CN101600976B - 紧凑型可调节透镜的设计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于设计紧凑型可调节透镜组件的方案，其中圆形的压电晶体使薄的玻璃盖弯曲，从而引起透镜组件的焦距的变动。

Description

紧凑型可调节透镜的设计
技术领域
本发明涉及可调节透镜的设计，并且特别地涉及包括置于可弯曲玻璃上的凝胶体或者弹性体的透镜的设计，其中压电元件被布置成与玻璃接触，从而当在压电元件上施加电压时，引起玻璃弯曲，从而提供对透镜参数的调节。
背景技术
在数目不断扩大的应用中，对于可调节透镜元件的低成本、高产量方案的要求日益增加。照相机在移动电话中的普遍使用意味着数以百万计的透镜。这种透镜的设计要求满足多个要求，例如当在移动电话中的照相机模块之上适配透镜时易于操作、提供尽可能少的操作步骤，等等。当透镜装置包括可调整参数时这些挑战性要求甚至更高，例如在自动聚焦透镜中遇到的那样，其中焦距应该被调节以适合于从透镜到待拍摄物体的距离。这种透镜通常具有例如包括可移动部件的、复杂的设计，这能够使得难于以合理的方式组装透镜。有关这种设计的进一步挑战在于，对提供尽可能薄的透镜组件的日益增加的需求。在市场中，薄并且轻的移动电话和照相机是必须的。
通常，有必要在图像传感器(CMOS或者CCD传感器)的顶部上具有透镜的堆叠，从而将来自待拍摄物体的光线向下聚焦至传感器。在图1中图解了透镜堆叠(lens stack)的示意图。通过合理地设计整个透镜堆叠，能够把聚焦透镜(在示意图中为矩形)定位成或者最靠近拍摄物体或者位于其它透镜元件之间。聚焦透镜元件的作用在于，将焦点从无穷远连续地移动至最小焦距，这例如是由照相机应用所确定的。焦距可以例如在5至50cm的范围中。
在现有技术中，有一些紧凑型可调节透镜设计的实例。例如，在Weisong等人在2006年5月9日出版的Journal of Micromechanics andMicroengineering上发表的论文“Design，fabrication and testing of amicro machines integrated tuneable micro lens”中，披露了一种透镜组件，其中在空腔中的液体可以被压缩或者延长以实现对透镜焦距的调节。然而，包括填充液体的大规模生产可能是一项艰巨且耗时的任务。
JP 02-178602披露了一种透镜组件，其中在其间具有液体两种透明基底材料通过对置于基底材料之一上的压电元件施加电压而使基底材料弯曲，其中这种弯曲为透镜组件提供所需的表面曲率。
JP 2000-249813披露了一种透镜组件，其包括置于两个可弯曲透明板之间的可变形透明材料。共用致动器能够使所述板弯曲从而引起透镜组件的焦距的变动。
JP 01-140118披露了一种包括压电聚合物的可调节透镜组件，并且在筒形容器顶部上的透明电极具有透明液体。施加到压电聚合物上的电压使聚合物产生曲率，并且因此引起焦距的变动。
因此，需要一种对透镜进行简单调节的透镜设计，其中大规模生产该透镜组件容易且成本低。
发明内容
根据本发明的一个方面，透镜组件包括至少一个支撑件，该支撑件支撑包括薄玻璃盖的凝胶体或者弹性体，其中所述薄玻璃盖的圆形中间部分被布置为在凝胶体的顶部上悬浮的、与玻璃盖的其余部分没有任何接触的岛状物，其中薄的圆形压电环状晶体被设置成与玻璃的岛状物的边缘相接触，所述玻璃盖的其余部分被置于所述凝胶体的顶部上直至所述至少一个支撑件的边缘，其中沿着所述至少一个支撑件的边缘的间隔器元件为施加在压电环上的信号提供电连接，并且其中所述间隔器元件同时地提供所述玻璃盖到所述至少一个支撑件的机械支撑和固定。
在本发明实施例的一个实例中，与所述间隔器元件电接触的通孔提供垫片用于将所述透镜组件电连接到照相机组件的顶部。
根据本发明实施例的另一个实例，一种可调节光学透镜的设计提供一种透镜，其中包括电接触的透镜的总尺寸足够小从而能够在其它光学元件的堆叠中实现，并且不超过所述堆叠中的其它元件的尺寸。
根据本发明实施例的另一个实例，间隔器部件还在透镜制造期间用作一个间隔器元件。
根据本发明实施例的另一个实例，部分地围绕所述可调节透镜布置另外的保护性玻璃。
通过将所述至少一个间隔器部件布置成支撑所述可调节透镜的构件从而使得所述凝胶体或者弹性体被置于所述透明支撑基片的一侧上且玻璃岛状物在所述凝胶体或者弹性体的顶上悬浮，使得图像传感器布置成所述可调节透镜的一体部分，其中所述至少一个间隔器部件在所述透镜组件中提供空间，用于在所述至少一个间隔器部件的与所述透明支撑基片一侧相对的端部处，将所述图像传感器联结到所述至少一个间隔器部件上。
固定的微透镜布置在由所述至少一个间隔器部件提供的空间内用于联结所述图像传感器。
所述压电元件被布置成沿着所述玻璃岛状物的边缘的多个独立的压电元件。
以适合于所述可调节透镜的用途的样式将所述压电元件安置成与所述玻璃岛状物相接触。
附图说明
图1示意性地图解了在照相机模块中的透镜的堆叠的原理；
图2描绘根据本发明的透镜组件的设计原理；
图3描绘根据本发明的透镜组件设计原理的另一视图；
图4描绘在图2和3中所图解的透镜设计的透视图；
图5图解了本发明实施例的另一个实例；
图6图解了本发明实施例的又一个实例；
图7图解了保护盖的放置；
图8图解了其中可调节透镜元件被水平倒置的实施例的一个实例。
具体实施方式
数字照相机模块包括，例如：
·图像传感器(CCD或者CMOS传感器)
·具有微透镜阵列的滤色器，
·用于将来自拍摄物体的光线向下聚焦至传感器的透镜堆叠
·如果要包括自动聚焦或者变焦(zoom)功能，则必须在透镜***中某处包括可调整透镜元件
光学***中的任何可调整功能性(自动聚焦、变焦)本质上均必须包括一些可调节透镜元件或者参数。例如通过相对于彼此而实体地移动透镜，或者通过使透镜的物理形状变形而能够调节聚焦特性。显然，不包含任何移动部件的可调节透镜元件在制造期间可能既更加可靠又更加节约成本。可变形透镜的研发已经是一个引起高度关注的主题。并且随着将数字照相机方案引入高产量消费产品中，例如小型照相机、移动电话和PC，对于更高质量、更低成本的照相机模块***的需求已经增加。在这种应用中，添加特征如变焦和自动聚焦功能将增加照相机方案的价值。
根据本发明的另一个方面，当透镜***被用于基于光性质的光测量设备或者器械中时，其它可调整参数可能是所关心的。与根据本发明的透镜组件的应用有关的任何可调节透镜参数均被视为涵盖于本发明的范围中。
如本领域技术人员已知地，晶片生产是实现微型电子设备和微型机械构件的大规模生产的最为有效的方式之一。当要求紧凑性和低成本时产生的挑战之一在于，有必要在整个生产周期中实现晶片规模处理。对于可调节透镜元件的某些应用，还非常令人期望的是，在晶片规模生产上，在具有其它透镜和/或其它光学元件例如光学传感器等的堆叠中实现可调节透镜。如果透镜元件的横向尺寸并不超过在晶片堆叠中的其它元件的尺寸，则这是可行的。没有任何一项现有技术能够将低成本与以下可能性结合起来，即，例如用以在移动电话、照相机、pc等中实现的小型数字照相机模块的晶片规模制造上实现可调节透镜。
存在很多技术上可行的方案，用于制造在例如(自动)聚焦透镜或者变焦透镜应用中使用的紧凑型的可调节透镜。本发明涉及一种可调节透镜设计，该可调节透镜包括如在图2、3和4中描绘的材料的堆叠。底部基片是由任何透明的、比较刚性的材料例如任何玻璃或者透明聚合材料制成的支撑元件。顶部元件是另一种比较刚性的材料，包括致动元件，例如压电元件。夹在它们之间的是可变形的透明材料，例如聚合物凝胶体或弹性体，或者支化或线性聚合物或油状液体。限定可调节透镜的基本致动原理是形成曲率的致动器/覆盖材料的直接变形。如本领域技术人员已知地，曲率半径限定透镜的聚焦特性。
本发明涉及在上面所披露的设计，其中整个透镜组件还包括在制造期间用作间隔器的至少一个支撑元件，从而使夹在中间的柔性材料具有必要的厚度，并且作为一种为整个可调节透镜组件提供有所增加的机械稳定性的稳定元件。
可调节透镜的功能性在于可弯曲的圆盘。可弯曲圆盘因此必须是相对而言未被联结的；它必须在可变形(聚合物)材料的顶部上悬浮。通过引入如在图2和3中描绘的稳定支撑元件，下面的优点是明显的：
·该稳定元件为整个透镜组件提供有所增加的机械稳定性，对于在制造和与其它晶片(例如透镜堆叠和图像传感器)组装期间处理晶片和在将晶片堆叠分割(singulation)(锯切)成若干分立的照相机模块期间，以及在将照相机模块进一步集成到它们的预期应用(移动电话、数字照相机、PC照相机等)中期间，这都是重要的
·该稳定元件在制造可调节透镜元件期间用作间隔器，这对于应用例如确定数量/厚度的液体预聚物(pre-polymer)而言是有必要的。
在本发明实施例的一个实例中，例如在图2、3和4中所图解地，柔性材料(聚合物)在整个透镜元件上具有均匀厚度。
在本发明实施例的另一个实例中，如在图5中所描绘地，该柔性材料被成形，使得它在致动器元件和稳定元件之间的区域中具有较小的厚度。
在本发明实施例的又一个实例中，从致动器元件和稳定元件之间的部分区域移除该柔性材料。
本发明的一个重要方面在于具有导电的支撑/间隔元件。这便利了有效地发送电信号，并且使得致动器元件与外部电压源和控制单元连通。
一种用于照相机、移动电话或者膝上型电脑的光学***包含具有可变聚焦能力的透镜堆叠，传感器阵列以及用于放大、调节和转换光学信号的电子设备。到光学***的聚焦部件的接口通过电子设备的I/O设备。该电学接口包括从电子设备的自动聚焦设备供应控制信号的两个连接器。如果将在照相机模块的晶片级组件上以节约成本的方式包括一种可调节透镜元件，则它的引入不应该导致照相机模块的总体横向尺寸增加；因此，根据自动聚焦算法，信号连接器的定位在几何学上被局限于图像传感器的总体横向尺寸以内。
根据本发明实施例的另一个实例，在硅上利用玻璃提供所述透明支撑件，其中在硅中布置开口以允许光线通过透镜组件。在本发明实施例的一个实例中，用于驱动压电元件或者多个压电元件的电子设备以及控制逻辑被集成在透明组件的硅部分中，或者作为混合电路而被结合到支撑件。信号被连接到间隔器元件中的导体。
在本发明实施例的一个实例中，在盖玻璃中提供通孔，或者可替代地，在支撑元件上方移除盖玻璃。如在图6中所图解地，通孔还能够被包括在底部支撑基片中。这个实施例的关键方面在于，例如在透镜元件的底侧上通过金属粘结而提供到在玻璃岛状物顶部上的致动器的电接触，这便利了在极其紧凑的光学堆叠中实现透镜元件。
根据本发明实施例的另一个实例，间隔器部件被体现为沿着可调节透镜元件的边缘(诸如壁)的机械稳定结构，它便利了透镜元件可能的水平倒置，换言之，使得聚焦透镜的可变形表面最靠近图像传感器。这具有使通往(压电)致动器的电接触更加易于实现的优点。
因此，本发明实施例的另一个实例在于倒置可调节透镜元件，使得如在图8中所图解地，透镜元件的定位有致动器的那一侧被直接地连接到在它下面的透镜堆叠的其余部分。
根据本发明实施例的又一个实例，如在图7中所图解地，置放了封装整个透镜元件的保护和机械稳定盖元件(盖玻璃)。
根据本发明实施例的又一个实例，将使得玻璃岛状物发生弯曲的压电元件布置成多个独立的致动器元件，从而提供以下可能性：即通过在该多个分立的压电元件上施加不同的电压，例如改变视线而实际上不移动透镜组件，而实现一种非对称透镜构造。
根据本发明实施例的又一个实例，包括压电元件的玻璃岛状物能够具有任何形状，不仅是圆形，而且可以是适于可调节透镜的用途(例如用于器械操作)的任何形状。通过提供特定形状的玻璃岛状物，能够实现凝胶体或者弹性体的特定压缩，从而如本领域技术人员已知地，通过变形成形提供一种控制透镜参数的手段。
此外，能提供一种压电元件作为布置成在玻璃岛状物的任一侧上与该玻璃岛状物相接触的一件元件，以及能提供具有任何样式或者形状的压电元件。这种布置使玻璃岛状物具有不同的弯曲特性，并且因此使凝胶体或者弹性体变形具有不同的形状，并且因此改变光学参数。

Claims (18)

1.一种可调节透镜，包括：
透明支撑基片，在其一侧上设置有凝胶体或者弹性体，其中在所述凝胶体或者弹性体的顶上置放可弯曲的玻璃盖，其中所述可弯曲的玻璃盖在中部布置有圆形的玻璃切口，所述玻璃切口限定玻璃岛状物而与所述可弯曲的玻璃盖的其余部分无任何机械接触，其中压电元件与所述玻璃岛状物的边缘相接触。
2.根据权利要求1的可调节透镜，其中沿着所述透明支撑基片的一个边缘布置至少一个间隔器部件，其中所述至少一个间隔器部件支撑所述可弯曲的玻璃盖。
3.根据权利要求2的可调节透镜，其中所述可调节透镜容纳在光学***中，所述至少一个间隔器元件包括提供所述可调节透镜与光学***的其它构件的电接触的导电材料。
4.根据权利要求2和3的可调节透镜，其中在邻近于所述间隔器部件的各自的顶侧和底侧的位置处，在所述透明支撑基片和在所述凝胶体或者弹性体顶上的所述玻璃盖中布置通孔，从而有可能在光学组件中的构件的整个堆叠中接触间隔器部件。
5.根据权利要求1的可调节透镜，其中在硅基片上利用玻璃提供所述透明支撑基片，其中在硅基片中布置开口从而允许光线通过所述可调节透镜。
6.根据权利要求5的可调节透镜，其中所述硅基片包括与在可调节透镜中的压电元件或者多个压电元件有关的电子构件。
7.根据权利要求6的可调节透镜，其中提供所述电子构件作为由所述透明支撑基片的所述硅基片支撑的单独的电路。
8.根据权利要求1的可调节透镜，其中所述凝胶体或者弹性体在整个可调节透镜中具有均匀厚度。
9.根据权利要求2的可调节透镜，其中所述凝胶体或者弹性体在所述压电元件和所述至少一个间隔器部件之间的区域中具有较小的厚度。
10.根据权利要求1的可调节透镜，其中部分地围绕所述可调节透镜布置另外的保护性玻璃。
11.根据权利要求2的可调节透镜，其中所述至少一个间隔器部件被布置成围绕所述可调节透镜的圆周的壁。
12.根据权利要求2的可调节透镜，其中，通过将所述至少一个间隔器部件布置成支撑所述可调节透镜的构件从而使得所述凝胶体或者弹性体被置于所述透明支撑基片的一侧上且玻璃岛状物在所述凝胶体或者弹性体的顶上悬浮，使得图像传感器布置成所述可调节透镜的一体部分，其中所述至少一个间隔器部件在所述透镜组件中提供空间，用于在所述至少一个间隔器部件的与所述透明支撑基片一侧相对的端部处，将所述图像传感器联结到所述至少一个间隔器部件上。
13.根据权利要求12的可调节透镜，其中固定的微透镜布置在由所述至少一个间隔器部件提供的空间内用于联结所述图像传感器。
14.根据权利要求1的可调节透镜，其中所述压电元件被布置成沿着所述玻璃岛状物的边缘的多个独立的压电元件。
15.根据权利要求1的方法，其中包括压电元件的玻璃岛状物能够具有任何形状，不仅是圆形，而且可以是适于可调节透镜的用途的任何形状。
16.根据权利要求1的方法，其中，沿着所述玻璃岛状物的边缘，在背离所述凝胶体或者弹性体的一侧上，将所述压电元件布置在所述玻璃岛状物的顶部上。
17.根据权利要求1的方法，其中，沿着所述玻璃岛状物的边缘，在所述玻璃岛状物的面向所述凝胶体或者弹性体的底侧上安置所述压电元件。
18.根据权利要求1的方法，其中以适合于所述可调节透镜的用途的样式将所述压电元件安置成与所述玻璃岛状物相接触。
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