CN101241215A - 光学元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学元件。根据本发明一个方面的光学元件包括：透镜支架，所述透镜支架包括第一电极、形成在第一电极上并具有用作光路的通孔的绝缘结构、以及形成在绝缘结构中以包围通孔的至少一个第二电极；以及至少一个微透镜，其位于所述通孔中并由透明树脂形成。

Description

光学元件及其制造方法

相关申请交叉参考

本申请要求2006年12月18日向韩国知识产权局提交的第2006-29522号韩国专利申请的优先权，其公开内容整体结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种光学元件，更具体地，涉及一种具有带微透镜的镜头筒结构的光学元件以及该元件的制造方法。

背景技术

近年来已经开始广泛使用可便携的成像装置，这增加了对于高性能的微透镜的需求。

通常，已知微透镜是通过利用模具的复制方法制造的。这种复制方法广泛用于以低成本制造微透镜或其中布置有微透镜的微透镜阵列(array)。制造或复制微透镜的一般方法的实例可以包括改进的LIGA(光刻-电镀-铸塑)工艺、硅的各项同性蚀刻、灰度掩膜的使用、通过电子束(E-束)或激光的直接写入、模具的精细加工、以及感光材料的回流。

例如，第2003-0024597号韩国专利申请中公开了一种利用感光层的回流工艺制造微透镜阵列的方法。进一步地，在第5,310,623号美国专利出版物中，微透镜的复制是在具有灰度掩膜的光刻胶材料中产生的。

但是，根据制造微透镜(或微透镜阵列)的一般方法，产生具有所需精确形状的透镜是耗时且成本高的。另外，由于回流工艺以及制造模具期间出现的困难，制造诸如具有大数字光圈的透镜以及非球面透镜的各种形状的微透镜是难以实现的。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种可通过利用静电力在微透镜上进行精细控制的光学元件，并且提供了用于该精细控制的一种结构，该结构可用作与镜头筒结构相应的透镜支架。

本发明的一个方面还提供了用于制造光学元件的方法。

根据本发明的一个方面，提供了光学元件，该光学元件包括：透镜支架，该透镜支架包括第一电极、形成在第一电极上并具有用作光路的通孔的绝缘结构、以及形成在绝缘结构内以包围通孔的至少一个第二电极；以及至少一个微透镜，位于通孔中并由透明树脂形成。

该至少一个微透镜可与第一电极接触并通过透镜支架的绝缘结构与该至少一个第二电极绝缘。

用于确保光路的结构可根据第一电极的透光率而变化。

第一电极可由透明材料形成。

微透镜可形成在第一电极的用作通孔底表面的区域处。透镜支架可进一步包括透明基板，并且第一电极形成在透明基板上。

第一电极可由不透明电极材料形成，并可具有形成为用于确保光路的开口。

第一电极的开口可具有小于通孔的直径，从而第一电极提供了圆形(circumferential)突起。突起可提供第一电极与微透镜之间的连接，并且可用作用于微透镜的支撑单元。

透镜支架可进一步包括透明基板，并且第一电极可形成在透明基板上。

第二电极可包括多个第二电极，并且多个第二电极可层压在绝缘结构内并彼此绝缘。为了获得微透镜更精确的形状，该多个第二电极中的至少一些第二电极可以不同的距离与通孔的内侧壁隔开。

可以提供其中排列有多个微透镜的光学元件。

这里，绝缘结构的通孔以及安装于通孔的微透镜可分别包括多个通孔和多个微透镜。通孔可以以包括多行和多列的矩阵形式布置。

所述第一和第二电极形成为多个图案，所述多个图案分隔在所述通孔的多行和多列中。

根据本发明另一方面，提供了形成为组件的光学元件，该组件包括多个光学元件，这些光学元件层压于组件中以具有相同的光路。

可以层压多个光学元件中的至少一些光学元件以使所述至少一些光学元件的通孔的开口面对一个方向。可替换地，可以层压多个光学元件中的至少一对光学元件以使至少一对光学元件的通孔的开口彼此面对或朝向相反的方向。

根据本发明又一方面，提供了制造光学元件的方法，该方法包括；准备透镜支架，该透镜支架包括第一电极、形成在第一电极上并具有用作光路的通孔的绝缘结构、以及形成在绝缘结构中以包围通孔的至少一个第二电极；为每个通孔提供透明液体树脂以形成初级的透镜形状；向第一和第二电极施加电压，通过利用第一与第二电极之间产生的静电力使得具有初级透镜形状的液体树脂具有所需的二级(secondary)透镜形状，并且通过固化具有二级透镜形状的液体树脂来形成微透镜。

根据本发明的再一方面，提供了用于制造光学元件的装置，该光学元件包括：透镜支架，所述透镜支架具有第一电极、形成在第一电极上的绝缘结构、以及用作光路的通孔；以及至少一个第二电极，形成在绝缘结构内以包围通孔。这里，透镜支架可控制插入到通孔中的液体树脂的形状以利用第一和第二电极形成透镜。进一步地，可在最终产品中保留透镜支架，该透镜支架用作镜头筒结构。

附图说明

从以下结合附图的详细描述中可以更清楚地理解本发明的上述和其它方面、特征、和其它优点，附图中：

图1A是示出了根据本发明一个示例性实施例的光学元件的透视图。

图1B是示出了根据本发明一个示例性实施例的光学元件的侧截面视图。

图2A和2B是示出了根据本发明另一个示例性实施例的光学元件的侧截面视图。

图2C示出了其中更改了第二电极的结构的光学元件。

图3A至3D是示出了制造图1所示光学元件的工艺的截面图。

图4A是示出了根据本发明示例性实施例的具有微透镜阵列结构的光学元件的透视图。

图4B是示意性示出了用在图4A所示的光学元件中的电极图案的平面图。

图5A至5C是示出了包括图1A和1B所示的光学元件的组件的实例的侧截面图。

具体实施方式

以下将参照附图详细说明本发明的示例性实施例。

图1A是示出了根据本发明一个示例性实施例的光学元件的透视图。图1B是示出了根据本发明一个示例性实施例的光学元件的侧截面视图。

如图1A所示，根据本发明一个示例性实施例的光学元件10包括微透镜18以及容纳微透镜18的透镜支架。透镜支架包括第一电极12、形成在第一电极12上的绝缘结构14、以及布置在绝缘结构14内的第二电极16。根据本实施例的透镜支架可进一步包括透明基板11，第一电极12形成在该透明基板上。

如图1A和1B所示，形成透镜支架的绝缘结构14具有确保光路L的通孔H。通孔H可具有圆柱形结构。进一步地，第二电极16布置在绝缘结构14内。第一电极12和第二电极16用作施加静电力的单元，该静电力用来在形成透镜时控制微透镜18的形状。第二电极16与第一电极12之间具有一致的间隔。第二电极16包围通孔H以获得所需的透镜结构。

第一电极12形成在透明基板11上。在本实施例中，第一电极12可由公知的透明电极材料形成，诸如ITO(氧化铟锡)。即使在第一电极12封闭绝缘结构14的通孔H的底表面时，由于第一电极12由透明材料形成，所以可以有效确保沿通孔H设置的光路L。进一步地，第一电极12稳定地支撑微透镜18。

当形成了微透镜18时(即，在完成固化之前)，通过利用从包括设置在上述透镜支架中的第一和第二电极12和16的结构产生的静电力可更加精确地控制根据本实施例的微透镜18，从而微透镜18具有所需轮廓。这样，微透镜18由可固化的材料形成，通过静电力可改变该材料的轮廓。具有导电性或包含有电解组分的可固化透明液体树脂可适当地用作微透镜18的材料。

进一步地，为了增加通过利用相同电压下的静电力控制透镜形状的能力，微透镜18可与第一电极12接触并通过透镜支架的绝缘结构14与第二电极16绝缘。

这样，本实施例中使用的透镜支架包括用于透镜轮廓精细控制的第一和第二电极12和16，并且该透镜支架可用作确保光路L和支撑透镜18的镜头筒结构。

可以将本发明改变为各种形式并加以实施。更具体地，根据透镜支架的透光率，特别地是根据第一电极的材料，可以以不同方式更改和实施用于确保光路的结构(参见图2A和2B)。进一步地，为了更精确地控制透镜轮廓，可以以各种方式来更改电极结构，特别是第二电极的布置和数量(参见图2C)。

图2A和2B示出了本发明的另一示例性实施例。在图2A和2B中，例示出了使用形成第一电极的非透明电极材料的光学元件。

参照图2A，光学元件20包括微透镜28以及容纳微透镜28的透镜支架。

与图1B所示的光学元件类似，图2A所示的光学元件20具有透镜支架，该透镜支架包括透明基板21、第一电极22、绝缘结构24、和第二电极26。进一步地，第一电极22包括开口O。开口O形成在对应于绝缘结构24的通孔H的位置处，从而确保了光路。该结构可能在第一电极22是由非透明材料制成时是有利的。

在本实施例中，第一电极22的开口O可具有小于通孔H的直径D1的直径D2。由于第一电极22可连接至微透镜28，因此可以确保控制轮廓所需的驱动力。

另一方面，如图2B所示，光学元件30可具有移除了透明基板的结构。光学元件具有微透镜38以及包括第一电极32、绝缘结构34、和第二电极36的透镜支架。

第一电极32可由可以降低透光率的材料形成。在这种情况下，与图2A类似，开口O形成在第一电极32中以提供光路。进一步地，为了提供突起S，第一电极32的开口O具有在一定范围内足够小于通孔H的直径D1的直径D’2，在所述范围内是可以确保光路的。优选地，第一电极32的突起S可具有预定宽度的圆形(circumferential shape)。

在本实施例中，突起S确保至微透镜38的连接并用作稳定支撑微透镜38的支撑单元。这里，基于提供液体树脂以制造微透镜时的小滴的尺寸和形状以及控制过程期间的位移，可以在考虑表面张力的情况下设计构成支撑单元的突起S的宽度，以防止将液体树脂分离。

进一步地，如上所述，可以以各种方式来更改电极结构以便于更精确地控制透镜的轮廓。

图2C示出了其中更改了第二电极的结构的光学元件。

参照图2C，光学元件40包括微透镜48以及容纳微透镜48的透镜支架。类似于图1A所示的透镜支架，该透镜支架包括第一电极42、形成在第一电极42上并具有通孔H的绝缘结构44、形成在绝缘结构44内的第二电极46、以及其上形成有第一电极42的透明基板41。

在本实施例中，第二电极46包括层压在绝缘结构44中的多个电极层46a、46b、和46c。多个第二电极层46a、46b、和46c彼此电绝缘并用作单独的单元以用于在形成透镜时与第一电极42一起施加静电力以控制微透镜48的形状。

这样，多个第二电极层46a、46b、和46c定位在不同水平上并具有被施加有由每个电极层和第一电极产生的静电力的不同的区域，从而可以更精确地控制透镜的形状。

进一步地，如图2C所示，多个第二电极层46c、46b、和46a与通孔H隔开距离d1、d2、和d3(d1＜d2＜d3)。这里多个第二电极层46a、46b和46c与通孔H之间的距离d1、d2、和d3通常沿从顶部到底部的方向增加。通过分别改变第二电极层46a、46b、和46c的水平以及通孔H的内侧壁与第二电极层46a、46b、和46c之间的距离d1、d2、和d3(d1＜d2＜d3)可以更精确地控制由多个第二电极层46a、46b、和46c产生的静电力的范围和大小。

这样，根据本发明实施例的光学元件，特别是透镜支架具有各种形状，可以提供对于透镜轮廓的精细控制并用作支撑透镜的镜头筒。

图3A和4B是示出了制造图1所示的光学元件的过程的截面图。

如图3A所示，第一电极12形成在透明基板11上。

第一电极12可以是透光导电氧化物，诸如ITO和ZnO。由于此方法对应于图1所示的实施例，所以已经例示出了在透镜基板11上形成第一电极12的过程。但是，如图2B所示，当没有使用透明基板时，其中具有开口O的电极层32可用作基板。

进一步地，如图3B所示，包括第二电极16和用作光路的通孔H的绝缘结构形成在第一电极12上。

绝缘结构14可由诸如绝缘树脂的绝缘有机材料以及诸如绝缘氧化物或氮化物的绝缘无机材料形成。根据形成下绝缘层的过程、形成包围通孔的第二电极的过程、以及在其上形成上绝缘层的过程，绝缘结构14可直接形成在基板上。但是，在制造了包括包围通孔H的第二电极16的绝缘结构14之后，可通过使用可固化粘合材料(未示出)将绝缘结构14结合至第一电极12。这样，形成在第一电极12上的绝缘结构14具有确保光路的通孔并具有设置在绝缘结构14中的第二电极16。因此，绝缘结构14用作用于施加静电力并同时构成镜头筒结构的单元。

接着，参照图3C，向通孔H提供透明液体树脂18’，以形成初级透镜形状。

透明液体树脂18’可以是可固化并透明的。具体地，透明液体树脂18’可以是包含电解组分并具有导电性的可固化的透明液体树脂，从而可以受到静电力的影响。例如，可通过混合透明聚合物树脂和电解组分(诸如特定的盐)来形成透明液体树脂18’。在此过程中，通过使用微注射器将具有预定粘度的树脂滴提供到第一电极12，从而形成初级的透镜形状。可根据注射条件以及树脂18’的表面张力和粘度来适当控制初级透镜形状。进一步地，当形成预定形状时，如果树脂18’所在的表面被给予了疏水特性的话，可以增加具有初级透镜结构的树脂18’的接触角度。因此，可以容易地制造出形状非常广泛的透镜。优选地，具有初级形状的树脂18’的一部分与绝缘结构14相接触，从而可以通过在第一与第二电极12、16之间产生的静电力来改变树脂18’的形状。

接着，如图3D所示，向第一和第二电极12和16中的每个电极施加电压，以形成具有二级透镜形状的液体树脂18’。通过在第一与第二电极12、16之间所施加的电压，第一与第二电极12、16之间产生了静电力。根据所施加电压的大小，可以控制具有初级形状的树脂，使其形成为具有所需二级形状的树脂18”。可以根据第二电极16的布置和数量来控制静电力的大小和产生静电力的区域，如图2B所示。根据树脂的类型，通过紫外线固化方法或加热固化方法来固化通过利用静电力的精细控制而得到的具有二级透镜形状的液体树脂18”，从而完成了图1B所示的光学元件10。

本发明可实现为具有阵列结构的光学元件，该阵列中布置有多个微透镜。

图4A是示出了根据本发明示例性实施例的具有微透镜阵列结构的光学元件。

参照图4A，透镜阵列的光学元件50包括透镜支架，该透镜支架具有多个通孔H以及安装于各通孔H的多个微透镜58。

图4A所示的光学元件50具有以4×4矩阵布置的微透镜。但是，本发明不限于此。光学元件50具有透镜支架，该透镜支架包括透镜基板51、第一电极52、绝缘结构54、以及第二电极56。在本实施例中，形成了各微透镜58和透镜支架，其中第一电极52具有开口(参照图2A)。

具有多个微透镜的阵列型光学元件不限于类似于图2A所示的实施例的结构，而是可形成为具有不同的各自的结构。

进一步地，图4A所示的微透镜阵列的光学元件50可具有第一和第二电极结构，从而可选择性地控制位于每个通孔H中的每个微透镜的形状。图4B例示出了这种情况的一个实例。

参照图4B，以可以施加于图4A所示的微透镜阵列的多个图案Y1至Y4以及X1至X4来形成第一和第二电极。第一和第二电极52和56具有如下的结构，即，在该结构中，这些图案根据通孔(或微透镜)的布置而分成多行和多列。因此，当选择性地控制具有初级形状并形成在预定位置C₄₃的树脂的形状时，电压仅施加于第一电极52的一个图案Y3以及第二电极56的一个图案X4，从而可以较容易地获得所需的精细控制。

由于该结构能够选择性地控制具有不同形状的树脂滴，所以第一和第二电极52和56的上述结构是非常有利的，其中，不同形状的树脂滴是由在将树脂滴提供给通孔以形成多个透镜时出现的意外失误造成的。

本发明可用作组件，在该组件中多个透镜布置在一个镜头筒中以使上述光学元件具有相同光路。根据层压方法可以以不同方式实现形成为组件的光学元件。

在图5A至5C中，例示出了使用图1A和1B所示的光学元件的各种类型的组件100、200、和300。

图5A所示的组件100具有层压结构，其中，两个光学元件10A和10B的通孔H1和H2的开口面对相反的方向以确保相同的光路L。

另一方面，图5B所示的组件200具有层压结构，其中，两个光学元件10A和10B的通孔H1和H2的开口彼此面对以确保相同的光路L。

图5C所示的组件300具有层压结构，其中，三个光学元件10A、10B和10C的通孔H1、H2、H3的开口面对一个方向。

可以容易地使用这些各不相同的层压方法来控制透镜之间的距离。因此，在其中层压有三个或更多光学元件的组件的情况下，根据各光学元件来选择性地使用上述层压方法，从而确保了透镜之间的所需距离。

如上所述，根据本发明的示例性实施例，用于施加制造光学元件的透镜的过程中用到的静电力的单元可以实施为确保光路的结构，从而绝缘结构以及用作用于施加静电力的单元的第一和第二电极可用作透镜支架。因此，可以更精确地制造具有各种形状的微透镜，诸如具有大数字光圈的透镜以及非球面透镜，并且还可以容易地提供具有用于支撑透镜的镜头筒结构的光学透镜组件结构。

虽然已经结合示例性实施例示出并描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说，显然在不背离本发明精神和范围的前提下可以进行更改和变化，本发明是由所附权利要求所限定的。

Claims (25)

1. 一种光学元件，包括：

透镜支架，包括第一电极、形成在所述第一电极上并具有用作光路的通孔的绝缘结构、以及形成在所述绝缘结构内以包围所述通孔的至少一个第二电极；以及

至少一个微透镜，位于所述通孔中并由透明树脂形成。

2. 根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述至少一个微透镜与所述第一电极接触并通过所述透镜支架的所述绝缘结构与所述至少一个第二电极绝缘。

3. 根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述第一电极由透明材料形成。

4. 根据权利要求3所述的光学元件，其中，所述微透镜形成在所述第一电极的用作所述通孔的底表面的区域处。

5. 根据权利要求4所述的光学元件，其中，所述透镜支架进一步包括透明基板，并且所述第一电极形成在所述透明基板上。

6. 根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述第一电极由不透明电极材料形成并具有形成为用于确保光路的开口。

7. 根据权利要求6所述的光学元件，其中，所述第一电极的所述开口具有小于所述通孔的直径，从而所述第一电极提供圆形的突起。

8. 根据权利要求6所述的光学元件，其中，所述透镜支架进一步包括透明基板，并且所述第一电极形成在所述透明基板上。

9. 根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述第二电极包括多个第二电极，并且所述多个第二电极层压在所述绝缘结构内并彼此绝缘。

10. 根据权利要求9所述的光学元件，其中，所述多个第二电极中的至少一些第二电极以不同的距离与所述通孔的内侧壁隔开。

11. 根据权利要求1至10中任一项所述光学元件，其中，所述绝缘结构的所述通孔以及安装于所述通孔的所述微透镜分别包括多个通孔和多个微透镜。

12. 根据权利要求11所述的光学元件，其中，所述通孔被布置成多行和多列。

13. 根据权利要求12所述的光学元件，其中，所述第一和第二电极形成为多个图案，所述多个图案被分隔在所述通孔的多行和多列中。

14. 一种光学元件，其包括多个根据权利要求1至10中任一项所述的光学元件，所述多个光学元件层压在一起以具有相同的光路。

15. 根据权利要求14所述的光学元件，其中，层压所述多个光学元件中的至少一些光学元件以使所述至少一些光学元件的通孔的开口面对一个方向。

16. 根据权利要求14所述的光学元件，其中，层压所述多个光学元件中的至少一对光学元件以使所述一对光学元件的通孔的开口彼此面对或朝向相反方向。

17. 一种制造光学元件的方法，所述方法包括：

准备透镜支架，所述透镜支架包括第一电极、形成在所述第一电极上并具有用作光路的通孔的绝缘结构、以及形成在所述绝缘结构中以包围所述通孔的至少一个第二电极；

为每个所述通孔提供透明液体树脂，以形成初级的透镜形状；

向所述第一和第二电极施加电压，通过利用在所述第一与第二电极之间产生的静电力使得具有所述初级透镜形状的所述液体树脂具有所需的二级透镜形状；以及

通过固化具有所述二级透镜形状的所述液体树脂来形成所述微透镜。

18. 根据权利要求17所述的方法，其中，被提供给所述通孔的所述透明液体树脂与所述第一电极相接触并通过所述绝缘结构与所述至少一个第二电极绝缘。

19. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一电极由透明电极材料形成。

20. 根据权利要求19所述的方法，其中，所述透明液体树脂在所述第一电极的用作所述通孔的底表面的区域处形成。

21. 根据权利要求19所述的方法，其中，所述透镜支架进一步包括透明基板，所述第一电极形成在所述透明基板上。

22. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一电极由不透明电极材料形成并具有用于确保光路的开口。

23. 根据权利要求22所述的方法，其中，所述第一电极的所述开口具有小于所述通孔的直径，从而所述第一电极提供圆形的突起。

24. 根据权利要求22所述的方法，其中，所述透镜支架进一步包括透明基板，并且所述第一电极形成在所述透明基板上。

25. 一种用于制造光学元件的装置，所述光学元件包括透镜支架，所述透镜支架包括第一电极，形成在所述第一电极上并具有用作光路的通孔、以及形成在所述绝缘结构内以包围所述通孔的至少一个第二电极。

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