CN100368829C - 光学元件 - Google Patents

Abstract

水平轴表示树脂的线性膨胀系数B与基底的线性膨胀系数A之比，垂直轴表示树脂的厚度。○表示没有由基底的损坏造成的树脂的剥离，×表示发生由基底的损坏造成的树脂的剥离。当从这些结果中判断(B/A)与不发生树脂剥离处的树脂厚度Y的关系时，获得下列关系(图中的曲线表示)：Y≤200/(B/A)+30…(1)；从该关系看出，如果树脂的厚度等于或小于30μm，则不发生剥离。但发现：如果(B/A)很小，则甚至在厚度大于30μm处也不发生剥离，只要满足上述的方程。

Description

光学元件

技术领域

本发明涉及一种光学元件，该光学元件是一种诸如微透镜、微透镜阵列或衍射光栅的光学元件，具有由玻璃、石英等制成的基底和树脂层，该树脂层形成在该基底的至少一个表面上并形成诸如微透镜、微透镜阵列或衍射光栅的光学元件。

背景技术

用于制造显微光学元件的方法根据光学元件使用的材料以及加工的形状而改变。常规地，球面透镜或非球面透镜通过对玻璃进行研磨或抛光而制造。但在这种情况下生产率很低，加工的形状也非常有限。

因而近来开始采用通过车刀直接切割的方法以及利用光刻和蚀刻技术结合的方法作为生产衍射光栅中显微形状等的方法。在前一种情形中，可以实现以几十微米的量级进行形状加工，在后一种情形中可以实现根据步进式光刻机的光学限度进行亚微米的形状加工。特别是，通过利用光刻技术在石英上形成抗蚀图、再通过蚀刻切割石英来制造高性能的显微光学元件。

下面将简要描述该工艺。石英的表面均匀地涂覆抗蚀剂，并制备一种其上设置了所需图案的分划板。在利用步进式光刻机将该所需图案投影到抗蚀剂上之后，将基底浸没在显影液中，以便去除抗蚀剂的不必要的部分。此抗蚀剂上图案的形成也可以利用通过镀铬掩模的曝光实现，或是利用以电子束描画装置取代步进式光刻机的直接描画法实现。

但是，虽然在所需图案为简单线条或空间图案的情形下没有问题，但在带有自由曲面的非球面透镜的情况下需要高度的曝光技术。还有在曝光或随后的显影之前对涂覆有抗蚀剂的基底退火的问题。存在由于退火使抗蚀剂变形的问题，所以对形成在石英表面上的抗蚀剂图案有影响。当然，也有通过退火来按照意愿地使抗蚀剂形状变形来形成所需形状的工艺。

接下来，依照该抗蚀剂图案蚀刻石英。采用的蚀刻通常是干蚀刻；此处采用RIE(反应离子蚀刻)或利用感应耦合等离子体的ICP(感应耦合等离子体)-RIE。可以利用ICP-RIE蚀刻具有高深宽比的切割形状。通过RIE蚀刻石英；但同时抗蚀剂也被刮掉。在石英基底上蚀刻有精细图案的元件基底通过完全去除最终保留的抗蚀剂而完成。通常为了提高显微光学元件的大量生产特性，在单个石英基底的表面上制备多个元件图案，并且通过切割此基底获得许多单独元件。

但是，在利用石英蚀刻系统制造高性能的显微光学元件的情形中，会出现下列问题：即各个设备都很昂贵，对于大量生产还需要许多生产线。同时，还存在利用合成树脂代替玻璃的光学元件。这些光学元件已被用在从简单的球面透镜到复杂的衍射光栅等范围内的实际应用中。在利用合成树脂的光学元件情形中，可以通过形成母型并利用该母型进行注入模制、热塑模制、紫外固化模制等大量生产具有所需形状的光学元件。对这些树脂材料的研究开发已经进行，并且这些材料开始用在很多领域。例如，在日本专利申请JP2002-321227中描述了利用这种母型制造合成树脂光学元件的方法。

光通信行业是光学元件的一个应用领域。在各类应用如干线系统和短距离通信系统中都需要高性能的光学元件，并且在这些光学元件中需要高度的可靠性。用合成树脂制成的光学元件的一个问题在于这种光学元件与用石英、玻璃等制成的光学元件相比具有较差的耐环境性。因此，采用粘接型合成树脂光学元件，其中合成树脂制成的光学元件设置在石英或玻璃(BK7等)制成的基底的一侧或两侧上。参考专利1中描述的光学元件也是此类光学元件。已经发现，这种将合成树脂与玻璃粘接的粘接型合成树脂光学元件在环境特性方面优于单独由合成树脂制成的光学元件。

但是，在通信设备中可靠性被认为很重要，并且为了调查耐久性和耐环境性，要进行特殊的加速试验。在光通信部件和设备行业，由Telecordia Technologies Inc.倡导的标准构成了该行业的实际标准，并且所有的部件被要求进行以同一公司的标准GR-1229和GR-1221为代表的清晰严格的环境试验。特别是，当进行在几分钟的周期内使得温度从-40℃～100℃变化的热循环试验时，遇到下列问题：即，作为粘接的合成树脂和基底之间热膨胀系数的差异引起的应力的结果，玻璃基底被损坏，而且合成树脂从这些玻璃基底剥离，从而不能经受这种热循环试验。

因而，粘接型合成树脂光学元件必须对热有足够的强度。但是，目前的粘接型合成树脂光学元件不能完成这样的功能；如上所述，基底损坏的结果是发生树脂剥离和浮置的问题。

发明内容

鉴于这些情形设计了本发明，本发明的目的在于提供一种能够经受上述热循环试验并具有耐热性的粘接型合成树脂光学元件。

本发明公开了一种光学元件，包括：基底；和形成在该基底的至少一个表面上的树脂层；其中该树脂层包括：光学元件部分；中央树脂部分，在该中央树脂部分中形成所述光学元件部分；以及外周树脂部分，在该外周树脂部分中形成中央树脂部分；以及其中，所述中央树脂部分比所述外周树脂部分厚，并且该树脂层的表面不粘附任何层。

发明人研究热应力对粘接型合成树脂光学元件的损坏原因时发现：此损坏是由于基底(由于热应力而)在树脂层外周部分处受到应力，以致于在这些部分中出现断裂。树脂层的中心部分处没有发现基底的断裂或粘结剂的剥离。另外，树脂层的端部同样没有粘结剂的剥离。基于这些发现，本发明人发现如果通过使树脂层的外周部分变薄来减轻基底受到的来自树脂层的外周部分的力，就可以防止基底的断裂。具体而言，通过使树脂层的外周部分的厚度小于内部部分的厚度，可以提高耐热性。

用于实现上述目的的第二发明基于第一发明，其中薄部具有离树脂层的边缘部分至少50μm的宽度，并且该薄部的厚度不大于30μm。

如同后面在实施例中详细描述的那样，已经证明如果薄部的厚度为30μm，并且此薄部离边缘部分的宽度至少为50μm，则在上述热循环试验中不会发生损坏。

用于实现本上述目的的第三发明基于第一发明，其中薄部具有离树脂的边缘部分至少30μm的宽度，并且

Y≤200/(B/A)+30…(1)

此处，A是基底的线性膨胀系数，B是树脂的线性膨胀系数，Y是树脂薄部的厚度(μm)。

第二发明的的条件是通常用作树脂的树脂范围成立的条件。但已经证实，即使厚度大于30μm，也存在可以经受热循环试验的树脂，如同第三发明中一样(取决于树脂)。如后面在实施例中详细描述的那样，在满足上述方程(1)的条件下，即使厚度大于30μm，树脂也可以经受热循环试验。

用于实现上述目的的第四发明是一种光学元件，该光学元件具有基底和形成在该基底的至少一个表面上的树脂层，其中在该树脂层中从该树脂层的边缘部分到内侧至少50μm处形成光学元件，并且该树脂的厚度等于或小于规定的厚度。

在第二发明中，树脂层的外周部分的厚度小于位于这些外周部分内侧的部分的厚度。但在本发明中，形成于树脂层中的光学元件形成在位于外周部分内侧不小于50μm的区域中，并且树脂的厚度被充分地减小。在这种结构情形中，即使树脂的厚度均匀，热循环试验也不造成损坏。另外，这种情形中树脂的厚度指不形成光学元件如透镜或衍射光栅的部分的厚度。

用于实现上述目的的第五发明是一种光学元件，其中

Y≤200/(B/A)+30…(1)

此处，A是基底的线性膨胀系数，B是树脂层的线性膨胀系数，Y是树脂的厚度(μm)。

在第三发明中，树脂外周部分的厚度小于位于这些外周部分内侧的部分的厚度。但如果上述方程(1)成立，则即使树脂的厚度均匀，热循环试验也不造成损坏。另外，此情形中树脂的厚度指不形成光学元件如透镜或衍射光栅的部分的厚度。

用于实现上述目的的第六发明基于第一到第五发明中的任一发明，其中形成在基底上的表面的大小至多为2500mm²。

理想的是形成在基底上的表面的大小至多为2500mm²。

附图说明

图1是用在实施例1中的类型I形状的轮廓简图；

图2是用在实施例2中的类型II形状的轮廓简图；

图3是用在实施例1中的粘接型合成树脂光学元件的形状的轮廓简图；

图4是用在这些实施例中的热循环试验的温度循环简图；

图5利用实施例1中树脂厚度和获得的树脂和基底的线性膨胀系数之比作为参数表示发生剥离的条件；

图6是用在实施例2中的粘接型合成树脂光学元件的形状的轮廓简图。

实施本发明的最佳模式

作为本发明目的的光学元件使用诸如玻璃、石英或人造石英作为透明基底，具有通过粘结剂形成并粘接在该基底的一个表面或两个表面上的合成树脂。以下材料可以用作该透明基底：以BK7、SF11和SF14、熔融石英、Dynasil熔融石英为代表的普通光学玻璃；特种玻璃，诸如彩色玻璃、浮法玻璃或Zerodur；和光学晶体如CaF₂、蓝宝石、石英和MgO。

在令该光学元件用作反射型光学元件而非透射型光学元件的情况下，不需要该基底中的任何光学特性，以致于可以想象能够根据机械强度、可加工性及成本方面的要求来使用所有类型的材料如金属、陶瓷和塑料。

一般地，用于形状转写目的的树脂可以分为热塑性树脂和热固性树脂两个主要类别。热塑性树脂的例子包括聚碳酸酯、聚苯乙烯、苯乙烯型聚合物合金、聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯、非晶型聚烯烃、丙烯酸树脂、聚氯乙稀、热塑性聚氨基甲酸酯、聚酯、聚酰胺型合成纤维等。同时，热固性树脂包括热固性聚氨基甲酸酯、环氧树脂、不饱和丙烯酸树脂、丙烯酸尿烷树脂、不饱和聚酯、双烯丙基碳酸二甘醇酯树脂等。

在热固性树脂情形中，采用低分子量的树脂液体，以便提高转写性能。在此树脂液体中包含固化催化剂或固化剂。在通过紫外光实现固化的情形中，光敏剂用作固化催化剂。光敏剂的典型例子包括苯乙酮型试剂、苯偶姻烷基醚型试剂、苯丙酮型试剂、酮型试剂、蒽醌型试剂和噻吨酮型试剂。也可以将几种不同类型的试剂混合使用。

诸如透镜或衍射光栅这样的光学元件通过改变树脂的形状形成，并且整体结构用作光学元件。特别是诸如微透镜和微透镜阵列这样的光学元件有这种结构；在上述日本专利申请JP2002-321227中描述了制造这种光学元件的方法的一个例子。

顺便说一下，树脂和基底之间界面处的粘接强度通常由用于粘接的硅烷偶联剂的强度决定。硅烷偶联剂通常用作利用水解反应的无机-有机偶联剂。在合成树脂粘接型光学元件的情况下，玻璃上的SiO₂或石英和合成树脂分别通过进行硅烷处理来偶联，以致于使这些材料双方彼此紧密地粘附。

硅烷偶联剂在单分子中有两类官能团，因而有两种试剂，即实现与有机材料的化学偶联的反应基(乙烯基、环氧基、氨基、甲基丙烯酸基、氢硫基等)和实现与无机材料的化学偶联的反应基(甲氧基、乙氧基等)。偶联的原理如下：即，将硅烷偶联剂作为涂层(以水溶液的形式)涂敷到SiO₂的表面上，硅烷偶联剂被存在于周围区域中的水水解，从而形成硅烷醇，并且该硅烷醇的一部分缩合而转变成低聚态。在此状态下，一旦试剂在SiO₂表面上通过氢键合被吸附，通过随后的退火处理，导致发生脱水缩合反应，以致于形成强化学键合。如果在涂覆法或退火处理中没有误差，则通过化学键合获得的强度依赖于化学物质本身。

(实施例)

下面描述本发明的实施例。首先描述下面示出的各实施例的共同的部分。以制备用于形成凸透镜的光学元件为实施例，评估这些透镜在热循环试验中的特性。

(基底的预处理)

在这些实施例中，选择BK7和熔融石英作为基底材料。采用的基底具有圆盘形状，厚度为1mm，外部尺寸为Φ200mm，该基底的表面抛光成Ra值不大于10nm。抛光之后即将每个基底放置在IPA清洗装置中，并且通过IPA对基底的表面进行超声波清洗。随后，通过在蒸发箱中的加热蒸发来防止着色等。

因为就转写性能、脱模性能、质量稳定性等而言，酮型1-羟基环乙基苯基酮等很有用，所以采用由缩醛乙二醇二丙烯酸酯、尿烷丙烯酸酯和1-羟基环己基苯基酮组成的混合的紫外可固化树脂，并且通过改变混合比制造具有不同线性膨胀系数的产品。

使用的硅烷偶联剂是信越化学工业株式会社市售的KBM-503(甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)。

关于硅烷偶联剂的制备和涂覆方法，按原样采用制造商推荐的方法。首先，制备硅烷偶联剂浓度为1％的水溶液，并且进行简单的混合以产生浓度约为1％的醋酸，同时搅拌醋酸水溶液。用搅拌器进行搅拌，直到水溶液基本上透明，以至于硅烷偶联剂彻底水解。

用旋转喷淋法作为硅烷偶联剂水溶液的涂覆法。将基底固定到旋转涂覆器，并且将此涂覆器设置为旋转速度30rpm。将硅烷偶联剂水溶液从中心以吹雾的形式均匀地涂敷到基底。在确认没有斑点之后，旋转涂覆器的每分钟转数加速到2000rpm，以至于抛出过量的化学物质。该过量的化学物质被震出大约1分钟之后，从旋转涂覆器小心地移出基底并放置在退火炉中。以大约80℃进行退火30分钟。之后，从炉中移去基底，并且自然冷却。使硅烷处理后的基底表面活化，以便产生与树脂的键合；除非该基底保持在空气湿度很小的干燥器中，否则粘接强度将下降。建议在硅烷处理后同一天内进行模制。

(模具的制备)

在本实验中，决定模制的图案以凸透镜作为光学元件。形成的透镜为球面透镜，凹进量为20μm，R＝300μm。用于在合成树脂中模制凸透镜的模具制备在Ni基底(厚度为10mm的50mm的正方形)上。在此基底中，如图1所示在四个角上形成凹陷，在这些凹陷中设置用于调节树脂厚度的间隔物。将此Ni基底固定到超高精度的车床上，利用R＝0.2mm的车刀切割上述的球面透镜形状。

自然地，与透镜形状相逆的凸透镜模具1被切割成该模具，以致于模制后的合成树脂将形成凸透镜。如图1中所示形成在中心处的只形成凸透镜模具1的模具将被称作类型I。在图1中，(a)是平面图，(b)是(a)中沿A-A线的截面图，(c)是(b)中C部分的放大图，(d)是(a)中D部分的放大图，(e)是沿(d)中B-B线的截面图。

在与类型I的凸透镜模具1相同的凸透镜模具1的外周部分上预先形成高度为80μm的框形堤2的模具被称作类型II。如图2所示，此类型II包括三种类型；根据框形堤2的宽度大小将这些类型称作类型II-1、类型II-2和类型II-3。这些类型的形成分别使得宽度达到位于从3mm正方形的计划切割的部分(构成元件的外部尺寸)到内侧30μm、50μm或100μm的区域。

在图2中，(a)是平面图，(b)是(a)中沿A-A线的截面图，(c)到(e)是(b)中E部分的放大图，分别对应于类型II-1、类型II-2和类型II-3。另外，在(c)到(e)中，图中放大了堤2附近的区域，图中堤2的尺寸相对于在中心部分处构成凸透镜模具1的凹陷部分的尺寸而言被放大。

制造这些模具的方法如下：即，在Ni模具基底上用铣切刀具加工出堤2的区域，以便预先制造去除飞边的模具。随后，通过上述的方法在Ni基底的配有堤的中心处的平坦部分中制造凸透镜模具1。所有四种模具都以此种方式制造。

(实施例1)

利用具有不同线性膨胀系数的基底和树脂检测与剥离的相关性。如表1所示，采用的基底和树脂是BK7和熔融石英与树脂I和树脂II(具有不同的线性膨胀系数)的所有可能的组合。

(表1)

基底	线性膨胀系数	树脂	线性膨胀系数
				BK7	7.00E-06	树脂I	1.20E-04
树脂II	2.50E-04
		熔融石英	6.00E-07			树脂I	1.20E-04
树脂II	2.50E-04

利用下列过程实现基底上树脂层的模制。首先，在类型I的四个角上设置预先制造的间隔物。用这些间隔物将在基底和模具之间的空间固定，以便控制树脂层的厚度。此处，采用以块规形式加工的部件。使用的间隔物是矩形固体(5mm的正方形)，具有(2mm+目标树脂厚度)的高度。各间隔物需要四个块规。将微分送器充满树脂，仅将所需量的树脂滴加到模具的表面。所需的量指对应于树脂面积×树脂厚度的树脂量，假设树脂扩散的范围基本上为圆形。被滴加树脂的模具夹住树脂，并使得树脂以如下结构紧密粘结，在该结构中树脂与基底的经过硅烷处理的表面连接。在该粘结之后，将重物置于基底上，等待树脂的充分扩散。确认基底接触到四个间隔物后停止树脂的扩散。随后，去除该重物，并用1000mJ的紫外光辐照树脂，使得树脂固化。然后，仔细剥离基底与模具。

接下来利用切割设备进行切割。通过蜡将样品固定到适当的玻璃基底上，并将样品设置在该切割设备中。切割位置设置成使得凸透镜的中心部分切割出3mm标准正方形。切割之后，通过进行IPA清洗和去除蜡而完成样品。图3表示完工元件的图像。在图3中，3表示凸透镜部分，4表示树脂层，5表示基底。

树脂层的厚度Y根据样品而变化。通过在显微镜下测量切割表面确认树脂层的厚度实际上按照计划完成。那些间隔物以良好的精度加工出，但树脂的实际厚度很少精确地按计划获得。在对这些结果的讨论中，利用这些测量结果进行判断。在这里，重要的是树脂的厚度没有随着元件上的测量位置而大大变化。顺便说一下，如果在倾斜状态下模制基底和模具，则会发生这种变化。

对于上述基底和树脂的四种组合，以六种目标厚度形成各种树脂层，即：20μm、30μm、35μm、40μm、50μm和60μm。具体地说，总共制造24个元件(4种组合×6种厚度)，利用图4中所示的温度循环试验评估这些元件。结果示于图5中。

在图5中，水平轴表示树脂的线性膨胀系数B与基底的线性膨胀系数A之比，垂直轴表示树脂的厚度。○表示没有由基底的损坏造成的树脂的剥离，×表示发生由基底的损坏造成的树脂的剥离。当从这些结果中判断(B/A)与不发生树脂剥离处的树脂厚度Y的关系时，获得下列关系(图5中的曲线表示)：

Y≤200/(B/A)+30…(1)

从该关系看出，如果树脂层的厚度等于或小于30μm，则不发生剥离。但发现：如果(B/A)很小，则甚至在厚度大于30μm处也不发生剥离，只要满足上述的方程(1)。

很明显，树脂层从基底剥离的主要原因在于由基底和树脂之间热膨胀的差异造成的应力。树脂和基底由于环境温度变化所致的位移发生差异时的双金属效应造成此应力。通常，每1℃的位移差表示为相应材料的总元件长度乘以线性膨胀系数获得的值的差异。但所得结果如上所述，超过预期值。

此结果的原因如下：即，实际上因为即使(位移差导致的应力中)“有助于剥离”的力局部地作用在元件的外周部分处也会发生剥离，所以剥离的关系不能用简单的减法表示。

(实施例2)

从实施例1所述的实验结果发现，如果树脂厚度等于或小于30μm，则不发生剥离。因此，制造新模具，使得从树脂最外周延伸特定距离的区域中的树脂厚度将等于或小于30μm，并且研究这些模具对树脂剥离的效果。使用的模具为上述的类型II-1、类型II-2和类型II-3。

用在树脂层中的树脂为实施例1的树脂I，使用的基底为实施例1的BK7。用75μm厚度的树脂层作为目标厚度制造这些模具。在以此树脂层厚度制造的情形中，在对应于模具堤的区域中树脂层部分4b的厚度将为25μm，如图6所示。另外，其它区域4a中的厚度为75μm。另外，在图6中，3表示凸透镜部分，5表示基底。

采用的基底处理和模制法与实施例1中采用的基底处理和模制法类似。关于切割，这些元件也类似地切割出3mm的正方形。在完成的元件中，外周部分中树脂层厚度为25μm的那些区域的相应宽度不同，即30μm、50μm和100μm，分别对应于类型II-1、类型II-2和类型II-3。所有的这些样品利用上述的温度循环试验评估。结果，在宽度不小于50μm的样品中不能证实剥离。这被认为可能归功于下列原因：即，因为树脂层的剥离可能源自于外周部分的端面，所以使得在这些外周部分不发生剥离的树脂层厚度的形成也防止在中心部分发生剥离。因而证实，如果树脂层的外周部分中至少一个宽度为50μm的区域被树脂厚度不大于30μm的区域包围，则即使中心部分的树脂厚度超过30μm或上述方程(1)表示的Y，也不会发生剥离。

在外周部分中宽度为50μm的区域中的树脂层厚度满足上述方程(1)的状态下进行类似的实验，位于该区域内部的树脂层厚度设置为75μm。在任何一种情形中都不发生树脂的剥离。

而且，在上述实施例中，以具有形成在内侧的凸透镜的元件为例作了展示。但是，本发明不限于这些元件，也可以使用形成有凹透镜或其它形状的光学元件的元件。另外，在具有其中内侧的树脂层厚度很大的有利形状的元件中，在形成具有大曲率半径和大透镜直径的凹面的情形中，可以在光学元件的模制部分中设置足够的厚度，并且可以在外周中设置足够的树脂层厚度以获得本实施例的效果。

此外，在此基底制造成使得最大表面的面积不超过2500mm²的情况下，甚至例如光束横截面积不大于2500mm²的光通信部件等光学元件也可以具备耐久性和耐环境性。在这些光学通信部件具备很高的耐久性和耐环境性的情况下，即使这些部件用在位于海底的电缆中，或用在多种环境如寒冷区域或热带区域中，也可以防止环境变化所引起的光学元件的衰退或破坏。

Claims (4)

1.一种光学元件，包括：

基底；和

形成在该基底的至少一个表面上的树脂层；

其中该树脂层包括：光学元件部分；中央树脂部分，在该中央树脂部分中形成所述光学元件部分；以及外周树脂部分，在该外周树脂部分中形成中央树脂部分；以及

其中，所述中央树脂部分比所述外周树脂部分厚，并且该树脂层的表面不粘附任何层。

2.如权利要求1所述的光学元件，其中基底的形成树脂层的表面的大小不大于2500mm²。

3.如权利要求1所述的光学元件，其中所述外周树脂部分具有离所述树脂层的边缘部分至少50μm的宽度，并且所述外周树脂部分的厚度不大于30μm。

4.如权利要求3所述的光学元件，其中基底的形成树脂层的表面的大小不大于2500mm²。

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