有高聚焦效率的微透镜阵列制造技术

本发明专利技术提供了一种有高聚焦效率的微透镜阵列（１０５）。高聚焦效率是通过精确制造单个微透镜并以高填充因子组成阵列的方式实现的。正微透镜阵列是通过使用激光直接写入方法在正光致抗蚀剂（２１）上形成有凹表面起伏图形（１０１）的母板制造的。通过这种方法，与所要求的微透镜外形与有限激光束关联的卷积问题得以解决。本发明专利技术的微透镜阵列的聚焦效率至少为７５％。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
I.专利
本专利技术涉及有高聚焦效率的微透镜阵列，也涉及制备这种阵列的方法。本专利技术可用于将激光有效聚焦到光纤，光漫射器和在其它应用中控制投射和透射显示器的相干或不相干光的散射。II.定义这里使用下面的定义“微透镜阵列”是一微透镜的阵列，与单一单元阵列相关，有一个与每一单一单元相关的微透镜。本专利技术的微透镜可以有任何要求的结构，能够在例如受让的美国专利申请No.60/222033中公开的支撑“活塞”上形成，该专利申请是在2000年7月31日以G.Michael Morris和Tasso R.M的名义申请的，名称是“为控制光扩展的结构屏(Structured Screens for ControlledSpreading of Light)”，其全部内容在这里引为参考。因此，正如在这里所使用的，术语“微透镜”意指是能聚焦光的任何微结构。“填充因子”微透镜阵列的填充因子是微透镜占据的单一单元面积之和与单一单元面积的总和之比。“聚焦效率”微透镜阵列的聚焦效率是对基本上空间不相干的准直光源，例如准直白光源沿其光轴入射到阵列上，在微透镜焦点上测得的光强度的总和除以入射到阵列的单一单元上的光强度之和。正如本专业技术人员会认识到的那样，这是聚焦效率的Strehl型定义。由于凹的微透镜会有虚焦点(例如空气中的一个平-凹微透镜会有一负的放大率和因此有一准直光的虚焦点)，这种情况需要一附属的光学系统用来产生其强度能度量的实焦点。至少在一定程度上，附属光学系统会减小实焦点上的强度，这种减小在测定虚焦点的强度值时，应予考虑。在变形微透镜情况下，微透镜的每个焦点上的光强度包括在测得的光强度总和中。III.
技术介绍
许多应用中需要微透镜，例如从激光器到光纤的光耦合，它既可以是单一透镜的形式也可以阵列形式，依靠微透镜，几个光束被聚焦到几根光纤中。其它重要的应用包括光漫射器和屏。根据不同应用，需要能控制聚焦特性的精确外形的微透镜，或者在一阵列的情况下，要求阵列中的大多数透镜有高质量。为了有效地聚焦光，透镜的外形(或者垂度函数)必须精确地制造，其典型精度等于或大于例如λ/4，这里λ是入射光源的波长。此外，特别对高密度耦合、漫射或屏应用来说，微透镜利用整个表面聚焦常常是重要的。以这一方式，基本上所有入射光能被阵列所控制。当全部有用的表面积用来聚焦时，就说阵列具有100％填充因子。紧密压缩的微透镜意味着填充因子等于100％，也表示相邻微透镜之间的内边界是紧密接触的。紧密压缩的简单例子是一六角形的阵列。其它排列方式，例如方形阵列，也是紧密压缩的。在科学文献和专利文献中看到的微透镜阵列，填充因子低于100％是很常见的。图1表示的一种阵列，在这阵列中，微透镜12规则地排列在可用的基板面积11上，每一微透镜之间都留有空隙。图1的阵列的每一个单元用虚线13示出，这种阵列的填充因子仅44％。有几种现在的方法制备分开的微透镜单元或微透镜阵列，它们的边界完全分开以使其边界避免了紧密接触。因为在相邻透镜的内边界之间有一有限的距离，这种阵列的填充因子一定小于1(100％)。由于这些方法不能精确地保持微透镜的边界，特别对小的强聚焦透镜，因此，难以用已有的工艺得到紧密压缩的透镜阵列。使用热变形的方法，像在美国专利No.5,324,623中所揭示的，这种方法基于体积弛豫，因此不能控制在微透镜之间内边界上材料的熔化。而随着材料的熔化，就有使聚焦能力降低的畸变。热形变的方法实施起来是简单的，但对控制单个微透镜结构却受到限制。另一种方法，像美国专利5,300,623中所描述的，包括制作机械模子，这模子限定了可固化液体的容器。液体被注入到容器中，自然的表面张力产生一弓状的表面，可用作微透镜。这种有各种容器形状的模子限定了阵列的类型。由于这种方法对控制微透镜单元形状固有的限制，其效率对通常的应用来说不能达到最大。基于直接制作单个微透镜的其它机械方法，诸如金刚石车削，则更适于制作单个微透镜而不是制作阵列。基于制作渐变折射率阵列的离子扩散工艺的方法，诸如美国专利No.5,867,321所描述的，不能提供100％的填充因子，二个相邻的微透镜之间的区域一般是微透镜重复间隔的20％。由于固有的缓慢扩散过程，渐变折射率阵列对大规模制造来说存在重大限制。使用的光致抗蚀剂上直接激光写入方法制造微透镜阵列的工艺是众所周知的。参见普通受让的PCT专利，公开号NO.WO99/64929、Galt等人递交、美国专利NO.4,464,030以及微光学元件、系统和应用(Micro-opticsElements，Systems and applications)，Hans P.Herzig，ed.，Taylor & Francis，Bristol，PA，1997，pp53-152。这一工艺中选择的光致抗蚀剂是正的光致抗蚀剂，这是因为与负的光致抗蚀剂相比较，正的光致抗蚀剂使用得更广泛，光致抗蚀剂制造厂商投入的研发工作更多，而且一般来说有更高的分辨率。但正如下面详细讨论的，在本专利技术以前，使用正的光致抗蚀剂，不可能制作有高填充因子、高聚焦效率的正微透镜阵列。本专利技术通过提供制备有高聚焦效率的微透镜阵列的方法解决已有技术的困难，该方法通过制造高填充因子的精密微透镜来实现。阵列可以以任何方式排列，如正方形、六角形或任意形状的。此外，该方法还允许制造任意形状的微透镜以及在不同方向上改变聚焦功率(变形透镜)。IV.
技术实现思路
鉴于前面的陈述，本专利技术的目的包括了至少下述的某些目的，最好是包括下述的全部目的(1)提供有高聚焦效率的微凸透镜阵列的制造方法；(2)提供微凸和/或微凹透镜阵列，其聚焦效率大于75％，较好的大于85％，最好大于95％；(3)提供精密制造高填充因子的微凸透镜阵列的方法；和/或(4)提供精密制造的微凸和/或微凹透镜阵列，其填充因子大于90％，较好的大于95％，最好接近100％，以至于整个所使用的基极区域能用来聚焦或者更通常的是散射入射光束。与上述目的有关，本专利技术的另一目的是使阵列的微透镜具有任意形状(垂度函数)，可在阵列中任意改变。本专利技术的再一个目的是提供使用正的光致抗蚀剂制造高填充因子微凸透镜阵列的改进方法。为了实现上述目的和其它目的，本专利技术提供了一种制造微凸透镜阵列的方法，该方法使用在正的光致抗蚀剂上直接激光写入以产生初始母板(初始模子)，初始母板的表面结构与要求的微凸透镜阵列相反(互补的)。也就是初始母板有一凹的而不是凸的表面结构。以这种方式，正如下面所详细讨论的，克服了因有限大小的激光束和与该光束要求的凸微透镜分布的卷积所引起的困难。通过这些困难的克服，高聚焦效率的凸微透镜得以实现。一般来说，微透镜阵列的高聚焦效率依赖于二个因素(1)高填充因子，和(2)精确再现所要求的透镜外形。二个因素都是必须的，只有一个因素是不够的。因此，高填充因子可以通过改变整个抗蚀剂膜来实现，但如果这种改变与所要求的透镜外形不相配，由于部分有不精确外形的抗蚀剂膜会不正确地聚焦入射光，从而使阵列的聚焦效率蒙受损失。另一方面，精确复制所要求的单个微透镜分得很开的透镜外形也导致低的聚焦效率，此时，光将穿过微透镜之间的空隙。根据本专利技术，已发现通过将凹面引入正光致抗蚀剂上的初始写入的凸透镜的方式能够同时解决本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造微透镜阵列的方法，所述的微透镜阵列有峰和谷的表面结构，并包含多个单一单元和多个微透镜，每个单一单元一个微透镜；其特征在于，该方法包括下述步骤： （ａ）提供一正的光致抗蚀剂； （ｂ）正的光致抗蚀剂在一有限束宽的激光束下曝光以形成母板，所述母板的表面结构与微透镜阵列的表面结构基本上相反；和 （ｃ）使用母板以 （ｉ）制造微透镜阵列，和／或 （ｉｉ）制造用来形成微透镜阵列的下一个母板，和／或 （ｉｉｉ）制造用来形成微透镜阵列的第一组一系列的下一个母板； 其中所述的微透镜阵列包括在相邻的单个单元上的至少二个凸微透镜从而母板包括在相邻的单元上至少二个凹面。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：GB格里顿，GM莫里斯，TRM塞尔斯，
申请(专利权)人：罗切斯特光电器件公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]