CN101421642B - 光学元件及透镜阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制作容易且可微加工的透镜阵列，同时抑制取决于加工精度的光轴偏移和电压驱动时液滴对中心的偏离。在根据本发明的透镜阵列(40)中，容纳液滴(52)的多个棱锥形凹槽(48)二维地形成在密封单元(50)中，该密封单元(50)填充有无任何相互混合的第一导电液体(51)和第二绝缘液体(或者液滴)(52)。因为凹槽(48)形成为棱锥形状，所以能够提高容纳在这些凹槽中的液滴(52)的对中特性，并能够抑制由液滴(52)的界面(53)形成的透镜元件的光轴偏移。在电压驱动时，光轴也能被稳定地固定以防止液滴(52)对中心的偏离。而且，与圆锥形凹槽的情形相比，凹槽密集排列的精细加工能被便利化。

Description

光学元件及透镜阵列

技术领域

本发明涉及利用电润湿效应(电毛细管现象)的光学元件和透镜阵列。

背景技术

近来，利用电润湿效应的光学元件的发展已被向前推进。电润湿效应就是当在导电液体和电极之间施加电压时，电极表面和液体之间的固-液界面能量变化并且液体表面的形状也相应地改变的现象。

图12的部分A和图12的部分B示出了解释电润湿效应的原理图。

如图12的部分A所示，在电极1的表面上形成绝缘膜2，并且在绝缘膜2上放置电解液液滴3。绝缘膜2的表面经受疏水处理。在图12的部分A所示的无电压状态下，绝缘膜2的表面和液滴3之间的互作用能很低，且接触角θ₀很大。这里，接触角θ₀是绝缘膜2的表面和液滴3的切线之间的角，并且取决于诸如液滴3的表面张力及绝缘膜2的表面能的特性。

另一方面，如图12的部分B所示，当在电极1和液滴3之间施加预定电压时，电极1侧的自由电子和液滴3侧的电解液离子在界面处形成电荷二重层(charge double layer)，从而引起液滴3的表面张力的改变。这种现象就是电润湿效应，并且液滴3的接触角根据施加电压的大小而改变。换句话说，在图12的部分B中，接触角θ_V可表示成电压V的函数，如下面的方程(1)所示：

[方程1]

$\cos {\mathrm{\θ}}_v=\cos {\mathrm{\θ}}_0+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ϵ}}{2e{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LG}}}{V}^2---\left(1\right)$

γ_LG：电解液的表面张力

e：绝缘膜的膜厚

ε：绝缘膜的相对介电常数

ε₀：真空磁导率

如上所述，液滴3的表面形状(曲率)根据施加在电极1和液滴3之间的电压V的大小而改变。因此，当液滴3用作透镜元件时，就可以得到能够电控制焦点位置的光学元件。

因此，包括如上构造的光学元件的光学装置的发展正在向前推进。比如，日本未审查专利申请公开第2000-356708号就已经提出了一种用于频闪设备(strobe apparatus)的透镜阵列。在该实例中，通过封入导电液体和以阵列图案排列在设置于基板表面上的疏水膜上的绝缘液体滴，构造出变焦透镜。在该结构中，以绝缘液体和导电液体之间的界面形状形成单个的透镜。通过利用电润湿效应电控制每个透镜的形状，并因此变化焦距。

然而，在这种类型的光学元件中，施加电压之前和之后，很难保持每个透镜的光轴位于恒定的位置。因此，开发出改善透镜对中性能(centeringperformance)的技术已成为了重要议题。因此，在国际申请公开第99/18456号中揭示了图13所示的结构。

在图13中，在下部的透明基板5上形成绝缘层7，它们之间设有电极层6。上部的透明基板8设置为面向绝缘层7的平坦表面。在绝缘层7和上部的透明基板8之间封入导电且透明的第一液体9和绝缘且透明的第二液体10二者。第一液体9和第二液体10具有彼此不同的折射率和彼此近似的比重，且彼此独立存在而不相互混合。在绝缘层7的表面的中心区域设置疏水面11。第二液体(液滴)10在绝缘层7的表面中的疏水面11上展开，从而形成了顶点在光轴13上的凸透镜元件。另一方面，在绝缘层7的表面中，围绕疏水面11的区域覆盖有与第一液体9接触的亲水膜12。

在具有上述结构的光学元件中，当电极层6和第一液体9之间没有施加电压时，第一液体9和第二液体10之间的界面成形为如图13中的实线所示，并且第二液体10在绝缘层7的表面中的疏水面11上展开。在该状态下，如果在电极层6和第一液体9之间施加电压，由于电润湿效应，第一液体9从围绕疏水面11的区域移动到疏水面11上。结果，第一液体9和第二液体10之间的界面形状变成比如图13中虚线所示的形状。从而，在施加电压的状态下，第一液体9与第二液体10之间的界面曲率要比没有施加电压的状态下的大。因此，在施加电压的状态下，能使焦距比没施加电压的状态下的短。

同样，在图13所示的结构中，为了抑制在没施加电压的状态和施加电压的状态之间形成透镜元件的液滴10的光轴的位移(偏离中心)，电极层6形成为凹槽形状，以使得位于液滴10中心区域下方位置的电极层6和绝缘层7的表面之间的距离要比位于液滴10外围的下方位置的长。从而，就在电极层6和绝缘层7的表面之间提供了电势分布，使得能容易地获得在光轴13上对中的液滴10的移动。

液滴10的移动特性主要取决于绝缘层7的表面上的疏水区域和的亲水区域的构图精确性。然而，难于执行高精度的构图工艺，并且在单个的透镜元件之间经常会发生变化。因此，如果单个的透镜元件以阵列图形排列，则会有每个透镜元件的光轴不稳定和特性变化的问题。

另一方面，通过在绝缘层7中形成圆锥形缺口(凹槽)15并将液滴10放置在缺口15中得到的如图14所示的透镜元件已在比如日本未审查专利申请公开(PCT申请翻译)第2002-540464中提出。在这种情形下，缺口15形成的位置使得在液滴10和缺口15接触边界的点(CP1)的曲率小于或相反于圆(TC)的曲率，圆(TC)与缺口15的表面在上述点及该表面上的对称点(CP2)处接触。从而，通过将液滴10放置在缺口10中，改善了液滴10的对中性能并抑制了光轴的位移(偏离中心)

然而，在日本未审查专利申请公开(PCT申请翻译)第2002-540464中描述的如图14所示的结构中，形成预定的圆锥形状的缺口15是有困难的，并且即使发生小的加工误差也会有透镜光轴变化的问题。这将导致在施加电压的状态下液滴10偏离中心。此外，尽管需要形成较小直径的透镜以形成透镜阵列，但问题是以高精度形成具有上述结构的小缺口15是非常困难的。

根据上述问题，本发明的目的是提供这样的光学元件和透镜阵列，该光学元件和透镜阵列可易于制作，能通过微加工形成，并且能够抑制依赖于加工精度的光轴变化和电压驱动状态下液滴对中心的偏离。

发明内容

为了达到上述目的，在根据本发明的光学元件中，液滴放置于密封的单元(cell)中，并在该单元中形成收纳液滴的棱锥形凹槽。

根据本发明，由于收纳液滴的凹槽形成于棱锥形状中，可以改善放置在凹槽中的液滴的对中性能。此外，可以抑制由液滴形成的透镜元件的光轴变化。此外，能够稳定地定位光轴并抑制在电压驱动状态下的液滴对中心的偏离。另外，与凹槽是圆锥形的情形相比，制作工艺便利，并能通过微加工形成凹槽。

通过二维排列多个上述构造的凹槽能够形成透镜阵列。具体地说，根据本发明，由于凹槽形成为棱锥形状，所以凹槽能沿着平面密集地排列。从而，在透镜阵列中可提供整体上具有大的有效面积的透镜表面。

凹槽可形成为四角棱锥形或四角梯形棱锥形。然而，凹槽形状并不局限于此，并且该凹槽还可具有三角棱锥形、六角棱锥形、三角梯形棱锥形、或六角梯形棱锥形。此外，这里指的梯形棱锥形包括倒棱锥形和棱锥形，在倒棱锥形中凹槽开口侧的面积大于凹槽底部分的面积，在棱锥形中凹槽开口侧的面积小于凹槽底部分的面积。

定义凹槽内部的外围面的每个倾斜面可具有大体相同的倾斜角。或者，一个或多个倾斜面可具有不同的倾斜角。此外，举例来说，当凹槽具有四角梯形棱锥形时，则该四角形不局限于正方形，也可以是矩形或者平行四边形。

至于形成棱锥形凹槽的方法，优选进行各向异性蚀刻比如由硅等制成的单晶基板或金属板的表面。在这样的情形下，凹槽的每个外围面的倾斜角能够被容易且可靠地设定到预定角度。然而，该方法并不局限于此，也可使用干法蚀刻工艺或激光加工方法

此外，根据本发明的单元包括成对的透明基板、在成对的透明基板之间形成的液体腔、容纳在液体腔中并具有彼此不同折射率的第一液体和第二液体和配置在液体腔中并具有被绝缘膜覆盖的表面的电极层。第一液体导电，而第二液体绝缘。第一液体和第二液体彼此不混合地位于液体腔中。此外，凹槽形成在电极层的表面中，并将第一液体和第二液体之一放置在凹槽中。

第一液体和第二液体具有彼此不同的折射率。因此，第一液体和第二液体之间的界面起到透镜表面的作用。透镜表面的形状由第一液体和第二液体各自的体积、界面张力等决定，并且透镜表面的形状能够利用电润湿效应来改变。电解液比如被用作导电的第一液体，硅酮油比如被用作绝缘的第二液体。比如第二液体的液滴被放置在棱锥形凹槽中。

在上述的实例中，通过形成在第一电极层表面中的棱锥形通孔和第一透明基板就能够定义棱锥形凹槽，该第一透明基板结合在第一电极层的一个表面上以在一端封闭通孔。举例来说，单晶硅基板可被用作第一电极层。具有凹槽的第一电极层的表面被绝缘膜覆盖。第一电极层面向第二透明基板，并在该第一电极层和第二透明基板之间配置密封层。密封层形成为使得该密封层围绕该凹槽的形状。根据本发明，第一电极层和第二透明基板形成上述单元。第一液体和第二液体封入该单元，并且绝缘的第二液体放置在凹槽中。与导电的第一液体接触的第二电极层被设置在第一电极层和第二透明基板之间。第二电极层可以是形成在第二透明基板内侧上的透明电极层。

如上所述，根据本发明的光学元件，能够容易且精细地制作出由封入密封单元中的第一液体和第二液体定义的透镜元件。此外，能够抑制依赖于加工精度的透镜光轴的变化。同样，也能够抑制电压驱动状态下的液滴对中心的偏离。

此外，根据本发明的透镜阵列，能够降低分隔透镜的隔离壁的面积，由此能够增加有效的透镜面积。

附图说明

[图1]图1的截面侧视图示出根据本发明实施例的光学元件的示意性结构。

[图2]图2的透视图示出在硅基板中形成包含于光学元件的棱锥形通孔的方法。

[图3]图3的特性图示出施加给光学元件的驱动电压和焦距之间的关系。

[图4]图4的分解透视图示出根据本发明实施例的透镜阵列的示意性结构。

[图5]图5是透镜阵列主要部分的截面侧视图。

[图6]图6的截面视图示出透镜阵列制作方法的步骤。

[图7]图7的截面视图示出透镜阵列制作方法的步骤。

[图8]图8的主要部分的截面视图示出根据修正的凹槽形状。

[图9]图9的主要部分的截面视图示出根据另一个修正的凹槽形状。

[图10]图10是具有六角棱锥形状的凹槽的透视图。

[图11]图11是具有矩形开口的凹槽的透视图。

[图12]图12的示意图示出了电润湿效应(电毛细管现象)。

[图13]图13的主要部分的截面视图示出根据相关技术的光学元件的示意性结构。

[图14]图14的主要部分的截面视图示出根据相关技术的另一个光学元件的示意性结构。

具体实施方式

下面，将参考附图描述本发明的实施例。

[第一实施例]

图1的截面侧视图示出根据本发明第一实施例的光学元件20的示意性结构。在根据本实施例的光学元件20中，第一液体31和第二液体32容纳在形成于密封单元30中的液体腔27中，并形成液体透镜元件，其中第一液体31和第二液体32间的界面33起到透镜表面的作用。

透明导电的液体用作第一液体31。举例来说，可以采用比如水、电解液(比如氯化钾、氯化钠和氯化锂电解质的水溶液)的极性液体、比如甲醇和乙醇的具有小分子量的醇类和常温熔融的盐(离子性液体)。

透明绝缘的液体用作第二液体32。举例来说，可以采用非极性溶剂、硅酮油和氟化材料，非极性溶剂比如包括癸烷、十二烷、十六烷和十一烷的碳氢化合物材料。

第一液体31和第二液体32具有彼此不同的折射率，并由能够处在液体腔27中而彼此不混合的材料制成。更具体地说，在本实施例中，氯化锂的水溶液(浓度3.66wt％，折射率1.34)用作第一液体31，并且硅酮油(由GE Toshiba Silicone Co.，Ltd.生产的TSF437，折射率1.49)用作第二液体32。此外，第一液体31和第二液体32优选具有彼此近似的比重。

请注意，在下面的说明中，“第一液体”被称作电解液31，且“第二液体”被称作液滴32。

接着，将在下面描述单元30的结构。

单元30包括成对的上部透明基板23和下部透明基板24。第一电极层21结合在下部透明基板23的内侧，该下部透明基板23用作第一透明基板；并且第二电极层22结合在上部透明基板24的内侧，该上部透明基板24用作第二透明基板。此外，第一和第二电极层21和22由它们之间的密封层25结合在一起。从而，获得其中具有液体腔27的单元30。此外，在图示的实例中，其中形成透光孔29a的支撑板29被结合在下部透明基板23的外侧。

成对的透明基板23和24可由玻璃基板、不导电的塑料基板、膜或片等形成。密封层25可由像橡胶和树脂材料的能确保液体不渗透的材料形成。此外，电极层21和22可由金属、导电氧化物或半导体材料等形成。

具有倒四角棱锥形状的通孔21a形成在第一电极层21中。具有近似于通孔21a的大直径部分的开口直径的开口22a形成在第二电极层22中。通孔21a、开口22a和在支撑板29中的透光口29a在光轴35上成直线排列，并用作穿过单元30的光线的进口和出口。

在本实施例中，单晶硅基板用作第一电极层21。加入了获得预定导电率所必需的需要量的掺杂剂(杂质离子)的N型基板或P型基板用作单晶硅基板。然而，根据具体要求等也可以采用非掺杂型的单晶硅。

作为在第一电极层21中形成具有倒四角棱锥形状的通孔21a的方法，优选各向异性湿法蚀刻。在单晶硅基板比如硅被用作第一电极层21的情况下，蚀刻选择性根据结晶取向进行。因此，能够容易地形成通孔21a的每个内周面，作为具有预定倾斜角的倾斜面(锥形表面)。此外，通孔21a的内周面是结晶面，因此而非常平坦。因此，电解质31能够顺畅地通过电润湿效应移动，且界面33的形状能够容易地被改变。

在如图2示意性示出的本实施例中，硅基板的(100)面设定为要加工的面。从而，具有倒四角棱锥形的通孔21a形成为使得其内周面由倾斜角θ为55°的倾斜面((111)面)定义。通孔21a的形状不局限于正方形棱锥形，并且在平面视图中也可以是矩形。这里，图2中的标号36表示掩模图形。

包括通孔21a在内的第一电极层21的整个表面被绝缘膜26覆盖。绝缘膜26不特别限定，只要它是由绝缘材料制成的即可，但是优选由具有相对高的介电常数的材料制成。此外，为了获得相对大的电容，优选绝缘膜26的膜厚度很小。然而，膜厚必须等于或大于能确保绝缘强度的厚度。具有相对高的介电常数的材料实例包括如氧化钽和氧化钛的金属氧化物。然而，该材料当然不局限于此。形成绝缘膜26的方法也不特别限定，并可以采用如溅射方法、化学气相沉积(CVD)方法、蒸镀方法的真空膜形成方法及其它各种涂敷(coating)方法如电镀方法、电沉积方法、涂敷方法和浸渍方法。这里，仅需要绝缘膜26至少形成在第一电极层21的内侧上。

此外，在与液滴32接触的通孔21a内部外围区域中，绝缘膜26优选表现出疏水性。形成该疏水膜的方法实例包括通过CVD方法形成聚对二甲苯基(poly-para-xylyene)膜的方法和用像PVdF和PTFE的氟化高聚物涂敷电极层表面的方法。或者，绝缘膜26也可以形成为结合包括高介电常数材料和疏水材料在内的多种材料的层叠结构。

这里，在第一电极层21中形成通孔21a的方法不局限于上述的实例。举例来说，也可以采用激光加工方法和比如切割的机械加工方法。此外，也可以通过与上述实例类似的方法在第二电极层22中形成开口22a。

由第一电极层21中的通孔21a和下部的透明基板23定义的凹槽28的内部空间、第二电极层22中的开口部分22a的内部空间以及第一电极层21与第二电极层22之间的间隙(对应于密封层25的厚度)形成液体腔27。电解液31和液滴32填充液体腔27的整个空间。电解液31与第二电极层22接触，且液滴32放置在凹槽28中。

在第一电极层21和第二电极层22之间设置电压源34。电解液31和液滴32间的界面33的形状是球形的或非球形的，并且其曲率根据电压源34提供的电压大小而改变。此外，界面33用作透镜表面，该透镜表面具有与电解液31和液滴32间折射率之差相对应的透镜光学能力(lens power)。从而，通过调节施加在第一电极层21和电解液31之间的电压大小，能够变化沿光轴35入射的光线的焦距。

图3示出施加的电压和焦距之间的关系。在图3中，纵轴示出焦距f的倒数，横轴示出施加的电压。在没有施加电压(V＝0)的状态下，液滴32以图1单点划线所示的方式在凹槽28的内周面上展开。电解液31和液滴32之间的界面33A平衡于凹透镜形状，该凹透镜凸向下部透明基板23。因此，具有上述形状界面33A的光学元件20具有位于下部透明基板23侧的焦点，并且自下部透明基板23侧入射到单元30上的光线LA以图1所示的发散方式出射。

接着，当在第一电极层21和电解液31之间开始施加电压时，基于电润湿效应导致电解液31朝凹槽28移动。从开始施加电压到某一电压V1的范围内，电解液31没有明显移动。因此，电解液31和液滴32之间的界面33A形状只有小的改变。

当施加电压的大小超过V1时，凹槽28的内周面对于电解液31的润湿性增加，并且电解液开始自凹槽28的外围边缘进入凹槽28。因此，电解液31和液滴32之间的界面33曲率减小，且当施加电压是V2时该界面变平。在该状态下，界面33处得不到透镜效应，且焦距变得无穷大(1/f＝0)。

当施加的电压进一步增加时，凹槽28被电解液31占据的面积增加，并且电解液31和液滴32之间的界面33B形状改变为图1中实线所示的凸透镜形状，该凸透镜凸向上部透明基板24。如果从这个状态进一步增加施加的电压，具有凸透镜形状的界面33的曲率将进一步增加。从而，可获得具有图1虚线所示形状的界面33C。穿过具有凸透镜形状的界面33B和33C的光学元件20的光线LB和LC具有在上部基板24侧的焦点。穿过界面33C的透镜形状的光线LC的焦距要比穿过界面33B的透镜形状的光线LB的短。从而，根据本实施例的光学元件20起变焦透镜的作用，其能够根据施加电压的大小而调节焦距。

从而，在根据本实施例具有上述结构的光学元件20中，因为收纳液滴32的凹槽28形成为棱锥形，所以能改善放置在凹槽28中的液滴32的对中性能。因此，能稳定地定位液滴32的光轴，并能够抑制电压驱动状态下液滴32对中心的偏离。

具体地说，在本实施例中，形成为凹槽28外围面的绝缘膜的下层由第一电极层21形成。当施加电压时，这种构造为电解液31沿着凹槽28的外围面移动提供了引导作用，且为液滴32对中性能的改善做了很大贡献。

此外，因为凹槽28是作为形成在第一电极层21表面中的蚀刻痕迹而形成的，所以能够容易地以高精度形成该凹槽。从而，能够抑制由于加工误差导致的光轴变化。

此外，因为凹槽28形成为棱锥形，所以在接近凹槽28外围边缘的区域中，放置在凹槽28中的液滴32和电解液31之间的界面形状能被设定为非球形的形状。因此，根据本实施例的光学元件能够用作非球形透镜元件，用于矫正比如在照相机中的畸变(桶形畸变、枕形畸变)。畸变实例包括桶形畸变和枕形畸变。

[第二实施例]

接着将描述本发明的第二实施例。图4和图5示出包括根据本发明的光学元件的透镜阵列的示意性结构。这里，图4是透镜阵列40的分解透视图，并且图5是透镜阵列40的示意性截面侧视图。

通过二维排列上述的第一实施例中的多个光学元件(液体透镜元件)，形成透镜阵列40。这里，在图5所示的截面视图中，为了解释方便，示出两个液体透镜元件在单元50中彼此相邻排列的实例。

根据本实施例的透镜阵列40包括起第一电极层作用的硅基板41、上部透明基板44和用来镶嵌硅基板41的框架49，上部透明基板44通过配置在中间的密封环45而结合至硅基板41。

硅基板41具有矩形形状，并且在其表面中二维形成多个具有倒四角棱锥形状的通孔41a。在硅基板41和上部透明基板44之间形成液体腔47，该液体腔47填充有由导电的第一液体形成的电解液51和由绝缘的第二液体形成的液滴52。下部透明基板43结合在硅基板41的底表面，并由下部透明基板43来封闭通孔41a的底部。从而，在液体腔47中形成多个二维排列的凹槽48。

在包括凹槽48的区域内，硅基板41的表面被绝缘膜46覆盖。在本实施例中，具有疏水性的聚对二甲苯基膜被用作绝缘膜46。

在液体腔47中，液滴52放置在各个凹槽48中，并且剩下的区域填充有电解液51。电解液51和液滴52具有近似的比重且彼此不混合地位于液体腔47中，从而在它们之间形成了球形或非球形的界面53。此外，电解液51和液滴52具有彼此不同的折射率。从而，在界面53处形成具有与折射率之差相对应的透镜光学能力的透镜元件。

起第二电极层作用的透明电极膜42形成在上部透明基板44的内表面上。举例来说，透明电极膜42由诸如ITO(铟锡氧化物)和IZO(铟锌氧化物)的透明、导电金属氧化物形成。用导电胶将连接到电压源54的一个终端的布线构件(wiring member)55粘结至透明电极膜42，在它们之间插入各向异性导电膜等。举例来说，柔性布线基板(flexible wiring substrate)等被用作布线构件55。

液体腔47中的电解液51和透明电极膜42接触，并在之间配置有绝缘膜46的硅基板41和电解液51之间施加电压。根据施加在硅基板41和电解液51之间的电压，界面53的形状被大大改变。因此，能够通过调节施加电压的大小而控制透镜元件的焦距。

举例来说，框架49由诸如塑性材料的绝缘材料形成，并在该框架49的上、下表面具有开口。用诸如紫外固化胶的粘结剂56将框架49的上边缘粘结到上部透明基板44的底面外围部分。框架49的底端向内弯曲，并且通过填缝(caulking)、粘结或者其它方式将金属电极57粘结至该底端的边缘部分。金属电极57由诸如铜板的金属板形成，并连接至电压源54的另一个终端。此外，金属电极被结合至形成在硅基板41底面上的接触电极58。

在根据上述构造的本发明实施例的透镜阵列40中，根据施加在硅基板41和透明电极膜42之间的电压大小，电解液51和放置在各个凹槽48中的液滴52之间的界面53形状能够同时改变。从而，能够获得片状的液体透镜元件。该片状的液体透镜元件能用作频闪装置或照相机等中的面发射光源的焦点变化元件。

具体地说，根据本实施例，由于收纳液滴52的凹槽48具有四角棱锥形状，凹槽48能够密集地排列在硅基板41的表面中，并且能减少分隔透镜的隔离壁的面积。因此，在透镜阵列中能够提供整体上具有大的有效面积的透镜表面。

接着，将描述具有上述结构的透镜40的制作方法。图6和图7所示的截面视图解释了透镜阵列40的制作方法的步骤。

[接触电极形成步骤]

首先，如图6部分A所示，在硅基板41的一个表面(底表面)上形成接触电极58。硅基板41的底面就是结合下部透明基板43的表面，并在该底面上形成由Ti、Cr等制成的薄膜以作为粘结层。形成粘结层之后，通过真空沉积方法等形成具有稳定表面的Pt、Au等金属薄膜，以形成特定图形的接触电极58。

为了确保对粘结至框架49底边缘的金属电极57的电接触，优选形成接触电极58以具有相对大的厚度。因此，Pt、Au等薄的金属膜形成后，可通过在其表面上形成电镀膜增加接触电极58的厚度。

此外，在切割硅基板41的步骤中，接触电极58还能用作示出切割位置的定位标记。在这种情形下，如图所示，金属电极58优选形成为两条直线，以使切块机(划片机)能在它们之间定位。此外，在下面将要描述的形成绝缘膜的步骤中，接触电极58还可用以辨别不形成绝缘膜的一侧。

[下部透明基板结合步骤]

接着，如图6的部分B所示，进行将下部透明基板43结合至硅基板41的底面的步骤。下部透明基板43由玻璃基板形成。举例来说，作为玻璃基板，优选使用以Pyrex玻璃(“Pyrex”是注册商标)为代表的具有低的膨胀系数的硅硼氧化物(Silica boron oxide)玻璃基板。这里，硅硼氧化物玻璃具有低的软化点，并因此能够阳极耦合至硅基板41。从而，能够获得好的粘结性。

此外，作为将硅基板41和下部透明基板43结合在一起的方法，也可以采用使用低熔点玻璃作为粘结剂的结合方法、通过等离子体辐照激活表面的结合方法等。还可以使用树脂粘结剂，只要该树脂粘结剂不会被电解液51和液滴52损坏即可。

[凹槽形成步骤]

接着，如图6的部分C所示，进行通过各向异性湿法蚀刻方法在硅晶片41中形成棱锥凹槽48的步骤。

在形成凹槽48的步骤中，在硅基板41的另一个表面(上表面)上要形成凹槽48的位置处预先形成具有开口的掩模图形。举例来说，KOH(氢氧化钾)溶液用作蚀刻剂。在这种情形下，氮化硅膜适合用作掩模图形。然而，蚀刻剂不局限于此，并且也可以使用经常用于硅基板各向异性蚀刻的强碱溶液。根据溶液的种类选择掩模材料。

通过适当地选择硅基板的结晶取向形成具有倒四角棱锥形状的凹槽48，该倒四角棱锥形状通过倒转四角棱锥而获得。蚀刻剂渗入硅基板41，并在下部透明基板43的表面处结束蚀刻工艺。从而，凹槽48的底面被构造为玻璃窗口，以用作透镜元件的开口面。通过改善掩模图形的精度，能够形成单个透镜之间变化很小的透镜阵列。此外，当将下部透明基板43粘结至硅基板41的底面时形成凹槽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镜元件。

[切割步骤]

接着，如图6的部分D所示，进行单个化(singulating)硅基板41的切割步骤。在切割步骤中，在接触电极58之间的位置执行切割，该接触电极58在硅基板41的底面上形成为具有预定间隔的两条直线。

[绝缘膜的形成步骤]

接着，如图7的部分E所示，在单一化的硅基板41的表面上形成绝缘膜46。绝缘膜46还形成于凹槽48的表面上，该凹槽48形成在硅基板41中。由于要涂敷的表面具有许多台阶，因此适合用具有高涂敷性能的材料作为绝缘膜46。在本实施例中，采用通过真空沉积形成具有疏水性的聚对二甲苯基膜的方法。

透镜元件的驱动电压主要取决于绝缘膜46的膜厚。更具体地说，随着绝缘膜46膜厚的减小，电解液51和硅基板41之间的电容会增加，且可以减小透镜元件的驱动电压。因为凹槽48通过各向异性湿蚀刻硅基板41形成，所以凹槽48的锥形内周面被平整到纳米级别。因此，能高精度地控制绝缘膜46的膜厚，并且能容易地减小绝缘膜46的膜厚。在本实例中，设定绝缘膜46的膜厚为约3μm。

[液体注入步骤]

接着，如图7的部分F所示，在硅基板41的上表面放置密封环45。举例来说，密封环45由橡胶制成的O型环形成，并被粘结至硅基板41的外围区域，该外围区域包围了凹槽48的形成区域。然后，电解液51和液滴52进入由密封环45的内周边包围的空间。液滴52放置在各个凹槽48中，且提供电解液51以填充凹槽48上的空间。

将液滴52放置入凹槽48的方法实例包括：电解液51填充由密封环45的内周边包围的空间，然后通过将喷嘴的一端插入电解液51而把液滴52滴入凹槽48中的方法；以及将液滴52滴入凹槽48，然后从液滴52上注入电解液51的方法。

[组装步骤]

最后，如图7的部分G所示，进行将上部透明基板44粘结至硅基板41、将硅基板41放置入框架49以及将上部透明基板44和框架49相互粘结和固定的步骤。

用紫外活性粘结剂将上部透明基板44和框架49相互粘结，该紫外活性粘结剂被来自上部透明基板44侧的紫外辐照固化。此外，当将上部透明基板44和框架49相互粘结的时候，位于框架49底端的金属电极57与硅基板41底面上接触电极58进入压力触点，从而提供了电连接。通过压紧或粘结等将金属电极57预先与框架49集成。在将上部透明基板44和框架49相互粘结的步骤中，在组装前调节它们之间的平行性。

此外，用导电粘结剂和配置在其间的各向异性导电膜将布线构件55结合至上部透明基板44，从而使得形成在上部透明基板44内侧的透明电极膜42和布线构件相互电连接。这里，取代粘合的布线构件55，透明电极膜42本身可以用作终端。或者，可以仅仅在透明电极膜42凸出在外的部分上形成金属膜，并可通过金属线结合或焊接形成金属线。

以上述方式制作根据本实施例的透镜阵列40。

根据本实施例，与上述的第一实施例相似，制作工艺便利并能进行微加工。此外，能够抑制取决于加工精度的光轴变化和电压驱动状态下液滴对中心的偏离。此外，能够减少分隔透镜的间隔壁的面积，从而增加了有效透镜面积。

具体地说，因为通过各向异性湿法蚀刻在硅基板41中形成凹槽48，所以能够以高精度同时形成多个凹槽48。此外，通过微加工能容易地形成凹槽48。

此外，因为能以高尺寸精度形成凹槽48的锥形内周面，所以能够制得每个透镜中液体体积变化、畸变量变化和其它光学特性变化都非常小的透镜阵列40。此外，通过减小包括硅基板41和成对的透明基板43和44在内的构件的厚度，能够制得即使在组装之后也非常薄的透镜阵列40。

尽管在上面已经描述了本发明的每个实施例，但是显然本发明不局限于这些实施例，并且各种基于本发明技术思想的修正都是可以的。

举例来说，在上述的每个实施例中，已经解释了由绝缘的第二液体制成的液滴32、52被放置在密封单元30、50的凹槽28、48中的实例。然而，该结构显然不局限于此，由导电的第一液体制成的液滴也可以放置在凹槽28、48中。

此外，在上述的每个实施例中，形成凹槽28的锥形内周面的每个倾斜面都具有相同的倾斜角。然而，一个或多个倾斜面可以具有与其它倾斜面不同的倾斜角。比如，图8所示的实例中，沿左右方向具有不同倾斜角的两种凹槽28B和28C紧邻沿左右方向具有相同倾斜角内周面的凹槽28A设置。在如图所示的实例中，通过任意调节凹槽28内周面的倾斜角，能够任意地调节液滴32的光轴。从而，能得到比如具有光扩散作用的透镜阵列。

此外，凹槽形状不局限于上述的倒四角棱锥形。如图9所示，本发明也能应用于这样的凹槽28D，该凹槽28D具有的棱锥形状为内周面沿一个方向逐渐变小，使得开口部分的面积小于底部分的面积。在这种情形下，液滴32的透镜表面(界面)33的曲率要比上述实施例中的大。

此外，凹槽的形状不局限于四角棱锥形，还可以是其它诸如三角棱锥形和六角棱锥形的棱锥形状。图10示出具有六角棱锥形状的凹槽28E密集排列的实例。

此外，如图11所示，凹槽的开口可以具有矩形形状。在这样的情况下，放置在凹槽28F中的液滴的透镜表面能够形成为长边方向和短边方向的曲率不同的圆柱形状或环形形状。这种类型的透镜能被广泛地应用于比如照明光学系统或者包括于激光打印机、光盘装置等之中的光学系统中。

Claims (14)

1.一种液滴放置于密封单元中的光学元件，特征在于，收纳所述液滴的棱锥形凹槽形成于所述单元中。

2.根据权利要求1所述的光学元件，特征在于，所述凹槽具有四角梯形棱锥形状。

3.根据权利要求1所述的光学元件，特征在于，所述单元包括：

成对的透明基板，

液体腔，形成在所述成对的透明基板之间，

第一液体和第二液体，容纳在所述液体腔中，并具有彼此不同的折射率，和

电极层，配置在所述成对的透明基板之间，并具有被绝缘膜覆盖的表面，

其中所述第一液体是导电的，而所述第二液体是绝缘的，所述第一液体和所述第二液体彼此不混合地存在于所述液体腔中，并且

其中所述凹槽形成在所述电极层的面中，并且所述第一液体和所述第二液体之一被放置于所述凹槽中。

4.根据权利要求3所述的光学元件，特征在于，在所述成对的透明基板之一的内表面上形成透明电极层。

5.根据权利要求3所述的光学元件，特征在于，所述第一液体和所述第二液体之间的界面是非球形的。

6.根据权利要求3所述的光学元件，特征在于，所述电极层由单晶硅基板制成，并且

所述凹槽由形成在所述单晶硅基板表面中的蚀刻痕迹制成。

7.根据权利要求1所述的光学元件，特征在于，所述凹槽的内周面是疏水表面。

8.根据权利要求1所述的光学元件，特征在于，形成所述凹槽的内周面的全部倾斜面具有大致相等的倾斜角。

9.根据权利要求1所述的光学元件，特征在于，形成所述凹槽的内周面的一个或多个倾斜面形成为具有与其它倾斜面不同的倾斜角。

10.一种光学元件，包括：

导电的第一液体，

绝缘的第二液体，具有与所述第一液体不同的折射率；和

密封单元，其中容纳彼此不混合的所述第一液体和所述第二液体，

其中所述光学元件的特征在于所述单元包括：

第一电极层，其中形成有收纳所述第二液体的棱锥形通孔；

绝缘膜，覆盖所述第一电极层；

第一透明基板，结合至所述第一电极层的一个表面并封闭所述通孔的一端；

第二透明基板，配置为面向所述第一电极层的另一个表面，且在所述第二透明基板和所述第一电极层之间配置有密封层；和

第二电极层，配置在所述第一电极层和所述第二透明基板之间，且与所述第一液体接触。

11.根据权利要求10所述的光学元件，特征在于，所述第二电极层是形成在所述第二透明基板上的透明电极膜。

12.根据权利要求10所述的光学元件，特征在于，所述光学元件还包括能够在所述第一电极层和所述第二电极层之间施加预定电压的电压源。

13.一种透镜阵列，特征在于：

在光学元件中，液滴被放置在密封单元中；

多个收纳所述液滴的棱锥形凹槽在所述单元中二维形成。

14.一种透镜阵列，包括：

导电的第一液体，

绝缘的第二液体，具有与所述第一液体不同的折射率，和

密封单元，其中容纳彼此不混合的所述第一液体和所述第二液体，

其中所述透镜阵列的特征在于所述单元包括：

第一电极层，其中二维排列多个棱锥形通孔，每一个这些通孔收纳所述第二液体，

绝缘膜，覆盖所述第一电极层，

第一透明基板，结合至所述第一电极层的一个表面，并封闭所述通孔的一端，

第二透明基板，配置为面向所述第一电极层的另一个表面，并在所述第二透明基板和所述第一电极层之间配置有密封层；和

透明的第二电极层，形成在所述第二透明基板的内侧上。

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