CN102007433B - 薄膜悬浮光学元件及相关方法 - Google Patents

Abstract

薄膜悬浮光学元件，包括：结构化基底，包括多个在其中限定的孔；以及第一光学元件的阵列，每个所述第一光学元件通过薄膜悬浮在一个所述孔中。

Description

薄膜悬浮光学元件及相关方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年1月16日提交的第61/021,338号美国临时专利申请的优先权，并将其通过引用合并于本文。

背景技术

制造晶片级小型相机系统时，例如，多个光学元件被制造为基底(例如8英寸或12英寸的基底)面上的阵列。这样光学元件的示例包括折射光学元件、衍射光学元件、反射元件、梯度折射率(GRIN)元件、亚波长光学结构、抗反射敷层和过滤器。这些光学元件直接形成在基底上，或者可选地从底板基底复制，在该底板基底上已经形成了限定多个光学元件的结构元件。例如，如国际专利申请号为PCT/US07/09347的国际申请(通过引用合并于本文)中所描述的，使用通用支架上的聚合物材料，一种精加工的加工底板可用于模制多个光学元件。该精加工的加工底板由固体且可加工的材料形成，例如铜、铝、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其他金属或聚合物形成。另外，一个或多个框标和/或对准结构元件可以与限定多个光学元件的结构元件一起设置在精加工的加工底板上，以使框标和/或对准结构元件相对限定多个光学元件的结构元件的位置保持高精度。

图1示出示例性加工底板100，其包括多个用于限定光学元件的结构元件110。加工底板100还包括多个用于便于在加工底板100和例如真空吸盘或基底的第二物体之间进行定位的对准结构元件120。在工艺中，加工底板100可用于在共用底座225上形成光学元件210的阵列200，例如如图2所示。

可依次使用数个加工底板以在基底上形成层状光学元件，例如如图3所示。图3示出包括多个层状光学元件310的阵列300。每个层状元件310包括多层材料，该多层材料是利用限定表面轮廓的精加工的加工底板成型的。

图4-6示出形成上述层状光学元件阵列的示例性方法。如图4所示，共用底座410固定在包括V形槽422的真空吸盘420上，V形槽422便于真空吸盘420和包括凸起的对准结构元件的第一加工底板430之间的对准。第一加工底板430还包括多个用于限定第一光学元件的结构元件434。第一材料440设置在共用底座410和第一加工底板430之间，使得第一材料440的表面与多个结构元件434中的一个相符。第一材料440通过适当的方式例如UV固化或热固化进行固化。

接着，如图5所示，第一加工底板430被移除并被第二加工底板530代替，第二加工底板530包括凸起对准结构元件532和多个用于限定第二光学元件的结构元件534。第二材料540被设置在固化的第一材料440和第二加工底板530之间，然后被固化。如图6所示，通过移除第二加工底板530并由第三加工底板630替换第二加工底板530来重复上述过程，第三加工底板包括凸起对准结构元件632和多个用于限定第三光学元件的结构元件634。第三材料640被设置在固化的第二材料540和第三加工底板630之间，然后被固化。按照需求可重复多次上述过程以获得期望的光学元件的分层，例如如图3所示。

发明内容

在一个实施方式中，薄膜悬浮光学元件包括：(a)结构化基底，包括在其中限定的多个孔；和(b)第一光学元件阵列，每个第一光学元件通过薄膜悬浮在一个所述孔中。

在一个实施方式中，悬浮透镜包括薄膜和光学元件，所述薄膜由固化光学材料形成且支撑在基底的孔中，所述光学元件由所述固化光学材料形成且由所述薄膜支撑在所述基底的所述孔中。

在一个实施方式中，形成悬浮透镜的方法，包括：将第一装配支柱与包括至少一个孔的基底接合；将第一光学材料沉积在所述第一装配支柱上且沉积在所述孔中；将第二装配支柱与所述基底接合，使得所述第一光学材料在所述孔中成形；以及固化所述第一光学材料以形成通过薄膜悬浮在所述孔中的第一固体光学元件。

在一个实施方式中，装配支柱包括：第一单片结构，具有凸出部和肩台，所述凸出部具有第一横截面尺寸，所述肩台具有第二横截面尺寸，所述第二横截面尺寸大于所述第一横截面尺寸，所述凸出部在其远端形成薄膜接合面和光学等值面，所述肩台形成基底接合面，所述基底接合面平行于所述薄膜接合面，其中，将所述凸出部定位在基底的孔中同时将所述基底接合至所述基底接合面，使得允许在所述薄膜接合面和光学等值面上沉积光学材料，并随后固化所述光学材料。

在一个实施方式中，薄膜悬浮光学元件，包括：第一结构化基底，包括多个在第一结构化基底中限定的第一孔；第一光学元件阵列，每个第一光学元件通过薄膜悬浮在一个所述孔中；第二结构化基底，包括多个在第二结构化基底中限定的第二孔；第二光学元件阵列，每个第一光学元件通过薄膜悬浮在一个所述第二孔中；所述第一基底和第二基底机械地耦合在一起，所述第一光学元件和第二光学元件光学地对准。

附图说明

图1示出示例性的精加工的加工底板，该精加工的加工底板包括多个用于形成光学元件的结构元件和多个对准结构元件；

图2示出利用精加工的加工底板形成的光学元件的示例性阵列；

图3示出在共用底座上支撑的且利用多个精加工的加工底板形成的层状光学元件的示例性阵列；

图4-6示出用于形成在共用底座上支撑的且利用多个精加工的加工底板形成的层状光学元件阵列的示例性方法；

图7示出根据一个实施方式的示例性结构化基底的部分；

图8示出根据一个实施方式的配置用于与示例性结构化基底配合的精密装配支柱的部分；

图9-16图示出根据一个实施方式的用于在薄膜结构中形成层状光学元件阵列的示例性方法；

图17示出根据一个实施方式的在薄膜结构中的两个层状光学元件阵列的部分，从而图示出布局，其中两个阵列在彼此的顶部堆叠并堆叠在用于精密Z轴定位的传感器阵列上。

图18示出根据一个实施方式的在薄膜结构中两个层状光学元件的阵列的部分，从而图示出布局，两个阵列堆叠在其中，且在两个阵列之间设置有用于调节Z轴定位的活动层；

图19示出具有多个孔的结构化基底和薄膜悬浮光学元件的俯视图；

图20示出穿过图19的结构化基底和薄膜悬浮光学元件部分的截面图；

图21示出在一个实施方式中，从结构化基底的孔中凸出的悬浮透镜；

图22示出根据一个实施方式形成悬浮透镜的方法；

图23示出构造一个示例性薄膜悬浮透镜的试验结果。

具体实施方式

一种可用类型的共用底座为结构化基底，其通常被称为衬垫晶片。在本公开的上下文中，结构化基底应该理解为由例如玻璃、硅或蓝宝石形成的共用底座，并且包括多个在其中限定的孔。

图19图示出结构化基底1900的俯视图，在结构化基底1900的多个的孔1904中具有相同数量的薄膜悬浮光学元件1902。图20示出通过结构化基底1900以及光学元件和孔中的两个的截面图。在下述的描述中，图19和图20最好一起参看。

图19中示出四个光学元件1902，但是在结构化基底中可有更少或通常为更多相同光学元件。每个光学元件1902显示为单一的，但是每个光学元件可以替换为复合透镜或层状光学元件也不脱离本发明的范围。每个光学元件1902通过薄膜1906悬浮在在孔1904中。薄膜1906可由与光学元件1902相同的光学材料形成。虽然孔1904为圆形，但是孔1904可替换为矩形(包括方形)、椭圆形或其他适合的形状而不脱离本发明的范围。

图20还示出，在虚线的轮廓中，多个装配支柱1908、1910。每个装配支柱包括光学等值面1912、薄膜接合面1914和具有基底接合面1918的肩台1916。如在下述的描述中将更加清晰的那样，一对相对的装配支柱1908、1910根据该相对的装配支柱1908、1910的尺寸和形状(包括光学等值面)一起配合形成在单个孔1904中的光学元件1902和其薄膜1906。虽然单个的支柱对1908、1910可用于一次形成一个光学元件，但通常装配支柱对的阵列焊接在一起(例如通常在共用平台或基底上，或经由共用平台或基底链接在一起，使得支柱1908连接在一起且支柱1910分别连接在一起)以形成相同的光学元件阵列，从而一次形成光学元件的阵列；该阵列可以为基底的整个阵列或仅为整个阵列的部分。，例如，可利用表面处理来改进孔1904的内表面1920，以促使薄膜1906更好的粘结至内表面1920。而且，一个或多个固位结构元件1922可以合并入内表面1920以助于固定孔1904中的薄膜1906。

图7-16描述了结构化基底和薄膜悬浮光学元件一起的不同实施方式。具体地，图7示出一个结构化基底700的截面图，结构化基底700包括多个穿过其中形成的孔720。结构化基底700例如是300微米厚的玻璃基底，且每个孔的直径例如为2.5毫米。这样的结构化基底通常用作将一个基底与另一个基底(未示出)分开的衬垫，以保持基底之间通畅的通路。

根据本公开，层状光学元件阵列可以形成为通过薄膜悬浮在结构化基底的孔中。也就是，在薄膜结构中的结构化基底孔中可形成单层或多层光学元件，以产生多个与结构化基底的孔成为一体的光学元件。

参照图8-12，示出了在结构化基底的孔中形成包括一层或多层的光学元件的示例性方法。图8中，结构化基底700的部分800显示为与第一装配支柱810紧密配合，在此仅示出第一装配支柱810的一部分。第一装配支柱810包括凸出部830，凸出部830具有用于限定光学元件的光学等值面820和溢出面840(如下所述，溢出面840和基底700一起限定溢出区域841)。第一装配支柱810还包括具有基底接合面813的肩台811。第一装配支柱810被配置为与结构化基底700配合，使得用于限定光学元件的结构元件(例如光学等值面820)当接合在一起时，被定位在结构化基底700的一个或多个孔中。在本实施例中，通过基底接合面813和结构化基底700的第一侧725的直接接触，第一装配支柱810与结构化基底700接合。

如图9所示，第一光学材料910沉积在啮合在孔720中的第一装配支柱810上。然后，如图10所示，使第二装配支柱1010与结构化基底700(具体地，使装配支柱1010的肩台接合面1013与结构化基底700的第二侧730接触)接合以使第一光学材料910以可控方式(即，当第一光学材料910夹在第一装配支柱810和第二装配支柱1010中时)成形。在一个实施方式中，过量的第一光学材料910流入溢出区域841，并进入在第二装配支柱1010的溢出面1040和结构化基底700之间限定的溢出区域1041。然后第一材料910可通过适合的方法，例如但不限于热固化(例如通过加热)或UV固化(例如通过使用透明材料(例如UV发射PDMS)作为第一和第二装配支柱中至少一个，并使UV射线穿过其中)进行固化，已形成通过薄膜1016悬浮的硬化的光学元件1015。

在装配支柱810与结构化基底700接合后，可替代地，光学材料910可首先在“向上分配”构造中被沉积在装配支柱1010上，以在固化之前形成光学材料910。

例如，溢出区域841、1041可优先影响溢出。也就是，每个支柱810、1010和溢出面840、1040的设计可被构造以优先地使光学材料流入溢出区域841、1041，且有效地影响光学元件堆叠的形成。

在图11所示的实施例中，移除第二装配支柱1010以留下在孔720中形成的硬化的光学元件1015。硬化的光学元件1015通过薄膜1016附接至结构化基底700，薄膜1016相应于在第一和第二装配支柱810、1010之间留下的且在上述刚描述的过程中溢出到区域841中的第一光学材料910的总量。如图12所示，第一装配支柱810可从光学元件1015和薄膜1016在该点分离，使得单个光学元件1015通过薄膜1016在孔720中悬浮，如图12所示。

可选地，在图11示出的构造之后，如图13所示，第二光学材料1310可沉积在光学元件1015和薄膜1016上。如图14所示，可使第三装配支柱1410与第二侧730和第二光学材料1310接合。然后，通过适合的方法可使第二光学材料1310固化，且随后可将第三装配支柱1410移除以形成光学元件1315和也连接至结构化基底700的薄膜1316，如图15所示。然后，如图16所示，第一装配支柱810可与光学元件1015和薄膜分开，以形成在孔720中通过薄膜(即薄膜1016和1316)悬浮的两层光学元件1610。可继续该过程以将其他的层增加至层状光学元件1015、1315。

应该注意的是，通过对图7-14中虚线标出的步骤进行重新排序，可使第二光学元件1315(和薄膜1316)在光学元件1015(和薄膜1016)之前形成，且不脱离本发明的范围。

因为薄膜结构允许结构化基底700并置，从而孔720中的光学元件以及例如传感器阵列1620(还在图16中示出)的其他物体也可并置，因此所描述的薄膜结构特别有利。也就是，由于结构化基底700的高平坦度，光学元件(例如光学元件1015、1315)可非常接近其他物体(例如传感器1620)，同时保持较低的倾斜偏离。一种考虑这种薄膜结构的方式是，该薄膜结构以比通用的相关其他“桶”构造小得多的晶片级提供“桶中的透镜”包含的结构化等价物，例如，在“桶”构造中，在传统的较大图像系统中，保护桶用于包含透镜元件。

例如图16所示的薄膜结构的另一个好处是隔板1625(例如金属箔)可用于阻挡入射光1630经过薄膜1016/316，并且可与结构化基底700成为一体，或者设置在结构化基底700上。例如，隔板1625附接至结构化基底700的第二侧730。因为可至少部分地阻挡通过薄膜1016/1316的杂散光，因此，隔板1625可提高传感器1620的信噪比。在可选的实施方式中，具有与隔板1625相似功能的隔板可以按下述方式进行结合：

在基底、薄膜和光学元件上沉积涂层(例如抗蚀剂)，然后选择性地从光学元件上除去该涂层；

将阻挡材料移至非光学区域(例如通过接触印刷)；和/或

将额外的玻璃衬垫晶片(例如在其上具有经构图的孔)结合至结构化基底晶片，这将允许如图16所示的上悬式遮挡。

因此，图16的结构利于将光学模块(由结构化基底700形成，在其中包括光学元件1015和1315)和传感器1620封装入如虚线1640所示相机组件。如图所示，数字信号处理器(虚线1650所示)可与传感器1620连接以处理来自传感器1620的图像数据，以在外部显示器(虚线1660所示)上产生人们可视的图像。

还可以对光学元件的上述实施例进行进一步的改进。例如，如图17所示，在薄膜结构中的两个或更多的两层光学元件1610的阵列可以堆叠在一起，以形成在两个或更多的两层光学元件1610的阵列之中或之间包括空气隙的复合光学系统。作为另一个实施例，如图18所示，两个或更多的两层光学元件1610的阵列可堆叠在一起，但是被活动层1820分隔，以使排列的光学元件能够相对彼此(例如，如双头箭头1830指示的在Z方向上)活动。活动层1820可以由例如压电材料、人工橡胶、人工肌肉公司(Artificial Muscle，Inc.)生产的电活性聚合物人工肌肉(EPAMTM)、MEMS器件或任何使得能够进行Z和/或X-Y运动的其他器件形成。在这种情况下，结构化基底的固体部分至少部分地可以由金属(或利用穿过结构化基底中的孔的金属引线)形成，以提供与活动层1820的电接触。更进一步，结构基底的孔可被配置以利于包含在其中形成的光学元件。例如，可配置结构化基底从而使得孔的中心厚于该结构化基底的顶面和底面附近区域，这使得很难将用于形成光学元件的材料拉出。例如，使用这种形状的孔，如果孔的底面填充了材料，则更难将形成光学元件的材料从顶部拉出。

虽然图17至图18示出两个不同的两层光学元件的阵列，但这样的多阵列可代替(a)包括单层薄膜悬浮光学元件(例如图12所示)或(b)三层或更多层薄膜悬浮光学元件，而不脱离本发明的范围。

在可选的实施方式中，装配支柱中的一个可构造为未安装在结构化基底中的平的模具。在这种情况下，得到的光学元件可悬浮在结构化基底的孔中或邻近结构化基底的孔，并被设置为与结构化基底的一侧齐平。图21示出悬浮透镜的这样的实施方式，其中悬浮透镜从孔中凸出。如图21所示，配置装配支柱2108，使得装配支柱2108的第一光学等值面2109和结构化基底1900的顶面2111接合时，第一光学等值面2109对准或靠近顶面2111。互补地，加工底板2110包括第二光学等值面2112，当第二光学等值面2112与结构化基底1900的顶面2111接合时，第二光学等值面2112对准或靠近顶面2111。装配支柱2108和加工底板2110被配置以与结构化基底1900配合，以能够形成在孔2102中或在顶面2111附近的通过薄膜2106支撑的光学元件2102。如图21所示，光学元件2102至少部分地从孔2104中凸出，使得例如，当结构化基底1900与具有或不具有悬浮透镜的第二结构化基底对准地接触时，光学元件2102可被“嵌套”在第二结构化基底的孔中(且，可能，在其中包含悬浮的透镜中)。

图22示出形成悬浮透镜的方法2200。在步骤2210中，第一装配支柱与包括至少一个穿过其中的孔的结构化基底接合。在步骤S2220中，光学材料沉积在第一装配支柱上且沉积在孔中。在步骤S2230中，第二装配支柱与基底接合，使得光学材料在孔中成形。在步骤S2240中，固化光学材料以在孔中形成通过薄膜悬浮的光学元件。

本文经过证明，如上所述的薄膜结构可以提供多种益处，包括但不限于：

减少或消除衬垫晶片的需求；

允许沿着光路(例如，在图18中的Z方向1830)任意/可调地定位悬浮透镜；

通过在制造中使用引导基底-底板界面，使能够对悬浮透镜进行精确的Z定位；

通过使用隔板，减少或消除了在光路上通过一个或多个基底传输的电磁能；

取决于期望的特征和具体的应用，允许使用透明的、不透明的、可传导的和/或金属的结构化基底；

控制光学元件的热扩散；

提供防潮层以保护光学元件，和/或

去除对光学元件和传感器之间的盖片的需要。

另外，与光学元件直接堆叠在相互顶面且由基底支撑的现有层状透镜结构相比，在薄膜结构中的每个透镜都允许两个空气-聚合物界面。因此，在每个界面的折射率差增加，为光学设计提供了更多灵活性。

在图23中示出在孔2330中通过薄膜2320(2mm直径)悬浮的光学元件2310(0.6mm直径)的数字显微图像2300。根据下述示例性方法制造光学元件2310和薄膜2320。

1.将光学胶(例如商用的UV光固化黏胶剂)施加在与具有孔的结构化基底耦合的装配支柱上

2.使光学胶在600瓦特的UV光源下曝光120秒；以及

3.使光学胶在空气中以150℃退火持续3小时，以达到完全固化。

光学元件2310表面的测试显示出均匀的球形，元件2310的顶点的位于薄膜2320上方大约45μm。光学元件2310的直径大约为孔2330直径的30％，这为穿过其中传输足够的电磁能提供了充足的通光孔径。

上述描述的变化，以及可以在此处描述的图像系统中进行其他变化，都不脱离本发明的范围。应该注意的是，在上述描述中包含的或显示在附图中的物质应该理解为是说明性的且没有限定的意义。下述的权利要求旨在覆盖此处上位和下位的特征，并可声明本方法和系统的全部范围，根据语言，能落入其中。

Claims (15)

1.薄膜悬浮光学元件，包括：

结构化基底，包括多个在所述结构化基底中限定的孔，其中所述结构化基底包括机械耦合在一起的至少两个结构化基底；

第一光学元件阵列，每个所述第一光学元件通过薄膜悬浮在一个所述孔中，且位于所述结构化基底的上表面和下表面之间；

第二光学元件阵列，每个所述第二光学元件通过薄膜悬浮在一个所述孔中；以及

在所述两个结构化基底之间的活动层，以改变所述第一光学元件和第二光学元件之间的光学间距。

2.如权利要求1所述的薄膜悬浮光学元件，其中所有所述第一光学元件相同。

3.如权利要求1所述的薄膜悬浮光学元件，其中每个所述孔为矩形、椭圆形或圆形。

4.如权利要求1所述的薄膜悬浮光学元件，其中所述第一光学元件由可固化材料形成。

5.如权利要求1所述的薄膜悬浮光学元件，进一步包括隔板，用以阻挡通过所述薄膜的杂散光。

6.如权利要求1所述的薄膜悬浮光学元件，其中每个孔的第一光学元件和第二光学元件接触，其间没有空间。

7.如权利要求1所述的薄膜悬浮光学元件，其中每个孔的第一光学元件和第二光学元件不接触。

8.如权利要求1所述的薄膜悬浮光学元件，其中每个所述第一光学元件的直径小于每个所述孔的直径。

9.形成悬浮透镜的方法，包括：

将第一装配支柱与包括至少一个孔的第一基底接合；

将第一光学材料沉积在所述第一装配支柱上且沉积在所述孔中；

将第二装配支柱与所述第一基底接合，使得所述第一光学材料在所述孔中成形；以及

固化所述第一光学材料以形成通过薄膜悬浮在所述孔中且位于所述第一基底的上表面和下表面之间的第一固体光学元件。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括将过量的光学材料从所述孔中导出，同时使所述第二装配支柱与所述光学材料接合。

11.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

将第二光学材料沉积在所述第一光学元件上且沉积在所述孔中；

将所述第一基底与第三装配支柱接合；以及

固化所述第二光学材料以形成相邻的通过薄膜悬浮在所述孔中的第一固体光学元件和第二固体光学透镜组件。

12.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

将第三装配支柱与形成至少一个第二基底孔的第二基底接合；

将第二光学材料沉积在所述第三装配支柱上且沉积在所述第二基底孔中；

将第四装配支柱与所述第二基底接合，使得所述第二光学材料在所述第二基底孔中成形；

固化所述第二光学材料以形成通过薄膜悬浮在所述第二基底孔中的第二固体光学元件；以及

使所述第一基底与第二基底耦合在一起，使得所述第一基底孔和所述第二基底孔对准以形成两个沿共用光路空间分隔的悬浮光学元件。

13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：将活动层集成在所述第一基底和第二基底之间；以及激活所述活动层，以改变在所述第一固体光学元件和第二固体光学元件之间且沿着所述共用光路的光学间距。

14.薄膜悬浮光学元件，包括：

第一结构化基底，包括多个在所述第一结构化基底中限定的第一孔；

第一光学元件阵列，每个所述第一光学元件通过薄膜悬浮在一个所述第一孔中，且位于所述第一结构化基底的上表面和下表面之间；

第二结构化基底，包括多个在所述第二结构化基底中限定的第二孔；

第二光学元件阵列，每个所述第二光学元件通过薄膜悬浮在一个所述第二孔中，且位于所述第二结构化基底的上表面和下表面之间；

所述第一结构化基底和第二结构化基底机械地耦合在一起，所述第一光学元件和第二光学元件光学地对准。

15.如权利要求14所述的薄膜悬浮光学元件，其中，所述第一光学元件和第二光学元件包括一个、两个或更多不同的悬浮光学元件。

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