TWI580018B

TWI580018B - 接觸式影像感測模組之晶圓級透鏡結構

Info

Publication number: TWI580018B
Application number: TW104117328A
Authority: TW
Inventors: 林明傑
Original assignee: 菱光科技股份有限公司
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2017-04-21
Also published as: TW201642452A

Description

接觸式影像感測模組之晶圓級透鏡結構

本發明係有關一種感測裝置，尤指一種無柱狀透鏡(rod lens)的接觸式影像感測裝。

接觸式影像感測器(Contact Image Sensor,CIS)為線型影像感測器的一種，係用於將平面的圖像或文件掃描成電子格式，以便於儲存、顯示或傳輸，其主要應用有掃描器、傳真機以及多功能事務機等。

接觸式影像感測器的工作原理是將一光源所產生的光線照射到待掃描的稿件上，經過稿件反射光線，並利用一鏡片組將該反射光線聚集於電荷耦合元件(Charge-Coupled Device,CCD)或是互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)等感光元件之上，利用感光元件將光的訊號改變為電的訊號，進而產生類比或數位畫素(pixel)資料。

在掃描過程中，由於感光元件可以檢測稿件上各區域反射回來之具有不同強度的光，較暗的區域反射光之強度較弱、較亮的區域反射光強度較強，將所有反射的光轉換為類比或數位的電訊號，此電訊號會與光的強度成正相關，最後再使用與對應掃描器的文字或影像掃描軟體處理這些數據，並將其重現於電腦影像檔。

習知使用於接觸式影像感測裝置之鏡頭模組主要應用一組或多組透鏡陣列所組成之鏡頭模組，該一組或多組柱狀透鏡陣列2a先由架子(Holder)構成一模組，再組裝入承載機構(Housing)1a中，如圖1所示。

傳統接觸式影像感測模組中，大多使用梯度式聚焦透鏡(gradient focusing lens)的柱狀透鏡陣列(rod lens)來將受光源照射之影像聚焦並成像於電荷耦合元件上，再經光電訊號的轉換後即可取得類比或數位的資料。上述所提及之模組各元件組合如圖1所示，當物件7a放置於承載機構1a上方的玻璃層2a時，由光源區3a所發出之光經過導光板31a照射到物件7a時，其上之影像可經由柱狀透鏡陣列4a聚焦成像於電路板5a的感光元件6a，再經轉換為電訊號儲存後即成為可供使用之影像資料。

而傳統的接觸式影像感測模組，已存在下列缺失：

1、目前接觸式影像模組皆使用柱狀透鏡陣列(rod lens)4a，其焦距受其材質/圓徑所控制，模組尺寸無法再縮小。

2、傳統的柱狀透鏡陣列(rod lens)4a一般射出矩陣鏡頭，其影像品質不佳及成本高。

3、最佳成像位置必定是物距8a等於像距9a(如圖2所示)。

4、柱狀透鏡陣列(rod lens)本身之景深較短，故在承載機構(housing)的尺寸要求必須加嚴，此影響生產良率及成本甚鉅。

5、於每一成像的像素(pixel)上有各別之晶圓(wafer)級透鏡，藉此使感光像素(pixel)區與電路區形成不同高度之段差，保護感光像素(pixel)區不受顆粒(particle)遮蔽影響感光能力及成像品質。

因此，本發明之主要目的，在於解決傳統的接觸式影像感測模組使用柱狀透鏡陣列(rod lens)會受物距等於像距的限制，所以本發明在影像感測器上感光區上配置有一晶圓級透鏡設計，因此不會受到物距等於像距的限制，可以使模組的尺寸縮小，提高成像品質及降低成本。

為達上述之目的，本發明提供一種接觸式影像感測模組之晶圓級透鏡結構，包括：一電路板及一影像感測器。該影像感測器電性連結於該電路板上，包括：一電路區及一感光區。該感光區包括一光電轉換陣列，係以電性連結於該電路區上，以接受外部影像光源，並將光能轉換成電能輸出；一第一透鏡陣列配置於該光電轉換陣列上，該第一透鏡陣列由多個的第一透鏡蓋組成，該些第一透鏡蓋上各具有一第一曲面，以聚焦外部影像光源至該些光檢測器接收；一光圈陣列以配置於該第一透鏡陣列上，該光圈陣列上具有多個的光圈孔，該些光圈孔使該第一曲面外露，該光圈孔以控制入光量。其中，該第一曲面的曲率設計，以焦點位置需求，使得設計一特定之曲率，而得聚焦於特定位置。

本發明之一實施例中，該焦點位置為被掃描物所在位置。

本發明之一實施例中，該第一透鏡陣列的樹脂材質為折射率N=1.1~1.9的樹脂。

本發明之一實施例中，該電路板以接受該影像感測器所輸出的數位或類比訊號，並將數位或類比訊號傳遞至接收端上。

本發明之一實施例中，該光電轉換陣列由多個的光電轉換元件組成。

本發明之一實施例中，該光電轉換元件為CCD或CMOS。

為達上述之目的，本發明另提供一種接觸式影像感測模組之晶圓級透鏡結構，包括：一電路板及一影像感測器。該影像感測器以電性連結於該電路板上，包括：一電路區及一感光區。該感光區包括：一光電轉換陣列以電性連結於該電路區上，以接受外部影像光源，並將光能轉換成電能輸出；一第一透鏡陣列配置於該光檢測器陣列上，該第一透鏡陣列由多個的第一透鏡蓋組成，該些第一透鏡蓋上各具有一第一曲面，以聚焦外部影像光源至該些光檢測器接收；一光圈陣列以配置於該第一透鏡陣列上，該光圈陣列上具有多個的光圈孔，該些光圈孔使該第一曲面外露，該光圈孔以控制入光量；一第二透鏡陣列配置於該光圈陣列上，該第二透鏡陣列由多個對應該些光圈孔的第一透鏡蓋組成，該些第二透鏡蓋上各具有一第二曲面，以聚焦外部影像光源至該些光檢測器接收。其中，該些第一曲面及該些第二曲面的曲率設計，以該焦點位置需求，使得設計二個不同的特定之曲率，進而得聚焦於特定位置。

本發明之一實施例中，該焦點位置為被掃描物所在位置。

本發明之一實施例中，該第一透鏡陣列及該第二透鏡陣列的樹脂材質為折射率N=1.1~1.9的樹脂。

本發明之一實施例中，該光電轉換元件為CCD或CMOS。

習知：

1a‧‧‧承載機構

2a‧‧‧玻璃層

3a‧‧‧光源區

4a‧‧‧柱狀透鏡陣列

5a‧‧‧電路板

6a‧‧‧感光元件

7a‧‧‧物件

8a‧‧‧物距

9a‧‧‧像距

本創作

10‧‧‧電路板

20‧‧‧影像感測器

1‧‧‧電路區

2‧‧‧感光區

21‧‧‧光轉換陣列

211‧‧‧光電轉換元件

22‧‧‧第一透鏡陣列

221‧‧‧第一透鏡蓋

222‧‧‧第一曲面

23‧‧‧光圈陣列

231‧‧‧光圈孔

24‧‧‧第二透鏡陣列

241‧‧‧第二透鏡蓋

242‧‧‧第二曲面

30‧‧‧承載機構

301‧‧‧光通路徑

302‧‧‧光源區

303‧‧‧導光板

304‧‧‧光源

305‧‧‧影像光源

40‧‧‧被掃描物件

50‧‧‧玻璃層

3‧‧‧焦點

4‧‧‧焦點

圖1，傳統的接觸式影像感測模組示意圖。

圖2，傳統接觸式影像感測模組的物距等於像距示意圖。

圖3，係本發明之晶圓級透鏡結構外觀示意圖。

圖4，係圖3的局部放大示意圖。

圖5，係圖3的側剖視示意圖。

圖6，係本發明之晶圓級透鏡結構的聚焦調整示意圖。

圖7，係本發明之晶圓級透鏡結構安裝於接觸式影像感測模組的側剖視示意圖。

圖8，係本發明之另一實施例示意圖。

圖9，係圖8的聚焦調整示意圖。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，現在配合圖式說明如下：

請參閱圖3、圖4及圖5，係本發明之晶圓級透鏡結構外觀、圖3的局部放大及圖3的側剖視示意圖。如圖所示：本發明之接觸式影像感測模組之晶圓級透鏡結構，包括：一電路板(PCB)10及一影像感測器(image sensor)20。以該影像感測器20電性連結於該電路板10上，該電路板10用以接受該影像感測器20所輸出的數位或類比訊號，並將數位或類比訊號傳遞至接收端上。

該影像感測器20，包括有一電路區(circuit area)1及一感光區(sensitive area)2，該感光區2具有一光轉換陣列21，於該光轉換陣列21由多個的光電轉換元件211組成，該光電轉換陣列21上配置有晶圓等級的一第一透鏡陣列(cover lens)22，於該第一透鏡陣列22上配置有一光圈陣列(aperture)23。在該影像感測器20電性連結於該電路板10上，該些光電轉換元件211以接受外部光源(影像)，並將光能轉換成電能輸出，透過該感光區2將各像素(pixel)之類比訊號傳遞至電路板10上，或將類比訊號先轉換成數位訊號，再傳遞至電路板10上；在本圖式中，該光電轉換元件211為CCD或CMOS。該第一透鏡陣列22係由多個的第一透鏡蓋221組成，該些第一透鏡蓋221位於該光電轉換元件211上，該些第一透鏡蓋221上各具有一第一曲面222，該第一曲面222的曲率設計依據焦點位置需求，使得設計一特定之曲率，進而得聚焦於特定位置；在本圖式中，該第一透鏡陣列22所使用的樹脂材質為折射率N=1.1~1.9的樹脂。該光圈陣列23位於該第一透鏡陣列22上，該光圈陣列23上具多個的光圈孔231，該些光圈孔231使該些第一透鏡蓋221的第一曲面222外露，該光圈陣列23的該些光圈孔231以隔離非有效之光線，並控制入光量，提高影像品質。

請參閱圖6及圖7，係本發明之晶圓級透鏡結構的聚焦調整及晶圓級透鏡結構安裝於接觸式影像感測模組的側剖視示意圖。如圖所示：本發明之晶圓級透鏡結構的聚焦調整時，該些第一透鏡蓋221的第一曲面222的曲率設計，依據焦點3(焦點位置為被掃描物所在位置)位置需求，使得設計特定之曲率，進而得聚焦於特定位置。

在該晶圓級透鏡結構製作完成後，將該晶圓級透鏡結構安裝於接觸式影像感測模組的承載機構(housing)30的底部，該承載機構30對應該影像感測器20上具有一光通路徑301，在光通路徑301一側具有一光源區302及一導光板(Light Guide)303。在對被掃描物件40進行掃描時，將該被掃描物件40放置於該玻璃層50上方，該光源區302所產生的光源304經過該導光板303導向該被掃描物件40時，該被掃描物件40反射的影像光源305投射於該影像感測器20的該光圈陣列23上，以該些光圈孔231控制入光量通過該第一透鏡陣列22的該些第一透鏡蓋221聚焦後，被該光電轉換陣列21的該些光電轉換元件211接收後，並將光能轉換成電能輸出，透過該感光區2將各像素(pixel)之類比訊號傳遞至電路板10上，或將類比訊號先轉換成數位訊號，再傳遞至電路板10上，再由電路板10將數位或類比訊號傳遞至接收端上。

請參閱圖8、圖9，係本發明之另一實施例、圖8的聚焦調整示意圖。示意圖：本實施例與圖3~圖7大致相同，所不同處係在於該光圈陣列23上配置有一第二透鏡陣列24，該第二透鏡陣列24係由多個對應該些光圈孔231的第二透鏡蓋241組成，該些第二透鏡蓋241上各具有一第二曲面242，該些第一曲面222及該些第二曲面242的曲率設計，依據焦點4位置需求，使得設計一特定之曲率，進而得聚焦於特定位置。在本圖式中，該第二透鏡陣列24所使用的樹脂材質為折射率N=1.1~1.9的樹脂。

在該晶圓級透鏡結構製作完成後，將該晶圓級透鏡結構安裝於接觸式影像感測模組的承載機構(housing)30的底部，該承載機構30對應該影像感測器20上具有一光通路徑301，在光通路徑301一側具有一光源區302及一導光板(Light Guide)303。在對被掃描物件40進行掃描時，將該被掃描物件40放置於該玻璃層50上方，該光源區302所產生的光源304經過該導光板303導向該被掃描物件40時，該被掃描物件40反射的影像光源305投射於第二透鏡陣列24的該些第二透鏡蓋241上，再經過該光圈陣列23的該些光圈孔231控制入光量通過該些第一透鏡蓋221聚焦後，被該些光轉換元件211接收後，並將光能轉換成電能輸出，透過該感光區2將各像素(pixel)之類比訊號傳遞至電路板1上，或將類比訊號先轉換成數位訊號，再傳遞至電路板1上，再由電路板1將數位或類比訊號傳遞至接收端上。

本發明將晶圓級透鏡(wafer lens)結合於感光像素(pixel)上之架構，有以下之優點：

1、可提高景深範圍及影像品質，解決紙張粗糙或自動送紙時不在成像位置就影像模糊之缺點。

2、以解決傳統採用柱狀透鏡陣列(rod lens)必須為物/像距必需相等之限制。

3、降低模組之高度。

4、降低微粒子(particle)影響，提高生產良率。

5、降低生產組裝精度要求，提高生產效率。

上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。