CN103210333A - 光学单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学单元包括。本发明还涉及这种光学单元的使用方法。在从物侧至成像面的方向上观察时，这种光学单元包括第一基板、第一透镜元件、第二透镜元件和第二基板，其特征在于所述第一基板包括光圈功能。

Description

光学单元

技术领域

本发明涉及一种光学单元。本发明进一步涉及这种光学单元的使用方法。该光学单元可被视为一种透镜组件，且在从物侧至成像面的方向上观察时，该光学单元包括第一基板、第一透镜元件、第二透镜元件和第二基板。

背景技术

国际申请WO2009/158105涉及一种由多个两侧设置有所谓的孔层的透明基板、多个透镜元件和像素阵列类型的图像传感器构成的成像模块，其中上述基板的两侧布置所述透镜，从而使得所述孔层内含在所述透镜和所述基板之间。

和本申请名称相同的欧洲专利申请2202796号涉及一种光学单元，在从物侧至成像面的方向上观察时，其包括第一基板、第一透镜元件、平坦的透明中间层、第二透镜元件和第二基板，其中中间层具有成像面附近的光学校正功能（correctionfunction near the imaging surface）。

国际申请WO2010/074743涉及一种用于形成成像模块的方法，其中透镜堆叠片、间隔片和图像传感器片被形成为模块。

US2010/0118420涉及一种图像捕捉透镜，其包括第一玻璃基板、所述基板的一侧上的第一透镜材料和所述基板的另一侧上的第二透镜材料。

已知光学单元本身和其他物件一起被用于摄像系统，其中关于该摄像系统，人们一直做着不断地努力以找到更小、更轻、更薄、更好和更便宜的摄像系统。例如，根据和本申请名称相同的国际申请WO2004/027880已知一种摄像系统，该摄像系统包括图像捕捉元件、用于将物体在图像捕捉元件处成像的透镜元件、用于保持透镜元件和图像捕捉元件之间的预定间距的间隔件，而此外设置了透镜基板以承载透镜。另外，根据美国专利6985307号已知一种透镜组件，该透镜组件的光学长度必须小，其中光学长度被定义为成像透镜的物侧至CCD等构件的成像面之间的距离。这种透镜通常也被称为紧凑透镜，例如在移动电话中，光学长度必须至少小于电话本身的厚度。透镜还必须被构造成利用这种透镜获得的图像在视觉上能够被接受。因此美国专利6985307号提供了一种透镜组件，该透镜组件由第一透镜元件、第二透镜元件和第三透镜元件构成，其中透镜元件必须符合关于其曲率、透镜元件之间的相对间隔和所使用的透镜元件的厚度的特殊要求。根据国际申请WO2008/011003，已知另外一种摄像系统，其包括三个基板层，在该三个基板层上形成了五个光学元件。

移动电话中使用的摄像模块在越来越减小尺寸的同时需要越来越大的分辨率和越来越多的光学功能。因此，存在开发新的透镜系统的需求，该新的透镜系统包括具有更大的矢高（sagheight）的透镜元件，该透镜元件有时被称为更深的透镜元件（deeper lenses element），其中透镜元件必须至少具有和现有透镜元件相同的尺寸精度。本申请人发现，随着越来越深的透镜元件，使用现有的生产方法时，需要很多的努力以控制预期的尺寸精度。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种光学单元，其中可在没有不期望地增大光学单元的尺寸的同时实现透镜系统的期望的尺寸精度。

本发明的另一个目的在于提供一种光学单元-即透镜组件，其中组装前的各光学元件的性能（nominal performance）和组装后的光学单元的性能（performance after tolerances）处于平衡。

前序部分中描述的发明的特征在于第一基板包括光圈功能（diaphragm function）。

根据本发明，已发现能够使用这种光学单元制造透镜元件系统，在该透镜元件系统中，光圈功能的具体位置（即在第一基板中的具体位置）提供了组装前的各光学元件的性能和组装后的光学单元的性能之间的优化平衡。其中光圈功能位于实质不同的位置（例如位于基板和存在于基板上的透镜元件之间）的光学系统在组装后的光学单元的性能领域表现不足，或者在了组装前的各光学元件的性能领域表现不足。

本发明特别地涉及在基板中存在光圈功能，因此光圈被内含在构成基板的材料之间。例如根据WO2009/158105的图2a应当不难理解该实施方式，在该图2a的结构中，光圈功能位于透明基板的两侧，该结构实质上不同于现有的光学单元中使用的结构。

在本发明的特别的实施方式中，期望所述第一基板能够被视为由至少两个独立的单元组成的基板，其中通过对一个单元的表面施加涂层从而使得孔形成在所述表面上而获得所述光圈功能，该单元以所述光圈功能位于由此构成的所述第一基板内的位置的方式连接于至少另一单元。优选地，通过粘结剂实现单元的连接，粘结剂为辐射固化粘结剂或热固化粘结剂。

术语“涂层”将被理解为能够执行光圈功能的任意层。这种层必须在需要的位置特别地屏蔽光，从而使得基板上的入射光能够在期望的位置通过基板。光圈功能可被解释为除了穿过孔的光之外阻挡光通过。如果基板由两个分离的单元构成，光圈功能将位于所述的两个分离的单元之间，即位于由上述两个分离的单元构成的基板中。优选地，期望上述两个分离的单元由相同的材料制成，特别是例如通过粘结层被牢固地相互连接。如果需要，该基板的一侧或两侧可额外设置有例如玻璃层等附加层，而且可设置红外滤光片、光圈或孔、或透镜层。

在特别的实施方式中，平坦的透明中间层可被布置于第一透镜元件和第二透镜元件之间，该中间层具有成像面附近的光学校正功能，因此已发现与其中不使用这种透明中间层的光学单元相比能够使用相对较浅的透镜元件。在这点上应当注意，如此使用的透明中间层不具有这样的透镜功能，但是光的光束路径受到中间层本身的厚度以及空气和中间层本身的材料的折射率之间的折射率转变的影响。

在具体的实施方式中，期望平坦的中间层由玻璃制成。

在本发明的具体实施方式中，在成像面的方向上观察时，期望第三透镜元件在远离第一透镜元件的位置处抵接第一基板，特别地，第四透镜元件抵接第二基板。

在具体实施方式中，期望所述第一透镜元件、所述第二透镜元件、所述第三透镜元件和所述第四透镜元件具有在20-80范围内的阿贝数和在1.4-1.7范围内的折射率。所述第一透镜元件、所述第二透镜元件、所述第三透镜元件和所述第四透镜元件可以具有相同的阿贝数和相同的折射率，但是在具体实施方式中，期望上述透镜元件中的一个或多个透镜元件具有不同的阿贝数和折射率值。

在具体实施方式中，期望平坦的中间层被构造成由多个层构成的层，因此能够根据需求影响光学单元的光学性能。

成像面附近的光学校正功能包括：增透功能、红外过滤功能和光圈功能。

为了获得中间层和第一透镜元件以及中间层和第二透镜元件的稳固的和尺寸精确的连接，优选使用粘结剂，该粘结剂特别地从由紫外线固化粘结剂和热固化粘结剂构成的组中选择。

在根据本发明的光学单元中，优选地，所述第三透镜元件是平凸透镜，所述第一透镜元件是平凹透镜，所述第二透镜元件是平凹透镜，所述第四透镜元件是平凸透镜，同时特别优选的是，第四透镜元件为平凸/凹透镜。

在光学单元的具体实施方式中，光圈可被布置于第三透镜元件和第一基板之间，或孔可存在于第一基板和第一透镜元件之间。另外，其中附加的层（即光圈或红外滤光片）存在于第二基板的两侧的实施方式是可以想到的。

本光学单元中使用的第一基板和第二基板均特别地包括透明玻璃板，其中与其相关的是，应当注意在具体实施方式中，用于第一基板和第二基板的玻璃优选不同于用于中间层的玻璃。在具体实施方式中，第二基板同时作为传感器屏蔽板。

适于基板的玻璃类型包括具有在1.2-2.2范围内的折射率和在20-90范围内的阿贝数的玻璃。用于基板的玻璃可相同或不相同，但是可应用的阿贝数和折射率值必须落入上述范围内。

在本发明的具体实施方式中，期望第二基板也包括光圈功能。类似于上述的第一基板，第二基板也可以包括至少两个以上分离的单元，所述单元以上述光圈功能包括于基板中的方式相互连接。

本光学单元中使用的中间层优选地具有0.2-10mm的厚度。

本发明人已经发现特别是如果通过使用复制法将第一、第二、第三和第四透镜元件分别形成于第一和第二基板上，能够实现旨在目的，其中基板可已经设置有例如光圈、红外滤光片、紫外滤光片等特定的层。已发现使用复制法能够特别地制造具有可精确预测的曲率的透镜。还发现使用这种方法和平坦的中间层能够在所述平坦的中间层上复制展现出高度的尺寸精度的透镜。

本光学单元特别地可被用于其中使用了CCD或CMOS的、例如被用于移动电话、个人电脑、数码相机、监控摄像机等用的摄像单元的、必须为小尺寸的图像处理单元中。

已发现，使用第一、第二、第三（可能）和第四（可能）透镜元件用的聚合物，同时将玻璃材料用于第一和第二基板，如果存在中间层，还将玻璃材料用于中间层，则使用本发明能够组合聚合物和玻璃。因此，使用了在相对厚的基板上具有小的矢高的透镜设计。额外的优点是特别在这种表面上复制聚合物透镜时，平坦的玻璃板对高精度具有作用。

附图说明

现在将通过多个实施例更详细地说明本发明，然而应当注意，这不意味着本发明局限于这些实施方式。

图1示出了根据现有技术的光学单元；

图2示出了根据本发明的光学单元；

图3示出了其中使用了根据本发明的光学单元的传感器。

具体实施方式

在从物侧至成像面的方向上观察时，图1中示出的光学单元10包括第一基板2，透镜或透镜元件3被布置于第一基板2，透镜3抵靠透镜或透镜元件5，透镜5被布置于第二基板4。另外，设置了第三透镜或透镜元件7和第四透镜或透镜元件8，透镜或透镜元件7被布置于第一基板2，透镜或透镜元件8被布置于第二基板4。该图还示意地示出了穿过光学单元10的光线的路径，这些光线被捕获在图像传感器9（例如CMOS）上。像素阵列型的图像传感器可被用作该图像传感器。附图标记1所表示的位于第三透镜7和第一基板2之间的位置的光圈功能1已经通过首先对第一基板2施加涂层然后将透镜7放置于由此设置有光圈的基板2上而获得。基板2是透明的玻璃板，因此其根本不具有任何光学校正功能。

图2示意性地示出了穿过根据本发明的光学单元20的光线的路径，其中在从物侧至成像面的方向上观察时，该单元包括第三透镜7、第一基板2、第一透镜3、第二透镜5、第二基板4和最后的第四透镜8，其中光线被捕获在图像传感器9（例如CMOS）上。图2清楚地示出了附图标记1表示的光圈功能位于第一基板2内的位置。图2中示出的第一基板2由两个独立的、通过粘结层连接的元件构成，从而使得光圈功能1出现在第一基板2内。因此所述光圈功能被完全内含于基板2中。由于上述的基板2内的位置，所述光圈功能不与任何其他层接触，例如不与透镜元件、红外滤光片或其他光圈层接触。

在本实施方式中，透镜7以及透镜3优选地通过复制法（replication method）形成于第一基板2，其中基板2已经包括内部的光圈功能。同样的优选应用于将透镜5和透镜8形成在第二基板4上。在通过复制法形成所述的两部分之后，使用设置在透镜3和透镜5之间的粘结层（未示出）将该两部分永久地接合在一起，粘结层优选地从紫外光固化粘结剂和热固化粘结剂构成的组中选择。因此整体被固化且获得了光学单元20。在这种光学单元20中，第一基板2和第二基板4均由Schott B270型玻璃制成。在特别的实施方式中，特别是在透镜3和透镜5之间，也能够设置中间层（未示出），通过粘结层使得该中间层被牢固地接合于透镜3和透镜5。用于中间层的合适的材料为SchottD263T。在特别的实施方式中（未示出），例如在基板和透镜之间，也能够设置一个或多个红外滤光片或附加的光圈或孔，或者甚至设置具有涂层的透镜。在光学单元20中出现的诸如透镜、基板、光圈、滤光片等独立的元件被光学对准，从而物侧附近入射的光线的路径会抵达成像面。如果用作第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的树脂复合物彼此相同，则折射率值为1.565且阿贝数为40.8将产生优越的光学性能。然而也可能的是，第三透镜和第四透镜使用折射率值为1.510且阿贝数为60.0的相同树脂材料以产生优越的光学性能，第一透镜和第二透镜使用折射率值为1.565和阿贝数为40.8的相同树脂材料。所述值仅仅是用作实施例，不应当被视为限制。

表1(不是根据本发明)

表2(根据本发明)

表1和表2分别示出了图1的光学系统和图2的光学系统的公差分析的结果。根据该表1和表2，结果如下：图2中示出的光圈功能存在于基板内的设计比其中光圈功能存在于基板上的光学系统提供了更稳定的方案。

图3示意性地示出了根据本发明的光学传感器30，其中在适当之处使用了与上述的附图1-2相同的附图标记。更特别地，在光学单元30中，光圈16被布置于透镜5和第二基板4之间。该光圈的位置不能被视为对本发明保护范围的限制，光圈功能在一些实施方式中也可以被省去。然而，光圈1存在于第一基板2中是本发明的要素。在一些实施方式中，与上述的为第一基板2设置光圈功能的方式相似，也能够在第二基板4中包括光圈功能（未示出）。

通过间隔件11将以这种方式获得的由透镜7、设置有光圈1的第一基板2、透镜3、中间层6、透镜5、第二基板4和透镜8构成的组件放置于图像传感器上，该图像传感器包括盖板12、彩色滤光片13、CMOS层15和球栅阵列14。所述图像传感器的结构不能被视为限制。一方面在间隔件11和图像传感器之间的接合和另一方面在间隔件和第四透镜8之间的接合均通过粘结层（未示出）实现。在具体的实施方式中，期望红外滤光片17存在于中间层6的表面上，位于透镜5和中间层6之间。这种构造的优点在于透镜5可以被复制在“干净”的第二基板上。本发明人已经发现在设置有红外滤光片的基板上复制透镜会导致曲率问题。因此在一些实施方式中，期望红外层已经存在于中间层6上，此种情况下该红外层将直接抵接透镜5。

Claims (32)

1.一种光学单元，在从物侧至成像面的方向上观察时，所述光学单元包括第一基板、第一透镜元件、第二透镜元件和第二基板，其特征在于，所述第一基板包括光圈功能。

2.根据权利要求1所述的光学单元，其特征在于，所述第一基板能够被视为由至少两个独立的单元组成的基板，其中通过对一个单元的表面施加涂层从而使得孔形成在所述表面上而获得所述光圈功能，该单元以所述光圈功能位于由此构成的所述第一基板内的位置的方式连接于至少另一单元。

3.根据权利要求2所述的光学单元，其特征在于，通过使用粘结剂实现所述独立的单元的连接。

4.根据权利要求1-3中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，第三透镜在远离所述第一透镜的位置抵接所述第一基板。

5.根据权利要求1-4中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，从所述成像面的方向上观察时，第四透镜抵接所述第二基板。

6.根据权利要求1-5中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述第二基板也包括光圈功能。

7.根据权利要求1-6中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，平坦的中间层被布置于所述第一透镜元件和所述第二透镜元件之间，该中间层具有成像面附近的校正功能。

8.根据权利要求7所述的光学单元，其特征在于，所述平坦的中间层由玻璃制成。

9.根据权利要求7-8中的一项或两项所述的光学单元，其特征在于，所述平坦的中间层能包括多层。

10.根据权利要求7-9中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述平坦的中间层具有增透功能。

11.根据权利要求7-10中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述平坦的中间层具有红外滤光功能。

12.根据权利要求7-11中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述平坦的中间层具有光圈功能。

13.根据权利要求7-12中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述中间层通过粘结剂接合于所述第一透镜元件和所述第二透镜元件。

14.根据权利要求13所述的光学单元，其特征在于，所述粘结剂从紫外线固化粘结剂和热固化粘结剂构成的组中选择。

15.根据权利要求4-14中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述第三透镜元件是平凸透镜。

16.根据权利要求1-15中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述第一透镜元件是平凹透镜。

17.根据权利要求1-16中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述第二透镜元件是平凹透镜。

18.根据权利要求15-17中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述第四透镜元件是平凸透镜。

19.根据权利要求18所述的光学单元，其特征在于，所述第四透镜元件是组合的平凸/凹透镜。

20.根据权利要求1-19中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，光圈被布置于所述第三透镜元件和所述第一基板之间。

21.根据权利要求1-20中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，孔存在于所述第一基板和所述第一透镜元件之间。

22.根据权利要求1-21中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板均包括透明玻璃板。

23.根据权利要求22所述的光学单元，其特征在于，所述第一基板用的玻璃和所述第二基板用的玻璃不同于所述中间层用的玻璃。

24.根据权利要求1-23中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述中间层具有0.2mm-10mm的厚度。

25.根据权利要求1-24中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，通过使用复制法将所述第一透镜元件、所述第二透镜元件、所述第三透镜元件和所述第四透镜元件分别形成在所述第一基板和所述第二基板上。

26.根据权利要求1-25中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板具有在20-90范围内的阿贝数和在1.2-2.2范围内的折射率。

27.根据权利要求1-26中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述第一透镜元件、所述第二透镜元件、所述第三透镜元件和所述第四透镜元件具有在20-80范围内的阿贝数和在1.4-1.7范围内的折射率。

28.根据权利要求27所述的光学单元，其特征在于，所述第一透镜元件、所述第二透镜元件、所述第三透镜元件和所述第四透镜元件具有相同的阿贝数和相同的折射率。

29.根据权利要求1-28中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述第二基板同时用作传感器屏蔽板。

30.根据权利要求1-29中的一项或多项所述的光学单元，其特征在于，所述第一基板能够被视为是两个独立的单元，该两个独立的单元以所述光圈功能在两个所述独立的单元之间、位于所述第一基板内的方式被连接。

31.根据权利要求30所述的光学单元，其特征在于，所述独立的单元由相同的材料制成。

32.根据权利要求1-32中的一项或多项所述的光学单元的使用方法，所述光学单元用于图像处理单元，特别地用于摄像单元。

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