CN1715224A - 用于形成一光学元件的方法及其中所用衬底 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用以形成一光学元件的方法。使用一成形工具，在该成形工具的表面上形成有复数个模压或热压部分，以在一衬底上模压或热压光学结构。在所述衬底的表面上，形成有至少一个预成形部分。将所述衬底加热至高于转变温度的温度，并使所述成形工具和所述衬底互相挤压，以形成一具有复数个具有一光学效应的结构的光学元件，其中所述具有一光学效应的结构的形状是由相应的相关联模压或热压部分给定。根据本发明，在所述成形工具和所述衬底互相挤压时，所述衬底的相应预成形部分首先在中心区接触相关联模压或热压部分或接触所述成形工具，从而使一形成于所述相应预成形部分的表面与相关联模压或热压部分或所述成形工具的表面之间的压区从所述中心区朝所述相应预成形部分或所述衬底的边缘延伸并展宽。根据本发明，所述衬底以及所述成形工具具有基本上相同的基材，从而使所述衬底的变形比率有利地较低。

Description

用于形成一光学元件的方法及其中所用衬底

技术领域

本发明总体而言涉及通过对光学衬底进行热成形、尤其是通过对一光学衬底进行挤压或热压或模压，来生产光学元件。更具体而言，本发明涉及一种通过一热成形工艺形成一光学元件的方法，以及用于此一方法的一种衬底及一种成形刀具。

背景技术

衍射光学元件(DOE)、透镜阵列以及折射微光学元件作为现代光学中的元件正变得越来越重要。当今许多用于消费市场应用的电子装置经常也含有光学元件，这些光学元件对所述电子装置的主要功能发挥决定性作用。作为一实例，带有集成式数字照相机的移动电话当今正在日益流行。另外，在光学记录装置中，用于精确成像和在读取及/或写入的过程中形成光线的光学元件也必不可少。特别是对于消费市场应用，开发用于制造具有一足够精度的光学元件的低成本制造方法非常重要。

一般而言，在光学表面的热成形方面，“挤压”工艺与“热压”或“模压”工艺有所区别。当采用“挤压”工艺时，拟制造的光学元件的衬底或半成品的表面形状会完全改变。作为一实例，一球形表面或平面表面可变形为一特定的非球形表面。但时，当采用“热压”或“模压”工艺时，为形成所述光学元件，衬底或半成品的表面外形只作局部性改变。这样，当生产衍射光学元件或微光学元件(也即相对较小的结构)时，可以保持表面(该表面在大多数情况下为平面或相对于将要制造的微型结构来说只是局部微量弯曲)不变，而只是在表面上热压或模压出局部的凹陷或凸起。与挤压工艺相比，热压或模压所造成的变形比率明显较低。

如果不再需要对已发生变形的光学元件表面上具有光学效应的结构(即衍射或折射结构)进行精加工，则光学元件的热成形具有特别的经济优势。众所周知，这需要用于热成形的成形工具具有一高的精度。衍射光学元件(例如微透镜)要求表面质量处于光线波长的四分之一数量级。衍射微光学的制造精度甚至应更高。在采用热成形来制造光学元件时遇到的一个问题是在热成形过程中，会在光学元件的表面中夹含工艺气体，因为这会导致干扰光学元件表面上的凹坑状凹陷。根据当前技术，已知有各种措施可用于在一热压成形工艺中避免在光学元件的表面上夹进工艺气体。

根据一第一方法，在一真空腔室中实施热成形。作为一实例，市场上可购得一种由美国东芝机器有限公司生产的GMP-211V型商用高精度玻璃成形挤压设备，其可以在高于6×10^-1Pa的真空条件下为最大外径高达110mm的压模提供19.6kN的最大挤压压力。但是，本方法耗时而且要求配备真空泵。

根据第2002-293 553 A号日本公开专利申请案所揭示的另一种方法，采用一预成形步骤制造一玻璃预成形件，所述玻璃预成形件的表面上已经形成结构，且所述结构在一后续的主要模压步骤中经变形制成所需要的结构。由于变形比率较小，夹含在压模与所述玻璃预成形件之间的工艺气体的总量也较小。但是，这种方法不能可靠地避免工艺气体的夹含。另外，还需要一额外的模压工具和一额外的工艺步骤，从而降低了效率。

EP 648 712 A2揭示光学元件的一种模压成形工艺，其中将一坯料放置在一模压模具内，周期性地加大或减小用于挤压的力。在压力增大时，与模具表面相接触的坯料表面发生变形，直至一工艺气体泡形成于由变形表面所包围的一体积内。当压力降低时，夹含在所述体积内并处于某种过压状态的工艺气体可沿模具的表面横向逸出。由于所述压力中间性降低，总挤压时间较长。另外，由于难于对夹含气体进行预测和建模分析，所以事先难于规定将要生产的光学元件的精度。即使周期性地多次加大或减少压力，仍会留有残留夹含气体，这会损害所述光学元件的表面质量。

US 6,305,194 B1揭示了一种用于模压成形一光学元件阵列的工艺和装置。一相对较小的光学材料球被放置在一压模的壳形中心穴窝。当两个压模互相挤压在一起时，球体被逐渐压平。在此过程中，所述光学材料向外径向流动，将残余工艺气体赶出压模的体积。在此过程中，所述光学元件的材料发生剧烈变形，导致相对较长的处理时间和较高的制造费用。如果在所述模具的表面上形成相对较小的结构(例如，用于形成微透镜或衍射结构)，则在此过程中无法控制材料流入所述结构(例如凹窝)。因此，在所述热成形过程中无法避免残余工艺气体夹含在所述光学元件的表面内。

US 6,305,194 B1还揭示了一种方法，其中一成形工具的上半部分包括一呈凸曲形的模压或热压部分；及其中一成形工具的一下半部分包括一呈凹曲形的模压或热压部分。一平凸预成形件被放置在所述成形工具的所述两半之间，从而所述预成形件被变形为一凹凸透镜。所述凹曲模压或热压部分的曲率半径小于所述凸曲模压或热压部分的曲率半径，从而在所述成形工具的两半互相挤压在一起时，各模压或热压部分均在一中心区附近与所述预成形件接触，从而在所述预成形件的熔化或软化材料径向外流时，不会有气体被捕捉于各模压或热压部分内。

US 6,305,194 B1还揭示了一种工艺，其中一模压工具的一上半部分包括一凸曲的模压或热压部分，而一下半部分包括一凹曲的模压或热压部分。一平凸预成形件被放置在所述成形工具的所述两半之间，所述预成形件被变形为一凹凸透镜。所述凸曲模压或热压部分的曲率半径小于所述凹曲模压或热压部分的曲率半径，从而在所述成形工具的两半互相挤压在一起时，各模压或热压部分首先在一中心部分附近与所述预成形件接触，从而在所述预成形件的熔化或软化材料径向外流时，不会有气体被捕捉于各模压或热压部分内。

但是，在上述工艺中所述预成形件的变形量较高，导致总处理时间相对较长，而较长的总处理时间是不经济的。另外，所述预成形件的较高变形率要求处理温度也相对较高，导致变形后的光学元件内存有应力。此一应力或张力可导致所述光学元件产生一不希望的双折射现象。在所需的较高处理温度下，所述预成形件的软化或熔化材料会粘到各模压或热压部分上，这会损害所述光学元件的表面质量。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于以热成形方式形成一光学元件的工艺和装置，其中可更有效地避免在所述热成形工艺中夹含气体，且其中可更精确和成本高效地制造所述光学元件。根据本发明的另一个方面，还提供一种利用本发明的所述工艺和装置制造一光学元件的衬底和玻璃预成形件以及形成所述光学元件的成形工具。

根据本发明的方法包括下列步骤：提供一成形工具，在其表面上形成有至少一模压或热压部分，以在一衬底上模压或热压一具有一光学效应的结构；提供所述衬底，其中在所述衬底的一个面向所述成形工具的表面上，形成一个与所述模压或热压部分相应地相关联的预成形部分；将所述衬底加热至高于所述衬底材料的转变或软化温度的温度；以及将所述成形工具和衬底互相挤压，以使相应预成形部分发生变形而接触相关联的模压或热压部分的一表面，从而形成一具有至少一个具有一光学效应的结构的光学元件，所述结构的形状取决于相关联模压或热压部分的形状。

根据第一方面，根据本发明的方法的特征在于：所述成形工具和所述衬底的设置方式使相应模压或热压部分的中心区与相关联的预成形部分的中心区相接触，其中相应预成形部分与模压或热压部分形成为使得一形成于相应预成形部分的一个表面与相关联模压或热压部分的一个表面之间的压区(nip)从所述中心部分向相应预成形部分的边缘展宽。

当在热成形工艺中，因衬底朝向所述光学元件变形而使所述成形工具与衬底互相挤压，并彼此越来越靠近，相应预成形部分内的衬底的表面材料逐渐变形，从而越来越多地接触所述成形工具的相关联模压或热压部分的表面。在热成形工艺开始时，所述预成形部分的平滑形中心区已与所述相关联模压或热压部分的具有对应形状的平滑形中心区相接触(在相关联模压或热压部分的具有对应形状的中心区内不夹含任何工艺气体)，从所述预成形部分的平滑形中心区开始，首先是预成形部分内紧邻所述中心区的部分接触相关联模压或热压部分的表面。在后续的热成形工艺中，衬底、成形工具和气体之间的相界面从所述预成形部分的中心区越来越移向相应预成形部分的边缘。所述压区中存留的任何工艺气体逐渐移至预成形部分外，直到所述衬底最后在预成形部分内完全接触相关联模压或热压部分的表面。这样，根据本发明，在所述衬底和所述成形工具之间不会夹含任何工艺气体。

由于在所述热成形工艺中，工艺气体被平稳而连续地移位或挤出所述模压或热压压部分，根据本发明，在所述热成形工艺中没有必要使用真空，因而可以节省一个工艺步骤，并能以更低的总成本提供该装置。根据本发明，只需要在预定的时间段内施加一次用于使所述成形工具和衬底相互挤压的压力，可在整个工艺步骤中保持所述压力且最好保持恒定。由此，不必要对工艺压力进行周期性的加大或减小。

根据本发明，在热成形过程中，所述衬底的变形比率较低。更具体地说，所述衬底的基材，或者在一单个衬底上同时形成复数个光学元件(例如形成一个微透镜阵列或事后分割的复数个光学元件)的情况下，各个预成形部分的基材基本上与相关的模压或热压部分的基材相同，或者在同时形成复数个光学元件的情况下，与各个相关模压或热压部分的基材相同。这样，根据本发明，可以迅速完成热成形。根据本发明，可以避免(例如)对所述光学元件的边缘进行精处理。由于本发明相对较小的变形率，衬底的预成形部分仅发生很小距离的变形，这相对于衬底的总厚度来说基本上较小，或者换言之，根据本发明，所述衬底仅发生很小距离的变形，该变形相对于衬底的总厚度来讲基本上较小。

较佳的情况是，预成形部分的外形与相关联的模压或热压部分的外形匹配，从而使所述预成形部分表面与相关联模压或热压部分表面之间的压区在整个热成形工艺中朝向各预成形部分的边缘连续地逐渐展宽。这样可以保证：即使在所述热成形工艺结束时，当所述模压或热压部分的几乎整个表面完全接触衬底时，工艺气体仍然可以朝向各相关预成形部分的边缘选出。可以通过模拟所述衬底材料在热成形工艺过程中的流动特性来计算所述预成形部分的合适轮廓。

根据本发明另一个方面的一种方法(其也可以独立申请专利且可专门用于在所述光学元件的表面上形成具有一光学效应的凸曲或凹曲结构)具有如下特征：所述成形工具和衬底经设置以使各模压或热压部分的一中心区与相关的预成形部分的一中心区相接触，其中各预成形部分与各模压或热压部分形成为保持下述关系：r1＜r2，其中r1是各模压或热压部分的曲率半径；如果各模压或热压部分的一表面曲率中心位于成形工具所在的半空间内，则r1为正数，而如果各模压或热压部分的一表面曲率中心位于另一(相对)半空间内，则r1为负数；其中r2是相关联预成形部分的曲率半径，如果各相关预成形部分的一表面曲率中心位于衬底所在的半空间内，则r2为正数，而如果各相应预成形部分的一表面曲率中心位于另一半空间内，则r2为负数，从而在相应的预成形部分表面与相关联的模压或热压部分的表面之间形成一压区。

较佳的情况是，所述成形工具的模压或热压部分的外形与衬底的各相关联预成形部分的外形匹配，从而使所述压区从中心区朝向各预成形部分或模压或热压部分的边缘连续逐渐展宽。此一压区使衬底材料在整个热成形工艺中具有连续而平滑的流动特性，从而所述衬底材料可从中心区开始，逐渐向外流动，直至最后填满整个模压或热压部分。当衬底材料向外流动时，压区中留存的任何残留工艺气体被向外排出并完全移至模压或热压部分之外。

较佳的情况是，在从中心区至预成形部分或模压或热压部分边缘的路径上没有可能阻挡排出工艺气体的障碍物，从而所述工艺气体得以从压区中无阻挡地向边缘排出。

为进一步支持将工艺气体从所述成形工具与衬底之间的压区排出，可在各模压或热压部分外的成形工具及/或衬底的表面上形成一纵向凹陷(例如一沟道或凹槽)，所述凹陷通往所述成形工具或衬底的边缘。这样，所述的相应凹陷被布置在不形成具有一光学效应的结构的区域中，从而使该些光学结构(即衍射或折射结构)的光学功能不致受到影响。

各纵向凹陷也可与所述预成形部分的表面与相关联模压或热压部分的表面之间的至少一压区相连通，从而可以在热成形工艺中更高效地排出工艺气体。

根据本发明的一第一实施例，所述预成形部分的表面与相关联模压或热压部分的表面之间的压区只可沿一个与所述成形工具的一表面相平行的方向展宽。例如，如果想要形成用于制造一光学衍射光栅的线状突出部分(例如，一炫耀衍射光栅的带有一锯齿形状的线状结构)，衬底的表面可以一凸起方式并沿与所述成形工具的线形结构的纵向方向相平行的方向稍微弯离所述成形工具的表面。这样，在热成形工艺中，所述凸曲衬底的中心区首先接触成形工具的表面。在所述热成形工艺中，光学衬底被压平成为一平面衬底，在其表面上模压或热压印出线状结构，以使其形状与在所述成形工具的表面上形成的结构一致。

根据本发明的另一实施例，预成形部分的表面与相关联模压或热压部分的表面之间的压区可以在两个彼此正交并与所述成形工具的一个表面平行的方向上展宽。

根据本发明的另一实施例(其对于形成具有一光学效应的凸曲或凹曲结构具有特别的用处)，预成形部分的表面与相关联模压或热压部分的表面之间的压区被形成为一环形压区，其从中心区开始向外径向展宽。

根据本发明，所述至少一个模压或热压部分(其被提供在所述成形工具的表面上)被形成为一突起(突出)部分或一凹窝，其具有一与将要在光学元件表面上形成的光学结构所执行的光学功能相匹配的外形。此种外形的例子有凸曲或凹曲外形、非球曲面突起(突出)或凹陷部分、矩形或多角结构以及具有倾斜部分的结构。可以采用合适的工艺技术，特别是，可以采用(例如)激光烧蚀、离子束或电子束刻写、离子束蚀刻或离子束研磨、反应性离子蚀刻、化学辅助离子束蚀刻以及湿法或干法蚀刻通过直接机加工所述成形工具的表面而在所述成形工具的表面上形成具有合适形状的模压或热压部分。

根据本发明，提供所述衬底作为一预成形件，在其一表面上，即在大致上对应于挤压或模压装置内的所述成形工具的相关联模压或热压部分的位置处至少形成一个具有一突起(或突出)部分或凹陷形状的预成形部分。可采用任何合适的制造工艺(例如，通过机加工一相应衬底的表面)提供此种预成形件。然而，较佳的情况是，也可采用本发明的一热成形工艺，例如采用挤压或模压或热压成形工艺形成所述预成形件。

为获得光学元件的较高的表面质量，很重要的一点是将所述预成形件制造成具有一合适的高表面质量。然而，根据本发明，此一表面质量可以低于将要制造的光学元件的表面质量，因为所述预成形部分在热成形过程中会进一步变形。因而，具有一光学效应的结构的表面质量实质上取决于所述成形工具的模压或热压部分的表面质量、衬底材料的规格以及所述热成形工艺中的工艺参数。

较佳的情况是，相应模压或热压部分的体积与相关预成形部分的体积相对应。由此，可以保证在热成形工艺中，任何工艺气体被完全移出所述成形工具的模压或热压部分，以及所述成形工具的模压或热压部分可被衬底材料完全充满。在热成形工艺后，所述光学元件的表面是所述成形工具表面的一倒模形式。具更体而言，所述模压或热压部分的总体积可以对应于相关预成形部分的体积，或者对应于采用合适的工艺参数(特别是用于加热衬底以使相关预成形部分可发生变形的能源)将相关预成形部分加热至衬底材料的一转变或软化温度以上时相关预成形部分的总体积。

根据本发明的另一个方面，所述预成形件也可构造为：在所述热成形工艺后，在所述模压或热压部分的一边缘处，衬底的表面与所述成形工具的表面之间仍留用一较小间隙。此一间隙有助于稍后从光学元件的表面上提离所述成形工具，并且更可靠地确保在热成形工艺中，所有工艺气体被排出所述成形工具的模压元件或热压部分。此一方法特别适用于人们希望利用热成形工艺在一单个衬底上形成复数个光学元件以使光学结构之间的区域无光学效应的情况。在热成形工艺结束后，可以在此种区域中切割或分割衬底，将所述复数个光学元件分开。

当然，所述成形工具的表面也设置一涂层，其可在所述热成形工艺中降低所述成形工具与衬底材料之间的润湿性。合适的涂层在现有技术中已为所属领域的技术人员所知晓，并特别包括薄金属层，较佳为一贵金属或一贵金属合金。

根据本发明的另一个方面，提供所述成形工具和所述衬底，使得所述成形工具与所述衬底之间的形状公差d由下列公式得出：

d＞10μm且

d＜(200μm+D/10)；

其中，D代表一模压或热压部分或所述成形工具中一结构的一直径(单位为微米)。由于此一较小的形状公差，根据本发明可以实现一甚为有益的低变形比率。

本发明的工艺适合于各种不同衍射及/或折射的光学元件的热成形，例如微透镜、微透镜阵列、平凸透镜、平凹透镜、凸凸透镜、凹凸透镜、凹凹透镜、非球面透镜、诸如衍射光栅和炫耀衍射光栅的变形及衍射光学结构、以及菲涅耳波带片。

根据本发明的另一个方面，可以利用根据本发明制造的复数个光学元件组装任意的光学系统。

根据本发明，所述光学元件或系统可以用于任意光学应用中，例如：在数字光学投影中；在模拟或数字照相机中，特别是移动电话和摄像机上的照相机；在显微术中用作透镜或透镜阵列、用作光束均匀器、用作成像光学元件；在汽车行业应用中，例如用于LED前灯；平视显示器；用于光学微反射镜；用于激光成像(特别是RGB激光)；用作光学存储领域中用于以光学方式从一光学存储媒体(包括蓝光盘)读取数据及/或向一光学存储媒体(包括蓝光盘)写入数据的光学元件。

为本申请案的目的，光学元件(例如透镜)应在直径方面与对应的微光学元件区别开来。更具体而言，诸如透镜等光学元件具有一至少为1mm的直径，而微光学元件具有一小于1mm的直径。

本发明的工艺不仅限于制造微光学结构，而且通过一热成形工艺还可用于制造任意的折射及/或衍射结构。

本发明的工艺可应用于可藉助于一热成形工艺变形的任何光学材料，特别适用于任何类型的玻璃，尤其是低转变温度玻璃、钠钙玻璃、硼玻璃、硼硅玻璃、磷酸盐玻璃、氟化玻璃、氟磷酸盐玻璃、卤化物玻璃、光学玻璃，或应用于光学应用的任何合适的塑料材料，特别是PMMI、COC、TOP、PMMA、聚亚胺酯、TOPAS和PC(聚碳酸酯)。衬底可用前述材料中的任何一种整体形成。根据本发明的另一个方面，所述衬底也可被形成为具有一覆盖层的两层或多层复合材料，所述覆盖层内形成有预成形部分，所述预成形部分以前述方式被变形为光学元件或结构。较合适的情况是，所述覆盖层的软化温度低于其下面设置的复合材料层的软化温度，从而在变形过程中，只有所述覆盖层材料(而非其下层的材料)软化，从而使所述复合材料保持稳定。

本发明的再一个方面是关于一相应形成的衬底、一相应形成的成形工具、一用于使用前述工艺形成一光学元件的装置、一光学元件以及一包括至少一个此种光学元件的光学成像系统。

附图说明

下文将结合较佳的实例性实施例和附图来介绍本发明，从附图中可以得出其他的特点、优势和目的，附图包括：

图1a-1c以一横截面示意图形式图解说明一本发明用于模压或挤压一平凸透镜的过程；

图2a-2c以一横截面示意图形式图解说明一本发明用于模压或挤压一具有一平面且平面上形成有衍射结构的光学元件的过程；

图3a-3d以一横截面示意图形式图解说明一本发明用于在一平面衬底上模压或挤压一凸微透镜阵列的较佳方法；

图4a-4c以一横截面示意图形式图解说明图3a-3d所示用于在一平面衬底上模压或挤压一凸微透镜阵列的工艺的修改；

图5以一横截面示意图形式图解说明图3a-3d所示用于在一平面衬底上模压或挤压一凹镜阵列的工艺的另一修改；

图6以一横截面示意图形式图解说明图3a-3d所示用于在一平面衬底上模压或挤压一凸曲微透镜阵列的工艺的另一修改；

图7以一局部示意图形式图解说明一成形工具以及一用于在衬底的一表面形成棱形突起光学结构的光学衬底；及

图8以一示意图形式解释一用于表征一衬底的一预成形部分的曲率半径以及一成形工具的一模压或热压部分的曲率半径的符号规约，其可用于表征本发明。

具体实施方式

在所有附图中，相同的参考编号指代相同的或基本等效的元件或元件群组。

参照图1a-1c，下文介绍一用于模压或热压或挤压一平凸透镜的过程。参照图1a，一模具1和一衬底10(例如一玻璃预成形件)被放置在一装置内，其中所述模具1和所述衬底10被垂直箭头所代表的一个力互相挤压。如图1a所示，所述模具1和所述衬底10具有在所述热成形工艺中互相平行对准的平坦背侧。在所述模具1的表面上形成有一凹窝3。在所述衬底10的表面上形成有一凸曲突起部分16。一凹窝3的曲率半径大于所述凸曲部分16的曲率半径。

所述凹窝3用作一模压或热压部分。采用下文所述的一热成形工艺，所述凹窝3的外形被模压或热压在所述衬底10的表面上。所述凸曲部分16以本发明申请的意义预成形，例如采用另一热成形工艺。当然，所述衬底10也可以是经过适当研磨或预成形(例如挤压成形)的一坯件。如图1a所示，凸出部分的基材与所述凹窝3的基材基本上对应。

在所述热成形开始时，所述模具1和所述衬底10互相逐渐靠近，以使凹窝3及凸曲部分16的中心区11互相接触。在此种情况下，在凹窝3的边缘3和衬底10的边缘14处仍留有一间隙WO，与凹窝3及凸曲部分16的横向尺寸分别相比，所述间隙较小。

为了实施热成形，将所述衬底10加热至超过所述衬底10材料的一转变温度的一温度，以便可使所述衬底10的表面变形。由于所述模具1与所述衬底10之间存有压力，所述凸曲部分16从中心区11开始不断变形。在此过程中，所述衬底的材料从所述中心区11向外侧移位，即移位至衬底10的边缘14。图1b中用参考编号12标注并用粗线勾划的部分是一变形部分，其中衬底10的材料仍可变形，即其中衬底10的材料被加热至超过其转变温度的一个温度。在此热成形工艺中，所述模具1和衬底10越来越互相靠近，从而使所述模具1或衬底10边缘的间隙w变小。如箭头所示，当衬底材料被移位时，位于所述模具1的凹窝3与所述衬底10的凸曲部分16之间的环形压区中的工艺气体被逐渐排出或挤出。所述热成形工艺一直延续至所述模具1与所述衬底10之间的压区消失为止。那时，衬底10的整个表面会与模具1的凹窝3的表面相接触。这样，衬底10的外形与模具1用作一模压或热压部分的凹窝3的外形准确对应起来。从已变形的衬底10提离模具1后，即可获得图1c所示的具有一凸曲表面21的一光学元件20。所述凸曲表面21的形状准确对应于所述模具1的凹窝3的形状。

在热成形工艺中，随着衬底、模具和工艺气体之间的界面逐渐从中心区11移向模具1或衬底10的边缘2或14，所有工艺气体均被排出所述模具1与所述衬底10之间的环形压区。因此，在光学元件20的凸曲表面21上不再存在凹坑状结构，而根据现有技术，在热成形工艺中会因夹含气体而形成这种凹坑状结构。

尽管在图1a中没有显示，但所属领域的技术人员易知，衬底10另外还可在执行热成形工艺之前垂直于图1a的图纸平面凸曲，从而还可在热成形工艺中，沿与图1a-1c的图纸平面垂直的方向排出工艺气体。所属领域的技术人员易知，本发明的基本原理已在上文参照图1a-1c加以说明，根据此，工艺气体在热成形工艺中逐渐向外排出。在热成形工艺结束后，光学元件20较佳地形成一柱面透镜，其沿与图1c的图纸平面垂直的方向延伸。但是，一般而言，本发明并不仅限于形成柱面透镜，而是，根据本发明的另一较佳方面，图1c的光学元件20还可形成一平凸光学透镜。

参照图2a-2c，下文将介绍一种用于在一平面衬底10上形成一炫耀衍射光栅的方法。为此目的，假设所述衬底10跨越一由相互正交的坐标轴x和y所形成的平面。如图2a所示，提供的衬底10(例如一玻璃衬底)是一预成形件，其具有一沿y方向凸曲的部分16。这样，在整个热成形工艺期间，在所述模具1的表面与衬底10的表面之间存在一压区，所述压区向外连续展宽，其中所述压区的一个表面为平面并由模具1的表面界定，且其中所述压区的另一个表面凸曲并由衬底10的表面界定。这样，在衬底10的边缘14处即存在一间隙WO，其相对于衬底10的横向尺寸来说较小。作为一实例，凸曲部分16的曲率半径可在介于大约100mm与400mm之间的范围内。

图2b显示热成形工艺刚好结束之前的模具1和衬底10，此时所述衬底10的整个表面与所述模具1的表面相接触。

在所述模具1提离后，即可获得一光学元件20，其具有一变形的平面22，在所述平面22上形成有复数个具有锯齿形外形的等距线状结构23。根据图2c，所述线状结构23沿y向延伸。也是在所述热成形工艺中，衬底10的表面16(其在最初时沿y方向凸曲)亦出现变形，从而使压区6从中心区11开始逐渐变小，并且使夹于压区6中的工艺气体被衬底材料沿y向向外排出，从而使全部工艺气体逐渐排出压区6，如图2a的箭头所示。

参照图3a-3d，下文将介绍另一用于在一平面衬底上模压或挤压一凸微透镜阵列的本发明较佳工艺。如图3a所示，固定于一底模30上的衬底10向外凸曲，与图1a相仿。在模具1中形成有两个相同或者亦可不同的凹窝3。当所述模具1和所述衬底10相互靠近时，所述的两个凹窝3之间模具1的平面部分将首先触及衬底10的凸鼓部分16的中心区11。

当所述模具1和所述衬底10被进一步互相挤压时，所述中心区最终会变形，如图3b中参考编号12所示。当所述模具1和所述衬底10被继续互相挤压时，衬底材料被逐渐压入所述模具1的所述凹窝3。同时，存在于所述凹窝3中的工艺气体被逐渐向外排出所述凹窝3之外。

当所述模具1和所述衬底10被进一步互相挤压时，最后所述凹窝3几乎完全充满衬底材料，所述衬底材料仍然可以变形，从而在所述衬底10的表面上形成凸球26。当所述模具1和所述衬底10被进一步互相挤压时，最后衬底材料将完全充满所述模具1的凹窝3。在此种条件下，所述衬底材料完全接触所述模具1的凹窝的内表面，从而如图3d所示，在衬底10上形成两个凸微透镜25。在模具提离后，亦可在一后续的工艺步骤中将所述两个微透镜25分开。

在图3a中，假定虚线代表凹窝3所形成的空间V1。另外，假定衬底10的中心区11附近用阴影线表示的区域40代表体积为V2的衬底材料，其在热成形工艺中将被变形和移位。在体积V2内，衬底温度高于衬底材料的软化温度，这可以通过合适的加热条件容易地实现。为使包含于模具1与衬底10之间的工艺气体在变形的衬底完全接触模具之前被完全排出，根据本发明，假定为图3a-3d所图示的情形(其中在衬底10上要形成两个微透镜)，则所述体积V2大于或等于一由2×V1表示的体积。一般而言，所述预成形部分全部包含的、温度高于衬底材料软化点温度的总体积大于或等于所述模压或热压部分所包含的体积。

参照图4a-4c，下文将介绍对图3a-3d所示用于在一平面衬底上模压或挤压形成一凸微透境阵列的工艺所作的另一修改。如图4a所示，模具1表面上形成有复数个凹窝3，所述凹窝3用作模压或热压部分，并用于确定拟形成的光学结构的外形。参照图4a，设置一衬底10(例如一玻璃预制坯)，在其一表面上对应于模具1的凹窝3的位置处形成有复数个凸曲的突起部分16。所述凸曲部分16的曲率半径小于模具1的凹窝3的曲率半径。这样，当凸曲部分16的中心区11接触模具1的凹窝3的中心区11时，所述凹窝3的表面与所述凸曲部分16的表面之间的一压区或间隙仍然保持存在，所述压区沿横向连续展宽。在各凹窝3之间的区域中，模具1的表面和衬底10的表面均是平面。

图4b显示热成形工艺结束时的模具1和衬底10，这时实际上整个曲部16已出现变形，且只在各凹窝3边缘处以及各凹窝3之间的区域中，在模具1的表面与衬底10的表面之间仍留有一窄的压区。

在提离模具1后即可获得一光学元件20，在该光学元件20的一表面上形成有复数个凸微透镜25和平面部分24。

如图5所示，本发明的工艺亦可用于在一衬底10上形成凹窝17。为此目的，在模具1的表面上形成复数个凸曲的突起部分4。在热成形后，可在凹窝17上设置一反射涂层，从而形成一凹面镜。

如图6所示，可在图4a所示的模具1中设置另一纵向沟道，例如楔形槽5，其可与模具1中一相应凹窝3的边缘部分连通，从而放出用作一模压或热压部分的凹窝3中的残留工艺气体。

所属领域的技术人员易知，根据图4a、图5或图6中任何一个图所示的衬底，不论其是具有凸曲部还是凹窝，均可通过适当地研磨衬底来提供。或者，根据图4a、图5或图6所示的衬底可以通过一额外的工艺步骤通过热成形(例如对一衬底进行模压)来适当地提供。由于此一额外工艺步骤一般会导致额外费用，所以一般根据本发明，是在一单个工艺步骤中实施所述热成形来同时制成如图3a-3d所示的具有一光学效应的复数个结构。

所属领域的技术人员易知，采用本发明工艺，亦可形成具有至少一个非球形曲面或一形成为一自由形状的表面的光学元件。在此一工艺中，衬底的相应预成形部分可在变形成非球形曲面或变形成一形成为一自由形状表面的表面之前，进行球形弯曲。就本申请案而言，自由形状表面是指在一x-y平面中延展的表面，其可采用下列关系式来描述：

$\mathrm{phase}(x,y)=\frac{\underset{m=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{{(m+n)}^2+m+3n}{x}^m\·y^n}{L}$

其中，L＝常数，N＝10。

如图7所示，本发明工艺亦适用于并非弯曲的光学结构的热成形。如图7所示，在模具1的表面上形成有复数个倾斜部分8，用以在模具1的表面上形成楔形沟道。在衬底10(例如一玻璃预成形件)表面的对应位置处，形成有倾斜部分18，以便在衬底10的表面上形成楔形突出部分。根据图7，倾斜部分18的倾角大于倾斜部分8的倾角，从而使模具1的表面与衬底10的表面之间的压区6从中心区11连续展宽，在中心区11处，所述楔形凹窝或突起部分的顶点互相接触。在所述热成形工艺中，所述压区6逐渐变窄，直到最后模具1和衬底10的表面完全互相接触。

尽管在图4a-图7中未显示，然而所述衬底亦可在执行一热成形工艺之前，沿与图4a-图7的图纸平面相垂直的方向凸曲。

当然，根据图7所示的衬底10亦可沿一与图纸平面垂直的方向在较小程度上凸曲(例如如图2a所示)，从而在热成形工艺中更有效地排出所述压区中所包含的工艺气体。

参照图8，下文将介绍一种用以分别表征本发明模具和本发明衬底的凸曲或凹曲模压部分或预成形部分的符号规约。参照图8，假定中心轴9垂直于衬底10的凸曲面的一条切线，并经由中心区11延伸，在中心区11处，衬底10的凸曲部分与模具1的凹窝在热成形刚好开始之前会互相接触。在此种构造中，模具1的凹窝3的曲率半径M1和衬底10的凸鼓部分16的曲率半径M2将分别位于所述中心轴9上。在图8中，箭头r1指示模具1表面中凹窝3的曲率半径，而箭头r2指示衬底10表面上凸鼓部分16的曲率半径。为进行表征的目的，假定曲率半径r1和r2是带符号的实数。用于表征所述表面的符号规约类似于光学中在旁轴光学近似法中用于表征球形曲面状界面的折射率的符号规约。

根据图8，所述凹窝3的表面将图纸平面划分为一其中布置有所述模具1的上半空间以及一其中没有布置所述模具1的下半空间。同样，所述凸曲表面16将图8的图纸平面划分为一其中未布置有衬底10的上半空间以及一其中布置有所述衬底10的下半空间。为表征模压部分3和预成形部分16的表面，假定在模具1的模压部分3的表面的曲率中心位于布置有模具1的那个半空间内时，所述模压部分的曲率半径r1为正数，且假定在模压部分3的表面的曲率中心位于另一半空间内时，曲率半径r1为负数。另外，假定在衬底10的预成形部分16的表面曲率中心位于其中布置有衬底10的那个半空间内时，衬底10的相关联预成形部分16的曲率半径r2为负数，且当所述预成形部分16的表面曲率中心位于另一半空间内时，所述曲率半径r2为正数。

采用本符号规约，在图8所给出的例子中，曲率半径r1为负数，曲率半径r2同样如此。从图8可以得出，r1的绝对值大于r2的绝对值。因此，下列关系式成立：r1＜r2＜0。

在拟模压或热压一凹曲表面的对应情形中，应使模具1的模压部分凸曲，从而得到一对应的正曲率半径r1。另外，应使衬底表面的相关联预成形部分凹曲，从而对应的曲率半径r2亦应为正。因此，r2的绝对值应大于r1的绝对值，即0＜r1＜r2。

采用本规约，一平面的曲率半径将是无穷大。例如，如果要从一平面玻璃预成形件来制造一凹曲透镜表面，则模具1的模压部分应凸曲，亦即对应的曲率半径r1为正，而所述平面玻璃预成形件的曲率半径将是无穷大。因此，下列关系式成立：r1＜r2。

当然，上文所解释的所述符号规约要服从一次要条件，即在刚好开始执行热成形工艺之前所述模压部分的中心区必须接触所述预成形部分的中心区。这样，就排除了自一平面玻璃预成形件形成一在一平面的所有方向上均凸曲的透镜。

实施例1

为挤压出一带有非球形柱面透镜的柱面透镜(直径30mm)平面阵列，挤压一具有相同直径、一平面和一曲率半径为300mm的凸面的玻璃预成形件。所述凸面朝向带有所述柱面透镜阵列的模具。

所述柱面透镜的高度为0.3mm。由于所述玻璃预成形件的曲率，须通过约0.4mm的一额外挤压距离。所述热成形是在一氮气气氛下实施，以避免腐蚀所述成形工具。

据观察，可制成不会因夹含氮气而变得粗糙的所述柱面透镜的非球形面。

实施例2

为挤压出一非球面成像透镜，挤压一具有相同直径(70mm)、一平面和一曲率半径为45mm的凸面的玻璃预成形件。所述凸侧朝向带有所述柱面透镜阵列的模具。由于所述玻璃预成形件的曲率，须通过约0.3mm的额外挤压距离。据观察，可制成不会因夹含氮气而变得粗糙的所述非球形面。一般而言，所述结构的高度可表示为：

$z\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^2+{\mathrm{\α}}_2{r}^4+............{\mathrm{\α}}_n{r}^{2n}$

其中，

Z：透镜高度，

C：曲率，

K：锥度参数

在所述实施例中，所选参数如下：

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。

实施例3

为在一非球形成像透镜上模压衍射光学元件(DOE)，采用一非球形透镜(按实施例2设计)。将平面部分涂以塑性材料，然后利用一上述模压工艺通过一DOE模具对其进行结构化。所述平面朝向带有DOE的模具。因为所述玻璃预成形件的曲率，须通过大约0.05mm的额外模压距离。据观察，可制造出不因夹含氮气而变得粗糙的DOE。DOE的相位函数表示为：

                  (r)＝-6.75r²+0.001045r⁴

其中，f[弧度]和r：0-35mm。

所属领域的技术人员在研究上文说明后易知，本发明的另一方面涉及一种光学引擎，其具有至少一个上文所述的成像光学器件或成像光学系统用以进行光成像，特别是光线成像。某些例子(但其不应视为限定本发明的范围)如下：数字光学投影；模拟或数字照相机，特别是移动电话和摄像机上的照相机；显微装置；带有透镜或透镜阵列的成像装置；用于均化包括激光束在内的光束的均化器；成像光学元件；汽车行业中的光学成像装置，例如LED前灯；平视显示器；光学微反射镜；用于以光学方式自及/或向一光学记录媒体(包括蓝光盘)读取及/或写入数据的光学存储驱动器。

所述领域的技术人员通过阅读以上说明可以知道，本发明工艺既可用于球面和非球面透镜体的热成形，又可用于具有一不同外形且具有一光学效应的任意结构的热成形。更佳地，本发明工艺可用于沿一第一方向弯曲并沿一与所述第一方向正交的第二方向纵向延伸的柱面透镜(亦为透镜体)的热成形，或用于衍射光学元件(DOE)的热成形。较佳地，在实施所述热成形工艺后，所述光学元件包括复数个衍射或折射结构。这些结构亦可在所述热成形工艺后予以分离。一般而言，在所述热成形工艺后，具有一光学效应的这些结构亦可用于一或多个光束的成形或均化。

Claims (19)

1、一种用于形成一光学元件的方法，其包括如下步骤：

提供一成形工具(1)，在所述成形工具(1)的一表面上形成有复数个模压或热压部分(2；3；4)，以在一衬底(10)上模压或热压多个具有一光学效应的结构；

提供所述衬底(10)，以在所述衬底(10)中一个面向所述成形工具(1)的表面上形成至少一个预成形部分(16；17)；

将所述衬底(10)加热至一高于所述衬底(10)的材料的转变温度的温度；及

使所述成形工具(1)和所述衬底(10)互相挤压，从而形成一具有复数个具有一光学效应的结构(21；23；25)的光学元件(20)，其中所述具有一光学效应的结构的形状是由所述相应的相关联模压或热压部分(2；3；4)给定；在所述方法中：

当所述成形工具(1)和所述衬底(10)互相挤压时，所述衬底(10)的所述相应预成形部分(16；17)首先在其一中心区(11)处接触所述相关联的模压或热压部分(2；3；4)或接触所述成形工具(1)，从而使一形成于所述相应预成形部分(16；17)的一表面与所述相关联的模压或热压部分(2；3；4)的一表面或所述成形工具(1)的一表面之间的压区(6)从所述中心区(11)朝所述相应预成形部分(16；17)或所述衬底(10)的一边缘(2，14)延伸和展宽，所述衬底和所述成形工具(1)具有基本上相同的基材。

2、根据权利要求1所述的方法，其中所述成形工具和所述衬底(10)的设置方式使得所述衬底(10)的所述相应预成形部分(16；17)和所述成形工具(10)的所述相关联的模压或热压部分(2；3；4)界定两个相应的半空间，并且使得：

                          r1＜r2，其中

r1是所述相应的模压或热压部分(2；3；4)的曲率半径，若所述相应模压或热压部分的所述表面的曲率中心位于其中布置有所述成形工具(1)的那个半空间内，则其为正，而若所述相应模压或热压部分的所述表面的所述曲率中心位于另一半空间内，则其为负，且

r2是所述相关联预成形部分(16；17)的曲率半径，若所述相应预成形部分的所述表面的曲率中心位于其中布置有所述衬底(10)的那个半空间内，则其为负，而若所述相应预成形部分的所述表面的所述曲率中心位于另一半空间内，则其为正，其中，

当所述成形工具(1)和所述衬底(10)互相挤压时，所述相应预成形部分(16；17)发生变形而接触所述相关联的模压或热压部分(2；3；4)的一表面，直至所述相应预成形部分(16；17)的所述曲率半径(r2)等于所述相关联的模压或热压部分(2；3；4)的所述曲率半径，以形成一具有一光学效应的结构。

3、根据权利要求1所述的方法，其中所述成形工具(1)和所述衬底(10)的设置方式使所述压区(6)自所述中心区(11)朝所述相应预成形部分(16；17)的一边缘(2，14)连续展宽。

4、根据权利要求1所述的方法，其中所述成形工具(1)和所述衬底(10)的设置方式使一气体可朝所述相应预成形部分(16；17)的所述边缘(2，14)逸出所述压区(6)。

5、根据权利要求4所述的方法，其中所述成形工具(1)和所述衬底(10)的设置方式使至少一纵向沟道(5)形成于所述成形工具(1)和所述衬底(10)之一中一位于所述相应的模压或热压部分以外的表面上。

6、根据权利要求5所述的方法，其中所述成形工具(1)和所述衬底(10)的设置方式使一相应纵向沟道(5)与位于所述预成形部分(16；17)的所述表面与所述相关联的模压或热压部分(2；3；4)的所述表面之间的至少一个压区(6)连通。

7、根据权利要求1所述的方法，其中所述成形工具(1)和所述衬底(10)的设置方式使所述压区(6)沿一与所述成形工具(1)的一表面相平行的方向展宽。

8、根据权利要求1所述的方法，其中所述成形工具(1)和所述衬底(10)的设置方式使所述压区(6)沿两个相互正交且与所述成形工具(1)的一表面相平行的方向展宽。

9、根据权利要求1所述的方法，其中所述成形工具(1)和所述衬底(10)的设置方式使所述压区(6)形成为一环形压区，所述环形压区从所述中心区(11)沿径向向外展宽。

10、根据权利要求1所述的方法，其中当通过使所述成形工具(1)和所述衬底(10)互相挤压而形成所述光学元件(20)时，所述衬底(10)基本上不沿一压力施加方向的横向方向展宽。

11、根据权利要求1所述的方法，其中所述成形工具(1)和所述衬底(10)的设置方式使所述至少一个模压或热压部分(2；3；4)和所述相关联的预成形部分(16；17)分别形成为所述成形工具(1)和所述衬底(10)的一表面上的一凸起部分或一凹窝。

12、根据权利要求11所述的方法，其中所述成形工具(1)和所述衬底(10)的设置方式使所述至少一个模压或热压部分(2；3；4)和所述相关联的预成形部分(16；17)分别成为所述成形工具(1)和所述衬底(10)的所述表面上的凸曲或凹曲部分。

13、根据权利要求1所述的方法，其中所述成形工具(1)和所述衬底(10)的设置方式使所述模压或热压部分(2；3；4)的总体积等于所述相关联的预成形部分的体积或等于所述相关联的预成形部分(16；17)的总体积。

14、根据权利要求1所述的方法，其中在将所述相应预成形部分(16；17)变形为一具有一光学效应的结构之后，所述衬底(10)的一表面与所述成形工具(1)的一表面之间在一边缘(2，14)处仍保留一间隙。

15、根据权利要求1所述的方法，其中所述成形工具(1)和所述衬底(10)的设置方式使所述具有一光学效应的结构和所述光学元件(20)具有衍射性及/或折射性。

16、根据权利要求1所述的方法，其中至少一个预成形部分(16；17)发生球面弯曲，且其中至少一个模压或热压部分(2；3；4)非球面弯曲或形成为一自由形状表面，以使至少一个预成形部分(16；17)变形为一非球面弯曲的光学结构或一形同一自由形状表面的光学结构。

17、根据权利要求1所述的方法，其中在所述相应预成形部分(16；17)的所述表面发生变形后，通过分离其中形成有至少一个光学结构的所述衬底(20)的子部分而分离复数个光学元件。

18、根据权利要求1所述的方法，其中所述成形工具(1)和所述衬底(20)的设置方式使所述成形工具(1)与所述衬底(20)之间的形状偏差d表示为：

d＞10μm且

d＜(200μm+D/10)；

其中D是所述成形工具(1)的一模压或热压部分(2；3；4)的直径，其单位为微米。

19、一种在一用于形成一光学元件的方法中使用的衬底，其中在所述衬底(10)的一表面上形成有至少一个预成形部分(16；17)，在所述方法中：

设置一成形工具(1)，在所述成形工具(1)的一表面上形成有复数个模压或热压部分(2；3；4)，以在一衬底上模压或热压多个具有一光学效应的结构；

所述衬底(10)的设置方式使在所述衬底(10)中一个面向所述成形工具的表面上形成有至少一个预成形部分；

将所述衬底(10)加热至一高于所述衬底的材料的转变温度的温度；及

使所述成形工具(1)和所述衬底(10)互相挤压，以形成一具有复数个具有一光学效应的结构(21；23；25)的光学元件(20)，其中所述具有一光学效应的结构的形状是由所述相应的相关联模压或热压部分(2；3；4)给出；其中：

当所述成形工具(1)和所述衬底(10)互相挤压时，所述衬底(10)的所述相应预成形部分(16；17)首先在其一中心区(11)处接触所述相关联的模压或热压部分(2；3；4)或接触所述成形工具(1)，以使一形成于所述相应预成形部分(16；17)的一表面与所述相关联的模压或热压部分(2；3；4)或所述成形工具(1)的一表面之间的压区(6)从所述中心区(11)朝所述相应的预成形部分(16；17)或所述衬底(10)的一边缘(2，14)延伸和展宽，所述衬底(10)和所述成形工具(1)具有基本上相同的基材。

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