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高階微奈米結構快速製造技術於先進光學元件應用

刊登日期：2020/10/01

摘要

隨著iPhone SE2仍大力採用結構光3D感測，顯見光學繞射元件(Diffractive Optical Elements, DOE)仍有一定重要性，除此之外，DOE結構應用包括用於擴增實境、混合實境、虛擬實境(AR/ MR/ VR)元件的波導管，以及在車用、消費性電子和商業應用中的先進光學感測元件等。因此如何快速和低成本的製造DOE，已是業界相當關注的事，過去UV型的微結構快速製造技術(奈米壓印)在微奈米結構快速成型上和低成本製造上已經有很好的發展，此次隨著DOE發展再度被關注，本文將介紹結構光學的產業趨勢，並介紹UV型的微結構快速製造技術在DOE應用發展，提供下一世代光學元件和其終端產品提供可用於量產的技術建議。

Abstract

As iPhone SE2 continues to adopt structural optical 3D sensing technology, it is clear that Diffractive Optical Elements (DOE) are very important.The DOE applications include waveguide for Augmented Reality, Mixed Reality, Virtual reality (AR/MR/VR) components, and advanced optical sensing components for vehicle, consumer electronics, and commercial applications. Therefore, how to produce DOE effectively with low-cost has attracted attention in the industry. In the past, UV-type microstructure rapid manufacturing technology (Nanoimprint Technology) has been well established in micro-nanostructure rapid molding and low-cost manufacturing. Based on this solid foundation, the nanoimprint technology now attracts attention again with the development trend in DOE. This article will introduce the industrial trend in structural optics and also introduce the development of UV-type microstructure rapid manufacturing technology in DOE application, to provide the insight and advices for mass producing next generation optical components and its end products.

前言
在 Apple 於 2017 年推出 iPhone X 後，3D 感測等新技術便成為討論度最高的議題之一。 3D 感測在蘋果手機的應用主要是臉部解鎖、Animoji 表情偵測兩項功能，根據LED inside 預估，全球行動裝置 3D 感測市值將在 2020 年將達 15 億美元，年複合成長率為 209%[1]。除最常見的行動裝置外，3D 感測技術亦可以應用於擴增/虛擬實境裝置、車用領域、生物辨識等等，這也意味著有許多廠商投入 3D 感測模組、零組件、系統或是演算法之研發，而3D 感測主要包含幾項技術，如飛時測距、結構光、Light Coding 和 Stereo Vision等四種，目前飛時測距和結構光為3D感測之技術主流。一個結構光感測模組內主要包含發射器和接收器，藉由向受測物體打出一個光形，接收物體反射回來的形變光，再透過演算法來推算物體深度，如圖1所示。

圖1 3D結構光感測的成像示意圖[2]

本文主要探討結構光感測技術中DOE元件的製造。微奈米結構快速製造技術發展已久，其中奈米壓印技術便是其中之一，奈米壓印技術由來已久，在1995年時由美國Stephen Y.Chou首先提出奈米壓印技術，其製程簡單而且量產可行性佳，因此引領各學術、產業機構積極投入奈米材料、製程與設備的研發。其構想是以簡單、快速、精確且大面積的方式製造次微米等級的圖案，因此奈米壓印技術在2003年時由MIT Technology Review選為能改變未來十大技術之一。傳統黃光製程透過倍縮鏡阻系統、曝光、顯影的方式，製作次微米級的結構，由於工序複雜、製程嚴苛、參數可調視窗極小，所以在人力、設備、廠房的需求上均相當講究且昂貴，當時奈米壓印技術即被視為一個可能的替代技術之一，因此本文將介紹奈米壓印技術以及在DOE應用經驗的分享。
奈米壓印技術及其應用
工研院機械所過去數十年進行微奈米結構快速製造技術的開發，已成功的建立大面積的奈米壓印設備技術及相關的製程know-how，本段將分享筆者過去相關的研發經驗，以協助業界進行進一步的DOE量產技術的開發。
1.奈米壓印技術
奈米壓印主要有三個關鍵技術，包含奈米壓印設備、材料和模具等三項，其中奈米壓印材料為其關鍵之一，因此特別提出來討論。壓印材料或是軟模材料在奈米壓印材料上扮演相當重要的腳色，但很可惜台灣投入開發的化學廠商並不多，因此目前市面上所使用的奈米壓印材料，皆以日系或是歐系材料廠為主要的供應商，這也是為什麼過去奈米壓印技術在台灣無法廣泛應用的主因之一。不過最近國內化學原料商已投入相關研發，成本問題應可以降低，但在材料的特性上還有改善的空間，畢竟這是用於高階的成像光學系統上，例如材料的收縮率，收縮率太高的材料將會導致所製作的圖案失真，材料亦應維持一定的熱穩定性，可以確保圖案結構在高溫製程時仍能夠維持原來的圖案結構，亦不會因為分解而對於原本元件的影響。Usuki等人[3]指出一個好的壓印材料必須具有下列的特性：

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