用于制造具有复杂三维形状的光学产品的方法和装置.pdf

一种制造具有复杂、可变的三维形状的微光学表面图样的方法和装置。该方法包括获取(302)逐步凸印、逐步压印、片接合、或能够使目标衬底的表面图案化的相应设备；获取其上将图案化有微光学结构的目标衬底(304)；获取可由所述设备操作的多个不同压印工具(306)，每个压印工具均包括定义一个或多个微光学结构的一个或多个表面浮雕形状；通过所述设备从所述多个压印工具中选出(310)一个压印工具；按照所述设备的控制用所述所选的压印工具凸印(312)目标衬底，其中，所选的压印工具可选地被加热或以UV(紫外线)源辅助，以便在凸印过程中或其后形成和/或固化所述目标衬底；以及重复(314)所述选择和凸印步骤，直到微光学表面图样已经在衬底上形成。本发明还公开了用于控制目标的相关计算机软件产品。

1.  一种制造具有复杂、可变的三维形状的微光学表面图样的方法，包括：
-获取逐步凸印、逐步压印、片接合或能够使目标衬底的表面图案化的相应设备；
-获取其上将图案化有微光学结构的所述目标衬底；
-获取可由所述设备操作的多个不同压印工具，每个压印工具均包括定义一个或多个微光学结构的一个或多个表面浮雕形状；
-通过所述设备从所述多个压印工具中选择一个压印工具；
-按照所述设备的控制，用所选的压印工具凸印所述目标衬底，其中，所选的压印工具可选地被加热或由UV(紫外线)源辅助，以便在所述凸印过程中或在凸印之后形成和/或固化所述目标衬底；以及
-重复所述选择和凸印步骤，直到在所述衬底上完成所述微光学表面图样。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述获取包括通过选自由微加工、光刻以及激光烧蚀构成的组中的至少一种技术制造属于所述多个压印工具的至少一个压印工具。

3.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述选择包括选自包括下面各项的组中的至少一个动作：由压印头和/或操纵臂从预定位置选取一个压印工具，以及转动包括多个压印工具的元件以便选出期望的压印工具。

4.  根据权利要求1所述的方法，包括根据所述目标衬底的当前光学特性分析光学图样目标，从而选出一个使所述目标衬底的光学特性更接近于所述光学图样目标的压印工具，其中，所述分析可选地包括利用选自由锥光偏振仪、和摄像机构成的组中的至少一个元件。

5.  根据权利要求4所述的方法，其中，获取关于所述目标衬底的照明性能的指标，如亮度、强度、均匀性、或辐射图，以用于所述分析和随后的压印工具的选择。

6.  根据权利要求5所述的方法，其中，相对于所述多个不同压印工具中的一个或多个压印工具获取照明性能指标，如亮度、强度、均匀性、或辐射图，以便能够通过关于与所述目标衬底相关的所述性能指标和所述一个或多个压印工具的照明性能指标的比较测量来进行压印工具的选择。

7.  根据权利要求1所述的方法，包括根据所述目标衬底的当前光学特性分析光学图样目标，从而选出所述衬底上的将进行凸印以使所述目标衬底的光学特性更接近于所述光学图样目标的一个或多个凸印位置。

8.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标衬底包括预定微光学表面浮雕形状，并且所述凸印包括邻近至少某些所述预定微光学表面浮雕形状或在其顶部凸印新的微光学表面浮雕形状。

9.  根据权利要求1所述的方法，包括通过位于所述衬底上的部件或与所述压印工具相连或与所述设备的其它元件相连的部件来阻止所选的压印工具的所述一个或多个微光学结构深入到所述衬底的超过预定深度处。

10.  根据权利要求1所述的方法，包括通过位于所述衬底上的部件或与所述压印工具相连或与所述设备的其它元件相连的部件来减小从所述设备向邻近当前凸印区域的衬底区域的热传导。

11.  根据权利要求1所述的方法，其中，通过选自由压力、热、和凸印时间构成的组中的至少一个要素来控制凸印深度。

12.  根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述目标衬底来形成用于诸如发光二极管的光学器件的一个或多个微光学透镜的至少一部分。

13.  一种片接合设备的应用，所述片接合设备通过逐步凸印来制造具有复杂、可变的三维形状的微光学表面图样，其中，相继使用多个压印工具来使目标衬底的表面图案化。

14.  一种用于制造具有复杂、可变的三维形状的微光学表面图样的装置，所述装置包括分别用于处理和存储信息的处理器和存储器、用于接收压印工具或目标衬底的可移动件、以及可由所述设备操作并能够以相关的微光学表面浮雕形状凸印目标衬底的多个压印工具，其中，所述装置被构造成用于：
-获取定义一个或多个凸印参数或关于所述目标衬底的光学图样目标的信息；
-根据所述信息从所述多个压印工具中选出一个压印工具；
-使所述压印工具相对于所述衬底移动，以便用所述压印工具凸印所述目标衬底的多个预定区域；以及
-重复根据所述信息从所述多个压印工具中选出另一压印工具并使所选的另一压印工具移动的过程，以便用所选的另一压印工具凸印所述目标衬底的一个或多个预定区域，直到完成所述光学图样目标。

15.  根据权利要求14所述的装置，还包括用于将压印工具加热到预定温度以用于热凸印的加热器。

16.  根据权利要求14所述的装置，还包括用于固化一可紫外光固化目标衬底的紫外线光源。

17.  根据权利要求14所述的装置，还包括用于获取一个或多个压印工具和所述衬底的诸如辐射图的照明性能指标的锥光偏振仪或摄像机，其中，所述装置被构造成根据所述目标衬底的当前光学特性分析光学图样目标，以确定选择一个使所述目标衬底的所述光学特性更接近于光学图样目标的压印工具，并将所述确定的压印工具用作所选的压印工具以进行凸印。

18.  根据权利要求14所述的装置，还包括用于获取一个或多个压印工具和所述衬底的诸如辐射图的照明性能指标的锥光偏振仪或摄像机，其中，所述装置被构造成根据所述目标衬底的当前光学特性分析光学图样目标，以基于所述分析确定所述衬底上的一个或多个凸印位置。

19.  根据权利要求14所述的装置，被构造成邻近已位于所述衬底上的一个或多个微光学表面浮雕形状或在其顶部凸印一个或多个新的微光学表面浮雕形状。

20.  根据权利要求14所述的装置，包括用于防止所选的压印工具的所述微光学表面浮雕形状深入到所述衬底的超过预定深度处的接触件。

21.  根据权利要求14所述的装置，包括用于减少从所述装置向邻近当前凸印区域的衬底区域热传导的热绝缘体。

22.  根据权利要求14所述的装置，被构造成通过选自由压力、热、和凸印时间构成的组中的至少一个控制要素来控制凸印深度。

23.  一种用于控制通过逐步凸印、逐步压印、片接合或能够利用可由图案化设备操作的多个不同压印工具而使目标衬底的表面图案化的相应设备来制造具有复杂、可变的三维表面图样的微光学表面的计算机程序，每个压印工具均包括定义一个或多个微光学结构的一个或多个表面浮雕形状，所述计算机程序产品包括当在计算机上运行时适于执行下述动作的代码装置：
-获取定义一个或多个凸印参数或关于所述目标衬底的光学图样目标的信息；
-根据所述信息从所述多个压印工具中选出一个压印工具；
-控制所述压印工具相对于所述目标衬底的移动，以便用所述压印工具凸印所述目标衬底的多个预定区域；以及
-重复根据所述信息从所述多个压印工具中选出另一压印工具和控制所选的另一压印工具的移动的过程，以便用所选的另一压印工具来凸印所述目标衬底的一个或多个预定区域，直到所述光学图样目标已经完成。

24.  根据权利要求23所述的计算机程序，包括关于所述多个压印工具并说明辐射图或关于每个压印工具的一个或多个其他参数的特性的数据库，以便能够通过比较所述辐射图或所述压印工具的一个或多个其他参数与所获得的定义所述光学图样目标的信息而从所述多个压印工具中选出一个压印工具，所获得的信息诸如辐射图。

25.  一种载体介质，包括根据权利要求23所述的计算机程序。

26.  根据权利要求25所述的载体介质，包括选自由软盘、光盘、存储卡和硬盘构成的组中的元件。

用于制造具有复杂三维形状的光学产品的方法和装置
技术领域
总体上，本发明涉及光学和光电子学。具体地，本发明涉及光学微观结构的制造方法。
背景技术
在许多照明应用中都有不断增加的改善光照管理和发光效率的需求。这个前提特别适用于LED(发光二极管)照明。为了实现所需的照明性能，需要使用具有点状光源(如LED)的有效光学器件。利用衍射光学或其他复杂微光学结构的解决方案为包括多元利益(dimensional benefit)和成本效益集成的先进照明提供了大量新的可能性。
通常，衍射(DO)或其他微光学结构的制造是通过光刻工艺(如掩膜光刻、直接激光束或电子束写入)来完成的。这些方法具有某些缺点，这些缺点极大地限制了优选结构的制造。最关键的问题涉及复杂三维形状(如闪耀光栅)的制造、灵活定位/调整能力、以及大表面图案化。光刻方法对于闪耀/倾斜或混合轮廓表现不佳。另一方面，晶片通常被设置成非常有限的尺寸(如6或8英寸的尺寸)，这给具有微观结构的大表面的制造带来了额外的负担。
传统的光刻方法也主要利用光刻胶层(resist layer)，这需要采用若干个工艺步骤，如蚀刻，显影等。因此，总的工艺速度受到限制，并且不能同时进行光学测量。在压印(imprint)中，图案化通常是在软光刻胶层上通过热或UV(紫外线)固化来完成的。因此，垂直定位不能以灵活的方式来控制，因而深度控制需要较长的工艺时间。大多数热塑光刻胶较软，需要蚀刻。
近来，微加工已变得更精确，其允许使用高质量的金刚石车刀来加工微光学结构。然而，关于这类解决方案的可行性仍存在极大的局限性，如结构定位/调整的灵活性、制造更大结构的困难、大的加工公差等。
考虑到通常情况下以及在制造包括那些微观结构的母版模型以后不同微观结构的复制，所用的方法可能包括诸如UV或热铸(hot casting)、热凸印(hot embossing)以及注模(injection molding)。
在UV和热铸中，将UV或可热固化聚合物树脂涂在衬底材料(例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯))上。然后，将母版(master)(如PDMS(聚二甲基硅氧烷)硅树脂压模(stamper))与粘接剂接触地设置并立即用UV灯、或在炉子中分别固化。固化后，衬垫和复制版(replica)可被分开。
热凸印光刻(如平板凸印和辊对辊凸印)也是一种使用母版模型的压印方法，其中，微观结构形成在衬底上。复制材料可以是旋涂到衬底上的塑料薄片或薄膜的形式。在凸印过程中，母版(如Ni衬垫)与塑料膜接触地设置，并且给被加热到高于其玻璃化转变温度Tg的膜施加压力。在去除压力后，使膜冷却且将Ni衬垫去除，留下的是微观结构的高质量的复制版。
注模是一种用于塑性部件(如光盘)的高速批量生产的现有技术。母版(如包含待复制的微观结构的Ni衬垫)被安装在模具的一侧，将预热塑料注入到模具中。然后，施加若干MPa的压力。快速冷却后，取出模制品。
已提出网屏印刷(丝网印刷)技术来实现微观结构，其中，白色的反射点被印刷在载体表面上。所产生的点通常提供更有限的光学性能。
虽然有多种用于在载体表面上制造不同微观结构的现有方法，但对于高精度微光学产品，前述问题至少仍有一部分还没有解决。
发明内容
本发明的目的是至少减轻前述关于具有可变且复杂的(如闪耀和/或弯曲的)形状的光学微观结构的制造的问题中的某些。该目的是通过本发明的解决方案实现的，本发明的解决方案采用新颖的逐步凸印/压印方法。该方法特别适用于制造母版或原版，也可用于生产目的。
也就是说，在本发明的一个方面中，一种用于制造具有复杂、可变的三维形状的微光学表面图样的方法包括：
-获得逐步凸印(step embossing)、逐步压印(step imprinting)、片接合或能够图案化目标衬底的表面的相应设备；
-获得其上将图案化有微光学结构的目标衬底；
-获得可由设备操作的多个不同的压印工具，每个压印工具均包括定义一个或多个微光学结构的一个或多个表面浮雕形状；
-通过设备从所述多个压印工具中选出一个压印工具；
-按照所述设备的控制，用所选的压印工具凸印目标衬底，其中，所选的压印工具可选地被加热或由UV(紫外线)源辅助，以便在凸印过程中或凸印之后形成和/或固化目标衬底；
-重复所述选择和凸印步骤直到微光学表面图样已经在衬底上完成。
上文中，衬底上的一个或多个位置可以在选择另一工具前由同一压印工具凸印。该衬底在凸印之前可包括预定义表面浮雕形状(如光栅)，或者可以没有先前的形状。
压印工具的表面浮雕形状通常包括待引入表面上的结构的镜像，或实际上的镜面结构，即，凸印等时压印工具顶端上的闪耀凸起在表面上形成了闪耀凹槽。表面浮雕形状可作为压印工具(压印表面)上的位置的函数来定位。选择步骤可包括：可选地首先放下当前所选的压印工具，用图案化设备的操纵臂/压印头从工具托盘中选出新的压印工具。可替换地，选择动作可涉及另一类更换活动压印工具的过程，如使具有作为凸起而形成在其上的多个工具的板旋转，以使期望的工具可用于凸印目的。
在本发明的另一方面中，一种用于制造具有复杂、可变的三维形状的微光学表面图样的装置，该装置包括：分别用于处理及存储信息的处理器和存储器；用于接收压印工具或目标衬底的可移动件；以及多个压印工具，可由所述设备操作并能够用相关的微光学表面浮雕形状来凸印目标衬底，其中，所述工具被构造成：
-获得定义一个或多个凸印参数或关于目标衬底的光学图样目标的信息；
-根据该信息从所述多个压印工具中选出一个压印工具；
-使所述压印工具相对于所述衬底移动，以便用所述压印工具来凸印目标衬底的多个预定区域；以及
-重复根据信息从所述多个压印工具中选出另一压印工具并使所述所选的另一压印工具移动的过程，以便用所述所选的另一压印工具来凸印目标衬底的一个或多个预定区域，直到完成光学图样目标。
该装置可以设置成单个设备或多个相关设备构成的系统。
在另一方面中，提供了一种用于控制通过逐步凸印、逐步压印、片接合或能够利用可由图案化设备操作的多个不同压印工具而使目标衬底的表面图案化的设备来制造具有复杂、可变的三维表面图样的微光学表面的计算机程序，每个压印工具均包括定义一个或多个微光学结构的一个或多个表面浮雕形状，该计算机程序产品包括当在计算机上运行时适于执行下列动作的代码装置：
-获得定义一个或多个凸印参数或关于目标衬底的光学图样目标的信息；
-根据该信息从所述多个压印工具中选出一个压印工具；
-控制所述压印工具相对于目标衬底的移动，以便用所述压印工具来凸印目标衬底的多个预定区域；以及
-重复根据信息从所述多个压印工具中选出另一压印工具并控制所述所选的另一压印工具的移动的过程，以便用所述所选的另一压印工具来凸印目标衬底的一个或多个预定区域，直到完成光学图样目标。
本发明的效用源自多个取决于实施例的问题。首先，即使是在大的图案化区域，本发明的先进逐步凸印(ASE)图案化方法仍可为光学调制提供通用且可变的多维表面浮雕图案，。而且，图案的密度可容易地调整。第二，所设计的构造易于管理和修改。另外，通过实时测量使得能够实现和完成即刻调整，这消除了设计重复；如光导图样的目标一致性可确定，且随后通过以逐步方式将更多的微光学图案添加到期望的层表面上而实现。图案化目标衬底(如聚合物层/塑料片)提供了全功能的微光学样品或实际的成品。此外，该样品通过电镀可用于工具制备。不需要额外的控制工艺。同样的基本压印工具可应用到许多光学图样和图案上。
本解决方案的实施例能够制造非常小的光学元件(如DO透镜)并支持制造时的光学集成(如集成的LED光学器件)。还减少了工艺步骤的数目，这减少了整个工艺的持续时间并能够节省成本。通过少数元件的改进、添加和/或软件变化，凸印功能性可适于许多现有的逐步凸印、压印或如片接合设备。ASE图案化方法为制造诸如衍射光学器件提供了新机会。其适于许多要求特定DO图案的LED照明应用。另外两个基本解决方案是例如微光学(如折射和/或DO)光导元件和相应的透射元件。这些解决方案例如应用于消费产品(如移动终端、电视机、个人数字助理、腕式计算机)、还有汽车产业、广告业以及交通或街道照明。在另一实施例中，除用于制造微光学结构之外或者作为微光学结构的替代，本发明的方法或装置还可用于制造光电子表面图样。
在一个实施例中，本发明的原理用于在衬底材料上制造微光学结构。还公开了基本解决方案的变型。
在另外的实施例中，例如，根据本发明制造了适于和LEDs一起使用的微光学透镜，而且应用了(review)基本实时输入和凸印调整方法/设备。
附图说明
图1示出了可由本发明的装置获得的弯曲二元光栅和线性闪耀光栅；
图2示出了能够执行本发明的方法的设备的一个示例；
图3a示出了根据本发明的一个实施例的ASE图案化方法的各阶段；
图3b是根据本发明的ASE方法的一个实施例的流程图；
图3c是根据本发明一个实施例的设备的方框图；
图4a示出了可以进行微光学结构复制的不同方式；
图4b示出了用于逐步凸印中的压力和深度控制的一种选择；
图5a示出了激光烧蚀在制造根据一个实施例的压印工具时的使用；
图5b示出了不同的单一结构压印工具；
图5c示出了多重结构压印工具；
图5d示出了不同的深度和/或热控制解决方案；
图6示出了根据本发明的能够形成嵌套式混合结构的过凸印的一个实施例；
图7示出了根据本发明的光导图案化的实施例；
图8a示出了根据本发明的两个实施例的微光学透镜的复制；
图8b示出了根据一个实施例的用于透镜形成的压印工具；
图9示出了现有技术的透镜与经利用本发明的实施例所获得的透镜在光校准性能方面的差别；
图10示出了逐步凸印系统的一个实施例，该系统装配有用于在衬底上逐步实时输入地制造光学结构的摄像机；
图11示出了在图10的逐步实时输入布置过程中改变的光学图样。
具体实施方式
根据本发明的先进逐步凸印方法通常利用多个不同的压印工具来产生具有诸如二元和/或闪耀光栅轮廓(grating profile)的可变的微光学(如DO)图案。这种轮廓呈衬底上的表面浮雕图案的形式。本文中的衬底是实际上在其上形成微光学图案的材料，且衬底自身可设置在不同载体介质的顶部，如作为最上层。压印工具可以根据所要求的微光学结构通过高精度的微加工或光刻工艺来制造。另外，在下文中将提出一种新颖的压印工具制造方法。微加工比光刻方法更适用于诸如45°闪耀光栅的倾斜结构，，然而，光刻对例如二元凹槽是可行的。在微加工中，通常，有利的是专注于结构简单并形成小图案的高质量结构。由于刀具磨损，大图案对微加工来说特别具有挑战性。利用压印工具可获得的两种利用的光栅轮廓在图1中示出。附图标号102标记弯曲的二元光栅，而附图标号104标记闪耀光栅。闪耀凹槽的轮廓由图中的轮廓线进一步突出，该轮廓线在真正的物理光栅中实际上是不存在的。附图标号106标记包括多个混合单元的衬底表面，该混合单元即包括具有不同表面浮雕图案或不同对齐的表面浮雕图案的多个子区域的单元。本发明的方法很适于制造这类混合单元以及包括这些混合单元的大表面。
通过微加工或其他方式获得的压印工具包括单一或多重表面浮雕形状，如光栅凹槽，它们形成小光栅或其他微光学图案，如5×5微米、20×20微米、50×50微米以及100×100微米大小。工具可诸如由金属材料(如镍或铜)制成。而且可选择地可以使用光学透明材料。这些工具可应用在可以是例如热凸印、高温凸印或UV凸印的逐步凸印中，因而压印工具也可以用硅树脂基的材料复制，从而形成允许UV光穿过并使衬底材料固化的PDMS压印工具。每种工具优选地具有唯一设计的微光学(如DO)结构(大小和/或轮廓)，该结构将相应的图案复制在目标衬底(如塑料板上)的优选位置上。所需工具、微光学图案和图案化步骤的数量由每种光学应用预先确定，即由期望的光学目标图样决定。在本发明的一个实施例中，包括正(如凸起)表面浮雕形状的母版结构可通过至少部分平坦的压印工具来调整，以使预定区域的结构平坦。
本发明的先进逐步凸印大体上是这样的技术，其中，不同种类的结构是通过将它们压到材料(如聚合物)上而复制的。使用准确的压力、温度以及/或时间参数值机械地进行挤压。这样的复制参数对逐步热凸印的成功起着重要作用。与传统的平板凸印或辊对辊凸印方法不同，这些结构是一个接一个逐步单独凸印的。
先进逐步凸印提供了在同一凸印工艺中使用不同类型的微光学结构的可能性，因为在受所使用的图案化设备的软件控制的工艺过程中，工具可以自动地更换为另一个。因此，成品可包含不同种类的结构，这明显优于现有的凸印方法，并且基本的工具箱可提供这样的多功能性，从而很少发生必须把具体应用的新工具加入总的选择中的情形。此外，逐步凸印允许大表面区域充满微观结构，同时在宏观层面上保持良好的质量。于是，大面积可作为一个整体复制到待用作母版的衬底上，以用于进一步的大面积复制工艺。根据制造设备，该技术也可用于批量生产。
倒装芯片接合器(如可从Toray工程公司购得的)是用于电子工业的批量生产机器，并代表了在本发明中的一种可行的设备选择。相应的设备在图2中示出，其包括可相对于彼此移动的工作台206和压印头202(“接合器”)。可以将不同类型的工具(如压印工具)附设到压印头上。附设工具可以由例如来自工具托盘区204的真空适配器来实现。设备优选地包括用于验证和调整压印头202和/或附设的压印工具相对于工作台206或彼此的对准的装置。此外，对于热凸印，可包括监控和调整压印头202和/或压印工具的温度的装置。也就是说，在初始打算的使用中，电路板被置于工作台上具有真空孔以将板保持在适当位置的地方。压印头202通过真空从特定的托盘上将芯片选取到其工具的顶端，然后将芯片接合到板上。通过真空的附设也可用在压印工具中。在自动模式中，机器选取工具并将其快速地移动到预定的凸印位置且形成所期望的图案。
在一个实施例中，工作台206沿垂直的“x”和“y”方向移动，而压印头202沿相对于工作台206的平面的“z”方向上移动。并且对工作台206进行倾斜角度调整。倾斜角度可有利地例如在非平坦表面中改变。在另一个实施例中，可使用这样的设备：其中工作台206保持静止，而只有压印头202移动并可选择地转动。在另一实施例中，可使用这样的设备：其中工作台206在预定的方向上移动并可选择地转动，而压印头202保持静止。在另一实施例中，还可使用可移动的工作台206和压印头202的任何期望组合。
所用的设备优选地是高度精确的，即，例如，x和y的移动精度约为0.5微米，而z的移动精度约为5微米或更小。这些精度优选地应在整个移动范围内也得以保持，该移动范围在每个方向上可以是几厘米。对于热凸印，压印头的温度优选地可控制到预定的温度，如400℃，并且加热优选地是瞬间的，这是由于使用了例如感应加热器。可以调整压印头在x和y方向上的斜度从而确保垂直。关于压力，可以有两个或更多个范围，如一个针对低压，而另一个针对高压。低压可高达约16N的力，而高压的范围为从约16N到150N的力。而且，可以根据应用使用其他关于精度、温度、和压力的数字。另外，凸印速度/时间优选地是可调整的。
图3a示出了逐步凸印方法，其中，具有第一表面浮雕图案的第一压印工具被用于在320处使衬底图案化。然后，更换压印工具，在322处凸印另一个(如较小的)图案。在324处利用第三压印工具，仍产生不同的微光学图案。箭头指示压印头的移动，即需要垂直(实际凸印)和水平(凸印位置间的移动)运动。另外，压印头与衬底/其上设有衬底的工作台间的转动可通过使压印头和/或工作台相对于垂直轴线或水平轴线(倾斜的)转动来实现。
当已获得用于起动关于光学目标图样的凸印的数据(该数据通常包括所需压印工具的至少初步限定)时，可以进行关于源图样的主图案化。每个图样通常需要使用若干种压印工具，所有这些压印工具都具有相应的凸印坐标(“位图”)以在衬底上形成所设计的图案。逐步凸印可以通过第一压印工具来起动微光学图案化阶段，然后在所有与其连接的程序化坐标之间来回移动，以便能够避免不必要地转动凸印工具。在另一个实施例中，在工艺过程中可将该工具更换为另一个并随后改回到前一个。这可能发生在例如关于制造混合图案中。在用第一压印工具完成凸印后，用第二压印工具等重复该操作。可以以任何次序利用工具的任何组合来产生期望的图案。
优选地，所用的凸印设备可被构造成根据用户确定的方式工作。用于控制压印头/操纵臂、工作台、加热等的基本程序有利地集成到该设备中，但用于产生微光学结构的程序可完全由用户通过设备的键盘/键区/按钮的输入或通过其他通信方式(如在设备的数据界面上传输的计算机文件)来控制。
程序化坐标通常至少包括x和y值，但有时也可考虑角度(旋转、倾斜等)和深度值(z值)。另外，如果不应用存储在设备中的默认值，用于控制图案化的整个程序可包括压力和/或热控制数据，。可选择地，也可给设备提供其他控制数据(如摄像机影像控制数据)。
图3b是根据本发明的方法的一个实施例的更详细流程图。
在302处，获得并构造图案化设备，如逐步凸印、逐步压印、片接合或能够使目标衬底的表面图案化的相应的设备。例如，可修改控制设备的逻辑从而使目标衬底的表面微光学图案化。可以获得坐标信息或其他凸印参数，如温度、速度、压印工具、压力、或另外的控制数据。例如，可经由用户或数据界面将光学图样的专用或通用(例如，默认参数值)修改信息输入到设备中。
在304处，获得其上将图案化有微光学结构的目标衬底。该衬底可以是材料片或如在其它材料上的层。衬底可包括如可热固化、可热形成、可在室温下形成的材料或可在某些其他预定的温度范围内形成的材料、蜡类材料、热塑或UV可固化材料。
在306处，获得可由所述设备操作的多个不同的压印工具。每个压印工具均包括定义微光学结构的一个或多个表面浮雕形状，即单一结构或多重结构模印(stamp)。必须为特定的光学图样制造具有期望的表面浮雕形状的新压印工具。在下文中提出的激光烧蚀技术可在制造中应用，或者压印工具可利用传统的光刻或微加工或它们的组合来提供。压印工具或至少工具的压印表面可包括金属材料，如镍或铜。在UV凸印中，可使用如硅树脂压印工具。
附图标号308涉及在执行本发明的方法的过程中可能发生的可选行为。例如，在本发明的一个实施例中，将期望的光学目标图样的一个或多个参数提供给图案化设备，以便在逐步加工过程中如通过摄像机来分析当前的图样并据此调整凸印过程，如压印工具的选择和/或凸印位置。
在310处，通过所述设备从所述多个压印工具中选出一个压印工具。按照预定程序或基于实时输入选择紧接着将要使用的工具。除了分析和/或决策，选择还可能涉及必要的物理动作；可构造操纵臂，以便选取工具并将其附设到与操纵臂连接的压印头上，或者可使包括多个压印工具的压印头/臂的可转动板转动，从而将期望的工具设置在使用位置等。
另外，不同的对准、校准以及其他准备性动作可在该阶段进行。可以检查压印头的温度并(如果需要)例如通过加热使其温度升高以进行热凸印。在一个实施例中，还可通过主动冷却(active cooling)或通过使压印头自然冷却而将压印头的温度调低。可以验证和调整压印头相对于工作台以及衬底的对准和定位。而且，可执行压力校准。本领域的技术人员应理解，还可以在图案化过程中执行这类动作。
在312处，按照凸印设备的控制用所选的压印工具凸印目标衬底。根据所用的材料，衬底可以在凸印过程中就已固化(可热固化材料)，也可以在加热后在无辅助动作的情况下固化，例如，热塑性材料(如热塑聚合物、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯))就是如此，或者当衬底是可UV固化(如可UV固化环氧树脂)的材料时，UV光可用于凸印后的固化。也可以使用双固化衬底材料。
在凸印过程中，操纵臂及其上的压印头、工作台或这两者可按照所使用的图案化程序和可能的实时输入所提供的指令移动。该移动调节衬底上的凸印位置、具有模印的压印头的提升和降低、以及相关角度(相对于工作台的表面法线转动、倾斜)。
项目314涉及关于所期望的、调制的微光学表面是否已印在衬底上、或者该过程是否应继续以及是否使用不同的压印工具的决策。决策可基于预定的程序和/或对项目308的实时分析。当按照所选的标准完成图案化时，方法的执行结束。
图3c是根据本发明的一个实施例的凸印设备内部的功能方框图。该设备包括处理单元332，如微处理器、DSP(数字信号处理器)、微控制器、可编程逻辑、或多个前述实体。处理单元332控制设备根据可存储在存储器336中的指令所执行的动作，该存储器包括一个或多个易失性和/或非易失性存储器片、存储卡、硬盘驱动器等。指令(如凸印设备控制程序或包括用于制造期望的光学图样的多个指令性参数数据的图案化程序)可通过数据界面334(如无线或有线网络适配器)来提供，或者设置在物理载体(如存储卡、光盘、软盘等)上。可设置UI(用户界面)330以便能够现场和/或远程控制或者监控设备的功能性。UI 330可包括如按钮、鼠标、键区、键盘、显示器、投影仪(projector)、触摸屏、语音识别界面、触觉界面等。在远程特征的情况下，这些也可经由数据界面334而设置。根据设备，受控的装置338可包括如操纵臂和压印头、工作台、加热器、灯、分配器、摄像机和各种其他的传感器(如压力、距离、和温度传感器)。该设备可能经由数据界面334来控制外部的元件，如图中的点线箭头所表示的那样。
图4a示出了根据本发明的一个实施例的情形，其中，可使用例如透明的衬底材料，如PMMA片。若干其他的热塑或可热成形的材料也是合适的。PMMA片易于凸印，并且可以最优的工艺参数实现微光学图案的保真复制。逐步热凸印的一个有益方面是凸印深度的控制。当传统的方法要求会减慢工艺的非常精确的垂直定位控制(所谓的z轴控制)时，新的解决方案能够使用压印工具，其具有相对低的密度(density)，即，表面浮雕结构的“填充因子”，参见分图402。工具表面上的图案化区域可比未图案化的平面区域小约数千倍(如1/1000)。当在PMMA表面上凸印小图案时，通过监控和控制相关的接触压力及其变化而停止压印工具的平面的垂直运动，参见分图404。这是一种非常有利于加速并促进逐步凸印工艺的控制方法。此外，当所凸印的图案彼此靠近时，未图案化的压印工具表面因其大的接触表面、精确的压力控制、和/或程序化的图案化顺序而不会损坏和使前面图案化过的区域变形，参见分图406，其中，前面凸印过的图案基本保持完好无缺。
不采用使用如热塑衬底材料的逐步热凸印，可将逐步UV凸印可选择地与光学透明的可UV固化树脂一起应用。UV光辅助凸印提供了单一微光学图案的高保真复制。因此一个优选的解决方案是不连续的图案化，如当可UV固化树脂被分配到刚性衬底(如塑料片或LED封装件)上时，采用下文将更详细说明的透镜集成和透镜矩阵。该实施例可利用例如硅树脂基PDMS压印工具。
也可以使用UV涂敷的衬底和压印工具，但深度控制则变得很关键。另一个解决方案是利用UV涂敷的平面衬底，如PMMA光刻胶(resist)。深度控制则通过精确的垂直定位控制来实现。
图4b公开了相同的复制微光学结构的三个示例，每个微光学结构都通过单个压印工具的操作提供。从图中可以看到，在示例A中，凸印深度已太浅，而在示例B中示出的目标深度与示例C中的相比则太深。凸印结构的总深度不能太浅，也不能压入材料中太深。利用压力和热/温度控制与可选的直接凸印深度控制的可行组合，使获得想要的高质量表面浮雕形状的几率增加。
图5a示出了一个实施例，其中，采用激光烧蚀来雕刻包括微光学浮雕形状(如光栅)的衬底表面；参见附图标号500旁边的横截面图以及附图标号506旁边的真实三维情形的示图。设置来自激光装置504的激光束以雕刻预定区域502，从而基于留在雕刻的凹槽(groove)与凹痕(recess)之间的剩余结构508而形成多个压印工具微光学结构。另外，可例如用激光从大的衬底结构上切下一个或多个独立的单一结构或多重结构的压印工具。衬底可以是例如镍衬垫。这样的镍衬垫可以例如约为0.3毫米厚，且激光或其他的切割压模可具有约为4×4毫米的外径。在另一个实施例中，将激光烧蚀应用到硅树脂表面上，从而获得PDMS压印工具。压印工具中心的微光学结构可以是：例如a)20×29微米、b)100×29微米、或c)500×29微米。根据应用，这些元件的其他尺寸也是可行的。激光倾向于产生相当粗糙的表面，但原则上也可利用其产生实际微光学结构。通常，在图示的情形500、506中，最小雕刻深度是如50微米，从而当剩余结构508作为一个或多个压印工具的顶端而用于凸印微光学结构时，所产生的粗糙图案不会在衬底中引起假象(artifact)。结构的表面区可由涂层保护，涂层可随后除掉。除了用于压印工具制造外，激光烧蚀可应用于大的调制(微)光学表面的构造。
图5b示出了单一结构模印508的横截面，其中，结构512例如居于压印表面的中心，如从平面图510所看到的那样。在另外的实施例中，可替换地使用不同的结构(如项目514和516所给出的例子)；如结构的形状、尺寸或对准可以不同。
图5c示出了多重结构模印518，在该具体实施例中，其包括压印表面(压印工具的顶端)上物理分开的三个类似结构。类似地，该多重结构模印内的结构的形状、尺寸、和对准可不同；它们可无物理距离地彼此靠近设置；和/或它们可通过过压印(over-emboss)而嵌套(nested)并形成混合结构等。
图5d公开了在根据本发明的逐步凸印解决方案中深度和/或热控制的各种可选实施例。
在以附图标号520标记的实施例中，包括微光学结构540的压印工具534例如通过真空(注意表示用于执行抽气功能的真空通道的两条垂直线)附设到压印头/操纵臂530上。对于热凸印，热从热源经导热材料532传导到压印工具534，优选地尽可能精确。另外，绝缘体、和/或制动件、和/或对准元件536接合至压印头530和/或压印工具534；在所示情形中，压印头534与元件536之间有小的间距。在制动和/或对准动作中，元件536引导凸印，以便结构540使衬底538的表面区仅变形到预定深度，并防止结构540前进更深。作为热绝缘体，元件536阻止从压印工具534和/或压印头530到邻近被结构540凸印的区域的衬底538表面区域的热传导。也就是，这些区域可能已经包括可因感应热而变形的微光学结构。平面图540从不同的角度示出了同一情形。压印工具534位于元件536所围绕的中心。作为工具材料的示例，给出了镍，作为衬底材料的示例，给出了PMMA。作为元件536的材料选择的示例，给出了聚四氟乙烯、聚酰亚胺、耐高温技术聚合物(如含氟聚合物)、和陶瓷材料。
在以附图标号522标记的实施例中，例如，元件536作为表面防护罩设置在衬底538上。
在以附图标号524标记的实施例中，整个压印头530被加热，由此优选地使用集成或基于衬底的绝缘体和可选的深度控制片/层。
在以附图标号526标记的实施例中，压印工具534包括结构540，该结构作为从工具的表面充分伸长的凸起而布置，以便在朝向衬底538按压工具534时，在工具534或压印头530的其余部分与衬底538接触之前就能达到期望的深度。剩余空间可用于空气冷却，通过利用如图中的弯曲箭头所示的额外的鼓风功能可增强空气冷却。在另一个可替换或补充性的实施例中，处于凸印中和/或与之邻近的整个区域可在压印工具534从衬底538的表面升起后利用空气冷却。
在以附图标号528标记的实施例中，其示出了上面的原理也可应用于多重结构压印工具。
图6通过两个示例示出了过凸印的原理如何应用于本发明中。在如由垂直虚线所分开的图的左侧，使用具有闪耀表面浮雕结构的压印工具610临近于衬底614上已有的(该情形下是的二元的)凹槽来凸印相应的镜像。在该例子中，在右边，具有大微光学图案的压印工具612被应用在现有的表面浮雕(该情形下为二元的)表面上。初始情形在602处示出。然后工具穿入604处现有的表面浮雕结构，并形成预定深度的相关大图案。精密的压力、热、和/或深度控制使得能够制造608处的邻近和嵌套的结构，如616处的无明显假象的混合结构。例如，这样的凸印可利用热凸印，其中，衬底包括可热成形的材料，且邻近的衬底结构可由图5d中的元件和/或通过构造实际上从压印工具/头突出的压印结构来保护，以使特定局部的热传导到衬底，并具有额外的空气冷却效果。
图7示出了根据本发明的教导凸印的光导的实施例。从光导(即通过期望的光射出表面)外耦合(outcouple)的有效光通常要求使用大量的微光学表面浮雕结构，从而使整个表面构成一个变化且复杂的微光学图样。所示的图案是可能的表面浮雕形状的示例。光源(如LEDs)可以设置在光导的旁边。从光辐射图和由于使用根据本发明的一种特殊设计而获得的方向性曲线(directivity curve)可以看到，所提出的凸印解决方案能够制造具有高度方向性的光学图样，即输出光相对于期望的方向被有效校准，该方向可以是例如射出表面的表面法向。
在使用点状光源(如LEDs)时，光方向性的增强控制通常是设计目标之一。校准可以通过例如微光学透镜(如衍射光学)来实现，这些微光学透镜的尺寸小，但收集并校准来自整个发光表面(如LED表面)的光。使用例如DO透镜优于传统透镜的一点是将透镜直接附设到LED上而使得整个组件非常紧凑的可行性。此外，DO透镜适于复制，因此使得用于每个透镜的成本较低。下面将介绍将微光学透镜组合到LED上的两个创新的解决方案，还将证明这些方法也适于工业制造。
通常，有效的微光学透镜可采用两种方式复制到LED上。透镜是分离的，或者透镜被直接复制到LED的包封材料上。图8a示出了这两种用于诸如前述LEDs的发光元件的微光学透镜的复制方法。
在第一种方法800中，将分离的微透镜元件810层压在LED芯片804或封装件802的顶部。附图标号806指可选的透明材料，该透明材料可以已经直接存在于LED芯片804的顶部。相关的LED也可是待由微透镜矩阵(图中以包括多个“透镜”圈的矩形示出)覆盖的多芯片LED。在一个实施例中，将透镜复制到聚合物树脂上，参见附图标号808，该聚合物树脂可以是例如可UV或热固化类的。首先，可以将树脂薄薄地分配在聚合物膜(例如PMMA)上，并且透镜母版与树脂接触地设置。该解决方案可使用例如PDMS的基于硅树脂的压印工具。然后，可选地利用如UV灯或炉子来固化树脂，得到一个复制透镜。此后，可以按尺寸切割如前面所述的承载微光学透镜的聚合物膜的衬底；最后，将获得的透镜812附设到目标LED壳上。
在第二种方法814中，将透镜直接复制在芯片上的LED树脂材料上：因此该方法可直接利用可固化材料818，其间无需任何衬底(如膜)。可以买到无包封的LEDs。LED芯片或“管芯(die)”位于小的LED壳中，其可填满期望的树脂，并且将当母版816置于树脂上并使其固化时，透镜820一体地形成在包封上。
在822处，示出了为LED设置微光学透镜的多个不同选择。在一个实施例中，参见标号824，透镜的背向LED的表面上包括表面浮雕结构。在另一个实施例中，透镜的表面浮雕结构设置在面向LED的表面上。而且，可在包括浮雕结构的透镜与LED壳之间设置附加层(图中为薄矩形)。在另一实施例828中，在透镜的两侧都形成有表面浮雕形状，即为双面透镜，而且也示出了附加层。如本领域技术人员所理解的那样，表面浮雕形状可具有不同的微光学形状，且为说明的目的示出了闪耀二元光栅。
在830处，示出了许多有利情形中的一种透镜形状(一种所谓的菲涅耳透镜(Fresnel lens))以突出实用的透镜可能必须限定的变化且相当复杂的图案特性(闪耀形状、弯曲形状)。显然，制造这些形状时需要特别高的精度，但本发明的解决方案使其成为可能。
如前面所述，市场上有可UV和可热固化的材料，这些都适用于微光学器件(特别是衍射光学透镜)的复制。但是关于这些材料有几种优选的特性，在执行复制时了解这些特性是重要的。为了有效地复制微观结构，材料优选地具有非常低的表面张力、低流动性，且成型收缩率的值也要低。这些特性可确保所有小空腔等将被填充，并且在固化后，所形成的结构将保持同一形态不变。固化的材料应能耐高温，因为如果透镜复制是在LED制造的早期工艺步骤中执行的，则在最后的回流步骤中该要求将显现出其价值。其他优选的特性包括耐磨损和水解。还期望对多种溶剂具有化学稳定性。此外，对其他材料的粘附力在实际中是必须的。市场上的大多数材料都能满足这些要求。它们之间的差异在于光学特性。
材料优选地是光学透明的。这意味着可见光透射优选地应超过约90％。而且，它们在固化过程中一定不能显现出泛黄。虽然材料可能不会吸收光，但它可能变黄，这在使用例如白光的透射光学中是不希望的。这里材料间的首要区分因素变得显而易见。在LEDs中，相当重要的光学特性是材料的折射率(RI)。LEDs通常基于InGaAs或类似的技术，这里折射率通常约为2-3.5。例如，当LED产生直射入空气的光且这里RI为1时，将会在LED管芯中产生大量光的全内反射，这是由于RI值间的巨大差异。这仅会使一部分光发射出去。如果管芯是以RI为1.5或更高的光学材料封包的，则光会自然地发射出去。理论上，如果光学材料具有与LED管芯相同的RI值，则所有未在管芯内重组的(recombined)光都将透射出去。
光学UV材料通常是单组分(one-component)聚合物树脂，其需要紫外光来起动聚合物链的交叉结合，并且它们可基于丙烯酸技术。所需的UV射线剂量通常约为1-5J/cm²，这可以用例如产生超过约100mW/cm²的UV光的灯来提供，这是易于获得的，因为典型的UV灯通常产生超过40W/cm²的UV光。光的波长通常应在约250-400nm的范围内。根据树脂层的厚度、所使用的UV灯以及光源的距离，固化材料所需的时间从几秒到几分钟。由于可UV固化的树脂使用方便和快速固化的特性，所以可UV固化的树脂很受欢迎。市场上的某些UV材料满足对光学粘合剂(optical adhesive)的所有要求。
可热固化的材料通常基于环氧树脂。单组分和双组分环氧树脂都适于复制。通常，固化所需的温度范围基本在80℃到200℃之间。环氧基树脂优于丙烯酸材料的之处在于更高的RI值(可超过1.7)、更好的耐热性、和对材料的优异粘附力。典型的缺点在于更长的固化时间，根据温度和两种组分的特定混合比，固化时间从几分钟到几小时不等。
两种透镜类型都可以例如用合适的(倒装)芯片接合装置来制造。对于UV固化，使用薄光学纤维(如在外科情形中所使用的那些)，并将其放置到芯片的真空通道中，从而提供一种可能的设置选择。这允许UV树脂从上面固化。
集成透镜可通过首先将硅树脂压印工具附设到压印头上而制造，该硅树脂压印工具可选地如本文中所述的那样制造。然后，可以将LED附设到塑料板上并放置在工作台上。如果接合器具有在倒装芯片接合工艺过程中产生小糊状物滴的分配单元，则其可应用于透镜复制工艺中。唯一需要做出改变的是更换糊状物注射器并用UV树脂注射器替代并调整分配量。因此树脂可注入到LED壳中。
使透镜对准LED是工艺的一个阶段，假定粘接器装配有摄像机，在本发明的一个实施例中，摄像机可用于定位的目的。在对准后，降低压印头，直到工具与LED壳接触。最后，用UV光来固化树脂。
然后考虑用于制造特别分离的透镜的实施例，如可以将约0.25毫米厚的PMMA片放置在工作台上并在其上分布小滴的树脂。然后可降低压印头，直到如所期望的那样将树脂压在工具和片之间。然后可以将形成的透镜切下并移到LED的顶部。离散的透镜的制造也可以用倒装芯片接合器来执行，并稍作改变。通常需要增加适当的切割工具，以便从衬底上拔出透镜；另外地，当粘接器被设计成拾放型时，则可以应用。
图8b示出了用于例如微光学透镜制造的压印工具的示意图。压印工具832具有凸起，凸起的表面图案(即工具的“顶端”)834包括微光学形状(如待在目标衬底上凸印的可变凹槽和凹痕)的镜面复制品。
图9分别示出了现有技术的透镜和根据本发明制造的微光学DO透镜的示例性辐射图902、904，其用来校准从LED发出的光。如可从图中看到的，经本发明的透镜外耦合的光是校准光(即增加的方向性)，比现有技术的透镜更有效(注意更窄的图案)。通常，在测试的情形中，由于使用了本发明的透镜，强度值增加而校准角变窄至理想值。利用Toray粘接器进行的测试表明该类透镜复制在自动化工艺中也工作良好，因此能够批量制造具有微光学器件(如衍射光学透镜)的LED。
为保护所获得的透镜免受刮擦，例如，虽然考虑到更多的材料通常会转化为额外的光通量损失，并还可能导致强度降低，但还是可以添加一个或多个包封层。根据本发明的一个实施例，当将透镜倒置(即表面浮雕图案面向LED)时，同时可获得透镜结构的覆盖物(cover)。
图10示出了一个实施例，其中，在本发明的系统中使用了摄像机1002，该摄像机是能够三维(如(半)球形)成像的锥光摄像机(conoscopic camera)装置或是标准的二维摄像机)。摄像机(如CMOS或CCD摄像机)可与所用的凸印机相关联地安装，从而使下面要说明的整个工艺可以是自动化的。对于锥光摄像机(conoscopy)，设置了用于使摄像机相对于目标元件1006移动和转动的装置。
在一个实施例中，包括相应的表面浮雕结构或其镜像的每个压印工具或某类复制元件(参见附图标号1006)被置于预定表面上(如凸印设备的工作台1008)，从而使光源(如期望数目的LEDs 1004)可布置成将光适当地内耦合(incouple)到元件1006中，以使摄像机1002能够捕获二维(如从元件1006的预定光输出表面上方直接获取)或三维辐射图，该辐射图包括例如关于角度分布信息的照明效率信息。其他参数也可以从辐射图测得和/或获得。
捕获的辐射图和/或其他测得或获得的信息被用于形成工具库(tool library)1010，其中信息被编入索引或相反基于元件1006结构化。例如，获得的信息可关于每个压印工具提供。工具库可设置成在凸印设备上运行的计算机应用。工具库1010可将某个表面浮雕结构或图样与某组参数值和/或某个辐射图联接。另外地或可替换地，可利用预定的学习算法来(如反向传播(back propagation))设立如神经网络或某些其他智能映射工具，以便输出某一压印工具(如其id)和/或与作为输入提供的某类辐射图相关的其他参数值。库1010也可充当独立的计算机的东道主，由该库或至少源自其中的信息可例如经通信连接继续提供或远程访问，以用于工艺控制的目的。
图11中示出了这种工艺控制的实施例。此时未完成(如0-80％完成)的光学图样1102被光源照亮，从而捕获二维(通常更快且在许多应用中是充分的测量)或三维辐射图1104。关于图样的目标1100(如期望的预定辐射图和/或其他与照明相关的参数)也可提供给执行系统，如还装配有摄像装置的凸印设备。在实时输入分析1108中，可以将目标与经成像1104捕获的辐射图1106(和/或与其他参数)比较，从而评估期望的图样目标是否已经达到，且如果没有，则可通过进一步的处理再增强最终结果。在1110处，优选地，使存储在工具库中的辐射图和/或参数(值)例如经神经网络或某种优选的图案识别技术智能地比较(traverse)，从而发现一个或多个压印结构和/或其他工艺参数1112(如相关的凸印坐标)，这可为当前未完成图样的当前辐射图提供积极的效果，从而有利地减小其与期望的图样目标间的差别。可选择这样的压印工具，并在光学图样的预定部分被凸印的过程中开始新一轮凸印1114。所得到的图样1116再次成像1118，且将获得的辐射图1120与图样目标比较。可继续这样的过程，直到实现期望水平的光学精度且完成图样为止。
本发明的范围由所附权利要求限定。对本领域的技术人员来说不言而喻的是，在不背离权利要求及其相关等同物所限定的总的发明构思的前提下，可对明确公开的解决方案做出各种修改。