JP3687585B2 - 焦点可変レンズ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焦点可変レンズ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来焦点可変レンズ装置においては、液晶などを用いてレンズの屈折率を変動させたり、レンズ自体をアクチュエータで動かして焦点を変化させていた。また、レンズ内部に液体を封入するものについては、特開平７−４９４０４や特開平１０−２６９５９９に見られる。これらはいずれも外部の駆動源によりレンズの厚みを変化させ、焦点距離を変化させていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの駆動源は電磁力方式や圧電方式で駆動させるためレンズ装置全体を小型化することができず、また消費電力も大きかった。さらには特開平７−４９４０４においては、レンズの厚みを変化させるためにレンズ部にある液体の量を変化させるが、レンズ部にある液体の量を変化させるときの液体の流入または流出方向が一方向であるため、液体の量が変化して均一なレンズ形状になるまで、すなわちレンズとして正しく機能するまでには時間がかかり高速応答性は低かった。
【０００４】
また、特開平１０−２６９５９９においては、内部の液体の量を変化させないでレンズの厚みを変化させるため、厚みの可変量は小さく焦点可変距離も小さかった。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、半導体プロセスを用いた小型の焦点可変レンズ装置の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため請求項１の発明においては、シリコンからなる第１の基板と前記第１の基板と対向して接着されている光透過性を有する第２の基板を備え、前記第１の基板には前記第１の基板と前記第２の基板が接着されている側から前記第１の基板を厚み方向にエッチングによって円形の第１の穴と第２の穴が開けられており、前記第１の穴と前記第２の穴は前記第１の基板と前記第２の基板が接着されている側で連通しており、前記第１の基板における前記第２の基板が接着されていない側の表面は前記第１の穴と前記第２の穴を一体的に覆うように前記第１の基板に不純物をドーピングして形成した光透過性と導電性を有する膜状の弾性部材となっており、前記第１の基板と前記第２の基板と前記弾性部材で形成される空間に変形可能な光透過性物質が封入されており、前記弾性部材のうち前記第２の穴に対向する箇所であってかつ前記第１の基板と反対側にポリシリコン膜に不純物をドーピングした固定電極が形成されており、前記弾性部材と前記固定電極との間に電圧を印加することにより、前記弾性部材のうち前記第２の穴を覆う箇所が静電力により前記固定電極に吸引される可動電極として作用する静電アクチュエータを構成し、レンズとして作用する前記第１の穴を囲むように前記第２の穴がドーナツ形状に配置されていることを特徴としている。
【０００７】
請求項２の発明においては、シリコンからなる第１の基板と、前記第１の基板と対向して接着されている光透過性を有する第２の基板を備え、前記第１の基板には前記第１の基板と前記第２の基板が接着されている側から前記第１の基板の厚み方向にエッチングによって円形の第１の穴と第２の穴が開けられており、前記第１の穴と前記第２の穴は前記第１の基板と前記第２の基板が接着されている側で連通しており、前記第１の基板における前記第２の基板が接着されていない側の表面は前記第１の穴を覆うように前記第１の基板に不純物をドーピングして形成した光透過性を有する膜状の第１の弾性部材となっており、さらに前記第１の基板における前記第２の基板が接着されていない側の表面は前記第２の穴を覆うように前記第１の基板に不純物をドーピングして形成した導電性を有する膜状の第２の弾性部材となっており、前記第１の基板と前記第２の基板と前記第１の弾性部材と前記第２の弾性部材で形成される空間に変形可能な光透過性物質が封入されており、前記弾性部材のうち前記第２の穴に対向する箇所であってかつ前記第１の基板と反対側にポリシリコン膜に不純物をドーピングした固定電極が形成されており、前記弾性部材と前記固定電極との間に電圧を印加することにより、前記弾性部材のうち前記第２の穴を覆う箇所が静電力により前記固定電極に吸引される可動電極として作用する静電アクチュエータを構成し、レンズとして作用する前記第１の穴を囲むように前記第２の穴がドーナツ形状に配置されていることを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明においては、前記第１の基板において前記第２の基板が配置されていない側に請求項１に記載の前記弾性部材または請求項２に記載の前記第２の弾性部材を介して光透過性を有する第３の基板が配置され、前記固定電極は前記第３の基板上に形成されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明においては、前記第１の基板の前記第２の基板が配置されていない側から見た前記第２の穴の面積は前記第１の穴の面積より大きいことを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明においては、前記第２の基板の前記第１の基板と接する側に前記第１の穴と同心で所望の曲率を有する凹部を設けたことを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明においては、前記第１の穴と前記第２の穴とは前記第１の穴の周囲全体と前記第２の穴の内側の周囲全体との間に設けられた溝で連通していることを特徴としている。
【００１３】
請求項７の発明においては、前記第１の穴と前記第２の穴とは前記第１の穴の周囲から前記第２の穴に向かって設けられた複数の溝で連通していることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1実施形態の焦点可変レンズ装置について添付図面を参照して説明する。図１は焦点可変レンズ装置１を示している。図１（ａ）は本発明の焦点可変レンズ装置１を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）をＡ−Ａ'断面で下方から見た断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）をＢ−Ｂ'断面で左方から見た断面図である。
【００１５】
焦点可変レンズ装置１は、第１の基板に相当するシリコンなどの半導体からなる基板２と第２の基板に相当するガラスなどの光透過性を有する基板３の２層からなり、シリコン基板２とガラス基板３は後述するレンズ用穴４と溝７を除くシリコン基板２とガラス基板３とが接する面で陽極接合などにより接着されている。
【００１６】
シリコン基板２にはシリコン基板２を厚み方向に貫通するように第１の穴に相当するレンズ用穴４とレンズ用穴４を囲むような第２の穴に相当するドーナツ形状のポンプ用穴５が開けられている。このときシリコン基板２のガラス基板３と接合されていない側から見たときのレンズ用穴４の面積とポンプ用穴５の面積とを比較すると、レンズ用穴４の面積よりもポンプ用穴５の面積の方が大きくなるように開けられていることがわかる。レンズ用穴４の周囲とポンプ用穴５の内側の周囲の間はシリコン基板２とガラス基板３が接合されている側に設けられた溝７で連通している。この溝７はレンズ用穴４の周囲全体とポンプ用穴５の内側の周囲全体に設けられていても良いし、所定の間隔を持って複数設けられていても良い。
【００１７】
シリコン基板２においてガラス基板３と接合されていない側にシリコンなどの半導体からなり、光透過性を有する膜状の弾性部材に相当する弾性膜６が形成されている。この弾性膜６はレンズ用穴４とポンプ用穴５を一体的に覆うように形成されているが、便宜上レンズ用穴４を覆う箇所を６ａ、ポンプ用穴５を覆う箇所を６ｂと呼ぶ。
【００１８】
そして、ガラス基板３、レンズ用穴４、ポンプ用穴５、溝７と弾性膜６とで形成される閉じた空間には変形可能な光透過性物質に相当する純水８やシリコンオイルなどの流動性の高い物質が封入されており、レンズ用穴４、弾性膜６ａ、純水８が一体となってレンズとして作用する。また、弾性膜６ｂは後述するアクチュエータ１３の可動電極として作用する。
【００１９】
この弾性膜６はポンプ用穴５の周囲の内側と外側においてシリコン基板２と対向しない側に向けてそれぞれ凸部１４を有しており、外側の凸部１４上の所定の箇所に弾性膜６ｂと導通している可動電極用パッド９が形成され、さらにその２箇所の凸部１４上で可動電極用パッド９や可動電極用パッド９に電気的に接続される図示しない配線を形成した箇所以外の箇所に形成された窒化膜などの絶縁層１１を介して支持される導電性の固定電極１０がポンプ用穴５を覆うように形成されている。この凸部１４により弾性膜６ｂと固定電極１０は所定の距離を保つことができる。さらに絶縁層１１上に固定電極１０と導通するように固定電極用パッド１２を形成する。そして固定電極用パッド１２と可動電極用パッド９の間に電圧を印加することにより弾性膜６ｂと固定電極１０の間に電位差が発生し、その結果、弾性膜６ｂと固定電極１０の間に静電力が発生して弾性膜６ｂが吸引されるので、弾性膜６ｂと固定電極１０は静電アクチュエータ１３として作用する。
【００２０】
弾性膜６ｂが吸引されると、ガラス基板３、ポンプ用穴５、弾性膜６ｂで形成される空間の体積が大きくなり、純水８が溝７を通じて流入する。その結果、シリコン基板２，レンズ用穴４，弾性膜６ａで形成される空間の体積が小さくなり、すなわちレンズの厚さが薄くなりレンズの焦点距離が長くなる。静電アクチュエータ１３に電圧印加をやめると弾性膜６ｂが元に戻り、純水８が溝７を通じて再度シリコン基板２，レンズ用穴４，弾性膜６ａで形成される空間に流入しレンズの厚さが厚くなる。
【００２１】
このように、静電アクチュエータ１３へ印加する電圧に応じて、ガラス基板３、ポンプ用穴５、弾性膜６ｂで形成される空間の体積が変化してポンプとして作用する。
【００２２】
なお、本実施例では弾性膜６は一体的に形成されているが、弾性膜６ａと弾性膜６ｂを異なる材料で形成しても良い。これにより、例えば、弾性膜６ａは可動電極として作用しないため導電性に関係なく光透過性に優れた材料を用い、弾性膜６ｂはレンズとして作用しないため光透過性に関係なく導電性を有しかつ弾性が優れた材料を用いることができる。よって、弾性膜６ａと６ｂで必要とされる特性に合わせて最適な材料を選択することができる。
【００２３】
次に本発明の第1実施形態の焦点可変レンズ装置の製造方法について添付図面を参照して説明する。図２は焦点可変レンズ装置１の製造プロセスを示している。なお、第１実施形態と同じ機能を有する構成要素については第１実施形態と同一の符号を用いる。
【００２４】
図２（ａ）において、Ｐ型シリコンからなるシリコン基板２の上面全体に熱酸化膜１７を成膜する。そしてフォトリソグラフィにより熱酸化膜１７をパターニングし、水酸基を有する硝酸でウェットエッチングをするか、もしくはドライエッチングを行って固定電極１０を支持する凸部１４となる凹部及びレンズとして作用する凹部を形成する。
【００２５】
図２（ｂ）において、熱酸化膜１７を除去した後、イオン注入法、拡散法などにより不純物をシリコン基板２にドーピングし、シリコン基板２の上面全体にＮ型シリコンからなる弾性膜６を形成する。
【００２６】
図２（ｃ）において、弾性膜６の上のうち可動電極用パッド９や可動電極用パッド９に電気的に接続される図示しない配線を形成する箇所にだけレジストを設け、その後弾性膜６の上全体にＣＶＤ法などにより絶縁層１１となる窒化膜を成膜し、窒化膜が成膜されない部分には酸化膜１８を形成する。
【００２７】
図２（ｄ）において、弾性膜６ａとして作用する箇所の窒化膜および可動電極用パッド９や可動電極用パッド９に電気的に接続される図示しない配線を形成する箇所に設けたレジストを除去した後、絶縁層１１が形成された凸部１４上にＣＶＤ法などでドーナツ形状のポリシリコン膜１９を形成し、パターニングする。
【００２８】
図２（ｅ）において、ポリシリコン膜１９にイオン注入法、拡散法などにより不純物をドーピングして固定電極１０となる低抵抗層を形成する。さらにシリコン基板２の裏面に図示しない酸化膜を形成し、パターニングを行ってエッチングし、溝７を形成する。
【００２９】
図２（ｆ）において、シリコン基板２の裏面全体に窒化膜２０を成膜し、パターニングする。さらにＥＣＥ法（Ｅｌｅｃｔｏｒｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｔｃｈｉｎｇ）や時間制御エッチングなどで円錐台形状（断面が台形形状になっているすり鉢状）のレンズ用穴４と断面が台形形状であるドーナツ形状のポンプ用穴５を形成する。
【００３０】
図２（ｇ）において、不要となった窒化膜を除去した後、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などでアルミなどの金属を成膜することにより、固定電極１０に電気的に接続される図示しない配線とそれに繋がる固定電極用パッド１２、及び弾性膜６ｂに電気的に接続される図示しない配線とそれに繋がる可動電極用パッド９を形成する。
【００３１】
図２（ｈ）において、純水８を注入するための貫通穴１５を設けたガラス基板３をシリコン基板２におけるレンズ用穴４と溝７を形成した側のレンズ用穴４と溝７以外の面で陽極接合により接合する。なお貫通穴はガラス基板３、レンズ用穴４，ポンプ用穴５、弾性膜６，溝７で形成される空間と連通するように設けられている。
【００３２】
図２（ｉ）において、ガラス基板３の貫通穴から純水８を弾性膜６が膨らみ破壊されない程度に注入し、ガラス基板３のシリコン基板２との接合面と反対面全体を光透過性を有する封止樹脂１６などでコーティングし純水８を封止する。
このように本実施例による焦点可変レンズ装置においては、半導体の製造プロセスにより製作することができるので、従来の焦点可変レンズ装置に比較して装置全体を小型にすることができる。
【００３３】
次に本発明の第２実施形態の焦点可変レンズ装置について添付図面を参照して説明する。図３は第２実施形態の焦点可変レンズ装置３０の断面図を示している。第１実施形態と同じ機能を有する構成要素については第１実施形態と同一の符号を用いる。
【００３４】
本実施形態においてはシリコン基板２に形成された弾性膜６のシリコン基板２と反対側に絶縁層１１を介してガラスなどの光透過性を有する第３の基板に相当する電極用基板２１を接合している。電極用基板２１には接合前に予めＣＶＤ法などにより固定電極１０、固定電極用パッド１２、その他の配線を形成してあるので、静電アクチュエータ１３を含む焦点可変レンズ装置全体の製作を容易にすることができる。
【００３５】
次に本発明の第３実施形態の焦点可変レンズ装置について添付図面を参照して説明する。図４は第３実施形態の焦点可変レンズ装置４０の断面図を示している。ここでも、第１実施形態、第２実施形態と同じ機能を有する構成要素については第１実施形態、第２実施形態と同一の符号を用いる。
【００３６】
本実施形態においては、ガラス基板３においてレンズ用穴４に対向する箇所に所望の曲率を有する凹部に相当する非球面状凹部２２を形成している。この非球面状凹部２２はシリコン基板２とガラス基板３を接合する前にエッチング法や研磨法により予め形成されている。
【００３７】
レンズ用穴４を覆う弾性膜６により形成されるレンズは球面を有するので平行光が入射した場合に球面収差が発生するが、その収差を補正するように非球面状凹部２２を非球面状に加工することにより収差を吸収し、球面収差の発生をなくすることができる。
【００３８】
なお、第３実施形態は上記第２実施形態のように電極用基板２１を用いるような焦点可変レンズ装置３０に対しても適用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１の発明による焦点可変レンズ装置においては、半導体の製造プロセスにより製作することができるので、従来の焦点可変レンズ装置に比較して装置全体を小型にすることができる。
【００４０】
請求項２の発明による焦点可変レンズ装置においても、半導体の製造プロセスにより製作することができるので、従来の焦点可変レンズ装置に比較して装置全体を小型にすることができる。さらに第１の穴と第２の穴を覆う弾性部材を別々にしたので、各々必要な特性に対して最適な特性を有する弾性部材を使用することができる。
【００４１】
又、請求項１又は２の発明による焦点可変レンズ装置においては、請求項１または２より装置全体を小型化にできたためレンズの焦点を可変させるために必要な力が小さくてすむ。よって、電磁力方式や圧電方式に比べて発生トルクの小さい静電アクチュエータで装置を駆動させることができる。よって、装置全体の消費電力を減少させることができる。
【００４２】
請求項３の発明による焦点可変レンズ装置においては、レンズの焦点を可変させるために使用する静電アクチュエータの固定電極や固定電極に通電するための固定電極用パッドを予め第３の基板上に形成することができるので、静電アクチュエータを含む焦点可変レンズ装置全体の製作を容易にすることができる。
【００４３】
請求項４の発明による焦点可変レンズ装置においては、パスカルの原理により、レンズの焦点距離を可変させるために第２の穴を覆う弾性部材に印加する力をレンズ、すなわち第１の穴を覆う弾性部材を直接変形させる力と比較して小さくすることができ、小さなトルクのアクチュエータで焦点距離を変えることができる。
【００４４】
請求項５の発明による焦点可変レンズ装置においては、第１の穴を覆う弾性部材により形成されるレンズは球面を有するので平行光が入射した場合に球面収差が発生するが、その収差を補正するように凹部を非球面に加工することにより収差を吸収し、球面収差を発生させることなく所望の焦点を有する焦点可変レンズ装置を実現することができる。
【００４５】
請求項６の発明による焦点可変レンズ装置においては、第１の穴と第２の穴の間の光透過性物質の流入、流出がスムーズに行われるのでレンズ変形の高速応答性を得ることができる。
【００４６】
請求項７の発明による焦点可変レンズ装置においては、複数の溝以外の箇所では第１の基板と第２の基板は接合されているので、第１の穴の剛性が高くなり外部から引火される振動や衝撃に対してもレンズが変形せず、焦点距離を安定して維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の製造プロセスを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１ 第１実施形態の焦点可変レンズ装置
２ シリコン基板
３ ガラス基板
４ レンズ用穴
５ ポンプ用穴
６ 弾性膜
６ａ 弾性膜６の内レンズ用穴４を覆う箇所
６ｂ 弾性膜６の内ポンプ用穴５を覆う箇所
７ 溝
８ 純水
９ 可動電極用パッド
１０ 固定電極
１１ 絶縁層
１２ 固定電極用パッド
１３ 静電アクチュエータ
１４ 凸部
１５ 貫通穴
１６ 封止樹脂
１７ 熱酸化膜
１８ 酸化膜
１９ ポリシリコン膜
２０ 窒化膜
２１ 電極用基板
２２ 非球面状凹部
３０ 第２実施形態の焦点可変レンズ装置
４０ 第３実施形態の焦点可変レンズ装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、焦点可変レンズ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来焦点可変レンズ装置においては、液晶などを用いてレンズの屈折率を変動させたり、レンズ自体をアクチュエータで動かして焦点を変化させていた。また、レンズ内部に液体を封入するものについては、特開平７−４９４０４や特開平１０−２６９５９９に見られる。これらはいずれも外部の駆動源によりレンズの厚みを変化させ、焦点距離を変化させていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの駆動源は電磁力方式や圧電方式で駆動させるためレンズ装置全体を小型化することができず、また消費電力も大きかった。さらには特開平７−４９４０４においては、レンズの厚みを変化させるためにレンズ部にある液体の量を変化させるが、レンズ部にある液体の量を変化させるときの液体の流入または流出方向が一方向であるため、液体の量が変化して均一なレンズ形状になるまで、すなわちレンズとして正しく機能するまでには時間がかかり高速応答性は低かった。
【０００４】
また、特開平１０−２６９５９９においては、内部の液体の量を変化させないでレンズの厚みを変化させるため、厚みの可変量は小さく焦点可変距離も小さかった。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、半導体プロセスを用いた小型の焦点可変レンズ装置の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため請求項１の発明においては、シリコンからなる第１の基板と前記第１の基板と対向して接着されている光透過性を有する第２の基板を備え、前記第１の基板には前記第１の基板と前記第２の基板が接着されている側から前記第１の基板を厚み方向にエッチングによって円形の第１の穴と第２の穴が開けられており、前記第１の穴と前記第２の穴は前記第１の基板と前記第２の基板が接着されている側で連通しており、前記第１の基板における前記第２の基板が接着されていない側の表面は前記第１の穴と前記第２の穴を一体的に覆うように前記第１の基板に不純物をドーピングして形成した光透過性と導電性を有する膜状の弾性部材となっており、前記第１の基板と前記第２の基板と前記弾性部材で形成される空間に変形可能な光透過性物質が封入されており、前記弾性部材のうち前記第２の穴に対向する箇所であってかつ前記第１の基板と反対側にポリシリコン膜に不純物をドーピングした固定電極が形成されており、前記弾性部材と前記固定電極との間に電圧を印加することにより、前記弾性部材のうち前記第２の穴を覆う箇所が静電力により前記固定電極に吸引される可動電極として作用する静電アクチュエータを構成し、レンズとして作用する前記第１の穴を囲むように前記第２の穴がドーナツ形状に配置されていることを特徴としている。
【０００７】
請求項２の発明においては、シリコンからなる第１の基板と、前記第１の基板と対向して接着されている光透過性を有する第２の基板を備え、前記第１の基板には前記第１の基板と前記第２の基板が接着されている側から前記第１の基板の厚み方向にエッチングによって円形の第１の穴と第２の穴が開けられており、前記第１の穴と前記第２の穴は前記第１の基板と前記第２の基板が接着されている側で連通しており、前記第１の基板における前記第２の基板が接着されていない側の表面は前記第１の穴を覆うように前記第１の基板に不純物をドーピングして形成した光透過性を有する膜状の第１の弾性部材となっており、さらに前記第１の基板における前記第２の基板が接着されていない側の表面は前記第２の穴を覆うように前記第１の基板に不純物をドーピングして形成した導電性を有する膜状の第２の弾性部材となっており、前記第１の基板と前記第２の基板と前記第１の弾性部材と前記第２の弾性部材で形成される空間に変形可能な光透過性物質が封入されており、前記弾性部材のうち前記第２の穴に対向する箇所であってかつ前記第１の基板と反対側にポリシリコン膜に不純物をドーピングした固定電極が形成されており、前記弾性部材と前記固定電極との間に電圧を印加することにより、前記弾性部材のうち前記第２の穴を覆う箇所が静電力により前記固定電極に吸引される可動電極として作用する静電アクチュエータを構成し、レンズとして作用する前記第１の穴を囲むように前記第２の穴がドーナツ形状に配置されていることを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明においては、前記第１の基板において前記第２の基板が配置されていない側に請求項１に記載の前記弾性部材または請求項２に記載の前記第２の弾性部材を介して光透過性を有する第３の基板が配置され、前記固定電極は前記第３の基板上に形成されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明においては、前記第１の基板の前記第２の基板が配置されていない側から見た前記第２の穴の面積は前記第１の穴の面積より大きいことを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明においては、前記第２の基板の前記第１の基板と接する側に前記第１の穴と同心で所望の曲率を有する凹部を設けたことを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明においては、前記第１の穴と前記第２の穴とは前記第１の穴の周囲全体と前記第２の穴の内側の周囲全体との間に設けられた溝で連通していることを特徴としている。
【００１３】
請求項７の発明においては、前記第１の穴と前記第２の穴とは前記第１の穴の周囲から前記第２の穴に向かって設けられた複数の溝で連通していることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1実施形態の焦点可変レンズ装置について添付図面を参照して説明する。図１は焦点可変レンズ装置１を示している。図１（ａ）は本発明の焦点可変レンズ装置１を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）をＡ−Ａ'断面で下方から見た断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）をＢ−Ｂ'断面で左方から見た断面図である。
【００１５】
焦点可変レンズ装置１は、第１の基板に相当するシリコンなどの半導体からなる基板２と第２の基板に相当するガラスなどの光透過性を有する基板３の２層からなり、シリコン基板２とガラス基板３は後述するレンズ用穴４と溝７を除くシリコン基板２とガラス基板３とが接する面で陽極接合などにより接着されている。
【００１６】
シリコン基板２にはシリコン基板２を厚み方向に貫通するように第１の穴に相当するレンズ用穴４とレンズ用穴４を囲むような第２の穴に相当するドーナツ形状のポンプ用穴５が開けられている。このときシリコン基板２のガラス基板３と接合されていない側から見たときのレンズ用穴４の面積とポンプ用穴５の面積とを比較すると、レンズ用穴４の面積よりもポンプ用穴５の面積の方が大きくなるように開けられていることがわかる。レンズ用穴４の周囲とポンプ用穴５の内側の周囲の間はシリコン基板２とガラス基板３が接合されている側に設けられた溝７で連通している。この溝７はレンズ用穴４の周囲全体とポンプ用穴５の内側の周囲全体に設けられていても良いし、所定の間隔を持って複数設けられていても良い。
【００１７】
シリコン基板２においてガラス基板３と接合されていない側にシリコンなどの半導体からなり、光透過性を有する膜状の弾性部材に相当する弾性膜６が形成されている。この弾性膜６はレンズ用穴４とポンプ用穴５を一体的に覆うように形成されているが、便宜上レンズ用穴４を覆う箇所を６ａ、ポンプ用穴５を覆う箇所を６ｂと呼ぶ。
【００１８】
そして、ガラス基板３、レンズ用穴４、ポンプ用穴５、溝７と弾性膜６とで形成される閉じた空間には変形可能な光透過性物質に相当する純水８やシリコンオイルなどの流動性の高い物質が封入されており、レンズ用穴４、弾性膜６ａ、純水８が一体となってレンズとして作用する。また、弾性膜６ｂは後述するアクチュエータ１３の可動電極として作用する。
【００１９】
この弾性膜６はポンプ用穴５の周囲の内側と外側においてシリコン基板２と対向しない側に向けてそれぞれ凸部１４を有しており、外側の凸部１４上の所定の箇所に弾性膜６ｂと導通している可動電極用パッド９が形成され、さらにその２箇所の凸部１４上で可動電極用パッド９や可動電極用パッド９に電気的に接続される図示しない配線を形成した箇所以外の箇所に形成された窒化膜などの絶縁層１１を介して支持される導電性の固定電極１０がポンプ用穴５を覆うように形成されている。この凸部１４により弾性膜６ｂと固定電極１０は所定の距離を保つことができる。さらに絶縁層１１上に固定電極１０と導通するように固定電極用パッド１２を形成する。そして固定電極用パッド１２と可動電極用パッド９の間に電圧を印加することにより弾性膜６ｂと固定電極１０の間に電位差が発生し、その結果、弾性膜６ｂと固定電極１０の間に静電力が発生して弾性膜６ｂが吸引されるので、弾性膜６ｂと固定電極１０は静電アクチュエータ１３として作用する。
【００２０】
弾性膜６ｂが吸引されると、ガラス基板３、ポンプ用穴５、弾性膜６ｂで形成される空間の体積が大きくなり、純水８が溝７を通じて流入する。その結果、シリコン基板２，レンズ用穴４，弾性膜６ａで形成される空間の体積が小さくなり、すなわちレンズの厚さが薄くなりレンズの焦点距離が長くなる。静電アクチュエータ１３に電圧印加をやめると弾性膜６ｂが元に戻り、純水８が溝７を通じて再度シリコン基板２，レンズ用穴４，弾性膜６ａで形成される空間に流入しレンズの厚さが厚くなる。
【００２１】
このように、静電アクチュエータ１３へ印加する電圧に応じて、ガラス基板３、ポンプ用穴５、弾性膜６ｂで形成される空間の体積が変化してポンプとして作用する。
【００２２】
なお、本実施例では弾性膜６は一体的に形成されているが、弾性膜６ａと弾性膜６ｂを異なる材料で形成しても良い。これにより、例えば、弾性膜６ａは可動電極として作用しないため導電性に関係なく光透過性に優れた材料を用い、弾性膜６ｂはレンズとして作用しないため光透過性に関係なく導電性を有しかつ弾性が優れた材料を用いることができる。よって、弾性膜６ａと６ｂで必要とされる特性に合わせて最適な材料を選択することができる。
【００２３】
次に本発明の第1実施形態の焦点可変レンズ装置の製造方法について添付図面を参照して説明する。図２は焦点可変レンズ装置１の製造プロセスを示している。なお、第１実施形態と同じ機能を有する構成要素については第１実施形態と同一の符号を用いる。
【００２４】
図２（ａ）において、Ｐ型シリコンからなるシリコン基板２の上面全体に熱酸化膜１７を成膜する。そしてフォトリソグラフィにより熱酸化膜１７をパターニングし、水酸基を有する硝酸でウェットエッチングをするか、もしくはドライエッチングを行って固定電極１０を支持する凸部１４となる凹部及びレンズとして作用する凹部を形成する。
【００２５】
図２（ｂ）において、熱酸化膜１７を除去した後、イオン注入法、拡散法などにより不純物をシリコン基板２にドーピングし、シリコン基板２の上面全体にＮ型シリコンからなる弾性膜６を形成する。
【００２６】
図２（ｃ）において、弾性膜６の上のうち可動電極用パッド９や可動電極用パッド９に電気的に接続される図示しない配線を形成する箇所にだけレジストを設け、その後弾性膜６の上全体にＣＶＤ法などにより絶縁層１１となる窒化膜を成膜し、窒化膜が成膜されない部分には酸化膜１８を形成する。
【００２７】
図２（ｄ）において、弾性膜６ａとして作用する箇所の窒化膜および可動電極用パッド９や可動電極用パッド９に電気的に接続される図示しない配線を形成する箇所に設けたレジストを除去した後、絶縁層１１が形成された凸部１４上にＣＶＤ法などでドーナツ形状のポリシリコン膜１９を形成し、パターニングする。
【００２８】
図２（ｅ）において、ポリシリコン膜１９にイオン注入法、拡散法などにより不純物をドーピングして固定電極１０となる低抵抗層を形成する。さらにシリコン基板２の裏面に図示しない酸化膜を形成し、パターニングを行ってエッチングし、溝７を形成する。
【００２９】
図２（ｆ）において、シリコン基板２の裏面全体に窒化膜２０を成膜し、パターニングする。さらにＥＣＥ法（Ｅｌｅｃｔｏｒｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｔｃｈｉｎｇ）や時間制御エッチングなどで円錐台形状（断面が台形形状になっているすり鉢状）のレンズ用穴４と断面が台形形状であるドーナツ形状のポンプ用穴５を形成する。
【００３０】
図２（ｇ）において、不要となった窒化膜を除去した後、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などでアルミなどの金属を成膜することにより、固定電極１０に電気的に接続される図示しない配線とそれに繋がる固定電極用パッド１２、及び弾性膜６ｂに電気的に接続される図示しない配線とそれに繋がる可動電極用パッド９を形成する。
【００３１】
図２（ｈ）において、純水８を注入するための貫通穴１５を設けたガラス基板３をシリコン基板２におけるレンズ用穴４と溝７を形成した側のレンズ用穴４と溝７以外の面で陽極接合により接合する。なお貫通穴はガラス基板３、レンズ用穴４，ポンプ用穴５、弾性膜６，溝７で形成される空間と連通するように設けられている。
【００３２】
図２（ｉ）において、ガラス基板３の貫通穴から純水８を弾性膜６が膨らみ破壊されない程度に注入し、ガラス基板３のシリコン基板２との接合面と反対面全体を光透過性を有する封止樹脂１６などでコーティングし純水８を封止する。
このように本実施例による焦点可変レンズ装置においては、半導体の製造プロセスにより製作することができるので、従来の焦点可変レンズ装置に比較して装置全体を小型にすることができる。
【００３３】
次に本発明の第２実施形態の焦点可変レンズ装置について添付図面を参照して説明する。図３は第２実施形態の焦点可変レンズ装置３０の断面図を示している。第１実施形態と同じ機能を有する構成要素については第１実施形態と同一の符号を用いる。
【００３４】
本実施形態においてはシリコン基板２に形成された弾性膜６のシリコン基板２と反対側に絶縁層１１を介してガラスなどの光透過性を有する第３の基板に相当する電極用基板２１を接合している。電極用基板２１には接合前に予めＣＶＤ法などにより固定電極１０、固定電極用パッド１２、その他の配線を形成してあるので、静電アクチュエータ１３を含む焦点可変レンズ装置全体の製作を容易にすることができる。
【００３５】
次に本発明の第３実施形態の焦点可変レンズ装置について添付図面を参照して説明する。図４は第３実施形態の焦点可変レンズ装置４０の断面図を示している。ここでも、第１実施形態、第２実施形態と同じ機能を有する構成要素については第１実施形態、第２実施形態と同一の符号を用いる。
【００３６】
本実施形態においては、ガラス基板３においてレンズ用穴４に対向する箇所に所望の曲率を有する凹部に相当する非球面状凹部２２を形成している。この非球面状凹部２２はシリコン基板２とガラス基板３を接合する前にエッチング法や研磨法により予め形成されている。
【００３７】
レンズ用穴４を覆う弾性膜６により形成されるレンズは球面を有するので平行光が入射した場合に球面収差が発生するが、その収差を補正するように非球面状凹部２２を非球面状に加工することにより収差を吸収し、球面収差の発生をなくすることができる。
【００３８】
なお、第３実施形態は上記第２実施形態のように電極用基板２１を用いるような焦点可変レンズ装置３０に対しても適用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１の発明による焦点可変レンズ装置においては、半導体の製造プロセスにより製作することができるので、従来の焦点可変レンズ装置に比較して装置全体を小型にすることができる。
【００４０】
請求項２の発明による焦点可変レンズ装置においても、半導体の製造プロセスにより製作することができるので、従来の焦点可変レンズ装置に比較して装置全体を小型にすることができる。さらに第１の穴と第２の穴を覆う弾性部材を別々にしたので、各々必要な特性に対して最適な特性を有する弾性部材を使用することができる。
【００４１】
又、請求項１又は２の発明による焦点可変レンズ装置においては、請求項１または２より装置全体を小型化にできたためレンズの焦点を可変させるために必要な力が小さくてすむ。よって、電磁力方式や圧電方式に比べて発生トルクの小さい静電アクチュエータで装置を駆動させることができる。よって、装置全体の消費電力を減少させることができる。
【００４２】
請求項３の発明による焦点可変レンズ装置においては、レンズの焦点を可変させるために使用する静電アクチュエータの固定電極や固定電極に通電するための固定電極用パッドを予め第３の基板上に形成することができるので、静電アクチュエータを含む焦点可変レンズ装置全体の製作を容易にすることができる。
【００４３】
請求項４の発明による焦点可変レンズ装置においては、パスカルの原理により、レンズの焦点距離を可変させるために第２の穴を覆う弾性部材に印加する力をレンズ、すなわち第１の穴を覆う弾性部材を直接変形させる力と比較して小さくすることができ、小さなトルクのアクチュエータで焦点距離を変えることができる。
【００４４】
請求項５の発明による焦点可変レンズ装置においては、第１の穴を覆う弾性部材により形成されるレンズは球面を有するので平行光が入射した場合に球面収差が発生するが、その収差を補正するように凹部を非球面に加工することにより収差を吸収し、球面収差を発生させることなく所望の焦点を有する焦点可変レンズ装置を実現することができる。
【００４５】
請求項６の発明による焦点可変レンズ装置においては、第１の穴と第２の穴の間の光透過性物質の流入、流出がスムーズに行われるのでレンズ変形の高速応答性を得ることができる。
【００４６】
請求項７の発明による焦点可変レンズ装置においては、複数の溝以外の箇所では第１の基板と第２の基板は接合されているので、第１の穴の剛性が高くなり外部から引火される振動や衝撃に対してもレンズが変形せず、焦点距離を安定して維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の製造プロセスを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１ 第１実施形態の焦点可変レンズ装置
２ シリコン基板
３ ガラス基板
４ レンズ用穴
５ ポンプ用穴
６ 弾性膜
６ａ 弾性膜６の内レンズ用穴４を覆う箇所
６ｂ 弾性膜６の内ポンプ用穴５を覆う箇所
７ 溝
８ 純水
９ 可動電極用パッド
１０ 固定電極
１１ 絶縁層
１２ 固定電極用パッド
１３ 静電アクチュエータ
１４ 凸部
１５ 貫通穴
１６ 封止樹脂
１７ 熱酸化膜
１８ 酸化膜
１９ ポリシリコン膜
２０ 窒化膜
２１ 電極用基板
２２ 非球面状凹部
３０ 第２実施形態の焦点可変レンズ装置
４０ 第３実施形態の焦点可変レンズ装置
Claims (7)
- シリコンからなる第１の基板と前記第１の基板と対向して接着されている光透過性を有する第２の基板を備え、
前記第１の基板には前記第１の基板と前記第２の基板が接着されている側から前記第１の基板を厚み方向にエッチングによって円形の第１の穴と第２の穴が開けられており、
前記第１の穴と前記第２の穴は前記第１の基板と前記第２の基板が接着されている側で連通しており、
前記第１の基板における前記第２の基板が接着されていない側の表面は前記第１の穴と前記第２の穴を一体的に覆うように前記第１の基板に不純物をドーピングして形成した光透過性と導電性を有する膜状の弾性部材となっており、
前記第１の基板と前記第２の基板と前記弾性部材で形成される空間に変形可能な光透過性物質が封入されており、
前記弾性部材のうち前記第２の穴に対向する箇所であってかつ前記第１の基板と反対側にポリシリコン膜に不純物をドーピングした固定電極が形成されており、
前記弾性部材と前記固定電極との間に電圧を印加することにより、前記弾性部材のうち前記第２の穴を覆う箇所が静電力により前記固定電極に吸引される可動電極として作用する静電アクチュエータを構成し、
レンズとして作用する前記第１の穴を囲むように前記第２の穴がドーナツ形状に配置されていること、
を特徴とする焦点可変レンズ装置。 - シリコンからなる第１の基板と、前記第１の基板と対向して接着されている光透過性を有する第２の基板を備え、
前記第１の基板には前記第１の基板と前記第２の基板が接着されている側から前記第１の基板の厚み方向にエッチングによって円形の第１の穴と第２の穴が開けられており、
前記第１の穴と前記第２の穴は前記第１の基板と前記第２の基板が接着されている側で連通しており、
前記第１の基板における前記第２の基板が接着されていない側の表面は前記第１の穴を覆うように前記第１の基板に不純物をドーピングして形成した光透過性を有する膜状の第１の弾性部材となっており、
さらに前記第１の基板における前記第２の基板が接着されていない側の表面は前記第２の穴を覆うように前記第１の基板に不純物をドーピングして形成した導電性を有する膜状の第２の弾性部材となっており、
前記第１の基板と前記第２の基板と前記第１の弾性部材と前記第２の弾性部材で形成される空間に変形可能な光透過性物質が封入されており、
前記弾性部材のうち前記第２の穴に対向する箇所であってかつ前記第１の基板と反対側にポリシリコン膜に不純物をドーピングした固定電極が形成されており、
前記弾性部材と前記固定電極との間に電圧を印加することにより、前記弾性部材のうち前記第２の穴を覆う箇所が静電力により前記固定電極に吸引される可動電極として作用する静電アクチュエータを構成し、
レンズとして作用する前記第１の穴を囲むように前記第２の穴がドーナツ形状に配置されていること、
を特徴とする焦点可変レンズ装置。 - 請求項１または２に記載の焦点可変レンズ装置において、
前記第１の基板において前記第２の基板が配置されていない側に請求項１に記載の前記弾性部材または請求項２に記載の前記第２の弾性部材を介して光透過性を有する第３の基板が配置され、前記固定電極は前記第３の基板上に形成されていること、
を特徴とする焦点可変レンズ装置。 - 請求項１または２に記載の焦点可変レンズ装置において、
前記第１の基板の前記第２の基板が配置されていない側から見た前記第２の穴の面積は前記第１の穴の面積より大きいこと、
を特徴とする焦点可変レンズ装置。 - 請求項１または２に記載の焦点可変レンズ装置において、
前記第２の基板の前記第１の基板と接する側に前記第１の穴と同心で所望の曲率を有する凹部を設けたこと、
を特徴とする焦点可変レンズ装置。 - 請求項１または２に記載の焦点可変レンズ装置において、
前記第１の穴と前記第２の穴とは前記第１の穴の周囲全体と前記第２の穴の内側の周囲全体との間に設けられた溝で連通していること、
を特徴とする焦点可変レンズ装置。 - 請求項１または２に記載の焦点可変レンズ装置において、
前記第１の穴と前記第２の穴とは前記第１の穴の周囲から前記第２の穴に向かって設けられた複数の溝で連通していること、
を特徴とする焦点可変レンズ装置。
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