專利名稱：光學(xué)元件及透鏡陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用電潤濕效應(yīng)(電毛細(xì)管現(xiàn)象)的光學(xué)元件和透鏡陣列。
背景技術(shù)：
近來，利用電潤濕效應(yīng)的光學(xué)元件的發(fā)展已被向前推進(jìn)。電潤濕效應(yīng)就 是當(dāng)在導(dǎo)電液體和電極之間施加電壓時(shí)，電極表面和液體之間的固-液界面 能量變化并且液體表面的形狀也相應(yīng)地改變的現(xiàn)象。
圖12的部分A和圖12的部分B示出了解釋電潤濕效應(yīng)的原理圖。 如圖12的部分A所示，在電極1的表面上形成絕緣膜2，并且在絕緣 膜2上放置電解液液滴3。絕緣膜2的表面經(jīng)受疏水處理。在圖12的部分A 所示的無電壓狀態(tài)下，絕緣膜2的表面和液滴3之間的互作用能很低，且接 觸角e。很大。這里，接觸角0o是絕緣膜2的表面和液滴3的切線之間的角， 并且取決于諸如液滴3的表面張力及絕緣膜2的表面能的特性。
另一方面，如圖12的部分B所示，當(dāng)在電極1和液滴3之間施加預(yù)定 電壓時(shí)，電極1側(cè)的自由電子和液滴3側(cè)的電解液離子在界面處形成電荷二 重層(charge double layer),從而引起液滴3的表面張力的改變。這種現(xiàn)象 就是電潤濕效應(yīng)，并且液滴3的接觸角根據(jù)施加電壓的大小而改變。換句話 說，在圖12的部分B中，4妄觸角9v可表示成電壓V的函數(shù)，如下面的方程 (1 )所示 [方程1]
cos(9v =cose0+~^^K2 (1)
Ylg:電解液的表面張力 e:絕緣膜的膜厚 s:絕緣膜的相對(duì)介電常數(shù) ￡o:真空磁導(dǎo)率如上所述，液滴3的表面形狀(曲率)根據(jù)施加在電極1和液滴3之間 的電壓V的大小而改變。因此，當(dāng)液滴3用作透鏡元件時(shí)，就可以得到能夠 電控制焦點(diǎn)位置的光學(xué)元件。
因此，包括如上構(gòu)造的光學(xué)元件的光學(xué)裝置的發(fā)展正在向前推進(jìn)。比如， 曰本未審查專利申請(qǐng)公開第2000-356708號(hào)就已經(jīng)提出了 一種用于頻閃設(shè)備 (strobe apparatus )的透鏡陣列。在該實(shí)例中，通過封入導(dǎo)電液體和以陣列 圖案排列在設(shè)置于基板表面上的疏水膜上的絕緣液體滴，構(gòu)造出變焦透鏡。 在該結(jié)構(gòu)中，以絕緣液體和導(dǎo)電液體之間的界面形狀形成單個(gè)的透鏡。通過 利用電潤濕效應(yīng)電控制每個(gè)透鏡的形狀，并因此變化焦距。
然而，在這種類型的光學(xué)元件中，施加電壓之前和之后，很難保持每個(gè) 透鏡的光軸位于恒定的位置。因此，開發(fā)出改善透鏡對(duì)中性能(centering performance)的技術(shù)已成為了重要議題。因此，在國際申請(qǐng)公開第99/18456 號(hào)中揭示了圖13所示的結(jié)構(gòu)。
在圖13中，在下部的透明基板5上形成絕緣層7，它們之間設(shè)有電極層 6。上部的透明基板8設(shè)置為面向絕緣層7的平坦表面。在絕緣層7和上部 的透明基板8之間封入導(dǎo)電且透明的第 一液體9和絕緣且透明的第二液體10 二者。第一液體9和第二液體10具有4皮此不同的折射率和彼此近似的比重， 且彼此獨(dú)立存在而不相互混合。在絕緣層7的表面的中心區(qū)域設(shè)置疏水面 11。第二液體(液滴)IO在絕緣層7的表面中的疏水面11上展開，從而形 成了頂點(diǎn)在光軸13上的凸透鏡元件。另一方面，在絕緣層7的表面中，圍 繞疏水面11的區(qū)域覆蓋有與第一液體9接觸的親水膜12。
在具有上述結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件中，當(dāng)電極層6和第一液體9之間沒有施加 電壓時(shí)，第一液體9和第二液體IO之間的界面成形為如圖13中的實(shí)線所示， 并且第二液體10在絕緣層7的表面中的疏水面ll上展開。在該狀態(tài)下，如 果在電極層6和第一液體9之間施加電壓，由于電潤濕效應(yīng)，第一液體9從 圍繞疏水面11的區(qū)域移動(dòng)到疏水面11上。結(jié)果，第一液體9和第二液體10 之間的界面形狀變成比如圖13中虛線所示的形狀。從而，在施加電壓的狀 態(tài)下，第一液體9與第二液體IO之間的界面曲率要比沒有施加電壓的狀態(tài) 下的大。因此，在施加電壓的狀態(tài)下，能使焦距比沒施加電壓的狀態(tài)下的短。
同樣，在圖13所示的結(jié)構(gòu)中，為了抑制在沒施加電壓的狀態(tài)和施加電 壓的狀態(tài)之間形成透鏡元件的液滴10的光軸的位移(偏離中心)，電極層6形成為凹槽形狀，以使得位于液滴10中心區(qū)域下方位置的電極層6和絕緣 層7的表面之間的距離要比位于液滴IO外圍的下方位置的長。從而，就在 電極層6和絕緣層7的表面之間提供了電勢分布，使得能容易地獲得在光軸 13上對(duì)中的液滴IO的移動(dòng)。
液滴10的移動(dòng)特性主要取決于絕緣層7的表面上的疏水區(qū)域和的親水 區(qū)域的構(gòu)圖精確性。然而，難于執(zhí)行高精度的構(gòu)圖工藝，并且在單個(gè)的透鏡 元件之間經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化。因此，如果單個(gè)的透鏡元件以陣列圖形排列，則 會(huì)有每個(gè)透鏡元件的光軸不穩(wěn)定和特性變化的問題。
另一方面，通過在絕緣層7中形成圓錐形缺口 (凹槽)15并將液滴10 放置在缺口 15中得到的如圖14所示的透鏡元件已在比如日本未審查專利申 請(qǐng)公開(PCT申請(qǐng)翻譯)第2002-540464中提出。在這種情形下，缺口 15 形成的位置使得在液滴IO和缺口 15接觸邊界的點(diǎn)(CP1)的曲率小于或相 反于圓(TC)的曲率，圓(TC)與缺口 15的表面在上述點(diǎn)及該表面上的對(duì) 稱點(diǎn)(CP2)處接觸。從而，通過將液滴IO放置在缺口 10中，改善了液滴 10的對(duì)中性能并抑制了光軸的位移(偏離中心)
然而，在日本未審查專利申請(qǐng)公開(PCT申請(qǐng)翻譯)第2002-540464中 描述的如圖14所示的結(jié)構(gòu)中，形成預(yù)定的圓錐形狀的缺口 15是有困難的， 并且即使發(fā)生小的加工誤差也會(huì)有透鏡光軸變化的問題。這將導(dǎo)致在施加電 壓的狀態(tài)下液滴IO偏離中心。此外，盡管需要形成較小直徑的透鏡以形成 透鏡陣列，但問題是以高精度形成具有上述結(jié)構(gòu)的小缺口 15是非常困難的。
根據(jù)上述問題，本發(fā)明的目的是提供這樣的光學(xué)元件和透鏡陣列，該光 學(xué)元件和透鏡陣列可易于制作，能通過微加工形成，并且能夠抑制依賴于加 工精度的光軸變化和電壓驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下液滴對(duì)中心的偏離。

發(fā)明內(nèi)容
為了達(dá)到上述目的，在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件中，液滴放置于密封的單 元(cell)中，并在該單元中形成收納液滴的棱錐形凹槽。
根據(jù)本發(fā)明，由于收納液滴的凹槽形成于棱錐形狀中，可以改善放置在 凹槽中的液滴的對(duì)中性能。此外，可以抑制由液滴形成的透4竟元件的光軸變 化。此外，能夠穩(wěn)定地定位光軸并抑制在電壓驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的液滴對(duì)中心的偏 離。另外，與凹槽是圓錐形的情形相比，制作工藝便利，并能通過微加工形成凹槽。
通過二維排列多個(gè)上述構(gòu)造的凹槽能夠形成透鏡陣列。具體地說，根據(jù) 本發(fā)明，由于凹槽形成為棱錐形狀，所以凹槽能沿著平面密集地排列。從而， 在透鏡陣列中可提供整體上具有大的有效面積的透鏡表面。
凹槽可形成為四角棱錐形或四角梯形棱錐形。然而，凹槽形狀并不局限 于此，并且該凹槽還可具有三角棱錐形、六角棱錐形、三角梯形棱錐形、或 六角梯形棱錐形。此外，這里指的梯形棱錐形包括倒棱錐形和棱錐形，在倒 棱錐形中凹槽開口側(cè)的面積大于凹槽底部分的面積，在棱錐形中凹槽開口側(cè) 的面積小于凹槽底部分的面積。
定義凹槽內(nèi)部的外圍面的每個(gè)傾斜面可具有大體相同的傾斜角?；蛘撸?br> 一個(gè)或多個(gè)傾斜面可具有不同的傾斜角。此外，舉例來iJL，當(dāng)凹槽具有四角 梯形棱錐形時(shí)，則該四角形不局限于正方形，也可以是矩形或者平行四邊形。
至于形成棱錐形凹槽的方法，優(yōu)選進(jìn)行各向異性蝕刻比如由硅等制成的 單晶基板或金屬板的表面。在這樣的情形下，凹槽的每個(gè)外圍面的傾斜角能 夠被容易且可靠地設(shè)定到預(yù)定角度。然而，該方法并不局限于此，也可使用 干法蝕刻工藝或激光加工方法
此外，根據(jù)本發(fā)明的單元包括成對(duì)的透明基板、在成對(duì)的透明基板之間 形成的液體腔、容納在液體腔中并具有彼此不同折射率的第 一液體和第二液 體和配置在液體腔中并具有被絕緣膜覆蓋的表面的電極層。第一液體導(dǎo)電， 而第二液體絕緣。第一液體和第二液體彼此不混合地位于液體腔中。此外， 凹槽形成在電極層的表面中，并將第一液體和第二液體之一放置在凹槽中。
第一液體和第二液體具有;f皮此不同的折射率。因此，第一液體和第二液 體之間的界面起到透鏡表面的作用。透鏡表面的形狀由第一液體和第二液體 各自的體積、界面張力等決定，并且透鏡表面的形狀能夠利用電潤濕效應(yīng)來 改變。電解液比如被用作導(dǎo)電的第一液體，硅酮油比如被用作絕緣的第二液 體。比如第二液體的液滴被放置在棱錐形凹槽中。
在上述的實(shí)例中，通過形成在第一電極層表面中的棱錐形通孔和第一透 明基板就能夠定義棱錐形凹槽，該第 一透明基板結(jié)合在第 一 電極層的 一個(gè)表 面上以在一端封閉通孔。舉例來說，單晶硅基板可被用作第一電極層。具有 凹槽的第一電極層的表面被絕緣膜覆蓋。第一電極層面向第二透明基板，并 在該第一電極層和第二透明基板之間配置密封層。密封層形成為使得該密封層圍繞該凹槽的形狀。根據(jù)本發(fā)明，第一電極層和第二透明基板形成上述單 元。第一液體和第二液體封入該單元，并且絕緣的第二液體放置在凹槽中。 與導(dǎo)電的第 一液體接觸的第二電極層被設(shè)置在第 一 電極層和第二透明基板 之間。第二電極層可以是形成在第二透明基板內(nèi)側(cè)上的透明電極層。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件，能夠容易且精細(xì)地制作出由封入密 封單元中的第一液體和第二液體定義的透鏡元件。此外，能夠抑制依賴于加 工精度的透鏡光軸的變化。同樣，也能夠抑制電壓驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的液滴對(duì)中心 的偏離。
此外，根據(jù)本發(fā)明的透鏡陣列，能夠降低分隔透鏡的隔離壁的面積，由 此能夠增加有效的透鏡面積。


圖1的截面?zhèn)纫晥D示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)元件的示意性結(jié)構(gòu)。圖2的透視圖示出在硅基板中形成包含于光學(xué)元件的棱錐形通孔 的方法。圖3的特性圖示出施加給光學(xué)元件的驅(qū)動(dòng)電壓和焦距之間的關(guān)系。 [圖4]圖4的分解透視圖示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的透鏡陣列的示意性結(jié)構(gòu)。圖5是透鏡陣列主要部分的截面?zhèn)纫晥D。 [圖6]圖6的截面視圖示出透鏡陣列制作方法的步驟。 [圖7]圖7的截面視圖示出透鏡陣列制作方法的步驟。 [圖8]圖8的主要部分的截面視圖示出根據(jù)修正的凹槽形狀。 [圖9]圖9的主要部分的截面視圖示出根據(jù)另一個(gè)修正的凹槽形狀。 [圖IO]圖IO是具有六角棱錐形狀的凹槽的透視圖。 [圖ll]圖ll是具有矩形開口的凹槽的透視圖。 [圖12]圖12的示意圖示出了電潤濕效應(yīng)(電毛細(xì)管現(xiàn)象)。 [圖13]圖13的主要部分的截面視圖示出根據(jù)相關(guān)技術(shù)的光學(xué)元件的示 意性結(jié)構(gòu)。圖14的主要部分的截面視圖示出根據(jù)相關(guān)技術(shù)的另一個(gè)光學(xué)元 件的示意性結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
下面，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。 [第一實(shí)施例〗
圖1的截面?zhèn)纫晥D示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光學(xué)元件20的示意性 結(jié)構(gòu)。在根據(jù)本實(shí)施例的光學(xué)元件20中，第一液體31和第二液體32容納 在形成于密封單元30中的液體腔27中，并形成液體透鏡元件，其中第一液 體31和第二液體32間的界面33起到透鏡表面的作用。
透明導(dǎo)電的液體用作第一液體31。舉例來說，可以采用比如水、電解液 (比如氯化鉀、氯化鈉和氯化鋰電解質(zhì)的水溶液)的極性液體、比如曱醇和 乙醇的具有小分子量的醇類和常溫熔融的鹽(離子性液體)。
透明絕緣的液體用作第二液體32。舉例來說，可以采用非極性溶劑、硅 酮油和氟化材料，非極性溶劑比如包括癸烷、十二烷、十六烷和十一烷的碳 氫化合物材料。
第一液體31和第二液體32具有彼此不同的折射率，并由能夠處在液體 腔27中而彼此不混合的材料制成。更具體地說，在本實(shí)施例中，氯化鋰的 水溶液(濃度3.66wt%,折射率1.34)用作第一液體31，并且硅酮油(由 GE Toshiba Silicone Co., Ltd.生產(chǎn)的TSF437，折射率1.49 )用作第二液體32。 此外，第一液體31和第二液體32優(yōu)選具有彼此近似的比重。
請(qǐng)注意，在下面的說明中，"第一液體"被稱作電解液31，且"第二液 體"^皮稱作液滴32。
接著，將在下面描述單元30的結(jié)構(gòu)。
單元30包括成對(duì)的上部透明基板23和下部透明基板24。第一電極層 21結(jié)合在下部透明基板23的內(nèi)側(cè)，該下部透明基板23用作第一透明基板； 并且第二電極層22結(jié)合在上部透明基板24的內(nèi)側(cè)，該上部透明基板24用 作第二透明基板。此外，第一和第二電極層21和22由它們之間的密封層25 結(jié)合在一起。從而，獲得其中具有液體腔27的單元30。此外，在圖示的實(shí) 例中，其中形成透光孔29a的支撐板29被結(jié)合在下部透明基板23的外側(cè)。
成對(duì)的透明基板23和24可由玻璃基板、不導(dǎo)電的塑料基板、膜或片等 形成。密封層25可由像橡膠和樹脂材料的能確保液體不滲透的材料形成。 此外，電極層21和22可由金屬、導(dǎo)電氧化物或半導(dǎo)體材料等形成。具有倒四角棱錐形狀的通孔21a形成在第一電極層21中。具有近似于 通孔21a的大直徑部分的開口直徑的開口 22a形成在第二電極層22中。通 孔21a、開口 22a和在支撐板29中的透光口 29a在光軸35上成直線排列， 并用作穿過單元30的光線的進(jìn)口和出口 。
在本實(shí)施例中，單晶硅基板用作第一電極層21。加入了獲得預(yù)定導(dǎo)電率 所必需的需要量的摻雜劑(雜質(zhì)離子)的N型基板或P型基板用作單晶硅基 板。然而，根據(jù)具體要求等也可以采用非摻雜型的單晶硅。
作為在第一電極層21中形成具有倒四角棱錐形狀的通孔21a的方法， 優(yōu)選各向異性濕法蝕刻。在單晶硅基板比如硅被用作第一電極層21的情況 下，蝕刻選擇性根據(jù)結(jié)晶取向進(jìn)行。因此，能夠容易地形成通孔21a的每個(gè) 內(nèi)周面，作為具有預(yù)定傾斜角的傾斜面(錐形表面)。此外，通孔21a的內(nèi) 周面是結(jié)晶面，因此而非常平坦。因此，電解質(zhì)31能夠順暢地通過電潤濕 效應(yīng)移動(dòng)，且界面33的形狀能夠容易地;故改變。
在如圖2示意性示出的本實(shí)施例中，硅基板的(100)面設(shè)定為要加工 的面。從而，具有倒四角棱錐形的通孔21a形成為使得其內(nèi)周面由傾斜角6 為55°的傾斜面((lll)面)定義。通孔21a的形狀不局限于正方形棱錐形， 并且在平面視圖中也可以是矩形。這里，圖2中的標(biāo)號(hào)36表示掩模圖形。
包括通孔21a在內(nèi)的第一電極層21的整個(gè)表面被絕緣膜26覆蓋。絕緣
膜26不特別限定，只要它是由絕緣材料制成的即可，但是優(yōu)選由具有相對(duì)
高的介電常數(shù)的材料制成。此外，為了獲得相對(duì)大的電容，優(yōu)選絕緣膜26
的膜厚度很小。然而，膜厚必須等于或大于能確保絕緣強(qiáng)度的厚度。具有相
對(duì)高的介電常數(shù)的材料實(shí)例包括如氧化鉭和氧化鈦的金屬氧化物。然而，該 材料當(dāng)然不局限于此。形成絕緣膜26的方法也不特別限定，并可以采用如
濺射方法、化學(xué)氣相沉積(CVD)方法、蒸鍍方法的真空膜形成方法及其它 各種涂敷(coating)方法如電鍍方法、電沉積方法、涂敷方法和浸漬方法。 這里，僅需要絕緣膜26至少形成在第一電極層21的內(nèi)側(cè)上。
此外，在與液滴32接觸的通孔21a內(nèi)部外圍區(qū)域中，絕緣膜26優(yōu)選表 現(xiàn)出疏水性。形成該疏水膜的方法實(shí)例包括通過CVD方法形成聚對(duì)二曱苯 基(poly-para-xylyene)膜的方法和用像PVdF和PTFE的氟化高聚物涂敷電 極層表面的方法。或者，絕緣膜26也可以形成為結(jié)合包括高介電常數(shù)材料 和疏水材料在內(nèi)的多種材料的層疊結(jié)構(gòu)。這里，在第一電極層21中形成通孔21a的方法不局限于上述的實(shí)例。 舉例來說，也可以采用激光加工方法和比如切割的機(jī)械加工方法。此外，也 可以通過與上述實(shí)例類似的方法在第二電極層22中形成開口 22a。
由第一電極層21中的通孔21a和下部的透明基板23定義的凹槽28的 內(nèi)部空間、第二電極層22中的開口部分22a的內(nèi)部空間以及第 一 電極層21 與第二電極層22之間的間隙(對(duì)應(yīng)于密封層25的厚度)形成液體腔27。電 解液31和液滴32填充液體腔27的整個(gè)空間。電解液31與第二電極層22 接觸，且液滴32放置在凹槽28中。
在第一電極層21和第二電極層22之間設(shè)置電壓源34。電解液31和液 滴32間的界面33的形狀是球形的或非球形的，并且其曲率根據(jù)電壓源34 提供的電壓大小而改變。此外，界面33用作透鏡表面，該透鏡表面具有與 電解液31和液滴32間折射率之差相對(duì)應(yīng)的透4竟光學(xué)能力(lens power )。 從 而，通過調(diào)節(jié)施加在第一電極層21和電解液31之間的電壓大小，能夠變化 沿光軸35入射的光線的焦距。
圖3示出施加的電壓和焦距之間的關(guān)系。在圖3中，縱軸示出焦距f的 倒數(shù)，橫軸示出施加的電壓。在沒有施加電壓(V=0)的狀態(tài)下，液滴32 以圖1單點(diǎn)劃線所示的方式在凹槽28的內(nèi)周面上展開。電解液31和液滴32 之間的界面33A平衡于凹透鏡形狀，該凹透鏡凸向下部透明基板23。因此， 具有上述形狀界面33A的光學(xué)元件20具有位于下部透明基板23側(cè)的焦點(diǎn)， 并且自下部透明基板23側(cè)入射到單元30上的光線LA以圖1所示的發(fā)散方 式出射。
接著，當(dāng)在第一電極層21和電解液31之間開始施加電壓時(shí)，基于電潤 濕效應(yīng)導(dǎo)致電解液31朝凹槽28移動(dòng)。從開始施加電壓到某一電壓VI的范 圍內(nèi)，電解液31沒有明顯移動(dòng)。因此，電解液31和液滴32之間的界面33A 形狀只有小的改變。
當(dāng)施加電壓的大小超過V1時(shí)，凹槽28的內(nèi)周面對(duì)于電解液31的潤濕 性增加，并且電解液開始自凹槽28的外圍邊緣進(jìn)入凹槽28。因此，電解液 31和液滴32之間的界面33曲率減小，且當(dāng)施加電壓是V2時(shí)該界面變平。 在該狀態(tài)下，界面33處得不到透鏡效應(yīng)，且焦距變得無窮大(l/f=0)。
當(dāng)施加的電壓進(jìn)一步增加時(shí)，凹槽28被電解液31占據(jù)的面積增加，并 且電解液31和液滴32之間的界面33B形狀改變?yōu)閳D1中實(shí)線所示的凸透鏡形狀，該凸透鏡凸向上部透明基板24。如果從這個(gè)狀態(tài)進(jìn)一步增加施加的電 壓，具有凸透鏡形狀的界面33的曲率將進(jìn)一步增加。從而，可獲得具有圖1 虛線所示形狀的界面33C。穿過具有凸透鏡形狀的界面33B和33C的光學(xué)元 件20的光線LB和LC具有在上部基板24側(cè)的焦點(diǎn)。穿過界面33C的透鏡 形狀的光線LC的焦距要比穿過界面33B的透鏡形狀的光線LB的短。從而， 根據(jù)本實(shí)施例的光學(xué)元件20起變焦透鏡的作用，其能夠根據(jù)施加電壓的大 小而調(diào)節(jié)焦距。
從而，在#4居本實(shí)施例具有上述結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件20中，因?yàn)槭占{液滴 32的凹槽28形成為棱錐形，所以能改善放置在凹槽28中的液滴32的對(duì)中 性能。因此，能穩(wěn)定地定位液滴32的光軸，并能夠抑制電壓驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下液 滴32對(duì)中心的偏離。
具體地說，在本實(shí)施例中，形成為凹槽28外圍面的絕緣膜的下層由第 一電^L層21形成。當(dāng)施加電壓時(shí)，這種構(gòu)造為電解液31沿著凹槽28的外 圍面移動(dòng)提供了引導(dǎo)作用，且為液滴32對(duì)中性能的改善做了很大貢獻(xiàn)。
此外，因?yàn)榘疾?8是作為形成在第一電極層21表面中的蝕刻痕跡而形 成的，所以能夠容易地以高精度形成該凹槽。從而，能夠抑制由于加工誤差 導(dǎo)致的光軸變化。
此外，因?yàn)榘疾?8形成為棱錐形，所以在接近凹槽28外圍邊緣的區(qū)域 中，放置在凹槽28中的液滴32和電解液31之間的界面形狀能^皮設(shè)定為非 球形的形狀。因此，根據(jù)本實(shí)施例的光學(xué)元件能夠用作非球形透鏡元件，用 于矯正比如在照相機(jī)中的畸變(桶形畸變、枕形畸變)?；儗?shí)例包括桶形 畸變和一允形畸變。
接著將描述本發(fā)明的第二實(shí)施例。圖4和圖5示出包括根據(jù)本發(fā)明的光 學(xué)元件的透鏡陣列的示意性結(jié)構(gòu)。這里，圖4是透鏡陣列40的分解透視圖， 并且圖5是透鏡陣列40的示意性截面?zhèn)纫晥D。
通過二維排列上述的第一實(shí)施例中的多個(gè)光學(xué)元件(液體透鏡元件)， 形成透鏡陣列40。這里，在圖5所示的截面視圖中，為了解釋方便，示出兩 個(gè)液體透鏡元件在單元50中彼此相鄰排列的實(shí)例。
根據(jù)本實(shí)施例的透鏡陣列40包括起第一電極層作用的硅基板41、上部 透明基板44和用來鑲嵌硅基板41的框架49，上部透明基板44通過配置在中間的密封環(huán)45而結(jié)合至硅基板41 。
硅基板41具有矩形形狀，并且在其表面中二維形成多個(gè)具有倒四角棱 錐形狀的通孔41 a。在珪基板41和上部透明基;f反44之間形成液體腔47,該 液體腔47填充有由導(dǎo)電的第 一液體形成的電解液51和由絕緣的第二液體形 成的液滴52。下部透明基板43結(jié)合在硅基板41的底表面，并由下部透明基 板43來封閉通孔41a的底部。從而，在液體腔47中形成多個(gè)二維排列的凹 槽48。
在包括凹槽48的區(qū)域內(nèi)，硅基板41的表面被絕緣膜46覆蓋。在本實(shí) 施例中，具有疏水性的聚對(duì)二曱苯基膜被用作絕緣膜46。
在液體腔47中，液滴52放置在各個(gè)凹槽48中，并且剩下的區(qū)域填充 有電解液51。電解液51和液滴52具有近似的比重且4皮此不混合地位于液體 腔47中，從而在它們之間形成了球形或非球形的界面53。此外，電解液51 和液滴52具有彼此不同的折射率。從而，在界面53處形成具有與折射率之 差相對(duì)應(yīng)的透鏡光學(xué)能力的透鏡元件。
起第二電極層作用的透明電極膜42形成在上部透明基板44的內(nèi)表面 上。舉例來說，透明電極膜42由諸如ITO (銦錫氧化物)和IZO (銦鋅氧 化物)的透明、導(dǎo)電金屬氧化物形成。用導(dǎo)電膠將連接到電壓源54的一個(gè) 終端的布線構(gòu)件(wiring member) 55粘結(jié)至透明電4及膜42,在它們之間插 入各向異性導(dǎo)電膜等。舉例來說，柔性布線基板(flexible wiring substrate ) 等被用作布線構(gòu)件55。
液體腔47中的電解液51和透明電才及膜42接觸，并在之間配置有絕緣 膜46的硅基板41和電解液51之間施加電壓。根據(jù)施加在硅基板41和電解 液51之間的電壓，界面53的形狀被大大改變。因此，能夠通過調(diào)節(jié)施加電 壓的大小而控制透鏡元件的焦距。
舉例來說，框架49由諸如塑性材料的絕緣材料形成，并在該框架49的 上、下表面具有開口。用諸如紫外固化膠的粘結(jié)劑56將框架49的上邊緣粘 結(jié)到上部透明基板44的底面外圍部分。框架49的底端向內(nèi)彎曲，并且通過 填縫(caulking )、粘結(jié)或者其它方式將金屬電極57粘結(jié)至該底端的邊緣部 分。金屬電極57由諸如銅板的金屬板形成，并連接至電壓源54的另一個(gè)終 端。此外，金屬電極被結(jié)合至形成在硅基板41底面上的接觸電極58。
在根據(jù)上述構(gòu)造的本發(fā)明實(shí)施例的透鏡陣列40中，根據(jù)施加在硅基板41和透明電^L膜42之間的電壓大小，電解液51和ii置在各個(gè)凹槽48中的 液滴52之間的界面53形狀能夠同時(shí)改變。從而，能夠獲得片狀的液體透鏡 元件。該片狀的液體透鏡元件能用作頻閃裝置或照相機(jī)等中的面發(fā)射光源的 焦點(diǎn)變化元件。
具體地說，根據(jù)本實(shí)施例，由于收納液滴52的凹槽48具有四角棱錐形 狀，凹槽48能夠密集地排列在硅基板41的表面中，并且能減少分隔透鏡的 隔離壁的面積。因此，在透鏡陣列中能夠提供整體上具有大的有效面積的透 鏡表面。
接著，將描述具有上述結(jié)構(gòu)的透鏡40的制作方法。圖6和圖7所示的 截面視圖解釋了透鏡陣列40的制作方法的步驟。 [接觸電極形成步驟]
首先，如圖6部分A所示，在石圭基板41的一個(gè)表面(底表面)上形成 接觸電極58。硅基板41的底面就是結(jié)合下部透明基板43的表面，并在該底 面上形成由Ti、 Cr等制成的薄膜以作為粘結(jié)層。形成粘結(jié)層之后，通過真 空沉積方法等形成具有穩(wěn)定表面的Pt、 Au等金屬薄膜，以形成特定圖形的 接觸電極58。
為了確保對(duì)粘結(jié)至框架49底邊緣的金屬電極57的電接觸，優(yōu)選形成接 觸電極58以具有相對(duì)大的厚度。因此，Pt、 Au等薄的金屬膜形成后，可通 過在其表面上形成電鍍膜增加接觸電極58的厚度。
此外，在切割硅基板41的步驟中，接觸電極58還能用作示出切割位置 的定位標(biāo)記。在這種情形下，如圖所示，金屬電極58優(yōu)選形成為兩條直線， 以使切塊機(jī)(劃片機(jī))能在它們之間定位。此外，在下面將要描述的形成絕 緣膜的步驟中，接觸電極58還可用以辨別不形成絕緣膜的一側(cè)。
接著，如圖6的部分B所示，進(jìn)行將下部透明基板43結(jié)合至硅基板41 的底面的步驟。下部透明基板43由3皮璃基板形成。舉例來說，作為玻璃基 板，優(yōu)選使用以Pyrex玻璃("Pyrex，，是注冊(cè)商標(biāo))為代表的具有低的膨脹 系數(shù)的硅硼氧化物(Silica boron oxide)玻璃基板。這里，硅硼氧化物玻璃 具有低的軟化點(diǎn)，并因此能夠陽極耦合至硅基板41。從而，能夠獲得好的粘 結(jié)性。
此外，作為將硅基板41和下部透明基板43結(jié)合在一起的方法，也可以采用使用低熔點(diǎn)玻璃作為粘結(jié)劑的結(jié)合方法、通過等離子體輻照激活表面的
結(jié)合方法等。還可以使用樹脂粘結(jié)劑，只要該樹脂粘結(jié)劑不會(huì)被電解液51 和液滴52損壞即可。 [凹槽形成步驟]
接著，如圖6的部分C所示，進(jìn)行通過各向異性濕法蝕刻方法在硅晶片 41中形成棱錐凹槽48的步驟。
在形成凹槽48的步驟中，在硅基板41的另一個(gè)表面(上表面)上要形 成凹槽48的位置處預(yù)先形成具有開口的掩模圖形。舉例來說，KOH(氫氧 化鉀)溶液用作蝕刻劑。在這種情形下，氮化硅膜適合用作掩模圖形。然而， 蝕刻劑不局限于此，并且也可以使用經(jīng)常用于硅基板各向異性蝕刻的強(qiáng)堿溶 液。根據(jù)溶液的種類選擇掩模材料。
通過適當(dāng)?shù)剡x擇硅基板的結(jié)晶取向形成具有倒四角棱錐形狀的凹槽48, 該倒四角棱錐形狀通過倒轉(zhuǎn)四角棱錐而獲得。蝕刻劑滲入硅基板41,并在下 部透明基板43的表面處結(jié)束蝕刻工藝。從而，凹槽48的底面被構(gòu)造為玻璃 窗口，以用作透鏡元件的開口面。通過改善掩模圖形的精度，能夠形成單個(gè) 透鏡之間變化很小的透鏡陣列。此外，當(dāng)將下部透明基板43粘結(jié)至硅基板 41的底面時(shí)形成凹槽48。因此，能使得凹槽48的底面部分平坦，且能形成 像差小的透鏡元件。
接著，如圖6的部分D所示，進(jìn)行單個(gè)化(singulating) 硅基板41的 切割步驟。在切割步驟中，在接觸電極58之間的位置執(zhí)行切割，該接觸電
接著，如圖7的部分E所示，在單一化的硅基板41的表面上形成絕緣 膜46。絕緣膜46還形成于凹槽48的表面上，該凹槽48形成在硅基板41 中。由于要涂敷的表面具有許多臺(tái)階，因此適合用具有高涂敷性能的材料作 為絕》彖膜46。在本實(shí)施例中，采用通過真空沉積形成具有疏水性的聚對(duì)二曱 苯基膜的方法。
透鏡元件的驅(qū)動(dòng)電壓主要取決于絕緣膜46的膜厚。更具體地說，隨著 絕緣膜46膜厚的減小，電解液51和硅基板41之間的電容會(huì)增加，且可以 減小透鏡元件的驅(qū)動(dòng)電壓。因?yàn)榘疾?8通過各向異性濕蝕刻硅基板41形成，所以凹槽48的錐形內(nèi)周面被平整到納米級(jí)別。因此，能高精度地控制絕緣 膜46的膜厚，并且能容易地減小絕緣膜46的膜厚。在本實(shí)例中，設(shè)定絕緣 膜46的膜厚為約3pm。 [液體注入步驟]
接著，如圖7的部分F所示，在珪基板41的上表面放置密封環(huán)45。舉 例來說，密封環(huán)45由橡膠制成的O型環(huán)形成，并被粘結(jié)至硅基板41的外圍 區(qū)域，該外圍區(qū)域包圍了凹槽48的形成區(qū)域。然后，電解液51和液滴52 進(jìn)入由密封環(huán)45的內(nèi)周邊包圍的空間。液滴52放置在各個(gè)凹槽48中，且 #是供電解液51以填充凹槽48上的空間。
將液滴52放置入凹槽48的方法實(shí)例包括電解液51填充由密封環(huán)45 的內(nèi)周邊包圍的空間，然后通過將噴嘴的一端插入電解液51而把液滴52滴 入凹槽48中的方法；以及將液滴52滴入凹槽48,然后乂人液滴52上注入電 解液51的方法。
最后，如圖7的部分G所示，進(jìn)行將上部透明基板44粘結(jié)至硅基板41、 將硅基板41放置入框架49以及將上部透明基板44和框架49相互粘結(jié)和固 定的步驟。
用紫外活性粘結(jié)劑將上部透明基板44和框架49相互粘結(jié)，該紫外活性 粘結(jié)劑被來自上部透明基板44側(cè)的紫外輻照固化。此外，當(dāng)將上部透明基 板44和框架49相互粘結(jié)的時(shí)候，位于框架49底端的金屬電極57與硅基板 41底面上接觸電極58進(jìn)入壓力觸點(diǎn)，從而提供了電連接。通過壓緊或粘結(jié) 等將金屬電極57預(yù)先與框架49集成。在將上部透明基板44和框架49相互 粘結(jié)的步驟中，在組裝前調(diào)節(jié)它們之間的平行性。
此外，用導(dǎo)電粘結(jié)劑和配置在其間的各向異性導(dǎo)電膜將布線構(gòu)件55結(jié) 合至上部透明基板44，從而使得形成在上部透明基板44內(nèi)側(cè)的透明電極膜 42和布線構(gòu)件相互電連接。這里，取代粘合的布線構(gòu)件55，透明電極膜42 本身可以用作終端。或者，可以僅僅在透明電極膜42凸出在外的部分上形 成金屬膜，并可通過金屬線結(jié)合或焊接形成金屬線。
以上述方式制作根據(jù)本實(shí)施例的透鏡陣列40。
根據(jù)本實(shí)施例，與上述的第一實(shí)施例相似，制作工藝便利并能進(jìn)行微加 工。此外，能夠抑制取決于加工精度的光軸變化和電壓驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下液滴對(duì)中心的偏離。此外，能夠減少分隔透鏡的間隔壁的面積，從而增加了有效透鏡 面積。
具體地說，因?yàn)橥ㄟ^各向異性濕法蝕刻在硅基板41中形成凹槽48,所以 能夠以高精度同時(shí)形成多個(gè)凹槽48。此外，通過孩i加工能容易地形成凹槽48。
此外，因?yàn)槟芤愿叱叽缇刃纬砂疾?8的錐形內(nèi)周面，所以能夠制得 每個(gè)透鏡中液體體積變化、畸變量變化和其它光學(xué)特性變化都非常小的透鏡 陣列40。此外，通過減小包括硅基板41和成對(duì)的透明基板43和44在內(nèi)的 構(gòu)件的厚度，能夠制得即使在組裝之后也非常薄的透鏡陣列40。
盡管在上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例，但是顯然本發(fā)明不局限于 這些實(shí)施例，并且各種基于本發(fā)明技術(shù)思想的修正都是可以的。
舉例來說，在上述的每個(gè)實(shí)施例中，已經(jīng)解釋了由絕緣的第二液體制成 的液滴32、 52被放置在密封單元30、 50的凹槽28、 48中的實(shí)例。然而， 該結(jié)構(gòu)顯然不局限于此，由導(dǎo)電的第一液體制成的液滴也可以放置在凹槽 28、 48中。
此外，在上述的每個(gè)實(shí)施例中，形成凹槽28的錐形內(nèi)周面的每個(gè)傾斜 面都具有相同的傾斜角。然而， 一個(gè)或多個(gè)傾斜面可以具有與其它傾斜面不
同的傾斜角。比如，圖8所示的實(shí)例中，沿左右方向具有不同傾斜角的兩種 凹槽28B和28C緊鄰沿左右方向具有相同傾斜角內(nèi)周面的凹槽28A設(shè)置。 在如圖所示的實(shí)例中，通過任意調(diào)節(jié)凹槽28內(nèi)周面的傾斜角，能夠任意地 調(diào)節(jié)液滴32的光軸。從而，能得到比如具有光擴(kuò)散作用的透鏡陣列。
此外，凹槽形狀不局限于上述的倒四角棱錐形。如圖9所示，本發(fā)明也 能應(yīng)用于這樣的凹槽28D,該凹槽28D具有的棱錐形狀為內(nèi)周面沿一個(gè)方向 逐漸變小，使得開口部分的面積小于底部分的面積。在這種情形下，液滴32 的透鏡表面(界面)33的曲率要比上述實(shí)施例中的大。
此外，凹槽的形狀不局限于四角棱錐形，還可以是其它諸如三角棱錐形 和六角棱錐形的棱錐形狀。圖10示出具有六角棱錐形狀的凹槽28E密集排 列的實(shí)例。
此外，如圖11所示，凹槽的開口可以具有矩形形狀。在這樣的情況下， ;改置在凹槽28F中的液滴的透4竟表面能夠形成為長邊方向和短邊方向的曲 率不同的圓柱形狀或環(huán)形形狀。這種類型的透鏡能被廣泛地應(yīng)用于比如照明 光學(xué)系統(tǒng)或者包括于激光打印機(jī)、光盤裝置等之中的光學(xué)系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1、一種液滴放置于密封單元中的光學(xué)元件，特征在于，收納所述液滴的棱錐形凹槽形成于所述單元中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，特征在于，所述凹槽具有四角梯形 棱錐形狀。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，特征在于，所述單元包括 成對(duì)的透明基板，液體腔，形成在所述成對(duì)的透明基板之間，第一液體和第二液體，容納在所述液體腔中，并具有彼此不同的折射率，和電極層，配置在所述液體腔中，并具有被絕緣膜覆蓋的表面， 其中所述第一液體是導(dǎo)電的，而所述第二液體是絕緣的，所述第一液體和所述第二液體彼此不混合地存在于所述液體腔中，并且其中所述凹槽形成在所述電極層的面中，并且所述第 一液體和所述第二液體之一被放置于所述凹槽中。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)元件，特征在于，在所述成對(duì)的透明基板 之一上，形成橫過所述液體腔面向所述電極層的透明電極層。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)元件，特征在于，所述第一液體和所述 第二液體之間的界面是非球形的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)元件，特征在于，所述電極層由單晶硅 基板制成，并且所述凹槽由形成在所述單晶硅基板表面中的蝕刻痕跡制成。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，特征在于，所述凹槽的內(nèi)周面是 疏水表面。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，特征在于，形成所述凹槽的內(nèi)周 面的全部傾斜面獨(dú)立形成以具有大致相等的傾斜角。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，特征在于，形成所述凹槽的內(nèi)周 面的一個(gè)或多個(gè)傾斜面形成為具有與其它傾斜面不同的傾斜角。
10、 一種光學(xué)元件，包括 導(dǎo)電的第一液體，絕緣的第二液體，具有與所述第一液體不同的折射率；和 密封單元，其中容納彼此不混合的所述第 一液體和所述第二液體， 其中所述光學(xué)元件的特征在于所述單元包括 第一電極層，其中形成有收納所述第二液體的棱錐形通孔； 絕緣膜，覆蓋所述第一電極層；第一透明基板，結(jié)合至所述第一電極層的一個(gè)表面并封閉所述通孔的一端；第二透明基板，配置為面向所述第一電極層的另一個(gè)表面，且在所述第 二透明基板和所述第一電極層之間配置有密封層；和第二電極層，配置在所述第一電極層和所述第二透明基板之間，且與所 述第一液體接觸。
11、 根據(jù)權(quán)利要求io所述的光學(xué)元件，特征在于，所述第二電極層是 形成在所述第二透明基板上的透明電極膜。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)元件，特征在于，所述光學(xué)元件還包 括能夠在所述第一電極層和所述第二電極層之間施加預(yù)定電壓的電壓源。
13、 一種透鏡陣列，特征在于 在光學(xué)元件中，液滴被放置在密封單元中； 多個(gè)收納所述液滴的棱錐形凹槽在所述單元中二維形成。
14、 一種透鏡陣列，包括 導(dǎo)電的第一液體，絕緣的第二液體，具有與所述第一液體不同的折射率，和 密封單元，其中容納彼此不混合的所述第 一液體和所述第二液體，其中所述透4i;陣列的特征在于所述單元包括第一電極層，其中二維排列多個(gè)棱錐形通孔，每一個(gè)這些通孔收納所述 第二液體，絕緣膜，覆蓋所述第一電極層，第一透明基板，結(jié)合至所述第一電極層的一個(gè)表面，并封閉所述通孔的 一端,第二透明基板，配置為面向所述第一電極層的另一個(gè)表面，并在所述第二透明基板和所述第一電極層之間配置有密封層；和透明的第二電極層，形成在所述第二透明基板的內(nèi)側(cè)上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制作容易且可微加工的透鏡陣列，同時(shí)抑制取決于加工精度的光軸偏移和電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)液滴對(duì)中心的偏離。在根據(jù)本發(fā)明的透鏡陣列(40)中，容納液滴(52)的多個(gè)棱錐形凹槽(48)二維地形成在密封單元(50)中，該密封單元(50)填充有無任何相互混合的第一導(dǎo)電液體(51)和第二絕緣液體(或者液滴)(52)。因?yàn)榘疾?48)形成為棱錐形狀，所以能夠提高容納在這些凹槽中的液滴(52)的對(duì)中特性，并能夠抑制由液滴(52)的界面(53)形成的透鏡元件的光軸偏移。在電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，光軸也能被穩(wěn)定地固定以防止液滴(52)對(duì)中心的偏離。而且，與圓錐形凹槽的情形相比，凹槽密集排列的精細(xì)加工能被便利化。
文檔編號(hào)G02B3/14GK101421642SQ20078001326
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月13日
發(fā)明者高井雄一 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社