TWI303324B - Variable focus lens and optical device using the same as well as method of manufacturing variable focus lens - Google Patents

Description

1303324 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種可變對焦透鏡及使用該透鏡的光學裝 置，並關於一種製造可變對焦透鏡的方法，其係使用一種 電濕潤現象。 【先前技術】

在PCT國際申請案第2001-519539號之日本翻譯專利文件 (下文中稱為文件1，係對應於美國公開專利申請案第 US2005/0002113A1號）及以下其他文件中，揭示一種使用 電濕潤現象的可變對焦透鏡裝置的發展：s· Kuiperet等 人，「用於袖珍相機的可變對焦液體透鏡」，應用物理通 訊，第85卷，第7號，第1128至1130頁（2〇〇4年8月16曰）（下 文中稱為文件2)。 對上述文件中所說明的可變對焦透鏡解釋，係參考圖i 之簡要斷面構造視圖。 此種可變對焦透鏡有一基本結構，其中一圓柱狀或類似 容器10充滿一光可透射的導電液體材料部件i和一不與前 者混合且有相異折射率及相同密度（比重）的光可透射的絕 緣液體材料部件2。一第一電極21在該容器之内壁以外形 成，而覆蓋該容器之一端部，且一介電膜32在該容器之内 部形成。由第一電極21所覆蓋的一側上的容器1〇的端部係 以一由玻璃、光可透射的樹脂或類似物所製的一光可透射 的材料部件11來液密（不洩漏液體的一密封狀態）固定，且 一由此光可透射的材料部件U形成的所謂底表面和在該容 108462.doc 1303324 作為該絕緣液體材料部件2時，該介面成為圖丨所示者，其 使得該水（導電液體材料部件1}具有一凸形。 八 然後，當電壓施加於該第_與第：電極21與24之間，猶 如該導電液體材料部件！之「可濕性」在該容器1〇之内壁 表面上有所改良（此現象稱為電濕潤），則各個液體材料部 件1與2之間的介面改變，舉例來說使得該介面之一曲率半 徑變大，如圖2所示。 然才麦’當光如箭頭U所示從該容器1〇的一側上的一蓋子 進入⑷P從該光可透射的材料部件u進人），且當該光從 另-盍子發射（亦即從該光可透射的材料部件丨2發射），而 在該等液體m2間的折射率差異及介面曲率所引起的透鏡 效應之頂等液體之介面曲率係因電壓施加時的電濕潤 而改變），該焦距係改變。 例如如圖2A所7F，f電塵未施加時，該導電材料部件 1與該介電膜32之間的一接觸角為θ〇;另一方面，如圖 所不’虽電屡施加時’該接觸角θ(ν)變小，且該等液體兩 者間的介面曲率改變。在圖2入及26中，與圖】中的對應部 分係給為相同的標號，且其重複的解釋係省略。 【發明内容】 a在上述每-文件中所揭示的一可變對焦透鏡中，驅動電 麗大約需100伏特或更高，故在實作上難以使用。此係因 為在5亥谷納液體以構成可變對焦透鏡的容器中難以形成 均勻薄的介電膜。下文中，對此將有所解釋。 該導電液體與該絕緣液體間的介面改變係以下列方程式 108462.doc 1303324 (1)(參考上述文件2)顯示 COS ®~(Ts〇-Ysl)/y+8*s〇·γ2/(2·1γ)...(1) 其中： 器之一内壁所形成的接觸 Θ:由一導電液體材料與一容 角； ho:—絕緣液體材料與該容器内壁之間的介面張力；

YSL:該導電液體材料與該容器内壁之間的介面張力； γ:該導電液體材料與該絕緣液體材料之間的介面張 力； ε ·在σ亥谷器内壁上所形成的一介電膜之相對電容率； ε〇 ··真空中的電容率； 1 ·· 一介電膜之膜厚度； V :所施加的電壓。 對方程式⑴的解釋’係參考圖3之簡要視圖，其中一介 電膜32和-防水材料部件23在一電仙上形成，其上則放 置該導電液體材料部件1之一液滴，且該接觸角為0〇。當 電Μ V精-f|施加部件4 G施加於該電極3〗與該導電液體 材料部件1之間，令道蕾、六雕^ 、 °亥v電液體材料1之接觸角改變為θ(ν)， 而滿足θ(ν)<θ〇。 電壓施加下的介面張力 浪刀及表面張力在圖4中簡要顯示。 具體地說，根擔古ρ 式 該導電液體材料與該容 “壁所形成的接觸角θ之改變係正比 ，ε及驅動電壓ν平太 R c 勝之電合 … 方，且反比於該介電膜之膜厚度卜因 應瞭解，若能使該介電膜有高 巧阿日7冤奋率ε及薄的膜厚 10S462.doc 1303324 度1，則能將導致相同焦距改變的驅動電壓降低。 然而’在實際形成該介電膜時，在該無針孔生成而為圓 柱狀或類似容器之内壁上，均勻的次微米（小於一微米）厚 度具有高介電質崩潰強度的高介電膜是難以形成的。

在可變對焦透鏡相關技藝中，何以引起焦距改變的驅動 電壓是高的，原因是介電膜之電容率係低大約為3且介電 膜之厚度是厚的（數微米），由於上述原因，也可見得其結 果為難以形成介電薄膜。 因此，值得提供一種可變對焦透鏡及一種包含該可變對 焦透鏡的光學裝置’其中該可變對焦透鏡之驅動電壓降 低，提供一種比較簡化的製造該可變對焦透鏡的方法。 一種根據本發明之一具體實施例的可變對焦透鏡包含： 一容器，其中容納一導電液體材料部件及一絕緣液體材料 部件，一第一電極，經由一介電層而施加電壓給該導電液 體材料部件；及一第二電極，直接與該導電液體材料部件 接觸，其中該介電層為一由一金屬氧化物所製的經陽極處 理的部件，而係藉陽極處理該第一電極而形成。 進步，一種根據本發明之一具體實施例的光學裝置包 含根據本發明之上述具體實施例的可變對焦透鏡，來作為 一可變對焦透鏡。 一 v ’ 一種根據本發明之一具體實施例的製造一可變 對焦透鏡的方法至少包含步驟：形成一第一電極，係對一 谷杰形成，並至少對其表面做陽極處理，以形成一經陽極 處理的部件；容納-導電液體材料部件及—絕緣液體材料 108462.doc 1303324 部件於該容器中；及形成—第二電極，其對該導電液體材 料部件為導電的。 如上述，在根據本發明之具體實施例的可變對焦透鏡及 亥可邊對焦透鏡的方法中，係使用一藉陽極處理一電 極而形成的金屬氧化物來作為一用於相關技藝的可變對焦 透鏡中的介電膜1於該由_金屬氧化物所製的經陽極處 理的部件，其膜厚度能藉調整所施電壓而輕易且正確地調

整。 具體地說’可使用各種材料，來獲得具較高電容率的氧 化物，諸如氧化鋁、藉陽極處理鋁、鈕及類似金屬而形成 的五氧化一鈕膜及類似物。如上述，使用一經陽極處理的 4件而為π度絕緣並有高電容率，^其膜厚度容易減小作 為η電膜藉此則能狻得相當低的電壓驅動。 【實施方式】 下文中’解釋了實行本發明之具體實施例，然而，本發 明並不限於以下的具體實施例。 " 參考-簡要斷面構造視圖之圖5，說明—種根據本發明 之可變對焦透鏡之一具體實施例。 此可變對焦透鏡與以上所解釋的圖i相關技藝之可變對 焦透鏡具有幾乎相同的結構，且包含藉由對-第-電極21 之表面做陽極處理所形成的一金屬氧化物而製成的―經陽 極處理的部件22，而非包含該介電膜&。在圖5中，所示 與圖1對應的部件係給定相同的標號。 在此具體貝轭例中’還有該第一電極2丄係從圓柱狀或類 108462.doc 1303324 其次，僅該容器ίο之内壁在磷酸或類似物電解液中浸 泡，並經陽極處理。

然後，該光可透射的材料部件u液密（不洩漏液體的一 密封狀態）固定於該容器10由第一電極21所覆蓋的一側上 的端部’該内表面以該防水材料部件23塗布，且該絕緣液 體材料部件2和該導電液體材料部件1被注入内部。然後， 在以該親水材料部件25塗布該表面之後，該光可透射的材 ;年P件12被固疋而獲得一具有本發明結構的可變對焦透 ’、中該具有上述形狀的第二電極24藉由滅鍍或類似方 式沈積至該光可透射的材料部件〗2。 對於相關技藝之可變對焦透鏡，其中介電膜藉由一直空 沈積法（即㈣、CVD(化學汽相沈積）、旋塗或類似法）而 屯成，必須提供-電極來做為—基底。因&，諸如針孔之 類的缺陷可導致介電質崩潰。進一步，該膜必須在該容器 /上开v成均句的厚度。’然而，由於視該基底（即， ^電極)之表面條件η於發生該針孔，則該介電膜之厚 ^大w止此情形’且根據方程式⑴該驅 降低的。 j诚步、’/亥介電膜厚度越大’則不平均性越易發生，所 L㈣上述方程式⑴，該導電液體材料部件1與該絕緣液 有利1部件2之間的介面也不成為一球形表面，該透鏡之 有利的曲率益法猶 — ”去獲侍，而光學品質可能惡化。 類1二：膜=本發明之該具體實施例’並非整個钽或 、王接党陽極處理，而係其一部分保存為金 108462.doc -14- 1303324 屬，因而其餘的金屬鈕層本身能用來作為第一電極。 換言之，由於只有成為電極的金屬表面接受陽極處理而 為介電膜，理論上不會產生針孔，而該膜具有堅固的優點 來防止介電質崩潰。 進一步，在變成金屬氧化物過程中，已增大體積，則該 經陽極處理㈣件22在其經陽極處理的部件成為—稠密的 膜’針孔之發生可被控制。 ^更進一步，當鈕或類似物的金屬材料形成為膜時，若該 容器之-為基底的材料係-絕緣材料，則即使該组或類似 物=金屬財有-些針錢_也不會發生介電質崩潰， 在實際使用時該缺陷並不成為問題。更進—步，由於介電 質崩潰係在陽極處理所形成的金屬氧化物中的形成電塵下 才舍生，則所獲經陽極處理的部件也有效地具有高介 朋潰強度。 、

注意，該陽極處理所形成的膜之厚度取決於該形成電 例如’在使用组的情形下，理論上對於i伏特形成電 :近似於1.8奈米。此外，因該膜係藉液浸而做陽極處 ::該膜厚度成為均句。具體而言，即使該先形成的組 或:員似物之金屬膜之膜厚度不平均，該經陽極處理的部件 更進一步，如此的使用了陽極處理的製造方 麵電容器及類似物，且因其|置結構比較簡單 已、、二建立，故其生產相當容易。 ^膜^料句，因而透鏡之㈣能有利地維持為球形， 以4可變對焦透鏡能製出有利的光學特性。 法已泛用於 而生產技術 108462.doc -15- 1303324 甚且，與相關技藝之真空沈積法、旋塗法或類似法形成 —介電膜之此一情形相較，就一具有根據本發明： 貫施例結構的可變對焦透鏡來說，其裝置及製造方法有戶 簡化而得以實施大量生產。 在上述文件2中的可變對焦透鏡之中，該介電膜之相對 電容率近似於3而膜厚度近似於3微米。 另一方面，在根據本發明之一具體實施例的可變對焦透 鏡中，相對電容率近似於27而膜厚度近似於〇18微米，其 係以100伏特（舉例而言）對金屬鈕做陽極處理。以上方程式 ⑴之右邊第二項巾的成分ε/1變成約150倍。由於驅動電壓 成為1/V(s/1)，則本發明之驅動電壓與上述文件〖及〕中所說 明的可變對焦透鏡相比，約為1/12。 例如，在文件2中所說明的一可變對焦透鏡，其中係用 鹽水來作為該導電材料部件且用⑪油來作為該絕緣材料部 件，從-100D(屈光度）至+5〇D之球形屈光度之變化係藉大 約120伏特驅動電壓而施行。 另-方面，根據本發明之一具體實施例，其中係用類似 於上述的材料於該導電材料部件及該絕緣材料部件，藉大 約1〇伏特驅動電壓，能施行大約同樣範圍内的球形屈光度 之變化。 具體而a，在圖5所示本發明之一可變對焦透鏡中，藉 該電壓施加構件4G而在該第—與第二電㈣心間施加ι〇 伏特電屢，球形屈光度相較於未施加電壓的狀態立即改變 大約150D。 108462.doc -16- 1303324 進一步在此情形，因形成電壓為100伏特，介電質崩潰 強度有充分的容限。 甚且’該經陽極處理的部件若藉調整陽極處理之時所施 的電壓而做出小膜厚度，則其驅動電壓進一步被降低，而 能夠有大約5伏特之驅動電壓，3伏特則導致同樣範圍内的 球形屈光度之變化。 圖6顯示一可變對焦透鏡，其中該可變對焦透鏡之容器 % 1〇(顯示於圖5)由該第一電極21之材料所製，該材料係用為 該第一電極21及用為該容器。其顯示，也作為該第一電極 21的該容器10之整個表面係經陽極處理，而提供該經陽極 處理的部件22。纟圖6中，與圖5中的對應部分係給為相同 的標號，且其重複的解釋係省略。注意，在連接於該電壓 施加部件40的部件，該第一電極21之經陽極處理的部件μ 部分已被移除。另一選擇為，在該容器1〇之一部分上提供 I 了 一凸部，而陽極處理係在此凸部未浸於陽極處理溶液之 此—狀態下施行，且在移除該凸部後可製作一部件，為一 連接於該電壓施加部件4〇的區域。 在此結構的情形下，㈣_電極21之膜不必藉歸或類 似方式在該圓柱狀或類似容器1〇之一部分表面上形成， 點對生產有利。 類似於以上說明的圖6所顯示之範例，圖7顯示一結構之 範例，其中也使用一第一電極21作為一容器，且其中一产 形絕緣材料部件26(舉例來說，由—絕緣材料所製')定位^ -經陽極處理的部件22之第二電極側上的表面與該第二電 108462.doc -17- 1303324 極24之間’以便保證對該第二電極以絕緣。以此結構，則 製矛簡化且製出具有有利的光學特性的可變對焦透 鏡0 _在:吏用此等結構的情形下’類似於以上說明的圖5所顯 不之庫巳例，驅動電壓相較於相關技藝能夠降低，而能有效 地獲得充分的介電質崩潰強度。

、上所解釋，根據本發明之該具體實施例的可變對焦 透鏡及其製造方法，因係使用一藉陽極處理而形成的經陽 極處理的部件來作為—介電膜，該製造方法乃得以簡化， 且該膜厚度與藉由相關技藝之真空沈積法以形成該膜之情 形比較能做成薄膜。據此，由於能減小 且不r邮較高電容率的材料，則為獲得二、 距改文（球形屈光度之變化）的驅動電壓與相關技藝比較乃 大為降低。進一步，由於與相關技藝比較能用一簡化的製 造方法來正確地形成該膜，使之具有均勾的厚度，則能避 免膑厚度之不平均性所引起的光學特性之惡化；且進一 步，可控制針孔之發生，痞扃兮女吳 避免針孔之影響。 一絕緣材料所製時能 士口此’乃能，供具有有利的光學特性的可變對焦透鏡， 中駆動電屢得以降低。 根據本發明之該具體實施例的可變對焦透鏡，其驅動電 堃與相關技藝比較大為降低，而能應 ^ 、合種過去不可食t 的使用小型可變對焦透鏡的光學裝置。 月匕 例如，以上的透鏡能用為具相機功能的行動電話單元、 I08462.doc 1303324 小型相機、小型影像裝置及類似物中的小型可變對焦 鏡。 …、 進一步，在施行各種光學碟片記錄及/或重製功能的光 碟裝置其代表者為CD(光碟）、DVD(數位多功能光碟）、 BD(藍光DiseTM)及類似物中，以上的透鏡能用為—像差校 正元件及具有可變放大功能的準直透鏡。 —實作上’在-光學記錄裝置中使用—與各種光學碟片相 % ☆的多波長光源’則準直透鏡之焦距必須為可變的，而如 以上所說明，因在根據本發明之該具體實施例的可變對焦 透鏡使用下驅動電壓能大為降低，故市售的可變對焦透鏡 可用於此等光學裝置。 …

注意’有關可變對焦透鏡，除了放電之時其基本上是盔 電流流動的，其電力消耗極小且無機械性可移動的部件， 所以有以下優點：與相關技藝中由馬達來移動的可變對隹 透鏡比較’有長的壽命；因為馬達並不必I，所以僅需小 李間；及係提供於光學裝置中，為一具有簡化結構的自動 對焦機構。然而’ #以上所說明，在相關技藝之可變對隹 透鏡中，驅動電壓是高@，當應用於上述光學裝置或各種 其他的光學裝置中時，需要一升壓電路。 /之，根據本發明之可變對焦透鏡之具體實施例，為獲 传合意的球形屈光度之變化的驅動電壓可降低至大約⑽ 特或更小’故有可能應用於各種光學裝置而不安裝電麼升 [電路’且其具有上述各種優點而能以一比較簡化的電路 配置來使用。 108462.doc •19- 1303324 4習此項技術人士應瞭解根據設計需求及其他因素， 種修正、組合、次組合及變更均可出現，只要其等係在产 附申請專利範圍或其等同者的範疇内。 【圖式簡單說明】 圖1為一簡要斷面構造視圖，顯示相關技藝之可變對焦 透鏡之一範例，· …

圖2A及2B為簡要斷面構造視圖 藝之可變對焦透鏡之一範例； 每一圖皆顯示相關技 顯示相關技藝之可變對焦透鏡 圖3為一簡要說明視圖 之一接觸角； 顯示相關技藝 圖4為一說明視圖 接觸角； 圖5為一簡要斷面構造視圖 實施例的一可變對焦透鏡； 之可變對焦透鏡之一 _示根據本發明之一具體 1員示根據本發明之一具體 1員示根據本發明之一具體 圖6為一簡要斷面構造視圖 %實施例的一可變對焦透鏡；及 圖7為一簡要斷面構造視圖 實施例的一可變對焦透鏡。 【主要元件符號說明】 1 導電液體材料部件 2 絕緣液體材料部件 10 容器 11 光可透射的材料部件 12 光可透射的材料部件 108462.doc -20- 1303324

21 第一電極 23 防水材料部件 22 經陽極處理的部件 24 第二電極 25 親水材料部件 26 環形絕緣材料部件 31 電極 32 介電膜 40 電壓施加構件 40a 電壓施加構件

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Claims (1)

1303324 、申請專利範圍： 1. 一種可變對焦透鏡，其包含： 圓柱狀容器，其中容納一導電液體材料部件及一絕 緣液體材料部件； 第電極’其中經由一介電層而施加電壓給該導電 液體材料部件；及 第一電極，其直接與該導電液體材料部件接觸，

其中忒介電層為一由一金屬氧化物所製的經陽極處理 的部件，而係藉由陽極處理該第一電極之至少一部分而 形成。 2 ·如請求項1之可變對焦透鏡， 其中該谷器由一絕緣材料所製， 該第一電極從該容器之内 Μ 土幵7成至外部，覆蓋該容器 之一端部；及 3 該經陽極處理的部件在該容器之内壁上的表面上形成。

如請求項1之可變對焦透鏡， 其中該容器由金屬所製，及 該容器之-部分係製為該第—電極，且該第—電極之 至部分係經陽極處理而為該經陽極處理的部件。 4·如明求項1之可變對焦透鏡， 其中该容器為圓柱狀，且包含 光可透射的材料部件，其配置 ^ ^ U ^ Α 牡〆谷杰之兩端部。 5·如咕求項4之可變對焦透鏡， 其中該絕緣液體材料係配置 置成面對该先可透射的材料 108462.doc 1303324 牛中之，其間具有一防水材料部件。 6·如請求項4之可變對焦透鏡， 立八中忒導電液體材料係配置成面對該光可透射的材料 件中之另一者，其間具有一親水材料部件。 7·如請求項4之可變對焦透鏡， 山其中該第二電極為一環形電極，係配置成在該容器之 端部上，而與該導電液體材料部件接觸。 % 8·如請求項1之可變對焦透鏡， 其中該第一電極之形成，係使用選自下列的金屬：鈕 、—銘、鈮、铪及鈦。 9· 一種光學裝置，其包含： 一可變對焦透鏡，其包含·· 一圓柱狀容器，其中容納一導電液體材料部件及一絕 緣液體材料部件；

一第一電極，其經由一介電層而施加電壓給該導電液 體材料部件；及 一第二電極，其直接與該導電液體材料部件接觸， 其中在該可變對焦遂鏡中，該介電層為一由一金屬氧 化物所製的經陽極處理的部件，而係藉由陽極處理該第 一電極之至少一部分而形成。 10·如請求項9之光學裝置， 其中該容器由一絕緣材料所製， 該第一電極從該容器之内壁形成至外部，覆蓋該容器 之一端部；及 108462.doc l3〇3324 該經陽極處理的部件在該容器之内壁上的表面上形成 U·如請求項9之光學裝置， 其中該容器由金屬所製，及 該容器之至少一部分係經陽極處理而為該經陽極處理 的部件。 12.如請求項9之光學裝置， 其中該容器包含光可透射的材料部件，其配置該容器 之兩端部。 13·如請求項12之光學裝置， 14. 其中該絕緣液體材料係配置成面對該光可透射的材料 部件中之一，其間具有一防水材料部件。 如請求項12之光學裝置， 立-、中4導電液體材料係配置成面對該光可透射的材料 P件中之另一者’其間具有一親水材料部件。 15·如請求項12之光學裝置， 立其中該第二電極為-環形電極，其配置在該容器之端 部上，而與該導電液體材料部件接觸。 16·如請求項9之光學裝置， -忒第-電極之形成，係使用選自下列的金屬：金 、紹、鈮、铪及鈦。 17. -種製造—可變對焦透鏡的方法，其至少包含步驟： 成帛1極，其係對-容器形成，並至少對其与 面做陽極處理’以形成一經陽極處理的部件； 各納—導電液體材料部件及-絕緣液體材料部件於, 108462.doc 1303324 容器中；及 形成-第二電極’其電導通至該導電液體材料部件 1 8 ·如請求項1 7之I ie可變對焦透鏡的方法， 部 其中該容器由一電極材料所製，且該容器之至少一 分係經陽極處理以形成該經陽極處理的部件。 19.

如請求項17之製造一可變對焦透鏡的方法， 其中該第一電極之形成，係使用選自下列的金屬： 、崔呂、銳、铃及鈦。 紐

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