏡陣列的製作。其中，這些薄膜層係可依據微透鏡陣列之透鏡曲率需求而有不同的曲率設計。簡單地說，當微透鏡陣列結構中之多個透鏡曲率均要求一致時，這些薄膜層係可具有相同的厚度。因此，在撓性體220與基板230之組合的外部壓力不同於腔室225之預定壓力時，這些薄膜層之形變量係一致，後續即可製作出變形面S之曲率皆一致之透鏡陣列。

另一方面，在一較佳實施例中，這些薄膜層係亦可設計有不同的厚度。因此，在撓性體220與基板230之組合的外部壓力不同於腔室225之預定壓力時，由於這些薄膜層係具有不同的厚度，即使在同一壓力差之環境下，這些薄 膜層之形變量亦不一致。故而，在後續所製作出之透鏡陣列中，每一變形面S的曲率係不一致。關於上述壓力差之控制，本發明例如是在通道之入口端接上注射幫浦(未繪示)，並於通道之出口端接上壓力感測器(未繪示)，因此即可藉由控制腔室之壓力變化來改變薄膜層的形狀，以形成例如是如球面、非球面或是各式形狀。

值得一提的是，上述多個薄膜層之成形厚度係依據步驟S110以及圖2A所示之第一模具210的設計。由於本發明之第一模具210係藉由精密機械加工之方式來製作，所以第一模具210係具有較簡易之製作流程以及較佳之製作效率，並能有效地控制薄膜層之成形位置及態樣，進而讓後續之微透鏡陣列結構在製作上或是微透鏡陣列結構其模具(第二模具)的製作上可以利用此設計，將不同尺寸、不同曲度、不同位置的微透鏡同時製作並組合在同一基材上，進而翻製多樣化的微透鏡陣列，同時亦能有較佳之製程穩定性。

在本發明之一實施例中，亦可於第二模具上形成一金屬層(未繪示)。進一步地說，本發明可於材質例如是光固化膠(樹脂)之第二模具上鍍上一層金屬，再利用電鍍技術來製作工業上量產所需之金屬模具，進而來大量生產微透鏡陣列結構。

再進一步地說，於步驟S120中，本實施例例如是將可撓性高分子材料注入第一模具210中，再進行例如是加熱製程來使可撓性高分子材料固化。其在脫模後即與例如是電子晶片(wafer)之基板230結合。換言之，本發明即是藉由精密機械加工來製作具微流道之晶片，前述微流道即是由本文前述之凹部222以及連通凹部222之通道223所構成。經由於微流道之上層設置例如是可撓性高分子之晶片材料，並利用微流道之壓力變化(氣壓或液壓)來使例如是可撓性高分子之晶片材料產生變形，再接著結合一上蓋進行二次翻模，以於後續製程製作各式形狀(例如是球狀或非球狀)之透鏡。其中，此二次翻模的模具即是本文所述之 第二模具，可於其鍍一層金屬材料，以作為往後量產之金屬模具，並利用例如是射出成形、滾壓成型等技術來大量生產微透鏡陣列。

在一較佳實施例中(如圖3所示，其繪示本發明另一實施例之撓性體與基板之組合的剖視圖)，通道223係僅連通部分凹部222，而係有另一通道223’來連通其他部分之凹部222’。其中，通道223與通道223’例如是彼此不相通，且例如可設定具有不同之預定壓力。在對應凹部222以及凹部222’之區域上，薄膜層陣列組合224即具有至少二種薄膜層陣列結構224、224’。因此，在使撓性體與基板之組合的外部壓力不同於通道223與通道223’之預定壓力時，薄膜層陣列組合224、224’即會有不同的形變態樣產生，進而讓微透鏡陣列結構的製作方法以及微透鏡陣列結構其模具的製作方法有更多元之變化性。

綜上所述，本發明是利用控制薄膜形變之技術來使驅使該薄膜層陣列組合形變，而具有一變形面。詳細地說，本發明可以於該通道灌輸流體以產生該預定壓力，進而使該撓性體與該基板之組合的外部壓力不同於該預定壓力，以在後續製程中製作出具多種透鏡曲率之微透鏡陣列結構。

此外，本發明亦可應用精密機械加工來取代成本較高、製程較複雜、且時間較長的習知製程，以製造出微透鏡陣列結構。換言之，本發明即具有高效率、低成本、尺寸易控制與以及方便快速修改結構之優點。另一方面，由於本發明之微透鏡陣列結構的製作方法以及微透鏡陣列結構其模具的製作方法係較為簡易，因此亦具有較佳之製程穩定性。另一方面，本發明之設計係可簡易地讓薄膜層陣列組合中之多個薄膜層具有不同的厚度或是尺寸態樣，因此在微透鏡陣列結構須要具有多種透鏡曲率或是透鏡規格時，即可藉由控制讓這些不同的厚度的薄膜層在同一壓力環境下產生不同程度之曲度形變，進而在後續製程中製作出具多種透鏡曲率之微透鏡陣列結構。

相較於習知技術無法有效控制具多種透鏡曲率之微透鏡陣列結構製程，亦或是應用應用複雜且加工難度高之技術，本發明係應用控制薄膜形變之技術以及應用精密機械加工技術來快速穩定地製作出低成本之微透鏡陣列結構。

本發明無論就目的、手段及功效，在在均顯示其迥異於習知技術之特徵，為一大突破。惟須注意，上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明之範圍。任何熟於此項技藝之人士均可在不違背本發明之技術原理及精神下，對實施例作修改與變化。本發明之權利保護範圍應如後述之申請專利範圍所述。

S110-S180‧‧‧步驟

Claims (13)

1. 一種微透鏡陣列結構的製作方法，包括：製作一第一模具；於該第一模具成型一撓性體，該撓性體具有一本體、多個凹部以及連通該些凹部之一通道，其中該些凹部以及該通道形成於該本體，且該些凹部使該本體之一側形成一薄膜層陣列組合；將該撓性體與一基板結合，其中該薄膜層陣列組合與該基板間構成多個腔室，其中該些腔室具有一預定壓力；於該薄膜層陣列組合上形成一可固化材料層；使該撓性體與該基板之組合的外部壓力不同於該預定壓力，驅使該薄膜層陣列組合形變，而具有一變形面；固化該薄膜層陣列組合上之該可固化材料層；移除該撓性體與該基板之組合，而固化後之該可固化材料層係具該變形面；以及以具該變形面之固化後的該可固化材料層為一第二模具，並於該第二模具成型該微透鏡陣列結構，其中該微透鏡陣列結構具有該變形面。
2. 一種微透鏡陣列結構其模具的製作方法，包括：製作一第一模具；於該第一模具成型一撓性體，該撓性體具有一本體、多個凹部以及連通該些凹部之一通道，其中該些凹部以及該通道形成於該本體，且該些凹部使該本體之一側形成一薄膜層陣列組合；將該撓性體與一基板結合，其中該薄膜層陣列組合與該基板間構成多個腔室，其中該些腔室具有一預定壓力； 於該薄膜層陣列組合上形成一可固化材料層；使該撓性體與該基板之組合的外部壓力不同於該預定壓力，驅使該薄膜層陣列組合形變，而具有一變形面；固化該薄膜層陣列組合上之該可固化材料層；以及移除該撓性體與該基板之組合，而固化後之該可固化材料層係具該變形面，以形成該微透鏡陣列結構之模具。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該第一模具是以銑削加工或是放電加工進行製作。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該第一模具的製作方法包括：提供一模體；以及於該模體之表面進行該精密機械加工，以形成該第一模具。
5. 如申請專利範圍第4項所述之製作方法，其中該模體之材質為聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethy Mathacrylate,PMMA)。
6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該基板之材質為聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethy Mathacrylate,PMMA)或聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)，該撓性體之材質為聚二甲基矽氧烷(Poly-Dimethyl Siloxane,PDMS)，而該可固化材料層之材質為光固化膠。
7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中使該撓性體與該基板之組台的外部壓力不同於該預定壓力之方法包括：於該通道灌輸流體以產生該預定壓力。
8. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該些凹部具有不同的尺寸，使得該些腔室具有不同的空間大小，且該薄膜層陣列組合具有多個薄膜層，該些薄膜層具有不同的厚度。
9. 如申請專利範圍第8項所述之製作方法，其中在該撓性體與該基板之組合的外部壓力不同於該預定壓力時，該些薄膜層具有不同的之形變量。
10. 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，更包括於該第二模具上形成一金屬層。
11. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該通道連通部分該些凹部，另一通道連通其他部分之該些凹部，該些通道彼此不相通，且具有不同之該預定壓力，而該薄膜層陣列組合具有至少二種薄膜層陣列結構。
12. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該第一模具是以鑽石刀車削或是铣削進行製作。
13. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該第一模具是以化學加工進行製作。