CN101718901B - 微型影像撷取透镜 - Google Patents

Abstract

本发明的一实施例提供一种微型影像撷取透镜，包括：一具有一孔径的光圈，使微型影像撷取透镜穿过孔径撷取一影像；一晶片级透镜系统。该晶片级透镜系统包括：一设置于一第一基板上的第一透镜；一第二基板，在第一侧接合至第一基板；一设置于第二基板的第二侧上的第二透镜；及一设置于一第三基板上的第三透镜；其中第一透镜、第二透镜和第三透镜是非球状，且满足以下条件：L/f_e＜1.7；f₁/f_e＝0.5～1.5；f₂/f_e＝-1～-1.5；-2＜f₃/f_e＜2；L：从第一透镜至影像平面的总轨道长度(total track length，TTL)；f_e：全部透镜系统的有效焦距(effective focal length)；f₁：第一透镜的有效焦距；f₂：第二透镜的有效焦距；及f₃：第三透镜的有效焦距。

Description

微型影像撷取透镜

技术领域

本发明涉及一种透镜系统，特别涉及一种晶片级(wafer-level)微型影像撷取透镜(miniature image capture lens)。

背景技术

由于固态影像撷取单元，例如电荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)、CMOS传感器或相似的元件的发展，手机或个人电脑搭载影像元件变得越来越普及。此外，设置于影像元件上的影像撷取透镜需要更进一步的微型化。

然而，尽管有上述需求，对于传统的影像撷取透镜而言，其微型化已经遇到瓶颈，理由是上述透镜是真正的三维(3-D)结构，微型化具有相当的困难度，且其中的传感器亦需要微型化。此种技术很难控制每个透镜表面侧向移动和倾斜的精确度，此外，在制造过程中，亦很难操作微小的透镜。换言之，上述传统透镜的容许度(tolerance)较小。

图1所示为使用已发表的透镜模块系统的影像元件，其中光线穿过晶片级透镜102、104到达感测单元106。在此技术中，晶片级透镜模块102、104和影像感测单元106可通过超大规模集成电路(VLSI)制程技术制作，因此，可将影像元件100制作得较小，应用于携带型电子元件，例如手机或个人数字助理(PDA)。晶片级透镜将透镜板(lens plate)堆栈成立方体的透镜(称为2.5D结构)，因此，其可以随着例如墨尔定律(Moore’s law)的半导体制程的发展，更进一步的微型化，且此种透镜的容许度较大。另外，传统的透镜是以离散式制程(discrete process)制作，将透镜一个一个地组装，相较之下，晶片级透镜可连续制程制作，将数千个透镜堆栈于透镜板上，排列成一透镜阵列，之后通过晶片切割制程，形成立方体的镜片。然而，尽管晶片级透镜的体积较小，传统三维透镜的效果相较于晶片级透镜仍有较佳的表现。此外，晶片级透镜较难设计出如传统三维透镜般足够小的像差、足够好的调制转换函数(modulation transfer function，MTF)，特别是当奈奎斯特频率(Nyquist frequency)较高时。若要通过增加透镜表面的数目，加大调制转换函数(MTF)，其透镜的总轨道长度(total track)会增加。

发明内容

因此，根据上述问题，本发明提供一种晶片级透镜系统，其仅有三个光学表面，但可以达成良好的调制转换函数(MTF)，和相当小的总轨道长度。

本发明的一实施例提供一种微型影像撷取透镜，包括：一具有一孔径的光圈，使微型影像撷取透镜穿过孔径撷取一影像；一晶片级透镜系统。该晶片级透镜系统包括：一设置于一第一基板上的第一透镜；一第二基板在第一侧接合至第一基板；一设置于第二基板的第二侧上的第二透镜；及一设置于一第三基板上的第三透镜；其中第一透镜、第二透镜和第三透镜是非球状，且满足以下条件：

L/f_e＜1.7；

f₁/f_e＝0.5～1.5；

f₂/f_e＝-1～-1.5；

-2＜f₃/f_e＜2；

L：从第一透镜至影像平面的总轨道长度(total track length，TTL)；

f_e：全部透镜系统的有效焦距(effective focal length)；

f₁：第一透镜的有效焦距；

f₂：第二透镜的有效焦距；及

f₃：第三透镜的有效焦距。

本发明另一实施例提供一种微型影像撷取透镜，包括：一具有一孔径的光圈，使微型影像撷取透镜穿过孔径撷取一影像；一晶片级透镜系统。该晶片级透镜系统包括一设置于一第一基板的第一侧上的第一透镜；一设置于第一基板的第二侧上的第二透镜；及一设置于一第二基板上的第三透镜；其中第一透镜、第二透镜和第三透镜是非球状，且满足以下条件：

L/f_e＜1.7；

f₁/f_e＝0.5～1.5；

f₂/f_e＝-1～-1.5；

-2＜f₃/f_e＜2；

L：从第一透镜至影像平面的总轨道长度(total track length，TTL)；

f_e：全部透镜系统的有效焦距(effective focal length)；

f₁：第一透镜的有效焦距；

f₂：第二透镜的有效焦距；及

f₃：第三透镜的有效焦距。

为了让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，以下配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为使用已发表的透镜模块系统的影像元件。

图2所示为本发明一实施例微型影像撷取透镜的剖面图。

图3所示为本发明一实施例微型影像撷取透镜的分解图。

图4所示为本发明一实施例微型影像撷取透镜的剖面图。

图5A所示为本发明一范例在各种波长长度条件下像散曲线的图标。

图5B所示为本发明一范例在各种波长长度条件下变形曲线的图标。

图5C所示为本发明一范例球面像差的图标。

图5D所示为本发明一范例彗星像差的图标。

图6所示为本发明一范例主光线角(CRA)和完全影像高度的关系图。

图7所示为本发明另一实施例微型影像撷取透镜的剖面图。

图8A所示为本发明另一范例在各种波长长度条件下像散曲线的图标。

图8B所示为本发明另一范例在各波长长度条件下变形曲线的图标。

图8C所示为本发明另一范例球面像差的图标。

图9所示为本发明另一范例主光线角(CRA)和完全影像高度的关系图。

其中，附图标记说明如下：

100～影像元件；      102～晶片级透镜；

104～晶片级透镜；    106～感测单元；

201～间隙垫片；      202～微型影像撷取透镜；

203～第一黏胶；      204～前置玻璃盖；

205～第二黏胶；      206～光圈；

207～间隔物；              208～第一透镜；

209～第三黏胶；            210～第一基板；

212～第二基板；            214～第二透镜；

216～第三透镜；            218～第三基板；

220～后置玻璃盖；          222～影像平面；

302～微型影像撷取透镜；    304～前置玻璃盖；

306～光圈；                308～第一透镜；

310～第一基板；            312～第二透镜；

314～第三透镜；            316～第二基板；

318～后置玻璃盖。

具体实施方式

以下描述本发明的实施范例，其揭示本发明的主要技术特征，但不用以限定本发明。

图2所示为本发明一实施例微型影像撷取透镜(miniature image capture lens)的剖面图(y-z面)。此微型影像撷取透镜202可撷取一物体(未图示)的影像，以下章节将由外部至影像平面222(image plane)或传感器，详细描述本实施例微型影像撷取透镜202。首先，提供一前置玻璃盖204(front cover glass)，且其可以涂布紫外光(UV)/红外线(IR)的滤光层。一光圈206和一第一透镜208(正曲率)设置于一第一基板210上。一第二基板212的第一侧接合至第一基板210。一第二透镜214(正曲率)设置于一第二基板212的第二侧上。一第三透镜216(正曲率)设置于一第三基板218上。第三基板218接合至一后置玻璃盖220。在本实施例中，第一透镜208和第二透镜214结合成一新月形的透镜，且第三透镜216为校正透镜(field corrector)，并校正主光线角(chiefray angle)，使其配合影像传感器。

以下以图3和图4更详细说明本发明图2实施例的微型影像撷取透镜，其中图3所示为微型影像撷取透镜的分解图，图4所示为微型影像撷取透镜的剖面图。请参照图3和图4，微型影像撷取透镜202由顶部至底部依序包括一前置玻璃盖204、一间隙垫片201(spacer dam)、一位于第一基板210上的第一透镜208、一第一黏胶203、一位于第二基板212下的第二透镜214、一第二黏胶205、一间隔物207、一第三黏胶209、一位于第三基板218上的第三透镜216及一后置玻璃盖220。

特别是，第一透镜208、第二透镜214和第三透镜216是非球状的，且满足以下条件：

L/f_e＜1.7；

f₁/f_e＝0.5～1.5；

f₂/f_e＝-1～-1.5；

-2＜f₃/f_e＜2；

L：从第一透镜至影像平面的总轨道长度(total track length，TTL)；

f_e：全部透镜系统的有效焦距(effective focal length)；

f₁：第一透镜的有效焦距；

f₁：第二透镜的有效焦距；

f₃：第三透镜的有效焦距；

其中， $\frac{1}{f_i}\≅(n_i-1)(\frac{1}{R_i}-\frac{1}{R_{i+1}})$

n：折射系数

R：光学表面的曲率半径；

在本实施例中，第一基板210、第二基板212和第三基板218可以是具有和透镜材料相称的折射系数的玻璃基板，且其厚度可以为300μm～400μm。间隔物201、207可以是毛玻璃或具有钻孔的高密度黑色塑料。紫外光(UV)/红外线(IR)的滤光层和光圈可以形成于分隔的玻璃基板上(例如前置玻璃盖204)或整合于第一透镜208的表面。第三透镜216用以校正入射光感测器的主光线角。在本实施例中，若最大主光线角(CRA)可被允许为27°，总轨道可低至焦距的1.55倍，若最大主光线角(CRA)可被允许为35°(例如电荷耦合元件或BSI CMOS传感器)，总轨道可低至焦距的1.4倍。

在每个范例中，非球状表面的形状可由方程式1所表示，其特定坐标系统以表面的顶点为原点，且光轴的方向为z轴：

方程式1：，其中 $z=\frac{{\mathrm{CR}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)r^2/R^2}}+\underset{i=2}{\overset{i=20}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{r}^i$

C：顶点曲率(vertex curvature)；

K：圆锥常数(conic constant)；

A_i：第i级非球面系数(aspherical coefficients)；

其中 $r=\sqrt{x^2+y^2}$

本段落将揭示本发明第一范例的系数：

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；

每个透镜的表面数据如以下第一表所示

图5A所示为本范例在各种波长长度条件下像散曲线(astigmatic field curve)的图标，其中线S1～S5显示弧线，线T1～T5显示切线。如图5A所示，本范例的像散像差(astigmatic aberration)约大于0.06mm。图5B所示为本范例在各种波长长度条件下变形曲线(distortion curve)的图标。图5C所示为本范例球面像差的图标，图5D所示为本范例彗星像差的图标。根据以上图5A～5D中的结果显示，本实施例微型影像撷取透镜在像差的部分的确有良好的表现。图6所示为本范例主光线角(CRA)和完全影像高度(real image height)的关系图，如图所示，本范例微型影像撷取透镜可得到线性主光线角(CRA)和完全影像高度的关系。

图7所示为本发明另一实施例微型影像撷取透镜的剖面图(y-z平面视角)。不同于图2的实施例所揭示的第一透镜208和第一基板210结合形成单边透镜，第二透镜214和第二基板212结合形成单边透镜，图7实施例的第一透镜308和第二透镜312仅与一个基板结合形成双边透镜，以下更详细说明本实施例微型影像撷取透镜302的各个单元：一前置玻璃盖304(front cover glass)，且其可以涂布紫外光(UV)/红外线(IR)的滤光层。一光圈306和一第一透镜308(正曲率)设置于一第一基板310的第一侧上。一第二透镜312(正曲率)设置于一第一基板310的第二侧。一第三透镜314(正曲率)设置于一第二基板316上。第二基板316接合至一后置玻璃盖318。在本实施例中，第一透镜308和第二透镜312结合成一新月形的透镜，且第三透镜314为校正透镜(field corrector)，校正主光线角(chief ray angle)使其配合影像传感器。

特别是，第一透镜308、第二透镜312和第三透镜314是非球状的，且满足以下条件：

L/f_e＜1.7；

f₁/f_e＝0.5～1.5；

f₂/f_e＝-1～-1.5；

-2＜f₃/f_e＜2；

本段落将揭示本发明第二范例的系数：

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。

每个透镜的表面数据如以下第二表所示

图8A所示为本范例在各种波长长度条件下像散曲线(astigmatic field curve)的图标。图8B所示为本范例在各波长长度条件下变形曲线(distortion curve)的图标。图8C所示为本范例球面像差的图标。据图8A～8C中的结果显示，本实施例微型影像撷取透镜在像差的部分的确有良好的表现。图9所示为本范例主光线角(CRA)和完全影像高度(real image height)的关系图，如图所示，本范例微型影像撷取透镜可得到主光线角(CRA)和完全影像高度的线性关系。

值得注意的是，虽然说明书中使用透镜这个名词，例如第一透镜、第二透镜和第三透镜，然而，本发明不限于此，透镜亦可以为一个光学应用的“表面”。举例来说，第一透镜、第二透镜和第三透镜可以表示为第一表面、第二表面和第三表面。

虽然本发明已披露较佳实施例如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围应视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种微型影像撷取透镜，包括：

一孔径光圈，具有一孔径，使该微型影像撷取透镜穿过该孔径撷取一影像；

一晶片级透镜系统，包括：

一第一透镜，设置于一第一基板上；

一第二基板，其第一侧接合至该第一基板；

一第二透镜，设置于该第二基板的第二侧上；及

一第三透镜，设置于一第三基板上，其中该第一透镜、该第二透镜

和该第三透镜是非球状，且满足以下条件：

L/f_e＜1.7；

f₁/f_e＝0.5～1.5；

f₂/f_e＝-1～-1.5；

-2＜f₃/f_e＜2；

L：从第一透镜至影像平面的总轨道长度；

f_e：全部透镜系统的有效焦距；

f₁：第一透镜的有效焦距；

f₂：第二透镜的有效焦距；及

f₃：第三透镜的有效焦距。

2.如权利要求1所述的微型影像撷取透镜，其中该第一透镜物侧的表面是正曲率的表面，该第二透镜像侧的表面是正曲率的表面，该第三透镜物侧的表面是正曲率的表面。

3.如权利要求1所述的微型影像撷取透镜，其中该微型影像撷取透镜还包括一位于该第一透镜上方的前置玻璃盖，一紫外光/红外线滤光层形成于该前置玻璃盖或该第一透镜上。

4.如权利要求1所述的微型影像撷取透镜，其中该第一透镜、该第一基板、该第二基板和该第二透镜结合成一新月形的透镜，该第三透镜为一校正透镜，并校正主光线角，使其配合影像传感器。

5.如权利要求1所述的微型影像撷取透镜，其中该微型影像撷取透镜还包括一位于该第二透镜和该第三透镜之间的间隔物。

6.如权利要求1所述的微型影像撷取透镜，其中每个该第一基板、该第二基板和该第三基板的厚度为300μm～400μm。

7.一种微型影像撷取透镜，包括：

一孔径光圈，具有一孔径，使该微型影像撷取透镜穿过该孔径撷取一影像；

一晶片级透镜系统，包括：

一第一透镜，设置于一第一基板的第一侧上；

一第二透镜，设置于该第一基板的第二侧上；及

一第三透镜，设置于一第二基板上，其中该第一透镜、该第二透镜

和该第三透镜是非球状，且满足以下条件：

L/f_e＜1.7；

f₁/f_e＝0.5～1.5；

f₂/f_e＝-1～-1.5；

-2＜f₃/f_e＜2；

L：从第一透镜至影像平面的总轨道长度；

f_e：全部透镜系统的有效焦距；

f₁：第一透镜的有效焦距；

f₂：第二透镜的有效焦距；及

f₃：第三透镜的有效焦距。

8.如权利要求7所述的微型影像撷取透镜，其中该第一透镜物侧的表面是正曲率的表面，该第二透镜像侧的表面是正曲率的表面，且该第三透镜物侧的表面是正曲率的表面。

9.如权利要求7所述的微型影像撷取透镜，其中该微型影像撷取透镜还包括一位于该第一透镜上方的前置玻璃盖，一紫外光/红外线滤光层形成于该前置玻璃盖或该第一透镜上。

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