CN102466828B

CN102466828B - 光学装置

Info

Publication number: CN102466828B
Application number: CN201110335853.7A
Authority: CN
Inventors: 李政烨; 丁奎东; 李升浣; 金云培
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: EP2447742A1; CN102466828A; US9405045B2; KR20120045517A; KR101912093B1; US20120105971A1; JP2012098718A; JP5971913B2

Abstract

本发明提供一种光学装置，诸如变焦流体透镜。光学装置包括间隔物框架、光学流体、弹性膜、致动器、致动器框架以及热变形板。间隔物框架限定内部空间，该内部空间包括彼此连通的透镜部分和驱动部分，该驱动部分设置为围绕设置在内部空间的中心区域中的透镜部分。光学流体填充在间隔物框架限定的内部空间中。弹性膜附接在间隔物框架的表面上以覆盖内部空间的一侧，热变形板附接在间隔物框架的另一表面上以覆盖内部空间的另一侧。热变形板随着温度的改变变形从而增大或减小内部空间的体积。

Description

光学装置

技术领域

根据示范性实施方式的装置涉及一种光学装置诸如流体透镜(fluidiclens)。

背景技术

随着数字技术的发展，数字融合正快速扩展。特别地，在媒体和通信领域，数字融合进展最积极。代表性的数字融合产品是移动通信设备。近来，诸如数码相机、数字摄像机等的各种成像设备以及用于游戏、音乐播放、广播、互联网等的设备与移动通信设备结合起来。这些成像设备广泛安装在诸如移动电话、膝上计算机、个人数字助理(PDA)等的各种移动通信设备中。

近来，随着具有成像装置的移动电子装备的小型化、纤薄和普及，对小尺寸、纤薄且低成本的成像设备的需求不断增加。特别地，由于最近发布的移动设备具有各种数字电子设备(例如，MP3播放器、视频播放器、DMB电视等)以及成像设备，所以更加需要小尺寸、纤细的成像设备。然而，包括聚焦光学系统的成像设备是一类非常难以减小其尺寸或厚度的电子装备。

具有成像设备的移动电子设备的最初型号不要求成像设备的高性能。然而，近来，为了满足消费者的各种要求或喜好，开发了具有成像设备的各种移动设备，并且对这些移动设备的性能要求如分辨率也在提高。例如，最初的成像设备仅支持有限的功能如具有60cm的固定和最短焦距的微距模式，但最近开发的成像设备支持更多样的功能，包括自动对焦功能、缩放(zoom)功能、允许在30cm或更小距离内拍摄的微距模式、图像稳定功能等。

为了在成像设备中实现自动对焦功能、图像变焦功能、微距模式等，需要调整聚焦光学系统的焦距的功能。已经采用使用步进电机的方法、使用音圈电机(VCM)的方法等来作为用于改变聚焦光学系统的焦距的方法。这些方法驱动电机等以改变聚焦光学系统的透镜之间的距离从而改变焦距。因此，这些方法在减小成像设备的尺寸方面具有局限性，并且也难以整体地制造成像设备，这成为制造成本增加的因素。

为了克服这些缺点，已经提出了使用流体透镜的方法。流体透镜是一种光学装置，该光学装置具有光学流体通过光学膜密封的结构。在流体透镜中，透镜表面的曲率通过调节施加到光学膜的透镜表面的压力而改变。这样的流体透镜的代表示例公开于本申请相同申请人提交的名为“光学透镜及其制造方法(Optical Lens and Manufacturing Method thereof)”的韩国专利申请特开No.2008-0043106中，其全部公开通过引用结合于此用于所有目的。

由于流体透镜能够利用透镜表面曲率的变化来改变焦距，所以不需要为了调节焦距而改变聚焦光学系统的透镜之间的距离。因此，由于具有流体透镜的成像设备不需要步进电机或VCM等来移动聚焦光学系统的透镜，而且也不需要确保用于移动透镜的间隔空间，所以成像设备能够制造得紧凑。此外，由于上述韩国专利申请特开中公开的流体透镜以晶片级制造，所以该流体透镜适于批量制造并有助于降低制造成本。

同时，大多数具有移动设备的电子装备设计为在预定的温度范围内稳定操作。电子装备的操作温度可以取决于目的或功能。此外，个人便携电子设备的操作温度范围通常为从约-20℃至约60℃。该操作温度范围也适用于具有流体透镜的成像设备。

然而，流体透镜中使用的光学流体具有相对大的热膨胀系数(CTE)并因而关于温度的变化而具有相对大的体积变化。由于流体透镜随着由光学流体施加到光学膜的压力而改变透镜表面的曲率从而调节焦距，所以透镜表面的曲率(也就是，流体透镜的焦距)受到温度变化的影响。该现象会妨碍流体透镜在预定操作温度范围内(例如，从-20℃至60℃)稳定操作。

发明内容

下面的描述涉及能确保稳定操作而与温度变化无关的光学装置，诸如流体透镜。

下面的描述还涉及当光学流体的体积由于温度变化而改变时焦距不改变的光学装置，诸如流体透镜。

在一个总的方面，提供一种光学装置，该光学装置包括限定内部空间的间隔物框架(spacer frame)，其中该内部空间包括彼此连通的驱动部分和透镜部分。间隔物框架限定的内部空间用光学流体填充。弹性膜和热变形板分别附接到间隔物框架的底侧表面和顶侧表面上，其中弹性膜至少覆盖透镜部分，用单一透明材料形成的热变形板(也就是，热变形构件)随着温度的改变而变形从而增大或减小内部空间的体积。热变形板的与透镜部分对应的部分可以是平的且同时比热变形板的边缘向外凸出。

在另一总的方面，提供一种光学装置，该光学装置包括限定内部空间的间隔物框架，其中该内部空间包括彼此连通的驱动部分和透镜部分。间隔物框架限定的内部空间用光学流体填充。弹性膜附接在间隔物框架的表面上以至少覆盖透镜部分。此外，热变形板和法兰单元设置在间隔物框架的另一表面上，其中热变形板对应于内部空间设置并随着温度的改变而变形以增大或减小内部空间的体积，法兰单元对应间隔物框架的顶表面沿着热变形板的边缘设置。光学装置还可以包括加强构件。加强构件是平的并在对应于透镜部分的位置处设置在热变形板中。加强构件可以位于热变形板内部。

在另一总的方面，提供一种光学装置，该光学装置包括限定内部空间的间隔物框架，其中该内部空间包括彼此连通的驱动部分和透镜部分。间隔物框架限定的内部空间用光学流体填充。弹性膜附接在间隔物框架的表面上以至少覆盖透镜部分，用单一透明材料形成的热变形板设置在间隔物框架的另一表面上。热变形板可以随着温度的改变而变形从而增大或减小内部空间的体积。具有平的形状的透明加强构件可以在对应于透镜部分的位置设置在热变形板中。

在另一总的方面，提供一种光学装置，该光学装置包括间隔物框架、光学部分、热变形板以及光学材料。光学部分设置在间隔物框架的一表面上，热变形板设置在间隔物框架的另一表面上，也就是设置在与设置光学部分的表面相反的表面上。光学材料填充在由间隔物框架、光学部分、热变形板限定的内部空间中。此外，热变形板和间隔物框架用不同的材料形成，热变形板具有预定的形状并随着温度的改变而变形从而增大或减小内部空间的体积。

在另一总的方面，提供一种光学装置，包括：第一膜，包括向外凸出的预定实质上凸出形状，该第一膜由热膨胀材料形成使得该第一膜是可热变形的从而随着环境温度的增加而进一步向外凸出；加强构件，设置在所述第一膜的中央，所述加强构件由比所述第一膜的材料更刚性的材料制成；框架，设置在所述第一膜下面；第二膜，设置在所述框架下面；以及流体，设置在由所述第一膜、所述框架和所述第二膜形成的内部腔室中。所述第一膜、所述加强构件、所述框架和所述第二膜可以共线地设置。所述第二膜的设置在所述第一膜的设置所述加强构件的部分正下方的部分随着所述环境温度的增加保持平行于所述第一膜的设置所述加强构件的部分。

其它特征和方面将从下面的详细描述、附图和权利要求中变得明显。

附图说明

图1是示出光学装置的示例的透视图。

图2是示出图1所示的光学装置的分解透视图。

图3是沿图1的线A-B截取的光学装置的剖视图。

图4A是剖视图，示出当温度升高时图3所示的光学装置的变形结构的示例。

图4B是剖视图，示出当温度降低时图3所示的光学装置的变形结构的示例。

图5A是剖视图，示出图3所示的光学装置的修改示例。

图5B是剖视图，示出图3所示的光学装置的另一修改示例。

图6是剖视图，示出图3所示的光学装置的另一修改示例。

图7是剖视图，示出光学装置的另一示例。

图8A是透视图，示出图7所示的光学装置中包括的法兰单元的示例。

图8B是透视图，示出图7所示的光学装置中包括的法兰单元的另一示例。

图9A是剖视图，示出图7所示的光学装置的修改示例。

图9B是剖视图，示出图7所示的光学装置的另一修改示例。

图10示出测试中使用的图7的光学装置中包括的元件的尺寸。

在附图和具体描述始终，除非另外描述，相同的附图标记将理解为指代相同的元件、特征和结构。这些元件的相对尺寸和图示出于清晰、说明和方便的目的可以被放大。

具体实施方式

提供下面的文字描述以辅助读者获得对这里描述的方法、装置和/或系统的全面理解。因此，本领域普通技术人员将可想到这里描述的方法、装置和/或系统的各种改变、变型及等价物。另外，为了更加清晰和简洁，可省略对公知的功能和构造的描述。另外，如果没有排除某些情形的明确说明，则第一材料层形成在第二材料层上的含义应当理解为包括第一材料层直接形成在第二材料层上以及另一第三材料层插入在第二材料层与第一材料层之间的所有情形。

图1是示出光学装置100的示例的透视图，图2是示出图1所示的光学装置100的分解透视图，图3是光学装置100沿图1的线A-B截取的剖视图。图1、图2和图3中示出的光学装置100可以是包括在移动设备的照相机模块中的流体透镜。供选地，流体透镜可以被包括在任何其它合适的电子设备中。下面的描述将假定光学装置100为流体透镜而给出。然而，光学装置100不限于流体透镜，并可以用于各种目的。

参照图1、图2和图3，光学装置100包括间隔物框架110、弹性膜120、热变形板150以及光学流体125。此外，光学装置100还可以包括致动器130和致动器框架140。图1、图2和图3示出了光学装置100在室温的形状，当温度改变时光学装置100的形状(更具体地，热变形板150的形状)可以改变。

光学装置100可以自身用作成像设备中的流体透镜或附接到成像设备中的聚焦光学系统。在前一种情况中，光学装置100可以改变其自身焦距。然而，在后一种情况中，光学装置100可以用于改变聚焦光学系统的焦距。此外，在前后两种情况中，通过利用光学装置100改变焦距，成像设备可以实现变焦功能，诸如自动对焦功能、缩放功能、和/或微距模式。

间隔物框架110限定预定的内部空间，光学流体125被设置或填充在该内部空间中。更具体地，其中设置或填充光学流体125的预定的内部空间通过间隔物框架110、弹性膜120以及热变形板150来限定和密封。在示范性实施方式中，光学流体填满预定的内部空间。对于预定的内部空间，间隔物框架110包括围绕内部空间的侧壁112。此外，间隔物框架110可以包括分隔物114，用于将内部空间分隔成彼此连通的透镜部分和驱动部分。例如，内部空间的下部可以通过分隔物114分隔成透镜部分和驱动部分，并且透镜部分和驱动部分可以在该内部空间的上部彼此连通。分隔物114可以在结构上连接到侧壁112。间隔物框架110可以利用具有优异耐化学性和耐湿性的硬质材料例如硅形成，或者可以利用透明或不透明材料形成。分隔物114形成为使得光学流体125能够在透镜部分和驱动部分之间自由流动。在示范性实施方式中，分隔物114的高度小于间隔物框架110的总高度的一半。在另一示范性实施方式中，分隔物114的高度在150-200μm的范围内。

透镜部分是入射光通过其的部分，也就是用作透镜的部分。驱动部分是用于传送驱动力的部分以用来改变弹性膜120的覆盖透镜部分的部分(透镜表面)的外形。更具体地，当预定压力(例如，通过致动器130的驱动产生的预定压力)施加到光学流体125的驱动部分时，驱动部分上的光学流体125朝向透镜部分移动。结果，透镜部分上的光学流体125的量增加从而增加施加到构成透镜表面的弹性膜120的压力，使得透镜表面变形为向上凸出的形状，也就是凸透镜形状。这时，通过调整施加到光学流体125的驱动部分的压力来控制透镜部分的变形程度(即，变形量)，也就是凸透镜的曲率，可以控制光学装置100的屈光力(refractive power)。

透镜部分可以设置在光学装置100的中心部分中，驱动部分可以设置为围绕透镜部分。如果驱动部分设置为围绕透镜部分，则光学流体125可以从所有方向均匀地从驱动部分流向透镜部分。因此，由于光学流体125的流动而变形的透镜部分可以具有更加球面形态的凸透镜形状，因此可以实现具有优异光学性能的变焦流体透镜。驱动部分可以分隔成多个区域。例如，如图2所示，驱动部分可以分隔成关于透镜部分对称的四个区域。然而，驱动部分也可以分隔成两个、三个、五个或更多区域。

将由间隔物框架110限定的内部空间分隔成驱动部分和透镜部分可以假想地进行而没有诸如分隔物114的物理结构。也就是，间隔物框架110可以具有圆柱或矩形形状，其仅由侧壁112限定且其内部空间仅由侧壁112围绕。在此情况下，将内部空间分隔成驱动部分和透镜部分可以根据功能特征(例如，在内部空间中，驱动部分可以对应于致动器130而透镜部分可以对应于加强构件(图5A的160或图5B的160’))进行，和/或根据与外围构件的结构关系进行。

由间隔物框架110限定的内部空间(也就是驱动部分和透镜部分)用光学流体125填充。光学流体125是一种能够填充在该内部空间中的光学材料，并且不限于液体。例如，光学流体125可以是气体或凝胶型材料。填充在内部空间中的光学流体125通过分别附接到或设置在间隔物框架110的底表面和顶表面上的弹性膜120和热变形板150而密封。光学流体125可以是透明硅酮油(silicone oil)如二甲基硅氧烷(DMS)油、透明烃油、透明酯油、或透明聚醚油如全氟聚醚(PFPE)。上述材料当中的硅酮油或聚醚油在约-55℃至250℃的温度范围内保持为液相，并一般具有较小的关于温度的粘度改变。例如，在1000厘泊(centipoise，cP)或更小的粘度具有50或更大聚合度的透明硅酮油可以用作光学流体125，在此情况下，光学装置100可以实现非常高的响应速度。在示范性实施方式中，光学流体125可以具有小于100cP的粘度。然而，硅酮油或聚醚油具有330ppm/℃或更大的大热膨胀系数(CTE)。可以适当地使用满足上述物理特性的任何其它材料或物质。

弹性膜120附接到间隔物框架110的表面(图1、图2和图3中的下表面)以覆盖内部空间的透镜部分。弹性膜120的覆盖透镜部分的部分可以相应于形成光学装置100的透镜表面的光学部分。弹性膜120也可以覆盖内部空间的驱动部分，在此情况下，弹性膜120可以是片状膜(sheet-like film)。然而，内部空间的驱动部分可以由不同于这样的光学部分的弹性膜覆盖或者由除弹性膜以外的任何其它元件覆盖。

弹性膜120必须具有透明性和高弹性，并且还必须是化学稳定的。此外，弹性膜120的外表面必须具有耐湿性。满足上述条件的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体、聚甲基苯基硅氧烷(PMPS)弹性体、透明硅弹性体如氟硅氧烷弹性体、烃弹性体、聚醚弹性体、环氧丙烷(propylenoxide)弹性体以及聚酯弹性体。弹性膜120不限于单层结构，可以是由双层形成的多层结构。可以适当地使用满足上述物理特性的任何其它材料或物质。

上述弹性体是具有大CTE的材料，仅由这样的弹性体形成的膜随着温度的改变而极大地膨胀或收缩。然而，用作图1、图2和图3所示的光学装置100的部件的弹性膜120以这样一种方式附接到间隔物框架110上，使得它不随着温度的改变而膨胀或收缩。例如，在制造中，液相PDMS在固定基板上以膜的形式固化，所得的弹性膜120在充分拉伸以具有非常薄的厚度之后附接到间隔物框架110上，和/或经历用于防止热膨胀的预定处理然后附接到间隔物框架110上。例如，弹性膜120可以被伸展或拉伸从而具有在热变形板150的热膨胀期间足以防止其起皱或变形的残余张应力。

在示范性实施方式中，弹性膜120可以以预负载状态制造使得处于预负载状态的弹性膜120的长度为39.00mm，而预负载的去除导致长度减小3.85％至37.5mm。预负载可以通过在去除预负载之后测量弹性膜120的长度的改变而计算。在示范性实施方式中，弹性膜120的CTE范围是从180ppm/℃到320ppm/℃。

当由相同材料形成时，热变形板150的厚度可以为弹性膜120的厚度的三倍或四倍。在另一示范性实施方式中，热变形板150可以是弹性膜120的厚度的六倍。

致动器130可以是在对应于驱动部分的位置处设置在弹性膜120上的聚合物致动器。聚合物致动器130可以是对应于驱动部分的单一结构或者可以分隔成多个区域。此外，聚合物致动器130可以利用预定粘合材料附接到弹性膜120上。致动器130的种类或材料不受限制，可以使用各种致动器。例如，致动器130可以由具有薄的厚度和低功耗的电活性聚合物(EAP)制成，或者可以是由三元共聚物制成的张弛振荡器铁电聚合物致动器，三元共聚物例如为聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯)[P(VDF-TrFE-CTFE)]或聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)[P(VDF-TrFE-CFE)]。可以适当地使用满足上述物理特性的任何其它材料或物质。

致动器130用于通过在预定驱动电压施加到致动器130时向驱动部分施加压力而使驱动部分中的光学流体125流向透镜部分，使得透镜部分的弹性膜120向外凸出从而变为凸的。在此情况下，致动器的位移可以通过调整驱动电压的大小而控制，相应地，施加到驱动部分中的光学流体125的压力也可以被控制。这样的聚合物致动器130是施压器件的示例，该施压器件向驱动部分施加压力以使光学流体125流向透镜部分从而透镜表面向外凸出。因此，也可以通过使用微泵等代替聚合物致动器130而使驱动部分上的光学流体125流向透镜部分。由于分隔物114的设计，存在光学流体125从驱动部分到透镜部分的瞬时或近乎瞬时流动，反之亦然。换言之，分隔物114不限制光学流体125的流动使得驱动部分和透镜部分处的压力随着时间逐渐均衡。

致动器框架140可以设置为在致动器130上的固定框架。致动器框架140用于将弹性膜120和/或致动器130牢固地固定到间隔物框架110上。致动器框架140具有暴露对应于至少透镜部分的弹性膜120的平面形状，并且可以暴露部分致动器130。例如，致动器框架140可以仅暴露弹性膜120的对应于驱动部分和透镜部分的部分，并具有关于光轴轴对称的平面形状。致动器框架140可以用具有小CTE的硬质材料如硅形成。

热变形板150附接到间隔物框架110的另一表面上，也就是附接到与间隔物框架110的其上附接弹性膜120的表面相反的表面(在图1、2和3中，间隔物框架110的上表面)上。热变形板150可以覆盖由间隔物框架110限定的内部空间的全部或部分。例如，热变形板150制造为与间隔物框架110具有相同尺寸(宽度)，从而覆盖内部空间的驱动部分和透镜部分的全部，热变形板150的边缘部分可以接合到间隔物框架110的侧壁112。然而，热变形板150的尺寸可以对应于内部空间的宽度(见图7)，或者可以小于内部空间的宽度。

热变形板150随着温度的改变而变形或在形状上改变，从而抵偿光学流体125相对于温度的改变的体积改变。更具体地，当温度升高时，热变形板150向外变形(在图3中向上)从而增大内部空间的体积；当温度降低时，热变形板150向内变形(在图3中向下)从而减小内部空间的体积。由于热变形板150的变形，体积随着温度上升而增加的光学流体125填充在体积已经增加的内部空间中，体积随着温度降低而减小的光学流体125填充在体积已经减小的内部空间中。结果，当光学流体125的体积随着温度的改变而改变时，光学装置100不使透镜表面变形或者使透镜表面的变形最小化。

在公开于本申请相同申请人提交的名称为“光学透镜及其制造方法”的韩国专利申请特开No.2008-0043106中的常规流体透镜中，使用透明、刚性玻璃基板代替热变形板150。如上所述，由硅酮油等制成的光学流体125具有约330ppm/℃的显著大的CTE。同时，如果间隔物框架和玻璃基板用硅形成，则它们具有约2-3ppm/℃的CTE，该CTE显著小于光学流体125的CTE。因而，当温度改变时，在常规流体透镜中，弹性膜的形状由于通过光学流体的膨胀或收缩引起的施加到透镜表面的压力改变而变形，这改变了流体透镜的折射率。

例如，当常规流体透镜具有5.3mm x 5.3mm x 0.3mm(＝宽度x长度x高度)的内部空间尺寸和直径为2.4mm的透镜部分时，在存在40℃的温度改变(例如，当温度从20℃升高到60℃或者从20℃下降到-20℃时)时，透镜表面的变形最大为约±134μm。也就是，当温度从室温升高或下降40℃时，对应于透镜部分的弹性膜120向外凸出至最大134μm的高度或向内凹陷至最大134μm的深度。由于在直径为约2.4mm的流体透镜中透镜表面的可变形阈值范围(也就是，光学透镜的透镜表面的允许变形范围)已知为约±15μm，所以使用玻璃基板的常规流体透镜在电子设备的正常操作温度范围(从-20℃至60℃)内难以保持恒定的焦点。

为了抵消光学流体125的体积改变，通过用具有大CTE的单一透明材料形成热变形板150，光学装置100可以防止或最小化透镜表面的这种变形。为此，热变形板150可以用与光学流体125具有基本相同CTE的材料形成，或者可以用CTE大于光学流体125的CTE的材料形成。这里，“热变形板150和光学流体125的CTE基本相同”的含义不限于热变形板150的CTE在数值上与光学流体125的CTE相同的情形，并可以被解释为包括其中热变形板150的CTE具有能够抵消光学流体125关于温度变化的体积改变的CTE值(也就是，一CTE值，在该CTE值处，光学装置100的折射率关于温度变化的改变在预定可允许的范围内)，尽管热变形板150的CTE小于光学流体125的CTE。例如，热变形板150的CTE是光学流体125的CTE的50％或更大的情形可以相当于热变形板150和光学流体125的CTE基本相同的情形。在示范性实施方式中，热变形板150的CTE范围为从180至320ppm/℃，而光学流体的CTE范围为从280至380ppm/℃。

此外，热变形板150可以用具有弹性变形特性且在包括光学装置100的操作温度范围的宽温度范围内稳定的材料形成。如果热变形板150利用允许塑性变形的材料形成，尽管热变形板150具有大的CTE，热变形板150的尺寸会由于随着温度的改变发生的反复膨胀和收缩而改变。因此，通过用允许弹性变形的材料形成热变形板150，热变形板150的尺寸即使在光学装置100长时间经受温度的改变时也可以保持不变。

此外，如光学流体125那样，通过用允许弹性变形的材料形成热变形板150，光学流体125的体积改变可以更有效地得到抵偿。此外，由于热变形板150密封光学流体125，如弹性膜120那样，所以热变形板150可以用具有优异耐化学性和低吸湿性的疏水材料形成。此外，热变形板150必须具有优异的透射性。

满足热变形板150的上述性能的代表性材料包括弹性体诸如硅酮弹性体(silicone elastomer)、硅酮树脂(silicone resin)等。硅酮弹性体可以是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基苯基硅氧烷(PMPS)、聚甲基乙烯基硅氧烷(PMVS)、氟化硅酮弹性体(fluro-silicone elastomer)等。可以合适地使用满足上述物理特性的任何其它材料或物质。上述材料当中的PDMS具有大的CTE、优异的弹性特性和优异的透射性，并还具有低的表面张力及非电离和非极性特性。也就是，PDMS在高温以及低温是化学稳定的，并表现出耐热特性、耐大气暴露性(UV、臭氧)、及氧化稳定性。例如，由于PDMS板具有约300ppm/℃的大CTE并足够可靠即使在300℃或更高的高温仍是稳定的，所以PDMS板能够经受后续的高温工艺。当热变形板150用PDMS形成时，热变形板150具有约100μm至500μm的厚度。

如上所述，热变形板150变形从而在温度升高时增大内部空间的体积，以及在温度降低时减小内部空间的体积。热变形板150的这种变形直接由于温度的变化引起，而不是由光学流体125的体积改变间接地引起，也就是，不是由光学流体125的体积改变导致的压力的增加/减小间接地引起。换言之，因为内部空间的体积由于由温度的改变直接引起的热变形板150的变形而增大或减小，所以光学装置100可以保持由光学流体125施加到弹性膜120的压力不变或使施加到弹性膜120的压力的变化最小化，尽管光学流体125的体积由于温度的改变而增加或减小。因此，当温度在正常操作温度范围内改变时，光学装置100或包括光学装置100的成像设备表现出屈光力的很小变化或者将屈光力的变化限制为低于预定阈值。

为了抵偿由于温度的改变导致的光学流体125的体积改变，热变形板150在温度升高时变形为向外凸出从而成为凸的，并在温度降低时变形为向内降低从而成为凹的。也就是，热变形板150随着温度改变而具有预定方向性地变形。由于温度升高时热变形板150的宽度增加以及当温度降低时其宽度减小，并且光学流体125的体积也随着温度的改变而增加或减小，所以热变形板150的变形可以具有上述方向性。然而，存在热变形板150的位移将不足以抵偿光学流体125的体积变化的可能性，特别是当温度降低时这种可能性进一步增加。

为了抵偿热变形板150的变形方向性并允许热变形板150的足够变形，热变形板150可以经受一初始变形从而具有预定高度d₁的向外(图3中向上)的凸形状。具有凸形状的热变形板150在温度升高时变形为更加凸的形状，在温度降低时变形为较不凸的形状或平的形状。初始变形的高度d₁可以为从约25μm至200μm。然而，高度d₁可以取决于光学装置100的尺寸。例如，在其内部空间的尺寸为约5.3mm x 5.3mm x 0.3mm(＝宽度x长度x高度)、透镜部分的直径为约2.4mm、热变形板150的厚度为约300μm的光学装置100的情形中，初始变形的高度d₁可以为约50μm至200μm。在示范性实施方式中，热变形板150的向其中心延伸的部分可以在室温时向上成0.1度的角度(在图3中的水平线之上)。在另一示范性实施方式中，该角度可以为8度。

热变形板150的初始变形有助于有效抵偿光学流体125的体积的减小，特别是当温度降低时。换言之，热变形板150变形使得其向上凸出的中心部分变平(也就是，使得凸形状的高度d₁减小)从而减小内部空间的体积。与此不同，平的没有经受初始变形的热变形板在温度降低时难以变形为与光学流体125的体积的减小相对应地充分减小内部空间的体积。

图4A和图4B是剖视图，示出图3所示的光学装置100随着温度的变化而变形的示例，其中图4A对应于温度从20℃上升到60℃的情形，图4B对应于温度从20℃下降到-20℃的情形。参照图4A，当温度升高时，光学装置100的热变形板150的位移增加(d₁<d₂)，从而热变形板150更加向外凸出。参照图4B，当温度降低时，光学装置100的热变形板150的位移减小从而热变形板150更加向内变形为平的。光学装置100的透镜表面的外形(即，对应于透镜部分的弹性膜120的外形)可以变化很少或在允许的范围内变化而与温度的变化无关。

在光学装置100中，热变形板150的与透镜部分对应的部分(也就是，热变形板150的中心部分)具有基本平坦的形状。必须保持热变形板150的中心部分的平坦形状而不论温度的变化。这旨在防止入射光被热变形板150折射。为了防止入射光被折射或最小化折射的量，热变形板150的中心部分具有能够覆盖至少透镜部分的尺寸。

为了使热变形板150的中心部分具有平坦形状并且保持中心部分的平坦形状而不论温度变化，光学装置100还可以包括设置在与透镜部分对应的位置处的加强构件。图5A和图5B是剖视图，示出分别包括加强构件160和160’的光学装置100’和100”的示例。参照图5A和图5B，光学装置100’和100”不同于图3所示的光学装置100之处在于加强构件160或160’嵌入到热变形板150中。加强构件160和160’用于防止热变形板150(具体地，热变形板150的对应于透镜部分的部分)变形。因此，加强构件160和160’可以用刚性、透明材料形成。例如，加强构件160和160’可以用透明玻璃、透明聚酰亚胺、透明聚醚砜(PES)等形成。在供选实施方式中，加强构件160和160’可以由与用于热变形板的PDMS材料相比用更多硬化剂固化的PDMS材料制成。此外，加强构件160和160’可以具有相应于透镜部分的形状的圆形、或具有能够覆盖整个透镜部分的尺寸的方形或多边形。

如图5A所示，加强构件160可以嵌入到热变形板150内部，例如嵌入到热变形板150的下部中。由于能够防止嵌入到热变形板150内部的加强构件160暴露到空气、湿气等，所以加强构件160可以用各种材料形成而没有任何限制(例如，耐湿性)。在此情况下，加强构件160可以形成为厚度薄于热变形板150的厚度。例如，加强构件160的厚度可以为热变形板150的厚度的约1/4至3/4(从约50μm至约300μm)。

与以上不同，加强构件160可以供选地附接到热变形板150的上表面和/或下表面。此外，如图5B所示，加强构件160’可以形成为具有与热变形板150相同的厚度。在此情况下，加强构件160’可以替代热变形板150的与透镜部分对应的部分。在前后两种情况中，由于加强构件160’会暴露到空气、光学流体125等，所以加强构件160’可以用具有优异耐化学性和耐湿性的材料形成。

再次参照图1、图2和图3，尺寸相应于间隔物框架110的尺寸的热变形板150(热变形板150可以包括如图5A或5B所示的加强构件160或160’)可以利用预定粘合剂152附接到间隔物框架110上。预定粘合剂152可以是紫外(UV)固化环氧粘合剂。然而，预定粘合剂152可以是被选择为将热变形板150有效粘着到间隔物框架110(考虑到它们的材料)的任何其它粘合手段。

图6是剖视图，示出图3所示的光学装置100的另一修改示例100”’。参照图6，光学装置100”’还可以包括粘合剂辅助图案154以使热变形板150容易且牢固地粘着到间隔物框架110。粘合剂辅助图案154可以插入到间隔物框架110和热变形板150之间的界面中，更具体地，插入到粘合剂152和热变形板150之间的界面中。粘合剂辅助图案154可以由考虑到间隔物框架110和热变形板150的材料而选择的材料制成。例如，当间隔物框架110用硅形成并且热变形板150用硅酮弹性体如PDMS形成时，粘合剂辅助图案154可以用硅化合物如硅氧化物或硅氮化物形成。用硅化合物形成的粘合剂辅助图案154用于补充分子结构、化学特性等与硅不同的硅酮弹性体的低粘着性。

因此，粘合剂辅助图案154可以用硅氧化物沿热变形板150的边缘形成。形成粘合剂辅助图案154的方法不受限制。例如，粘合剂辅助图案154可以用图案光刻法形成在热变形板150的边缘上。更具体地，粘合剂辅助图案154用硅氧化物等形成在允许图案光刻法的基板上。粘合剂辅助图案154可以考虑到热变形板150与间隔物框架110之间的界面而形成为具有合适的形状和宽度。然后，图案将转移到其上的热变形板150的表面经受等离子体处理(例如，使用氧作为处理气体的等离子体处理)，然后经受表面处理的热变形板150被附到其上已经形成粘合剂辅助图案154的基板上，从而执行向热变形板150的图案转移。

图7是示出光学装置200的另一示例的剖视图。参照图7，光学装置200包括间隔物框架210、弹性膜220、热变形板250、法兰单元270以及光学流体225，并且还可以包括致动器230和致动器框架240。图7示出了光学装置200在室温(例如，20℃)的情形。图7所示的光学装置200不同于图1、2和3所示的光学装置100之处在于光学装置200还包括法兰单元270。在下文，可以基于与光学装置100的差异来描述光学装置200。在下面的描述中没有详细说明的部分可以从以上关于光学装置100的描述中得到理解。

间隔物框架210限定预定的内部空间并包括围绕内部空间的侧壁212。间隔物框架210还可以包括分隔物214，用于将内部空间分隔成彼此连通的透镜部分和驱动部分。光学流体225填充在由间隔物框架210限定的内部空间中，也就是在驱动部分和透镜部分中，并且填充在内部空间中的光学流体225通过热变形板250和设置或附接在间隔物框架210的底部的弹性膜220密封。此外，聚合物致动器230在对应于驱动部分的位置处设置在弹性膜220上，聚合物致动器230可以通过致动器框架240固定在间隔物框架210上。

热变形板250用单一透明材料形成，附接到间隔物框架210的顶表面上，也就是附接到与间隔物框架210的附接弹性膜220的表面相反的表面上。热变形板250具有如图4B所示的平坦形状、或在与透镜部分对应的位置处向外(在图7中向上)凸出的形状。不同于光学装置100或100’的具有与间隔物框架110相同的尺寸(宽度)的热变形板150，光学装置200的热变形板250小于间隔物框架210。更具体地，间隔物框架210的尺寸对应于内部空间的尺寸，法兰单元270沿热变形板250的边缘(也就是，在间隔物框架210的顶表面上，对应于间隔物框架210和热变形板250的尺寸差)设置。也就是，热变形板250位于法兰单元270内部，法兰单元270对应于间隔物框架210的侧壁以环形状(例如，方形环形状)形成。

法兰单元270可以用具有与间隔物框架210的优异粘合特性以及与形成间隔物框架210的材料(例如，硅)的CTE类似的CTE的材料形成。例如，法兰单元270可以用玻璃形成。然而，法兰单元270可以用基于硅的任何其它材料形成。由于形成法兰单元270的玻璃具有类似于形成间隔物框架210的硅的分子结构和化学特性，所以法兰单元270可以利用一般的粘合剂252如紫外(UV)固化环氧粘合剂而与间隔物框架210接合。因此，用于改善粘合强度的粘合剂辅助图案(见图6)不必插入在法兰单元270和间隔物框架210之间的界面中。

此外，用具有约3.5ppm/℃的CTE的玻璃形成的法兰单元270和用具有约2.6ppm/℃的硅形成的间隔物框架210在它们之间具有小的CTE差异。法兰单元270和间隔物框架210之间的小的CTE差异意味着法兰单元270和间隔物框架210可以在温度改变时类似地膨胀或收缩，也就是一起膨胀或收缩。因此，由于在间隔物框架210和法兰单元270之间的界面中没有引起应力，所以光学装置200可以具有抵抗热冲击的高可靠性。此外，由于法兰单元270如间隔物框架210那样用具有小的CTE的材料形成，所以可以防止翘曲和断裂(具有约300μm的薄的厚度的间隔物框架210在高温(例如，在约250℃的回流工艺期间)由于热冲击而弯曲或破裂)。

此外，法兰单元270和热变形板250之间的界面可以具有预定角度θ的倾斜角使得法兰单元270的宽度减小并且热变形板250的宽度向外(图7中向上)增加(也就是，朝向相对于间隔物框架210相反的一侧增加)。与具有向外凸出的形状的热变形板没有界面倾斜(即，θ＝90°)的情形相比，法兰单元270和热变形板250之间的界面272的倾斜角θ允许热变形板250随着温度的改变(特别是随着温度的增加)而更容易地变形。此外，具有预定倾斜角的界面272可以减小当法兰单元270和热变形板250具有大的CTE差异时引起的热应力。界面272的倾斜角θ可以为从约30°至90°。

图8A和图8B是透视图，示出可包括在图7所示的光学装置200中的法兰单元270’和270”的示例。从图8A和图8B可见，每个法兰单元270’和270”的与热变形板250(见图7)形成界面的内部侧壁具有预定的倾斜角，使得每个法兰单元270’和270”顶部的宽度减小。图8A所示的法兰单元270’的内部侧壁是圆的形式，而图8B所示的法兰单元270”的内部侧壁是方形的形式。在前一情形中(见图8A)，由于热变形板250关于光轴对称，所以热变形板250的变形可以关于光轴对称。此外，在后一情形中(见图8B)，由于热变形板250具有与间隔物框架限定的内部空间相同的方形，所以热变形板250可以容易地制造。

此外，在光学装置200中，热变形板250的与透镜部分对应的部分可以基本是平的。此外，光学装置200还可以包括在与透镜部分对应的位置处设置在热变形板250中的加强构件260。加强构件260可以具有比热变形板250薄的厚度，并可以被嵌入在热变形板250内部。例如，加强构件260可以位于热变形板250下面。或者，如图9A所示，加强构件260’可以嵌入到热变形板250中，或者如图9B所示，加强构件260”可以位于热变形板250的上表面上。

在下文，将描述使用根据上述示例的光学装置的模拟和测试结果。

基于专门用于有限元分析(FEA)的软件ABAQUS ver.6.8CAE&Standard进行模拟，并考虑到非线性几何进行线性热-弹性变形，其中忽略由光学流体引起的压力。

在模拟中，使用以上参照图7描述的光学装置200，关于光学装置200的各部件的尺寸的详细情况在图10中示出。在图10中，光学装置200的间隔物框架210为矩形，具有约7mm x 7mm x 330μm(＝宽x长x高)的尺寸，由间隔物框架210限定的内部空间具有约4.9mm x 4.9mm x 330μm(＝宽x长x高)的尺寸，透镜部分具有直径为约2.4mm的圆形形状。热变形板250和法兰单元270之间的界面具有约58°的倾斜角。热变形板250形成为PDMS板，该PDMS板具有1.0MPa的杨氏模量、约58ppm/℃的CTE、及300μm的厚度，其中该PDMS板经受初始变形使得其中心部分向外凸出约120μm。加强构件260利用聚酰亚胺形成，具有3.2GPa的杨氏模量、约58ppm/℃的CTE以及200μm的厚度。光学流体225可以是具有330ppm/℃的CTE的硅酮油。此外，模拟在从-20℃至60℃的温度范围内进行，这是相应的电子设备(也就是，光学装置200)的操作温度范围。

表1列出了模拟结果，并示出当温度改变时热变形板250和透镜表面之间的位移。参照表1，当温度从20℃升高到60℃时，热变形板250更加凸出约51.1μm，而透镜表面具有约6.3μm的位移。并且，当温度从20℃下降到-20℃时，热变形板250降低约39.2μm，而透镜表面具有约7.8μm的位移。因此，可以看出透镜表面的位移小于预定的允许阈值范围(±15μm)。

[表1]

上面已经描述了若干示例。然而将理解，可以进行各种变型。例如，如果所描述的技术以不同顺序进行和/或如果所述系统、体系结构、设备、或电路中的部件以不同方式结合和/或被其他部件或其等同物替代或补充，则可以实现合适的结果。因此，其他的实施在权利要求的范围内。

本申请要求于2010年10月29日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2010-0107110的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

Claims

1.一种光学装置，包括：

间隔物框架，包括内部空间，该内部空间包括驱动部分和连通到所述驱动部分的透镜部分；

弹性膜，附接到所述间隔物框架的一个表面以至少覆盖所述透镜部分；

热变形构件，设置在所述间隔物框架的另一表面上，并由单一透明材料形成，该热变形构件是可热变形的从而随着温度的改变而增大或减小所述内部空间的体积；以及

光学流体，设置在所述内部空间中。

2.如权利要求1的光学装置，其中所述热变形构件用热膨胀系数与所述光学流体的热膨胀系数基本相同的材料形成。

3.如权利要求1的光学装置，其中所述热变形构件用热膨胀系数为所述光学流体的热膨胀系数的50％或更大的材料形成。

4.如权利要求1的光学装置，其中所述热变形构件用疏水材料形成，所述疏水材料在流体透镜的操作温度范围内允许所述热变形构件的基本线性弹性变形。

5.如权利要求4的光学装置，其中所述热变形构件用硅酮弹性体或硅酮树脂形成。

6.如权利要求5的光学装置，其中所述热变形构件用聚二甲基硅氧烷形成。

7.如权利要求5的光学装置，其中所述间隔物框架用硅形成，并且用硅氧化物或硅氮化物形成的粘合剂辅助图案插入在所述间隔物框架和所述热变形构件之间。

8.如权利要求1的光学装置，其中所述热变形构件的与所述透镜部分对应的部分比所述热变形构件的边缘部分更向外凸出。

9.如权利要求8的光学装置，其中所述热变形构件的与所述透镜部分对应的部分是平的。

10.如权利要求1的光学装置，其中所述光学流体的粘度小于100cP。

11.如权利要求1的光学装置，其中所述驱动部分和所述透镜部分连通使得所述光学流体在它们之间几乎瞬时流动。

12.如权利要求1的光学装置，其中所述光学流体在所述驱动部分和所述透镜部分之间自由流动。

13.如权利要求1的光学装置，其中所述热变形构件随着温度的增加变形为增大所述内部空间的体积，使得所述热变形构件和所述弹性膜之间的距离增加。

14.一种光学装置，包括：

间隔物框架，围绕内部空间设置，该内部空间包括驱动部分和连通到所述驱动部分的透镜部分；

弹性膜，附接到所述间隔物框架的一个表面，以至少覆盖所述透镜部分；

热变形构件，设置在所述间隔物框架的另一表面上，该热变形构件是可热变形的从而随着温度的改变而增大或减小所述内部空间的体积；

法兰单元，沿所述热变形构件的边缘设置；以及

光学流体，设置在所述内部空间中。

15.如权利要求14的光学装置，其中所述法兰单元用热膨胀系数小于所述热变形构件的热膨胀系数的材料形成。

16.如权利要求15的光学装置，其中所述间隔物框架用硅形成，并且所述法兰单元用玻璃形成。

17.如权利要求14的光学装置，其中所述热变形构件和所述法兰单元之间的界面具有预定的倾斜角使得所述法兰单元的宽度向外减小。

18.如权利要求17的光学装置，其中所述热变形构件和所述法兰单元之间的界面关于水平线具有30°至90°的倾斜角。

19.如权利要求14的光学装置，还包括加强构件，该加强构件具有平的形状并在对应于所述透镜部分的位置处设置在所述热变形构件上。

20.如权利要求19的光学装置，其中所述加强构件设置在所述热变形构件内部。

21.一种光学装置，包括：

热变形构件，设置在所述间隔物框架的另一表面上，并由单一透明材料形成，该热变形构件是可热变形的从而随着温度的改变而增大或减小所述内部空间的体积；

加强构件，在对应于所述透镜部分的位置处设置在所述热变形构件上，该加强构件具有平的形状；以及

光学流体，设置在所述内部空间中。

22.如权利要求21的光学装置，其中所述加强构件的厚度小于所述热变形构件的厚度，并且所述加强构件设置在所述热变形构件内部。

23.如权利要求21的光学装置，其中所述加强构件的厚度与所述热变形构件的厚度基本相同，并且所述加强构件替代所述热变形构件的与所述透镜部分对应的部分。

24.如权利要求22的光学装置，其中所述加强构件用玻璃、聚酰亚胺、或聚醚砜形成。

25.如权利要求21的光学装置，其中在所述间隔物框架中，所述驱动部分设置为围绕位于所述内部空间的中心区域中的所述透镜部分。

26.一种光学装置，包括：

间隔物框架；

光学部分，设置在所述间隔物框架的一个表面上；

热变形构件，设置在所述间隔物框架的另一表面上；及

光学材料，设置在由所述间隔物框架、所述光学部分、所述热变形构件限定的内部空间中，

其中所述热变形构件和所述间隔物框架用不同的材料形成，并且

所述热变形构件具有预定形状并且是可热变形的从而随着温度的改变而增大或减小所述内部空间的体积。

27.如权利要求26的光学装置，其中所述光学部分包括弹性膜。

28.如权利要求27的光学装置，还包括沿所述热变形构件的边缘设置的法兰单元。

29.如权利要求27的光学装置，还包括加强构件，该加强构件具有平的形状并在对应于所述光学部分的位置处设置在所述热变形构件上。

30.一种光学装置，包括：

第一膜，包括向外凸出的预定实质上凸出形状，该第一膜由热膨胀材料形成使得该第一膜是可热变形的从而随着环境温度的增加而进一步向外凸出；

加强构件，设置在所述第一膜的中央，所述加强构件由比所述第一膜的材料更刚性的材料制成；

框架，设置在所述第一膜下面；

第二膜，设置在所述框架下面；以及

流体，设置在由所述第一膜、所述框架和所述第二膜形成的内部腔室中。

31.如权利要求30的光学装置，其中所述内部腔室的体积由于所述第一膜的热膨胀而增大。

32.如权利要求31的光学装置，其中所述第一膜、所述加强构件、所述框架和所述第二膜共线地设置。

33.如权利要求30的光学装置，其中所述第一膜的设置所述加强构件的部分响应于所述环境温度的增加而保持平的形状。

34.如权利要求33的光学装置，其中所述第二膜的设置在所述第一膜的设置所述加强构件的部分正下方的部分随着所述环境温度的增加保持平行于所述第一膜的设置所述加强构件的部分。