TWI493220B - 具有廣視角的五個非球面表面晶圓級透鏡系統及透鏡系統 - Google Patents

Description

具有廣視角的五個非球面表面晶圓級透鏡系統及透鏡系統

本發明涉及具有廣視角的晶圓級透鏡系統，更具體而言，涉及具有廣視角的五個非球面表面晶圓級透鏡系統。

小型數位相機模組的普及度和重要性不斷增大。一般而言，攜帶型電子裝置(例如行動電話、平板電腦和筆記型電腦)現在包括小型數位相機模組。對於用於小型數位相機模組的這些常見應用而言，期望具有短的總長度之透鏡。傳統上，小型數位相機模組的透鏡是模製單件式塑膠透鏡。這種傳統的塑膠透鏡僅允許一種材料上具有兩個表面。

相機模組的視角一般處於大約60度至大約70度之間。要製造視角大於70度的透鏡同時保持短的總體透鏡長度會存在某些限制。例如，透鏡所產生的光學像差在一般現今表現出大幅改進的解析度之影像感測器中是不被容許的。因此，現在期望具有大視角和短的透鏡總長度、並且具有與解析度增強的影像感測器相容的光學性能(例如，光學像差)的透鏡系統。

晶圓級透鏡一般透過在晶圓或基板上形成多個透鏡製成。透鏡一般透過在晶圓或基板上模製和固化透鏡材料而形成。在透鏡固化之後，晶圓或基板被切割成塊，其中每一塊都包含至少一個透鏡。晶圓級透鏡可以透過將多於一個的基板堆疊在一起而形成，其中每一個基板都包括至少一個透鏡。多個透鏡能夠形成在彼此對準(in registration with)的多個基板中，使得當透鏡和基板被切割成塊時，透鏡中的一個或多個透鏡實際上能夠包括多個堆疊透鏡。因此，晶圓級透鏡系統可以包括多個基板和多個透鏡。

根據一觀點，提供一種透鏡系統。上述透鏡系統包括：第一基板，上述第一基板具有外側表面；第一透鏡，上述第一透鏡具有凹形非球面表面和 焦距F1；以及第二透鏡，上述第二透鏡具有面向第一透鏡的凸形非球面表面和焦距F2。第三透鏡具有凹形非球面表面，上述凹形非球面表面具有焦距F3。上述透鏡系統滿足以下條件：0.2<EFFL/TTL<0.5；-0.75<EFFL/F1<-0.35；1<EFFL/F2<1.4；-0.65<EFFL/F3<-0.15；V2>V3並且V3<35；其中：(i)EFFL是上述透鏡系統的有效焦距；(ii)TTL是從第一基板的外側表面至影像平面的距離；以及(iii)V2是第二透鏡的阿貝數，且V3是第三透鏡的阿貝數。

根據另一觀點，提供一種透鏡系統。上述透鏡系統包括：第一基板，上述第一基板具有外側表面；以及第一透鏡，上述第一透鏡具有與第一基板相接觸且與外側表面相對的平面表面和凹形非球面表面。上述透鏡系統亦包括：第二基板；以及第二透鏡，上述第二透鏡具有面向第一透鏡的凸形非球面表面和與第二基板相接觸的平面表面。第三透鏡具有與第二基板相接觸的平面表面和凹形非球面表面。第二基板被夾置在第二透鏡與第三透鏡之間。上述透鏡系統還包括：第三基板；以及第四透鏡，上述第四透鏡具有面向第三透鏡的凸形非球面表面和與第三基板相接觸的平面表面。第五透鏡具有與第三基板相接觸的平面表面和凹形非球面表面。第三基板被夾置在第四透鏡與第五透鏡之間。上述透鏡系統滿足以下條件：0.2<EFFL/TTL<0.5；-0.75<EFFL/F1<-0.35；1<EFFL/F2<1.4；-0.65<EFFL/F3<-0.15；V2>V3並且V3<35；其中：(i)EFFL是上述透鏡系統的有效焦距；(ii)TTL是從第一基板的外側表面至影像平面的距離；(iii)F1、F2、和F3分別是第一透鏡、第二透鏡、和第三透鏡的焦距；以及(iv)V2是第二透鏡的阿貝數，且V3是第三透鏡的阿貝數。

根據另一觀點，提供一種晶圓級透鏡系統。上述晶圓級透鏡系統包括：第一基板，上述第一基板具有外側表面；以及第一透鏡，上述第一透鏡 具有與第一基板相接觸且與外側表面相對的平面表面和凹形非球面表面。上述透鏡系統亦包括：第二基板；以及第二透鏡，上述第二透鏡具有面向第一透鏡的凸形非球面表面和與第二基板相接觸的平面表面。第三透鏡具有與第二基板相接觸的平面表面和凹形非球面表面。第二基板被夾置在第二透鏡與第三透鏡之間。上述透鏡系統還包括第三基板；以及第四透鏡，上述第四透鏡具有面向第三透鏡的凸形非球面表面和與第三基板相接觸的平面表面。第五透鏡具有與第三基板相接觸的平面表面和凹形非球面表面。第三基板被夾置在第四透鏡與第五透鏡之間。第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、和第五透鏡由回流相容材料製成。上述透鏡系統滿足以下條件：0.2<EFFL/TTL<0.5；-0.75<EFFL/F1<-0.35；1<EFFL/F2<1.4；-0.65<EFFL/F3<-0.15；V2>V3並且V3<35；其中，(i)EFFL是上述透鏡系統的有效焦距；(ii)TTL是從第一基板的外側表面至影像平面的距離；(iii)F1、F2、和F3分別是第一透鏡、第二透鏡、和第三透鏡的焦距；以及(iv)V2是第二透鏡的阿貝數，且V3是第三透鏡的阿貝數。

100‧‧‧透鏡系統

102‧‧‧第一基板

104‧‧‧第一透鏡

106‧‧‧第二透鏡

108‧‧‧第二基板

110‧‧‧第三透鏡

112‧‧‧第四透鏡

114‧‧‧第三基板

116‧‧‧第五透鏡

118‧‧‧玻璃板

120‧‧‧影像平面

122、126、130‧‧‧凹形非球面表面

124、128‧‧‧凸形非球面表面

132‧‧‧阻擋件

本發明的上述和其他特徵以及優點可參照後附圖式及較佳實施例之更為特定之敘述即可明瞭，在不同之圖式中，相似的元件符號表示相同元件。圖式不必成比例，相反地，應將重點放在說明本發明之原理上。

圖1包括根據某些例示性實施例的五個非球面表面晶圓級透鏡系統的示意性方塊圖。

圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)是根據某些例示性實施例，分別顯示圖1中的透鏡系統的球面像差、像場彎曲、失真、和橫向色像差的曲線，該系統的透鏡資料列於表1中。

圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)是根據某些例示性實施例，分別顯示圖1中的透鏡系統100的球面像差、像場彎曲、失真、和橫向色像差的曲線，該系統的透鏡資料列於表2中。

根據某些例示性實施例，晶圓級透鏡系統可以包括多個基板以及多個透鏡。透鏡能夠具有獨立表面並且能夠由不同的回流相容材料製成。藉此可產生具有短的總透鏡長度和可接受的光學性能的廣視角透鏡。根據某些特定例示性實施例，期望的透鏡系統係符合至少以下特定例示性要求：(1)廣視角，例如等於或大於90°；(2)透鏡系統具有短的總長度，例如等於或小於5mm；(3)低成本，例如透鏡系統中包括的非球面表面不超過五個；以及(4)良好的光學品質，例如具有標稱像差。

圖1包括根據某些例示性實施例的廣視角晶圓級透鏡系統的示意性方塊圖。參照圖1，透鏡系統100滿足上文所列的至少四個要求。透鏡系統100包括第一基板102、第一透鏡104、第二透鏡106、第二基板108、第三透鏡110、第四透鏡112、第三基板114和第五透鏡116。此外，透鏡系統100包括玻璃板118，上述玻璃板118位於影像平面120前方。第一基板102、第一透鏡104、第二透鏡106、第二基板108、第三透鏡110、第四透鏡112、第三基板114和第五透鏡116可以是晶圓級透鏡系統的部件。儘管本發明總體而言以及具體實施方式係特別參照晶圓級透鏡系統，但將得以理解者為，本發明不限於晶圓級透鏡系統。本發明能夠應用於其他的透鏡製造技術。

第一基板102包括兩個平行的平面表面。第一基板102的第一平面表面是面向物體空間的外側表面。第一透鏡104具有平面表面(半徑L1R1=∞)，上述平面表面與第一基板102的第二平面表面相接觸，上述第二平面表面與第一基板102的第一表面相對。第一透鏡104亦具有凹形非球面表面122，上述凹形非球面表面122具有半徑L1R2。第一基板102和第一透鏡104收集進入透鏡系統100且具有大入射角的入射光。平面凹形第一透鏡104使進入透鏡系統100的入射光的角度減小，並且減少失真。

第二透鏡106具有凸形非球面表面124和平面表面(半徑L2R2=∞)，上述凸形非球面表面124具有半徑L2R1且面向第一透鏡104。第一透鏡104與第二透鏡106之間的空間可為氣隙。第二透鏡106的平面表面與第二基板108相接觸，上述第二基板108具有兩個平行的平面表面。第二透鏡106將光線傳播到透鏡系統100的阻擋件132上。

第三透鏡110具有與第二基板108相接觸的平面表面(半徑L3R1=∞)和具有半徑L3R2的凹形非球面表面126。第二基板108因此被夾置 在第二透鏡106與第三透鏡110之間。阻擋件132被插入在第二基板108與第三透鏡110之間。定位在透鏡系統100內的阻擋件132有助於在視覺對稱場中保持光線錐面(cones of rays)。這隨後有助於保持調制轉換函數(modulation transfer function，MTF)的對稱性能。第三透鏡110將光線引導至具有大折射角的第四透鏡112，這隨後縮短透鏡系統100的總長度。

第四透鏡112具有凸形非球面表面128和平面表面(半徑L4R2=∞)，上述凸形非球面表面128具有半徑L4R1且面向第三透鏡110。第三透鏡110與第四透鏡112之間的空間可為氣隙。第四透鏡112的平面表面與第三基板114相接觸，上述第三基板114具有兩個平行的平面表面。

第五透鏡116具有與第三基板114相接觸的平面表面(半徑L5R1=∞)和具有半徑L5R2的凹形非球面表面130。第三基板114因此被夾置在第四透鏡112與第五透鏡116之間。第四透鏡112和第五透鏡116分別平衡和校正沿透鏡系統100中光行進路徑所累積的像差。

第五透鏡116與玻璃板118之間的空間可為氣隙。第五透鏡116將引導光線通過玻璃板118到達影像平面120。玻璃板118可以是影像感測器的蓋玻璃，並且影像平面120可以是影像感測器的影像接收平面。玻璃板118和影像平面120可以分開小距離。影像形成在影像平面120上。玻璃板118被設置在第五透鏡116與影像平面120之間。

表1包括根據某些例示性實施例的圖1中所示的透鏡系統100的透鏡資料。

與表1的透鏡資料相符的透鏡系統100滿足以下五個條件。

0.2<EFFL/TTL<0.5 條件(1)

-0.75<EFFL/F1<-0.35 條件(2)

1<EFFL/F2<1.4 條件(3)

-0.65<EFFL/F3<-0.15 條件(4)

V2>V3並且V3<35 條件(5)EFFL是廣角透鏡系統100的有效焦距。TTL是表示從第一基板102的外側表面至影像平面120的距離的總長度，影像形成在上述影像平面120上。F1、F2、和F3分別是第一透鏡104、第二透鏡106和第三透鏡110的焦距。V2和V3分別是第二透鏡106和第三透鏡110的阿貝數。

圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)是根據某些例示性實施例，分別顯示圖1中所示且具有表1的透鏡資料的透鏡系統100的球面像差、像場彎曲、失真、和橫向色像差的曲線。參照圖2(a)，從左至右的三條曲線係與具有435.8nm的波長(f曲線)、587.6nm的波長(d曲線)、和656.3nm的波長(c曲線)的光相對應。球面像差係處於被顯示為從大約-0.03mm延伸至大約0.03mm的可能的範圍內。參照圖2(b)的曲線圖，像場彎曲係處於被顯示為從大約-0.06mm延伸至大約0.06mm的可能的範圍內。參照圖2(c)的曲線圖，失真係處於被顯示為從大約-5%延伸至大約5%的可能的範圍內。參照圖2(d)的曲線圖，橫向色像差被限於從大約-4.00μm至大約4.00μm的愛里斑(Airy disk)內。如本領域中具通常知識者所理解，像差值是標稱的。

在某些例示性實施例中，透鏡系統100的五個非球面表面晶圓級 透鏡系統的特性包括等於或大於90°(例如91°)的視場(field-of-view，FOV)、等於或小於F/3.2(例如F/3.2)的F數、小於或等於2.00mm(例如1.31mm)的有效焦距EFFL以及小於或等於5.000mm(例如4.188mm)的總長度TTL(上述總長度TTL是從第一基板102的外側表面至影像平面120的距離)。例如，表1的圖1中所示的例示性實施例符合四個特定例示性要求：(1)91°的廣視角；(2)4.188mm的短的透鏡系統總長度；(3)低成本，原因是其僅包括五個非球面表面；以及(4)標稱像差的良好光學品質。應當理解者為，本發明可不受到這四種例示性規格的限制。

在某些例示性實施例中，根據表1的透鏡資料定義的透鏡系統100的第一透鏡104、第二透鏡106、第三透鏡110、第四透鏡112和第五透鏡116係由回流相容材料製成。不必透過相同的材料製造全部透鏡。五個透鏡的任何數量或組合可以由相同的材料或不同的材料製成。

表2包括根據某些其他的替代例示性實施例之圖1中所示的透鏡系統100的透鏡資料。

與表2的透鏡資料相符的透鏡系統100也滿足上文中於表1處所闡述的以下五個條件。

0.2<EFFL/TTL<0.5 條件(1)

-0.75<EFFL/F1<-0.35 條件(2)

1<EFFL/F2<1.4 條件(3)

-0.65<EFFL/F3<-0.15 條件(4)

V2>V3並且V3<35 條件(5)

圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)是根據某些例示性實施例，分別顯示圖1中所示且具有表2的透鏡資料的透鏡系統100的球面像差、像場彎曲、失真、和橫向色像差的曲線。參照圖3(a)，從左至右的三條曲線係與具有435.8nm的波長(f曲線)、587.6nm的波長(d曲線)和656.3nm的波長(c曲線)的光相對應。球面像差係處於被顯示為從大約-0.04mm延伸至大約0.04mm的可能的範圍內。參照圖3(b)的曲線圖，像場彎曲係處於被顯示為從大約-0.08mm延伸至大約0.08mm的可能的範圍內。參照圖3(c)的曲線圖，失真係處於被顯示為從大約-5%延伸至大約5%的可能的範圍內。參照圖3(d)的曲線圖，橫向色像差係被限制於從大約-5.00μm至大約5.00μm的愛里斑內。如本領域中具通常知識者所理解，像差值是標稱的。

在某些例示性實施例中，透鏡系統100的五個非球面表面晶圓級透鏡系統的特性包括等於或大於90°(例如91°)的視場(FOV)、等於或小於F/3.2(例如F/3.2)的F數、小於或等於2.00mm(例如1.63mm)的有效焦距EFFL以及小於或等於5.000mm(例如4.727mm)的總長度TTL，上述總長度TTL是從第一基板102的外側表面至影像平面120的距離。例如，表2的圖1中所示的例示性實施例符合四個特定例示性要求：(1)91°的廣視角；(2)4.727mm的短的透鏡系統總長度；(3)低成本，原因是其僅包括五個球面表面；以及(4)標稱像差的良好光學品質。應當理解者為，本發明可不限於這四種例示性規格。

在某些例示性實施例中，根據表2中的透鏡資料所定義的透鏡系 統100的第一透鏡104、第二透鏡106、第三透鏡110、第四透鏡112和第五透鏡116係由回流相容材料製成。不必透過相同的材料來製造全部透鏡。五個透鏡的任何數量或組合可以由相同的材料或不同的材料製成。

特徵的組合

上文已詳細地描述了本發明的多個特徵。除非在敘述中特別排除某些特徵的組合，否則本發明係涵蓋任何數量的上述多個特徵之任一組合以及全部組合。以下例子係依據本發明說明本文所揭露且所考量的特徵的一些組合。

在本文中詳細敘述及/或要求保護的任一實施例中，阻擋件可以被插入在第二基板與第三透鏡之間。

在本文中詳細敘述及/或要求保護的任一實施例中，透鏡系統的視場可以等於或大於90°。

在本文中詳細敘述及/或要求保護的任一實施例中，透鏡系統的從第一基板的外表面至影像平面的總長度可以等於或小於5mm。

在本文中詳細敘述及/或要求保護的任一實施例中，透鏡系統的有效焦距可以等於或小於2mm。

在本文中詳細敘述及/或要求保護的任一實施例中，透鏡系統的F數可以等於或小於3.2。

在本文中詳細敘述及/或要求保護的任一實施例中，第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡和第五透鏡可以由回流相容材料製成。

在本文中詳細敘述及/或要求保護的任一實施例中，第一基板、第二基板和第三基板中的每一個基板都可以具有兩個平行的平面表面。

在本文中詳細敘述及/或要求保護的任一實施例中，透鏡系統可以包括晶圓級透鏡系統。

儘管本發明已顯示及敘述例示性實施例，但是本領域中具通常知識者將得以理解，在不偏離如所附申請專利範圍所定義的本發明之精神和範圍的情況下，可對其進行若干形式上和細節上的改變。

100‧‧‧透鏡系統

102‧‧‧第一基板

104‧‧‧第一透鏡

106‧‧‧第二透鏡

108‧‧‧第二基板

110‧‧‧第三透鏡

112‧‧‧第四透鏡

114‧‧‧第三基板

116‧‧‧第五透鏡

118‧‧‧玻璃板

120‧‧‧影像平面

122、126、130‧‧‧凹形非球面表面

124、128‧‧‧凸形非球面表面

132‧‧‧阻擋件

Claims (19)

1. 一種透鏡系統，包括：一第一基板，該第一基板具有一外側表面；一第一透鏡，該第一透鏡具有一凹形非球面表面和一焦距F1；一第二透鏡，該第二透鏡具有面向該第一透鏡的一凸形非球面表面和一焦距F2；以及一第三透鏡，該第三透鏡具有一凹形非球面表面和一焦距F3；其中該透鏡系統滿足以下條件：0.2<EFFL/TTL<0.5；-0.75<EFFL/F1<-0.35；1<EFFL/F2<1.4；-0.65<EFFL/F3<-0.15；V2>V3並且V3<35；其中：(i)EFFL是該透鏡系統的有效焦距；(ii)TTL是從該第一基板的該外側表面至一影像平面的距離；以及(iii)V2是該第二透鏡的阿貝數，且V3是該第三透鏡的阿貝數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之透鏡系統，更包括一第二基板，該第二基板是被夾置在該第二透鏡與該第三透鏡之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之透鏡系統，其中：該第一透鏡更包括與該第一基板相接觸且與該外側表面相對的一平面表面；該第二透鏡更包括與該第二基板相接觸的一平面表面；以及該第三透鏡更包括與該第二基板相接觸的一平面表面。
4. 如申請專利範圍第3項所述之透鏡系統，更包括一阻擋件，該阻擋件被插入在該第二基板與該第三透鏡之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述之透鏡系統，更包括：一第四透鏡，該第四透鏡具有面向該第三透鏡的一凸形非球面表面；一第五透鏡，該第五透鏡具有一凹形非球面表面；以及一第三基板，該第三基板被夾置在該第四透鏡與該第五透鏡之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之透鏡系統，其中：該第四透鏡更包括與該第三基板相接觸的一平面表面；以及該第五透鏡更包括與該第三基板相接觸的一平面表面。
7. 如申請專利範圍第6項所述之透鏡系統，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡、該第四透鏡和該第五透鏡係由回流相容材料製成。
8. 如申請專利範圍第6項所述之透鏡系統，其中該第五透鏡與該影像平面之間係設置有一玻璃板。
9. 如申請專利範圍第8項所述之透鏡系統，其中該玻璃板是一影像感測器的蓋玻璃。
10. 如申請專利範圍第6項所述之透鏡系統，其中該透鏡系統的一視場係等於或大於90°。
11. 如申請專利範圍第6項所述之透鏡系統，其中該透鏡系統中從該第一基板的該外側表面至該影像平面的總長度等於或小於5mm。
12. 如申請專利範圍第6項所述之透鏡系統，其中該透鏡系統的有效焦距等於或小於2mm。
13. 如申請專利範圍第6項所述之透鏡系統，其中該透鏡系統的F數等於或小於3.2。
14. 如申請專利範圍第6項所述之透鏡系統，其中該第一基板、該第二基板和該第三基板中的每一個基板都具有兩個平行的平面表面。
15. 如申請專利範圍第6項所述之透鏡系統，其中該透鏡系統包括一晶圓級透 鏡。
16. 一種透鏡系統，包括：一第一基板，該第一基板具有一外側表面；一第一透鏡，該第一透鏡具有與該第一基板相接觸且與該外側表面相對的一平面表面以及一凹形非球面表面；一第二基板；一第二透鏡，該第二透鏡具有面向該第一透鏡的一凸形非球面表面和與該第二基板相接觸的一平面表面；一第三透鏡，該第三透鏡具有與該第二基板相接觸的一平面表面以及一凹形非球面表面；其中該第二基板係被夾置在該第二透鏡與該第三透鏡之間；一第三基板；一第四透鏡，該第四透鏡具有面向該第三透鏡的一凸形非球面表面和與該第三基板相接觸的一平面表面；以及一第五透鏡，該第五透鏡具有與該第三基板相接觸的一平面表面以及一凹形非球面表面；其中該第三基板係被夾置在該第四透鏡與該第五透鏡之間；其中該透鏡系統係滿足以下條件：0.2<EFFL/TTL<0.5；-0.75<EFFL/F1<-0.35；1<EFFL/F2<1.4；-0.65<EFFL/F3<-0.15；V2>V3並且V3<35；其中：(i)EFFL是該透鏡系統的有效焦距；(ii)TTL是從該第一基板的該外側 表面至一影像平面的距離；(iii)F1、F2和F3分別是該第一透鏡、該第二透鏡和該第三透鏡的焦距；以及(iv)V2是該第二透鏡的阿貝數，且V3是該第三透鏡的阿貝數。
17. 如申請專利範圍第16項所述之透鏡系統，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡、該第四透鏡和該第五透鏡係由回流相容材料製成。
18. 如申請專利範圍第16項所述之透鏡系統，其中該透鏡系統包括一晶圓級透鏡。
19. 一種晶圓級透鏡系統，包括：一第一基板，該第一基板具有一外側表面；一第一透鏡，該第一透鏡具有與該第一基板相接觸且與該外側表面相對的一平面表面以及一凹形非球面表面；一第二基板；一第二透鏡，該第二透鏡具有面向該第一透鏡的一凸形非球面表面和與該第二基板相接觸的一平面表面；一第三透鏡，該第三透鏡具有與該第二基板相接觸的一平面表面以及一凹形非球面表面；其中該第二基板係被夾置在該第二透鏡與該第三透鏡之間；一第三基板；一第四透鏡，該第四透鏡具有面向該第三透鏡的一凸形非球面表面和與該第三基板相接觸的一平面表面；以及一第五透鏡，該第五透鏡具有與該第三基板相接觸的一平面表面以及一凹形非球面表面；其中該第三基板被夾置在該第四透鏡與該第五透鏡之間；其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡、該第四透鏡和該第五透鏡係由 回流相容材料製成；其中該透鏡系統滿足以下條件：0.2<EFFL/TTL<0.5；-0.75<EFFL/F1<-0.35；1<EFFL/F2<1.4；-0.65<EFFL/F3<-0.15；V2>V3並且V3<35；其中：(i)EFFL是該透鏡系統的有效焦距；(ii)TTL是從該第一基板的該外側表面至一影像平面的距離；(iii)F1、F2和F3分別是該第一透鏡、該第二透鏡和該第三透鏡的焦距；以及(iv)V2是該第二透鏡的阿貝數，且V3是該第三透鏡的阿貝數。