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TW201432918A - 光學元件之製造及包含其之模組 - Google Patents

光學元件之製造及包含其之模組 Download PDF

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TW201432918A
TW201432918A TW102146751A TW102146751A TW201432918A TW 201432918 A TW201432918 A TW 201432918A TW 102146751 A TW102146751 A TW 102146751A TW 102146751 A TW102146751 A TW 102146751A TW 201432918 A TW201432918 A TW 201432918A
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Simon Gubser
Hakan Karpuz
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Heptagon Micro Optics Pte Ltd
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Abstract

製造一晶圓級間隔件/光學器件結構包含使用一單一複製工具將光學複製元件及間隔件複製區段直接複製於一光學器件晶圓(或其他晶圓)上。該複製光學元件及間隔件元件可由相同或不同材料組成。

Description

光學元件之製造及包含其之模組
本發明係關於光學元件之製造，且關於包含此等光學元件之裝置。
在一寬範圍應用中使用積體光學器件，該寬範圍應用包含例如相機裝置、用於相機裝置之光學器件及用於閃光之準直光學器件，諸如在用於行動電話之相機中使用之該等。積體光學器件可包含沿著光傳播之一般方向堆疊在一起之功能性元件(例如，一或多個光學元件)。功能性元件可彼此以一預定空間關係配置，使得穿過裝置之光循序穿過各種元件。接著積體光學器件可併入另一系統中。
可藉由以一明確界定空間關係將晶圓一個堆疊在另一個頂上製造如上文所描述之積體光學器件。儘管已證明此晶圓級製造程序係有效的，當程序中仍允許一些可撓性時需要進一步效率。
本發明描述製造一晶圓級間隔件/光學器件結構之一方法。可使用一單一複製工具將光學複製元件及間隔件複製區段直接複製至一光學器件晶圓(或其他晶圓)上。取決於實施，複製光學元件及間隔件元件可由相同或不同材料組成。
例如，根據一態樣，製造一晶圓級間隔件/光學器件結構之一方 法包含提供具有光學元件複製區段及間隔件複製區段之一複製工具，使用複製工具以在一晶圓上形成光學元件複製區段之負片，以便提供一第一材料之複製光學元件，及使用複製工具以在晶圓上形成間隔件複製區段之負片，以便提供不同於第一材料之一第二材料之複製間隔件元件。
根據另一態樣，製造一晶圓級間隔件/光學器件結構之一方法包含提供具有光學元件複製區段及間隔件複製區段之一複製工具，將一第一液狀、黏性或塑性變形材料提供至複製工具之光學複製區段上，使一晶圓與複製工具接觸，使得在晶圓之一表面與光學複製區段之間按壓第一液狀、黏性或塑性變形材料，且硬化第一液狀、黏性或塑性變形材料以在晶圓之一表面上形成複製光學元件。該方法進一步包含當晶圓與複製工具保持接觸時使一真空密封卡盤與晶圓之一背面接觸，經由真空密封卡盤之一入口注入一第二液狀、黏性或塑性變形材料，以便實質上填充複製間隔件元件之位置，且硬化第二液狀、黏性或塑性變形材料以在晶圓之表面上形成複製間隔件元件。
例如，可在晶圓級程序中製造模組，使得所得模組包含複製結構(諸如一間隔件元件及一光學元件)。光學元件可(例如)與一光電子組件(例如，一發光或光感測元件)對準。
在以下附圖及描述中闡述一或多個實施之細節。自詳細描述及圖式及自申請專利範圍將明白一些態樣、特徵及優勢。
20‧‧‧光電子模組/外部模組
22‧‧‧焊球
24‧‧‧主動光學組件
28‧‧‧基板
30‧‧‧間隔件部件/間隔件元件
32‧‧‧光學器件部件
34‧‧‧擋板
36‧‧‧遮光部分
38‧‧‧透明部分
40‧‧‧被動光學元件/複製光學元件/複製間隔件元件/複製光學器件元件
42‧‧‧印刷電路板
50‧‧‧複製工具
52‧‧‧主體(或次主體)晶圓級間隔件/光學器件結構/主體
54‧‧‧特徵
56‧‧‧特徵
58‧‧‧光學元件複製區段/複製光學器件元件
60‧‧‧間隔件複製區段
62‧‧‧主體(或次主體)間隔件晶圓
64‧‧‧主體(或次主體)光學器件晶圓
66‧‧‧凹進部分
68‧‧‧局域間隔件複製區段
70‧‧‧第一複製材料/光學器件晶圓
72‧‧‧光學器件晶圓(或其他晶圓)
74‧‧‧真空密封卡盤
76‧‧‧第二複製材料
78‧‧‧入口
80‧‧‧真空泵
82‧‧‧出口
84‧‧‧晶圓級間隔件/光學器件結構
86‧‧‧分離線
90‧‧‧基板晶圓
92‧‧‧擋板晶圓
圖1係一光電子模組之一實例之一剖面圖。
圖2A係一主體晶圓級間隔件/光學器件結構之一剖面圖。
圖2B係用於製作晶圓級間隔件/光學器件結構之一複製工具之一剖面圖。
圖2C係複製工具之部分之一俯視圖。
圖3A至圖3D繪示製作一複製晶圓級間隔件/光學器件結構之一技術。
圖4繪示將晶圓級間隔件/光學器件結構切方成個別間隔件/光學器件結構。
圖5繪示形成包含一晶圓級間隔件/光學器件結構之一晶圓堆疊之一剖面圖。
圖6繪示一晶圓上之複製間隔件元件及光學元件之另一實例之一剖面圖。
圖1繪示容置一主動光學組件24(諸如一發光元件或一光感測元件)之一光電子模組20之一實例。發光元件之實例包含LED、OLED及雷射晶片；光感測元件之實例包含光電二極體及影像感測器。模組20亦包含至少一被動光學元件40。被動光學元件40(例如)藉由折射及/或繞射及/或反射可重新導向光且可包含，例如，一或多個鏡片或棱鏡。
模組20包含在垂直方向上彼此堆疊之若干成分。圖1之實例中，模組20包含一基板28、一間隔件部件30、一光學器件部件32及一擋板34。光學組件24安裝於基板28上且由間隔件部件30之壁圍繞。光學組件24之電觸點電連接至焊球22所附著之外部模組20。代替焊球22，一些實施在基板28上包含接觸墊，其後來可具有焊球。例如，使用表面安裝技術(SMT)可將模組20安裝至一印刷電路板42上，接著安裝至其他電子組件。印刷電路板42可為一電子裝置(諸如一行動電話或其他設備)之一組件。模組20對此等應用尤其合適，因為其使用晶圓級製造技術可經製造以具有一尤其小尺寸且係能大量生產。
在圖1之實例中，光學器件部件32具有遮光部分36及一透明部分38，其中穿過該透明部分38光可離開模組20及/或穿過該透明部分38 光可自外部模組20進入。附著至光學器件部件32之被動光學元件40可幫助將光引導至光學組件24或自光學組件24引導光。
在圖1之所繪示實例中，間隔件部件30及光學元件40係可由相同或不同材料組成且可使用以單一複製工具形成之複製結構。此及以下段落描述用於製造間隔件部件30及被動光學元件40之一複製技術。一般而言，複製係指藉助其再生產一給定結構或其之一負片之一技術，例如，蝕刻、壓印或模製。在一複製程序之一特定實例中，一結構化表面壓印入一液狀、黏性或塑性變形材料，接著硬化材料，例如，藉由使用紫外線輻射或加熱固化，且接著移除結構化表面。因此，獲得結構化表面之一複製品(在此情況下係一負片複製品)。用於複製之合適材料係，例如，可硬化(例如，可固化)聚合物材料或其他複製材料，即，在自一液狀、黏性或塑性變形狀態至一固體狀態之一硬化或凝固步驟(例如，一固化步驟)中係可變形之材料。
複製程序涉及提供具有複製光學元件(諸如光學元件40)及間隔件部件(諸如間隔件部件30)之結構之一複製工具。如圖2A及圖2B中所繪示，例如，藉由自一主體(或次主體)晶圓級間隔件/光學器件結構52之複製可製造複製工具50其自身。主體52包含對應於複製工具50之正面上之間隔件複製區段60之尺寸及形狀之特徵54，且亦包含對應於複製工具50之正面上之光學元件複製區段58之尺寸及形狀之特徵56。在所繪示實例中，複製工具50上之間隔件複製區段60係複製工具50之正面上之鋸齒形區域。光學元件複製區段58之各者具有對應於圖1中之光學元件40之負片之特徵。主體52在其外周邊附近亦具有凹進部分66。凹進部分66對應於複製工具50之正面上之局域間隔件複製區段68。主體52可由(例如)玻璃、金屬或環氧樹脂材料組成且包含結合至包含特徵56之一主體(或次主體)光學器件晶圓64之一主體(或次主體)間隔件晶圓62。
為自主體52製作複製工具50，將聚矽氧材料(諸如聚二甲硅氧烷(PDMS))傾倒在複製工具50上方。具有一犧牲模製離型支撐(例如，諸如聚對一酸乙二酯之一合適塑膠之一箔)之一玻璃板可放置於主體52之頂部以將聚矽氧材料按壓入特徵54、56之區域。如圖2B及圖2C中所展示，硬化聚矽氧材料後，自硬化聚矽氧移去玻璃板及離型支撐，該硬化聚矽氧自主體52移除，導致複製工具50。
如圖2C中所繪示，複製工具50之光學元件複製區段58可形成於支柱頂上，且間隔件複製區段60可形成為一互連柵。局域間隔件複製區段68亦可形成於一支柱頂上。如連同圖3D之所描述，此配置允許複製材料流入間隔件複製區段60。
接著可使用複製工具50以形成包含複製間隔件及光學元件之兩者之一晶圓級結構，例如，在一陣列中(例如，一柵形成)。如下文所解釋，使用相同複製工具50可將光學複製元件58及間隔件複製區段60之負片直接複製於一光學器件晶圓(或其他晶圓)上。如圖3A中所繪示，藉由在複製工具50之光學元件複製區段58上提供一第一複製材料70而複製光學元件結構(例如，鏡片)。複製材料70係能夠自一液狀或塑性變形狀態進入一固體狀態之一材料。複製材料70之一實例係一UV或熱固化透明環氧樹脂。複製材料70可傾倒或分配至複製工具50之光學元件複製區段58上。
接著，如圖3B中所展示，將一光學器件晶圓(或其他晶圓)72與複製工具50之局域間隔件複製區段68接觸作為一第一複製步驟之部分。此引起在界定光學元件複製區段58與光學器件晶圓72之表面之區域之間按壓複製材料70。藉此在複製材料70上壓印光學元件複製區段58。
複製工具50上之局域間隔件複製區段68係用以以界定複製工具50及光學器件晶圓72之一相對垂直位置，且在一些實施中用以使光學器件晶圓72保持在與光學元件複製區段58之一微小、預界定距離處。
光學器件晶圓72可完全由諸如玻璃之一透明材料或一透明塑膠材料組成。在一些實施中，光學器件晶圓72由具有一透明材料填充之開口之一非透明材料(例如，一玻璃強化環氧樹脂層板(「FR4」)或黑色環氧樹脂)組成。在此等實施中，可提供不透明材料之區域以對應於光學器件部件32之遮光部分36，且可提供透明材料之區域以對應於光學器件部件32之透明部分38(見圖1)。在該情況下，光學器件晶圓72之透明區域應與複製工具50之光學元件複製區段68對齊，使得複製光學元件將在光學器件晶圓之透明區域上形成。
作為第一複製步驟之部分，UV輻射指向複製材料70以固化(即，硬化)複製材料。UV輻射可自工具側(在此情況下，複製工具50必需對UV輻射係透明的)或自光學器件晶圓側入射。在一些實施中，代替UV(即，光學)固化，藉由熱固化硬化複製材料70。無論如何，藉此在光學器件晶圓72之表面上形成複製光學元件40。
如圖3C中所展示，在一第二複製步驟中，使一PDMS真空密封卡盤74與光學器件晶圓72之背面(即，與在其上形成複製光學器件元件58之表面對置之光學器件晶圓72之表面)接觸。此步驟在自光學器件晶圓72釋放複製工具50之前執行。接著將一第二複製材料76注入真空密封卡盤74中之一入口78內。第二複製材料76亦係能夠自一液狀或塑性變形狀態進入一固體狀態之一材料。複製材料76之一實例係可為透明或不透明(即，黑色)之一UV或熱固化環氧樹脂。第二複製材料76可為與第一複製材料70相同或不同。在一些實施中，例如，第一複製材料70對一特定波長(或波長範圍，諸如可見光)係實質上透明，然而，第二複製材料76對相同波長或波長範圍係實質上不透明的。
在真空密封卡盤74之接近一出口82處提供之一真空泵80有利於複製材料76圍繞複製工具50之光學元件複製區段58流動且填充間隔件複製區段60。見圖2C，其中箭頭61指示複製材料76之流動。複製材 料76亦填充鄰近正好在光學器件晶圓72上方之先前硬化複製材料70之區域。因此，複製材料76可接觸且緊靠複製材料70。
作為第二複製步驟之部分，UV輻射指向複製材料76以固化(即，硬化)複製材料。UV輻射可自工具側(在此情況下，複製工具50必需對UV輻射係透明的)或自光學器件晶圓側入射。在一些實施中，代替UV(即，光學)固化，藉由熱固化硬化複製材料76。注入複製材料76形成間隔件結構之一連續柵，使得在光學器件晶圓72之表面上形成複製間隔件元件30(見圖3D)。
固化複製材料76後，自複製工具50及自真空密封卡盤74釋放晶圓級間隔件/光學器件結構84。所得晶圓級結構84包含在光學器件晶圓72上之複製光學元件40及間隔件元件30之一柵(圖3D)。在所繪示實例中，複製光學器件元件40係藉由複製間隔件元件40與鄰近光學元件40分離。光學元件40接觸或緊靠間隔件元件30之側，儘管不需要在全部實施中是此情況。結構84係複製工具50之複製側之一複製品(圖3A)且類似主體晶圓級間隔件/光學器件結構52(圖2A)。
在一些實施中，間隔件元件30延伸(在垂直z方向)到光學元件40之外約100微米至1500微米，其中光學元件40之厚度係約50微米至600微米。該等特徵形成一陣列(例如，一柵)，其例如每1毫米至10毫米重複(在側向x至y方向)，或在一些情況下，每2毫米至5毫米重複。不同維度可適用於其他實施。
如圖4中所指示，在一些實施中，將晶圓級間隔件/光學器件結構84沿著分離線86分離成多個個別光學結構，該等光學結構之各者包含安置於光學器件晶圓72之一區段上且藉由間隔件元件30之壁圍繞之一光學元件40(例如，一鏡片)。晶圓級間隔件/光學器件結構84可(例如)藉由切方、雷射切割、打孔、水噴流切割或其他分離技術分離。個別光學結構可併入光學、光機械、光電子或其他裝置。
在一些實施中，將晶圓級間隔件/光學器件結構84附著至一或多個其他晶圓以形成一晶圓堆疊。例如，圖5繪示一基板晶圓90(在其上安裝光學組件24，例如，發光或光感測元件)及一擋板晶圓92，其可附著至晶圓級結構84。一般而言，一晶圓係指一實質上盤狀或板狀物品，相對於其在另外兩方向(x及y方向或側向方向)之延伸，其在一方向(z方向或垂直方向)之延伸係小的。在一(非空白)晶圓上，例如，在一矩形柵上可配置或其中提供複數個類似結構或物品。一晶圓可具有開口或孔，且在一些情況下，在其之側面區域之一主要部分中一晶圓可不含材料。取決於實施，一晶圓可由例如一半導體材料、一聚合物材料、包括金屬及聚合物或聚合物及玻璃材料之一復合材料。晶圓可包括可硬化材料，諸如一熱或UV固化聚合物。在一些實施中，一晶圓之直徑係在5釐米與40釐米之間，且可為例如在10釐米與31釐米之間。晶圓可為具有例如2、4、6、8或12吋之一直徑之圓柱，一吋為約2.54釐米。晶圓厚度可為例如在0.2毫米與10毫米之間，且在一些情況下，在0.4毫米與6毫米之間。不同材料及維度可適合於其他實施。將晶圓90、92附著至晶圓級間隔件/光學器件結構84後，所得晶圓堆疊可(沿著垂直分離線)分離以形成如圖1之模組20之個別模組。
光學元件40之特定結構可取決於實施變化。因此，在一些實施中，晶圓級間隔件/光學器件結構84上之各光學元件40(圖3D)可為例如一鏡片，其係一光學元件複製區段58之一複製品且為相對於間隔件元件30凹陷。如上文所描述藉由複製程序形成之光學元件40可為(例如)繞射鏡片、折射鏡片或組合之繞射/折射鏡片。
前述技術使用一單一複製工具可有利於一晶圓級間隔件/光學器件結構之形成，該單一複製工具允許複製間隔件元件由相同材料或一不同材料製成，複製光學元件也一樣。在一些實施中，鑒於當併入一裝置時其等提供不同功能，期望使用不同材料用於間隔件及光學元 件。因此，例如，所揭示技術使用一單一複製工具可有利於鏡片結構及黑色(不透明)間隔件結構之製造。即使使用兩個不同複製材料，在一些情況下，不會看見形成光學元件之材料與形成間隔件元件之材料之間之結合線。此外，藉由使用相同複製工具，一些實施可僅需要一對準步驟用於形成晶圓級間隔件/光學器件結構。
在一些情況下，所揭示技術可導致需要較少間隔件環氧樹脂。例如，在一些先前技術中，可需要一9吋主體以製作一8吋間隔件晶圓。使用在本發明中描述之技術，可不需要這麼大的一主體。此外，藉由將間隔件結構直接複製至光學器件晶圓上，可減少或消除間隔件結構之收縮或膨脹。此等技術亦可幫助減少或消除複製區域之嚴格局域限制之需要，其等可允許光學主動區域比當使用一些其他製造技術時更大。
在一些情況下，當使光學器件晶圓72與複製工具50接觸作為第一複製步驟之部分，使得光學元件複製區段58壓印入複製材料70內時(圖3B)，一些複製材料可沿著光學器件晶圓72之表面橫向朝外推(即，朝向鄰近間隔件複製區段60)。當第二複製材料76隨後注入複製工具50(見圖3C)時，一些複製材料將覆蓋存在於與間隔件複製區段60對置之光學器件晶圓70之區域上之先前沈積之第一複製材料70。在一些實施中，結果係在間隔件元件30與光學器件晶圓72之表面之間可存在一少量複製材料70(見圖6)。在一些情況下，可沿著一特定間隔件元件30與光學器件晶圓72之間之介面之一實質部分存在一少量複製材料70。甚至在將光學器件晶圓或晶圓堆疊隨後切方為單獨模組(例如，如圖1中之一模組20)後，此等特徵可保持可見。
其他實施在申請專利範圍之範疇內。
20‧‧‧光電子模組/外部模組
22‧‧‧焊球
24‧‧‧主動光學組件
28‧‧‧基板
30‧‧‧間隔件部件/間隔件元件
32‧‧‧光學器件部件
34‧‧‧擋板
36‧‧‧遮光部分
38‧‧‧透明部分
40‧‧‧被動光學元件/複製光學元件/複製間隔件元件/複製光學器件元件
42‧‧‧印刷電路板

Claims (18)

  1. 一種製造一晶圓級間隔件/光學器件結構之方法，該方法包括：提供一複製工具，其具有光學元件複製區段及間隔件複製區段；使用該複製工具以在一晶圓上形成該等光學元件複製區段之負片，以便提供一第一材料之複製光學元件；及使用該複製工具以在該晶圓上形成該等間隔件複製區段之負片，以便提供不同於該第一材料之一第二材料之複製間隔件元件。
  2. 如請求項1之方法，其中使用該複製工具以在該晶圓上形成該等光學元件複製區段之負片，其包含：將一第一液狀、黏性或塑性變形材料提供至該複製工具之該光學複製區段上；使該晶圓與該複製工具接觸，使得在該晶圓之一表面與該等光學複製區段之間按壓該第一液狀、黏性或塑性變形材料；及引起該第一液狀、黏性或塑性變形材料轉換為一固體狀態。
  3. 如請求項2之方法，其中引起該第一液狀、黏性或塑性變形材料轉變為一固體狀態包含一光學或熱固化步驟。
  4. 如請求項2之方法，其包含使該晶圓與該複製工具接觸，以便將該複製工具之該等光學元件複製區段壓印至該晶圓上。
  5. 如請求項1之方法，其包含：使該晶圓與該複製工具接觸，以便將該複製工具之該等光學元件複製區段複製至該晶圓之一正面上；當該晶圓與該複製工具保持接觸時，在對應於該等複製間隔件元件之位置之區域中提供一液狀、黏性或塑性變形材料；及 引起該液狀、黏性或塑性變形材料硬化，以便形成該等複製間隔件元件。
  6. 如請求項5之方法，其包含：當該晶圓與該複製工具接觸時，使一真空密封卡盤與該晶圓之一背面接觸；及經由該真空密封卡盤之一入口注入該液狀、黏性或塑性變形材料，以便實質上填充該等複製間隔件元件之該等位置。
  7. 如請求項6之方法，其中引起該液狀、黏性或塑性變形材料硬化包含一光學或熱固化步驟。
  8. 如請求項1之方法：其中使用該複製工具以在該晶圓上形成該等光學元件複製區段之負片包含：將一第一液狀、黏性或塑性變形材料提供至該複製工具之該等光學複製區段上；使該晶圓與該複製工具接觸，使得在該晶圓之一表面與該等光學複製區段之間按壓該第一液狀、黏性或塑性變形材料；及引起該第一液狀、黏性或塑性變形材料轉變為一固體狀態；及其中使用該複製工具以在該晶圓上形成該等間隔件複製區段之負片包含：當該晶圓與該複製工具保持接觸時，在對應於該等複製間隔件元件之位置之區域中提供一第二液狀、黏性或塑性變形材料；及引起該第二液狀、黏性或塑性變形材料轉變為一固體狀態。
  9. 如請求項8之方法，其包含：當該晶圓與該複製工具接觸時，使一真空密封卡盤與該晶圓之一背面接觸；及經由該真空密封卡盤之一入口注入該第二液狀、黏性或塑性變形材料，以便實質上填充該等複製間隔件元件之該等位置。
  10. 如請求項1之方法，其中該等光學元件包含鏡片結構且其中該等間隔件元件實質上係不透明的。
  11. 一種製造一晶圓級間隔件/光學器件結構之方法，該方法包括：提供一複製工具，其具有光學元件複製區段及間隔件複製區段；將一第一液狀、黏性或塑性變形材料提供至該複製工具之該等光學複製區段上；使一晶圓與該複製工具接觸，使得在該晶圓之一表面與該等光學複製區段之間按壓該第一液狀、黏性或塑性變形材料；硬化該第一液狀、黏性或塑性變形材料以在該晶圓之一表面上形成複製光學元件；當該晶圓與該複製工具保持接觸時，使一真空密封卡盤與該晶圓之一背面接觸；經由該真空密封卡盤之一入口注入一第二液狀、黏性或塑性變形材料，以便實質上填充該複製間隔件元件之位置；及硬化該第二液狀、黏性或塑性變形材料以在該晶圓之該表面上形成複製間隔件元件。
  12. 如請求項11之方法，其中該第一及第二液狀、黏性或塑性變形材料彼此不同。
  13. 如請求項11之方法，其包含自該複製工具及該真空密封卡盤釋放具有在其上形成之該等複製光學元件及該等複製間隔件元件之 該晶圓。
  14. 如請求項11之方法，其中該等複製光學元件之至少部分與該等複製間隔件元件直接接觸。
  15. 一種光電子模組，其包括：一光電子裝置，其安裝於一基板上；一光學器件部件，其在該光電子裝置上方；一複製間隔件部件，其在該光學器件部件之一表面上，其中該複製間隔件部件將該基板及光電子裝置與該光學器件部件分離；及一複製光學元件，其在該光學器件部件之該表面上，該複製光學元件實質上與光電子裝置對準，其中該複製光學元件係由一第一固化材料組成且該複製間隔件部件係由一第二固化材料組成，及其中該複製光學元件之一些該第一固化材料與該複製間隔件部件之第二固化材料直接接觸。
  16. 如請求項15之光電子模組，其中該複製光學元件之該第一固化材料緊靠該複製間隔件部件之該第二固化材料之一側表面。
  17. 如請求項15之光電子模組，其中沿著該複製間隔件部件與該光學器件部件之間之一介面之至少部分存在該複製光學元件之該第一固化材料。
  18. 如請求項15之光電子組件，其中該複製光學元件包含一鏡片結構且其中該複製間隔件部件實質上係不透明的。
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