CN105872323B

CN105872323B - 用于制造消色差双棱镜阵列的方法

Info

Publication number: CN105872323B
Application number: CN201610086281.6A
Authority: CN
Inventors: 尹淳义; 邓兆展
Original assignee: Omnivision Technologies Inc
Current assignee: Omnivision Technologies Inc
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: CN105872324A; HK1222961A1; CN105872323A

Abstract

一种广角摄影机及其制造方法，其包含具有多个像素次阵列及设在基板第一侧上的光学组件阵列的传感器。该光学组件中的每个能够从视场在不同的像素次阵列上形成影像。该广角摄影机在该基板的第二侧上还包含消色差双棱镜阵列，其中该消色差双棱镜中的每个经排列对齐以使用不同的光学组件提供视角。该传感器于具有小型化规格的同时可捕获广角视场。

Description

用于制造消色差双棱镜阵列的方法

技术领域

本公开涉及使用消色差双棱镜阵列的广角摄影机及其制造方法。

背景技术

有许多种捕获广角影像的方式；其中一种方式为基于N x N个透镜阵列系统，与采用单一透镜的更传统相机模块相比，其提供小型化且尺寸小的相机模块。其透镜阵列技术使用棱镜及其他光学组件以形成可视角度增加的光学系统。然而，棱镜的使用导致了色差，显着减低光学系统的调变转换函数(MTF)且因而降低生成的影像质量。

发明内容

光学系统及其制造方法揭露了一种基于棱镜且减少色差的光学系统。基于晶圆级的制造方式，一种新颖的消色差双棱镜阵列具有可改善光学分辨率的二个非对称棱镜，而不会过分复杂化其晶圆级制作程序。如本文中所使用，术语“二个非对称棱镜”表示该第一棱镜的形状相对于该第二棱镜是不对称的。也就是说，这两个棱镜反向地相互结合。在下文中将更详细讨论不对称的概念。

在一实施例中，一种广角摄影机具有一传感器，该传感器具有设置在一基板的一第一侧上的复数个像素次阵列及一光学组件阵列，其中该等光学组件中的每一者能够从一视场在一不同的像素次阵列上形成影像。该广角摄影机在该基板的一第二侧上亦包含一消色差双棱镜阵列，其中该等消色差双棱镜中的每一者经排列对齐以使用一不同的光学组件提供一视角，使得传感器于具有小型化规格的同时可捕获一广角视场。

在另一实施例中，在所述具有一光学组件阵列及一可相配合以捕获广视场的对应单棱镜阵列、其中该光学组件阵列形成于一基板的一第一侧上而该单棱镜阵列形成于该基板的一第二侧上、且该等单棱镜中的每一者与一不同的光学组件对齐而导致色差的类型的小型化规格广角摄影机中，其改良包含实施该单棱镜阵列做为在该基板的第二侧上使用晶圆级制造方式所形成的一消色差双棱镜阵列，使得每一消色差双棱镜与一不同的光学组件对齐，且该消色差双棱镜阵列及该光学组件阵列相配合而以减少色差方式捕获该广视场。

在另一实施例中，一种制造具有N x N个部分的消色差双棱镜阵列的方法包含：在一基板上形成一第一棱镜阵列，各第一棱镜设于该等N x M部分中的一者内，且由一第一材料所组成；以及，在该第一棱镜阵列上形成一第二棱镜阵列，各第二棱镜设于该等N x M部分中的一者内，且由一与该第一材料不同的第二材料所组成。

附图说明

图1显示在一实施例中使用一消色差双棱镜阵列的一例示性广角摄影机。

图2显示图1摄影机的前视图，说明在一实施例中该消色差双棱镜阵列具有九个呈三乘三阵列的组件。

图3为通过图1及图2的摄影机的A–A剖线的侧面剖视图，说明在一实施例中的三个例示性子摄影机。

图4显示在一实施例中图3的子摄影机的进一步例示性细节。

图5显示在一实施例中图3及4的例示性子摄影机光学性能的 MTF全视场曲线图。

图6显示在一实施例中通过模拟于描述图5时所配置的图3及图 4子摄影机而生成的点状图。

图7显示一晶圆级透镜现有技术，其具有三个基板及五个表面供在一传感器阵列上形成影像。

图8为说明图7的晶圆级透镜现有技术的光学性能的MTF全视场曲线图。

图9为说明图7的晶圆级透镜光学性能的点状图。

图10显示另一与图7的晶圆级透镜相似但含有一个单棱镜的晶圆级透镜现有技术。

图11为说明图10的晶圆级透镜现有技术光学性能的MTF全视场曲线图。

图12为说明图10的晶圆级透镜光学性能的点状图。

图13为说明一用于制造具有消色差双棱镜阵列的广角摄影机的例示性方法的流程图。

图14描绘在一实施例中的例示性摄影机组件的外观示意图，其包含一叠置于透镜阵列组件、成像传感器阵列及成像基板上的消色差双棱镜阵列。

图15A-C为说明图13的方法步骤的剖面示意图。

图16为说明一具有通过图13的方法所形成的2x 2消色差双棱镜阵列的例示性摄影机的剖面示意图。

附图标记说明：

100：摄影机；102：消色差双棱镜阵列；104：透镜阵列；106：传感器阵列；108：装置；110：广角度；111：视场；202(1)-(9)：消色差双棱镜；302(2)、302(5)、302(8)：光学组件；304(2)、 304(5)、304(8)：像素次阵列；306、306(2)、306(5)、306(8)：子摄影机；402：第一棱镜；403：结合表面；404：第二棱镜；406：第一基板；408：第一透镜；410：第二基板；412：第二透镜；414：第三透镜；416：第三基板；418：第四透镜；420：第五透镜；500： MTF全视场曲线图；600：点状图；700：晶圆级透镜；702(1)-(3)：基板；704(1)-(5)：表面；706：传感器阵列；1000：晶圆级透镜； 1002：单棱镜；1300：方法；1301、1302、1304、1306、1308、1310、 1312、1314、1316、1317、1318、1320：步骤；1400：摄影机组件； 1402：消色差双棱镜阵列；1408：成像基板；1500：第一模具；1502 (1)-(4)、1510：区域；1506：基板；1508：第二模具；1514：透镜阵列组件；1516：影像传感器；1600：摄影机；1602：消色差双棱镜阵列；1604：第一棱镜；1606：第二棱镜；1614：透镜阵列；1616：传感器阵列。

具体实施方式

图1显示使用一消色差双棱镜阵列102的一例示性广角摄影机 100的侧面剖视图。图2显示该摄影机100的前视图，说明该消色差双棱镜阵列102具有九个呈三乘三阵列的消色差双棱镜202(1)-(9)。摄影机100显示在一选自包含有智能手机、个人摄影机、穿戴式摄影机等的群组的装置108内。摄影机100适用于任何需要具广角视场的小型影像捕获设备的应用之中。摄影机100亦包含一透镜阵列104及一传感器阵列106。透镜阵列104及消色差双棱镜阵列102促使摄影机100捕获一广角度110视场111。

图3为通过摄影机100的A–A剖线的侧面剖视图，分别说明三个例示性消色差双棱镜((202(2)、202(5)及202(8))、对应的光学组件(302(2)、302(5)及302(8))以及对应的像素次阵列(304 (2)、304(5)及304(8))。每一消色差双棱镜202、对应的光学组件302及对应的像素次阵列304形成一子摄影机306，其中摄影机100 具有九个这类子摄影机。在图3的实例中，子摄影机306包含消色差双棱镜202(2)、对应的光学组件302(2)及对应的像素次阵列304 (2)。

图4显示图3的子摄影机的进一步例示性细节。光学组件302(2) 为一个有五个表面的晶圆级透镜结构，其具备一带有一第一透镜408 的第一基板406、一带有一第二透镜412及一第三透镜414的第二基板410，以及一带有一第四透镜418及一第五透镜420的第三基板416。该等基板406、410及416(例如)为玻璃。尽管在此实施例中显示了该等透镜408、412、414、418及420，可在不偏离本发明范围的情况下使用其他种带有更多或更少透镜、或带有不同类型透镜的光学组件。

每一消色差双棱镜202形成有二个非对称棱镜。消色差双棱镜202 (2)具有一第一棱镜402及一第二棱镜404，第一棱镜402具有低阿贝数(V1)和高折射率(n1)，而第二棱镜404具有高阿贝数(V2) 和低折射率(n2)。例如，在图4中，第一棱镜402具有13.6度的一角度、1.6的折射率(n1)及30的阿贝数(V1)，而第一棱镜具有-17.2 度的一角度、1.5的折射率(n2)及57的阿贝数(V2)。应明确，这些数值可在不背离本申请范围的情况下改变。消色差双棱镜202(2) 用于改变光学组件302(2)及子摄影机306的视角。每一消色差双棱镜202的配置选择为改变相对应的子摄影机306的视角，以使得摄影机100捕获广角度110视场111。如将在下文中进行进一步详细讨论的那样，消色差双棱镜202(2)直接形成在第一基板406的一表面(相对透镜408)上，由此减少制造时间和费用。进一步地，消色差双棱镜202的使用显著地改善了摄影机100的光学分辨率，以便摄影机100 在质量上能够与未形成有棱镜的摄影机相比较。

为实现具有广角性能的小型摄影机，本发明使用了一具有二个非对称棱镜的消色差双棱镜，且该等非对称棱镜由两种具有不同阿贝数的不同光学材料所制成。该第一棱镜的阿贝数比该第二棱镜的阿贝数低。这些棱镜使用晶圆级制造方法(例如使用下文所进一步详细讨论的方法1300)而结合形成在一第一基板上。每一消色差双棱镜的几何形状是基于其在该阵列内的位置。

假定第一棱镜的阿贝数为V1，而第二棱镜的阿贝数为V2，第一棱镜的折射率为n1，而第二棱镜的折射率为n2。若下列二个限制条件被满足，可在每一子摄影机306(即，消色差双棱镜202(2)与光学组件302(2))中实现高光学性能。

限制条件1：V2>V1,V2>50且V1<35(d线，波长为587 nm)。

限制条件2：n2<n1,n2<1.52且n1>1.58(d线，波长为587 nm)。

第一棱镜402与第二棱镜404之间的结合表面403角度是取决于第一棱镜402与第二棱镜404的不同材料折射率的匹配性。例如，第一棱镜402与第二棱镜404各别的角度可不同于图4中的13.6及-17.2 度，但第一棱镜402的角度与第二棱镜404的角度相比优选为负的。

图5显示一MTF全视场曲线图500，其说明图3及图4中的例示性子摄影机306(即，消色差双棱镜202(2)与光学组件302(2)) 的光学性能。第一棱镜402的阿贝数(V1)为30，且第一棱镜402的材料的折射率(n1)为1.6(d线，于587nm下)。第二棱镜404的阿贝数(V2)为57，且由折射率(n2)为1.51(d线，于587nm下) 的材料所制成。图6显示一通过模拟于描述图5时所配置的图3及图 4子摄影机306(即，消色差双棱镜202(2)与光学组件302(2))而生成的点状图600。

为进行比较，已测试若干例示性光学配置现有技术并与图3及图 4中的消色差双棱镜202(2)与光学组件302(2)的MTF全视场曲线图500与点状图600进行比较。

图7显示一晶圆级透镜700现有技术，其具有三个基板702(1) -(3)及五个表面704(1)-(5)供在一传感器阵列706上形成影像。晶圆级透镜700与图3的光学组件302(2)相似。值得注意的是，晶圆级透镜700并不包含任何棱镜且因而不具有广视场性能。

图8为说明图7的晶圆级透镜700现有技术的光学性能的MTF 全视场曲线图800。图9为说明图7的晶圆级透镜700的光学性能的点状图900。MTF曲线图800及点状图900说明了晶圆级透镜700的典型性能。

图10显示另一与图7的晶圆级透镜700相似的晶圆级透镜1000 现有技术，但其具有一额外的单棱镜1002，该单棱镜1002与基板702 (1)上相对于表面704(1)的一表面配置一起。单棱镜1002的阿贝数(V_D)为62.6，且其是由一折射率(n)为1.5168(d线，在587nm 下)的材料所制成。值得注意的是，单棱镜1002对晶圆级透镜1000 提供了广角性能。

图11为说明图10的晶圆级透镜1000现有技术的光学性能的MTF 全视场曲线图1100。图12为说明图10的晶圆级透镜1000的光学性能的点状图1200。MTF全视场曲线图800及点状图900说明了晶圆级透镜700的典型性能。如曲线图1100及点状图1200中所示，单棱镜 1002的加入导致了严重的色差，显着降低晶圆级透镜1000的光学分辨率性能，如图11及12与图8及9相比时所示。因此，使用如晶圆级透镜1000中所示的单棱镜会造成质量差的影像。

然而，当图5的MTF全视场曲线图500及图6的点状图600与现有技术的MTF全视场曲线图800(图8)及点状图900(图9)比较时，其显示出在图3的子摄影机306中使用消色差双棱镜202将在光学性能上导致超越图10的晶圆级透镜1000现有技术的显着改善情形。

图13为说明一用于制造具有消色差双棱镜阵列的广角摄影机的例示性方法1300的流程图。图14描绘在一实施例中图1的摄影机100 的外观示意图，包含叠置于透镜阵列104及成像传感器阵列106上的消色差双棱镜阵列102，且用作说明性地显示其形成于一成像基板 1408上。图15A-C为说明图13的方法1300步骤的剖面示意图，用以在一晶圆上形成复数个摄影机100。特别地，图15A显示模具1500、 1508的例示性使用，用以在一基板1506上形成第一及第二棱镜，而图15B显示与一透镜阵列组件1514及一影像传感器1516结合在一起的基板1506被切割成块以形成每一个单独的摄影机组件1400。图13 至图15B最好与以下描述一起观看。

为讨论图13-15B目的，已参照上文绘制呈三乘三阵列的摄影机组件1400。然而，应理解到方法1300可应用于任何的N x M个相机组件阵列，其中N及M为正整数。

在步骤1302中，方法1300产生一对应第一棱镜阵列的第一模具。在步骤1302的一实例中，第一模具1500系经产生以用于形成第一棱镜阵列402。第一模具1500配置有复数个对应于若干第一棱镜402预期构造的区域1502。在图15A中，其显示了第一模具1500可形成二个消色差双棱镜阵列1402，且每一消色差双棱镜阵列对应于图14的剖线B-B。此外，于每一区域1502与该消色差双棱镜的一给定部分相关联时，每一区域1502可基于该部分中的第一棱镜预期构造而有不同的构造。在图15所说明的实例中，第一模具1500的剖面与图1及14的消色差双棱镜阵列102的消色差双棱镜202(2)、202(5)及202 (8)的第一棱镜402相关联，其中区域1502系经成形且改变其大小以形成其中的每一个第一棱镜402。

在步骤1304中，方法1300使用该第一模具于一第一基板上形成一由第一材料所制成的第一棱镜阵列。在步骤1304的一实例中，第一材料设置于若干区域1502(1)-(4)内，以分别在基板406上形成第一棱镜404(1)-(4)。第一材料可为紫外光(UV)固化材料。基板 406可以是玻璃、塑料、硅胶或其他光学透明性材料。

在可选择的步骤1306中，第一材料经固化以完成第一棱镜1504 的成形。

在步骤1308中，方法1300移除该第一模具。在步骤1308的一实例中，第一模具1500被移除以在基板406上留下第一棱镜402。

在可选择的步骤1310中，方法1300产生一对应第二棱镜阵列的第二模具。在步骤1310的一实例中，第二模具1508系经产生以用于形成第二棱镜404阵列。第二模具1508包含至少一个对应于若干第二棱镜404预期构造的区域1510。第二模具1508与第一模具1500对应并(例如)在一晶圆上形成复数个摄影机100。每一部分的区域1510 与该消色差双棱镜阵列102的一给定部分相关联，其中每一部分的区域1510可基于消色差双棱镜阵列102的对应第二棱镜404形状及大小而有不同的形状及大小。在图15A所说明的实例中，第二模具1510的剖面与图1、2及3的摄影机100的子摄影机306(2)、306(5)及 306(8)相关联，包含用于形成其中的第二棱镜404的一个区域1510。 (例如)若剖线B-B穿过其部分202(1)-202(3)，第二模具1510 的表面将有所不同以匹配于此等子摄影机306的第二棱镜404的预期构造。

在步骤1312中，方法1300使用该第二模具在该等第一棱镜上形成一由不同于第一材料的第二材料所组成的第二棱镜阵列。在步骤 1312的一实例中，第二材料是设置在区域1510内以分别在第一棱镜上形成第二棱镜404(1)-(6)。在图15A所显示运用于三乘三阵列的实例中，对应子摄影机306(5)的阵列中心仅包含第二材料且不含有第一棱镜。因此，于此部分中第二材料是形成于基板406上。第二材料可为紫外光(UV)固化材料。

在可选择的步骤1314中，第二材料系经固化以完成第二棱镜404 的成形。

在步骤1316中，方法1300移除该第二模具。在步骤1316的一实例中，第二模具1508被移除而在第一棱镜402及基板406上留下若干第二棱镜404。

在可选择的步骤1318中，方法1300将步骤1302-1316中所形成的第一及第二棱镜阵列叠置于一透镜阵列组件上。在步骤1318的一实例中，设有第一棱镜402及第二棱镜404于其上的基板406叠置于透镜阵列组件104及影像传感器阵列106上。在图15B的实例中，其于进行叠置之前已在基板406的一第二侧上形成一额外的透镜(例如，图4的透镜408)。

在可选择的步骤1320中，方法1300将层叠的阵列切割成块以形成单独的摄影机。在步骤1320的一实例中，消色差棱镜阵列102、基板406、透镜阵列104及影像传感器阵列106系经切割成块(例如，沿着切割线1518)以形成单独的摄影机100，如图15C中所示。

步骤1301及1317为可选择的。若步骤1301被包含于内，那么步骤1317则不会被包含于其内。若步骤1317被包含于内，那么步骤1301 则不会被包含于其内。在每一个可选择的步骤1301及1317中，一可选择的透镜阵列被制造于该基板的一第二侧上。在步骤1301及1317 中的一实例中，透镜408被制造于基板406的一第二侧上。亦即，若包含在内时，透镜408可于制造消色差双棱镜阵列102之前或之后在基板406的一第二侧上制造。

在图1至15的实例中，由于子摄影机306(5)不需要修改其对应的视场，故第一棱镜402未包含于其内。换言之，假定摄影机100 是由一对称的N x N子摄影机306阵列所形成，当N为奇数时，该消色差双棱镜阵列102的中央消色差双棱镜可不包含第一棱镜402但可包含对应于其他第二棱镜的材料。当N为偶数时，该中央子摄影机可选择地包含一第一棱镜。例如，在一4x 4阵列中，摄影机100中心的四个子摄影机可只包含第二材料。或者，在一4x 4阵列中，中心的四个部分可包含第一及第二棱镜二者。图16为说明一具有通过图13的方法1300所形成的2x 2消色差双棱镜阵列1602的例示性摄影机1600 的剖面示意图。摄影机1600具有一消色差双棱镜阵列1602、一透镜阵列1614及一传感器阵列1616。在图16的实例中，摄影机1600形成为一个2x 2子摄影机阵列，且因而不具有中心子摄影机，其中每一子摄影机包含第一及第二棱镜1604、1606二者。

如图15A-C中所示，可从一封装每一个第一棱镜402的单一毗连材料层制作形成第二棱镜404的第二材料。有利的是，这节省了对齐第二棱镜404与第一棱镜402的时间。有利的是，第二模具1508可经配置而使得只有第一棱镜402的上表面被各别第二棱镜404的第二材料以类似于图3及4的方法进行覆盖。有利的是，这节省了使用在形成第二棱镜阵列的材料用量费用。

可在不偏离本发明范畴的情形下对上述方法及系统做出改变。因此应当指出的是，上述说明或显示于附图中的内容应解释为说明性的意义而非限制性的意义。下列申请专利范围意欲涵盖本文所述的所有一般性特征及特定特征，且由于语言的关系，本方法及系统的范畴的陈述皆应落入其间。

Claims

1.一种用于制造具有N x M个部分的消色差双棱镜阵列的方法，所述方法包括：

在基板表面上形成第一棱镜阵列，每个第一棱镜设于所述N x M个部分中的一个内，且由第一材料所组成；以及

在所述第一棱镜阵列上形成第二棱镜阵列，通过在所述基板表面上布置覆盖每个第一棱镜的、不同于所述第一材料的第二材料的毗连层，每个第二棱镜设于所述N x M个部分中的一个内，每个第二棱镜对应于所述毗连层在对应的第一棱镜上方的区域，并且每个第二棱镜与对应的第一棱镜反向地相互结合，其中，所述第一材料的阿贝数比第二材料的阿贝数低，所述第一材料的折射率比第二材料的折射率高，

形成所述第二棱镜阵列的步骤包括使用第二模具模制所述毗连层，所述第二棱镜阵列具有(i)在平行于所述基板表面的平面上超出所述第一棱镜阵列的区域的单一第二区域以及(ii)分别与对应的第一棱镜对应的多个区域。

2.根据权利要求1所述的方法，形成第一棱镜阵列的步骤包括在第一模具内沉积并固化紫外光固化树脂。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：在形成第一棱镜阵列的步骤与形成第二棱镜阵列的步骤之间，移除在形成第一棱镜阵列及沉积所述第二材料于第二模具内的步骤期间使用的第一模具。

4.根据权利要求1所述的方法，形成第二棱镜阵列的步骤包括在第二模具内沉积并固化紫外光固化树脂。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括将所形成的所述第一棱镜阵列及所述第二棱镜阵列与所述基板叠置于透镜阵列组件上。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括将经叠置的组件切块以形成单独的摄影机组件阵列。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括产生根据所述第一棱镜阵列的预期构造而配置的第一模具。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括产生根据所述第二棱镜阵列的预期构造而配置的第二模具。

9.根据权利要求1所述的方法，其中形成第一棱镜阵列的步骤使用具有与所述第一棱镜的构造对应的第一区域的第一模具而完成，所述第一区域仅在所述消色差双棱镜的所述N x M个部分的一部分中出现。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一区域仅在所述消色差双棱镜的外侧部分中出现，使得在中间部分没有形成第一棱镜。

11.根据权利要求1所述的方法，其中在形成第二棱镜阵列的步骤中，将所述第二棱镜阵列中的每个第二棱镜与所述第一棱镜阵列中对应的第一棱镜对齐，所述第一棱镜具有在第一方向上增大的厚度，所述第二棱镜具有在第二方向上增大的厚度，所述第二方向与所述第一方向呈180度相反。