CN108287401A - 四面近红外晶圆级镜头系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于将场景成像到图像平面上的四面、近红外晶圆级镜头系统包括：(a)第一晶圆级镜头，其具有面向场景的第一凸镜头表面和面向图像平面的第二凹镜头表面；以及(b)第二晶圆级镜头，其安置在第一晶圆级镜头与图像平面之间，且包括面向场景的第三凹镜头表面和面向图像平面的第四非球面凸镜头表面。所述四面、近红外晶圆级镜头系统的进一步特征为：图像分辨率对应于：在物体平面中至少10毫米范围的场景部分上、物体平面中每毫米2个线对具有至少60％对比度。
Description
技术领域
本发明涉及一种镜头系统，且具体地涉及一种四面近红外晶圆级镜头系统。
背景技术
虹膜辨识是生物特征识别的自动化方法，其以与指纹的方式类似的方式利用对每个人而言独特的人虹膜。虹膜辨识通常是基于对人眼的电子图像捕获，随后分析该图像以将虹膜与一个或多个已知的虹膜相比较(例如，借助于模式辨识)。作为用于限制对一个或多个授权用户的系统访问或位置访问的可行技术，虹膜辨识正在崭露头角。近年来，消费电子行业已开始采用虹膜辨识作为个人电子装置(诸如，智能手机)中的授权工具。虽然大多数此类个人电子装置配备有相机，但虹膜辨识将其自身的一组要求强加于相机系统。必须以高空间分辨率来对相对窄的视场成像以便充分详细地解析虹膜的特征，以可靠地确定虹膜是否为授权用户的虹膜。通常，这需要具有精密模造的玻璃镜头和六个以上镜头表面的镜头模块。
发明内容
本文中公开了适合于用于虹膜辨识应用中的镜头系统。这些镜头系统被配置成用于近红外光谱范围中的操作，并使用四个镜头表面以至少在人虹膜大小的视场内实现所需的分辨率。
在实施方案中，一种用于将场景成像到图像平面上的四面、近红外晶圆级镜头系统包括：(a)第一晶圆级镜头，其具有面向场景的第一凸镜头表面和面向图像平面的第二凹镜头表面；以及(b)第二晶圆级镜头，其安置在第一晶圆级镜头与图像平面之间，且包括面向场景的第三凹镜头表面和面向图像平面的第四非球面凸镜头表面。在一个实现方式中，四面、近红外晶圆级镜头系统的进一步特征为：图像平面中的图像分辨率对应于：在跨越物体平面中的至少10毫米范围的场景部分上、物体平面中的每毫米2个线对具有至少60％对比度。在另一实现方式中，四面、近红外晶圆级镜头系统的有效焦距(EFFL)和关联工作距离(WD)至少针对240毫米工作距离满足WD/EFFL<75。在又一实现方式中，第一凸镜头表面具有曲率半径R1，并且第三凹镜头表面具有曲率半径R3，使得R1/R3的绝对值大于0.43，且四面、近红外晶圆级镜头系统的有效焦距使得R3/EFFL的绝对值小于0.84。
附图说明
图1A和图1B示出了根据实施方案的在例示性使用情景中的四面、近红外晶圆级镜头系统。
图2A和图2B示出了作为应用于虹膜辨识使用的图1的镜头系统例示性几何形状方面。
图3A至图3C示出了由图1的镜头系统形成的图像的空间分辨率的例示性测量。
图4示出了根据实施方案的一个四面、近红外晶圆级镜头系统。
图5示出了图4的镜头系统的调制传递函数。
图6A至图6D示出了图4的镜头系统的额外光学性能。
图7示出了根据实施方案的另一个四面、近红外晶圆级镜头系统。
图8示出了图7的镜头系统的调制传递函数。
图9A至图9D示出了图7的镜头系统的额外光学性能。
图10示出了根据实施方案的用于制造四面、近红外晶圆级镜头系统的方法。
图11示出了根据实施方案的用于形成四面、近红外晶圆级镜头系统的晶圆级镜头的方法。
具体实施方式
图1A和图1B示出了在例示性使用情景190中的一个例示性四面、近红外晶圆级镜头系统110，其中镜头系统110用来执行虹膜辨识。图1A示出了在使用情景190中的镜头系统110，且图1B是如在相机模块102中实现的镜头系统110的更详细视图。图1A和图1B最好放在一起看。
在使用情景190中，镜头系统110被并入于个人电子装置100中以作为相机模块102的一部分。相机模块102捕获主体192的虹膜194的由镜头系统110形成的图像。装置100可包括虹膜辨识模块104，所述虹膜辨识模块处理由相机模块102捕获的图像以执行虹膜辨识。在一个实现方式中，虹膜辨识模块104确定虹膜194是否匹配某个已知的虹膜以便决定主体192是否被授权使用装置100。虹膜辨识模块104可将模式辨识算法应用于由相机模块102捕获的图像以评估如由镜头系统110成像的虹膜194模式，并将这些虹膜194模式与被授权使用装置100的用户的模式数据库相比较。如果找到满意的匹配，则装置100可解锁某些功能，且(例如)提供对板载装置100的数据和应用程序的访问。
镜头系统110被配置成对视场(FOV)180成像，所述FOV在镜头系统110与虹膜194之间的实际工作距离196处足够大以涵盖虹膜194的区域，而不对主体192必须使虹膜194与镜头系统110对准以确保虹膜194在FOV 180内的精确度提出过度要求。在一个实施方案中，镜头系统110被配置成用于在处于180与300毫米(mm)之间的范围中(诸如，大约240mm)的工作距离196处进行操作。
镜头系统110包括第一晶圆级镜头120和第二晶圆级镜头130，这两个晶圆级镜头沿光轴170串联地光耦合以将FOV 180内的场景成像到图像平面上。因此由镜头系统110形成的图像被具有直径184的像圈所限定。本文中，镜头系统的“像圈”是指由镜头系统透射出来的光的圆锥可以在图像平面上到达的相对于光轴(例如，光轴170)的位置而言最远位置的一个集合或组。对于轴对称式镜头系统(诸如，本文中所公开的镜头系统)而言，此集合或组描述了图像平面上的圆。本文中将像圈定义为与圆锥在图像平面处的半高全宽一致的圆。
第一晶圆级镜头120形成面向场景(例如，虹膜194)的凸镜头表面123和面向图像平面(例如，背向虹膜194)的凹镜头表面125。第二晶圆级镜头130形成面向场景的凹镜头表面133和面向图像平面的非球面镜头表面135。镜头表面123、125和133中的一者或多者可以是非球面的。镜头系统110能够只使用这四个镜头表面以虹膜辨识所需的空间分辨率来形成图像。相比之下，用于虹膜辨识的常规镜头系统通常包括六个以上的镜头表面。本文中，“镜头表面”是指弯曲表面。在一个实施方案中，镜头系统110只包括这四个镜头表面。在不背离其范围的情况下，除图1B中所示的弯曲表面之外，镜头系统110还可包括一个或多个非常轻微的弯曲表面。在一个此类示例中，图1B中被示为平面的表面具有轻微的曲率。
晶圆级镜头120在基板126的面向场景的表面处形成光阑孔径128。出于这个目的，晶圆级镜头120可在基板126的面向场景的表面上包括不透明涂层129，其中此不透明涂层具有限定光阑孔径128的开口。
在操作中，镜头表面123将射线收集到镜头系统110中，并且镜头表面125调整由镜头表面123收集的射线在穿过光阑孔径128之后的传播方向。和放置在镜头系统110与场景之间相比，将光阑孔径128放置在镜头系统110内有助于保持每个射线束(分别与视场位置相关联)的对称性。镜头表面133和135使射线弯曲到镜头系统110的图像平面上，且还平衡镜头系统110的失真以改善由镜头系统110形成的图像的空间分辨率。
镜头系统110的性质经优化以用于在近红外光谱范围中(至少在825到875nm的范围内，例如在800到900纳米(nm)的范围内)进行操作。虽然图1A和图1B中未示出，但是装置100可包括近红外光源(诸如，近红外发光二极管(LED))，所述近红外光源照亮虹膜194以使得能够由镜头系统110对虹膜194成像。
在某些实施方案中，R1/R3小于-0.43，且R3/EFFL大于-0.84，其中R1是镜头表面123的曲率半径，且R3是镜头表面133的曲率半径。这些关系有助于最小化光学像差(诸如，失真)。本文中，如果曲率中心沿光轴170位于讨论中的镜头表面的下游(即，与讨论中的镜头表面相比离场景更远)，则曲率半径为正，而在讨论中的镜头表面的上游的曲率中心对应于具有负曲率半径的镜头表面。例如，镜头表面123的曲率半径R1为正，而镜头表面133的曲率半径R3为负。
晶圆级镜头120包括基本上为平面的基板126、在基板126的面向场景的表面上的镜头元件122和在基板126的面向图像平面的表面上的镜头元件124。镜头元件122形成镜头表面123，且镜头元件124形成镜头表面125。晶圆级镜头130包括基本上为平面的基板136、在基板136的面向场景的表面上的镜头元件132和在基板136的面向图像平面的表面上的镜头元件134。镜头元件132形成镜头表面133，且镜头元件134形成镜头表面135。
晶圆级镜头120和130中的每一者经由晶圆级镜头模造技术形成，且因此可以低成本和高容量来制造。晶圆级制造方法得益于晶圆级镜头120和130的相对紧凑的横向尺寸以每晶圆制造非常多的晶圆级镜头。制造品良率方面的这种增益大于在使用铸造或机加工来制造镜头时可实现的可归因于大小的增益。
在实施方案中，镜头系统110所包括的镜头只有晶圆级镜头120和130且所包括的镜头表面只有镜头表面123、125、133和135，这与具有更多镜头元件和镜头表面/接口的常规镜头系统相比进一步简化了制造过程。
晶圆级镜头120和130得益于晶圆级大规模制造方法，以实现和与铸造的镜头(诸如，模造的玻璃镜头或机加工的镜头)相关联的制造成本相比更低的制造成本。此外，晶圆级镜头120的晶圆级制造允许镜头元件122和124由与基板126的材料不同的材料制成以及允许镜头元件122和124分别由两种不同的材料制成。同样，晶圆级镜头130的晶圆级制造允许镜头元件132和134由与基板136的材料不同的材料制成以及允许镜头元件132和134分别由两种不同的材料制成。与铸造或机加工的镜头相比，对材料选择的此类额外自由度提供了额外的灵活性以实现晶圆级镜头120和130的所期望的性能特性。在实施方案中，(a)镜头元件122由与镜头元件124的材料不同的材料制成，和/或(b)镜头元件132由与镜头元件134的材料不同的材料制成。
在一个实施方案中，镜头元件122的阿贝数小于镜头元件124的阿贝数。在另一个实施方案中，镜头元件132的阿贝数小于镜头元件134的阿贝数，且可选地也小于镜头元件122和124的阿贝数。镜头元件132的更低的阿贝数起校正色像差(诸如，倍率色差)的作用。
镜头元件122、124、132和134中的每一者被一体式地形成，即由一种材料形成并且形成为一件式。此处，镜头元件122、124、132和134中的每一者自始至终由单一材料形成。然而，在不背离其范围的情况下，镜头元件122、124、132和134中的一者或多者可包括一个或多个表面涂层(诸如，抗反射涂层)。
相机模块102包括镜头系统110和图像传感器140。图像传感器140包括(a)具有像素阵列144的有源层142和(b)保护有源层142的盖玻璃146。图像传感器140定位成使得镜头系统110的图像平面与像素阵列144一致，例如与有源层142的光接收表面145一致。镜头系统110被配置成用于与盖玻璃146合作以在像素阵列144上形成图像。
图像传感器140是(例如)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、电荷耦合装置(CCD)或另一焦平面阵列。
镜头系统110具有总轨道长度(TTL)182。TTL 182是从镜头系统110的图像平面到镜头系统110的离场景最近且离图像平面最远的表面(即，镜头表面123)的距离。在图1中，镜头系统110的图像平面与图像传感器140的有源层142的光接收表面145一致。在实施方案中，TTL182小于4mm，例如在处于3.5与3.8mm之间的范围中，且像圈具有在处于2.4与2.6mm之间的范围中的直径184。
由于以晶圆级制造晶圆级镜头120和130，所以晶圆级镜头120和130中的每一者通常在正交于光轴170的维度上具有矩形(例如，方形)横截面。然而，在不背离其范围的情况下，从晶圆级单一化晶圆级镜头120和130中的一者或两者可包括非标准切割方法，和/或可执行切割后修改，以制造具有非矩形横截面的晶圆级镜头。可将镜头元件122、124、132和134模造到相应的基板上以产生具有圆形周界的镜头表面123、135、133和135。可在个别晶圆级镜头120和130的周界以外执行切割以从晶圆级单一化晶圆级镜头120和130，使得在切割之后镜头表面123、135、133和135具有圆形周界。替代性地，镜头表面123、135、133和135中的一者或多者可在切割期间被截顶以产生具有矩形或截顶的圆形形状的横截面的镜头表面。
图2A和图2B示出了作为应用于虹膜辨识使用的镜头系统110的例示性几何形状方面。图2A示出了通过镜头系统110将物体平面成像到图像平面上。图2A是横截面图，其具有根据坐标系290在y-z平面中所截取的横截面，其中z轴平行于光轴170。图2B示出了物体平面，虹膜194被例示性地放置在其中。物体平面平行于坐标系290的x-y平面。图2A和图2B最好放在一起看。
镜头系统110被配置成在图像平面210处形成图像，所述图像平面设置成与镜头系统110的离场景最近的位置(镜头表面123)相隔TTL182。在操作中，当镜头系统110在相机模块102中实现时，图像平面210与像素阵列144一致。图像平面210的位置经由适于厚镜头的镜头方程式而与相应物体平面220的位置有关：1/so+1/si＝1/EFFL，其中so是从物体平面220到第一主平面的距离，且si是从第二主平面到图像平面210的距离。因此，晶圆级镜头120和130的性质连同以上镜头方程式定义了从镜头系统110到物体平面220的工作距离196。当将虹膜194放置在物体平面220处时，至少在虹膜194位于光轴170上的情况下，镜头系统110形成了虹膜194的最佳聚焦图像。
FOV 180的特征为在60到75度的范围中的FOV角度。本文中，“FOV角度”是从光轴的一侧上的极端到光轴的相反侧上的对应极端测得的。然而，应理解，镜头系统110可与具有矩形像素阵列144的图像传感器140的实施方案联接。此矩形像素阵列144可将镜头系统110的可操作FOV限制为小于FOV 180，例如如在图2B中由可操作FOV 222所指示。例如，像素阵列144可将镜头系统110的可操作FOV减小为(a)在平行于像素阵列144的长边(图2B中为水平的)的维度上的60到65度的可操作FOV 222，和(b)在平行于像素阵列144的短边(图2B中为垂直的)的维度上的30到40度的可操作FOV 222。
在工作距离196处，FOV 180的垂直于光轴170的范围280可比虹膜194的直径294大10到15倍。人虹膜的直径通常在10到13mm的范围中。范围280可在100到200mm的范围中，例如在140到160mm的范围中。镜头系统110被配置成以足够的空间分辨率对虹膜194成像以实现虹膜辨识分析。镜头系统110的有效焦距(EFFL)是如此以至于工作距离196与EFFL的比小于66。此极限确保了FOV 180足够小从而以虹膜辨识所需的空间分辨率来对虹膜194成像。
图3A至图3C示出了由镜头系统110形成的图像的空间分辨率的例示性测量。图3A示出了具有多个线对314的分辨率测试图300。图3B示出了分辨率测试图300的固有对比度。图3C示出了分辨率测试图300的由镜头系统110形成的图像的对比度。图3A至图3C最好放在一起看。
每个线对包括黑线310和白线312。分辨率测试图每距离320具有两个线对314。在镜头系统110的空间分辨率的测量中，分辨率测试图300被放置在物体平面220中，其中线312和310平行于坐标系290的y轴。分辨率测试图沿坐标系290的x轴的强度轮廓由曲线330指示，所述曲线指示曲线330的峰与谷之间的固有距离332。在一个示例中，曲线330的谷具有零强度。当由镜头系统110成像到图像平面210上时，所得图像以图3C中所示的强度轮廓为特征。曲线340指示分辨率测试图300的图像在图像平面210中沿坐标系290的x轴的强度轮廓。由于有限的空间分辨率，至少在被归一化到相应曲线330和340的最大亮度时，曲线340的峰与谷之间的差异342与差异332相比被减小。差异342对应于被计算为C＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)的图像对比度，其中Imax是曲线340的峰的强度值，且Imin是曲线340的谷的强度值。
至少在围绕光轴170的有限范围内，镜头系统110能够产生与曲线340相关联的对于每毫米两个线对而言(即，对于距离320＝1mm而言)至少60％的图像对比度C和与曲线330相关联的100％的固有对比度C。对于每毫米两个线对而言(在物体平面中)至少60％的对比度是对由ISO/IEC 19794-6标准定义的生物特征登记、验证和识别系统的要求。在一个实施方案中，镜头系统110能够至少在以光轴170为中心的直径294的范围内产生对于每毫米两个线对而言至少60％的此对比度。在这个实施方案中，当虹膜194放置在物体平面220中并且以光轴170为中心时，镜头系统110能够以某个空间分辨率(所述空间分辨率以对于每毫米两个线对而言至少60％的对比度为特征)将其完整范围成像到图像平面210上。在不背离其范围的情况下，可将此60％的对比度确定为光学传递函数的模量。
在实施方案中，镜头系统110的放大率是如此以至于物体平面220中的每毫米两个线对对应于图像平面210中的每毫米120个至140个线对，例如图像平面210中的每毫米大约127个线对。
图4示出了一个例示性四面、近红外晶圆级镜头系统400。镜头系统400包括沿光轴470串联地光耦合的第一晶圆级镜头420和第二晶圆级镜头430。通过非限制性示例，镜头系统400说明了上文关于图1、图2A、图2B和图3A至图3C所论述的镜头系统110的有益的概念。虽然公开了镜头系统400的参数的特定值，但是实际值可偏离所公开的值。所公开的参数值是某个范围的值的特定示例，并且可扩展到值的此类范围。镜头系统400是镜头系统110的实施方案。晶圆级镜头420和430分别是晶圆级镜头120和130的实施方案。
镜头系统400被配置成将场景成像到图像平面410上，具有放置在镜头系统400与图像平面410之间的盖玻璃446来。盖玻璃446(例如)由玻璃、塑料或其组合制成。盖玻璃446是盖玻璃146的实施方案。镜头系统400具有总轨道长度(TTL)482，并且在图像平面410上形成具有直径484的像圈。镜头系统400具有FOV 480。FOV 480、总轨道长度482和直径484是FOV 180、总轨道长度182和直径184的示例。
晶圆级镜头420包括：基本上为平面的基板426；镜头元件422，其安置在基板426的基本上为平面的表面427上；以及镜头元件424，其安置在基板426的基本上为平面的表面429上。表面427背向图像平面410，且表面429面朝图像平面410。镜头元件422具有背向图像平面410的非球面凸镜头表面423。镜头元件424具有面朝图像平面410的非球面凹镜头表面425。基板426、镜头元件422、镜头元件424、镜头表面423和镜头表面425分别是基板126、镜头元件122、镜头元件124、镜头表面123和镜头表面125的实施方案。晶圆级镜头420进一步包括孔径光阑428，例如由安置在表面427上的不透明涂层460形成。孔径光阑428是孔径光阑128的实施方案，且不透明涂层460是不透明涂层129的实施方案。
晶圆级镜头430包括：基本上为平面的基板436；镜头元件432，其安置在基板436的基本上为平面的表面437上；以及镜头元件434，其安置在基板436的基本上为平面的表面439上。表面437背向图像平面410，且表面439面朝图像平面410。镜头元件432具有背向图像平面410的非球面凹镜头表面433。镜头元件434具有面朝图像平面410的非球面镜头表面435。基板436、镜头元件432、镜头元件434、镜头表面433和镜头表面435分别是基板136、镜头元件132、镜头元件134、镜头表面133和镜头表面135的实施方案。
在不背离其范围的情况下，基板426和436中的每一者可具有大于图4中所示的直径的直径。在一个此类示例中，基板426包括额外的基板部分450，且基板436包括额外的基板部分452。并且，在这个示例中，基板426的横向范围可超过镜头元件422和424的横向范围，且基板436的横向范围可超过镜头元件432和434的横向范围。例如，镜头元件422、424、432和434可具有圆形横截面，而基板426和436可具有矩形横截面且至少在远离光轴470的一些方向上超过镜头元件422、424、432和434的范围。
在不背离其范围的情况下，虽然下文所呈现的光学性能假定如图4中所说明的光学活性区域，但是镜头元件422、424、432和434中的一者或多者的直径可大于图4中所示的直径。
表1A和1B列出了镜头系统400的镜头数据。镜头数据包括基板426和436、镜头元件422、424、432和434、镜头表面423、425、433和435以及孔径光阑428的设计参数的值。镜头数据还包括盖玻璃(CG)446的配置以及盖玻璃446与图像平面(IMA)410之间的间隙。FOV 480以70度的FOV角度为特征，且表1A列出了根据FOV 480的此FOV角度的假定的物体(OBJ)位置和直径。镜头系统400可与矩形图像传感器140一起在相机模块102中实现，所述图像传感器将FOV 480减小到可操作视场，所述可操作视场以以下两者为特征：(a)在平行于矩形图像传感器的长边的维度上的62度的FOV角度，和(b)在平行于矩形图像传感器的短边的维度上的36度的FOV角度。
在表1A中，在与限定相应元件的第一表面(如从场景看)相同的行中，指示了基板426、镜头元件422、镜头元件424、镜头元件432、基板436、镜头元件434和盖玻璃446中的每一者的材料性质和厚度。表1A中所指示的材料性质是(a)在夫琅和费D谱线λD＝589.3下的折射率nD，和(b)阿贝数。阿贝数是对材料中的光色散的测量，并且被定义为Vd＝(nD-1)/(nF-nC)，其中nF和nC分别是在夫琅和费F谱线λF＝486.1nm和夫琅和费C谱线λC＝656.3nm下的折射率。
表1B列出了镜头表面423、425、433和435中的每一者的非球面系数。对于这些非球面镜头表面中的每一者而言，可以将表面轮廓表达为：
其中Z是作为与光轴470的径向距离s的函数的平行于光轴470的表面凹陷，C是曲率半径的倒数，k是锥形常数，且A4，A6，...是第4阶、第6阶…非球面项。
镜头系统400具有2.5的工作光圈数、3.682mm的有效焦距EFFL、2.48mm的像圈直径484和3.68mm的TTL 482。在TTL 482的此值下，从镜头系统400到关联的物体平面的工作距离WD是240.01mm。由此断定，对于镜头系统400而言，WD/EFFL＝65.2。
如从表1A显而易见，镜头元件422具有与镜头元件424的材料不同的材料，且镜头元件432的材料不同于镜头元件434的材料。在一个示例中，镜头元件422、424、432和434中的每一者由聚合物(诸如，环氧树脂)制成。
镜头表面423具有曲率半径R1＝1.352mm且镜头表面433具有曲率半径R3＝-2.47mm，使得比R1/R3＝-0.55且比R3/EFFL＝-0.67。
图5示出了在图像平面410中的从光轴470到与光轴470相隔0.1mm的距离的区域内如由光学设计程序所评估的镜头系统400的调制传递函数(MTF)。在图像平面410中的与光轴470相隔0.1mm的距离对应于在对应的物体平面中的与光轴470相隔6.3mm的距离。因此，图5中所示的MTF数据覆盖足够大以涵盖放置在光轴470上的虹膜194的区域。图5中所标绘的MTF是在大约850nm的波长下和以物体平面中的每毫米2个线对(其对应于图像平面410中的每毫米127个线对)的空间分辨率来评估的。弧矢射线(数据510)与切向射线(数据520)两者均高于60％的MTF值，其对应于黑线与白线之间至少60％的对比度，如上文关于图3A至图3C所论述。由此断定，由镜头系统400形成的图像的空间分辨率足够用于对放置在光轴470上的虹膜194进行虹膜辨识。
图6A、图6B、图6C和图6D示出了如由光学设计程序所评估的镜头系统400的额外光学性能。图6A、图6B、图6C和图6D分别示出了在假定如表1A中所指示的物体(OBJ)和图像平面(IMA)410的位置的情况下镜头系统400的球面像差、f-theta失真、场曲率和倍率色差。如由图6A、图6B、图6C和图6D所证明，镜头系统400在图像平面410上产生了具有高光学质量的图像。
图6A是镜头系统400的纵向球面像差的图表610。图6A将显示在水平轴上的以毫米为单位的纵向球面像差示作显示在垂直轴上的入瞳高度的函数。垂直轴从光轴470延伸到光轴470的最极端径向距离处(与FOV 480相关联)。最大入瞳半径是rp＝0.7991mm。分别计算在875nm、850nm和825nm下的纵向球面像差曲线612(实线)、614(虚线)和616(虚点线)。
图6B是镜头系统400的f-theta失真的图表620。图6B将显示在水平轴上的以百分数为单位的f-theta失真示作显示在垂直轴上的视场角的函数。垂直轴从光轴470延伸到17.512°的视场角，所述视场角在一个实现方式(其中镜头系统400与具有将对应的可操作视场限制到35度的短边的矩形图像传感器140联接)中对应于可操作视场的极限。失真在波长875nm、850nm和825nm中的每一者下都是相同的，且由失真曲线622指示。
图6C是镜头系统400的珀兹伐场曲率的图表630。显示在水平轴上的以毫米为单位的场曲率是针对显示在垂直轴上的在0与17.512°之间的视场角来标绘的。分别计算在875nm下的弧矢(S)平面和切向(T)平面中的场曲率632和场曲率633。分别计算在850nm下的弧矢(S)平面和切向(T)平面中的场曲率634和场曲率635。分别计算在825nm下的弧矢(S)平面和切向(T)平面中的场曲率636和场曲率637。
图6D是镜头系统400的倍率色误差(也称为横向色像差)的图表640。图6D将显示在水平轴上的以微米为单位的倍率色误差示作显示在垂直轴上的场幅度的函数。垂直轴从光轴470延伸到光轴470的最极端径向距离处(与IC直径484关联)。场幅度的范围为从hmin＝0(轴上)到hmax＝1.2340mm。倍率色差是以850nm作为参考的，使得针对850nm的倍率色差644对于所有场幅度而言为零。计算在875nm下的倍率色差642。计算在825nm下的倍率色差646。为进行比较，图6D还指示了艾里斑648。倍率色差642与倍率色差646两者都完全在艾里斑648内。
图7示出了另一个例示性四面、近红外晶圆级镜头系统700。镜头系统700包括沿光轴770串联地光耦合的第一晶圆级镜头720和第二晶圆级镜头730。通过非限制性示例，镜头系统700示出了上文关于图1、图2A、图2B和图3A至图3C所论述的镜头系统110的有益的概念。虽然公开了镜头系统700的参数的特定值，但是实际值可偏离所公开的值。所公开的参数值是某个范围的值的特定示例，并且可扩展到值的此类范围。镜头系统700是镜头系统110的实施方案。晶圆级镜头720和730分别是晶圆级镜头120和130的实施方案。
镜头系统700被配置成将场景成像到图像平面710上，具有放置在镜头系统700与图像平面710之间的盖玻璃746。盖玻璃746(例如)由玻璃、塑料或其组合制成。盖玻璃746是盖玻璃146的实施方案。镜头系统700具有总轨道长度(TTL)782，并且在图像平面710上形成具有直径784的像圈。镜头系统700具有FOV 780。FOV 780、总轨道长度782和直径784是FOV180、总轨道长度182和直径184的示例。
晶圆级镜头720包括：基本上为平面的基板726；镜头元件722，其安置在基板726的基本上为平面的表面727上；以及镜头元件724，其安置在基板726的基本上为平面的表面729上。表面727背向图像平面710，且表面729面朝图像平面710。镜头元件722具有背向图像平面710的非球面凸镜头表面723。镜头元件724具有面朝图像平面710的非球面凹镜头表面725。基板726、镜头元件722、镜头元件724、镜头表面723和镜头表面725分别是基板126、镜头元件122、镜头元件124、镜头表面123和镜头表面125的实施方案。晶圆级镜头720进一步包括孔径光阑728，例如由安置在表面727上的不透明涂层760形成。孔径光阑728是孔径光阑128的实施方案，且不透明涂层760是不透明涂层129的实施方案。
晶圆级镜头730包括：基本上为平面的基板736；镜头元件732，其安置在基板736的基本上为平面的表面737上；以及镜头元件734，其安置在基板736的基本上为平面的表面739上。表面737背向图像平面710，且表面739面朝图像平面710。镜头元件732具有背向图像平面710的非球面凹镜头表面733。镜头元件734具有面朝图像平面710的非球面镜头表面735。基板736、镜头元件732、镜头元件734、镜头表面733和镜头表面735分别是基板136、镜头元件132、镜头元件134、镜头表面133和镜头表面135的实施方案。
在不背离其范围的情况下，基板726和736中的每一者可具有大于图7中所示的直径的直径。在一个此类示例中，基板726包括额外的基板部分750，且基板736包括额外的基板部分752。并且，在这个示例中，基板726的横向范围可超过镜头元件722和724的横向范围，且基板736的横向范围可超过镜头元件732和734的横向范围。例如，镜头元件722、724、732和734可具有圆形横截面，而基板726和736可具有矩形横截面且至少在远离光轴770的一些方向上超过镜头元件722、724、732和734的范围。
在不背离其范围的情况下，虽然下文所呈现的光学性能假设如图7中所说明的光学活性区域，但是镜头元件722、724、732和734中的一者或多者的直径可大于图7中所示的直径。
表2A和2B列出了镜头系统700的镜头数据。镜头数据包括基板726和736、镜头元件722、724、732和734、镜头表面723、725、733和735以及孔径光阑728的设计参数的值。镜头数据还包括盖玻璃(CG)746的配置以及盖玻璃746与图像平面(IMA)710之间的间隙。FOV 780以70度的FOV角度为特征，且表2A列出了根据FOV 780的此FOV角度的假定的物体(OBJ)位置和直径。镜头系统700可与矩形图像传感器140一起在相机模块102中实现，所述图像传感器将FOV 780减小到可操作视场，所述可操作视场以以下两者为特征：(a)在平行于矩形图像传感器的长边的维度上的62度的FOV角度，和(b)在平行于矩形图像传感器的短边的维度上的36.2度的FOV角度。
在表2A中，在与限定相应元件的第一表面(如从场景看)相同的行中，指示了基板726、镜头元件722、镜头元件724、镜头元件732、基板736、镜头元件734和盖玻璃746中的每一者的材料性质和厚度。表2A中所指示的材料性质是(a)在夫琅和费D谱线λD＝589.3下的折射率nD，和(b)阿贝数。
表2B列出了镜头表面723、725、733和735中的每一者的非球面系数。对于这些非球面镜头表面中的每一者而言，可以将表面轮廓表达为：
其中Z是作为与光轴770的径向距离s的函数的平行于光轴770的表面凹陷，C是曲率半径的倒数，k是锥形常数，且A4，A6,…,…,…是第4阶、第6阶…非球面项。
镜头系统700具有2.5的工作光圈数、3.681mm的有效焦距EFFL、2.47mm的像圈直径784和3.61mm的TTL 782。在TTL 782的此值下，从镜头系统700到关联的物体平面的工作距离WD是240.01mm。由此断定，对于镜头系统700而言，WD/EFFL＝65.2。
如从表2A显而易见，镜头元件722具有与镜头元件724的材料不同的材料，且镜头元件732的材料不同于镜头元件734的材料。在一个示例中，镜头元件722、724、732和734中的每一者由聚合物(诸如，环氧树脂)制成。
镜头表面723具有曲率半径R1＝1.351mm且镜头表面733具有曲率半径R3＝-3.07mm，使得比R1/R3＝-0.44且比R3/EFFL＝-0.83。
图8示出了在图像平面710中的从光轴770到与光轴770相隔0.1mm的距离的区域内如由光学设计程序所评估的镜头系统700的调制传递函数(MTF)。在图像平面710中的与光轴770相隔0.1mm的距离对应于在对应的物体平面中的与光轴770相隔6.3mm的距离。因此，图8中所示的MTF数据覆盖足够大以涵盖放置在光轴770上的虹膜194的区域。图8中所标绘的MTF是在大约850nm的波长下和以物体平面中的每毫米2个线对(其对应于图像平面710中的每毫米127个线对)的空间分辨率来评估的。弧矢射线(数据810)与切向射线(数据820)两者均高于60％的MTF值，其对应于黑线与白线之间至少60％的对比度，如上文关于图3A至图3C所论述。由此断定，由镜头系统700形成的图像的空间分辨率足够用于对放置在光轴770上的虹膜194进行虹膜辨识。
图9A、图9B、图9C和图9D示出了如由光学设计程序所评估的镜头系统700的额外光学性能。图9A、图9B、图9C和图9D分别示出了在假定如表2A中所指示的物体(OBJ)和图像平面(IMA)710的位置的情况下镜头系统700的球面像差、f-theta失真、场曲率和倍率色差。如由图9A、图9B、图9C和图9D所证明，镜头系统700在图像平面710上产生了具有高光学质量的图像。
图9A是镜头系统700的纵向球面像差的图表910。图9A将显示在水平轴上的以毫米为单位的纵向球面像差示作显示在垂直轴上的入瞳高度的函数。垂直轴从光轴770延伸到光轴770的最极端径向距离处(与FOV 780相关联)。最大入瞳半径是rp＝0.7992mm。分别计算在875nm、850nm和825nm下的纵向球面像差曲线912(实线)、914(虚线)和916(虚点线)。
图9B是镜头系统700的f-theta失真的图表920。图9B将显示在水平轴上的以百分数为单位的f-theta失真示作显示在垂直轴上的视场角的函数。垂直轴从光轴770延伸到17.556°的视场角，所述视场角在一个实现方式(其中镜头系统700与具有将对应的可操作视场限制到35.1度的短边的矩形图像传感器140联接)中对应于可操作视场的极限。失真在波长875nm、850nm和825nm中的每一者下都是相同的，且由失真曲线922指示。
图9C是镜头系统700的珀兹伐场曲率的图表930。显示在水平轴上的以毫米为单位的场曲率是针对显示在垂直轴上的在0与17.556°之间的视场角来标绘的。分别计算在875nm下的弧矢(S)平面和切向(T)平面中的场曲率932和场曲率933。分别计算在850nm下的弧矢(S)平面和切向(T)平面中的场曲率934和场曲率935。分别计算在825nm下的弧矢(S)平面和切向(T)平面中的场曲率936和场曲率937。
图9D是镜头系统700的倍率色误差(也称为横向色像差)的图表940。图9D将显示在水平轴上的以微米为单位的倍率色误差示作显示在垂直轴上的场幅度的函数。垂直轴从光轴770延伸到光轴770的最极端径向距离处(与IC直径784关联)。场幅度的范围为从hmin＝0(轴上)到hmax＝1.2340mm。倍率色差是以850nm作为参考的，使得针对850nm的倍率色差944对于所有场幅度而言为零。计算在875nm下的倍率色差942。计算在825nm下的倍率色差946。为进行比较，图9D还指示了艾里斑948。倍率色差942与倍率色差946两者都完全在艾里斑948内。
图10示出了一种用于制造镜头系统110的例示性方法1000。方法1000可用来根据镜头系统400的镜头规格或根据镜头系统700的镜头规格来形成镜头系统110。
在步骤1030中，方法1000装配镜头系统110。步骤1030包括步骤1032，其中晶圆级镜头120和130被安装在夹具中以串联地光耦合晶圆级镜头120和130。在一个示例中，步骤1032利用本领域中已知的方法来将晶圆级镜头120和130安装在夹具中。
可选地，在步骤1030前面是使用晶圆级镜头制造技术来分别形成晶圆级镜头120和130的步骤1010和1020。
在实施方案中，方法1000进一步包括基于如步骤1030中所装配的镜头系统110来制造相机模块102的步骤1040。步骤1040包括将镜头系统110联接到图像传感器140以形成相机模块102的步骤1042。在步骤1042的一个示例中，步骤1032的夹具被安装到图像传感器140上。可选地，步骤1040进一步包括将图像传感器140连接到电子电路板的步骤1044。在步骤1044的一个示例中，镜头系统110电连接到电子电路板。
图11示出了一种用于形成晶圆级镜头120和130中的任一者的例示性方法1100。方法1000的步骤1010和1020中的每一者可实施方法1100。
在步骤1120中，在晶圆的第一表面上形成第一材料的多个镜头元件。在步骤1120的一个实施方案中，在由与基板126相关联的材料制成的晶圆的第一表面上模造多个镜头元件122。例如，将树脂(诸如，聚合物树脂)沉积到晶圆的第一表面上，将具有多个凹部(每一者具有与镜头表面123互补的形状)的模具放置在第一表面(具有树脂)上，使树脂固化，并且从第一表面移除模具。树脂可以是通过将UV光透过晶圆照射到第一表面上的树脂而被固化的紫外线(UV)可固化环氧树脂。在另一个实施方案中，在由与基板136相关联的材料制成的晶圆的第一表面上模造多个镜头元件132。例如，将树脂(诸如，聚合物树脂)沉积到晶圆的第一表面上，将具有多个凹部(每一者具有与镜头表面133互补的形状)的模具放置在第一表面(具有树脂)上，使树脂固化，并且从第一表面移除模具。树脂可以是通过将UV光透过晶圆照射到第一表面上的树脂而被固化的紫外线(UV)可固化环氧树脂。
当用来形成晶圆级镜头120时，方法1100进一步包括在步骤1120之前的步骤1110。在步骤1110中，在晶圆的第一表面上形成多个孔径光阑。这些孔径光阑分别与后续步骤1120中所形成的镜头元件的位置对准。在步骤1110的一个示例中，将涂层129涂覆到晶圆的第一表面以形成多个孔径光阑128。
在步骤1130中，在晶圆的背向第一表面的第二表面上形成第二材料的多个镜头元件。步骤1130可利用与步骤1120相同的方法。在步骤1130的一个实施方案中，在由与基板126相关联的材料制成的晶圆上形成多个镜头元件124。在步骤1130的另一个实施方案中，在由与基板136相关联的材料制成的晶圆上形成多个镜头元件134。第一材料可不同于第二材料。
在步骤1140中，根据步骤1120和1130中所形成的晶圆来单一化多个晶圆级镜头。例如，使用本领域中已知的方法来切割晶圆，以形成多个晶圆级镜头。在步骤1140的一个示例中，单一化晶圆以形成多个晶圆级镜头120。在步骤1140的另一个示例中，单一化晶圆以形成多个晶圆级镜头130。
在不背离其范围的情况下，可在步骤1120之后、在步骤1120之前、在步骤1110之前或在步骤1110与1120之间执行步骤1130。
特征的组合
在不背离其范围的情况下，可以各种方式来组合上文所描述的特征以及下文所要求的特征。例如，将了解，本文中所描述的一种四面、近红外晶圆级镜头系统或关联的制造方法的方面可与本文中所描述的另一种四面、近红外晶圆级镜头系统或关联的制造方法的特征合并或调换。以下示例说明了上文所描述的实施方案的一些可能、非限制性组合。应清楚，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可对本文中的系统和方法作出许多其他改变和修改：
(A1)一种用于将场景成像到图像平面上的四面、近红外晶圆级镜头系统可包括：(a)第一晶圆级镜头，其具有面向场景的第一凸镜头表面和面向图像平面的第二凹镜头表面；以及(b)第二晶圆级镜头，其安置在第一晶圆级镜头与图像平面之间，且包括面向场景的第三凹镜头表面和面向图像平面的第四非球面凸镜头表面。
(A2)被表示为(A1)的镜头系统可进一步以图像平面中的下述图像分辨率为特征，该图像分辨率对应于：在物体平面中的至少10毫米范围的场景部分上、物体平面中的每毫米2个线对具有至少60％对比度。
(A3)在被表示为(A2)的镜头系统中，场景部分可以四面、近红外晶圆级镜头系统的光轴为中心。
(A4)被表示为(A2)和(A3)的镜头系统中的任一者或两者可被配置成在825到875纳米的波长范围中实现60％对比度。
(A5)被表示为(A2)至(A4)的四种镜头系统中的任一者可被配置成至少针对物体平面与第一凸镜头表面之间的240毫米距离实现60％对比度。
(A6)被表示为(A2)至(A5)的镜头系统中的任一者可具有放大率，使得物体平面中的每毫米2个线对对应于图像平面中的每毫米120个至140个线对。
(A7)被表示为(A1)至(A6)的镜头系统中的任一者可具有有效焦距(EFFL)，使得至少针对240毫米工作距离(WD)为WD/EFFL<66。
(A8)在被表示为(A1)至(A7)的镜头系统中的任一者中，第一凸镜头表面可具有曲率半径R1，第三凹镜头表面可具有曲率半径R3，R1/R3的绝对值可大于0.43，且镜头系统的有效焦距(EFFL)可如此以至于R3/EFFL的绝对值小于0.84。
(A9)在被表示为(A1)至(A8)的镜头系统中的任一者中，第一晶圆级镜头可包括：第一平面基板；第一镜头元件，其结合到第一平面基板的面向场景的第一侧，所述第一镜头元件形成第一凸镜头表面；以及第二镜头元件，其结合到第一平面基板的面向图像平面的第二侧，所述第二镜头元件形成第二凹镜头表面，并且第二晶圆级镜头可包括：第二平面基板；第三镜头元件，其结合到第一平面基板的面向场景的第一侧，所述第三镜头元件形成第三凹镜头表面；以及第四镜头元件，其结合到第一平面基板的面向图像平面的第二侧，所述第四镜头元件形成第四非球面镜头表面。
(A10)在被表示为(A9)的镜头系统中，第二镜头元件的阿贝数可大于第一镜头元件的阿贝数。
(A11)在被表示为(A9)和(A10)的镜头系统中的任一者或两者中，第一镜头元件、第三镜头元件和第四镜头元件可具有相同的材料。
在不背离其范围的情况下，可对以上系统和方法作出改变。因此，应注意，以上描述中所包含且附图中所示出的事情应被解释为说明性的而非从限制性的意义上来解释。以下权利要求旨在涵盖本文中所描述的通用和专用特征，以及本系统和方法的范围的所有声明(这些声明在语言上可据称为落在其间)。
Claims (21)
1.一种用于将场景成像到图像平面上的四面、近红外晶圆级镜头系统，包括：
第一晶圆级镜头，具有面向所述场景的第一凸镜头表面和面向所述图像平面的第二凹镜头表面；以及
第二晶圆级镜头，安置在所述第一晶圆级镜头与所述图像平面之间，且包括面向所述场景的第三凹镜头表面和面向所述图像平面的第四非球面凸镜头表面；
其中所述四面、近红外晶圆级镜头系统的进一步特征在于：所述图像平面中的图像分辨率对应于：在物体平面中至少10毫米范围的场景部分上、所述物体平面中每毫米2个线对具有至少60％对比度。
2.根据权利要求1所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，所述场景部分以所述四面、近红外晶圆级镜头系统的光轴为中心。
3.根据权利要求1所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，被配置成在825到875纳米的波长范围中实现所述60％对比度。
4.根据权利要求1所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，被配置成至少针对所述物体平面与所述第一凸镜头表面之间的240毫米距离实现所述60％对比度。
5.根据权利要求1所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，其具有放大率，使得所述物体平面中的每毫米2个线对对应于所述图像平面中的每毫米120个至140个线对。
6.根据权利要求1所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，其具有有效焦距(EFFL)，使得至少针对240毫米工作距离(WD)，WD/EFFL<66。
7.根据权利要求1所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，所述第一凸镜头表面具有曲率半径R1，所述第三凹镜头表面具有曲率半径R3，R1/R3的绝对值大于0.43，且所述四面、近红外晶圆级镜头系统的有效焦距(EFFL)使得R3/EFFL的绝对值小于0.84。
8.根据权利要求1所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，
所述第一晶圆级镜头包括：
第一平面基板；
第一镜头元件，结合到所述第一平面基板的面向所述场景的第一侧，所述第一镜头元件形成所述第一凸镜头表面；以及
第二镜头元件，结合到所述第一平面基板的面向所述图像平面的第二侧，所述第二镜头元件形成所述第二凹镜头表面；以及
所述第二晶圆级镜头包括：
第二平面基板；
第三镜头元件，结合到所述第二平面基板的面向所述场景的第一侧，所述第三镜头元件形成所述第三凹镜头表面；以及
第四镜头元件，结合到所述第二平面基板的面向所述图像平面的第二侧，所述第四镜头元件形成所述第四非球面镜头表面。
9.根据权利要求8所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，所述第二镜头元件的阿贝数大于所述第一镜头元件的阿贝数。
10.根据权利要求9所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，所述第一镜头元件、所述第三镜头元件和所述第四镜头元件具有相同的材料。
11.一种用于将场景成像到图像平面上的四面、近红外晶圆级镜头系统，包括：
第一晶圆级镜头，具有面向所述场景的第一凸镜头表面和面向所述图像平面的第二凹镜头表面；以及
第二晶圆级镜头，安置在所述第一晶圆级镜头与所述图像平面之间，且包括面向所述场景的第三凹镜头表面和面向所述图像平面的第四非球面镜头表面；
其中，至少针对240毫米工作距离(WD)，所述四面、近红外晶圆级镜头系统的有效焦距(EFFL)满足WD/EFFL<75。
12.根据权利要求11所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，其被配置成在825到875纳米的波长范围中操作。
13.根据权利要求11所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，所述第一凸镜头表面具有曲率半径R1，所述第三凹镜头表面具有曲率半径R3，R1/R3的绝对值大于0.43，且所述四面、近红外晶圆级镜头系统的有效焦距(EFFL)使得R3/EFFL的绝对值小于0.84。
14.根据权利要求11所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，
所述第一晶圆级镜头包括：
第一平面基板；
第一镜头元件，结合到所述第一平面基板的面向所述场景的第一侧，所述第一镜头元件形成所述第一凸镜头表面；以及
第二镜头元件，结合到所述第一平面基板的面向所述图像平面的第二侧，所述第二镜头元件形成所述第二凹镜头表面；以及
所述第二晶圆级镜头包括：
第二平面基板；
第三镜头元件，结合到所述第二平面基板的面向所述场景的第一侧，所述第三镜头元件形成所述第三凹镜头表面；以及
第四镜头元件，结合到所述第二平面基板的面向所述图像平面的第二侧，所述第四镜头元件形成所述第四非球面镜头表面。
15.根据权利要求14所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，所述第二镜头元件的阿贝数大于所述第一镜头元件的阿贝数。
16.根据权利要求15所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，所述第一镜头元件、所述第三镜头元件和所述第四镜头元件具有相同的材料。
17.一种用于将场景成像到图像平面上的四面、近红外晶圆级镜头系统，包括：
第一晶圆级镜头，具有面向所述场景的第一凸镜头表面和面向所述图像平面的第二凹镜头表面，所述第一凸镜头表面具有曲率半径R1；以及
第二晶圆级镜头，安置在所述第一晶圆级镜头与所述图像平面之间，且包括面向所述场景的第三凹镜头表面和面向所述图像平面的第四非球面镜头表面，所述第三凹镜头表面具有曲率半径R3使得R1/R3的绝对值大于0.43；
其中，所述四面、近红外晶圆级镜头系统的有效焦距(EFFL)使得R3/EFFL的绝对值小于0.84。
18.根据权利要求17所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，其被配置成在825到875纳米的波长范围中操作。
19.根据权利要求17所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，
所述第一晶圆级镜头包括：
第一平面基板；
第一镜头元件，结合到所述第一平面基板的面向所述场景的第一侧，所述第一镜头元件形成所述第一凸镜头表面；以及
第二镜头元件，结合到所述第一平面基板的面向所述图像平面的第二侧，所述第二镜头元件形成所述第二凹镜头表面；以及
所述第二晶圆级镜头包括：
第二平面基板；
第三镜头元件，结合到所述第二平面基板的面向所述场景的第一侧，所述第三镜头元件形成所述第三凹镜头表面；以及
第四镜头元件，结合到所述第二平面基板的面向所述图像平面的第二侧，所述第四镜头元件形成所述第四非球面镜头表面。
20.根据权利要求19所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，所述第二镜头元件的阿贝数大于所述第一镜头元件的阿贝数。
21.根据权利要求20所述的四面、近红外晶圆级镜头系统，所述第一镜头元件、所述第三镜头元件和所述第四镜头元件具有相同的材料。
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