TWI709761B

TWI709761B - 具有雷射誘發週期表面微結構之光學鏡片

Info

Publication number: TWI709761B
Application number: TW108113034A
Authority: TW
Inventors: 吳昇澈; 吳平田; 蔡彥彬
Original assignee: 上暘光學股份有限公司
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2020-11-11
Also published as: TW202040167A

Abstract

一種具有雷射誘發週期表面微結構之光學鏡片，包含：一光學鏡片，係為一體材質，並具有一表面及相反面之一曲面，並以雷射誘發光學鏡片之曲面，使光學鏡片之曲面形成一雷射誘發週期表面微結構，雷射誘發週期表面微結構之結構排列及結構尺寸，結構排列係為複數結構體呈現週期性排列及結構尺寸係各結構體之間隔在50nm~1000nm及高度在50nm~500nm。

Description

具有雷射誘發週期表面微結構之光學鏡片

本發明係有關一種具有雷射誘發週期表面微結構之光學鏡片，尤指一種在光學鏡片之曲面具有近似週期性的微結構，使此光學鏡片具有疏水性、或親水性、或降低光線入射至光學鏡片之曲面的反射率等功效，此微結構為使用超快雷射光照射於光學鏡片之曲面，或光學鏡片之曲面的薄膜而產生。

按，在光學鏡片表面形成附著材料，再將微奈米結構製作於此附著材料上，通常此附著材料為光敏性、高分子、或是低硬度等易於加工材質，與被附著的光學鏡片材質不同，在實用上的問題，乃於光學鏡片與附著材料的折射率存在差異，光通過此介面時因菲涅爾損失(Fresnel loss)原理，使得穿透能量損失，以及增加不必要的反射光。

次按，關於微奈米結構的製造，通常為應用包括微影、蝕刻等技術，而步驟包含1.將光阻塗佈於曲面；2.在光阻上微影圖形；3.對光阻層進行蝕刻。此方法實施的問題包含：1.將光阻均勻塗佈於曲面不易；2.需製作光罩，且難以在曲面進行精確的微影；3.在曲面實施蝕刻，均勻性控制困難。針對曲面上的實施，也有提出方法，乃採用真空電漿裝置，導入反應氣體，對玻璃表面進行乾式蝕刻，再藉由控制電漿強度以及氣體種類、含量，對基材進行混合物理性及化學性的蝕刻。此方法雖然有機會實施在曲面，但鏡片曲率越大，自頂點往邊緣的蝕刻特性差異越大，同時微奈米結構的排列為隨機，尺寸也不一致，造成鏡片上微奈米結構不均勻分布、光學機能不安定。綜合上述，雖然微影蝕刻方法可在平面基材上製作微奈米結構，但過程繁瑣且實施在曲面上是極為困難的。

緣是，本發明之主要目的，係在提供一種具有雷射誘發週期表面微結構之光學鏡片，藉由適當雷射入射光的能量、偏振方向特性，可在被照射物表面產生近似週期性的微結構，在實務上此加工特性可被控制。被加工物的表面結構，週期特徵可接近或小於雷射波長，配合雷射聚焦、脈衝數、掃描速度、掃描路徑等參數，可在大面積、曲面上製作具功能性的微結構。

本發明之又一目的，係在提供一種具有雷射誘發週期表面微結構之光學鏡片，超快雷射指脈衝時間在10^-15秒等級或更短的雷射。

為達上述目的，本發明所採用之技術手段，包含：一光學鏡片，係為一體材質，並具有一表面及相反面之一曲面，並以雷射誘發該光學鏡片之曲面，使該光學鏡片之曲面形成一雷射誘發週期表面微結構，並可控制該雷射誘發週期表面微結構之結構排列及結構尺寸，該結構排列係為複數結構體呈現週期性排列及該結構尺寸係各該結構體之間隔在50nm~1000nm及高度在50nm~500nm。

依據前揭特徵，該光學鏡片為玻璃或高分子材料其中之一所構成。

依據前揭特徵，該結構體係為錐狀體，該錐狀體係自底部至頂部之截面積由大逐漸小。

依據前揭特徵，該結構體係為蛾眼體，該蛾眼體係自底部至頂部之截面積由大逐漸小。

依據前揭特徵，更包括至少一層薄膜，係披覆在該光學鏡片之曲面上，且該薄膜材質之折射率係匹配該光學鏡片材質之折射率。

依據前揭特徵，該薄膜為金屬、半導體或介電質其中之一所構成。

依據前揭特徵，該薄膜之膜厚為20nm~500nm。

依據前揭特徵，更包括一雷射裝置之雷射參數，該雷射參數具有一雷射脈衝寬參數、一波長參數、一聚焦範圍參數、一雷射重複頻率參數、一掃描速度參數及一能量密度參數，並可調整該雷射參數來控制該雷射誘發週期表面微結構之結構排列及結構尺寸。

依據前揭特徵，該雷射脈衝寬參數為1fs~100ps、該波長參數為300nm~1500nm、該聚焦範圍參數為1um~500um、該雷射重複頻率參數為1Hz~10MHz、該掃描速度參數為40um/s~5m/s及該能量密度參數為0.01J/cm²~50J/cm²。

依據前揭特徵，該雷射脈衝寬參數為20fs~2000fs、該波長參數為300nm~1500nm、該聚焦範圍參數為1um~500um、該雷射重複頻率參數為1Hz~3MHz、該掃描速度參數為40um/s~5m/s及該能量密度參數為50mJ/cm²~3000mJ/cm²。

依據前揭特徵，該光學鏡片為玻璃材料，配合該雷射脈衝寬參數為100fs、該波長參數為800nm、該聚焦範圍參數為80um、該雷射重複頻率參數為62Hz、該掃描速度參數為160um/s及該能量密度參數為995mJ/cm²。

依據前揭特徵，更包括至少一層薄膜，係披覆在該光學鏡片之曲面上，且該薄膜材質之折射率係匹配該光學鏡片材質之折射率，該薄膜為氧化銦錫材質與該薄膜之膜厚為180nm，配合該雷射脈衝寬參數為100fs、該波長參數為800nm、該聚焦範圍參數為15um、該雷射重複頻率參數為2000Hz、該掃描速度參數為40um/s及該能量密度參數為190mJ/cm²~230mJ/cm²。

藉助上揭技術手段，利用超快雷射照射於該光學鏡片之曲面，在該光學鏡片之曲面產生近似週期性的微結構，也可在該光學鏡片之曲面先披覆一層或多層薄膜，該薄膜材質可為金屬、半導體或介電質，再利用超快雷射照射於該薄膜，在該薄膜產生近似週期性的微結構。藉由適切的雷射加工參數，可控制微結構之外型、間隔，滿足親水、疏水或是降低反射率等機能，配合掃描照射，可實現大面積、曲面，且快速地製作奈米結構。

a~c:步驟

10:光學鏡片

101:表面

102:曲面

11:薄膜

20:雷射裝置

21:雷射參數

211:雷射脈衝寬參數

212:波長參數

213:聚焦範圍參數

214:雷射重複頻率參數

215:掃描速度參數

216:能量密度參數

30:雷射誘發週期表面微結構

301:底部

302:頂部

31:結構體

D:間隔

H:高度

B:基底

L:雷射光

圖1係本發明之流程圖。

圖2A係本發明雷射裝置誘發光學鏡片之曲面之示意圖。

圖2B係本發明雷射誘發週期表面微結構之局部示意圖。

圖2C係本發明雷射誘發週期表面微結構之另一局部示意圖。

圖2D係本發明雷射誘發週期表面微結構之電子顯微鏡俯視圖。

圖2E係本發明雷射誘發週期表面微結構之反射率曲線圖。

圖3A係本發明另一較佳實施例之雷射裝置誘發光學鏡片之曲面之示意圖。

圖3B係本發明另一較佳實施例之雷射誘發週期表面微結構之局部示意圖。

圖3C係本發明另一較佳實施例之雷射誘發週期表面微結構之另一局部示意圖。

圖3D係本發明另一較佳實施例之雷射誘發週期表面微結構之電子顯微鏡俯視圖。

圖3E係本發明另一較佳實施例之雷射誘發週期表面微結構之另一電子顯微鏡俯視圖。

圖3F係本發明另一較佳實施例之雷射誘發週期表面微結構之又一電子顯微鏡俯視圖。

圖3G係本發明另一較佳實施例之雷射誘發週期表面微結構之再一電子顯微鏡俯視圖。

圖3H係本發明另一較佳實施例之雷射誘發週期表面微結構之反射率曲線圖。

首先，請參閱圖1所示之流程圖，本發明一種具有雷射誘發週期表面微結構之光學鏡片，係包含下列步驟所完成：a).製作一體材質之光學鏡片10，該光學鏡片10具有一表面101及相反面之一曲面102；b).調整一雷射裝置20之雷射參數21，該雷射參數21具有一雷射脈衝寬參數211、一波長參數212、一聚焦範圍參數213、一雷射重複頻率參數214、一掃描速度參數215及一能量密度參數216，並以雷射誘發該光學鏡片10之曲面102，使該光學鏡片之曲面102形成一雷射誘發週期表面微結構(Laser Induced Periodic Surface Structure,LIPSS)30；以及c).控制該雷射誘發週期表面微結構30之結構排列及結構尺寸，該結構排列係為複數結構體31呈現週期性排列及該結構尺寸係各該結構體31之間隔(D)在50nm~1000nm或50nm~300nm及高度(H)在50nm~500nm。

承上，藉由上述之步驟所完成之物，包含：一光學鏡片10，係為一體材質，並具有一表面101及相反面之一曲面102，並以雷射誘發該光學鏡片10之曲面102，使該光學鏡片10之曲面102形成一雷射誘發週期表面微結構30，該雷射誘發週期表面微結構30之結構排列及結構尺寸，該結構排列係為複數結構體31呈現週期性排列及該結構尺寸係各該結構體31之間隔(D)在50nm~1000nm及高度(H)在50nm~500nm。

承上，在一最佳實施例中，該雷射脈衝寬參數211為1fs~100ps、該波長參數212為300nm~1500nm、該聚焦範圍參數213為1um~500um、該雷射重複頻率參數214為1Hz~10MHz、該掃描速度參數215為40um/s~5m/s及該能量密度參數216為0.01J/cm²~50J/cm²，另一最佳實施例中，該雷射脈衝寬參數211為20fs~2000fs、該波長參數212為300nm~1500nm、該聚焦範圍參數213為1um~500um、該雷射重複頻率參數214為1Hz~3MHz、該掃描速度參數215為40um/s~5m/s及該能量密度參數216為50mJ/cm²~3000mJ/cm²，但不以此為限。

進一步，該光學鏡片10為玻璃或高分子材料其中之一所構成，而在第一實施例中，如圖2A所示，該光學鏡片10為玻璃材料，如BK7玻璃等，配合該雷射裝置20之雷射參數21，而該雷射脈衝寬參數211為100fs、該波長參數212為800nm、該聚焦範圍參數213為80um、該雷射重複頻率參數214為62Hz、該掃描速度參數215為160um/s及該能量密度參數216為995mJ/cm²，經由雷射光(L)誘發該光學鏡片10之曲面102，如圖2B所示，該結構體31係為錐狀體，該錐狀體係自底部301至頂部302之截面積由大逐漸小，或如圖2C所示，該結構體31係為蛾眼體，該蛾眼體係自底部301至頂部302之截面積由大逐漸小，但不以此為限。

承上，如圖2D所示，透過電子顯微鏡可微觀該雷射誘發週期表面微結構30的形貌；圖2E所示，量測該光學鏡片10之曲面102未雷射誘發與雷射誘發的光學反射率之比較，亦該光學鏡片10之曲面102經雷射誘發處理，而可有效降低光學反射率，達到降低光學元件表面反光，消除鏡頭內部雜光之目的。

進一步，更可包括至少一層薄膜11，係披覆在該光學鏡片10之曲面102上，且該薄膜11材質之折射率係匹配該光學鏡片10材質之折射率，除此之外，該薄膜11之膜厚為20nm~500nm或20nm~300nm，且該薄膜11為金屬、半導體或介電質其中之一所構成，而在第二實施例中，如圖3A所示，該薄膜11為氧化銦錫材質與該薄膜11之膜厚為180nm，配合該雷射裝置20之雷射參數21，而該雷射脈衝寬參數211為100fs、該波長參數212為800nm、該聚焦範圍參數213為15um、該雷射重複頻率參數214為2000Hz，該掃描速度參數215為40um/s及該能量密度參數216為190mJ/cm²~230mJ/cm²，經由雷射光(L)誘發該薄膜11，如圖3B所示，該結構體31係為錐狀體，該錐狀體係自底部301至頂部302之截面積由大逐漸小，或如圖3C所示，該結構體31係為蛾眼體，該蛾眼體係自底部301至頂部302之截面積由大逐漸小，但不以此為限。

承上，如圖3D、3E、3F及3G所示，雷射的偏振為水平方向，而分別在不同雷射能量密度參數為223mJ/cm²、212mJ/cm²、202mJ/cm²、191mJ/cm²掃描後，並透過電子顯微鏡可微觀該雷射誘發週期表面微結構30的形貌；圖3H所示，量測該薄膜11未雷射誘發與雷射誘發的光學反射率之比較，亦該薄膜11經雷射誘發處理，而可有效降低光學反射率，達到降低光學元件表面反光，消除鏡頭內部雜光之目的。

在上述第一及二實施例中，該錐狀體可藉由尺寸的控制，使外來水滴或髒汙接觸於該頂部302，因而減少接觸面積，達成疏水、自潔特性；或可藉由尺寸的控制，使外來水滴滲入該錐狀體之間隔(D)中，因而增加表面接觸面積，達到表面親水特性。

基於如此之構成，該光學鏡片10之曲面102形成該雷射誘發週期表面微結構30，而該光學鏡片之表面101與該雷射誘發週期表面微結構30之間形成一基底(B)，其優點如下所述：

1.該雷射誘發週期表面微結構30與該基底(B)為一體材質，折射率可由空氣漸變至該光學鏡片10，而避免菲涅耳損失，減少不必要反射光的產生。在鏡頭的應用中，可藉此減少畫面中雜光。

2.若先在該光學鏡片10之曲面102披覆一層或多層薄膜11，該薄膜11可選擇與該基底(B)接近折射率之材質，降低菲涅耳損失。

3.傳統製作微結構製程難以在曲面上實施。雷射光(L)則可藉由掃描路徑規劃、調整聚焦位置等方法，直接在曲面上實施大面積近似週期性微結構加工。

4.傳統微影製程須透過製作光罩、微影、蝕刻，每個階段皆須妥善控制品質以滿足最終微奈米結構的形狀，製造過程繁瑣。而雷射加工，可直接由雷射製程參數控制加工成品之微結構形狀，無需使用光阻、蝕刻液等化學藥劑，幾乎不產生廢棄物，製程簡易且環保。

綜上所述，本發明所揭示之技術手段，確具「新穎性」、「進步性」及「可供產業利用」等發明專利要件，祈請鈞局惠賜專利，以勵創作，無任德感。

惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之較佳實施例，大凡熟悉此項技藝人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。