DE102005025722A1

DE102005025722A1 - Optische Linse mit elektrisch einstellbarer Brennweite

Info

Publication number: DE102005025722A1
Application number: DE200510025722
Authority: DE
Inventors: Hans Prof. Dr.-Ing. Zappe; Wolfgang Dr. Mönch; Florian Dipl.-Ing. Krogmann
Original assignee: Landesstiftung Baden Wuerttemberg gGmbH
Current assignee: Landesstiftung Baden Wuerttemberg gGmbH
Priority date: 2005-06-04
Filing date: 2005-06-04
Publication date: 2006-07-13

Abstract

Es wird eine optische Linse (1) mit elektrisch einstellbarer Brennweite vorgeschlagen, die eine Linsenflüssigkeit (5) enthält, deren Krümmung der Oberfläche (11) durch Anlegen einer elektrischen Spannung mittels einer Elektrode (7) und einer Gegenelektrode (9) verändert werden kann. Zur Erzielung einer hochgenauen und kostengünstigen Herstellung wird vorgeschlagen, den Linsenkörper (2) in einem Substrat aus Silizium auszubilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Linse mit elektrisch einstellbarer Brennweite. Derartige variable Linsen mit veränderlich einstellbarer Brennweite umfassen eine Linsenflüssigkeit, eine Elektrode zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Linsenflüssigkeit, einen Linsenkörper mit einer Lichtdurchtrittsöffnung für das von der Linse abgebildete Licht, wobei die Linsenflüssigkeit in oder über der in dem Linsenkörper ausgebildeten Lichtdurchtrittsöffnung angeordnet ist, eine Gegenelektrode zu der Elektrode und eine dünne Isolationsschicht, wobei die Isolationsschicht zwischen der Gegenelektrode und der Linsenflüssigkeit angeordnet ist, wobei mittels der an die Elektrode und die Gegenelektrode angelegten elektrischen Spannung der Kontaktwinkel der Linsenflüssigkeit im Bereich ihres Randes veränderbar ist, so daß sich die Oberfläche der Linsenflüssigkeit in Abhängigkeit von der elektrischen Spannung veränderlich krümmt und dabei die Brennweite der optischen Linse ändert.

Solche optische Linsen mit elektrisch einstellbarer Brennweite sind beispielsweise in folgenden Dokumenten beschrieben: US 6,369,941 B1 , US 6,538,823 , US 6,545,815 B2 , US 6,565,727 B1 , US 6,778,328 , US 6,369,954 B1 , US 2003/0048541 A1, EP 1 271 218 A1 , JP 2001013306 und WO 00/58763. Die Grundlagen dieser Lin sen sind auch in dem Artikel B. Berge, Liquid Lens Technology: Principle of Electrowetting based Lenses and Applications to Imaging, 18^th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Sytems, Miami 2005 beschrieben.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Linsen wird der Effekt der Elektrokapillarität genutzt, um den Kontaktwinkel von Flüssigkeiten gezielt zu verändern. Dies erreicht man durch das Anlegen einer elektrischen Spannung mittels der Elektrode und einer unter einer isolierenden Schicht angeordneten Gegenelektrode. Es ist bekannt, daß man diesen Effekt der Elektrokapillarität zur Realisierung von variablen, d.h. in ihrer Brennweite einstellbaren optischen Linsen nutzen kann. Wenn die Linse auf einer Seite eine ebene Fläche aufweist, beispielsweise eine ebene Grundfläche bzw. Lichteintrittsfläche, ergibt sich eine plano-konvexe Linse. Unter dem Einfluß einer äußeren elektrischen Spannung zwischen dem Tropfen der Linsenflüssigkeit und der Elektrode flacht sich der Flüssigkeitstropfen immer weiter ab, wodurch sich der Krümmungsradius der Oberfläche der Linsenflüssigkeit vergrößert und damit auch die Brennweite der Linse.

Die Anforderungen, die an variable Linsen der eingangs genannten Art gestellt werden, betreffen folgende Punkte:

– Die Rauhigkeit der Oberfläche, mit der die Linsenflüssigkeit in Kontakt kommt, soll sehr gering sein, um eine ruckfreie Bewegung der Linsenflüssigkeit bei der Veränderung der Brennweite zu gewährleisten. Bei einer starken Rauhigkeit der Oberfläche bleibt der Tropfen immer wieder an kleinen Erhöhungen der Oberfläche hängen. Dieser Effekt wird "sticking" oder "pinning" genannt. Um den Tropfen der Linsenflüssigkeit in die sem Fall durch Anlegen der elektrischen Spannung abflachen zu können, muß eine gewisse Mindestenergie aufgebracht werden, was dazu führt, daß sich die Oberfläche der Linsenflüssigkeit nur ruckartig, unkontrolliert und mit unterschiedlichem Ansprechverhalten bei Erhöhung bzw. Verminderung der elektrischen Spannung (Hystereseverhalten) bewegt.
– Die Isolationsschicht über der Gegenelektrode soll sehr dünn sein, da die Dicke dieser Isolationsschicht umgekehrt proportional in die Änderung des Kontaktwinkels einfließt. Aus diesem Grund wird eine möglichst dünne Isolationsschicht angestrebt, um mit geringen elektrischen Spannungen auszukommen.
– Desweiteren soll die Isolationsschicht durchbruchfest gegenüber der elektrischen Betriebsspannung, defektfrei und in einer gleichmäßigen Schichtdicke erzeugt werden können.
– Der Herstellungsaufwand soll möglichst gering sein.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorschläge bekannt, variable Linsen der eingangs genannten Art herzustellen. Dabei werden gefräste, gepreßte oder gespritzte Grundformen aus Glas, Metall oder Kunststoff mittels dip-, spin- oder spray-coating oder durch Nutzung chemischer, physikalischer oder kombiniert physikalisch-chemischer Abscheideverfahren mit den erforderlichen funktionellen Schichten ausgestattet. All diese Verfahren haben aber den Nachteil, daß sie den vorstehenden Anforderungen nicht in ausreichendem Maße entsprechen.

Die auf bekannte Weise gefertigten Linsen werden mittels Grundformen aus Materialien und durch Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren angefertigt, die hinsichtlich der erreichbaren geringen Rauhigkeiten beschränkt sind, so daß sich die durch Materialauswahl und den Herstellungsprozeß bedingten Grundrauhigkeiten auch durch nachträgliches Abscheiden von zum Glätten vorgesehenen Schichten nicht vollständig planarisieren lassen. Dabei kann eine Planarisierung der Schichten, die eine geringe Rauhigkeit aufweisen sollen, auch zu lokalen Schichtdicken-Schwankungen führen, was wiederum eine Reduzierung der Einstellgenauigkeit zur Folge hat. Desweiteren ist die Qualität der abgeschiedenen Schichten nicht ausreichend hoch, obwohl ein erheblicher Herstellungs- und Bearbeitungsaufwand aufgewendet wird.

Ausgehend von dem Stand der Technik besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, eine optische Linse zu schaffen, die eine geringe Rauhigkeit der Oberflächen aufweist, mit funktionalen Schichten herstellbar ist, die sehr dünn, durchbruchfest, defektfrei und in gleichmäßiger Dicke fertigbar sind sowie mit geringem Herstellungaufwand in hoher Stückzahl herstellbar ist, vorzugsweise mit Massenfabrikationstechnologien, die eine parallelisierte (statt sequenzielle) Fertigung sowie eine einfache Array-Fabrikation gestatten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Linse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehöriger Zeichnung.

Eine erfindungsgemäße optische Linse mit elektrisch einstellbarer Brennweite umfaßt also eine Linsenflüssigkeit, eine Elektrode zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Linsenflüssigkeit, einen Linsenkörper mit einer Lichtdurchtrittsöffnung für das von der Linse abgebildete Licht, wobei die Linsenflüssigkeit in oder über der in dem Linsenkörper ausgebildeten Lichtdurchtrittsöffnung angeordnet ist, eine Gegenelektrode zu der Elektrode und eine dünne Isolationsschicht, wobei die Isolationsschicht zwischen der Gegenelektrode und der Linsenflüssigkeit angeordnet ist, wobei mittels der an die Elektrode und die Gegenelektrode angelegten elektrischen Spannung der Kontaktwinkel der Linsenflüssigkeit im Bereich ihres Randes veränderbar ist, so daß sich die Oberfläche der Linsenflüssigkeit in Abhängigkeit von der elektrischen Spannung veränderlich krümmt und dabei die Brennweite der optischen Linse ändert und weist die Besonderheit auf, daß der Linsenkörper in einem Substrat aus Silizium oder einem Siliziummaterial ausgebildet ist.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, daß durch die Nutzung von Silizium und dessen besonderer Eigenschaften die durch den Stand der Technik nicht in zufriedenstellendem Maße erfüllten Anforderungen an optische Linsen mit elektrisch einstellbarer Brennweite in vorteilhafter Weise entsprochen werden kann. Die Erfindung ermöglicht die Herstellung hochpräziser mikro-opto-mechanischer Bauteile, die die Linsenflüssigkeit aufnehmen und die funktionellen Schichten einer entsprechenden optischen Linse zur Verfügung stellen, und zwar mit einem geringen Herstellungs- und Bearbeitungsaufwand. Mit der Erfindung werden somit Ziele erreicht, um die die Fachwelt sich schon lange bemüht hat.
Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal kann darin bestehen, daß die Linse eine im Kontakt mit der Linsenflüssigkeit angeordnete Linsendeckflüssigkeit und eine die Linsenflüssigkeit und die Linsendeckflüssigkeit abdeckende Deckschicht mit einem über der Lichtdurchtrittsöffnung angeordneten optischen Fenster umfaßt. Wie im Stand der Technik beschrieben, ist es vorteilhaft, wenn die Linsenflüssigkeit und die Linsendeckflüssigkeit, die zur Aufrechterhaltung einer Phasengrenze nicht mischbar sind, dieselbe Dichte haben. Dies ermöglicht es, die Linse in jeder beliebigen Orientierung zu betreiben, da die Gravitation nicht zu einer Verfälschung bei Lageänderung führt. Als Linsenflüssigkeit wird in der Regel ein mit Salz beladenes Wasser oder eine andere organische oder nicht organische Flüssigkeit, die leitend ist, durch Hinzufügen ionischer Komponenten leitend gemacht wird oder polar ist, verwendet. Als Linsendeckflüssigkeit ist bekannt, ein Öl, ein Alkan oder eine Mischung aus Alkanen, möglicherweise halogeniert, oder eine andere elektrisch isolierende oder unpolare Flüssigkeit, die mit der Linsenflüssigkeit nicht mischbar ist, zu verwenden.
Die Deckschicht über der Linsenflüssigkeit und der Linsendeckflüssigkeit kann beispielsweise ein Deckglas sein. Durch die Verwendung von Silizium als Basismaterial für den Linsenkörper ist es möglich, zum Befestigen einer solchen Deckschicht bzw. eines solchen Deckglases das Verfahren des anodischen Bondens zu nutzen. Das anodische Bonden ermöglicht es, Glas und Silizium auf atomare Ebene zu verbinden. Dadurch wird eine Kammer für die flüssigen Linsen hergestellt, die hermetisch geschlossen ist, so daß das Eindringen von Luft bzw. das Auslaufen der Flüssigkeiten sicher verhindert wird. Das anodische Bonden ist somit eine bevorzugte Möglichkeit zur kostengünstigen und zuverlässigen Herstellung erfindungsgemäßer Linsen. Selbstverständlich können auch andere geeignete Verbindungstechniken, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, beispielsweise Kleben, angewendet werden.
In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann die Gegenelektrode auf dem Linsenkörper angeordnet sein, bei spielsweise durch Anbringung geeigneter Leiterbahnen und Elektrodenflächen, wie dies bei den Linsen bei dem einleitend genannten Stand der Technik bekannt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird jedoch vorgeschlagen, daß der Linsenkörper leitfähig und als Gegenelektrode ausgebildet ist. Hierzu wird das Silizium mit einem geeigneten Dotierungsstoff dotiert, beispielsweise mit Phosphor. Dadurch wird das Silizium leitfähig (p- oder n-leitend). Auf diese Weise wird der Linsenkörper selbst als Gegenelektrode nutzbar, so daß in der Regel keine weitere Elektrode durch Strukturierungsmaßnahmen auf den Linsenkörper aufgebracht werden muß. Dies stellt eine erhebliche Vereinfachung der Herstellung dar.
Bei den optischen Linsen, auf die sich die Erfindung richtet, ist bekannt, daß sie vorteilhafterweise ein Zentrierungsmittel zum Zentrieren der Linsenflüssigkeit über oder in der in dem Linsenkörper ausgebildeten Lichtdurchtrittsöffnung aufweisen, um zu verhindern, daß bei Stößen, Erschütterungen oder nicht waagerechtem Einbau der Linse sich die Linsenflüssigkeit aus der optischen Achse herausbewegt. Im Stand der Technik sind im wesentlichen zwei Zentrierungsmittel bekannt, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden können.
Ein erstes vorteilhaftes Zentrierungsmittel umfaßt Elektroden und/oder Gegenelektroden, die derart angeordnet sind, daß sie mittels angelegter elektrischer Spannung einen die Zentrierung der Linsenflüssigkeit bewirkenden Gradienten der elektrischen Spannung erzeugen.
Ein zweites, im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugtes Zentrierungsmittel ist in einer die Zentrierung der Linsenflüssigkeit bewirkenden Formgebung der Licht durchtrittsöffnung oder in Form einer lokal angeordneten Erhöhung zu sehen. Dabei sind in der Regel keine mehrfachen Elektroden bzw. Gegenelektroden erforderlich, da durch die entsprechende Formgebung der Lichtdurchtrittsöffnung mit kreisförmigen oder rechteckigem Querschnitt und mit senkrechten oder schrägen, z.B. konisch verlaufenden Seitenwänden oder der lokal angeordneten Erhöhung die Zentrierung der Linsenflüssigkeit bewirkt wird.
Eine erfindungsgemäße optische Linse kann in vielfältigen Ausführungsformen, beispielsweise in einem optischen Bauteil oder in einem optischen Gerät, verwendet werden. Auch die kostengünstige und hochpräzise Herstellung von Arrays optischer Linsen ist möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindungen zu schaffen.
Die 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer optischen Linse 1 gemäß der Erfindung. Es handelt sich dabei um eine adaptive Mikrolinse mit elektrisch einstellbarer Brennweite. Sie umfaßt eine Linsenkörper 2 mit einer Lichtdurchtrittsöffnung 3 für das von der Linse 1 abgebildete Licht. Die optische Achse 4 der Linse 1 ist ebenfalls dargestellt.
In der Lichtdurchtrittsöffnung 3 ist eine Linsenflüssigkeit 5 angeordnet. Der Linsenkörper 2 ist nach unten durch eine Tragschicht 6 abgeschlossen, der ein unter der Lichtdurchtrittsöffnung 3 angeordnetes optisches Fenster umfaßt. Die Tragschicht 6 kann beispielsweise ein Glas substrat wie Pyrex sein. Wenn die Tragschicht plan ist, ergibt sich je nach Art der Linsenflüssigkeit 5 und der Formgebung der Lichtdurchtrittsöffnung 3 eine plano-konvexe oder plano-konkave Linse.
Mittels einer Elektrode 7 kann eine elektrische Spannung an die Linsenflüssigkeit 5 angelegt werden. Die Elektrode 7 kann vorteilhafterweise zwischen dem Linsenkörper 2 und der Tragschicht 6 angebracht werden. Erforderlichenfalls ist dabei eine Isolationsschicht 8 zwischen dem Linsenkörper 2, beispielsweise wenn dieser elektrisch leitfähig ist, und der Elektrode 7 vorzusehen.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 7 auf der Tragschicht 6 angebracht, und zwar in Form einer ITO-Beschichtung. Unter ITO-Beschichtungen versteht man dünne Indium-Zinnoxid-Beschichtungen, die beispielsweise durch Sputterverfahren auf hochwertige Glassubstrate aufgebracht werden. Sie stellen elektrisch leitfähige und optisch hochtransparente Schichten dar, die eine hohe Lichttransmission im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich aufweisen, sehr gut leitfähig sind, eine homogene Lichttransmission und nur eine geringe Oberflächenrauhigkeit aufweisen.
Bei dem Linsenkörper 2 handelt es sich um ein Substrat aus Silizium oder einem Siliziummaterial. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Linsenkörper 2 leitfähig und als Gegenelektrode 9 zu der Elektrode 7 ausgebildet. Hierzu ist das Silizium bzw. das Siliziummaterial des Linsenkörpers 2 mit einem geeigneten Dotierungsstoff dotiert, beispielsweise mit Phosphor.
Anstelle von Silizium kann im Rahmen der Erfindung auch jedes andere kristalline Material für den Linsenkörper 2 verwendet werden, insbesondere ein Halbleiter. Wenn dieses leitfähig ist oder durch Dotierung leitfähig gemacht werden kann, kann der Linsenkörper 2 gleichzeitig als Gegenelektrode 9 dienen. Ansonsten muß die Gegenelektrode 9 bzw. müssen die Gegenelektroden 9 speziell auf dem Linsenkörper 2 aufgebracht werden.
Zwischen der Linsenflüssigkeit 5 und der Gegenelektrode 9 ist eine dünne elektrische Isolationsschicht 8 angeordnet. Bei dieser Isolationsschicht handelt es sich bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise um dieselbe Isolationsschicht, die zwischen dem Linsenkörper 2 und der Elektrode 7 angeordnet ist.
Mittels der an die Elektrode 7 und die Gegenelektrode 9 angelegten elektrischen Spannung 10 kann der Kontaktwinkel der Linsenflüssigkeit 5 im Bereich Ihres Randes verändert werden, so daß sich die Oberfläche 11 der Linsenflüssigkeit 5 in Abhängigkeit von der elektrischen Spannung 10 veränderlich krümmt. Auf diese Weise ist die Brennweite der optischen Linse 1 variabel einstellbar.
Über der Linsenflüssigkeit 5 ist eine Linsendeckflüssigkeit 12 angeordnet, die mit der Linsenflüssigkeit 5 nicht mischbar ist und daher eine Phasengrenze an der Oberfläche 11 der Linsenflüssigkeit 5 bildet. Die Linsenflüssigkeit 5 und die Linsendeckflüssigkeit 12 haben bevorzugt im wesentlichen das gleiche spezifische Gewicht. Die in der Lichtdurchtrittsöffnung 3 in dem Linsenkörper 2 gebildete und von der Linsenflüssigkeit 5 und der Linsendeckflüssigkeit 12 gefüllte Kammer ist mit einer Deckschicht 13 verschlossen. Die Deckschicht 13 ist beispielsweise ein Deckglas, das durch anodisches Bonden mit dem Linsenkörper 2 verbunden ist.
Nach einem zusätzlichen vorteilhaften Merkmal kann vorgesehen sein, daß zwischen der Linsenflüssigkeit 5 und der Isolationsschicht 8 eine Passivierungsschicht 14 angeordnet ist, um den Kontaktwinkel der Linsenflüssigkeit 5 besser einstellen zu können. Je nach Art der Linsenflüssigkeit 5 kann die Passivierungsschicht 14 hydrophil oder hydrophob sein.
Die Passivierungsschicht 14 könnte auch als "funktionale Schicht" bezeichnet werden, da sie die Benetzungseigenschaft bzw. das Benetzungsverhalten der Linsenflüssigkeit 5 und der Linsendeckflüssigkeit 12 bestimmt. Die Linsendeckflüsssigkeit 12 kann auch die Linsenflüssigkeit 5 unterkriechen; in diesem Fall wäre die Passivierungsschicht bzw. funktionale Schicht flüssig und bestünde aus der Linsendeckflüssigkeit 12.
Der Linsenkörper 2 besteht aus Silizium oder einem Siliziummaterial. Die Verwendung von Siliziumwafern ermöglicht es, den Linsenkörper 2 sowie weitere funktionale Strukturen, beispielsweise die Elektrode 7, die Gegenelektrode 9, die Isolationsschicht 8 und die Passivierungsschicht 14 durch gebräuchliche Mikrostrukturierungsverfahren, insbesondere optisches Strukturieren und Ätzen herzustellen. Auf diese Weise kann man geometrische Öffnungen mit sehr hoher Genauigkeit und sehr hoher Oberflächengüte reproduzierbar und kostengünstig erzeugen. Die Strukturgrößen von Linsen, die auf die Weise hergestellt werden, können ca. 10 bis 200 mal kleiner als bei Linsen nach dem Stand der Technik sein.
Das optische Strukturieren erfolgt vorzugsweise mittels einer geeigneten mikrolithographischen Technik, beispielsweise Photolithographie, UV-Lithographie oder Röntgenstrahlen-Lithographie. Das Ätzen kann mittels jeder geeigneten Ätztechnik, beispielsweise durch Naßätzen (chemisch oder chemisch-physikalisch) oder Trockenätzen (physikalisches Trockenätzen wie Ionenstrahlätzen oder Sputtern, chemisches Ätzen oder chemisch-physikalisches Ätzen (ionenunterstützes Ätzen, Plasmaätzen, reaktives Ionenätzen)) erfolgen.
Ein typischer Herstellungsprozeß kann beispielsweise wie folgt durchgeführt werden. Als Basis dient ein leitfähiger Siliziumwafer, der beispielsweise mit Phosphor dotiert ist. Der Siliziumwafer wird zum Passivieren mit einer 110 nm dicken Siliziumoxidschicht (SiO₂) und einer 330 nm dicken Siliziumnitridschicht (SiN) überzogen. Alternativ kann auch jedes andere Material verwendet werden, das gegenüber Kaliumhydroxid (KOH) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) resistent ist. Auch die Dicke ist frei wählbar.
Das Verhältnis zwischen SiO₂ und SiN wird in diesem Beispiel derart gewählt, daß eine Zug-Druck-Kompensation in den Schichten stattfindet. SiO₂ hat Druckspannungen und SiN hat Zugspannungen innerhalb des Materials, so daß es durch das Aufbringen beider Schichten zu einem Ausgleich der mechanischen Spannungen in dem Material kommt und somit ein Wölben des Wafers vermieden wird.
Anschließend wird der Photolack aufgebracht und mittels Photolithographie strukturiert. Hierzu wird der Photolack durch eine Maske mittels eines Maskaligners und einer geeigneten UV-emittierenden Quelle belichtet. Die Strukturen für die Erzeugung der Lichtdurchtrittsöffnung 3 können dabei beliebig gewählt werden. Es können beispielsweise Kreise, Quadrate oder Rechtecke belichtet werden, so daß beliebige Linsenformen wie auch asphärische Linsengeometrien realisiert werden können. Die auf diese Weise in dem Photolack erhaltenen Öffnungen werden dann durch reaktives Ionenätzen und oder ein anderes Ätzverfahren in die SiN- und SiO₂-Schicht übertragen.
Danach folgt die Ätzung mittels Kaliumhydroxid (KOH) oder TMAH. Beispielsweise ist 30%ige KOH-Lösung bevorzugt, um einen Kompromiß zwischen einer Oberfläche mit sehr geringer Rauhigkeit und dem ausreichenden Transport der umgesetzten Stoffe durch den Wasseranteil der Lösung zu erzielen. Der sich dabei in der Lichtdurchtrittsöffnung 3 ergebende Flankenwinkel hängt von der Art des Wafers, der Konzentration der Ätzlösung sowie bestimmten Beimengungen zu der Ätzlösung und anderen Parametern ab, so daß sich auf diese Weise Form, Struktur und Größe der Lichtdurchtrittsöffnung 3 in dem Linsenkörper 2 sehr variabel den jeweiligen Anforderungen anpassen lassen. Bei Siliziumwafern werden bestimmte Kristallebenen mit deutlich geringerer Ätzgeschwindigkeit als andere geätzt, so daß sich atomar glatte ebene Fläche ergeben. Bei sogenannten (100)-Wafern ergeben sich dabei rechtwinklige Öffnungen mit einem Öffnungswinkel von ca. 70°, bei (110)-Wavern ergeben sich Parallelogramm-Öffnungen mit senkrechten Flanken. Beim Ätzen mit 30%iger KOH-Lösung kann man beispielsweise Flankenwinkel von 54° erzielen, und wenn die KOH-Lösung teilweise mit Isopropanol versetzt wird, lassen sich andere Flankenwinkel von z.B. 45° erzeugen.
Das Ätzen des Silizium-Wafers erfolgt bis zum Durchbruch, d.h. bis der Wafer komplett durchgeätzt ist und sich das Loch der Lichtdurchtrittsöffnung 3 in ihm befindet. In einem folgenden Schritt werden die Maskierungsschichten SiO₂ und SiN entfernt und die Isolationsschicht 8 wird aufgebracht. Die Isolationsschicht 8 ist bevorzugt aus einem Dielektrikum gebildet, vorzugsweise aus Siliziumdioxid.
Die Verwendung von Siliziumtechnologie zur Herstellung der optischen Linse 1 ermöglicht in vorteilhafter Weise, das sogenannte thermische Abscheideverfahren aus dem Bereich der Mikroelektronik zu nutzen, um die Isolationsschicht 8 aus Siliziumdioxid zu bilden, das mittels eine thermischen Abscheideverfahrens auf dem Linsenkörper 2 durch Oxidation des Silizium des Linsenkörpers 2 erzeugt ist. Dabei wird das lokal vorhandene Silizium durch thermisches Behandeln zu Siliziumdioxid oxidiert.
Das thermische Siliziumdioxid wird durch sehr hohe Temperaturen unter Bereitstellung von Sauerstoff geschaffen. Dabei lagert sich der Sauerstoff in die bestehende kristalline Siliziumstruktur ein. Die Bereitstellung des Sauerstoffs für die Oxidation erfolgt entweder durch eine Sauerstoffatmosphäre (trockene Oxidation) oder durch Wasserdampf (Feuchtoxidation). Aufgrund der Tatsache, daß das thermische Siliziumdioxid ausschließlich durch Umwandlung des lokal vorhandenen Siliziums hergestellt und nicht aus der Gasphase abgeschieden wird zeichnet es sich im Vergleich zu mit anderen Herstellungsverfahren hergestelltem Siliziumdioxid durch eine sehr hohe elektrische Durchbruchfestigkeit, eine hohe mechanische Belastbarkeit, eine sehr hohe Homogenität, eine hochgradige Reproduzierbarkeit und Konstanz auf, selbst wenn die Oberfläche, auf der das Oxid erzeugt wird, selbst Rauhigkeiten aufweist.
Wenn eine wasserbasierte Linsenflüssigkeit 5 und Linsendeckflüssigkeit 12 verwendet wird, wird die Isolationsschicht 8 bevorzugt mit einer hydrophoben Passivierungsschicht 14 überzogen. Dies kann beispielsweise durch Abscheiden einer teflonartigen Schicht erfolgen, die in einem Plasmaschritt erzeugt und aus Octaflurocyklobutan (C₄F₈) gewonnen wird, wie sie aus sogenannten Inductive Coupled Plasma Systems bekannt ist.
Typische und vorteilhafte Abmessungen der in 1 dargestellten optischen Linse 1 sind wie folgt. Aus Gründen der Darstellbarkeit ist die Dicke mancher Schichten dabei in 1 nicht maßstablich korrekt.

– Dicke des Linsenkörpers 2 zwischen 100 μm und 3 mm, bevorzugt zwischen 300 μm und 1 mm.
– Durchmesser der Lichtdurchtrittsöffnung 3 zwischen 0,1 μm und 5 mm, bevorzugt zwischen 10 μm und 1 mm.
– Dicke der Isolationsschicht 8 zwischen 25 nm und
1.000 nm, bevorzugt zwischen 80 nm und 500 nm.
– Dicke der Passivierungsschicht zwischen 10 nm und 200 nm, bevorzugt zwischen 30 nm und 80 nm.

Eine erfindungsgemäße optische Linse 1 weist viele Vorteile auf. Sie stellt ein siliziumbasiertes, die Linsenflüssigkeit 5 in der Lichtdurchtrittsöffnung 3 zentrierendes System dar, das alle für die Nutzung der Elekrokapillarität notwendigen Bedingungen wie Zentrierung, Ausbildung einer Gegenelektrode und Isolation erfüllt. Ihre Herstellung einschließlich der Zentrierungsmittel für die Linsenflüssigkeit 5 und der Gegenelektrode 9 ist auf Basis der Siliziumtechnologie hochgradig parallelisierbar und reproduzierbar. Dabei werden trotz der sehr einfachen Herstellbarkeit sehr geringe Rauhigkeiten erzielt. Die geätzten Siliziumstrukturen mit definierten und sehr glatten Seitenwänden dienen sowohl zum Zentrieren der Linsenflüssigkeit 3 als auch als Gegenelektrode 9. Die Siliziumtechnologie erlaubt ferner eine einfache Parallelisierung der Herstellung, auch in Form großer Linsenarrays. Desweiteren ist die Möglichkeit gegeben, thermisches Siliziumdioxid als Isolationsschicht 8 zu nutzen, was zu einer hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit führt.

1: Optische Linse
2: Linsenkörper
3: Lichtdurchtrittsöffnung
4: Optische Achse
5: Linsenflüssigkeit
6: Tragschicht
7: Elektrode
8: Isolationsschicht
9: Gegenelektrode
10: Elektrische Spannung
11: Oberfläche
12: Linsendeckflüssigkeit
13: Deckschicht
14: Passivierungsschicht

Claims

Optische Linse (1) mit elektrisch einstellbarer Brennweite, umfassend eine Linsenflüssigkeit (5), eine Elektrode (7) zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Linsenflüssigkeit (5), einen Linsenkörper (2) mit einer Lichtdurchtrittsöffnung (3) für das von der Linse (1) abgebildete Licht, wobei die Linsenflüssigkeit (5) in oder über der in dem Linsenkörper (2) ausgebildeten Lichtdurchtrittsöffnung (3) angeordnet ist, eine Gegenelektrode (9) zu der Elektrode (7) und eine dünne Isolationsschicht (8), wobei die Isolationsschicht (8) zwischen der Gegenelektrode (9) und der Linsenflüssigkeit (5) angeordnet ist, wobei mittels der an die Elektrode (7) und die Gegenelektrode (9) angelegten elektrischen Spannung (10) der Kontaktwinkel der Linsenflüssigkeit (5) im Bereich ihres Randes veränderbar ist, so daß sich die Oberfläche (11) der Linsenflüssigkeit (5) in Abhängigkeit von der elektrischen Spannung (10) veränderlich krümmt und dabei die Brennweite der optischen Linse (1) ändert, dadurch gekennzeichnet, daß der Linsenkörper (2) in einem Substrat aus Silizium oder einem Siliziummaterial ausgebildet ist.
Linse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (9) auf dem Linsenkörper (2) angeordnet ist.
Linse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Linsenkörper (2) leitfähig und als Gegenelektrode (9) ausgebildet ist.
Linse (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium bzw. das Siliziummaterial zum Ausbilden der Gegenelektrode (9) dotiert ist.
Linse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Zentrierungsmittel zum Zentrieren der Linsenflüssigkeit (5) über oder in der in dem Linsenkörper (2) ausgebildeten Lichtdurchtrittsöffnung (3) aufweist.
Linse (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierungsmittel Elektroden (7) und/oder Gegenelektroden (9) umfaßt, die derart angeordnet sind, daß sie mittels angelegter elektrischer Spannung einen die Zentrierung der Linsenflüssigkeit (5) bewirkenden Gradienten der elektrischen Spannung erzeugen.
Linse (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierungsmittel eine die Zentrierung der Linsenflüssigkeit (5) bewirkende Formgebung der Lichtdurchtrittsöffnung (3) oder eine lokal angeordnete Erhöhung umfaßt.
Linse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Tragschicht (6) mit einem unter der Lichtdurchtrittsöffnung (3) angeordneten optischen Fenster umfaßt.
Linse (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (7) zwischen dem Linsenkörper (2) und der Tragschicht (6) angebracht ist.
Linse (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (7) auf der Tragschicht (6) angebracht ist.
Linse (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (7) in Form einer ITO-Beschichtung auf der Tragschicht (6) angebracht ist.
Linse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine im Kontakt mit der Linsenflüssigkeit (5) angeordnete Linsendeckflüssigkeit (12) und eine die Linsenflüssigkeit (5) und die Linsendeckflüssigkeit (12) abdeckende Deckschicht (13) mit einem über der Lichtdurchtrittsöffnung (3) angeordneten optischen Fenster umfaßt.
Linse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (8) aus einem Dielektrikum gebildet ist.
Linse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (8) aus Siliziumdioxid gebildet ist.
Linse (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (8) aus Siliziumdioxid gebildet ist, das mittels eines thermischen Abschei deverfahrens auf dem Linsenkörper (2) durch Oxidation des Siliziums des Linsenkörpers (2) erzeugt ist.
Linse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Isolationsschicht (8) zwischen 25 nm und 1000 nm, bevorzugt zwischen 80 nm und 500 nm beträgt.
Linse (1) nach einem der einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Linsenflüssigkeit (5) und der Isolationsschicht (8) eine Passivierungsschicht (14) angeordnet ist.
Linse (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Passivierungsschicht (14) zwischen 10 nm und 200 nm, bevorzugt zwischen 30 nm und 80 nm beträgt.
Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Linsenkörper (2) mittels Mikrostrukturieren eines Siliziumwafers hergestellt ist.
Linse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Lichtdurchtrittsöffnung (3) zwischen 0,1 μm und 5 mm, bevorzugt zwischen 10 μm und 1 mm beträgt.
Linse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Linsenkörpers (2) zwischen 100 μm und 3 mm, bevorzugt zwischen 300 μm und 1 mm beträgt.
Optisches Bauteil oder optisches Gerät, dadurch gekennzeichnet, daß es eine oder mehrere Linsen (1), insbesondere ein Array optischer Linsen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.