TWI677729B - 可變焦距光學元件 - Google Patents

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莊福明
Fu-Ming Chuang
許巍耀
Wei-Yao Hsu
吳名清
Ming-Ching Wu
童璽文
Hsi-Wen Tung
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中強光電股份有限公司
中光電智能感測股份有限公司
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Abstract

一種可變焦距光學元件，包括一第一基板、至少一壓電薄膜、反射層以及多個驅動電極。第一基板具有一第一腔體。至少一壓電薄膜位於第一基板上。反射層位於至少一壓電薄膜的一表面上。驅動電極位於第一基板上，並圍繞第一腔體。至少一壓電薄膜分別被對應的這些驅動電極驅動，且各驅動電極分別施加一驅動電壓至至少一壓電薄膜，以使至少一壓電薄膜產生形變。

Description

可變焦距光學元件
本發明是有關於一種光學元件，且特別是有關於一種可變焦距光學元件。
具有變焦能力的光學元件已多元應用於各式光學系統中，如具自動對焦的成像光學、適應性光學系統、光開關、虛擬實境（Virtual Reality, VR）或擴增實境（Augmented Reality, AR）穿戴顯示裝置等。常見的變焦光學元件依其原理主要可區分為兩類，第一類的變焦光學元件為利用透鏡間光軸方向相對距離變化來達到變焦的功能，第二類的變焦光學元件為具有可變形(Deformable)的光學透鏡。
具體而言，第一類的變焦光學元件至少有一透鏡需外加線性驅動裝置，以使透鏡相對距離變化來達成光學變焦的目的。因此，會有體積較大、精度控制難度較高、驅動噪音等缺點。另一方面，第二類的變焦光學元件因採用可變形的光學透鏡，無須線性驅動單元；具有體積小、精度高、響應快、無聲作動等優點。在具有可變形光學透鏡的光學變焦元件中，以壓電效應驅動其中構件變形的變焦光學元件具有高達數十仟赫茲(kHz)以上的響應速率，且利用微機電製程（Micro Electro Mechanical System, MEMS）亦可將其更進一步微型化與大量生產，因此具有廣泛的商業應用性。
“先前技術”段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在“先前技術”段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在“先前技術”段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明提供一種可變焦距光學元件，其具有穩定的可靠度。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明的一實施例提出一種可變焦距光學元件。可變焦距光學元件包括一第一基板、至少一壓電薄膜、反射層以及多個驅動電極。第一基板具有相對的一第一表面與一第二表面，且第一基板具有一第一腔體，其中第一腔體貫穿第一表面與第二表面。至少一壓電薄膜位於第一基板的第一表面上。反射層位於至少一壓電薄膜的表面。多個驅動電極位於第一基板的第一表面上，並圍繞第一腔體。至少一壓電薄膜分別被對應的這些驅動電極驅動，且各驅動電極分別施加一驅動電壓至至少一壓電薄膜，以使至少一壓電薄膜產生形變。
在本發明的一實施例中，上述的至少一壓電薄膜在第一基板上的投影範圍完全覆蓋第一腔體在第一基板上的投影範圍。
在本發明的一實施例中，上述的至少一壓電薄膜具有相對的一第一外表面與一第二外表面，其中上述的表面為第一外表面，第一外表面面向第一腔體，且反射層位於至少一壓電薄膜的第一外表面上。
在本發明的一實施例中，上述的至少一壓電薄膜具有相對的一第一外表面與一第二外表面，其中上述的表面為第二外表面，第一外表面面向第一腔體，且反射層位於至少一壓電薄膜的第二外表面上。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明的一實施例提出一種可變焦距光學元件，包括一第一基板、至少一壓電薄膜、一光學液體、一第二基板以及多個驅動電極。第一基板具有相對的一第一表面與一第二表面，且第一基板具有一第一腔體，其中第一腔體貫穿第一表面與第二表面。至少一壓電薄膜位於第一基板的第一表面上。光學液體適於填滿第一腔體，其中光學液體接觸至少一壓電薄膜。第二基板位於第一基板的第二表面上。多個驅動電極位於第一基板的第一表面上，並圍繞第一腔體。至少一壓電薄膜分別被對應的這些驅動電極驅動，且各驅動電極分別施加一驅動電壓至至少一壓電薄膜，以使至少一壓電薄膜產生形變。
在本發明的一實施例中，上述的至少一壓電薄膜在第一基板上的投影範圍完全覆蓋第一腔體在第一基板上的投影範圍。
在本發明的一實施例中，上述的可變焦距光學元件還包括一彈性膜。其中第二基板具有至少一第二腔體，至少一第二腔體與第一基板的第一腔體連通，且光學液體填滿至少一第二腔體。第二基板位於彈性膜與第一基板之間，彈性膜覆蓋第二基板，以密封光學液體，且彈性膜的彈性係數小於至少一壓電薄膜。
在本發明的一實施例中，上述的至少一第二腔體包含多個圓柱狀腔體。
在本發明的一實施例中，上述的至少一第二腔體包含一凹槽。
在本發明的一實施例中，上述的第一腔體在第一基板上的投影範圍與至少一第二腔體在第一基板上的投影範圍至少部分重疊。
在本發明的一實施例中，上述的可變焦距光學元件還包括一彈性膜。彈性膜位於第一基板的第一表面上。第一基板具有至少一第二腔體以及至少一通道。至少一第二腔體藉由對應的至少一通道與第一腔體連通，光學液體填滿至少一第二腔體與至少一通道，彈性膜的彈性係數小於至少一壓電薄膜。
在本發明的一實施例中，上述的至少一壓電薄膜在第一基板上的投影範圍與至少一第二腔體在第一基板上的投影範圍至少部分不重疊。
在本發明的一實施例中，在上述的至少一第二腔體在第一基板上的投影範圍上，至少部分彈性膜直接接觸光學液體。
在本發明的一實施例中，在上述的第一腔體在第一基板上的投影範圍上，彈性膜、至少一壓電薄膜與光學液體自上而下依序相疊。
在本發明的一實施例中，上述的可變焦距光學元件還包括一反射層。反射層位於彈性膜的一外表面的一部分上，其中反射層的部分與第一腔體在第一基板上的投影範圍上重疊。
在本發明的一實施例中，上述的至少一第二腔體包含多個圓柱狀腔體，這些圓柱狀腔體分別位於第一基板。
在本發明的一實施例中，上述的至少一第二腔體包含多個凹槽，這些凹槽分別位於第一基板。
在本發明的一實施例中，上述的可變焦距光學元件，還包括一透明膜。上述的至少一壓電薄膜為環狀，並位於透明膜上且圍繞第一腔體。
在本發明的一實施例中，上述的至少一壓電薄膜為環狀，並圍繞第一腔體，且具有四區域，這些驅動電極分別施加不同的驅動電壓至至少一壓電薄膜的四區域上。
在本發明的一實施例中，上述的至少一壓電薄膜包括一第一壓電薄膜與一第二壓電薄膜，這些驅動電極包括一第一驅動電極、一第二驅動電極與一第三驅動電極，其中第一驅動電極、第一壓電薄膜、第二驅動電極、第二壓電薄膜、第三驅動電極自下而上依序相疊於第一基板上。
在本發明的一實施例中，上述的驅動電壓的範圍不大於10伏特。
在本發明的一實施例中，上述的驅動電極的形狀為環狀。
在本發明的一實施例中，上述的至少一壓電薄膜為透光材質。
在本發明的一實施例中，上述的至少一壓電薄膜具有相對的一第一外表面與一第二外表面，第一外表面面向第一腔體，可變焦距光學元件還包括一反射層，位於至少一壓電薄膜的第二外表面上。
基於上述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的實施例中，可變焦距光學元件藉由彈性係數相對較小的彈性膜的設置，而使位於光通口徑區域內的壓電薄膜在不同環境條件下仍能在施加驅動電壓時保持近似於球面的形狀，而有效維持可變焦距光學元件的光學品質。此外，本實施例的可變焦距光學元件以低驅動電壓施加至壓電薄膜，即能有效使壓電薄膜產生應力變形，而有助於提升可變焦距光學元件的可靠度。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
圖1A是依照本發明的實施例的一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。圖1B是圖1A的可變焦距光學元件的俯視示意圖。請參照圖1A，本實施例的可變焦距光學元件100，包括一第一基板110、至少一壓電薄膜120、一光學液體130、多個驅動電極140、一第二基板150以及一彈性膜160。舉例而言，在本實施例中，第一基板110的材質例如為矽(Silicon)，第二基板150的材質例如為玻璃，彈性膜160的材質例如為聚對二甲苯(Parylene)或聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS），但本發明不以此為限。在本實施例中，光學液體130的材料為此技術領域人員可知道的透光材料，在此即不贅述。具體而言，在本實施例中，壓電薄膜120為透光材質，例如可為單晶(single crystal)材料的壓電薄膜，但本發明亦不以此為限，在其他實施例中，壓電薄膜可為非透光材料。
具體而言，如圖1A所示，在本實施例中，第一基板110具有相對的一第一表面111與一第二表面112，且第一基板110具有一第一腔體113，例如第一腔體113位於第一基板110的中央處，其中第一腔體113貫穿第一表面111與第二表面112。此外，在本實施例中，第二基板150位於第一基板110的第二表面112上，其中第二基板150具有至少一第二腔體151。舉例而言，如圖1A與圖1B所示，在本實施例中，至少一第二腔體151包含多個圓柱狀腔體CH。至少一第二腔體151與第一基板110的第一腔體113連通。
進一步而言，如圖1A所示，在本實施例中，光學液體130適於填滿第一腔體113，且光學液體130亦會填滿至少一第二腔體151。第二基板150位於彈性膜160與第一基板110之間。如圖1A所示，在本實施例中，彈性膜160覆蓋第二基板150與至少一第二腔體151，以密封光學液體130。另一方面，如圖1A所示，在本實施例中，至少一壓電薄膜120位於第一基板110的第一表面111上。因此填滿第一腔體113與第二腔體151的光學液體130會接觸至少一壓電薄膜120與彈性膜160。
如圖1B所示，在本實施例中，至少一壓電薄膜120在第一基板110上的投影範圍會完全覆蓋第一腔體113在第一基板110上的投影範圍。此外，如圖1B所示，在本實施例中，第一腔體113在第一基板110上的投影範圍與至少一第二腔體151在第一基板110上的投影範圍至少部分重疊。舉例而言，如圖1A所示，在本實施例中，第一基板110、至少一壓電薄膜120、第二基板150以及彈性膜160的長度跟寬度皆約為6毫米(millimeter，mm)，而第一基板110、壓電薄膜120、第二基板150以及彈性膜160的厚度分別約為400微米(micrometer，um)、5微米、200微米以及20微米。第一腔體113的直徑約為3.5毫米，第二腔體151的直徑約為1.8毫米。應注意的是，此處的數值範圍皆僅是作為例示說明之用，其並非用以限定本發明。
接著，請繼續參照圖1A與圖1B，在本實施例中，多個驅動電極140位於第一基板110的第一表面111上。具體而言，如圖1B所示，驅動電極140的形狀為環狀，而圍繞第一腔體113。舉例而言，驅動電極140的外徑約為3.5毫米，內徑約為3毫米。應注意的是，此處的數值範圍皆僅是作為例示說明之用，其並非用以限定本發明。
如圖1A所示，在本實施例中，至少一壓電薄膜120分別被對應的這些驅動電極140驅動，且壓電薄膜120分別被對應的這些驅動電極140夾持。舉例而言，如圖1A所示，在本實施例中，至少一壓電薄膜120包括一第一壓電薄膜121與一第二壓電薄膜122，這些驅動電極140包括一第一驅動電極141、一第二驅動電極142與一第三驅動電極143，其中第一驅動電極141、第一壓電薄膜121、第二驅動電極142、第二壓電薄膜122、第三驅動電極143自下而上依序相疊於第一基板110上。更詳細而言，如圖1A所示，在本實施例中，第一壓電薄膜121具有相對的一第一外表面121a與一第一內表面121b，其中第一外表面121a面向第一腔體113。第二壓電薄膜122具有相對的一第二外表面122a與一第二內表面122b，其中第一壓電薄膜121的第一內表面121b與第二壓電薄膜122的第二內表面122b相接觸。第一驅動電極141位於第一基板110的第一表面111上。第二驅動電極142位於第一壓電薄膜121的第一內表面121b與第二壓電薄膜122的第二內表面122b之間。第三驅動電極143位於第二壓電薄膜122的第二外表面122a上。
具體而言，在本實施例中，第一壓電薄膜121與第二壓電薄膜122的壓電係數例如相同。如此，當各驅動電極140分別施加不同的驅動電壓至至少一壓電薄膜120的第一壓電薄膜121與第二壓電薄膜122時，第一壓電薄膜121與第二壓電薄膜122分別會產生不同的形變，而可使至少一壓電薄膜120產生彎曲形變，而達到光學變焦的目的。此外，在其他實施例中，依據可變焦距光學元件100結構設計，第一壓電薄膜121與第二壓電薄膜122的壓電係數可以不同，當各驅動電極140分別施加相同的驅動電壓至至少一壓電薄膜120的第一壓電薄膜121與第二壓電薄膜122時，第一壓電薄膜121與第二壓電薄膜122分別會產生不同的形變，而可使至少一壓電薄膜120產生彎曲形變，而達到光學變焦的目的。但本發明不以此為限。
另一方面，在本實施例中，彈性膜160的彈性係數小於至少一壓電薄膜120。如此，可藉由彈性係數相對較小的彈性膜160的設置，而使位於光通口徑區域(Clear Aperture)CA內的壓電薄膜120在施加驅動電壓時仍能保持近似於球面的形狀，而有效維持可變焦距光學元件100的光學品質。
當光束L由彈性膜160進入可變焦距光學元件100，通過光學液體130與至少一壓電薄膜120的光學作用下，可讓光束L達到改變焦距的功效。在其他實施例中，光束L可由至少一壓電薄膜120進入可變焦距光學元件100，不以此為限。
以下將搭配圖2A至圖2C，對此進行進一步地解說。
圖2A是圖1A的可變焦距光學元件被施加驅動電壓而變形的剖視示意圖。具體而言，如圖2A所示，在本實施例中，當壓電薄膜120產生形變時，由於光學液體130的體積在常溫下保持恆定，因此會在第一腔體113與第二腔體151內流動，由於彈性膜160的彈性係數遠小於至少一壓電薄膜120，因此能吸收壓電薄膜120變形時的體積變化量，而此時覆蓋於第二基板150的第二腔體151的彈性膜160亦會隨之變形，而可使流動的光學液體130不致去擠壓至少一壓電薄膜120的邊緣，而引起不需要的形變，換句話說，若無設置彈性膜16，則將影響至少一壓電薄膜120的變形量，藉由本發明彈性膜16的設置，至少一壓電薄膜120的表面的形狀變形量能符合預期的變形而維持可變焦距光學元件的光學品質。
圖2B是圖1A的可變焦距光學元件因重力效應而變形的俯視示意圖。具體而言，如圖2B所示，在本實施例中，在重力方向G中，當可變焦距光學元件100呈水平光軸(如圖1A，光束L的光軸)擺放時，第一腔體113與第二腔體151內的液體壓力下方大於上方，因此，會造成位於下方的壓電薄膜120與彈性膜160承受較大的壓力。然而，由於覆蓋第二腔體151的彈性膜160因具有相對於壓電薄膜120小的彈性係數，因此，壓力分佈不均而造成的形變，其中大部分壓力會由彈性膜160吸收，壓電薄膜120的形狀因而能保持相對地穩定。如此，藉由彈性膜160的設置，除了可吸收壓電薄膜120變形的體積變化量外，亦可降低重力對壓電薄膜120的影響。
圖2C是圖1A的可變焦距光學元件因溫度變化而變形的俯視示意圖。具體而言，如圖2C所示，在本實施例中，當光學液體130因溫度變化而產生體積變化時，亦會在第一腔體113與第二腔體151內流動，而擠壓壓電薄膜120與彈性膜160。此時，壓電薄膜120與彈性膜160所產生的形變量會與其材料彈性係數、浦松比（Poison Ratio）、腔體口徑、薄膜厚度有關，而被上述係數所決定。舉例而言，在本實施例中，壓電薄膜120與彈性膜160的楊氏模數（young’s modulus）分別為70十億帕斯卡（GPa） 與400仟帕斯卡（kPa），浦松比分別為0.31與0.4，半孔徑大小分別為2毫米與0.8毫米，且厚度分別為5微米與10微米。如此，當光學液體130的體積熱膨脹率為6.3x10 -4cc/cc/ºC，且在溫度上升20ºC的情況下，由於壓電薄膜120的彈性係數是彈性膜160的175000倍。因此，彈性膜160的變形量為17.48微米，而壓電薄膜120變形量僅為0.02微米。如此可知，藉由彈性係數相對較小的彈性膜160的設置，可有效抑制溫度變化對壓電薄膜120的形狀影響，可有效消除因溫度變化而導致焦距飄移的效應。應注意的是，此處的數值範圍皆僅是作為例示說明之用，其並非用以限定本發明。
如此，藉由彈性係數相對較小的彈性膜160的設置，即可使位於光通口徑區域CA內的壓電薄膜120在施加驅動電壓時仍能保持近似於球面的形狀，而有效維持可變焦距光學元件100的光學品質。
以下將搭配圖3，針對可變焦距光學元件100的調焦距數據進行進一步地解說。
圖3是圖1A的壓電薄膜變形量與驅動電壓的模擬數據關係圖。舉例而言，如圖1A所示，在本實施例中，第二基板150的表面為平面，因此可變焦距光學元件100的焦距長度可由以下方程式決定： 其中f為可變焦距光學元件100的焦距長度、n為光學液體130的折射率、R為壓電薄膜120的曲率半徑。
以下內容將舉出可變焦距光學元件100的一實施例，然而，下文中所列舉的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明的範疇內。 〈表一〉
驅動電壓 (V) 弧矢SAG (um) 曲率半徑(mm) 形狀精度(um) 有效焦距(EFL)(mm) 屈光度(1/m)
0.1 1.27 -1070.75 0.00153 2065.66 0.5
0.2 2.54 -535.30 0.00329 1032.69 1.0
0.3 3.81 -357.04 0.00343 688.79 1.5
0.4 5.08 -267.76 0.00489 516.55 1.9
0.5 6.35 -214.19 0.00643 413.22 2.4
0.6 7.62 -178.46 0.00896 344.28 2.9
0.7 8.89 -153.00 0.00871 295.17 3.4
0.8 10.16 -133.89 0.00970 258.29 3.9
0.9 11.43 -118.99 0.01317 229.54 4.4
1 12.70 -107.08 0.01531 206.58 4.8
具體而言，在本實施例中，當驅動電極140施加一定的驅動電壓時，壓電薄膜120會產生形變，其形變的數據經由模擬分析後，結果如表一以及圖3所示。詳細而言，如表一所示，在驅動電壓為0.1V時，壓電薄膜120的中心弧矢的最大形變量為1.27微米。並且，驅動電壓每增加0.1V，壓電薄膜120的中心弧矢的形變量呈線性增加（即12.7微米/伏特）。進一步而言，如表一所示，在通光口徑為3毫米的範圍內，壓電薄膜120的形狀精度小於0.01微米，且可適用變焦範圍為4dpt，因此，壓電薄膜120接近完美球面，可有效減少球面像差，而有效維持可變焦距光學元件100的光學品質。此外，本實施例中僅以驅動電壓0~1V作為範例，在本發明中藉由正、負電壓的改變可讓壓電薄膜120形變的方向改變，也就是讓變焦範圍在-4dpt至4dpt。詳細的說，就是壓電薄膜120形變的方向可遠離第一腔體113或者朝向第一腔體113彎曲。
此外，在本實施例中，可變焦距光學元件100的變形量與施加的驅動電壓的關係亦呈簡單的線性關係，即每伏特增加4.8dpt，因此易於控制與調焦。此外，如表一以及圖3所示，在本實施例中，以低驅動電壓施加至壓電薄膜120，即能有效使壓電薄膜120產生應力變形，而有助於提升可變焦距光學元件100的可靠度。舉例而言，在本實施例中，驅動電壓的範圍不大於10伏特，也能有效讓壓電薄膜120產生所需要的變形。應注意的是，此處的數值範圍皆僅是作為例示說明之用，其並非用以限定本發明。
如此一來，本實施例的可變焦距光學元件100藉由彈性係數相對較小的彈性膜160的設置，而使位於光通口徑區域CA內的壓電薄膜120在不同環境條件下仍能在施加驅動電壓時保持近似於球面的形狀，而有效維持可變焦距光學元件100的光學品質。此外，本實施例的可變焦距光學元件100以低驅動電壓施加至壓電薄膜120，即能有效使壓電薄膜120產生應力變形，而有助於提升可變焦距光學元件100的可靠度。
此外，以第一基板110為400微米的厚度且第一腔體113的直徑為3.5毫米為一實施例中，藉由彈性膜160的設置，可在充填光學液體130時具有較大的體積容差值，比照先前技術若無採用本案的彈性膜160時，在未施予驅動電壓，使得可變焦距光學元件的屈光度誤差達到3.5dpt，若採用本案彈性膜160的設置，則可完全吸收光學液填充所造成的體積誤差，以消除屈光度的誤差。藉由彈性膜160的設置，壓電薄膜120就不會在未施加驅動電壓時就產生形變。
圖4是依照本發明的實施例的一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。請參照圖4，本實施例的可變焦距光學元件400與圖1A的可變焦距光學元件100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例中，可變焦距光學元件100還包括一反射層470。反射層470位於至少一壓電薄膜120上。更詳細而言，如圖4所示，在本實施例中，反射層470位於至少一壓電薄膜120的第二外表面122a上。如此，可變焦距光學元件400即可作為反射面鏡使用。
在本實施例中，由於可變焦距光學元件400與可變焦距光學元件100具有類似的結構，因此可變焦距光學元件400具有可變焦距光學元件100所提及的優點，在此亦不再贅述。
在前述的實施例中，第二腔體151雖以包含多個圓柱狀腔體CH為例示，但本發明不以此為限。在其他的實施例中，第二腔體151亦可視需求而製成其他形狀，任何所屬領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其形狀作適當的更動，惟其仍應屬於本發明的範疇內。以下將另舉一實施例作為說明。
圖5A是依照本發明的實施例的另一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。圖5B是圖5A的可變焦距光學元件的俯視示意圖。請參照圖5A與圖5B，本實施例的可變焦距光學元件500A與圖1A的可變焦距光學元件100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例中，可變焦距光學元件500A的至少一第二腔體551包含一凹槽AG。此外，第一腔體113與至少一第二腔體551的凹槽AG之間具有至少一通道515連通。光學液體130填滿至少一第二腔體551與至少一通道515。此外，至少一通道515設置的位置與數量不加以限制。具體而言，如圖5A與圖5B所示，在本實施例中，由於第二腔體551包含了具有大面積的凹槽AG，因此，填滿第二腔體551的光學液體130與彈性膜160的接觸面積也會變大。如此，彈性膜160所能承受的形變量也會隨之變大，而能有利於在不同環境條件下進行應用。
此外，在本實施例中，由於可變焦距光學元件500A與可變焦距光學元件100具有類似的結構，因此可變焦距光學元件500A具有可變焦距光學元件100所提及的優點，在此亦不再贅述。
圖6A是依照本發明的實施例的另一種可變焦距光學元件的俯視示意圖。圖6B是圖6A的可變焦距光學元件的第一腔體的剖視示意圖。圖6C是圖6A的一種可變焦距光學元件的第二腔體的剖視示意圖。請參照圖6A，本實施例的可變焦距光學元件600A與圖1A的可變焦距光學元件100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例中，可變焦距光學元件600A將第二腔體614形成於第一基板610中，而非形成於第二基板650中。如此，將可藉由一次性的蝕刻製程，在第一基板610中同時形成第一腔體113與第二腔體614。
具體而言，如圖6A所示，在本實施例中，第一基板610具有至少一第二腔體614以及至少一通道615。至少一第二腔體614藉由對應的至少一通道615與第一腔體113連通，光學液體130填滿至少一第二腔體614與至少一通道615。舉例而言，在本實施例中，至少一第二腔體614包含多個圓柱狀腔體CH，這些圓柱狀腔體CH分別位於第一基板610的角落。
進一步而言，如圖6A與圖6B所示，在本實施例中，可變焦距光學元的彈性膜660位於第一基板610的第一表面111上，且覆蓋第一腔體113在第一基板610上的投影範圍，彈性膜660、至少一壓電薄膜120與光學液體130自上而下依序相疊。此外，如圖6A與圖6C所示，在本實施例中，至少一壓電薄膜120在第一基板610上的投影範圍與至少一第二腔體614在第一基板610上的投影範圍至少部分不重疊。
如此，在至少一第二腔體614在第一基板610上的投影範圍，至少部分彈性膜660即能直接接觸填滿第二腔體614中的光學液體130。由於彈性膜660的彈性係數小於至少一壓電薄膜120，因此可變焦距光學元件600A藉由彈性係數相對較小的彈性膜660的設置，而使位於光通口徑區域CA內的壓電薄膜120在不同環境條件下仍能在施加驅動電壓時保持近似於球面的形狀，而有效維持可變焦距光學元件600A的光學品質。此外，在本實施例中，可變焦距光學元件600A以低驅動電壓施加至壓電薄膜120時，亦即能有效使壓電薄膜120產生應力變形，而有助於提升可變焦距光學元件600A的可靠度。因此可變焦距光學元件600A具有可變焦距光學元件100所提及的優點，在此亦不再贅述。
圖6D是依照本發明的實施例的又一種可變焦距光學元件600的剖視示意圖。請參照圖6D，本實施例的可變焦距光學元件600D與圖6A的可變焦距光學元件600A類似，而兩者的差異如下所述。如圖6D所示，在本實施例中，可變焦距光學元件600D還包括一反射層670。反射層670位於彈性膜660的一外表面661的一部分上，其中彈性膜660的外表面661的部分與第一腔體113在第一基板610上的投影範圍上重疊。此外，反射層670與第一腔體113在第一基板610上的投影範圍上重疊。如此，可變焦距光學元件600D即可作為反射面鏡使用。
在本實施例中，由於可變焦距光學元件600D與可變焦距光學元件600A具有類似的結構，因此可變焦距光學元件600D具有可變焦距光學元件600A所提及的優點，在此亦不再贅述。
在前述的多個實施例中，第二腔體614雖以包含多個圓柱狀腔體CH為例示，但本發明不以此為限。在其他的實施例中，第二腔體614亦可視需求而製成其他形狀，任何所屬領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其形狀作適當的更動，惟其仍應屬於本發明的範疇內。以下將另舉一實施例作為說明。
圖7是依照本發明的實施例的又一種可變焦距光學元件的俯視示意圖。請參照圖7，本實施例的可變焦距光學元件700與圖6A的可變焦距光學元件600A類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例中，可變焦距光學元件700的至少一第二腔體714包含多個凹槽GR，這些凹槽GR分別位於鄰近第一基板710的角落。具體而言，如圖7所示，在本實施例中，由於第二腔體714包含了具有較大面積的凹槽GR，因此，填滿第二腔體714的光學液體130與彈性膜760的接觸面積也會變大。如此，彈性膜760所能承受的形變量也會隨之變大，而能有利於在不同環境條件下進行應用。
在本實施例中，由於可變焦距光學元件700與可變焦距光學元件600A具有類似的結構，因此可變焦距光學元件700具有可變焦距光學元件600A所提及的優點，在此亦不再贅述。
此外，在本實施例中，亦可再將一反射層（未繪示）設於可變焦距光學元件700上，其中反射層（未繪示）與第一腔體113在第一基板710上的投影範圍上重疊，而形成於類似圖6D的結構的可變焦距光學元件，以作為反射面鏡使用。此一可變焦距光學元件由於與圖6D的可變焦距光學元件600D具有類似的結構，因此亦具有可變焦距光學元件600D所提及的優點，在此亦不再贅述。
圖8A是依照本發明的實施例的另一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。本實施例的可變焦距光學元件800A與圖4的可變焦距光學元件400類似，而兩者的差異如下所述。如圖8A所示，在本實施例中，可變焦距光學元件800A不包括第二基板150、光學液體130以及彈性膜160，而僅包括第一基板110、壓電薄膜120、多個驅動電極140以及反射層870，且壓電薄膜120在第一基板110上的投影範圍完全覆蓋第一腔體113在第一基板110上的投影範圍。
本實施例的可變焦距光學元件800A亦可藉由壓電薄膜120的配置，而以低驅動電壓施加至壓電薄膜120時，即能有效使壓電薄膜120產生應力變形，而有助於提升可變焦距光學元件800A的可靠度。因此可變焦距光學元件800A具有可變焦距的優點，在此亦不再贅述。
如圖8A所示，本實施例中，可變焦距光學元件800A使用多個壓電薄膜120。反射層870位於至少一壓電薄膜120的第二外表面122a上。如此，可變焦距光學元件800A即可作為反射鏡使用，而可反射由可變焦距光學元件800A上方入射的光束L，用於調整光束L的焦距距離。
圖8B是依照本發明的實施例的又一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。本實施例的可變焦距光學元件800B與圖8A的可變焦距光學元件800A類似，而兩者的差異如下所述。如圖8B所示，在本實施例中，可變焦距光學元件800B的反射層870位於至少一壓電薄膜120的第一外表面121a上，而可反射經由第一腔體113入射的光線如此，可變焦距光學元件800B亦可作為反射面鏡使用，經由第一腔體113入射的光束L，藉由可變焦距光學元件800B的反射層870用於調整光束L的焦距距離。
在本實施例中，由於可變焦距光學元件800B與圖8A的可變焦距光學元件800A具有類似的結構，因此可變焦距光學元件800B具有可變焦距光學元件800A所提及的優點，在此亦不再贅述。
圖9是依照本發明的實施例的又一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。請參照圖9，本實施例的可變焦距光學元件900與圖1A的可變焦距光學元件100類似，而兩者的差異如下所述。如圖9所示，在本實施例中，可變焦距光學元件900還包括一透明膜980，而至少一壓電薄膜920為環狀，並位於透明膜980上且圍繞第一腔體113，其中透明膜980與至少一壓電薄膜920是不同材料。
本實施例的可變焦距光學元件900亦在第二基板150的下方設置了彈性係數相對較小的彈性膜160，而可藉此使位於光通口徑區域CA內的壓電薄膜920在不同環境條件下仍能在施加驅動電壓時保持近似於球面的形狀，而有效維持可變焦距光學元件900的光學品質。此外，本實施例的可變焦距光學元件900以低驅動電壓施加至壓電薄膜120，即能有效使壓電薄膜920產生應力變形，而有助於提升可變焦距光學元件900的可靠度。因此可變焦距光學元件900具有可變焦距光學元件100所提及的優點，在此亦不再贅述。
圖10A是依照本發明的實施例的另一種壓電薄膜的俯視示意圖。如圖10A所示，在本實施例中，至少一壓電薄膜920具有四區域R1、R2、R3、R4，至少一壓電薄膜120的四區域R1、R2、R3、R4上被分別施加不同的驅動電壓，以使壓電薄膜920在軸X的方向與軸Y的方向產生不同程度的彎曲形變。如此，壓電薄膜920所產生的彎曲形變，將可使可變焦距光學元件900的焦點在焦平面上可相對於光軸有垂直方向上的偏移，有利於可變焦距光學元件900的應用。此外，至少一壓電薄膜920可區分多個區域，但不限制數量。
舉例而言，圖10B是依照本發明的實施例的另一種壓電薄膜的俯視示意圖。如圖10B所示，在本實施例中，至少一壓電薄膜920具有兩區域R1、R2，兩區域上被分別施加不同的驅動電壓，以使壓電薄膜920在軸X的方向或者軸Y的方向產生不同程度的彎曲形變。
圖11是應用圖10A的壓電薄膜的一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。參考圖10A與圖11，至少一壓電薄膜120的四區域R1、R2、R3、R4上被分別施加不同的驅動電壓，以使壓電薄膜920在軸X的方向與軸Y的方向產生不同程度的彎曲形變，也就是產生不對稱的變形，如此可改變透明膜980的變形量。藉由此可變焦距光學元件900的變形，使得光束不論是穿透或反射皆可讓光束除了改變焦距外還可偏移光束聚焦的位置，例如水平偏移聚焦的位置(焦點的位置)。在其他實施例中，應用圖10B的壓電薄膜的一種可變焦距光學元件，至少一壓電薄膜120的兩區域R1、R2上被分別施加不同的驅動電壓，以使壓電薄膜920在軸X的方向或者軸Y的方向產生不同程度的彎曲形變，也就是產生不對稱的變形，如此可改變透明膜980的變形量。
值得一提的是，在圖10A與圖10B中的壓電薄膜也可實施於圖8A中沒有光學液體的可變焦距光學元件。
綜上所述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的實施例中，可變焦距光學元件藉由彈性係數相對較小的彈性膜的設置，而使位於光通口徑區域內的壓電薄膜在不同環境條件下仍能在施加驅動電壓時保持近似於球面的形狀，而有效維持可變焦距光學元件的光學品質。此外，本實施例的可變焦距光學元件以低驅動電壓施加至壓電薄膜，即能有效使壓電薄膜產生應力變形，而有助於提升可變焦距光學元件的可靠度。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍權利要求中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。
100、400、500A、600A、600D、700、800A、800B、900‧‧‧可變焦距光學元件
110、610、710‧‧‧第一基板
111‧‧‧第一表面
112‧‧‧第二表面
113‧‧‧第一腔體
120、920‧‧‧壓電薄膜
121‧‧‧第一壓電薄膜
121a‧‧‧第一外表面
121b‧‧‧第一內表面
122‧‧‧第二壓電薄膜
122a‧‧‧第二外表面
122b‧‧‧第二內表面
130‧‧‧光學液體
140‧‧‧驅動電極
141‧‧‧第一驅動電極
142‧‧‧第二驅動電極
143‧‧‧第三驅動電極
150、650‧‧‧第二基板
151、551、614、714‧‧‧第二腔體
160、660、760‧‧‧彈性膜
661‧‧‧外表面
470、670、870‧‧‧反射層
515、615‧‧‧通道
980‧‧‧透明膜
AG、GR‧‧‧凹槽
CH‧‧‧圓柱狀腔體
CA‧‧‧光通口徑區域
G‧‧‧重力方向
L‧‧‧光束
R1、R2、R3、R4‧‧‧區域
X、Y‧‧‧軸
圖1A是依照本發明的實施例的一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。 圖1B是圖1A的可變焦距光學元件的俯視示意圖。 圖2A是圖1A的可變焦距光學元件被施加驅動電壓而變形的剖視示意圖。 圖2B是圖1A的可變焦距光學元件因重力效應而變形的剖視示意圖。 圖2C是圖1A的可變焦距光學元件因溫度變化而變形的剖視示意圖。 圖3是圖1A的壓電薄膜變形量與驅動電壓的模擬數據關係圖。 圖4是依照本發明的實施例的一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。 圖5A是依照本發明的實施例的另一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。 圖5B是圖5A的可變焦光學元件的俯視示意圖。 圖6A是依照本發明的實施例的另一種可變焦距光學元件的俯視示意圖。 圖6B是圖6A的可變焦距光學元件的第一腔體的剖視示意圖。 圖6C是圖6A的可變焦距光學元件的第二腔體的剖視示意圖。 圖6D是依照本發明的實施例的又一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。 圖7是依照本發明的實施例的又一種可變焦距光學元件的俯視示意圖。 圖8A是依照本發明的實施例的另一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。 圖8B是依照本發明的實施例的又一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。 圖9是依照本發明的實施例的又一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。 圖10A是依照本發明的實施例的另一種壓電薄膜的俯視示意圖。 圖10B是依照本發明的實施例的另一種壓電薄膜的俯視示意圖。 圖11是應用圖10A的壓電薄膜的一種可變焦距光學元件的剖視示意圖。

Claims (29)

  1. 一種可變焦距光學元件，包括： 一第一基板，具有相對的一第一表面與一第二表面，且該第一基板具有一第一腔體，其中該第一腔體貫穿該第一表面與該第二表面； 至少一壓電薄膜，位於該第一基板的該第一表面上； 一反射層，位於該至少一壓電薄膜的一表面；以及 多個驅動電極，位於該第一基板的該第一表面上，並圍繞該第一腔體，其中該至少一壓電薄膜分別被對應的該些驅動電極驅動，且各該驅動電極分別施加一驅動電壓至該至少一壓電薄膜，以使該至少一壓電薄膜產生形變。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一壓電薄膜在該第一基板上的投影範圍完全覆蓋該第一腔體在該第一基板上的投影範圍。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的可變焦距光學元件，該至少一壓電薄膜具有相對的一第一外表面與一第二外表面，其中該表面為該第一外表面，該第一外表面面向該第一腔體，且該反射層位於該至少一壓電薄膜的該第一外表面上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一壓電薄膜具有相對的一第一外表面與一第二外表面，其中該表面為該第二外表面，該第一外表面面向該第一腔體，且該反射層位於該至少一壓電薄膜的該第二外表面上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的變焦距光學元件，其中該驅動電壓的範圍不大於10伏特。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的可變焦距光學元件，其中該些驅動電極的形狀為環狀。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一壓電薄膜為透光材質。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一壓電薄膜包括一第一壓電薄膜與一第二壓電薄膜，該些驅動電極包括一第一驅動電極、一第二驅動電極與一第三驅動電極，其中該第一驅動電極、該第一壓電薄膜、該第二驅動電極、該第二壓電薄膜、該第三驅動電極自下而上依序相疊於該第一基板上。
  9. 一種可變焦距光學元件，包括： 一第一基板，具有相對的一第一表面與一第二表面，且該第一基板具有一第一腔體，其中該第一腔體貫穿該第一表面與該第二表面； 至少一壓電薄膜，位於該第一基板的該第一表面上； 一光學液體，適於填滿該第一腔體，其中該光學液體接觸該至少一壓電薄膜； 一第二基板，位於該第一基板的該第二表面上；以及 多個驅動電極，位於該第一基板的該第一表面上，並圍繞該第一腔體，其中該至少一壓電薄膜分別被對應的該些驅動電極驅動，且各該驅動電極分別施加一驅動電壓至該至少一壓電薄膜，以使該至少一壓電薄膜產生形變。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一壓電薄膜在該第一基板上的投影範圍完全覆蓋該第一腔體在該第一基板上的投影範圍。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的可變焦距光學元件，還包括一彈性膜，其中該第二基板具有至少一第二腔體，該至少一第二腔體與該第一基板的該第一腔體連通，且該光學液體填滿該至少一第二腔體，以及該第二基板位於該彈性膜與該第一基板之間，該彈性膜覆蓋該第二基板，以密封該光學液體，且該彈性膜的彈性係數小於該至少一壓電薄膜。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一第二腔體包含多個圓柱狀腔體。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一第二腔體包含一凹槽。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的可變焦距光學元件，其中該第一腔體在該第一基板上的投影範圍與該至少一第二腔體在該第一基板上的投影範圍至少部分重疊。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的可變焦距光學元件，還包括： 一彈性膜，位於該第一基板的該第一表面上，其中該第一基板具有至少一第二腔體以及至少一通道，其中該至少一第二腔體藉由對應的該至少一通道與該第一腔體連通，該光學液體填滿該至少一第二腔體與該至少一通道，該彈性膜的彈性係數小於該至少一壓電薄膜。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一壓電薄膜在該第一基板上的投影範圍與該至少一第二腔體在該第一基板上的投影範圍至少部分不重疊。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的可變焦距光學元件，其中在該至少一第二腔體在該第一基板上的投影範圍上，至少部分該彈性膜直接接觸該光學液體。
  18. 如申請專利範圍第15項所述的可變焦距光學元件，其中在該第一腔體在該第一基板上的投影範圍上，該彈性膜、該至少一壓電薄膜與該光學液體自上而下依序相疊。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的可變焦距光學元件，還包括： 一反射層，位於該彈性膜的一外表面的一部分上，其中該反射層的一部分與該第一腔體在該第一基板上的投影範圍上重疊。
  20. 如申請專利範圍第15項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一第二腔體包含多個圓柱狀腔體，該些圓柱狀腔體分別位於該第一基板。
  21. 如申請專利範圍第15項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一第二腔體包含多個凹槽，該些凹槽分別位於該第一基板。
  22. 如申請專利範圍第9項所述的可變焦距光學元件，還包括： 一透明膜，其中該至少一壓電薄膜為環狀，並位於該透明膜上且圍繞該第一腔體。
  23. 如申請專利範圍第9項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一壓電薄膜為環狀，並圍繞該第一腔體，且具有四區域，該些驅動電極分別施加不同的驅動電壓至該至少一壓電薄膜的該四區域上。
  24. 如申請專利範圍第9項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一壓電薄膜包括一第一壓電薄膜與一第二壓電薄膜，該些驅動電極包括一第一驅動電極、一第二驅動電極與一第三驅動電極，其中該第一驅動電極、該第一壓電薄膜、該第二驅動電極、該第二壓電薄膜、該第三驅動電極自下而上依序相疊於該第一基板上。
  25. 如申請專利範圍第9項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一壓電薄膜為環狀，並圍繞該第一腔體，且具有兩區域，該些驅動電極分別施加不同的驅動電壓至該至少一壓電薄膜的該兩區域上。
  26. 如申請專利範圍第9項所述的可變焦距光學元件，其中該驅動電壓的範圍不大於10伏特。
  27. 如申請專利範圍第9項所述的可變焦距光學元件，其中該些驅動電極的形狀為環狀。
  28. 如申請專利範圍第9項所述的可變焦距光學元件，其中該至少一壓電薄膜為透光材質。
  29. 如申請專利範圍第9項所述的可變焦距光學元件，該至少一壓電薄膜具有相對的一第一外表面與一第二外表面，該第一外表面面向該第一腔體，且該可變焦距光學元件還包括： 一反射層，位於該至少一壓電薄膜的該第二外表面上。
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