JP5244806B2 - 小型調整可能レンズの設計 - Google Patents

Description

本発明は調整可能レンズの設計に関し、特に、曲げられるガラス上に配置されたゲル又はエラストマーを含み、圧電素子がガラスに接触して配置され、圧電素子に電圧が印可されるとガラスが曲がってレンズ・パラメータが調整されるレンズの設計に関する。

調整可能レンズ素子の低コストで量産のソリューションの必要性が、増え続ける応用例において高まっている。携帯電話でカメラが一般的に使用されると、数百万のレンズの量になる。このようなレンズの設計では、携帯電話内のカメラ・モジュールの上面にレンズを固定し、それによって操作手順をできるだけ少なくするなどの場合での操作のしやすさなど、複数の要件を満たすことが必要である。これらの課題は、例えば、レンズから被写体までの距離に合わせるように焦点距離が調整されなければならない、自動焦点レンズで見られるような調整可能なパラメータをレンズ構成が含む場合では、より大きくなる。このようなレンズでは通常、例えば可動部品を含む複雑な設計になり、これが、妥当な方法でレンズを組み立てることを困難にする可能性がある。このような設計に伴うさらなる課題は、可能な限り薄いレンズ・アセンブリを提供するという高まり続ける必要性である。薄く軽い携帯電話及びカメラは、市場において必須のものである。

通常、イメージ・センサ（ＣＭＯＳ又はＣＣＤセンサ）の上にレンズのスタック（積重ね）を有することが、被写体からの光をセンサ上に集束するために必要である。図１に、レンズ・スタックの概略図が示されている。レンズ・スタック全体の適正な設計によって、集束レンズ（概略図で長方形）は、被写体に最も近い方に、又は他のレンズ要素の間に配置することができる。集束レンズ要素の役割は、焦点を無限距離から最短焦点距離まで連続的に移動させることであり、最短焦点距離は、例えばカメラの用途によって決まる。焦点距離は、例えば５〜５０ｃｍの範囲であり得る。

従来技術において、小型の調整可能レンズ設計の例がいくつかある。例えば、Ｗｅｉｓｏｎｇらの「Ｄｅｓｉｇｎ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ａ ｍｉｃｒｏ ｍａｃｈｉｎｅｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｔｕｎｅａｂｌｅ ｍｉｃｒｏ ｌｅｎｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、２００６年５月９日、の論文では、空洞内の液体を圧縮又は延長してレンズの焦点距離の調整を実現できるレンズ・アセンブリを開示している。しかし、液体の充填を伴う量産は困難であり、時間のかかる作業である。

ＪＰ０２−１７８６０２では、液体を間に有する２つの透明な基材で、一方の基材上に配置された圧電素子に電圧を印加することによって基材を曲げ、この曲げがレンズ・アセンブリの表面の所望の曲率を与えるレンズ・アセンブリを開示している。

ＪＰ２０００−２４９８１３では、２つの曲げられる透明板の間に配置された変形可能な透明材料を備えるレンズ・アセンブリを開示している。共通アクチュエータが各板を曲げて、レンズ・アセンブリの焦点距離を変化させることができる。

ＪＰ０１−１４０１１８では、透明液を含む円筒容器の上面に透明電極を有する圧電ポリマーを備えた調整可能なレンズ・アセンブリを開示している。圧電ポリマーに印可される電圧がポリマーを湾曲させ、したがって焦点距離が変わる。

したがって、大量生産するのにレンズの組立てが容易で安価である、簡単なレンズの調整を実現するレンズ設計が必要とされている。

本発明の一態様によれば、レンズ・アセンブリが、薄いガラス・カバーを備えたゲル又はエラストマーを支持する少なくとも１つの支持体を備え、薄いガラス・カバーの円形の中央部分が、ガラス・カバーの残部との接触がなく、ゲルの上面で浮動するアイランド（島状体）として構成され、薄い円形圧電リングの形をした水晶振動子が、ガラス・アイランドの縁部と接触して配置され、ガラス・カバーの残部が、少なくとも１つの支持体の縁部までゲルの上面に配置され、スペーサ要素が、少なくとも１つの支持体の縁部に沿って、圧電リングに印可される信号の電気的接続を行い、スペーサ要素が同時に、少なくとも１つの支持体に対してガラス・カバーを機械的に支持し固定する。

本発明の一実施例では、スペーサ要素と電気的に接触するバイア・ホールが、レンズ・アセンブリをカメラ・アセンブリの上面に電気的に接続するためのパッドを形成する。

本発明の別の実施例によれば、調整可能光学レンズの設計で、電気的接触を含むレンズの総寸法が他の光学要素のスタック内に実装するのに十分なだけ小さく、スタック内の他の要素の寸法を超えないレンズを提供する。

本発明の別の実施例によれば、スペーサ部材はまた、レンズ製造時のスペーサ要素としても機能する。

カメラ・モジュール内のレンズのスタックの原理を示す概略図である。 本発明によるレンズ・アセンブリの設計原理を示す図である。 本発明によるレンズ・アセンブリの設計原理を示す別の図である。 図２及び図３に示されたレンズ設計を示す斜視図である。 本発明の別の実施例を示す図である。 本発明のさらに別の実施例を示す図である。 保護カバーの配置を示す図である。 調整可能レンズ要素を上下反転した実施例を示す図である。

デジタル・カメラ・モジュールは、例えば以下を備える。
・イメージ・センサ（ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサ）
・マイクロ・レンズ・アレイを備えたカラー・フィルタ
・被写体からの光をセンサ上に集束するレンズ・スタック
・オート・フォーカス又はズームの機能が含まれるべき場合は、調整可能レンズ要素がレンズ・システム内のどこかに含まれなければならない。

光学システム内のどんな調整可能な機能（オート・フォーカス、ズーム）でも、本質的に何らかの調整可能なレンズ要素又はレンズ・パラメータを含まなければならない。焦点特性は、例えば各レンズを互いに物理的に移動させることによって、或いはレンズの物理的な形状を変形させることによって調整することができる。可動部分を含まない調整可能レンズ要素が、製造時に信頼性もコスト効率もより高くなる潜在性を有することは明らかであろう。変形可能レンズの開発は、これまで関心の高い話題であった。また、小型カメラ、携帯電話、及びパーソナル・コンピュータなどの大量消費者製品へのデジタル・カメラ・ソリューション導入に伴い、より高品質、より低価格のカメラ・モジュール・システムの需要が増大した。ズーム及び自動焦点機能のような特徴を加えることが、そのような応用例でのカメラ・ソリューションに付加価値を与えることになる。

本発明の別の態様によれば、レンズ・システムが光特性に基づく光測定装置又は光測定計器に使用される場合には、他の調整可能パラメータに関心が持たれてもよい。本発明によるレンズ・アセンブリの応用例に関連したどんな調整可能レンズ・パラメータも、本発明の範囲内にあるとみなされる。

当業者には知られているように、ウェハ製造は、マイクロ・エレクトロニクス構成要素及びマイクロ・メカニカル構成要素の大量生産を実現するための最も効率的な方法の１つである。高密度及び低コストが要件である場合に生じる課題の１つは、ウェハ製造サイクル全体を通してウェハ・スケール（ｗａｆｅｒ ｓｃａｌｅ）加工を実施する必要があることである。調整可能レンズ要素の特定の応用例では、ウェハ・スケール製造において、調整可能レンズを他のレンズ、及び／又は光学センサなど他の光学要素とともにスタック内に実装することもまた非常に望ましい。これは、レンズ要素の横方向寸法がウェハ・スタック内の他の要素の寸法を超えない場合に実施可能である。従来技術のどれも、例えば携帯電話、カメラ、パーソナル・コンピュータなどへの実装用の小型デジタル・カメラ・モジュールのウェハ・スケール製造において、低コストと、調整可能レンズを実装する可能性とを両立させることができない。

（自動）焦点レンズ又はズーム・レンズなどの応用例での使用に関し、小型調整可能レンズを作製するための技術的に実施可能なソリューションがいくつか存在する。本発明は、図２、３及び４に示された、材料のスタックからなる調整可能レンズの設計に関する。底部基板は、任意のガラス又は透明ポリマー材料など、任意の透明で比較的堅い材料でできた支持要素である。上部要素は、別の比較的堅い材料であり、圧電素子などの駆動要素を含む。間にはさまれて、ポリマー・ゲル又はエラストマー、或いは分枝ポリマー又は線状ポリマー、或いは油性液体など変形可能で透明な材料がある。調整可能レンズを規定する駆動の基本原理は、ある曲率を生じさせるアクチュエータ／カバー材料の直接変形である。その曲率半径は、当業者には知られているように、レンズの集束特性を規定する。

本発明は、以上で開示した設計に関するものであり、そのレンズ・アセンブリ全体はまた、少なくとも１つの支持要素も含み、この支持要素は、はさまれた可撓材料を必要な厚さにするために製造時にスペーサとして機能するとともに、調整可能レンズ・アセンブリ全体の機械的安定性を向上させる安定化要素として機能する。

調整可能レンズの機能性は、曲げられるディスクにある。したがって、この曲げられるディスクは、相対的に非結合でなければならず、変形可能（ポリマー）材料の上で浮動していなければならない。図２及び図３に示されたように、安定化支持要素を導入することで以下の利点が明らかである。

・安定化要素はレンズ・アセンブリ全体の機械的安定性を向上させ、この安定性は、製造時のウェハの取扱いにも他のウェハ（例えば、レンズ・スタック及びイメージ・センサ）との組立てにも重要であり、また個々のカメラ・モジュールへのウェハ・スタックの分割（切断）時、並びにカメラ・モジュールの、それらの目的とする応用例（携帯電話、デジタル・カメラ、パーソナル・コンピュータ・カメラなど）へのさらなる一体化時に重要である。
・安定化要素は、調整可能レンズ要素の製造時にスペーサとして機能し、このスペーサは、例えば、規定された量／厚さの液体プレポリマーの塗布に必要である。

本発明の一実施例では、可撓材料（ポリマー）は、例えば図２、３及び４に示されたように、レンズ要素全体にわたって均一な厚さを有する。

本発明の別の実施例では、図５に示されたように、可撓材料は、アクチュエータ要素と安定化要素の間の領域内で薄くなるように形づくられる。

本発明のさらに別の実施例では、可撓材料は、アクチュエータ要素と安定化要素の間の領域の部分から除去される。

本発明の重要な一態様は、導電性の支持／スペース要素を有することである。このことにより、電気信号の効率的な経路選択が容易になり、またアクチュエータ要素を外部電圧源及び制御ユニットに接触させることが容易になる。

カメラ、携帯電話又はラップトップ・コンピュータの光学システムは、可変焦点機能を備えたレンズ・スタック、センサ・アレイ、並びに光信号の増幅、コンディショニング及び会話のための電子回路を含む。光学システムの焦点部分とのインターフェースは、電子回路の入出力装置を介する。この電気的インターフェースは、電子回路の自動焦点装置から制御信号を供給する２つのコネクタからなる。調整可能レンズ要素がコスト効果的にカメラ・モジュールのウェハ・レベル組立てに含まれなければならない場合、その導入がカメラ・モジュールの総横方向寸法の増加をまねいてはならず、したがって、自動焦点アルゴリズムからの信号コネクタの位置は、イメージ・センサの総横方向寸法内に形状的に制限される。

本発明の別の実施例によれば、透明支持体がシリコン上のガラスによって設けられ、光がレンズ・アセンブリを通過できるようにシリコン内に開口が配置される。本発明の一実施例では、１つ又は複数の圧電素子を駆動するための電子回路、及び制御論理回路が透明アセンブリのシリコン部分内に集積され、或いはハイブリッド回路として支持体に結合される。信号はスペーサ要素内の導体に接続される。

本発明の一実施例では、カバー・ガラス内にスルー・ホールが設けられ、或いは、支持要素の上のカバー・ガラスが除去される。スルー・ホールはまた、図６に示されるように、底部支持基板内に含めることもできる。この実施例の重要な態様は、ガラス・アイランド上面でのアクチュエータとの電気的接触が、例えばレンズ要素の底面側での金属結合によって行われることであり、こうすると、極めて小型の光学スタックとしてレンズ要素の実装が容易になる。

本発明の別の実施例によれば、スペーサ部材は、調整可能レンズ要素の縁部に沿った機械的に安定な構造である壁として実施され、この壁は、可能なレンズ要素の上下反転を容易にし、言い換えると、焦点レンズの変形可能面をイメージ・センサに最も近くにすることを容易にする。こうすることには、（圧電）アクチュエータとの電気的接触がより実現しやすくなるという利点がある。

すなわち本発明の別の実施例は、図８に示されたように、アクチュエータが上に配置されているレンズ要素の側面が、その下のレンズ・スタックの他のものと直接接続されるように、調整可能レンズ要素を反転させることである。

本発明の別の実施例によれば、レンズ要素全体を封止する保護及び機械的安定化のカバー要素（カバー・ガラス）が、図７に示されたように配置される。

本発明の別の実施例によれば、ガラス・アイランドを曲げる圧電素子は、複数の個別圧電素子にそれぞれ異なる電圧を印加することによって非対称レンズ構成を実現することを可能にする複数の個別アクチュエータ要素として配置され、それによって、例えばレンズ・アセンブリを実際に動かさなくても視線が変わる。

本発明の別の実施例によれば、圧電素子を備えるガラス・アイランドの形状は任意の形をとることができ、円形だけでなく、例えば計測目的の調整可能レンズの用途に適合されたどんな形状でもよい。ガラス・アイランドを特定の形状にすることによって、ゲル又はエラストマーの特定の圧縮が実現可能であり、それによって、当業者には知られているように、変形の成形によってレンズ・パラメータを制御する手段が得られる。

さらに、圧電素子は、ガラス・アイランドと接触して配置される１個の要素として、ガラス・アイランドのいずれかの側に、圧電素子の任意のパターン又は形状で設けることができる。このような構成により、ガラス・アイランドの様々な曲げ特性が得られ、したがってゲル又はエラストマーの様々な変形が実現し、したがって光学パラメータの変化が実現する。

Claims (17)

1. 透明支持体基板を備えた調整可能レンズであって、前記支持体の側面にゲル又はエラストマーが配置され、薄いガラス・カバーが前記ゲル又はエラストマーの上面に配置され、前記薄いガラス・カバーが、環状のガラス削除部分により前記透明支持基板から離されて、前記透明支持基板とのガラスを介してのいかなる接触もなくガラス・アイランドを画定し、圧電素子が前記ガラス・アイランドの縁部と接触している、調整可能レンズ。
2. 少なくとも１つのスペーサ部材が前記透明支持体の１つの縁部に沿って配置され、前記少なくとも１つのスペーサ部材が前記薄いガラス・カバーを支持している、請求項１に記載の調整可能レンズ。
3. 少なくとも１つのスペーサ要素が、前記調整可能レンズと光学システムの他の構成要素との電気的接触を可能にする導電性材料を含む、請求項２に記載の調整可能レンズ。
4. スルー・ホールが、前記スペーサ部材の上面側及び底面側それぞれに隣接の各位置にある前記透明支持体基板、及び前記ゲル又はエラストマーの上面の前記ガラス・カバーに配列され、それによって光学アセンブリ内の構成要素のスタック全体にわたって前記スペーサ部材に接触することが可能になる、請求項２及び３に記載の調整可能レンズ。
5. 前記透明支持体がガラスでシリコン基板上に設けられ、開口が前記シリコン基板内に配置されて、光が前記調整可能レンズに通される、請求項１に記載の調整可能レンズ。
6. 前記シリコン基板が、前記調整可能レンズ内の前記１つ又は複数の圧電素子と関係づけられた電子構成要素を含む、請求項５に記載の調整可能レンズ。
7. 前記電子構成要素が、前記透明支持体の前記シリコン基板によって支持された別個の回路として形成される、請求項６に記載の調整可能レンズ。
8. 前記ゲル又はエラストマーが前記調整可能レンズ全体にわたって均一な厚さを有する、請求項１に記載の調整可能レンズ。
9. 前記ゲル又はエラストマーが、前記圧電素子と前記少なくとも１つのスペーサ部材との間の領域で薄くなっている、請求項２に記載の調整可能レンズ。
10. 追加の保護ガラスが前記調整可能レンズのまわりに部分的に配置される、請求項１に記載の調整可能レンズ。
11. 前記少なくとも１つのスペーサ部材が、前記調整可能レンズの周辺部に壁として配置される、請求項２に記載の調整可能レンズ。
12. イメージ・センサが、前記調整可能レンズの構成要素を支持するように前記少なくとも１つのスペーサ部材を配置することによって、前記調整可能レンズの一体化部品として構成され、その結果、前記ゲル又はエラストマーが、前記ゲル又はエラストマーの上面に浮動するガラス・アイランドとともに前記透明支持体の一方の側に配置されるようになり、前記少なくとも１つのスペーサ部材が、前記透明支持体の前記側と反対側の前記少なくとも１つのスペーサ部材の端部で前記イメージ・センサを前記少なくとも１つのスペーサ部材上に取り付けるために、前記レンズ・アセンブリ内に空間を設ける、請求項２に記載の調整可能レンズ。
13. 固定マイクロ・レンズが、前記イメージ・センサを取り付けるために前記少なくとも１つのスペーサ部材によって設けられた前記空間内に配置される、請求項１２に記載の調整可能レンズ。
14. 前記圧電素子が、複数の個別圧電素子として前記ガラス・アイランドの縁部に沿って配列される、請求項１に記載の調整可能レンズ。
15. 前記圧電素子が、前記ゲル又はエラストマーから見て外方に面する側の前記ガラス・アイランドの上面に、前記ガラス・アイランドの縁部に沿って配置される、請求項１に記載の方法。
16. 前記圧電素子が、前記ゲル又はエラストマーに向かって面する前記ガラス・アイランドの底面側に、前記ガラス・アイランドの縁部に沿って配置される、請求項１に記載の方法。
17. 前記圧電素子が、前記調整可能レンズの用途に適合されたパターンの前記ガラス・アイランドと接触して配置される、請求項１に記載の方法。

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