JP2010092022A - 小型イメージ捕捉レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】小型イメージ捕捉レンズを提供する。
【解決手段】小型イメージ捕捉レンズであって、開口を有し、その開口を通してイメージを捕捉するダイヤフラム絞り２０６と、ウェハレベルのレンズシステムと、からなる。ウェハレベルのレンズシステムは、第一基板２１０上に設置される第一表面と、第一の面側が第一基板に接合される第二基板２１２と、第二基板２１２の第二の面側に設置される第二表面と、第三基板２１８上に設置される第三表面と、からなり、第一、第二、および、第三表面は非球面形状であり、第一表面からイメージ平面の総トラック距離（ＴＴＬ）であるＬと、全レンズシステムの有効焦点距離であるｆ_ｅと、第一表面の有効焦点距離であるｆ_１と、前記第二表面の有効焦点距離ｆ_２と、第三表面の有効焦点距離であるｆ_３とは所定の条件を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明は、レンズシステムに関するものであって、特に、ウェハレベルの小型イメージ捕捉レンズ（Miniature image capture lens）に関するものである。

撮像装置の高パフォーマンスと小型化を可能にするＣＣＤ（電荷結合素子）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳ）イメージセンサ等の固体のイメージ捕捉素子を取り入れたことにより、撮像装置を搭載する携帯電話やパソコンが普及した。そのため、撮像装置に搭載するイメージ捕捉レンズのさらなる小型化が要求されている。

しかし、上述のような要求があるにもかかわらず、従来のイメージ捕捉レンズについて、さらなる小型化をすることは限界に来ている。それは、レンズが真の三次元（３−Ｄ）構造であり、センサも小型化が必要であるからであり、この種の技術は各レンズ表面の横方向の移動と傾斜の精密度を制御するのが難しく、製造過程で、微小レンズの操作も難しい。つまり、小型化により、従来のレンズは許容誤差が小さくなるからである。

図１は既に開示されているウェハレベルのレンズモジュールシステムを用いた撮像装置を示す図である。光線はウェハレベルのレンズ１０２と１０４を通ってセンサ素子１０６に到達する。本技術において、ウェハレベルのレンズモジュール１０２と１０４、および、センサ素子１０６は超大規模集積回路（VLSI）工程技術により製造される。よって、撮像装置１００を小型にして、携帯電話やＰＤＡなどの携帯式装置に搭載するのに適したサイズにすることができる。ウェハレベルのレンズは、真の三次元構造を各レンズプレートを積層してレンズキューブにする２．５次元構造にする。よって、ムーアの法則(Moore’s law)などの半導体プロセスによる技術的進歩に伴い、更に小型化することができる一方、許容誤差は増大する。

また、従来のレンズは離散プロセス(discrete process)により製造され、レンズを一つずつ組みつけるのに対し、ウェハレベルのレンズはバッチ処理により製造され、レンズプレート上に何千ものレンズを積層して、レンズモジュールアレイにし、その後、ダイソー（die-saw）プロセスにより単一のレンズキューブに分離する。しかし、ウェハレベルのレンズは体積が小さくなるが、従来の三次元レンズの方が現在のところウェハレベルのレンズより性能が優れている。さらに、ウェハレベルのレンズにとって、特に、ナイキスト周波数(Nyquist frequency)が高い時、収差が小さく、最適な変調伝達関数（以下「ＭＴＦ」という）の光学レンズシステムを設計するのは更に困難である。レンズ表面の数を増大させることによりＭＴＦを増大させることができるが、レンズの総トラック長さが増大する。

台湾特許第１２８９３６５号明細書

前記した問題に鑑み、本発明は、僅か３個の光学表面にもかかわらず、良好なＭＴＦと短い総トラック長さを達成するウェハレベルレンズシステムを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態である小型イメージ捕捉レンズは、開口を有し、その開口を通してイメージを捕捉するダイヤフラム絞りとウェハレベルのレンズシステムとからなる。このウェハレベルのレンズシステムは、第一基板上に設置される第一表面と、第一の面側が第一基板に接合される第二基板と、第二基板の第二の面側に設置される第二表面と、第三基板上に設置される第三表面と、からなり、第一、第二、および、第三表面は非球面形状で、次の式（１）乃至式（４）の条件を満たす。

ここでＬは第一表面からイメージ平面の総トラック距離（ＴＴＬ）、ｆ_ｅは全レンズシステムの有効焦点距離、ｆ_１は第一表面の有効焦点距離、ｆ_２は第二表面の有効焦点距離、ｆ_３は第三表面の有効焦点距離である。

本発明の別の実施形態である小型イメージ捕捉レンズは、開口を有し、その開口を通してイメージを捕捉するダイヤフラム絞りとウェハレベルのレンズシステムからなる。ウェハレベルのレンズシステムは、第一基板の第一の面側上に設置される第一表面と、第一基板の第二の面側に設置される第二表面と、第二基板上に設置される第三表面と、からなり、第一、第二、および、第三表面は非球面形状で、前記した式（１）乃至式（４）の条件を満たす。

本発明により、優れたＭＴＦと短い総トラック長さを有する小型イメージ捕捉レンズを提供することができる。

従来のウェハレベルレンズモジュールシステムを用いた撮像装置を示す図である。 本発明の第１の実施形態の小型イメージ捕捉レンズの断面図である。 本発明の第１の実施形態の小型イメージ捕捉レンズを示す立体分解図である。 本発明の第１の実施形態の小型イメージ捕捉レンズの断面図である。 第１の実施形態の実施例の小型イメージ捕捉レンズの様々な波長状態下での非点収差の像面湾曲を示す図である。 第１の実施形態の実施例の小型イメージ捕捉レンズの様々な波長状態下での変形曲線を示す図である。 第１の実施形態の実施例の小型イメージ捕捉レンズの球面収差を示す図である。 第１の実施形態の実施例の小型イメージ捕捉レンズのコマ収差を示す図である。 第１の実施形態の実施例の小型イメージ捕捉レンズの真のイメージ高さとＣＲＡの関係図である。 本発明の第２の実施形態の小型イメージ捕捉レンズの断面図である。 第２の実施形態の実施例の小型イメージ捕捉レンズの様々な波長状態下での非点収差の像面湾曲を示す図である。 第２の実施形態の実施例の小型イメージ捕捉レンズの様々な波長状態下での変形曲線を示す図である。 第２の実施形態の実施例の小型イメージ捕捉レンズの球面収差を示す図である。 第２の実施形態の実施例の小型イメージ捕捉レンズの真のイメージ高さとＣＲＡの関係図である。

以下に記載する本発明の説明は、本発明を実施する予想される態様についてのものである。この説明は本発明の一般的な原理を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

＜第一実施形態＞
図２は本発明の一実施形態である小型イメージ捕捉レンズの断面図（ｙ−ｚ面）である。小型イメージ捕捉レンズ２０２は物体（図示しない）のイメージを捕捉することができる。
以下の段落で、外部とイメージ平面２２２（或いは、センサ）との間にある小型イメージ捕捉レンズ２０２を説明する。小型イメージ捕捉レンズ２０２は、フロントカバーガラス２０４と、ダイヤフラム絞り２０６と、第一レンズ２０８（正曲率）と、第一基板２１０と、第二レンズ２１４（負曲率）と、第二基板２１２と、第三レンズ２１６（正曲率）と、第三基板２１８とを有している。

フロントカバーガラス２０４はＵＶ／ＩＲカットフィルターでコーティングされている。ダイヤフラム絞り２０６と第一レンズ２０８（正曲率）は第一基板２１０上に設置される。第二基板２１２の第一の面側は第一基板２１０上に接合されている。第二レンズ２１４（負曲率）は第二基板２１２の第二の面側に設置されている。第三レンズ２１６（正曲率）は第三基板２１８に設置されている。第三基板２１８はバックカバーガラス２２０に接合されている。本実施形態において、第一レンズ２０８と第二レンズ２１４は結合して、一つの凹凸レンズのようになっている。また第三レンズ２１６はフィールド補正器で、イメージセンサに適合するように主光線角度を補正する。

図２に示す本発明の第一実施形態の小型イメージ捕捉レンズを、図３の立体分解図と図４の断面図で更に詳しく説明する。図３と図４を参照すると、小型イメージ捕捉レンズ２０２は、スペーサダム(Ｓｐａｃｅｒ ｄａｍ)２０１と、第一基板２１０上の第一レンズ２０８と、第一ゲル２０３と、第二基板２１２下の第二レンズ２１４と、第二ゲル２０５と、スペーサ２０７と、第三ゲル２０９と、第三基板２１８上の第三レンズ２１６と、バックカバーガラス２２０とを有する。

特に、第一レンズ２０８、第二レンズ２１４、および、第三レンズ２１６は非球面形状であり、以下の式（１）乃至式（４）の条件を満たす。

ここでＬは第一レンズ２０８からイメージ平面２２２までの総トラック長さ（ＴＴＬ）であり、ｆ_ｅは全レンズシステムの有効焦点距離、ｆ_１は第一レンズの有効焦点距離、ｆ_２は第二レンズ２１４の有効焦点距離、ｆ_３は第三レンズ２１６の有効焦点距離である。

また、各レンズの有効焦点距離は式（５）により求められる。

ｎ_ｉは屈折率、Ｒ_ｉ、Ｒ_ｉ＋１は光学表面の曲率半径である。

本実施形態において、第一基板２１０、第二基板２１２、および、第三基板２１８は、その屈折率がレンズ材料の屈折率に一致し、厚さが約３００〜４００μｍのガラスプレートとすることができる。スペーサ２０１とスペーサ２０７は擦りガラスまたはドリル穴を有する高密度の黒プラスチックである。ＵＶ／ＩＲカットフィルターと絞りが別々のガラス基板、例えば、フロントカバーガラス２０４上に形成されるか、或いは、第一レンズ２０８の表面に集積して形成される。第三レンズ２１６はセンサ上で主光線入射角を補正する。本実施形態において、最大主光線（ＣＲＡ）が２７度である場合、総トラック長さ（ＴＴＬ）は焦点の１．５５倍に下がり、最大主光線が３５度、例えば、ＣＣＤセンサやＢＳＩ ＣＭＯＳセンサ等の場合、総トラック長さ（ＴＴＬ）は焦点距離の１．４倍に低下する。

各例中、非球形表面の形状は式（６）で示され、垂直の座標系において、非球形表面の頂点を原点とし、且つ、光軸の方向はｚ軸である。

本実施形態の実施例の小型イメージ捕捉レンズのパラメータは、以下のとおりである。
ｆ_ｅ ＝ １．１３７ｍｍ;
Ｌ ＝ １．７６ｍｍ;
Ｒ_１ ＝ ０．７０３ｍｍ；Ｒ_２ ＝ ０．７４５ｍｍ；Ｒ_３ ＝ ０．５５ｍｍ
ｆ_１／ｆ_ｅ ＝ １．３５７／１．１３７ ＝ １．１９;
ｆ_２／ｆ_ｅ ＝ −１．４３８／１．１３７ ＝ −１．２６;
ｆ_３／ｆ_ｅ ＝ １．０６／１．１３７ ＝ ０．９３

本実施形態の実施例の小型イメージ捕捉レンズの各レンズの表面データは表１で示される。

図５は、本実施形態についての実施例の様々な波長状態下での非点収差の像面湾曲（astigmatic field curve）を示す図で、線Ｓ１〜Ｓ５は弧線で、線Ｔ１〜Ｔ５は接線である。図５で示されるように、本実施例の非点収差は０．０６ｍｍ未満である。図６は、実施例の様々な波長状態下での変形曲線を示す図で、図７は、実施例の球面収差を示す図で、図８は、実施例のコマ収差を示す図である。図５〜図８のように、本実施例の小型イメージ捕捉レンズは最適な収差を有する。図９は、真のイメージ高さとＣＲＡ（Ｃｈｉｅｆ Ｒａｙ Ａｎｇｌｅ）との関係図で、線形パフォーマンスが得られている。

＜第２実施形態＞
図１０は、本発明の第２の実施形態による小型イメージ捕捉レンズの断面図（ｙ−ｚ面）である。図２に示す第１の実施形態と異なるのは、第一レンズ３０８が第一基板３１０に結合されて、単一側のレンズを形成し、第二レンズ３１４が第二基板３１６に結合されて、単一側のレンズを形成し、図１０の実施例の第一、第二レンズ３０８、３１２は一基板だけに結合されて、両側レンズを形成することである。更に詳細には、小型イメージ捕捉レンズ３０２は、以下の素子からなる。フロントカバーガラス３０４には、ＵＶ／ＩＲカットフィルターをコーティングされている。ダイヤフラム絞り３０６と第一レンズ３０８（正曲率）が第一基板３１０の第一の面側上に設置され、第二レンズ３１２（負曲率）が第一基板３１０の第二の面側に設置される。第三レンズ３１４（正曲率）は第二基板３１６上に設置される。第二基板３１６はバックカバーガラス３１８に接合される。本実施例中、第一レンズ３０８と第二レンズ３１２は、半月のように結合され、第三レンズ３１４はフィールド補正器で、イメージセンサに適合するように主光線角度を補正する。特に、第一レンズ３０８、第二レンズ３１２、および、第三レンズ３１４は非球面で、以下の式（１）乃至式（４）の条件を満たす。

ここでＬは第一レンズからイメージ平面までの総トラック長さ（ＴＴＬ）であり、ｆ_ｅは全レンズシステムの有効焦点距離、ｆ_１は第一レンズ３０８の有効焦点距離、ｆ_２は第二レンズ３１２の有効焦点距離、ｆ_３は第三レンズ３１４の有効焦点距離である。

本実施形態の実施例の小型イメージ捕捉レンズ３０２のパラメータは以下のとおりである。

ｆ_ｅ ＝ １．１３４ｍｍ;
Ｌ ＝ １．６ｍｍ;
Ｒ_１ ＝ ０．５４６ｍｍ；Ｒ_２ ＝ ０．８２９ｍｍ；Ｒ_３ ＝ ０．９２９ｍｍ
Ｌ／ｆ_１ ＝ １．４１
ｆ_１／ｆ_ｅ ＝ ０．９４／１．１３７ ＝ ０．８３;
ｆ_２／ｆ_ｅ ＝ −１．６／１．１３７ ＝ −１．４１;
ｆ_３／ｆ_ｅ ＝ １．７９／１．１３７ ＝ １．５７

本実施形態の実施例の各レンズの表面データが表２で示される。

図１１は本発明の実施例についての様々な波長状態下での非点収差の像面湾曲を示す図で、図１２は、実施例についての様々な波長状態下での変形曲線を示す図で、図１３は、実施例についての球面収差を示す図である。図１１〜図１３のように、本実施例の小型イメージ捕捉レンズは最適な収差を有する。図１４は、真のイメージ高さとＣＲＡの関係図で、線的パフォーマンスが達成される。

注意すべきことは、この明細書中ではレンズという語、例えば、第一レンズ、第二レンズ、および、第三レンズ等を使用しているが、本発明はこれに限定されない。本発明は“表面”にも適用でき、第一レンズ、第二レンズ、および、第三レンズは、第一表面、第二表面、および、第三表面により代替することができる。

上述によると、本発明はウェハレベルのレンズシステムを提供し、３表面しかなく、優れたＭＴＦと短い総トラック長さを達成することができる。

本発明では好ましい実施形態を前述の通り開示したが、本発明は決してこれらの実施形態に限定されるものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

１００ 撮像装置
１０２、１０４ ウェハレベルのレンズモジュール
１０６ センサ素子
２０１ スペーサダム
２０２ 小型イメージ捕捉レンズ
２０３ 第一ゲル
２０４ フロントカバーガラス
２０５ 第二ゲル
２０６ ダイヤフラム絞り
２０７ スペーサ
２０８ 第一レンズ
２０９ 第三ゲル
２１０ 第一基板
２１２ 第二基板
２１４ 第二レンズ
２１６ 第三レンズ
２１８ 第三基板
２２０ バックカバーガラス
２２２ イメージ平面
３０２ 小型イメージ捕捉装置
３０４ フロントカバーガラス
３０６ ダイヤフラム絞り
３０８ 第一レンズ
３１０ 第一基板
３１２ 第二レンズ
３１４ 第三レンズ
３１６ 第二基板
３１８ バックカバーガラス

Claims (10)

1. 小型イメージ捕捉レンズであって、開口を有し、この開口を通してイメージを捕捉するダイヤフラム絞りと、ウェハレベルのレンズシステムと、を含み、前記ウェハレベルのレンズシステムは、
   第一基板上に設置される第一表面と、
   第一の面側が前記第一基板に接合される第二基板と、
   前記第二基板の第二の面側に設置される第二表面と、
   第三基板上に設置される第三表面と、
   からなり、前記第一、第二、および、第三表面は非球面形状であり、
   前記第一表面からイメージ平面の総トラック距離（ＴＴＬ）であるＬと、全レンズシステムの有効焦点距離であるｆ_ｅと、前記第一表面の有効焦点距離であるｆ_１と、前記第二表面の有効焦点距離であるｆ_２と、前記第三表面の有効焦点距離であるｆ_３とは式（１）乃至式（４）の条件を満たすことを特徴とする小型イメージ捕捉レンズ。
   

   
2. 前記第一、第二、および、第三表面はレンズ表面であることを特徴とする請求項１に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
3. 前記第一表面は正表面、前記第二表面は負表面、前記第三表面は正表面であることを特徴とする請求項１に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
4. さらに、前記第一表面上のフロントカバーガラスと、前記フロントカバーガラス、或いは、前記第一基板上に形成されるＵＶ／ＩＲカットフィルターと、前記第三基板に接合されるバックカバーガラスと、からなることを特徴とする請求項１に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
5. 前記第一表面、前記第一基板、前記第二基板、前記第二表面は半月状のレンズに結合され、前記第三表面は、イメージセンサに適合するように主光線角度を補正するフィールド補正器であることを特徴とする請求項１に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
6. さらに、前記第二表面と前記第三表面間にスペーサを有することを特徴とする請求項１に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
7. 前記第一、第二、および、第三基板は厚さが約３００〜４００μmであることを特徴とする請求項１に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
8. 小型イメージ捕捉レンズであって、開口を有し、この開口を通してイメージを捕捉するダイヤフラム絞りと、ウェハレベルのレンズシステムと、を含み、前記ウェハレベルのレンズシステムは，
   第一基板の第一の面側上に設置される第一表面と、
   前記第一基板の第二の面側に設置される第二表面と、
   第二基板上に設置される第三表面と、
   からなり、
   前記第一、第二、および、第三表面は非球面形状であり、
   前記第一表面からイメージ平面の総トラック距離（ＴＴＬ）であるＬと、全レンズシステムの有効焦点距離であるｆ_ｅと、前記第一表面の有効焦点距離であるｆ_１と、前記第二表面の有効焦点距離であるｆ_２と、前記第三表面の有効焦点距離であるｆ_３とは、式（１）乃至式（４）の条件を満たすことを特徴とする小型イメージ捕捉レンズ。
   

   
9. 前記第一、第二、および、第三表面はレンズ表面であることを特徴とする請求項８に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
10. 前記第一表面は正表面で、前記第二表面は負表面で、前記第三表面は正表面であることを特徴とする請求項８に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
    

Images