专利名称：用于制作光学元件排成图案的光学部件的模具的制造方法及实施该方法的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制作光学部件的模具的制造方法，该光学部件装设按一图案彼此相对排列的相互邻接的光学元件，通过该方法使模具具有和元件图案对应的模具形状。
本发明还涉及用于制作光学部件的制造方法，该光学部件装设按一图案彼此相对排列的并且相互邻接的光学元件，通过该方法使模具具有和元件图案对应的模具形状，并且该光学部件是用所说模具通过复制技术制造的。
本发明还涉及一种设备，用于实施本发明的方法。
本发明进一步涉及一种冲模夹具适用于实施本发明的方法的设备中。
本发明还涉及一种液晶显示板，装设着按本发明的方法制造的光学部件。
本发明进一步还涉及一种图象显示设备，装设着按本发明的方法制造的光学部件。
本发明还涉及一种平板型显示设备装设着按本发明的方法制造的光学部件。
本发明还涉及一种固态图像传感器设备，装设着按本发明的方法制造的光学部件。
本发明还涉及一种照像机装设着按本发明的方法制造的光学部件。
本发明进一步还涉及制造彩色显像管前板的方法，该方法中使用了按本发明的方法制造的光学部件。
本发明还涉及制造彩色显像管前板的设备，该设备装设着按本发明的方法制造的光学部件。
在JP-A-58-171021中公开了在本发明开始几段中提到的模具制造方法和光学部件制造方法。通过公知的方法制造的光学部件是一种所谓的透镜阵列，其中包括一个两维的球面透镜阵列。按照这种公知的方法，制造一个与透镜阵列对应的冲模，是用多个子冲模结合在一起，其数量对应透镜阵列的透镜数目，每一个子冲模都有和透镜阵列中一个透镜相对应的球面冲模表面。然后，借助于压机把冲模压进由泥土型陶瓷材料制成的模具中，使该模具具有和透镜阵列对应的模具形状，并在热处理过程中把模具的泥土型陶瓷材料硬化。然后，把熔化了的合成材料倒入模具中，加压、并冷却，从而形成与模具形状对应的合成树脂透镜阵列。
公知方法的一个缺点是，按公知方法制造所用的冲模很复杂亦费时，因为必须逐个把冲模中每一个子冲模都制成和透镜阵列中的每个透镜准确对应的冲模表面。公知的方法因此特别不适合用于制造所谓微透镜阵列，其中包含相当大量直径为1mm、甚至0.1mm或更小的微透镜。此外，由于将冲模压入该模具时泥土型陶瓷材料不可能完全穿过子冲模之间的间隙，所以模具中对应于透镜阵列各透镜的相邻子模具之间不能形成明显的边界。其结果，用这种公知的模具制造出来的透镜阵列中，各个透镜相互之间混杂在一起，透镜阵列中各透镜之间的不明显边界限制了透镜阵列有用的光学表面积。
本发明的一个目的是提供一种尽可能克服上述公知方法缺点的模具制造方法和光学部件制造方法，也正是本说明书开始几段提到的方式，从而使制造模具和光学部件的方法不太复杂、不太费时间，同时用此方法制成的光学部件具有相当大的光学有用表面积。
按本发明，为实现此目的，该模具制造方法和光学部件制造方法的特征在于用一种韧性金属制造模具，并且借助于一个冲模使其具有模具形状，该冲模设有和光学元件的形状对应的冲模表面，并且用预定大小的力按照图案使冲模刻印在模具中顺次的位置。所说的冲模按照图案刻印到模具的顺次位置上。也就是进行和光学部件元件数对应的多次操作。这意味着，在制作冲模过程中，对应于光学元件的一个冲模表面，只需精确加工一次。由于和加工对应于光学元件的冲模表面所需的时间相比，在模具中复制冲模所需的时间是极其短暂的，所以实施本发明的方法可以用相当短的时间。所需冲模的结构相当简单，并且可以用其本身常用且公知的定位装置按所说图案相对于模具中的顺次位置来定位该冲模。由于冲模每次都用预定大小的力刻印在模具中，因此对应于各个光学元件的模具形状顺次的子形状基本上都相同。通过适当选择冲模在模具中刻印所用的力，即可实现只在模具和冲模之间接触的表面区域，模具的韧性金属产生塑性形变，而在所说接触表面周围，形变小到可以忽略，因此在形成一个邻接的子形状时，模具中已存在并与一个光学元件对应的子形状就不再发生形变。由于冲模是按照图案刻印在模具的顺次位置上，所以另外还能实现邻接冲模表面的韧性金属每次都发生最佳形变，从而在子形状之间构成明确的边界。这样制成的模具具有极高的尺寸精确度，而用这种模具制成的光学部件也具有很高的尺寸精度和相当大的光学有用表面积。
按本发明的方法的一个特殊实施方式的特征在于先使模具具有光学部件要求的光洁度，而后再借助于冲模使模具获得模具形状。在制作模具形状过程中，韧性金属要发生塑性形变，为此每次要用所说预定大小的力将冲模在模具中刻印，但在形变之前韧性金属所呈现的表面光洁度则基本上不变。如果该模具预先有了光学部件要求的光学质量的表面光洁度，并随后借助冲模得到了模具形状，则该模具形状和用该模具制造的光学部件将具有期望的表面光洁度。
按本发明的方法的下一个实施方式的特征在于在用冲模确定模具形状期间，模具是浸在一个液体池内。把模具浸入液体池中能以简单而有效的方法防止空气中的尘埃、污物进入冲模和模具之间并伤及要用冲模制造的模具形状。
按本发明的方法的下一个实施方式的特征在于韧性金属包括铜、铝、或锌。所说的这些金属由于其良好的可变形性非常适合用于按本发明的方法。
按本发明的方法的一个特殊实施方式的特征在于该冲模具有球面冲模表面，并按照六角形图案刻印模具。用该方法的这个实施方式所制造的光学部件为一种球面镜的两维六角形矩阵，具有基本上未受限制的光学有用的表面积。
按本发明的方法的下一个实施方式的特征在于冲模具有一个平直的冲模表面，并按照正交图案刻印模具，而该冲模在图案的顺次位置上通过两个相互垂直的枢轴转到预定的角度，这两个轴彼此相交于冲模表面的中心。用该方法的这个实施方式制作的光学部件是所谓的多面体透镜，它包含多个小平面的两维正交矩阵，它的每个小平面都有平直的透镜表面，此表面相对于多面体透镜的基准面绕两个相互垂直的枢轴转动，两枢轴均在平行于基准面的方向延伸。在图案的顺次位置上冲模转动的角度是预先确定的，因此借助该方法的这个实施方式就能制造出相应小平面具有不同转角的多面体透镜。
一种按本发明的方法实施的设备的特征在于该设备设有夹紧模具的工件夹紧装置、夹紧冲模的工具夹紧装置、和定位装置，工具夹紧装置设有直导轨，该直导轨通过定位装置可相对于工件夹紧装置移动，还设有一个冲模夹紧装置，对直导轨具有滑动可能，并可导引该冲模夹紧装置在预定的弹性预应力的作用下停靠在直导轨的一个止块上。借助于定位装置按照图案把冲模安置到模具的顺次位置上，并且使冲模在模具内刻印。当通过定位装置移动冲模至下一个位置时冲模夹紧装置停靠在止块上，而在通过定位装置冲模向模具内刻印时，冲模夹紧装置由止块上释放，并对冲模和模具施加与该弹性预应力对应的力。举例说，该弹性预应力是由一个机械弹簧提供的。通过适当选择机械弹簧的弹性模量即可实现在平行于刻印的方向上，冲模刻印模具的力基本上与冲模夹紧装置所处的位置无关。因此，所说的力有一个准确的确定值，使模具的形状得以准确地实现。
在实施按本发明的方法的设备的一个特殊实施方式中，冲模在图案顺次位置上围绕两个相互垂直的枢轴转至预定的角度，该实施方式的特征在于冲模夹紧装置设有第一、第二、和第三托架，第一托架相对于直导轨有滑动可能性进行引导，第二托架相对于第一托架的一个枢轴导轨可绕枢轴转动，第三托架相对于第二托架的一个枢轴导轨可绕枢轴转动，而冲模可紧固到第三托架上，两个相互垂直的枢轴分别形成第一托架枢轴导轨以及第二托架枢轴导轨的虚轴。使用这两个枢轴导轨就有可能调定冲模围绕两个枢轴独立转动的角度。举例说，在该设备中为了确定所说角度可以使用两个本身是常用并且公知的执行机构。
在一种液晶显示板中，为了达到特别良好的目的，利用了按本发明的方法制造并在此使用的光学部件的性质；这样一种液晶显示板的特征在于光学部件是一个微透镜阵列，而显示板设有一个液晶层，该液晶层包括图像显示部件的图案，并且在光入射该液晶层的一侧和该微透镜阵列邻接，微透镜阵列的每个光学元件对应于液晶层的一个图像显示元件。
在一种图像显示设备中，为了达到特别良好的目的，利用了按本发明的方法制造并在此使用的光学部件的性质；该图像显示设备的特征在于光学部件是微透镜阵列，而图像显示单元依次设有辐射光源、束形成光学系统，带有至少一个图像显示板的图像显示系统，投影透镜系统和图像投影屏，其中的图像显示板在面对辐射光源的一侧设置微透镜阵列。
在一种平板显示设备中，为了得到特别良好的效果，利用了按本发明的方法制造并在这里使用的光学部件的性质；该平板显示设备的特征在于光学部件为一微透镜阵列，而平板显示设备依次设有提供照明光束的照明系统、图像显示板其上带有确定图案的图像显示部件用以调制要显示的图像信息，该微透镜阵列设在照明系统和图像显示板之间，而且该微透镜阵列设有和图像显示板的图像显示部件的图案对应的光学元件的图案。例如，文章“Developers Cultivate TFT LCDs Specifically fon Notebookcomputer”(作者Sakae Arai，“Display Devices”，1994年春、第9期、14-17页)就公开了带有本身是公知的微透镜阵列的这样一种平板显示设备(背照明显示器)。
例如在上述的图像显示设备和平板显示设备中使用的图像显示板是以上所述的液晶显示器或LCD。这样的显示板具有大量的图像显示元件或像素，这些图像显示元件或像素排列成一个两维的阵列并且可以分别调节。每个单个的像素都有一个电调节元件，从而限制了像素的光学有用表面积。在微透镜阵列中，微透镜阵列的每个光学元件都对应于显示板的像素之一，微透镜阵列把入射到显示板上的光聚焦到每一单个像素的光学有用表面积上。由于按本发明的方法制造的微透镜阵列具有相当大的光学有用表面积，因此来自于光束形成光学系统的光束基本上完全都聚焦到各个像素的光学有用的部分上。应该注意的是，在该显示设备中使用的显示器，举例来说，也可以是另一种本身已是公知的一种数字式的微反光镜器件(DMD)。
在一种固态图像传感器器件中，为了得到特别良好的效果，利用了按本发明的方法制造并在这里使用的光学部件的性质，该固态图像传感器器件的特征在于光学部件是一个微透镜阵列，该图像传感器器件包括一个半导体主体，在其一个表面上设有一个电荷耦合器件，并设有转换辐射为电荷的图像传感器元件的一个图案，该半导体主体在辐射入射的一侧邻接微透镜阵列，而微透镜阵列的每个光学元件都对应于半导体主体的一个图像传感器元件。
在一种照相机中，为了得到特别良好的效果，利用了按本发明的方法制造并且在这里使用的光学部件的性质，该照相机的特征在于光学部件是一个微透镜阵列，该照相机依次设有一个物镜系统、和一个图像传感器系统，该图像传感器系统至少带有一个固态图像传感器器件，在该传感器的面向物镜系统的一侧设置微透镜阵列。
在照相机中使用的固态图像传感器器件具有大量的排成二维阵列的图像传感器元件。电荷耦合器件或CCD的存在限制了固态图像传感器器件的光学有用表面积，而由图像传感器元件产生的电荷借助于电荷耦合器件来输送。在微透镜阵列中，微透镜阵列的每一个光学元件都对应于图像传感器器件的图像传感器元件之一，该微透镜阵列把入射到图像传感器器件上的光聚焦到各个图像传感器元件的光学有用表面积上。由于通过本发明的方法制造的微透镜阵列具有相当大的光学有用表面积，所以能把来自物镜系统的光几乎全部都聚焦到各个图像传感器元件的光学有用表面积上，从而使固态图像传感器器件具有极高的感光度。
一种制造彩色显像管前板的方法，为了得到特别良好的效果，利用了按本发明的方法制造并在这里使用的光学部件的的性质，该方法的特征在于前板的内侧设有一层光敏材料，随后用一个点状光源通过设在前板内侧的一个阴罩照射该前板，该光学部件定位在阴罩和光源之间。
在制造彩色显像管前板的设备中，为了得到特别良好的效果，利用了按本发明的方法制造的并在这里使用的光学部件的性质，该设备的特征在于该设备依次设有点状光源、用于光学部件的第一夹紧装置、用于前板及设在前板内侧的阴罩的第二夹紧装置。
点状光源通过阴罩照射前板上的光敏材料，随后使照射过的材料显影，从而在前板的内侧形成一个所谓的对称黑色基底，它带有多个空洞，在随后的显象管制造步骤中这些空洞里要淀积上荧光粉。所用的光学部件是多面体透镜，它包括一个两维的小平面正交阵列。使用多面体透镜能够实现点光源通过阴罩在前板上形成的投影可与彩色显像管中的阴罩使电子束在前板上形成的汇合点相重合，而该显象管是按此前板和阴罩设计的。例如EP-A-0 294 867公开了这样一种制造彩色显像管的前板的方法。当通过本发明的方法制造所用的多面体透镜时，这个透镜在各个小平面之间具有极小的间距，因此由各个小平面之间的边界形成的多面体透镜的间断点极小。由于间断点相当小，所以可以实现前板的极其均匀的照射。
参照附图可更详细地描述本发明，其中
图1是实施本发明方法的设备的平面图；图2是在图1中II-II线取的剖面图；图3表示图2设备的冲模在一个模具中刻印的过程；图4a是用图1的设备制造的一个模具的平面图；图4b是沿图4a的IVb-IVb线取的剖面图；图4c是沿图4a的IVc-IVc线取的剖面图；图5a是用图4a的模具制造的一个透镜阵列的局部平面图；图5b是沿图5a的Vb-Vb线取的剖面图；图6表示实施本发明方法的设备的另一个实施方式的工具夹紧装置和冲模夹紧装置，图中的一部分为侧视图，一部分为剖面图；图7表示图6的工具夹紧装置和冲模夹紧装置，图中的一部分为前视图，一部分为剖面图；图8a是用图6所示设备的另一种实施方式所制模具的平面图；图8b是沿图8a的VIIIb-VIIIb线取的剖面图；图8c是沿图8a的VIIIc-VIIIc线取的剖面图；图9a是用图8a的模具所制多面体透镜的局部平面图；图9b是沿图9a的IXb-IXb线取的剖面图；图9c是沿图9a的IXc-IXc线取的剖面图；图10a图解式地表示带有一个透镜阵列的图像显示设备，该透镜阵列由图1的设备制造的模具制成；图10b图解式地表示图10a的图像显示设备的多个像素；图10c表示图10a的图像显示设备的一个微透镜阵列的局部；图11a图解式地表示设有固态图像传感器器件的照相机；图11b图解式地表示图11a的照相机的固态图像传感器器件的局部；以及图12图解式地表示用于制造彩色显像管的前板的包括一个多面体透镜的设备。
如图1和2所示的实施本发明的方法的设备1包括带有支撑表面5的工件夹紧装置3，支撑表面5沿着平行于x方向以及与x方向垂直的y方向延伸，并且在面5上放置要制造的模具7，并用夹紧装置9夹紧模具7，如图2的图解所示。设备1另外还包括一个如图1和2的图解所表示的定位装置11和平行于x方向的直导轨13以及平行于x方向的滑架15。通过主轴17可沿直导轨13移动滑架15，主轴17的两端轴颈装于设备1的框架23上，经传动装置19由紧固在框架23上的电机21驱动。x方向滑架15设有平行于y方向的直导轨25，通过主轴29可沿此导轨移动y方向滑架27，主轴29经传动装置31由电机33驱动。主轴29两端的轴颈装在x方向滑架15上，电机33也紧固在x方向滑架15上。如图2所示，y方向滑架27设有平行于z方向的直导轨35，z方向垂直于x方向，也垂直于y方向。通过主轴39可沿直导轨35移动z方向滑架37，主轴39经传动装置41由电机43驱动。主轴39两端轴颈装在y方向滑架27上，电机43也紧固在y方向滑架27上。应该注意，在图1中只可看见传动装置41和z方向滑架37的电机43。
如图2进一步所示，工具夹紧装置45紧固在z方向滑架37上，该滑架设有一个圆柱形的阶梯室47，其中心线49平行于z方向。阶梯室47包括第一室部分51和第二室部分57，后者的直径小于第一室部分51的直径。第二室部分53构成一个直导轨，用于冲模夹紧装置57的圆轴55，引导该圆轴55使其具有相对于第二室部分53平行于z方向滑动的可能，轴55并有端盘59。端盘59由设在第一室部分51中的机械螺旋弹簧61的预先确定的预应力作用下支撑在止块63上，止块63由通过阶梯室47的肩部形成。进一步如图2所示，冲模65紧固在冲模夹紧装置57上，冲模65具有一个光滑的球面冲模表面67，并由诸如硬质钢或蓝宝石制成。借助于定位装置11可使工具夹紧装置45和冲模夹紧装置57一起沿平行于x方向、y方向、和z方向的方向相对于工件夹紧装置3移动。
在图4a、4b和4c中详细地表示出模具7，该模具7是通过下面将更加详细描述的方法用设备1制造出来的。设计模具7是为了制造设有多个光学元件彼此排成图案并相互邻接的光学部件，例如所谓的透镜阵列或所谓的多面体透镜。图5a和5b表示出这种透镜阵列69的一个实例。透镜阵列69的光学元件是多个球面透镜71按照两维六边形阵列设在透镜阵列69的一个侧面上。如图5b所示，透镜阵列69的另一侧上有一平直表面75。透镜阵列69是借助于模具7用复制技术制造的，复制技术本身是常用、公知的，例如下述这样的复制技术给模具7填充一种液态合成树脂，再使其在紫外辐射作用下固化，随后用图4b和4c所示的板77覆盖模具7，板77是由透明的合成材料制造的，其折射率相应于合成树脂在模具7中的折射率。应该注意的是，图4a只用虚线表示出板77的轮廓。通过透明板77用紫外辐射照射模具7中的合成树脂，使其固化，于是形成如图5a和5b所示的透镜阵列69，它是由所说透明板77和光学元件71的阵列所构成的，而此阵列由模具7形成。
模具7是由韧性金属制成的，如铜、铝、锌、或这些金属组成的合金。如图4a所示，模具7包括一个模具室79，模具室79具有一个平板形底部81，在底部81中通过按该方法的设备1提供模具形状83，使模具形状83对应于要制造的光学部件69的光学元件71的图案。要注意，为简单起见，图4a只表示出模具形状83的几个局部。按照该方法，首先以本身是常用、公知的方式，例如借助于一个金刚石研磨机，使模具室79的底部81具有光学部件69所期望的光学质量的表面光洁度。
然后，把模具7紧固到设备1的工具夹紧装置3上，使模具室79的底部81平行于x方向和y方向。冲模65的球面冲模表面67对应于一个光学元件，即所要制造的光学部件69的一个球面透镜71。按照该方法，借助于定位装置11根据要制造的光学部件69的光学元件71的六边形图案，在底部81的顺次位置上移动冲模65，同时将冲模65在底部81的每个位置上刻印，从而可得到模具室79的底部81中的模具形状83。在图3中详细表示出冲模65的这个刻印过程。通过x方向滑架15和/或y方向滑架27的移动把冲模65移动到下一个位置，在此期间冲模夹紧装置57靠紧室47的止块63，然后通过z方向滑架37的移动把冲模65压入底部81之中。如图3所示，此时冲模夹紧装置57的端盘59脱开止块63，以便冲模65能以对应于机械螺旋弹簧61的预定的预应力的力刻印到底部81中。通过优选螺旋弹簧61的预应力和弹性模量就可以实现端盘59的间隙给螺旋螺簧61预应力的增量非常之小，完全可以忽略，从而使在底部81上刻印冲模65的力基本上和刻印期间z方向滑架37和平行z方向的工具夹紧装置45所在位置无关。因此，对z方向滑架37的定位精度，没有严格要求。
当该冲模65在模具7的底部81内刻印时，模具7处在冲模表面67下方的韧性金属就要产生塑性形变，使所说金属获得与冲模表面67相对应的形状，即和光学部件69的光学元件相对应。按照光学部件69的图案冲模65在顺次的位置反复地刻印，就使底部81形成了整个模具形状83。
应当注意，适当选择冲模65在模具7中刻印所用的力就能实现只在极邻近冲模65和底部81之间的接触表面处模具7的韧性金属才产生塑性形变。距所说接触表面一定距离处这种塑性形变非常小，可以忽略，因此邻近所说接触表面而且在模具7中已形成的部分模具形状83，在刻印与当前光学元件对应的形状时不会再次产生形变。可以认为，距该接触表面一定距离处的形变极小可略而不计的原因是，该模具7的韧性金属具有多晶结构，各晶粒之间存在空腔。在韧性金属表面加上一个相当小的力时，就可以实现在晶粒之间以及晶格内部都不会发生剪切作用，唯有在冲模65下方的韧性金属通过压缩使晶粒之间存在的空腔变小。由于没有发生剪切作用，所以已经形成模具形状83的部分，不会产生塑性形变。如果在较强的力作用下晶粒之间和晶格内部竟然发生了剪切作用，从而使距冲模65一定距离处的金属发生了塑性形变，这个形变也会是相当小的，其原因是鉴于球形冲模表面67的刻印深度相当小，受移动的金属量相当小，并且受移动的金属散布于一个相当大的体积。
图4a、4b、4c所示的模具7用于制造图5a所示的透镜阵列69，模具7具有球面印迹85的一个两维六边形阵列。图4b和4c中所示的相邻印迹的间距s在所示实例中约为0.15mm，而图4b和4c中所示的印迹深度约为6μm。按照所示实施例的这样一种阵列是由半径约为0.5mm的球面冲模表面67、以及约为10牛顿的预应力形成的。由于冲模表面67对应于光学部件69的单个光学元件71，因此可以实现，在每次冲模65刻印时韧性金属都能以最佳的状态围绕冲模表面67发生塑性变形，从而在构成模具形状83的各个印迹85之间形成特别清晰的边界87。如图4b和4c所示，在模具7的印迹85之间的每个边界87都构成圆形的一部分，即每一个边界87都对应于球面冲模表面65上高度圈的一部分。模具7因此具有极高的尺寸精度，即模具形状83表面上的全部点基本上都构成一个印迹85的球形表面的一部分。其结果，借助模具7制造出来的光学部件69具有极大的有用光学表面积，即几乎全部在光学部件69侧面73上的点都构成某个光学元件71的球形表面的一部分。
如图5a和5b所示并由模具7制造的透镜阵列69是所谓的微透镜阵列。举例说，这样的微透镜阵列包括大量直径小于1mm的微透镜。由于所用冲模65的冲模表面67只对应于一个光学元件，即透镜阵列69的一个微透镜71，所以冲模65可按简单的方式来制造。在实践中发现，模具7底部81的表面光洁度不受冲模65在模具7底部81中刻印过程的影响。由于按本发明首先使底部81具有期望的表面光洁度，然后再通过冲模65使底部81具有模具形状83，所以用相当简单的方式就实现了期望的表面光洁度。
正在构成模具形状83的时候，应避免在模具7的底部81和冲模表面67之间出现尘埃和污物颗粒，因为这样的尘埃和污物颗粒能够伤及模具形状83。因此，应该在基本上无尘的环境中，例如在一个空调的空间里，用冲模65来制成模具形状83。在设备1的一个特殊实施方式中，如图2中的虚线所示工具夹紧装置3被安置在一个液体池89中，并在操作期间充以诸如水之类。在此特殊的实施例中，当制成模具形状83时把模具7没入液体池89中，从而以简单而有效的方式防止了在冲模65和模具7的底部81之间存在尘埃和污物颗粒。
图6和7图解式地表示实施本发明方法的设备95的另一种实施方式及其工具夹紧装置91和冲模夹紧装置93。工具夹紧装置91基本上等同于设备1的工具夹紧装置45，并对设备1与95的工具夹紧装置45与91中的对应部件在以下叙述中给予相同的标号。和冲模夹紧装置57类似，冲模夹紧装置93也有一个圆轴97，在工具夹紧装置91的第二室部分53中具有滑动可能性以引导圆轴97，另外还有一个端盘99，在设于第一室部分51中的机械螺旋弹簧101的预定的预应力的作用下靠紧在阶梯室47的止块63上。圆轴97和端盘99属于冲模夹紧装置93的一个第一分支托架103。如图6和7所示，第一托架103包括用于冲模夹紧装置93的第二托架109的两个圆形的枢轴导轨105、 107，第二托架109设有两个圆形槽111、113，用于和枢轴导轨105、107协同动作。第二托架109通过使用枢轴导轨105、107并围绕枢轴导轨105、107的第一虚枢轴115可相对第一托架103转动，虚枢轴115指向平行于x方向。进一步如图6和7所示，第二托架109包括用于冲模夹紧装置93的第三托架121的两个圆形枢轴导轨117、119，第三托架121设有两个圆形槽123、125，为了和枢轴导轨117、119协同动作。第三托架121通过使用所说枢轴导轨117、119并围绕枢轴导轨117、119的第二虚枢轴127枢轴可相对于第二托架109转动，第二虚枢轴127平行于y方向并且和第一虚枢轴115相交。冲模129紧固于第三托架121上，并具有平直的矩形冲模表面131。在第二托架109相对于第一托架103的中间位置、以及第三托架121相对于第二托架109的中间位置，冲模表面131平行于x方向和y方向，而第一虚枢轴115和第二虚枢轴127的交会点位于冲模表面131的中心M。
进一步如图6和7所示，把本身是常用并已知的第一线性电执行机构133紧固到第一托架103，把所说执行机构的输出轴135耦合到已紧固到第二托架109上的一个耦合杆137。与第一执行机构133相同的第二线性电执行机构139紧固到第二托架109上并且具有耦合到耦合杆143上的输出轴141，而耦合杆143则紧固到第三托架121上。通过第一执行机构133可调节第二托架109绕第一虚枢轴115的转角α，而通过第二执行机构139可调节第三托架121绕第二虚枢轴127的转角β。如图6和7所示，冲模夹紧装置93的圆轴97是经一个可弹性变形的膜片145紧固到第一室部分51的，以致把架103、109和121、以及冲模129都不能绕工具夹紧装置91的中心线49转动。
设备95是用来制造图8a、8b、8c所示模具147的，并为制造所谓的多面体透镜而设计。图9a、9b、9c表示出这样一种多面体透镜149的一个实例。多面体透镜149的一侧有一平直表面151，而在其另一侧153设置矩形光学元件155的一个两维正交阵列，每个光学元件155都有一个平面透镜表面157，该表面157可绕两个相互垂直的枢轴相对于多面体透镜149的一个基准平面转动，而基准面，作为例子，则可以是平面表面157。利用复制技术，例如利用上述制造透镜阵列69的复制技术，用模具147就可制造多面体透镜149。
和模具7类似，模具147也由韧性金属制成，首先使模具147的底部159具有光学质量符合多面体透镜149要求的表面光洁度。然后，把模具147紧固到设备95的工件夹紧装置3上，使模具147的底部159平行于x方向和y方向。冲模129的矩形平面冲模表面131对应于多面体透镜149的一个光学元件155。按该方法，通过设备95的定位装置11，按照多面体透镜149的光学元件155的正交图案，把冲模129移动到底部159的顺次位置上，其间冲模129在每个位置上都通过执行机构133、139绕虚枢轴115、127转到预先确定的角度α、β，并且随后用对应于螺旋弹簧101所预定的预应力的力在底部159上刻印冲模129，从而使模具147的底部159具有对应于多面体透镜149的模具形状161。角度α和β可独立地分别调节。此外，为制造相继的模具，角度α和β可作不同的调节，因此通过设备95可制造大量的不同模具。要注意，为简单起见图8a只表示出模具形状161的几个局部。
和上述参照设备1所述的类似，设备95也特别适合于制造这样的光学部件，其中包含数量相当大而尺寸相当小的光学元件。如图9b和9c所示，用模具147制造的多面体透镜149在各个光学元件155之间包含着通常不连续的边界163，这些边界163对穿过多面体透镜149辐射的光将引起不期望的散射。例如，在点状光源和一个平直的屏幕之间放置该多面体透镜时，就要从所说的散射产生所说屏幕照明的不规则性。由于用模具147制造的多面体透镜149具有相当大数目的光学元件155、每个光学元件155的尺寸又相当地小(如，1mm，或更小些)，所以不连续的边界163也具有相当小的尺寸，使所说不规则性也相当小，从而所说屏幕的均匀照明就可得到。
图10a示意地表示出一个图像显示设备169，它包括按本发明的方法制造的一个微透镜阵列171。例如，EP-A-0 574 269就公开了这样一种本身已知的设有微透镜阵列的图像显示设备。图像显示设备169包括一个辐射光源173和一个反射器175。通过一个会聚光学系统把辐射光源173辐射的光成形为平行光束，为简单起见在图10a中把该会聚光学系统表示成为一个单独的聚光透镜179。该图像显示设备169另外还包括一个图像显示系统，例如图10a中示意表示的液晶显示板181。显示板181设有本身是常用并已知的一个液晶层183，液晶层183包括一个由图像显示元件或像素185组成的两维正交阵列。要注意，在图10a中只可看见液晶层183的一个侧向边缘。如图10b所示，每个像素185都包含一个由电开关元件189包围的光学有用部分，在图中只示意地表示出电开关元件189，而通过该电开关元件可在光学上独立地调节像素185的光学有用部分。如图10b所示，由于开关元件189的存在，每个像素185的光学有用部分187被局限在像素185的中心部分。如图10a所示，液晶显示板181在液晶层183的光入射一侧191设有上述的微透镜阵列171。如图10c所示，微透镜阵列171包括球面微透镜193的一个两维正交阵列，其中的每个微透镜193都对应于液晶层183的一个像素185。微透镜阵列171把平行光束177聚焦到液晶层183的各个像素185的光学有用表面187上。如图10a所示，该图像显示设备169另外还包括一个像场透镜195和一个投影屏199，用像场投镜195把来自显示板181的光会聚到一个投影透镜系统，为简单起见把这个投影透镜系统表示成为一个投影透镜197。因为微透镜阵列171是用本发明的方法制造的，所以微透镜阵列171具有特别大的有用光学表面，使平行光束177仅在极受限的程度下散射，并几乎全部都聚焦到液晶层183的各个像素185的光学有用表面187上。因此，图像显示设备169具有特别大的光输出。
图11a示意地表示出一个照相机201，它设有按本发明方法制造的微透镜阵列203。该照相机201包括一个物镜系统，为简单起见在图11a中将该物镜系统表示为一个单独物镜205。照相机201另外还包括一个带有固态图像传感器器件207的图像传感器系统，如图11a所示，在器件207面对物镜205的一侧设有所说的微透镜阵列203。要注意，在图11a中只可看见微透镜阵列203和固态图像传感器器件207的横向边缘。在图11b中，示意表示出固态图像传感器器件207。例如在JP-A-1-257901中公开了IT型(即，行间型)的这种固态图像传感器器件，该器件设有本身是已知的微透镜阵列。如图11b所示，固态图像传感器器件207包括一个半导体主体209，在半导体主体209的一个表面211上设置图像传感器元件或光敏二极管213的二维正交阵列，用于把辐射转换成电荷，这些电荷可通过一个由所谓垂直电荷耦合器件215和水平电荷耦合器件217组成的系统传送到在图11b上只示意表示的电读出单元218。电荷耦合器件215、217由一个保护层对辐射进行屏蔽，该保护层可用铝构成为例。由图11b可以清楚看出，固态图像传感器器件207的光学有用表面积只限于光敏二极管213的区域。微透镜阵列203(为清楚起见在图11中没有示出)包括球面微透镜219的一个两维正交阵列，该阵列相当于图10c所示的微透镜阵列171，每个微透镜219对应于固态图像传感器器件207的一个光敏二极管213。在光入射到固态图像传感器器件207一侧的微透镜阵列203通过物镜205把入射到固态图像传感器器件207上的光聚焦到各个光敏二极管213的光学有用表面上。由于微透镜阵列203是用本发明的方法制造的，所以透镜阵列203具有特别大的有用光学表面积，因此入射到固态图像传感器器件207上的光只受极有限程度的散射，而基本上全部被聚焦到各个光敏二极管213的光学有用表面积上。于是这里使用的照相机201和固态图像传感器器件207具有特别高的感光度。应注意，用本发明的方法制造的微透镜阵列还可以应用到FT型(帧传递型)的固态图像传感器器件，其中所用的电荷耦合器件本身就设有所要求的图像传感器元件，此外，举例说还可以应用到“静止画面”图像传感器器件。
图12示意表示用于制造彩色显像管前板223的设备221。设备221有用本发明方法制造的一个多面体透镜225。例如，EP-A-0 294 867就公开了这样一种设有本身是公知的多面体透镜的设备。如图12所示，设备221包括一个带有底部229的外壳227，在底部229的中心置放一个点状光源231。外壳227中还有着用于多面体透镜225的第一夹紧装置233以及用于前板223的第二夹紧装置235，前板223借助设备221来制造。如图12所示，属于前板223的阴罩239也设在第二夹紧装置235上，位于前板223的内侧237。该阴罩239相对于前板223的位置应该和彩色显像管中阴罩239相对于前板223所占位置一致，彩色显像管组合起前板223和阴罩239。
用设备221在前板223的内侧237上形成所谓对称的黑色基底，在黑色基底中存在着空洞。在制造前板223的后续步骤中黑色基底的这些空洞中被淀积上荧光粉，从而为前板223构成了所需要的荧光粉点。为此目的，首先要在前板223的内侧237设置一层光敏材料，例如本身是常用并公知的正向光刻胶。然后，借助于设备229通过阴罩239使前板223上的光敏材料曝光，然后用显影液显影已曝光的材料。由于在黑色基底中按此方式将要形成的空洞必须和相应彩色显像管中由阴罩239形成的电子束的入射点重合，并且由于相应彩色显像管中的电子束一般都遵循曲线路径，因此必须通过多面体透镜225来偏转光源231的光，使光源231通过阴罩239在前板223上形成的投影与所说的电子束入射点重合。为此，多面体透镜225要具有矩形平直小平面241的一个两维正交阵列，它和图9a所示的多面体透镜装置149相对应，所有的小平面全都围绕两个相互垂直的枢轴转动一定的角度，这两个枢轴都平行于多面体透镜225的表面151，所转的角度值和电子束的所说路径有关。如前面针对图9a、9b、9c所示的多面体透镜讨论过的，按本发明方法制造的多面体透镜225具有尺寸相当小、数量相当大的光学元件241，因此来自光源231入射到多面体透镜225上的光只受到极有限程度的散射，而实现由多面体透镜225对前板223特别均匀的照明。
以上所述的光学部件69、149、171、203、225全都具有光学元件71、155、193、219、241的规则图案，光学部件69、171和203的光学元件71、193、219彼此等同。应该注意，通过本发明的方法用彼此不同的光学元件制造光学部件也是可能的。在上述的实例中，多面体透镜149、225的小平面155、241转过彼此不同的角度。然而按照这种方法，还可以制造设有不同透镜的透镜阵列。但为此必须使用一定数量的不同冲模，冲模的数目对应于要制造的透镜阵列中不同透镜的数目。此外，该方法容许制造出下述的光学部件其中的光学元件排成不同的图案、其中的光学元件排成一个不规则的图案，或者其中使用了不同类型的光学元件。通过该方法还可制造其中的光学元件不像所说透镜阵列69、171、203以及多面体透镜149、205中那样的凸透镜、凹透镜、或平直透镜的光学部件，而举例说其中的光学元件是平面、凸面、凹面的反光镜的光学部件。
上述的冲模65、129具有冲模表面67、131，每个冲模表面对应于要制造的光学部件的一个光学元件71、155、193、219、241。要注意的是，按照本发明的方法还可能使用冲模表面对应于要制造的光学部件的两个或三个光学元件的冲模。制造这样一种单件式的复冲模更加费时，但借助于这样一种复冲模能够更加迅速地构成模具形状。此外，必须在x和y方向上相对于模具以较高的精度定位复冲模，否则将会在有规律的间隔上产生光学元件之间的间距偏差，导致要制造的光学部件的光学偏差。当使用单冲模时，会在每一对邻接的光学元件之间产生所说的光学元件间距偏差，因而这里不会出现有规律的重复偏差。
还应注意，按以上所述的复制技术，由合成树脂材料来制造光学部件，合成树脂材料在紫外辐射作用下固化，若不使用这种复制技术，则还可以使用其它不同的复制技术，例如由热固合成树脂来制造光学部件。
上述的模具7、147具有平板形底部81、159，在底部上借助于冲模65、129来提供期望的模具形状83、161。值得提出的是，还可以改为在模具的非平面底部提供模具形状，只要具有适于此项目的的用于该冲模的定位装置就成。例如，在制造多面体透镜中，其小平面的转角具有强梯度，就可使用非平面形的模具底部。例如，这里所说的模具底部可以具有和转角的平均梯度相对应的曲率。当在这样制出的模具底部构成小平面时，冲模只需局部相对于模具底部转很小的角度，从而在冲模刻印期间模具底部只发生很小程度的塑性形变，并且可防止已经形成的邻近小平面再发生塑性形变。举例说通过这种方法还可能制造球面透镜图案设在球面或非球面的主体上的光学部件。
还要指出的是，还可以使用其它类型的定位装置来替代定位装置11。设备1、95还可以设置其它类型夹紧装置，例如由液压缸体提供冲模预定刻印力的冲模夹紧装置。
在附图中示意表示并且简要讨论的图像显示设备169和照相机201分别只包括一个显示板181和一个固态图像传感器器件207。最后还要提出的是，这样的图像显示设备和照相机还可按另外的方式分别包括多个显示板和多个固态图像传感器器件，这个设备和照相机还可设有本身是常用并公知的分色棱镜，用于把光束劈裂成多个基色，同时该图像显示设备和照相机分别针对每种颜色设置一个单独的显示板和一个单独的固态图像传感器器件。
权利要求
1.一种用于制造按图案相互排列的邻接光学元件构成的光学部件的模具的制造方法，通过该方法使模具具有对应于光学元件图案的模具形状，其特征在于该模具由一种韧性金属制成，并且通过设有对应于光学元件形状的冲模表面的冲模使模具具有模具形状，而该冲模则在顺次位置上按照图案以预定的力被刻印到模具中。
2.一种制造按图案相互排列的邻接光学元件的光学部件的方法，通过该方法使模具具有对应于光学元件图案的模具形状，并且通过一种复制技术用所说模具制造光学部件，其特征在于该模具由一种韧性金属制成，并且通过设有对应于光学元件形状的冲模表面的冲模使模具具有模具形状，而该冲模则在顺次位置上按照图案以预定的力被刻印到模具中。
3.如权利要求1或2的方法，其特征在于在模具预先得到光学部件期望的表面光洁度之后再用冲模提供模具形状。
4.如前述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于在通过冲模确定模具形状期间将模具浸入一个液体池中。
5.如前述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于韧性金属包括铜、铝、或锌。
6.如前述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于冲模设有球形表面，并且按照一个六边形图案被刻印到模具中。
7.如权利要求1-5中任何一个所述的方法，其特征在于冲模具有平直表面，并且按照一个正交图案被刻印到模具中，而冲模在该图案的顺次位置上围绕两个相互垂直的枢轴转过预定的角度，这些枢轴在冲模表面的中心相互交叉。
8.一种实施前述权利要求中任何一个所述的方法的设备，其特征在于该设备提供紧固模具的工件夹紧装置、紧固冲模的工具夹紧装置，以及定位装置，该工具夹紧装置设有一个通过定位装置可相对于工件夹紧装置移动的直导轨，该工具夹紧装置还设有一个冲模夹紧装置，引导该冲模夹紧装置，使其具有相对于直导轨进行滑动的可能性，该冲模夹紧装置在一个预定的弹性预应力的作用下停靠在直导轨的一个止块上。
9.如权利要求8所述的用于实施权利要求7的方法的一种设备，其特征在于冲模夹紧装置设有第一、第二、和第三托架，引导第一托架使其相对于直导轨有滑动可能性，第二托架相对于第一托架的枢轴导轨可绕枢轴转动，第三托架相对于第二托架的枢轴导轨可绕枢轴转动，而冲模可被紧固到第三托架上，并且两个相互垂直的枢轴分别形成第一托架的枢轴导轨的虚轴和第二托架的枢轴导轨的虚轴。
10.一种适用于权利要求8或9所述设备的冲模夹紧装置。
11.一种设有按权利要求2-6中任何一种所述方法制造的光学部件的液晶显示板，其特征在于该光学部件是微透镜阵列，显示板设有一个液晶层，该液晶层包括图像显示元件的一个图案，该液晶层在光入射的一侧与微透镜阵列邻接，微透镜阵列的每个光学元件都对应于该液晶层的一个图像显示元件。
12.一种设有按权利要求2-6中任何一个所述的方法制造的光学部件的图像显示设备，其特征在于光学部件是微透镜阵列，该图像显示设备依次设有辐射光源、束形成光学系统、具有至少一个图像显示板的图像显示系统、投影透镜系统、和图像投影屏，该图像显示板面向辐射光源的一侧设有微透镜阵列。
13.一种设有按权利要求2-6中任何一个所述的方法制造的光学部件的平板显示设备，其特征在于光学部件是微透镜阵列，而平板显示设备依次设有提供照明光束的照明系统、带有确定图案的图像显示元件以调制要显示的图像信息的图像显示板、设在照明系统和图像显示板之间的微透镜阵列，该微透镜阵列设有和图像显示板的图像显示元件图案对应的光学元件图案。
14.一种设有按权利要求2-6中任何一个所述的方法制造的光学部件的固态图像传感器器件，其特征在于光学部件是一个微透镜阵列，而该图像传感器器件包括一个半导体主体，该半导体主体在一个表面上设有电荷耦合器件和图像传感器元件的一个图案，用于把辐射转换成电荷，并且该半导体主体在辐射入射一侧邻接一个微透镜阵列，微透镜阵列的每个光学元件都对应于半导体主体的一个图像传感器器件。
15.一种设有按权利要求2-6中任何一个所述的方法制造的光学部件的照相机，其特征在于光学部件是一微透镜阵列，该照相机依次设有物镜系统、和设有至少一个固态图像传感器器件的图像传感器系统，该传感器器件在面对物镜系统的一侧设有微透镜阵列。
16.一种制造彩色显像管前板的方法，其中使用了按权利要求7的方法制造的光学部件，其特征在于在前板的内侧设置一层光敏材料，其特征在于随后用点状光源通过设在前板内侧的一个阴罩照射前板，而光学部件则放置在阴罩和光源之间。
17.一种用于制造彩色显像管前板的方法，该设备设有按权利要求7的方法制造的光学部件，其特征在于该设备依次设有点状光源、用于光学部件的第一夹紧装置、以及用于前板及用于设在前板内侧的一个阴罩的第二夹紧装置。
全文摘要
一种制造由排成图案的相互邻接的光学元件(71、155、193、291、241)构成的光学部件(69、149、171、203、255)的方法，例如具有球面透镜(71、193、219)的一个两维正交或六边形矩阵的一个微透镜阵列(69、171、203)，或者具有小平面(155、241)的一个两维正交矩阵的多面体透镜(149、255)。按该方法，用复制技术通过模具(7、147)来制造光学部件(69、149、171、203、225)。该模具(7、147)由韧性金属制成，并且借助于具有冲模表面(67、131)的冲模(69、129)使该模具具有的模具形状(83、161)对应于光学元件(71、155、193、219、241)，的图案，该冲模表面对应于光学元件(71，155，193，219，241)，并且按照图案以预定的力刻印到模具(7、147)中的顺次位置上。用该方法制造的光学部件(69、149、171、203、255)具有极高的尺寸精度和极大的光学有用表面积。
文档编号G02B3/00GK1137247SQ95191063
公开日1996年12月4日 申请日期1995年9月1日 优先权日1994年9月9日
发明者M·J·J·唐纳, J·M·M·施温凯斯 申请人:菲利浦电子有限公司