TWI392892B - 微型影像擷取透鏡 - Google Patents

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TWI392892B TW098101870A TW98101870A TWI392892B TW I392892 B TWI392892 B TW I392892B TW 098101870 A TW098101870 A TW 098101870A TW 98101870 A TW98101870 A TW 98101870A TW I392892 B TWI392892 B TW I392892B
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Wei Chung Chang
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Description

微型影像擷取透鏡
本發明係有關於一種透鏡系統,特別是關於一種晶圓級(wafer-level)微型影像擷取透鏡(miniature image capture lens)。
由於固態影像擷取單元,例如電荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)、CMOS感測器或相似之元件的發展,手機或個人電腦搭載影像元件變得越來越普及。此外,設置於影像元件上的影像擷取透鏡需要更進一步的微型化。
然而,儘管有上述需求,對於傳統的影像擷取透鏡而言,其微型化已經遇到瓶頸,理由是上述透鏡是真正的三維(3-D)結構,微型化具有相當的困難度,且其中的感測器亦需要微型化。此種技術很難控制每個透鏡表面側向移動和傾斜的精確度,另外,在製造過程中,亦很難操作微小的透鏡。換言之,上述傳統透鏡之容許度(tolerance)較小。
第1圖顯示使用已發表的透鏡模組系統的影像元件,其中光線係穿過晶圓級透鏡102、104到達感測單元106。在此技術中,晶圓級透鏡102、104模組和影像感測單元106可藉由超大型積體電路(VLSI)製程技術製作,因此,可將影像元件製作的較小,以應用於攜帶型電子元件,例如手機或個人數位助理(PDA)。晶圓級透鏡係將透鏡板(lens plate)堆疊成立方體的透鏡(稱為2.5D結構),因此,其可以隨著例如墨爾定律(Moore’s law)之半導體製程的發展,更進一步地微型化,且此種透鏡之容許度較大。另外,傳統透鏡是以離散式的製程(discrete process)製作,將透鏡一個一個地組裝,相較之下,晶圓級透鏡可連續製程製作,將數千個透鏡堆疊於透鏡板上,排列成一透鏡陣列,再藉由晶圓切割製程形成立方體的鏡片。然而,儘管晶圓級透鏡的體積較小,傳統三維透鏡的效果相較於晶圓級透鏡仍然有較佳的表現。此外,晶圓級透鏡較難設計出如傳統三維透鏡般足夠小的像差、足夠好的調制轉換函數(modulation transfer function,MTF),特別是當奈奎斯特頻率(Nyquist frequency)較高時。因此,業界需要一晶圓級透鏡表現可及上傳統三維透鏡。
因此,根據上述問題,本發明提供一種微型影像擷取透鏡,包括一孔徑光圈,使微型影像擷取透鏡穿過孔徑擷取一影像,和一晶圓級透鏡系統,其中晶圓級透鏡系統包括一第一透鏡組和一第二透鏡組,第一透鏡組包括一第一基板,設置於第一基板之第一側上的第一透鏡,設置於第一基板之第二側上的第二透鏡。一第二透鏡組包括一第二基板,設置於第二基板之第一側上的第三透鏡,設置於第二基板之第二側上的第四透鏡,其中第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡是非球狀,且滿足以下條件:
L/fe <1.6;
f1 /fe =0.5~1.5;
f2 /fe =-1~-3;
Tgroup2 /TBFL =0.8~1.2;
Tair /Tgroup2 =0.4~0.8;
L:從第一透鏡至一影像平面之總軌道長度(totaltrack length ,TTL);fe :全部晶圓級透鏡系統之有效焦距(effective focallength);f1 :第一透鏡之有效焦距;f2 :第二透鏡之有效焦距;Tgroup2 :第二透鏡組之厚度;Tair :第二透鏡和第三透鏡間之距離;TBFL :從第四透鏡之表面至一影像平面之後焦距。
為了讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂,以下配合所附圖式,作詳細說明如下:
以下係描述本發明之實施範例,其係揭示本發明之主要技術特徵,但不用以限定本發明。
第2圖係顯示本發明一實施例微型影像擷取透鏡(miniature image capture lens)的剖面圖(y-z面)。此微型影像擷取透鏡係可擷取一物體(未繪示)之影像,以下章節將由外部至影像平面220(image plane)或感測器,詳細描述本實施例微型影像擷取透鏡。首先,提供一前置玻璃蓋201(front cover glass),其可以塗佈紫外光(UV)/紅外線(IR)的濾光層。一光圈204和一第一透鏡202(正曲率)係設置於一第一基板208之第一側上,一第二透鏡207(負曲率)係設置於第一基板208之第二側上,其中第一透鏡202、第一基板208和第二透鏡207構成一第一透鏡組206。一第三透鏡210(正曲率)係設置於一第二基板214之第一側上,一第四透鏡216(負曲率)係設置於第二基板214之第二側上,其中第三透鏡210、第二基板214和第四透鏡216構成一第二透鏡組212。在本實施例中,第一透鏡組206係具有類似新月形的透鏡之表現,第二透鏡組212之表現為一校正透鏡(field cofrector),校正主光線角(chief ray angle)使其配合影像感測器。
以下以第3圖和第4圖詳加說明本發明第2圖實施例之微型影像擷取透鏡,其中第3圖係顯示微型影像擷取透鏡之分解圖,第4圖係顯示微型影像擷取透鏡之剖面圖。請參照第3圖和第4圖,微型影像擷取透鏡由頂部至底部依序包括一前置玻璃蓋201、一間隙墊片203(spacer dam)、一包括第一透鏡202、第一基板208和第二透鏡207之第一透鏡組206、一第一間隔物205(spacer)、一包括第三透鏡210、第二基板214和第四透鏡216之第二透鏡組212、一第二間隔物209及一後置玻璃蓋218。
特別是,第一透鏡202、第二透鏡207、第三透鏡210和第四透鏡216是非球狀的,且滿足以下條件:
L/fe <1.6;
f1 /fe=0.5~1.5;
f2 /fe =-1~-3;
Tgroup2 /TBFL =0.8~1.2;
Tair /Tgroup2 =0.4~0.8;
L:從第一透鏡至影像平面之總軌道長度(total track length,TTL);fe :全部透鏡系統之有效焦距(effective focal length);f1 :第一透鏡之有效焦距;f2 :第二透鏡之有效焦距;Tgroup2 :第二透鏡組之厚度;Tair :第二透鏡和第三透鏡間之距離;TBFL :從最後一個透鏡表面至影像平面之後焦距(包括玻璃蓋之等效厚度)其中,n:折射係數R:光學表面之曲率半徑;
特別是,再本發明一範例中,第三透鏡和第四透鏡滿足以下條件:
f3/fe >0;
f4/fe <0;
f3 :第三透鏡之有效焦距;f4 :第四透鏡之有效焦距;
在本實施例中,第一基板208和第二基板214可以是具有和透鏡材料相稱之折射係數的玻璃基板,且其厚度可以為300μm~400μm。間隔物205、209可以是毛玻璃或具有鑽孔的高密度黑色塑膠。紫外光(UV)/紅外線(IR)的濾光層和光圈204可以形成於分隔之玻璃基板上(例如前置玻璃蓋201)或整合於第一透鏡202之表面。第三透鏡210係用以校正入射光感測器之主光線角。
在每個範例中,非球狀表面之形狀可由方程式1所表示,其特定座標系統係以表面之頂點為原點,光軸之方向為z軸:方程式1:,其中C:頂點曲率(vertex curvature);K:圓錐常數(conic constant);Ai :第i級非球面係數(aspherical coefficients);其中
本段落將揭示本發明第一範例的係數:
fe =1.206mm;
L=1.54mm;
R1 =0.526mm;R2 =1.285mm;R3 =1.217mm;R4=1.615mm
TBFL :0.354(包括玻璃蓋之等效厚度,TC/G /nd =0.4/1.52=0.267)
f1 /fe =1.02/1.206=0.85;
f2 /fe =-2.48/1.206=-2.06;
f3 /fe =2.34/1.206=1.95;
f4 /fe =-3.12/1.206=-2.58;
Tgroup2 =0.416mm;
Tair =0.258mm;
第5A圖顯示本範例在各種波長長度條件下像散曲線(astigmatic field curve)之圖示,其中線S1~S5顯示弧線,線T1~T5顯示切線。如第5A圖所示,本範例之像散像差(astigmatic aberration)約大於0.03mm。第5B圖顯示本範例在各種波長長度條件下變形曲線(distortion curve)之圖示。第5C圖顯示本範例球面像差之圖示,第5D圖顯示本範例彗星像差之圖示。根據以上第5A~5D之結果顯示,本實施例微型影像擷取透鏡在像差之部份確有良好的表現。
根據以上敘述,本發明可提供具有高效能之晶圓級透鏡,其表現可及的上傳統透鏡,且此透鏡組可在無鉛製程下進行迴焊製程。
雖然本發明已揭露較佳實施例如上,然其並非用以限定本發明,任何熟悉此項技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可做些許更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
102...晶圓級透鏡
104...晶圓級透鏡
106...感測單元
201...前置玻璃蓋
202...第一透鏡
203...間隙墊片
204...光圈
205...第一間隔物
206...第一透鏡組
207...第二透鏡
208...第一基板
209...第二間隔物
210...第三透鏡
212...第二透鏡組
214...第二基板
216...第四透鏡
218...後置玻璃蓋
220...影像平面
第1圖顯示使用已發表的透鏡模組系統的影像元件。
第2圖係顯示本發明一實施例微型影像擷取透鏡之剖面圖。
第3圖係顯示本發明一實施例微型影像擷取透鏡之分解圖。
第4圖係顯示本發明一實施例微型影像擷取透鏡之剖面圖。
第5A圖顯示本發明一範例在各種波長長度條件下像散曲線之圖示。
第5B圖顯示本發明一範例在各種波長長度條件下變形曲線之圖示。
第5C圖顯示本發明一範例球面像差之圖示。
第5D圖顯示本發明一範例彗星像差之圖示。
201...前置玻璃蓋
202...第一透鏡
204...光圈
206...第一透鏡組
207...第二透鏡
208...第一基板
210...第三透鏡
212...第二透鏡組
214...第二基板
216...第四透鏡
218...後置玻璃蓋
220...影像平面

Claims (16)

  1. 一種微型影像擷取透鏡,包括:一孔徑光圈,具有一孔徑,使該微型影像擷取透鏡穿過該孔徑擷取一影像;一晶圓級透鏡系統,包括:一第一透鏡組,包括:一第一基板;設置於該第一基板之第一側上的第一透鏡;設置於該第一基板之第二側上的第二透鏡;一第二透鏡組,包括:一第二基板;設置於該第二基板之第一側上的第三透鏡;設置於該第二基板之第二側上的第四透鏡;其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡和該第四透鏡是非球狀,且滿足以下條件:L/fe <1.6;f1 /fe =0.5~1.5;f2 /fe =-1~-3;Tgroup2 /TBFL =0.8~1.2;Tair /Tgroup2 =0.4~0.8;L:從第一透鏡至一影像平面之總軌道長度(total track length,TTL);fe :全部該晶圓級透鏡系統之有效焦距(effective focal length);f1 :第一透鏡之有效焦距;f2 :第二透鏡之有效焦距;Tgroup2 :第二透鏡組之厚度;Tair :第二透鏡和第三透鏡間之距離;TBFL :從該第四透鏡之表面至一影像平面之後焦距。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡,其中該f3 /fe >0,f3 :第三透鏡之有效焦距。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡,其中該f4 /fe <0,f4 :第四透鏡之有效焦距。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡,其中該第一透鏡是正曲率之透鏡。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡,其中該第二透鏡是負曲率之透鏡。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡,其中該第三透鏡是正曲率之透鏡。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡,其中該第四透鏡是負曲率之透鏡。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡,其中該第一透鏡組係具有新月形透鏡之表現。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡,其中該第二透鏡組之表現為一校正透鏡(field corrector),校正主光線角(chief ray angle),使其配合影像感測器。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡,更包括一第一間隔物,位於該第一透鏡組和該第二透鏡組間。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之微型影像擷取透鏡,其中該第一間隔物是毛玻璃,或具有鑽孔的高密度黑色塑膠。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡,更包括一前置玻璃蓋,位於該第一透鏡上方。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之微型影像擷取透鏡,更包括一紫外光(UV)/紅外線(IR)濾光層形成於該前置玻璃蓋上。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡,更包括一紫外光(UV)/紅外線(IR)濾光層形成於該第一透鏡上。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之微型影像擷取透鏡,更包括一後置玻璃蓋,位於該第四透鏡下方。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之微型影像擷取透鏡,更包括一第二間隔物,位於該第二透鏡組和該後置玻璃蓋間。
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