TWI269889B - Tunable micro-aspheric lens, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
1269889 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種可調變微型非球面透鏡及其製作方 法’尤心一種以二維靜電式調變技術為基礎之可調變微型 非球面透鏡及其製作方法,特別適合於光纖通訊、顯示器、 生醫檢測及光儲存設備等系統。 ' 【先前技術】 近年來各式可攜帶式光電產品大量增加,其需要光學介 • 面來作為人與電子產品之間的溝通橋樑,或是本身功能即 需要光學元件介入,例如液晶顯示器及數位相機。而現今 由於此類產品的尺寸越縮越小,因此除了電路製程需要往 更小的尺寸發展外,光學部份的尺寸也需跟著縮小。傳統 上使用的光學元件在重量與便利性上若要符合目前可攜式 產品的要求將受到相當的限制,而由於微光學對光的尺寸 上與一般傳統尺寸上之利用並無不同,於是為光學元件陸 • 續投入開發之技術包含利用精密機械加工或微機電系統 (micro electrical mechanical system ; MEMS)等。而微機電 技術由於具有可批次且大量製造的特性,而特別適用於現 今消費性產品之製作。 目前微透鏡光泛用於光纖通訊、顯示器、生醫檢測以及 . 光儲存等方面,然而在這些系統上透鏡光點解析度決定了 - 其系統最終的效果,而一般微球面透鏡由於球面像差的關 係並無法達到太好的光點解析度,且在微小光學系統尺寸 下無法運用多個球面透鏡組裝來消除球面像差,因此需要 106290.doc 1269889 發展微型的非球面透鏡以提供更好的光學品質。 在傳統大尺度的透鏡製作可運用精密機械加工的方式來 製作,不僅是球面透鏡即使非球面透鏡方面也可以有良好 的控制。但將尺度縮小至微系統時,若要運用傳統機械加 工方式來製作微非球面透鏡,需有良好的控制且製程相當 費時。此外,在2003年D.W. de Lima Monteiro等人於 • “Single,mask microfabrication of aspherical optics using KOH anisotropic etching of Si”(OPTICS EXPRESS,Vol· 11,No· 18, 8 September 2003)中 ® 提出運用單一相位差光罩與深蝕刻方式來製作微非球面透 鏡,但須考慮表面粗糙度問題與蝕刻出來的曲面為近似非 球面透鏡,但此方法好處是可以進行翻模來大量製造。以 上此兩種方法所做出的微非球面鏡均為固定式,無法做之 後調變動作以改變其光學性質。 在可調變式微非球面透鏡方面,Nikolas Chronis及Luke p.
Lee 等人於 ’’Tunable liquid-filled microlens array integrated with • microftuidic network”(OPTICS EXPRESS,Vol. 11,No. 19, 22 September 2003)中提出一種液壓式微透鏡,藉由液壓的方式使PDMS 薄膜變形股起達到透鏡的作用,以其輪廓推算非球面高次 係數及球面像差係數,亦可藉液壓改變透鏡焦距。但此種 方式需外接幫浦與一般光電產品相容性不好,且變動範圍 • 為一維尺度,固邊緣部份依然會有像差存在。此外,飛利 、 浦專利(參 http://www.research,philips.com/newscenter/archive/2004/fluid lenses.html)亦運用油水介面與電濕潤製作變焦式透鏡,由其 商品可確認運用電場方式進行透鏡的調變為可行的方法, 106290.doc N21923 106290 1269889 但其調變範圍仍為一維尺度。 ^上所述’為因應消費性產品快速成長且微小化的趨 勢’開發新一代可提供更高的光學表現之微光學元件已成 為全球共同的目標。尤其近來個人對可攜式光電產品的需 求以及其功能要求的提昇,非球面透鏡因具有更強的聚焦 • 此力在大尺寸下已成為各光學薇主要的生產項目。在微尺 • 寸技術漸漸蓬勃發展的同時,微型非球面透鏡預期將有會 I 有龐大的需求。 【發明内容】 本發明之主要目的係提供一種可調變微型非球面透鏡其 製作方法’藉由兩組電極所提供的兩組電位差動態地改變 .· 液態高分子透鏡之底部面積及其中央高度(即曲面),使得該 液態高分子透鏡由原本的球狀(sphere)被拉伸為拋物線 (parabola)形狀甚至錐狀(c〇ne),以形成一非球面透鏡,減 少透鏡軸上與旁軸的光程差,進而消除球面像差。 # 本發明之另一目的係提供一種可調變微型非球面透鏡及 其製作方法,利用親疏水介面與液態高分子透鏡材料本身 表面張力之作用,使得該液態高分子透鏡可自行組裝 (self-assembly)到特定位置,使高分子透鏡能與一費涅爾環 狀繞射條紋對準,使該費涅爾環狀繞射條紋具先行聚焦作 用而形成一結合繞射及折射之微光學元件。 ' 為達到上述目的,本發明揭示一種可調變微型非球面透 鏡,其包含一液態高分子透鏡、一下電極板、一疏水圖案、 一絕緣層及一透明上電極板。該液態高分子透鏡係一液態 106290.doc 1269889 光阻。該下電極板之功能係用以控制該液態高分子透鏡之 底部面積。該疏水圖案之功能係用以決定該液態高分子透 鏡之位置。該透明上電極板之功能係用以控制該液態高分 子透鏡之曲面形貌。 就製作步驟而言,首先形成一下電極板,其圖形設計成 一費淫爾環形繞射條紋。該費涅爾環形繞射條紋係利用微 機電製程技術中之掀離製程pr〇cesS)以一金屬材料 製作而成。之後,在該下電極板上方形成一絕緣層。隨後, 在該絕緣層上方形成一疏水圖案。該疏水圖案亦利用掀離 製程加以定義。惟,該疏水圖案係使用與該絕緣層具不同 表面特性之材料,且該疏水圖案所定義之親水區域與該下 電極板上之費涅爾環形繞射條紋對準,因此一旦將一液態 光阻滴在親水區域附近時,該液態光阻將因親疏水具不同 表面張力之故,而自行組裝(定位)至該親水區域上,進而對 準該費涅爾環形繞射條紋。此時,該液態光阻具一球面曲 率且可透光,因此可作為一液態高分子透鏡使用。為了達 到本發明消除球面像差以增進聚焦光點效果之目的,接著 施加一電位差在該費涅爾環形繞射條紋,藉由電潤濕 (electrowetting)之作用來控制該液態高分子透鏡之底部面 積;同時,可施加另一電位差在該上透明電極板,藉由其 所提供之靜電力,吸引並加以控制該液態高分子透鏡之中 央高度,因此可形成一可調變微型非球面透鏡。另,該液 態高分子透鏡可藉由吸收外加能量固化成為固定式微型非 球面透鏡。 106290.doc 1269889 【實施方式】 圖1係本發明之可調變微型非球面透鏡2之一實施例之示 意圖,其包含—透明基板21、一費涅爾環狀繞射條紋22、 一絕緣層23、一疏水圖案24、一液態高分子透鏡25、間隔 件26及一透明上電極板27。其中,該透明基板21及該費涅 爾環狀繞射條紋22合組為一下電極板2〇。當入射光由透明 基板21入射時,先經費涅爾環狀繞射條紋22先行聚焦及準 直(collimate)後’再經液態高分子透鏡25折射,最後通過透 明上電極板2 7而聚焦。 以下詳述本發明之可調變微型非球面透鏡2之製作方 法。首先在一透明基板21上製作出費涅爾環狀繞射條紋 22 ’以作為準直鏡(e〇1iimat〇r)以及聚焦用途。其係將透明 基板21以硫酸混合雙氧水清洗乾淨之後,旋佈上一第一薄 光阻並且曝光顯影出費涅爾環狀繞射條紋22的互補圖形 (pattern)。在本實施例中,該透明基板21係採用玻璃,因 玻璃成本低廉且具較佳之光學特性。再將整片透明基板2 j 蒸鍍(evaporate)上一約3000A厚的金屬層(本實施例中使用 金屬鋁),利用該金屬層當作費涅爾電極中之繞射條紋22, 之後再將整片透明基板21泡進裝有去光阻劑的溶液中,並 經由掀離製程(lift-off process),移除被該金屬層覆蓋的第 一薄光阻,將費涅爾環狀繞射條紋22形成在透明基板21 上’以形成下電極板20。上述費淫爾環狀繞射條紋22之材 質並不限制於金屬材質,只要是導電材料即可。 圖2係具費涅爾環狀繞射條紋22之下電極板2〇之示意圖 106290.doc 1269889 (透明基板21於圖中未示)。其包含連接一第一電位差之二焊 接點(Pad)221、222。該焊接點221電連接該費涅爾環狀繞射 條紋22之所有同心環(除圓心以外),而焊接點222則僅電連 接該費涅爾環狀繞射條紋22之圓心。該二焊接點221、222 彼此係電絕緣。操作時,將焊接點22丨連接至一電壓源,焊 接點222電接地,則位於下電極板2〇上方之液態高分子透鏡 25將受到電潤濕作用,而改變其底部面積。因費涅爾環狀 _ 繞射條紋22,於操作時係施加一電位差做為電極使用,故 費涅爾環狀繞射條紋22也可稱為費涅爾繞射(Fresnel z〇ne Plate)電極。 接著,將製作完成之費涅爾繞射電極22經由化學氣相沉 積製程(PECVD) ’沉積厚度5000埃的絕緣層23(於本實施例 中係使用氮化矽)於透明基板21及費涅爾電極22之上以做 為絕緣層之用。之後,再用一第二薄光阻作為保護層,運 用反應式離子鍅刻(Reactive Ion Etching ; Rie)的方式,去 • 除二焊接點221、222上之絕緣層23,使得該二焊接點221、 222露出以方便連接電源。去除第二薄光阻後,再旋佈上第 二層薄光阻’於費 >圼爾ί展狀繞射條紋2 2處(即液態高分子透 鏡25之預設位置)製作圓柱狀的光阻,接著旋佈上鐵氟龍 (Teflon),並於加熱器中烤乾,加強其結構,最後再去除掉 第三層光阻使得液態高分子透鏡之位置為親水性 (hydrophilic),其餘部分為鐵氟龍的疏水(hydroph〇bic)性區 域,以形成疏水圖案24。 於本實施中之液態高分子透鏡25係一負型光阻su_8,其 106290.doc -10- 1260889 為液態狀。當該負型光阻SU-8滴於該疏水圖案24時,該液 恶光阻將因親疏水區域具不同表面張力之敌而自行組裝 (定位)至該親水區域上,進而對準該費涅爾環形繞射條紋 22。之後再以一透明上電極板27(於本實施例中係使用氧化 銦錫,ITO)作為封裝上蓋,其係電連接一電源以與下電極 板20中之焊接點222形成一第二電位差,用以控制該液態高 分子透鏡25之中央高度(即曲面)。 圖3及圖4係本發明之可調變微型非球面透鏡在施予不同 的第一及第二電位差時之透鏡外觀變化示意圖,其所施予 的電位差如下表所示。 圖號 第一電位差(V) 第二電位差(V) 圖號 第一電位差(V) 第二電位差(V) 3(a) 0 0 4(a) 0 0 3(b) 300 0 4(b) 200 0 3(c) 300 900 4(c) 200 600 3(d) 300 1500 4(d) 200 900 3(e) 300 2000 4(e) 200 1500 本發明之可調變微型非球面透鏡之作動方式簡述如下。 復參圖1,首先提供一第一電位差至費涅爾電極22,由於電 /閏濕的效應使液態高分子透鏡25之底面積增加(參圖 3(a)〜(b)及圖4(a)〜(b))。比較圖3(b)及圖4(b),因前者施加之 第一電位差較大,故其底部面積較大。緊接著提供一第二 電位差至透明上電極板27。藉由靜電力以及液態高分子透 鏡25本身形狀、電位之分佈關係,造成中心靜電力較邊緣 強,而將透鏡由原本的球狀拉伸為非球面狀(參圖3(b)〜(幻 106290.doc N21923 106290 -11 - 1269889 及圖4(b)〜(e))。 本發明之可調變微型非球面透鏡,係運用二維式靜電力 製作微型非球面透鏡,利用靜電力吸引以及電潤濕之效 應’以控制液態透鏡之中央高度以及底部面積大小,並在 下電極板3又计繞射圖案以提供入射光線先行聚焦 (pre-focus)之作用,解決過去在微光學系統中無法有更好的 • 光學品質的問題,使微透鏡可達到聚焦至更小光點之效 _ 益。另外,本發明亦提供一種具有自組裝的結構,可運用 在透鏡材料與底部繞射電極對準之功能。另外,本發明係 結合繞射(費涅爾環狀繞射條紋)與折射(液態高分子透鏡) • 微光學元件可提供更好的光學效應。因此,本發明確可達 - 到利用非球面透鏡以消除球面像差、具液態透鏡自組裝以 形成一結合繞射及折射之微光學元件之預期目的。且此液 態高分子透鏡經外加能量(如UV光或熱能)可固化成為一微 型非球面透鏡。 φ 本發明之可調變微型非球面透鏡中之液態高分子透鏡, 如上所述’係受兩組電極所提供的兩組電位差動態地改變 其底部面積及其中央高度,因此該液態高分子透鏡並不受 限於上述實施例所提及之負型光阻SU-8,只要可受該兩組 電位差動態地改變其外貌,例如··液體材料透鏡、固體薄 膜包覆液氣體之透鏡、具彈性之固體材料透鏡及液體薄膜 包覆氣泡之透鏡等均可達到本發明之目的。 本發明之技術内容及技術特點已揭示如上,然而熟悉本 項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不 106290.doc N21923 106290 -12- 1269889 背離本發明精神之替換及修飾。因此,本發明之保護範圍 應不限於實施例所揭示者,而應包括各種不背離本發明之 替換及修飾,並為以下之申請專利範圍所涵蓋。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明之可調變微型非球面透鏡之一實施例之示 意圖; 圖2例示本發明之費涅爾環狀繞射條紋示意圖;以及 圖3及圖4係本發明之可調變微型非球面透鏡作動時之外 觀變化示意圖。 【主要元件符號說明】 2可調變微型非球面透鏡20下電極板 21透明基板 23絕緣層 25液態高分子透鏡 27透明上電極板 222焊接點 22費涅爾環狀繞射條紋 24疏水圖案 26間隔件 221焊接點 106290.doc N21923 106290 ΠΠ/ΙοήΟΩΙΟ
Claims (1)
126^889 十、申請專利範圍: 1' 一種可調變微型非球面透鏡,包含: 一可塑性透鏡; 一下電極板,係控制該可塑性透鏡之底部面積且位於 該可塑性透鏡下方; 一疏水圖案,係決定該可塑性透鏡之位置;以及 一透明上電極板,係控制該可塑性透鏡之曲面形貌且 位於該可塑性透鏡及該疏水圖案之上方。 2.根據請求項丨之可調變微型非球面透鏡,其中該下電極板 包含一費涅爾環狀繞射條紋。 3·根據請求項2之可調變微型非球面透鏡,其中該費涅爾環 狀繞射條紋係由一導電材料製成。 4·根據請求項1之可調變微型非球面透鏡,其中該下電極板 可施加一電位差,利用電潤濕作用以控制該可塑性透鏡 之底部面積。 5·根據請求項丨之可調變微型非球面透鏡,其中該下電極板 係具先行聚焦及準直之作用。 6·根據請求項丨之可調變微型非球面透鏡,其另包含一位於 該下電極板上方之絕緣層,該絕緣層與該疏水圖案具不 同之表面特性。 7.根據請求項1之可調變微型非球面透鏡,其中該疏水圖案 係由一掀離製程所定義。 8·根據請求項2之可調變微型非球面透鏡,其中該疏水圖案 疋義一親水區域,該親水區域係對準該費涅爾環狀繞射 106290.doc 126^889 條紋。 9·根據請求項2之可調變微型非球面透鏡,其中該費涅爾環 狀繞射條紋係運用一掀離製程製作。 I 〇·根據請求項1之可調變微型非球面透鏡,其中該可塑性透 鏡係一負型光阻。 II ·根據請求項1之可調變微型非球面透鏡,其中該透明上電 極板可施加一電位差,利用靜電力以控制該可塑性透鏡 之曲面形貌。 12·根據請求項1之可調變微型非球面透鏡,其中該可塑性透 鏡係經吸收外加能量而固化成一微型非球面透鏡。 13·根據請求項1之可調變微型非球面透鏡,其中該透明上電 極板係利用氧化銦錫製作。 14·根據請求項1之可調變微型非球面透鏡,其係一結合繞射 及折射之光學元件。 15.根據請求項2之可調變微型非球面透鏡,其中該下電極板 φ 另包含: 一第一焊接點,係電連接該費涅爾環狀繞射條紋除圓 心外之所有同心環;以及 一第二焊接點,係電連接該費涅爾環狀繞射條紋之圓 心,其中該第一焊接點及該第二焊接點彼此係電絕緣。 * 16.根據請求項1之可調變微型非球面透鏡,其中該可塑性透 鏡係一液態高分子透鏡。 17 ·根據請求項1之可調變微型非球面透鏡’其中該可塑性透 鏡係選自以下之一:一液體材料透鏡、一固體薄膜包覆 106290.doc 1260889 液氣體之透鏡、一具彈性之固體材料透鏡及一液體薄膜 包覆氣泡之透鏡。 18. -種可調變微型非球面透鏡之製作方法,包含以下步驟: 形成一下電極板,其包含一費涅爾環形繞射條紋; 於該下電極板上方形成一絕緣層; 於該絕緣層上方形成一疏水圖案以決定一可塑性透鏡 之位置; φ 开》成一第一電位差於該下電極板以控制該可塑性透鏡 之底部面積;以及 形成一第二電位差於一透明上電極板以控制該可塑性 ,透鏡之曲面形貌。 , 19·根據請求項18之可調變微型非球面透鏡之製作方法,其 - 中該可塑性透鏡係一負型光阻。 20·根據請求項18之可調變微型非球面透鏡之製作方法,其 中該疏水圖案係由一掀離製程所定義。 參 21·根據請求項18之可調變微型非球面透鏡之製作方法,其 中該絕緣層之形成係運用一化學氣相沉積製程。 22·根據請求項18之可調變微型非球面透鏡之製作方法,其 中該可塑性透鏡可自行組裝於該費涅爾環形繞射條紋上 23·根據請求項18之可調變微型非球面透鏡之製作方法,其 中該可塑性透鏡選自以下之一:一液體材料透鏡、一固 體薄膜包覆液氣體之透鏡、一具彈性之固體材料透鏡及 一液體薄膜包覆氣泡之透鏡。 106290.doc 126^889 24. 根據請求項22之可調變微型非球面透鏡之製作方法,其 中該可塑性透鏡之自行組裝係利用該絕緣層及該疏水圖 案具不同之表面特性。 25. 根據請求項18之可調變微型非球面透鏡之製作方法,其 另包含固化該可塑性透鏡步驟。
106290.doc N21923 106290
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