TWI416181B - 積體光學用之平面透鏡 - Google Patents

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Description

積體光學用之平面透鏡
本發明係關於發射光束到積體光學波導或從積體光學波導發射光束的混合透鏡。在整個光學觸碰式螢幕感應器之光線的發射與接收上，本發明具有特殊的應用。
整個說明書之先前技術的任何討論絕不會被視為承認此先前技術眾所皆知，或者在該領域中形成部分的常識。
美國專利案5,914,709、6,181,842與6,351,260描述一光學觸碰式螢幕感應器，其中積體光學波導被使用來發出一光束陣列經過螢幕，隨後在螢幕的其它側將其收集並且引導他們到位置靈敏檢測器。在〝發射側〞的設計中，一波導陣列饋入一行透鏡元件，該行透鏡元件擴展引導光束呈水平面，然後隨著它們經過螢幕面而準直它們呈水平面。呈垂直面的準直是以外部透鏡(譬如圓柱型透鏡)得到，不過就本發明之目的而言，此垂直準直並不特別重要。
理論上，呈水平面的每一準直光束以均勻的功率分佈〝塡滿〞該些透鏡，從而產生具有對應內透鏡間隙之任意狹窄低強度條紋的一片光。該些波導會被設計成多模態，且該些透鏡會被簡單地設計為使得最高階引導模態的發散角θ足以塡滿透鏡(要注意，發散角隨著模態階增加)。〝理想〞的狀況係顯示於圖1，其係顯示〝發射側〞透鏡元件10陣列以及相關的波導11。每一透鏡元件10係為平板片介質材料，具有一彎曲面12在一端，相關波導11在另一端。較佳地，透鏡元件10與相關波導11是由相同的材料所組成，並以單一的方式製造。為了簡化起見，波導11較佳地有關透鏡元件10來對稱放置，亦即其係與透鏡元件10的對稱軸13符合。理論上，來自波導11的光線14在點15進入透鏡元件10，並且發散於一扇形角θ內以〝塡滿〞彎曲面12，在此它們會被折射以形成準直的輸出光束16。除了發生折射的彎曲面12以外，透鏡元件10還具有兩有角邊牆17與平行對稱軸13的兩邊牆18。那些熟諳該技藝者將理解到，只要發散於透鏡元件10內的引導模態沒有遇到邊牆，那它們的結構會大大地無關。
根據波導結構，透鏡元件10實質上是一板片波導，其中在面外方向上，光線是受到限制的，但在面內卻可隨意地發散。在光學路徑中，板片波導的一端在光學上連接到波導11，而彎曲面12則形成另一端。
相反的程序發生在〝接收側〞，其具有是〝發射側〞透鏡元件10之鏡子影像的透鏡元件。
參考圖2，用先前技術所碰到的一個問題是，準直光束實際上並沒有〝塡滿〞透鏡元件10的彎曲面12，但卻反而形成由大量暗區21所隔開的離散光束20。這可能因為在每一透鏡元件10(Φ)內光的真實發散角非常小於希望的發散角(θ)而發生。在一架構中，例如，當θ大約是34。時，Φ的基本範圍是10°至16°。不希望受到理論的束縛，吾人相信波導會發射比它們所能夠支持還更少的模態。最高階模態並沒有被發到波導內，或者最高階模態在途中就遺失了。不管是什麼原因，不足的發散造成觸碰式螢幕製造與性能兩方面的問題。製造問題之產生是因為當發射光呈離散光束形式時，接收側的透鏡陣列必須以發射側的透鏡陣列被關鍵性地準直(呈水平面)，以致於每一接收側透鏡能夠收集到一離散光束。假如另一方面，發射光實質上是連續一大片的話，那麼接收側透鏡陣列的水平位置是不具關鍵性的。該性能問題是縮小空間解析度的其中一個。觸碰式螢幕感應器的檢測演算法解析灰階，以致於甚至可檢測出個別光束的部分遮擋，並將其轉換成位置資訊。不過，假如發射光呈離散光束形式的話，會有無任何遮擋被檢測出的明顯〝暗〞區，因此竄改灰階演算法則非常地困難。此外，觸碰式感應器無法在沒有光線發射的〝暗〞區檢測出觸碰結果。具有連續片(或者〝薄片〞)光而非離散光束的優點亦討論於美國專利申請案第2004/0201579A1。
一明顯的辦法是增加每一透鏡元件10的長度，以使真實發散角度ψ足以塡滿每一彎曲面12。不過，在光學觸碰式螢幕的文章中，這種情況會因為發射與接收陣列寬度的實體限制而常常不受歡迎(因為波導轉通過一直角，透鏡長度直接轉換成陣列寬度，而且有必要將波導陣列安裝於螢幕光屏中)。例如，發散角度從34°減為10°使透鏡長度增加大約3.5因子，以致於假如透鏡寬度是0.85 mm的話，它的長度將從1.4 mm增加到4.9 mm，其係對在許多顯示器的光屏區域中造成空間限制的光學觸碰式螢幕應用是不切實際的。
圖1所示之先前技術透鏡設計的第二個問題在於它是一個高製造系統，亦即像距非常大於物距的一個系統。此些系統在對佈線誤差極其靈敏的技藝中非常有名，尤其是透鏡之物距(在此例子中，點15與彎曲面12之間的距離)與折射率的誤差(在此例子中，由彎曲面12的曲率半徑以及組成透鏡元件10之材料的折射率所決定)。那些熟諳該技藝者將理解到，透鏡的倍率可為正或負，其係取決於它所形成的影像是直立或倒置。就本發明之目的而言，〝高倍率〞、〝低倍率〞與類似用語應被詮釋為談及放大倍率。
因此本發明之目的在於克服或改良先前技術的至少一缺點，或者提供有用的替代。本發明係從〝發射側〞透鏡的觀點來描述，不過將理解的是，因為〝接收側〞透鏡一般是〝發射側〞透鏡的鏡面影像，所以對〝發射側〞透鏡設計的任何發明性變改將可等同地應用到〝 接收側〞透鏡。
為此，本發明的第一態樣提供一光學元件，其係包含一平面透鏡與一光學波導，該平面透鏡包含一由第一折射率之第一媒介所形成的板片波導，該光學波導連接到該板片波導的第一端，且一彎曲表面則形成該板片波導的一第二端，其中該板片波導包含一由不同於該第一折射率之第二折射率之第二媒介所形成的發散透鏡。
有益地，本發明之本態樣使得被引導的光能夠通過光學元件，以更大角度擴展/發散，從而提供更均勻的功率分佈。
較佳地，該平面透鏡與該光學波導被形成為一單體。
較佳地，該平面透鏡是一會聚透鏡。
較佳地，該第一媒介是光學透明玻璃或聚合物材料。
在第一實施例中，該第二折射率低於該第一折射率。
更佳地，該第二媒介是空氣。更佳地，該發散透鏡的形狀是雙凸鏡、平凸鏡或彎月凸鏡。
在第二實施例中，該第二折射率大於該第一折射率。
更佳地，該發散透鏡的形狀是雙凹鏡、平凹鏡或彎月凹鏡。
本發明的第二態樣提供一光學元件，其係包含一平面透鏡與一光學波導，該平面透鏡包含一由第一折射率之第一媒介所形成的板片波導，該光學波導連接到該板片波導的第一端，且一彎曲表面則形成該板片波導的一第二端，其中該板片波導包含一由不同於該第一折射率之第二折射率之第二媒介所形成的至少一會聚透鏡。
本發明之本態樣針對改善一光學元件合併一平面透鏡之容差以設計與/或組件誤差以及週遭溫度的變化。
較佳地，該平面透鏡與該光學波導被形成為一單體。
較佳地，該平面透鏡是一會聚透鏡。
較佳地，該第一媒介是光學透明玻璃或聚合物材料。
在第一實施例中，該第二折射率低於該第一折射率。
更佳地，該第二媒介是空氣。更佳地，該會聚透鏡的形狀是雙凸鏡、平凸鏡或彎月凸鏡。
在第二實施例中，該第二折射率大於該第一折射率。更佳地，該會聚透鏡的形狀是雙凹鏡、平凹鏡或彎月凹鏡。
本發明的第三態樣提供一光學觸碰式螢幕感應器，包括複數個發射光學元件與複數個接收光學元件，其中：每一發射光學元件與每一接收光學元件包含一平面透鏡與一光學波導，該平面透鏡包含一由第一折射率之第一媒介所形成的板片波導，該光學波導連接到該板片波導的第一端，且一彎曲表面形成該板片波導的一第二端，其中該板片波導包含一由不同於該第一折射率之第二折射率之第二媒介所形成的一發散透鏡。
較佳地，該平面透鏡與該光學波導被形成為一單體。
較佳地，該平面透鏡是一會聚透鏡。
較佳地，該第一媒介是光學透明玻璃或聚合物材料。
在第一實施例中，該第二折射率低於該第一折射率。
更佳地，該第二媒介是空氣。更佳地，該發散透鏡的形狀是雙凸鏡、平凸鏡或彎月凸鏡。
在第二實施例中，該第二折射率大於該第一折射率。
更佳地，該發散透鏡的形狀是雙凹鏡、平凹鏡或彎月凹鏡。
本發明的第四態樣提供一光學觸碰式螢幕感應器，包括複數個發射光學元件與複數個接收光學元件，其中：每一發射光學元件與每一接收光學元件包含一平面透鏡與一光學波導，該平面透鏡包含一由第一折射率之第一媒介所形成的板片波導，該光學波導連接到該板片波導的第一端，且一彎曲表面形成該板片波導的一第二端，其中該板片波導包含一由不同於該第一折射率之第二折射率之第二媒介所形成的一會聚透鏡。
較佳地，該平面透鏡與該光學波導被形成為一單體。
較佳地，該平面透鏡是一會聚透鏡。
較佳地，該第一媒介是光學透明玻璃或聚合物材料。
在第一實施例中，該第二折射率低於該第一折射率。
更佳地，該第二媒介是空氣。更佳地，該會聚透鏡的形狀是雙凸鏡、平凸鏡或彎月凸鏡。
在第二實施例中，該第二折射率大於該第一折射率。
更佳地，該會聚透鏡的形狀是雙凹鏡、平凹鏡或彎月凹鏡。
除非該文章明顯要求，否則在整個說明與申請專利範圍中，‵包含′、‵正包含′以及類似用語是以包括在內的意義而非專用或徹底的意思；亦即是，〝包括但不限於〞。
由於圖1所示之先前技術透鏡設計的一個問題是準直光束16專實上不會〝塡滿〞透鏡元件10的彎曲面12，但卻形成由大量〝暗〞區21所分隔的分立光束20，如圖2所示。先前技術透鏡設計的第二個問題是它對佈線的誤差極其靈敏，尤其是物距(點15與彎曲面12之間的距離)與透鏡折射率(由彎曲面12的曲率半徑與構成透鏡元件10之材料的折射率所決定)的誤差。這兩問題可藉由將一或更多附加透鏡插入到透鏡元件10的體部內來解決，從而形成一合成透鏡。為了使製造更容易，這些附加透鏡較佳地由空氣組成，但是它們也可由折射率不同於組成透鏡元件10之材料的任何其它材料組成。
因為透鏡元件10實質上是板片波導，所以本發明的合成透鏡包含一平面透鏡在一板片波導內。具有空氣或一些其它材料組成以及密封在板片波導內之平面透鏡的光學裝置事實上在該技藝中是已知的。在一實例中，日本專利申請案第JP 5678814A號揭露會聚與發散空氣透鏡，其係密封在聚合物板片波導內，以用來將光耦合進出連接到板片波導的光纖內。在另一實例中，美國專利案US 5,253,319號揭露出板片波導，其係含有包含空氣或一些其它材料的會聚透鏡，以用來將光學功率分佈於複數個輸入與輸出光纖之間。在仍另一實例中，張等人(電氣和電子工程師協會光子技術文件第15冊第1378－1380頁，2003)揭露出一平面光束擴張器，其係包含具有一發散透鏡與一會聚透鏡串連的一板片波導。不管怎樣，在先前技術的所有這些情況中，板片波導本身並沒有包含透鏡。例如，在JP 5678814A，與光纖相隔很遠之板片波導的未端面是平的，而不是彎的。這不同於本發明的合成透鏡，其中與光學波導11相隔很遠的板片波導端面12總是彎的，以致於板片波導本身包含一透鏡。
根據本發明第一態樣，針對第一問題，發散透鏡(在該技藝中亦被視為〝負〞透鏡)會被插入到先前技術透鏡元件的體部內。參考圖3，其係顯示根據本發明第一態樣所設計之包含發散透鏡32接著會聚透鏡31之長度為L的合成透鏡30。積體光學波導33以箭頭34的方向來發射光束，並且在點35連接到合成透鏡30的體部36。合成透鏡30的體部36是由折射率大於1的媒介所形成，其係並且以形成會聚透鏡31的彎曲表面37來結尾。在合成透鏡30之體部36內為形成發散透鏡32的不同折射率區域，其定位以能夠包含由點35傳播之光線的發散角ψ，其係並且用來增加發散角Φ到值β，以致於光線現在能夠塡滿彎曲表面37。彎曲表面37準直此光線呈水平面以產生光束38。在所描述的實施例中，彎曲表面37包含圓圈之部分，以致於會聚透鏡31是一平面球形透鏡。不管怎樣，彎曲表面37具有適合用來製造所需準直光束的任何形狀。例如除了圓圈部份外，它可包含橢圓、拋物線或雙曲線的一或更多部分，或者由多項式或任何其它方程式產生的任何曲線。它亦可包含用以近似一或更多彎曲部分的複數個筆直片段。實際上，一般製造圖案化會聚透鏡31所用之必要遮罩的數位化意味著彎曲表面37將由複數個筆直片段所組成。發散透鏡32被顯示為雙凸鏡形狀，且在此情形中由較低折射率媒介形成。那些熟諳該技藝者將理解到平凸鏡或彎月凸鏡亦可被使用。或者，發散透鏡32包含較高折射率媒介，在該例子中，它的形狀可以是雙凹鏡、平凹鏡或彎月凹鏡。無論選擇哪個形狀用於發散透鏡32，它的彎曲面都可採用上述的任何形式以用於彎曲表面37。將理解到的是，彎曲表面37與發散透鏡32兩者具有更複雜的形狀。例如，彎曲表面37包含兩個或更多個凸部分，各對應發散透鏡的凸或凹部分。
吾人將理解到，就彎曲表面37的給定〝塡滿因子〞而言，發散透鏡的添加會縮減合成透鏡的長度。對於以波導為基礎之光學觸碰式螢幕的特別應用，此長度的縮減有利地將放置有波導與透鏡放置之螢幕光屏的寬度縮減。
在本發明第一態樣的較佳實施過程中，合成透鏡30的體部是由光學透明玻璃或聚合物形成，而發散透鏡32則是由空氣(其係具有實質等於1的折射率)組成。為了簡化製造，空氣透鏡特別佳，而且因為相較於合成透鏡30之體部36，它提供大的折射率。不過，應該注意的是，發散透鏡32也可以由空氣以外的一些其它材料組成，只要在它與體部36之間有足夠對比之折射率即可。那些熟諳該技藝者將理解到，就一給定的發散角而言，發散透鏡設計的詳情取決於兩媒介的折射率。
假如發散透鏡32是由空氣組成，那麼穿過它的光線將不會被引導朝垂直(非水平)方向，以致於將會有一些光線自非水平發散損耗。因此限制經過發散透鏡之路徑長度使得非水平耗損不會過度是重要的。對那些穿過最長空氣間隙的光線而言，非水平發散耗損將是最嚴重的，而在發散(因此凸面)空氣透鏡中，最長空氣間隙是在中間區域。在此例子中，該耗損事實上是有利的，因為它將傾向於降低中間區域的強度，從而提供整個透鏡結構更均勻的強度分佈。如US 2004/0201579A1所揭露的，對於光學觸碰式螢幕感應器的特殊應用均勻強度分佈係較佳。將理解到的是，假如發散透鏡32是由比合成透鏡30之體部36還更大折射率之材料組成的話，那穿過發散透鏡之光將不會有的非水平耗損。
可由本發明合成透鏡解決的第二問題現將根據幾何光學來描述(例如見1987,E.Hecht,2n d edn,Addison－Wesley〝光學〞第5章中的處理)。在圖1中，顯示光學觸碰式螢幕感應器的〝發射側〞透鏡元件10，發射校準直光束16。實際上這是理想化的，因為衍射傾向於散佈被發射的光束，以避免完美的準直。在更實際的圖中，發射側透鏡應該被設計成使得每一發射光束被聚焦在顯示區域的某些點上的聚焦成光腰。如圖4a所示，光腰40較佳地位於發射透鏡元件41與接收透鏡元件42之間中途，以致於兩透鏡元件同樣寬。幾何光學圖係顯示於圖4b，其中由點44從發射波導43發出的光係由彎曲表面45所折射以在整個顯示螢幕區域47的中途形成尺寸hi 的影像46，該波導比當作尺寸h0 (等於發射波導43的寬度400)的物體。在此系統中，(橫向)倍率是由M＝hi /h0 產生。該倍率亦由M=－si /s0 產生，在此s0 是物距48且si 是像距49。要注意的是，在產生真實影像之簡單會聚透鏡的一般符號法則中，s0 、si 與h0 全為正，而hi (以及因此M)為負，亦即該影像是相反的。
就典型以波導為基礎的光學觸碰式螢幕而言，透鏡元件的長度(亦即，s0 )將大約2 mm，顯示區域的寬度或高度(亦即，2．si )將大約60 mm，以致於倍率M將大約－15。這是單一透鏡系統的高倍率，且在該技藝中，此高倍率系統對佈線中的誤差極其靈敏是眾所皆知的。在微光學領域中，這種問題經常會被碰到，在此一或更多透鏡與其它光學零件需要結合高空間準確性。誠如模擬圖4b發射元件的微光學實例，圖5顯示將從光纖53之核心52發出的光51聚焦到檢測器54上的透鏡50，在此比起檢測器54，透鏡50被限制成比較靠近光纖53。因為物距55遠小於像距56，故這代表高倍率系統，而且那些熟諳微光學技藝者將理解到，在透鏡50放置情形或其設計中(例如，其表面曲率半徑)的小誤差將造成影像尺寸與位置的大誤差。再者，假如透鏡50由具有大熱光係數(亦即，折射率對溫度的改變速率)之材料組成，則溫度改變將顯著地影響其成像功率。尤其是，比起例如矽玻璃(大約＋1×10－ 5 /℃)，聚合物已知具有更高的熱光係數(基本上為－1至－4×10－ 4 /℃)。
在圖4b所示的發射元件例子中，像距si (以及同義的像大小hi )將對發射透鏡元件41長度(亦即，物距s0 )以及發射透鏡元件41的折射率(由彎曲表面45的曲率半徑以及組成透鏡元件41之材料的折射率所決定)的誤差極其靈敏。假如該影像形成在不適當位置的話(亦即，不在顯示螢幕區域47的中點)，則光將不會正確地由接收透鏡元件42所收集，甚至是由鄰近透鏡元件所收集，這會造成假訊號。
根據本發明第二態樣，針對第二問題，會聚透鏡會被導入透鏡元件10的體部內。參考圖6，其係說明根據本發明第二態樣所設計之包含第一會聚透鏡61與第二會聚透鏡62的合成透鏡元件60。相較於圖4b所示的簡單透鏡元件41，倍率M的單一透鏡(亦即，彎曲表面45)被兩較低倍率的會聚透鏡所替代。如在微光學領域中眾所皆知的，此一架構降低透鏡系統的靈敏度以設計以及/或組件誤差。假如第一會聚透鏡61具有倍率M1 且第二會聚透鏡62具有倍率M2 ，而且假如M1 ．M2 ＝M的話，那合成透鏡元件60與簡單透鏡元件41將具有相等的成像特性(由像距si 與像高hi 所測量)。不管怎樣，那些熟諳該技藝者將理解到假如它具有相同倍率的話，合成透鏡元件60必須做得比簡單透鏡元件41更長。
以合成透鏡元件60的幾何光學看來，波導63與合成透鏡元件60的體部64之間的接面充當做第一會聚透鏡61的物體，尺寸h0 1 等於波導63的寬度69。第一會聚透鏡61係設計以投射物體65以形成虛像66於體部64後面，且第二會聚透鏡62則設計以投射虛像66以形成實像67，其係較佳地位於顯示區域中間。經過合成透鏡60的真實光路徑是由光線68所指出。誠如在本發明的第一態樣中，第一會聚透鏡61必須被設計成包含光從波導63傳播到體部64內的發散角Φ。在此架構中，第一會聚透鏡的倍率是正的(它產生直立的虛像)，而第二會聚透鏡的倍率是負的(它產生一倒立實像)。
要注意的是，亦可能令兩會聚透鏡61與62的類似排列情形，其中第一會聚透鏡61形成一實像超過顯示區域的中點；此影像隨後當作第二會聚透鏡62的虛物，其係形成實像67位於顯示區域的中間。不管怎樣，此排列情形並非有利，因為第一會聚透鏡61必須具有比簡單透鏡元件41更高的倍率，並因此對設計與/或組件誤差甚至更靈敏。
在本發明第二態樣的較佳實施過程中，合成透鏡60的體部64是由光學透明玻璃或聚合物形成，而第一會聚透鏡61是由空氣組成(其折射率實質等於1)。為了簡化製造，空氣透鏡特別佳，而且因為相較於合成透鏡60之體部64，它提供大的折射率。不過，應該注意的是，第一會聚透鏡61可以由除了空氣以外的一些其它材料組成，只要在它與體部64之間的折射率有足夠對比即可。誠如在本發明的第一態樣中，限制經過第一會聚透鏡之路徑長度使得所通過光的非水平發散耗損不會過度是重要的。
本發明的合成透鏡結構可從使用光學微影/濕式顯影製程的可光圖案化聚合物有利地製造。可光圖案化聚合物由於圖案化所用的簡單與溫和情況(例如，在溶劑顯影前的紫外線曝光)而特別較佳。
一特別適合的材料種類是紫外線固化矽氧烷聚合物，其係例如由揭露於US 6,818,721或US 6,800,724的濃縮反應所合成。矽氧烷聚合物對包括矽、玻璃與塑膠之種種基板材料具有良好的附著。可添加光起始劑或熱起始劑，以增加固化率。在商業上可得的光起始劑實例包括1－羥基－環己基－苯基－酮類(Irgacure184)、2－甲基－1－(4－甲硫基)苯基－2－嗎啉基丙基－1－酮(Irgacure907)、2，2－二甲氧基－1，2－二苯基乙烷－1－酮(Irgacure651)、2－苯甲基－2－二甲胺基－1－(4－morpholinophenyl)－丁酮－1(Irgacure369)、4－(二甲胺基)二苯甲酮、2－羥基－2－甲基－1－苯基－丙基－1－酮(Darocur 1173)、二苯甲酮(Darocur BP)、1－[4－(2－羥基乙氧基)－苯基]－2－羥基－2－甲基－1－丙基－1－酮(Irgacure2959)、4，4'－雙(二乙氨基)二苯甲酮(DEAB)、2－氯噻噸酮、2－甲基噻噸酮、2－異丙基噻噸酮、安息香與4，4'－二甲氧基安息香。就以可見光來固化而言，該起始劑例如是α－樟腦二烷酮。兩或更多光起始劑的混合物亦可被使用。例如，Irgacure1000是80% Darocur1173與20% Irgacure184的混合物。就熱固化而言，呈過氧化氫形式的有機過氧化物(例如，過氧化二苯甲醯)、過氧化二碳酸酯、過酸酯(過氧化苯甲酸叔丁酯)、過縮酮、氫過氧化物以及AIBN(偶氮二異丁腈)，其係可被使用當作起始劑。
其它的添加劑，諸如穩定劑、增塑劑、對比優化器、染料或塡充料可被添加以增進所需要的聚合物特性。
參考圖3，根據本發明第一態樣之合成透鏡結構的製造係被描述於以下兩非限制性的實例中。
實例1
以下是US 6,818,721中所揭露的程序，以黏性2500 cp(在20℃)與折射率1.483(以阿貝折射計，在室內燈光20℃下測量)來準備較低折射率的聚合物A。較高折射率聚合物B以黏性2200 cp(在20℃)與折射率1.509(在20℃)來準備。合適的光添加劑會被添加到聚合物A與聚合物B兩者。
聚合物A會被旋塗在矽晶圓上，並以來自水銀燈的紫外光固化，以形成較低的20 μ m厚電鍍層，其係具有折射率1.492(在20℃與850 nm)。聚合物B
會被旋塗在較低電鍍以形成核心層11 μ m厚，並且以經過遮罩的紫外線來圖案化；未曝光的聚合物B材料隨後以異丙醇溶解，以形成波導33與包含由空氣組成之發散透鏡32接著是會聚透鏡31的合成透鏡30。曝光聚合物B材料具有折射率1.519(在20℃與850 nm)。最後，保護性上部電鍍層可藉由旋塗與紫外光固化第二層聚合物A來選擇性地沈積。要注意的是，以關於聚合物B層的相同方式來圖案化此上部電鍍層是必要的，其不僅避免覆蓋與瓦解會聚透鏡31的彎曲聚焦表面37(如在美國專利申請案號2005/0089298A1中所揭露的)，亦避免以固化的聚合物A材料來塡入發散的空氣透鏡。雖然發散的空氣透鏡以未固化的聚合物A暫時塡滿，但是此材料卻以接著的異丙醇顯影步驟來移除。只要發散空氣透鏡仍然沒遮蓋的話，那圖案化頂部電鍍結束之點並不特別重要。它例如可被圖案化，以在點35上或附近結束，以致於波導33持續會受到機械性保護，其係實際上比合成透鏡30還長大約兩級量值。
應該理解到的是，假如發散透鏡32由空氣組成的話，那它可在無需任何額外製程步驟的情形下被添加到現存的會聚透鏡31。它僅僅只需要修改遮罩設計，因此較佳用來簡化製造。不過，在將(選擇性)上部電鍍層沈積與圖案化以前或以後，以額外製程步驟的花費，用折射率明顯不同於聚合物B的一些其它固化聚合物C來塡滿發散透鏡區域是可能的。當然，發散透鏡區域應該以上部電鍍聚合物A來塡滿，但因為(就波導目的而言)它的折射率通常僅僅稍微低於聚合物B，所以發散透鏡的折射率應該會被嚴格限制。
實例2
參考圖7a與圖7b，其係將說明根據本發明第一態樣所設計之實例合成透鏡30的尺寸，其係經由實例1所說明的程序來製造，並包含發散透鏡32接著會聚透鏡31。參考圖7a，在點35進入合成透鏡30之波導33的寬度70是8 μ m。會聚透鏡31具有長度300 μ m的喇叭型開展部分71，長1160 μ m的筆直部分72，750 μ m的寬度73，其係並且結束於具有曲率半徑570 μ m圓弧的彎曲表面74。參考圖7b，發散空氣透鏡32是具有80 μ m寬度75與16 μ m長度76的雙凸結構，其係由曲率半徑100 μ m的兩圓弧77組成，其位置距點35的距離78是130 μ m。在幾何光學圖形中，發散透鏡32形成一處像於其本身與點35之間，且此處像充當做包含彎曲表面74之會聚透鏡31的物體。假定在折射率1519之媒介中，單模態(亦即，高司TEM00)光束的波長850 nm，那圖7b的發散空氣透鏡32將大約是合成透鏡30內光之發散角的兩倍。此計算結果藉由將來自光纖的光發到具有與不具有以上尺寸所包括發散空氣透鏡之透鏡結構內而在實驗上證實。在這些透鏡結構內，兩波長633 nm與819 nm之光的發散是以CCD照相機成像，如圖8所示。該些照片顯示所包括的發散透鏡大約是從15°至32°之發散角的兩倍。
根據本發明第二態樣所設計的某些有利合成透鏡，以及先前技術之簡單透鏡元件的缺點，其係將說明於以下的三非限制性實例。
計數器－實例1
低折射率聚合物A與高折射率聚合物B係被準備作為實例1。為了製造先前技術的簡單透明透鏡元件41，如圖4b所示，聚合物A會被旋塗在矽晶圓上，並以來自水銀燈的紫外光固化，以形成20 μ m厚與具有1.492折射率(在20℃與850 nm)的較低電鍍層。聚合物B會被旋塗在較低電鍍，以形成11 μ m厚的核心層，並以通過遮罩的紫外光來圖案化；未曝光的聚合物B材料隨後會被溶解在異丙醇中，以形成具有8 μ m寬度400的波導43以及具有0.75 mm寬度401與2.0 mm長度48的透鏡元件41。曝光聚合物B材料具有折射率1.519(在20℃與850 nm)。透鏡元件41結束於具有曲率半徑0.655 mm圓弧的彎曲表面45。在彎曲表面45(單一圓球介面)的折射是由以下方程式所決定： 其中，n1是第一媒介(固化聚合物B，設為1.519)的折射率，n2是第二媒介的折射率(空氣，設為1)，R是彎曲表面45的曲率半徑(－0.655 mm，在一般符號法則為負)，s0 是物距(等於2.0 mm的長度48)，而且si 是像距49。方程式(1)的徑直重新排列產生si ＝30 mm，以致於倍率(由M＝－si /s0 產生)是－1.5。因為波導43具有8 μ m的寬度400(設定為物體大小h0 )，所以影像尺寸hi 將是－120 μ m(因為影像相反，所以為負)。
從方程式(1)，可看到像距si 受到s0 、R與n1 (n2 ，空氣折射率，可被安全地假設為不變)改變的影響。首先考慮幾何參數s0 與R，表1與2顯示s0 與R之小變化(±5、10與15 μ m)在si 的影響，所有其它參數則維持固定。可看到的是，si 對透鏡元件41設計的小擾動高度靈敏，尤其是R的誤差。
因為透鏡元件41是由具大熱光係數的材料組成(就聚合物B而言，dn1 /dT＝－2.8×10－ 4 )，所以它亦對設計溫度20℃附近的波動靈敏，如圖3所示。
在目前透鏡元件41以遮罩為基礎之微影製程來形成的例子中，透鏡元件41的幾何結構(實質上s0 與R)可以高精確度(基本上些許nm)來定義，以致於，在一已知溫度上，像距si 將實質地被固定。不過，就合併光學觸碰式螢幕的消費電子裝置而言，控制裝置溫度通常不符合經濟效益，故在表3所顯示的溫度靈敏性會是個明顯的問題。
實例3
低折射率聚合物A與高折射率聚合物B係被準備作為實例1。為了製造根據本發明第二態樣所設計的合成發射透鏡元件60，如圖6所示，聚合物A會被旋塗在矽晶圓上，並以來自水銀燈的紫外光固化，以形成20 μ m厚與具有1.492折射率(在20℃與850 nm)的較低電鍍層。聚合物B會被旋塗在較低電鍍上，以形成11 μ m厚的核心層，並以通過遮罩的紫外光來圖案化；未曝光的聚合物B材料隨後會被溶解在異丙醇中，以形成具有8 μ m寬度69的波導63以及具有0.75 mm寬度600與2.5 mm長度601的合成透鏡元件60。曝光聚合物B材料具有折射率1.519(在20℃與850 nm)。合成透鏡的體部64包含由空氣組成的第一會聚透鏡61，並且以形成第二會聚透鏡62的彎曲表面602來結束。在此實例中，第一會聚透鏡61是具有相等曲率半徑R1 之兩表面的對稱雙凹面透鏡。在第一會聚透鏡61的折射是由以下薄透鏡方程式所處理：
在此，n1 是第一媒介(固化聚合物B，設為1.519)的折射率，n2 是第二媒介的折射率(空氣，設為1)，s0 1 是物距，而且si 1 是像距。在第二會聚透鏡62的折射是由以下方程式所處理：
在此，n1 =1.519，n2 ＝1，R2 是彎曲表面602的曲率半徑，S0 2 是物距，而且si 2 是像距。
在此實例中，合成透鏡60被設計成具有與計數器實例1中之簡單透鏡元件41相同的總倍率(M＝－15)，第一會聚透鏡61具有倍率M1 ＝＋√15~3.873(因為其影像是正立虛像，所以是正的)且第二會聚透鏡62具有倍率M2 ＝－√15~－3.873。此特別的排列情形被定名為一〝50/50合成透鏡〞。再者，合成透鏡60被設計為具有與計數器實例1中之簡單透鏡元件41的相同像距603，亦即是si 2 ＝30 mm，故影像67形成於相同位置上並具有相同尺寸(120 μ m)。這些合併2.5 mm總透鏡長度601的限制足以固定合成透鏡60的架構：第一會聚透鏡61之位置距點65的距離是1.826 mm(以致於s0 1 ＝1.826 mm)並且具有曲率半徑R1 ＝－1.682 mm，而彎曲表面602具有曲率半徑R2 ＝－2.262 mm。
當考慮此合成透鏡的設計容差時，現在則有可變化的四個幾何參數(s0 1 、全長601、R1 與R2 )，以及通過周遭溫度的折射率n1 。在50/50合成透鏡中si 2 對這些參數的靈敏度係在表4至8中產生。
比較計數器實例1的表4與5以及表1，其係顯示透鏡位置之些微誤差效果，而額外透鏡的引入僅僅會造成容差之少量改善可予以理解。另一方面，比較計數器實例1的表6與7以及表2，其係顯示透鏡表面曲率的些微誤差效果，這揭露出額外透鏡的引入造成容差之大量改善，其係表示50/50合成發射透鏡元件優於習知技術之簡單發射透鏡元件的明顯優點。最後，相較於計數器實例1的表與表3，其係顯示溫度變化的效果，而額外透鏡的引入會造成容差之少量改善可予以理解。
將理解到的是，除了50/50以外，本發明合成發射透鏡元件可以第一與第二透鏡之間的一些其它〝倍率分離〞來設計，其係受到情況M1 ．M2 ＝－15，以致於能得到總透鏡性能。具有不同倍率分離的合成透鏡對幾何誤差與溫度變化將具有不同的容差。例如，假如第二透鏡更難以被製造或準確放置的話，那設計合成透鏡以使第一透鏡的倍率高於第二透鏡是有利的。
實例4
如上述，周圍溫度的變化將是影響由聚合物組成並經由高精確度光學微影來製造之光學觸碰式螢幕透鏡元件性能的重要變數。相較於習知技術的簡單發射透鏡元件，此實例顯示本發明的合成發射透鏡元件如何被設計具有明顯減少的溫度靈敏度，而卻仍保持全部的成向性能(亦即倍率與像距)。
如實例3中，低折射率聚合物A與高折射率聚合物B被使用來形成具有8 μ m寬度69的波導63以及0.75 mm寬度600的合成透鏡元件60，此次則具有4 mm長度601。就具有不同X/Y倍率分離的許多合成發射透鏡元件而言，si 2 對周圍溫度的靈敏度係顯示於圖9。這些發射透鏡元件的設計參數產生於表9。要注意的是，在每一例子中，合成透鏡被設計成具有像距si 2 30 mm，具有總倍率－15；第一與第二透鏡的個別倍率則由M1 =＋√(X．15/Y)以及M2 ＝－√(Y．15/X)產生。相較之下，圖9亦顯示先前技術之相等2 mm長簡單發射透鏡的溫度靈敏度。可領會到的是，藉由以加長透鏡元件為代價，引入相當低倍率的額外會聚透鏡，可將溫度靈敏度顯著地降低。要注意的是，雖然先前技術的4 mm長簡單發射透鏡元件亦具有降低的溫度靈敏度，但是其倍率卻僅僅是75。使用合成透鏡的優點在於沒有危及成像功率之情形下，可將溫度靈敏度降低。以一合成透鏡結構，發射透鏡的溫度靈敏度仍可藉由延伸透鏡的長度而進一步縮減，但明顯地，這是由光學觸碰式螢幕系統的其它設計限制所限定，尤其是光屏寬度。
雖然本發明參考特定實例來說明，但是那些熟諳該技藝者將理解到本發明可呈許多其它形式來實施。
有利地是，本發明的第一態樣可應用在需要面內透鏡以具有大發散透鏡的任何情況，而本發明第二態樣可應用在需要面內透鏡以具有改善容差以設計或組件誤差以及/或周圍溫度變化的任何情況。本發明的一特定應用在於美國專利案第5,914,709、6,181,842與6,351,260。尤其是，本發明乃根據光學觸碰式螢幕感應器的發射側光學來說明，在此光束會被擴散並發到自由空間內。不過，該些論點同樣地會應用在螢幕另一側上的接收側光學，該螢幕收集部份片光，並將它們注入到波導陣列內。更明確地，在本發明第一態樣中，接收側透鏡的彎曲前表面會接收部份片光，並將其會聚在透鏡體部內，而且所包括的發散透鏡會調整會聚角，以配合波導的接收角。假如發散透鏡不存在，明顯部份的光則不會耦合到波導內。相反地，根據本發明第二態樣的接收側透鏡元件將具有改善的容差，以設計誤差或周圍溫度變化。
本發明的第二態樣已經根據合成發射透鏡元件來說明，其中額外的會聚透鏡被插入到習知技術的發射透鏡元件體部內，其係包含單一會聚透鏡。在此實施例中，所合併之合成發射透鏡元件的兩會聚透鏡，其係以改善容差以設計或者組件誤差與/或周圍溫度變化的方式來取代先前技術發射元件的單一會聚透鏡。將理解到的是，該些容差可藉由添加兩或更多會聚透鏡於先前技術發射透鏡元件的體部內而有進一步的改善。
10．．．透鏡元件
11．．．光學波導
12．．．彎曲面
13．．．對稱軸
14．．．光線
15．．．點
16．．．準直光束
17．．．有角邊牆
18．．．邊牆
20．．．離散光束
21．．．暗區
30．．．合成透鏡
31．．．會聚透鏡
32．．．發散透鏡
33．．．積體光學波導
34．．．箭頭
35．．．點
36．．．體部
37．．．彎曲表面
38．．．光束
40．．．光腰
41．．．發射透鏡元件
42．．．接收透鏡元件
43．．．發射波導
44．．．點
45．．．彎曲表面
46．．．影像
47．．．顯示螢幕區域
48．．．物距
49．．．像距
50．．．透鏡
51．．．光
52．．．核心
53．．．光纖
54．．．檢測器
55．．．物距
56．．．像距
60．．．合成透鏡元件
61．．．第一會聚透鏡
62．．．第二會聚透鏡
63．．．波導
64．．．體部
65．．．物體
66．．．虛像
67．．．實像
68．．．光線
69．．．寬度
70．．．寬度
71．．．喇叭型開展部分
72．．．筆直部分
73．．．寬度
74．．．彎曲表面
75．．．寬度
76．．．長度
77．．．圓弧
78．．．距離
本發明現將僅藉由實例、參考附圖來說明，其中：圖1係為描述從透鏡陣列(從積體光學波導之相應陣列接收光線)發射之光束〝理想〞情況的概要平面圖，其中準直光束是從每一透鏡的整個寬度發射；圖2係為描述光束從具有不足發散來塡滿每一透鏡之透鏡陣列(從積體光學波導之相應陣列接收光線)發射的情況的概要平面圖；圖3係為根據本發明第一態樣所設計之合成透鏡的概要平面圖；圖4a顯示使用高司光學模組的一對發射與接收透鏡之間的光束；圖4b顯示使用幾何光學模組的一對發射與接收透鏡之間的光束；圖5顯示包含高倍率透鏡的微光學組件；圖6係為根據本發明第二態樣所設計之合成透鏡的概要平面圖；圖7a顯示根據本發明第一實施例所設計之合成透鏡的尺寸。
圖7b顯示發散空氣透鏡的尺寸，以及將它放置在會聚透鏡內以形成根據本發明第一實施例所設計之合成透鏡的情形。
圖8顯示根據本發明第一態樣所設計之合成透鏡的性能，其係相較於先前技術透鏡的性能；以及圖9係為顯示根據本發明第二態樣所設計之種種合成透鏡之溫度靈敏度的圖，其係相較於先前技術透鏡的溫度靈敏度。
30．．．合成透鏡
31．．．會聚透鏡
32．．．發散透鏡
33．．．積體光學波導
34．．．箭頭
35．．．點
36．．．體部
37．．．彎曲表面
38．．．光束

Claims (12)

  1. 一種包含平面透鏡與光學波導的光學元件，該平面透鏡包含由第一折射率之第一媒介所形成的板片波導，該光學波導係連接到該板片波導的第一端，且彎曲表面則形成該板片波導的第二端，其中該板片波導包含由不同於該第一折射率之第二折射率的第二媒介形成的一發散透鏡，其中該彎曲表面形成會聚透鏡，使得當光由該光學波導通過該板片波導時，在該光為該彎曲表面所會聚前，其發散係為該發散透鏡所加強，以在離開該板片波導時，形成實質準直的光束。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學元件，其中該平面透鏡與該光學波導為連續並由相同材料形成。
  3. 如申請專利範圍第1項之光學元件，其中該第一媒介係為光學上的透明玻璃或聚合物材料。
  4. 如申請專利範圍第1項之光學元件，其中該第二折射率低於該第一折射率。
  5. 如申請專利範圍第4項之光學元件，其中該第二媒介是空氣。
  6. 如申請專利範圍第4項之光學元件，其中該發散透鏡是呈雙凸鏡、平凸鏡、彎月凸鏡形狀。
  7. 一種光學觸摸式螢幕感應器，包括複數個發射光學元件與複數個接收光學元件，其中：該發射光學元件或該接收光學元件包含平面透鏡與光學波導，該平面透鏡包含由第一折射率之第一媒介形成的 板片波導，該光學波導係連接到該板片波導的第一端，且彎曲表面則形成該板片波導的第二端，其中該板片波導包含由不同於該第一折射率之第二折射率的第二媒介形成的一發散透鏡，其中該彎曲表面形成會聚透鏡，使得當光由該光學波導通過該板片波導時，在該光為該彎曲表面所會聚前，其發散係為該發散透鏡所加強，以在離開該板片波導時，形成實質準直的光束。
  8. 如申請專利範圍第7項之光學觸摸式螢幕感應器，其中該平面透鏡與該光學波導為連續並由相同材料形成。
  9. 如申請專利範圍第7項之光學觸摸式螢幕感應器，其中該第一媒介係為光學上透明的玻璃或聚合物材料。
  10. 如申請專利範圍第7項之光學觸摸式螢幕感應器，其中該第二折射率低於該第一折射率。
  11. 如申請專利範圍第10項之光學觸摸式螢幕感應器，其中該第二媒介是空氣。
  12. 如申請專利範圍第10項之光學觸摸式螢幕感應器，其中該發散透鏡是呈雙凸鏡、平凸鏡、彎月凸鏡形狀。
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