专利名称：用于制造微透镜的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求I的用于制造微透镜(Mikrolinse)的方法、一种根据权利要求X的用于制造微透镜的装置以及一种根据权利要求X的微透镜。
背景技术：
微透镜主要应用于需要光学聚焦装置的仪器，例如用于移动电话的摄像头。由于微型化压力(Miniatursierungsdruck),功能性的构件应越来越小,这也适用于这种类型的微透镜。微透镜越应进一步微型化，其光学上正确的制造越困难，因为对于理想地待在批量生产中制造的微透镜同时存在巨大的成本压力。
在现有技术中，微透镜在载体基质(Traegersubstrat)上通过不同的制造方法来生产，例如在文件 US 6, 846, 137 BK US 5，324，623、US 5，853，960 和 US 5，871，888 中所示。所有之前提到的方法共同的是，受原理限制，需要一定的厚度并且穿过微透镜的光必须不仅经过透镜而且经过载体基质。由于同时所要求的高质量和在亮度(Brillanz)(其此外取决于沿着光学轴线、SP光路(Strahlengang)的光学部件的厚度和数量)更高的同时对更高的分辨率的要求,根据现有技术的微透镜的进一步的优化是值得期望的。此外，存在对尽可能高的光效率(Lichtausbeute)的要求,其尤其对于微型光学系统是决定性的，因为图像传感器占据大多非常小的面积(光冲击到其上)。文件US 6，049，430显示了一种插入载体基质的开口中的透镜，其中，在图2中所显示的制造过程需要大量步骤并且因此是复杂的并且因为这里可达到的制造精度而对于上面所提到的要求来说可能太不精确。大量待使用的材料也是不利的。
发明内容
本发明因此目的在于说明一种尤其可在批量生产中制造的、带有尽可能高的光效率以及高亮度的微透镜，其通过根据本发明的方法和根据本发明的装置可以以简单的、适合于批量生产的方式利用灵活的形式来制造。本目的利用权力要求1、X和X的特征来实现。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中来说明。由至少两个在说明书、权力要求和/或附图中所说明的特征构成的全部组合也落到本发明的范围中。在所说明的值范围中，处于所提到的界限内的值也应作为限值有效公开并且能够以任意组合要求保护。本发明基于由此来制造微透镜的思想，即透镜直接被模制到载体晶片(Traegerwafer)中，使得载体晶片不阻碍穿过透镜的光线或布置在光路之外。因此，透镜从载体晶片的两侧通过上部的和下部的透镜压模(Linsenstempel)来成形，使得通过上透镜压模与下透镜压模和/或与载体晶片的尤其共线的取向可制造高精度的微透镜。通过不同于在现有技术中的目前的做法，根据本发明使能够更灵活地设计透镜形状，尤其在目前由载体晶片占用的下透镜侧的区域中。
硬的载体晶片在此负责在制造透镜时的形状稳定性，因为其大多引起透镜的膨胀
/收缩。尤其在通过本方法和根据本发明的装置所实现的利用载体晶片矩阵和两个透镜压模矩阵同时制造大量透镜时，载体晶片此外确保透镜的光学轴线彼此间的完整性。每个对应的上压模和下压模以及载体晶片的对应的开口的相应的光栅位置因此可精确地来建立，因为载体晶片在制造时不经受尺寸变化。利用载体晶片矩阵和两个相应的透镜压模矩阵可在200mm的载体晶片直径的情况下利用根据本发明的工艺过程(Prozesslauf)来制造大约2000个透镜。根据本发明，在此在每个透镜压模处设置有微透镜负片(Mikrolinsennegativ),其形状确定利用根据本发明的方法所制造的微透镜的相应侧的曲率。透镜的形状可以凸状地、平面地或凹状地来实施。透镜型面根据本发明可以是球面的或非球面的。透镜由可紫外硬化的或可热硬化的透镜材料来形成，其中，两个透镜压模中的一 个在可紫外硬化的透镜材料的情况中构造成可透射紫外线。透镜材料根据本发明至少大多数、优选地完全是无溶剂的且适合于完全的交联(Vernetzung)。根据本发明所设置的载体晶片(透镜可模制或被模制到其中)用于将透镜保持和固定在根据本发明所制造的微透镜中以及尤其用作在上透镜压模与下透镜压模之间的间隔物，使得此外通过载体晶片的厚度来影响微透镜的厚度。通过将许多透镜模制到载体晶片中，其之后被分成各个微透镜，载体晶片有利地也可被用于制造大量微透镜。倘若载体晶片构造为带有用于容纳透镜的开口的环，透镜在其整个周缘上由载体晶片来保持和稳定。透镜环在其环内侧和/或其环外侧处可构造成方形、半圆形、三角形、椭圆形，其中，在内环处有利地设置有用于将透镜更有效地固定在载体晶片中的保持结构、尤其突出部，优选地作为载体晶片的成形部(Ausformung)、即与与载体晶片一体。优选地,保持结构高出环内侧至少载体晶片的厚度的五分之一。备选地，保持结构构造为载体晶片的内环的表面粗糙部(Oberflaechenrauigkeit),透镜材料和硬化的透镜在光学轴线的方向上被保持在其处。为了避免热应变或热应力有利地设置成，透镜材料和载体晶片具有大致等大的热膨胀系数。倘若透镜和载体晶片具有不同的热膨胀系数，透镜根据本发明如此来构造，使得透镜的形状在不同的温度下大致成比例，从而透镜在不同的温度状态中自相似且其光学特性几乎不改变。当透镜根据本发明在硬化的状态中具有比载体晶片更大的热膨胀系数时，在该情况中是有利的。以该方式，在制造微透镜时通过在透镜冷却时透镜的更大的热膨胀系数在制造期间在载体晶片与透镜之间构造有最小的空间(Leerraum)，其用作对透镜在不同的温度下的膨胀的缓冲。根据本发明，在制造微透镜时尤其对于紫外硬化的透镜材料可设置有在透镜材料硬化时的加热，以便获得上面所提到的效果。透镜因此根据本发明形状配合地与载体晶片、尤其与载体晶片的内环相连接。透镜压模在有利的实施形式中由载体基质和固定在载体基质处的微透镜负片构成。根据透镜压模的一实施形式，至少一个透镜压模设有用于多余的透镜材料的流出部(Abfluss)。用于制造微透镜的工艺过程优选地如下下透镜压模的微透镜负片被固定，尤其通过借助于用于容纳下透镜压模的容纳装置来固定透镜压模。接下来，载体晶片如此相对于下透镜压模的微透镜负片来对准/校准，使得微透镜负片的光学轴线与载体晶片的纵向中轴线是共线的。备选地且尤其对于同时利用载体晶片制造多个透镜，载体晶片被校准成与下透镜压模的载体基质共平面。接下来，载体晶片被放置和固定在微透镜负片的载体基质上、即到透镜压模上。该固定是通过透镜压模中的真空结构或静电地通过加工到透镜压模中的静电器件，但是也可考虑机械地通过夹持和/或粘附。接下来，透镜材料、尤其可紫外或热塑性硬化的聚合物经由下透镜压模的微透镜负片被引入载体晶片的开口中，其中，透镜材料的粘度在引入时这样来选择，使得由载体晶片的内环和透镜压模形成的透镜腔可无气泡地填充。所引入的透镜材料的量这样来测定，使得在接下来压印(Praegen)透镜时存在足够的透镜材料，以便填充上透镜压模的微透镜负片。该引入在一备选的实施形式中整面地在载体晶片/载体晶片矩阵上实现，由此 (多个)开口被填充并且多余的或者说对于突出于载体晶片的透镜结构所需的透镜材料覆盖载体晶片/载体晶片矩阵。根据本发明的另一备选的实施形式，透镜材料被个别填充到载体晶片/载体晶片矩阵的(多个)开口中，尤其通过利用液滴分配器(Tropfendispenser)或利用吸液管来配量。接下来，上透镜压模的光学轴线被与下透镜压模或者说下透镜压模的透镜负片的光学轴线并且/或者与载体晶片的纵向中轴线相校准。接下来，上透镜压模以压力被压到下透镜压模和布置在其之间的载体晶片上。在紫外硬化的情况中，借助于紫外光以足够高的强度通过上透镜压模(其在该情况中是透明的或可透过紫外线的)并且/或者通过下透镜压模来照射透镜材料并且使聚合物交联。在热塑性的硬化中，透镜压模的材料备有足够高的导热性，以便有利于传热。透镜压模与载体晶片的对准通过尤其带有小于500 U m、尤其小于200 U m、优选地小于100 u m、理想地小于70 i! m的偏差的对准精度的对准机构和/或利用带有小于10 u m、尤其小于5 u m、优选地小于3 u m的偏差的对准精度的光学对准器件实现。光学的对准尤其有利于上透镜压模和下透镜压模或者说上透镜压模矩阵和下透镜压模矩阵的对准。光学器件尤其是激光器或显微镜，其通过在透镜压模处或在透镜压模矩阵处的标记使精确的对准成为可能。根据本发明的一特别优选的实施形式，尤其除了在载体晶片处的对准之外，透镜压模的对准通过透镜压模彼此间的平行对准实现，其中，也考虑透镜负片的(多个)光学轴线的位置。通过在压印时透镜压模的接合面(Anlageflaeche)为了透镜压模的共平面的对准而贴靠在载体晶片的相应的配合面(Gegenflaeche)处，透镜压模根据载体晶片的尤其平行的、相对而置的配合面来对准，由此，透镜负片的光学轴线被精确地对准。根据本发明，在每个透镜的宽度(其处于100 ii m与6mm之间)上小于10 ii m的偏差意味着平行。平行性的偏差因此最高为10%、尤其小于7%、优选地小于5%、还更优选地小于3%、理想地小于1.5%。以此使光学轴线的实际理想的一致成为可能。透镜的高度通常处于50与500 U m之间，其中，该高度在根据本发明的微透镜中与现有技术相比可被大致降低载体晶片的宽度。根据本发明的一实施形式，在微透镜处，尤其平行于透镜的光学轴线设置有尤其作为载体晶片的成形部的自定心结构，其例如用于微透镜与另一微透镜(其具有对应的、倒转的结构，尤其以编码肋(Kodierrippe)的形式)自动对准。自对准根据钥匙-锁原理或根据槽-弹簧连接的类型起作用。槽-弹簧连接的锥式设计方案是特别优选的。用于制造唯一的微透镜的方法和装置的说明类似地涉及大量微透镜的制造(其带有该特点，即其通过根据本发明的设计才能实现)。代替上透镜压模，使用上透镜压模矩阵，其包括多个透镜压模，尤其作为一体的透镜压模结构。类似地形成下透镜压模矩阵。载体晶片作为载体晶片矩阵、尤其以一体的载体晶片结构的形式设有大量开口。对于在优选的备选方案(在其中实现透镜压模矩阵在透镜压模矩阵的接合面处的对准)中的加载，载体晶片矩阵可被上透镜压模矩阵和/或下透镜压模矩阵的间隔物贯 穿，其相应形成接合面且规定透镜的厚度。根据本发明的一独立的实施方案，载体晶片在微透镜的制造之后至少部分地、优选地完全地被移除。由此进一步减小透镜的尺寸和重量。该移除优选地通过将透镜从尤其设有带有些微的突出部的保持结构的载体晶片中抛出而实现。些微的突出部尤其设计为内环的表面粗糙部。
本发明的另外的优点、特征和细节从优选的实施例的接下来的说明中以及根据附图得出。其中
图I :显示了由模制在载体晶片结构中的大量透镜构成的根据本发明的微透镜矩阵的示意性的横截面视图，
图2 :显示了用于制造根据本发明的微透镜的根据本发明的装置的示意性的图示，
图3 :显示了根据一备选的实施形式由模制在载体晶片结构中的大量透镜构成的根据本发明的微透镜矩阵的示意性的图示，
图4 :显示了根据一备选的实施形式用于制造根据本发明的微透镜的根据本发明的装置的示意性的图示，
图5 :显示了保持结构的根据本发明的形状的示意性的图示以及 图6 :显示了根据本发明的用于制造大量微透镜的装置的示意性的图示。在附图中，相同的部件和带有相同功能的部件以相同的附图标记表示。
具体实施例方式在图I中以横截面示出微透镜矩阵31，其由载体晶片结构32和大量模制在载体晶片结构32或者说以后的载体晶片17的开口 2中的透镜14构成。微透镜矩阵31可通过已知的分离方法来分离成各个微透镜1，如其在图2中的分解图示中分开地所示。微透镜I可作为微透镜矩阵31在批量生产中制造，但是也可单个地来生产。在图2中根据单个微透镜I示意性地显示了该制造。根据图2，在未示出的根据本发明的装置的容纳器件上可容纳下透镜压模18，其由载体基质21和固定在载体基质21上的、尤其粘上的透镜模(Linsenform) 20构成。在批量生产中，在载体基质21设置有大量透镜模20或带有大量透镜负片19的透镜模20，其中，透镜负片19或透镜模20如此施加在载体基质21上，使得其可与在图I中所示的开口 2对齐地取向。透镜负片19由正交于透镜负片19的光学轴线布置的接合面22围绕，带有对应的、在本实施例中环形的配合面23的载体晶片17密封地贴靠在其上。一旦载体晶片17 (如在图2中所示)以其纵向中轴线与光学轴线A对准，载体晶片17以其配合面23被固定在接合面22上，使得载体晶片1 7的内环16与透镜模20形成透镜腔3，形成透镜14的透镜材料可经由引入器件引入其中。在将透镜材料引入透镜腔3中之后，透镜14如下面所说明的那样被压印。对此，由用于容纳上透镜压模9的容纳器件所设置的上透镜压模9可通过用于将上透镜压模9与开口 14和/或下透镜压模18对准的对准器件对准，亦即与施加在载体基质10上的透镜模11的透镜负片12的光学轴线A。上透镜压模9类似于下透镜压模18来形成并且具有用于使上透镜压模9尤其密封地贴靠在载体晶片17的配合面7处的接合面
8。配合面7与配合面23相面对地且平行于其地布置。在上透镜压模9对准之后，使上透镜压模9沿着光学轴线A下沉到载体晶片17上并且加载以压力，其中，经由下透镜压模18引起相应的反压力。透镜材料无气泡地填充透镜腔3并且可能的多余的透镜材料可经由在图中未示出的流出系统从透镜腔3中流出或被吸出。根据本发明的一优选的实施形式，当在开口中、尤其在上透镜压模与载体晶片之间同时通过真空器件来设立尤其带有<500mbar、优选地<300mbar、还更优选地<200mbar、理想地〈lOOmbar的压力的真空时,透镜材料可最佳地加载。根据一还更优选的实施形式，在加载中真空<70mbar、尤其<40mbar、优选地〈15mbar、还更优选地〈5mbar。经由该装置的硬化器件(Aushaertemittel)，透镜材料被硬化，从而产生硬的透镜14，其对应于根据透镜腔3的形状。硬化器件对于可紫外硬化的透镜材料可以是用于紫外光的光源或者对于可热塑性硬化的聚合物作为透镜材料可以是加热器件。通过具有内环16和外环24的载体晶片17具有保持结构25，其以在根据图2所示出的实施例中在光学轴线A的方向上尖地从内环16伸出的突出部的形式，透镜14与载体晶片17进行形状配合的连接，其不可无破坏地松开。在图5中显示了保持结构25的备选的形状。在图3和4中所示的备选的实施形式相应于本发明的在图I和2中所示的实施形式，其中区别是透镜14’在这里所示的实施例中获得另一形状。无功能变化的另外的形状变化涉及透镜I’、上载体晶片9’和下载体晶片18’。参考对图I和2以及5的阐述。在图6中显示了一种用于执行根据本发明的方法的装置，其带有用于容纳具有大量上透镜压模9、9’的上透镜压模矩阵4的容纳器件50以及用于容纳包括大量下透镜压模18,18'的下透镜压模矩阵5的容纳器件51。容纳器件50、51相应由夹盘(Chuck)52、53和相应例如经由(未示出的)真空轨安装在相应的夹盘52、53处的、横截面为U形的压模容纳部54、55构成。
上容纳器件和/或下容纳器件50、51通过未示出的控制部可上下移动。在下透镜压模矩阵5处设置有对准器件56用于下透镜压模矩阵5的对准。在上透镜压模矩阵4处设置有对准器件57用于上透镜压模矩阵4的对准。在载体晶片矩阵32处设置有对准器件58用于载体晶片矩阵32的对准。对准器件56、57和/或58包括至少一个(未示出的)的光学部件并且通过未示出的控制单元来控制。此外，对准器件56、57和/或58包括运动器件用于容纳器件50和/或51平行于载体晶片矩阵32的运动。在下容纳器件51处设置有固定器件59用于在通过对准器件56对准之后将载体晶片矩阵32与下透镜压模矩阵5固定。此外，引入器件60以带有(尤其可更换的)喷射器62的喷射装置61的形式来设 置，其经由柔性的流体管路62与用于透镜材料的储备容器相连接。喷射装置61实施为液滴分配器并且可接近载体晶片结构的每个开口 2并且填充规定的量的透镜材料在其中。用于加压的压印器件尤其通过相反地相应在载体晶片矩阵的方向上作用的、贴靠在对准器件50、51处的力F。和Fu(例如相应通过液压缸传递)引起沿着载体晶片矩阵的可调节的表面力。此外，该装置包括用于在压印时使透镜材料硬化的器件，尤其加载透镜材料的紫外光源和/或加热器件。附图标记清单 I微透镜
I’微透镜 2开口 3透镜腔 4透镜压模矩阵 5透镜压模矩阵 7配合面 8接合面 9上透镜压模 9’上透镜压模 10载体基质 11透镜模 12透镜负片
14透镜 14’透镜
16内环
17载体晶片 18下透镜压模 18’下透镜压模 19透镜负片 20透镜模21载体基质22接合面23配合面24夕卜环25保持结构31微透镜矩阵
32载体晶片结构/载体晶片矩阵
A光学轴线
50容纳器件
51容纳器件
52夹盘
53夹盘
54压模容纳部
55压模容纳部
56对准器件
57对准器件
58对准器件
59固定器件
60引入器件
61喷射装置
62流体管路。
权利要求
1.一种用于利用载体晶片(17)制造微透镜的方法，在其中，通过将透镜(14，14’)压印到所述载体晶片中在所述载体晶片(17)的开口中模制所述透镜(14，14’)。
2.根据权利要求I的方法，在其中，所述载体晶片(17)尤其仅布置在所述微透镜(1，I’)的光路之外。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，在其中，在压印时同时将许多透镜(14，14’)模制到包括相应的载体晶片(17)的载体晶片矩阵(32)的相应的开口⑵中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，在其中，在压印时透镜压模(9，9’，18，18’)的接合面(8，22)为了所述透镜压模(9，9’，18，18’)的共平面的取向而贴靠在所述载体晶片(17)的相应的配合面(7，23)处。
5.根据权利要求I至3中任一项所述的方法，在其中，在压印时上面的所述透镜压模(9，9’)的接合面(8)为了所述透镜压模(9，9’，18，18’)的共平面的取向而贴靠在所述载体晶片(17)的相应的接合面(22)处。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其带有以下过程 -将下透镜压模(18，18’)与所述载体晶片(17)的开口对准且固定， -将形成所述透镜(14，14’)的透镜材料引入所述开口(2)中， -通过利用上透镜压模(9，9’)加载所述透镜材料来压印所述透镜(14，14’)以及 -所述透镜(14，14，)硬化。
7.一种用于制造微透镜的装置，其带有以下特征 -用于容纳上透镜压模(9，9’)的容纳器件(50)， -用于容纳下透镜压模(18，18’)的容纳器件(51)， -用于使所述下透镜压模(18，18’)与可容纳在所述下透镜压模(18，18’)上的载体晶片(17)的开口(2)对准的对准器件(56)， -用于将所述载体晶片(17)与所述下透镜压模(18，18’)固定的固定器件(59)， -用于使所述上透镜压模(9，9’)与所述开口(2)和/或所述下透镜压模(18，18’)对准的对准器件(57)， -用于将形成所述微透镜(1，I’)的透镜(14，14’)的透镜材料引入与所述下透镜压模(18)固定的所述载体晶片(17)的开口(2)中的引入器件(60)和 -用于以所述上透镜压模(9，9’)加载引入所述开口(2)中的所述透镜材料的压印器件。
8.一种用于制造大量微透镜的装置，其带有以下特征 -用于容纳上透镜压模矩阵(4)的容纳器件(50)， -用于容纳下透镜压模矩阵(5)的容纳器件(51)， -用于使所述下透镜压模矩阵(5)与载体晶片矩阵(32)对准的对准器件(56，58)， -用于将所述载体晶片矩阵(32)与所述下透镜压模矩阵(5’)固定的固定器件(59)，-用于将所述上透镜压模矩阵(4)与所述载体晶片矩阵(32)和/或所述下透镜压模矩阵(5)对准的对准器件(57，58)， -用于将形成所述微透镜(1，I’)的大量透镜(14，14’)的透镜材料引入与所述下透镜压模矩阵(5)固定的所述载体晶片矩阵(32)的开口(2)中的引入器件(60)和 -用于以所述上透镜压模矩阵⑷加载引入所述开口⑵中的所述透镜材料的压印器件。
9. 一种带有透镜(14)的微透镜，其通过压印来模制到载体晶片(17)的开口中。
全文摘要
本发明涉及一种用于利用载体晶片制造微透镜的方法(在其中，通过将透镜压印到载体晶片中在载体晶片的开口中模制透镜)以及一种用于执行该方法的对应的装置和一种利用该方法所制造的微透镜。另外，本发明涉及一种用于制造微透镜的装置以及一种微透镜。
文档编号G02B3/00GK102812387SQ201080065920
公开日2012年12月5日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者E.塔尔纳, M.温普林格, M.卡斯特 申请人:Ev 集团有限责任公司