TWI292048B - Variable focus microlens - Google Patents

Description

1292048 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體而言係關於微透鏡。更特定言之，本發明係 關於可變焦距之液體微透鏡。 【先前技術】

圖1展示習知流體微透鏡101。如圖所示，該微透鏡包括 基板110。該基板包含一位於第一控制電極123a與第二控制 電極123b之間的接地電極121。該接地電極耦接至接地參考 電壓，同時該等控制電極耦接至可變電壓源。介電層13〇及 塗層135安置於該等電極上。該塗層包括諸如聚四氟乙烯 (例如，鐵弗龍）之疏水材料。圖案化該介電層及該塗層以產 生固139，從而曝露接地電極。 一滴導電液體U0安置於塗層上。該滴充當微透鏡。該滴 接觸表面及接地電極。在非活動階段中，(無電壓施加至控 木）該滴呈現第一形狀，如藉由實線141表示的。此 形狀取決於該滴之尺寸及疏水塗層之表面能量。當施加一 電壓至控制閘極時’來自該電壓之電位導致疏水塗層變得 綠（lJ如可濕性變化藉此改變該滴之曲率，如藉由虛 ^142表示的。曲率變化改變了焦距。使用電場改變塗層之 可濕性以改變流體微透鏡之焦距係。 然而，各種問題盥絲雷、、县作知 從而限制了其效能Γ二流體微透鏡相關聯， 、、做接 b ^專問題（例如）包含液體蒸發、接觸角 ^ 低焦距可調續，^ 而处b 咱11及向驅動電壓。此外，疏水層之表 ^在微透鏡之㈣變化中產生離散快速跳躍而非平滑 102929.doc 1292048 連縯跳躍。將此稱為滯滑行為（stick-slip behaviour)。 因此’鑒於上述討論，需要提供一種避免與習知微透鏡 相關聯之問題的經改良微透鏡。 【發明内容】 本發明大體而言係關於微透鏡。在一實施例中，本發明 係關於一種可變焦距之微透鏡。將微透鏡（例如）倂入微透鏡 封裝中，從而形成微透鏡晶片。該封裝包含一具有一光圈 開口之頂部表面。該光圈開口係耦接至一形成於該封裝中 之流體通道。該流體通道填充有用於在該光圈開口處形成 微透鏡之流體。一致動器（諸如泵）在該流體通道中產生流體 壓力以聚焦該光圈開口處之流體微透鏡。 【實施方式】 本發明大體而言係關於流體微透鏡。在一實施例中，該 流體微透鏡係倂入微機電系統（MEMS)中以形成微透鏡晶 片。該微透鏡晶片整合了透鏡與致動器。該微透鏡晶片有 助於微機械加工過程。根據本發明之一實施例，流體微透 鏡之致動（包含形成及聚焦）係藉由改變流體壓力來達成。用 於致動微透鏡之其他技術亦為適用的。 圖2展示根據本發明之一實施例之微透鏡晶片2〇1的橫截 面圖。如圖所示，該微透鏡晶片包括封裝2〇6。可使用各種 材料以形成該封裝。舉例而言，可由玻璃、石英、聚合物、 陶瓷或其組合來形成封裝。其他材料亦為適用的。在一實 施例中，封裝大體上為硬質的。提供可撓性封裝亦為適用 的〇 102929.doc 1292048 封虞包括頂部表面2 〇 9 〇兮了5 m ± , μ頂。卩表面包含光圈開口 239。 孩先圈開口用以含有或古拎 次支撐液體微透鏡。在-實施例中， 頂邛表面包括疏水材料。舉 諸μ心 ㈣舉—言，疏水㈣包括聚合物。 二如广醯…聚二甲基梦氧貌(pdms)、聚甲基丙稀酸甲 1日⑽叫、聚碳酸醋、耐綸，或鐵弗龍之聚合物亦為適用 、。其他類型之材料亦可為適用的。 ⑽包括（例如）電路形狀1 口直徑在約5 um 與5 mm之間。其他尺寸亦為適用的。提供—具有不同於電 路形狀之形狀的錢開口亦為適料。舉例而*，該光圈 可包括橢圓、正方形、矩形形狀。其他幾何形狀視應用亦 可為適用的。透鏡光圈（例如）係用於形成類似球體或圓柱體 狀之透鏡。提飼於形成其他類錢鏡之透鏡錢亦為適 用的。 封裝内為與透鏡光圈相連通之流體通道24〇。該流體通道 填充有用於在透鏡光圈處形成液體微透鏡241之流體。在一 實施例中，該流體包括透明流體。流體之表面張力應足以 形成液體透鏡。較佳地，流體具有高表面張力。流體應較 佳地包括約（例如）1.3至175之高折射率。具有其他折射率 之流體亦為適用的。較佳地，流體包括諸如水或多羥醇之 極性液體。如圖所示，流體通道沿封裝長度延伸，如藉由 箭頭L指示的。其它流體通道組態（例如，不同方向）亦為適 用的。 在一實施例中，至少位於對應於透鏡光圈之區域中的封 裝底部表面208為透明的以允許光通過。較佳地，位於不與 102929.doc 1292048 透鏡光圈相對應之區域中的封裝底部表 小化光反射之有害影響。封裝可由諸如玻璃、：，最 =之各種類型材料形成。用於形成封裝之材料亦可^ 不透明或其組合。此外，封裝可由多個部分形^ 如由頂部、底部或多個部分形成。 -’諸 士對於由透明或透明與不透明材料之組合形成的封裝而 y可在㈣裝上形成—或多個不透明層，視需要對其進

:圖：化以遠下所要之透明區域。當由不透明材料形成封 裝之底部表面或部分時’可藉由移除對應於透鏡光圈之底 部表面區域中之不透明材料來產生窗。該窗可藉由一透明 層加以覆蓋以密封該窗。或者，可將一透明蓋附著至底部 表面以密封該w °在另—實施例中，未覆蓋該窗以形成第 二透鏡光圈。 、在封表中提供透鏡致動器245。該透鏡致動器係與流體通 道相連通。魏致動器致動流體微透鏡，包含透鏡形成及 透鏡聚焦。在-實施例中，透鏡致動器藉由導致或引起流 體在流體通道中流動來致動流體微透鏡。更佳地，透鏡致 動器藉由控制液體在透鏡光圈處流入透鏡光圈或流入液體 透鏡的量來致動液體微透鏡。視流體流動之方向（例如，離 開透鏡光圈或朝向透鏡光圈）可形成透鏡或改變其曲率半 徑（例如，使其增加或減少）。 可採用各種技術以導致或引起流體在流體通道中流動或 流體流入或流出透鏡。舉例而言，可使用泵以導致流體流 動同時流體通道（或與該流體通道相連通之流體貯器）之容 102929.doc 1292048 積變化引起流體、流動。冑供—採用流體流動技術組合或複 數個致動器之致動器亦為適用的，或者，可控制流體通道 外部之壓力以導致流體在通道内流動。舉例而言，可維持 流體通道内部之壓力以形成透鏡，同時可改變外部（例如， 透鏡光圈外部）之壓力以增加或減少流入透鏡之流體量來 改變其曲率。改變透鏡之曲率改變了其焦距。 在一實施例中，流體流動對應於流體通道之壓力變化。 舉例而言’壓力增加與流體沿第一方向之流動相關，同時

壓力減少與流體沿第二方向之流動相關。 在一實施例中，根據以下等式，流體球面透鏡之焦距（f) 與内部流體壓力⑺成反比且與液體之表面張力⑷成正比：

I ΔηΡ 其中Δη為液體與空氣之間的折射率差。能夠使用電控型透 鏡致動器來改變焦距允許微透鏡具有極為小型化之設計。 =外，使用内部流體壓力對聚焦機構進行控制允許了連 績、即時及精確之聚焦’同時具有較寬焦距可調諧性。 為致動微透鏡，施加-電壓至透鏡致動器之電極。施加 電壓至電極產生一電位以啟動致動器。視該電位之偏壓， 机體以朝向光圈之第-方向(箭頭280)流動或以離開光圈之 第二方向（箭頭281)流動。 、所產生之流體流動改變通道中之内部流體壓力。此影響 透鏡之曲率，其接著影響透鏡之焦距。舉例而言，在無電 偏堡之狀況下，透鏡曲率可呈線241a所指示之形狀。初始 102929.doc -10- 1292048 形狀可視所用之流體類型為凸的或凹的。當施加正偏壓至 電極以導致流體朝向光圈之方向流動時，增加了内部流體 屋力。此導致透鏡曲率半徑之減少，如藉由虛線鳩指示 的。曲率變化為透鏡表面上之壓力平衡的結果，如藉由以 下界定的： P加+Pst， 其中Pint為流體之内部壓力， 且Pext為外部壓力。 pst為歸因於表面張力之壓力， 增加正電偏壓進一步減少透鏡曲率半徑，如藉由虛線 241c指示的。相反地，減少電偏壓增加透鏡曲率半徑，例 如，視電偏壓之量而增至藉由線241b*242a指示之點。亦 了藉由進步控制流體離開透鏡光圈之流動而達成凹透鏡 形狀，如虛線24Id所指示的。 在一實施例中，透鏡致動器包括電控型透鏡致動器。可 藉由施加不同量值及極性之電壓或電流來控制流體流動之 畺及方向。用於致動控制之其他技術亦為適用的。舉例而 藉由熱（例如’熱氣壓驅動（thermal-pneumatic))、磁（例 如’磁机體動力）、光學（例如，光縮（photostrictive))、電濕 泵（electrowetting pump)、機電（例如，壓電）技術或其組合 加以控制的致動器亦為適用的。 在一實施例中，透鏡致動器包括動電泵（electr〇kinetic pump)以控制流體流動之方向。動電泵藉由施加電位來控制 流動方向。在一實施例中，動電泵包括一電滲泵 (electroosmotic pump)。可控制流體流動之其他類型致動器 102929.doc 11 1292048 亦為適用的。舉例而言，在其他實施例中，可藉由使用一 視所施加之電位來改變形狀之機電透鏡致動器來控制流體 流動。用於改變流體流動方向之其他技術或技術組合亦為 適用的。 在一實施例中，提供一控制單元以控制致動器。在一實 施例中，控制單元耦接至電極以藉由控制施加至電極的電 壓來調節至致動器之電場。因此，控制單元控制透鏡之曲 率或焦距。可將控制單元整合入微透鏡晶片單元中。控制 單元包括（例如）一具有閉迴路/自動聚焦或開迴路控制之成 像系統。在閉迴路控制或自動聚焦中，提供影像且成像系 統將計算改變透鏡聚焦之程度。成像系統發送一致動訊號 (電訊號）至微透鏡晶片單元以自動地維持聚焦之（突出的 (sharp))影像。在開迴路控制中，倂入手動控制以手動地聚 焦透鏡。提供一具有開迴路及閉迴路控制之控制系統亦為 適用的。 在貝軛例中，提供一入口及一出口（未圖示）以促進填充 及沖洗來自透鏡封裝之流體。提供多個入口及出口亦為適 、。入口及出口與流體通道相連通。應選擇入口及出口 之位置以促進系統之填充及沖洗。系統之沖洗允許在流體 =之中填充新流體。在一實施例中，入口位於朝向通道之 第末端處，同時出口位於朝向通道之第二末端處。較佳 地，出口彳 立於朝向通道之靠近透鏡光圈的末端處，同時入 士；朝向其中貯器所位於的末端處。使入口及出口位於 衣之不同位置處亦為適用的。對於非密封之系統而言， 102929.doc -12- 1292048 透鏡光圈可充當出口。

可提供與流體通道相連通之流體貯器（未圖示）。流體貯器 (例如）可為流體通道之部件或與流體通道相整合。在一實施 例中，流體貯器係用於促進藉由致動器定向之流體的流 動。舉例而言，貯器提供空氣空間以使流體能夠在流體通 道中以第一或第二方向流動。在一實施例中，透鏡致動器 位於流體貯器與流體光圈之間。使流體貯器位於流體通道 之其他部件處亦為適用的。 另外或其他’流體貯器可提供流體之額外儲存 艘通道。此料其中㈣可㈣透鏡錢自 密封系統尤為適用。 圖3至4展示根據本發明之其他實施例之微透鏡晶片 的橫截面圖。該等微透鏡晶片類似於圖2中所示之微透鏡蓋 片。相似參考號表示微透鏡晶片之相似組件。參看圖3，这 日:膜343女置於封裝之頂部表面上，其覆蓋至少透鏡光圈。 提供-覆表面一包含透鏡光圈之封裝部分或僅透 鏡光圈239之臈亦為適用的。該臈包括(例如)乳膠、矽基彈 性體或含氟聚合物彈性體。其他透明彈性材料亦為適用的。 流體通道中之流龍力⑽如）致動透鏡。透明膜密封透鏡 先圈且歸因於流體遷力變化而偏轉。藉由提供密封之系 二’可保護形成微透鏡之流體使其免受損壞或免受流體蒸 102929.doc 1292048 明盍包括（例如）附著至封裝的玻璃、石英或透明聚合物。可 採用各種技術將蓋附著至封裝。其他透明材料以及用於將 蓋安裝於封裝上之其他技術亦為適用的。 圖5至6展示根據本發明之其他實施例之微透鏡晶片2〇j 的検截面圖。共同參考號表示共同組件。參看圖5，微透鏡 晶片之封裝206包含沿封裝長度L之第一流體通道24〇。透鏡 光圈239位於朝向流體通道之第一末端處。透鏡致動器245 女置於封裝中且與流體通道相連通。流體貯器5 5 8與流體通 道相連通。較佳地，致動器位於流體貯器與透鏡光圈之間。 在一實施例中，對應於光圈開口之區域中之封裝底部表面 為透明的。 根據本發明之一實施例，透鏡蓋59〇封閉封裝之頂部表面 2〇9,從而形成第二流體通道593。透鏡蓋（例如）係由諸如石 央或玻璃之透明材料形成。藉由不透明材料形成透鏡蓋亦 為適用的。對於不透明透鏡蓋而言，產生一位於對應於透 鏡光圈之區域中的開口且藉由透明材料或透明光圈蓋將其 密封。 在一實施例中，流體通道產生閉迴路。舉例而言，藉由 在致動器之兩側處耦接第一與第二流體通道來產生閉迴 路。在一實施例中，藉由流體貯器來耦接第一及第二流體 H提供一其中第一及第二流體通道在致動器之兩側處 不連通之開環系統亦為適用的。 在—實施例中，第一流體通道填充有第一透明流體且第 二流體通道填充有第二透明流體。第一及第二流體為彼此 102929.doc -14- 1292048 不可混溶的。形成透鏡之第—流體應包括高表面張力及高 折射率。第二流體較佳地包括與第一流體大體上相同之密 度。第二流體亦應包括不同於第一流體之折射率。提供具 有不同密度及/或相同折射率之流體亦為適用的。 參看圖6，透鏡641係藉由改變第一流體通道中之流體的 内部壓力而形成。舉例而言，藉由導致第一流體朝向透鏡 光圈（箭頭380)流動而增加該壓力。此導致具有凸狀之透 鏡，如虛線64 lb所指示的。透鏡形狀變化導致第二流體以 與第一流體相反之方向流動（箭頭381)。 藉由使第一流體中之流動反向（箭頭38 1}來減少壓力增加 了透鏡之曲率半徑，如藉由（例如）線641 a指示的。此導致第 二流體以朝向光圈之方向（箭頭380)流動。進一步減少壓力 產生了（例如）凹狀之透鏡’如虛線641c所指示的。 如圖7中所示，在另一實施例中，封裝201包含與流體通 道240相連通之第一及第二透鏡光圈239a&239b。在一實施 例中，第一及第二透鏡光圈位於封裝之相反側上。舉例而 言’透鏡光圈位於封裝之頂部表面及底部表面上。較佳地， 透鏡光圈為彼此同中心或彼此對準。提供彼此不同中心或 彼此不對準之透鏡光圈亦為適用的。第一及第二透鏡係形 成於透鏡光圈中。較佳地（但非必要地），透鏡光圈包括相同 形狀及尺寸。藉由提供第一及第二光圈，可藉由相同致動 器來控制第一及第二微透鏡。舉例而言，可在相反表面處 產生雙凸透鏡或雙凹透鏡。 或者，第二流體通道843與透鏡光圈中之一個相連通，如 102929.doc -15- 1292048 S 8中所示的。第二流體通道用以含有第二流體。第一與第 二流體以推挽方式（例如，以相反方向流動）工作。為每一透 鏡光圈（843a至843b)提供第二流體通道亦為適用的。然而， 應瞭解，第二流體通道中之流體不需要相同。 在其他實施例中，封裝可具有複數個透鏡光圈，其經密 封及/或未經密封以產生透鏡陣列。可藉由單一致動器來控 制該等光圈或每一光圈可與其自身之致動器相關聯。提供 用以控制一些透鏡或透鏡群同時其他控制單一透鏡或其他 透鏡群的致動器亦為適用的。致動器及透鏡組態之各種組 合亦為適用的。此外，可在一表面或兩表面上提供透鏡光 圈。可使用已經描述之技術來開啟或密封透鏡光圈。 舉例而言，如圖9中所示，封裝包含第一及第二隔離流體 通道240a及240b。每一流體通道與其自身之致動器（以“或 245b)及透鏡光圈（239a4 239b)相關聯。在一實施例中，透 鏡光圈位於相反表面上且彼此同中心或彼此對準。提供不 同中心之透鏡光圈亦為適用的。雖然為較佳的，但透鏡光 圈不需要為相同尺寸或形狀。使一致動器與每一透鏡光圈 相關聯，可形成各種透鏡組合。舉例而言，一者可為凹透 鏡同時另一者可為凸透鏡。 圖10至13展示根據本發明之不同實施例之微透鏡晶片 2〇1的俯視圖。共同參考號表示共同組件。參看圖1〇，微透 鏡晶片之封裝206包含沿封裝長度[之流體通道24〇。透鏡光 圈239位於朝向該流體通道之第一末端。電控型透鏡致動器 2 4 5女置成與流體通道相連通。 102929.doc -16- 1292048 在一實施例中，透鏡致動器包括至少一動電泵。如圖所 示’透鏡致動器包括沿流體通道串聯排列之第一、第二及 第三動電泵546a至546c。諸如並聯或串聯與並列之組合的 :其他泵排列亦為適用的。第一及第二電極（未圖示）係提供用 • 於每一泵以產生電場。提供用以控制多個泵之第一及第二 電極亦為適用的。舉例而言，可使第一及第二電極位於泵 排列之個別末端以控制該等三個泵。藉由施加電場，泵導 馨致流體在流體通道中移動。視移動之方向，可增加或減少 通道中之流體壓力。 動電泵（例如）包括一電滲泵。其他類型之動電泵亦為適用 的。電滲泵係描述於（例如）(}〇〇(18〇11等人之”Electr〇〇sm〇tic MicroChannel Cooling System”（第 2〇〇3/〇〇62149號美國專利 申請公開案）中，為所有目的而將該案以引用的方式倂入本 文中。對於電滲泵應用而言，流體通道中之流體包括介電 或極性流體。 • 由於電滲泵使用電場以驅動液體固體介面附近之電荷， 故μ體通道較佳地具有極高表面積與容積之比以增加流動 速率及壓力。在一實施例中，電滲泵在流體通道中包括複 ^個微通道548以增加與液體接觸之表面積且因此增強電 滲抽汲效率。 在-實施例中，藉由複數個微結構來提供微通道。可藉 由增加微結構之數目來增加抽沒效率。亦可在流體通道中 之不同位置處提供微結構群以增加表面積。每一群（例如） 形成-栗。提供形成泵之群亦為適用的。其他類型之微通 102929.doc -17- 1292048 道組態或幾何形狀亦為適用的。此外，亦可使用燒結之微 孔媒體、多孔石夕石、奈米結構媒體、微通道板結構、多孔 陶竟/聚合物材料或具有較高表面積與容積之比的其他材 料來製造流體通道以進一步增加抽汲效率。

當使極性液體與介電固體接觸時，表面電位在介面處升 高。當施加電場於此帶電之液體固體介面時發生電滲。可 使用之液體（例如）包括水、含水緩衝溶液、有機溶劑之電解 質溶液及有機溶劑-水之混合物。亦可使用其它類型之液 參看圖11，電控型透鏡致動器包括機電透鏡致動器 646(例如’壓電盤或音圈（v〇ice coil))。雖然展示僅一機電 透鏡致動器，但應瞭解，提供多個機電透鏡致動器亦為適 用的。壓電盤係描述於（例如）Nguyen等人之"A fully polymeric micropump with piezoelectric actuator，，，Sensors and Actuators B_Chemical 97 (1): 139-145，2004年 1月 1日； Kim JH 等人之 ’’A disposable polydimethylsiloxane-based diffuser micropump actuated by piezoelectric-disc，，， Microelectronic Engineering 71 (2): 119-124，2004年 2 月；及 Nguyen等人之’’Miniature valveless pumps based on printed circuit board technique”，Sensors and Actuators A 88 (2001) 104 -111中，為所有之目的而將其所有内容以引用的方式倂 入本文中。施加電場導致機電致動器偏轉，從而改變流體 通道中之壓力。此接著控制該通道中之流體的容積排量 (volume displacement)以致動透鏡光圈239處之微透鏡。 102929.doc -18- 1292048 麥看圖12,透鏡致動器包括不同類型之電控型致動器。 如圖所示，透鏡致動器包括串聯排列之動電泵74以及機電 致動器746b。提供與-或多個機電致動器串聯之一或多個 動電泵亦為適用的。應進一步瞭解，$需要將相同類型之 致動器集中在—起。或者’如圖13中所示’透鏡致動器245 包括關於透鏡光圈239並聯排列之至少一動電泵846a及至 少一機電致動器846b。其他透鏡致動器排列亦為適用的。 微透鏡晶片可具有流體貯器（未圖示）。此外，提供至少一 入口（未圖不）以填充微透鏡晶片之流體系統。亦可進一步提 供一出口（未圖示）以促進沖洗該系統。 在一實施例中，封裝2〇6包括底部及頂部部分。頂部部分 包括光圈開口 239同時底部部分包括流體通道24〇。在—實 施例中’頂部部分係由聚合物或促進微透鏡形成之其二 料形成。底部部分包括透明材料，諸如石英、玻璃或聚合 材料。由不透明材料形成底部區亦為適用的。 圖14a至⑽展示根據本發明之-實施例之微透鏡晶片 201的俯視圖及對應橫截面圖。如圖所示，微透鏡包括封裝 206根據本毛a月之一實施例，該封裝包括底部部分9们&及 頂刀907b。形成封裝之頂部表面2〇9的該頂部部分包含 一其中形成有微透鏡之光圈開口 239。 在貝施例中了頁^部分係由疏水材料形成。頂部部分 包括(例如）聚合物。諸如聚酿亞胺、聚二甲基矽氧烷 (PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMa)、聚碳酸酯、耐綸及 鐵弗龍之各種類型聚合物亦為適用的。諸如玻璃或石英之 102929.doc -19- 1292048 提供二為適用的。如圖3中所示’可在頂部表面上 提供—透η 7圈之薄膜。如圖4中所示’在透鏡光圈上 权供透鏡盍亦為適用的。 底部部分包冬_ $ 與透鏡光圈相連通之流體通道24〇。在一 實施例中，底部部分包括非導電材料。較佳地， 材料為透明的。〜一 非導電 舉例而δ，底部部分可由石英形成。 玻璃、聚二甲：a： 一 τ暴石夕氧烷（PDMS)、聚甲基丙烯酸甲函旨

ΜΑ)來妷酸酯、耐綸及鐵弗龍之其他類型非導電透明 材料亦為適料。諸如聚醯亞胺或陶究之不透明材料亦可 適用於形成底部部分。 在一實施例中，流體通道沿封裝長度L·延伸。提供一具有 ^他組態之流體通道亦為適用的。可使流體貯H 964位於與 L體通道相連通之底部部分上。使流體貯器位於頂部部分 中或位於頂部分與底部部分之組合中亦為適用的。較佳 地^流體貯H位於與透鏡_相反之流體通道末端處或靠 近該相反末端處。用於流體貯器之其他位置亦為適用的。 流體貯器在通道中提供流體以形成微透鏡。 ，提供一與流體通道相連通之入口 96〇以促 在一實施例中 料充透鏡封裝。在-實施例中，該人口位於朝向通道之 第-末端。在封裝之其他部件處提供入口亦為適用的。亦 可提供一出口（未圖示）（例如）以促進系統之沖洗。 流體通道包括-用於致動微透鏡之電控型透鏡致動器 245。其他類型之透鏡致動器亦為適用的。在一實施例中， 透鏡致動器位於流體貯器與光圈開口之間 。在一實施例 102929.doc -20- 1292048 中：透鏡致動器包括一電渗栗’其具有形成於流 之後數個微結構548，從而產生複數個微通道。 第-電極934a及第二電極咖係（例如）形成於 部分之内表面上。或者，第一 1頁邛 ^弟及第一電極可形成於

::部分之内表面上。該等電極與流體通道相連通二 错由透鏡致動H之微結構而分離。為提供對電極之存'，、 圖案化頂部部分以產生電極存取窗923&及92^。在> 例中，電極包括諸如纪之導電材料。其他類型之金屬^ 如’鉑、金或其合金)、導電聚合物、導電陶瓷、導電氧化 物（例如’氧化銦錫）、離子液體電解f或聚合物電解質亦為 適用的。可藉由個-控制單元（未圖示）來促進微透鏡之調 焦，該控制單it藉由調節施加至電極之電壓來控制致動器。 可使用微製造技術來達成微透鏡之製造。舉例而言，藉 由（例如）光微影及微機械加工連同標準技術而形成封裝頂 部部分之諸如透鏡光圈、電極f及人口開口的各種組 用於形成光圈及開口之其他技術亦為適用#。舉例而言， 可藉由雷射加工或其他加工技術來形成光圈及開口。在一 替代實施例中，藉由模製技術來形成頂部部分。可藉由在 頂部部分之内表面上沉積一電極層且視需要將其圖案化來 形成電極。 可使用光微影及蝕刻技術來形成底部部分之各種組件 (例如，流體貯器、流體通道及泵）。舉例而言，使用遮罩來 充當用於深反應式離子蝕刻（DRIE)之蝕刻遮罩以形成該等 組件。亦可使用標準模製或加工技術來形成底部部分。/在 102929.doc -21 - 1292048 =成頂部及底部部分之後，將其附著以完成封裝。在—實 。例中’使用氧電黎啟動來附著該等部分。諸如融合黏結 或聚合物黏結之其他附著過程亦為適用的。 圖I5ah5b展示根據本發明之其他實施例之微透鏡晶片 2〇1的橫截面圖。參看圖15a，微透鏡晶片封裝遍包含機電 透鏡致動器245。該機電透鏡致動器藉由導致其中流體之容 積排量而改變流體通道240中之壓力。壓力變化導致微透鏡 在透鏡光圈239處被致動。 在實靶例中，在流體通道中提供流體貯器丨246。較佳 地’該流體貯H㈣大於流體通道之尺寸。流體貯器（例如） 位於流體通道之-末端處。流體貯器之其他位置亦為適用 的在一實施例中，貯器包括擴圓或圓形形狀。其他幾何 形狀亦為適用的。 在一實施例中，透鏡致動器包括一與流體通道相連通之 光闌1255。該光闌覆蓋流體通道之一表面。光闌位於（例如） 封裝之頂部表面上。使光闌位於封裝之其他部件處亦為適 用的。可藉由諸如雷射蝕刻或模製之微機械加工技術使光 闌形成為封裝之-部分蘭a(例如，下部分或上部分）的部 件。此部分（例如）包含封裝之其他部件（諸如流體通道）。或 者，可使光闌附著於致動器外殼1257之透鏡封裝之表面 上。可提供另一部分190713以密封流體通道^透鏡光圈可位 於任一部分上。 光闌可以V方向偏轉以導致流體之容積排量。舉例而言， 藉由偏轉光闌，將壓力施加至流體通道中之液體。此接著 102929.doc -22- 1292048 v致通道中之流體的容積排量，從而致動透鏡。舉例而言， α 、負V方向偏轉光闌來實現正L方向的流體容積排 里相反地，可由以正ν方向偏轉光閑來達成負匕方向的流 體容積排量。 光扃了由各種類型之材料形成。舉例而言，光闌可由諸 如聚乙烯、聚丙烯或聚醯亞胺之聚合物形成。諸如仏咖、 陶瓷或易撓金屬之其他類型材料亦為適用的。光闌之厚度 應使其能夠偏轉而不會斷裂。 在實施例中，提供與光闌相連通之機電應力電感器 1256。施加一電場至應力電感器以導致其以v方向擴展或收 縮，從而控制在光闌上感應之應力。方向及量值（例如，擴 展或收縮之量）取決於所施加之電壓及電流的量值及極 性。此有效地導致流體通道中之流體的容積排量以致動微 透鏡。 在實軛例中，應力電感器包括一音圈，諸如線性音圈。 该音圈包括金屬（例如，銅、鉑、金或鋁）導線。其他類型之 導線亦為適用的。諸如壓電應力電感器之其他類型應力電 感器亦為適用的。 在一實施例中，提供外殼1257以密封機電應力電感器。 該外殼係（例如）附著至封裝表面。在一實施例中，外殼提供 對機電應力電感器之結構支撐，從而使其能夠在光闌上施 加應力。諸如聚合材料或金屬材料之各種類型材料亦可用 於形成外殼。 在貝施例中，形成無固有應力之光闌。此導致光闌具 102929.doc -23- 1292048 有相對平坦之構形。由於藉由應力電感器施加應力，故光 闌以負方向偏轉。由於減少或移除了電場，故光闌回復其 自然構形。 在另一實施例中，光闌形成有固有應力，從而產生弓形。 較佳地，該應力導致光闌為向上彎曲，從而形成凸狀。可 使用各種技術光闌中感應固有應力，該等技術諸如提供應 力感應層或改變用於形成光闌之處理參數。在無電場（例 如，中性位置）之情況下，光闌自然地朝向應力電感器向上 秦曲 ％加電％至應力感應器導致其擴展，從而使光闌以 負ν方向偏轉。在光闌中提供固有應力促進形成凹透鏡或凸 透鏡。或者，應力電感器能夠導致光闌以正及負ν方向偏轉 以形成凹透鏡或凸透鏡。在另一實施例中，當光闌在其自 然或正常位置時形成凸透鏡。 可提供入口及出口以促進填充及沖洗流體系統。為包含 微透鏡，可提供薄膜或透鏡蓋，如圖4及5中所描述的。提 供相同或不同類型之額外致動器亦為適用的。 參看圖15b，微透鏡封裝206之部分包括第一及第二流體 通道240a至24〇b。在一實施例中，該第一通道包含一藉由 光閑1255加以覆蓋之流體貯器1246。第一及第二流體通道 係藉由透鏡貯器而分離。在一實施例中，流體通道及光闌 係开/成為封裳之第一部分（例如’中間部分）之部件。用於提 供光闌及/或流體通道之其他技術亦為適用的。 在一實施例中，提供應力電感器1256與光闌相連通。應 力電感器施加應力至該光闌以導致其偏轉，藉此改變流體 102929.doc •24- 1292048 中之谷積。在一實施例中’應力電《$ 位於與光 闌相連通處且位於第：流體通道巾。使應力電感器位於封 裝之其他部件（諸如與光闌相連通且位於第-流體通道中） 亦為適用的。應力電感器（例如）包括一音圈。其他類型之機 電應力電感器亦為適用的。 透鏡光圈1239與封裝之另—部分中的第-及第二流體通 道相連通。透鏡光圈較佳形成於基板之包含通道及光閑的 部分中。在封裝之其他部分中形成透鏡光圈亦為適用的。 第-流體通道包括第一液體且第二流體通道包括第二液 體。第-液體(例如)用於形成微透鏡。以第二液體或藉由第 一或第二液體形成微透鏡亦為適用的。 通道中之流體以推挽排列運作。舉例而言，由於第一通 道中之流體以正L方向移位，故第二通道中之流體以負[方 向移位且反之亦然：。在—實施例中，當第__流體以正[方向 流動時透鏡曲率半徑增加。相反地，#由導致第—流體以 負L方向流動而減少透鏡曲率半徑。視負l方向之流量，可 形成凹透鏡。其他組態亦為適用的。頂部部分及底部部分 (例如）附著至中間部分以密封通道來形成封裝。 在另-實施例中，封裝包含—流體通道及透鏡光圈。外 部致動器㈣至封裝，從而導致流體在流體通道中流動以 在光圈處致動微透鏡。在另一實施例中，在封裝中提供第 一及第二透鏡同中心光圈。非同中心光圈亦為適用的（在不 同或相同表面上）。藉由外部致動器控制透鏡光圈。提供每 一透鏡光圈使其具有其自身之流體通道及外部致動器亦 102929.doc -25- 1292048 適用的。提供位於封裝之一或兩個表面上且藉由一或多個 致動恭加以控制的複數個光圈亦為適用的。 雖然已參看各種實施例特定展示及描述了本發明，但熟 白此項技術者將認識到，可在不偏離本發明之精神及範疇 的情況下對其進行修正及改變。因此不應參看以上描述而 應參看附加申請專利範圍連同其等效物之全部範疇來確定 本發明之範_。 【圖式簡單說明】 圖1展示習知液體微透鏡； 圖2展不根據本發明之一實施例之微透鏡的橫截面圖； 圖3至圖9展示根據本發明之其它實施例之微透鏡的橫截 面圖； 圖1 〇至圖13展示根據本發明之各種實施例之致動器的俯 視圖； 圖14a至圖14b展示根據本發明之一實施例之微透鏡的俯 視圖及橫截面圖；及 圖15a至圖15b展示根據各種實施例之微透鏡的橫載面 圖。 【主要元件符號說明】 101 110 121 123a 123b 102929.doc 習知流體微透鏡 基板 接地電極 第一控制電極 第二控制電極 -26 - 1292048 130 介電層 135 塗層 139 窗 140 導電液體 141 導電液體滴形狀 142 導電液體滴曲率 201 微透鏡晶片 206 封裝 208 底部表面 209 頂部表面 239 光圈開口 239a ， 239b 透鏡光圈 240 流體通道 240a 第一流體通道 240b 第二流體通道 241 液體微透鏡 241a 透鏡曲率 241b 透鏡曲率 241c 透鏡曲率 241d 凹透鏡形狀 245 機電透鏡致動器 245a ， 245b 致動器 280 第一方向 281 第二方向 102929.doc -27- 1292048 343 透明膜 380 方向 381 方向 443 透明蓋 546a 第一動電泵 546b 第二動電泵 546c 第三動電泵 548 微結構/微通道 558 流體貯器 590 透鏡蓋 593 第二流體通道 641a 透鏡曲率半徑 641b 凸狀之透鏡 641c 凹狀之透鏡 646 機電透鏡致動器 746a 動電泵 746b 機電致動器 843a ， 843b 透鏡光圈 846a 動電泵 846b 機電致動器 907 a 封裝底部部分 907b 封裝頂部部分 923a ， 923b 電極存取窗 934a 第一電極 102929.doc -28- 1292048 934b 第二電極 960 入口 964 流體貯器 1907a ， 1907b 封裝之一部分 1239 透鏡光圈 1246 流體貯器 1255 光闌 1256 應力電感器 1257 致動器外殼 102929.doc -29-

Claims (1)

1. 號專利申請案

   中文申請專利範圍替換本(96年8月） 十、申請專利範圍： 1 _ 一種可變焦距之微透鏡，其包括： 一微透鏡封裝； 凹至’该凹室位於該微透鏡封裝上且形成一透鏡光 圈； 一流體通道’其安置於該微透鏡封裝中，該流體通道 與該透鏡光圈相連通；及 一致動器’其係整合入該微透鏡封裝中且與該流體通 道相連通，當填充有一透鏡流體時，該致動器促使該透 鏡流體在透鏡光圈處膨脹以形成一液體透鏡，並且藉由 控制該流體通道中之流體流動以可變地聚焦該液體透 鏡’該液體透鏡定義一空氣-液體介面。 2·如請求項1之可變焦距微透鏡，其中該液體透鏡包含一可更 新之液體透鏡。 3. 如請求項1之可變焦距微透鏡，其中該透鏡光圈包括任何幾 何形狀’其包含一圓形或矩形形狀。 4. 如請求項3之可變焦距微透鏡，其中該液體透鏡包括一可 更新之液體透鏡。 5. 如請求項1、2、3或4之可變焦距微透鏡，其進一步包括 覆蓋該透鏡光圈之一保護透鏡蓋。 6·如請求項1、2、3或4之可變焦距微透鏡，其中該凹室在 該微透鏡封裴之相對表面上形成第一及第二透鏡光 圈；及 當填充有該透鏡流體時，該致動器促使該透鏡流體在該 102929-960821.doc J292048 弟 及第二透鏡光圈處膨脹以形成一雙凸液體透鏡或雙 凹液體透鏡。

   如請求項6之可變焦距微透鏡，其進一步包括覆蓋該第一 及第二透鏡光圈之第一及第二保護透鏡蓋。 如請求項1、2、3或4之可變焦距微透鏡，其中該致動器 包括一電控型致動器。 如請求項8之可變焦距微透鏡，其中該電控型致動器包括 一電動泵或一機電致動器。 如請求項9之可變焦距微透鏡，其中該機電致動器包括： 一流體貯器，該流體貯器與該流體通道相連通； 一覆蓋該流體貯器之光闌；及 一電控制應力電感器，該電控制應力電感器與該光闌 相連通’該電控制應力電感器促使該光闌偏轉以控制該 流體通道中之流體流動。 11.

   如請求項10之可變焦距微透鏡，其中該電控制應力電感 器包括一音圈'微揚聲器或壓電應力電感器。 12. 如請求項1、2、3或4之可變焦距微透鏡，進一步包括一 弟二致動器。 13.如請求項12之可變焦距微透鏡，其中該等第一及第二致 動器包括多個電控型致動器。 14.如請求項1、2、3或4之可變焦距微透鏡，進一步包 合一輔助流體通道，該輔助流體通道與該透鏡光圈相連 通’當填充有一第二流體時，該液體透鏡在填充有該第 一流體時形成與該第二流體介接的一流體_流體介面。 102929-960821.doc 1292048 15·如請求項14之可變焦距微透鏡，其中該辅助流體通道及 該流體通道形成一閉迴路。 • 16·如請求項1、2、3或4之可變焦距微透鏡，進一步包括與 • 5亥專透鏡光圈相連通之多個辅助流體通道，當填充有該 等輔助流體時，該等液體透鏡在填充有該第一流體時形 成與該等辅助流體介接的多個流體_流體介面。 17·如請求項16之可變焦距微透鏡，其中該等辅助流體通道 及該流體通道形成一閉迴路。 ^ I8· 一種可變焦距之微透鏡，其包括·· 一微透鏡封裝； 平行女置於該微透鏡封裝上之第一及第二凹室，該等 第一及第二凹室形成第一及第二透鏡光圈； 一第一流體通道，其安置於該微透鏡封裝中，該第一 流體通道與該第一透鏡光圈相連通； 一第一流體通道，其安置於該微透鏡封裝中，該第二 0 流體通道係與該第二透鏡光圈相連通； 一第一致動器，其整合入該微透鏡封裝中且與該第一 流體通道相連通，當該第一流體通道填充有一形成一第 一液體透鏡之流體時，該第一致動器促使該透鏡流體在 該第一透鏡光圈處膨脹以形成該第一液體透鏡，並且藉 由控制該第一流體通道中之流體流動來可變地聚焦該第 一液體透鏡；及 第一致動器，其整合入該微透鏡封裝中且與該第二 流體通道相連通，當該第二流體通道填充有一形成一第 102929-960821.doc 、l292〇48 二液體透鏡之透鏡流體時，該第二致動器促使該透鏡流 體在該第二透鏡光圈處膨脹以形成該第二液體透鏡，並 且藉由控制該第二流體通道中之流體流動來可變地聚焦 該第二液體透鏡。 19·如請求項18之可變焦距微透鏡，其中該等第一及第二流 體通道彼此藉由一隔離器互相分離。

   20·如請求項18或19之可變焦距微透鏡，其中該等第一及第 二液體透鏡包括第一及第二可更新之液體透鏡。 21·如請求項18或19之可變焦距微透鏡，其中至少該等第一 及第二液體透鏡之一包括一可更新之液體透鏡。 22.如請求項18或19之可變焦距微透鏡，其中該等第一及第 二透鏡光圈包括任何幾何形狀，其包含一圓形或矩形形 狀0 23·如請求項18或19之可變焦距微透鏡，進一步包括覆蓋該 等第一及第二透鏡光圈之第一及第二保護透鏡蓋。 24. 如請求項18或19之可變焦距微透鏡，進一步包括至少一 辅助流體通道，該至少一輔助流體通道與該等透鏡光圈 之一相連通，當填充有一辅助流體時，與該辅助流體通 道相連通的透鏡光圈之流體透鏡形成與該輔助流體介接 之一液體-液體介面。 25. 如請求項24之可變焦距微透鏡，其中該至少一辅助流體 通道及該第一或第二流體通道形成一閉迴路。 26.如請求項is或19之可變焦距微透鏡，進一步包括： 與該等第一及第二透鏡光圈相連通之第一及第二輔助

   102929-960821.doc 1292048 流體通道，當填充有輔助流體時，該等液體透鏡在填充 有第一及第二流體時形成與該等辅助流體介接之一液體_ 液體介面。 27·如請求項26之可變焦距微透鏡，其中該等辅助流體通道 與該等流體通道形成多個閉迴路。 28·如請求項18或19之可變焦距微透鏡，其中該等致動器包 括多個電控型致動器。 29·如請求項28之可變焦距微透鏡，其中該等電控型致動器 包括多個電動泵、多個機電致動器或一電動泵及一機電 致動器。 3〇·如請求項29之可變焦距微透鏡，其中該機電致動器包括： 一流體貯器，該流體貯器與該流體通道相連通； 一覆蓋該流體貯器之光闌；及

   一電控制應力電感器，該電控制應力電感器與該光閑 相連通，該電控制應力電感器促使該光闌偏轉以控制該 流體通道中之流體流動。 31·如請求項30之可變焦距微透鏡，其中該電控制應力電感 器包括一音圈、微揚聲器或壓電應力電感器。 32·如請求項18或19之可變焦距微透鏡，進一步包括與該等 第一及第二流體通道相連通之至少一輔助致動器。 33·如請求項32之可變焦距微透鏡，其中該辅助致動器包括 一電動泵。 34.如請求項18或19之可變焦距微透鏡，進一步包括與該等 第一及第二流體通道相連通之多個輔助致動器。 102929-960821.doc V 1292048 -35.如請求項34之可變焦距微透鏡，其中該等輔助致動器包 括多個電動泵。 36. —種用以聚焦一液體透鏡之方法，其包括： 在一微透鏡封裝中提供._ A . Τ ^ ^ 含有一透鏡流體之流體通 道4透鏡机體具有足夠之表面張力以在該微透鏡封裝 之一表面上的一未密封透鏡光圈處形成一液體透鏡，該 流體通道與該透鏡光圈液體相連通； 《供-整合入該微透鏡封裝中之電控型致動器，其中 P 該致動器與該流體通道相連通；及 施加一電壓或電流至該致動器以控制該流體通道中之 流體壓力，以藉由改變該液體透鏡之曲率以致動該透鏡 光圈處的該液體透镜。

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