TWI783660B - 可變焦距光學元件 - Google Patents

Abstract

一種可變焦距光學元件。可變焦距光學元件包括透光層、蓋體、膠體、壓電薄膜以及驅動電極。蓋體具有第一通孔以定義光通區域。蓋體、黏著層與透光層共同包圍形成第一腔體，膠體填充於第一腔體中。驅動電極用於驅動壓電薄膜，使壓電薄膜產生形變並拉動透光層形變，以擠壓第一腔體中的膠體，並由此控制膠體自第一通孔凸出而在光通區域中所形成的光學面的曲率變化。

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，且可利用製作微機電系統(Micro Electro Mechanical System,MEMS)的製程製作，可將光學變焦元件的結構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，其製程簡易且具有穩定的光學特性。

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透光層、蓋體、膠體、壓電薄膜以及驅動電極。蓋體具有第一通孔以定義光通區域，且蓋體通過黏著層而黏著於透光層上，蓋體、黏著層與透光層共同包圍形成第一腔體。膠體填充於第一腔體 中。透光層重疊設置於壓電薄膜。驅動電極用於驅動壓電薄膜，其中驅動電極施加驅動電壓至壓電薄膜，使壓電薄膜產生伸縮形變並拉動透光層彎曲形變，以擠壓第一腔體中的膠體，並由此控制膠體自第一通孔凸出而在光通區域中所形成的光學面的曲率變化。

在本發明的一實施例中，上述的透光層的材料包含高分子材料或玻璃。

在本發明的一實施例中，上述的透光層通過磊晶方式成長於壓電薄膜上。

在本發明的一實施例中，上述的透光層通過貼合方式與壓電薄膜接合。

在本發明的一實施例中，上述的可變焦距光學元件更包括第一基板以及承載層。第一基板具有貫穿第一基板的第二通孔。承載層位於第一基板上，且具有貫穿承載層的第三通孔，第三通孔由凸伸結構所形成，第二通孔、第三通孔與第一通孔彼此重疊，且第一通孔在第一基板上的投影完全位於第二通孔與第三通孔在第一基板上的投影中，其中壓電薄膜位於承載層上。

在本發明的一實施例中，上述的透光層位於蓋體與壓電薄膜之間。

在本發明的一實施例中，上述的承載層包括：第一絕緣層、第二絕緣層、以及晶圓層。第二絕緣層與第一絕緣層重疊設置。晶圓層位於第一絕緣層與第二絕緣層之間，其中壓電薄膜設 置於第一絕緣層上，且透光層設置於壓電薄膜上。

在本發明的一實施例中，上述的透光層為第一絕緣層，承載層包括第二絕緣層以及晶圓層，第一絕緣層疊設於晶圓層上，晶圓層位於第二絕緣層與透光層之間。

在本發明的一實施例中，上述的承載層包括第二絕緣層以及晶圓層，第二絕緣層位於第一基板與晶圓層之間，透光層位於晶圓層與壓電薄膜之間，且壓電薄膜覆蓋光通區域，其中透光層的材料包含高分子材料或玻璃。

在本發明的一實施例中，上述的壓電薄膜位於透光層與蓋體之間，且第一腔體包括了蓋體的第一通孔與承載層的第三通孔。

在本發明的一實施例中，上述的承載層包括第一絕緣層以及晶圓層，透光層為第二絕緣層，晶圓層位於第一絕緣層與透光層之間，透光層位於第一基板與晶圓層之間，其中可變焦距光學元件更包括輔助壓電薄膜，輔助壓電薄膜設置於透光層上。

在本發明的一實施例中，上述的壓電薄膜具有第四通孔，壓電薄膜位於透光層與蓋體之間，且第一腔體包括了蓋體的第一通孔與壓電薄膜的第四通孔。

在本發明的一實施例中，上述的驅動電極的形狀為環狀，且驅動電極環繞光通區域。

在本發明的一實施例中，上述的透光層重疊設置於壓電薄膜。

在本發明的一實施例中，上述的透光層與壓電薄膜設置在同一平面。

在本發明的一實施例中，當上述的驅動電極使壓電薄膜產生伸縮形變時，壓電薄膜通過凸伸結構拉動透光層彎曲形變。

在本發明的一實施例中，當上述的驅動電極使壓電薄膜產生伸縮形變時，壓電薄膜直接拉動透光層彎曲形變。

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，可變焦距光學元件可採用預定的驅動電壓施加至壓電薄膜，以使壓電薄膜產生應力變形，進而擠壓第一腔體中的膠體，並由此控制膠體在光通區域中所形成的光學面的曲率變化，而能得以使可變焦距光學元件達到容易控制光學變焦的目的。

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。

100、200、300、400:可變焦距光學元件

110:第一基板

111:第一表面

112:第二表面

120、220:壓電薄膜

120a:外表面

120b:內表面

130:蓋體

140、240、340:承載層

150:驅動電極

151:第一驅動電極

152:第二驅動電極

160、260、360、460、560:透光層

AP:輔助壓電薄膜

CA:光通區域

CH1:第一腔體

GE:膠體

GL:黏著層

IL1:第一絕緣層

IL2:第二絕緣層

OS:光學面

PS:凸伸結構

TH1:第一通孔

TH2:第二通孔

TH3:第三通孔

TH4:第四通孔

WF:晶圓層

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1C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1D是圖1A的透光層被施加不同驅動電壓時的輪廓變化的數據曲線圖。

圖2至圖5是本發明的其他不同實施例的可變焦距光學元件的剖視示意圖。

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。圖1C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1D是圖1A的透光層被施加不同驅動電壓時的輪廓變化的數據曲線圖。請參照圖1A，本實施例的可變焦距光學元件100包括第一基板110、壓電薄膜120、蓋體130、膠體GE、承載層140、驅動電極150以及透光層160。應注意的是，為了凸顯本發明的重要技術特徵，圖式僅表示示意圖，並非以比例來繪製。在本實施例中，第一基板110的材質例如為矽(Silicon)，但本發明不以此為限。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120可為非透光材料。此外，在本實施例中，透光層160的材料包含高分子材料或玻璃。

具體而言，如圖1A所示，在本實施例中，第一基板110具有相對的第一表面111與第二表面112。承載層140位於第一基板110的第一表面111上。承載層140包括第一絕緣層IL1、第二絕緣層IL2、以及晶圓層WF。第二絕緣層IL2與第一絕緣層IL1重疊設置。晶圓層WF位於第一絕緣層IL1與第二絕緣層IL2之間。壓電薄膜120位於承載層140上，具體而言，壓電薄膜120設置於承載層140的第一絕緣層IL1上，透光層160設置於壓電薄膜120上，且透光層160位於蓋體130與壓電薄膜120之間。舉例而言。在本實施例中，透光層160可通過磊晶方式成長於壓電薄膜120上，但本發明不以此為限。或者是，在其他的實施例中，透光層160亦可通過貼合方式與壓電薄膜120接合。

具體而言，如圖1A所示，在本實施例中，蓋體130具有第一通孔TH1以定義光通區域CA，且蓋體130通過黏著層GL而黏著於透光層160上，蓋體130、黏著層GL與透光層160共同包圍形成第一腔體CH1。膠體GE填充於第一腔體CH1中。透光層160重疊設置於壓電薄膜120。第一基板110具有貫穿第一基板110的第二通孔TH2。承載層140具有貫穿承載層140的第三通孔TH3，第三通孔TH3由凸伸結構PS所形成，其中凸伸結構PS是指承載層140凸伸至第一基板110的第二通孔TH2內的部分，第二通孔TH2、第三通孔TH3與第一通孔TH1彼此重疊，且第一通 孔TH1在第一基板110上的投影完全位於第二通孔TH2與第三通孔TH3在第一基板110上的投影中。如此可以確保第二通孔TH2與第三通孔TH3的設置不會影響光線通過第一通孔TH1所定義的光通區域CA的光學表現。

接著，請繼續參照圖1A與圖1B，在本實施例中，在本實施例中，驅動電極150用於驅動壓電薄膜120，如圖1B所示，驅動電極150的形狀為環狀，且驅動電極150環繞光通區域CA。舉例而言，如圖1A所示，在本實施例中，壓電薄膜120分別被對應的驅動電極150夾持。這些驅動電極150包括第一驅動電極151與第二驅動電極152，其中第一驅動電極151、壓電薄膜120、第二驅動電極152自下而上依序相疊於承載層140上。更詳細而言，如圖1A所示，在本實施例中，壓電薄膜120具有相對的外表面120a與內表面120b，其中外表面120a面向透光層160，內表面120b面向承載層140。第一驅動電極151位於承載層140與壓電薄膜120的內表面120b之間。第二驅動電極152位於壓電薄膜120的外表面120a與透光層160之間。舉例而言，第一驅動電極151與第二驅動電極152的材質分別可為鉑與金。

如此，如圖1C所示，在本實施例中，當驅動電極150施加一驅動電壓至壓電薄膜120，壓電薄膜120受電場會產生壓縮或拉伸形變(例如壓電薄膜120在平行於第一基板110的方向上被壓縮或拉伸)。進一步而言，當驅動電極150使壓電薄膜120產生伸縮形變時，壓電薄膜120直接拉動透光層160以及凸伸結構PS而 使其彎曲形變，以擠壓第一腔體CH1中的膠體GE，並由此控制膠體GE自第一通孔TH1凸出且外露於蓋體130，而在光通區域CA中所形成的光學面OS的曲率變化。如此，可使可變焦距光學元件100達到光學變焦的目的。

具體而言，在本實施例中，當驅動電極150施加一定的驅動電壓時，透光層160所產生形變的數據經由模擬分析後，結果如圖1D所示。進一步而言，在本實施例中，藉由電壓的大小的改變，可讓可變焦距光學元件100的壓電薄膜120所帶動的透光層160的形變量改變，然而，如圖1D所示，透光層160的中心區域的曲率則維持近似相同的程度，而僅在邊緣區域出現拱起程度的變化。由於透光層160越向上拱起，則可對第一腔體CH1中的膠體GE進行更大程度的擠壓，如此，膠體GE自第一通孔TH1凸出且外露於蓋體130的光學面OS的曲率也會隨之越大。如此，通過驅動電壓的控制，即能簡便的控制光通區域CA中所形成的光學面OS的曲率變化，而能得以使可變焦距光學元件100達到容易控制光學變焦的目的。

圖2是依照本發明的另一種可變焦距光學元件的實施例的剖視示意圖。請參照圖2，本實施例的可變焦距光學元件200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2所示，在本實施例中，透光層260設置於壓電薄膜220與承載層240之間。舉例來說，透光層260可由圖1A的第一絕緣層IL1形成，其材質為矽氧化物且具有透光性，而承載層240則僅包 括第二絕緣層IL2以及晶圓層WF。具體而言，如圖2所示，在本實施例中，透光層260(第一絕緣層IL1)疊設於晶圓層WF上，且晶圓層WF位於第二絕緣層IL2與透光層260之間。如此，承載層240與透光層260的製作可應用絕緣層上覆矽(Silicon-on-Insulator；SOI)的製程技術來製作，而可與現有製程技術整合，製作簡易，但本發明不以此為限。在其他的實施例中，承載層240同樣僅包括第二絕緣層IL2以及晶圓層WF，第二絕緣層IL2位於第一基板110與晶圓層WF之間，透光層260位於晶圓層WF與壓電薄膜220之間，且壓電薄膜220覆蓋光通區域CA，其材料可選擇性地包含高分子材料或玻璃。此外，如圖2所示，在本實施例中，壓電薄膜220覆蓋光通區域CA。

如此，本實施例的可變焦距光學元件200亦可採用預定的驅動電壓施加至壓電薄膜220，以使壓電薄膜220產生伸縮應力變形，進而擠壓第一腔體CH1中的膠體GE，並由此控制膠體GE在光通區域CA中所形成的光學面OS的曲率變化。在本實施例中，由於可變焦距光學元件200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200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3是依照本發明的另一種可變焦距光學元件的實施例的剖視示意圖。請參照圖3，本實施例的可變焦距光學元件300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3所示，在本實施例中，承載層340僅包括第一絕緣層IL1 以及晶圓層WF，透光層360可由圖1A的第二絕緣層IL2形成，且具有透光性，其材質為矽氧化物。具體而言，如圖3所示，晶圓層WF位於第一絕緣層IL1與透光層360之間，透光層360位於第一基板110與晶圓層WF之間。在本實施例中，壓電薄膜120位於透光層360與蓋體130之間，壓電薄膜120具有第四通孔TH4，且第一腔體CH1包括了蓋體130的第一通孔TH1、承載層340的第三通孔TH3與壓電薄膜120的第四通孔TH4，且可變焦距光學元件100可選擇性地更包括輔助壓電薄膜AP，輔助壓電薄膜AP設置於透光層360上，且可選擇性地僅覆蓋光通區域CA，以提高透光層360的穩定性，並且輔助壓電薄膜AP不會因驅動電壓而產生伸縮應力變形。

如此，本實施例的可變焦距光學元件300亦可採用預定的驅動電壓施加至壓電薄膜120，以使壓電薄膜120產生伸縮應力變形，進而帶動承載層340的凸伸結構PS以及透光層360產生形變，進而擠壓第一腔體CH1中的膠體GE，並由此控制膠體GE在光通區域CA中所形成的光學面OS的曲率變化。在本實施例中，由於可變焦距光學元件300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300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4是依照本發明的另一種可變焦距光學元件的實施例的剖視示意圖。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。 如圖4所示，在本實施例中，圖1A的承載層140即為透光層460，且由絕緣層形成，其材質為矽氧化物或可為玻璃，其中第一基板110與透光層460可為矽玻璃鍵合的晶圓(SOG wafer)。在本實施例中，可變焦距光學元件400的透光層460中同於圖1A的承載層140的凸伸結構PS可向光通區域CA的中心延伸並相互連接而不具有貫通承載層140的通孔。具體而言，如圖4所示，透光層460位於第一基板110與壓電薄膜120之間，而壓電薄膜120具有第四通孔TH4，壓電薄膜120位於透光層460與蓋體130之間，且第一腔體CH1包括了蓋體130的第一通孔TH1與壓電薄膜120的第四通孔TH4。

如此，本實施例的可變焦距光學元件400亦可採用預定的驅動電壓施加至壓電薄膜120，以使壓電薄膜120產生伸縮應力變形，進而帶動透光層460產生形變，進而擠壓第一腔體CH1中的膠體GE，並由此控制膠體GE在光通區域CA中所形成的光學面OS的曲率變化。在本實施例中，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。

圖5是依照本發明的另一種可變焦距光學元件的實施例的剖視示意圖。請參照圖5，本實施例的可變焦距光學元件500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5所示，在本實施例中，透光層560不重疊設置於壓電薄膜150，而是與壓電薄膜150同樣設置於凸伸結構PS的第一絕緣層 IL1上，具體而言，透光層560與壓電薄膜150是以共平面的方式設置在第一絕緣層IL1的同一平面上，且當壓電薄膜150產生伸縮形變時，壓電薄膜150帶動承載層140的凸伸結構PS並間接拉動透光層560彎曲形變。進而，第一腔體CH1中的膠體GE受到擠壓，並由此控制膠體GE在光通區域CA中所形成的光學面OS的曲率變化。在本實施例中，由於可變焦距光學元件500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500具有可變焦距光學元件100所提及的優點，在此亦不再贅述。

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，可變焦距光學元件可採用預定的驅動電壓施加至壓電薄膜，以使壓電薄膜產生應力變形，進而擠壓第一腔體中的膠體，並由此控制膠體在光通區域中所形成的光學面的曲率變化，而能得以使可變焦距光學元件達到容易控制光學變焦的目的。

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:可變焦距光學元件

110:第一基板

111:第一表面

112:第二表面

120:壓電薄膜

120a:外表面

120b:內表面

130:蓋體

140:承載層

150:驅動電極

151:第一驅動電極

152:第二驅動電極

160:透光層

CA:光通區域

CH1:第一腔體

GE:膠體

GL:黏著層

IL1:第一絕緣層

IL2:第二絕緣層

OS:光學面

PS:凸伸結構

TH1:第一通孔

TH2:第二通孔

TH3:第三通孔

WF:晶圓層

Claims (17)

1. 一種可變焦距光學元件，包括：一透光層；一蓋體，具有一第一通孔以定義一光通區域，且該蓋體通過一黏著層而黏著於該透光層上，該蓋體、該黏著層與該透光層共同包圍形成一第一腔體；一膠體，填充於該第一腔體中；一壓電薄膜；以及一驅動電極，用於驅動該壓電薄膜，其中該驅動電極施加一驅動電壓至該壓電薄膜，使該壓電薄膜產生伸縮形變並拉動該透光層彎曲形變，以擠壓該第一腔體中的該膠體，並由此控制該膠體自該通孔凸出而在該光通區域中所形成的一光學面的曲率變化。
2. 如請求項1所述的可變焦距光學元件，其中該透光層的材料包含高分子材料或玻璃。
3. 如請求項1所述的可變焦距光學元件，該透光層通過磊晶方式成長於該壓電薄膜上。
4. 如請求項1所述的可變焦距光學元件，該透光層通過貼合方式與該壓電薄膜接合。
5. 如請求項1所述的可變焦距光學元件，更包括：一第一基板，具有貫穿該第一基板的一第二通孔；以及一承載層，位於該第一基板上，且具有貫穿該承載層的一第 三通孔，該第三通孔由一凸伸結構所形成，該第二通孔、該第三通孔與該第一通孔彼此重疊，且該第一通孔在該第一基板上的投影完全位於該第二通孔與該第三通孔在該第一基板上的投影中，其中該壓電薄膜位於該承載層上。
6. 如請求項5所述的可變焦距光學元件，其中該透光層位於該蓋體與該壓電薄膜之間。
7. 如請求項6所述的可變焦距光學元件，其中該承載層包括：一第一絕緣層；一第二絕緣層，與該第一絕緣層重疊設置；以及一晶圓層，位於該第一絕緣層與該第二絕緣層之間，其中該壓電薄膜設置於該第一絕緣層上，且該透光層設置於該壓電薄膜上。
8. 如請求項6所述的可變焦距光學元件，其中該透光層為一第一絕緣層，該承載層包括一第二絕緣層以及一晶圓層，該第一絕緣層疊設於該晶圓層上，該晶圓層位於該第二絕緣層與該透光層之間。
9. 如請求項6所述的可變焦距光學元件，其中該承載層包括一第二絕緣層以及一晶圓層，該第二絕緣層位於該第一基板與該晶圓層之間，該透光層位於該晶圓層與該壓電薄膜之間，且該壓電薄膜覆蓋該光通區域，其中該透光層的材料包含高分子材料或玻璃。
10. 如請求項5所述的可變焦距光學元件，其中該壓電薄膜位於該透光層與該蓋體之間，且該第一腔體包括了該蓋體的該第一通孔與該承載層的該第三通孔。
11. 如請求項10所述的可變焦距光學元件，其中該承載層包括一第一絕緣層以及一晶圓層，該透光層為一第二絕緣層，該晶圓層位於該第一絕緣層與該透光層之間，該透光層位於該第一基板與該晶圓層之間，其中該可變焦距光學元件更包括一輔助壓電薄膜，該輔助壓電薄膜設置於該透光層上。
12. 如請求項1所述的可變焦距光學元件，其中該壓電薄膜具有一第四通孔，該壓電薄膜位於該透光層與該蓋體之間，且該第一腔體包括了該蓋體的該第一通孔與該壓電薄膜的該第四通孔。
13. 如請求項1所述的可變焦距光學元件，其中該驅動電極的形狀為環狀，且該驅動電極環繞該光通區域。
14. 如請求項1所述的可變焦距光學元件，其中該透光層重疊設置於該壓電薄膜。
15. 如請求項1所述的可變焦距光學元件，其中該透光層與該壓電薄膜設置在同一平面。
16. 如請求項5所述的可變焦距光學元件，其中當該驅動電極使該壓電薄膜產生伸縮形變時，該壓電薄膜通過該凸伸結構拉動該透光層彎曲形變。
17. 如請求項1所述的可變焦距光學元件，其中當該驅動電極使該壓電薄膜產生伸縮形變時，該壓電薄膜直接拉動該透光層彎曲形變。

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