一、技術簡介
由於智慧製造、光通訊和3C產品的廣泛應用,微透鏡陣列成為具有高潛力的精密
光學元件。目前,製造微透鏡陣列通常採用精密加工和微影蝕刻技術,這些方法
存在設備成本高、製造時間長和加工餘料多的問題,對於製造微透鏡的形貌也有
著明顯限制。本研究團隊近年來將數位光處理(DLP) 3D列印技術應用於微透鏡陣
列的製造,此技術具有環保、低成本、大幅減少製造餘料和時間等優勢,然而DL
P 3D列印技術所製造的微透鏡陣列表面的粗糙度由於階梯效應而難以滿足光學元
件的要求,這是目前亟待解決的問題。
本團隊使用可調整的數位灰階光罩,在製造過程中調整數位光罩的成像位置和成
型平台之間的距離,讓數位光罩中每個像素的邊界模糊化,產生失焦效果,消除
像素引起的階梯效應,使微透鏡陣列成品表面粗糙度滿足光學元件的要求。更重
要的是,相較於傳統製程,本技術能實現傳統製程無法達到的微透鏡陣列形貌。
本團隊亦使用新開發之光固化樹脂於本研究開發的製程中,實驗結果大幅提升微
透鏡陣列成品之解析度、數值孔徑和極限尺寸,從而大幅擴展微透鏡陣列的應用
範圍。
二、製造流程
本技術製程如下:(1)使用MathWorks開發之MATLAB軟體生成灰階遞減數位光
罩;(2)在3D列印機軟體開啟灰階遞減數位光罩;(3)調整3D列印機的曝光能量、
曝光時間和失焦距離;(4)在3D列印機放置一蓋玻片作為微透鏡陣列之基板;(5)
在載玻片上塗佈光固化樹脂;(6)開啟3D列印機的光源;(7)取出成品並使用氣槍
和酒精沖洗。
本技術的主要特色為製造時間短,當載玻片和光固化樹脂被置入3D列印機後,僅
須1秒內即可讓光固化樹脂在紫外光的照射下由液態固化並形成微透鏡的形貌,加
上後續清洗流程,製造一組微透鏡陣列共僅需要15分鐘即可完成。在本技術中,
數位光罩的成像位置和成型平台之距離被稱為失焦距離,當失焦距離提升至3000
μm時,其表面粗糙度最低可低至50 nm以下,而解析度最高可達58.7 lp/mm。
本研究可製造直徑最小60 μm之微透鏡,而微透鏡高度和直徑的比例最高可達0.63。本技術可製造具高數值孔徑之微透鏡 (最高0.98)、多焦距微透鏡陣列 (焦距20μm至200 μm)和高填充因子微透鏡陣列 (最高77.98%),其光學性能媲美市售微透鏡 (解析度約55 lp/mm),並可應用於影像面板和感光元件等產品。