CN102037382A - 用于光学半导体组件的光学成像元件和模块、用于处理光学成像元件的方法以及图像捕获装置 - Google Patents
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Abstract
一种光学元件或模块，被设计成布置在半导体组件的光学传感器前面，待捕获的图像被设计成穿过所述光学元件的至少一个光学有用部分(5a)。一种用于获得这种光学元件的处理方法，其中至少一个通道(25)在所述光学元件的前表面和后表面之间延伸，并且在离子掺杂的作用下具有从所述至少一个通道的壁开始到所述光学有用部分中变化的折射率。一种图像捕获装置，包括包含至少一个这种元件的光学成像模块。
Description
技术领域
本发明涉及照相机的一般领域，更具体地涉及用于将图像投影在半导体组件的光学图像传感器上的光学成像模块领域。
发明内容
根据一个方面，一种光学元件，被设计成布置在半导体组件的光学传感器前面，待捕获的图像的光束被设计成穿过所述光学元件的至少一个光学有用部分，所述光学元件可以包括在所述光学元件的前表面和后表面之间延伸的至少一个通道，并且具有从所述至少一个通道的壁开始到所述光学有用部分中变化的折射率。
根据一个变体，所述至少一个通道可以形成在所述光学有用部分的外部，所述折射率变化直到该光学有用部分的内部。
根据另一变体，所述至少一个通道可以形成在所述光学有用部分的内部，该通道被填充有形成塞子的材料，所述塞子的至少外周具有等于或接近于与该通道直接相邻的部分的折射率的折射率。
根据另一变体，所述光学元件可以包括多个通道，并且具有从这些通道的壁开始变化的折射率。
根据本发明的一个变体，所述光学元件可以包括形成锭的两个平行的表面。
根据另一变体，所述光学元件可以包括形成光学透镜的至少一个突出部分。
根据一个方面，一种用于处理晶片的方法，所述晶片的至少特定部分被用于制造光学成像元件，所述光学成像元件被设计成布置在半导体组件的光学图像传感器前面，并且包括光学有用部分，待捕获的图像的光束被设计成穿过所述光学有用部分，所述方法可以包括以下步骤：在所述晶片的前表面和后表面之间形成通道；在所述晶片的前表面和后表面上形成不覆盖所述通道的掩模；以改变这些光学有用部分的一部分的折射率的方式，使用离子从所述通道的壁开始到所述光学有用部分中对所述晶片的材料进行掺杂；以及去除所述掩模。
根据一个变体，所述通道可以形成在所述光学元件的光学有用部分的外部。
根据另一变体，所述通道可以形成在所述光学元件的光学有用部分的内部，并且所述通道随后被填充有形成塞子的材料，所述塞子具有这些通道的壁的光学特性。
根据一个变体，所述晶片可以具有平行的表面。
根据另一变体，所述晶片可以具有形成光学透镜的突出部分。
根据再一方面，一种光学成像模块，可以包括至少一个诸如之前所限定的光学元件。
该模块可以包括具有与所述光学元件相对布置的图像传感器的半导体组件。
根据又一方面，一种图像捕获装置，可以包括布置在半导体组件的光学传感器前面的光学成像模块，其中该光学成像模块可以包括至少一个诸如之前所限定的光学元件。
附图说明
现在通过非限制性实例描述并由附图示出：被设计为布置在半导体组件的光学传感器前面或之前的、能够安装在装置中的光学元件和光学模块，以及它们的处理模式，附图中：
图1示出包括光学模块的图像捕获装置的轴向截面；
图2示出包括第一光学元件的第一晶片的俯视图；
图3示出根据图2的晶片的截面；
图4示出图2中晶片的放大的俯视图；
图5示出图3中晶片的放大的截面；
图6示出图4中晶片的变体实施例的俯视图；
图7示出包括第二光学元件的第二晶片的俯视图；
图8示出根据图7的晶片的截面；
图9示出图7中晶片的放大的俯视图；
图10示出图8中晶片的放大的截面；
图11示出图6的变体；
以及图12示出另一图像捕获装置。
具体实施方式
参见图1，示出可以包括光学单元1的图像捕获装置，光学单元1可以包括叠层2，叠层(stack)2包括在其前表面4内具有光学图像传感器5的半导体组件3，并且包括布置在光学图像传感器5的前表面4的前面或之前的光学成像模块6。
根据本说明书，光学图像传感器5能够捕获在单元1的前面发生的景象的图像。这种图像传感器5通常占据矩形中心区域5a，并且通常包括分别将光子流转换成电信号的多个最基本的光电二极管，从而形成像素。
根据本说明书，光学成像模块6是使光学图像传感器5通过光学成像模块6看到所述景象的光学设备。
根据所示的实例，从后向前并沿着穿过光学传感器5中心的同一光轴6a，光学成像模块6包括优选由玻璃制成的透明锭(pastille)7形成的光学元件、光圈8以及优选由玻璃制成的前端光学透镜9形成的光学元件。
透明锭7的后表面10与前表面11平行。
光学透镜12的后表面12与前表面13的外周平行，并且前表面13具有半球形的中心部分14，以便形成朝后会聚的透镜。
光圈8例如通过沉积形成在光学透镜9的后表面12上。
由于形成间隔件的支撑腿或外周环15，具有光圈8的光学透镜12被设置为与透明锭7的前表面11具有一间隙。
光学单元1还包括不透明壳体16，其具有在前端由内部环形肩状部18限界的轴向通道17。叠层2轴向嵌入不透明壳体15的轴向通道17中，光学透镜9的半球形部分14穿过内部肩状部18，并且透镜11的前表面13的环绕半球形部分14的外周部分靠在内部肩状部18上。叠层2的周界可以是正方形，并且可以紧密安装到具有正方形截面的轴向通道17中。
位于壳体16后面的半导体组件3的后表面19被配备有用于进行光学传感器5的外部电连接的焊珠20。
上文中的光学单元1可以通过粘结来装配。
透明锭7和/或光学透镜9被调整为，使得在它们的光学有用部分内，即在待捕获的图像穿过其中的部分内，折射率在至少一个基本是环形的部分上和/或在中心部分上变化。
在一个实例中，透明锭6的折射率可以基本上从光轴6a到其外周或者远离中心部分向其外周增加，和/或光学透镜9的折射率可以远离中心部分向其外周减小。
为了获得呈现出这种可变折射率的透明锭7和光学透镜9，利用从例如钠(Na+)、钾(K+)、锂(Li+)、银(Ag+)、铯(Cs+)或铊(Tl+)的离子中选择的金属离子对玻璃执行适当的掺杂。
作为实例，现在将描述制造具有可变折射率或具有折射率梯度的多个透明锭7的方式。
如图2和3所示，可以使用例如由玻璃制成的具有平行的相对表面21a和21b的大透明圆形晶片21。在定向为晶片厚度方向的加速器电场的作用下，例如使用铊离子(Tl+)，例如通过将该晶片浸入硝酸铊(TlNO3)溶液中，对该晶片执行例如在其体内基本上均匀的先期掺杂。
以假想的方式将圆形晶片20划分成由垂直线23和24限界的相邻正方形区域22，这些相邻的正方形22对应于待制造的透明锭7。
光学图像传感器5的矩形区域5a基本上确定每个正方形区域22的光学有用部分，即待捕获图像的光束穿过其中的部分，可以以假想的方式将矩形区域5a同轴布置在各个正方形区域22上。
根据与该配置相关的一个实例，可以执行以下处理操作。
在每个正方形区域22上形成通过晶片21的两个相对的长方形通孔或通道25和26，通孔或通道25和26采取在表面21a和21b之间、以各区域5a的中心为中心的同一圆周的弧的形式。这种长方形通孔或通道可以借助于激光器或任何其它合适的装置形成。
这些相对的长方形通孔或通道25和26形成在各个矩形区域5a的外部，并且沿着该矩形区域5a的短边延伸到有限的程度，还沿其长边对称。
随后，例如通过沉积，以层的形式，在晶片21的相对表面21a和21b上形成不覆盖通孔或通道25和26的相对掩模27和28。
其后，例如使用钠离子(Na+)，例如通过将晶片21浸入硝酸钠(NaNO3)溶液中，通过掩模27和28并从通孔或通道25和26的壁开始，对晶片21的材料执行掺杂，硝酸钠(NaNO3)溶液可以在通孔或通道25和26的两端之间流入通孔或通道25和26中，并且可以通过加速器电场的作用得到增强。为了便于溶液的对流或流动，长方形通孔或通道25和26的宽度被调整为使得离子掺杂或注入优选在晶片21的厚度上以均匀的方式发生。
上述掺杂被设计为，以使包含在材料中的Na+离子密度基本上在各矩形区域5a的正交轴的方向上减小但同时使基本是圆柱形的中心部分免于这种处理的方式，从通孔或通道25和26的壁开始并且相对于通孔或通道25和26径向地在晶片21的厚度方向上传播，直到与各矩形区域5a相对应的各光学有用部分的内部。
这种掺杂工艺以浓度水平等高线27的形式示意性地示于图4和5中。
考虑到前述部署，根据一个变体，掺杂工艺根据采取近似以矩形区域5a的中心为中心的圆形弧形式的浓度水平等高线27，实质上在与这些矩形区域5a相对应的光学有用部分的拐角处执行。
随后，去除掩模23和24，还如图4和5中所示。
根据图6中示出的一个变体，长方形通孔或通道25和26可以由多个通孔或通道25a代替，多个通孔或通道25a例如是圆柱形并且被明智地布置，例如沿着以区域5a为中心的圆布置，并且可能在整个圆上潜在地以等间距隔开，但并不必须如此。为了改善处理溶液的流动，通孔25a的直径可以相对较大。
作为实例，现在将描述制造具有可变折射率或折射率梯度的多个光学透镜9的方式。
如图7和8所示，可以使用例如由玻璃制成的大圆形透明晶片28，其具有平坦的后表面28a和总体上平坦的前表面28b，并且具有以正方形矩阵布置且形成在由假想的垂直线31和32限界的相邻正方形区域30的中间的多个半球形突出部分29，这些相邻的正方形区域30与将要得到的光学透镜9相对应。
例如使用铊离子(Tl+)，例如通过将晶片28浸入硝酸铊(TlNO3)溶液中，在晶片28体内执行先期掺杂。
采用这种晶片28，从一个表面到另一表面分别与半球形的突出部分29同轴地形成通过晶片28的圆形孔或通道33。这种通孔或通道33可以借助于激光器或任何其它合适的装置形成。
随后，例如通过沉积，以层的形式，在晶片28的相对表面28a和28b上以及半球形部分29上形成不覆盖通孔或通道33的相对掩模34和35。
此后，例如使用钠离子(Na+)，例如通过将晶片28浸入硝酸钠(NaNO3)溶液中，对晶片28执行掺杂，硝酸钠(NaNO3)溶液经由孔或通道33的两端渗透到孔或通道33中。
上述掺杂被设计为，以使包含在材料中的Na+离子密度从通孔或通道33的壁开始并且在晶片28的厚度方向上径向地减小的方式，从通孔或通道33的壁开始并且相对于通孔或通道33径向地在晶片28的厚度方向上传播。
这导致各透镜9的折射率根据玻璃中掺杂离子密度的径向变化所确定的径向梯度，从通孔或通道33的壁开始并且在晶片28的厚度方向上减小。
这种掺杂工艺以浓度水平等高线36的形式示意性地示于图9和10中，浓度水平等高线36采取近似以正方形区域30的中心为中心的圆的形式。
随后去除掩模34和35。
然后，如图9和10所示，通孔或通道33被填充有材料以便形成塞子37，该材料的折射率等于或尽可能接近于晶片28的与通孔或通道33直接相邻的部分的材料的折射率。
这样就在晶片28中获得中心部分具有恒定折射率并且被具有向外部径向减小的折射率的部分所环绕的多个透镜9。
因此，采用如此处理的晶片28，例如通过沉积，在其后表面28a上形成与光学透镜9相对应的多个光圈8。
现在将描述可以制造例如光学成像模块6和叠层2的方式。
可以采用经过处理的晶片21，并且可以通过沿着线23和24进行切割来释放每个独立的锭7，可以采用经过处理的晶片28，并且可以通过沿着线31和32进行切割来释放每个独立的透镜9。然后，锭7和透镜9可以独立地堆叠并粘结在彼此的顶部，以便获得独立的光学模块6。然后，光学模块6可以独立地堆叠并粘结在独立的半导体组件3上以便获得独立的叠层2，或者可以独立地堆叠并粘结在以后将被切成方块以获得叠层2的半导体晶片3的半导体组件3上。
还可以采用布置并粘结在彼此顶部的经过处理的晶片21和经过处理的晶片28，其中线31和32与线23和24对准，从而使得锭7和透镜9以在双晶片上获得多个光学成像模块6的方式位于彼此顶部。
随后，通过将所述双晶片切成方块来独立释放这些光学成像模块6，然后将其独立地粘结在独立的半导体组件3上，以便获得独立的叠层2，或者粘结在以后将被切成方块以获得叠层2的包括半导体3的晶片的半导体组件3上。
还可以在将所述光学成像模块6与半导体组件3对准的情况下将所述双晶片粘结在半导体3的晶片上，然后，切成方块以便获得独立的叠层2。
然后，如前所述，将所获得的叠层2安装并粘结在壳体单元16中。
参见图11，可以看到图6的一个变体实施例被示出，根据该实施例，圆柱形通孔和通道25a由多个放大的通孔或通道25b代替，通孔或通道25b具有圆柱形内表面38a、圆柱形外表面38b以及布置在穿过区域5a的轴的平面中的相对的径向表面38c，通孔或通道25b可以以圆周方式彼此靠近，并且可能在整个圆上等间距例如以八批隔开，但并不是必须如此。为了改善处理溶液的流动，圆柱形内表面38a和圆柱形外表面38b可以分开相对较大的间隙。
之前示出的通孔或通道的形状和部署并不是限制性的。实际上，可以提供具有不同形状和部署的通孔或通道。
具体而言，通孔或通道可以提供在透明锭的光学有用区域内，用于进行之前所述的掺杂，其可以被填充有如参照图9和10所述的材料。
通孔或通道还可以提供在光学透镜的半球形部分29外部的区域内，用于进行之前所述的掺杂。
还可以提供在光学有用区域内延伸穿过透明锭和/或光学透镜的孔或通道，以及位于它们的光学有用区域外部的通孔或通道。
还可以形成包括与至少一个光学透镜相关联或者与至少一个光学透镜一起的、根据之前所述变体中的至少一个进行处理的至少一个透明锭的光学模块。
还可以形成包括与至少一个透明锭相关联或者与至少一个透明锭一起的、根据之前所述变体中的至少一个进行处理的至少一个光学透镜的光学模块。
如图12中所示，图像捕获装置还可以被形成为：可以包括具有通口(through orifice)40的壁39。该壁可以用作在该通口的一侧或另一侧上布置的光学模块41的支撑。该光学模块41可以包括经过之前所述处理的至少一个透明锭和/或至少一个光学透镜。该图像捕获装置可以包括安装有半导体组件43的印刷电路板42，其中半导体组件43包括与光学模块41相对布置的光学传感器44。当然，该组件也可以恰好在其光学传感器之前包括光学模块，该光学模块可以进行之前所述的处理，或者不进行之前所述的处理。当然，印刷电路板42可以承载未示出用于控制光学半导体组件43以及用于处理由该光学半导体组件43产生的图像的组件。
所述的各种变体可有助于提高与光学半导体组件相关联的光学成像模块的分辨能力和/或对比度，并且可有助于提高增强当前可用的半导体组件所捕获的图像的清晰度和/或对比度的能力，和/或有助于提高在不降低所捕获图像的清晰度和/或对比度的情况下增加由组件的光学图像传感器所组成的像素数的能力。
Claims (14)
1.一种光学元件，被设计成布置在半导体组件的光学传感器前面，待捕获的图像被设计成穿过所述光学元件的至少一个光学有用部分(5a、29)，所述光学元件包括在所述光学元件的前表面和后表面之间延伸的至少一个通道(25、25a、33)，并且具有从所述至少一个通道的壁开始到所述光学有用部分中变化的折射率。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述至少一个通道(25)形成在所述光学有用部分的外部，所述折射率变化直到该光学有用部分(5a)的内部。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述至少一个通道(33)形成在所述光学有用部分的内部，该通道被填充有形成塞子(37)的材料，所述塞子(37)的至少外周具有等于或接近于与该通道直接相邻的部分的折射率的折射率。
4.根据在前权利要求中任一项所述的光学元件，包括多个通道，并且具有从这些通道的壁开始变化的折射率。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学元件，包括形成锭的两个平行的表面。
6.根据权利要求中任一项所述的光学元件，包括形成光学透镜的至少一个突出部分。
7.一种用于处理晶片的方法，所述晶片的至少特定部分被用于制造光学成像元件，所述光学成像元件被设计成布置在半导体组件的光学图像传感器前面，并且包括光学有用部分，待捕获的图像被设计成穿过所述光学有用部分，所述方法包括以下步骤：
在所述晶片的前表面和后表面之间形成通道(25、25a、33)；
在所述晶片的前表面和后表面上形成不覆盖所述通道的掩模(27、28；34、35)；
以改变这些光学有用部分的一部分的折射率的方式，使用离子从所述通道的壁开始到所述光学有用部分中对所述晶片的材料进行掺杂；
以及去除所述掩模。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述通道形成在所述光学元件的光学有用部分的外部。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述通道形成在所述光学元件的光学有用部分的内部，并且其中所述通道随后被填充有形成塞子(37)的材料，所述塞子(37)具有这些通道的壁的光学特性。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中所述晶片的所述表面平行。
11.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中所述晶片的表面中的至少另一个包括形成光学透镜的突出部分。
12.一种光学成像模块，包括至少一个根据权利要求1至6中任一项所述的光学元件(7、9)。
13.根据权利要求12所述的模块，包括具有与所述光学元件相对布置的图像传感器的半导体组件。
14.一种图像捕获装置，在半导体组件的光学传感器前面包括光学成像模块(6)，所述光学成像模块(6)包括至少一个根据权利要求1至6中任一项所述的光学元件(7、9)。
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