CN103257379A - 形成具有悬浮合成图像的片材的母模 - Google Patents

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Abstract

形成具有悬浮合成图像的片材的母模。本发明描述了一种片材以及一种由母模形成片材的方法,其中所述片材具有悬浮于片材上方或下方的合成图像。该方法包括提供第一片材,所述第一片材包括第一微透镜阵列和与所述第一微透镜阵列相邻的可光聚合的第一材料层。另一步骤是将所述第一片材曝光于辐射源,以在所述第一材料层中形成包括多个聚合的第一结构化区域的母模,其中所述第一结构化区域中的至少一些包括与所述第一结构化区域中的至少一些相同的部分形状,并且其中每一个第一结构化区域与所述第一微透镜阵列中的一个微透镜相关。另一步骤是使用适形于多个结构化区域的物质来复制所述多个第一结构化区域,以形成具有多个复制结构化区域的第二材料层。

Description

形成具有悬浮合成图像的片材的母模
本申请是申请日为2008年11月10日、申请号为200880117941.6(国际申请号为PCT/US2008/082951)、发明名称为“形成具有悬浮合成图像的片材以及母模具的方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及提供一个或多个合成图像的片材、制备所述片材的方法以及用于制备所述片材的母模具结构,所述片材可使观察者感觉所述合成图像相对于所述片材悬挂于空间中。
背景技术
具有图形图像或其他标记的片材已被广泛使用,尤其是用于鉴别物品或文档的标签。例如,在美国专利No.3,154,872、No.3,801,183、No.4,082,426和No.4,099,838中所述的那些片材已被用作车牌的验证标贴以及驾驶执照、政府文件、磁带盒、扑克牌、饮料罐等的安全膜。其它用途包括在诸如警车、消防车或其它紧急用途车辆上用作识别目的的图形应用,以及在广告和推广展示上作为特色标签以增强品牌效果。
美国专利No.6,288,842和美国专利No.7,068,434中公开了一种类型的成像的片材。这两篇专利公开了具有合成图像的微透镜片材,其中合成图像浮于该片材的上方或下方,或浮于片材的上方和下方。所述合成图像可以是二维的或三维的。入射在微透镜阵列上的激光被聚焦于阵列后方施加有辐射敏感涂层处。其他微透镜片材在材料被转移至微透镜阵列后面时形成,如美国公布专利申请2007/0081254中所描述的。
这些先前公开的方法均依赖于使用来自激光器或其他辐射源的辐射,以形成具有合成图像的各个片材。
美国专利No.5,712,731“Security Device for Security DocumentsSuch as Bank Notes and Credit Cards(用于诸如钞票和信用卡的安全文件的安全装置)”(Drinkwater等人)公开了一种包括微缩图像阵列的安全装置,当通过对应的基本上球形的微透镜阵列观看时,所述微缩图像生成放大图像。在一些情况下,微透镜阵列粘合在微缩图像阵列上。
PCT专利申请公开WO03/061983A1“Micro-Optics For ArticleIdentification”(用于制品识别的微光学装置)公开了使用表面起伏度大于几微米的非全息微光学装置和微结构进行识别和防伪的方法及组合物。
发明内容
在一个实施例中,描述了一种由母模形成片材的方法。该方法包括提供第一片材的步骤,所述第一片材包括第一微透镜阵列和与第一微透镜阵列相邻的可光聚合的第一材料层。进一步的步骤是将第一片材曝光于辐射源,以在第一材料层中形成包括聚合的第一结构化区域的母模。所述第一结构化区域中的至少一些具有与其他第一结构化区域中的至少一些相同的部分形状,并且每一第一结构化区域与第一微透镜阵列中的一个微透镜相关。进一步的步骤是使用适形于所述结构化区域的物质来复制所述多个第一结构化区域,以形成具有复制结构化区域的第二材料层。
在另一个实施例中,描述了一种用于形成具有合成图像的片材的母模,所述合成图像悬浮于所述片材上方或下方。该母模包括第一片材,所述第一片材具有第一微透镜阵列和与第一微透镜阵列相邻的光聚合的第一材料层。所述光聚合材料在曝光于导致同时吸收两个或更多个光子的条件时聚合。所述第一片材在所述第一材料层中具有聚合的结构化区域。所述结构化区域中的至少一些具有与其他结构化区域中的至少一些相同的部分形状,并且每一结构化区域与第一微透镜阵列中的一个微透镜相关。
在另一个实施例中,描述了一种使用母模形成片材的方法。所述方法包括提供第一片材的步骤,所述第一片材包括第一微透镜阵列和与第一微透镜阵列相邻的可光聚合的第一材料层。所述可光聚合的材料在曝光于导致同时吸收两个或更多个光子的条件时聚合。该方法的进一步的步骤是将所述第一片材曝光于辐射源,以在所述第一材料层中形成包括聚合的第一结构化区域的母模,其中所述第一结构化区域中的至少一些具有与其他第一结构化区域中的至少一些相同的部分形状,并且其中每一第一结构化区域与第一微透镜阵列中的一个微透镜相关。另一步骤是使用适形于所述多个结构化区域的物质来复制所述多个第一结构化区域,以形成具有多个复制结构化区域的第二材料层。
在另一个实施例中,描述了一种母模,所述母模包括第一微透镜阵列和规则的结构阵列。每一结构与一个微透镜相关,并且所述结构中的至少一些包括与其他结构中的至少一些相同的部分形状。在所述结构之间存在大致平坦的区域,使得在所述大致平坦的区域中,特征物高度的变化不大于100纳米。
在另一个实施例中,一种使用可见光辐射或红外线辐射的光刻法,包括第一步骤:提供第一微透镜阵列和与所述微透镜相邻的可光聚合的第一材料层。另一步骤是将所述第一材料层曝光于可见光辐射源或红外线辐射源。进一步的步骤是将可光聚合的第一材料层显影,以在所述第一材料层中形成包括多个聚合的第一结构化区域的母模。所述第一结构化区域中的至少一些包括与其他第一结构化区域中的一些相同的部分形状。每一第一结构化区域与第一微透镜阵列中的一个微透镜相关。多个所述第一结构化区域的至少一个特征物尺寸小于或等于100纳米。
在以下具体实施方式中将详细阐述本专利申请的这些方面和其它方面。然而,在任何情况下,以上概述都不应理解为是对本权利要求书中要求的保护主题的限制,该主题仅受所附权利要求的限定,在申请期间可以对其进行修改。
附图说明
图1是包括微透镜阵列和可聚合材料的片材的放大剖视图。
图2是微透镜片材一部分的平面图,该图描述了与各个微透镜相邻的材料层中所记录的样品图像,并进一步示出所记录的图像涵盖了从合成图像的完整复制到部分复制。
图3是具有由可聚合材料制成的辐射敏感材料层的微透镜片材的照片,该可聚合材料已被曝光以得到相交环的合成图像,其中一个环看起来悬浮于片材上方,而一个环看起来悬浮于片材下方。
图4是图3的微透镜片材的一部分的扫描电镜(SEM)图像,其包括局部完整结构的阵列。
图5是图4的微透镜片材的一部分的俯视SEM图像,其示出了单个局部完整结构。
图6是图5的单个局部完整结构的透视SEM图像。
图7是入射在片材上的辐射线的放大剖视图,该片材包括微透镜阵列和可聚合材料。
图8是用于产生辐射并形成母模具的激光系统的示意图。
图9是根据本发明的复制微透镜片材的一部分的SEM图像,该复制微透镜片材提供看起来悬浮于该片材上方的相交环的合成图像。
图10是图9的微透镜片材的一部分的俯视SEM图像,其示出了若干局部完整结构。
图11是图9的微透镜片材的一部分的透视SEM图像,其示出了单个局部完整结构。
图12是根据本发明的具有单光子可聚合材料的微透镜片材的SEM图像,该单光子可聚合材料已被曝光以得到方框内有相交环的合成图像,该合成图像看起来悬浮于该片材的上方。
图13是图12的微透镜片材的一部分的透视SEM图像,其示出了单个局部完整结构。
在整个说明书中参考附图,在这些附图中,相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
本发明适用于提供一个或多个合成图像的片材,观察者感觉所述合成图像相对于所述片材悬挂于空间中。所述合成图像是与多个微透镜相关的个体结构的形状的组合或合成。这种类型的光学组件尤其适用于鉴别物品或文件的标签领域中。
本发明的微透镜片材的一个实施例提供一种合成图像,其通过与多个微透镜相关的个体结构提供,并且看起来悬挂于或悬浮于片材的上方、片材平面内和/或片材下方。图1示出了微透镜片材10的一个实例,本文中将进一步描述该实例。该微透镜片材包括形成在基底13上的微透镜阵列14。与基底13相邻的是可光聚合的材料层16。
形成合成图像的微透镜片材的一些实例在例如美国专利No.7,068,434中有所描述。在美国专利No.7,068,434中所描述的形成方法中,将微透镜片材曝光于辐射,以形成与各个微透镜相关的局部完整图像的阵列。图2示出这样的局部完整图像阵列的实例。当观察者通过微透镜阵列观察局部完整图像或结构阵列时,合成图像看起来悬挂于或悬浮于片材的上方、片材平面内和/或片材下方。
合成图像是局部完整的个体结构的所有形状的组合或合成。局部完整结构各自包括与合成图像相同的至少一个形状部分。如图2所示,许多局部完整结构的一部分形状与其他局部完整结构相同。图2中间的结构(即具有由一角至另一角的对角线的矩形)是一个完整结构,其形状与通过围绕其的局部完整结构的组合而形成的合成图像相同。
悬浮于片材平面下方的图像通常被称作下沉图像。但是,本文书中的术语“悬浮”可用于图像下沉于片材平面下方的情况、图像悬浮于片材平面上方的情况以及图像悬浮于片材平面内的情况。某些图像看起来一部分悬浮于片材平面的上方,而一部分悬浮于片材平面的下方。如果旨在使图像相对于片材处于特定位置,那么其也可使用术语“悬浮”描述。
在美国专利No.7,068,434中所描述的形成方法中,每一片材被单独形成。每次需要形成具有合成图像的片材时,施加辐射。典型的辐射源为激光器。在将片材曝光于辐射的处理过程中,移动片材或激光器以生成所需形状的合成图像。需要成本更低的片材生成方法。
为了满足这一需求,已开发出新的片材制备方法。该新方法利用了成本更低的使用适形(conformable)材料的微复制技术。首先,从具有可光聚合材料层的片材生成母片材。为了形成母片材,将所述片材曝光于辐射,以形成第一结构化区域阵列。然后,可使用适形材料复制该片材,以形成具有复制的结构化区域阵列的第二材料层。当使第二材料层与微透镜阵列配合时,形成了第二片材,该第二片材上的合成图像看起来悬挂于或悬浮于该片材上方、片材平面内和/或片材下方。该合成图像是第一结构化区域的形状的组合。这种改进的制备方法只在形成母片材的处理过程中才需要将片材曝光于辐射源并使片材相对于激光器精确运动。从母片材生成另外的片材时不需要这些步骤。
图3是由片材的一个实施例形成的矩形内有相交圆环的合成图像30的照片。图4是使用扫描电镜(SEM)获得的图3的微透镜片材的一部分32的图像,其包括局部完整结构的阵列,而图5和图6分别从俯视视角和透视视角示出了图3的片材的一个局部完整结构。
所述新方法利用抗蚀剂材料(resist material)层的光聚合来形成局部结构化区域。在一些实施例中,使用双光子聚合方法来生成轮廓清晰的挺括的结构化区域,这将在本文中做进一步描述。因为使用该方法时母片材的结构化区域比使用单光子聚合方法时更精确,所以复制的结构化区域用窄特征物宽度清晰限定。
图4至图6的微透镜片材包括结构化区域40,许多结构化区域40与合成图像30相比是局部完整的结构。在一些实施例中,结构化区域40之间存在大致平坦的区域42。在一些实施例中,在大致平坦的区域42中,特征物高度的变化不大于100纳米。结构化区域或结构40的群组具有最大结构高度。在一些实施例中,在大致平坦的区域42中,不存在高度大于或等于最大结构高度的10%的特征物。窄特征物宽度在图4至图6中明显可见。在一些实施例中,结构化区域的至少一个特征物尺寸小于或等于100纳米。特征物尺寸的实例包括结构40的部分的宽度、高度或长度测量值。例如,在一个实施例中,脊(例如图6中的结构40的脊44)的最窄宽度小于或等于100纳米。
为了完整地描述本发明,将在下面的第一部分中描述形成母片材的示例性方法和设备,随后在下面的第二部分中描述可光聚合材料,在下面的第三部分中描述微透镜片材结构和基底层,并且在第四部分中描述辐射源和系统。将在第五部分中描述微复制方法。在第六部分中还提供了若干实例以进一步解释本发明的多个实施例。
I.形成母片材以及用于形成母片材的设备
形成母片材的示例性方法包括通过透镜将来自激光器的准直光引导向微透镜片材。为了生成具有悬浮图像的片材,如下文进一步所述的,光透射通过透镜,从而生成发散或会聚的光锥。具有大于或等于0.3的高数值孔径(NA)的透镜用于生成发散的光锥。
如图1和图7所示,片材10的一个实施例由基底13构成,该基底13在其第一侧面20上形成有微透镜14,在基底的第二侧面12上有可光聚合材料层16。图7示出了入射在片材10一部分的放大横截面上的发散光。
片材10的材料层16侧被置于远离该微透镜,以使得光锥的轴线(光学轴线)垂直于片材平面。
微透镜阵列14包括个体微透镜22。如果每一个微透镜22的焦斑位于材料层16中,并且辐射的能量和强度足以引起材料层的化学变化,则在材料层的后续显影之后,聚合特征物将保留。如图7所示,在显影过程中,辐射线60的焦斑62处于或接近于基底/材料层界面12处,以保持聚合区域附着到基底上,而不会被冲洗掉。
图8是用于生成辐射线并形成母模具的辐射系统70的一个实施例的示意图。虽然现在将描述激光系统70和形成母片材的方法的这一实施例,但是本文中,将在下面的部分中讨论辐射源、辐射系统、片材结构和工序的其他实施例。激光器72、光闸74和可变功率控制单元76将辐射线引导至扩束器78。激光器72的功率相对于物镜84的聚焦高度连续变化。在成像过程中,随着上浮/下沉高度增加,所需功率逐渐增大。可使用中性密度滤光器轮80来进一步控制光强度的范围。扩束器78和可变孔径82用于控制非球面物镜84的数值孔径(NA),该物镜84用于将入射光聚焦在透镜阵列上,其最终影响图像的视角。典型的光束直径约为12mm。物镜84被置于Z台86上,Z台86在写入图像的过程中可改变物镜84与片材90之间的距离,以改变图像特征物的上浮/下沉高度。片材90被置于XY台上,XY台被移动以绘制图像。
现在将描述形成母片材的一个实施例的步骤,首先提供基底。该实施例的方法步骤和材料可存在多种变型,这将在本文中进一步讨论。为了形成微透镜,用微透镜材料(例如聚氨酯甲基丙烯酸酯(urethanemethacrylate))涂覆基底13的第一侧面20。用可聚合材料层涂覆该基底的第二侧面12。用模具辊在微透镜材料层上微复制微透镜,所述模具辊包含所需形状的凹陷。微透镜的焦点62处于或接近于基底和材料层16之间的界面处。该片材被置于台88上。
接下来,启动激光器。改变激光器72的功率以形成不同上浮/下沉高度的特征物。形成的上浮/下沉高度越高,需要的功率越大。激光器、Z台86和X-Y台88彼此相对运动,以使得激光写入合成图像。
在曝光于激光辐射之后,使用适用于材料层16的溶剂对片材进行一段时间的显影。没有曝光于所需水平的辐射的可聚合材料被冲洗掉,剩下结构化区域阵列,其中至少一个结构化区域是合成结构的局部结构。事实上,大部分结构化区域阵列将是合成结构的局部结构。
在一些实施例中,母片材产生看起来悬浮于母片材平面上方或下方的合成图像。在这样的母片材中,微透镜阵列的每一个微透镜具有折射表面,该折射表面将光透射至材料层的位置,以在反射或透射光的作用下从材料层内所形成的结构化区域产生合成图像。该合成图像看起来悬浮于母片材的上方或下方。但是,在其他实施例中,可在观察母片材时不可见合成图像,即使该合成图像在复制的片材中可见。这可发生在使用这样的可聚合材料的情况下,所述可聚合材料能够按照生成反射率非常低或者无反射的结构化区域的方式进行曝光。在这种情况下,不能在母片材中通过透射光或反射光轻易观察到合成图像。
在各种实施例中,母片材的至少一个结构化区域在尺寸上突出在母片材平面上方或者凹陷到母片材平面下方至少0.5微米或至少1微米。在其它实施例中,至少一个结构化区域突出或凹陷至少2微米或至少4微米。
II.可光聚合材料的选择
许多不同类型的材料可用于材料层16。在一个实施例中,光聚合材料在曝光于导致两个或更多个光子的同时吸收的条件时聚合。双光子可聚合材料的特征在于非线性光聚合过程。所述材料的固化遵循电场强度的平方。这需要聚焦光的电场足够强,以确保在第一吸收光子被再发射之前由第一光子的吸收生成的受激分子对第二光子的吸收达到适当的概率。结果,在双光子法中,聚合反应只发生在焦斑附近。强度相对低的散射光将仅穿过抗蚀剂而不发生作用。
也可使用单光子法。但是,在单光子法中,恰当波长的散射光可引发固化,这是因为聚合反应所需的剂量是通量(fluence)和时间的线性函数。
双光子可聚合材料的实例在提交于2005年12月21日的共同待审、共同所有的专利申请No.11/313,482(代理人案卷号为No.60893US002)中有所描述。
下列术语可用于讨论具有合成图像的片材的可光聚合材料:
“多光子吸收”指同时吸收两个或多个光子以达到活性的电子激发态,这种状态是通过吸收相同能量的单个光子所达不到的;
“光敏剂”指一种分子,该分子通过吸收比活化光引发剂所需的能量低的光并与光引发剂相互作用而从该反应产生光引发物质,降低活化光引发剂所需的能量;以及
“同时”指在10-12秒或更短的周期内发生两个事件;
使用双光子可聚合组合物的方法包括提供光反应性组合物,其中所述光反应性组合物包括至少一种能够经历由酸引发或由自由基引发的化学反应的活性物质、以及至少一种多光子光引发剂体系。该方法还涉及将组合物中的至少一部分成像曝光于足以引起同时吸收至少两个光子的光,从而在组合物曝光处诱发至少一种由酸引发的或由自由基引发的化学反应。该方法还包括通过去除组合物中的所得曝光部分或所得未曝光部分,来将组合物显影。任选地,在成像曝光组合物的至少一部分后,可将该组合物的至少一部分非成像曝光,所述光足以使任何仍未反应的光反应性组合物的至少一部分发生反应。
在一个实施例中,材料层16的厚度至少为1微米。在另一个实施例中,该材料层的厚度不大于5或10微米。在特定实施方案中,材料层16的厚度为1.5微米、1.7微米和4微米。
既可使用负型抗蚀剂材料,也可使用正型抗蚀剂材料。在本文中,通常讨论的是负型抗蚀剂材料的实例。如果相反使用正型抗蚀剂材料,则经充分辐射的区域在显影和冲洗过程中被去除。在显影和冲洗之后,母片材则将具有第一结构化区域阵列,该第一结构化区域阵列所包括的型腔为复制片材所需的第二结构化区域的形状。
III.微透镜阵列和基底
在一个实施例中,使用包含所需形状的凹陷的模具辊由聚氨酯甲基丙烯酸酯来形成微透镜阵列14。微透镜阵列的布局可为六方堆积阵列、四方阵列或其他规则的重复排列。
在不各种实施例中,微透镜的直径为至少10微米、至少20微米以及至少30微米。在另外的实施例中,微透镜的直径不超过200微米、150微米或100微米。在特定实施例中出现的特定微透镜直径为30微米和150微米。
微透镜阵列本身可以由多个分立的小透镜加工而成,或采用蚀刻工艺来生产单块微透镜阵列。适用于微透镜的材料是那些不吸收入射波长的光的材料。阵列中的各个微透镜优选地具有大于0.3的数值孔径,以及大于10微米且小于1毫米的直径。选择单块阵列中各个小透镜的形状,使其具有高数值孔径并提供约大于60%的高填充系数。
基底优选为光学透明的并且不吸收激光辐射。在一个实施例中,基底约为2密耳厚,且由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成。在其他实施例中,基底的厚度为5密耳。其他材料也可用于基底,例如聚酯。
IV.辐射源和辐射系统
任何可提供所需强度和波长的辐射的能量源均可用于本发明的方法。能量源的强度足以透射通过透镜阵列,而没有过多的吸收损耗。波长的选择取决于可聚合材料。能够提供波长在200纳米至11微米之间的辐射的设备被认为是特别优选的。适用于某些实施例的激光设备的一个实例可以商品名“HURRICANE”得自加州山景城的光谱物理公司(Spectra-Physics Mountain View,California),其具有1kHz的重复频率,具有800nm的波长、120飞秒脉冲宽度以及1瓦特的平均功率电平。另一种可用的激光器可以商品名“MAI TAI”得自光谱物理公司,其波长在750至850纳米范围内可调,且具有80MHz的重复频率和约100飞秒(1×10-13秒)的脉冲宽度,平均功率电平最多为1瓦特。
合适的光源包括(例如)由氩离子激光器(例如,可以商品名“INNOVA”得自加利福尼亚州圣克拉拉市的Coherent公司的那些)泵浦的近红外钛宝石振荡器(例如,可以商品名“MIRA OPTIMA900-F”得自Coherent公司的那些)的飞秒激光器。该激光器在76MHz下工作,具有小于200飞秒的脉冲宽度,在700和980nm之间可调,且平均功率最多为1.4瓦特。
对于多光子法,可以利用任何光源(例如,激光器),只要这些光源能够在适于光反应性组合物中所使用的多光子吸收剂的波长下提供足够强度以实现多光子吸收。这样的波长通常可在300nm至约1500nm的范围内;优选约400nm至约1100nm的范围内;更优选约600nm至约900nm的范围内;更优选约750nm至约850nm(含)的范围内。通常,光通量(例如,脉冲激光的峰强度)为大于约106W/cm2。光通量的上限一般通过光反应性组合物的烧蚀阈值来表示。
优选的光源为脉冲长度小于约10-8秒(更优选小于约10-9秒;最优选小于约10-11秒)的近红外脉冲激光。只要满足上述峰强度和烧蚀阈值标准,也可以使用其它脉冲长度。脉冲辐射可以(例如)具有从约1千赫上至约50兆赫的脉冲频率,或甚至更大。也可以使用连续波激光器。
对处在电磁波频谱中的紫外光、可见光和红外光区的能量源,可通过适当的光学元件来控制光,其示例如图8所示并在下文更详细地描述在一个实施例中,对光学元件的这种排列(通常称为光学组件)的要求是光学组件将光适当发散或分散地引导向片材,从而以所需角度照射微透镜,并因而照射材料层。本发明的合成图像优选地可通过使用数值孔径(定义为最大发散射线半角的正弦)大于或等于0.3的光扩展设备获得。数值孔径越大的光散射设备产生视角越大并且图像的明显移动范围越大的合成图像。
辐射系统或光学系统70可以包括(例如)折射光学元件(例如,透镜或微透镜阵列)、反射光学元件(例如,反光镜或聚焦反射镜)、衍射光学元件(例如,光栅、相位掩模和全息图)、偏振光学元件(例如,线性偏振片和波片)、色散光学元件(例如,棱镜和光栅)、漫射器、普克尔斯盒、波导等。这类光学元件可用于聚焦、光束递送、光束/模式成形、脉冲成形以及脉冲定时等。一般来讲,可以利用光学元件的组合,而其它适当的组合也将是本领域内的技术人员所认可的。物镜可以包括(例如)一个或多个折射、反射和/或衍射光学元件。在一个实施例中,物镜(例如,显微镜法中使用的那些)可从商业来源例如纽约索恩伍德(Thornwood,New York)的Carl Zeiss,North America方便地获得,并且用作物镜84。例如,辐射系统可包括一个扫描共聚焦显微镜(例如,可以商品名“MRC600”得自加利福尼亚赫尔克里的Bio-Rad Laboratories的那些),该显微镜配备有0.75数值孔径(NA)的物镜(例如,可以商品名“20X FLUAR”得自Carl Zeiss,North America的那些)。
利用具有相对较大数值孔径的光学元件以提供高度聚焦的光通常可以是有利的。然而,可利用提供所需光强度分布(及其空间布置)的任何光学元件组合。
V.成像方法
根据本发明的示例性成像方法包括将来自激光器的准直光穿过透镜引导向微透镜片材,以及用光源来描绘物体。为了产生具有悬浮图像的片材,如下文进一步描述的,所述光透射通过发散透镜或会聚透镜。片材的辐射敏感涂层侧被设置为远离所述透镜,以使得光锥的轴线(光学轴线)通常垂直于微透镜片材平面,尽管其有时也为其他角度。
由于每个单独的微透镜相对于光学轴线占据着特有位置,因此入射到每个微透镜上的光相对于入射到每个其他微透镜上的光而言具有特有的入射角。这样,光线会通过每个微透镜透射到材料内的特有位置,并产生特有的结构。更为准确地,当物体的轮廓通过光源描绘时,单个光脉冲只在材料层中产生单个成像区域,从而得到与每一微透镜相邻的结构化区域,多个光脉冲用于生成得自多个成像的较小点的图像。对每个脉冲而言,其光学轴线相对于上一个脉冲周期的光学轴线位置来说是位于一个新的位置上的。光学轴线位置相对于微透镜的这些连续变化导致光在每个微透镜上的入射角的相应变化,相应地,导致由该脉冲在材料层中生成的成像区域的位置的相应变化。因此,聚焦在辐射敏感层上的入射光在辐射敏感层上产生一个所选图案的图像。由于每个微透镜的位置相对于每个光学轴线是独特的,因此每个微透镜在辐射敏感材料中形成的图像将不同于与每个其他微透镜相关的图像。
另一种形成悬浮合成图像的方法使用透镜阵列产生高度发散光,以对显微透射材料成像。透镜阵列由多个小透镜组成,所有小透镜均具有高数值孔径并且以平面几何形状布置。当该阵列被光源照射时,该阵列将产生多个高度发散的光锥,每个单独的光锥以阵列中与其对应的透镜为中心。选择阵列的物理尺寸以适应合成图像的最大侧向尺寸。借助阵列的尺寸,透镜形成的各个能量锥将使微透镜材料曝光,就像单独的透镜依次设置在阵列的所有点上并接收光脉冲一样。通过使用反射性掩模来选择接收入射光的透镜。该掩模具有与合成图像的将要曝光的部分对应的透明区域和与图像不应曝光部分对应的反射区域。由于透镜阵列侧向延伸,因此可以不必使用多个光脉冲来描绘图像。
通过让入射能量完全照射掩模,掩模上可允许能量通过的部分形成许多单独的高度发散的光锥以描绘悬浮图像,就像图像是由一个透镜描绘的一样。因此,仅需要单个光脉冲就能在微透镜片材上形成完整的合成图像。作为另外一种选择,可以用一个光束定位系统(如振镜式XY扫描仪)替代掩膜,用来局部照射透镜阵列并在阵列上描绘合成图像。由于该技术使能量在空间上被局限于某些区域,因此在任何给定时间内阵列中仅有少数小透镜被照射。那些被照射的小透镜将形成使微透镜材料曝光以在片材中形成合成图像所需的光锥。
成像以后,根据延伸的物体尺寸,会在每个微透镜后面的辐射敏感材料中出现该物体的完整的或局部的拷贝。实际物体在微透镜后面再现为图像的程度取决于入射到该微透镜上的能量密度。延伸的物体的一部分可以距离微透镜区域足够远,以使入射到那些微透镜上的能量密度低于该材料改性所需的辐射能级。此外,对在空间上延伸的图像,当使用固定NA的透镜成像时,并非片材的所有部分都要在用于延伸物体的所有部分的入射辐射下曝光。因此,在辐射敏感介质中物体的那些部分将不改性,在微透镜后面将只出现该物体的局部图像。
图2是微透镜片材一部分的平面图,该图呈现在与各个微透镜相邻的辐射敏感层中形成的样品图像,并进一步示出所记录的图像涵盖了从合成图像的完整复制到局部复制。图3是由片材的一个实施例形成的矩形内有相交环的合成图像30的照片。图4是图3的微透镜片材的一部分32的SEM图像,其包括局部完整结构40的阵列,而图5和图6只是分别从俯视视角和透视视角示出了图3的片材的一个局部完整结构40。
由片材形成的合成图像也可被看成是该片材内的多个结构(局部结构和完整结构,所有结构具有实际物体的不同透视)相加在一起的结果。通过微透镜阵列可形成多个独特的结构,所有透镜均从不同的有利位置“看见”物体或图像。在各个微缩透镜后面,取决于图像形状和接收成像能量源的方向,在材料层中生成图像的透视图。然而,并不是透镜看到的一切都记录在辐射敏感材料中。只有被透镜看到并有足够能量改变辐射敏感材料的图形或物体部分将被记录。
待成像“物体”是利用强光源通过描绘“物体”的轮廓或通过使用掩模来形成的。为使这样记录的图像具有合成的外观,来自物体的光必须在较宽的角度范围内辐射。当从物体辐射的光来自物体的单个点且在宽角度范围内辐射时,所有光线都携带了有关该物体(但仅来自该单个点)的信息,尽管信息是来自光线的观察角度。现在考虑为了获得光线携带的有关该物体的相对完整信息,光必须从组成物体的点集合辐射宽角度范围。在本发明中,从物体发出的光线的角度范围是由在物体与微透镜材料之间插入的光学元件控制的。选择这些光学元件以提供形成合成图像所必需的最佳角度范围。光学元件的最佳选择是形成一个光锥,其锥顶终止于物体的位置。最佳的锥角大于约40度。
用微缩透镜缩小物体,来自物体的光聚焦在靠微缩透镜后面的能量敏感涂层上。透镜后面的聚焦光斑或图像的实际位置取决于源于物体的入射光线的方向。从物体的一点上发射出来的每个光锥照射许多微缩透镜的一部分,只有被足够能量照射的那些微缩透镜才记录物体该点的永久图像。
不同的几何光学器件用于形成并观察多种类型的合成图像,例如悬浮于片材平面下方的图像、悬浮于片材平面上方的图像、以及具有长度、宽度、高度和深度并且看起来只在片材下方或上方、或者在片材下方、在片材平面内和在片材上方的任何组合方式的图像。与形成和观察这些不同图像类型相关的光学器件在美国专利No.7,068,434中有所描述。
曝光时间通常取决于用于引起光反应性组合物中活性物质反应的曝光系统类型(及其伴随变量,例如数值孔径、光强度空间分布几何形状、激光脉冲期间的峰值光强度(较高的光强度和较短的脉冲持续时间大体上对应于峰值光强度)),以及取决于光反应性组合物的性质。一般来讲,焦点区内较高的峰值光强度允许较短的曝光时间,其它一切则相当。利用约10-8至10-15秒(例如,约10-11至10-14秒)以及约每秒102至109个脉冲(例如,约每秒103至108个脉冲)的激光脉冲持续时间,线性成像或“写入”速度通常可以是约5至100,000微米/秒。
为了有利于已曝光的光反应性组合物的溶剂显影,可利用阈值光剂量(即阈值剂量)。该阈剂量通常是方法特异性的,并可取决于诸如波长、脉冲频率、光强度、具体的光反应性组合物、所加工的具体微透镜结构或溶剂显影所采用的方法之类的变量。因此,每组方法参数通常可以通过阈值剂量表征。可以获得比阈值高的光剂量,并且这将是有利的,但较高的剂量(一旦高于阈值剂量)一般可用于较低的写入速度和/或较高的光强度。
光束在光反应性组合物中引起反应,该反应产生材料的体积区,该体积区的溶解度特性不同于未曝光的光反应性组合物。然后,所得的不同溶解度的图案可通过传统的显影方法实现,例如,通过移除曝光或未曝光区域。
增加光剂量趋向于增加由该方法产生的体素的体积和纵横比。因此,为了获得低纵横比的体素,通常优选使用小于阈值剂量约10倍的光剂量,优选小于阈值剂量约4倍,更优选小于阈值剂量约3倍。为了获得低纵横比的体素,光束的径向强度分布优选为高斯分布。
例如,通过将经曝光的光反应性组合物置于溶剂中以溶解较高溶剂溶解度的区域、通过冲洗溶剂,通过蒸发、通过氧等离子体蚀刻、通过其它已知的方法以及通过它们的组合等,可使经曝光的光反应性组合物显影。可用于使经曝光的光反应性组合物显影的溶剂包括水性溶剂,例如水(例如,pH值在1至12范围的水)和水与有机溶剂的可混溶共混物(例如甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、乙腈、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮等,以及它们的混合物);以及有机溶剂。示例性的可用有机溶剂包括:醇(例如甲醇、乙醇和丙醇)、酮(例如丙酮、环戊酮和甲基乙基酮)、芳族化合物(例如甲苯)、卤烃(例如二氯甲烷和氯仿)、腈(例如乙腈)、酯(例如乙酸乙酯和丙二醇甲醚醋酸酯)、醚(例如乙醚和四氢呋喃)、酰胺(例如,N-甲基吡咯烷酮)等,以及它们的混合物。
在多光子吸收条件下曝光后、但在溶剂显影之前,可任选将烘烤用于某些光反应性组合物,例如环氧型反应性物质。典型的烘烤条件包括从约40℃至约200℃的温度范围、从约0.5分钟至约20分钟的时间范围。
任选地,在曝光以使结构化区域聚合之后,优选地在溶剂显影后,可利用光化学辐射执行非成像曝光,以使剩余的未反应光反应性组合物反应。可利用单光子方法优选地执行这样的非成像曝光。
VI.微复制方法
在使用本文所述的成像方法形成具有第一结构化区域的母片材之后,使用微复制技术生成具有母片材上存在的结构化区域的复制的另外片材。各种可用的微复制技术在美国专利No.5,691,846和No.5,183,597以及美国公布专利申请2006-0134259中有所描述。
在各种实施例中,通过使用适形于母片材的第一结构化区域的物质来形成另外的片材。这一技术中所使用的适形物质应该能够适形于第一结构化区域,以使得可以高精确度再现第一结构化区域。适形物质的实例包括可固化组合物和电镀金属材料,例如镍。
在一个实施例中,微透镜阵列和复制结构阵列在单独的处理中形成,之后将其彼此配合。在这一实施例中,初始步骤为用适形组合物覆盖母片材的第一结构阵列。如果可固化物质用作所述适形组合物,则接着进行固化步骤,例如曝光于UV或其他辐射。例如,可使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成第一结构阵列的负像图像或模具。一旦适形组合物已经硬化,就将其从母片材分离开。所得结构为所需结构阵列的负像图像,该负像图像用作另一适形组合物的模具。
第二适形组合物可以是可固化组合物,例如UV可固化制剂或电镀材料,第二适形组合物形成第一结构阵列的拷贝。
可使用本文所述的任何技术,例如通过各种机加工、模铸、刻蚀或其他方法来生产该微透镜阵列。然后,将微透镜阵列和复制结构阵列进行配合。可使用卷绕法将微透镜阵列与复制结构阵列配合。
在另一个实施例中,可由基底相对两侧上的涂层来形成微透镜阵列和结构化区域阵列。例如,提供在每一侧面上均具有可固化组合物涂层的基底。例如,可使用UV可固化树脂或可熔融加工的树脂。在膜的第一侧面上形成微透镜。通过使膜的第二侧面与第一结构化阵列的模具接触,然后进行固化,在膜的第二侧面上与微透镜阵列之一直接相对地形成结构化区域阵列。
在本文所述的各种实施例中,执行步骤以使微透镜阵列与复制结构阵列相关,无论这发生于微透镜阵列形成在与复制结构阵列分开的结构上,然后将它们配合的情况下,还是发生于微透镜阵列形成在单个基底的与结构阵列相对的一侧上的情况下。更具体地讲,各个复制结构化区域均与对应的微透镜相关。美国专利No.7,165,959描述了以特定的对齐精确度在网状结构的两侧浇铸图案化表面的技术,这些技术可用于在网状结构的相对两侧上形成微透镜阵列和结构区域阵列。例如,相对两侧上的图案保持连续对准,误差在至少20微米内,更优选在至少15微米内。在本发明的一些实施例中,相对两侧上的图案保持连续对准,误差在至少5微米内,甚至更优选在至少3微米内。在本发明的一些实施例中,相对两侧上的图案保持连续对准,误差在微透镜阵列的每一透镜的直径的10%内。
在本文所述的任一实施例中,基底的图像侧上的涂层可包括有色材料,以在结构化区域内提供对比度。
VII.实例
实例1
在第一实例中,厚度为2密耳的PET基底包括一个侧面上的微透镜和另一侧面上的可光聚合材料层。该微透镜由氨基甲酸酯丙烯酸酯制成,直径为30微米,并以六方堆积构型排列。在基底的与微透镜相对的侧面上,存在厚度为5微米的聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)涂层,其具有下列添加剂:0.5%的CGI7460(“CGI7460”指正己烷-三(3-氟苯基)硼酸四丁基铵,可得在纽约Tarrytown的Ciba SpecialtyChemicals公司)和1%的CD1012(“CD1012”指二芳基碘鎓盐,可得自宾夕法尼亚州Exton的Sartomer公司)。PMMA涂层中存在的另一添加剂为0.5%的光敏剂染料N,N,N-三(7-(2-苯并噻唑基)-9,9-二乙基-2-芴基)胺的浓缩溶液,按照美国专利No.6,300,502中的实例20所描述的制备。该组合物在曝光于导致同时吸收两个或更多个光子的条件时聚合。
用快速刀具伺服(FTS)切削模具辊复制微透镜,该切削模具辊根据从计算机接收的控制信号将切削工具相对于工件移置。透镜的焦点位于2密耳厚的PET基底和PMMA层之间的界面处。
在所述成像方法中使用了图8所示的光学系统。
所使用的光源为光谱物理公司的Hurricane飞秒激光系统72,其在1kHz频率下工作,波长为800nm。
使用Uniblitz光闸74来调制光束。使用可变中性密度滤光器76根据悬浮高度的位置来控制从60mW至520mW的Hurricane激光器输出。在该实例中,采用的悬浮高度为2mm、4mm和6mm,所以递送至扩束器78的对应激光功率为198mW、346mW和495mW。
通过吸收性中性密度轮组80来进一步控制功率。在实例1的不同版本中,中性密度滤光器的光密度为0.5、0.8或1.0。在优选光密度为0.8且最终物镜84的位置被设为悬浮高度2mm、4mm和6mm的情况下,对应的激光功率分别为31mW、54mW和78mW。在这些激光功率下,以1米/分钟的平均速度,通过使台88和90平移来写入例子。
成像以后,将PMMA显影约2分钟。显影时间根据可光聚合层的厚度来确定。显影所使用的溶剂为聚乙二醇甲醚乙酸酯(PGMEA),其可以商品名SU-8显影剂得自马萨诸塞州Newton的MicroChem公司。
图3示出了不同上浮/下沉高度的相交圆环图像的照片。每一对中的较大圆环悬浮于片材平面上方,而较小圆环悬浮于片材平面下方。在图3中在整个图像的顶部一行从左向右移动,第一图像30的较大圆环的上浮高度为4mm,而较小圆环的下沉距离为4mm,第二图像34的上浮/下沉高度为6mm,第三图像38的上浮/下沉高度为2mm。利用光密度为0.5的中性密度滤光器将图3的图像写入。
图4至图6为透镜阵列中每一透镜后面形成的个体微结构的SEM图像。生成的结构化区域用窄的特征物宽度清晰限定。通过所述成像方法生成的结构化区域将称为第一结构化区域。
接下来,这些PMMA母模上的第一结构化区域被复制。首先,由该第一结构化区域制成聚二甲基硅氧烷(PDMS)拷贝。该PDMS材料可以商品名“RTV615”得自GE公司,并在混合后进行真空脱气,倾倒至母模上,并在80℃下固化10分钟。然后,可将该模具与UV可固化制剂一同使用,以复制原始模具的特征物,所述UV可固化制剂包含75重量%的氨基甲酸酯丙烯酸酯树脂(可以商品名“Photomer6210”购得)、25重量%的多官能丙烯酸酯(可以商品名“HDODA”购得)、以及1重量%的光引发剂(可以商品名“TPO-L”购得)。
图9至图11示出了复制的特征物的三种不同的SEM图像。PDMS模具和UV可固化制剂很好地再现出母板特征物。然后,将复制的特征物与原始透镜阵列的复制物组合。复制出的构造产生出具有激光绘制的悬浮图像的所有特性的图像。
实例2:较薄的抗蚀剂层
实例2中采用了与实例1相同的条件、设备和组合物,不同的是抗蚀剂层的厚度为大约1.5至1.7微米。由所述成像方法生成的所得母模具有轮廓非常清晰的特征物。
实例3:较高的重复频率
实例3中采用了许多与实例1相同的条件、设备和组合物。但是,使用了不同的激光源来曝光PMMA。所使用的激光源可以商品名“MAITAI”得自加州山景城的光谱物理公司,其波长在750至850纳米范围内可调,且具有80MHz的重复频率和约100飞秒(1×10-13秒)的脉冲宽度,平均功率电平最多为1瓦特。该功率被保持在相当低的水平,从而写入速度也较低,为0.5mm/秒。
该透镜阵列也与实例1中的不同,由直径为150微米、布局为四方阵列的透镜构成。PET基底的相反侧涂覆有约30微米的PMMA。
执行所述成像方法以得到2mm上浮/下沉的相交圆环图像。所述局部结构化区域与其他实例中的结构化区域相比具有更大的尺寸,这部分是由于较厚的抗蚀剂层,也是因为透镜大很多。
实例4:单光子法
实例4中采用了许多与实例1中相同的条件、设备和组合物。但是,使用的PMMA组合物在曝光于导致吸收单光子的条件时聚合。PMMA涂层的厚度为20微米。在用于形成母片材的光学系统中,将倍频晶体(可以商品名“TP-1A”得自加州山景城的光谱物理公司)插入激光束路径中。这种非线性晶体利用二次谐波产生效应使激光频率倍频,导致测量的波长为420nm。
使用了三种不同的透镜阵列,包括如实例1中所使用的利用FTS切削刀具制成的直径为30微米的透镜阵列。另外,使用了直径为30微米的六方堆积透镜阵列,该透镜阵列通过平面准分子激光加工(ELMoF)工艺加工而成。有关ELMoF工艺的细节,参见(例如)2001年9月4日授予弗莱明(Fleming)等人的美国专利No.6,285,001。另外,使用了实例2中的直径为150微米的四方透镜阵列。
对于每一种透镜阵列,使用了不同的剂量水平。尝试的每一剂量水平形成离散的特征物,且每一图像确实表现出一定程度的悬浮。但是,这些图像的线条宽且缺少清晰度。图12至图13是使用直径为150微米的透镜阵列生成的微结构的显微图。图12至图13示出了存在由于过度曝光和散射在特征物周围固化的多余材料。
通过降低功率以避免过度曝光的影响,可改善所述图像。但是,即使在最低的选择剂量下,在不期望的区域中仍然保留有过多的PMMA,其阻碍了挺括图像的形成。这一实例确认了多光子法的优点。
实例5:替代基底上的模具
在硅晶片上涂覆与实例1中所述相同的厚度为1.5微米的丙烯酸酯抗蚀剂层。提供一片微透镜膜,所述微透镜膜由直径为150微米的氨基甲酸酯丙烯酸酯微透镜构成,所述微透镜按照四方堆积透镜阵列形式排列在5密耳的PET基底上。在该微透镜膜上涂覆一滴浸油(可以商品名“Immersion Liquid Code1160”从纽约Cedar Grove的CargilleLabs商购获得)。在所述油均匀散开从而覆盖整个透镜膜的背侧之后,将所述薄片涂覆有油的一侧与涂覆有抗蚀剂的晶片接触。使用小的橡胶辊将所述结构一起碾压,并去除残存空气,其中浸油既用于使PET与抗蚀剂的折射率匹配,也用作隔离剂。
在该实例中,微透镜阵列和可光聚合材料层是分开的结构。
如实例1中所述进行成像,但激光功率电平略有不同。在2mm的上浮(或下沉)高度下,功率设置为80mW,在6.35mm的上浮(或下沉)高度下,功率为400mW。如实例1所示,不同版本的激光功率通过光密度为0.5、0.8或1.0的中性密度滤光器进一步降低。成像过程中的平移速度也为1m/min。
成像之后,将微透镜膜从晶片上剥落,并使用实例1中的PGMEA对晶片上的图案进行显影。硅上所得特征物构成了母模。
实例6:母模的镀镍
用镍对实例5中加工的母模进行电镀,以形成可容易复制的稳固模具。为了制备用于电沉积镍的导电表面,通过真空蒸镀工艺在母模上沉积100纳米的金属银。
将涂覆后的模具放置于镀镍浴槽中,所述镀镍浴槽由下列组分组成(按体积百分比):53%的氨基磺酸镍、42%的去离子水、4%的溴化镍和1%的硼酸。对于6加仑的这种溶液,还加入3克diocedyl表面活性剂。该浴槽的温度保持在华氏温度133°,并引入每平方英尺10安培的电流密度,持续1小时。之后,将电流密度提高至每平方英尺20安培,直至达到所需的镍厚度。
在从电镀浴槽中移除完成的结构之后,将母模从镍模具上撬下,露出镍模具表面。该镍模具表面为母模的精确再现。
在不偏离本发明范围和精神的前提下,对本发明的各种修改和更改对于本领域的技术人员来说应是显而易见的,而且应该理解,本发明不仅限于本文所提供的示例性实施例。本文所引用的所有美国专利、专利申请公开以及其他专利和非专利文档以引用方式并入,前提为其与上述公开内容无不一致。

Claims (7)

1.一种用于形成具有合成图像的片材的母模,所述合成图像悬浮于所述片材上方或下方,所述母模包括:
第一片材,所述第一片材具有第一微透镜阵列和与所述第一微透镜阵列相邻的光聚合的第一材料层,其中该光聚合材料在曝光于导致同时吸收两个或更多个光子的条件时被聚合;
其中所述第一片材在所述第一材料层中具有多个聚合的结构化区域,其中所述结构化区域中的至少一些包括与其他结构化区域中的一些相同的部分形状,其中每一结构化区域与所述第一微透镜阵列中的一个微透镜相关,并且其中所述结构化区域中的至少一个在尺寸上突出于所述母模的平面上方至少1微米,或凹陷于所述母模的平面下方至少1微米。
2.根据权利要求1所述的母模,其中所述第一微透镜阵列中的每一个微透镜具有折射表面,所述折射表面将光透射至所述第一材料层的位置,以在反射光或透射光作用下,从所述第一材料层内所形成的所述结构化区域生成合成图像,其中所述合成图像看起来悬浮于所述第一片材上方或下方。
3.根据权利要求2所述的母模,其中所述合成图像的一部分看起来悬浮于所述第一片材上方,而所述合成图像的另一部分看起来悬浮于所述第一片材下方。
4.根据权利要求2所述的母模,其中所述结构化区域包括至少两个局部完整结构,其中所述局部完整结构各自包括与所述合成图像相同的至少一部分。
5.根据权利要求1所述的母模,其中所述结构化区域中的至少一个在尺寸上突出于所述母模的平面上方至少4微米,或凹陷于所述母模的平面下方至少4微米。
6.一种母模,包括:
第一微透镜阵列;和
规则的结构阵列,所述结构阵列具有最大结构高度,
其中每一结构与所述微透镜中的一个相关,
其中所述结构中的至少一些包括与其他结构中的至少一些相同的部分形状,
其中在所述结构之间存在大致平坦的区域,使得在所述大致平坦的区域中特征物高度的变化不大于100纳米,并且在所述大致平坦的区域中不存在高度大于或等于所述最大结构高度的10%的特征物。
7.根据权利要求6所述的母模,其中所述结构具有在所述母模的平面上方的最大结构高度,其中在所述大致平坦的区域中不存在高度大于或等于所述最大结构高度的10%的特征物。
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