CN1701955B - 制造母版的方法、母版、制造光学元件的方法和光学元件 - Google Patents

制造母版的方法、母版、制造光学元件的方法和光学元件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制造一母版的方法，所述母版用于通过将形成于所述母版上的结构模塑到一光学基板的表面上而制造具有复数个具光学效应的结构的光学元件，所述方法包含以下步骤：提供一基板；涂覆所述基板的一个表面以在所述基板上形成一涂层；和图案化所述涂层以在所述涂层中形成结构。本发明也涉及一种用于制造光学元件的母版、一种用于制造光学元件的方法和一种具有至少一个表面的光学元件；其中具光学效应结构的是形成于至少部分所述表面中。

Description

制造母版的方法、母版、制造光学元件的方法和光学元件
技术领域
本发明一般是关于具有具有复数个具光学效应的结构的光学元件的制造，所述制造通过模塑或热压印形成于光学基板表面上的母版或工具上的结构而达成。本发明尤其是关于一种制造此母版或工具的方法、一种母版或工具，以及一种用于制造所述具有衍射和/或折射结构的光学元件的方法。本发明的另一方面是关于一种光学元件，所述光学元件在其表面上产生具光学效应的结构。
背景技术
前述类型的光学元件通常由透明材料(例如，玻璃、玻璃陶瓷或塑料)制成。为减少或补偿光学象差，需以高度精确的方式产生所述具光学效应的结构。为此目的，已知利用机械加工步骤的制造方法，例如，透镜研磨和抛光，或通过在光学基板上形成凹槽而制造光栅，具体而言是闪耀光栅。
在从现有技术中可知的其它相关制造方法中，具光学效应的结构是通过将在母版或工具上产生的结构模塑或热压印到光学基板的表面上而产生。在此情况中，在母版上产生的结构对应于待产生的具光学效应的结构的负片。采用热成形或热压印方法用于将在母版上产生的结构模塑或热压印到光学基板的表面上。在这些方法中，将光学基板加热到一可使其表面变形的温度，其中所述光学基板和母版向彼此相抵以施加足够的压力，用于将在母版上产生的结构模塑或热压印到光学基板的表面上。在另一个已知的方法中，将光学基板的材料灌注或注入到其中适当排列母版的模具中。后面提到的方法尤其适用于大规模生产由塑料材料组成的光学元件。所有前述方法的一个共同方面为所述母版和光学基板需要彼此相分离(脱模)。这将待实现的结构的可达到的纵横比(即，深宽比)限制到大约1∶1的值。因为模塑或热压印处理总是在光学基板材料的熔化温度附近或之上发生，所以不可避免的在脱模处理期间(即，当将母版从光学基板提出时)光学基板的材料趋于粘附到母版上。这降低了模塑或热压印处理的精确度，并不利的影响了母版的使用寿命和其精确度。在这个方面，需要考虑前述模塑技术的优点仅仅是：当大量光学元件可通过相同母版以恒定精确度制造而不要求昂贵的随后处理步骤时才是具有成本效益的。解释此的原因可发现于尤其是在相对较高成本制造精确母版和热成形或热压印工具中。
已知提供具有保护性涂层的母版表面，以防止母版的材料直接粘附到光学基板。此保护性涂层需满足严格要求。具体而言，保护性涂层需要以牢固粘附的方式连接到母版的基板，其中保护性涂层与光学基板材料的可湿性也应较低。这显著限制了用于保护性涂层的材料以及用于涂覆母版基板涂覆技术的选择。另外，需要将高度同质和极其仿形(true-to-contour)的涂层通过所选择的涂覆技术涂敷到母版的构造表面上，使得母版的表面上的涂覆结构可精确地模塑或热压印到基板上。这额外的限制了待使用的保护性涂层材料和涂覆技术的选择。
所述结构可通过从制造半导体组件已知的技术(尤其是照相平版印刷技术)在母版基板的表面上非常精确地产生.然而，保护性涂层导致该等结构的特定扭曲，尤其是边缘的磨圆和表面粗糙度.具体而言，当模塑非常精细的结构和/或具有高纵横比的结构时，需要考虑这些影响.
因此，需要研发一种用于热成形或热压印方法的精确且耐用的母版或工具。因为将母版具体而言是大规模生产光学元件，所以在通过昂贵的制造方法大规模生产光学元件中也可达到显著的经济优点。
在w.Lukosz等人的″Embossing techniques for fabricating integratedoptical components in hard inorganic wave guiding materials″，Optical Letters，1983年10月，第8卷，第10期，第537-539页中揭示了一种在室温下压印可变形凝胶层中波导管的方法。通过浸拉(dip-drawing)方法从有机金属化合物中产生薄膜。在压印后，在数百摄氏度的温度下将所述膜硬化，并将其转换成有机氧化物材料。在压印期间，具有有机溶胶凝胶薄层的基板抵压在母版光栅上。所述母版光栅涂覆有一铝层。
US 6,591,636B1揭示了一种用于形成玻璃的工具和方法。在玻璃形成期间，尤其是在形成具有大量碱组份和/或含碱组份的玻璃化合物期间，观察到氧化和腐蚀处理。具体而言，这导致我们所不希望见到的灰暗玻璃表面。建议使用不同的抗氧化和抗腐蚀化合物用于涂覆所述成形工具的涂层，其中通过电镀或物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)来涂敷所述化合物。
JP 2003-342025A揭示了一种制造精细构造的光学元件(例如，微透镜阵列、光栅、菲涅耳分区透镜等)的母版。该等结构的精确度在一微米之下。所述结构最初通过照相平版印刷过程经同步加速器辐射产生在模拟物上。基于镍的合金通过电镀涂敷到由此构造成的模拟物上。在将模拟物从涂层中提出时，就获得了制造光学元件的母版。
发明内容
本发明的一目的是提供一种用于制造母版的方法、母版和制造光学元件的方法，其中允许以更精确且更经济的方式制造具有复数个具光学效应的结构的光学元件。本发明还旨在可获得以更精确且更经济的方式实现的光学元件。
根据本发明，这些和其它目的可通过制造根据权利要求1所述的母版的方法、用根据权利要求18所述的用于制造光学元件的母版、通过根据权利要求21所述的用于制造光学元件的方法和通过根据权利要求27所述的光学元件而达成。其它有利实施例形成各附属权利要求的目的。
本发明揭示一种制造母版的方法，所述母版用于通过将在母版上形成的结构模塑或热压印到光学基板的表面上而制造具有复数个具光学效应的结构的光学元件，其中所述方法包含下列步骤：提供一基板；涂覆所述基板的表面用于在基板上产生涂层；和构造所述涂层用于在所述涂层内形成将被模塑或热压印到光学基板的表面上的结构。
根据本发明，因为将接受模塑或热压印的结构是分别直接产生在涂层内或在涂层的表面上，所以其外形和精确度不再像在常规应用已经构造的母版上的保护性涂层的情况中一样受额外涂覆处理的损害。因此，本发明可能达到具有更陡且更精确的边缘陡度的更精细的结构和具有降低的粗糙度的复数个具光学效应的结构。
可发现本发明的另一优点在于可使用很多种不同涂覆技术和/或涂覆材料，即，因为在根据本发明的方法中显著简化了涂覆处理期间的条件(不再需要均匀涂覆已经产生的结构).
由于本发明可能实现具有较小表面粗糙度的均匀且同质的涂层，所以可额外改进光学组件的质量。
根据本发明，具体而言，可选择几乎任意材料用于形成将要涂敷于基板上的涂层，尤其是有利地具有与光学基板的材料一致的低可湿性的材料。许多这些用于精细结构的涂层的材料在从现有技术中已知的方法中的利用(如果可能)也往往具有很大困难。
确定离子束蚀刻(IBE)方法、反应性离子束蚀刻(RIE)方法或化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)方法尤其适用于构造所述涂层，因为这些方法可以以非常精确且同质的方式产生在涂层内的所述结构。
本发明的其它方面是关于一种制造光学元件的母版、制造光学元件的方法和装置和具有至少一个表面的光学元件，在所述表面上至少部分地产生具光学效应的结构，尤其是衍射和/或折射结构。
附图说明
下文将参考附图以例示性方式描述本发明，该等附图阐明欲实现的其它特征、优点和目的，其中：
图1显示穿过根据本发明的制造光学元件的母版的示意性横截面；
图2a-2b显示穿过根据本发明的制造光学元件的母版的另一个实施例的示意性横截面；
图2c显示穿过制造具有连续外形的闪耀衍射光栅的母版的放大的局部截面；
图2d显示穿过制造具有台阶状外形的闪耀衍射光栅的母版的放大的局部截面；
图3a-3d分别显示制造根据图1的母版的台阶的示意性横截面；
图3e显示具有蚀刻中止层的根据图1的母版的修改；
图4显示制造根据本发明的母版的综合步骤；
图5显示穿过根据本发明的制造光学元件的装置的第一实施例的示意性横截面；
图6显示穿过根据本发明的制造光学元件的装置的第二实施例的示意性横截面；和
图7显示根据本发明的使用根据图2a的母版制造的且表面上含有衍射以及折射结构的光学元件。
在所有附图中由相同的参考符号代表相同或相同功能的元件或元件组。
参考数字列表
1         压力或压印杆/工具
2         基板
3         涂层
4a，b     平面部分
5         凹面部分
6         过渡/分离区域/步骤
7         蚀刻中止层
10        显微结构/凸出
11        光阻
12        掩模
13        曝露
15        倾斜部分
16        台阶部分
20        用于制造光学元件的装置
21        熔融态玻璃/光学基板
22        反模/熔融态玻璃接受器
25        压力杆
26        折射成形模
27        内部容积
28        销
29        销接受器
30        入口
40        光学元件
41        光学元件
42        衍射结构/衍射光栅
43        折射结构
50-53     处理步骤
具体实施方式
图1显示穿过制造根据本发明的光学元件的母版的示意性横截面。所述母版适宜用作复数个具光学效应且待形成于光学基板表面上的结构的负片。根据图1，该母版整体通过参考符号1来标识，其包含基板2，在所述基板2的表面上形成涂层3。基板2具有用于承受在热成形和热压印方法中使用的压力和温度的足够的尺寸稳定性。基板2优选由钢、碳化钨(WC)或钼(Mo)组成。根据图1，构造涂层3使其具有如下结构，即，使其具有结构10以用作复数个具光学效应且待模塑或热压印于光学基板(未显示)上的结构的负片。根据图1，结构10是产生在涂层3内。具体而言，结构10产生在涂层3指向远离基板2的方向的表面上。根据本发明，通过如下文更详细描述的涂层材料的直接沉积将涂层3涂敷到基板2的上面，且以牢固粘附的方式连接到基板2的整个表面上。
根据图1，结构10包括在涂层3的表面上的一系列基本上为矩形的***和凹陷。然而，本发明不限于涂层内的基本上为矩形的结构。相反，根据本发明的结构10还可具有任何其它外形，即，取决于应通过复数个具光学效应且待形成在光学基板上的结构达成的光学效应。该等结构的各自的外形还取决于如下文更详细描述的用于构造涂层3的方法。
根据图1，在涂层3的表面上的凹陷不完全延伸到基板2的表面。相反，具有一特定最小厚度的涂层3的材料层仍保留在凹陷的底部。在根据图1的实施例中，在模塑或热压印该结构10的期间，始终确保光学基板的材料不与基板2的材料接触，即，因为具有一特定最小厚度的涂层3的材料层始终保留在该光学基板与母版1的基板2之间。
根据本发明，选择涂层3的材料，使得涂层3具有可能相当于光学基板的材料的最低可湿性，在所述光学基板上模塑或热压印具光学效应的结构.这意味材料的选择在原则上是取决于光学基板的材料.当热成形或热压印玻璃基板或玻璃陶瓷基板时，利用贵金属或贵金属合金的涂层被证实是尤其有利的，即，因为可有利地实现涂层3，使其在此情况下具有与光学基板的材料一致的低可湿性.例如，涂层3可由铂(Pt)和铑(Rh)的合金组成.
又经证实，为涂层3使用抑制玻璃或玻璃陶瓷的氧化和/或腐蚀的材料是有利的。此类材料揭示于US 6,591,636 B1中，其全部内容以引用的方式清楚地并入本申请案中。具体而言，根据本发明可用于产生涂层3的例示性材料为：
Cr             MCrAlY              SiC/MO
Cr2O3          Dura-Nickel 301     ZrO2
Cr2O3Si        Stellite 6          CoCrAlY
CrN/CrC              MgO           Pt/Rh
TiC                  Ni/N          Ir
TiCN                 Al2O3         ErO
TiAIN                Nb/NbC        TiB2
TiC/Al2O3            B4C/W         NiWB
TiN                  B4C/MO        MgAlY
TiCN/TiC/TiCN/TiN    SiC/W
根据本发明，涂层3的最小厚度原则上仅受很少的限制。出于质量和节省材料的原因，原则上应尝试将厚度d维持在尽可能小，优选是使得结构10的凹陷不完全延伸到基板2的表面。涂层3的最小厚度d通常由待模塑或热压印于光学基板上的结构10的外形来定义。如果衍射结构应通过结构10(例如，衍射光栅、闪耀衍射光栅、全息衍射光栅、菲涅耳(Fresnel)透镜、菲涅耳分区透镜等)模塑或热压印，那么优选是选择涂层3的最小厚度d，使得d≥λ/Δn适用，其中λ对应于应由具有衍射光学效应的结构所衍射的光的波长，且其中Δn对应于光学基板(在光学基板中应产生具光学效应的结构)材料的折射率和空气折射率之间的差。例如，当制造用于衍射具有10.6μm波长的CO2激光器的激光的衍射结构且光学基板是由具有大约n＝3.4的折射率的Si组成时，根据上式的涂层3的最小厚度d达约4μm。用于衍射可见和近红外线范围内的光的涂层3对应的最小厚度d大约在不小于1μm到2μm之间。
如果涂层3的结构10是用于产生折射光学元件，例如，微透镜、微透镜阵列、微棱镜、显微镜等，那么涂层3的最小厚度d由在光学基板表面上的这些折射结构的最小高度来定义。然而，本发明在此方面实际上不受任何限制，因为可通过合适的涂覆技术将具有几乎任意层厚度的层容易地涂敷到基板2上。
根据图1，基板2的上面为平面。涂层3上面的粗糙度是由涂层3的材料和所选择的涂覆方法定义的，但是也可能受基板2上面的粗糙度的影响。例如，如果基板2的上面比较粗糙，那么涂层3的上面也比较粗糙，至少如果厚度d相对较小。根据所选择的过程参数，也可精细抛光或研磨基板2的表面。
根据图1，可以平面方式实现基板2的上面，即，其不含有凹陷、***或台阶。然而，本发明原则上还适用于在其表面上具有***和/或凹陷的基板，举例而言，如具有图2a和2b中以例示性方式说明的凹陷、***和/或台阶的基板。
下文将参考图2a-2b描述根据本发明的母版的其它实施例。根据图2a，母版1的基板2包含第一平面部分4a和第二平面部分4b，其中在这些平面部分之间形成一台阶。将预定厚度的涂层3涂敷到此台阶式基板2上。因此，基板2中的台阶在涂层3内自动产生台阶形过渡区6。
随后，结构化涂层3，以在第一平面部分4a上方形成若干彼此等距离间隔开的球形凹陷5并在在第二平面部分4b上方形成一系列彼此等距离间隔开的锯齿状突出部分10。可通过模塑或热压印涂层3的该等结构来制造诸如在图7中以例示性方式说明的光学元件。根据图7，光学元件40包含折射光学元件以及衍射光学元件，即，在左侧上的球形微透镜43阵列和在右侧上的闪耀衍射光栅42，其中有一台阶排列在衍射区域42和折射区域43之间。
图2b显示另一个实施例，其中于基板2中形成一凹口或凹腔5。在模塑或热压印后，此产生一凸起表面，例如光学透镜的凸起表面。于基板2的表面上形成一具有恒定厚度的涂层3。尽管实现的基板2相对比较大，但是复数个显微结构形成于如放大的局部截面中所指示的涂层3的表面中。根据此放大的局部截面，锯齿状外形10形成于涂层3的表面上。可通过模塑图2b中所示的母版1的结构来制造具有一凸起表面的光学元件，在所述凸起表面中形成有复数个锯齿状凹陷和***。
根据图2c，在涂层3内产生的各锯齿形侧面原则上可以以连续方式部分地延伸，即，逐边缘延伸。然而，此要求利用一种适用于如在下文更详细描述的在涂层3内分别产生此等部分连续的结构15的方法。
显微结构原则上也可以通过接连执行的若干处理步骤形成。从现有技术可知，原则上可在m个处理步骤中产生具有2m垂直台阶的显微结构。根据图2d，在图2c中显示的锯齿外形可通过相应地选择显微结构16的分级而使其接近于连续侧面。根据本发明，台阶式结构(诸如图2d中所示的)可用于在基板2的涂层3内实现计算机产生的全息图。
下文将参考图3a-3d描述用于制造图1所示的母版的例示性处理步骤。图3a显示，根据本发明的用于制造母版的方法开始于具有涂层3的基板2。在图3a中说明的涂层具有恒定厚度，但是原则上该涂层可包含具有不同恒定厚度的复数个部分。基板2优选是由一具有较小表面粗糙度的平行平面基板组成。规模比具有将要产生的光学效应的结构大的基板2原则上也可具有如在图2b中以例示性方式说明的外形。
用于涂覆基板2的方法取决于涂层3的组合物和涂层3所要的特性——特别是其表面粗糙度。适当方法的实例为：电镀、等离子体喷涂、溅镀、磁控管溅镀、等离子体辅助溅镀、离子束溅镀(IBD)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电子辅助或等离子体辅助的物理气相沉积(EB-PVD；IB-PVD)以及电子束辅助或离子束辅助沉积(EBAD；IBAD)、PICVD、PECVD、MOCVD和分子束外延(MBE)。
本发明者所进行的研究显示，约100nm rms(均方根)的平均表面粗糙度满足大约为10μm的光波长(例如，CO2激光)，小于约5nm rms的平均表面粗糙度满足在可见及紫外线光谱范围中的应用，而小于约1nm rms的平均表面粗糙度满足在照相平板印刷曝露装置(晶圆步进机)中的应用。
将一掩模结构应用于图3a中所显示的经如此涂覆的基板上，其中所述掩模结构在一随后用于形成涂层3中之结构的蚀刻步骤中充当一掩模.从现有技术可知各种蚀刻技术.以下对于处理步骤的例示性描述是基于一离子束蚀刻方法(IBE、通常也称为“离子束研磨”方法).然而，已清楚地表明以下对于处理步骤的描述仅具有例示性特征，且本发明也允许利用其它任何干式蚀刻或湿式蚀刻方法，尤其是反应离子束蚀刻(RIBE)和化学辅助离子束蚀刻(CAIBE).
根据图3b，涂层3覆盖有一光阻层11，其通过光曝露13在光阻层11中形成所要图案，所述图案如一周期结构、一光栅结构或另一光学结构。所述光阻层11是由常规方式构成和制得。所述光阻层11具有一能够将图案转移到位于其下方的涂层3上的厚度。
为了在光阻层11中形成一适当的图案，使掩模12与光阻层11接触或直接将其排列于光阻层11上方，如图3b所示。随后将掩模12曝露于具有适当波长的光13，例如紫外辐射。穿过掩模12的透明部分而传播的光13引起所述光阻层11的曝露部分发生化学变化，该化学变化显露在光阻层11的材料特性上。
当然，在根据本发明的方法中并不绝对强制利用掩模12。例如，也可通过光束、优选是通过激光光束如准分子激光器的激光光束将结构直接写入光阻层11上。根据本发明的另一实施例，可将全息图案直接写入光阻层11上，其中所述光阻层11受到两个相关光束、优选是激光光束的干扰，例如，来自紫外准分子激光器的激光光束的干扰。
曝光之后，移除掩模12，以一显影剂显影光阻层11，并根据所使用的光阻的类型洗去光阻层11未曝光或已经曝光的区域。洗去所述光阻之后，所要图案保留在光阻层11中，如图3c所示。此图案已可在显微镜下接受光学检验，且如果需要可在所述光阻层11中所产生的结构不令人满意的情况下对此图案进行修改或甚至完全移除此图案。在此情况下，重新执行图3a-3c所示的处理步骤直到在光阻层11中形成所要的图案。
随后，将光阻层11的图案用作蚀刻步骤的掩模，以将所述图案转移到涂层3。在此过程中，涂层3被光阻11覆盖的区域不与蚀刻介质反应，且因此不会被蚀刻掉。完成所述蚀刻步骤之后，利用常规的溶剂移除所述光阻的剩余部分。
根据图3e中所示意性说明的本发明的另一实施例，如果所述涂层3是由两个层组成，即一较低的蚀刻中止层7和一位于所述蚀刻中止层7上且用来产生结构10的层，那么可更好地控制所述蚀刻步骤。蚀刻中止层7的材料比涂层3位于其上的材料对所使用的蚀刻介质更具抗蚀性，如此使得蚀刻处理在到达蚀刻中止层7时按照所界定的方式被中止。
当然，举例而言，为产生如图2d中以例示性方式说明的台阶式外形，也可使所述蚀刻步骤重复数次。当然，也可在一第一蚀刻步骤中将根据图3c形成于光阻层11上的图案转移到安置于光阻层11与涂层3之间的中间层，例如，转移到一Si层或一SiO2层。可在一第二蚀刻步骤中将这一层中如此产生的结构转移到位于其下的涂层3。
图4概述了根据本发明的用于制造一母版的方法的处理步骤。其再次清楚地表明，根据本发明，在处理步骤51中可使用几乎任意的涂覆方法来涂覆所述基板，只要能产生一具有足够表面粗糙度的充分抗粘着的涂层。在图3a-3e的描述中，所述蚀刻方法是用于构造所述涂层。在研究以上描述时，所属领域的技术人员可容易地确定本发明在原则上也允许使用其它用于构造涂层的方法，只要能使用这些方法来产生适当的外形，尤其是具有合适的边缘陡度、边缘修圆、结构精确度和结构精细度的外形。以下概述先前所描述的蚀刻方法的几种优选替代选择。
根据本发明，原则上也可以直接处理所述涂层.例如，所述涂层表面可经受一通过机械处理工具执行的材料移除或机械加工处理.例如，类似于光学衍射光栅的机械加工处理，在所述涂层中形成凹槽.所述机械加工处理方法可尤其适用于在涂层中形成用于在光学基板上模塑或热压印折射结构的结构，例如，如在图2b中以例示性方式说明的凸起或凹形表面.
根据本发明，另一替代选择明显欲利用涂层直接处理，其包含通过离子束或电子束将结构直接写入涂层中。众所周知，一些部分可由于离子或电子束对涂层区域的猛烈冲击而被移除。可通过以离子或电子束扫描涂层表面而处理整个涂层表面。通过所施加的电压、离子或电子束的强度、所使用的离子的质量和通过离子或电子束于所述涂层表面上产生的图案的几何形状来界定产生于所述涂层内的结构的深度。根据本发明，如果所述结构是通过离子或电子束直接产生于所述涂层内，那么所述涂层优选由导电材料组成以形成电荷放电器。
先前所描述之蚀刻方法的另一替代选择包含激光切除所述涂层。可通过改变以下特定参数来适当地界定所述涂层内的结构的深度，该等参数例如激光强度、激光功率、激光脉冲的平均脉冲持续时间和照射持续时间。
图5显示根据本发明的用于制造光学元件的装置的第一实施例的示意性横截面。所述装置20含有一凹槽形或沟形反模22，其中光学基板21被容纳在反模22的底部。根据图5，母版1包含一基板2以及一经构造的涂层3，且与由反模22所固定的光学基板21相抵压。为了模塑或热压印所述结构，至少将所述母版1加热到一高于所述光学基板21的熔化温度的温度，使得可使至少玻璃基板21的表面变形。所属领域的技术人员将不难发现也可将光学基板21以熔融态玻璃、玻璃陶瓷或塑料的形式——即以高于各自熔化温度的温度——引入到装置20中。以此方式(即通过热成形或热压印)将母版1的涂层3内的结构转移到光学基板21的表面上。
从上文的描述中将不难发现，本发明的一个共同方面是关于制造一经适当构造的母版(即，一工具)以用于模塑或热压印具光学效应的结构。根据本发明，也可能利用其它用于转移所述结构的技术，如以下参看图6以例示性方式所描述的。参看图6描述了一种用于注塑成形光学元件的装置。装置20含有一由侧壁、上模26和下模所限定的腔27。至少所述下模是一根据本发明的母版形式，其包含一基板和一含有所述结构10并涂敷于所述基板上的涂层3。或者，所述上模26可为一根据本发明的母版形式，如在图2b中以例示性方式所说明的。提供于所述母版下方的挤压杆25含有一定心销28，所述定心销28与基板2下侧上的凹口29啮合以精确引导充当所述母版的下模。经由入口30将所述光学元件的材料注入或倾入所述腔中，该等材料例如为熔融态玻璃、熔融态玻璃陶瓷前体玻璃、熔融态玻璃陶瓷绿玻璃、液态塑料或液态聚合物。
根据本发明，原则上也可以利用其它的压印方法。根据其它实施例(未显示)，例如将一具有适当粘度的塑料层涂敷到基板载体上，其中借助于根据本发明的母版(即，通过模塑或压印)在此塑料层中产生具光学效应的结构。如此印制的结构可通过热固化或通过使所述塑料层经受(例如)紫外辐射而在所述塑料层中硬化。
从上文的描述将不难发现，根据本发明的光学元件的材料可选自多种材料类别.待考虑的玻璃类型为：低/Tg玻璃、钠钙玻璃、硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化玻璃、氟磷酸盐玻璃、卤化玻璃或光学玻璃.具体而言，待考虑用于所述光学元件的塑料材料为：PMMI、COC(环烯共聚物，尤其是TOPAS)、COP(环烯聚合物，尤其是Zeonex)、PMMA、聚氨基甲酸酯、PC、PS、SAN、PMP或PET.当然，本发明也可能利用由一具有塑料涂层的玻璃组成的光学元件.当使用塑料材料时，有利的是所述压印可发生在相对较低的温度.当然，根据本发明的光学元件可包含标准玻璃和低/Tg玻璃的组合.根据本发明的转移方法当然也适用于产生对其它材料(例如，半导体基板)具光学效应的结构.在此情况下，所述具光学效应的结构包含塑料.
从上文的描述将不难发现，本发明可制造出具有任意衍射或折射结构的光学元件。另外，本发明可制造出包含衍射和折射元件的致密混合型微透镜***。图7中说明了此一混合型微透镜***的一个实例。此外，也可以用根据图6的装置制造出一平凸透镜。所述平凸光学元件的平面内的衍射结构可通过所述母版涂层内的结构来界定，并可被配置成可获得一个完全消色差光学元件，即，所述光学元件材料的折射率的波长依赖性可通过所述光学元件的平面内的衍射结构的相应的反向波长依赖性来补偿。
特定而言，根据本发明的光学元件的其它优选应用为：衍射光学元件(DOE)、计算机产生的全息图、大规模应用的光学透镜，例如用于数字照相机或移动电话；RGB激光显示器；用于高能激光器、二极管激光器和二极管泵固态激光器的衍射透镜***和微透镜***；衍射光栅，尤其是闪耀衍射光栅；以及菲涅耳分区透镜。
实施例1
通过Al2O3离子束沉积(IBD)在一钢基板上形成一厚度为2000nm的Al2O3层。将一Kaufmann源用于所述离子束沉积。用于所述离子束的工作气体包含氩(Ar)，且溅镀时间为106min。
通过一Vacutec 500类型***中的反应离子蚀刻(RIE)而构造于所述基板上形成的Al2O3涂层。将一CF4(47sccm)气流用作蚀刻气体，且所述工作气压达到约160mTorr。在蚀刻处理之前，涂敷一铬层，作为蚀刻掩模。
通过反应离子蚀刻在所述Al2O3涂层中产生用于模塑或热压印一衍射光栅的凹槽形结构。最大蚀刻深度为420nm。一具有400倍放大率的显微镜观察显示：所述Cr层中没有发生任何可见的材料移除。因此，Cr可用作用于CF4反应离子蚀刻的稳定掩模层。所述Al2O3涂层中的结构具有一很高的边缘陡度，且仅显示出轻微的边缘修圆。所述结构到例如玻璃或玻璃陶瓷的光学基板的转移是极其卓越的。
实施例2
通过DC磁控管溅射在一钢基板上产生一厚度为100nm的铬层(Cr)。将直径为3英寸且纯度为99.99(4N)的铬用作目标。在溅镀处理期间所使用的气体包含氩5.0，且在所述涂覆处理期间的压力达到约7.5x10-4Torr。涂覆时间达到约200s。
接着，以一照相平板印刷处理中的屏幕图案曝露涂敷于所述Cr涂层上的光阻层。将未曝露的光阻层部分冲洗掉。在清洁室条件下在烧杯中按照湿式化学处理手动蚀刻该由此产生于基板上的Cr涂层。使用K3Fe(CN)6和NaOH蚀刻溶液。蚀刻期间的温度为50℃。蚀刻处理之后以DI水冲洗所述涂层约60s，且随后通过离心法以4000rpm的速度将所述基板干燥40s。
通过湿式化学蚀刻处理在Cr涂层内产生用于模塑或热压印一衍射光栅的类凹槽结构.最大蚀刻深度达到约90nm.一具有400倍的放大率的显微镜观察显示：所述Cr层中没有发生任何可见的材料移除.所述Cr涂层中的结构具有一很高的边缘陡度，且仅显示出轻微的边缘修圆.所述结构到例如玻璃或玻璃陶瓷的光学基板的转移是极其卓越的.
实施例3
通过ZrO2离子束沉积(IBD)在一钢基板上形成一厚度为2000nm的ZrO2层。将一Kaufmann源用于所述离子束沉积。用于所述离子束的工作气体包含氩(Ar)，且溅镀时间达到约138min。
通过离子束蚀刻(IBE)构造产生于所述基板上的ZrO2涂层。将一Kaufmann源用于此目的，且用于所述离子束的工作气体包含Ar，工作压力为3.2x10-4mbar。涂敷一厚度为100nm的铬层作为一掩模层，并随后通过曝露一AZ 5214E光阻(厚度：1400nm)来构造此铬层。
通过反应离子蚀刻在所述ZrO2涂层内形成用于模塑或热压印一衍射光栅的凹槽形结构。最大蚀刻深度达到600nm。一具有400倍的放大率的显微镜观察显示：所述Cr层中没有发生任何可见的材料移除。所述ZrO2涂层中的结构具有一很高的边缘陡度，且仅显示出轻微的边缘修圆。所述结构到例如玻璃或玻璃陶瓷的光学基板的转移是极其卓越的。

Claims (15)

1.一种用于制造一母版(1)的方法，所述母版是用于通过将形成于所述母版(1)上的结构模塑或热压印到一光学基板的一个表面上而制造具有复数个具光学效应的结构的光学元件，所述方法包含以下步骤：
提供一基板(2)；
精细抛光或研磨所述基板(2)的一表面；
涂覆所述基板(2)的一个表面，以在所述基板(2)上形成一涂层(3)；和
通过所述涂层(3)内的离子或电子束将所述结构写入所述涂层(3)，从而直接在所述涂层内形成所述结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂覆所述基板(2)的所述表面的步骤包含涂覆具有一随着所述光学基板的材料降低所述母版(1)的可湿性的材料的基板(2)的表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂层(3)的材料的热膨胀系数与所述基板(2)的材料的热膨胀系数匹配。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述直接在所述涂层(3)内形成所述构造的步骤包含在所述涂层(3)中形成凹陷的步骤，且其中所述凹陷不延伸到所述涂层(3)的下侧。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述直接在所述涂层(3)内形成所述构造的步骤包含在所述涂层的至少一个部分(4b)中形成结构的步骤，且其中所述结构(10)在通过热成形或热压印而模塑之后引起衍射光学结构的成形。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述涂覆所述基板的所述表面的步骤包含形成一具有一由d≥λ/Δn所界定的厚度d的涂层(3)，其中
λ对应于由所述衍射光学结构所折射的光的波长，且其中
Δn对应于所述光学基板的材料的折射率与空气折射率之差。
7.根据权利要求5所述的方法，其中在m个处理步骤中形成所述涂层(3)内的所述结构(10)，且其中所述结构以步进方式形成并包含2m个不同的高度水平。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述涂层(3)内的所述结构(10)为计算机产生的全息图。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述直接在所述涂层(3)内形成所述构造的步骤包含至少在一个部分中形成结构(10)，在通过热成形或热压印而模塑之后，所述结构引起所述光学基板表面上的折射光学结构的成形。
10.一种用于制造包含复数个具光学效应的结构的光学元件的方法，其中所述方法包含以下步骤：
a)提供一母版(1)，所述母版(1)包含一基板(2)和一涂敷于所述基板(2)上的涂层(3)，其中结构(10)已经通过以下步骤形成于所述涂层(3)内：
精细抛光或研磨所述基板(2)的一表面；
涂覆所述基板(2)的一个表面，以在所述基板(2)上形成一涂层(3)；和
通过所述涂层(3)内的离子或电子束将所述结构写入所述涂层(3)，从而直接在所述涂层内形成所述结构；
和
b)将所述结构(10)模塑或热压印到一光学基板的一表面上，以在所述表面上形成复数个具光学效应的结构。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述模塑或热压印所述结构的步骤包含所述光学基板的所述表面的热成形或热压印。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述模塑或热压印所述结构(10)的步骤包含压印一塑料或聚合物层和硬化所述塑料或聚合物层以形成一层，其中形成所述具光学效应的结构。
13.根据权利要求12所述的方法，其中提供所述塑料层作为一合成树脂层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述硬化所述合成树脂层的步骤包含所述合成树脂层的UV辐射。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述模塑或热压印所述结构的步骤包含以下步骤：
a)提供一具有至少一个壁部分(25)的腔(27)，所述壁部分(25)由一母版(1)形成，所述母版(1)由以下步骤提供：
提供一基板(2)；
精细抛光或研磨所述基板(2)的一表面；
涂覆所述基板(2)的一个表面，以在所述基板(2)上形成一涂层(3)；和
通过所述涂层(3)内的离子或电子束将所述结构写入所述涂层(3)，从而直接在所述涂层内形成所述结构；
和
b)将熔融态玻璃、熔融态玻璃陶瓷前体玻璃、塑料和聚合物之一注塑成形、按压、喷吹或按压与喷吹到所述腔(27)中，以形成所述光学基板，其表面包含所述具光学效应的结构。
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