CN114144714A - 包括透镜组件的光学模块 - Google Patents

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Abstract

在一个示例中，一种装置包括：透镜组件，其包括一个或更多个聚合物层，每个层包括透镜部分和延伸部分；以及图像传感器，其位于透镜组件下方，并且经由结合层结合到透镜组件，并且被配置为感测穿过一个或更多个聚合物层的透镜部分的光。

Description

包括透镜组件的光学模块
相关申请
本申请要求于2019年7月15日提交并且标题为“OPTICAL MODULE COMPRISINGLENS ASSEMBLY”的第62/874,452号美国临时申请以及于2020年6月9日提交并且标题为“OPTICAL MODULE COMPRISING LENS ASSEMBLY”的第63/036,858号美国临时申请的优先权，这两个申请都转让给了本申请的受让人，并且出于所有目的，通过引用以其整体并入本文。
背景
本公开总体上涉及一种光学模块，并且更具体地涉及一种包括一个或更多个透镜的光学模块。
光学模块可以包括例如图像传感器模块、投光器(light projector)模块等。图像传感器模块通常包括图像传感器(该图像传感器可以包括一个或更多个图像传感器芯片)和一个或更多个透镜。一个或更多个透镜可以聚集入射光并将光聚焦到图像传感器的光接收表面。图像传感器包括光感测元件(例如，光电二极管)，其可以接收经由光接收表面穿过一个或更多个透镜的入射光，并将接收到的光转换成电信号。电信号可以代表例如来自场景的光的强度。基于电信号，图像处理器可以生成场景的图像。另一方面，投光器模块可以包括光源和一个或更多个透镜。光源可以发射光，该光可以穿过透镜并传播到远场。一个或更多个透镜与图像传感器/光源的组装可能会影响光学模块的各种特性。
概述
本公开总体上涉及一种光学模块，并且更具体地涉及一种包括一个或更多个透镜的光学模块。
在一个示例中，提供了一种装置。该装置包括：包括一个或更多个聚合物层的透镜组件，每个层包括透镜部分和延伸部分；以及图像传感器，其位于透镜组件下方，并且经由结合层结合到透镜组件，并且被配置为感测穿过一个或更多个聚合物层的透镜部分的光。
在一些方面，一个或更多个聚合物层中的每一个由环烯烃共聚物(COC)材料制成。
在一些方面，一个或更多个聚合物层中的每一个由以下项中的至少一项制成：聚碳酸酯材料或聚酯材料。
在一些方面，一个或更多个聚合物层中的每一个由一种或更多种注射成型工艺制成。
在一些方面，透镜组件的占用面积(footprint)基本上与图像传感器的占用面积相同。
在一些方面，结合层围绕图像传感器的周边分布，以围绕图像传感器的面向一个或更多个聚合物层的透镜部分的光接收表面。
在一些方面，透镜组件还包括光输出表面。结合层分布在图像传感器的光接收表面上，以将图像传感器的光接收表面与透镜组件的光输出表面结合。
在一些方面，一个或更多个聚合物层包括多个聚合物层。多个聚合物层中的一对聚合物层的延伸部分经由粘合剂结合。
在一些方面，一个或更多个聚合物层包括多个聚合物层。透镜组件还包括多个间隔物，该多个间隔物包括第一间隔物，第一间隔物夹在多个聚合物层的一对聚合物层的延伸部分之间。
在一些方面，第一间隔物结合到该对聚合物层的延伸部分。
在一些方面，多个间隔物由不透明材料制成，该不透明材料包括以下项之一：聚合物或金属。
在一些方面，一个或更多个聚合物层包括多个聚合物层。多个聚合物层中的一对聚合物层的透镜部分经由粘合剂结合。
在一些方面，该装置还包括透镜组件外表面上的不透明涂层，其中外表面不面向图像传感器。
在一些方面，该装置还包括不透明透镜支架(holder)，以保持一个或更多个聚合物层。不透明透镜支架包括外壳和保持器。外壳被配置成保持一个或更多个聚合物层。保持器被配置成将一个或更多个聚合物层保持在外壳内。图像传感器结合到外壳或保持器。
在一些方面，保持器的至少一部分夹在外壳和图像传感器之间。
在一些方面，外壳包括第一底表面，该第一底表面围绕外壳的面向保持器的底部开口，并经由第一粘合剂与保持器的顶表面结合。
在一些方面，保持器包括安装滤光器的中间表面和经由第二粘合剂与图像传感器结合的第二底表面。
在一些方面，外壳的第一底表面包括第一不平坦表面。保持器的顶表面包括第二不平坦表面。第一不平坦表面和第二不平坦表面彼此互补，并且经由第一粘合剂彼此结合。
在一些方面，外壳包括筒体(barrel)和基部。基部包括第一不平坦表面以与保持器的第二不平坦表面结合。
在一些方面，外壳和保持器使用注射成型工艺由聚合物材料制成。
附图简述
参考以下附图描述了说明性的示例。
图1A、图1B和图1C是近眼显示器的示例的示意图。
图2是近眼显示器的横截面的示例。
图3示出了具有单个源组件的波导显示器的示例的等轴视图。
图4示出了波导显示器的示例的横截面。
图5是包括近眼显示器的系统的示例的框图。
图6A和图6B示出了图像传感器模块及其操作的示例。
图7示出了图像传感器模块的其它示例。
图8A、图8B和图8C示出了图像传感器模块及其制造的其它示例。
图9A、图9B和图9C示出了图像传感器模块的其它示例。
图10示出了图像传感器模块的另一个示例。
图11A、图11B和图11C示出了图像传感器模块的其它示例。
图12A、图12B和图12C示出了图像传感器模块的其它示例。
图13A和图13B示出了图像传感器模块的示例。
图14A、图14B、图14C和图14D示出了在印刷电路板(PCB)上形成图像传感器的方法。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域中的技术人员从下面的描述中将容易认识到示出的结构和方法的可选的实施例可以被采用而不偏离本公开的原理和所推崇的益处。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后用短划线(dash)和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的多个部件。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个相似部件，而与第二附图标记无关。
详细描述
在以下描述中，为了解释的目的而阐述了具体细节，以便提供对某些创造性示例的透彻理解。然而，将明显的是，在没有这些具体细节的情况下也可以实施多种实例。附图和描述不意图是限制性的。
光学模块可以包括例如图像传感器模块、投光器模块等。图像传感器模块通常包括图像传感器和一个或更多个透镜。一个或更多个透镜可以聚集入射光并将光聚焦到图像传感器的光接收表面。图像传感器可以包括像素单元阵列，以生成代表由图像传感器接收的光强度的分布的电信号。基于电信号，图像处理器可以生成场景的图像。图像传感器模块可以焊接到印刷电路板(PCB)上，PCB还包括图像处理器。PCB包括电迹线，以将电信号从图像传感器模块传输到图像传感器，该图像传感器可以基于电信号生成场景的图像。另一方面，投光器模块可以包括光源和一个或更多个透镜。光源可以焊接到PCB上，并由来自PCB的电信号控制以发射光。光可以穿过透镜以变成例如准直光束。
光学模块的透镜的物理特性可以决定光学模块的光学特性以及性能。具体而言，透镜的曲率和折射率可以决定透镜的焦距，该焦距可以限定图像传感器模块的视场。视场转而可以决定要由图像传感器模块捕获的场景的区域。此外，透镜的阿贝数可以决定折射率随(versus)波长的变化。此外，透镜的双折射可以决定透镜的折射率相对于入射光的偏振和传播方向的变化。阿贝数和双折射两者都可以控制透镜对光的色散，并且可以由透镜的材料来决定。所有这些光学特性都可能影响图像传感器模块捕获的图像的质量(例如，捕获的信息量、模糊度、失真)、投光器模块产生的光的色散等。
图像传感器模块中的一个或更多个透镜和图像传感器的组装也可能影响图像传感器模块的光学特性以及性能。具体而言，图像传感器相对于透镜的对准(例如，相对取向、位置)也可能影响图像传感器对光的接收。例如，图像传感器的光接收表面需要在透镜的焦点处，并且与光轴垂直，使得光接收表面的不同点可以接收聚焦的光，以使图像传感器能够具有由一个或更多个透镜的焦距限定的视场。但是如果图像传感器的光接收表面不在一个或更多个透镜的焦点处和/或不垂直于光轴，则光接收表面的至少一些定位(location)可能接收发散/分散的入射光，并且所得图像可能变得模糊和失真。光源和透镜之间的对准也可能以类似的方式影响投光器模块的性能。
此外，透镜与图像传感器模块中的图像传感器的组装也可能影响图像传感器模块的占用面积。例如，外壳可以用于将透镜和图像传感器一起保持在它们各自对准的位置和取向。但是如果外壳围绕图像传感器，则外壳可能增加图像传感器模块的占用面积，使得图像传感器模块在PCB上比图像传感器占据更大的面积。增加的占用面积可能是不期望的，尤其是对于将图像传感器集成在例如可佩戴设备、智能眼睛等的移动设备(那里的空间非常有限)中而言。将投光器集成在移动设备中也是如此。
本公开涉及一种图像传感器模块以及制造该图像传感器模块的方法，该图像传感器模块可以提供改善的光学特性以及减小的形状因子。图像传感器模块包括透镜组件(该透镜组件包括一个或更多个透镜)和图像传感器。多个透镜中的每一个都可以由外壳保持，该外壳可以是筒体的形式。透镜可以被间隔物分开以形成透镜堆叠。整个透镜堆叠(包括外壳、间隔物等)可以定位在图像传感器上，其中透镜支架和/或间隔物限定透镜堆叠中每个透镜相对于图像传感器的光接收表面的位置。透镜支架和间隔物可以提供机械支撑和刚性，以防止透镜堆叠的变形(该变形可能降低图像传感器模块的整体光学特性)，同时不会增加图像传感器模块的占用面积。透镜组件可以经由粘合剂层结合到图像传感器的光接收表面，而图像传感器可以焊接到PCB上。光接收表面可以在放置在图像传感器上的玻璃基底上。由于整个透镜组件定位在图像传感器上，所以图像传感器模块(在PCB上)的占用面积可以减小以变得与图像传感器的占用面积基本相同。
在一些示例中，透镜组件的一个或更多个透镜可以由聚合物材料(例如，环烯烃聚合物)制成，并且可以使用诸如注射成型的高精度工艺来制造。一个或更多个透镜的高精度制造提供了对透镜的物理特性(例如，曲率、形状、大小等)的改进的控制，而聚合物材料可以降低透镜的阿贝数和双折射，这两者都可以提供对透镜的光学特性和图像传感器模块的整体性能的改进的控制。
在一些示例中，除了透镜堆叠之外，图像传感器模块的光学元件还可以包括滤光器。该滤光器可以包括滤光器阵列，以选择要由图像传感器检测的光的不同频率分量，或者要由所有像素单元检测的光的单个频率分量。图像传感器包括光感测元件(例如，光电二极管)，其可以经由光接收表面接收由滤光器阵列选择的光的不同频率分量，并将频率分量转换成电信号。电信号可以代表例如来自场景的光的不同频率分量的强度。此外，滤光器阵列还可以是投射器的一部分，以选择输出光的频率范围(例如红外频率范围)。
在图像传感器模块包括滤光器的情况下，除了外壳之外，图像传感器模块还可以包括保持器。外壳和保持器两者都可以使用注射成型工艺等由例如聚碳酸酯(PC)材料、聚合物材料(例如液晶聚合物、LCP)制成，并且可以一起形成支架结构。滤光器可以安装在保持器中，而保持器可以安装在透镜堆叠和外壳的底部开口之间的外壳内。在外壳内，保持器可以定位成远离底部开口，使得保持器不会从底部开口突出。此外，保持器也被推靠在透镜堆叠上。这种布置可以为透镜堆叠提供附加的物理支撑，并防止透镜堆叠从底部开口掉出。围绕底部开口的外壳的底表面可以(例如，经由粘合剂，随后进行紫外光固化)结合到图像传感器的光接收表面上，以设置透镜和滤光器相对于图像传感器的对准和取向。然后，光可以经由顶部开口进入外壳，并被透镜堆叠进行聚焦和被滤光器进行滤光。滤光后的光然后可以从底部开口离开并进入图像传感器。
利用本公开的示例，图像传感器模块的占用面积可以减小，因为整个透镜组件可以定位在图像传感器上。此外，图像传感器模块的光学特性可以通过例如包括使用高精度工艺(例如，注射成型)和使用提供低双折射和阿贝数的材料制造的透镜来改善。透镜相对于图像传感器的对准也可以通过涉及图像传感器的光传感器操作的对准过程来改善，因为图像传感器生成的数据可以提供图像传感器和透镜组件之间的对准程度的准确说明。
尽管上述布置可以缩小图像传感器模块的占用面积，但是保持器在外壳内的安装可能产生各种问题，这些问题可能影响图像传感器模块的组装以及图像传感器模块的光学特性和性能。具体而言，外壳的底表面提供了非常有限的用于施加粘合剂的区域，这使得外壳难以结合到图像传感器。具体而言，底部开口可以扩大，以允许更多的像素单元通过透镜和滤光器接收光，这可以提高成像分辨率。但是围绕底部开口和保持器的外壳的底表面增加了占用面积，并且可能需要缩小以减小图像传感器模块的占用面积。结果，可以减小用于施加粘合剂的可用面积。减小的结合面积可能导致外壳和图像传感器之间的结合变弱。此外，由于结合面积减小，需要以非常高的精度控制施加的粘合剂的量以及施加粘合剂的定位。这是为了防止当外壳和图像传感器被放在一起时施加到外壳的底表面的粘合剂溢出到底部开口中。但是随着图像传感器模块的占用面积继续缩小，必要的精度可能变得无法实现。外壳和图像传感器之间较弱的结合可能引入透镜和滤光器相对于图像传感器的对准和取向的变化。此外，溢出到底部开口中的粘合剂可能使图像传感器的滤光器和/或像素单元模糊。所有这些都可能降低图像传感器模块的光感测性能。此外，通过将保持器安装在外壳内，外壳的底表面和保持器的表面相加并增加了图像传感器模块的占用面积。
在一些示例中，为了进一步减小图像传感器的占用面积并进一步改善外壳和图像传感器之间的结合，保持器在外壳的底部开口处安装在外壳的底表面上，并夹在外壳和图像传感器之间，使得外壳、保持器和图像传感器形成堆叠。保持器包括与外壳的底表面结合的第一表面。第一表面也堆叠靠在透镜堆叠上，来为透镜提供附加的物理支撑，并防止透镜堆叠从底部开口中掉出。保持器还包括与第一表面相对的第二表面。第二表面可以经由例如粘合剂结合到图像传感器的光接收表面。
利用公开的技术，其中外壳、保持器和图像传感器形成堆叠。这种布置可以减小滤光器周围的表面积和图像传感器模块的占用面积。此外，保持器表面可以做得更大，以提供更大的面积来施加用于与图像传感器结合的粘合剂，这可以改善保持器和图像传感器之间的结合，并放宽对粘合剂施加的精度要求。与外壳不同，由于保持器不围绕透镜堆叠，所以保持器表面可以增加，而不会相应地增加图像传感器模块的占用面积。结果，可以减小图像传感器模块的占用面积，同时可以改善图像传感器和支架结构(包括外壳和保持器)之间的结合，以提供对透镜和滤光器相对于图像传感器的对准和取向的改进控制。所有这些都可以进一步减小占用面积并提高图像传感器模块的性能。
图像传感器可以经由粘合剂层结合到透镜组件，该透镜组件可以包括外壳、透镜堆叠、滤光器等。图像传感器可以直接结合到透镜组件的外壳上，或者结合到透镜组件的滤光器的保持器上。在结合之前，图像传感器可以经由回流工艺焊接到PCB上，回流工艺通常在高温下进行，以防止回流工艺使透镜组件中的透镜变形。在图像传感器模块的制造期间，粘合剂可以施加在透镜组件和/或图像传感器上，并且图像传感器可以经由粘合剂附接到透镜组件以形成结合。当粘合剂仍处于液态时，可以执行涉及图像传感器的光感测操作的对准过程，以调节图像传感器相对于透镜组件的位置和/或取向。在对准过程中，光可以被投射到透镜组件，并且图像传感器可以被操作以基于穿过透镜组件的光生成传感器数据。传感器数据可以反映透镜组件和图像传感器之间的对准程度(例如，基于模糊度、失真的测量)。可以调节图像传感器的位置和/或取向，直到例如实现目标对准。然后，基于固化粘合剂以硬化粘合剂，图像传感器可以被固定在其对准的位置/取向。粘合剂可以通过例如紫外光、温度低于一个或更多个透镜熔点的热处理等来固化。使得固化过程也不会使透镜变形。上述技术也可以用于形成具有减少的占用面积和改进的性能的投光器系统。
所公开的技术可以包括人工现实系统或者结合人工现实系统来实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混杂现实(hybrid reality)或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，真实世界)内容组合地生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或它们的某种组合，其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。另外地，在一些示例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或它们的某种组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
图1A是近眼显示器100的示例的示意图。近眼显示器100向用户呈现媒体。由近眼显示器100呈现的媒体的示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些示例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机(headphone))呈现，该外部设备从近眼显示器100、控制台或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。近眼显示器100通常被配置成作为虚拟现实(VR)显示器进行操作。在一些示例中，近眼显示器100被修改为作为增强现实(AR)显示器和/或混合现实(MR)显示器来进行操作。
近眼显示器100包括框架105和显示器110。框架105耦合到一个或更多个光学元件。显示器110被配置成让用户看到由近眼显示器100呈现的内容。在一些示例中，显示器110包括波导显示组件，用于将来自一个或更多个图像的光导向用户的眼睛。
近眼显示器100还包括图像传感器模块120a、120b、120c和120d。图像传感器模块120a、120b、120c和120d中的每一个可以包括像素阵列，该像素阵列被配置为生成代表沿着不同方向的不同视场的图像数据。例如，传感器模块120a和120b可以被配置为提供代表沿着Z轴朝向方向A的两个视场的图像数据，而传感器120c可以被配置为提供代表沿着X轴朝向方向B的视场的图像数据，并且传感器120d可以被配置为提供代表沿着X轴朝向方向C的视场的图像数据。
在一些示例中，传感器模块120a-120d可以被配置为输入设备，以控制或影响近眼显示器100的显示内容，从而向佩戴近眼显示器100的用户提供交互式VR/AR/MR体验。例如，传感器模块120a-120d可以生成用户所处物理环境的物理图像数据。物理图像数据可以被提供给定位跟踪系统，以跟踪用户在物理环境中的定位和/或移动路径。然后，系统可以基于例如用户的定位和取向来更新提供给显示器110的图像数据，以提供交互式体验。在一些示例中，当用户在物理环境内移动时，定位跟踪系统可以运行同时定位和映射算法来跟踪在物理环境中且在用户的视场内的一组对象。定位跟踪系统可以基于该组对象来构建和更新物理环境的地图(map)，并且跟踪用户在地图内的定位。通过提供对应于多个视场的图像数据，传感器模块120a-120d可以向定位跟踪系统提供物理环境的更全面的视图，这可以导致更多的对象被包括在地图的构建和更新中。利用这种布置，可以提高跟踪用户在物理环境内的定位的精确度和鲁棒性。
在一些示例中，近眼显示器100还可以包括一个或更多个有源照明器130，以将光投射到物理环境中。投射的光可以与不同的频谱(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以用于各种目的。例如，照明器130可以在黑暗环境中(或者在具有低强度的红外光、紫外光等的环境中)投射光，以帮助传感器模块120a-120d捕获黑暗环境内不同对象的图像，从而例如实现对用户的定位跟踪。照明器130可以将某些标记(marker)投射到环境内的对象上，以帮助定位跟踪系统识别对象用于地图构建/更新。
在一些示例中，照明器130还可以实现立体成像。例如，传感器模块120a或120b中的一个或更多个可以包括用于可见光感测的第一像素阵列和用于红外(IR)光感测的第二像素阵列。第一像素阵列可以覆盖有彩色滤光器(例如，Bayer滤光器)，第一像素阵列的每个像素被配置为测量与特定颜色(例如，红色、绿色或蓝色之一)相关联的光的强度。第二像素阵列(用于IR光感测)也可以覆盖有仅允许IR光通过的滤光器，第二像素阵列的每个像素被配置为测量IR光的强度。像素阵列可以生成对象的红绿蓝(RGB)图像和IR图像，其中IR图像的每个像素被映射到RGB图像的每个像素。照明器130可以将一组IR标记投射到对象上，该对象的图像可以被IR像素阵列捕获。基于图像中所示的对象的IR标记分布，系统可以估计对象的不同部分离IR像素阵列的距离，并基于该距离生成对象的立体图像。基于对象的立体图像，系统可以确定例如，对象相对于用户的相对位置，并且可以基于相对位置信息来更新提供给显示器100的图像数据，以提供交互式体验。
如上面所讨论的，近眼显示器100可以在与非常宽的光强度范围相关联的环境中操作。例如，近眼显示器100可以在室内环境或室外环境中和/或在一天中的不同时间操作。近眼显示器100也可以在开启或不开启有源照明器130的情况下操作。结果，图像传感器模块120a-120d可能需要具有宽的动态范围，以便能够在与近眼显示器100的不同操作环境相关联的非常宽的光强度范围上正确操作(例如，生成与入射光的强度相关的输出)。
图1B是近眼显示器100的另一个示例的示意图。图1B示出了近眼显示器100的面向佩戴近眼显示器100的用户的眼球135的一侧。如图1B所示，近眼显示器100还可以包括多个照明器140a、140b、140c、140d、140e和140f。近眼显示器100还包括多个图像传感器模块150a和150b。照明器140a、140b和140c可以朝向方向D(与图1A的方向A相反)发射特定频率范围(例如近红外范围(NIR))的光。发射的光可以与某种图案相关联，并且可以被用户的左眼球反射。传感器模块150a可以包括像素阵列，以接收反射的光并生成反射图案的图像。类似地，照明器140d、140e和140f可以发射携带图案的NIR光。NIR光可以被用户的右眼球反射，并且可以被传感器模块150b接收。传感器模块150b还可以包括像素阵列，以生成反射图案的图像。基于来自传感器模块150a和150b的反射图案的图像，系统可以确定用户的凝视点，并基于所确定的凝视点来更新提供给显示器100的图像数据，以向用户提供交互式体验。
如上面所讨论的，为了避免损害用户的眼球，照明器140a、140b、140c、140d、140e和140f通常被配置为输出非常低强度的光。在图像传感器模块150a和150b包括与图1A的图像传感器模块120a-120d相同的传感器设备的情况下，当入射光的强度非常低时，图像传感器模块120a-120d可能需要能够生成与入射光的强度相关的输出，这可能进一步增加图像传感器模块的动态范围要求。
此外，图像传感器模块120a-120d可能需要能够以高速度生成输出来跟踪眼球的运动。例如，用户的眼球可以进行非常快速的运动(例如，眼跳运动(saccade movement))，其中可以从一个眼球位置快速跳跃到另一个眼球位置。为了跟踪用户眼球的快速运动，图像传感器模块120a-120d需要以高速度生成眼球的图像。例如，图像传感器模块生成图像帧的速率(帧速率)至少需要匹配眼球的运动速度。高的帧速率要求生成图像帧所涉及的所有像素单元的总曝光时间要短，并且要求将传感器输出转换成用于图像生成的数字值的速度要快。此外，如上面所讨论的，图像传感器模块也需要能够在具有低光强度的环境下操作。
图1C示出了近眼显示器100的特写视图。如图1C所示，框架105可以容纳图像传感器模块120a和照明器130。图像传感器模块120a和照明器130可以连接到印刷电路板(PCB)，该印刷电路板(PCB)提供近眼显示器100的不同子系统之间的电气连接。图像传感器模块120a在PCB 160上的占用面积(例如，沿着x轴和y轴)以及连接到PCB 160的其他子系统可以决定容纳PCB 160所需的框架105的厚度(在图1C中标记为“t”)。可能期望减小框架105的厚度以减轻框架105的重量，增加显示器110的面积，并提高美感，所有这些都可以改善用户体验。为了减小框架105的厚度，PCB 160上的子系统(例如图像传感器模块120a、照明器130等)的占用面积可能需要减少。
图2是图1所示的近眼显示器100的横截面200的示例。显示器110包括至少一个波导显示组件210。出射光瞳(exit pupil)230是当用户佩戴近眼显示器100时，用户的单个眼球220在视窗(eyebox)区域中的定位。为了说明的目的，图2示出了与眼球220和单个波导显示组件210相关联的横截面200，但是第二波导显示器用于用户的第二只眼睛。
波导显示组件210被配置成将图像光导向位于出射光瞳230处的视窗，并导向眼球220。波导显示组件210可以由具有一个或更多个折射率的一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)组成。在一些示例中，近眼显示器100包括在波导显示组件210和眼球220之间的一个或更多个光学元件。
在一些示例中，波导显示组件210包括一个或更多个波导显示器的堆叠，该一个或更多个波导显示器包括但不限于堆叠式波导显示器、变焦波导显示器等。堆叠式波导显示器是多色显示器(例如，RGB显示器)，其通过堆叠波导显示器创建，这些波导显示器的相应单色源具有不同的颜色。堆叠式波导显示器也是可以被投射在多个平面上的多色显示器(例如，多平面彩色显示器)。在一些配置中，堆叠式波导显示器是可以被投射在多个平面上的单色显示器(例如，多平面单色显示器)。变焦波导显示器是可以调节从波导显示器发射的图像光的焦点位置的显示器。在替代示例中，波导显示组件210可以包括堆叠式波导显示器和变焦波导显示器。
图3示出了波导显示器300的示例的等轴视图。在一些示例中，波导显示器300是近眼显示器100的部件(例如，波导显示组件210)。在一些示例中，波导显示器300是将图像光导向特定定位的某个其他近眼显示器或其他系统的一部分。
波导显示器300包括源组件310、输出波导320和控制器330。为了说明的目的，图3示出了与单个眼球220相关联的波导显示器300，但是在一些示例中，与波导显示器300分离或部分分离的另外的波导显示器向用户的另一只眼睛提供图像光。
源组件310生成图像光355。源组件310生成图像光355并将其输出到位于输出波导320的第一侧面370-1上的耦合元件350。输出波导320是向用户的眼球220输出扩展的图像光340的光波导。输出波导320在位于第一侧面370-1上的一个或更多个耦合元件350处接收图像光355，并将接收到的输入图像光355引导至导向元件360。在一些示例中，耦合元件350将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。耦合元件350可以是，例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件(prismatic surfaceelement)、和/或全息反射器阵列。
导向元件360将接收到的输入图像光355重定向到去耦元件(decouplingelement)365，使得接收到的输入图像光355经由去耦元件365从输出波导320去耦出去。导向元件360是输出波导320的第一侧面370-1的一部分，或固定到输出波导320的第一侧面370-1。去耦元件365是输出波导320的第二侧面370-2的一部分，或固定到输出波导320的第二侧面370-2，使得导向元件360与去耦元件365相对。导向元件360和/或去耦元件365可以是例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件、和/或全息反射器阵列。
第二侧面370-2表示沿x维度和y维度的平面。输出波导320可以由有助于图像光355的全内反射的一种或更多种材料组成。输出波导320可以由例如硅、塑料、玻璃和/或聚合物组成。输出波导320具有相对较小的形状因子。例如，输出波导320可以沿x维度宽约50mm，沿y维度长约30mm，以及沿z维度厚约0.5mm-1mm。
控制器330控制源组件310的扫描操作。控制器330确定源组件310的扫描指令。在一些示例中，输出波导320将扩展的图像光340输出到用户的眼球220，具有大视场(FOV)。例如，扩展的图像光340以(x和y中的)60度和/或更大和/或150度和/或更小的对角FOV被提供给用户的眼球220。输出波导320被配置成提供视窗，其长度为20mm或更大和/或等于或小于50mm；和/或宽度为10mm或更大和/或等于或小于50mm。
此外，控制器330还基于由图像传感器模块370提供的图像数据来控制由源组件310生成的图像光355。图像传感器模块370可以位于第一侧面370-1上，并且可以包括例如图1A的图像传感器模块120a-120d，以生成用户前方的物理环境的图像数据(例如，用于定位确定)。图像传感器模块370还可以位于第二侧面370-2，并且可以包括图1B的图像传感器模块150a和150b，以生成用户的眼球220的图像数据(例如，用于凝视点确定)。图像传感器模块370可以与不位于波导显示器300内的远程控制台通过接口连接。图像传感器模块370可以向远程控制台提供图像数据，远程控制台可以确定例如用户的定位、用户的凝视点等，并确定要向用户显示的图像内容。远程控制台可以向控制器330传输与所确定的内容相关的指令。基于这些指令，控制器330可以控制源组件310生成并输出图像光355。
图4示出了波导显示器300的横截面400的示例。横截面400包括源组件310、输出波导320和图像传感器模块370。在图4的示例中，图像传感器模块370可以包括位于第一侧面370-1上的一组像素单元402，以生成用户前方的物理环境的图像。在一些示例中，可以在该组像素单元402和物理环境之间插入机械快门404，以控制该组像素单元402的曝光。在一些示例中，如下面将讨论的，机械快门404可以由电子快门(electronic shutter gate)代替。每个像素单元402可以对应于图像的一个像素。尽管未在图4中示出，但应当理解，每个像素单元402也可以覆盖有滤光器，以控制要由像素单元感测的光的频率范围。
在从远程控制台接收到指令之后，机械快门404可以在曝光周期中打开并曝光该组像素单元402。在曝光周期期间，图像传感器模块370可以获得入射到该组像素单元402上的光样本，并且基于由该组像素单元402检测到的入射光样本的强度分布来生成图像数据。图像传感器模块370然后可以向远程控制台提供图像数据，该远程控制台确定显示内容，并向控制器330提供显示内容信息。控制器330然后可以基于显示内容信息来确定图像光355。
源组件310根据来自控制器330的指令生成图像光355。源组件310包括源410和光学系统415。源410是生成相干光或部分相干光的光源。源410可以是，例如，激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。
光学系统415包括一个或更多个光学部件，光学部件调节来自源410的光。调节来自源410的光可以包括，例如，根据来自控制器330的指令来扩展、准直和/或调整取向。一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些示例中，光学系统415包括具有多个电极的液体透镜，该液体透镜允许用阈值的扫描角度来扫描光束，以将光束移到液体透镜外部的区域。从光学系统415(还有源组件310)发射的光被称为图像光355。
输出波导320接收图像光355。耦合元件350将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。在耦合元件350是衍射光栅的示例中，衍射光栅的栅距被选择成使得在输出波导320中发生全内反射，并且图像光355在输出波导320中(例如，通过全内反射)朝向去耦元件365进行内部传播。
导向元件360将图像光355重定向到去耦元件365，用于从输出波导320去耦。在导向元件360是衍射光栅的示例中，衍射光栅的栅距被选择成使得入射图像光355以相对于去耦元件365的表面倾斜的角度离开输出波导320。
在一些示例中，导向元件360和/或去耦元件365在结构上类似。离开输出波导320的扩展的图像光340沿着一个或更多个维度被扩展(例如，可以沿着x维度被拉长)。在一些示例中，波导显示器300包括多个源组件310和多个输出波导320。每个源组件310发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的特定波段的单色图像光。每个输出波导320可以以一定的间隔距离堆叠在一起，以输出多色的扩展的图像光340。
图5是包括近眼显示器100的系统500的示例的框图。系统500包括近眼显示器100、成像设备535、输入/输出接口540以及图像传感器模块120a-120d和150a-150b，它们各自耦合到控制电路510。系统500可以被配置为头戴式设备、可穿戴设备等。
近眼显示器100是向用户呈现媒体的显示器。由近眼显示器100呈现的媒体示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些示例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器100和/或控制电路510接收音频信息，并基于音频信息来向用户呈现音频数据。在一些示例中，近眼显示器100也可以充当AR眼镜。在一些示例中，近眼显示器100利用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、真实世界环境的视图。
近眼显示器100包括波导显示组件210、一个或更多个位置传感器模块525和/或惯性测量单元(IMU)530。波导显示组件210包括源组件310、输出波导320和控制器330。
IMU 530是一种电子设备，其基于从一个或更多个位置传感器模块525接收的测量信号生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示器100的初始位置的近眼显示器100的估计位置。
成像设备535可以生成用于各种应用的图像数据。例如，成像设备535可以根据从控制电路510接收的校准参数来生成图像数据以提供慢速校准数据。成像设备535可以包括例如图1A的图像传感器模块120a-120d，用于生成用户所处的物理环境的图像数据，用于执行用户的定位跟踪。成像设备535可以进一步包括例如图1B的图像传感器模块150a-150b，用于生成用于确定用户的凝视点的图像数据，以识别用户感兴趣的对象。
输入/输出接口540是允许用户向控制电路510发送动作请求的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始应用或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。
控制电路510根据从成像设备535、近眼显示器100和输入/输出接口540中的一个或更多个接收的信息来向近眼显示器100提供媒体以呈现给用户。在一些示例中，控制电路510可以被容纳在被配置为头戴式设备的系统500内。在一些示例中，控制电路510可以是与系统500的其他部件通信耦合的独立控制台设备。在图5所示的示例中，控制电路510包括应用储存器545、跟踪模块550和引擎555。
应用储存器545存储用于由控制电路510执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于显现给用户的内容。应用的示例包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其它合适的应用。
跟踪模块550使用一个或更多个校准参数来校准系统500，并且可以调整一个或更多个校准参数以减小近眼显示器100的位置确定中的误差。
跟踪模块550使用来自成像设备535的慢速校准信息来跟踪近眼显示器100的移动。跟踪模块550还使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器100的参考点的位置。
引擎555执行系统500内的应用，并从跟踪模块550接收近眼显示器100的位置信息、加速度信息、速度信息和/或预测的未来位置。在一些示例中，引擎555接收的信息可以用于产生信号(例如，显示指令)给波导显示组件210，该信号确定呈现给用户的内容类型。例如，为了提供交互式体验，引擎555可以基于(例如，由跟踪模块550提供的)用户的定位、(例如，基于由成像设备535提供的图像数据的)用户的凝视点、(例如，基于由成像设备535提供的图像数据的)对象与用户之间的距离来确定要呈现给用户的内容。
图6A和图6B示出了图像传感器模块600及其操作的示例。图像传感器模块600可以是图1A和图1B的图像传感器模块120a-120d和150a-150b的一部分，以及图3的图像传感器模块370的一部分。如图6A所示，图像传感器模块600包括一个或更多个透镜602和图像传感器604，该图像传感器604可以包括一个或更多个图像传感器管芯(die)/芯片。一个或更多个透镜602可以包括单个透镜602(例如，如图6A和图6B所示)或沿着光的传播方向(例如，沿着z轴)排列成堆叠的多个透镜。一个或更多个透镜602可以聚集光606和光608，并将光606和光608朝向图像传感器604聚焦。图像传感器604包括接收聚焦光606的光接收表面610。光接收表面610可以与透镜602分开距离f。图6A中的距离f可以对应于透镜602和图像传感器604之间的距离，以用于在远离透镜602无限远的距离捕获对象的图像。可以基于例如对象和透镜602之间的距离来调节距离f。假设光接收表面610与透镜602的距离为f，光接收表面610垂直于透镜602的光轴612，并且光接收表面610的中心与光轴612对准，则光接收表面610可以以视场620接收聚焦光，该视场基于透镜602的长度f限定。图像传感器604还包括在光接收表面610下方的像素单元阵列605，以将聚焦光606转换成电信号。不同的像素单元可以经由透镜602接收不同强度的光以生成电信号，并且可以基于来自像素单元的电信号来构建视场620的图像。
图像传感器模块600的光学特性(例如视场620)可以由透镜602的物理特性来决定。具体而言，透镜602的曲率和折射率可以决定焦距f。此外，透镜602的阿贝数可以决定折射率随波长的变化。此外，透镜602的双折射可以决定透镜的折射率相对于入射光的偏振和传播方向的变化。阿贝数和双折射两者都可以控制透镜602对光606的色散，并且可以由透镜602的材料来决定。所有这些光学特性都可能影响由图像传感器模块600捕获的图像的质量(例如，在视场中捕获的信息量、由光的色散引起的模糊度和失真)。
图像传感器模块600中的一个或更多个透镜602和图像传感器604的组装还可能影响图像传感器模块600的光学特性以及性能。具体而言，图像传感器相对于透镜的对准(例如，相对取向、位置)还可能影响图像传感器604对光的接收。如上所述，为了正确对准，光接收表面610应该与透镜602分开距离f。此外，光接收表面610应该垂直于透镜602的光轴612，而光接收表面610的中心应该与光轴612对准。图6B示出了透镜602和图像传感器604之间的未对准及其影响的示例。如图6B所示，图像传感器604(和光接收表面610)可以相对于光轴612和透镜602变得倾斜。结果，光接收表面610的各种定位(例如，标记为“P”和“Q”的定位)可以与透镜602分开比距离f更短或更长的距离。结果，光接收表面610可以在定位P和Q接收色散光606，并且所得到的图像可能似乎在这些定位失焦并且变得失真。此外，光接收表面610的中心不与光轴612对准，这可能减小光接收表面610捕获的视场。
图7示出了能够提供透镜602和图像传感器604之间的改进对准的图像传感器模块700的示例。如图7所示，图像传感器模块700包括容纳一个或更多个透镜602、基底703(例如玻璃基底)和图像传感器604的外壳701。一个或更多个透镜602可以包括形成透镜堆叠并安装在外壳701的内壁上的多个透镜。外壳701还包括位于图像传感器604的垂直侧面(例如，垂直于光接收表面610的侧面)的肩状结构(shoulder structure)706。在图像传感器604的垂直侧面和肩状结构706之间可以有气隙716，而在一个或更多个透镜602和图像传感器604的光接收表面610之间可以有气隙718。气隙716和718两者都可以提供用于相对于图像传感器604对准一个或更多个透镜602的空间。
外壳701和图像传感器604两者都结合到PCB 720上。例如，肩状结构706可以经由粘合剂结合线(bondline)722结合到PCB 720，而图像传感器604可以经由焊球724焊接到PCB 720上以形成导电结合。结合线722可用于相对于图像传感器604对准一个或更多个透镜602。具体而言，结合线722可以包括粘合剂，该粘合剂在液态时是柔性的，但是在固化时可能变硬。当结合线722处于液态时，外壳701(其中安装有一个或更多个透镜602)可以在x方向、y方向和z方向上移动和/或围绕x轴、y轴和z轴旋转，以与图像传感器604对准。目标对准可以是这样的，例如，一个或更多个透镜602的光轴612与图像传感器604的中心对准，光接收表面610垂直于光轴612并且与一个或更多个透镜602分开预定的距离d，等等。一旦实现目标对准，粘合剂就可以被固化以形成结合线722，从而固定一个或更多个透镜602相对于图像传感器604的定位和取向。
尽管图7的外壳701可以提供一个或更多个透镜602和图像传感器604之间的改进的对准，但是外壳701的肩状结构706增加了图像传感器模块700的占用面积，这对于诸如近眼显示器100的可佩戴设备来说是不期望的。如上所述，图像传感器模块700的占用面积的增加可能导致框架105的厚度增加，这可能增加框架105的重量，减小显示器110的面积，并影响美感，所有这些都可能降低用户体验。同时，为了缩小图像传感器模块700的占用面积，图像传感器604的占用面积可能需要缩小，这可以减少图像传感器604中包括的像素单元的数量并降低图像捕获的分辨率。因此，图像传感器模块700的性能可能会降低。
图8A示出了具有减小的占用面积的图像传感器模块800的另一示例，而图8B和图8C示出了图像传感器模块800的示例制造方法。如图8B所示，图像传感器模块800可以包括形成在玻璃基底802上的(一个或更多个透镜602的)透镜602a。玻璃基底802可以经由例如结合层804结合到图像传感器604。附加的玻璃基底可以堆叠在玻璃基底802的顶部，以包括附加的透镜。例如，具有空腔808的玻璃基底806可以堆叠在玻璃基底802的顶部，其中空腔808容纳透镜602a，并且包括透镜602b的另一玻璃基底810可以堆叠在玻璃基底806和802的顶部，其中透镜602a和602b沿着同一光轴612对准。图像传感器604可以经由焊球724焊接到PCB 720上，以形成导电结合。
与图7的图像传感器模块700相比，图像传感器模块800可以提供减小的占用面积。具体而言，如图8A所示，玻璃基底802、806和810的占用面积可以基本上与图像传感器604相同或小于图像传感器604，这与其中肩状结构706从图像传感器604向外延伸的图像传感器模块700不同。结果，图像传感器模块800的占用面积(由L800代表)可以与图像传感器604的占用面积(由L604代表)基本相同。
图像传感器模块700中的玻璃基底还可以提供透镜602和图像传感器604之间的一定程度的对准，例如限定透镜和图像传感器管芯之间的垂直距离(在图8A中标记为“d”)。然而，对准的程度可能受到图像传感器模块700的制造的限制，图像传感器模块700的制造通常基于晶圆级光学工艺。
图8B示出了晶圆级光学工艺的示例。如图8B所示，可以在玻璃晶圆822上形成多个透镜602a。此外，多个空腔808可以形成在玻璃晶圆824上，而多个透镜602b可以形成在玻璃晶圆826上。玻璃晶圆822、824和826可以堆叠，并且每个玻璃晶圆可以沿着x轴和y轴移动，以沿着同一光轴612对准每个透镜602a、空腔808和透镜602b，如图8A所示。可以执行对准工艺来对准玻璃晶圆822、824和826。具体而言，分别在玻璃晶圆822、824和826上的对准标记832、834和836的图像可以由相机840和842捕获，并且晶圆之间的对准程度可以基于图像来决定。每个晶圆可以彼此相对移动，直到对准标记832、834和836的图像指示达到目标对准程度。在玻璃晶圆堆叠和对准之后，玻璃晶圆堆叠然后可以堆叠在包括多个图像传感器管芯852的半导体晶圆850上，其中每个管芯对应于图像传感器604。玻璃晶圆堆叠也可以沿着x轴和y轴移动，以将透镜与图像传感器管芯604对准。玻璃晶圆堆叠相对于半导体晶圆850的对准还可以基于由相机840和842捕获的玻璃晶圆堆叠的对准标记832/834/836和半导体晶圆850上的对准标记854的图像。在对准过程完成之后，玻璃晶圆堆叠和图像传感器管芯可以被切割以形成单独的图像传感器模块800。
图8B中的对准过程只能提供透镜602和图像传感器604之间的有限程度的对准。这是因为对准是在晶圆级上，并且不能完全消除不同的图像传感器模块之间的透镜602的定位/取向差异。图8C示出了有限对准的示例。如图8C所示，两个透镜602a1和602a2在玻璃晶圆822上分开水平距离d1和垂直距离Δz，而两个图像传感器管芯852a和852b在半导体晶圆850上分开水平距离d2。基于玻璃晶圆822和半导体晶圆850之间的对准，透镜602a1和602a2中的每一个可能分别与图像传感器管芯852a和852b错位(misalign)d1和d2之间的差的一半。此外，由于晶圆826仅沿着x/y轴移动以与半导体晶圆850对准，所以对于图像传感器管芯852b，由Δz引起的沿着垂直轴的错位可能保持。此外，也没有晶圆626(或图像传感器604)围绕x轴、y轴和z轴的旋转以校正对准。
在一些示例中，在晶圆级光学工艺中，玻璃基底802、806和810的堆叠与图像传感器604之间的对准可以在玻璃基底堆叠被切割以形成用于每个图像传感器604的透镜堆叠(包括切割的玻璃基底802、806和810以及透镜602a和602b)之后执行。基于例如透镜堆叠的边缘和图像传感器604的特征之间的对准，透镜堆叠可以相对于图像传感器604并沿着x/y轴移动。然而，也没有晶圆626(或图像传感器604)围绕x轴、y轴和z轴的旋转以校正对准。因此，只能实现透镜602和图像传感器604之间有限程度的对准。
图9A-图9C示出了图像传感器模块的示例，该图像传感器模块可以提供减小的占用面积和改善的光学特性两者。如图9A所示，图像传感器模块900可以包括透镜组件902和图7的图像传感器604。图像传感器604可以定位在透镜组件902下方，并且可以经由结合层904结合到透镜组件902。由于透镜组件902不包括与图像传感器604的侧面相邻的任何肩状结构，因此透镜组件902不会增加图像传感器模块900的占用面积。图像传感器模块900的占用面积主要由图像传感器604贡献。
透镜组件902可以包括一个或更多个层908和一个或更多个间隔物910，其中每个层具有形成为透镜602的透镜部分和延伸部分911。透镜部分被配置成聚集光并将光导向图像传感器604，而延伸部分911可以为透镜部分提供机械支撑。例如，延伸部分911可以搁置在间隔物910上或由间隔物910支撑，该间隔物910包括用于安装层908的透镜部分的开口。每层可以由例如聚合物材料(例如环烯烃共聚物(COC)材料)制成，其可以提供较低的阿贝数和降低的双折射，这两者都可以降低透镜602的光色散。可以用于制造层908的其他聚合物材料可以包括例如APEL5014CL、OKP1、OKP4、EP8000。APEL5014CL可以是COC。OKP1和OKP4可以是聚酯，而EP8000可以是聚碳酸酯。每层还可以由其他材料(诸如例如玻璃)制成。间隔物910还可以由不透明材料(诸如例如不透明聚合物、金属等)制成。
在透镜组件902包括多个透镜602(例如，如图9A所示的三个透镜602a、602b和602c)的情况下，每个层908(例如，层908a、908b和908c)可以堆叠在彼此的顶部并结合到间隔物910，该间隔物910可以提供机械支撑并限定透镜组件902内透镜602的定位和取向。例如，层908a的延伸部分911a可以结合到间隔物910a，该间隔物910a包括用于向图像传感器604输出光的开口920。在一些示例中，开口920可以用透镜602a的一部分填充，以形成光输出表面。此外，间隔物910b可以插入层908b和层908a之间，其中层908b的延伸部分911b结合到间隔物910b，而间隔物910c可以插入层908c和层908b之间，其中层908c的延伸部分911c结合到间隔物910c。透镜组件902还包括顶盖914，该顶盖914包括用于接收入射光的孔916。
在一些示例中，不透明/深色涂层930(图9B所示)可以施加在透镜组件902的外部垂直表面上，以防止光通过透镜组件902的侧面进入，从而确保光仅通过孔916进入。在一些示例中，如图11B所示，
在一些示例中，层908之间的一些间隔物910可以在透镜组件902中省略。两个层908的延伸部分911和/或透镜602可以结合以形成堆叠。例如，层908c的延伸部911c和层908b的延伸部911b可以结合在一起，而层908b的延伸部911b和层908a的延伸部911a也可以结合在一起，以形成透镜组件902。作为另一个示例，透镜602c和602b可以结合在一起，而透镜602b和602c也可以结合在一起，以形成透镜组件902。
层908a、908b和908c可以通过高精度工艺(例如注射成型)制造，以提供对透镜602a、602b和602c的物理尺寸(例如曲率)以及透镜组件902的所得到的光学特性的改进控制。此外，间隔物910a、910b和910c以及顶盖914也可以通过注射成型来制造，以提供层、间隔物和盖之间的更紧密的配合，这可以提高透镜组件902的刚性。在一些示例中，间隔物910a、910b和910c以及顶盖914可以由冲压或机械加工的金属制成。
图像传感器604(其可以包括玻璃基底703(在图中显示为单独的部件))可以经由结合层904结合到透镜组件902。在回流工艺中将图像传感器604经由焊球724焊接到PCB720上之后，可以通过将粘合剂材料层施加到图像传感器604上来形成结合层904。(焊接到PCB 720上的)图像传感器604和透镜组件902然后可以放在一起，使得间隔物910a与粘合剂材料接触。然后，粘合剂材料可以在固化过程中硬化以形成结合层904，其可以提供图像传感器604和透镜组件902之间的永久结合。
当粘合剂材料保持在液态时，结合层904可以用于保持图像传感器604与透镜组件902的透镜602之间的对准，该对准是从固化过程之前的对准过程获得的。图9B示出了对准过程的示例，其中图像传感器604相对于透镜组件902的位置和取向可以基于由图像传感器604生成的反映对准程度的传感器数据来调节。参考图9B，图像传感器604可以被启用(通电)以感测在对准过程期间穿过透镜组件902的光。在一个示例中，透镜组件902可以被保持在固定的定位和固定的取向，而图像传感器604(和PCB720)可以被支撑在平台(未在图9B中示出)上，该平台可以支持六种移动程度，其包括沿着x轴、y轴和z轴中的每一个的线性移动，以及围绕x轴、y轴和z轴中的每一个的旋转。在另一个示例中，图像传感器604(和PCB720)可以保持在固定的定位和固定的取向，而透镜组件902可以移动/旋转。投光器940可以将光图案950(例如，图像的二维光图案)投射到透镜组件902，该透镜组件902可以将光图案950导向图像传感器604，该图像传感器604可以基于对光图案950的感测来生成图像的传感器数据960。如上所述，图像传感器604和透镜602之间的对准程度(例如，图像传感器604离透镜602的焦点有多远，或者图像传感器604相对于透镜602的光轴612的取向和位置)可以确定由图像传感器604根据对光图案950的感测来生成的图像的质量。控制器970可以分析传感器数据960，以确定例如由传感器数据960代表的图像的模糊度、失真度等，控制器970可以根据其来确定图像传感器604和透镜602之间的对准程度。基于对准程度，控制器970可以控制透镜组件902和/或图像传感器604的移动(例如，基于沿着x轴、y轴和z轴中的每一个的线性移动、围绕x轴、y轴和z轴中的每一个的旋转等)以在图像传感器604和透镜组件902之间的粘合剂保持在液态时相对于透镜组件902对准图像传感器604。粘合剂可以被挤压或拉伸以允许移动。
控制器970可以继续移动图像传感器604或透镜组件902中的至少一个来调节对准，直到达到目标对准程度。例如，当一个或更多个透镜602的光轴612(未在图9A中示出)与图像传感器604的中心对准，光接收表面610垂直于光轴612并且与一个或更多个透镜602分开预定的距离等时，达到目标对准程度。当达到目标对准程度时，粘合剂可以在固化过程中硬化。固化过程可以基于例如紫外光、温度低于聚合物透镜熔点(以避免使透镜变形)的热处理或两者。当粘合剂硬化时，可以形成结合层904以将图像传感器604与透镜组件902结合，同时将图像传感器604保持在相对于透镜组件902的对准位置和取向。因为基于沿着x轴、y轴和z轴中的每一个的线性移动、围绕x轴、y轴和z轴中的每一个的旋转，并且基于由图像传感器604生成的可以提供瞬时对准程度的准确说明的传感器数据，图像传感器604可以相对于透镜组件902移动，所以透镜602和图像传感器604之间的可实现对准的可实现程度可以显著增加。
有多种分配粘合剂以形成结合层904的方式。在一个示例中，如图9C的左图所示，结合层904可以围绕区域932周围的图像传感器604的周边形成。区域932可以在图像传感器604的光接收表面610上，并且面向透镜组件902的间隔物910a的开口920。利用这种布置，在发生硬化时变得不透明或以其它方式具有低透光率的粘合剂可以用于形成结合层904，而不阻挡光到达图像传感器604，但是粘合剂的施加受到限制，使得粘合剂在对准过程期间被挤压时不会溢出到区域932中。在另一个示例中，如图9C的右图所示，结合层904可以形成在区域932上，以与例如透镜602a的填充开口920的部分结合。利用这种布置，对图像传感器604上的粘合剂的施加可以有更少的限制，但是粘合剂需要是透明的或者在通过固化过程发生硬化时至少具有高透光率。在一些示例中，粘合剂还可以形成在透镜组件902上(例如，在面向图像传感器604的间隔物910a的表面上)以与图像传感器604结合。
图10示出了图像传感器模块的另一个示例，该图像传感器模块可以提供减小的占用面积和改善的光学特性两者。如图10所示，图像传感器模块1000可以包括透镜组件1002和图7的图像传感器604。透镜组件1002可以包括不透明/深色透镜外壳1004，其可以是保持一个或更多个透镜602的筒体的形式。外壳1004可以由例如聚合物材料、金属等制成。图像传感器604可以定位在外壳1004下方，并且可以经由结合层904结合到透镜组件1002。由于透镜组件1002不包括与图像传感器604的侧面相邻的任何肩状结构，因此透镜组件1002不会增加图像传感器模块1000的占用面积。图像传感器模块1000的占用面积主要由图像传感器604贡献。
在一些示例中，如图10所示，一个或更多个透镜602中的每一个可以是包括延伸部分1008的层1006的一部分。透镜组件1002还可以包括一个或更多个间隔物1010。层1006的透镜部分被配置成聚集光并将光导向图像传感器604，而延伸部分1008可以向透镜部分提供机械支撑。例如，延伸部分1008可以搁置在间隔物1010上或由该间隔物支撑，该间隔物包括用于配合层1006的透镜部分的开口。每个层1006和间隔物1010(例如，经由粘合剂)机械耦合到外壳1004的内壁。每个层1006可以由与层908相同的材料制成，该材料包括例如聚合物材料(例如，COC、聚碳酸酯)、玻璃材料等。间隔物1010还可以由诸如聚合物和金属的不透明材料制成。在透镜组件902包括多个透镜602(例如，如图10所示的三个透镜602a、602b和602c)的情况下，每个层1006(例如，层1006a、1006b和1006c)可以堆叠在彼此的顶部，并且被间隔物1010分开，该间隔物1010可以提供机械支撑并且限定透镜组件1002内透镜602的定位和取向。例如，层1006a的延伸部分1008a和层1006b的延伸部分1008b可以被间隔物1010a分开，而层1006b的延伸部分1008b和层1006c的延伸部分1008c可以被间隔物1010b分开。外壳1004还包括用于接收入射光的孔1016。
类似于图像传感器模块900，每个层1006可以通过高精度工艺(例如注射成型)制造，以提供对透镜602a、602b和602c的物理尺寸(例如曲率)以及透镜组件1002的所得到的光学特性的改进控制。此外，间隔物1010还可以通过注射成型、机械加工/冲压金属等来制造，以提供层和间隔物之间的更紧密的配合，从而提高透镜组件1002的刚性。此外，结合层904可以用于保持(图像传感器604的)图像传感器604与透镜组件1002的透镜602之间的对准，该对准是从如图9B中所述的对准过程获得的。
在一些示例中，图像传感器模块(例如图7-图10的图像传感器模块700、800、900和1000)的光学元件可以包括滤光器。该滤光器可以包括滤光器阵列，以选择要由图像传感器的不同像素单元检测的光的不同频率分量，或者要由所有像素单元检测的光的单个频率分量。图像传感器包括光感测元件(例如，光电二极管)，其可以经由光接收表面接收由滤光器阵列选择的光的不同频率分量，并将频率分量转换成电信号。电信号可以代表例如来自场景的光的不同频率分量的强度。
图11A、图11B和图11C示出了包括滤光器的图像传感器模块1100的示例。图像传感器模块1100可以是图1A、图1B和图1C的图像传感器模块120a-120d和150a-150b的一部分，以及图3的图像传感器模块370的一部分。图像传感器模块1100可以包括图7-图10的图像传感器模块700、800、900和1000的部件，例如一个或更多个透镜602和图像传感器604。如图11A的左侧所示，其代表图像传感器模块1100的内部侧视图，该图像传感器模块1100包括一个或更多个透镜602、滤光器1103和图像传感器604，该图像传感器604包括如图6A所示的像素单元阵列605。如图7-图10所示，一个或更多个透镜602(为简单起见，在图11A中显示为统一的主体)可以包括单个透镜或多个透镜，这些透镜被间隔物分开，并且沿着光的传播方向(例如，沿着z轴)排列成堆叠，以使光通过。在一些示例中，光可以被聚焦并且可以会聚在焦点处。该光可以被滤光器1103进行滤光，该滤光器1103可以选择要被图像传感器604检测的光的一个或更多个频率分量。在一些示例中，滤光器1103可以选择要被图像传感器604检测的光的单个频率范围(例如，可见频率范围、红外频率范围等)。在一些示例中，滤光器1103可以包括滤光器阵列，以选择要由图像传感器604检测的光的不同频率范围(例如，红色频率范围、蓝色频率范围、绿色频率范围、红外频率范围)。
图像传感器604的光接收表面610下方的像素单元阵列605可以将光的不同频率分量转换成电信号。电信号可以代表例如来自场景的光的不同频率分量的强度。基于电信号，图像处理器可以生成场景的图像。图像传感器模块可以焊接到印刷电路板(PCB)720上，该印刷电路板(PCB)720还包括图像处理器(未在图中示出)。如图7所述，PCB 720包括电迹线，以将电信号从图像传感器模块传输到图像处理器，该图像处理器可以基于电信号生成场景的图像。
图像传感器模块1100包括支架结构1120，以保持和物理支撑一个或更多个透镜602和滤光器1103。具体而言，如图11A所示，支架结构1120可以包括外壳1122和保持器1124，该外壳1122可以包括图10的外壳1004。外壳1122和保持器1124都可以由例如聚碳酸酯(PC)材料和/或聚合物材料(例如液晶聚合物，LCP)使用注射成型制成。外壳1122(其可以是桶体的形式)包括接收光的顶部开口1132和向图像传感器1104输出光的底部开口1134。参考图11B，一个或更多个透镜602可以通过底部开口1134朝向顶部开口1132(由标记为“A”的方向指示)装载到外壳1122中。一个或更多个透镜602可以安装在外壳1122内顶部开口1132和底部开口1134之间的预定位置，以形成透镜堆叠，其中外壳1122可以为透镜堆叠提供物理支撑。此外，外壳1122沿着z轴堆叠在图像传感器604上。
返回参考图11A，围绕底部开口1134的外壳1122的底表面1136可以经由例如粘合剂1138随后进行UV固化以硬化粘合剂来结合到图像传感器604的光接收表面1110，这类似于图8A-图10中结合层804/904的形成。基于与图像传感器604的结合，外壳1122可以设置一个或更多个透镜602相对于图像传感器604的取向和位置。在一些示例中，底表面1136结合到图像传感器1104的图像传感器管芯。在一些示例中，底表面1136结合到图像传感器604的其他部件，例如玻璃基底703(未在图11A中示出)、图像传感器604的封装等。
此外，保持器1124可以安装在外壳1122内的透镜堆叠和底部开口1134之间。参考图11C，保持器1124可以包括支撑一个或更多个透镜602以防止透镜从底部开口1134中掉出的上表面1139(用虚线突出显示)，以及安装滤光器1103(例如，经由图中未示出的粘合剂层)的中间表面1140(用虚线突出显示)。保持器1124定位成远离底部开口1134，并且还包括凹陷的底表面1141，以在考虑保持器1124在外壳1122内的放置公差时，防止保持器1124从外壳突出。这种布置可以确保当支架结构1120放置在图像传感器604上时，外壳1122的底表面1136与图像传感器604接触，而保持器1124的任何部分都不与图像传感器604接触。为了保持保持器624在外壳1122内的位置，可以在保持器1124的凹陷的底表面641和外壳1122的内壁上施加粘合剂1142，随后进行UV固化，以将外壳1122与保持器1124结合。
尽管图11A示出了外壳1122包括圆柱形部分和矩形/正方形部分，并且底部开口1134具有圆形形状，但是应当理解，外壳1122和底部开口1134可以具有其他几何形状。例如，外壳1122可以仅包括圆柱形筒体、矩形/正方形筒体等，而底部开口可以具有矩形/正方形形状。
图11A-图11C的布置(其中外壳1122附接在图像传感器604上以形成堆叠)可以减小图像传感器模块1100在PCB 720上的占用面积。尤其是对于将图像传感器模块600集成在空间非常有限的移动设备(例如近眼显示器100)中而言，减小的占用面积可能是所期望的。例如，返回参考图1C，为了将图像传感器模块1100装配到框架105中，图像传感器模块1100的宽度需要被制造的比框架105的厚度(t)更短。此外，(例如，传感器120a的)图像传感器600的长度也需要减小，使得图像传感器604的像素单元605可以靠近照明器130定位，以改善涉及照明器130和传感器120的成像操作(例如，3D感测、立体成像)。通过缩小图像传感器模块1100的占用面积，更有可能将图像传感器模块1100装配到近眼显示器100中。
尽管图11A-图11C中的布置(其中支架结构1120与图像传感器604形成堆叠)能够以类似于图8A-图10所示的方式缩小图像传感器模块1100的占用面积，但是保持器1124在外壳1122内的安装可能产生各种问题。这些问题可能影响图像传感器模块的组装以及图像传感器模块的光学特性和性能。具体而言，如上所述，外壳1122仅经由底表面1136结合到图像传感器604，而保持器1124不与图像传感器604接触。但是外壳1122的底表面1136为施加粘合剂638提供了非常有限的区域，这使得外壳1122难以结合到图像传感器604。此外，底部开口1134可以被扩大以允许图像传感器604的更多像素单元605接收光，这可以提高成像分辨率。但是考虑到外壳1122围绕透镜和保持器1124，这增加了占用面积，外壳1122的厚度需要减小以减小占用面积。但是减小外壳1122的厚度会减小外壳1122的底表面1136以及用于施加粘合剂1138的可用区域。在一个示例中，如图11A和图11C所示，其中图像传感器604的x/y尺寸大约为4毫米(mm)，外壳1122的底表面1136的最小宽度可以缩小到大约0.12mm。减小的结合面积可能导致外壳1122和图像传感器604之间的结合更弱。弱结合可允许外壳1122相对于图像传感器604移动，这改变了透镜堆叠相对于图像传感器604的取向和对准，并降低了图像传感器模块1100的光感测性能。
此外，由于结合面积的减小，需要以非常高的精度控制施加的粘合剂1138的量，以及底表面636上施加粘合剂1138的定位。这是为了防止当外壳1122和图像传感器604被放在一起时，施加到外壳1122的底表面1136的粘合剂溢出到底部开口1134中。但是随着底表面1136的面积缩小以减小图像传感器模块1100的占用面积，必要的精度可能变得无法实现。例如，由于例如施加粘合剂的喷嘴的直径所施加的限制，控制粘合剂1138在底表面1136的0.12毫米区域中的施加变得非常困难。溢出到底部开口1134中的粘合剂可能模糊滤光器1103和/或图像传感器604的像素单元605。所有这些都可能降低图像传感器模块的光感测性能。
图12A、图12B和图12C示出了可以解决至少一些上述问题的图像传感器模块700的示例。图12A示出了图像传感器模块1200的外部侧视图，而图12B示出了图像传感器模块1200的内部侧视图。如图12A和图12B所示，图像传感器模块700包括支架结构1120，以保持和物理支撑一个或更多个透镜602和滤光器1103。支架结构1220可以安装在图像传感器604上，该图像传感器604转而安装在PCB 720上。支架结构1220包括外壳1222和保持器1224。外壳1222可以是筒体的形式，其中安装一个或更多个透镜602以形成透镜堆叠，而滤光器1103可以安装在保持器1224上，与在图11A-图11C的图像传感器模块1100中一样。然而，与在图像传感器模块1100中保持器1124安装在图像传感器模块1200中的外壳1122内不同，保持器1224的至少一部分夹在外壳1222和图像传感器604之间，使得外壳1222、保持器1224和图像传感器604形成堆叠(例如，沿着z轴)。此外，保持器1224经由粘合剂与图像传感器604结合，以设定一个或更多个透镜602相对于图像传感器604的取向和位置。
参考图12B，外壳1222(其可以是筒体的形式)包括接收光的顶部开口1232和向图像传感器604输出光的底部开口1234。如同在图像传感器模块1100中，一个或更多个透镜602可以通过底部开口1234朝向顶部开口1232装载到图像传感器模块1200的外壳1222中。一个或更多个透镜602可以安装在外壳1222内顶部开口1232和底部开口1234之间的预定位置，以形成透镜堆叠，其中外壳1222为透镜堆叠提供物理支撑。外壳1222还包括底表面1236，该底表面1236围绕底部开口1234并且可以经由粘合剂层740与保持器1224的顶表面1239结合。
图12C示出了保持器1224的放大的内部侧视图(左图)和仰视图(右图)。如图12C所示，除了顶表面1239之外，保持器1224还包括中间表面1241和底表面1242。保持器1224的顶表面1239的外部经由粘合剂1240结合到外壳1222的底表面1236，而顶表面1239的内部支撑一个或更多个透镜602，以防止透镜从外壳1222的底部开口1234中掉出。此外，中间表面1241提供了安装滤光器1103的表面。此外，保持器1224的底表面742是平坦的，并且经由粘合剂1138与图像传感器604的光接收表面610结合。粘合剂1138和1240两者都可以通过例如UV光固化以形成结合层。
与图11A的外壳1122的底表面1136相比，保持器1224的底表面1242的宽度以及外壳1222的底表面1236的宽度可以扩大，以增加保持器1224和图像传感器604之间的结合面积。此外，图像传感器模块1200的占用面积对保持器1224的底表面1242的宽度施加较少的限制。具体而言，返回参考图11A，外壳1122的底表面1136围绕保持器1124和滤光器1103两者。结果，底表面1136需要制作得更窄，以适应给定占用面积的保持器1124和滤光器1103的宽度。相反，在图12A-图12C中，保持器1224的底表面1242可以仅围绕滤光器1103，而外壳1222的底表面1236仅围绕一个或更多个透镜602。因此，即使对于相同的占用面积和相同的滤光器1103，与图11A-图11C的外壳1122的底表面1136相比，图12A-图12C的保持器1224的底表面1242可以制作得更宽，并在保持器1224和图像传感器604之间提供更大的结合面积。此外，与图11A-图11C的外壳1122和保持器1124之间的结合面积相比，外壳1222的底表面1236也可以制作得更宽，并且在外壳1222和保持器1224之间提供更大的结合面积。
在一个示例中，如图11C所示，在4mm×4mm的占用面积(例如，与图像传感器模块600相同)的情况下，保持器1224的底表面1242的最小宽度约为0.45mm，约为外壳1122的底表面1136的最小宽度的四倍。此外，外壳1222的底表面1236的最小宽度约为0.25mm，约为外壳1122的底表面1136的最小宽度的两倍。结果，可以提供扩大的结合面积，以改善保持器1224和图像传感器604之间以及外壳1222和保持器1224之间的结合。此外，利用更大的结合面积，还可以放宽在底表面1242上施加粘合剂1138的精度要求。粘合剂1138从底表面742溢出并模糊滤光器1103和/或图像传感器604的像素单元605的可能性也变得更小。所有这些都可以提高图像传感器模块1200的性能。
尽管图12C示出保持器1224包括矩形占用面积，并且滤光器1103具有圆形形状，但是应当理解，保持器1224和滤光器1203可以具有其他几何形状。例如，保持器1224可以具有圆柱形形状，而滤光器1203可以具有矩形/正方形形状。
图13A和图13B示出了图像传感器模块1200的示例，该图像传感器模块1200具有附加特征以改善外壳1222和保持器1224之间的结合。图13A的左侧示出了图像传感器模块1200的外部视图，而图13A的右侧示出了图像传感器模块1200的局部内部视图。如图13A所示，外壳1222可以包括筒体1302以及矩形基座1304，该基座1304围绕筒体1302的一部分并与保持器1224结合，而筒体1302围绕并保持一个或更多个透镜602。外壳1222和保持器1224可以包括互补的不平坦结合表面。不平坦的结合表面增加了用于施加粘合剂1240的总面积，这可以改善外壳1222和保持器1224之间的结合。
可以在外壳1222和保持器1224的不同定位提供互补的不平坦结合表面。例如，如图13A所示，矩形基座1304的底部可以包括突出部1306以提供不平坦的底表面1236，而保持器1224的顶部可以包括互补的凹口1308以提供不平坦的顶表面1239。作为另一个示例，如图8B所示，保持器1224的顶部可以包括外顶表面1310和内顶表面1312(作为不平坦顶表面1239的一部分)。外顶表面1310可以具有与矩形基座1304的底表面相同的矩形占用面积和尺寸，并与矩形基座1304的底表面结合。此外，内顶表面1312可以具有与筒体1302的底表面相同的矩形占用面积和尺寸，并与筒体1302的底表面结合。外顶表面1310和矩形基座1304的矩形占用面积可以增加结合面积，并进一步改善外壳1222和保持器1224之间的结合。
以上在图11A-图13B中描述的技术还可以用于减小投光器模块(例如图1C的照明器130)的占用面积并改善其性能。例如，图像传感器模块1100和1200中的图像传感器604可以由光源(例如，发光二极管(LED)、激光二极管)代替。由光源发射的光可以穿过滤光器1103和一个或更多个透镜602，以形成例如具有特定频率范围(例如，红外)的准直光束。
图14A-图14D示出了在PCB 720上形成图像传感器模块(例如图9A-图13B的图像传感器模块900、1000、1100和1200)的方法1400。参考图14A，方法1400可以从步骤1402开始，其中形成包括一个或更多个透镜的透镜组件。在一些示例中，参考图14B，图像传感器模块900的透镜组件902可以通过以下方式来形成：在步骤1402a中首先通过注射成型工艺制造层908和聚合物间隔物910，随后在步骤1402b中堆叠层和间隔物以形成透镜堆叠，然后在步骤1402c中用不透明材料涂覆透镜堆叠的四个侧面以形成涂层930。
在一些示例中，参考图14C，图像传感器模块1000的透镜组件1002可以通过以下方式来形成：首先在步骤1402e中(例如，通过注射成型工艺)制造外壳1004、层1006和间隔物1010，随后在步骤1402f中将层1006和间隔物1010插入外壳1004中以形成透镜组件1002。在一些示例中，参考图11B，可以包括透镜组件902的一个或更多个透镜602可以通过外壳的底部开口被装载到外壳(例如，外壳1122/1222)中，随后在步骤1402f中将保持器安装在外壳内(例如，如图11A-图11C中的保持器1124)或者将保持器安装在外壳的底表面上(例如，如图12A-图13B中的保持器1224)，其中保持器提供了附接滤光器的表面。
返回参考图11A，在步骤1404中，可以制造图像传感器604。图像传感器604的制造可以包括制造图像传感器管芯，将图像传感器管芯封装在倒装芯片封装中，以及在倒装芯片封装上沉积焊球724。图像传感器604的制造还包括在图像传感器管芯的光接收表面610上形成玻璃基底703。
在步骤1404之后，在步骤1406中，可以执行回流工艺以将图像传感器604导电地结合到PCB 720上，从而形成图像传感器堆叠。可以执行回流工艺以将倒装芯片封装的焊球724回流到液态，从而与PCB 720的接触焊盘形成导电结合。
在步骤1406之后，可以在图像传感器堆叠或透镜组件中的至少一个上形成粘合剂层。如图9C所示，在粘合剂固化时是不透明的情况下，粘合剂可以形成在例如面向透镜组件的光输出表面的区域932周围的(图像传感器604的)玻璃基底703的周边上。此外，在粘合剂在固化时是清澈/透明的情况下，粘合剂也可以形成在区域932中，以将玻璃基底703与透镜组件的光输出表面结合。在一些示例中，如参照图12A-图13B所述，粘合剂(例如，粘合剂1138)可以形成在保持器的底表面上。粘合剂可以在后续步骤中固化以形成结合层。
尽管图14A示出了步骤1404至1408中图像传感器604的制造、回流工艺以及粘合剂层的形成发生在步骤1402中透镜组件的形成之后，但是应当理解，步骤1402可以同时形成或者在步骤1404、1406或1408中的任何一个之后形成。参考图14D，在步骤1408结束时，形成包括支架结构1120/1220、图像传感器604和PCB 720的透镜组件900/1000和/或图像传感器模块1100/1200。
在步骤1410中，透镜组件和图像传感器堆叠可以放在一起并经由粘合剂层连接。在步骤1412中，当图像传感器堆叠与透镜组件连接时，可以移动透镜组件或图像传感器堆叠中的至少一个，以将图像传感器与一个或更多个透镜对准。返回参考图9B，图像传感器堆叠(和/或透镜组件)的移动可以基于对准过程，其中图像传感器可以被控制以生成图像传感器经由一个或更多个透镜接收的光的传感器数据。图像传感器堆叠和一个或更多个透镜之间的对准程度可以基于传感器数据来确定。可以调节图像传感器堆叠相对于透镜组件的位置和取向，直到达到目标对准程度。
在步骤1414中，在图像传感器堆叠和透镜组件处于它们各自的对准位置和取向的情况下，可以执行固化过程来硬化粘合剂层以形成结合层904，从而将图像传感器堆叠与透镜组件结合。固化过程可以基于紫外光和/或温度低于一个或更多个透镜的熔点的加热过程。
上文在图9A-图11D中描述的技术可用于减小投光器模块(例如图1C的照明器130)的占用面积并改善其性能。例如，图像传感器模块900和1000中的图像传感器604可以由光源(例如，发光二极管(LED)、激光二极管)代替。由光源发射的光可以穿过透镜组件902以形成例如准直光束。光束的光学特性(例如，色散、方向)可能受到透镜组件902相对于光源的对准(例如，基于相对定位和取向)的影响。使用上述技术，可以提供具有减小的占用面积和透镜组件902与光源之间的改进的对准的光投射模块，这可以产生改善的进步。
附加示例
在一些示例中，提供了一种装置。该装置包括：包括一个或更多个聚合物层的透镜组件，每个层包括透镜部分和延伸部分；以及图像传感器，其位于透镜组件下方，并且经由结合层结合到透镜组件，并且被配置为感测穿过一个或更多个聚合物层的透镜部分的光。
在一些方面，一个或更多个聚合物层中的每一个由环烯烃共聚物(COC)材料制成。
在一些方面，一个或更多个聚合物层中的每一个由以下项中的至少一项制成：聚碳酸酯材料或聚酯材料。
在一些方面，一个或更多个聚合物层中的每一个由一种或更多种注射成型工艺制成。
在一些方面，透镜组件的占用面积基本上与图像传感器的占用面积相同。
在一些方面，结合层围绕图像传感器的周边分布，以围绕图像传感器的面向一个或更多个聚合物层的透镜部分的光接收表面。
在一些方面，透镜组件还包括光输出表面。结合层分布在图像传感器的光接收表面上，以将图像传感器的光接收表面与透镜组件的光输出表面结合。
在一些方面，一个或更多个聚合物层包括多个聚合物层。多个聚合物层中的一对聚合物层的延伸部分经由粘合剂结合。
在一些方面，一个或更多个聚合物层包括多个聚合物层。透镜组件还包括多个间隔物，该多个间隔物包括第一间隔物，第一间隔物夹在多个聚合物层的一对聚合物层的延伸部分之间。
在一些方面，第一间隔物结合到该对聚合物层的延伸部分。
在一些方面，多个间隔物由不透明材料制成，该不透明材料包括以下项之一：聚合物或金属。
在一些方面，一个或更多个聚合物层包括多个聚合物层。多个聚合物层中的一对聚合物层的透镜部分经由粘合剂结合。
在一些方面，该装置还包括透镜组件外表面上的不透明涂层，其中外表面不面向图像传感器。
在一些方面，图像传感器包括基本平坦的基底和集成电路管芯。由图像传感器感测的光穿过基底。透镜组件结合到基底。
在一些方面，该装置还包括印刷电路板(PCB)。图像传感器管芯导电地结合到PCB。
在一些方面，图像传感器通过回流工艺经由焊球与PCB导电地结合。
在一些方面，回流工艺的温度高于一个或更多个聚合物层的熔化温度。
在一些方面，结合层通过在低于回流工艺的温度的温度的固化工艺形成，以将图像传感器结合到透镜组件。
在一些方面，PCB为图像传感器提供机械支撑。PCB、图像传感器和结合层为透镜组件提供机械支撑。
在一些方面，结合层通过涉及紫外光的固化处理形成，以将图像传感器结合到透镜组件。
在一些示例中，提供了一种装置。该装置包括：包括第一层和第二层的透镜组件，第一层和第二层中的每一层包括透镜部分和延伸部分，至少第一层的透镜部分或延伸部分分别与第二层的透镜部分或延伸部分结合以形成透镜堆叠；以及图像传感器，其位于透镜组件下方，并且经由结合层结合到透镜组件，并且被配置为感测穿过第一层和第二层的透镜部分的光。
在一些方面，第一层和第二层中的每一层都由玻璃材料制成。
在一些示例中，提供了一种装置。该装置包括：透镜组件，其包括第一层、第二层和夹在第一层和第二层之间的间隔物，第一层和第二层中的每一层包括透镜部分和延伸部分，第一层和第二层的延伸部分与间隔物结合；以及图像传感器，其位于透镜组件下方，并且经由结合层结合到透镜组件，并且被配置为感测穿过第一层和第二层的透镜部分的光。
在一些方面，其中第一层和第二层中的每一层都由玻璃材料制成。
在一些示例中，提供了一种装置。该装置包括：一个或更多个透镜、保持一个或更多个透镜的不透明透镜支架、以及位于透镜组件下方并经由结合层结合到透镜组件的图像传感器，该图像传感器被配置为感测穿过一个或更多个透镜的光。
在一些方面，一个或更多个透镜包括聚合物材料。
在一些方面，其中透镜组件的占用面积基本上与图像传感器的占用面积相同。
在一些方面，结合层分布在图像传感器的周边和透镜支架之间。
在一些方面，透镜组件还包括由透镜支架围绕的光输出表面。结合层分布在图像传感器的光接收表面上，以将透镜组件的光输出表面与图像传感器的光接收表面结合。
在一些方面，透镜支架将一个或更多个透镜保持在一个或更多个第一定位，并设置一个或更多个透镜的一个或更多个第一取向。
在一些方面，图像传感器在第二定位处结合到透镜支架，并且相对于透镜组件具有第二取向。图像传感器的第二定位和第二取向分别基于一个或更多个透镜的一个或更多个第一定位和一个或更多个第一取向。
在一些方面，一个或更多个透镜包括多个透镜。
在一些方面，透镜组件还包括多个间隔物，多个间隔物中的第一间隔物夹在多个透镜中的一对透镜之间。
在一些方面，多个间隔物由不透明材料制成，该不透明材料包括以下项之一：聚合物或金属。
在一些方面，不透明透镜支架包括外壳和保持器。外壳被配置成保持一个或更多个透镜。保持器被配置成将一个或更多个透镜保持在外壳内。
在一些方面，保持器定位在外壳内。
在一些方面，保持器的至少一部分夹在外壳和图像传感器之间。
在一些方面，外壳包括接收光的顶部开口和向图像传感器输出光的底部开口。一个或更多个透镜安装在外壳内顶部开口和底部开口之间的预定位置。外壳包括第一底表面，该第一底表面围绕底部开口并经由第一粘合剂与保持器的顶表面结合。
在一些方面，外壳的第一底表面经由第一粘合剂层与保持器的顶表面的外部结合。保持器的顶表面的内部与一个或更多个透镜接触，以防止一个或更多个透镜从底部开口中掉出。
在一些方面，保持器还被配置为保持滤光器，以在光被图像传感器检测到之前过滤光。
在一些方面，保持器包括安装滤光器的中间表面和经由第二粘合剂与图像传感器结合的第二底表面。
在一些方面，滤光器包括滤光器阵列。
在一些方面，图像传感器包括图像传感器管芯，并且第二底表面经由第二粘合剂与图像传感器管芯结合。
在一些方面，装置在PCB上的占用面积的长度和宽度小于5毫米(mm)。保持器的第二底表面的最窄宽度大于0.4mm。
在一些方面，外壳的第一底表面包括第一不平坦表面。保持器的顶表面包括第二不平坦表面。第一不平坦表面和第二不平坦表面彼此互补，并且经由第一粘合剂彼此结合。
在一些方面，外壳包括筒体和基部。基部包括第一不平坦表面以与保持器的第二不平坦表面结合。
在一些方面，外壳包括筒体和围绕筒体的至少一部分的基部。基部和筒体分别包括作为第一不平坦表面的外底表面和内底表面。保持器的顶表面包括作为第二不平坦表面的外顶表面和内顶表面。基部的外底表面经由第一粘合剂与保持器的外顶表面结合。筒体的内底表面经由第一粘合剂与保持器的内顶表面结合。
在一些方面，外壳和保持器使用注射成型工艺由聚合物材料制成。
在一些示例中，一种方法包括：形成包括一个或更多个透镜的透镜组件；执行回流工艺以将图像传感器导电地结合到印刷电路板(PCB)上，从而形成图像传感器堆叠；在图像传感器堆叠或透镜组件中的至少一个上形成粘合剂层；经由粘合剂层连接透镜组件和图像传感器堆叠；移动透镜组件或图像传感器堆叠中的至少一个，以将图像传感器与一个或更多个透镜对准；并且在图像传感器堆叠和透镜组件处于它们各自的对准位置和取向时，固化粘合剂层以将图像传感器堆叠与透镜组件结合。
在一些方面，形成透镜组件包括使用模具注射工艺制造一个或更多个透镜中的每一个。
在一些方面，形成透镜组件包括将一个或更多个透镜封装在不透明透镜支架中以形成透镜组件。
在一些方面，形成透镜组件包括将一个或更多个透镜装载到外壳中，并将保持器附接在外壳的底表面上，以防止一个或更多个透镜从外壳中掉出。
在一些方面，一个或更多个透镜包括多个透镜。形成透镜组件包括：将多个透镜与多个间隔物堆叠在一起以形成透镜堆叠，其中在透镜堆叠中，多个透镜中的每对透镜被多个间隔物中的不透明间隔物分开；以及用不透明材料涂覆透镜堆叠的四个侧面。
在一些方面，该方法还包括：制造图像传感器管芯；将图像传感器管芯封装在倒装芯片封装中；在倒装芯片封装上沉积焊球；以及使具有焊球的倒装芯片封装与PCB的接触焊盘接触。执行回流工艺以将倒装芯片封装的焊球回流到液态，从而与接触焊盘形成导电结合。
在一些方面，该方法还包括在图像传感器管芯的光接收表面上形成玻璃基底。
在一些方面，粘合剂层形成在玻璃基底的周边上。
在一些方面，透镜组件还包括光输出表面。粘合剂层分布在玻璃基底的区域上，以与光输出表面结合。
在一些方面，移动透镜组件或图像传感器堆叠中的至少一个以将图像传感器与一个或更多个透镜对准包括：控制图像传感器以生成图像传感器经由一个或更多个透镜接收的光的传感器数据；基于传感器数据确定图像传感器和一个或更多个透镜之间的对准程度；以及基于对准程度移动透镜组件或图像传感器堆叠中的至少一个。
在一些方面，固化粘合剂层包括使粘合剂层经受紫外光。
在说明书中使用的语言主要出于可读性和指导性的目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制发明的主题。因此，意图是本公开的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，示例的公开意图对本公开的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了本公开的范围。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
透镜组件，其包括一个或更多个聚合物层，每个层包括透镜部分和延伸部分；和
图像传感器，其位于所述透镜组件下方，并经由结合层结合到所述透镜组件，并被配置为感测穿过所述一个或更多个聚合物层的所述透镜部分的光。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或更多个聚合物层中的每一个由环烯烃共聚物(COC)材料制成。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或更多个聚合物层中的每一个由以下项中的至少一项制成：聚碳酸酯材料或聚酯材料。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或更多个聚合物层中的每一个由一种或更多种注射成型工艺制成。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透镜组件的占用面积基本上与所述图像传感器的占用面积相同。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述结合层围绕所述图像传感器的周边分布，以围绕所述图像传感器的面向所述一个或多个聚合物层的所述透镜部分的光接收表面。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透镜组件还包括光输出表面；和
其中，所述结合层分布在所述图像传感器的光接收表面上，以将所述图像传感器的所述光接收表面与所述透镜组件的所述光输出表面结合。
8.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述一个或更多个聚合物层包括多个聚合物层；和
所述多个聚合物层中的一对聚合物层的所述延伸部分经由粘合剂结合。
9.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述一个或更多个聚合物层包括多个聚合物层；和
所述透镜组件还包括多个间隔物，所述多个间隔物包括第一间隔物，所述第一间隔物夹在所述多个聚合物层的一对聚合物层的所述延伸部分之间。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第一间隔物结合到所述一对聚合物层的所述延伸部分。
11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述多个间隔物由不透明材料制成，所述不透明材料包括聚合物或金属中的一种。
12.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述一个或更多个聚合物层包括多个聚合物层；和
所述多个聚合物层中的一对聚合物层的所述透镜部分经由粘合剂结合。
13.根据权利要求1所述的装置，还包括在所述透镜组件的外表面上的不透明涂层，其中，所述外表面不面向所述图像传感器。
14.根据权利要求1所述的装置，还包括不透明透镜支架，以用于保持所述一个或更多个聚合物层；
其中，所述不透明透镜支架包括外壳和保持器；
其中，所述外壳被配置成保持所述一个或更多个聚合物层；
其中，所述保持器被配置成将所述一个或更多个聚合物层保持在所述外壳内；和
其中，所述图像传感器结合到所述外壳或所述保持器。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述保持器的至少一部分夹在所述外壳和所述图像传感器之间。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述外壳包括第一底表面，所述第一底表面围绕所述外壳的面向所述保持器的底部开口，并且经由第一粘合剂与所述保持器的顶表面结合。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述保持器包括安装滤光器的中间表面和经由第二粘合剂与所述图像传感器结合的第二底表面。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述外壳的所述第一底表面包括第一不平坦表面；
其中，所述保持器的所述顶表面包括第二不平坦表面；
其中，所述第一不平坦表面和所述第二不平坦表面彼此互补，并且经由所述第一粘合剂彼此结合。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述外壳包括筒体和基部；
其中，所述基部包括所述第一不平坦表面以与所述保持器的所述第二不平坦表面结合。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述外壳和所述保持器使用注射成型工艺由聚合物材料制成。
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