CN107222663A - 减少光斑的成像系统和相关的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种能够捕获由透镜形成的像的图像传感器包括基板和焊线。基板具有像素阵列，和像素阵列和基板边缘之间的基板的上表面上的焊盘。焊线电连接至焊盘并具有相对于基板上表面形成非零角的区域。非零角在用于最小化区域上的入射光的反射到达图像传感器的低角度范围和高角度范围的至少一个中。选择低角度范围使得区域将入射光远离像素阵列朝向包括透镜的平面反射。选择高角度范围使得区域将入射光反射至焊盘和像素阵列之间的空隙。

Description

减少光斑的成像系统和相关的图像传感器
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及减少光斑的成像系统和相关的图像传感器。
背景技术
大容量消费品(例如移动设备和电动汽车)通常包括至少一个数字照相机。例如，图1示出具有集成其中的照相机模块180的移动设备190。照相机模块180包括透镜170下方的图像传感器110。图像传感器110包括像素阵列112。
照相机模块180捕获的图像的质量取决于许多因素。这些因素的一个是到达图像传感器110的杂散光的量。改善图像质量的一种方法是最小化由杂散光引起的图像伪影(artifact)，即最小化经过透镜170和像素阵列112之间的元件反射到达像素阵列112的透镜170透射的光。
发明内容
在此公开的实施例包括经过消除杂散光源的具有改善的图像质量的图像传感器。
在第一方面中，减少光斑的成像系统包括图像传感器、透镜和焊线。图像传感器具有在基板的上表面上形成的像素阵列，基板包括在像素阵列和基板的边缘之间的基板上表面上的焊盘。透镜在像素阵列之上且具有与其正交的光轴。焊线电连接至焊盘，并具有相对于基板上表面形成非零角且远离光轴延伸的区域。非零角在用于最小化区域上的入射光的反射到达图像传感器的低角度范围和高角度范围的至少一个中。选择低角度范围使得区域将入射光远离像素阵列朝向包括透镜的平面反射。选择高角度范围使得区域将入射光反射至焊盘和像素阵列之间的空隙。
在第二方面中，能够捕获由具有与其正交的光轴的透镜形成的像的减少光斑的图像传感器包括基板和焊线。基板具有其上形成的像素阵列，并包括在像素阵列和基板的边缘之间的基板的上表面上的焊盘。焊线电连接至焊盘并具有相对于基板上表面形成非零角且远离像素阵列延伸的区域。非零角在用于最小化区域上的入射光的反射到达图像传感器的低角度范围和高角度范围的至少一个中。选择低角度范围使得区域将入射光远离像素阵列朝向包括透镜的平面反射。选择高角度范围使得区域将入射光反射至焊盘和像素阵列之间的空隙。
附图说明
图1示出具有集成其中的照相机模块的移动设备。
图2是包括透镜和图像传感器的成像系统的平面图。
图3是连接至图像传感器的示出焊线反射的光的路径的图2的成像系统的剖视图。
图4是实施例中具有减少光斑的图像传感器的减少光斑的成像系统的平面图，其中减少光斑的图像传感器具有将光反射远离图像传感器的像素阵列的焊线。
图5是实施例中示出焊线反射的光的路径的图4的成像系统的剖视图，其中路径是远离图像传感器。
图6是实施例中使得入射光被反射远离图像传感器的焊线的最大允许角的示例性图。
图7示出实施例中附接至图4的减少光斑的图像传感器的具有相对于图像传感器平面形成不同角的部分的焊线。
图8是实施例中具有将光朝向焊线和图像传感器的像素阵列之间的空隙反射的焊线的减少光斑的图像传感器的剖视图。
图9是实施例中使得入射光被朝向焊线和图像传感器的像素阵列之间的空隙反射的焊线的最小允许角的示例性图。
图10示出实施例中附接至图8的减少光斑的图像传感器的具有相对于图像传感器平面形成不同角的部分的焊线。
具体实施方式
图2和图3分别是成像系统200的平面图和剖视图，成像系统200包括透镜270和配置使得成像系统200具有像圈272的图像传感器210。图3的剖视图沿图2的横截面A-A'。图3的剖视图对应图2的横截面A-A'。
图像传感器210经由多个至少部分地在像圈272内的焊线230电连接至印刷电路板(PCB)202。透镜270具有与图像传感器210的像素阵列212的平面正交的光轴271。图像传感器210和透镜270可以分别用作图1的图像传感器110和透镜170。在下面描述中最好一起查看图2和图3。
如图3所示，成像系统200包括透镜270和图像传感器210之间的保护玻璃340。焊线230连接至焊盘214并相对于与图像传感器210的上表面平行的平面210T形成角φ3。由于焊线230至少部分地在像圈272内，透镜270能够透射主光线380并将上边缘光线382折射朝向焊线230。角φ3足够高使得在被像素阵列112的像素检测之前，上边缘光线382被焊线230和保护玻璃340反射出去。在由透镜270形成的并由图像传感器210检测的像中，上边缘光线382因此是杂散光的源并产生伪影(被称为焊线光斑)。取决于角φ3的值，主光线380还可以被朝向保护玻璃340反射并导致焊线光斑。
申请人已经发现焊线光斑可以通过角φ3的战略性选择而被显著地减少，如下文所示。图4和图5分别是减少光斑的成像系统400的平面图和剖视图，减少光斑的成像系统400包括配置使得减少光斑的成像系统400具有像圈472的减少光斑的图像传感器410之上的透镜470。在下面描述中最好一同查看图4和图5。减少光斑的图像传感器410经由多个焊线430电连接至印刷电路板(PCB)202，多个焊线430例如经过本领域中已知的逆向焊接工艺连接至减少光斑的图像传感器410的各自的多个焊盘414。一个或多个焊线430至少部分地在像圈472内。减少光斑的图像传感器410包括与平面410T平行的像素阵列212，图5。例如，平面410T与像素阵列212的一个或多个显微透镜(未示出)的光轴正交。平面410T可以与减少光斑的图像传感器410的上表面平行。
减少光斑的图像传感器410和像素阵列212具有各自的宽度410W和212W，如图4所示。空隙413在像素阵列212和焊线430之间，使得焊线430与像素阵列212被分隔开空隙413。焊线430从焊接带414上的其各自的焊接位置延伸距离430L。
透镜470具有焦距f、直径D和与平面410T正交的光轴471。减少光斑的图像传感器410和透镜470可以分别用作图1的图像传感器110和透镜170。在实施例中，宽度410W等于6.2mm、宽度212W等于5.6mm、空隙413等于0.21mm且直径D等于3.7mm。
如图5所示，减少光斑的成像系统400包括透镜470和图像传感器210之间的保护玻璃340。由于焊线430至少部分地在像圈472内，透镜570能够折射主光线580、下边缘光线578和上边缘光线582，使得它们在位置431R处入射到焊线430上。位置431R在距光轴471的垂直距离xr且在平面410T之上的高度h处，其中h＜＜f。例如，距离xr还可以是距像素阵列212的中点的距离并在图4中标记的距离430L跨越的区域内。保护玻璃340具有远远小于f的厚度341使得在主光线角和边缘光线角的下列表达式中可以忽略偏移δx。例如，厚度341小于300μm。
主光线580以相对于光轴471的主光线角χ传播，其中下边缘光线578和上边缘光线582分别以相对于光轴471的角β-和β+传播。角β±满足等式(1)，其中且
焊线430电连接至减少光斑的图像传感器410的焊盘414并具有区域430P处的PCB202之上的峰高。焊线430包括在形成相对于平面410T的角φu(xr)的位置431R的周围的区域431。角φu(xr)小于或等于最大角当角φu(xr)超过φmax时，如图3所示(其中φ3＝φu)，区域431将上边缘光线582朝向保护玻璃340和像素阵列212反射，使得保护玻璃340将上边缘光线582的部分朝向像素阵列212反射。当角φu(xr)等于φmax时，区域431在与平面410T正交的方向上将上边缘光线582朝向保护玻璃340反射，如图4所示。当角φu(xr)小于φmax时，区域431将上边缘光线582朝向保护玻璃340且远离像素阵列212反射，其减少焊线光斑的风险并能够在没有所述光斑的风险的情况下使空隙412被减小。在实施例中，角φu(xr)小于φmax，且空隙413小于100微米。例如，空隙413等于70微米。
由于β+(xr)＜χ(xr)＜β-(xr)，要求还保证和因此，当时，上边缘光线582、主光线580和下边缘光线578被反射远离像素阵列212。这保证透镜470透射的并在xr处入射到焊线430上的所有光线被反射远离像素阵列212。
随着角φu(xr)接近0使得区域431近乎与平面410T平行，短路成为风险。为避免此风险，角φu(xr)具有临界最小角，例如其是5度，在此值之上，短路是低风险的。
图6是对距离xr的示例性图，其中上边缘光线角β+(xr)由等式(1)给出且距离xr被传感器宽度410W的一半归一化。在此示例中，透镜470的特征是f＝6.7mm、D＝3.7mm、F#＝1.8且宽度410W是6.2mm。在示出的xr值的范围内，边缘光线角β+随xr增加而增加，且因此φmax也一样，其指示在最接近于像素阵列212处(即，焊线430附接至焊盘414处)焊线430的角φu(xr)的上限是最受限的(φmax是最小的)。
在实施例中，焊线430包括在焊盘414和区域430P之间的与区域431相似的多个区域，每个区域相对于平面410T形成在临界最小角之上和φmax之间的角。例如，图7示出具有区域731(1-3)的焊线730。区域731(1-3)分别跨越水平位置x0-x1、x1-x2和x2-x3，其中x1、x2和x3是相邻区域731之间的界面位置。在第一示例中，每个区域731(1-3)与平面410T形成满足的各自的角φ，β+(x0)对应焊线430附接至焊盘414的x＝x0处的最大允许角。由于如图6所示β+(x0)＜β+(x＞x0)(即，更加远离图像传感器)，区域731(1-3)各自还满足
在第二示例中，每个区域731(1-3)与平面410T形成满足的各自的角φ。例如，区域731(2)是形成角的线性区域。为说明的清楚，示出焊线730具有3个线性区域。焊线730可以具有多于3个线性区域，例如，如此多以至于最好由具有由其斜率(即，φu(x)＝arctan(w'(x)))确定的角φu(x)的连续曲线w(x)表示焊线730。
焊线730可以包括与平面410T形成超过角φmax的角的不合格区域。例如，界面位置(例如x1、x2和x3)可以具有超过相邻区域731的斜率的局部斜率，使得在界面区域处相对于平面410T的角超过φmax。由于这样的区域可以潜在地导致焊线光斑，这些区域的长度应该被最小化。在实施例中，这样的区域的长度小于位置x0和x3之间的焊线730的长度的10％。
图8是减少光斑的成像系统800的部分的剖视图，减少光斑的成像系统800与减少光斑的成像系统400相同，除了焊线430被焊线830替代。焊线830在焊点414P处接触焊盘414，并在焊点414P处相对于平面410T形成角φd(xr)。焊点414P位于距像素阵列212的距离为空隙813的位置处。在图8中，如如下所讨论，角φd(xr)明显地大于被要求以防止检测杂散光的最小角φmin。
下边缘光线578在位于平面410T之上的高度830H(以后还被称为h)处的点830R处入射到焊线830上。在水平方向上，点830R距焊点414P的距离为h cotφ且距像素阵列212距离Δ1，其中Δ1＝-h tan(2φd-β-)。点830R距光轴471距离xr，其中距离xr部分地确定如等式(1)所示的边缘光线角β-。
如在图5中，下边缘光线578以相对于光轴471和与其平行的线(例如871)的角β-传播。相对于焊线法线831，下边缘光线578入射到焊线830上并从其以相对于焊线法线831的角θ被反射为反射的光线878R。反射的光线878R与焊线830形成角α并在距焊点414P的水平距离Δr处入射到平面410T上。在图8中，且使得φd＝β-+θ且距离Δ1是与角相对的直角三角形的部分使得Δ1＝h tan(-2φd+β-+π)＝h tan(-2φd+β-)。距离使得比被表示为等式(2)，其中等式(1)限定β-。
当Δr超过空隙813时，反射的光线878R入射到像素阵列212上并导致由减少光斑的图像传感器410产生的像中的焊线光斑。因此，限制Δr使得Δr小于空隙813防止这样的焊线光斑。在实施例中，角φd(xr)超过最小角φmin使得Δr(φd,β-)小于空隙813。在此实施例中，角φd(xr)还可以小于空隙813可以被处理以最小化入射其上的光的反射，例如，通过本领域已知的表面处理或附加的层。
在实施例中，通过最小化角使得下边缘光线578以掠射角入射到位置830R处减小Δr。在这样的实施例中，角φ接近使得焊线角φd(xr)超过90度。
图9是其中对于角φd(xr)的所有值下边缘光线角β-＝30°的等式(2)的示例性图。在等式(2)中，当反射的光线878R水平地传播(即，与平面410T平行地传播)时，接近无穷大。这发生在时。在这样的情况下，我们将φd记为其中对于下边缘光线角β-＝30°，如图9所示。
焊线830可以具有表面410T之上的高度w(xr)(高度830H是其的一个值)和斜率w'(xr)使得在各个位置xr(和对应的角β-(xr))处入射其上的下边缘光线在与平面410T平行的方向上被反射。即在一个或多个那些位置xr处，这些反射的下边缘光线平行于表面410T传播，而不是通过从焊线830的直接反射或通过从保护玻璃340的中间反射到达像素阵列212。
取代确定w(xr)以将下边缘光线平行于平面410T反射，可以确定w(xr)以将具有对应的主光线角χ(xr)的主光线平行于平面410T反射，使得在不同的实施例中，可以确定w(xr)以将具有对应的上边缘光线角β+(xr)的上边缘光线平行于平面410T反射，使得当上边缘光线被平行于平面410T反射时，对应的主光线角和下边缘光线角被反射远离像素阵列212。
可选地，焊线830可以具有平面410T之上的高度w(xr)和斜率w'(xr)使得在各个位置xr(和对应的角β-(xr))处入射其上的一个或多个下边缘光线被反射，使得距离Δr小于空隙813。在实施例中，空隙813在200μm和600μm之间。在图9的示例中，如果空隙813等于400μm且h＝50μm，φd应该超过63.3°以保证Δr＜400μm。
图10示出表示成像系统1000的部分的剖视图，减少光斑的成像系统1000与减少光斑的成像系统400相同，除了焊线430被焊线1030替代,。焊线1030包括区域1031(1)和区域1031(2)。区域1031(1)跨越水平位置x0和x1，且对于预设的空隙1013和x0与x1之间与区域1031(1)反射上边缘光线处对应的多个位置xr，满足角φ1＞φmin的约束。注意，φmin取决于下边缘光线角β-，且因此取决于位置xr。区域1031(2)跨越界面位置x1和x2，且对于在x1和x2之间与区域1031(2)反射上边缘光线处对应的多个位置xr，满足角的约束。
焊线1030可以包括与平面410T形成不在φmin和φmax之间的角的不合格区域。例如，一个或多个界面位置x1和x2可以具有超过相邻区域1031的斜率的局部斜率w'(xr)，使得界面区域处的相对于平面410T的角不在φmin和φmax之间。由于这样的区域可以潜在地导致焊线光斑，这些区域的长度应该被最小化。在实施例中，这样的不合格区域的长度小于x0和x2位置之间的焊线1030的长度的10％。
特征组合
在不脱离其范围的情况下，上述的和下面所请求的特征可以以各种方式进行组合。以下示例示出一些可能的、非限制性的组合：
(A1)一种减少光斑的成像系统包括图像传感器、透镜和焊线。图像传感器具有在基板的上表面上形成的像素阵列，基板包括像素阵列和基板的边缘之间的基板上表面上的焊盘。透镜在像素阵列之上且具有与像素阵列正交的光轴。焊线电连接至焊盘，并具有相对于基板上表面形成非零角且远离光轴延伸的区域。非零角在用于最小化区域上的入射光的反射到达图像传感器的低角度范围和高角度范围的至少一个中。选择低角度范围使得区域将入射光远离像素阵列朝向包括透镜的平面反射。选择高角度范围使得区域将入射光反射至焊盘和像素阵列之间的空隙。
(A2)在如(A1)表示的减少光斑的成像系统中，非零角可以超过5度。
(A3)在如(A1)和(A2)的一个表示的减少光斑的成像系统中，区域可以在(a)焊盘和(b)图像传感器和透镜之间的焊线的峰高区域之间。
(A4)在如(A1)至(A3)的一个表示的减少光斑的成像系统中，低角度范围可以具有上限其中β+是上边缘光线和光轴之间的角。
(A5)在如(A4)表示的减少光斑的成像系统中，其中透镜具有焦距f和直径D，上边缘光线可以在距光轴的垂直距离xr且在上表面之上的高度h＜＜f处入射到焊线上，角β+可以满足
(A6)在如(A5)和(A6)的一个表示的减少光斑的成像系统中，空隙可以小于100微米。
(A7)在如(A1)至(A6)的一个表示的减少光斑的成像系统中，高角度范围可以具有相对于基板上表面的最小角φmin，使得空隙超过h(tan(π-2φmin+β-)-cotφmin)，其中β-是入射到上表面之上的高度h处的区域的下边缘光线相对于光轴的传播角。
(A8)在如(A7)表示的减少光斑的成像系统中，其中透镜具有焦距f和直径D，且焊线在距光轴的垂直距离xr且在上表面之上的高度h＜＜f处反射入射光，角β-可以满足
(A9)在如(A7)和(A8)的一个表示的减少光斑的成像系统中，空隙可以小于600微米。
(B1)一种能够捕获透镜形成的像的减少光斑的图像传感器，透镜具有与图像传感器正交的光轴，图像传感器包括基板和焊线。基板具有其上形成的像素阵列，并包括像素阵列和基板的边缘之间的基板的上表面上的焊盘。焊线电连接至焊盘并具有相对于基板上表面形成非零角且远离像素阵列延伸的区域。非零角在用于最小化区域上的入射光的反射到达图像传感器的低角度范围和高角度范围的至少一个中。选择低角度范围使得区域将入射光远离像素阵列朝向包括透镜的平面反射。选择高角度范围使得区域将入射光反射至焊盘和像素阵列之间的空隙。
(B2)在如(B1)表示减少光斑的图像传感器中，非零角可以超过5度。
(B3)如(B1)和(B2)的一个表示的减少光斑的图像传感器中，区域可以在(a)焊盘和(b)包含基板上表面的平面之上的焊线的峰高区域之间。
(B4)在如(B1)至(B3)的一个表示的减少光斑的图像传感器中，低角度范围可以具有上限其中β+是上边缘光线和图像传感器法线之间的角。
(B5)在如(B4)表示的减少光斑的图像传感器中，其中透镜具有焦距f和直径D，上边缘光线可以在距光轴的垂直距离xr且在上表面之上的高度h＜＜f处入射到焊线上，角β+可以满足
(B6)在如(B5)和(B6)的一个表示的减少光斑的图像传感器中，空隙可以小于100微米。
(B7)在如(B1)至(B6)的一个表示的减少光斑的图像传感器中，高角度范围可以具有相对于基板上表面的最小角φmin，使得空隙超过h(tan(π-2φmin+β-)-cotφmin)，其中β-是入射到在上表面之上的高度h处的区域的下边缘光线相对于光轴的传播角。
(B8)在如(B7)表示的减少光斑的图像传感器中，其中透镜具有焦距f和直径D，且焊线在距光轴的垂直距离xr且在上表面之上的高度h＜＜f处反射入射光，角β-可以满足
(B9)在如(B7)和(B8)的一个表示的减少光斑的图像传感器中，空隙可以小于600微米。
在不脱离其范围的情况下，可以对上述方法和系统做出改变。因此，应该注意的是，在上述描述中包含的或在附图中示出的方式，应该被理解为说明性的且不具有限制意义。所附权利要求旨在覆盖在此描述的所有通用和特定特征，以及本方法和本系统的范围的在语言上的所有声明应被认为落入其间。

Claims (18)

1.一种减少光斑的成像系统，包括：
图像传感器，具有在基板的上表面上形成的像素阵列，所述基板包括所述像素阵列和所述基板的边缘之间的基板上表面上的焊盘；
透镜，在所述像素阵列之上并具有与所述像素阵列正交的光轴；以及
焊线，电连接至所述焊盘，并具有相对于所述基板上表面形成非零角且远离所述光轴延伸的区域，所述非零角在用于最小化所述区域上的入射光的反射到达所述图像传感器的低角度范围和高角度范围的至少一个中，选择低角度范围使得所述区域将所述入射光远离所述像素阵列朝向包括所述透镜的平面反射，选择高角度范围使得所述区域将所述入射光反射至所述焊盘和所述像素阵列之间的空隙。
2.根据权利要求1所述的减少光斑的成像系统，其中，所述非零角超过5度。
3.根据权利要求1所述的减少光斑的成像系统，其中，所述区域在(a)所述焊盘和(b)所述图像传感器和所述透镜之间的所述焊线的峰高区域之间。
4.根据权利要求1所述的减少光斑的成像系统，其中，所述低角度范围具有上限其中β+是上边缘光线和所述光轴之间的角。
5.根据权利要求4所述的减少光斑的成像系统，其中，所述透镜具有焦距f和直径D，所述上边缘光线在距所述光轴的垂直距离xr且在所述上表面之上的高度h＜＜f处入射到所述焊线上，且
6.根据权利要求4所述的减少光斑的成像系统，其中，所述空隙小于100微米。
7.根据权利要求1所述的减少光斑的成像系统，其中，所述高角度范围具有相对于所述基板上表面的最小角φmin，使得所述空隙超过h(tan(π-2φmin+β-)-cotφmin)，其中β-是入射到所述上表面之上的高度h处的区域的下边缘光线相对于所述光轴的传播角。
8.根据权利要求7所述的减少光斑的成像系统，其中，所述透镜具有焦距f和直径D，所述焊线在距所述光轴的垂直距离xr且在所述上表面之上的高度h＜＜f处反射所述入射光且
9.根据权利要求7所述的减少光斑的成像系统，其中，所述空隙小于600微米。
10.一种能够捕获透镜形成的像的减少光斑的图像传感器，所述透镜具有与所述图像传感器正交的光轴，所述图像传感器包括：
基板，具有其上形成的像素阵列，并包括所述像素阵列和所述基板的边缘之间的所述基板的上表面上的焊盘；
焊线，电连接至所述焊盘，并具有相对于基板上表面形成非零角且远离所述像素阵列延伸的区域，所述非零角在用于最小化所述区域上的入射光的反射到达所述图像传感器的低角度范围和高角度范围的至少一个中，选择低角度范围使得所述区域将所述入射光远离所述像素阵列朝向包括所述透镜的平面反射，选择高角度范围使得所述区域将所述入射光反射至所述焊盘和所述像素阵列之间的空隙。
11.根据权利要求10所述的减少光斑的图像传感器，其中，所述非零角超过5度。
12.根据权利要求10所述的减少光斑的图像传感器，其中，所述区域在(a)所述焊盘和(b)包含所述基板上表面的平面之上的所述焊线的峰高区域之间。
13.根据权利要求10所述的减少光斑的图像传感器，其中，所述低角度范围具有上限其中β+是上边缘光线和图像传感器法线之间的角。
14.根据权利要求13所述的减少光斑的图像传感器，其中，所述透镜具有焦距f和直径D，所述上边缘光线在距所述光轴的垂直距离xr且在所述上表面之上的高度h＜＜f处入射到所述焊线上，且
15.根据权利要求13所述的减少光斑的图像传感器，其中，所述空隙小于100微米。
16.根据权利要求10所述的减少光斑的图像传感器，其中，所述焊线包括所述上表面之上的高度h处的区域，所述高角度范围具有相对于所述基板上表面的最小角φmin，使得所述空隙超过h(tan(π-2φmin+β-)-cotφmin)，其中β-是入射到上表面之上的高度h处的所述区域的下边缘光线相对于图像传感器法线的传播角。
17.根据权利要求16所述的减少光斑的图像传感器，其中，所述透镜具有焦距f和直径D，且所述焊线在距所述光轴的垂直距离xr且在所述上表面之上的高度h＜＜f处反射所述入射光，且
18.根据权利要求16所述的减少光斑的图像传感器，其中，所述空隙小于600微米。
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