CN101846789A - 微型图像提取透镜 - Google Patents
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Abstract
一种微型图像提取透镜。孔径光圈具有一孔径,使微型图像提取透镜穿过孔径提取一图像,一晶片级透镜系统包括:第一透镜群组包括第一基板、位于第一基板的第一侧的第一表面和位于第一基板的第二侧的第二表面,第二透镜群组包括一第二基板、位于第二基板的第一侧的第三表面和位于第二基板的第二侧的第四表面。第一表面,第二表面,第三表面,第四表面为非球面,四者的一表面为凸面具有高折射系数Nd_h=1.58~1.62和高阿贝数Vd_h=35~45,其另一表面为凹面具有一低折射系数Nd_1=1.48~1.53和一低阿贝数Vd_1=25~35,Nd_1/Nd_h=0.91~0.97,Vd_1/Vd_h=1.2~2.2。
Description
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)微型图像提取透镜(miniature image capture lens)。
背景技术
由于固态图像提取单元,例如电荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)、CMOS感测器或相似的元件的发展,手机或个人电脑搭载图像元件变得越来越普及。此外,设置于图像元件上的图像提取透镜需要更进一步的微型化。
然而,尽管有上述需求,对于传统的图像提取透镜而言,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,且其中的感测器也需要微型化。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,此外,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显示使用已公知的透镜模块系统的图像元件,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,晶片级透镜模块102、104和图像感测单元106可通过超大型集成电路(VLSI)工艺技术制作,因此,可将图像元件制作得较小,应用于便携式电子元件,例如手机或个人数字助理(PDA)。晶片级透镜可以随着例如摩尔定律(Moore’s law)的半导体工艺的发展,更进一步的微型化,且此种透镜的控制精确度较佳。另外,传统的透镜是以离散式工艺(discrete process)制作,将透镜一个一个地组装,相较之下,晶片级透镜可连续工艺制作,将数千个透镜堆叠于透镜板上,排列成一透镜阵列。然而,尽管晶片级透镜的体积较小,要将晶片级透镜设计成有良好的特性和足够高的容许度(tolerance)是很困难的。因此,业界需要一晶片级透镜系统,其具有良好的特性和高容许度。
晶片级透镜由于其玻璃基板结构和反复工艺限制,存在许多设计限制,例如透镜材料、基板厚度、镜片挠曲高度(lens sag height)和尺寸、光学中央对准精确度等限制。若晶片级透镜要成为如塑胶和玻璃透镜般的主流产品应用,晶片级透镜在上述设计限制上要有相称的光学设计表现和适当的制造容许度。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题,本发明题供一种微型图像提取透镜。孔径光圈具有一孔径,使微型图像提取透镜穿过孔径提取一图像,一晶片级透镜系统包括一第一透镜群组和一第二透镜群组,第一透镜群组包括一第一基板,一位于第一基板的第一侧的第一表面,一位于第一基板的第二侧的第二表面,一第二透镜群组,包括一第二基板,一位于第二基板的第一侧的第三表面,一位于第二基板的第二侧的第四表面,其中第一表面,第二表面,第三表面,第四表面为非球面,第一表面和第二表面的一表面和第三表面和第四表面的一表面具有一高折射系数Nd_h和一高阿贝数Vd_h,第一表面和第二表面的另一表面和第三表面和第四表面的另一表面具有一低折射系数Nd_1和一低阿贝数Vd_1,高折射系数Nd_h大于低折射系数Nd_1,高阿贝数Vd_h大于低阿贝数Vd_1,微型图像提取透镜符合以下条件:
Nd_h=1.58~1.62;
Nd_1=1.48~1.53;
Nd_1/Nd_h=0.91~0.97;
Vd_h=35~45;
Vd_1=25~35;且
Vd_1/Vd_h=1.2~2.2,
其中第一表面和第二表面的一表面为凸面,第一表面和第二表面的另一表面为凹面,第三表面和第四表面的一表面为凸面,第三表面和第四表面的另一表面为凹面。
根据以上叙述,本发明微型图像提取透镜至少具有以下优点:第一,本发明可以在基板的两侧形成不同材料的透镜模块,以使光学散射最小化。特别是,本发明在基板的两侧形成不同材料的透镜模块并不会特别增加制造的费用,理由是即使是一般的晶片级透镜,其基板相对两边的透镜必须在不同步骤制作。第二,红外线(IR)滤光层可以涂布于玻璃基板的表面。第三,本发明技术制作的透镜模块具有较短的总轨道长度。
为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂,下文特举一较佳实施例,并配合附图,作详细说明如下。
附图说明
图1显示使用已公知的透镜模块系统的图像元件。
图2A为显示本发明第一实施例的芯片设计。
图2B为显示本发明第二实施例的芯片设计。
图2C为显示本发明第三实施例的芯片设计。
图2D为显示本发明第四实施例的芯片设计。
图2E为显示本发明第五实施例的芯片设计。
图2F为显示本发明第六实施例的芯片设计。
图2G为显示本发明第七实施例的芯片设计。
图2H为显示本发明第八实施例的芯片设计。
图3为显示本发明一透镜设计的范例。
图4为显示本发明一实施例微型图像提取透镜的分解图。
图5为显示本发明一范例微型图像提取透镜的像差曲线。
图6为显示本发明一范例微型图像提取透镜的色差。
图7A为显示本发明一范例微型图像提取透镜的像场弯曲。
图7B为显示本发明一范例微型图像提取透镜的变形曲线。
图8为显示本发明一范例微型图像提取透镜的相对照度。
图9A为显示本发明一范例容忍度分析的切线。
图9B为显示本发明一范例容忍度分析的弧线。
上述附图中的附图标记说明如下:
102~透镜模块;104~透镜模块;
202~第一基板;204~第一表面;
206~第二表面;208~第一镜片群组;
210~第二基板;212~第三表面;
214~第四表面;216~第二镜片群组;
218~第一基板;220~第一表面;
222~第二表面;224~第一镜片群组;
226~第二基板;228~第三表面;
230~第四表面;232~第二镜片群组;
234~第一基板;236~第一表面;
238~第二表面;240~第一镜片群组;
242~第二基板;244~第三表面;
246~第四表面;248~第二镜片群组;
250~第一基板;251~第一表面;
252~第一表面;253~第二表面;
254~第二表面;255~第一镜片群组;
256~第一镜片群组;257~第二基板;
258~第二基板;259~第三表面;
260~第三表面;261~第四表面;
262~第四表面;263~第二镜片群组;
264~第二镜片群组;265~第一基板;
266~第一基板;267~第一表面;
268~第一表面;269~第二表面;
270~第二表面;271~第一镜片群组;
272~第一镜片群组;273~第二基板;
274~第二基板;275~第三表面;
276~第三表面;277~第四表面;
278~第四表面;279~第二镜片群组;
280~第二镜片群组;282~第一基板;
284~第一表面;286~第二表面;
288~第一镜片群组;290~第二基板;
292~第三表面;294~第四表面;
296~第二镜片群组;298~第一基板;
302~前置玻璃盖;304~第一表面;
306~第一基板;308~第二表面;
310~第一透镜群组;312~第二基板;
314~第三表面;316~第四表面;
318~第二透镜群组;319~第二间隔物;
320~后置玻璃盖;322~图像平面。
具体实施方式
以下描述本发明的实施范例,其揭示本发明的主要技术特征,但不用以限定本发明。
本发明公开在玻璃基板相对两侧包括两个光学表面的晶片级透镜系统,在本发明中,透镜的两个光学表面可以由不同材料所组成,其中一表面具有高折射系数,另一表面具有低折射系数,透镜材料可以为紫外光(UV)固化高分子化合物。此外,本发明所提供的两侧(two-side)晶片级透镜除了在两侧的表面分别为高折射系数和低折射系数,本发明提供的晶片级透镜在两侧的表面分别为凸面和凹面以使光学散射最小化。请注意,本发明可通过于玻璃基板的两侧表面使用不同的材料,达成玻璃基板的两侧表面分别为高和低折射系数。
根据以上的设计规则,本发明以下提供一晶片级透镜,其在基板两侧的表面以不同材料组成,以达成不同的折射系数,且在两侧分别为凸面和凹面。根据上述,本发明的透镜模块会有以下8组透镜设计,包括(+h,-1,+h,-1)、(+1,-h,+1,-h)、(+h,-1,-1,+h)、(+1,-h,-h,+1)、(-h,+1,+1,-h)、(-1,+h,+h,-1)、(-h,+1,-h,+1)和(-1,+h,-1,+h),其中+h指正曲率和高折射系数,-h指负曲率和高折射系数,+1指正曲率和低折射系数,-1指负曲率和低折射系数。
请参照图2A,其显示本发明第一实施例的芯片设计,提供一第一基板202和一第二基板210,第一表面204设置于第一基板202的第一侧,第二表面206设置于第一基板202的第二侧,以构成第一镜片群组208。第三表面212设置于第二基板210的第一侧,第四表面214设置于第二基板210的第二侧,以构成第二镜片群组216。在此实施例中,第一表面204具有高折射系数Nd_h、高阿贝数(abbe number)Vd_h和凸面形状(正曲率),第二表面206具有低折射系数Nd_1、低阿贝数(abbe number)Vd_1和凹面形状(负曲率),第三表面212具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凸面形状(正曲率),第四表面214具有低折射系数Nd_1、低阿贝数(abbe number)Vd_1和凹面形状(负曲率)。
请参照图2B,其显示本发明第二实施例的芯片设计,提供一第一基板218和一第二基板226,第一表面220设置于第一基板218的第一侧,第二表面222设置于第一基板218的第二侧,以构成第一镜片群组224。第三表面228设置于第二基板226的第一侧,第四表面230设置于第二基板226的第二侧,以构成第二镜片群组232。在此实施例中,第一表面220具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凸面形状(正曲率),第二表面222具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凹面形状(负曲率),第三表面228具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凸面形状(正曲率),第四表面230具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凹面形状(负曲率)。
请参照图2C,其显示本发明第三实施例的芯片设计,提供一第一基板234和一第二基板242,第一表面236设置于第一基板234的第一侧,第二表面238设置于第一基板234的第二侧,以构成第一镜片群组240。第三表面244设置于第二基板242的第一侧,第四表面246设置于第二基板242的第二侧,以构成第二镜片群组248。在此实施例中,第一表面236具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凸面形状(正曲率),第二表面238具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凹面形状(负曲率),第三表面244具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凹面形状(负曲率),第四表面246具有高折射系数Nd_h、高阿贝数(abbe number)Vd_h和凸面形状(正曲率)。
请参照图2D,其显示本发明第四实施例的芯片设计,提供一第一基板250和一第二基板258,第一表面252设置于第一基板250的第一侧,第二表面254设置于第一基板250的第二侧,以构成第一镜片群组256。第三表面260设置于第二基板258的第一侧,第四表面262设置于第二基板258的第二侧,以构成第二镜片群组264。在此实施例中,第一表面252具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凸面形状(正曲率),第二表面254具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凹面形状(负曲率),第三表面260具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凹面形状(负曲率),第四表面262具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凸面形状(正曲率)。
请参照图2E,其显示本发明第五实施例的芯片设计,提供一第一基板266和一第二基板274,第一表面268设置于第一基板266的第一侧,第二表面270设置于第一基板266的第二侧,以构成第一镜片群组272。第三表面276设置于第二基板274的第一侧,第四表面278设置于第二基板274的第二侧,以构成第二镜片群组280。在此实施例中,第一表面268具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凹面形状(负曲率),第二表面270具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凸面形状(正曲率),第三表面276具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凸面形状(正曲率),第四表面278具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凹面形状(负曲率)。
请参照图2F,其显示本发明第六实施例的芯片设计,提供一第一基板282和一第二基板290,第一表面284设置于第一基板282的第一侧,第二表面286设置于第一基板282的第二侧,以构成第一镜片群组288。第三表面292设置于第二基板290的第一侧,第四表面294设置于第二基板290的第二侧,以构成第二镜片群组296。在此实施例中,第一表面284具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凹面形状(负曲率),第二表面286具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凸面形状(正曲率),第三表面292具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凸面形状(正曲率),第四表面294具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凹面形状(负曲率)。
请参照图2G,其显示本发明第七实施例的芯片设计,提供一第一基板298和一第二基板257,第一表面251设置于第一基板298的第一侧,第二表面253设置于第一基板298的第二侧,以构成第一镜片群组255。第三表面259设置于第二基板257的第一侧,第四表面261设置于第二基板257的第二侧,以构成第二镜片群组263。在此实施例中,第一表面251具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凹面形状(负曲率),第二表面253具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凸面形状(正曲率),第三表面259具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凹面形状(负曲率),第四表面261具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凸面形状(正曲率)。
请参照图2H,其显示本发明第八实施例的芯片设计,提供一第一基板265和一第二基板273,第一表面267设置于第一基板265的第一侧,第二表面269设置于第一基板265的第二侧,以构成第一镜片群组271。第三表面275设置于第二基板273的第一侧,第四表面277设置于第二基板273的第二侧,以构成第二镜片群组279。在此实施例中,第一表面267具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凹面形状(负曲率),第二表面269具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凸面形状(正曲率),第三表面275具有低折射系数Nd_1、低阿贝数Vd_1和凹面形状(负曲率),第四表面277具有高折射系数Nd_h、高阿贝数Vd_h和凸面形状(正曲率)。
特别是,上述实施例的第一表面、第二表面、第三表面和第四表面是非球面,且该微型图像提取透镜符合以下条件:
Nd_h=1.58~1.62;
Nd_1=1.48~1.53;
Nd_1/Nd_h=0.91~0.97;
Vd_h=35~45;
Vd_1=25~35;且
Vd_1/Vd_h=1.2~2.2。
请参照图3,其显示本发明一透镜设计的范例,本范例微型图像提取透镜从要提取的图像(未示出)到图像平面322(或感测器)依序包括一前置玻璃盖302、一第一透镜群组310(包括第一基板306和位于第一基板306相对两侧的第一表面304和第二表面308)、一第二透镜群组318(包括第二基板312和位于第二基板312相对两侧的第三表面314和第四表面316)和一后置玻璃盖320。第一表面304和第三表面314具有低折射系数,第二表面308和第四表面316具有高折射系数。另外,第一表面304的中央厚度d1为100μm,第三表面314的中央厚度d2为169μm,第四表面316的边缘厚度d3为125μm。第三表面314的宽高比为0.14,第四表面316的宽高比为0.07。请注意,在本范例中,第一表面304和第二表面308的宽高比小于第三表面314和第四表面316的宽高比,因此第一表面304和第二表面308的宽高比并非制作上的关键条件,其在本范例中不特别描述。第四表面316至图像平面322的距离是0.55mm,且本微型图像提取透镜的总轨道长度(total track length)为2.5mm。前置玻璃盖302包括一孔径光圈,具有一孔径,使微型图像提取透镜可穿过该孔径提取一图像,且红外线(IR)滤光层可涂布在前置玻璃盖302或第一透镜群组310的第一表面304上。请参照图4,其显示本发明一实施例微型图像提取透镜的分解图,本实施例微型图像提取透镜由顶部至底部依序包括一前置玻璃盖302、一间隙垫片305(spacer dam)、第一透镜群组310(包括第一基板304和位于第一基板304相对两侧的第一表面306和第二表面308)、一第一间隔物311、一第二透镜群组318(包括第二基板314和位于第二基板314相对两侧的第三表面312和第四表面316)、一第二间隔物319和一后置玻璃盖320。值得注意的是,本发明不特别限定红外线(IR)滤光层的位置,举例来说,红外线(IR)滤光层可以形成于前置玻璃盖302上或微型图像提取透镜的第一表面304。请参照图5,其显示本发明一范例微型图像提取透镜的像差曲线(aberration curve),在IMA(像高)分别在0.0000MM、0.1760MM、0.5280MM、0.7040MM和0.8800MM的EY(Y轴横向像差)和PY(Y轴瞳高)的关系图,及EX(X轴横向像差)和PX(X轴瞳高)的关系图,如图所示,本范例的微型图像提取透镜具有足够小的像差。请参照图6,其显示本发明一范例微型图像提取透镜的色差(lateral color),本范例的微型图像提取透镜可得到良好的色差表现。请参照图7A和图7B,其中图7A显示本发明一范例微型图像提取透镜的像场弯曲(field curvature),图7B显示本发明一范例微型图像提取透镜的变形曲线(distortion curve),如图所示,本实施例可以得到足够好的像场弯曲和变形的表现。请参照图8,其显示本发明一范例微型图像提取透镜的相对照度(relative illumination),如图所示,本实施例可以得到足够好的照度表现。请参照图9A和图9B,其中图9A显示本发明一范例容忍度分析(tolerance analysis)的切线,图9B显示本发明一范例容忍度分析的弧线,其中容忍度分析依据±10μm的偏心错误,根据调变转换函数(MTF)>40的标准,0.8像场(field),1/4奈奎斯特频率(Nyquist frequency)的条件,其良率可以接近100%。
根据以上叙述,本发明微型图像提取透镜至少具有以下优点:第一,本发明可以在基板的两侧形成不同材料的透镜模块,以使光学散射最小化。特别是,本发明在基板的两侧形成不同材料的透镜模块并不会特别增加制造的费用,理由是即使是一般的晶片级透镜,其基板相对两边的透镜必须在不同步骤制作。第二,红外线(IR)滤光层可以涂布于玻璃基板的表面。第三,本发明技术制作的透镜模块具有较短的总轨道长度。
虽然本发明已揭示较佳实施例如上,然其并非用以限定本发明,任何本领域普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可做些许更动与润饰,因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定为准。
Claims (10)
1.一种微型图像提取透镜,包括:
一孔径光圈,具有一孔径,使该微型图像提取透镜穿过该孔径提取一图像;
一晶片级透镜系统,包括:
一第一透镜群组,包括:
一第一基板;
一第一表面,位于该第一基板的第一侧;
一第二表面,位于该第一基板的第二侧;及
一第二透镜群组,包括:
一第二基板;
一第三表面,位于该第二基板的第一侧;
一第四表面,位于该第二基板的第二侧;
其中该第一表面,该第二表面,该第三表面,该第四表面为非球面,该第一表面和该第二表面的一表面和该第三表面和该第四表面的一表面具有一高折射系数Nd_h和一高阿贝数Vd_h,该第一表面和该第二表面的另一表面和该第三表面和该第四表面的另一表面具有一低折射系数Nd_1和一低阿贝数Vd_1,该高折射系数Nd_h大于该低折射系数Nd_1,该高阿贝数Vd_h大于该低阿贝数Vd_1,该微型图像提取透镜符合以下条件:
Nd_h=1.58~1.62;
Nd_1=1.48~1.53;
Nd_1/Nd_h=0.91~0.97;
Vd_h=35~45;
Vd_1=25~35;且
Vd_1/Vd_h=1.2~2.2
其中该第一表面和该第二表面的一表面为凸面,该第一表面和该第二表面的另一表面为凹面,该第三表面和该第四表面的一表面为凸面,该第三表面和该第四表面的另一表面为凹面。
2.如权利要求1所述的微型图像提取透镜,其中该第一表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凸面形状,该第二表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凹面形状,该第三表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凸面形状,该第四表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凹面形状。
3.如权利要求1所述的微型图像提取透镜,其中该第一表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凸面形状,该第二表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凹面形状,该第三表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凸面形状,该第四表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凹面形状。
4.如权利要求1所述的微型图像提取透镜,其中该第一表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凸面形状,该第二表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凹面形状,该第三表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凹面形状,该第四表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凸面形状。
5.如权利要求1所述的微型图像提取透镜,其中该第一表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凸面形状,该第二表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凹面形状,该第三表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凹面形状,该第四表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凸面形状。
6.如权利要求1所述的微型图像提取透镜,其中该第一表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凹面形状,该第二表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凸面形状,该第三表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凸面形状,该第四表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凹面形状。
7.如权利要求1所述的微型图像提取透镜,其中该第一表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凹面形状,该第二表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凸面形状,该第三表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凸面形状,该第四表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凹面形状。
8.如权利要求1所述的微型图像提取透镜,其中该第一表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凹面形状,该第二表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凸面形状,该第三表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凹面形状,该第四表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凸面形状。
9.如权利要求1所述的微型图像提取透镜,其中该第一表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凹面形状,该第二表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凸面形状,该第三表面具有该低折射系数Nd_1、该低阿贝数Vd_1和凹面形状,该第四表面具有该高折射系数Nd_h、该高阿贝数Vd_h和凸面形状。
10.如权利要求1所述的微型图像提取透镜,其中该第一表面和该第二表面以不同材料组成,该第三表面和该第四表面以不同材料组成。
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