CN101681085B - 采用晶片级光学系统的自动聚焦/变焦模块 - Google Patents

采用晶片级光学系统的自动聚焦/变焦模块 Download PDF

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Abstract

本发明所公开的示范性相机模块包括基板、安装在基板上的集成电路图像捕捉装置(ICD)、顶面上具有光传感器阵列的图像捕捉装置、刚性固定到图像捕捉装置顶面上的第一透镜单元、第二透镜单元和安装在基板上的透镜驱动器。该透镜驱动器可调整地支撑第一透镜单元上方的第二透镜单元。第一透镜单元包括堆叠的多个透镜。作为选择，第二透镜单元也包括堆叠的多个透镜。第二透镜单元相对于第一透镜单元的运动提供聚焦和/或变焦功能。

Description

采用晶片级光学系统的自动聚焦/变焦模块
技术领域
本发明总体上涉及电子装置，特别是，本发明涉及数字相机模块。更具体地讲，本发明涉及结合可变聚焦/变焦装置的相机模块。
背景技术
数字相机模块通常结合在各种主机装置中。这样的主机装置包括移动电话、个人数据助理(PDA)和计算机等。因此，消费者对主机装置中数字相机模块的需求继续增长。
主机装置制造商希望数字相机模块更小，以便它们可以结合在主机装置中而不增加主机装置的总体尺寸。此外，主机装置制造商希望相机模块最低限度地影响主机装置的设计。在满足这些需求中，主机装置制造商希望相机模块捕捉尽可能高质量的图像。当然，以最小生产成本设计满足这些需求的相机模块是相机模块制造商追求的目标。
传统的数字相机模块通常包括透镜组件、壳体、印刷电路板(PCB)，和集成的图像捕捉装置(ICD)。典型地，部件分开成形并随后装配而形成数字相机模块。也就是说，ICD贴附到PCB，然后壳体贴附到PCB，以便ICD由壳体的底部覆盖。然后，透镜组件安装到壳体的相对端，以聚焦入射光到ICD的图像捕捉表面上。ICD电连接到PCB，PCB包括用于ICD的多个电接触，以传输图像数据到主机装置来处理、显示和存储。
数字相机普遍包括可变的聚焦/变焦装置以提高在不同焦面捕捉的图像质量，尽管微型相机模块不必要。典型地，可变的聚焦/变焦装置包括连接到透镜组件的一个或多个透镜的电子驱动器(electronic actuator)，用于改变透镜相对于ICD的图像捕捉表面的位移且相对彼此的位移。
在制造微型相机模块中，相机模块制造商遇到许多问题。作为一个示例，裸ICD管芯在装配前和装配中极易受污染。当图像捕捉表面暴露于灰尘和/或其它微粒碎屑时，这些污染物可能阻挡入射光，导致捕捉图像中的可见缺陷。这种污染物常常导致有缺陷的图像捕捉装置的报废，这可能极其昂贵，尤其是产率损失较高时。为了减少污染物，相机模块必须在等级100的清洁室中小心装配。尽管装配后的相机模块的图像捕捉装置对于来自相机模块外的污染物进行了防护，但是它们仍然易受内在产生的污染物的影响。这种内在污染物通常是由灰尘、部件粘接剂(例如，环氧树脂)和/或相机模块内的摩擦磨损形成的微粒导致。装配组件时或装配组件后，摩擦磨损是典型的，例如，在驱动相机模块内可移动的部件(例如，可变的聚焦/变焦装置)时。相机装配后图像传感器的污染可能尤其昂贵，因为可能不得不报废整个相机模块。
另一个问题是可变的聚焦/变焦装置典型地包括多个移动光学元件，其必须非常小以结合在微型相机模块中，因此，需要非常精密的工艺制作、装配和对准。确实，随着所需的相机模块部件的增加，对准工艺变得愈加困难。这是由于透镜必须在预定的公差内相对于ICD定位。总公差是其它中间部件公差的累积。理想地，透镜应该同轴地垂直于平面图像捕捉表面的中心。然而，这典型地仅由下列各项总和限定的预定总公差内来实现，这些项为：ICD相对于PCB的公差，PCB相对于壳体的公差，壳体相对于聚焦/变焦装置的公差，以及透镜相对于聚焦/变焦装置的公差。
在相机模块的装配期间，用于最小化ICD污染的一个现有技术的方法包括在图像捕捉表面上方固定透明保护基板(例如，玻璃板)。典型地，这通过将透明基板经由透明粘接剂直接粘接在图像捕捉表面上而完成。另一个普通方法包括在图像捕捉装置的外围表面形成环形元件，然后粘接透明基板到环形元件，从而在图像捕捉表面和透明基板之间形成间距。
尽管透明盖在相机模块装配前可以保护图像捕捉表面免受一些污染物影响，但是相机模块仍极易受到污染及导致的图像质量下降。例如，污染物仍可以聚集在其本身极易受污染的透明基板上。作为另一个示例，将透明盖粘接到ICD的工艺可能自身导致污染。此外，附加部件可能增加制造相机模块的总成本，并增加制造时间。
因此，所需要的是相机模块较不易受污染。还需要的是，相机模块可以用更加宽松的公差装配。还需要的是，相机模块需要较少部件和较少制造步骤。还需要的是，装配具有自动聚集和/或变焦特征的微型相机模块的方法。
发明内容
通过提供较不易受污染的、需要较少的部件和制造步骤以及可以用更加宽松的公差装配的具有自动聚集和/或变焦特征的相机模块，本发明克服了现有技术的相关问题。
所公开的示范性相机模块包括：基板；安装于该基板上的集成电路图像捕捉装置(ICD)，图像捕捉装置在其顶面上具有光传感器阵列；刚性地固定于图像捕捉装置顶面的第一透镜单元；第二透镜单元；和安装于基板上的透镜驱动器。透镜驱动器可调整地支撑在第一透镜单元上方的第二透镜单元。第一透镜单元包括堆叠的多个透镜。作为选择，第二透镜单元也包括堆叠的多个透镜。第二透镜单元相对于第一透镜单元的运动提供一个聚焦和/或变焦功能。
在所公开的示范性实施例中，第一透镜单元包括具有底面的第一透镜元件和具有顶面和底面的第二透镜元件。第二透镜元件的顶面粘接到第一透镜元件的底面，并且第二透镜元件的底面粘接到所述图像捕捉装置的所述顶面。
第一透镜单元粘接到图像捕捉装置的顶面，使得光传感器阵列密封在图像捕捉装置和第一透镜单元之间。第一透镜单元包括其中形成有腔的安装表面，并且安装表面在围绕传感器阵列的区域固定于图像捕捉装置的顶面，以便该腔设置在传感器阵列上方。在具体的实施例中，第一透镜单元的顶面距图像捕捉装置的顶面至少1-2mm。
还公开了制造相机模块的方法。所公开的示范性方法包括：提供集成电路ICD，集成电路ICD包括在其顶面上的传感器阵列；提供第一透镜单元；将第一透镜单元刚性地粘接到ICD的顶面；在基板上安装图像捕捉装置；提供具有可调地安装于其中的第二透镜单元的机-电驱动器组件，并且在基板上安装机-电驱动器组件，第二透镜单元在第一透镜单元上设有一定间隔。在具体的方法中，提供第一透镜单元的步骤包括：提供具有其中形成有多个单独透镜的第一透镜基板；提供具有其中形成有多个单独透镜的第二透镜基板；将第一透镜基板底面的至少一部分粘接到第二透镜基板顶面的至少一部分。刚性地粘接第一透镜单元到图像捕捉装置的顶面的步骤包括：提供包含该图像捕捉装置和多个其它图像捕捉装置的集成电路基板；提供具有形成于其中的多个单独透镜的透镜基板，透镜的至少一个形成第一透镜单元的一部分且其它透镜形成其它透镜单元的一部分；以及粘接透镜基板底面的至少一部分到图像捕捉装置的顶面，由此将所述第一透镜单元贴附到所述图像捕捉装置，并且将所述其它透镜单元贴附到所述其它图像捕捉装置。该方法还包括分开透镜基板和集成电路基板，以产生多个分开的图像捕捉装置，每一个具有贴附于其上的透镜单元。
在替换方法中，提供集成电路ICD的步骤包括提供在顶面上具有透明盖(例如，玻璃板)的集成电路ICD。将第一透镜单元刚性地贴附到图像捕捉装置顶面的步骤包括将第一透镜单元固定到透明盖。
在示范性方法中，第一透镜单元包括堆叠的多个透镜元件。作为选择，堆叠的多个透镜元件的至少一个元件包括集成于其中的红外滤光片。
作为另一个选择，该方法还包括以表示第一透镜单元的至少一种光学特征的数据编程图像捕捉装置。
所公开的示范性相机模块也可以描述为包括基板；安装于该基板上的集成电路ICD，该ICD在其顶面上具有光传感器阵列；第一透镜单元；相对于图像捕捉装置安装第一透镜单元的装置；第二透镜单元；和安装在该基板上的透镜驱动器，该驱动器相对于第一透镜单元可调地定位第二透镜单元。
附图说明
现在参考附图描述本发明，其中相同的参考数字表示基本上类似的元件：
图1是安装在主机装置的印刷电路板(PCB)上的本发明的相机模块的透视图；
图2是图1的相机模块的局剖透视图；
图3是图1的相机模块的内部部件的局剖透视图；
图4是用于制造图2所示的相机模块的光学部件堆叠所采用的多个玻璃晶片的分解透视图；
图5是在对准和接合工艺后的图4的玻璃晶片的一部分的截面图；和
图6是概述制造根据本发明的相机模块的一种具体方法的流程图。
具体实施方式
本发明通过提供制造具有自动聚集和/或变焦特征的小型相机模块的新颖方法而克服现有技术的相关问题。在下面的描述中，阐述了许多具体细节(例如，光学堆叠中的透镜元件的数量等)，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员将认识到，本发明可以脱离这些具体细节予以实施。另一方面，省略了熟知的电子装配实施和部件的细节，以免不必要地混淆本发明。
图1是根据本发明一个实施例的相机模块100的透视图。相机模块100示出为安装在印刷电路板(PCB)102的一部分上，印刷电路板(PCB)102表示相机主机装置的PCB。相机模块100通过多个导电迹线104与主机装置的其它部件电通讯。装置106表示可以直接安装在PCB 102上的电子部件(例如，无源部件)。本领域的技术人员应当认识到，PCB 102的具体设计取决于具体的应用，并且不与本发明特别相关。因此，PCB 102、迹线104和装置106实际上只是代表性的。
图2是相机模块100的局剖透视图，相机模块100包括集成电路图像捕捉装置(ICD)200、PCB 202、聚焦/变焦装置204、基体206和壳体208。ICD 202由本领域公知的方法(例如，引线接合，回流焊接等)安装并电连接到PCB 202。聚焦/变焦装置204包括光学堆叠210、透镜架212和驱动器214。光学堆叠210和透镜架212沿着光轴216同轴设置，光轴216关于ICD200的图像捕捉表面垂直并居中。光学堆叠210刚性地固定在ICD 200的顶面上，而透镜架212沿轴216可移动。驱动器214是机电装置(例如，微型机电系统(MEMS)、压电、音圈等)，其用于响应于电子控制信号而相对于光学堆叠210定位透镜架212。具体地讲，当驱动器214接收到表示具体的聚焦/变焦面的信号时，驱动器214将透镜架212a定位为距光学堆叠210对应的距离。
基体206是直接形成在PCB 202上方和ICD 202的外围边缘的刚性基板，以提供对驱动器214和壳体208的支撑。基体206可以由几种方式的任何一个形成。例如，基体206可以预制然后贴附到PCB 202。作为选择，基体206可在ICD 200和光学堆叠210固定到PCB 202上后直接模制到PCB202上。作为另一个选择，基体206和驱动器214可集成为单一部件。甚至作为再一个选择，ICD 200(具有贴附的光学堆叠210)可倒装芯片安装到基体206，其然后可以通过例如回流焊接工艺安装到PCB 202。
壳体208直接形成在基体206和驱动器214上，以便为相机模块100的内部部件提供保护。壳体208包括光圈218，允许光线进入相机模块100。光圈218可以由透明材料(例如，透镜、红外滤光片等)覆盖，以进一步防止外部碎片进入相机模块100。壳体208的形成可以由几种方式的任何一个完成。例如，壳体208可以预制，然后贴附到基体206和驱动器214。另一个示例是，壳体208可以模制到基体206和驱动器214上。应当注意的是，光学堆叠210和透镜架212相对于ICD 200的对准不取决于壳体208相对于ICD 200的对准，这是因为壳体208不是一个中间部件。因此，壳体208不作用于与透镜排列公差累积相关的问题。
图3是ICD 200、光学堆叠210和透镜架212的部分截面透视图。ICD 200包括平面图像捕捉表面300，其垂直于光轴216。可以看出，光轴216通过光学堆叠210、透镜架212和图像捕捉表面300的中心。
光学堆叠210包括彼此固定并安装在图像捕捉表面300上方的四个透镜302、304、306和308的堆叠。具体地讲，透镜302的下表面直接固定到ICD200，透镜304固定到透镜302，透镜306固定到透镜304，并且透镜308固定到透镜306。此外，透镜302的底面限定进入腔310的开口，该开口的面积略大于图像捕捉表面300的面积，以防止透镜302和图像捕捉表面300之间的接触。重要的是要认识到，在光学堆叠210固定到ICD 200上后，由于后装配工艺引起的污染或图像退化的可能性非常小。这是因为收集在透镜308顶面的碎片距图像焦平面太远，而不造成有关产率损失的瑕疵。此外，透镜302与ICD 200的接合有效地将图像捕捉面300密封在腔310内，从而防止污染物达到图像捕捉面300。
透镜架212限定了腔312和光圈314。腔312可固定地就位第二光学堆叠316，第二光学堆叠316包括彼此固定的四个透镜318、320、322和324的堆叠。具体地讲，透镜320固定到透镜318，透镜322固定到透镜320，并且透镜324固定到透镜322。透镜324限定了位于光圈314内的凸表面326。尽管没有示出，但是透镜架212包括一种特征(例如，铁系元素、磁体、导轨、刚性凸缘等)，其响应于由驱动器214提供的电力或机械力(如磁力、压电偏置力等)，以相对于光学堆叠210移动透镜架212。响应于驱动力，透镜架212和光学堆叠316相对于图像捕捉表面300沿轴线216移置，从而改变聚焦/变焦面。
此外，ICD 200包括可表示光学堆叠210和光学堆叠316至少一个的光学特性的数据。在ICD 200的编码中提供该信息有利于使用软件，如增强景深(EDOF)和光故障校正(OFC)。于是，建立在晶片级光学系统中产生的光学特征可以被图像增强软件使用。该特征也可以通过纠正图像伪影而改善模块产率。
图4是形成光学堆叠210中采用的四片玻璃晶片400、402、404和406的分解透视图。玻璃晶片400、402、404和406分别包括透镜阵列408、410、412和414，它们分别由一些适当的方式形成，如蚀刻/复制技术。在透镜阵列形成后，玻璃晶片垂直对准，以便每个单独的透镜与其它三个单独的透镜同轴对准。然后，玻璃晶片以堆叠关系彼此粘接，以准备用于将产生几个单独的光学堆叠210的一单独工艺。
作为选择，在将晶片分离成附带透镜堆叠的单独的ICD前，玻璃晶片400、402、404和406可以接合到包括如多个集成电路图像捕捉装置的晶片。然而，更难于同时分开透镜晶片和ICD晶片，这是因为分离需要在硅ICD晶片的有效区域上切割玻璃晶片。此外，在分离前将透镜接合到晶片减少了从玻璃晶片生产透镜的产率，这是因为透镜堆叠比ICD占据的面积小。因此，如果玻璃晶片在贴附到ICD晶片上之前被切割，则该透镜可以定位更加接近，而不是其间距必须匹配ICD的间距。
图5是彼此对准并粘接的玻璃晶片400、402、404和406的一小部分的截面图。在玻璃晶片彼此粘接后，透镜进行质量测试，然后沿着线500切割以形成多个单独的光学堆叠210。在单独的光学堆叠210形成后，它们被清洁且准备安装在ICD上。注意的是，光学堆叠316使用与形成光学堆叠210相同的通常工艺形成，但当然具有不同形状的透镜元件。
图6是概述根据本发明制造自动聚焦/变焦相机模块的一种方法600的流程图。在第一步602中，提供了图像捕捉装置(ICD)。然后，在第二步604中，提供了第一透镜单元。接下来，在第三步606中，第一透镜单元刚性地贴附到ICD。作为选择，在晶片级进行步骤602、604和606。也就是说，这些步骤发生时，ICD仍与其它ICD结合在晶片中，并且透镜单元仍然与其它透镜元件结合在玻璃晶片中。
接下来，在第四步608中，ICD(贴附有第一透镜单元)安装在基板(例如，主机设备的PCB)上。然后，在第五步610中，提供了带有第二透镜单元的驱动器，并在第六步612中，驱动器安装于在ICD和第一透镜单元上方的基板上。
现完成对本发明具体实施例的描述。很多所描述的特性可以代替、更改或省略，而不脱离本发明的范围。例如，替换的透镜单元可替代所示光学堆叠。作为另一个示例，不同的电子安装工艺可以用来装配相机模块。尤其就前面的公开而言，从所示具体实施例的这些和其它偏差对本领域的技术人员是显而易见的。

Claims (23)

1.一种相机模块，包括：
基板；
集成电路图像捕捉装置，安装在所述基板上，所述图像捕捉装置具有在所述图像捕捉装置顶面上的光传感器阵列；
第一透镜单元，刚性并直接地粘接到所述图像捕捉装置的所述顶面，使所述光传感器阵列密封在所述图像捕捉装置和所述第一透镜单元之间，其中所述第一透镜单元不延伸出所述图像捕捉装置的所述顶面的周界；
第二透镜单元；和
透镜驱动器，安装在所述基板上，所述透镜驱动器可调整地支撑所述第一透镜单元上方的所述第二透镜单元。
2.如权利要求1所述的相机模块，其中所述第一透镜单元包括堆叠的多个透镜。
3.如权利要求2所述的相机模块，其中所述第二透镜单元包括堆叠的多个透镜。
4.如权利要求1所述的相机模块，其中所述第一透镜单元包括：
第一透镜元件，具有底面；和
第二透镜元件，具有顶面和底面，所述第二透镜元件的所述顶面粘接到所述第一透镜元件的该底面，并且所述第二透镜元件的所述底面粘接到所述图像捕捉装置的所述顶面。
5.如权利要求1所述的相机模块，其中所述第二透镜单元相对于所述第一透镜单元的运动提供聚焦功能。
6.如权利要求1所述的相机模块，其中所述第二透镜单元相对于所述第一透镜单元的运动提供变焦功能。
7.如权利要求6所述的相机模块，其中所述第二透镜单元相对于所述第一透镜单元的运动提供聚焦功能。
8.如权利要求1所述的相机模块，其中：
所述第一透镜单元的底面粘接到所述图像捕捉装置的所述顶面；并且
所述第一透镜单元的顶面距所述图像捕捉装置的所述顶面至少1mm。
9.如权利要求8所述的相机模块，其中所述第一透镜单元的所述顶面距所述图像捕捉装置的所述顶面至少2mm。
10.如权利要求1所述的相机模块，其中：
所述第一透镜单元包括具有形成其中的腔的安装表面；并且
所述安装表面在围绕所述光传感器阵列的区域固定到所述图像捕捉装置的所述顶面，使所述腔设置在所述光传感器阵列的上方。
11.如权利要求1所述的相机模块，还包括围绕所述第一透镜单元和所述透镜驱动器的壳体。
12.如权利要求1所述的相机模块，其中：
所述图像捕捉装置在所述基板上方；
所述第一透镜单元在所述图像捕捉装置上方；并且
所述第二透镜单元在所述第一透镜单元上方。
13.一种制造相机模块的方法，所述方法包括：
在图像捕捉装置的顶面上提供包括光传感器阵列的集成电路图像捕捉装置；
提供第一透镜单元；
将所述第一透镜单元刚性并直接地粘接到所述图像捕捉装置的所述顶面，使所述光传感器阵列密封在所述图像捕捉装置和所述第一透镜单元之间，其中所述第一透镜单元不延伸出所述图像捕捉装置的所述顶面的周界；
在基板上安装所述图像捕捉装置；
提供具有可调整地安装于其中的第二透镜单元的机电驱动器组件；以及
在带有所述第二透镜单元的所述基板上安装所述机电驱动器组件，所述第二透镜单元以一定间隔设置在所述第一透镜单元上方。
14.如权利要求13所述的方法，其中提供所述第一透镜单元步骤包括：
提供具有多个单独透镜形成于其中的第一透镜基板；
提供具有多个单独透镜形成于其中的第二透镜基板；
将所述第一透镜基板的底面的至少一部分粘接到所述第二透镜基板的顶面的至少一部分。
15.如权利要求13所述的方法，其中将所述第一透镜单元刚性并直接地粘接到所述图像捕捉装置的所述顶面的步骤包括：
提供包括所述图像捕捉装置和多个其它图像捕捉装置的集成电路基板；
提供具有多个单独透镜形成于其中的透镜基板；所述多个单独透镜的至少一个形成所述第一透镜单元的一部分，并且所述多个透镜的其它透镜形成其它透镜单元的部分；以及
将所述透镜基板的底面的至少一部分粘接到所述图像捕捉装置的所述顶面，由此将所述第一透镜单元贴附到该图像捕捉装置，并且将所述其它透镜单元贴附到所述其它图像捕捉装置。
16.如权利要求15所述的方法，还包括分开所述透镜基板和所述集成电路基板，以产生多个分开的图像捕捉装置，每一个都具有贴附于其上的所述透镜单元之一。
17.如权利要求13所述的方法，其中：
提供集成电路图像捕捉装置的步骤包括在所述顶面上提供具有透明盖的集成电路图像捕捉装置；并且
将第一透镜单元刚性并直接地粘接到所述图像捕捉装置的所述顶面的步骤包括将所述第一透镜单元固定到所述透明盖。
18.如权利要求13所述的方法，其中所述第一透镜单元包括堆叠的多个透镜元件。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述堆叠的多个透镜元件的至少一个元件包括集成其中的红外滤光片。
20.如权利要求13所述的方法，还包括以表示所述第一透镜单元的至少一种光学特性的数据编程所述图像捕捉装置。
21.如权利要求13所述的方法，还包括提供围绕所述第一透镜单元和所述机电驱动器组件的壳体。
22.如权利要求13所述的方法，其中：
所述图像捕捉装置安装在所述基板上方；
所述第一透镜单元贴附在所述图像捕捉装置上方；和
所述第二透镜单元设置在所述第一透镜单元上方。
23.一种相机模块，包括：
基板；
集成电路图像捕捉装置，安装在所述基板上，所述图像捕捉装置具有在所述图像捕捉装置的顶面上的光传感器阵列；
第一透镜单元；
用于相对于所述图像捕捉装置安装所述第一透镜单元的装置；
第二透镜单元；和
透镜驱动器，安装在所述基板上，所述驱动器相对于所述第一透镜单元可调整地定位所述第二透镜单元，
其中所述第一透镜单元刚性并直接地粘接到所述图像捕捉装置的所述顶面，使所述光传感器阵列密封在所述图像捕捉装置和所述第一透镜单元之间，并且其中所述第一透镜单元不延伸出所述图像捕捉装置的所述顶面的周界。
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