KR20070084554A

KR20070084554A - 집적식 광학용 평면 렌즈

Info

Publication number: KR20070084554A
Application number: KR1020077011847A
Authority: KR
Inventors: 닥스 쿠컬제이; 벤자민 코니쉬; 로버트 브르스 차터스; 그라함 로이 아트킨즈; 배리 루더-다비에스
Original assignee: 알피오 피티와이 리미티드
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2007-08-24
Also published as: AU2005299243A1; TWI416181B; WO2006045142A1; CN100541250C; EP1805539A1; CA2583749A1; WO2006045142A8; CN101048685A; JP2008518251A; US7546009B2; TW200615598A; EP1805539A4; US20060088244A1

Abstract

본 발명은 바람직하게 단일체 형상으로 형성된 슬랩 도파관(36) 및 광도파관(33)을 구비한 평면 렌즈(30)를 제공하고, 슬랩 도파관은 광도파관 안으로 또는 밖으로 광을 초점맞추는 만곡 단부면(37)을 구비하고, 적어도 한의 추가적인 렌즈(32)는 슬랩 도파관 내부에 포함된다. 추가적인 렌즈는 수렴 또는 발산 렌즈이다. 추가적인 렌즈는 슬랩 도파관의 만곡된 단부면에 광도파관의 허용 강도를 매칭할 수 있다. 이와 달리, 설계 또는 조립체 에러 및/또는 온도 변화에 평면 렌즈의 허용 한계를 향상시킬 수 있다. 바람직하게, 평면 렌즈는 광패턴화가능한 폴리머로 구성되고, 추가적인 렌즈는 공기로 구성된다.

발산 렌즈, 수렴 렌즈, 폴리머, 평면 렌즈, 슬랩 도파관, 광도파관

Description

집적식 광학용 평면 렌즈 {PLANAR LENSES FOR INTEGRATED OPTICS}

본 발명은 집적 광도파관에 또는 그로부터 광 비임을 전송하기 위한 복합 렌즈에 관한 것이다. 본 발명은 특히 광터치 스크린 센서를 따라 광 비임의 전송과 수신에 적용된다.

본 명세서에 걸쳐 종래 기술의 임의 설명은 이러한 종래 기술이 본 기술분야의 일반적인 지식의 일부를 형성하거나 널리 알려져 있다는 것을 자인하는 것으로 결코 고려되어서는 않된다.

미국 특허 제5,914,709호, 제6,181,842호 및 제6,351,260호는 집적식 광도파관이 스크린을 따라 광 비임의 어레이를 발진하고, 그 후 그들을 스크린의 다른 측면에 수집하고 그들을 위치 감지 검출기로 안내하는데 사용되는 광터치 스크린 센서를 개시한다. "전송측"에 대한 설계에서, 안내된 광 비임을 수평면으로 확대하고 그 후 그들이 스크린면을 따라 발진될 때 그들을 수평면에 조준하는 일렬의 렌즈 요소 안으로 도파관의 어레이가 공급된다. 수직면으로의 조준은 (원통형 렌즈와 같은) 외부 렌즈로 달성되지만, 이 수직 조준은 본 발명의 목적에 대해 특히 중요하지 않다.

이상적으로, 수평면으로의 각각의 조준된 비임은 렌즈를 균일한 파워 분배로 "충진(fill)"하여, 내부 렌즈 갭에 상응하는 임의의 좁고 낮은 강도 줄무늬를 가진 광 시트를 생성한다. 도파관은 다중모드가 되도록 설계되고, 렌즈는 최고 차수의 안내 모드의 발산각(θ)이 렌즈를 충진하기에 충분하도록 간단히 설계된다.(발산각은 모드 차수와 함께 증가한다는 것에 주목) 이 "이상적" 상황은 도1에 도시되고, 이는 "전송측" 렌즈 요소(10)의 어레이 및 관련된 도파관(11)을 도시한다. 각각의 렌즈 요소(10)는 일단부에 만곡면(12)과 타단부에 그 관련된 도파관(11)을 가진 유전체 재료의 평면 슬랩(slab)이다. 바람직하게, 렌즈 요소(10) 및 관련된 도파관(11)은 동일한 재료로 구성되고 일체식으로 제조된다. 간략화를 위해, 도파관(11)은 바람직하게 렌즈 요소(10)에 대해 대칭적으로 위치되고, 즉, 렌즈 요소(10)의 대칭축(13)과 일치한다. 이상적으로, 도파관(11)으로부터 광선(14)이 지점(15)에서 렌즈 요소(10)로 진입하고 그들이 조준된 출력 비임(16)을 형성하도록 굴절되는 만곡면(12)을 "충진"하기 위해 각(θ)의 섹터 내에서 발산한다. 렌즈 요소(10)는 굴절이 발생되는 만곡면(12)에 더하여 두 개의 각진 측벽(17) 및 대칭축(13)에 평행한 두 개의 측벽(18)을 구비한다. 렌즈 요소(10) 내에서 발산하는 안내된 모드가 측벽과 만나지 않는 한 그 구성은 크게 무관하다는 것을 본 기술분야의 당업자는 이해한다.

도파관 구성면에서, 렌즈 요소(10)는 광이 아웃 오브 평면(out-of-plane)에서 제한되지만 인 평면(in-plane)으로 자유롭게 발산하는 슬랩 도파관이다. 광경로에서, 슬랩 도파관의 일단부는 도파관(11)에 광학적으로 연결되는 반면, 만곡면(12)은 타단부를 형성한다.

반대 공정이 "전송측" 렌즈 요소(10)의 미러 화상인 렌즈 요소를 갖는 "수신측"에 발생한다.

도2를 참조하면, 종래 기술의 설계로 직면하는 하나의 문제점은 렌즈 요소(10)의 만곡면(12)을 실제로 "충진"할 수 없지만, 대신 상당한 어두운 구역(21)에 의해 분리되는 분리 비임(20)을 형성한다. 이는 각각의 렌즈 요소(10)의 실제 발산각(φ)이 예상되는 발산각(φ)보다 훨씬 작기 때문에 발생할 수 있다. 하나의 구성에서, 예를 들어, θ가 약 34°인 반면, φ는 전형적으로 10° 내지 16° 범위에 있다. 이론에 의해 제한되기를 바라지 않으면, 도파관은 그들이 지지할 수 있는 것보다 더 적은 모드를 전송한다고 여겨진다. 최고 차수 모드가 도파관 안으로 발진되지 않거나 도는 최고차수 모드가 도중에 사라진다. 어떤 것이 발생해도, 불충분한 발산은 터치 스크린의 제조 및 성능 모두에 문제를 야기한다. 제조 문제는 전송된 광이 분리된 빔의 형태로 있을 때, 수신측 렌즈 어레이가 전송측 렌즈 어레이와 엄격하게 정렬될 필요가 있기 때문에 발생되고, 각각의 수신측 렌즈는 분리된 빔을 수집한다. 반면에, 만약 전송된 광이 연속적인 시트이면, 수신측 렌즈 어레이의 수평 위치는 엄격하지 않다. 성능 문제는 감소되는 공간 해상도의 문제이다. 터치 스크린 센서의 검출 알고리즘은 그레이 스케일을 분해할 수 있고, 따라서 개별적 비임의 부분적 봉쇄도 검출될 수 있고 위치 정보로 해석될 수 있다. 그러나, 만약 전송된 광이 분리 비임의 형태이면, 어떤 차단도 검출될 수 없는 심각한 "다크" 영역이 있고, 따라서 그레이 스케일 알고리즘으로 보간하는 것은 매우 어렵다. 더욱이, 터치 센서는 전송되는 광이 없는 "다크" 영역에서의 터치 상황을 검출할 수 없다. 분리된 비임보다 연속 시트의 광(또는 "라미나")을 갖는 장점은 미국 특허 출원 제2004/0201579A1호에도 설명된다.

하나의 명확한 해결책은 실제 발산각(φ)이 각각의 만곡면(12)을 충분히 충진하도록 각각의 렌즈 요소(10)의 길이를 증가시키는 것이다. 그러나, 광터치 스크린의 상황에서 이는 종종 전송과 수신 어레이의 폭에 대한 물리적인 구속으로 인해 바람직하지 않다(도파관이 직각을 통해 턴하므로, 렌즈 길이는 어레이 폭에 직접 병진하고 도파관 어레이를 스크린 홈에 끼우는 것이 필요하다.) 예를 들어, 34도에서 10도로 발산각의 감소는 약 3.5의 팩터만큼 렌즈 길이를 증가시켜서 만약 렌즈 폭이 0.85mm이면, 그 길이는 많은 디스플레이의 홈 구역에서 공간 구속으로 주어지는 광터치 스크린 응용품에 실용적이지 않을 수 있는 1.4mm에서 4.9mm까지 증가된다.

도1에 도시된 종래의 렌즈 설계가 가진 제2 문제점은 그것이 고배율 시스템, 즉, 화상 거리가 물체 거리보다 훨씬 큰 시스템이라는 것이다. 이러한 시스템은 레이아웃에서의 에러에, 특히, 물체 거리(이 경우에 지점 15와 만곡면 12 사이의 거리)에서의 에러 및 (이경우에 만곡면(12)의 곡률 반경 및 렌즈 요소(10)가 구성되는 재료의 굴절률에 의해 결정되는) 렌즈의 굴절력에 매우 민감해지는 것이 종래기술에 알려져 있다. 렌즈의 배율은 그것이 형성하는 화상이 정립되는지 또는 역전되는 지에 따라 양 또는 음일 수 있다는 것은 본 기술 분야의 당업자에게 자명하다. 본 발명의 목적을 위해, "고배율", "저배율"등의 용어는 배율의 크기에 관한 것으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래기술의 단점의 적어도 하나를 극복하거나 개선하거나 또는 유용한 대체예를 제공하는 것이다. 본 발명은 "전송측"렌즈의 관점으로부터 설명되지만, "수신측"렌즈가 일반적으로 "전송측"렌즈의 미러상이기 때문에, "전송측"렌즈의 설계에 대한 임의의 독창적인 변경이 "수신측" 렌즈에 동등하게 적용된다는 것을 이해해야 한다.

결론적으로, 본 발명의 제1 태양은 평면 렌즈 및 광도파관을 포함한 광학 요소를 제공하고, 상기 평면 렌즈는 제1 굴절률의 제1 매체로부터 형성된 슬랩 도파관을 포함하고, 상기 광도파관은 상기 슬랩 도파관의 제1 단부에 연결되고 만곡면은 상기 슬랩 도파관의 제2 단부를 형성하고, 상기 슬랩 도파관은 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률의 제2 매체로부터 형성된 발산 렌즈를 포함한다.

장점적으로, 본 발명의 제1 태양은 광학 요소를 관통하는 안내된 광이 큰 각도에서 확장/발산할 수 있도록 하여, 더 균일한 파워 분배를 제공한다.

바람직하게, 상기 평면 렌즈 및 상기 광도파관은 단일체로 형성된다.

바람직하게, 상기 평면 렌즈는 수렴 렌즈이다.

바람직하게, 상기 제1 매체는 광투과 유리 또는 폴리머 재료이다.

제1 실시예에서, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮다. 더 바람직하게, 상기 제2 매체는 공기이다. 더 바람직하게, 상기 발산 렌즈는 이중 볼록, 평면-볼록 또는 메니스커스 볼록 형상이다.

제2 실시예에서, 상기 제2 굴절률은 제1 굴절률보다 높다. 더 바람직하게, 상기 발산 렌즈는 이중 볼록, 평면-볼록 또는 메니스커스 볼록 형상이다.

본 발명의 제2 태양은 평면 렌즈 및 광도파관을 포함한 광학 요소를 제공하고, 상기 평면 렌즈는 제1 굴절률의 제1 매체로부터 형성된 슬랩 도파관을 포함하고, 상기 광도파관은 상기 슬랩 도파관의 제1 단부에 연결되고 만곡면은 상기 슬랩 도파관의 제2 단부를 형성하고, 상기 슬랩 도파관은 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률의 제2 매체로부터 형성된 하나 이상의 수렴 렌즈를 포함한다.

장점적으로, 본 발명의 제2 태양은 설계 및/또는 조립체 에러 및 대기 온도에서의 변화에 대해 평면 렌즈를 합체하는 광학 요소의 허용 한계(tolerance)를 향상시키는 것에 관한 것이다.

상기 평면 렌즈 및 상기 광도파관은 단일체로 형성된다.

바람직하게, 상기 평면 렌즈는 수렴 렌즈이다.

제1 실시예에서, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮다. 더 바람직하게, 상기 제2 매체는 공기이다. 더 바람직하게, 상기 수렴 렌즈는 이중 볼록, 평면-볼록 또는 메니스커스 볼록 형상이다.

제2 실시예에서, 상기 제2 굴절률은 제1 굴절률보다 높다. 더 바람직하게, 상기 수렴 렌즈는 이중 볼록, 평면-볼록 또는 메니스커스 볼록 형상이다.

본 발명의 제3 태양은 복수의 전송 광학 요소 및 복수의 수신 광학 요소를 구비한 광터치 스크린 센서를 제공하고,

각각의 전송 광학 요소 및 각각의 수신 광학 요소는 평면 렌즈 및 광도파관을 포함하고, 상기 평면 렌즈는 제1 굴절률의 제1 매체로부터 형성된 슬랩 도파관을 포함하고, 상기 광도파관은 상기 슬랩 도파관의 제1 단부에 연결되고 만곡면은 상기 슬랩 도파관의 제2 단부를 형성하고, 상기 슬랩 도파관은 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률의 제2 매체로부터 형성된 발산 렌즈를 포함한다.

바람직하게, 상기 평면 렌즈는 수렴 렌즈이다.

제1 실시예에서, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮다. 더 바람직하게, 상기 제2 매체는 공기이다.

본 발명의 제4 태양은 복수의 전송 광학 요소 및 복수의 수신 광학 요소를 구비한 광터치 스크린 센서를 제공하고,

각각의 전송 광학 요소 및 각각의 수신 광학 요소는 평면 렌즈 및 광도파관을 포함하고, 상기 평면 렌즈는 제1 굴절률의 제1 매체로부터 형성된 슬랩 도파관을 포함하고, 상기 광도파관은 상기 슬랩 도파관의 제1 단부에 연결되고 만곡면은 상기 슬랩 도파관의 제2 단부를 형성하고, 상기 슬랩 도파관은 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률의 제2 매체로부터 형성된 하나 이상의 수렴 렌즈를 포함한다.

바람직하게, 상기 평면 렌즈는 수렴 렌즈이다.

본 명세서에서 달리 명확한 필요가 없으면, 상세한 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐, "구비한", "포함하는" 등의 용어는 제외적이거나 제외적 의미와 반대인 포괄적인 의미로 해석되어야 하고, 즉, "포함하지만, 그에 제한되지 않은"의 의미로 해석되어야 한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시적으로 설명된다.

도1은 (집적된 광도파관의 상응하는 어레이로부터 광을 수신하는) 렌즈의 어레이로부터 전송되는 광의 비임의 "이상적" 상황을 도시한 개략 평면도이고, 여기서 광의 조준된 비임은 각각의 렌즈의 전체폭으로부터 전송된다.

도2는 (집적된 광도파관의 상응하는 어레이로부터 광을 수신하는) 렌즈의 어레이로부터 전송되는 광의 비임이 각각의 렌즈를 충진하기에 불충분한 발산을 갖는 상황을 도시한 개략 평면도이다.

도3은 본 발명의 제1 태양에 따라 복합 렌즈의 개략 평면도이다.

도4a는 가우시안 광학 모델을 사용하여 한 쌍의 전송 및 수신 렌즈 사이의 광의 비임을 도시한다.

도4b는 기하학적 광학 모델을 사용하여 한 쌍의 전송 및 수신 렌즈 사이의 광의 비임을 도시한다.

도5는 고배율 렌즈를 내장한 마이크로-광학 조립체를 도시한다.

도6은 본 발명의 제2 태양에 따른 복합 렌즈의 개략 평면도이다.

도7a는 본 발명의 제1 태양에 따른 복합 렌즈의 치수를 도시한다.

도7b는 본 발명의 제2 태양에 따라 복합 렌즈를 형성하도록 수렴 렌즈 내의 위치고정 및 발산 공기 렌즈의 치수를 도시한다.

도8은 종래기술의 렌즈의 성능과 비교해서 본 발명의 제1 태양에 따른 복합 렌즈의 성능을 도시한다.

도9는 종래기술의 렌즈의 온도 감도와 비교해서 본 발명의 제2 태양에 따른 다양한 복합 렌즈의 온도 감도를 도시한 그래프이다.

도1에 도시된 바와 같은 종래기술의 렌즈 설계가 가진 하나의 문제점은 조준된 비임(16)은 렌즈 소자(10)의 만곡면(12)을 사실 "충진"할 수 없고 대신 도2에 도시된 바와 같이 상당히 "어두운" 구역(21)에 의해 분리된 분리 비임(20)을 형성한다는 것이다. 종래 기술의 렌즈 설계가 가진 두 번째 문제점은 레이아웃의 에러에 극히 민감하고 특히 물체 거리(지점(15)와 만곡면(12) 사이의 거리)의 에러와 렌즈 굴절력(만곡면(12)의 곡률 및 렌즈 소자(10)가 구성되는 재료의 굴절률에 의해 결정되는)에 극히 민감하다. 이러한 양쪽의 문제점은 렌즈 소자(10)의 본체 내 에 하나 이상의 추가적인 렌즈를 삽입함으로써 개별적으로 접근될 있어서, 따라서 복합 렌즈를 형성한다. 제조의 용이함을 위해, 이러한 추가적인 렌즈는 바람직하게 공기로 구성되지만, 이들은 렌즈 소자(10)가 구성되는 재료의 굴절률과 상이한 굴절률을 가진 임의 다른 재료로 구성될 수 있다.

렌즈 소자(10)가 슬랩 도파관이기 때문에, 본 발명의 복합 렌즈는 슬랩 도파관 내의 평면 렌즈를 포함한다. 공기 또는 몇몇 다른 재료로 구성되고 슬랩 도파관 내에 둘러싸인 평면 렌즈를 가진 광학 장치는 사실 본 기술분야에 알려져 있다. 일 예에서, 일본 특허 출원 제JP5678814A호는 슬랩 도파관에 연결된 광섬유로부터 또는 그 안으로 광을 연결하기 위해 폴리머 슬랩 도파관 내에 둘러싸인 수렴 및 발산 공기 렌즈 모두를 개시한다. 다른 예에서, 미국 특허 제US5,253,319호는 복수의 입력 및 출력 광섬유들 사이에 광 파워를 분배하기 위해 공기 또는 몇몇 다른 재료를 구비한 수렴 렌즈를 내장한 슬랩 도파관을 개시한다. 또 다른 예에서, 창(Chang) 등(IEEE Photonics Technology Letters vol.15, 페이지 1378 내지 1380, 2003년)은 하나의 발산 렌즈와 하나의 수렴 렌즈가 병렬로 있는 슬랩 도파관을 포함한 평면 비임 확산기를 개시한다. 그러나, 이러한 모든 종래 기술의 예에서, 슬랩 도파관 그 자체는 렌즈를 구비하지 않는다. 예를 들어, 제JP5678814A호에서, 광섬유로부터 먼 슬랩 도파관의 단부면은 편평하고 만곡되지 않는다. 이는 광도파관(11)으로부터 먼 슬랩 도파관 단부면(12)은 항상 만곡되어 있어서 슬랩 도파관 그 자체가 렌즈를 구비하는 본 발명의 복합 렌즈와 비교되는 것이다.

제1 문제점에 관한 본 발명의 제1 태양에 따르면, 발산 렌즈(또한 본 기술분 야에서 "음의"렌즈로 알려짐)는 종래 기술의 렌즈 요소의 본체 안으로 삽입된다. 도3을 참조하면, 본 발명의 제1 태양에 다른 수렴 렌즈(31)에 의해 뒤따르는 발산 렌즈(32)를 구비한 길이 L의 복합 렌즈(30)가 도시된다. 집적된 광도파관(33)은 화살표(34)의 방향으로 광 비임을 전송하고 지점(35)에서 복합 렌즈(30)의 본체(36)에 연결된다. 복합 렌즈(30)의 본체(36)는 1보다 큰 굴절률의 매체로 형성되고, 수렴렌즈를 형성하는 만곡면(37)으로 종료된다. 복합 렌즈(30)의 본체(36) 내에 발산 렌즈(32)를 형성하는 상이한 굴절률의 구역이 있고, 지점(35)으로부터 전파하는 광의 발산각(φ)을 포함하도록 위치되고, 광이 이제 만곡면(37)을 충진하도록 수치(β)로 발산각을 증가시키는 작용을 한다. 만곡면(37)은 이 광을 비임(38)을 생성하도록 수평면으로 조준시킨다. 도시된 실시예에서, 만곡면(37)은 원형 부분을 구비하고 발산 렌즈(32)는 평면 구형 렌즈이다. 그러나, 만곡면(37)은 필요한 조준된 비임을 생성하기에 적절한 임의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 원형 부분을 구비하는 것보다, 타원형, 포물선형 또는 쌍곡선 또는 다향식이나 임의 다른 등식에 의해 생성된 임의 커브의 하나 이상의 부분을 구비할 수 있다. 또한, 하나 이상의 만곡부에 적절한 복수의 직선형 세그먼트를 구비할 수 있다. 실제로, 수렴 렌즈(31)를 패턴화시키기 위해 필요한 마스크를 제조할 때 일반적으로 포함되는 디지털화는 만곡면(37)이 복수의 직선형 세그먼트로 구성되는 것을 의미한다. 발산 렌즈(32)는 이중 볼록 형상으로 도시되고, 이 경우에 저굴절률 매체로 형성된다. 본 기술분야의 당업자는 평면-볼록 또는 메니스커스 볼록 렌즈가 또한 사용될 수 있다고 이해한다. 이와 달리, 발산 렌즈(32)는 고굴절률 매체를 구 비할 수 있고, 이 경우에 그 형상은 이중 오목, 평면-오목 또는 메니스커스 오목일 수 있다. 발산 렌즈(32)용으로 선택되는 어느 형상이든지, 그 만곡면은 만곡면(37)을 위해 상술된 바와 같은 임의 형상을 취할 수 있다. 만곡면(37)과 발산 렌즈(32) 양쪽은 더 복잡한 형상을 가질 수 있다고 이해된다. 예를 들어, 만곡면(37)은 각각이 발산 렌즈의 볼록 또는 오목 부분에 상응하는 두 개 이상의 볼록 부분을 구비할 수 있다.

만곡면(37)의 소정의 "충진 인자"의 경우, 발산 렌즈의 추가는 복합 렌즈의 길이를 감소시킨다. 도파관계 광 터치 스크린의 특정 응용물의 경우, 이 길이 감소는 도파관과 렌즈가 위치되는 스크린 홈(bezel)의 폭을 장점적으로 감소시킨다.

본 발명의 제1 태양의 바람직한 실시예에서, 복합 렌즈(30)의 본체는 광투과 유리 또는 폴리머로 형성되지만, 발산 렌즈(32)는 (1에 실질적으로 동등한 굴절률을 가진) 공기로 구성된다. 공기 렌즈는 복합 렌즈(30)의 본체(36)와 비교해서 고굴절률 콘트라스트를 제공하기 때문에 제조의 용이함을 위해 특히 바람직하다. 그러나, 발산 렌즈(32)는 이것과 본체(36) 사이에 굴절률의 충분한 콘트라스트가 있으면 공기 이외에 몇몇 다른 재료로 구성될 수 있다고 이해되어야 한다. 본 기술분야의 당업자는 특정의 발산 렌즈 형상이 소정의 발산각를 위해 두 개의 매체의 굴절률에 의존한다고 이해된다.

만약 발산 렌즈(32)가 공기로 구성되면, 이를 횡단하는 광선은 수직(평면 밖) 방향으로 안내되지 않아서, 평면 밖 발산으로부터 약간의 광손실이 있다. 따라서, 평면 밖 손실이 과도하지 않도록 발산 렌즈를 통해 경로 길이를 제한하는 것 이 중요하다. 평면 밖 발산 손실은 발산( 및 이에 따라 볼록) 공기 렌즈의 경우 중심 구역에 있는 최장 공기 갭을 횡단하는 이러한 광선에 대해 가장 않좋다. 이 경우에, 그 손실은 중심 구역에서 강도를 감소시키기 때문에 사실 장점일 수 있고, 이에 따라 렌즈 구조물을 따라 더 균일한 강도 분포를 제공한다. 미국 제2004/0201579A1호에 개시된 바와 같이, 균일한 강도 분포는 광터치 스크린 센서의 특정 응용물에 바람직한다. 만약 발산 렌즈(32)가 복합 렌즈(30)의 본체(36)보다 큰 굴절률의 재료로 구성되면, 발산 렌즈를 횡단하는 광의 임의 평면 밖 손실이 없다는 것이 이해된다.

본 발명의 복합 렌즈에 의해 접근될 수 있는 제2 문제점은 기하학적 광학 면에서 설명된다.(예를 들어, 1987년 애디슨-위슬리의 E.Hecht에 의한 "광학"의 제2판 제5장의 방법 참조) 도1에서, 광터치 스크린 센서의 "전송측"렌즈 요소는 조준된 비임(16)을 방출하도록 도시된다. 이는 사실 회절이 방출된 비임을 퍼지게 하여 완전한 조준을 방지하기 때문에 이상적이다. 더 실제적인 도면에서, 전송측 렌즈는 각각의 방출된 비임이 디스플레이 영역의 몇몇 지점에서 비임 허리에 초점??줘지도록 설계되어야 한다. 도4a에 도시된 바와 같이, 비임 허리(40)는 바람직하게 전송 렌즈 요소(41)와 수신 렌즈 요소(42) 사이의 절반에 위치되어, 두 개의 렌즈 요소는 동일한 폭이 된다. 기하학적 광 도면은 도4b에 도시되고, 여기서,지점(44)에서 전송 도파관(43)으로부터 발산하는 광은 디스플레이 스크린 영역(47)을 따라 중간에 크기(h_i)의 화상(46)을 형성하도록 만곡면(45)에 의해 굴절된 (전송 도 파관(43)의 폭(400)과 동일한) 크기(h₀)의 물체로 작용한다. 이러한 시스템에서, (횡단) 배율은 M=h_i/h₀에 의해 주어진다. 이 배율은 또한 M=-s_i/s₀에 의해 주어지고, 여기서 s₀는 물체 거리(48)이고, s_i는 화상 거리(49)이다. 보통의 표기법에서 실제 화상을 생성하는 간단한 수렴 렌즈의 경우, s₀,s_i 및 h_o는 모두 양이지만, h_i( 및 따라서 M)은 음, 즉, 화상이 역전된다는 것에 주목해라.

전형적인 도파관계 광터치 스크린의 경우, 렌즈 요소(즉, s₀)의 길이는 오더 2mm이고 디스플레이 영역(즉, 2ㆍs_i)의 폭 또는 높이는 오더 60mm이어서, 배율(M)은 오더 -15이다. 이는 단일 렌즈 시스템에 고배율이고, 이러한 고배율 시스템이 레이아웃에서의 에러에 극히 민감하다는 것이 본 기술분야에 알려져 있다. 이런 종류의 문제점은 마이크로 광학의 분야에서 종종 발생되고, 여기서 하나 이상의 렌즈 및 다른 광학 부품은 높은 정도의 공간 정확성으로 결합되는 것이 필요하다. 도4b의 전송 요소와 유사한 마이크로 광학의 예로써, 도5는 광섬유(53)의 코어(52)로부터 검출기(54) 위로 방출되는 광(51)을 초점맞추는 렌즈(50)를 도시하고, 여기서 렌즈(50)는 검출기(54)보다 광섬유(53)에 훨씬 가까워지도록 구속된다. 물체 거리(55)가 화상 거리(56)보다 더 작기 때문에, 이는 고배율 시스템을 나타내고, 마이크로 광학 분야의 당업자는 렌즈(50)의 배치 또는 그 형상(예로써, 표면 곡률 반경)에서의 작은 에러가 화상의 크기와 위치에서의 큰 에러를 야기한다고 이해한다. 더욱이, 렌즈(50)가 큰 열적 광학 계수(온도에 따른 굴절률의 변화율)를 가진 재료 로 구성되면, 온도 변화는 또는 그 화상력에 상당히 영향을 미친다. 특히, 폴리머는 즉, (오더 +1x10^-5/℃의) 실리케이트 유리보다 더 높은 열절 광학 계수(전형적으로 -1 내지 -4x10^-4/℃)를 갖는다고 알려져 있다.

도4b에 도시된 전송 요소의 경우에, 화상 거리(si)( 및 동등하게 화상 크기(hi))는 전송 렌즈 요소(41)(즉, 물체 거리(s0))의 길이 및 (만곡면(45)의 곡률 반경 및 렌즈 요소(41)가 구성되는 재료의 굴절률에 의해 결정되는) 전송 렌즈 요소(41)의 굴절력의 에러에 매우 민감하다. 만약 화상이 비정확한 위치에서(즉, 디스플레이 스크린 영역(47)의 중간점이 아닌 곳에서) 형성되면, 광은 수신 렌즈 요소(42)에 의해 정확하게 수집되지 않고, 가짜 신호를 야기하는 인접한 렌즈 요소에 의해 수집될 수도 있다.

제2 문제점에 관한 본 발명의 제2 태양에 따르면, 수렴 렌즈는 렌즈 요소(10)의 본체 안으로 삽입된다. 도6을 참조하면, 본 발명의 제2 태양에 따른 제1 수렴 렌즈(61)와 제2 수렴 렌즈(62)를 구비한 복합 렌즈 요소(60)가 도시된다. 도4b에 도시된 간단한 렌즈 요소(41)와 비교해서, 배율(M)을 가진 단일 렌즈(즉, 만곡면(45))은 두 개의 저배율 수렴 렌즈로 대체된다. 마이크로 광학 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 이러한 구성은 설계 및/또는 조립체 에러에 대해 렌즈 시스템의 민감도를 감소시킨다. 만약 제1 수렴 렌즈(61)가 배율(M₁)을 갖고 제2 수렴 렌즈(62)가 배율(M₂)을 갖고, 만약 M₁ㆍM₂= M이면, 다음에 복합 렌즈 요소(60) 및 간 단한 렌즈 요소(41)는 (화상 거리(s_i) 및 화상 높이(h_i)에 의해 측정되는 바와 같이) 동일한 화상 성능을 갖는다. 그러나, 본 기술분야의 당업자는 복합 렌즈 요소(60)가 만약 동일한 배율을 가지면 간단한 렌즈 요소(41)보다 더 길게 형성되는 것이 필요하다고 이해된다.

복합 렌즈 요소(60)의 기하학적 광학 뷰에서, 복합 렌즈 요소(60)의 도파관(63)과 본체(64) 사이의 접합부는 도파관(63)의 폭(69)과 동일한 크기(ho1)를 갖고 제1 수렴 렌즈(61)를 위한 물체(65)로 작용한다. 제1 수렴 렌즈(61)는 본체(64) 뒤에 가상의 화상(66)을 형성하도록 물체(65)를 투사하도록 설계되고, 제2 수렴 렌즈(62)는 실제 화상(67)을 형성하도록 가상의 화상(66)을 투사하도록 설계되고, 바람직하게 디스플레이 영역을 따라 중간부에 위치된다. 복합 렌즈(60)를 통한 광의 실제 경로는 광선(68)에 의해 표시된다. 본 발명의 제1 태양에서와 같이, 제1 수렴 렌즈(61)는 도파관(63)으로부터 본체(64) 안으로 전파되는 광의 발산각(φ)을 둘러싸도록 설계되어야 한다. 이러한 형상으로, 제1 수렴 렌즈의 배율은 양이고(이는 직립된 가상의 화상을 생성하고), 반면에 제2 수렴 렌즈의 배율은 음이다(이는 역전된 실제 화상을 생성한다).

또한, 두 개의 수렴 렌즈(61,62)의 유사한 배열을 가질 수 있고, 여기서 제1 수렴 렌즈(61)는 디스플레이 영역의 중간지점 뒤에 실제 화상을 형성하고, 이 화상은 디스플레이 영역을 따라 중간지점에 위치된 실제 화상(67)을 형성하는 그 다음 제2 수렴 렌즈(62)를 위한 가상의 물체로 작용한다. 그러나, 이러한 배열은 제1 수렴 렌즈(61)가 간단한 렌즈 요소(41)보다 고배율을 가질 필요가 있고, 따라서 설계 및/또는 조립체 에러에 더 민감하기 때문에 장점적이지 않다.

본 발명의 제2 태양의 바람직한 실시예에서, 복합 렌즈(60)의 본체(64)는 광투과 유리 또는 폴리머로 형성되지만, 제1 수렴 렌즈(61)는 (1에 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는) 공기로 구성된다. 공기 렌즈는 특히 제조의 용이함을 위해 특히 바람직하고 이는 복합 렌즈(60)의 본체(64)와 비교해서 고굴절률 콘트라스트를 제공하기 때문이다. 그러나, 제1 수렴 렌즈(61)는 그것과 본체(64) 사이의 굴절률에서 충분한 콘트라스트가 있으면 공기 이외에 몇몇 다른 재료로 구성될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 본 발명의 제1 태양에서와 같이, 이를 횡단하는 광의 평면 밖 발산 손실이 과도하지 않도록 제1 수렴 렌즈를 통해 경로 길이를 제한하는 것이 중요하다.

본 발명의 복합 렌즈 구조물은 포토리토그래피/습식 현상 처리를 사용한 포토 패턴가능한 폴리머로부터 장점적으로 제조될 수 있다. 포토 패턴가능한 폴리머는 그들이 패턴화될 수 있는 쉽게 완만한 조건(예로써, 용매 현상에 의해 수반되는 노광) 때문에 특히 바람직하다.

하나의 특히 적절한 종류의 재료는 예를 들어, 미국 제6,818,721호 또는 미국6,800,724호에 개시된 바와 같은 응축 반응에 의해 합성화되는 UV 경화된 실록산 포리머이다. 실록산 폴리머는 실리콘, 유리 및 플라스틱을 포함하는 다양한 기판 재료에 우수한 접착력을 갖는다. 광개시제(photoinitiator) 또는 열개시제가 경화 속도를 증가시키도록 추가될 수 있다. 상업적으로 이용가능한 광개시제의 예는 1- 하이드록시-싸이클로헥실-페닐-케톤(이가큐어 184), 2-메틸-1[4-메틸티오)페닐]-2-모폴리노프로판-1-원(이가큐어 907), 2,2-디메쓰옥시-1, 2-디페닐에탄-1-원(이가큐어 651), 2-벤질-2-디메틸라미노-1-(4-모폴리노페닐)-부타논-1(이가큐어 369), 4-(디메틸라미노)벤조페논, 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-원(다로커 1173), 벤조페논(다로커 비피), 1-[4-(2-하이드록시에톡시)-페닐]-2-하이드록시-2-메틸-1-프로판-1-원(이가큐어 2959), 4,4'-비스(디에틸아미노) 벤조페논(DEAB), 2-크로티옥산톤, 2-메틸디옥산톤, 2-이소프로필디티옥산톤, 벤조인 및 4,4'-디메톡시벤조인을 포함한다. 가시광으로 경화시키도록, 개시제는 예를 들어 캠포퀴논일 수 있다. 그러나, 두 개 이상의 광개시제가 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 이가큐어 1000은 80% 다로커 1173 및 20% 아가큐어 184의 혼합물이다. 열경화를 위해, AIBN(azobisisobutyronitrile)뿐 아니라 페록사이드(예로써, 디벤조닐 페록사이드), 페록사이디카보네이트, 퍼에스테르(t-부틸 퍼벤조에이트), 퍼케탈, 하이드로페록사이드의 형태의 유기 페록사이드가 개시제로 사용될 수 있다.

안정화제, 가소제, 콘트라스트 향상제, 염색제 또는 충진제와 같은 다른 첨가제가 필요한 폴리머의 특성을 향상시키도록 추가될 수 있다.

본 발명의 제1 태양에 따른 복합 렌즈 구조물의 제조는 도3을 참조하여 다음의 두 개의 제한적이지 않는 예로 설명된다.

예1

미국 제6,818,721호에 개시된 절차를 따르면, 저굴절률 폴리머(A)는 (20℃에서) 2500cP의 점성도와 1.483의 (아베 회절기 상에서 실내광으로 20℃에서 측정되 는) 굴절률로 준비된다. 고굴절률 폴리머(B)는 (20℃에서) 2200cP의 점성도와 (20℃에서) 1.509의 굴절률로 준비된다. 적절한 광개시제는 폴리머(A)와 폴리머(B) 모두에 추가된다.

폴리머(A)는 실리콘 웨이퍼 위로 스핀 코팅되고 (20℃와 850nm에서) 1.492의 굴절률을 갖고 20㎛ 두께의 저클래팅 층을 형성하도록 수은 램프로부터 UV 광으로 경화된다. 폴리머(B)는 11㎛ 두께의 코어층을 형성하도록 저클래딩 위로 스핀 코팅되고 마스크를 통해 UV 광으로 패턴화되고, 노출되지 않은 폴리머(B) 재료는 그 후 수렴 렌즈(31)에 의해 뒤따르는 공기로 구성된 발산 렌즈(32)를 포함하는 복합 렌즈(30) 및 도파관(33)을 형성하도록 이소프로패놀에서 분해된다. 노출된 폴리머(B) 재료는 (20℃와 850nm에서) 1.519의 굴절률을 갖는다. 최종적으로, 보호 상부 클래딩층은 스핀 코팅하고 폴리머(A)의 제2 층을 UV 경화시킴으로써 선택적으로 증착될 수 있다. (미국 특허 출원 제2005/0089298A1호에 개시된 바와 같이) 수렴 렌즈(31)의 만곡된 초점면(37)을 덮고 분쇄시키는 것을 방지할 뿐 아니라 경화된 폴리머(A) 재료로 발산 공기 렌즈를 내부 충진하는 것을 방지하기 위해 폴리머(B) 층과 동일한 방식으로 이러한 상부 클래딩층을 패턴화시키는 것이 필요하다는 것에 주목하자. 발산 공기 렌즈가 경화되지 않은 폴리머(A)로 로 일시적으로 충진되지만, 이 재료는 연속적인 이소프로패놀 현상 단계에서 제거된다. 상부 클래딩 단부가 패턴화된 지점은 발산 공기 렌즈가 덮히지 않고 유지되면 특히 중요하지 않다. 예를 들어, 지점(35)에서 또는 그 근처에서 종료될 수 있어서, 실제로 복합 렌즈(30)보다 더 긴 몇몇의 2차의 크기인 도파관(33)이 기계적으로 보호되어 유지된 다.

만약 발산 렌즈(32)가 공기로 구성되면, 임의의 추가적인 처리 단계없이도 존재하는 수렴 렌즈(31)에 추가될 수 있다. 마스크 형상의 변경 이상의 어떠한 것도 필요하지 않고, 따라서 제조의 용이함을 위해 바람직하다. 그러나, 추가적인 처리 단계의 비용에서 (선택적인) 상부 클래딩층이 증착되고 패턴화되기 전 또는 후에 폴리머(B)와 상당히 다른 굴절률을 갖고서 몇몇 다른 경화가능한 폴리머(C)로 발산 렌즈 구역을 충진시키는 것이 가능하다. 물론, 발산 렌즈 구역은 상부 클래딩 폴리머(A)로 충진될 수 있지만, (도파관의 목적을 위해) 그 굴절률이 폴리머(B)의 것보다 보통 단지 약간 낮기 때문에, 발산 렌즈의 굴절력은 심하게 제한된다.

예2

도7a 및 도7b를 참조하여, 예1에서 설명된 절차를 통해 제조되고 수렴 렌즈(31)에 의해 뒤따르는 발산 렌즈(32)를 구비한 본 발명의 제1 태양에 따른 예시적 복합 렌즈(30)의 치수가 설명된다. 도7a를 참조하면, 지점(35)에서 복합 렌즈(30)로 진입하는 도파관(33)의 폭(70)은 8㎛이다. 수렴 렌즈(31)는 300㎛ 길이의 플레어식 섹션(71), 1160㎛ 길이의 직선형 섹션(72), 750㎛의 폭(73)을 갖고, 570㎛ 곡률 반경으로 원형의 아크인 만곡면(74)에서 종료된다. 도7b를 참조하면, 발산 공기 렌즈(32)는 80㎛의 폭(75)과 16㎛의 길이(76)를 가진 이중 볼록 구조물이고, 100㎛의 곡률 반경의 두 개의 원형 아크로 구성되고, 지점(35)으로부터 130㎛의 거리(78)에 위치된다. 기하학적 광학 도면에서, 발산 렌즈(32)는 이 자체와 지점(35) 사이에 가상의 화상을 형성하고, 이 가상의 화상은 만곡면(74)을 구비하 는 수렴 렌즈(31)에 대해 물체로서 작용한다. 1.519의 굴절률을 가진 매체에서 850nm 파장의 단일 모드 비임(즉,가우시안 TEM00)을 가정하면, 도7b의 발산 공기 렌즈(32)는 복합 렌즈(30) 내의 광의 발산각를 대략 두 배가 되게 한다. 이러한 계산의 결과는 사기 치수의 포함된 발산 공기 렌즈를 갖고 및 갖지 않고 광섬유(코닝 SMF28)를 렌즈 구조물 안으로 광을 발진시킴으로써 실험적으로 확인된다. 이러한 렌즈 구조물 내에서 두 개의 파장, 즉, 633nm 및 819nm에서 광의 발산은 도8에 도시된 바와 같이 CCD 카메라로 화상화된다. 이 사진은 포함된 발산 렌즈가 15°로부터 32°로 발산각를 대략 두 배로 하는 것을 도시한다.

종래 기술의 단순한 렌즈 요소의 단점뿐 아니라 본 발명의 제2 태양에 따른 임의 장점적인 복합 렌즈는 이제 다음의 세 개의 비제한적인 예에서 설명된다.

반대-예1

저굴절률 폴리머(A)와 고굴절률 폴리머(B)가 예1에서와 같이 준비된다. 도4b에 도시된 바와 같이 종래 기술의 단순한 전송 렌즈 요소(41)를 제조하기 위해, 폴리머(A)는 실리콘 웨이퍼 위로 스핀 코팅되고 (20℃ 및 850nm에서) 1.492의 굴절귤을 갖고 20㎛ 두께의 낮은 클래딩층을 형성하도록 수은 램프로부터 UV 광으로 경화된다. 폴리머(B)는 11㎛ 두께의 코어층을 형성하도록 낮은 클래딩 위로 스핀 코팅되고 마스크를 통해 UV 광으로 패턴화되고, 노출되지 않은 폴리머(B) 재료는 그후 8㎛의 폭(400)을 가진 도파관(43)과 0.75mm의 폭(401)과 2.0mm의 길이(48)를 가진 렌즈 요소(41)를 형성하도록 이소프로패놀에서 분해된다. 노출된 폴리머(B) 재료는 (20℃와 850nm에서) 1.519의 굴절률을 갖는다. 렌즈 요소(41)는 0.655mm의 곡률 반경을 가진 원의 아크인 만곡면(45)에서 종료된다. 만곡면(45)(단일의 구형 경계면)에서의 굴절은 다음의 등식에 의해 결정된다.

n₁/s₀+n₂/s_i=(n₂-n₁)/R (1)

여기서 n₁은 제1 매체의 굴절률(경화된 폴리머(B), 굴절률 1.519)이고, n₂는 제2 매체의 굴절률(공기, 굴절률 1)이고, R은 만곡면(45)의 곡률 반경이고(-0.655mm, 보통 표기법으로 음), s₀는 (2.0mm의 길이(48)에 상응하는) 물체 거리이고, s_i는 화상 거리(49)이다. 식(1)의 직선식의 재배치는 s_i=30mm를 생성하고, (M=-s_i/s₀에 의해 주어진) 배율은 -15이다. 도파관(43)이 (물체 크기(h₀)이도록 취한) 8㎛의 폭(400)을 갖기 때문에, 화상 크기(h_i)는 (화상이 역전되기 때문에 음인) -120㎛이다.

식(1)로부터, 화상 거리(s_i)가 s₀, R 및 n₁의 변화에 의해 영향받는다고 이해될 수 있다.(공기의 굴절률인 n₂는 일정하다고 안전하게 가정될 수 있다.) 기하학적 인자 s₀ 및 R을 먼저 고려하면, 표1 및 표2는 모든 다른 인자가 일정하게 유지되며 s₀ 및 R에서 작은 변화(±5,10 및 15㎛)의 s_i의 영향을 도시한다. s_i는 렌즈 요소(41)의 형상의 작은 변화, 특히 R의 에러에 매우 민감하다고 이해될 수 있다.

표1: -15의 배율을 가진 공칭의 2mm 길이의 단순한 전송 요소에 대해 물체 거리(s_o)와 화상 거리(s_i)에서의 변화

표2 : -15의 배율을 가진 공칭의 2mm 길이의 단순한 전송 요소에 대해 렌즈의 곡률 반경과 화상 거리(s_i)에서의 변화

렌즈 요소(41)가 큰 열광학 계수(폴리머(B)에 대해 dn₁/dT=-2.8x10^-4)를 가진 재료로 구성되기 때문에, 이는 또한 표3에 도시된 바와 같이 20℃의 설계 온도 주위에서 요동에 민감하다.

표3 : -15의 배율을 가진 공칭의 2mm 길이의 단순한 전송 요소에 대해 대기 온도와 화상 거리(s_i)에서의 변화

본 경우에, 렌즈 요소(41)가 마스크계 리토그래피 처리에서 형성되는 경우, 렌즈 요소(41)의 기하학 형태(s₀ 및 R)는 높은 등급의 정확성으로 한정될 수 있고(전형적으로 수 nm), 따라서, 소정의 온도에서 화상 거리(s_i)는 절대적으로 고정된다. 그러나, 광터치 스크린이 합체된 소비제 전자 장치의 경우, 일반적으로 장치 온도를 제어하는 것이 경제적이지 않고, 따라서 표3에서 증명된 온도 민감도는 상당한 문제가 될 수 있다.

예3

저굴절률 폴리머(A)와 고굴절률 폴리머(B)는 예1에서와 같이 준비된다. 본 발명의 제2 태양에 따른 복합 전송 렌즈 요소(60)를 제조하기 위해, 도6에 도시된 바와 같이, 폴리머(A)는 실리콘 웨이퍼 위로 스핀 코팅되고 (20℃와 850nm에서) 1.492의 굴절률을 갖고 20㎛ 두께의 저클래딩층을 형성하도록 수은 램프로부터 UV 광으로 경화된다. 폴리머(B)는 11㎛ 두께의 코어층을 형성하도록 저클래딩 위로 스핀 코팅되고 마스크를 통해 UV 광으로 패턴화되고, 노출되지 않은 폴리머(B) 재 료는 2.5mm의 길이(601) 및 0.75mm의 폭(600)을 가진 복합 렌즈 요소(60) 및 8㎛의 폭(69)을 가진 도파관(63)을 형성하도록 이소프로패놀에서 분해된다. 노출된 폴리머(B) 재료는 (20℃와 850nm에서) 1.519의 굴절률을 갖는다. 복합 렌즈의 본체(64)는 공기로 구성된 제1 수렴 렌즈(61)를 내장하고, 제2 수렴 렌즈(62)를 형성하는 만곡면(602)으로 종료된다. 이 예에서, 제1 수렴 렌즈(61)는 곡률의 동일한 반경(R₁)을 가진 두 개의 면을 갖는 대칭 이중 오목 렌즈이다. 제1 수렴 렌즈(61)에서 굴절은 다음의 얇은 렌즈 등식에 의해 결정된다.

n₁/s₀₁+n₁/s_i1=2(n₂-n₁)/R₁ (2)

여기서 n₁은 제1 매체(1.519로 취한 경화된 폴리머(B))의 굴절률이고, n₂는 제2 매체(1로 취한 공기)의 굴절률이고, s₀₁은 물체 거리이고 s_i1은 화상 거리이다. 제2 수렴 렌즈(62)에서 굴절은 다음의 식에 의해 결정된다.

n₁/s₀₂+n₂/s_i2=(n₂-n₁)/R₂ (3)

여기서 n₁=1.519, n₂=1, R₂는 만곡면(602)의 곡률 반경이고, s₀₂는 물체 거리이고, s_i2는 화상 거리이다.

이 예에서, 복합 렌즈(60)는 반대 예1에서 단순한 렌즈 요소(41)와 동일한 정체 배율(M=-15)을 갖도록 설계되고, 제1 수렴 렌즈(61)는 (그 화상이 가상이고 직립이기 때문에 양인) 배율 M₁=+√15~3.873을 갖고 제2 수렴 렌즈(62)는 M₁=-√15~-3.873을 갖는다. 이 특정 배열은 "50/50 복합 렌즈"로 나타낸다. 더욱이, 복 합 렌즈(60)는 반대 예1, 즉, s_i2=30mm에서 단순한 렌즈 요소(41)와 동일한 화상 거리(603)를 갖도록 설계되어, 화상(67)은 동일한 크기(120㎛)를 갖고 동일한 위치에서 형성된다. 2.5mm의 전체 렌즈 길이로 결합된 이러한 제한요소는 복합 렌즈(60)의 형상을 고정하는데 충분하고, 제1 수렴 렌즈(61)는 지점(65)으로부터 거리(1.826mm)에 위치되고(그 결과 s₀₁=1.826mm) 곡률 반경(R₁=-1.682mm)을 갖지만, 만곡면(602)은 곡률 반경(R₂=-2.262mm)을 갖는다.

이러한 복합 렌즈의 설계 허용 한계를 고려할 때, 대기 온도를 통한 굴절률(n₁)뿐 아니라 변화될 수 있는 기하학적 네 개의 인자(s₀₁, 전체 길이(601), R₁ 및 R₂)가 있다. 50/50 복합 렌즈에서 이러한 인자에 대한 s_i2의 민감도는 표4 내지 표8에 주어진다.

표4: -15의 배율을 가진 2.5mm 길이 50/50 복합 전송 렌즈 요소 경우의 제1 렌즈의 물체 거리와 화상 거리(s_i2)에서의 변화

표5: -15의 배율을 가진 공칭으로 2.5mm 길이 50/50 복합 전송 렌즈 요소 경우의 복합 렌즈의 전체 길이와 화상 거리(s_i2)에서의 변화

표6: -15의 배율을 가진 2.5mm 길이 50/50 복합 전송 렌즈 요소 경우의 제1 수렴 렌즈의 곡률 반경과 화상 거리(s_i2)에서의 변화

표7: -15의 배율을 가진 2.5mm 길이 50/50 복합 전송 렌즈 요소 경우의 제2 수렴 렌즈의 곡률 반경과 화상 거리(s_i2)에서의 변화

표8: -15의 배율을 가진 2.5mm 길이 50/50 복합 전송 렌즈 요소 경우의 대기 온도와 화상 거리(s_i2)에서의 변화

렌즈 위치에서 작은 에러의 영향을 도시하는 반대 예1의 표1과 표4 및 표5를 비교하면, 여분의 렌즈를 도입하는 것은 허용 한계에서의 작은 향상만을 형성한다고 이해될 수 있다. 반대로, 렌즈 표면의 곡률에서의 작은 에러의 영향을 도시하는 반대 예1의 표2와 표6 및 표7의 비교는 여분의 렌즈를 도입하는 것은 허용 한계에서의 큰 향상을 갖는 것을 나타내고, 종래 기술의 단순한 전송 렌즈 요소에 대해 50/50 복합 전송 렌즈 요소의 상당한 장점을 나타낸다. 최종적으로, 온도 변화의 영향을 도시한 반대 예1의 표3과 표8을 비교하면, 여분의 렌즈를 도입하는 것은 허용 한계에서의 작은 향상이 형성됨을 이해할 수 있다.

독창적인 복합 전송 렌즈 요소가 조건 M₁ㆍM₂=-15 하에서 50/50 이외의 제1과 제2 렌즈 사이의 몇몇 다른 "배율 분할(magification splitting)"로 설계도리 수 있다고 이해되고, 전체 렌즈 성능은 보유된다. 상이한 배율 분할을 가진 복합 렌즈는 온도 변화와 기하학적 에러의 상이한 허용 한계를 갖는다. 예를 들어, 만약 제2 렌즈가 정확하게 제조하거나 위치시키는 것이 더 어려우면, 제1 렌즈가 제2 렌즈보다 더 고배율을 갖도록 복합 렌즈를 설계하는 것이 장점적이다.

예4

상술된 바와 같이, 대기 온도에서의 변화는 매우 정확한 포토리토그래피를 통해 제조되고 폴리머로 구성된 광터치 스크린 렌즈 요소의 성능에 중요하게 가변적으로 영향을 미친다. 이러한 예는 본 발명의 복합 전송 렌즈 요소가 종래 기술의 단순한 전송 렌즈 요소와 비교해서 상당히 감소된 온도 민감도를 갖도록 설계될 수 있는 방법을 도시하지만, 전체 화상 성능(즉, 배율 및 화상 거리)을 유지시킨다.

예3에서와 같이, 저굴절률 폴리머(A) 및 고굴절률 폴리머(B)는 8㎛의 폭(69)을 가진 도파관(63)과 0.75mm의 폭(600)을 갖고 이 때 4mm의 길이(601)를 가진 복합 렌즈 요소(60)를 형성하는데 사용된다. 상이한 X/Y 배율 분할을 가진 몇몇 복합 전송 렌즈 요소에 대해 대기 온도에 대한 민감도(s_i2)가 도9에 도시된다. 이러한 전송 렌즈 요소에 대한 설계 인자가 표9에 주어진다. 각각의 경우 복합 렌즈는 30mm의 화상 거리(s_i2)를 갖고 -15의 전체 배율을 갖도록 설계되고, 제1 및 제2 렌즈의 개별적인 배율은 M₁=+√(Xㆍ15/Y) 및 M₂=-√(Yㆍ15/X)에 의해 주어진다. 비교를 위해, 도9는 또한 종래 기술의 동일한 2mm 길이의 단순한 전송 렌즈의 온도 민감도를 도시한다. 온도 민감도는 렌즈 요소의 길이를 증가시키는 대신 비교적 저배율의 여분의 수렴 렌즈를 도입시킴으로써 상당히 감소시킬 있다고 이해될 수 있다. 종래 기술의 4mm 길이의 단순한 전송 렌즈가 온도 민감도를 도한 감소시키지 만, 단지 -7.5의 배율을 갖는다는 것을 주목하자. 복합 렌즈를 사용하는 장점은 온도 민감도가 화상력을 상쇄하지 않고 감소될 수 있다는 것이다. 복합 렌즈 형상으로, 전송 렌즈의 온도 민감도는 렌즈의 길이를 연장시킴으로써 더 감소될 수 있지만, 명확하게 광터치 스크린 시스템의 다른 설계 구속 및 특히 홈 폭에 의해 제한된다.

표9: -15를 가진 4mm 길이의 복합 전송 렌즈 요소에 대한 설계 인자

본 발명이 특정 예에 관해서 설명되었지만, 본 발명은 많은 다른 형태로 구현될 수 있다는 것을 본 기술분야의 당업자는 이해한다.

장점적으로, 본 발명의 제1 태양은 내부 평면 렌즈가 큰 발산각을 갖는 것이 요구되는 임의의 상황에 적용가능하지만, 본 발명의 제2 태양은 내부 평면 렌즈가 설계 또는 조립체 에러 및/또는 대기 온도에서의 변화에 대한 향상된 허용 한계를 갖도록 요구된다. 본 발명의 하나의 특정 응용물은 미국 특허 제5,914,709호, 제6,181,842호 및 제6,351,260호에서 설명된 형태의 광터치 스크린 센서이다. 특히, 광 비임이 확장되고 자유 공간으로 발진하는 광터치 스크린 센서의 전송측 광학면에서 본 발명이 설명된다. 그러나, 이러한 주장은 광 시트의 부분을 수집하고 그들을 도파관 어레이 안으로 통과하는 스크린의 다른 측면 상에 수신측 광학에 동등 하게 적용된다. 특히, 본 발명의 제1 태양에서, 수신측 렌즈의 만곡된 전방면은 광 시트의 일부를 수신하고 이를 렌즈의 본체 내부로 수렴시키고, 그 포함된 발산 렌즈는 도파관의 허용각을 매칭시키도록 수렴각을 조절한다. 만약 발산 렌즈가 존재하지 않으면, 광의 상당한 부분은 도파관 안으로 결합될 수 없다. 역으로, 본 발명의 제2 태양에 따른 수신측 렌즈 요소는 설계 에러 또는 대기 온도 변화에 대한 향상 허용 한계를 갖는다.

본 발명의 제2 태양은 추가적인 수렴 렌즈가 단일 수렴 렌즈를 구비한 종래 기술의 전송 렌즈 요소의 본체 안으로 삽입되는 복합 전송 렌즈 요소에 관해 설명된다. 이러한 실시예에서, 조합한 복합 전송 렌즈 요소의 두 개의 수렴 렌즈는 설계 또는 조립체 에러 및/또는 대기 온도 변화에 대한 허용 한계를 향상시키는 방식으로 종래 기술의 전송 요소의 단일 수렴 렌즈를 대체한다. 허용 한계는 종래 기술의 전송 렌즈 요소의 본체 내에 두 개 이상의 수렴 렌즈의 추가에 의해 더 향상될 수 있다고 이해된다.

Claims

평면 렌즈 및 광도파관을 포함한 광학 요소이며,

상기 평면 렌즈는 제1 굴절률의 제1 매체로부터 형성된 슬랩 도파관을 포함하고, 상기 광도파관은 상기 슬랩 도파관의 제1 단부에 연결되고 만곡면은 상기 슬랩 도파관의 제2 단부를 형성하고, 상기 슬랩 도파관은 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률의 제2 매체로부터 형성된 발산 렌즈를 포함하는 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 평면 렌즈 및 상기 광도파관은 단일체로 형성되는 광학 요소.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 평면 렌즈는 수렴 렌즈인 광학 요소.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 매체는 광투과 유리 또는 폴리머 재료인 광학 요소.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮은 광학 요소.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 매체는 공기인 광학 요 소.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발산 렌즈는 이중 볼록, 평면-볼록 또는 메니스커스 볼록 형상인 광학 요소.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 굴절률은 제1 굴절률보다 높은 광학 요소.
제8항에 있어서, 상기 발산 렌즈는 이중 볼록, 평면-볼록 또는 메니스커스 볼록 형상인 광학 요소.
복수의 전송 광학 요소 및 복수의 수신 광학 요소를 구비한 광터치 스크린 센서이며,

각각의 전송 광학 요소 및 각각의 수신 광학 요소는 평면 렌즈 및 광도파관을 포함하고, 상기 평면 렌즈는 제1 굴절률의 제1 매체로부터 형성된 슬랩 도파관을 포함하고, 상기 광도파관은 상기 슬랩 도파관의 제1 단부에 연결되고 만곡면은 상기 슬랩 도파관의 제2 단부를 형성하고, 상기 슬랩 도파관은 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률의 제2 매체로부터 형성된 발산 렌즈를 포함하는 광터치 스크린 센서.
제10항에 있어서, 상기 평면 렌즈 및 상기 광도파관은 단일체로 형성되는 광터치 스크린 센서.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 평면 렌즈는 수렴 렌즈인 광터치 스크린 센서.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 매체는 광투과 유리 또는 폴리머 재료인 광터치 스크린 센서.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮은 광터치 스크린 센서.
제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 매체는 공기인 광터치 스크린 센서.
제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발산 렌즈는 이중 볼록, 평면-볼록 또는 메니스커스 볼록 형상인 광터치 스크린 센서.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 높은 광터치 스크린 센서.
제17항에 있어서, 상기 발산 렌즈는 이중 볼록, 평면-볼록 또는 메니스커스 볼록 형상인 광터치 스크린 센서.
평면 렌즈 및 광도파관을 포함한 광학 요소이며,

상기 평면 렌즈는 제1 굴절률의 제1 매체로부터 형성된 슬랩 도파관을 포함하고, 상기 광도파관은 상기 슬랩 도파관의 제1 단부에 연결되고 만곡면은 상기 슬랩 도파관의 제2 단부를 형성하고, 상기 슬랩 도파관은 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률의 제2 매체로부터 형성된 하나 이상의 수렴 렌즈를 내장하는 광학 요소.
제19항에 있어서, 상기 평면 렌즈 및 상기 광도파관은 단일체로 형성되는 광학 요소.
제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 평면 렌즈는 수렴 렌즈인 광학 요소.
제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 매체는 광투과 유리 또는 폴리머 재료인 광학 요소.
제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮은 광학 요소.
제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 매체는 공기인 광학 요소.
제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수렴 렌즈는 이중 볼록, 평면-볼록 또는 메니스커스 볼록 형상인 광학 요소.
제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 굴절률은 제1 굴절률보다 높은 광학 요소.
제26항에 있어서, 상기 수렴 렌즈는 이중 볼록, 평면-볼록 또는 메니스커스 볼록 형상인 광학 요소.
복수의 전송 광학 요소 및 복수의 수신 광학 요소를 구비한 광터치 스크린 센서이며,

각각의 전송 광학 요소 및 각각의 수신 광학 요소는 평면 렌즈 및 광도파관을 포함하고, 상기 평면 렌즈는 제1 굴절률의 제1 매체로부터 형성된 슬랩 도파관을 포함하고, 상기 광도파관은 상기 슬랩 도파관의 제1 단부에 연결되고 만곡면은 상기 슬랩 도파관의 제2 단부를 형성하고, 상기 슬랩 도파관은 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률의 제2 매체로부터 형성된 하나 이상의 수렴 렌즈를 내장하는 광터 치 스크린 센서.
제28항에 있어서, 상기 평면 렌즈 및 상기 광도파관은 단일체로 형성되는 광터치 스크린 센서.
제28항 또는 제29항에 있어서, 상기 평면 렌즈는 수렴 렌즈인 광터치 스크린 센서.
제28항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 매체는 광투과 유리 또는 폴리머 재료인 광터치 스크린 센서.
제28항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮은 광터치 스크린 센서.
제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 매체는 공기인 광터치 스크린 센서.
제28항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수렴 렌즈는 이중 볼록, 평면-볼록 또는 메니스커스 볼록 형상인 광터치 스크린 센서.
제28항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 굴절률은 제1 굴절률보다 높은 광터치 스크린 센서.
제35항에 있어서, 상기 수렴 렌즈는 이중 볼록, 평면-볼록 또는 메니스커스 볼록 형상인 광터치 스크린 센서.
첨부된 도면 및/또는 예에 도시된 본 발명의 실시예들 중 임의의 하나를 참조하여 본 명세서에서 설명된 광학 요소.
첨부된 도면 및/또는 예에 도시된 본 발명의 실시예들 중 임의의 하나를 참조하여 본 명세서에서 설명된 광터치 스크린 센서.