TWI595672B

TWI595672B - 光學組件陣列、其成像系統、及控制一光學組件陣列之曲率的方法

Info

Publication number: TWI595672B
Application number: TW101101502A
Authority: TW
Inventors: 約翰Ａ羅傑斯
Original assignee: 美國伊利諾大學理事會
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2017-08-11
Also published as: US20120261551A1; US9442285B2; WO2012097163A1; TW201242037A

Description

光學組件陣列、其成像系統、及控制一光學組件陣列之曲率的方法

本文中提供藉由具有可變及受使用者控制之曲率之可變形基板支撐的光學組件陣列。本發明之裝置及方法具有若干有用應用，包括在光學偵測器、成像器及光學發射器之領域中。亦提供用於變化光學組件陣列之曲率及用於製造所揭示裝置的方法。

本申請案主張2011年1月14日申請之美國臨時專利申請案第61/433,099號之優先權的權利，該案之全文特此以引用的方式併入。

許多關注投入於可伸展且可摺疊電子器件之領域。舉例而言，美國公開案第2008/0157235號、第2010/0002402號及美國專利第7,972,875號中揭示了各種電子及光電裝置之良好可伸展性及可摺疊性，該等電子及光電裝置包括將焦面陣列併入於半球形基板上的眼式成像器。可摺疊積體電路設計係藉由將經特殊組態之電子材料支撐於薄彈性基板上(包括藉由互連件互連剛性裝置島狀物)來實現，該等互連件藉由互連件之矯直來適應應變及應力。以此方式，應變靈敏材料可免受伸展及/或彎曲誘發之應變。

儘管已致力於確保可伸展及彎曲之電子電路，但關於提供用於以動態方式精確地變化及控制電子電路之曲率之可靠、快速及一致構件的挑戰仍存在。某些系統涉及組件至彎曲表面上之直接印刷(Xu等人，Org.Electron 9：1122- 1127(2008))或初始平面組態至所要形狀之幾何變換(Ko等人，Nature 454：748-753(2008)；Jung等人，Appl Phys Lett 96：021110-1-021110-3(2010)；Ko等人，Small 5：2703-2709(2009)；Shin等人，Small 6：851-856(2010))。然而，彼等系統一般而言係關於剛性凹形裝置基板，該等裝置基板之曲率不能動態地變化。換言之，該裝置受縛於一個基板形狀。變化基板曲率之可靠系統的缺乏尤其與半球形成像器相關，其中變焦的改變(因改變透鏡曲率)影響焦曲面或影像將焦點對準之表面的曲率。因此，本文中提供用於動態地變化光學組件陣列之曲率的方法及裝置，該曲率包括可併入於成像系統中以提供在透鏡曲率之範圍內的焦點之光偵測器陣列之曲率。

提供具有一表面之光學組件，該表面能夠對表面形狀進行受控及妥當定義之調整。用於實現光學組件基板曲率之調整的裝置及相關方法解決在光學組件之使用期間對曲率之動態調整的需要。與曲率傾向於固定之習知系統相比，所揭示裝置及方法提供精確光學組件基板形狀及曲率控制，該控制可為迅速及可再現的。基板曲率之控制可發生於為光學裝置之部分的基板上之光學陣列的情形中。以此方式，在光學裝置之使用期間，光學組件曲率可按需要迅速及可靠地調整。

在一實施例中，本發明係併入有所揭示之光學組件陣列中之任一者的光學裝置。在另一實施例中，本發明係一光學組件陣列，其包含：一可變形基板，其具有一接觸表面，及機械互連之光學組件之一陣列，其藉由該接觸表面支撐。一致動器可操作地連接至該接觸表面，其中該致動器可變地控制該接觸表面之一曲率。如本文中所提供，可使用任何數目及類型之致動器系統，只要致動器提供對可變形基板接觸表面之曲率(例如，形狀)的可變控制即可。

在一態樣中，可變形基板能夠變形為不同曲率，諸如自平坦至彎曲。在一實施例中，變形可逆或至少部分可逆。在一實施例中，基板包含一彈性體。在一實施例中，基板包含一塑膠或其他延性材料。在一態樣中，基板係形狀記憶材料，諸如形狀記憶聚合物、金屬或合金。所關注之特定應用將指定基板中所需要的物理特性，且相應地影響基板組合物。舉例而言，在需要對曲率之大量調整的應用中，諸如在可調整變焦相機中，基板較佳由在大量循環內具有可逆曲率之材料形成。因此，在該實施例中，一合適基板材料為彈性體，諸如聚(二甲基矽氧烷)(PDMS)。然而，其他應用可能不經受此種大量循環及/或快速曲率調整，此意謂材料不需要具有彈性體之性質，取而代之可使用具有其他優點(諸如較佳耐久性或相對較高剛性)同時仍能夠可調整地彎曲的可逆變形性或彈性較差的材料，諸如塑膠或非彈性聚合物。

在一態樣中，可變形基板進一步包含囊封層，該囊封層至少部分囊封陣列之互連件，且促進中性機械平面佈局(見，例如，美國專利公開案第2010-0002402(213-07)號；第2011-0230747(15-10)號)以使陣列之剛性材料(諸如金屬或半導體元件)免受彎曲誘發之應變。

在一實施例中，可變形基板係薄的以促進迅速及可再現之可控曲率改變而不會不利地影響光學陣列之功能性。因此，在一態樣中，基板厚度小於1 mm、小於0.5 mm或在約0.2 mm與0.6 mm之間。

本發明可與任何數目及類型之光學組件相容。有用光學組件之實例包括光學偵測器；光學發射器；光學反射器；光伏打器件；透鏡；濾波器；及偏光器。舉例而言，在為成像器或相機之光學裝置中，光學組件可包含機械互連之光電二極體的陣列。陣列之每一個別組件可對應於偵測光(諸如光強度及/或波長)之像素。

本發明進一步可與任何數目及種類之致動器相容。致動器之實例包括液壓系統、氣動系統、機械致動器，或與可變形基板整合之力產生器。光學裝置之操作條件及特定應用將影響致動器之選擇。液壓或氣動式致動器改變腔室中之流體量或壓力(諸如液體(液壓)或氣體(氣動))以變化形成腔室之表面的可變形基板之曲率。機械致動器直接移動基板以產生曲率之改變。與可變形基板整合之力產生器在基板上產生一力以產生曲率之改變。力產生器可在一定距離處起作用，諸如對嵌入於或連接至基板之可磁化元件起作用的磁體。力產生器可為基板之一部分，諸如嵌入於或附接至基板之壓電致動器。力產生器自身可為基板(諸如藉由形狀記憶材料形成之基板，其中基板溫度之改變影響基板曲率之改變)之部分。在一實施例中，整合式力產生器係形狀記憶聚合物、金屬或合金。

在一態樣中，致動器係壓電致動器、靜電致動器或磁性致動器。在一實施例中，機械致動器包含機械致動器陣列，該機械致動器陣列定位於與接觸表面相反之背表面上。在一實施例中，致動器包含兩個或兩個以上致動器或兩個或兩個以上類型之致動器。在此實施例中，致動器之組合可提供對曲率之額外控制。舉例而言，曲率可具有空間依賴性，其中致動器經組態以在不同基板位置處施加不同力，此在本文中稱作空間可變曲率控制。或者，不同致動器可提供不同力範圍，以使得一致動器類型可提供曲率之過程改變，而第二致動器類型提供曲率之精細控制。以此方式，曲率之精確控制以可為迅速及可再現之方式達成。

在一實施例中，致動器係液壓或氣動系統，諸如具有光學組件流體腔室之液壓或氣動系統，其中可變形基板形成光學組件流體腔室之表面。壓力控制器控制光學組件流體腔室中之壓力。在一態樣中，流體腔室壓力係藉由經由致動器將流體引入至流體腔室或移除流體腔室之流體來控制。在一態樣中，流體腔室壓力係藉由經由致動器移動流體腔室之表面來控制，藉此藉由流體腔室中之流體來改變基板曲率。除非另外特定定義，否則氣動一般指藉由流體(其可為氣體或液體)之壓力的改變而控制之曲率。更具體而言，在此一般使用中，氣動包含術語液壓，液壓特定地指為液體之流體。或者，氣動指為氣體之流體，且液壓指為液體之流體。該等術語係相關的，此係因為兩者皆依賴於壓力之改變來影響曲率之改變。

在一態樣中，流體腔室定位成鄰近於可變形基板之背表面，其中該背表面與接觸表面相反且藉由可變形基板與接觸表面分離。在一態樣中，流體腔室定位成鄰近於可變形基板之接觸表面。在一態樣中，流體腔室中之任一者具有單獨流體入口及出口。在一態樣中，存在取決於致動器狀態而提供流體流入及流出兩者的一導管。

在一實施例中，可進一步根據光學組件陣列來描述本發明。在一態樣中，光學組件陣列包含複數個島狀物，其中每一島狀物藉由互連件機械連接或電連接至鄰近島狀物。在一態樣中，互連件呈屈曲或蛇形組態。以此方式，一或多個光學組件可定位於島狀物上或與島狀物接觸，且互連件可適應與基板曲率之改變相關聯的應變或應力。在一態樣中，互連件、陣列組態及組件如美國專利公開案2010/0002402(代理人案號213-07)、美國專利公開案US-2008/0157235(代理人案號134-06)或美國專利第7,521,292號(代理人案號38-04C)、第7,972,875號(代理人案號216-06)中所提供，其中每一者特定地以引用的方式併入以獲得光學組件陣列及製造及設計光學組件陣列的方法。

在一態樣中，本文中提供之裝置或方法中之任一者提供可自凹形組態變動至凸形組態的曲率之改變。詳言之，系統經組態以使得光學組件陣列在凹形組態至凸形組態(包括極端曲率組態)內保持起作用。「保持起作用」指光學組件之至少95%、至少98%或至少99%如所希望地對曲率改變保持起作用。詳言之，光學組件不失效、破裂、與陣列之其餘者機械分離或電子分離。

在一態樣中，根據曲率半徑(諸如在凹形組態或凸形組態中自0.1 mm變化至平坦之曲率半徑)來描述曲率。或者，對於光學陣列僅需要在凹形組態內變化之應用，曲率半徑僅變化凹形組態。在一態樣中，曲率半徑係在陣列的一部分或基板表面上定義，該部分包括中心部分，諸如基板接觸表面之內部75%、內部50%或內部25%。

在一實施例中，致動器及相關系統提供達成高曲率準確性程度的能力。在一態樣中，致動器提供在所要曲率之10%內、5%內或1%內的曲率；此基板可稱作「焦點對準」或處於「焦曲面」處。在此態樣中，可推算所要曲率，諸如提供來自光學組件陣列之最佳功能光學輸出的曲率，而無論光學輸出係影像、光產生、光吸收抑或反射。在一百分比內之曲率可與曲率半徑、描述彎曲表面之方程式、在特定位置之最大偏差或所要表面形狀與藉由方法或裝置產生之實際表面形狀之間的其他統計比較相關。

在一態樣中，可變形基板具有影響接觸表面之曲率的在空間上變化之材料性質。此態樣指當力施加至基板時向基板之彎曲或曲率提供空間可變性的基板之物理特性。因此，且類似於多個致動器組態，此態樣亦稱作具有空間可變曲率。實例包括跨越或沿著基板表面變化厚度、孔隙率、塗佈層、塗佈元件、嵌入元件、起伏特徵或凹入特徵。以此方式，曲率可經訂製(諸如)以按空間依賴性方式達成特殊的非半球形曲率。此在空間上變化之材料性質允許單一致動力具有隨著基板位置(諸如，側向地沿著基板)而變化之顯著不同影響。

在一實施例中，本發明係關於具有本文中所描述的光學組件陣列中之任一者的光學裝置。在一態樣中，光學裝置係包含本文中所描述的光學組件陣列中之任一者的成像系統，其中該等光學組件係形成光偵測器陣列之光電二極體。成像系統可為具有可連續調整變焦，但無習知系統中維持針對不同變焦程度之焦點所需要的複雜光學器件及多個透鏡組件之相機。

在一態樣中，成像系統進一步包含可調諧透鏡。在一實施例中，可調諧透鏡包含彈性透鏡膜片。在另一態樣中，可調諧透鏡係具有一表面係藉由彈性透鏡膜片形成之透鏡流體腔室的可調諧流體透鏡。一光學組件流體腔室具有藉由可變形膜片形成之一表面。在此態樣中，致動器控制透鏡流體腔室中之壓力以調諧透鏡膜片曲率及組件流體腔室中之壓力以調諧光偵測器陣列(例如，可變形基板)曲率。以此方式，當透鏡曲率改變以提供不同變焦時，光偵測器陣列曲率改變以確保影像在任何給定變焦程度下保持焦點對準。儘管致動器在此實施例中在性質上描述為液壓或氣動的，但本文中描述之致動器中之任一者可用於成像器中。然而，一約束為用於透鏡之致動器不應不利地影響、降級或不適當地干擾光經由待藉由光偵測器偵測之透鏡的透射。

在一實施例中，成像系統致動器包含用於控制透鏡流體腔室中之壓力的透鏡流體腔室致動器及用於控制光學組件流體腔室中之壓力的光學組件流體腔室致動器。閥、流量調節器及其他壓力調節構件之使用允許單一致動器以獨立方式可靠地控制兩個腔室中之壓力。或者，可使用單獨致動器。視需要，除了用於流體之流入的入口之外，任一或兩個腔室亦具有用於使流體自腔室流出的出口。或者，入口及出口可組合於單一導管中。

在一態樣中，成像系統致動器變化透鏡膜片、支撐光學組件陣列的可變形基板或兩者之曲率半徑，藉此提供可調諧成像系統。變化透鏡膜片曲率半徑提供在光偵測器陣列處具有一影像之可連續調整變焦透鏡，該影像藉由調整接觸表面曲率以匹配藉由透鏡膜片形成之珀茲伐表面(Petzval surface)而焦點對準。珀茲伐表面可諸如藉由射線追蹤或由距透鏡之影像距離及變焦或透鏡曲率之已知變數進行的計算來動態地推算。因此，成像系統可進一步包含用於推算一物件之珀茲伐表面的一處理器，該物件藉由具有一透鏡曲率之透鏡而成像，其中致動器產生實質上匹配該珀茲伐表面之該光偵測器的曲率。或者，光偵測器之曲率可藉由變化光偵測器曲率直至達成所要聚焦程度來憑經驗判定。聚焦程度可諸如藉由評定物件邊緣之清晰度或藉由個別地解析鄰近物件之能力來量化。或者，可根據基板接觸表面距理想基板表面之接近度或偏差來評定聚焦程度，如以計算方式判定。

在一實施例中，成像系統具有可連續調整變焦，諸如可在大於或等於1倍且小於或等於50倍之範圍之間連續調整。在一態樣中，變焦值與透鏡曲率有關，其中較高凸形透鏡曲率提供較高變焦。

視需要根據高品質成像特性(諸如，高解析度；高敏感度；高像素密度；高光電二極體填充因數；及大視野中之一或多者)來描述成像系統。

亦提供用於控制光學陣列之曲率的各種方法，包括用於控制本文中呈現之光學陣列中之任一者的方法。在一態樣中，提供在可變形基板之接觸表面上的光學組件陣列，且在可變形基板上施加一力，藉此使可變形基板變形並控制光學器件之曲率。

在一態樣中，力係藉由啟動可操作地連接至可變形基板之致動器而施加。或者，可變形基板自身諸如回應於溫度之改變而產生一力，藉此改變曲率。

在一實施例中，該力係藉由可變形基板或定位於可變形基板中或可變形基板上的一致動器而施加。

在一態樣中，該方法係關於調整併入於光學裝置(諸如，成像系統)中之光學組件陣列的曲率。在一實施例中，光學組件陣列係包含複數個機械互連之光電二極體的光偵測器陣列，該等光電二極體併入於諸如具有可調諧透鏡之成像系統的光學裝置中。在此實施例中，該方法視需要進一步包含以下步驟：調整透鏡之一曲率以獲得定位於透鏡視野中之一物件的所要光學變焦；判定光偵測器之理想曲率以提供自該物件透射穿過該透鏡之光的一聚焦影像；及調整可變形基板上之所施加力以使光偵測器曲率實質上匹配理想曲率，藉此針對任何光學變焦值而獲得該物件之一焦點對準的影像。以此方式，本文中提供之方法及裝置能夠藉由單一透鏡及單一偵測器陣列獲得高品質影像。

在一態樣中，本文中提供之裝置及方法中之任一者具有用於控制透鏡與光偵測器之間的分離距離之控制器。在一實施例中，該方法進一步包含：判定該光偵測器與該透鏡之間的理想分離距離以用於藉由光偵測器俘獲聚焦影像；及調整透鏡與光偵測器之間的分離距離以使該分離距離實質上匹配該理想分離距離。控制器可使用自動分離透鏡與光偵測器之線性位移驅動機，或可為手動實施之線性位移，其中使用者調整分離距離直至達成所要影像為止。在此態樣中，「實質上匹配」指在理想分離之10%內、5%內或1%內之距離。

在一實施例中，所要光學變焦對應於大於或等於1且小於或等於100之一變焦因數，且在光偵測器處之光學影像針對所有變焦因數值而焦點對準。在一態樣中，聚焦得以達成而在可調諧透鏡與光偵測器之間無額外透鏡、鏡、反射器或其類似者。或者，較高變焦可藉由透鏡與偵測器之間的額外光學器件(諸如藉由使用平場光學器件)來達成，包括至望遠鏡程度。在一態樣中，較高變焦程度高達約500倍。

本文中提供之方法或裝置中之任一者係關於憑計算或經驗來判定理想曲率(包括用於經由彎曲透鏡獲得影像之物件的曲率)。

在一態樣中，可變形基板之至少中心部分具有曲率，該曲率可經特性化或量化為半球形或抛物線。

本文中提供之方法及裝置的一個功能益處為光學組件陣列在膜片曲率之範圍內維持功能性。曲率可大體描述為凹形的、凸形的或實質上平面的(例如，平坦的)。或者，用於半球形形狀之曲率可藉由曲率半徑(諸如在大約平坦(接近無窮大之曲率半徑)至最大彎曲(諸如，約0.1 mm)之間的任一處之曲率半徑)來描述。

方法及裝置中之任一者併入有系統之校準。在一態樣中，該方法進一步包含校準光學組件以在膜片曲率之一範圍內定址陣列之個別光學組件之位置的步驟。此係當基板彎曲時，光學組件之位置在其絕對位置及其相對於彼此之位置兩者上皆改變的反映。校準步驟確保位置準確之影像可(例如)以平坦組態顯示。在一態樣中，校準係藉由使用在一界定距離處提供之已知影像憑計算或經驗判定用於複數個膜片曲率的間距或組件間之間隔。

在一態樣中，本文中提供之裝置及方法係基於藉由傳遞通過彎曲透鏡之光形成的一珀茲伐表面，該彎曲透鏡在彎曲光偵測器表面上焦點對準。在一實施例中，理想曲率對應於藉由電磁輻射經由透鏡之透射形成的一珀茲伐表面。

在一實施例中，藉由對可變形基板產生預應變而在一平坦組態中提供未致動之光學組件陣列，該可變形基板支撐光學組件陣列。在一態樣中，預應變大於或等於1%且小於或等於5%，大於或等於2%且小於或等於4%，或約2%至3%。以此方式，靜置時，光學組件陣列係平坦的。因此，裝置及方法中之任一者進一步包含連接至可變形基板以向可變形基板提供一定程度的預應變之預應變元件。

在一態樣中，該裝置係用於固持可變形基板及支撐於其上之光學組件陣列的固定架系統。在一實施例中，可變形基板藉由上部罩蓋及下部罩蓋固持。儘管系統藉由此設計(包括與設計上為液壓或氣動的致動器一起使用)有效地密封，但膜片可藉由壓縮而顯著地變形。因此，預應變元件連接至一罩蓋(諸如頂部罩蓋或底部罩蓋)，且連接至可變形膜片以提供徑向導向之預應變。在一態樣中，預應變相對小，諸如小於約5%，或約2%至3%。預應變元件確保在需要時基板係平坦的，諸如在未藉由致動器施加力時。罩蓋提供開口孔元件，其中變形之大小及形狀受控制。在一態樣中，開口孔元件具有圓形形狀。

在一實施例中，本文中提供之裝置中之任一者進一步包含在可變形基板上的光學組件陣列與外部資料獲取系統之間建立可靠電接觸的固定架系統。固定架藉由機械按壓而確保電接觸。懸臂彈簧在接腳電極與光學組件陣列之電極之間提供機械按壓及接觸，藉此與陣列建立可靠及穩固的電接觸，甚至在基板曲率發生大改變時亦如此。在一態樣中，電阻藉由拋光電極接腳之表面及以金屬層塗佈而得以減小。在一態樣中，金屬層包含薄Cr/Au層，諸如約20 nm/400 nm。在一態樣中，陣列之每一列及每一行具有將該列或行電連接至相應接腳電極的獨立電極。在一態樣中，接腳電極包含導電金屬。在一態樣中，該導電金屬係銅。在此實施例中，光學組件陣列可對應於為光學成像器之裝置的光偵測器陣列。以此方式，固定架系統促進監視器上之影像顯示及/或以數位方式之影像儲存。

「光學組件」廣泛地用以指代調變、透射、產生、反射或以其他方式影響與電磁輻射相關聯之物理參數的材料或裝置元件，包括在特定波長內的光。詳言之，光學組件係以陣列(諸如，每一組件具有根據行位置及列位置界定之位置的陣列)配置。因此，陣列之每一重複單位單元對應於光學組件。在一實施例中，每一光學組件獨立佈線(諸如)至電位之源極。在一實施例中，每一光學組件藉由互連件連接至鄰近光學組件。在一態樣中，互連件提供機械連接。在一態樣中，互連件提供電連接，藉此將至陣列之電連接的數目最小化為列數目加行數目。

「光學裝置」指代其中可併入有光學組件之裝置，且因此包括用於使裝置提供所要功能性所需要的其他元件。光學裝置及因此光學組件之下伏陣列可根據功能性來定義。功能性之實例包括光學成像器、光學偵測器、顯示器、發射器、反射器、吸收器、偏光器、濾波器、透鏡及其相應裝置。舉例而言，光學吸收器可為光伏打裝置之部分、相機之光學偵測器部分、發光裝置之光學發射器部分。特定相關光學裝置(包括在可控制及可變表面曲率下具有光學組件陣列的光學裝置)提供功能益處。實例包括光學偵測器，其中變化光學偵測器之表面曲率提供改良之影像聚焦。在光伏打器件之背景中，變化光伏打陣列表面(例如，半導體材料)之曲率促進光伏打表面形狀與入射光之角度或位置的匹配，藉此改良總體效率。關於發光器，發光組件之陣列(諸如，發光二極體)可具有一表面形狀，該表面形狀經變化以便提供對光輸出(諸如，光位置、照明區域、擴散性及強度)之額外控制，尤其在與諸如透鏡、偏光器及濾波器之其他光學組件成對時。在一實施例中，光學裝置並非鏡。

「可變形基板」指代光學組件陣列連接至之且能夠回應於所施加力之改變(諸如，藉由彎曲)而移動的材料。

「可操作地連接」指代在本發明之元件之間以使得每一元件之功能性得以保留的連接。可操作地連接至可變形基板之接觸表面的致動器指代一配置，其中致動器產生經轉移至一接觸表面的可控制之力(量值及/或方向)，光學組件陣列支撐於該接觸表面上，藉此控制接觸表面及相應陣列的曲率。然而，致動器不會不利地影響陣列之功能性。

「可變地控制」曲率或曲率之「可變控制」指代能夠以受控及精確方式改變可變形基板表面之曲率的致動器。在一實施例中，可變控制指代在所要曲率之10%內、5%內或1%內之基板接觸表面的曲率，包括特徵可為具有曲率半徑或提供曲率之可量化描述之另一參數(例如，拋物性，或擬合彎曲表面之其他方程式)的曲率。可變控制可指代界定區域上之一或多個位置處的平均值或距所要值之最大偏差。

「曲率」指代表面(諸如支撐光學組件陣列之接觸表面)之形狀。在某些實施例中，曲率係平滑的，且可至少部分地藉由曲率半徑(部分球體)、抛物線體、橢圓體界定。在某些實施例中，曲率包括較複雜表面形狀，諸如雙曲面體、高斯曲率(Gaussian curvature)及非均一曲率。本文中提供之裝置及方法的優點為一或多個致動器、薄可變形基板上之光學組件陣列組態及將形狀影響元件併入於基板中或基板上的能力之組合按需要實現任何數目個簡單及/或複雜曲率。

「彈性體」指代可伸展或變形且返回至其原始形狀而無實質永久變形的聚合材料。彈性體通常經歷實質上彈性變形。適用於本發明之例示性彈性體可包含聚合物、共聚物、複合材料或聚合物與共聚物之混合物。彈性體層指代包含至少一彈性體之層。彈性體層亦可包括摻雜劑及其他非彈性體材料。適用於本發明之彈性體可包括(但不限於)熱塑性彈性體、苯乙烯類材料、烯烴材料、聚烯烴、聚胺基甲酸酯熱塑性彈性體、聚醯胺、合成橡膠、PDMS、聚丁二烯、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚胺基甲酸酯、聚氯丁二烯及聚矽氧。在一態樣中，可變形基板包含彈性體，包括用於需要彈性變形之彼等應用的彈性體，包括在大數目及/或曲率改變內的彈性體。

「蛇形」指代相對於互連件之末端之間的直線距離具有蜿蜒曲率之互連件幾何形狀。換言之，互連件之長度實質上大於連接互連件末端之虛擬直線。在一態樣中，互連件長度比虛擬直線大至少20%、至少50%、至少100%。在一態樣中，曲率具有兩個相異部分，其中每一部分之曲率方向與另一部分之曲率方向相反。在一態樣中，蛇形幾何形狀之特徵為「共平面」，此係因為互連件一般遵循藉由下伏接觸表面形成之平面的表面，包括如在美國專利公開案2010-0002402；PCT公開案第WO 2011/115643號、美國專利第7,768,373號中所揭示者。相比之下，屈曲幾何形狀具有在平面外變形情況下之曲率，包括如在美國專利公開案2008/0157235、2010/0059863及美國專利第7,521,292中所揭示者。屈曲及蛇形幾何形狀指代具有共平面蜿蜒及平面外屈曲兩者的互連件。互連件之此組態促進對應變或應力較敏感之彼等光學組件陣列部分的應變或應力隔離。

「在空間上變化之材料性質」指代沿可變形基板之一或多個側向尺寸選擇性地變化之材料的性質。材料性質之實例包括厚度、模數、加強元件、嵌入式材料、空氣袋及影響材料對所施加力之反應方式的其他特徵。

「可調諧」指代將可變形基板之曲率調整至所要曲率，藉此獲得對系統之功能益處的能力。在成像應用中，調諧光偵測器陣列之功能益處係較好地聚焦自彎曲透鏡俘獲之影像，而不管變焦因數如何。

「焦點對準」指代自與提供最高影像解析度、清晰度及資訊之彎曲表面實質上匹配的彎曲表面獲得之影像。舉例而言，對於彎曲透鏡，(諸如)藉由射線追蹤或透鏡方程式法推算用於透鏡組態之珀茲伐表面及距透鏡之物件距離。基板接著相應地經彎曲以實質上匹配珀茲伐表面，藉此提供焦點對準之影像。在一態樣中，焦點對準經量化為在所要曲率之10%內、5%內或1%內之基板接觸表面的曲率，諸如在成像應用之背景中用於珀茲伐表面之曲率。量化可為表面之特定點處、在一區上求平均值或在整個表面上求平均值。焦點對準亦指代按經驗判定之表面形狀，其中表面形狀經調整以獲得最大程度地焦點對準之影像，諸如在鄰近元件之間具有清晰邊緣特徵及高解析度的影像。舉例而言，表面形狀可以類似於習知相機的方式手動調整，其中透鏡光學器件之手動調整提供聚焦之方式。或者，聚焦可以類似於具有自動聚焦透鏡之相機的方式而經自動化。

「動態地可調諧」指代在併入有光學組件陣列之裝置的使用期間即時地及動態地調整曲率的能力。相比之下，非動態可調諧指代儘管曲率可經控制至所要值，但該所要值接著為固定的且其後不能易於調整的系統。

「流體透鏡」指代曲率經由控制抵著透鏡表面施加的流體壓力來加以調整的透鏡。增加流體壓力會增加透鏡曲率，藉此影響數個光學性質，包括變焦及視野。流體透鏡之實例包括JBO Letters 15(3)：030504-1(2010)；Optics Letters 33(3)：291-293(2008)；美國專利第7,986,465號、第8,018,658號、第7,453,646號、第7,675,686號、第7,826,145號中描述之各種系統。

「可連續調整」指代在一範圍內連續且平滑地變化參數之能力。對於成像系統具有可連續調整變焦之實施例，透鏡曲率經控制至在一範圍內之任何曲率，以使得變焦在藉由曲率範圍約束之範圍內相應地連續。藉由變化透鏡曲率，變焦因數與視野一起變化。因為與透鏡成對之偵測器亦在曲率範圍內可連續調整，所以焦點實質上得以在所有變焦上維持而在透鏡與光偵測器之間不需要介入光學組件。

「半導體」指代為在極低溫度下係絕緣體但在約300克耳文之溫度下具有可觀電導率之材料的任何材料。在本發明中，術語半導體之使用意欲與此術語在微電子裝置及電子裝置技術領域中之使用一致。適用於本發明之半導體可包含諸如矽、鍺及金剛石之元素半導體，以及複合半導體，諸如第IV族複合半導體(諸如SiC及SiGe)、第III-V族半導體(諸如AlSb、AlAs、Aln、AlP、BN、GaSb、GaAs、GaN、GaP、InSb、InAs、InN及InP)、第III-V族三元半導體合金(諸如Al_xGa_1-xAs)、第II-VI族半導體(諸如CsSe、CdS、CdTe、ZnO、ZnSe、ZnS，及ZnTe)、第I-VII族半導體CuCl、第IV-VI族半導體(諸如PbS、PbTe及SnS)、層半導體(諸如PbI₂、MoS₂及GaSe)、氧化物半導體 (諸如CuO及Cu₂O)。術語半導體包括以一或多種選定材料摻雜之本質半導體及外質半導體(包括具有p型摻雜材料及n型摻雜材料的半導體)以提供適用於給定應用或裝置之有益電子性質。術語半導體包括包含半導體及/或摻雜劑之混合物的複合材料。適用於本發明之一些應用之特定半導體材料包括(但不限於)Si、Ge、SiC、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、GaSb、InP、InAs、InSb、ZnO、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、HgS、PbS、PbSe、PbTe、AlGaAs、AlInAs、AlInP、GaAsP、GaInAs、GaInP、AlGaAsSb、AlGaInP及GaInAsP。多孔矽半導體材料適用於本發明在感測器及諸如發光二極體(LED)及固態雷射之發光材料領域中的應用。半導體材料之雜質為除了半導體材料自身或提供至半導體材料之任何摻雜劑之外的原子、元素、離子及/或分子。雜質為存在於半導體材料中之不合需要的材料，雜質可不利地影響半導體材料之電子性質，且包括(但不限於)氧、碳及金屬(包括重金屬)。重金屬雜質包括(但不限於)週期表上之銅與鉛之間的元素之群組、鈣、納及其所有離子、化合物及/或錯合物。在一態樣中，光學組件包含半導體材料。

圖26A中提供光學組件陣列之一實施例的示意性說明，其中光學組件陣列的曲率或形狀可變且可控制。光學組件之可調諧陣列10包含具有接觸表面50之可變形基板40，接觸表面50支撐機械地互連之光學組件的陣列20。「支撐」用以廣泛地指代基板與光學組件之間的機械連接，且包括光學組件處於表面上、部分嵌入及/或完全嵌入於基板中之實施例。在一實施例中，光學組件之光學作用部分未嵌入於基板中，且具有至少未藉由基板覆蓋之光學作用表面。接觸表面50係彎曲的，且視情況為藉由曲率半徑界定之半球形形狀。圖27中進一步說明光學組件陣列20，其包含藉由互連件34互連至鄰近島狀物的島狀物30，互連件34包括蛇形互連件38(圖27B)及/或屈曲互連件36(圖27C)。在一態樣中，島狀物包含半導體材料。在一態樣中，島狀物包含矽光偵測器。蛇形及/或屈曲組態提供使陣列在曲率之範圍內保持起作用的能力，曲率之範圍自平坦(如圖27中說明)變動至彎曲(圖26A)。接觸表面50展示於圖26A中之凹形組態中。在一實施例中，接觸表面具有凸形組態。在一態樣中，陣列(及相應可變形基板)可在凹形、圖形及平坦之間經組態，其中光學組件陣列在所有所要曲率上維持良好功能性。

精確地控制光學組件陣列之曲率的能力提供光學組件陣列(包括用於成像系統中之光學偵測器陣列)的「可調諧性」。在一實施例中，可調諧性係經由控制可變形基板之曲率的致動器而實施。任何致動器類型可用以提供曲率控制，包括與膜片整合或與可變形基板實體地分離之致動器。

圖26A(亦見，例如，圖1A、圖1B、圖9、圖12、圖16)中說明與基板實體地分離之致動器的一實施例，其中致動器係液壓或氣動系統之部分。致動器60(諸如，為流體泵之致動器)控制光學組件流體腔室70中之壓力或流體量。視需要，諸如壓力控制器或調節器90之其他直插式組件提供用於更精確地控制或調節腔室70之壓力或至腔室70之流體的構件，諸如用於使流體轉向或釋放流體之管閂、流量計或流量調節器。流體腔室70具有對應於彈性膜片40之表面的一表面80。對於流體腔室70之其他表面為剛性的實施例，流體腔室70中之壓力或流體量的改變導致膜片40之曲率的改變，且相應地藉由膜片40末端而導致光學組件陣列20之曲率的改變，膜片40末端藉由固持器45固定於適當位置。在圖26A之實施例中，流體腔室定位成鄰近於可變形基板40之背表面52，其中基板40分離背表面52與接觸表面50。在此實施例中，增加至腔室70之壓力或流體100朝著較平坦幾何形狀減小曲率。在一態樣中，進一步增加腔室70中之壓力或流體量可提供相反曲率(例如，自凹形至凸形)。或者，流體腔室70定位成鄰近於接觸表面，其中壓力或流體量之增加產生與圖26A中所展示之曲率相比的曲率之增加。在一態樣中，流體100係液體。在一態樣中，流體100係氣體。

在一實施例中，致動器係將直接機械力施加至可變形基板的機械致動器。圖26B說明一實施例，其中機械致動器60將直接機械力施加至可變形基板40(諸如徑向導向之張力及位移)以控制圓形膜片或可變形基板之曲率。額外曲率控制可藉由併入在空間上變化之基板參數(諸如，模數、厚度或影響基板曲率之特徵，諸如起伏特徵或凹入特徵(例如，基板表面之輪廓)、剛性促進元件、空氣袋及其組合)來實施。

在另一實施例中，致動器至少部分與可變形基板整合，如圖26C中所說明，其中力產生器65藉由施加於與可變形基板40整合之材料67上的力而將力施加於可變形基板40上。舉例而言，材料可嵌入於基板中，且在致動器經致動之後，力產生於基板上，藉此控制基板曲率。力產生器可基於壓電裝置、靜電裝置或磁性裝置。對於磁性致動，可磁化粒子可嵌入於基板中，且磁體按需要定位以藉由精確地控制磁力來達成所要形狀。在一態樣中，電磁體用以提供對磁力量值及方向的精確控制。類似地，嵌入之材料可為電活性材料，其中至材料之電輸入產生一力，該力又影響可變形基板40之曲率。

或者，可變形基板自身可諸如藉由形狀記憶材料(諸如形狀記憶聚合物、合金或金屬)形成之基板而為致動器。在一態樣中，基板係形狀記憶聚合物，該形狀記憶聚合物之曲率藉由變化溫度來控制。在圖26D中所說明之實施例中，機械致動器65之陣列定位於基板40背表面52上以提供基板之曲率及藉由基板支撐的相應光學組件陣列的受控改變。類似地，致動器65可定位於基板40內以影響基板曲率之改變。在一實施例中，致動器係壓電致動器。

圖27說明機械地互連之光學組件的細節。「機械地互連」用以廣泛地指代一光學組件之移動必然導致另一光學組件之受控及相應移動的態樣。在圖27A中所說明之最簡單態樣中，個別光學組件30至少藉由受共同接觸表面50支撐而機械地連接至另一光學組件。以此方式，光學組件可個別地及獨立地佈線。圖27B及圖27C說明鄰近光學組件(諸如)藉由蛇形互連件(圖27B)或屈曲互連件(圖27C)與彼此互連之實施例。在一態樣中，互連件可在鄰近光學組件之間建立電連接(見，例如，美國公開案第2008/0157235號)，或可向陣列提供額外功能性，諸如為半導體材料或半導體裝置之互連件(見，例如，美國專利第7,521,292號，美國公開案第2010/0059863號)。屈曲或蛇形之互連件在曲率的廣泛範圍內促進互連件及互連件末端連接至之相關聯的光學組件之功能性，曲率之廣泛範圍自高度凹形經由實質上平坦變動至高度凸形。

實例1：具有可調整變焦能力之動態可調諧半球形電子眼相機系統。利用呈曲線佈局之光偵測器之陣列的成像系統係吸引人的，此係歸因於其匹配藉由簡單透鏡形成之強非平面影像表面(亦即，珀茲伐表面)，藉此產生新設計選項的能力。最近工作在此等「眼球」相機之實現上已產生顯著進展，該等「眼球」相機包括能夠收集實際影像之全功能矽裝置的實例。儘管此等系統相比於具有習知平面設計之系統提供優點，但其固定偵測器曲率致使其與珀茲伐表面之改變不相容，該等改變伴隨藉由簡單透鏡達成之可變變焦。此實例描述經由在薄彈性膜片上使用光偵測器陣列而克服此限制之數位成像裝置之類別，彈性膜片能夠可逆變形為具有可動態地調整之曲率半徑的半球形形狀，包括藉由經由液壓或氣動之致動。組合此類型之偵測器與類似可調諧流體平凸透鏡產生具有可調變焦及極佳成像特性之能力的半球形相機。機械學及光學之系統實驗性及理論性研究揭露所有基礎操作原理。此類型之技術具有若干有用應用，該等應用包括夜視監視、內視鏡成像及需要具有簡單變焦光學器件及廣角視野之緊湊相機的其他區域。

哺乳動物眼睛提供半球形相機之生物啟發，其中光偵測器陣列中之珀茲伐匹配曲率可動態地簡化透鏡設計而不使視野、焦點區域、照明均一性或影像品質降級(1)。此等系統使用呈曲線佈局之光偵測器，此係歸因於其匹配藉由簡單透鏡形成之強非平面影像表面(亦即，珀茲伐表面)的能力(2-4)。對此等系統之歷史關注最近隨著用於其製造之實際方案的開發而達到頂點，該等實際方案之開發係經由克服與現有半導體製程之平面操作相關聯的固有限制之策略。若干做法已產生顯著進展(4-6)。最有希望之程序涉及裝置及組件至彎曲表面上之直接印刷(6)，或初始平面系統至所要形狀的幾何變形(1，7-9)。相比於使用具有固定放大率之簡單透鏡時的平面相機，所有示範設計涉及剛性凹形裝置基板以達成改良效能。有趣地，生物及進化不提供用於達成廣泛用於人造相機之該種大範圍可調整變焦能力的指導。最相關實例在鳥類視覺中，其中視網膜中之淺膜孔導致具有兩個固定變焦程度的影像(視野之中心處之50%之高放大率)(10)。又，成像性質之改變係在適應自水生環境至陸地環境之轉變的兩栖類視覺之變態期間發生，但係以不可逆方式發生(11)。

半球形成像器之挑戰在於，在簡單光學器件的情況下，珀茲伐表面之曲率以一方式隨著放大率而改變，該方式導致與偵測器陣列之形狀的不匹配。此性能強烈地降級成像效能，藉此消除與半球形偵測器設計相關聯之任何優點。此問題之解決方案需要偵測器陣列之曲率以與放大率協調之方式改變，以確保在所有變焦設定下用於影像及偵測器表面之相同形狀。此實例提供一系統，該系統藉由在建立於可伸展電子之先進概念上的組態中在薄彈性膜片上使用互連之矽光偵測器的陣列來實現此結果(12-14)。致動在光學組件之膜片下方的流體腔室導致其以線性、彈性、可逆方式膨脹或收縮，該方式提供對曲率半徑之精確控制。整合類似地致動之流體平凸透鏡產生具有可連續調整變焦能力之完整半球形相機系統。

圖1A提供具有液壓或氣動致動之裝置之一實施例的示意性說明且圖1B展示整合式系統之圖像。上部組件及下部組件分別對應於可調整平凸變焦透鏡220及可調諧半球形偵測器陣列210。透鏡使用別處所描述之類似組件的調適版本(15-18)；其包含在頂部的透明彈性聚(二甲基矽氧烷)(PDMS)之薄(0.2 mm)膜片222與下方的玻璃窗(1.5 mm厚)或光學透明窗232之間的水填充空腔(1 mm厚，呈平面非加壓狀態；「透鏡流體腔室」)。藉由液體輸入240將水泵入至此空腔中使彈性透鏡222變形為具有取決於壓力之曲率半徑的半球形形狀。此曲率與PDMS及水之折射率一起界定透鏡之焦距，且因此界定其可提供之放大率。圖1C展示經由流體透鏡在兩個不同正壓力下觀看之偵測器陣列的影像。圖1C中明顯之放大率的改變係可逆的，且可經由量測及機械模型來量化。圖1D呈現側視影像(頂部面板)及在各種變形狀態下收集之資料(底部面板)。透鏡針對所有調諧狀態採納大致半球形形狀，該半球形形狀具有以定量上與理論(線)及有限元素分析(圓)一致的方式隨壓力改變之頂點高度及曲率半徑(R _L)，如圖1D之圖所展示。

相機之重要及挑戰組件係光學組件之可調諧陣列10的可調諧偵測器陣列210。藉由平凸透鏡形成之影像位元珀茲伐表面上，珀茲伐表面在實務關注的許多狀況下採取藉由半球良好近似之迴轉之橢圓抛物面的形式(1，7)。曲率強烈取決於放大率。因此，偵測器表面之形狀必須改變以適應透鏡組態之不同設定。圖1A、圖1B及圖2提供系統之說明、影像及其他細節，系統經由藉由液壓或氣動致動之可伸展設計來給予所需要的可調諧性。偵測器包含單位單元之陣列，其中每一者包括薄(1.25μm)矽光電二極體及阻斷二極體，阻斷二極體促進被動矩陣讀出。在頂部及底部藉由聚醯亞胺之薄膜(約1μm)囊封的窄金屬線(Cr(5 nm)/Au(150 nm))在此等單元之間以中性機械平面佈局提供帶式互連件，該中性機械平面佈局隔離金屬與彎曲誘發之應變。互連件具有蛇形形狀以形成具有網眼幾何形狀之總體系統。此等集中特徵使得陣列能夠適應與PDMS之薄(0.4 mm)支撐膜片之變形相關聯的大應變(13、14)。製造涉及裝置及剛性基板上之互連件的平面處理；至PDMS之釋放及轉印表示最終步驟。裝置島狀物及光敏區之區域覆蓋分別為約30%及約13%。先前報告之機械設計可用以達成高達約60%之覆蓋(9)。工作像素之典型良率為約95%。額外的約1-2%之像素在擴展機械循環之後失效。對於在下面出現之影像，我們使用過度掃描程序以消除缺陷像素之影響。

將具有結合至其表面之光偵測器陣列的膜片裝設至圓柱形腔室(圖1A及圖1B)上方之具有圓形開口(圓形，直徑D)的板上，以蒸餾水填充此腔室且將輸入及輸出埠連接至外部泵使系統準備用於液壓或氣動調諧。圖2A展示處於其初始平坦組態(亦即，無施加壓力；頂部框)及處於藉由將液體抽取出腔室而誘發之凹形形狀(亦即，負施加壓力；底部框)之代表性裝置的傾斜視圖。已變形表面之確切形狀及陣列中之光偵測器的位置兩者對操作皆重要。雷射掃描器工具(Next Engine^®)提供在若干變形狀態(亦即，施加壓力)下之形狀的準確量測。對於所有調查壓力，偵測器表面展現良好地以半球形形狀為特徵之凹形曲率。圖2B展示雷射掃描表面之顯現。所量測輪廓產生峰值偏轉(H，膜片之中心處)及曲率半徑(R _D，亦在中心附近)。俯視影像界定處於每一變形狀態下之光偵測器的二維位置(亦即，沿著圖2B之極線r及θ軸)。至表面形狀上之相應量測上的投影產生高度(亦即，沿著z軸)。結果呈現為圖2B中之正方形。與位置之分析機械模型的比較展示極佳吻合(重疊正方形)。光偵測器表面歸因於水抽取而變形為半球形形狀，此情形意味著已變形表面之均一經向應變，且因此意味著在此方向上光偵測器之間的均一間隔(19)。機械分析產生對隨藉由水抽取導致之所施加氣動壓力而變之H的預測，且亦產生用於曲率半徑之簡單表達式：R_D=(D²+4H²)/(8H)。兩個結果呈現為圖2C之中間框中的曲線；其展示與實驗(正方形)及有限元素分析(圓)之極佳吻合。具有藉由平坦表面上之圓柱形座標中之(r,θ,0)給出的初始位置之光偵測器移動至藉由已變形表面上之(R_Dsin,θ,R_D-H-R_D cos)給出的新位置，其中φ=(2r/D)sin^-1[4DH/(D ²+4H ²)]係極角(圖14)。分析獲得之光偵測器位置如圖2B之頂部框中的正方形所指示，其展示與實驗及有限元素分析(圖2B之底部框)的極佳吻合，且因此驗證變形偵測器表面之半球形形狀。類似模型可用以界定跨越PDMS膜片及矽光電二極體/阻斷二極體之陣列兩者之應力的分佈。結果(圖2B)展示遠低於其破裂臨限值(對於PDMS>150%；對於矽約1%)的兩種材料之應變。總體計算之系統形狀亦良好地比擬量測結果。進一步研究說明此吻合程度跨越所有調諧狀態而持續，如圖2C中所說明。有限元素分析(圖2B之底部框)展示蛇形互連件對光偵測器位置具有可略影響(20)。理解其性能仍為重要的，此係因為其提供操作所必須之電互連。四個單位單元之正方形2×2叢集的三維有限元素分析呈現於圖2D中。彩色深淺展示矽及金屬中之最大主應變，矽及金屬係偵測器中之最易碎材料。材料中之所推算出的峰值應變均異常低，甚至對於總體雙軸應變為約12%之此狀況亦如此，約12%對應於調諧至最高彎曲組態時陣列中之最高應變點。

圖3A呈現具有佈線至與外部資料獲取系統介接之帶狀電纜的外部互連之完整偵測器的圖像(1)。此處，具有圓形開口之頂部裝設之固定架支撐32個電極接腳，該等電極接腳在偵測器陣列之周邊抵著相應襯墊機械地按壓。在每一轉角處具有四個懸臂彈簧之壓縮元件確保所施加壓力之均一性，以產生簡單及穩固之互連方案(對於>100個調諧循環無失效)，亦見圖10。光偵測器陣列上之此等特徵及高良率使得收集實際影像之相機能夠在此處以藉由掃描程序給予之解析度增強實施以允許與理論作詳細比較。為了探索基本操作，我們首先藉由固定平凹成像透鏡檢查性能(見，例如，圖1D)。藉由在平面及半球形組態中之偵測器收集的代表性影像呈現於圖3B中。在此狀況下，物件由置放於玻璃平凸透鏡(直接：9 mm；焦距：22.8 mm)前方75 mm處的圓盤(直徑：2 mm；近鄰之間的距離：3 mm；遠鄰之間的距離：5 mm)之圖案組成。在平坦狀態中之影像對應於距透鏡26.2 mm的距離，或比藉由薄透鏡方程式計算之影像之標稱位置至透鏡近5.5 mm的距離。在此位置處，在視野(亦即，四個轉角)之遠處周邊中的影像之區焦點對準。視野之中心因為與影像相關聯之珀茲伐表面曲率而未同時焦點對準。將偵測器陣列變形為凹形形狀使中心區遠離透鏡移動，且朝著藉由薄透鏡方程式預測之影像的位置移動。半球形形狀同時對準偵測器之其他部分與影像之相應部分。因此，整個視野立即變清晰。基於實驗參數之模擬影像呈現於圖3D中。結果使用射線追蹤推算且利用裝置之圓柱形對稱性(21，22)。詳言之，在物件(透鏡前方75 mm)處起源之射線扇經由系統傳播以判定相關點展開函數(PSF)。使用總計10000條射線而將用於物件平面處之每一點的相應PSF置放至藉由偵測器之形狀界定的螢幕之表面上產生適於與實驗作直接比較的影像。

為了示範全成像能力及可調整變焦，我們藉由可調諧流體透鏡獲取影像。對於物件在距透鏡67 mm處之狀況，射線追蹤分析提供R _L、R _D及z之匹配參數、至影像表面之中心的距離，如用於不同放大率設定之代表性組態。圖4A展示用於四個不同透鏡形狀之珀茲伐表面的二維表示，所有平凸具有對應於(4.9 mm,11.4 mm,16 mm)、(6.1 mm,14.0 mm,24 mm)、(7.3 mm,19.2 mm,38 mm)及(11.5 mm,25.7 mm,55 mm)之(R _L,R _D,z)值的半球形曲率。如所預期，增加R _L減少焦距且增加放大率，藉此增加z及R _D。在此實例中，設置涉及偵測器與透鏡之間的距離之手動調整，然而，可經由致動器或馬達來使用此距離之自動調整。在此等四個設置下收集的影像呈現於圖4B中。在此狀況下，物件係圓盤之陣列，該等圓盤類似於圖3中所使用之圓盤但具有3.5 mm之直徑、5 mm及8.5 mm之間距值。光學放大率係0.24、0.36、0.57及0.83，其對應於3.5倍可調整變焦能力。焦點之均一性向所有組態提供。光學模型使用用於圖3之結果的相同技術來展示定量吻合。

在此實例中，結果示範具有可調諧半球形偵測器陣列之相機系統可使用僅簡單、單一組件、可調諧平凸透鏡提供具有廣角視野、低像差的可調整變焦。此結果之關鍵在於使偵測器幾何形狀與可變珀茲伐表面匹配的能力。此類型之設計可互補傳統做法，尤其係對於用於平面或固定偵測器所必須之複合透鏡系統將不需要之大小、重量或成本添加至總體系統的應用；夜視相機及內視鏡表示實例。儘管所報告設計中之填充因數及總像素數係中等的，但在系統中不存在基本限制以防止較高像素數及填充因數的使用。在此實例中說明之用於透鏡及光學陣列的氣動控制策略表示若干致動機構中之一者。如本文中所解釋，其他致動系統係相容的，諸如將直接徑向力施加至可變形基板或透鏡之機械致動器，以一距離之力致動(例如，基於磁性)，電活性或壓電致動。儘管此實例中之例舉設計併入有兩個單獨泵及手動z軸定位，但單一致動器可替代地調整透鏡及偵測器兩者且同時以協調方式調整其分離。其他做法包括直接嵌入於彈性體上從而提供混合硬/軟MEMS裝置之類別的微致動器。

彈性膜片上之矽光偵測器陣列之製造：偵測器陣列係藉由在經設計以用於呈16×16正方形矩陣之光電二極體及阻斷二極體之對的組態中摻雜矽薄片而製成。詳言之，SOI晶圓之頂層(矽基板上之400 nm厚的二氧化矽層上之1.25 μm厚之矽，p型，<100>方向，Soitec)經由二氧化矽之遮罩層(900 nm厚)依序經p摻雜及n摻雜，二氧化矽之遮罩層係藉由電漿增強之化學氣相沈積(PECVD；SLR730，Unaxis/Plasma-Therm)而經沈積且藉由光微影及蝕刻而經圖案化。對於p摻雜，樣本在1000℃下在N ₂環境(定製6吋管形爐)中曝露於硼源歷時30分鐘。n摻雜在相同條件下使用磷源歷時10分鐘(模型8500雙堆疊擴散/氧化爐，Lindberg/Tempress)。每一單位單元接著以藉由光微影界定之圖案藉由通過矽層的反應性離子蝕刻(RIE；Unaxis/Plasma-Therm)來隔離。互連件包含藉由濺鍍(AJA International,Inc)沈積且在頂部及底部藉由聚醯亞胺(約1μm，來自聚醯胺酸溶液，Sigma Aldrich)囊封之金屬線(Cr(5 nm)/Au(150 nm))。恰好在轉印之前，內埋之二氧化矽藉由通過經由矽蝕刻之孔(直徑3μm)之陣列的濕蝕刻(30分鐘，HF 49%)來移除。

聚二甲基矽氧烷(PDMS；SYLGARD 184聚矽氧彈性體套組，Dow corning)之印模用以將所得光偵測器陣列轉印至PDMS之薄(例如，約0.4 mm)膜片，PDMS之薄膜片預曝露於紫外線誘發之臭氧歷時2.5分鐘。在翻轉印模之前，整個總成在70℃下烘焙歷時10分鐘以增加陣列與膜片之間的結合之強度。

完成可調諧偵測器系統。支撐偵測器陣列之膜片經切割成圓形形狀(直徑49 mm)，且接著置放於在中心具有孔(直徑13 mm或15 mm)的機械加工之板上。具有3.5 ml之容積的圓柱形腔室接著附接至此板之底部。膜片在邊緣經機械地擠壓以形成密封且同時經由結構對板之作用產生輕微徑向張力，該作用經設計以用於此目的。底部腔室具有兩個入口，其中一者連接至管閂(旋緊式聚碳酸酯管閂，McMaster-Carr)，且另一者連接至定製注射器泵，該注射器泵能夠以約0.05 ml之精度控制移入及移出腔室之液體的體積。蒸餾水填充系統。壓力計(隔膜壓力計0 psi至3 psi，Noshok)用以監視壓力。

對於電連接，在偵測器陣列之周邊處覆蓋電極襯墊之頂部絕緣層藉由通過彈性遮蔽遮罩的RIE(CS 1701反應性離子蝕刻系統，Nordson MARCH)移除。此等電極抵著經設計以在其轉角具有四個懸臂彈簧之裝設板上的銅電極接腳按壓。為了確保良好電接觸，接腳之表面經拋光且接著藉由電子束沈積以金屬層(Cr(20 nm)/Au(400 nm))塗佈。每一電極接腳使用導電環氧樹脂(CW2400，Chemtronics)連接至電導線；此等導線藉由連接至帶狀電纜之接腳連接器組裝。

製造可調諧透鏡：可調諧透鏡包含薄PDMS膜片(厚度0.2 mm，直徑25.4 mm)及藉由環氧樹脂(ITW Devcon)附接至塑膠支撐件的玻璃窗(直徑12.5 mm，厚度1.5 mm，Edmund Optics)。PDMS膜片與玻璃窗之間的離距係約1 mm。為了確保水密密封，膜片經擠壓於兩個塑膠板之間。頂板中之孔界定透鏡之直徑(9 mm)。壓力計(隔膜壓力計0 psi至10 psi，Noshok，差動壓力計0 psi至20 psi， Orange Research)用以量測壓力。

俘獲影像：來自發光二極體(MB-BL4X4，metaphase technologies)之陣列的擴散式光提供照明源。物件由印刷透明薄膜(雷射相片測圖，CAD/Art Services)或藉由雷射切割機械加工之金屬板組成。在所有狀況下，影像係藉由組合資料集而收集，資料集係藉由沿著與光學軸線垂直之兩個正交軸線x、y步進偵測器而收集。使用針對每一軸線具有92μm之間隔的10或20個步級，以達成比光偵測器之數目大100倍的有效解析度。在一些狀況下，使用查找表及自動電腦程式碼，以消除故障像素之影響。

實例2：光學組件陣列具有可調整曲率。此實例提供製造及轉印光學組件陣列(包括實例1之光偵測器陣列)的資訊。提供用於氣動調諧系統及電連接硬體、用於判定表面幾何形狀及像素位置之技術、可調諧透鏡及成像程序之機械分析及評估的進一步論述。

光偵測器陣列之製造程序及I-V特性：用於製造光偵測器陣列之步驟一般遵循先前報告之程序(1)，但此實例之特定設計經調適以允許可調諧機構及光偵測器之改良效能。對於光偵測器之改良效能，注意改變在於固體源摻雜(對於p型及n型兩者)之使用，以替換旋塗式摻雜劑之使用。代表性個別像素之回應呈現於圖5中。表2中提供詳細製造程序。

用於轉印裝置陣列及完成相機之方法：一般而言，轉印程序遵循先前報告之方法(2)。圖6說明每一步驟。對於轉印，我們手動地控制在每一階段釋放平PDMS印模之速度。裝置陣列首先藉由自製造之矽源基板快速回縮而經提昇至平PDMS印模上(約0.1秒)。接著，裝置陣列經轉印至薄PDMS膜片上。在此狀況下，平PDMS印模經緩慢移除(約10秒)。轉印程序大部分係成功的，此歸功於矽表面(裝置底部)與PDMS之間的結合力高於聚醯亞胺(裝置頂部)與PDMS之間的力(3)。為了確保完美轉印，目標PDMS基板以紫外線誘發之臭氧處理且在70℃下烘焙。詳細程序在表3中。

用於調諧透鏡及偵測器表面幾何形狀之方法。圖7A展示在轉印之前的經製造基於矽之光偵測器陣列且圖7B展示圓形PDMS膜片上之經轉印裝置陣列。此PDMS膜片充當基板且亦充當用於密封氣動調諧系統之組件。用於緊固地固持陣列之固定架係自圖8A中所展示的若干組件製成。為了確保可靠密封，PDMS膜片40藉由上部罩蓋810及下部罩蓋820擠壓。儘管系統藉由此設計有效地經密封，但膜片藉由壓縮顯著變形。因此，額外組件經設計以使變形膜片伸展，以確保平坦表面，諸如預應變元件830。此導致預應變ε ₀之2%至3%。開口孔元件840用以控制變形之大小及形狀。圖8B展示具有氣動調諧系統之經組裝裝置陣列。此總成與流體腔室(圖8A中之最下部分850)連接。此流體腔室具有兩個液體輸入/輸出埠(860、870)。如在圖9A中，此等埠連接至管且連接至管閂890或定製注射器900。此等埠不僅用於施加壓力亦用於釋放陷入於系統中的空氣/氣泡。管閂在空氣/氣泡經釋放之後關閉。對於可調諧流體透鏡，我們使用液體核心固體包層透鏡幾何形狀(4-7)，此係歸因於其勝於液體核心液體包層設計的簡單性。圖9C、圖9D展示可調諧透鏡220。如同在此狀況下之可調諧偵測器，可調諧透鏡亦併入有可變形PDMS膜片。此膜片經擠壓以確保密封。在此狀況下，預應變元件未包括於設計中，此部分係因為膜片表面在其初始狀態下變形。為了量測在可調諧透鏡及可調諧偵測器系統內部之壓力，經由t連接器連接壓力計。取決於系統內部之壓力的範圍而使用若干壓力計。(隔膜壓力計0 psi至3 psi，0 psi至10 psi，Noshok，差動壓力計0 psi至20 psi，Orange Research)。用於完成可調諧偵測器系統之詳細逐步程序在表4中。

用於建立電連接及裝置良率的方法：在裝置陣列與外部資料獲取系統之間建立可靠電連接係用於完成工作相機之顯著挑戰。在先前靜態半球形相機設計中，經由彈性遮蔽遮罩(1)或銀環氧樹脂之圖案沈積之金屬層將裝置陣列之電極連接至印刷電腦板上之電極(12、13)。然而，此等方法不能適用於可調諧系統，此係歸因於PDMS基板之顯著變形，尤其歸因於邊緣處之應力集中。可藉由機械按壓與可撓性基板上之裝置形成電接觸之特定固定架系統經設計。圖10A展示包含32個銅接腳電極之硬體的仰視圖。此等接腳經設計以使用懸臂彈簧抵著裝置陣列之電極按壓。(圖10B、圖10E)為了減少接觸阻力，電極接腳之表面經拋光且以金屬層(Cr/Au，20 nm/400 nm)塗佈。圖10C、圖10D 展示與裝置電極對準且與裝置電極接觸的此等32個接腳。插圖較清楚地展示此等電極接腳抵著裝置陣列之電極按壓。此硬體亦使膜片輕微伸展以形成平坦或實質上平坦表面。圖10E展示電導線附接至電極接腳以用於進一步與LABVIEW®資料獲取系統介接(1)。此電連接硬體在整個32電極上方形成成功電接觸。圖11展示來自使用此電接觸硬體之可調諧偵測器成像系統的測試成像結果。結果揭露電接觸在所有電極上方成功地形成。(100%接觸良率)。然而，觀察到256個像素中之11個像素(95%像素良率)未適當地工作。在此等狀況下，過度掃描用以消除缺陷像素元件之影響。

透鏡及偵測器表面幾何形狀之判定：展示偵測器可變形表面之變形的即時電影可在全球資訊網上pnas.org/content/108/5/1788/suppl/DCSupplemental(對應於用於「具有可調整變焦能力之動態可調諧半球形電子眼相機系統」PNAS 108(5)：1788-1793(2011年2月1日)之互補內容)獲得。在若干變形狀態下，已變形表面之三維幾何形狀係藉由3D雷射掃描器判定。(Next Engine，成像技術小組，貝克曼先進科技學院，伊利諾大學厄巴納-香檳分校)。圖12A展示經組態以用於量測偵測器表面之幾何形狀的此3D雷射掃描工具。圖12B、圖12C係經掃描之可調諧偵測器及可調諧透鏡的特寫圖。圖13A展示可調諧透鏡之已變形表面之原始資料的三維顯現。為了判定已變形表面之曲率半徑及頂點高度，使用MATLAB®程式碼。圖13B展示若干變形狀態下之中心輪廓。儘管在頂點附近之透鏡輪廓與圓擬合良好，但總輪廓未完全與圓匹配。此係歸因於在初始安裝之後藉由擠壓誘發之PDMS膜片的變形。因此，取決於用於擬合之資料的範圍而不同地判定曲率半徑(圖13B、圖13C)。然而，自部分範圍擬合之曲率半徑用作透鏡之參數，此係因為當此值用作用於射線追蹤推算之參數時，所推算出之焦距與實際量測吻合。

可類似地判定偵測器表面之幾何形狀。圖14A展示來自變形偵測器表面之原始資料。儘管透鏡表面可在頂點附近擬合至圓，但偵測器表面在整個已變形表面上與圓擬合。(見圖2C)。此係歸因於經設計以在安裝之後使PDMS膜片伸展的預應變元件。(見圖8A。)為了判定像素位置，使用在相同變形狀態下獲得之裝置陣列的俯視圖。自此圖像，x、y像素位置係使用AutoCad®而判定。接著，高度資訊藉由投影至已變形表面上而獲得(圖14B)。圖14D展示在投影之俯視圖上過度拉伸之判定像素位置。所判定位置亦與分析推算之位置匹配。(圖14E)

可調諧透鏡之機械學：在可調諧透鏡中厚度t=0.2 mm之PDMS膜片藉由水腔室上之開口孔(直徑D=9 mm)限定。水注入至腔室中誘發PDMS之兩個表面之間的壓力差p，該壓力差p使PDMS膜片變形為大應變(>40%)。由於PDMS幾乎不可壓縮且在大應變下顯示非線性材料性能(14)，因此其可藉由Yeoh超彈性材料模型表示，其中彈性能量密度函數藉由下式給出(15) 其中C _n係材料常數，係左Cauchy-Green變形張量之第一變體，且λ₁係歸因於不可壓縮性而滿足λ₁λ₂λ₃=1之主展距。

對於單軸張量，λ₁=1+ε=λ，其給出λ ₂=λ ₃=1/，I ₁=λ²+2/λ，且應力

對於PDMS(sylgard 184)，單軸抗張應力-應變資料(14)給出C ₁=0.285MPa,C ₂=0.015MPa,C ₃=0.019MPa。 [3]

在水注入之後透鏡的形狀取決於其偏轉。

(1)對於H D/2，透鏡變形為球形帽，如圖15A中所展示。球形半徑及極角係

對於起初在圓柱形座標中之(r,θ,0)處的點，其在已變形表面上之極角為。主展距為

彈性應變能量獲得為

藉由壓力所作之功係其中V=πH²(3R-H)/3係球形帽之體積。

(2)對於H>D/2，球形帽變成半徑及極角之全半球，亦即，

已變形表面係由半球及高度h _c=H-D/2之圓柱體組成，圓柱體與孔之垂直表面接觸，如圖15B中所展示。忽略PDMS與孔之垂直表面之間的摩擦給出PDMS之圓柱形部分的均一軸應變，該應變亦等於半球中之經向應變。因此，分離半球形及圓柱形部分之點具有在初始圓柱形座標(r,θ,0)中的徑向座標點之相應極角係對於r r ₀，主展距係

對於r r ₀，主展距係

彈性應變能量獲得為

藉由壓力所作之功係其中係藉由變形PDMS包絡之體積。

最小位能之原理給出

此分析地給出壓力p與最大偏轉H之間的關係。

可調諧光偵測器表面之機械學：如圖16中所展示，其頂表面上具有光偵測器之正方形陣列210的平坦PDMS膜片(楊氏模數E及泊松比v)40安裝於水腔室70上。腔室之頂部的開口孔(直徑D)在水抽取期間限定PDMS膜片的變形。光偵測器具有大小l _pd=0.5 mm之正方形形狀，且鄰近光偵測器之間的間隔係l _spacing=0.42 mm。光偵測器之面積分數係f=/(l _pd+l _spacing)²。平坦PDMS上之每一光偵測器的位置以圓柱形座標表達為(r,θ,z=0)，如圖17A中所展示。當自腔室抽取水時，PDMS膜片變形為高度H之球形帽(圖17B)。曲率半徑係，且極角(圖17B)。半球形輪廓可分析地以圓柱形座標表達為r ²+(z-R+H)²=R ²，或等效地。

有限元素分析(FEA)亦用以在水抽取期間研究PDMS膜片之變形且追蹤光偵測器之位置。由於其變形可略，因此水腔室經模型化為剛性部分且在模擬期間係固定的。PDMS膜片(厚度0.5 mm，楊氏模數2 MPa及泊松比0.48)經夾持45於水腔室上，且藉由ABAQUS®有限元素程式中之連續殼元素SC8R模型化，此係因為其厚度遠大於光偵測器。每一光偵測器係由聚醯亞胺(厚度2.4μm，楊氏模數2.5 GPa及泊松比0.34)及Si(厚度1.2μm，楊氏模數130 GPa及泊松比0.27)組成，且藉由(複合)殼元素S4R模型化，此係因為其極其薄且具有多層結構。均一壓力施加於PDMS表面上以模擬其歸因於水抽取之變形。

圖18A展示半球形輪廓與實驗量測之輪廓極其一致且係藉由FEM獲得而無任何參數擬合。此驗證分析模型，且證實PDMS膜片確實變形為半球形形狀。

半球形形狀意味著PDMS膜片中之經向應變係均一的。由於開口孔上之PDMS膜片的半徑D/2經伸展至弧長Rφ_man，因此起初在圓柱形座標中之(r,θ,0)處的光偵測器在半球上具有球形角。(圖17B)。光偵測器在變形之後的圓柱形座標係(Rsin φ,θ,R-H-Rcosφ)，或等效地。如圖18B及圖18C中所展示，用於光偵測器位置之以上分析表達式與實驗及FEM極其一致而無任何參數擬合。此提供分析模型之進一步驗證。PDMS膜片之所推算出的圓周應變及經向應變分別展示於圖19A及圖19B中。

偏轉H可使用與先前章節中相同之方法根據壓力p而獲得。歸因於光偵測器表面之小變形而使用線性彈性。由於矽比PDMS硬若干量級，因此在光偵測器下方之PDMS的變形可略。因此，圓周應變及經向應變獲得為及。彈性應變能量係

藉由壓力所作之功藉由方程式7給出。接著壓力p係藉由方程式14或等效地H=H(p)根據偏轉H而給出。

可調諧透鏡之射線追蹤推算及初步測試：在藉由可調諧偵測器成像之前，可調諧透鏡藉由實驗及射線追蹤推算兩者進行測試。首先，可調諧透鏡藉由經由透鏡在若干透鏡變形狀態下觀看偵測器表面而經品質測試。如圖20中所展示，視野及放大率根據透鏡表面之變形而改變。透鏡之性質藉由射線追蹤推算而較多地經定量研究。(光具座)(16，17)自距透鏡67 mm距離之物件平面起源的射線傳遞通過透鏡且在界定成像表面之點處相交(13)。藉由此方法，偵測器表面之形狀及距離可在若干透鏡變形狀態下判定。(圖21A)自此分析，發現透鏡表面之曲率半徑與偵測器表面之距離及曲率半徑成比例。(圖21B，圖21C)此預測藉由光具座處之實際測試而驗證。圖22A展示用於藉由可調諧透鏡及可調諧偵測器進行實際成像實驗的設置。圖22B、圖22C、圖22D、圖22E展示在透鏡變形之四種不同狀態下在平坦擴散螢幕上的形成影像。此等影像係藉由市售數位相機在擴散螢幕之背側獲得。(EOS-1Ds Mark III，Canon)虛線展示可調諧偵測器之實際大小。此等平坦螢幕影像在周邊焦點未對準，此在最低放大率下係明顯的。(圖22B)

成像結果：為了示範可調諧半球形成像系統之操作，執行兩個類型之成像實驗。一實驗展示聚焦效應。在此實驗中，使用平凸透鏡(直徑9 mm及焦距22.8 mm，JML Optical Industries,Inc)。圖23展示置放於確切焦距前方之偵測器表面之不同變形下的一系列影像。隨著偵測器之變形變大(例如，R_D自A減少至E)，距離接近理想聚焦，且影像開始清晰。

另一實驗在成像中涉及可調諧透鏡。如自可調諧透鏡之初步研究已知，偵測器表面之焦距及曲率半徑取決於透鏡之幾何形狀。在透鏡變形之每一狀態下，偵測器表面經變形以與來自射線追蹤推算之曲率半徑匹配。因此，在此設置下之獲取影像展示均一焦點及強度分佈。(圖24A、圖24B、圖24C、圖24D)出於比較，展示在平坦狀態下之獲取影像。(圖24E、圖24F、圖24G、圖24H)來自彎曲表面與平坦表面之影像之間的最清楚差異可在最低放大率影像處發現。(圖24A、圖24E)彎曲螢幕勝於平坦螢幕之此優點與先前報告之結果一致(1，13，18)。圖25展示在兩種不同放大率狀態下成像之I徽標。右側圖像展示比左側圖像高三倍之光學放大率。

圖28係具有可調整變焦能力之動態可調諧半球形相機之一實施例的示意性說明。彈性透鏡膜片222(諸如)藉由定位於透鏡膜片222與光學透明窗232之間的透鏡流體腔室230而具有可調整曲率。透鏡流體腔室致動器240控制至透鏡流體腔室230之流體量，藉此控制透鏡222之曲率。調整透鏡曲率提供調整待成像之物件205之光學影像之變焦的能力。可變形膜片40上之光偵測器陣列210具有藉由固持器45而固定於適當位置的邊緣。光學組件流體腔室70藉由光學組件流體腔室致動器250而提供光偵測器陣列210之受控曲率。透鏡-光學組件距離控制器252提供獨立地調整透鏡222與支撐陣列210之可變形基板40之間的分離距離之能力。視需要，處理器260提供基於物件205位置(相對於透鏡222)及透鏡222之曲率推算焦曲面的能力。在所要之焦點對準表面經推算的情況下，致動器250相應地調整陣列210之曲率。或者，處理器260實際上可為經驗性的，其中對於給定物件205位置及透鏡222之透鏡曲率(例如，變焦)，陣列210之曲率經調整直至獲得高品質影像(包括焦點對準影像)為止。在一態樣中，處理器260可替代地對應於藉由變焦(透鏡222之曲率)之使用者選擇及可變形膜片40曲率之使用者選擇的手動控制。

圖29係本發明之方法的程序流示意圖。光學組件(諸如接觸表面上或接觸表面中的光學組件)之陣列係藉由可變形基板支撐。視需要判定基板表面之所要或「理想」曲率。在成像應用中，用以判定理想曲率(及因此，焦曲面)之變數包括透鏡曲率及物件之位置。對於發光應用，判定所要曲率之相關參數包括光束之寬度、光強度、光束位置、聚焦透鏡及導向光學組態及位置。對於光伏器件，重要參數係入射光之角度。在所要曲率(諸如)藉由計算或憑經驗經判定的情況下，達成所要曲率之相應力施加於基板上。如所揭示，經組態以達成所要基板曲率之力可藉由一個或複數個致動器而施加。視需要，系統可藉由判定陣列內之光學組件的確切位置而校準。此可尤其用於成像應用中，其中所偵測影像隨後以平面組態顯示。

關於以引用方式之併入及變化的陳述

貫穿本申請案之所有參考案(例如，包括已頒予或已授予之專利或等效物之專利文件；專利申請公開案；及非專利文獻文件或其他原始材料(source material)；)特此以全文引用的方式併入本文中，就仿佛個別地以引用的方式併入本文中一般，在至少部分地與本申請案中之揭示內容一致的程度上併入每一參考案(例如，將部分不一致之參考案以引用的方式併入，除了參考案之部分不一致之部分)。

本文中已使用之術語及表述用作描述術語且並非限制，且在使用此等術語及表述時不意欲排除所展示及描述之特徵或其部分之任何等效物，而應認識到，在所主張的本發明之範疇內，各種修改係可能的。因此，應理解儘管本發明係藉由較佳實施例、例示性實施例及可選特徵特定揭示，但熟習此項技術者可採用本文中所揭示概念之修改及變化，且應理解此等修改及變化視為在所附申請專利範圍所界定之本發明的範疇內。本文中所提供之特定實施例係本發明之有用實施例的實例且熟習此項技術者將顯而易見，本發明可使用本發明中所闡述之裝置、裝置組件、方法步驟的許多變化執行。如熟習此項技術者將明瞭，適用於本方法之方法及裝置可包括許多可選組合物及處理要素及步驟。

當本文中揭示取代物之群組時，應理解，該群組之所有個別成員及所有子群組係單獨揭示。當在本文中使用馬庫西群組(Markush group)或其他分群時，群組中之所有個別成員及群組可能的所有組合及子組合意欲個別地包括於本發明中。化合物之特定名稱意欲為例示性的，此係因為已知一般熟習此項技術者可以不同方式來對相同化合物命名。

除非另外說明，否則可使用本文中所描述或例舉之組份的每一調配物或組合來實踐本發明。

每當在說明書中給出範圍(例如，曲率範圍、大小範圍、光學性質範圍、變焦範圍)時，包括於所給定範圍中之所有中間範圍及子範圍以及所有個別值意欲包括於本發明中。將理解，本文中之申請專利範圍可排除本文中之描述中所包括的一範圍或子範圍中之任何子範圍或個別值。

本說明書中提及之所有專利及公開案指示熟習本發明所屬技術者之技能水平。本文中所引證之參考案全文以引用的方式併入本文中以指示在其公開或申請日期時之目前先進技術，且意欲使此資訊可用於本文中(若需要)以排除先前技術中之特定實施例。舉例而言，當主張裝置時，應理解，在申請人之發明之前的技術中已知及可用之裝置(包括允用揭示內容係提供於本文中引證之參考案中的裝置)不意欲包括於本文中所主張之裝置中。

如本文中所使用，「包含」與「包括」、「含有」或「特徵為」同義，且為包括性或可擴充的(open-ended)且不排除額外、未敍述之元件或方法步驟。如本文中所使用，「由...組成」排除所主張元件中未指定的任何元件、步驟或成份。如本文中所使用，「基本上由...組成」不排除本質上不影響技術方案之基本及新穎特性的材料或步驟。在本文中之每一例子中，術語「包含」、「基本上由...組成」及「由...組成」中之任一者可以另外兩個術語之任一者替換。本文中說明性地描述之本發明可適當地在缺乏本文並未特定揭示的任何元件、限制狀況下實踐。

一般熟習此項技術者將瞭解，任何此等材料及方法之所有技術已知功能等效物意欲包括於本發明中。已使用之術語及表述用作描述術語且並非限制，且在使用此等術語及表述時不意欲排除所展示及描述之特徵或其部分之任何等效物，而應認識到，在所主張的本發明之範疇內，各種修改係可能的。因此，應理解儘管本發明係藉由較佳實施例及可選特徵特定揭示，但熟習此項技術者可採用本文所揭示概念之修改及變化，且應理解此等修改及變化視為在所附申請專利範圍所界定之本發明的範疇內。

10‧‧‧光學組件之可調諧陣列

20‧‧‧光學組件陣列

30‧‧‧島狀物/光學組件

34‧‧‧互連件

36‧‧‧屈曲互連件

38‧‧‧蛇形互連件

40‧‧‧可變形基板/彈性膜片

45‧‧‧用於可變形基板之固持器

50‧‧‧可變形基板接觸表面

52‧‧‧背表面

60‧‧‧致動器

65‧‧‧力產生器

67‧‧‧與可變形基板整合之材料

70‧‧‧光學組件流體腔室

75‧‧‧光學組件流體腔室致動器

80‧‧‧光學組件流體腔室之表面

90‧‧‧壓力控制器或調節器

100‧‧‧流體

205‧‧‧待成像之物件

210‧‧‧光偵測器陣列

220‧‧‧可調整平凸變焦透鏡/可調諧透鏡

222‧‧‧彈性透鏡膜片/彈性透鏡

230‧‧‧透鏡流體腔室

232‧‧‧光學透明窗

240‧‧‧透鏡流體腔室致動器

250‧‧‧光學組件流體腔室致動器

252‧‧‧透鏡-光學組件距離控制器

260‧‧‧處理器

810‧‧‧上部罩蓋

820‧‧‧下部罩蓋

830‧‧‧預應變元件

840‧‧‧開口孔元件

850‧‧‧最下部分

860‧‧‧液體輸入/輸出埠

870‧‧‧液體輸入/輸出埠

890‧‧‧管閂

900‧‧‧注射器

圖1A：包括可調諧透鏡(上部)及可調諧偵測器(下部)模組之相機的示意性說明。該透鏡包含在薄(約0.2 mm或更少)PDMS膜片與至少部分光學透明之玻璃窗(約1.5 mm厚)之間的流體填充間隙，以形成具有9 mm之直徑及可藉由流體壓力調整之曲率半徑的平凸透鏡。該可調諧偵測器包含互連光學組件陣列，該等光學組件在此實例中係以機械最佳化網眼蛇形設計裝設於薄(0.4 mm)PDMS膜片中或PDMS膜片上的矽光電二極體及阻斷二極體(16×16像素)。此偵測器薄片裝設於流體填充空腔中；控制壓力將薄片變形為具有妥當定義之可調諧曲率程度的凹形或凸形半球形形狀。圖1B係完整相機之相片。圖1C：經由調諧至不同放大率之透鏡成像之光偵測器陣列的相片。左側及右側影像係以5.2 mm及7.3 mm之透鏡的曲率半徑獲取。在兩種狀況下，偵測器表面之曲率半徑皆為11.4 mm。偵測器之中心部分距透鏡之底部部分的距離係25.0 mm。圖1D：藉由自左至右增加流體壓力而達成之三個不同組態下之可調諧透鏡(上部)的傾斜視角光學影像。下部框展示透鏡表面之高度及曲率半徑的量測隨施加之流體壓力而變。結果揭露可重複及系統的(實驗性的；開放且經填充之正方形符號)，且在量的方面與機械學之分析推算(標記為分析的)及有限元素分析(標記為FEA)一致的改變。

圖2A：處於平坦(無定義之曲率半徑)(上部)及半球形彎曲(下部)組態中之薄PDMS膜片上之光偵測器陣列的傾斜視圖，該光偵測器陣列藉由施加至下方之流體填充腔室的壓力而經致動。圖2B：藉由雷射掃描器量測之已變形表面之輪廓的三維(3D)顯現。此處，形狀接近於具有13.3 mm之曲率半徑(R _D)及2.7 mm之最大偏轉(H _D)的半球之形狀。所推算及量測之單位單元位置在此所顯現表面上呈現為具有不同陰影之正方形。矽裝置及PDMS膜片(下部)中之圓周應變的3D顯現(正方形)係藉由有限元素分析判定。圖2C：藉由自左至右增加施加至下伏流體腔室之負壓力之位準而達成的三個不同組態中之可調諧偵測器的傾斜視角光學影像(上部)。隨所施加流體壓力而變之偵測器表面之頂點高度及曲率半徑的量測結果揭露改變，該等改變係可重複及系統的(實驗性的)，且在量的方面與機械學之分析推算一致(分析的)，如中間框所展示。已變形偵測器表面之輪廓的雷射掃描量測展示幾乎為完全半球形、與分析機械模型一致的形狀。此處，每一所量測輪廓(符號)伴隨相應分析推算結果(線)。圖2D：對於12%之總體雙軸應變的狀況，自處於變形狀態之偵測器陣列之中心附近的區收集之2×2單位單元陣列的光學顯微照片(左側)及藉由有限元素分析判定之在矽及金屬中的最大主應變(右側)。此等應變遠遠低於預期導致材料破裂之應變。

圖3：(A)具有外部電互連之可變形偵測器陣列的相片。裝設板上的電極接腳在陣列之周邊壓抵匹配電極，以建立至引導至資料獲取系統之帶狀電纜的連接。(B)藉由處於平坦(左側)及變形半球形(右側)組態中之裝置獲取的亮圓盤之測試圖案的影像，該等影像係使用玻璃平凸透鏡(直徑：9 mm，焦距：22.8 mm)而收集。影像顯現於與偵測器陣列之表面匹配的表面上。透鏡與源影像之間的距離為75 mm。在此變形狀態下的曲率半徑及最大偏轉分別為16.2 mm及2.2 mm。在平坦狀況下之影像係在至透鏡比藉由薄透鏡近似值(31.7 mm)預期之焦點位置近5.5 mm的距離處收集。在此位置，僅影像之遠處周邊區焦點對準。彎曲組態中之影像係簡單地藉由致動偵測器至此形狀而不改變設置之任何其他方面來獲取。此變形使整個視野清晰，此係歸因於偵測器形狀與珀茲伐表面的匹配。(C)此等影像之平面投影。(D)藉由射線追蹤推算而獲得之對應於此等兩個狀況的模型化結果。結果展示與量測之定量吻合。虛線圓指示處於變形下之區域。

圖4A：與四個不同幾何形狀之可調諧平凸透鏡(左側)形成的影像表面(亦即，珀茲伐表面；右側)之位置及曲率的射線追蹤分析。偵測器表面之實際大小如虛線所展示。圖4B：在此等四個條件下藉由完整相機系統獲取之影像。此等影像係以距透鏡16 mm、24 mm、38 mm及55 mm之距離(z)收集，其中透鏡表面之相應曲率半徑(R _L)係4.9 mm、6.1 mm、7.3 mm及11.5 mm。經設定以匹配所計算珀茲伐表面形狀之偵測器表面的曲率半徑(R _D)係11.4 mm、14.0 mm、19.2 mm、25.7 mm。此等影像係藉由本文中描述之掃描程序而獲取。物件由明亮圓盤(直徑：3.5 mm，圓之間的間距：5 mm及8.5 mm)之圖案組成。圖4C：在對應於所量測結果之條件下藉由射線追蹤分析計算的影像。軸標度係以毫米為單位。

圖5：燈開啟及關閉之情況下在陣列之中心處之像素的代表性電流-電壓回應。

圖6：用於將光偵測器陣列轉印至PDMS膜片基板上之步驟的示意性說明。

圖7A：光偵測器/光電二極體陣列在轉印於平面表面上之前的相片、單一光偵測器之光學顯微鏡影像(插圖)。圖7B：PDMS膜片基板上之經轉印光偵測器陣列。

圖8：(A)用於完成流體變形系統之元件的相片。(B)用於由左圖中之虛線矩形中之組件組成的流體變形系統之罩蓋總成的俯視圖(上部)、罩蓋總成之仰視圖(下部)。

圖9：(A)與入管/出管連接之可調諧偵測器的側視圖。(B)可調諧透鏡定位於可調諧偵測器上方之系統的相片。(C)可調諧透鏡之俯視圖。(D)可調諧透鏡之仰視圖。(E)連接至定製注射器之完整相機。

圖10：(A)接觸電極接腳總成在表面拋光及金屬層沈積之前的相片。(B)電極接腳陣列經組裝之裝設板的相片。(C)安裝於光偵測器/光電二極體陣列上之電極接腳陣列的俯視相片。(D)安裝於光偵測器/光電二極體陣列上之電極接腳陣列的仰視圖、電極接腳按壓裝置陣列之電極處之區域的特寫圖(插圖)。(E)在轉角處具有四個懸臂彈簧之按壓桿元件的傾斜視圖。

圖11：用於成像實驗中之工作相機的裝置良率。在此實驗中，使用平凸透鏡(9 mm之直徑及22.8 mm之焦距，JML Optical Industries,Inc.)。

圖12：(A)用於量測表面輪廓之3D雷射掃描系統。(B)掃描可調諧偵測器。(C)掃描可調諧透鏡。

圖13A：藉由3D掃描器獲取之已變形透鏡表面的原始點資料。圖13B：在各種變形狀態下之透鏡表面的所量測輪廓及擬合曲線。圖13C：隨壓力而變之頂點高度及曲率半徑。

圖14：像素位置之量測方案：(A)藉由3D掃描器獲取之已變形偵測器表面的原始點資料。(B)藉由原始資料產生之表面。(C)投影於所產生表面上之裝置陣列的俯視圖。(D)所量測像素位置(正方形)重疊於偵測器表面上。(E)分析推算之位置重疊於(D)之所量測位置上。

圖15：(A)對於偏轉H D/2，透鏡變形為球形帽。(B)對於偏轉H>D/2，透鏡表面與頂板之側壁接觸。其變形形狀由全半球及短圓柱體組成。

圖16：歸因於水抽取之光偵測器表面之變形的示意性說明。

圖17：(A)未變形PDMS表面上之光偵測器的示意性說明。(B)已變形PDMS表面上之光偵測器的示意性說明。

圖18：(A)對於2.69 mm偏轉，已變形光偵測器表面形狀藉由分析法展示與實驗及有限元素分析的良好吻合。分析給出之光偵測器位置展示與實驗(B)及有限元素分析(C)之良好吻合。

圖19：在PDMS膜片中之圓周(A)及經向(B)應變。

圖20：經由處於四個不同透鏡幾何形狀(透鏡表面之曲率半徑)之可調諧透鏡成像的可調諧偵測器之相片：(A)R _L=4.9 mm，(B)R _L=6.1 mm，(C)R _L=7.3 mm，(D)R _L=11.5 mm。在此實例中，自透鏡之底部至偵測器之底部的距離係z=25.0 mm。

圖21A：藉由射線追蹤推算之透鏡表面之形狀及相應偵測器表面之形狀及距離。圖21B：透鏡之曲率半徑與偵測器之曲率半徑之間的關係。圖21C：透鏡之曲率半徑與距透鏡之距離之間的關係。

圖22：(A)用於影像獲取之光學設置的相片。(B)至(E)對於距透鏡之不同距離藉由可調諧透鏡在平坦擴散螢幕處形成之影像的相片：(B)z=16 mm，透鏡表面之曲率半徑R _L=4.9 mm，(C)z=24 mm，R _L=6.1 mm，(D)z=38 mm，R _L=7.3 mm，(E)z=55 mm，R _L=11.5 mm。

圖23：藉由處於偵測器表面之不同變形下之可調諧偵測器獲取的影像：(A)平坦偵測器表面，(B)至(E)各種曲率半徑：(B)R _D=88.7 mm且底部深度H _D=0.4 mm，(C)R _D=42.0 mm，H _D=0.8 mm，(D)R _D=24.1 mm，H _D=1.4 mm，(E)R _D=16.2 mm，H _D=2.2 mm。底部面板中之影像對應於A至E之影像的直立視圖。

圖24：藉由可調諧偵測器及可調諧透鏡在四個成像條件下獲取之影像：距透鏡之距離(A)z=16 mm，透鏡表面之曲率半徑R _L=4.9 mm，偵測器表面之曲率半徑R _D=11.4 mm，(B)z=24 mm，R _L=6.1 mm，R _D=14.0 mm，(C)z=38 mm，R _L=7.3 mm，R _D=19.2 mm，(D)z=52 mm，R _L=11.5 mm，R _D=25.7 mm，(E)條件(A)下之平坦偵測器表面；(F)條件(B)下之平坦偵測器表面；(G)條件(C)下之平坦偵測器表面；(H)條件(D)下之平坦偵測器表面。

圖25：藉由可調諧偵測器及可調諧透鏡在不同成像條件下獲取之University of Illinois「I」徽標的影像。左側及右側影像係在距透鏡之距離z=16 mm、48 mm及透鏡表面之曲率半徑R _L=4.9 mm、9.7 mm及偵測器表面之曲率半徑 R _D=11.4 mm、25.7 mm(自作至右)下獲得。下方展示每一影像之投影視圖。透鏡與源影像之間的距離係67 mm。軸標度係以毫米為單位。

圖26：藉由各種致動器而具有可調諧曲率之光學組件陣列的示意性說明：A液壓或氣動致動器；B機械致動器；C與可變形基板整合之力產生器；D定位於基板背表面上之致動器陣列。

圖27：機械地互連之光學組件的示意性說明：A經由基板接觸表面之機械互連；B蛇形互連件；C平面外屈曲互連件。

圖28：具有可調整變焦之動態可調諧成像系統的示意性說明。

圖29：控制成像系統以向動態可調諧相機提供可調整變焦之方法的程序流程圖。