KR100386647B1 - 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계 - Google Patents

화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계 Download PDF

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Abstract

화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계에 관해 개시되어 있다. 개시된 본 발명은 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 상에 형성된 이미지 센서와, 상기 베이스 기판 위에 구비되어 있되, 상기 이미지 센서를 커버하고 상기 이미지 센서에 입사광을 집광시키는 렌즈부와 그 지지부가 일체로 구성되어 있으며, 일부가 상기 이미지 센서의 이미지 센싱 영역 둘레에 직접 접촉된 광 굴절 구조물과, 상기 광 굴절 구조물 둘레의 상기 베이스 기판과 밀봉 접촉되고 상기 렌즈부 둘레의 광 굴절 구조물을 덮는 하우징과, 상기 하우징 위로부터 상기 이미지 센서 사이에 구비된 적외선 차단 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계를 제공한다.

Description

화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계{Small optical system using in image transmission apparatus}
본 발명은 소형 광학계에 관한 것으로써, 자세하게는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계에 관한 것이다.
대부분의 광학계는 다수의 렌즈와 조리개, 필터 및 이들을 일정한 간격으로 유지하기 위한 홀더 및 경통으로 구성되는 것이 일반적이다.
이와 같이, 대부분의 광학계는 렌즈를 포함하고 있기 때문에 원하는 상을 얻기 위해서는 렌즈의 수차를 보상하면서 허용 공차내에서 렌즈의 초점이 상면에 정확히 맺히도록 광학계를 구성할 필요가 있고, 대부분의 광학계는 이를 고려하여 만들어진다.
예를 들면, 도 1은 종래 기술에 의한 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계의 단면도인데, 참조번호 10은 입사광(L1, L2)을 이미지 센서(14)에 집광시키는 렌즈(16)와 렌즈(12) 아래에 구비된 적외선 차단 필터(18)가 내장된 경통을 나타낸다. 그리고 참조번호 20은 이미지 센서(14)가 본딩된 PCB 기판(22)에 이미지 센서(14)를 둘러싸는 형태로 결합된 경통(10)을 지지하는 홀더로써, 홀더(20)는 경통(10)과 나사 결합되어 있다. 따라서 경통(10)과 홀더(20)를 조립할 때 경통(10)을 돌리면서 경통(10)에 내장된 렌즈(16)의 초점이 이미지 센서(14)에 맺히도록 조절할 수 있다. 경통(10) 내에는 렌즈(16) 및 적외선 차단 필터(18)를 일정한 간격으로 고정시키는 잠금링(24)이 마련되어 있다.
한편 이미지 센서(14)는 패키지화된 것으로써, 도 2에 도시된 바와 같이 PCB 기판(22) 상에 본딩된 패키지(22A)와, 패키지(22A) 상에 에폭시 등과 같은 접착제를 사용하여 부착한 다이(22B)와, 다이(22B) 상에 부착된 기판(22C)으로 구성되어 있다. 이때, 참조번호 22D는 입사광(L1, L2)에 포함된 정보를 실질적으로 센싱하는 기판(22C)의 이미지 센싱 영역을 나타낸다. 그리고 26은 기판(22C)을 본딩하는 와이어를 나타낸다.
이와 같은 종래 기술에 의한 소형 광학계는 홀더(20) 및 경통(10) 등으로 인하여 부피가 크고 무게도 무거워, 소형 경량이 필수 요건의 하나인 소형 광학계로는 적합하지 않을 뿐만 아니라, 조립 과정에서 공차가 증가되는 문제가 있다. 예를 들면, 경통(10)에 렌즈(16)를 조립하는 과정에서, 경통(10)과 홀더(20)를 조립하는 과정에서, 홀더(20)를 PCB기판(22)에 조립하는 과정에서 각각 공차가 발생되거나 틸트(tilt)가 발생될 수 있고, 또한 이미지 센서(14)를 구성하는 과정 및 이미지 센서(14)를 PCB 기판(22)에 장착하는 과정에서 각각 공차가 발생되거나 틸트가 발생될 수 있다. 특히, 이미지 센서(14)를 구성하는 과정에서는 다이(22B)의 두께에 따른 공차와 다이(22B)의 두께가 균일하더라도 다이(22B)를 패키지(22A)에 부착하는데 에폭시와 같은 접착제를 사용함에 따른 틸트 및 에폭시 두께에 따른 공차가발생될 수 있고, 이들을 순차적으로 구성하는 과정에서 각 요소의 회전이나 틸트에 따른 조립 공차가 발생될 수 있다.
상기한 공차 각각은 작은 것이지만, 상술한 종래의 광학계 전체의 공차는 이들을 합한 결과이므로 허용치 이상으로 커지게 된다. 이에 따라 상술한 종래의 소형 광학계는 조립 후 상기한 공차들을 보정하기 위한 별도의 조정이 필수적이므로 실질적인 양산은 어렵다고 볼 수 있다.
도 3은 렌즈와 그 지지체를 일체화한 것을 특징으로 하는 다른 종래 기술에 의한 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계의 단면도로써, 이를 참조하면 PCB 기판(22) 상에 도 2에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 이미지 센서(14)가 구비되어 있고, 이미지 센서(14) 둘레의 PCB 기판(22)에 렌즈부(30)와 그 지지부(32)가 일체화된 광 굴절 구조물(34)이 결합되어 있다. 광 굴절 구조물(34)은 렌즈부(30)가 이미지 센서(14) 위에 위치하도록 PCB 기판(22)과 결합되어 있다. 그리고 광 굴절 구조물(34)의 렌즈부(30) 상에 적외선 차단 필터(36)가 마련되어 있고, 적외선 차단 필터(36) 상에 렌즈부(30)에 입사되는 광(L3, L4)을 제한하는 조리개(38)가 구비되어 있다.
도 3에 도시한 종래의 소형 광학계는 도 1에 도시한 종래의 소형 광학계와 달리 렌즈부(30)와 그 지지체(32)가 일체로써 PCB 기판(22)에 결합되어 있기 때문에 별도의 포커싱이 필요하지 않으나, 상술한 바와 같이 이미지 센서(14)를 구성하는 과정 및 이미지 센서(14)를 PCB 기판(22)에 장착하는 과정에서 각각 공차가 발생되거나 틸트가 발생될 수 있는 문제점을 여전히 내포하고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 소형 경량화와 함께 조립 과정에서의 공차를 최소화할 수 있고 신뢰성을 높일 수 있는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계를 제공함에 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 이미지 센서의 상세 단면도이다.
도 3은 다른 종래 기술에 의한 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 의한 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시한 소형 광학계의 이미지 센서 평면도이다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 제2 및 제3 실시예에 의한 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계의 단면도들이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
50:베이스 기판 52:이미지 센서
54, 66:광 굴절 구조물 56, 76:적외선 차단 필터
58:그루브(groove) 60:접촉 영역
62:접착제 64, 72, 74:하우징
68:조리개 70:렌즈
52A:이미지 센싱 영역 54A:렌즈부
54B:지지부 P:패드
W:웨이퍼
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 상에 형성된 이미지 센서와, 상기 베이스 기판 위에 구비되어 있되, 상기 이미지 센서를 커버하고 상기 이미지 센서에 입사광을 집광시키는 렌즈부와 그 지지부가 일체로 구성되어 있으며, 일부가 상기 이미지 센서의 이미지 센싱 영역 둘레에 직접 접촉된 광 굴절 구조물과, 상기 광 굴절 구조물 둘레의 상기 베이스 기판과 밀봉 접촉되고 상기 렌즈부 둘레의 광 굴절 구조물을 덮는 하우징과, 상기 하우징 위로부터 상기 이미지 센서 사이에 구비된 적외선 차단 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계를 제공한다. 이때, 상기 이미지 센서는 상기 이미지 센싱 영역에 이미지 센싱을 위한 반도체 소자들이 형성된 웨이퍼이다.
상기 광 굴절 구조물의 상기 렌즈부 둘레의 영역 상에 조리개 및 렌즈가 더 구비되어 있다.
상기 광 굴절 구조물의 테두리는 접착제를 통해서 상기 베이스 기판에 간접적으로 접착 고정되어 있다.
본 발명에 의한 소형 광학계에 구비된 이미지 센서는 도 2에 도시된 바와 같은 이미지 센서가 아니라 이미지 센싱을 위한 반도체 소자가 형성된 웨이퍼 자체이고, 이러한 웨이퍼에 렌즈부와 그 지지부가 일체화된 광 굴절 구조물이 결합되어 있되, 상기 렌즈부가 상기 이미지 센싱을 위한 반도체 소자와 대응되도록 결합되어 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 소형 광학계는 광 굴절 구조물이 이미지 센싱을 위한 반도체 소자가 형성된 웨이퍼와 직접 접촉되어 있고, 이미지 센서 또한 종래의 이미지 센서의 패키지 및 다이를 구비하지 않고, 따라서 다이의 부착에 필요한 접착제도 불필요하므로, 광 굴절 구조물과 PCB 기판의 결합에 따른 포커싱 공차 및 패키지와 다이와 접착제를 사용함에 따른 포커싱 공차를 줄여 광학계 전체의 포커싱을 줄일 수 있다.
아울러, 광 굴절 구조물의 웨이퍼 바깥 부분의 일부와 PCB 기판 사이에 본딩을 위한 접착제가 주입되어 있고, 광 굴절 구조물을 둘러싸는 하우징도 PCB 기판과 본딩되어 있다. 즉, 본 발명에 의한 광학계는 이중으로 본딩되어 있으므로, 종래의 광학계에 비해 신뢰성을 높일 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
<제1 실시예>
도 4를 참조하면, 베이스 기판(50) 상에 이미지 센서(52)가 부착되어 있다.베이스 기판(50)은 PCB 기판, FPCB 기판 또는 PWB 기판이고, 이미지 센서(52)는 이미지 센싱 영역(52A)에 이미지 센싱용 반도체 소자들(미도시)이 형성된 웨이퍼이다. 베이스 기판(50) 위에 이미지 센서(52)를 커버하는 광 굴절 구조물(54)이 구비되어 있다. 광 굴절 구조물(54)의 재질은 온도 변화 및 내 충격성이 우수한 재질인 것이 바람직하다. 광 굴절 구조물(54)은 렌즈부(54A)와 그 지지부(54B)가 일체화된 것으로써, 렌즈부(54A)의 중심이 이미지 센싱 영역(52A)의 중심에 대응되도록 구비된 것이 바람직하다. 이때, 렌즈부(54A)는 입사광(L5, L6)을 이미지 센서(52)의 이미지 센싱 영역(52A)에 집광시킬 수 있는 형태인 것이 바람직하다. 예를 들면, 이미지 센서(52)를 향해 볼록하되, 양면의 곡률 반경이 다른 형태이다. 광 굴절 구조물(54)의 렌즈부(54A)와 이미지 센서(52)의 이미지 센싱 영역(52A) 사이에 렌즈부(54A)를 통해서 입사되는 광(L5, L6) 중에서 적외선을 선택적으로 차단하기 위한 적외선 차단 필터(56)가 구비되어 있다. 이를 위해, 광 굴절 구조물(54)에 적외선 차단 필터(56)가 삽입될 수 있는 그루브(groove, 58)가 형성되어 있다.
한편, 광 굴절 구조물(54)은 이미지 센서(52)와 직접 접촉되어 있는데, 도 5에 도시한 바와 같이 이미지 센싱 영역(52A)과 본딩을 위한 패드(P) 사이의 웨이퍼(W)에 접촉된 것이 바람직하다. 광 굴절 구조물(54)과 이미지 센서(52)가 접촉되는 영역(60)은 이미지 센싱 영역(52A) 둘레 네 군데인데, 이러한 접촉 영역(60)의 수는 증감될 수 있고, 접촉 영역(60)의 면적도 증감될 수 있으며, 접촉 영역(60)의 형태도 다양화할 수 있다. 예컨대, 사각형외에 원형이나 기타 다른 형태일 수 있다.
광 굴절 구조물(54)의 테두리는 이미지 센서(54)를 둘러싸고 있고, 이미지 센서(54) 둘레의 베이스 기판(50)과 소정 간격 이격되어 있고, 양자의 이격된 부분은 밀봉되도록 접착제(62)로 채워져 있다.
이와 같이 광 굴절 구조물(54)은 이미지 센서(52)에 먼저 접촉 고정된 다음, 테두리와 베이스 기판(50) 사이에 접착제를 채우는 방법으로 베이스 기판(50)에 고정된다. 따라서, 베이스 기판(50)에 광 굴절 구조물(54)을 결합시키는 과정에서 렌즈부(54A)와 이미지 센스(52) 사이의 거리는 일정하게 유지된다. 즉, 광 굴절 구조물(54)과 베이스 기판(50)의 결합 과정에서 렌즈부(54A)의 포커싱 공차는 발생되지 않는다.
베이스 기판(50) 상에 광 굴절 구조물(54)을 보호하기 위한 하우징(64)이 구비되어 있되, 베이스 기판(50)과 하우징(64) 사이가 밀봉되도록 구비되어 있으며, 렌즈부(54A)가 노출되도록 구비되어 있다. 하우징(64)은 렌즈부(54A) 이외의 영역으로 광이 입사되는 것을 차단함과 동시에 렌즈부(54A)에 입사되는 광(L5, L6)을 제한하는 조리개 역할을 한다. 이러한 하우징(64)의 재질은 흑색 무광이고 내습성과 내충격성을 갖는 재질인 것이 바람직하다.
<제2 실시예>
제1 실시예와 동일한 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고, 제1 실시예와 다른 부분을 위주로 하여 설명한다.
도 6을 참조하면, 광 굴절 구조물(66) 상의 렌즈부(54A) 둘레에 렌즈부(54A)에 입사되는 광을 제한하기 위한 조리개(68)가 더 구비되어 있고, 조리개(68)는 렌즈부(54A)에 앞서 입사광(L7, L8)을 먼저 굴절시키는 렌즈(70)에 의해 덮여 있다. 이를 위해, 광 굴절 구조물(66)의 렌즈부(54A) 상에 조리개(68) 및 렌즈(70)가 구비될 수 있는 영역이 마련되어 있다. 렌즈(70)는 입사광(L7, L8)이 조리개(68) 안쪽으로 수렴되게 굴절시키는 형태인 것이 바람직하다. 광 굴절 구조물(66)을 덮도록 베이스 기판(50) 상에 구비된 하우징(72)은 렌즈(70)의 가장자리와 접촉되어 있다.
<제3 실시예>
제2 실시예와 동일한 전제하에 설명한다.
도 7을 참조하면, 제1 실시예에 의한 소형 광학계처럼 적외선 차단 필터를 렌즈부(54A)와 이미지 센서(52) 사이에 구비하지 않고, 하우징(74) 상에 구비한다. 즉, 하우징(74) 상에서 렌즈부(54A)를 덮는 형태로 적외선 차단 필터(76)를 구비한다. 이를 위해, 하우징(74)의 렌즈부(54A) 둘레는 적외선 차단 필터(76)를 돌출시키지 않으면서 그 테두리를 지지할 수 있도록 다른 부분에 비해 얇게 형성되어 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 적외선 차단 필터를 별도로 구비하는 대신, 렌즈부(54A)의 어느 한 면에, 바람직하게는 안쪽면에 적외선 필름을 코팅하거나, 렌즈부(54A) 위에 구비된 렌즈(70)의 어느 한 면에 적외선 필름을 코팅하는 것으로 대체할 수도 있을 것이다. 또한, 적외선 차단 필터를 하우징 안쪽에 부착할 수도 있다. 또한 광 굴절 구조물과 이미지 센서의 접촉 형태는 원형 사각형 등과 같이 보다 다양화 할 수 있다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 소형 광학계는 광 굴절 구조물이 이미지 센싱을 위한 반도체 소자가 형성된 웨이퍼와 직접 접촉되어 있고, 이미지 센서 또한 종래의 이미지 센서의 패키지 및 다이를 구비하지 않고, 따라서 다이의 부착에 필요한 접착제도 불필요하므로, 광 굴절 구조물과 PCB 기판의 결합에 따른 포커싱 공차 및 패키지와 다이와 접착제를 사용함에 따른 포커싱 공차를 줄여 광학계 전체의 포커싱을 줄일 수 있다.
아울러, 광 굴절 구조물의 웨이퍼 바깥 부분의 일부와 PCB 기판 사이에 본딩을 위한 접착제가 주입되어 있고, 광 굴절 구조물을 둘러싸는 하우징도 PCB 기판과 본딩되어 있다. 즉, 본 발명에 의한 광학계는 이중으로 본딩되어 있으므로, 종래의 광학계에 비해 신뢰성을 높일 수 있다.

Claims (11)

  1. 베이스 기판;
    상기 베이스 기판 상에 형성된 이미지 센서;
    상기 베이스 기판 위에 구비되어 있되, 상기 이미지 센서를 커버하고 상기이미지 센서에 입사광을 집광시키는 렌즈부와 그 지지부가 일체로 구성되어 있으며, 일부가 상기 이미지 센서의 이미지 센싱 영역 둘레에 직접 접촉된 광 굴절 구조물;
    상기 광 굴절 구조물 둘레의 상기 베이스 기판과 밀봉 접촉되고 상기 렌즈부 둘레의 광 굴절 구조물을 덮는 하우징; 및
    상기 하우징 위로부터 상기 이미지 센서 사이에 구비된 적외선 차단 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적외선 차단 수단은 상기 이미지 센서와 상기 렌즈부 사이에 구비된 적외선 차단 필터인 것을 특징으로 하는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계.
  3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 이미지 센서는 상기 이미지 센싱 영역에 이미지 센싱을 위한 반도체 소자들이 형성된 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 광 굴절 구조물의 상기 렌즈부 둘레의 영역 상에 조리개가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 렌즈부 상에 상기 조리개를 덮는 렌즈가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 적외선 차단 필터는 상기 렌즈부의 상기 이미지 센서를 향하는 면에 코팅된 적외선 차단 코팅막인 것을 특징으로 하는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 광 굴절 구조물의 상기 렌즈부 둘레의 영역 상에 조리개가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 렌즈부 상에 상기 조리개를 덮는 렌즈가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 적외선 차단 수단은 상기 하우징 상에 상기 렌즈부를 덮는 형태로 구비된 적외선 차단 필터인 것을 특징으로 하는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 광 굴절 구조물의 테두리는 접착제를 통해서 상기 베이스 기판에 간접적으로 접착 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 광 굴절 구조물은 상기 이미지 센싱 영역 둘레의 적어도 두 군데에 직접 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 화상 전송 장치에 사용되는 소형 광학계.
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