JP5255565B2 - 調整可能なレンズの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、調整可能なレンズの製造方法に関し、詳細には、調整可能なレンズをウェーハ技術で製造するための方法に関する。

どこまでも増え続ける数多くの用途における調整可能なレンズの要素に対する、低コストで大量生産向きのソリューションへの要求が増している。携帯電話においてカメラの使用が普及していることが、数百万ものレンズの数量を象徴している。こうしたレンズの設計には、携帯電話内のカメラモジュールの上端にレンズを取り付けるときの操作が容易であり、可能な限り少ない操作ステップを実現することなど、複数の要求を実現する必要がある。自動焦点レンズにおいて直面する場合など、レンズ構成が、調整可能なパラメータを含むとき、これらの課題はいっそう大きくなり、たとえばレンズから撮影する対象物までの距離を合わせるために、焦点距離を調整しなければならない。こうしたレンズは通常、たとえば可動部品を含む複雑な設計であり、それにより、妥当な方法で組み立てることが難しくなることがある。こうした設計におけるさらなる課題は、可能な限り薄いレンズアセンブリを実現することへの要求がどこまでも増え続けることである。薄くて軽い携帯電話及びカメラが、市場では不可欠である。

従来技術では、簡略化された可変焦点距離レンズアセンブリを実現するレンズ設計の例がいくつかある。たとえば、ＪＰ０２−１７８６０２には、液体をそれらの間に有する２つの透明な基材が、それら基材の一方に配置された圧電素子に電圧を加えることによって基材をたわませ、そのたわみにより、レンズアセンブリの表面において所望の曲率を実現するレンズアセンブリが開示してある。

ＪＰ２０００−２４９８１３では、曲げることができる２枚の透明板の間に配置された、変形可能で透明な材料を備えるレンズアセンブリが開示されている。共通のアクチュエータは、これらの板を曲げて、レンズアセンブリの焦点距離をシフトすることができる。

ＪＰ０１−１４０１１８では、透明な液体を含む円筒容器の上部に透明な電極を有する圧電性ポリマーを備える調整可能なレンズアセンブリが開示されている。圧電性ポリマーに加えられる電圧により、ポリマーの曲率が得られ、したがって焦点距離がシフトする。

本発明の発明者は、図１に示す調整可能なレンズアセンブリの設計法をも発明した。図１に示すレンズアセンブリを製造する方法を提供することは、本発明の一態様である。

開示されていない他の要素の有無にかかわらず、各要素のリストされた順序又は各要素の任意の順序で、リストされたすべての要素又は要素の任意のサブセットを含めて以下の構成要素及び構成関係を含む、レンズアセンブリを製造する方法である、本発明の一態様によれば、薄いガラスカバーを含むゲル又はエラストマーを支持する少なくとも１つの支持体であって、薄いガラスカバーの円形状の中間部分が、ガラスカバーの残りの部分とは接触しないアイランドとして構成され、ゲルの上端に浮遊し、薄い円形の圧電性を有するリング形状の結晶が、ガラスのアイランドの縁部に沿って配置され、ガラスカバーの残りの部分が、ゲルの上端に少なくとも１つの支持体の縁部まで配置され、少なくとも１つの支持体の縁部に沿った末端の要素が、圧電性を有するリングに加えられる信号用の電気的接続を形成し、末端の要素が同時に、少なくとも１つの支持体にガラスカバーを機械的に支持及び固定する支持体を、大量生産することができる。

本発明は、柔軟性があり透明な材料が２つのガラス板の間に挟まれており、これらガラス板のうちの片方又は両方がアクチュエータ（たとえば、圧電アクチュエータ）によって成形される、調整可能なレンズを製造する方法の例に関する。レンズのバルク材料を実現するために可撓性材料が含まれ、たとえば、ポリマーゲル、エラストマー、又は、線状若しくは枝分かれのポリマー油若しくはオリゴマー油によって実現される。

本発明の実施形態の一例によれば、調整可能なレンズを製造するプロセスは、ウェーハ規模で実現される。

本発明の一態様によれば、他の固定レンズ又は調整可能なレンズのスタックとともにウェーハ規模の調整可能なレンズを実装することが可能である。

本発明のさらなる別の一態様は、（たとえば、ウェーハ規模のカメラモジュールをうまく実現するための）光センサなど、他の光学システムとともに、ウェーハ規模のアセンブリ上に調整可能なレンズをうまく実装することである。

本発明の他の一態様は、アクチュエータ用の電気接点のような機能をコンパクトに組み込むことである。

調整可能なレンズアセンブリの設計を示す図である。 図１に示した設計の斜視図である。 調整可能なレンズの他の例を示す図である。 ウェーハ上のレンズアセンブリのアレイを示す図である。 ウェーハ上の他のレンズアセンブリのアレイを示す図である。 ポリマーが部分的に取り除かれたレンズアセンブリを示す図である。 レンズアセンブリの他の例を示す図である。

（自動）焦点レンズ又はズームレンズなどの用途で使用するための、コンパクトで調整可能なレンズを作製するための技術的に実現可能なソリューションがいくつか存在する。本発明は、より硬質な２つの材料（たとえば、ガラス又はより硬いポリマー材料）の間に挟み込まれた可撓性材料（しばしば、ポリマーゲル、エラストマー又は油）を含む、調整可能なレンズ向けの製造プロセスに関する。これら硬質な材料のうちの片方又は両方が、アクチュエータに接続される。アクチュエータは、硬質なカバー材料の形状を変形させる力を生成する。この変形により、可撓性材料がわずかにその形を変え、レンズの形状になる。次いで、レンズの形状変化により、レンズを通る光の焦点合わせが変化する。調整可能なレンズは、たとえば、自動焦点レンズ又はズームレンズの用途で使用することができる。

本発明は、（底部又は上部から見ると）支持ガラス、スペーサ材料、可撓性材料（ポリマー）、可撓性材料の上に「浮遊する」アクチュエータ（たとえば、圧電アクチュエータ）のディスクを有するカバーガラスを備えるレンズアセンブリを製造するためのプロセスに関する。概略図については、図１及び図２を参照のこと。

関係するレンズアセンブリの重要な側面は、幾何学的サイズ、すなわちレンズがそれらから組み立てられる個々の構造物のサイズ、及びレンズ要素の合計物理サイズの両方である。前述のレンズ設計では、可撓性材料及び成形可能なカバー材料の厚さは、調整可能なレンズ要素の機能性にとって重要である。可能な限り低い作動力（したがって、たとえば圧電性結晶に加えられる電圧）を使用するためには、カバー材料の厚さを可能な限り低い口径比に維持することが好ましい。実際の最適な厚さは、取扱いの容易さと、レンズの表面曲率の質と、低い作動力との間のトレードオフになる。たとえば１ｍｍの開口を有するレンズ要素における幾何学的寸法の例としては、カバーガラスの厚さが５〜５０μｍ、ポリマーの厚さが０．１〜２ｍｍでもよい。レンズアセンブリの機能にとって、支持ガラスの厚さは重要ではない。しかし、機械的な安定性は設計パラメータである。レンズアセンブリの実施形態の一例では、厚さは約２００μｍ以上である。

調整可能なレンズはアクチュエータを備えているので、アクチュエータが複数の個々のアクチュエータ要素を備えている場合には、電圧供給／制御ユニットから１つ又は複数のアクチュエータ要素に電気信号を送らなければならない。これは、シンギュレーションの後に、各レンズ要素の外側に電極を設けることにより実現することができ、又は電極は、個々の各レンズ要素に集積化することができる。調整可能なレンズ要素と他のレンズシステム及び／又はイメージセンサとのウェーハ規模の集積を実現しなければならない場合には、後者が好ましく、また不可避となり得る。

レンズアセンブリの実施形態の一例では、アクチュエータ用の駆動電子装置及び／又は制御電子装置は、支持基板の一部分に設けられる。この実施形態の例では、支持体及び支持体内に集積化された電子装置から、アクチュエータ要素又はボンディングを介してガラスのアイランドを備えるアクチュエータ要素と接触する可能性があるカバーガラスへと信号を運ぶ、スペーサ要素に関係する導電性要素によって信号が供給されてもよい。

浮遊しているアイランドディスク上のアクチュエータからの電極は、たとえばそれらをカバーガラス上に集積化して、成形可能なディスクアイランドへの電極ブリッジを形成することにより、レンズ要素の各縁部に関連付けることもでき、又は電極は、カバーガラス／アクチュエータのエッチング後のある時点で、別のステップで準備することもできる。

本発明の実施形態のうちいくつかの例を説明することができる。以下に、実施形態のうちのいくつかの例があるが、これらは、本発明の範囲を限定するものとして争うべきではなく、単に実施形態の例に過ぎない。各ステップのいかなる順序も、他のステップと交換し、又は組み合わせてもよい。

実施形態Ａ
本発明の実施形態の一例は、以下のステップを含む。
１．いくつかの実現可能な技法（接着、はく離、析出、選択エッチング、成長など）のうちの１つにより、スペーサ要素（たとえば、ガラスビーズ、ポリマービーズ、ファイバ、金属（金、シリコンなど）で作られた固体の要素）が、支持基板／ガラス上に準備される。
２．スペーサを有する支持ガラス上に、液体プレポリマーで、スピンコート、スプレー、分配又は同様の処理が施される。
３．次いで、組立て済みのアクチュエータを有する連続したカバーガラスは、支持ガラス／スペーサ／ポリマー基板上にフリップチップ組立てされ、いくつかの実現可能な知られた接合技法（陽極接合、接着など）のうちの１つを使用して接着される。
４．アクチュエータを有するカバーガラスは、マスクされ、選択的にエッチングされて、調整可能なレンズの「浮遊している」アクティブディスクを形成する。
５．アクチュエータ用の電気接点が形成される。
６．ウェーハ上に複数のレンズ要素を作製する場合、個々の要素は、切断後にスペーサ要素の各部分がグリッドパターンの角部分に残るように、ウェーハ全体をグリッドパターン状に切断することによって最終的に形成される。

上記のステップ３及び４に関しては、ステップ３及び４の効果を実現するための任意選択のスキームは、エッチングによって形成される孔と同等の複数の孔を有するカバーガラスを製造すること、及び、それに応じて、アクチュエータ要素を備える事前製造済みのガラスディスクを設けること、次いでポリマーの上端に浮遊している各孔の開口内にガラスのアイランドを配置することによる。

この実施形態の例の利点は、１）容易に使用可能なウェーハ規模の処理ステップをうまく進めることであり、２）コンパクトで調整可能なレンズを形成できることであり（レンズ要素の幅は開口直径の２〜３倍の小ささにすることができる）、３）固定されたスペーサ要素が存在するために、レンズ要素の機械的安定性が優れていることである。

材料の選択例
以下は、例Ａで概要を説明した方法の例に従って選択することのできる、材料及びプロセスの一例である。

本発明の実施形態の一例によれば、３００μｍ厚の支持ガラスウェーハ上に多結晶シリコンが析出される。多結晶シリコンは研磨されて、所望のスペーサ厚（たとえば５００μｍ）になる。レジストポリマーは、多結晶シリコン上にスピンコートされ、マスクを通して選択的に紫外線硬化される。過剰なレジストは洗い流され、たとえばドライエッチング技法によってシリコンが取り除かれて、スペーサ要素を形成する。可撓性ポリマーを析出し硬化させた後に、圧電アクチュエータを有するカバーガラスがスペーサ要素上に組み立てられ、ともに接着され又は接合される。シンギュレーションの前の最終ステップは、カバーガラスのエッチングであり、エッチングにより、可撓性ポリマーの膜上に浮遊する成形可能なディスクを形成する。

実施形態Ｂ
本発明の実施形態の他の例は、方法Ａで示したステップを含むが、カバーガラスが支持／スペーサ基板上に取り付けられた後の瞬間まで、ポリマー材料を加える作業を遅らせるステップを含む。実施形態Ｂの利点は、これらの材料をレンズ要素に導入する作業を遅らせることにより、有機ポリマー又は無機ポリマーに関連する制限されたプロセス温度を除外することができることである。他の利点は、ポリマーによる接合表面の汚染を避け、プロセスの接合ステップを大幅に簡略化できることである。

実施形態Ｃ
本発明の実施形態の他の例は、上記の例Ａ及びＢで示したステップを含むが、アクチュエータを有するカバーガラス基板上にスペーサ要素を形成する。スペーサ要素は、非常に薄いカバーガラスに機械的な安定性をもたらすために、連続又は半連続している何らかの構成を有しなければならない。これを実現するための手際のよい１つの方法は、シリコンウェーハ上に接着された薄いガラス膜の上に作動用圧電性結晶を設けることである。圧電析出の前後いずれかで、裏側のシリコンは、所望のパターンに従ってマスクされ、知られた技法のうちの１つによってエッチングされて、スペーサ要素を形成する。次いで、上記の例Ａ及びＢで説明しているように、スペーサ要素を有するこのアクチュエータ／カバーガラスは、支持ガラスに接合され、いずれかの時点でポリマー材料が導入される。

実施形態Ｄ
本発明の実施形態の他の例は、上記の例Ａ及びＢで示した方法ステップを含むが、任意の導体材料であるスペーサ材料をさらに含む。上端のカバーガラス上に力を生成するアクチュエータは、電極により、外部電圧源及び制御システムに接続しなければならない。導電性のスペーサ材料（たとえば、金属、シリコン、導電性ポリマー、接着剤、又は複合材料）を、カバーガラス内のスルーホール、及び支持ガラス上のスルーホール又は電極と組み合わせることにより、きわめてコンパクトで調整可能なレンズが実現する。

アクチュエータが複数の個々のアクチュエータ要素として構成されるとき、スペーサ要素は、複数の導体、及びバイアホールを介して連続カバーガラスの上端に複数の接触パッドを備える。

実施形態Ｅ
本発明の実施形態の他の例は、例Ａ、Ｂ又はＣで示した方法ステップを含み、図３に概略的に示すように、集積化された保護カバーガラスをさらに配置するステップを含む。

実施形態Ｆ
実施形態の他の例では、ポリマーが、アセンブリ全体をカバーせず、代わりにプロセス内で各レンズ要素用の個々の要素として設けられるように形成される方法ステップを含む。ポリマー材料は、印刷、析出、分配、スピンコーティング又は同様のプロセスなど、従来技術のどんなプロセスで製造することもできる。さらに、各ポリマー要素は、アクチュエータ要素を含むカバーガラス上に加えてもよく、支持基板上に加えてもよい。

実施形態Ｇ
本発明の実施形態の他の例は、カバーガラス要素の組立ての前後で、たとえばポリマーを部分エッチングすることにより、ポリマー層が部分的に取り除かれ、図６に示すようなレンズ要素構造物を生成する方法ステップを含む。本発明によるこの方法例の利点は、アクチュエータ要素の変形を容易にし、駆動電圧に対する要求を低くすることができることである。

実施形態Ｈ
本発明の実施形態の他の例は、Ｄで示したステップを含むが、連続壁としてスペーサ材料を提供するさらなる方法ステップを含む。これにより、アクチュエータ要素及び可撓性材料を含む気密密閉された区画がうまく作製される。可撓性材料は、ゲル、又はある種の揮発性を有する液体を含む非常に粘性の高いポリマーを含み得るので、実施形態のこの例は、可撓性要素向けの適用可能な材料の範囲を拡大する。

実施形態Ｉ
本発明の実施形態のさらに別の例は、支持ガラスをガラス−オン−シリコン基板で置き換え、シリコン内の開口が設けられ、光路が配置される方法ステップを含む。図７は概略図である。この実施形態の利点は、ガラスそれ自体の厚さは薄いが支持ガラスの良好な機械的安定性を維持しながら、電気接続のためのスルーホールを作製するのに使用可能なプロセスを容易にすることである。

本発明の実施形態のこの例では、アクチュエータを作動させ制御するための駆動電子装置及び制御論理装置は、当業者には知られているように、基板のシリコン部分に配置された集積回路、又はシリコン材料の一体部分である集積回路として設けられてもよい。

Claims (15)

1. 調整可能なレンズアセンブリを製造するための方法であって、
   透明な支持体上に、既定のグリッドパターンで複数のスペーサ部材を形成するステップと、
   スピン形成により、前記スペーサ部材を有する前記透明な支持体上にプレポリマーを適用するステップと、
   事前組立て済みのアクチュエータを有する連続カバーガラスを、前記適用済プレポリマーの上端に取り付けるステップと、
   前記カバーガラスの上端にある前記アクチュエータを取り囲む円形状の部分をマスクし、次いでエッチングし、前記円形状のカバーガラス部分の周囲にアクチュエータを有する前記カバーガラスの円形状の部分を含む前記プレポリマーの上端の、浮遊しているアクティブディスクを設けるステップと、
   前記アクチュエータ用の電気接点を形成するステップとを含む方法。
2. 前記調整可能なレンズアセンブリは、ウェーハ上に製造される複数のレンズアセンブリの一部分であり、前記グリッドパターンで示される方向に沿って前記ウェーハ全体を切断することにより、前記ウェーハを切断して個々の調整可能なレンズアセンブリを形成するステップをさらに含み、前記スペーサ部材は、シンギュレーションの後に、各スペーサ部材の各部分がレンズアセンブリの各見本内に残されるように切断することによって分割される、請求項１に記載の方法。
3. 前記連続カバーガラスは、製造すべき各レンズアセンブリに関係する複数の開口とともに構成され、前記アクチュエータを有する複数のガラスディスクが、前記連続カバーガラス内の前記複数の開口のそれぞれの内部で前記ポリマーの上端に浮遊して組み立てられる、請求項１に記載の方法。
4. 前記連続カバーガラスを取り付ける前記ステップは、前記プレポリマーを適用するステップの前に実行される、請求項１に記載の方法。
5. 第１に前記連続カバーガラスをシリコン基板に接合し、次いでマスクを前記シリコン基板上に適用して、前記スペーサ要素の形状を確定し、次いでエッチングし、前記シリコン基板から前記スペーサ部材を設けることにより、前記スペーサ部材が形成される、請求項１に記載の方法。
6. 前記シリコン基板がエッチングされて前記スペーサ部材を形成する前に、前記アクチュエータは、前記シリコン基板に接合された前記連続カバーガラス上に形成される、請求項５に記載の方法。
7. 前記スペーサ部材は、前記連続カバーガラス内の導電性材料及びバイアホールとともに構成されて、前記アクチュエータに取り付けられた電極用の接触パッドを提供する、請求項１に記載の方法。
8. 前記アクチュエータが複数のアクチュエータ要素から作られるとき、前記スペーサ部材は複数の導体を備える、請求項７に記載の方法。
9. 前記レンズアセンブリは、追加保護ガラスアセンブリとともに構成される、請求項１に記載の方法。
10. 前記プレポリマーは、前記ウェーハ上の各レンズアセンブリの中心におけるプレポリマーの堆積物として形成される、請求項１及び２に記載の方法。
11. 前記プレポリマーは、前記連続カバーガラス上の各レンズアセンブリの中心におけるプレポリマーの堆積物として形成される、請求項１及び２に記載の方法。
12. 前記プレポリマーは、堆積後に部分的に取り除かれる、請求項１に記載の方法。
13. 前記スペーサ部材は、各レンズアセンブリの周辺部の回りの連続した壁として構成される、請求項１に記載の方法。
14. 前記透明な支持体は、シリコン基板上のガラスによって形成され、前記レンズアセンブリに光を通す開口が前記シリコン内に設けられる、請求項１に記載の方法。
15. 前記透明な支持体の前記シリコン部分は、各レンズアセンブリの前記アクチュエータをそれぞれ駆動し制御する複数の電子装置を備える、請求項１４に記載の方法。