TWI436090B - 微型影像擷取透鏡 - Google Patents

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，此外，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，晶圓級透鏡模組102、104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100製作得較小，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，更進一步的微型化，且此種透鏡之容許度較大。另外，傳統的透鏡是以離散式製程(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，之後藉由晶圓切割製程，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。若要藉由增加透鏡表面的數目，加大調制轉換函數(MTF)，其透鏡的總軌道長度(total track)會增加。

因此，根據上述問題，本發明提供一種晶圓級透鏡系統，其僅有三個光學表面，但可以達成良好的調制轉換函數(MTF)，和相當小的總軌道長度。

本發明之一實施例提供一種微型影像擷取透鏡，包括一具有一孔徑之光圈，使微型影像擷取透鏡穿過孔徑擷取一影像，一晶圓級透鏡系統，包括一設置於一第一基板上之第一表面，一第二基板在第一側係接合至第一基板，一設置於第二基板之第二側上之第二表面，及一設置於一第三基板上之第三表面，其中第一表面、第二表面和第三表面是非球狀，且滿足以下條件：L/f_e <1.7；f₁ /f_e =0.5～1.5；f₂ /f_e =-1～-1.5；-2<f₃ /f_e <2；L：從第一透鏡至影像平面之總軌道長度(total track length，TTL)；f_e ：全部透鏡系統之有效焦距(effective focal length)；f₁ ：第一透鏡系統之有效焦距；f₂ ：第二透鏡系統之有效焦距；及f₃ ：第三透鏡系統之有效焦距。

本發明另一實施例提供一種微型影像擷取透鏡，包括一具有一孔徑之光圈，使微型影像擷取透鏡穿過孔徑擷取一影像，一晶圓級透鏡系統，包括一設置於一第一基板之第一側上之第一表面，一設置於第一基板之第二側上之第二表面，及一設置於一第二基板上之第三表面，其中第一表面、第二表面和第三表面是非球狀，且滿足以下條件：L/f_e <1.7；f₁ /f_e =0.5～1.5；f₂ /f_e =-1～-1.5；-2<f₃ /f_e <2；L：從第一透鏡至影像平面之總軌道長度(total track length，TTL)；f_e ：全部透鏡系統之有效焦距(effective focal length)；f₁ ：第一透鏡系統之有效焦距；f₂ ：第二透鏡系統之有效焦距；及f₃ ：第三透鏡系統之有效焦距。

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202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222(image plane)或感測器，詳細描述本實施例微型影像擷取透鏡202。首先，提供一前置玻璃蓋204(front cover glass)，且其可以塗佈紫外光(UV)/紅外線(IR)的濾光層。一光圈206和一第一透鏡208(正曲率)係設置於一第一基板210上。一第二基板212之第一側係接合至第一基板210。一第二透鏡214(負曲率)係設置於一第二基板212之第二側上。一第三透鏡216(正曲率)係設置於一第三基板218上。第三基板218係接合至一後置玻璃蓋220。在本實施例中，第一透鏡208和第二透鏡214係結合成一新月形的透鏡，且第三透鏡216係為校正透鏡(field corrector)，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圖更詳細說明本發明第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202由頂部至底部依序包括一前置玻璃蓋204、一間隙墊片201(spacer dam)、一位於第一基板210上之第一透鏡208、一第一黏膠203、一位於第二基板212下之第二透鏡214、一第二黏膠205、一間隔物207、一第三黏膠209、一位於第三基板218上之第三透鏡216及一後置玻璃蓋220。

特別是，第一透鏡208、第二透鏡214和第三透鏡216是非球狀的，且滿足以下條件：L/f_e <1.7；f₁ /f_e =0.5～1.5；f₂ /f_e =-1～-1.5；-2<f₃ /f_e <2；L：從第一透鏡至影像平面之總軌道長度(total track length，TTL)；f_e ：全部透鏡系統之有效焦距(effective focal length)；f₁ ：第一透鏡系統之有效焦距；f₂ ：第二透鏡系統之有效焦距；f₃ ：第三透鏡系統之有效焦距；其中，n：折射係數R：光學表面之曲率半徑；在本實施例中，第一基板210、第二基板212和第三基板218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201、207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)的濾光層和光圈可以形成於分隔之玻璃基板上(例如前置玻璃蓋204)或整合於第一透鏡208之表面。第三透鏡216係用以校正入射光感測器之主光線角。在本實施例中，若最大主光線角(CRA)可被允許為27°，總軌道可低至焦距的1.55倍，若最大主光線角(CRA)可被允許為35。(例如電荷耦合元件或BSI CMOS感測器)，總軌道可低至焦距的1.4倍。

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，且光軸之方向為z軸：方程式1：，其中C：頂點曲率(vertex curvature)；K：圓錐常數(conic constant)；A_i ：第i級非球面係數(aspherical coefficients)；其中r =本段落將揭示本發明第一範例的係數：f_e =1.137mm；L=1.76mm；R₁ =0.703mm；R₂ =0.745mm；R₃ =0.55mm；f₁ /f_e =1.357/1.137=1.19；f₂ /f_e =-1.438/1.137=-1.26；f₃ /f_e =1.06/1.137=0.93；

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0.06mm。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。第6圖顯示本範例主光線角(CRA)和完全影像高度(real image height)的關係圖，如圖所示，本範例微型影像擷取透鏡可得到線性主光線角(CRA)和完全影像高度的關係。

第7圖係顯示本發明另一實施例微型影像擷取透鏡之剖面圖(y-z平面視角)。不同於第2圖之實施例所揭示之第一透鏡208和第一基板210結合形成單邊透鏡，第二透鏡214和第二基板212結合形成單邊透鏡，第7圖實施例之第一透鏡308和第二透鏡312僅與一個基板結合形成雙邊透鏡，以下更詳細說明本實施例微型影像擷取透鏡302之各個單元：一前置玻璃蓋304(front cover glass)，且其可以塗佈紫外光(UV)/紅外線(IR)的濾光層。一光圈306和一第一透鏡308(正曲率)係設置於一第一基板310之第一側上。一第二透鏡312(負曲率)係設置於一第一基板310之第二側。一第三透鏡314(正曲率)係設置於一第二基板316上。第二基板316係接合至一後置玻璃蓋318。在本實施例中，第一透鏡308和第二透鏡312係結合成一新月形的透鏡，且第三透鏡314係為校正透鏡(field corrector)，校正主光線角(chief ray angle)使其配合影像感測器。

特別是，第一透鏡308、第二透鏡312和第三透鏡314是非球狀的，且滿足以下條件：L/f_e <1.7；f₁ /f_e =0.5～1.5；f₂ /f_e =-1～-1.5；-2<f₃ /f_e <2；本段落將揭示本發明第二範例的係數：f_e =1.134mm；L=1.6mm；R₁ =0.546mm；R₂ =0.829mm；R₃ =0.929mm；L/f₁ =1.41；f₁ /f_e =0.94/1.137=0.83；f₂ /f_e =-1.6/1.137=-1.41；f₃ /f_e =1.79/1.137=1.57。

第8A圖顯示本範例在各種波長長度條件下像散曲線(sstigmatic field curve)之圖示。第8B圖顯示本範例在各波長長度條件下變形曲線(distortion curve)之圖示。第8C圖顯示本範例球面像差之圖示。據第8A～8C圖之結果顯示，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。第9圖顯示本範例主光線角(CRA)和完全影像高度(real image height)的關係圖，如圖所示，本範例微型影像擷取透鏡可得到主光線角(CRA)和完全影像高度的線性關係。

值得注意的是，雖然說明書中使用透鏡這個名詞，例如第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，然而，本發明不限於此，透鏡亦可以為一個光學應用之「表面」。舉例來說，第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡可以表示為第一表面、第二表面和第三表面。

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。

100．．．影像元件

102．．．晶圓級透鏡

104．．．晶圓級透鏡

106．．．感測單元

201．．．間隙墊片

202．．．微型影像擷取透鏡

203．．．第一黏膠

204．．．前置玻璃蓋

205．．．第二黏膠

206．．．光圈

207．．．間隔物

208．．．第一透鏡

209．．．第三黏膠

210．．．第一基板

212．．．第二基板

214．．．第二透鏡

216．．．第三透鏡

218．．．第三基板

220．．．後置玻璃蓋

222．．．影像平面

302．．．微型影像擷取透鏡

304．．．前置玻璃蓋

306．．．光圈

308．．．第一透鏡

310．．．第一基板

312．．．第二透鏡

314．．．第三透鏡

316．．．第二基板

318．．．後置玻璃蓋

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的剖面圖。

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。

第6圖顯示本發明一範例主光線角(CRA)和完全影像高度的關係圖。

第7圖係顯示本發明另一實施例微型影像擷取透鏡之剖面圖。

第8A圖顯示本發明另一範例在各種波長長度條件下像散曲線之圖示。

第8B圖顯示本發明另一範例在各波長長度條件下變形曲線之圖示。

第8C圖顯示本發明另一範例球面像差之圖示。

第9圖顯示本發明另一範例主光線角(CRA)和完全影像高度的關係圖。

202．．．微型影像擷取透鏡

204．．．前置玻璃蓋

206．．．光圈

208．．．第一透鏡

210．．．第一基板

212．．．第二基板

214．．．第二透鏡

216．．．第三透鏡

218．．．第三基板

220．．．後置玻璃蓋

222．．．影像平面

Claims (20)

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：一第一表面，設置於一第一基板上；一第二基板，其第一側係接合至該第一基板；一第二表面，設置於該第二基板之第二側上；及一第三表面，設置於一第三基板上，其中該第一表面、該第二表面和該第三表面是非球狀，且滿足以下條件：L/f_e <1.7；f₁ /f_e =0.5~1.5；f₂ /f_e =-1~-1.5；-2<f₃ /f_e <2；L：從第一透鏡至影像平面之總軌道長度(total track length，TTL)；f_e ：全部透鏡系統之有效焦距(effective focal length)；f₁ ：第一透鏡系統之有效焦距；f₂ ：第二透鏡系統之有效焦距；及f₃ ：第三透鏡系統之有效焦距。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡，其中該第一表面、該第二表面和該第三表面是透鏡之表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡，其中該第一表面是正曲率之表面。
4. 如申請專利範圍第3項所述之微型影像擷取透鏡，其中該第二表面是負曲率之表面。
5. 如申請專利範圍第4項所述之微型影像擷取透鏡，其中該第三表面是正曲率之表面。
6. 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表面上方。
7. 如申請專利範圍第6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。
8. 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表面上。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡，更包括一後置玻璃蓋，接合至該第三基板。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡，其中該第一表面、該第一基板、該第二基板和該第二表面係結合成一新月形的透鏡。
11. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡，其中該第三表面係為一校正透鏡(field corrector)，校正一主光線角(chief ray angle)，使其配合一影像感測器。
12. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡，更包括一間隔物，位於該第二表面和該第三表面間。
13. 如申請專利範圍第12項所述之微型影像擷取透鏡，其中該間隔物是毛玻璃或具有鑽孔的高密度黑色塑 膠。
14. 如申請專利範圍第2項所述之微型影像擷取透鏡，其中該第一基板、該第二基板和該第三基板是和該第一表面、該第二表面、該第三表面之透鏡材料之折射係數相稱的玻璃基板。
15. 如申請專利範圍第1項所述之微型影像擷取透鏡，其中每個該第一基板、該第二基板和該第三基板之厚度大體上為300μm~400μm。
16. 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：一第一表面，設置於一第一基板之第一側上；一第二表面，設置於該第一基板之第二側上；及一第三表面，設置於一第二基板上，其中該第一表面、該第二表面和該第三表面是非球狀，且滿足以下條件：L/f_e <1.7；f₁ /f_e =0.5~1.5；f₂ /f_e =-1~-1.5；-2<f₃ /f_e <2；L：從第一透鏡至影像平面之總軌道長度(total track length，TTL)；f_e ：全部透鏡系統之有效焦距(effective focal length)；f₁ ：第一透鏡系統之有效焦距；f₂ ：第二透鏡系統之有效焦距；及f₃ ：第三透鏡系統之有效焦距。
17. 如申請專利範圍第16項所述之微型影像擷取透鏡，其中該第一表面、該第二表面和該第三表面是透鏡之表面。
18. 如申請專利範圍第16項所述之微型影像擷取透鏡，其中該第一表面是正曲率之表面、該第二表面是負曲率之表面，且該第三表面是正曲率之表面。
19. 如申請專利範圍第16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，形成於一前置玻璃蓋上或該第一表面上。
20. 如申請專利範圍第16項所述之微型影像擷取透鏡，更包括一間隔物，位於該第二表面和該第三表面間。