JP2010128501A - 可変焦点レンズ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学性能の向上と小型化とに適した構造を有する可変焦点レンズ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】可変焦点レンズ及びその製造方法が開示される。該可変焦点レンズ１００及びその製造方法によって提供される可変焦点レンズは、透光性基板１１０、透光性基板上に光学流体が充填される内部空間を形成するように設けられたスペーサフレーム１２０、複数のホールＨ_Ｌ，Ｈ_Ｔが形成され、スペーサフレームに隣接配された固定フレーム１６０、固定フレームの一面に形成された光学メンブレン１４０、及びアクチュエータ１８０を含む。該固定フレームは、光学流体に圧力を加えるアクチュエータと光学流体の流動とによって変形される光学メンブレンを支持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変焦点レンズ及びその製造方法に係り、特に、ウェーハ上で製作可能な構造を有し、カメラモジュールなどの電子機器に適用されうる可変焦点レンズ及びその製造方法に関する。

無線携帯通信機器は、単純な電話及びメッセージ伝達の機能を超え、カメラ、ゲーム、音楽再生、放送、インターネットなどの多様な機能を含む多目的電子機器として発展している。これと共に、だんだんと小さい空間に多くの機能要素を集積して入れるための試みがなされているが、サイズを縮小させることが非常に困難なモジュールのうちの一つがカメラモジュールである。さらに良好な映像を得るために、自動焦点、手揺れ防止、ズームなどの機能を具現する要素を続けて追加しなければならないので、結像光学系のサイズを縮めるのは限界がある。

既存カメラで、自動焦点機能を具現するための代表的な方法としては、ステップモータ（ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ）を使用する方法、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ：ｖｏｉｃｅ ｃｏｉｌ ｍｏｔｏｒ）を使用する方法、液体レンズを使用する方法などがある。前記方法のうち、ステップモータやボイスコイルモータを使用する方法は、サイズの制約のために、モバイル機器に適用するのに困難さが伴い、また、一括工程で製作するにも困難さがある。液体レンズを使用する方法においても、光学性能を保証しつつも、そのサイズを縮めることができる設計が必要である。

前述の必要性によって、本発明の実施例は、光学性能の向上と小型化とに適した構造を有する可変焦点レンズ及びその製造方法を提供しようとするものである。

本発明の実施例による可変焦点レンズは、透光性基板と、前記透光性基板上に、内部空間を形成するように作られたスペーサフレームと、レンズホール及び少なくとも１つの貫通ホールが形成され、対面する第１面及び第２面を有し、前記第１面が前記スペーサフレームに隣接するように配される固定フレームと、前記固定フレームのレンズホールに対応するレンズ面を有し、前記第１面と対面するように配された光学メンブレンと、前記内部空間を充填する光学流体と、前記固定フレームに固設され、前記光学流体に圧力を印加し、前記レンズ面の形状を変化させるアクチュエータとを含む。

前記スペーサフレームは、前記透光性基板のエッジを側壁として取り囲み、１つの内部空間を形成する形態に設けられうる。

前記貫通ホールは、複数の貫通ホールによって構成され、前記複数の貫通ホールは、前記レンズホールの周囲に形成されうる。

前記アクチュエータは、前記複数の貫通ホールを密封する形態に設けられるポリマーアクチュエータでありうる。

本発明の一実施例によれば、前記ポリマーアクチュエータは、前記第２面に形成され、前記光学流体は、前記透光性基板、スペーサフレーム、固定フレーム、光学メンブレン及び前記ポリマーアクチュエータによって形成された空間を充填するように設けられうる。

本発明の一実施例によれば、前記ポリマーアクチュエータは、前記第１面に形成され、前記光学流体は、前記透光性基板、スペーサフレーム、光学メンブレン及び前記ポリマーアクチュエータによって形成された空間を充填するように設けられうる。

本発明の一実施例によれば、前記ポリマーアクチュエータは、前記第１面に形成され、前記光学メンブレンは、前記スペーサフレーム上に前記光学流体が充填された内部空間を密封する形態に設けられうる。

本発明の一実施例による可変焦点レンズは、所定の焦点距離を有する結像光学系に付加され、全体焦点距離を調節する可変焦点レンズにおいて、透光性基板と、前記透光性基板上に、内部空間を形成するように設けられたスペーサフレームと、レンズホール及び少なくとも１つの貫通ホールが形成され、対面する第１面及び第２面を有し、前記第１面が前記スペーサフレームに隣接するように配される固定フレームと、前記固定フレームのレンズホールに対応するレンズ面を有し、前記第１面と対面するように配された光学メンブレンと、前記内部空間を充填する光学流体と、前記固定フレームに固設され、前記光学流体に圧力を印加し、前記レンズ面の形状を変化させるアクチュエータとを含み、前記結像光学系からの光が入射される入射開口がＡ、画角が２ω、前記結像光学系から前記レンズ面までの距離がｄであるとき、前記レンズホールの直径Ｄは、次式（１）を満足する。

本発明の実施例による可変焦点レンズの製造方法は、レンズホール及び少なくとも１つの貫通ホールが形成され、対面する第１面及び第２面を有する固定フレームを形成し、前記第１面の上に、前記固定フレームに固定されるように、ポリマーアクチュエータを形成する段階と、前記レンズホールに対応するレンズ面を有する光学メンブレンを、前記第２面上に形成する段階と、前記ポリマーアクチュエータ、固定フレーム、光学メンブレンと共に、所定内部空間を形成するように、スペーサフレームを形成する段階と、前記内部空間を光学流体で充填する段階と、前記スペーサフレーム上に、前記光学流体を密封する透光性基板を形成する段階とを含む。

本発明の他の実施例による可変焦点レンズの製造方法は、レンズホール及び少なくとも１つの貫通ホールが形成され、対面する第１面及び第２面を有する固定フレームを形成し、前記第１面の上に、前記固定フレームに固定されるように、ポリマーアクチュエータを形成する段階と、前記レンズホールに対応するレンズ面を有する光学メンブレンを、前記第１面上に形成する段階と、前記ポリマーアクチュエータ、光学メンブレンと共に、所定内部空間を形成するように、スペーサフレームを形成する段階と、前記内部空間を光学流体で充填する段階と、前記スペーサフレーム上に、前記光学流体を密封する透光性基板を形成する段階とを含む。

本発明の他の実施例による可変焦点レンズの製造方法は、レンズホール及び少なくとも１つの貫通ホールが形成された固定フレームを形成し、前記固定フレーム上に前記固定フレームに固定されるように、ポリマーアクチュエータを形成する段階と、互いに対面する第１面及び第２面を有する光学メンブレンを準備し、前記第１面上に、前記光学メンブレンのエッジを側壁として取り囲む形態のスペーサフレームを形成して内部空間を形成する段階と、前記内部空間に光学流体を注入する段階と、前記スペーサフレーム上に、前記光学流体を密封する透光性基板を形成する段階と、前記ポリマーアクチュエータが形成された固定フレームを、前記光学メンブレンの第２面に付着する段階とを含む。

本発明の実施例による可変焦点レンズは、レンズ厚を形成する光学流体の厚さを薄くすることができる構造を提示する。これにより、良好な光学性能を維持しつつも、レンズ径をさらに小さく形成でき、全体素子サイズが小さくなって量産に有利である。また、固定フレームが光学メンブレンを外部から支持する構造であって、接合部の信頼性が高い。

本発明の実施例による製造方法は、本発明の実施例による可変焦点レンズを提供し、また、ポリマーアクチュエータを固定フレーム上に直接形成するという点で、製造工程がさらに容易である。

本発明の実施例による可変焦点レンズの概略的な構造を示す分離斜視図である。 本発明の実施例による可変焦点レンズの概略的な構造を示す部分切開斜視図である。 本発明の実施例による可変焦点レンズの概略的な構造を示す断面図である。 本発明の実施例による可変焦点レンズとの比較例として図示した可変焦点レンズの概略的な断面図である。 レンズ径と空間周波数との関係を、比較例と実施例とについて図示したグラフである。 レンズ径による形状エラーを、光学メンブレンの厚さ、ヤング率のいくつかの組み合わせについて表したグラフである。 本発明の他の実施例による可変焦点レンズの概略的な構成を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施例による可変焦点レンズの概略的な構成を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施例による可変焦点レンズの概略的な構成を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施例による可変焦点レンズの概略的な構成を示す断面図である。 本発明の実施例による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の実施例による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の実施例による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の実施例による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の実施例による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の他の実施例（図９）による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の他の実施例（図９）による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の他の実施例（図９）による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の他の実施例（図９）による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の他の実施例（図９）による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の他の実施例（図１０）による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の他の実施例（図１０）による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の他の実施例（図１０）による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の他の実施例（図１０）による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の他の実施例（図１０）による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。 本発明の他の実施例（図１０）による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。

以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施例について詳細に説明する。以下の図面で、同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で、各構成要素のサイズは、説明の明瞭性のために便宜上誇張されていることがある。

図１、図２及び図３は、それぞれ本発明の実施例による可変焦点レンズの構造を示す分離斜視図、部分切開斜視図及び断面図である。

図面を参照すれば、可変焦点レンズ１００は、透光性基板１１０、透光性基板１１０上に内部空間を形成するように設けられたスペーサフレーム１２０、複数のホールＨ_Ｌ，Ｈ_Ｔが形成された固定フレーム１６０、固定フレーム１６０とスペーサフレーム１２０との間に設けられ、レンズ面１４０ａを有する光学メンブレン１４０、前記内部空間を充填する光学流体１７０、固定フレーム１６０のホールを介して光学流体１７０に圧力を印加し、レンズ面１４０ａの形状を変化させるアクチュエータ１８０を含む。

透光性基板１１０は、光を透過させる透明または半透明の材質から形成され、例えば、ガラス基板が採用されうる。

スペーサフレーム１２０は、透光性基板１１０上に内部空間を形成できる形態に設けられ、図示されているように、透光性基板１１０のエッジ方向を側壁として取り囲む形態を有することができる。このような構造により、前記内部空間は、１つの空間として形成され、内部空間が光学流体によって充填され、アクチュエータ１８０の圧力によってレンズ面１４０ａが変形されるとき、光学流体の移動が同じ空間で起こる。すなわち、既存の構造で、別個に設けられる流体室とレンズ室とが、実施例では、物理的に区分されない形態である。スペーサフレーム１２０は、光学流体１７０のレンズ面１４０ａまでの厚さを形成するために設けられるものであり、すなわち、スペーサフレーム１２０の厚さによって、レンズ厚が決まる。従って、精巧な外郭形状が要求されることはないので、シリコン材質ではない他の多様な材質から形成され、厚さを比較的自由に定めることができる。

固定フレーム１６０は、アクチュエータ１８０と光学メンブレン１４０との変形時に、これらを支持するために、アクチュエータ１８０に固設されるものであり、例えば、シリコン材質から形成され、複数のホールＨ_Ｌ，Ｈ_Ｔを含む。該複数のホールは、レンズホールＨ_Ｌと、レンズホールＨ_Ｌの周辺に形成された貫通ホールＨ_Ｔとを含む。レンズホールＨ_Ｌは、光学メンブレン１４０のレンズ面１４０ａに対応する領域であり、アクチュエータ１８０が光学流体１７０に圧力を加えるとき、レンズ面１４０ａの形状が変わりうる空間を提供する。貫通ホールＨ_Ｔは、アクチュエータ１８０の作動時に、これを介して光学流体１７０に圧力を印加するように設けられ、図面には、４つで図示されているが、それは例示的なものである。

光学メンブレン１４０は、レンズホールＨ_Ｌを密封するレンズ面１４０ａを有し、固定フレーム１６０の一面に設けられる。光学メンブレン１４０は、例えば、図示されているように、固定フレーム１６０のレンズホールＨ_Ｌを密封し、貫通ホールＨ_Ｔは、いずれもオープンな形状に設けられうる。ただし、これは例示的なものであり、貫通ホールＨ_Ｔの一部だけをオープンにしたり、貫通ホールＨ_Ｔを密封する形態に設けられることも可能である。光学メンブレン１４０は、透明であって弾性を有する物質、例えば、シリコン弾性重合体（ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）からなりうる。また、耐久性及び柔軟性にすぐれるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ：ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）が採用されうる。光学メンブレン１４０のレンズ面１４０ａにはまた、反射防止コーティング層及び赤外線遮断コーティング層のような機能性コーティング層または保護層がさらに形成されもする。

アクチュエータ１８０は、貫通ホールＨ_Ｔを介して、光学流体１７０に圧力を印加するように設けられるものであり、一般的に使われている多様な方式のアクチュエータが使われうる。本実施例で、アクチュエータ１８０としては、厚さが非常に薄くて消費電力の少ないエレクトロアクティブポリマー（ＥＡＰ：ｅｌｅｃｔｒｏ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｌｙｍｅｒ）からなる一般的なポリマーアクチュエータが使われ、リラクサ強誘電体Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、リラクサ強誘電体Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）のような混成重合体から製作されたリラクサ強誘電体（ｒｅｌａｘｏｒ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）ポリマーアクチュエータが採用されうる（ＶＤＦ：ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ、ＴｒＦＥ：ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＣＦＥ：ｃｈｌｏｒｏｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＣＴＦＥ：ｃｈｌｏｒｏｔｒｉｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）。アクチュエータ１８０は、その構成が詳細に図示されているわけではないが、電圧印加によって、電歪（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｓｔｒａｉｎ）が誘発され、隣接した光学流体１７０に圧力を印加する。アクチュエータ１８０は、複数の貫通ホールＨ_Ｔを介して、個別的に圧力印加調節が可能なように、複数の部分に分けられた構成を有することも可能である。

本実施例で、アクチュエータ１８０は、貫通ホールＨ_Ｔを密封する形態に設けられたポリマーアクチュエータ１８０であり、固定フレーム１６０の他の一面、すなわち、光学メンブレン１４０が設けられた面の向かい側面に形成されている。これによって、透光性基板１１０、スペーサフレーム１２０、固定フレーム１６０、光学メンブレン１４０及びポリマーアクチュエータ１８０によって形成された空間が流体室ＦＣ（ｆｌｕｉｄ ｃｈａｍｂｅｒ）になり、この中に光学流体１７０が充填されている。光学流体１７０としては、例えば、シリコンオイルが採用されうる。

図面では、ポリマーアクチュエータ１８０が、貫通ホールＨ_Ｔを密封する形態に設けられているが、これは例示的なものであり、一般的な弾性膜が貫通ホールＨ_Ｔを密封し、弾性膜上にポリマーアクチュエータ１８０が形成される構成も可能である。

本発明の実施例による可変焦点レンズ１００の作用について、断面図を図示した図３を参照しつつ、さらに詳細に説明すれば、次の通りである。

可変焦点レンズ１００の焦点距離変化は、ポリマーアクチュエータ１８０の駆動によってなされる。ポリマーアクチュエータ１８０が、電圧印加によって、点線で示されたように、下に湾曲変形されるとき（図３の左右両側）、光学流体１７０に流動が形成され、流体室ＦＣ形状が変化し、光学メンブレン１４０のレンズ面１４０ａ部分が突き出すように変形される（図３の中央）。このような変形が起きるとき、本発明の実施例の可変焦点レンズ１００は、固定フレーム１６０が光学メンブレン１４０を外部から支持する形態で、光学メンブレン１４０と固定フレーム１６０との接合部の信頼性がさらに高い構造となる。

レンズ面１４０ａの変形量は、ポリマーアクチュエータ１８０の変形及び光学メンブレン１４０の物性、例えば、ヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）とポアソン比（Ｐｏｉｓｓｏｎ’ｓ ｒａｔｉｏ）とによって決まる。レンズ面１４０ａの曲率は、光学流体１７０の屈折率と共に、焦点距離を変化させる要因になるので、適切な範囲で焦点調節が可能なように、ポリマーアクチュエータ１８０を駆動させる。

本発明の実施例による可変焦点レンズ１００は、単独で使われることも可能であるが、所定焦点距離を有する結像光学系に付加され、全体焦点距離を調節できるように使われもする。この場合、結像光学系（図示せず）からの光が可変焦点レンズ１００に入射される入射開口がＡ、画角が２ω、結像光学系からレンズ面１４０ａまでの距離がｄであるとき、可変焦点レンズ１００でのレンズ径に該当する長さＤは、次の数式（１）を満足しなければならない。

ここで、距離ｄは、結像光学系で、可変焦点レンズ１００側の最初の光学要素からレンズ面１４０ａまでの距離であり、可変焦点レンズ１００の厚さｔが大きくなるほどに大きくなる。可変焦点レンズ１００の厚さｔは、光学流体１７０のレンズ面１４０ａまでの厚さとして定義される。本発明の実施例で、前記厚さｔは、スペーサフレーム１２０の厚さによって決まるが、すなわち、スペーサフレーム１２０の厚さを小さく形成するほど、レンズ径Ｄを小さくすることが可能である。

本発明の実施例による可変焦点レンズ１００との比較例として図示した図４を参照すれば、比較例の可変焦点レンズ１は、基板１０上に形成された固定フレーム２０、固定フレーム２０の全面を覆うメンブレン４０、及びメンブレン４０の上面に設けられたアクチュエータ６０を含む。このような構造で、可変焦点レンズ１の厚さを形成する光学流体の厚さは、固定フレーム２０の厚さによって決まるが、固定フレーム２０は、一般的にシリコン基板から製造されており、その厚さが少なくとも３００μｍ以上になる。従って、このような構造の可変焦点レンズ１を、所定焦点距離を有する結像光学系に付加し、全体焦点距離を調節しようとするとき、前記数式（１）に示された距離ｄを狭めるのに限界があって、従って、レンズ径Ｄを縮めるのにも限界がある。

このように、レンズ厚を小さくすることは、数式（１）の条件を満足するレンズ径を縮めることができる効果がある。それだけではなく、光学性能の面を考慮するときも、レンズ厚が小さい場合、同じ光学性能を小さいレンズ径で具現する効果があって、これは、図５のグラフを介して知ることができる。

図５は、レンズ径と空間周波数との関係を、比較例と実施例とについて図示したグラフである。比較例のレンズ厚は、３００μｍであり、実施例のレンズ厚は、１５０μｍである場合である。グラフは、０．７フィールド（ｆｉｅｌｄ）を基準に、ＭＴＦ（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）３０％になる空間周波数を図示したものであり、実施例の場合、空間周波数が比較例の場合よりもさらに高く示されることが分かる。例えば、レンズ厚が小さい実施例の場合、同じ空間周波数を、比較例よりも小さいレンズ径で具現できるのである。

レンズ径を縮めることは、全体素子のサイズを縮めるという効果があって、それ以外にも、重力による形状エラーを減らす効果がある。図６は、レンズ径による形状エラーを、レンズ面１４０ａを形成する光学メンブレン１４０の厚さ（ｔｍ）、ヤング率（Ｅ）のいくつかの組み合わせについて示したグラフである。可変焦点レンズ１００が使われるとき、一般的に、図３の断面図での側部、すなわち、左側または右側が重力方向になる。その場合、重力による光学流体１７０の流動は、レンズ面１４０ａ形状の歪曲を起こす。かような形状エラー（ｅ_{ｓｈａｐｅ}）は、光学メンブレン１４０の最大反り特性であって、次の数式（２）の通り定義される。

ここで、ρは、光学流体１７０の密度、ｔは、光学メンブレン１４０の厚さ、Ｅは、光学メンブレン１４０のヤング率、Ｄは、レンズ径、Ｆは、ロード分布係数（ｌｏａｄ−ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）である。

前記数式（２）は、表面張力やプレテンション（ｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎ）の影響を考慮しない近似式であり、図６のグラフを図示するためのＦ値の計算のために、ＦＥＡ（ｆｉｎｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ）専用シミュレーターを使用した。

形状エラーは、光学流体１７０の密度ρ、光学メンブレン１４０の厚さ、物性と関連しており、それだけではなく、レンズ径に大きく依存する。グラフを参照すれば、例えば、形状エラーを２μｍ以下に維持しようとするとき、レンズ径が小さいほど、さらに多様な場合にも、かような条件が具現できる。レンズ径が３．０ｍｍである場合、３つの場合、すなわち、メンブレン厚が１００μｍである２つの場合と、メンブレン厚が７５μｍであってヤング率が２ＭＰａである場合にのみ、形状エラーが２μｍ以下に具現されるが、レンズ径が１．６ｍｍである場合、図示されたあらゆる場合に、形状エラーが２μｍ以下になる。

図７は、本発明の他の実施例による可変焦点レンズ２００の概略的な構成を示す断面図である。可変焦点レンズ２００は、側面フレームが一体型に形成された透光性基板１３０、レンズ面１４０ａを有する光学メンブレン１４０、固定フレーム１６０及びポリマーアクチュエータ１８０を含む。本実施例は、図１ないし図３で説明した実施例と比較するとき、スペーサフレーム１２０（図３）が透光性基板１１０（図３）に一体型に形成された構造である点でのみ差がある。透光性基板１３０、光学メンブレン１４０、ポリマーアクチュエータ１８０によって形成された空間が流体室（ＦＣ）になり、ここに光学流体１７０が充填される点、側面フレームの厚さによってレンズ厚が定義され、これに釣り合ったレンズ径が決まる点、及びポリマーアクチュエータ１８０の駆動によって、レンズ面１４０ａの変形で焦点距離が可変される作用は同一である。

図８は、本発明のさらに他の実施例による可変焦点レンズ３００の概略的な構成を示す断面図である。本実施例は、レンズ面１４５ａを有する光学メンブレン１４５が、単に固定フレーム１６０のレンズホールを覆う形状を有し、スペーサフレーム１２０と固定フレーム１６０との接合面側には延びていないという点でのみ、図１ないし図３の実施例で説明した構造と差がある。この場合、レンズ厚になる光学流体１７０の厚さは、スペーサフレーム１２０の厚さより小さい。このように定義されるレンズ厚によって釣り合ったレンズ径が決まる点、ポリマーアクチュエータ１８０の駆動によって、レンズ面１４５ａの変形が起き、焦点距離が可変される作用は、同一である。

図９は、本発明のさらに他の実施例による可変焦点レンズ４００の概略的な構成を示す断面図である。本実施例は、ポリマーアクチュエータ１８０が固定フレーム１６０に形成された面が、光学メンブレン１４２が固定フレーム１６０に形成された面と同じ面であるいう点で、図１ないし図３の実施例で説明した構造と差がある。この場合、透光性基板１１０、スペーサフレーム１２０、光学メンブレン１４２及び前記ポリマーアクチュエータ１８０によって形成された空間が流体室ＦＣをなし、ここに光学流体１７０が充填される。スペーサフレーム１２０の厚さによってレンズ厚が定義され、これによって釣り合ったレンズ径が決まる点、ポリマーアクチュエータ１８０の駆動によって、レンズ面１４２ａの変形が起き、焦点距離が可変される作用は、同一である。図面では、固定フレーム１６０の一面領域のうち、ポリマーアクチュエータ１８０が形成されていない領域にだけ、光学メンブレン１４０が形成されていると図示されているが、ポリマーアクチュエータ１８０の一部や全体を覆う形態に形成されることも可能である。

図１０は、本発明のさらに他の実施例による可変焦点レンズ５００の概略的な構成を示す断面図である。本実施例は、光学メンブレン１４８が光学流体１７０が充填された内部空間を密封する形態に、スペーサフレーム１２０上に形成された点で、図９の実施例と差がある。この場合、透光性基板１１０、スペーサフレーム１２０、光学メンブレン１４８によって形成された空間が流体室ＦＣをなし、ここに光学流体１７０が充填される。スペーサフレーム１２０の厚さによってレンズ厚が定義され、これによって釣り合ったレンズ径が決まる点、ポリマーアクチュエータ１８０の駆動によって、レンズ面１４８ａの変形が起き、焦点距離が可変される作用は、同一である。

図１１Ａないし図１１Ｅは、本発明の実施例による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。

まず、図１１Ａのように、固定フレーム１６０を準備し、一面に、ポリマーアクチュエータ１８０を接合する。固定フレーム１６０は、複数の貫通ホールを有する形状に、例えば、図１で図示した形状を有することができ、シリコン基板に、一般的なエッチング工程または機械加工などの方法を使用して形成できる。ポリマーアクチュエータ１８０は、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）のような混成重合体で製作されたリラクサ強誘電体（ｒｅｌａｘｏｒ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）ポリマーアクチュエータになりうる。

次に、図１１Ｂを参照すれば、固定フレーム１６０の他の一面に、光学メンブレン１４０を形成する。光学メンブレン１４０は、透光性弾性膜であり、例えば、シリコン弾性重合体（ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）からなりうる。また、耐久性及び柔軟性にすぐれるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなりうる。光学メンブレン１４０は、固定フレーム１６０上に直接接合形成されうるが、この場合、光学メンブレン１４０が固定フレーム１６０の一面に全体的に形成された後、ポリマーアクチュエータ１８０と対面する部分を除去する段階を経ることができる。

次に、図１１Ｃのように、流体室ＦＣが形成されるように、スペーサフレーム１２０を形成する。図面では、固定フレーム１６０とスペーサフレーム１２０との間に、光学メンブレン１４０の一部が介在されていると図示されているが、光学メンブレン１４０でレンズ面を形成する領域以外の部分の形状は、これと異なることが可能であり、すなわち、スペーサフレーム１２０と固定フレーム１６０とが接合される領域に、光学メンブレン１４０がないこともある。スペーサフレーム１２０を接合するとき、真空接合したり、または接着物質（ａｄｈｅｓｉｖｅ）を使用できる。スペーサフレーム１２０は、レンズ厚を形成するために設けられるものであり、精巧な外郭形状が要求されるものではない。従って、シリコン材質ではない他の多様な材質から形成され、厚さを比較的自由に定めることができる。

次に、図１１Ｄのように、光学流体１７０で流体室ＦＣを充填する。光学流体１７０は、例えば、シリコンオイルでありうる。

次に、図１１Ｅのように、透光性基板１１０で、光学流体１７０を密封する。透光性基板１１０を、光を透過させる部材として、例えば、ガラス基板にすることができる。

前述の段階によって、本発明の実施例の可変焦点レンズ１００が製造される。

図１２Ａないし図１２Ｅは、本発明の他の実施例による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。

まず、図１２Ａのように、固定フレーム１６０を準備し、一面に、ポリマーアクチュエータ１８０を接合する。固定フレーム１６０は、複数の貫通ホールを有する形状に、例えば、図１で図示した形状を有することができ、シリコン基板に、一般的なエッチング工程、または機械加工などの方法を使用して形成できる。ポリマーアクチュエータ１８０は、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）のような混成重合体で製作されたリラクサ強誘電体ポリマーアクチュエータになりうる。

次に、図１２Ｂを参照すれば、固定フレーム１６０の一面に、光学メンブレン１４０を形成する。このとき、固定フレーム１６０がポリマーアクチュエータ１８０に形成された面と同じ面に、光学メンブレン１４０が形成される。図面では、固定フレーム１６０の一面領域のうち、ポリマーアクチュエータ１８０が形成されていない領域にだけ光学メンブレン１４０が形成されていると図示されているが、ポリマーアクチュエータ１８０の一部や全体を覆う形態に形成されることも可能である。光学メンブレン１４０は、透光性弾性膜であり、例えば、シリコン弾性重合体またはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなりうる。

次に、図１２Ｃのように、流体室ＦＣが形成されるように、スペーサフレーム１２０を形成する。すなわち、スペーサフレーム１２０、ポリマーアクチュエータ１８０及び光学メンブレン１４０によって形成される空間が、光学流体が充填される流体室ＦＣになる。スペーサフレーム１２０を接合するとき、真空接合したり、または接着物質を使用できる。

次に、図１２Ｄのように、光学流体１７０を流体室ＦＣに充填し、図１１Ｅのように、透光性基板１１０で、光学流体１７０を密封する。

前述の段階によって、本発明の実施例の可変焦点レンズ４００が製造される。

図１３Ａないし図１３Ｄ、図１４Ａ及び１４Ｂは、本発明の他の実施例による可変焦点レンズの製造方法の段階について説明する図面である。

まず、図１３Ａを参照すれば、固定フレーム１６０上に、ポリマーアクチュエータ１８０を形成する。固定フレーム１６０は、ポリマーアクチュエータ１８０の変形を支持するために、ポリマーアクチュエータ１８０に固設される。固定フレーム１６０は、レンズホールと複数の貫通ホールとを有する形状に、例えば、図１で図示した形状を有することができる。

図１３Ｂを参照すれば、光学メンブレン１４８を準備し、光学メンブレン１４８のエッジを側壁として取り囲む形態のスペーサフレーム１２０を光学メンブレン１４８の一面に付着させ、流体室ＦＣになる内部空間を形成する。

図１３Ｃを参照すれば、前記内部空間に光学流体１７０を注入し、透光性基板１１０をスペーサフレーム１２０に接合し、光学流体１７０を密封する。

図１３Ｄを参照すれば、ポリマーアクチュエータ１８０が形成された固定フレーム１６０を、光学メンブレン１４８の他の一面に付着させ、可変焦点レンズ５００が製造される。

前述の図１３Ａないし図１３Ｄの各段階の順序は、例示的なものであり、必要によって変更されうる。例えば、図１４Ａのように、光学メンブレン１４８の一面上に、スペーサフレーム１２０を付着させ、流体室ＦＣになる内部空間を形成し、ポリマーアクチュエータ１８０が接合された固定フレーム１６０を、光学メンブレン１４８の他の一面に接合した後、図１４Ｂのように、内部空間を光学流体１７０で充填した後、透光性基板１１０をスペーサフレーム１２０上に形成することも可能である。

以上、本発明の実施例による可変焦点レンズ及びその製造方法によれば、レンズ径を縮めることが容易であり、信頼性が高い可変焦点レンズが提供される。

かような説明のために、多くのことが例示されたが、本発明がそれらに制限されるものではない。例えば、図面では、ポリマーアクチュエータ１８０は、電圧印加によって下に湾曲変形され、これによって、レンズ面１４０ａ，１４２ａ，１４５ａ，１４８ａが突き出して変形されると示されているが、ポリマーアクチュエータ１８０が上に湾曲変形され、レンズ面１４０ａ，１４２ａ，１４５ａ，１４８ａがへこむように変形されることも可能である。また、透光性基板１１０がレンズ面１４０ａ，１４２ａ，１４５ａ，１４８ａに対応する領域が平坦であると図示されているが、必要によって、へこんだり、または突き出した面に形成されることも可能である。

かような本願発明は、理解を助けるために図面に図示された実施例を参考に説明したが、それらは例示的なものに過ぎず、当分野で当業者ならば、それらから多様な変形及び均等な他実施例が可能であるという点を理解することができるでだろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決まるのである。

１，１００，２００，３００，４００，５００ 可変焦点レンズ
１０ 基板
２０，１６０ 固定フレーム
４０ メンブレン
６０，１８０ アクチュエータ
１１０，１３０ 透光性基板
１２０ スペーサフレーム
１４０，１４２，１４５，１４８ 光学メンブレン
１４０ａ，１４２ａ，１４５ａ，１４８ａ レンズ面
１７０ 光学流体
Ａ 入射開口
Ｄ レンズ径
ＦＣ 流体室
Ｈ_Ｌ，Ｈ_Ｔ レンズホール
ｄ 結像光学系からレンズ面までの距離
ｔ 可変焦点レンズの厚さ

Claims (26)

1. 透光性基板と、
   前記透光性基板上に、内部空間を形成するように設けられたスペーサフレームと、
   レンズホール及び少なくとも１つの貫通ホールが形成され、対面する第１面及び第２面を有し、前記第１面が前記スペーサフレームに隣接するように配される固定フレームと、
   前記固定フレームのレンズホールに対応するレンズ面を有し、前記第１面と対面するように配された光学メンブレンと、
   前記内部空間を充填する光学流体と、
   前記固定フレームに固設されたものであり、前記光学流体に圧力を印加し、前記レンズ面の形状を変化させるアクチュエータとを含む可変焦点レンズ。
2. 前記スペーサフレームは、前記透光性基板のエッジを側壁として取り囲み、１つの内部空間を形成する形態に設けられることを特徴とする請求項１に記載の可変焦点レンズ。
3. 前記貫通ホールは、複数の貫通ホールによって構成され、
   前記複数の貫通ホールは、前記レンズホールの周囲に形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の可変焦点レンズ。
4. 前記アクチュエータは、前記複数の貫通ホールを密封する形態に設けられたポリマーアクチュエータであることを特徴とする請求項３に記載の可変焦点レンズ。
5. 前記ポリマーアクチュエータは、前記第２面に形成され、
   前記光学流体は、前記透光性基板、スペーサフレーム、固定フレーム、光学メンブレン及び前記ポリマーアクチュエータによって形成された空間を充填するように設けられることを特徴とする請求項４に記載の可変焦点レンズ。
6. 前記ポリマーアクチュエータは、前記第１面に形成され、
   前記光学流体は、前記透光性基板、スペーサフレーム、光学メンブレン及び前記ポリマーアクチュエータによって形成された空間を充填するように設けられることを特徴とする請求項４に記載の可変焦点レンズ。
7. 前記ポリマーアクチュエータは、前記第１面に形成され、
   前記光学メンブレンは、前記光学流体が充填された内部空間を密封する形態に、前記スペーサフレーム上に設けられることを特徴とする請求項４に記載の可変焦点レンズ。
8. 前記ポリマーアクチュエータは、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）またはＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）の材質からなることを特徴とする請求項４ないし請求項７のうち、いずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
9. 前記光学メンブレンは、シリコン弾性重合体からなることを特徴とする請求項１ないし請求項８のうち、いずれか１項に記載の記載の可変焦点レンズ。
10. 前記透光性基板と前記スペーサフレームとが一体型に形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項８のうち、いずれか１項に記載の記載の可変焦点レンズ。
11. 前記固定フレームは、シリコン材質から形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項８のうち、いずれか１項に記載の記載の可変焦点レンズ。
12. 前記光学流体は、シリコンオイルであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のうち、いずれか１項に記載の記載の可変焦点レンズ。
13. 所定の焦点距離を有する結像光学系に付加され、全体焦点距離を調節する可変焦点レンズにおいて、
    透光性基板と、
    前記透光性基板上に、内部空間を形成するように設けられたスペーサフレームと、
    レンズホール及び少なくとも１つの貫通ホールが形成され、対面する第１面及び第２面を有し、前記第１面が前記スペーサフレームに隣接するように配される固定フレームと、
    前記固定フレームのレンズホールに対応するレンズ面を有し、前記第１面と対面するように配された光学メンブレンと、
    前記内部空間を充填する光学流体と、
    前記固定フレームに固設されたものであり、前記光学流体に圧力を印加し、前記レンズ面の形状を変化させるアクチュエータとを含み、
    前記結像光学系からの光が入射される入射開口がＡ、画角が２ω、前記結像光学系から前記レンズ面までの距離がｄであるとき、前記レンズホールの直径Ｄは、次の数式（１）を満足する可変焦点レンズ。
    
14. 前記スペーサフレームは、前記透光性基板のエッジを側壁として取り囲み、１つの内部空間を形成する形態に設けられることを特徴とする請求項１３に記載の可変焦点レンズ。
15. 前記貫通ホールは、複数の貫通ホールによって構成され、
    前記複数の貫通ホールは、前記レンズホールの周囲に形成されたことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の可変焦点レンズ。
16. 前記アクチュエータは、前記複数の貫通ホールを密封する形態に設けられたポリマーアクチュエータであることを特徴とする請求項１５に記載の可変焦点レンズ。
17. 前記ポリマーアクチュエータは、前記第２面に形成され、
    前記光学流体は、前記透光性基板、スペーサフレーム、固定フレーム、光学メンブレン及び前記ポリマーアクチュエータによって形成された空間を充填するように設けられることを特徴とする請求項１６に記載の可変焦点レンズ。
18. 前記ポリマーアクチュエータは、前記第１面に形成され、
    前記光学流体は、前記透光性基板、スペーサフレーム、光学メンブレン及び前記ポリマーアクチュエータによって形成された空間を充填するように設けられることを特徴とする請求項１６に記載の可変焦点レンズ。
19. 前記ポリマーアクチュエータは、前記第１面に形成され、
    前記光学メンブレンは、前記光学流体が充填された内部空間を密封する形態に、前記スペーサフレーム上に設けられることを特徴とする請求項１６に記載の可変焦点レンズ。
20. レンズホール及び少なくとも１つの貫通ホールが形成され、対面する第１面及び第２面を有する固定フレームを形成し、前記第１面の上に、前記固定フレームに固定されるように、ポリマーアクチュエータを形成する段階と、
    前記レンズホールに対応するレンズ面を有する光学メンブレンを、前記第２面上に形成する段階と、
    前記ポリマーアクチュエータ、固定フレーム、光学メンブレンと共に、所定内部空間を形成するように、スペーサフレームを形成する段階と、
    前記内部空間を光学流体で充填する段階と、
    前記スペーサフレーム上に、前記光学流体を密封する透光性基板を形成する段階とを含む可変焦点レンズの製造方法。
21. レンズホール及び少なくとも１つの貫通ホールが形成され、対面する第１面及び第２面を有する固定フレームを形成し、前記第１面の上に、前記固定フレームに固定されるように、ポリマーアクチュエータを形成する段階と、
    前記レンズホールに対応するレンズ面を有する光学メンブレンを、前記第１面上に形成する段階と、
    前記ポリマーアクチュエータ、光学メンブレンと共に、所定内部空間を形成するように、スペーサフレームを形成する段階と、
    前記内部空間を光学流体で充填する段階と、
    前記スペーサフレーム上に、前記光学流体を密封する透光性基板を形成する段階とを含む可変焦点レンズの製造方法。
22. レンズホール及び少なくとも１つの貫通ホールが形成された固定フレームを形成し、前記固定フレーム上に、前記固定フレームに固定されるように、ポリマーアクチュエータを形成する段階と、
    対面する第１面及び第２面を有する光学メンブレンを準備し、前記光学メンブレンのエッジを側壁として取り囲む形態のスペーサフレームを、前記第１面上に形成して内部空間を形成する段階と、
    前記内部空間に光学流体を注入する段階と、
    前記スペーサフレーム上に、前記光学流体を密封する透光性基板を形成する段階と、
    前記ポリマーアクチュエータが形成された固定フレームを、前記光学メンブレンの第２面に付着する段階とを含む可変焦点レンズの製造方法。
23. 前記光学メンブレンをシリコン弾性重合体材質から形成することを特徴とする請求項２０ないし請求項２２のうち、いずれか１項に記載の記載の可変焦点レンズの製造方法。
24. 前記固定フレームをシリコン材質から形成することを特徴とする請求項２０ないし請求項２２のうち、いずれか１項に記載の記載の可変焦点レンズの製造方法。
25. 前記ポリマーアクチュエータをＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）またはＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）の材質から形成することを特徴とする請求項２０ないし請求項２２のうち、いずれか１項に記載の記載の可変焦点レンズの製造方法。
26. 前記光学流体としてシリコンオイルを使用することを特徴とする請求項２０ないし請求項２２のうち、いずれか１項に記載の記載の可変焦点レンズの製造方法。