CN102804017A - 具有聚焦偏移补偿的影像装置 - Google Patents

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Abstract

一种影像装置包含一具有一透镜开口之透镜筒，及一定位在该透镜筒之该透镜开口中的透镜，该透镜具有一光学中心、一焦距F、一孔径直径D及一孔径数字FN＝F/D。一影像传感器包含各具有一尺寸P的光感测像素之一阵列，该传感器与该透镜之光学中心隔开一距离S，使得一聚焦偏移间隙X＝F-S。该像素尺寸P及该孔径数字FN是经过选择的，使得2·P·FN≥X。

Description

具有聚焦偏移补偿的影像装置
技术领域
本发明之具体实施例关于一种用于在一影像传感器上形成一影像的影像装置。
背景技术
一影像装置20包括一透镜模块24，其将一影像引导至一影像传感器28之上，例如第1图中显示。透镜模块24包含一安装在一透镜筒32中的透镜30，其外部表面包含一螺纹33。影像传感器28可为(例如)具有一影像接收表面36之CCD或CMOS阵列，其包含将光、红外线或其它辐射之一入射影像转换成为一电信号之影像像素38。典型地，影像传感器28被封闭在一封装40中，其可包括一或多数盖板41，其对于光系透明且保护影像传感器28。一包含一内螺纹43之固定器42将透镜模块24中之透镜30接合及对准至封装40中的影像传感器28。影像装置20系用于(例如)电子装置中，诸如行动电话、个人数字助理、远程传感器、讯号传输相机、医学装置及诸如用于汽车安全系统之透镜的应用。
随着此等影像装置20逐渐发展成具有较小尺寸，故渐难以将更小之透镜30适当地定位至且对准影像传感器28的影像接收表面36之平面。例如，在透镜模块24的组装期间，难以对准一透镜30之轴使其平行于一透镜筒32的中心轴。即使轻微程度之未对准亦将造成由一透镜30产生之影像未聚焦。另外，透镜30必须在传感器28上之一特定高度处以在影像传感器28上提供经适当聚焦的影像。在聚焦测试期间，透镜30及影像传感器28之间的间隔系藉由调整在透镜固定器42内具有一螺纹33之透镜筒32的高度来改变。然而，螺纹33及43必须极准确以提供足够小之增量高度调整，其可能小至1微米，而不会使透镜30未置中或造成透镜30倾斜。聚焦测试及高度调整步骤增加组装成本且可导引组装缺陷及较低装置产量。
由于包括此等及其它缺点的各种原因，且尽管有各种影像装置的发展，仍持续寻找影像装置设计及组装方面之进一步改进。
发明内容
一种影像装置包含一具有透镜开口之透镜筒，及一定位在该透镜筒之透镜开口中的透镜，该透镜具有一光学中心、一焦距F、一孔径直径D及一孔径数字FN＝F/D。一影像传感器包含各具有一尺寸P的光感测像素之一阵列。影像传感器与透镜之光学中心隔开一距离S，使得一聚焦偏移间隙X＝F-S。像素尺寸P及孔径数字FN是经选择的，使得2·P·FN≥X。
一种形成一影像装置的方法包括提供一具有透镜开口之透镜筒，及在该透镜筒之透镜开口中定位一透镜，该透镜具有一焦距F、一孔径直径D及一孔径数字FN＝F/D。一影像传感器系置于距该透镜之光学中心之一距离S处，使得一聚焦偏移间隙X＝F-S，该影像传感器包含光感测像素之一阵列，各像素具有一尺寸P。光感测像素之尺寸P及透镜之孔径数字FN是经选择的，使得2·P·FN≥X。
附图说明
本发明之此等特征、态样及优点将可参考以下描述、随附申请专利范围及说明本发明之实例的附图而更加理解。然而，应理解该等特征之各者可通用于本发明而不仅用于特定图式之背景中，且本发明包括此等特征之任何组合：其中
第1图(先前技术)系一包含附接至一影像传感器之一透镜模块的习知影像装置之一示意性断面侧视图；
第2图系一包含对准至一影像传感器之一透镜模块的影像装置之一示意性断面侧视图；
第3A至3C图系一具有光线之影像装置的一示意性断面侧视图，该光线(i)当2·P·FN系小于X时汇聚成为一未聚焦影像(第3A图)；(ii)当2·P·FN系大于X时汇聚成为在一像素尺寸内之一聚焦影像(第3B图)，及(iii)当X等于零时汇聚成为一聚焦影像(第3C图)；
第4图系一制造影像装置之方法的一流程图；及
第5A至5E图系显示在一影像装置之制造中之步骤的一示意性断面侧视图，该影像装置包括：(i)一具有透镜筒与透镜开口及传感器腔的间隔板(第5A图)；(ii)透过一遮蔽透镜筒之侧壁的屏蔽之屏蔽开口施加之黏着剂(第5B图)；(iii)将一透镜插入各传感器腔以接触一透镜开口(第5C图)；(iv)将一对准工具之对准尖端插入传感器腔以对准透镜开口中的透镜(第5D图)；及(v)移除对准工具，翻转透镜模块阵列，及将各透镜筒对准一基材上之一影像传感器(第5E图)。
具体实施方式
如第2图中显示，一影像装置50之一具体实施例包含一透镜模块54，其包括定位在一透镜筒62之一透镜开口60中的一透镜58(或一透镜组件)。透镜开口60自一间隔板64的一第一表面61向内及向下延伸，且一影像传感器腔66自与第一表面61相对之一第二表面67向内及向上延伸。透镜筒62围绕透镜开口60及传感器腔66且具有一共同中心轴68。尽管在此描述一具有对称的圆柱形轴(例如该轴68)之透镜筒62的一范例性具体实施例以说明目前结构及过程，应理解亦可使用其它透镜筒62组态。例如，透镜筒62可为矩形、球形或甚至锥形。
透镜58(或该等透镜之一或多数)系由一光学透明材料(例如玻璃、聚合物或其它材料)制成。在一种方法中，透镜58由玻璃制成(其经模制成为适合形状)。玻璃透镜在高温环境下通常比塑料透镜更稳定。透镜58可由高纯度玻璃制成，但亦可由其它光学材料制成，例如环氧树脂或聚碳酸酯。透镜58亦可具有能改进光透射的一抗反射涂层70，而此方式在该技术领域中是为人熟知的。抗反射涂层70可设置在透镜58的一顶部表面72上且亦可在透镜58的一底部表面74上形成(未显示)以减少或防止来自周围表面之背向反射。底部表面74可涂布一红外线过滤器(未显示)。在一型式中，此红外线过滤器包含金属氧化物的连续层，其形成一过滤反射在透镜58上之光的干涉过滤器。
透镜58具有一光学中心C，其系中心透镜58之轴68上的一点，在该处一入射光线的入射部分穿过此点且相同光线之显现部分系平行。透镜58亦有一焦距F，其系自透镜58之光学中心C至透镜58之主焦点的距离。例如，一汇聚透镜(诸如凸透镜)具有一焦距，其为正且系一经准直光束将会被聚焦至单一点的距离。
透镜58亦具有一孔径直径D，其系孔径的直径。该孔径(亦称为「入射光瞳」(entrance pupil))容许光进入至透镜58及决定到达传感器之影像平面中的一焦点的一束光线的圆锥角。例如，当透镜58由若干组件(例如复数透镜58)组成时，入射光瞳可藉由在该等组件之两组件间插入的一不透明材料(例如一片或涂层)界定，其具有经定大小以容许某些光量通过透镜58的一开口。当透镜58仅由一组件组成时(如第2图显示)，前开口界定入射光瞳且系孔径。孔径直径亦决定实际上允许多少光线进入，且因此决定到达影像平面的光量。孔径直径D之一适合范围自约0.5至约10毫米。
透镜58的孔径数字FN(亦称为聚焦比、f比或相对孔径)表示孔径直径相对于透镜58的焦距。以较简单的术语言之，孔径数字系焦距F除以孔径直径D。孔径数字FN系透镜58的无因次(dimensionless)数且可由公式FN＝F/D计算。例如，若焦距系16乘以孔径直径，孔径数字系F/16或FN＝16。FN之一适合范围自约1至约22，且一更小范围将自约1.4至约3.2。对于此等孔径数字，透镜58可具有自约0.5毫米至约10毫米或甚至自约1毫米至约5毫米的焦距。
一影像传感器80包含一影像接收表面82，其包含各具有一尺寸P之光感测像素84的一阵列。像素84依周期性配置而隔开及配置。影像接收表面82自透镜58(或一透镜群)接收聚焦影像的一部分及将接收到影像转换成一电信号迹用于进一步处理。影像接收表面82直接对准透镜58，如第2图中显示。影像传感器80系安装在一传感器基材86上，其可为一印刷电路板或一半导体晶圆，诸如一硅晶圆或化合物半导体(如，砷化镓)。典型地，影像传感器80被封闭在一封装(未显示)中且可由习知之芯片直接封装(COB)、卷带式封装(TCP)、玻璃覆晶封装(COG)或芯片尺寸封装(CSP)方法制造，其具有横向连接或依硅穿孔(TSV)技术实现。
影像传感器80的影像接收表面82与透镜58的光学中心C隔开一距离S。距离S可根据透镜58之光学中心的高度变化。例如，由于间隔板64之高度、透镜58的厚度或甚至透镜58与诸如间隔板64的支撑结构间所用之间隔件或黏着剂厚度中之变动，透镜58之光学中心可能在距影像接收表面82之一更大距离S处。其亦可产生自在用以将透镜58安置于间隔板64中之开口60的深度或直径中的变动。此等变动亦可产生自习知机器加工公差。
聚焦偏移间隙X系藉由焦距F及距离S间之差给定，使得X＝F-S。当F确切等于S且因而X＝0时，聚焦偏移间隙X系距理想情况之间隔中的差之测量，如第2图显示。更通常的是，X具有一有限之正或负值。例如，当F大于S时，X具有一正值；相反地，当F小于S时，X具有一负值。在习知影像系统中，当X非零时，在影像传感器80之影像接收表面82上形成的影像系离焦。聚焦偏移间隙可产生自成为透镜模块54、透镜筒62、间隔板64、传感器基材86及其它此等组件之各种机器加工公差的一累积之结果的距离。聚焦偏移间隙亦可产生自藉由黏着剂或其它间隔件的厚度所引入的额外距离。
已发现可设计一影像装置50以减少或消除起因于具有一正或负值的聚焦偏移间隙X之聚焦误差。在此方法中，影像传感器80之各像素尺寸或大小P系与孔径数字FN相关地选择，使得2·P·FN≥X。例示此系统之光学组件的三情况显示于第3A至C图。例如，第3A图显示当2·P·FN小于(＜)聚焦偏移间隙X时之情况。可见到所得影像系离焦，因为其仅聚焦于一与影像接收表面82不同之平面中。第3B图显示当2·P·FN大于X之情况，其中可看到所得影像聚焦于与影像接收表面82相同的不同平面中。第3C图显示当X＝0时之情况，且当然2·P·FN大于X。可看到所得影像系聚焦中及在与影像接收表面82相同的平面中。
藉由与孔径数字FN相关地选择影像传感器80之各像素的尺寸P，使得2·P·FN≥X，可自动地补偿在透镜58之聚焦中心及影像传感器80的影像接收表面82间之轻微不同间隔造成聚焦偏移间隙X的问题。一像素84之尺寸可为(例如)一方形像素的宽度，一矩形像素的最小宽度或一圆形像素的直径。像素尺寸P的一适合大小可(例如)自约1至约5微米。
以此方式，可设计影像装置50以补偿影像装置50之固有机械或机器加工公差。此等公差可起因于(例如)由于机器加工期间之工具的磨损、组件之位置变动的机器加工变动，透镜58及传感器80间之间隔材料或厚度的变动。所有及其它因素可造成作用于聚焦偏移间隙X之透镜58光学中心C及影像接收表面82间之间隔S的距离之可变性。
作为一实例，聚焦偏移间隙X可起因于一黏着剂厚度(T)中之可变性，黏着剂系用于将透镜58接合至间隔板64。例如，如第2图显示，各透镜58具有一延伸超过透镜开口60直径之外圆周90以提供一适合附接区域。透镜58在其外圆周90处用一黏着剂92(如同环氧树脂胶或氰丙烯酸酯胶)附接至间隔板64。黏着剂92亦可包括例如碳粉的不透明填料。在将透镜58插入透镜开口60以进一步促进组装前，可将黏着剂92喷在间隔板64之表面上。聚焦偏移间隙X甚至可完全由于黏着剂的厚度T所造成，或X可等于T。
于第4图中，说明了一种在制造一影像装置50之同一时间，通常会一起制造此等装置之一阵列的过程之具体实施例。一间隔板64(其提供如第2图显示分开透镜58与影像传感器80之间隔距离S)系由一介电质、半导体或导体材料制成，其具有足够机械强度以支撑一透镜58。适合材料可包括：诸如硅酸盐或硼硅酸盐玻璃的玻璃；诸如氧化铝或二氧化硅之陶瓷；诸如钛及不锈钢的金属；或甚至诸如塑料或聚酰亚胺及耐热塑料的聚合物。另外，当透镜58及间隔板64两者系由玻璃制成时，其提供更佳热膨胀匹配。间隔板64可能系单一板或一些由黏着剂互相连结以形成间隔板64之分开板，如同例如在2007年10月26日申请标题为「Image Capturing Unit and Methods」之共同受让美国专利申请案第11/925,742号中所述，其系藉由引用在此全数并入。
在第5A图中显示一间隔板64的一具体实施例，其具有一第一表面61、一第二表面67及一透镜筒62a、b之阵列。间隔板64的透镜筒62a、b可由一些不同方法形成。一机械或雷射钻孔可用来透过间隔板64钻出穿透孔。一适合雷射包括一CO2或脉冲式雷射，例如Nd:YAG雷射或准分子雷射。间隔板64亦可藉由湿或干式蚀刻间隔板64(或诸板)以形成穿透孔而制成。当由玻璃制成间隔板时64，透镜筒62、62a、62b亦可藉由透过一金属屏蔽喷砂来蚀刻玻璃而制成，其中该金属屏蔽具有对应于透镜开口60及传感器腔66之直径的孔径。除了喷砂，亦可使用超音波蚀刻。
在一方法中，透镜开口60及影像传感器腔66两者系藉由分开自第一表面61及第二表面67两者钻或蚀刻间隔板64形成，以分别预定义对应于透镜开口60或传感器腔孔66之深度的深度。例如，复数透镜开口60可自第一表面61钻至一第一直径及第一深度。之后，复数传感器腔66系自第二表面67钻至一第二直径及第二深度。典型地，第二直径大于第一直径，使得传感器腔66之圆周径向延伸超过透镜开口60的圆周。第一直径取决于定位在透镜开口60中的一透镜58的选定直径。在一实例中，第二直径比第一直径大至少约10％，或甚至约30％。例如，第一直径可自约0.5毫米至约2.7毫米，且第二直径可自约0.6毫米至约3.0毫米。此等不同直径缩小透镜开口60至用于达到影像传感器80之光的最小需求，且因此提供用于间隔板64之更佳机械强度。
各透镜筒62包含一透镜开口60，其自间隔板64的第一表面61向内延伸。与一透镜58接触之透镜开口60的部分系用一对于光不透明的不透明涂层涂布。透镜筒62包含一具有一复杂多阶状轮廓的侧壁85，其包括具有一凸缘87之一第一阶81以支撑一透镜58。当将透镜58插入透镜筒62a、b时，其接触第一阶81之一侧壁83及安置在凸缘87上。阶状侧壁83各界定一可为一圆柱、弯曲或锥形的一径向内表面。径向内表面亦可经成型以匹配或适配透镜58的外周边。
在一型式中，例如在第2图中显示，透镜开口60之侧壁85包含自透镜向下且向外延伸的一倾斜表面。例如，侧壁85可包含以一角度倾斜离开孔口182的一部分，该角度经选择使得以最大光角入射在透镜58上的一光线不触及透镜开口60的侧壁85。一适当锥形凸缘以相对于透镜筒62之中心轴心68的一角度倾斜。该倾斜表面可向外渐呈锥形，产生具有至少两连续直径的内部轮廓外形，其中一第一部分具有一第一直径且一第二部分具有大于第一直径之一第二直径，或反之亦然。在一型式中，倾斜锥形表面包含一自约2至约30度之一斜率。
在第5A至5C图中，透镜开口60包含一自约2至约45度之倾斜角的锥形部分73。锥形部分73系倾斜以自孔口182向上及向外延伸，例如藉由具有与透镜58之性质、传感器(未显示)之大小、透镜58与传感器间的间隔或其组合相关地选择的一倾斜角。例如，侧壁85之锥形部分73之倾斜角可经选择使得以该倾斜角入射在透镜58上的一光线将藉由透镜58弯曲足够远以落在该传感器上。在一些透镜组态中，侧壁85之锥形部分73可甚至容许由透镜58收集的光可自比一圆柱形侧壁更宽之一立体角收集到。
凸缘87的轮廓(未显示)亦可与一透镜58的一外部外形匹配以容许经插入透镜筒62之一透镜58的自对准。例如，用于第一阶81之一适合轮廓形状可为一弯曲或锥形之形状，其具有适配由透镜58的所需光学性质决定的形状之一曲率半径。当此间隔板64用诸如塑料之一聚合物材料制成时可藉由模制透镜开口60以具有侧壁85的所需形状，或当间隔板64用玻璃制成时藉由机械或超音波蚀刻来产生该弯曲。
在完成透镜筒62以后，一抗反射涂层89(显示在第2图中)可沈积或形成在各透镜筒62的侧壁85上。一适合抗反射涂层89包含光吸收材料之一层，或诸层之一堆栈。抗反射涂层89可藉由汽相沈积、喷漆、溅镀或藉由材料表面的氧化作用施加。抗反射涂层89可形成至一至少约50微米之一厚度，或甚至自约1微米至约100微米之一厚度。
在第5A至5E图中显示制造影像撷取单元之一阵列的过程之一具体实施例。一黏着剂92系施加至透镜开口60之凸缘87的支撑表面以黏着经置放与凸缘87的支撑表面88接触的透镜58，如第5B图中显示。在施加黏着剂92之一方法中，将一屏蔽190置于间隔板64的第二表面67上以屏蔽传感器腔66之侧壁85a、b。屏蔽190具有孔192a、b，其系以对应于透镜开口60之透镜间隔的一周期性关系配置。一适合屏蔽190可由铝制成。黏着剂198系喷射通过屏蔽190的屏蔽孔192a、b，以在凸缘87的支撑表面88上及孔口182a、b之圆周边缘184a、b上形成黏着剂92。
之后，如第5C图中显示，将一透镜58插入各传感器腔66内，使得透镜58的一外圆周90安置在此区域中之黏着剂92上。一对准工具200包含插入传感器腔66中之对准尖端202以对准孔口182中之透镜58，如第5D图中显示。对准尖端202藉由透镜58间隔距离互相分开。对准工具200可由一金属制成，且在一型式中，可具有自约100至约5000尖端。该等对准尖端202的长度对应于透镜58之一顶点206与间隔板64的第二表面67之间的距离，以设定第二表面67与透镜58之顶点206间的距离至适当长度。在一型式中，尖端202之各者包含一自约0.5至约5毫米之长度。
接着将对准工具200自间隔板64移除以形成包含透镜模块54之一透镜模块阵列65，透镜模块54各包含一黏着至间隔板64之一透镜筒62的一透镜开口60之一孔口182。透镜模块阵列65翻转且各透镜模块54对准一传感器基材86上之一影像传感器阵列150的影像传感器80，如第5E图中显示。透镜模块阵列65可黏着至传感器基材86使得各透镜筒62用一黏着剂附接至一传感器80或至传感器基材86。透镜筒62及传感器80间之黏着剂可具有自约0.1至约10微米之厚度。各透镜58亦可具有一抗反射涂层70，如以前描述之一红外线反射涂层。一透镜盖板180可用来保护下方之透镜58，如第2图中显示。透镜盖板180对于辐射(诸如光之光学波长，或其它类型辐射)实质上可渗透。例如，透镜盖板180可容许至少90％的通常入射光穿过。在一型式中，透镜盖板180减少透镜58的湿气或灰尘污染。透镜盖板180可为一光可渗透材料板，例如玻璃或塑料。透镜盖板180亦可作用为一辐射过滤器，例如一红外线过滤器，其吸收具有红外线范围内之波长的辐射的至少约90％。所得组件可被分割以形成个别影像装置50。适合之切割过程包括机械切割、雷射切割或放电机器加工。由在一影像传感器基材86上包含经对准以具有一共同轴之一或多数透镜58及一影像传感器80的一透镜模块54所形成的影像装置50可用于各种不同装置中。
虽然在本申请案中描述间隔板64、透镜筒62及影像装置50的说明性具体实施例，但应理解其它具体实施例亦可能。例如，可使用对于透镜筒62及间隔板64的其它设计。另外，透镜模块54取决于应用可用其它类型之影像撷取模块封装。因此，不应将申请专利范围的范畴限制于在此描述的说明性具体实施例。

Claims (17)

1.一种影像装置，其包含：
(a)一具有一透镜开口之透镜筒；
(b)一定位在该透镜筒之该透镜开口中的透镜，该透镜具有一光学中心、一焦距F、一孔径直径D及一孔径数字FN＝F/D；及
(c)一影像传感器，其包含各具有一尺寸P之光感测像素的一阵列，该传感器系与该透镜之光学中心隔开一距离S，且
其中一聚焦偏移间隙X＝F-S，及
其中P及FN是经选择的，使得2·P·FN≥X。
2.如申请专利范围第1项所述之装置，其中该透镜包含小于22之一孔径数字FN。
3.如申请专利范围第1项所述之装置，其中该透镜包含约1之一孔径数字FN。
4.如申请专利范围第1项所述之装置，其中该透镜包含自约0.5至约10毫米的一焦距F。
5.如申请专利范围第1项所述之装置，其中该透镜包含自约0.5至约10毫米的一孔径直径D。
6.如申请专利范围第1项所述之装置，其中该光感测像素之尺寸P系自约1至约5微米。
7.如申请专利范围第1项所述之装置，其中各镜筒系用一黏着剂附接至该传感器或附接至固定该传感器之该基材。
8.如申请专利范围第7项所述之装置，其中该黏着剂包含一作用于该聚焦偏移间隙X之厚度T。
9.一种影像装置，其包含：
(a)一外壳，其包含一具有一透镜开口之透镜筒，该透镜开口具有一圆周边缘；
(b)一定位在该透镜筒之该透镜开口中的透镜，该透镜筒包含一外圆周及一孔径数字FN；及
(c)一黏着剂，其系用于将该透镜之该外圆周黏着至该透镜开口之该圆周边缘，该黏着剂具有一作用于该聚焦偏移间隙X的厚度T；及
(d)一影像传感器，其包含各具有一尺寸P之光感测像素的一阵列，使得2·P·FN≥X。
10.如申请专利范围第9项所述之装置，其中该透镜包含小于22之一孔径数字FN。
11.如申请专利范围第10项所述之装置，其中该透镜包含自约0.5至约10毫米的一焦距F及自约0.5至约10毫米的一孔径直径D。
12.如申请专利范围第9项所述之装置，其中该光感测像素之尺寸P系自约1至约5微米。
13.如申请专利范围第9项所述之装置，其中介于该镜筒及该传感器间之该黏着剂包含自约0.1至约10微米之一厚度。
14.一种形成一影像装置的方法，该方法包含：
(a)提供一具有一透镜开口之透镜筒；
(b)在该透镜筒之该透镜开口中定位一透镜，该透镜具有一焦距F、一孔径直径D及一孔径数字FN＝F/D；
(c)将一影像传感器置于距该透镜之光学中心之一距离S处，使得一聚焦偏移间隙X＝F-S，该传感器包含各具有一尺寸P之光感测像素的一阵列；及
(d)选择该等光感测像素之尺寸P及该透镜之孔径数字FN使得2·P·FN≥X。
15.如申请专利范围第14项所述之方法，其中(b)包含选择一透镜，该透镜包含小于22之一孔径数字FN。
16.如申请专利范围第14项所述之方法，其中(b)包含选择一透镜，该透镜包含约0.5至约10毫米的一焦距F，且设定约0.5至约10毫米之一孔径直径D。
17.如申请专利范围第14项所述之方法，其中(c)包含选择一具有光感测像素的影像传感器，该等光感测像素具有约1至约5微米之一尺寸P。
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