微透镜元件的制作方法

1.本实用新型涉及微纳光学领域，具体而言，涉及一种微透镜元件。


背景技术：

2.随着手机领域发展，很多类型的手机取消了home按键，改用face id解锁代替指纹识别功能，为3d探测技术树立了一块全新的里程碑。据悉，3d探测的市场不仅仅在智能手机领域引起了很大的风潮，而且未来还可延伸至笔记本电脑、扫地机器人、ar/vr等新型领域。为了获得高质量的实用性，3d探测技术的影像系统一般采取近红外波段的单波长光源，一方面是区别自然环境下的可见光，另外一方面是利用红外光线的绕射能力强的特点，从而获得清晰有用的图像。但是红外光源的照度非常低，通常低于0.1lux，另外，入射光源存在小角度范围，这就要求整体成像系统开发近红外波段高透过率、低反射率的小角度减反射薄膜。
3.在3d探测技术的成像光源端，设计者会考虑配置对应的微透镜元件。微透镜元件是由微米级别尺寸的透镜组成，采取光刻、压印类工艺完成，主要是起到对光束整形准直的作用。光源从发射端经过微透镜元件，由于传播介质改变和微透镜的分布，会造成光源能量损失，成像效果差的问题。
4.也就是说，现有技术中的微透镜元件存在成像效果差的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的在于提供一种微透镜元件，以解决现有技术中的微透镜元件存在成像效果差的问题。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种微透镜元件，包括：基底层；微结构层，微结构层设置在基底层上，微结构层包括微透镜阵列，微透镜阵列包括多个微透镜，微透镜呈半球状；减反膜，减反膜设置在微结构层远离基底层的一侧表面和/或设置在基底层远离微结构层的一侧表面，减反膜包括交替堆叠的第一折射率膜层和第二折射率膜层，第一折射率膜层的折射率大于第二折射率膜层的折射率。
7.进一步地，微结构层包括：残胶层，残胶层与基底层连接，残胶层的厚度大于等于30μm且小于等于90μm；隆起层，隆起层位于残胶层远离基底层的一侧，隆起层具有微透镜阵列，隆起层的厚度大于等于2μm且小于等于40μm。
8.进一步地，微透镜阵列的截面呈多边形，多边形的边长大于等于0.05mm且小于等于0.35mm；和/或半球状的微透镜的直径大于等于12.5μm且小于等于87.5μm。
9.进一步地，当减反膜设置在基底层远离微结构层的一侧表面，第一折射率膜层为一层，第二折射率膜层为一层时，第一折射率膜层与基底层连接，第二折射率膜层与第一折射率膜层远离基底层的一侧表面连接，第一折射率膜层的厚度大于等于22nm且小于等于28nm；和/或第二折射率膜层的厚度大于等于213nm且小于等于226nm。
10.进一步地，当减反膜设置在基底层远离微结构层的一侧表面，第一折射率膜层为
两层，第二折射率膜层为两层时，第一膜层，第一膜层与基底层连接，第一膜层为第一折射率膜层，第一膜层的厚度大于等于36nm且小于等于40nm；第二膜层，第二膜层与第一膜层远离基底层的一侧表面连接，第二膜层为第二折射率膜层，第二膜层的厚度大于等于42nm且小于等于46nm；第三膜层，第三膜层与第二膜层远离第一膜层的一侧表面连接，第三膜层为第一折射率膜层，第三膜层的厚度大于等于115nm且小于等于123nm；第四膜层，第四膜层与第三膜层远离第二膜层的一侧表面连接，第四膜层为第二折射率膜层，第四膜层的厚度大于等于150nm且小于等于165nm。
11.进一步地，当减反膜设置在基底层远离微结构层的一侧表面，第一折射率膜层为三层，第二折射率膜层为三层时，第一膜层，第一膜层与基底层连接，第一膜层为第一折射率膜层，第一膜层的厚度大于等于28nm且小于等于32nm；第二膜层，第二膜层与第一膜层远离基底层的一侧表面连接，第二膜层为第二折射率膜层，第二膜层的厚度大于等于82nm且小于等于86nm；第三膜层，第三膜层与第二膜层远离第一膜层的一侧表面连接，第三膜层为第一折射率膜层，第三膜层的厚度大于等于85nm且小于等于93nm；第四膜层，第四膜层与第三膜层远离第二膜层的一侧表面连接，第四膜层为第二折射率膜层，第四膜层的厚度大于等于26nm且小于等于32nm；第五膜层，第五膜层与第四膜层远离第三膜层的一侧表面连接，第五膜层为第一折射率膜层，第五膜层的厚度大于等于98nm且小于等于112nm；第六膜层，第六膜层与第五膜层远离第四膜层的一侧表面连接，第六膜层为第二折射率膜层，第六膜层的厚度大于等于172nm且小于等于190nm。
12.进一步地，第一折射率膜层的材料包括氧化钛、氮化硅、氧化钽和氧化锆中的一种；和/或第二折射率膜层的材料包括氧化硅。
13.进一步地，微结构层的折射率大于等于1.45且小于等于1.65。
14.进一步地，基底层的材料包括玻璃和塑料中的一种。
15.进一步地，入射角aoi为0
°
时，微透镜元件在800nm～1000nm的波段范围内的反射率r《0.5％，透射率t》87％；和/或入射角aoi为0
°
时，减反膜在800nm～1000nm的波段范围内的反射率r《0.7％，透射率t》99％。
16.应用本实用新型的技术方案，微透镜元件包括基底层、微结构层和减反膜，微结构层设置在基底层上，微结构层包括微透镜阵列，微透镜阵列包括多个微透镜，微透镜呈半球状；减反膜设置在微结构层远离基底层的一侧表面和/或设置在基底层远离微结构层的一侧表面，减反膜包括交替堆叠的第一折射率膜层和第二折射率膜层，第一折射率膜层的折射率大于第二折射率膜层的折射率。
17.通过设置基底层，使得基底层为微结构层和减反膜提供了设置位置，提高了微结构层和减反膜的使用可靠性，保证微透镜元件能够稳定工作。通过设置减反膜，减反膜包括交替堆叠的第一折射率膜层和第二折射率膜层，第一折射率膜层的折射率大于第二折射率膜层的折射率，这样使得外部光源发射光线经过微透镜元件时，减反膜能够增加光线的透过率，降低光线的反射率，从而能够有效降低光源发射的光线经过微透镜元件的能量的损失，有效提高了光源利用率，增加了微透镜元件的成像效果，同时能够保证微透镜元件获得优良的保形效果。
附图说明
18.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
19.图1示出了本实用新型实施例一的微透镜元件的结构示意图；
20.图2示出了图1中的微透镜元件的俯视图；
21.图3示出了图1中的微透镜元件的微透镜阵列一侧的激光共焦显微镜示意图；
22.图4示出了图1中的微透镜元件在入射角度aoi为0
°
时的透射光谱图；
23.图5示出了对应实施例一的微透镜元件未镀减反膜时的反射光谱图和透射光谱图；
24.图6示出了实施例二的微透镜元件在不同入射角度的模拟反射光谱图；
25.图7示出了实施例三的微透镜元件在不同入射角度的模拟反射光谱。
26.其中，上述附图包括以下附图标记：
27.10、基底层；20、微结构层；21、残胶层；22、隆起层。
具体实施方式
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
29.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
30.在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。
31.为了解决现有技术中的微透镜元件存在成像效果差的问题，本实用新型提供了一种微透镜元件。
32.实施例一
33.如图1至图5所示，微透镜元件包括基底层10、微结构层20和减反膜，微结构层20设置在基底层10上，微结构层20包括微透镜阵列，微透镜阵列包括多个微透镜，微透镜呈半球状；减反膜设置在微结构层20远离基底层10的一侧表面和/或设置在基底层10远离微结构层20的一侧表面，减反膜包括交替堆叠的第一折射率膜层和第二折射率膜层，第一折射率膜层的折射率大于第二折射率膜层的折射率。
34.通过设置基底层10，使得基底层10为微结构层20和减反膜提供了设置位置，提高了微结构层20和减反膜的使用可靠性，保证微透镜元件能够稳定工作。通过设置减反膜，减反膜包括交替堆叠的第一折射率膜层和第二折射率膜层，第一折射率膜层的折射率大于第二折射率膜层的折射率，这样使得外部光源发射光线经过微透镜元件时，减反膜能够增加光线的透过率，降低光线的反射率，从而能够有效降低光源发射的光线经过微透镜元件的能量的损失，有效提高了光源利用率，增加了微透镜元件的成像效果，同时能够保证微透镜元件获得优良的保形效果。
35.另外，本技术中的减反膜为高透过率、低反射率的小角度近红外减反膜，能够接收近红外850nm～950nm的波段范围内的入射光，实现小角度aoi＝0
°
～50
°
的减反增透的效果。且本技术中的减反膜层数少，厚度薄，这样能够有效降低加工难度，节省加工成本。
36.需要说明的是，第一折射率膜层为高折射率膜层，第一折射率膜层的折射率大于1.9；第二折射率膜层为低折射率膜层，第二折射率膜层的折射率小于1.55。
37.具体的，微结构层20包括残胶层21和隆起层22，残胶层21与基底层10连接，残胶层21的厚度大于等于30μm且小于等于90μm；隆起层22位于残胶层21远离基底层10的一侧，隆起层22具有微透镜阵列，隆起层22的厚度大于等于2μm且小于等于40μm。需要说明的是，残胶层21的尺寸大于隆起层22的尺寸，这样使得残胶层21起到了承接隆起层22的作用，有利于保证构成隆起层22的微透镜阵列工作的稳定性。
38.如图1和图2所示，微透镜阵列的截面呈多边形，多边形的边长大于等于0.05mm且小于等于0.35mm；半球状的微透镜的直径大于等于12.5μm且小于等于87.5μm。在本技术中，微透镜阵列的截面呈六边形，六边形的边长为0.12mm，单个半球状的微透镜的直径约为30μm。
39.如图3所示，图中示出了微透镜元件的微透镜阵列一侧的激光共焦显微镜示意图。
40.具体的，第一折射率膜层的材料包括氧化钛、氮化硅、氧化钽和氧化锆中的一种；第二折射率膜层的材料包括氧化硅。
41.具体的，微结构层20的折射率大于等于1.45且小于等于1.65。微结构层20选取的是与基底层10的材料的折射率相近的材料。微结构层20通过压印类光刻的方式加工而成，残胶层21厚度约为80μm，隆起层22的高度约为3μm～4μm。基底层10的材料包括玻璃和塑料中的一种，可根据实际情况进行选择。
42.具体的，入射角aoi为0
°
时，微透镜元件在800nm～1000nm的波段范围内的反射率r《0.5％，透射率t》87％；入射角aoi为0
°
时，减反膜在800nm～1000nm的波段范围内的反射率r《0.7％，透射率t》99％。这样能够有效保证减反膜的高透射率、低反射率的特性，从而增加外部光源的利用率，增加微透镜元件的成像效果。
43.需要说明的是，在微结构层20远离基底层10的一侧表面和基底层10远离微结构层20的一侧表面均设置减反膜，或者在微结构层20远离基底层10的一侧表面和基底层10远离微结构层20的一侧表面中的一个设置减反膜，减反膜的具体设置位置可根据实际情况进行选择，当在微结构层20远离基底层10的一侧表面和基底层10远离微结构层20的一侧表面均设置减反膜时，一方面降低微结构层20远离基底层10的一侧表面的反射率，提高光源利用率，另外一方面，降低基底层10远离微结构层20的一侧表面的反射率，减少成像系统中的杂散光。按照入射角度aoi＝0
°
～60
°
，905nm为目标波长，减小反射率为目标，以氧化钛为第一折射率膜层的材料，氧化硅为第二折射率膜层的材料，设计多层膜系。
44.具体的，减反膜的膜层组成和厚度由下表1所示：在基底层10上设置减反膜，减反膜设计以4层材料组成，减反膜的总膜厚为359nm。减反膜设置在基底层10远离微结构层20的一侧表面，第一折射率膜层为两层，第二折射率膜层为两层时，减反膜包括：第一膜层、第二膜层、第三膜层和第四膜层；第一膜层与基底层10连接，第一膜层为第一折射率膜层，第一膜层的厚度大于等于36nm且小于等于40nm，优选地，第一膜层的厚度为39nm；第二膜层与第一膜层远离基底层10的一侧表面连接，第二膜层为第二折射率膜层，第二膜层的厚度大
于等于42nm且小于等于46nm，优选地，第二膜层的厚度为45nm；第三膜层与第二膜层远离第一膜层的一侧表面连接，第三膜层为第一折射率膜层，第三膜层的厚度大于等于115nm且小于等于123nm，优选地，第三膜层的厚度为118nm；第四膜层与第三膜层远离第二膜层的一侧表面连接，第四膜层为第二折射率膜层，第四膜层的厚度大于等于150nm且小于等于165nm，优选地，第四膜层的厚度为157nm。
[0045] 材料厚度第一膜层氧化钛39nm第二膜层氧化硅45nm第三膜层氧化钛118nm第四膜层氧化硅157nm
[0046]
表1
[0047]
另外，因为微透镜阵列的单个微透镜的直径约为30μm，而反射率仪的光斑也约为30μm，反射率仪的入射光可能覆盖了两个以上的微透镜，以致于形成多个表面的测试光斑，所以以透射光谱描述减反膜加工后的微透镜元件的光学能力。
[0048]
如图4所示，透镜面表示的是微结构层20远离基底层10的一侧表面，非透镜面为基底层10远离微结构层20的一侧表面。单个微透镜远离基底层10的一侧表面是球面。由图可知，减反膜加工后的透镜面和非透镜面的透射光谱相近。入射角度aoi为0
°
时，微透镜元件的透镜面和非透镜面的透射率约为99％。(由于衍射作用等原因导致部分透过率大于100％)
[0049]
如图5所示，为本实施例的微透镜元件未镀膜时的反射光谱图和透射光谱图。经分析可知，镀膜加工后的微透镜元件的反射率相比未镀膜时有明显降低，透过率有明显提升。
[0050]
实施例二
[0051]
与实施例一的区别是，减反膜的层数不同。
[0052]
具体的，在本实施例中，减反膜的层数为两层，当减反膜设置在基底层10远离微结构层20的一侧表面，第一折射率膜层为一层，第二折射率膜层为一层时，第一折射率膜层与基底层10连接，第二折射率膜层与第一折射率膜层远离基底层10的一侧表面连接，第一折射率膜层的厚度大于等于22nm且小于等于28nm；第二折射率膜层的厚度大于等于213nm且小于等于226nm。
[0053]
减反膜的具体构成如下表2所示，减反膜的总膜厚为244nm。从基底层10开始分别是：25nm的第一折射率膜层、219nm的第二折射率膜层。
[0054] 材料厚度第一折射率膜层氧化钛25nm第二折射率膜层氧化硅219nm
[0055]
表2
[0056]
如图6所示，为不同入射角度的模拟反射光谱。模拟不同入射角度的光谱发现，在905nm波长下，入射角度0～30
°
时，光谱变化不明显，反射率接近0.2％；入射角度30～60
°
时，反射率光谱迅速增大，而入射角度为60
°
时，反射率为4.9％。
[0057]
实施例三
[0058]
与实施例一和实施例二的区别是，减反膜的层数不同。
[0059]
具体的，在本实施例中，减反膜的层数为六层。
[0060]
具体的，当减反膜设置在基底层10远离微结构层20的一侧表面，第一折射率膜层为三层，第二折射率膜层为三层时，减反膜包括：第一膜层、第二膜层、第三膜层、第四膜层、第五膜层和第六膜层；第一膜层与基底层10连接，第一膜层为第一折射率膜层，第一膜层的厚度大于等于28nm且小于等于32nm；第二膜层与第一膜层远离基底层10的一侧表面连接，第二膜层为第二折射率膜层，第二膜层的厚度大于等于82nm且小于等于86nm；第三膜层与第二膜层远离第一膜层的一侧表面连接，第三膜层为第一折射率膜层，第三膜层的厚度大于等于85nm且小于等于93nm；第四膜层与第三膜层远离第二膜层的一侧表面连接，第四膜层为第二折射率膜层，第四膜层的厚度大于等于26nm且小于等于32nm；第五膜层与第四膜层远离第三膜层的一侧表面连接，第五膜层为第一折射率膜层，第五膜层的厚度大于等于98nm且小于等于112nm；第六膜层与第五膜层远离第四膜层的一侧表面连接，第六膜层为第二折射率膜层，第六膜层的厚度大于等于172nm且小于等于190nm。
[0061]
减反膜的具体构成如下表3所示，减反膜的总厚度为521nm。从基底层10开始分别是：30nm的第一膜层、85nm的第二膜层，90nm的第三膜层、30nm的第四膜层，106nm的第五膜层、180nm的第六膜层。
[0062] 材料厚度第一膜层氧化钛30nm第二膜层氧化硅85nm第三膜层氧化钛90nm第四膜层氧化硅30nm第五膜层氧化钛106nm第六膜层氧化硅180nm
[0063]
表3
[0064]
如图7所示，为不同入射角度的模拟反射光谱。模拟不同入射角度的光谱发现，在905nm波长下，入射角度0～30
°
时，光谱变化不明显，反射率接近0.1％；入射角度30～60
°
时，反射率光谱迅速增大，而入射角度为60
°
时，反射率为4.1％。
[0065]
显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
[0066]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
[0067]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0068]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则
之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。