(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁（４）により支持された薄いガラス面(２)上のアクチュエータ(１)を含む第１面によって仕切られた空洞内に封入された軟質で変形可能なレンズ本体（３）を有する光学レンズ組立体であって、前記空洞の底面を構成する第２面には、前記レンズ本体（３）に取り付けられた底部透明板(５)が、前記底部透明板の端部と前記側壁（４）との間に開口部が存在し、前記レンズ組立体の前記底部透明板(５)と前記側壁（４）とが相互移動可能な関係で配置されることを特徴とする光学レンズ組立体。
【請求項２】
前記軟質で変形可能なレンズ本体（３）は前記光学レンズ組立体の光路内に配置され、前記レンズ本体（３）は、前記レンズ本体(３)の周囲に存在する前記開口部と前記側壁(４)を持つ前記空洞内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ組立体。
【請求項３】
前記取り付けられた底部透明板(５)が光パワーを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学レンズ組立体。
【請求項４】
前記取り付けられた底部透明板(５)が前記光学レンズ組立体における光軸と交差する表面を有し、前記表面は凸面形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学レンズ組立体。
【請求項５】
前記取り付けられた底部透明板(５)が前記光学レンズ組立体における光軸と交差する表面を有し、前記表面は凹面形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学レンズ組立体。
【請求項６】
前記変形可能なレンズ本体（３）は、前記レンズ本体（３）の同一光軸に垂直な２つの対向配置された平行面からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学レンズ組立体。
【請求項７】
前記変形可能なレンズ本体（３）は、前記レンズ本体（３）の同一光軸に交差する２つの対向配置された非平行面からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学レンズ組立体。
【請求項８】
側壁(４)によって支持された薄いガラス面(２)上のアクチュエータ（１）を含む第１面によって仕切られた空洞内に封入されたコンパクトで調節可能な光学レンズ組立体における熱影響を低下させる方法であって、前記方法は、前記レンズ組立体の底部透明板(５)と側壁（４）とが相互移動可能な関係で配置されることを特徴とする光学レンズ組立体の熱影響を低下させる方法。
【請求項９】
前記相互移動可能な関係を前記底部透明板(５)の端部と前記側壁(４)との間に開口部を持たせることにより達成することを特徴とする請求項８に記載の光学レンズ組立体の熱影響を低下させる方法。
【請求項１０】
前記方法は、さらに前記底部透明板(５)に光パワーを供給するステップを含み、前記光パワーは前記レンズ組立体に対する全光学的要件に従って設計されることを特徴とする請求項８又は９に記載の光学レンズ組立体の熱影響を低下させる方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、コンパクトで調節可能な光学レンズにおける熱的影響を減少させる方法および装置に関し、特に軟質ポリマーで作られた変形自在なレンズ本体を含む光学レンズにおける熱影響を減少させるための方法および装置であって、制御信号が、レンズ本体を変形させるアクチュエータを作動させ、それによって光学レンズ組立体における焦点距離の調整やズーミングの適用などを可能にする方法および装置に関する。
【０００２】
調節可能な光学要素に関しては、レンズ本体を構成する柔軟性ポリマーの表面に近接して配置されたアクチュエータ層状構造物によって柔軟性ポリマーが変形するなど、解決すべき問題点が多い。ポリマーは、一般に金属、酸化物およびセラミックのような無機材料に比べて大きな熱膨張係数を持つという欠点を有している。特に、ガラス、シリコンおよびポリマーのような熱膨張性が著しく異なる材料で作られたハイブリッド材料は、熱膨張性の大きな差異によって使用や製造に際して種々の問題を抱えている。本発明は軟質ポリマーとガラス、セラミックスおよび金属のような硬質材料の両者からなる調節可能なレンズ、プリズム、およびその他の光学素子の熱補償をするための能動的および受動的方法および装置に関するものであり、それにより調節可能なレンズは広範囲の温度で製造および取り付けが可能となる。例えば、本発明の実施態様の例によれば、製造は３００℃の温度で行うことができ、またレンズは−２５から８０℃の範囲あるいはそれ以上の温度範囲で使用することができる
最近の用途の多様化によって、低コストで多量の小型レンズに対する需要が増大している。携帯電話におけるカメラ使用の一般化によって大量のレンズ市場が提供されている。小型カメラの問題を解決するために調節可能なレンズの必要性が増している。調節可能なレンズは、マイクロカメラに対して自動焦点やズームなどの高度の先進機能を付与することができる。特に一般的レンズや調節可能レンズにおいて多く要望されている問題は、半導体ウエハ工程のような大量生産工程に対する要望である。本発明は、軟質ポリマーがレンズ本体の主要部分を構成する調節可能なレンズまたはプリズムの使用中および製造中に起こる問題点の解決に関する。変形自在な軟質ポリマーを用いた調節可能な光学素子については、ノルウェー国特許出願公開ＮＯ２００６４２７１号明細書、ドイツ国特許出願公開ＤＥ３６４４２２５Ａ号明細書およびノルウェー国特許出願公開ＮＯ２００７０７９７号明細書などに例示されている。
【０００３】
図１に記載された調節可能レンズは５つの要素からなる。アクチュエータ(例えばピエゾリング)１が、軟質ポリマー３と接している柔軟性薄膜（通常はガラス）２上に装着され、反対側には硬質基板５を有することが好ましい。アクチュエータは、柔軟性薄膜を変形してレンズ形状にする。変形自在なポリマーは薄膜に貼り付けられ、ガラス・ポリマー・ガラス構造体全体が調節可能レンズとして機能している。図１に示す調節可能レンズの設計は、低単価で大量生産を可能とするウエハ工程を採用した製造を可能とする利点がある。ガラスまたは他の比較的硬質であるが、柔軟性を持つ材料を連続的または半連続的な硬質支持材４と組合せて作られた連続的な薄膜は、ウエハ規模の処理での取り扱いを比較的に容易にし、加えて支持構造を適用することで、カメラシステムなどの組立が可能になる。他の調節可能な光学素子は、例えば、アクチュエータの相対位置や柔軟性薄膜の厚みの変更を伴った基本的に同様の原理を採用して得ることができる。調節可能なプリズムの例は、ノルウェー国特許出願公開ＮＯ２００７０７９７号明細書に記載されている。
【０００４】
従来技術で使用される軟質ポリマーは５００ｐｐｍ/Ｋを越える熱膨張係数を有する。これは、例えば、ガラスまたはシリコンの典型的な数値（２−１０ｐｐｍ/Ｋ）に比べて、またさらに硬質ポリマー材料の数値（典型的には５０−２００ｐｐｍ/Ｋ）に比べても大きな差異があり、このような材料の混合物を含むハイブリッド構造体においては製造や装着に際して、また連続使用に際して問題が生じる。携帯電話のカメラに対する典型的な使用温度は−２５乃至５５℃であるが、一方、製造温度は短時間で２６０℃にも達する。
【０００５】
図１に示されるようなレンズ組立体の温度上昇の影響については測定またはシュミレートすることができる。温度上昇によって生じるガラス薄膜の膨張は、アクチュエータに電圧をかけることによって生じる膨張よりも数倍大きい。誇張した概略図を図２に示す。従来技術に示される調節可能レンズおよびプリズムは、非常に狭い使用温度範囲を持つので、実用上での構成部品の利用が著しく制限される。
【０００６】
図１に示された調節可能レンズの設計ではポリマーは空洞中に封入される。これに代わる設計としては、一部にのみに封入される空洞が提案されており（図１の右側図参照）、そこでは６は空気充填空洞であるが、これが熱膨張による影響を低下させることが述べられている（ＰＣＴ/２００７/０００３３２およびＰＣＴ/２００７/０００３３３）。しかしシミュレーションおよび実験により確認された結果によれば、封入空洞中へのポリマーの部分的充填では熱的影響を十分に補償することはできない。シミュレーション結果による補償効果の例を図２に概略的に示す。
【０００７】
図２に示すように、また当業者にとっても明らかなように、熱膨張を補償するために提案された従来技術による解決法は、レンズ材料が硬質ポリマーである限り十分なものではない。例えば、日本国の特開２００２−２３９７６９号公報、特開２００１−２５７９３２号公報および特開２０００−０８１５０３号公報などの特許文献に示されるように、レンズの設計が液体封入レンズからなる場合には、膨張液体のための排出溝および排出空間が提供されていれば十分であろう。しかし、レンズ本体に硬質ポリマーを用いる場合には、硬質ポリマーの有利な特性、特に製造時のまた耐久性や安定性などの特性を使うことは勿論であるが、ポリマーが膨張して入るオープンスペースを持った周囲面（例えば、調節可能レンズのガラス面）に１つ以上の面が物理的に取り付けられるとしても十分ではない。
【０００８】
本発明の一態様は、熱膨張性の大きく異なる材料を組合せて作られた調節可能な光学素子における熱膨張の影響を補償しかつ最小化するための能動的または受動的方法および装置を提供するものである。
【０００９】
本発明の別の態様では、マイクロカメラ完成品のウエハ規模での組立体において、ウエハ規模の工程で、固定レンズとイメージセンサを一体化することができる大量生産できる調節可能なレンズ、プリズムおよび他の光学素子を作るための解決法を提供するものである。
【００１０】
本発明のさらに別の態様では、２５０℃以上の温度で行われる非常に有効な鉛無しのリフロー半田付け工程に耐えることができる調節可能なレンズまたはプリズム構成部品を提供するものである。チップボール上に電子部品を装着するために行われるこのような標準的な工程に耐えることができるマイクロカメラを得ることは、とりわけ携帯電話のカメラなどの家電製品の大量/低コスト生産を実施するために非常に重要である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図面の簡単な説明】
【図１】従来法によるポリマーで作られたレンズ本体からなる調節可能レンズを例示したものである。
【図２】従来法によるレンズ組立体における熱膨張の影響を示すものである。
【図３】本発明の態様の一実施例を示すものである。
【図４】本発明の態様の別の実施例を示すものである。
【図５】本発明の態様の別の実施例を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の態様の一実施例においは、底部ガラス素子５の一部は図３に示されるように、支持構造体から切り離されている。この場合、ポリマーはガラス薄膜と硬質壁とによって仕切られた空洞の大部分に充填される。底部素子５は、ガラスもしくは、光学的に透明であってかつ軟質ポリマー３よりも硬い材料であればよい。他の使用可能な材料としては例えば成型プラスチックおよび比較的硬質なエラストマーなどがある。
【００１３】
図４（ａ）に示した本発明の態様の別の実施例では、ポリマーは空洞全体に充填されず、レンズまたはプリズムの光学光路中に供給される。
本発明の態様の別の実施例では、図４（ｂ）に示されるように底部ガラス素子として光パワーを持った素子が含まれる。調節可能レンズが１つ以上の固定レンズを持った対物レンズの一部である場合には、底部の光学境界面は、例えば全ての光をイメージセンサ面の下側にある焦点中に集める機能を持った対物レンズの光パワーの全てに寄与するので特に有効である。
【００１４】
本発明の別の様相によれば、熱膨張を補償する見地から底部ガラス素子が凹面または凸面を持つことは有効である。熱膨張のために光軸の方向において光学境界面は僅かにずれる。このずれによって、特定のレンズ設計においては、例えば像平面の焦点不良や他の光の収差誤差のような好ましくない影響が生じる。カメラの対物レンズ全体の設計によるが、場合によっては熱補償された調節可能レンズの底部ガラスの凹面または凸面形状はこのような好ましくない影響を減らすことができる。
【００１５】
上記に示した全ての実施態様においては、温度制御機能としてピエゾ・アクチュエータに小電圧を与えることは効果的である。これは特定の設計が熱膨張についてより良い補償を得るために必要である。このような補正電圧部分（８）および無補正電圧部分（７）を持ったレンズ断面の一例を図５に示す。
【００１６】
熱補償された調節可能レンズを大量に生産するためには、好ましくは標準的な半導体処理装置を用いて、ウエハ上で処理が実施されることは明らかである。
また上記に示す全ての実施態様は、熱膨張の大きな差異が好ましくない影響を与えるレンズ以外の調節可能光学素子、とりわけ調節可能プリズム、あるいはまたアクチュエータ構造物（例えば、ガラス薄膜上に装着したピエゾ・アクチュエータ）が軟質ポリマーと製造時や画像システム（カメラ）への装着時の使用のための支持物の両方に取り付けられる他の調節可能光学素子、の熱膨張に関連する問題点を解決するものである。そのような調節可能な光学素子としてフィルタや回折格子などが挙げられる。
【００１７】
前記実施態様は円形または類似の形状のレンズおよびプリズムに対する作用について述べたものである。この熱補償についての同様の原理は筒状レンズまたは他のレンズ本体形状にも適用できる
本発明の別の様相によれば、軟質ポリマーが光軸に垂直な２つの平行面を形成する場合には、熱膨張は確実に光軸に平行に生じるので角度のひずみは起こらない。特別な例では、軟質ポリマーは非平行な構造を有することが望ましく、このような場合には熱膨張が光軸から僅かな角ひずみをもって生じるが、これは当業者にとって公知の他の光学的手段によって補償することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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