用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列及其制作方法

摘要

本发明涉及集成成像3D显示技术领域，尤其涉及一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列及其制作方法。提供一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列，其特征在于：包括一基板；一小孔光栅，设置于所述基板的一表面，所述小孔光栅是一带有镂空小孔阵列的不透明金属或光刻胶；以及一微透镜阵列，设置于所述基板含有所述小孔光栅的一面，所述微透镜阵列由与所述小孔光栅的小孔阵列一一对应的透镜单元组成，且所述透镜单元位于所述对应的小孔阵列中。本发明制作方法简单、成本低廉，并且有效解决了单一微透镜阵列带来的图像串扰严重和分辨率降低的问题，同时也解决了单一小孔阵列带来的显示亮度降低的问题，易于实现高性能集成成像3D显示。

说明书

技术领域

本发明涉及集成成像3D显示技术领域，尤其涉及一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列及其制作方法。

背景技术

集成成像(Integral Imaging，II)作为一种自由立体显示技术，是一种全真三维光学成像的新方法。集成成像3D显示技术采用微透镜阵列或小孔光栅来实现三维目标立体特征信息记录和立体图像重构。与其他立体显示技术相比，该技术具有不需要辅助设备和相干光源；能够提供全视差、连续视点、全彩色的真三维实时立体图像；能够有效克服传统多视点自由立体显示出现的辐辏与焦点调节范围导致的视觉疲劳现象；能与现有高清晰度电视制式有很好的兼容性等优点，已成为3D显示领域中的重要研究课题。

其中，微透镜阵列或小孔光栅是集成成像3D显示系统的关键组成部分，其结构优化设计和制作工艺的研究对高性能集成成像3D显示技术有重要作用。单一微透镜阵列实现的3D显示装置，显示亮度高，但单一微透镜阵列中透镜与透镜之间的间隙同样能透光，因此增大图像干扰以及微单元图像之间的串扰，降低显示的分辨率。而单一小孔光栅不会造成图像串扰，但由于小孔必须远小于微单元图像的尺寸，才能保证显示图像清晰，这样势必造成显示亮度降低。

针对单一微透镜阵列和单一小孔光栅存在的上述不足，本发明结合小孔光栅和微透镜阵列的优势，提出一种新用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列及其制作方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列及其制作方法。

本发明提供一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列，其特征在于，包括：

一基板；

一小孔光栅，设置于所述基板的一表面，所述小孔光栅是一带有镂空小孔阵列的不透明金属或光刻胶；以及

一微透镜阵列，设置于所述基板含有所述小孔光栅的一面，所述微透镜阵列由与所述小孔光栅的小孔阵列一一对应的透镜单元组成，且所述透镜单元位于所述对应的小孔阵列中。

在本发明一实施例中，所述基板是透明玻璃、透明有机材料或透明聚合物材料。

在本发明一实施例中，所述小孔阵列小孔与微透镜阵列透镜单元的形状一致、大小相等，且中心一一对齐；其中微透镜阵列用于集成成像3D显示中微单元图像获取和重构，小孔阵列的不透光部分用于降低或消除单一微透镜阵列由于微透镜单元之间间隙透过光线的干扰以及微透镜单元之间造成的串扰。

在本发明一实施例中，所述小孔阵列小孔与微透镜阵列透镜单元的形状为圆形或正多边形。

本发明还提供一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列的制作方法，采用的第一种制作方法具体方案为：提供一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：

S11：提供一基板并采用光刻、刻蚀或丝网印刷在其一表面制作一小孔光栅；

S12：在所述基板设置有所述小孔光栅的一面均匀涂覆一层透明负光刻胶；

S13：采用背曝光方式，从所述基板未设置所述小孔光栅的一面进行曝光并显影；所述光刻胶被所述小孔光栅阻挡的部分将被显影液去除，留下未被所述小孔光栅阻挡的光刻胶柱状图案阵列；

S14：采用光刻胶热熔法使所述光刻胶柱状图案阵列熔化变形，形成光刻胶微透镜阵列，从而得到所述的组合微透镜阵列。

在本发明一实施例中，所述小孔光栅是一带有镂空小孔阵列的不透明金属或光刻胶；所述微透镜阵列由与所述小孔光栅的小孔阵列一一对应的透镜单元组成。

本发明采用的第二种制作方法具体方案为：提供一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：

S21：提供两片基板并采用光刻、刻蚀或丝网印刷分别在其一表面制作一小孔光栅；

S22：取所述步骤S21中制备的其中一片基板并在其设置有所述小孔光栅的一面均匀涂覆一层透明负光刻胶；

S23：采用背曝光方式，从所述步骤S22中制备的含小孔光栅的基板未设置有小孔光栅的一面进行曝光并显影，所述光刻胶被所述小孔光栅阻挡的部分将被显影液去除，留下未被所述小孔光栅阻挡的光刻胶柱状图案阵列；

S24：取所述步骤S23中制备的含光刻胶柱状图案阵列的基板，采用光刻胶热熔法使所述光刻胶柱状图案阵列熔化变形，形成光刻胶微透镜阵列；

S25：取所述步骤S24中制备的含光刻胶微透镜阵列的基板，并使用硅橡胶制作所述光刻胶微透镜阵列的硅橡胶负模板；

S26：利用所述硅橡胶负模板，采用热压印或紫外压印在所述步骤S21中制备的另一片设置有小孔光栅的基板上制作一透明有机材料微透镜阵列，从而得到所述的组合微透镜阵列。

在本发明一实施例中，所述小孔光栅是一带有镂空小孔阵列的不透明金属或光刻胶；所述微透镜阵列由与所述小孔光栅的小孔阵列一一对应的透镜单元组成。

在本发明一实施例中，所述步骤S25的具体步骤为：

S251：按所述硅橡胶所需比例制备单体和交联剂的混合物；

S252：将所述含光刻胶微透镜阵列的基板放置于一容器中，倒入所述混合物并静置；

S253：待所述混合物起泡全部消除后将该容器放入烘箱，待所述混合物完全固化后取出；

S254：将所述混合物与所述含光刻胶微透镜阵列的基板分离，并切割所述混合物形成所述的硅橡胶负模板。

在本发明一实施例中，所述步骤S26的具体步骤为：

S261：将所述硅橡胶负模板放置于密封容器中进行抽真空，使其具有负压；

S262：在所述步骤S21中制备的另一片设置有小孔光栅的基板含有所述小孔光栅的一面均匀涂覆一层透明有机材料；

S263：把所述具有负压的硅橡胶负模板放置于所述透明有机材料上并使其中心与所述小孔光栅的小孔中心一一对齐，并且使所述硅橡胶负模板与所述小孔光栅相接触；

S264：由于所述硅橡胶负模板具有负压，所述透明有机材料在负压力和毛细力的共同作用下将形成与所述硅橡胶负模板相对应的透明有机材料微透镜阵列；

S265：采用冷却固化或紫外固化的方式使所述透明有机材料微透镜阵列固化；

S266：将所述硅橡胶负模板与所述透明有机材料微透镜阵列分离。

本发明的显著优点在于：把微透镜阵列和小孔光栅有机结合起来，使得微透镜阵列和小孔光栅优势互补，有效解决了单一微透镜阵列带来的图像串扰严重和分辨率降低的问题以及由单一小孔光栅带来的显示亮度降低的问题，易于实现高性能集成成像3D显示。并且，本发明提供的组合微透镜阵列制作方法简单、成本低廉。

附图说明

图1为本发明一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列的结构示意图。

图2a-2d为采用本发明第一种制作方法的制作流程剖面示意图。

图3为采用本发明第二种制作方法制作的硅橡胶负模板剖面示意图。

图4为采用本发明第二种制作方法在所述步骤S21中制备的另一片基板含有小孔光栅的一面均匀涂覆一层透明有机材料206剖面示意图。

图5为采用本发明第二种制作方法利用硅橡胶负模板制作透明有机材料微透镜阵列剖面示意图。

图6为采用本发明第二种制作方法制作的用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列，其特征在于，包括：

一基板；

一小孔光栅，设置于所述基板的一表面，所述小孔光栅是一带有镂空小孔阵列的不透明金属或光刻胶；以及

一微透镜阵列，设置于所述基板含有所述小孔光栅的一面，所述微透镜阵列由与所述小孔光栅的小孔阵列一一对应的透镜单元组成，且所述透镜单元位于所述对应的小孔阵列中。

本发明还提供一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列的制作方法，采用的第一种制作方法具体方案为：提供一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：

S11：提供一基板并采用光刻、刻蚀或丝网印刷在其一表面制作一小孔光栅；

S12：在所述基板设置有所述小孔光栅的一面均匀涂覆一层透明负光刻胶；

S13：采用背曝光方式，从所述基板未设置所述小孔光栅的一面进行曝光并显影；所述光刻胶被所述小孔光栅阻挡的部分将被显影液去除，留下未被所述小孔光栅阻挡的光刻胶柱状图案阵列；

S14：采用光刻胶热熔法使所述光刻胶柱状图案阵列熔化变形，形成光刻胶微透镜阵列，从而得到所述的组合微透镜阵列。

所述小孔光栅是一带有镂空小孔阵列的不透明金属或光刻胶；所述微透镜阵列由与所述小孔光栅的小孔阵列一一对应的透镜单元组成。

本发明采用的第二种制作方法具体方案为：提供一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：

S21：提供两片基板并采用光刻、刻蚀或丝网印刷分别在其一表面制作一小孔光栅；

S22：取所述步骤S21中制备的其中一片基板并在其设置有所述小孔光栅的一面均匀涂覆一层透明负光刻胶；

S23：采用背曝光方式，从所述步骤S22中制备的含小孔光栅的基板未设置有小孔光栅的一面进行曝光并显影，所述光刻胶被所述小孔光栅阻挡的部分将被显影液去除，留下未被所述小孔光栅阻挡的光刻胶柱状图案阵列；

S24：取所述步骤S23中制备的含光刻胶柱状图案阵列的基板，采用光刻胶热熔法使所述光刻胶柱状图案阵列熔化变形，形成光刻胶微透镜阵列；

S25：取所述步骤S24中制备的含光刻胶微透镜阵列的基板，并使用硅橡胶制作所述光刻胶微透镜阵列的硅橡胶负模板；

S26：利用所述硅橡胶负模板，采用热压印或紫外压印在所述步骤S21中制备的另一片设置有小孔光栅的基板上制作一透明有机材料微透镜阵列，从而得到所述的组合微透镜阵列。

所述小孔光栅是一带有镂空小孔阵列的不透明金属或光刻胶；所述微透镜阵列由与所述小孔光栅的小孔阵列一一对应的透镜单元组成。

所述步骤S25的具体步骤为：

S251：按所述硅橡胶所需比例制备单体和交联剂的混合物；

S252：将所述含光刻胶微透镜阵列的基板放置于一容器中，倒入所述混合物并静置；

S253：待所述混合物起泡全部消除后将该容器放入烘箱，待所述混合物完全固化后取出；

S254：将所述混合物与所述含光刻胶微透镜阵列的基板分离，并切割所述混合物形成所述的硅橡胶负模板。

所述步骤S26的具体步骤为：

S261：将所述硅橡胶负模板放置于密封容器中进行抽真空，使其具有负压；

S262：在所述步骤S21中制备的另一片设置有小孔光栅的基板含有所述小孔光栅的一面均匀涂覆一层透明有机材料；

S263：把所述具有负压的硅橡胶负模板放置于所述透明有机材料上并使其中心与所述小孔光栅的小孔中心一一对齐，并且使所述硅橡胶负模板与所述小孔光栅相接触；

S264：由于所述硅橡胶负模板具有负压，所述透明有机材料在负压力和毛细力的共同作用下将形成与所述硅橡胶负模板相对应的透明有机材料微透镜阵列；

S265：采用冷却固化或紫外固化使所述透明有机材料微透镜阵列固化；

S266：将所述硅橡胶负模板与所述透明有机材料微透镜阵列分离。

如图1所示，本发明还提供一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列，其特征在于，包括：

一基板1；

一小孔光栅2，设置于所述基板1的一表面，所述小孔光栅2是一带有镂空小孔阵列的不透明金属或光刻胶；以及

一微透镜阵列3，设置于所述基板1含有所述小孔光栅2的一面，所述微透镜阵列3由与所述小孔光栅2的小孔阵列一一对应的透镜单元组成，且所述透镜单元位于所述对应的小孔阵列中。

所述基板是透明玻璃、透明有机材料或透明聚合物材料。所述小孔光栅的小孔阵列与所述微透镜阵列的透镜单元的形状相同且大小相等且中心一一对齐；其中微透镜阵列用于集成成像3D显示中微单元图像获取和重构，小孔阵列的不透光部分用于降低或消除单一微透镜阵列由于透镜间隙透过光线的干扰以及透镜单元之间造成的串扰。所述小孔阵列小孔与微透镜阵列透镜单元的形状为圆形或正多边形，在本发明中并不以此为限。所述光刻胶微透镜阵列的厚度由光刻胶种类和涂覆厚度决定。

在图中，为了表示清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状（比如制造引起的偏差）。在本实施例中均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。

为了让一般技术人员更好的理解本发明，优选的，本发明具体实施例中基板选用玻璃基板，小孔光栅选用Cr薄膜，用于制作硅橡胶负模板的硅橡胶材料选用聚二甲基硅氧烷（PDMS）且其单体和交联剂的比列选用10:1，用于制作光刻胶微透镜阵列的材料选用SU8 3050，用于制作透明有机材料微透镜阵列的材料选用NOA81。

实施例一

如图2a-2d所示，图2a-2d为采用本发明第一种制作方法的制作流程剖面示意图，本实施例中微透镜阵列是透明光刻胶，所以采用第一种制作方法，其具体方案包括以下步骤：

S11：提供一基板101并采用光刻、刻蚀或丝网印刷在其一表面制作一小孔光栅102：

选取一块所需尺寸的玻璃基板进行划片后置于玻璃清洗液Win-10的水溶液中（体积比为Win-10 : DI水= 3 : 97），利用频率为32KHz的超声机清洗15min，喷淋2min后，再置于玻璃清洗液Win-41的水溶液中（体积比为Win-41 : DI水= 5 : 95），利用频率为40KHz的超声机清洗10min，经循环自来水喷淋漂洗2min后，再利用频率为28KHz的超声机在DI纯净水中清洗10min，经氮气枪吹干后置于50℃洁净烘箱中保温30min以上备用。

取出上述制备的玻璃基板101，在其中一面利用磁控溅射方法制备一层厚度大于100nm的Cr薄膜，在Cr薄膜上均匀涂覆一层光刻胶RJZ304，110℃烘烤20分钟后，经过曝光和显影后在Cr薄膜上形成具有小孔光栅图案的光刻胶；将该玻璃基板置于含Ce（NH4）2（NO3）6 和 HClO4 的水溶液刻蚀液中，暴露的金属部分（具有小孔光栅图案光刻胶的镂空小孔部分，本实施例中镂空小孔部分为圆形）被刻蚀，被光刻胶保护的金属留下来，光刻胶清洗后，最终形成小孔光栅102。

S12：在所述基板101设置有所述小孔光栅102的一面均匀涂覆一层透明负光刻胶104：

在步骤S11制备的玻璃基板101含有小孔光栅102的一面上均匀涂覆一层光刻胶SU8 3050， 65℃烘烤2分钟，95℃烘烤5分钟。

S13：采用背曝光方式，从所述基板101未设置所述小孔光栅102的一面进行曝光并显影；所述光刻胶被所述小孔光栅阻挡的部分将被显影液去除，留下未被所述小孔光栅阻挡的光刻胶柱状图案阵列：

采用背曝光方式，即从玻璃基板101不含小孔光栅102的表面射入紫外光105进行曝光，此时小孔光栅102作为曝光掩膜版，所述光刻胶被小孔光栅102不透光部分遮挡的SU8 3050光刻胶在显影中被清洗掉，只留下被曝光的光刻胶柱状图案阵列，在本实施例中，所述光刻胶柱状图案阵列形状为圆柱状，即为光刻胶圆柱状阵列106。

S14：采用光刻胶热熔法使所述光刻胶柱状图案阵列熔化变形，形成光刻胶微透镜阵列103，从而得到所述的组合微透镜阵列：

将步骤S13制备的光刻胶圆柱状阵列106进行均匀加热，加热温度范围一般在100℃到300℃之间（取决于光刻胶及所需微透镜的曲率半径）。优选的，本实施例采用的加热温度为150℃，光刻胶圆柱状阵列106受热熔化变形，冷却后形成光刻胶微透镜阵列103。此时，光刻胶微透镜阵列103和小孔光栅102组合在同一透明玻璃基板101上，形成本发明一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列。

实施例二

当微透镜阵列不是光刻胶材料时，不能采用光刻方式来制备，此时采用软印刷方法，本实施例采用第二种制作方法，其具体方案包括以下步骤：

S21：提供两片基板并采用光刻、刻蚀或丝网印刷分别在其一表面制作一小孔光栅：

选取两块所需尺寸的玻璃基板进行划片后置于玻璃清洗液Win-10的水溶液中（体积比为Win-10 : DI水= 3 : 97），利用频率为32KHz的超声机清洗15min，喷淋2min后，再置于玻璃清洗液Win-41的水溶液中（体积比为Win-41 : DI水= 5 : 95），利用频率为40KHz的超声机清洗10min，经循环自来水喷淋漂洗2min后，再利用频率为28KHz的超声机在DI纯净水中清洗10min，经氮气枪吹干后置于50℃洁净烘箱中保温30min以上备用。

取出上述制备的两片玻璃基板，分别在这两块洁净玻璃基板的其中一面利用磁控溅射方法制备一层厚度大于100nm的Cr薄膜，并在Cr薄膜上均匀涂覆一层光刻胶RJZ304，110℃烘烤20分钟后，经过曝光和显影在Cr薄膜上形成具有小孔光栅图案的光刻胶；将该两片玻璃基板置于含Ce（NH4）2（NO3）6 和 HClO4 的水溶液刻蚀液中，暴露的金属部分（具有小孔光栅图案光刻胶的镂空小孔部分，本实施例中镂空小孔部分为圆形）被刻蚀，被光刻胶保护的金属留下来，光刻胶清洗后，最终形成小孔光栅。

S22：取所述步骤S21中制备的其中一片基板并在其设置有所述小孔光栅的一面均匀涂覆一层光刻胶：

取所述步骤S21中制备的其中一片基板并在其设置有所述小孔光栅的一面均匀涂覆一层透明负光刻胶SU8 3050，65℃烘烤2分钟，95℃烘烤5分钟。

S23：采用背曝光方式，从所述步骤S22中制备的含小孔光栅的基板未设置有小孔光栅的一面进行曝光并显影，所述光刻胶被所述小孔光栅阻挡的部分将被显影液去除，留下未被所述小孔光栅阻挡的光刻胶柱状图案阵列：

采用背曝光方式，从所述步骤S22中制备的含小孔光栅的基板不含小孔光栅的一面射入紫外光进行曝光，此时小孔光栅作为曝光掩膜版，被小孔光栅不透光部分遮挡的SU8 3050光刻胶在显影中被清洗掉，只留下被曝光的光刻胶柱状图案阵列，在本实施例中，所述光刻胶柱状图案阵列形状为圆柱状，即为光刻胶圆柱状阵列。

S24：取所述步骤S23中制备的含光刻胶柱状图案阵列的基板，采用光刻胶热熔法使所述光刻胶柱状图案阵列熔化变形，形成光刻胶微透镜阵列：

取所述步骤S23中制备的含光刻胶柱状图案阵列的基板进行均匀加热，加热温度范围一般在100℃到300℃之间（取决于光刻胶及所需微透镜的曲率半径）。优选的，本实施例采用的加热温度为150℃，光刻胶圆柱状阵列受热熔化变形，冷却后形成光刻胶微透镜阵列。

S25：取所述步骤S24中制备的含光刻胶微透镜阵列的基板，并使用硅橡胶制作所述光刻胶微透镜阵列的硅橡胶负模板：

取所述步骤S24中制备的含光刻胶微透镜阵列的平滑基板密封置于装有三甲基氯硅烷分子（TMCS）的容器里，放置约5分钟后取出，此时该光刻胶微透镜阵列表面自组装一层TMCS，用于防粘。按所述硅橡胶所需比例制备单体和交联剂的混合物，即按单体和交联剂10:1的比列配置聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合物，搅拌至均匀混合。将上述自组装一层TMCS的含光刻胶微透镜阵列的平滑基板水平放置于一容器中，倒入聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合物，静置约30分钟至起泡全部消除，将该容器放入80℃烘箱两小时以上，待PDMS完全固化后取出，将PDMS与该光刻胶微透镜阵列分离，切割PDMS形成光刻胶微透镜阵列的硅橡胶负模板204。

S26：利用所述硅橡胶负模板，采用热压印或紫外压印在所述步骤S21中制备的另一片设置有小孔光栅的基板上制作一透明有机材料微透镜阵列，从而得到所述的组合微透镜阵列：

优选的，本实施例选用NOA81作为透明有机材料微透镜阵列的材料，首先，将步骤S25制成的硅橡胶负模板204密封置于装有三甲基氯硅烷分子（TMCS）的容器里，放置约5分钟后取出，此时硅橡胶负模板204表面自组装一层TMCS，用于防粘。然后将该硅橡胶负模板204放置于密封容器中进行抽真空，由于硅橡胶材料为多孔材料，该方法使得该硅橡胶负模板204具有负压。接下来将步骤S21制成的另一块含小孔光栅的基板201含有小孔光栅202的一面均匀涂覆一层透明有机材料206（NOA81），把具有负压的硅橡胶负模板204对齐放置于NOA81上，并使硅橡胶负模板204的中心与小孔光栅202的小孔中心一一对齐；并且使所述硅橡胶负模板突出的部分与所述小孔光栅不透明部分直接接触，从而使透明有机材料NOA81在所述硅橡胶覆膜板的凹进部分与所述小孔光栅的小孔阵列中形成透镜单元。由于硅橡胶负模板204具有负压，流体状NOA81在负压力和毛细力的共同作用下将形成与硅橡胶负模板204相应的透明有机材料微透镜阵列203，经紫外光205曝光大于100秒后，流体状NOA81固化。将硅橡胶负模板204与所述含小孔光栅的基板201分离，所述透明有机材料微透镜阵列203和所述小孔光栅202组合在同一基板201上，形成本发明一种用于集成成像3D显示的组合微透镜阵列。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。