CN101718900B

CN101718900B - 微型影像撷取透镜

Info

Publication number: CN101718900B
Application number: CN2009100058887A
Authority: CN
Inventors: 邓兆展; 张维中; 廖敏智
Original assignee: VisEra Technologies Co Ltd
Current assignee: VisEra Technologies Co Ltd; Omnivision Technologies Inc
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: TWI392892B; CN101718900A; US7796349B2; US20100091386A1; KR20100040232A; KR101023976B1; JP2010092024A; TW201015106A

Abstract

一种微型影像撷取透镜，包括孔径光圈，使微型影像撷取透镜穿过孔径撷取影像和晶片级透镜系统。晶片级透镜系统包括第一和第二透镜组，第一透镜组包括第一基板、第一透镜、第二透镜。第二透镜组包括第二基板、第三透镜、第四透镜，第一、第二、第三和第四透镜是非球状，且满足条件：L/f_e＜1.6；f₁/f_e＝0.5～1.5；f₂/f_e＝-1～-3；T_group2/T_BFL＝0.8～1.2；T_air/T_group2＝0.4～0.8；L：从第一透镜至影像平面的总轨道长度；f_e：全部晶片级透镜系统的有效焦距；f₁：第一透镜有效焦距；f₂：第二透镜有效焦距；T_group2：第二透镜组厚度；T_air：第二和第三透镜间的距离；T_BFL：从第四透镜表面至影像平面的后焦距。

Description

微型影像撷取透镜

技术领域

本发明涉及一种透镜系统，特别涉及一种晶片级(wafer-level)微型影像撷取透镜(miniature image capture lens)。

背景技术

由于固态影像撷取单元，例如电荷耦合组件(charge-coupled device，CCD)、CMOS传感器或相似的组件的发展，手机或个人计算机搭载影像组件变得越来越普及。此外，设置于影像组件上的影像撷取透镜需要更进一步的微型化。

然而，尽管有上述需求，对于传统的影像撷取透镜而言，其微型化已经遇到瓶颈，理由是上述透镜是真正的三维(3-D)结构，微型化具有相当的困难度，且其中的传感器也需要微型化。此种技术很难控制每个透镜表面侧向移动和倾斜的精确度，另外，在制造过程中，也很难操作微小的透镜。换言之，上述传统透镜的容许度(tolerance)较小。

图1示出了使用已公开的透镜模块系统的影像组件，其中光线穿过晶片级透镜102、104到达感测单元106。在此技术中，晶片级透镜102、104模块和影像感测单元106可通过超大规模集成电路(VLSI)制造技术制作，因此，可将影像组件制作的较小，以应用于携带型电子组件，例如手机或个人数字助理(PDA)。晶片级透镜将透镜板(lens plate)堆栈成立方体的透镜(称为2.5D结构)，因此，其可以随着例如墨尔定律(Moore’s law)的半导体工艺的发展，更进一步地微型化，且此种透镜的容许度较大。另外，传统透镜是以离散式的工艺(discrete process)制作，将透镜一个一个地组装，相较之下，晶片级透镜可以连续工艺制作，将数千个透镜堆栈于透镜板上，排列成一透镜阵列，再通过晶片切割工艺形成立方体的镜片。然而，尽管晶片级透镜的体积较小，传统三维透镜的效果相对于晶片级透镜仍然有较佳的表现。此外，晶片级透镜较难设计出如传统三维透镜般足够小的像差、足够好的调制转换函数(modulation transfer function，MTF)，特别是当奈奎斯特频率(Nyquist frequency)较高时。因此，业界需要一种表现可及上传统三维透镜的晶片级透镜。

发明内容

因此，为了解决上述问题，本发明提供一种微型影像撷取透镜，包括一孔径光圈，使微型影像撷取透镜穿过孔径撷取一影像；和一晶片级透镜系统，其中晶片级透镜系统包括一第一透镜组和一第二透镜组，第一透镜组包括一第一基板、设置于第一基板的第一侧上的第一透镜、设置于第一基板的第二侧上的第二透镜。一第二透镜组包括一第二基板、设置于第二基板的第一侧上的第三透镜、设置于第二基板的第二侧上的第四透镜，其中第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜是非球状，且满足以下条件：

L/f_e＜1.6；

f₁/f_e＝0.5～1.5；

f₂/f_e＝-1～-3；

T_group2/T_BFL＝0.8～1.2；

T_air/T_group2＝0.4～0.8；

L：从第一透镜至一影像平面的总轨道长度(total track length，TTL)；

f_e：全部晶片级透镜系统的有效焦距(effective focal length)；

f₁：第一透镜的有效焦距；

f₂：第二透镜的有效焦距；

T_group2：第二透镜组的厚度；

T_air：第二透镜和第三透镜间的距离；

T_BFL：从第四透镜的表面至一影像平面的后焦距。

附图说明

为了让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，以下配合附图，作详细说明如下：

图1示出了使用已公开的透镜模块系统的影像组件。

图2示出了本发明一实施例的微型影像撷取透镜的剖面图。

图3示出了本发明一实施例的微型影像撷取透镜的分解图。

图4示出了本发明一实施例的微型影像撷取透镜的剖面图。

图5A示出了本发明一范例在各种波长长度条件下像散曲线的图示。

图5B示出了本发明一范例在各种波长长度条件下变形曲线的图示。

图5C示出了本发明一范例球面像差的图示。

图5D示出了本发明一范例彗星像差的图示。

其中，附图标记说明如下：

102～晶片级透镜； 104～晶片级透镜；

106～感测单元； 201～前置玻璃盖；

202～第一透镜； 203～间隙垫片；

204～光圈； 205～第一间隔物；

206～第一透镜组； 207～第二透镜；

208～第一基板； 209～第二间隔物；

210～第三透镜； 212～第二透镜组；

214～第二基板； 216～第四透镜；

218～后置玻璃盖； 220～影像平面。

具体实施方式

以下描述本发明的实施例，其揭示本发明的主要技术特征，但不用以限定本发明。

图2为示出了本发明一实施例微型影像撷取透镜的剖面图(y-z面)。此微型影像撷取透镜可撷取一物体(未示出)的影像，以下将由外部至影像平面(image plane)220或传感器，详细描述本实施例微型影像撷取透镜。首先，提供一前置玻璃盖(front cover glass)201，其可以涂布紫外光(UV)/红外线(IR)的滤光层。一光圈204和一第一透镜202(正曲率)设置于一第一基板208的第一侧上，一第二透镜207(负曲率)设置于第一基板208的第二侧上，其中第一透镜202、第一基板208和第二透镜207构成一第一透镜组206。一第三透镜210(正曲率)设置于一第二基板214的第一侧上，一第四透镜216(负曲率)设置于第二基板214的第二侧上，其中第三透镜210、第二基板214和第四透镜216构成一第二透镜组212。在本实施例中，第一透镜组206具有类似新月形的透镜的功能，第二透镜组212的功能为一校正透镜(field corrector)，校正主光线角(chief ray angle)使其配合影像传感器。

以下以图3和图4详加说明本发明图2实施例的微型影像撷取透镜，其中图3示出了微型影像撷取透镜的分解图，图4示出了微型影像撷取透镜的剖面图。请参照图3和图4，微型影像撷取透镜由顶部至底部依序包括一前置玻璃盖201、一间隙垫片(spacer dam)203、一包括第一透镜202、第一基板208和第二透镜207的第一透镜组206、一第一间隔物(spacer)205、一包括第三透镜210、第二基板214和第四透镜216的第二透镜组212、一第二间隔物209及一后置玻璃盖218。

特别地，第一透镜202、第二透镜207、第三透镜210和第四透镜216是非球状的，且满足以下条件：

L/f_e＜1.6；

f₁/f_e＝0.5～1.5；

f₂/f_e＝-1～-3；

T_group2/T_BFL＝0.8～1.2；

T_air/T_group2＝0.4～0.8；

L：从第一透镜至影像平面的总轨道长度；

f_e：全部透镜系统的有效焦距；

f₁：第一透镜的有效焦距；

f₂：第二透镜的有效焦距；

T_group2：第二透镜组的厚度；

T_air：第二透镜和第三透镜间的距离；

T_BFL：从最后一个透镜表面至影像平面的后焦距(包括玻璃盖的等效厚度)

其中，

\frac{1}{f_{i}} &cong; (n_{i} - 1) (\frac{1}{R_{i}} - \frac{1}{R_{i + 1}})

n：折射系数

R：光学表面的曲率半径；

特别是，在本发明的一范例中，第三透镜和第四透镜满足以下条件：

f₃/f_e＞0；

f₄/f_e＜0；

f₃：第三透镜的有效焦距；

f₄：第四透镜的有效焦距；

i：透镜的序号，为整数。

在本实施例中，第一基板208和第二基板214可以是具有和透镜材料相称的折射系数的玻璃基板，且其厚度可以为300μm～400μm。间隔物205、209可以是毛玻璃或具有钻孔的高密度黑色塑料。紫外光(UV)/红外线(IR)的滤光层和光圈204可以形成于分隔的玻璃基板上(例如前置玻璃盖201)或整合于第一透镜202的表面。第三透镜210用以校正入射光感侧器的主光线角。

在每个范例中，非球状表面的形状可由方程式1所表示，其特定坐标系统以表面的顶点为原点，光轴的方向为z轴：

方程式1：

z = \frac{{CR}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + K) r^{2} / R^{2}}} + Σ_{i = 2}^{i = 20} A_{i} r^{i},

其中

C：顶点曲率(vertex curvature)；

K：圆锥常数(conic constant)；

A_i：第i级非球面系数(aspherical coefficients)，其中的i为整数；

其中

r = \sqrt{x^{2} + y^{2}}

本段落将揭示本发明第一范例的系数：

f_e＝1.206mm；

L＝1.54mm；

R₁＝0.526mm；R₂＝1.285mm；R₃＝1.217mm；R₄＝1.615mm

T_BFL：0.354(包括玻璃盖的等效厚度，T_C/G/n_d＝0.4/1.52＝0.267)

f₁/f_e＝1.02/1.206＝0.85；

f₂/f_e＝-2.48/1.206＝-2.06；

f₃/f_e＝2.34/1.206＝1.94；

f₄/f_e＝-3.12/1.206＝-2.59；

T_group2＝0.416mm；

T_air＝0.258mm；

每个透镜的表面数据如以下表1所示：

表1

图5A示出了本范例在各种波长长度条件下像散曲线(astigmatic fieldcurve)的图示，其中线S1～S5表示弧线，线T1～T5表示切线。如图5A所示，本范例的像散像差(astigmatic aberration)约大于0.03mm。图5B示出了本范例在各种波长长度条件下变形曲线(distortion curve)的图示。图5C示出了本范例球面像差的图示，图5D示出了本范例彗星像差的图示。根据以上图5A～图5D的结果显示，本实施例微型影像撷取透镜在像差的部份确有良好的表现。

根据以上叙述，本发明可提供具有高效能的晶片级透镜，其表现可及得上传统透镜，且此透镜组可在无铅工艺下进行回焊工艺。

虽然本发明已揭露较佳实施例如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许变动与修饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书所限定的范围为准。

Claims

1.一种微型影像撷取透镜，包括：

一孔径光圈，具有一孔径，使该微型影像撷取透镜穿过该孔径撷取一影像；

一晶片级透镜系统，包括：

一第一透镜组，包括：

一第一基板；

设置于该第一基板的第一侧上的第一透镜；

设置于该第一基板的第二侧上的第二透镜；

一第二透镜组，包括：

一第二基板；

设置于该第二基板的第一侧上的第三透镜；

设置于该第二基板的第二侧上的第四透镜；

其中该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜和该第四透镜是非球状的，且满足以下条件：

L/f_e＜1.6；

f₁/f_e＝0.5～1.5；

f₂/f_e＝-1～-3；

T_group2/T_BFL＝0.8～1.2；

T_air/T_group2＝0.4～0.8；

L：从第一透镜至一影像平面的总轨道长度；

f_e：全部该晶片级透镜系统的有效焦距；

f₁：第一透镜的有效焦距；

f₂：第二透镜的有效焦距；

T_group2：第二透镜组的厚度；

T_air：第二透镜和第三透镜间的距离；

T_BFL：从该第四透镜的表面至一影像平面的后焦距。

2.如权利要求1所述的微型影像撷取透镜，其中还满足以下条件：f₃/f_e＞0，f₃：第三透镜的有效焦距；f₄/f_e＜0，f₄：第四透镜的有效焦距。

3.如权利要求1所述的微型影像撷取透镜，其中该第一透镜是正曲率的透镜，该第二透镜是负曲率的透镜，该第三透镜是正曲率的透镜，该第四透镜是负曲率的透镜。

4.如权利要求1所述的微型影像撷取透镜，其中该第一透镜组具有新月形透镜的功能。

5.如权利要求1所述的微型影像撷取透镜，其中该第二透镜组的功能为一校正透镜，用于校正主光线角，使该主光线角配合影像传感器。

6.如权利要求1所述的微型影像撷取透镜，还包括一第一间隔物，该第一间隔物位于该第一透镜组和该第二透镜组之间。

7.如权利要求1所述的微型影像撷取透镜，还包括一前置玻璃盖，该前置玻璃盖位于该第一透镜上方。

8.如权利要求7所述的微型影像撷取透镜，还包括形成于该前置玻璃盖上的一紫外光或红外线滤光层。

9.如权利要求1所述的微型影像撷取透镜，还包括形成于该第一透镜上的一紫外光或红外线滤光层。

10.如权利要求1所述的微型影像撷取透镜，还包括：

一后置玻璃盖，位于该第四透镜下方；及

一第二间隔物，位于该第二透镜组和该后置玻璃盖之间。