JP2010114731A

JP2010114731A - カメラモジュールの製造方法

Info

Publication number: JP2010114731A
Application number: JP2008286527A
Authority: JP
Inventors: Akira Ushijima; 彰牛島; Takeshi Karuishi; 猛軽石
Original assignee: Toshiba Corp; Iwate Toshiba Electronics Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Japan Semiconductor Corp
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2010-05-20
Also published as: US20100118157A1; US8098284B2

Abstract

【課題】この発明は、組立時間を短縮できるカメラモジュールの製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】測定装置２０は、レンズユニット９を保持して光軸方向に移動させるアクチュエータ２２を有する。レンズユニット９を基準撮像素子２１に対向させてテストチャートＴを撮像し、ジャストフォーカス位置にレンズユニット９を位置決めする。このときの基準撮像素子２１とレンズユニット９との間のギャップを再現して、一体化する撮像素子と当該レンズユニット９を当該ギャップで対向させて固定する。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば、携帯電話に組み込まれるカメラモジュールの製造方法に関する。

従来、カメラモジュールとして、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の半導体素子（撮像素子）に、被写体の像を結像させるためのレンズを一体に組み合わせたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このカメラモジュールを組み立てる際には、レンズを介して撮像素子でチャートを撮像し、その画像を見ながらレンズを撮像素子に対して光軸方向に位置調整し、ジャストフォーカス位置でレンズを撮像素子に固定する。

しかし、このように、チャートを撮像してレンズを撮像素子に対して位置調整してそのまま固定する方法では、各撮像素子に通電して信号が安定するまでに数秒を要するため、多数のカメラモジュールを製造した場合、工程全体としてカメラモジュールの組立時間が長くなる問題があった。
特開２００７−１１６５１０号公報（［００５４］段落）

この発明の目的は、組立時間を短縮できるカメラモジュールの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のカメラモジュールの製造方法は、撮像素子の撮像面に被写体の像を結像するための光学部材を一体化したカメラモジュールを製造する方法であって、上記撮像素子と同じ光学特性を有する基準撮像素子と上記光学部材を対向させてこの光学部材を介してテスト用の被写体を撮像し、当該光学部材と基準撮像素子を光軸方向に相対的に移動させて、当該被写体の像が上記基準撮像素子の撮像面に結像するジャストフォーカス位置を測定する測定工程と、この測定工程で測定したジャストフォーカス位置に上記基準撮像素子と当該光学部材を配置したときの当該基準撮像素子と光学部材との間の距離で、一体化の対象となる上記撮像素子と当該光学部材が対向するように、当該撮像素子と光学部材を位置決めして固定する一体化工程と、を有する。

上記発明によると、基準撮像素子に光学部材を対向させてテスト用の被写体を撮像し、基準撮像素子と光学部材を光軸方向に相対的に移動させて、被写体の像が基準撮像素子の撮像面に結像するジャストフォーカス位置を測定し、このジャストフォーカス位置に基準撮像素子と光学部材を配置したときの両者間の距離を再現して、一体化の相手となる撮像素子と当該光学部材を対向させて固定するようにしたため、一体化する撮像素子に通電する必要が無く、撮像素子の出力信号が安定するまでの待機時間が不要となり、複数のカメラモジュールを製造する場合における組立時間を短縮できる。

この発明のカメラモジュールの製造方法によると、カメラモジュールの組立時間を短縮できる。

以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１には、カメラモジュール１の断面図を示してある。このカメラモジュール１は、例えば、携帯電話に組み込まれる。

カメラモジュール１は、ＣＭＯＳセンサチップ２（以下、単に、センサチップ２と称する）の撮像面３上に隙間ｇを空けてカバーガラス４を貼り付けた撮像素子５と、２枚のレンズ６、７の光軸を一致させてレンズ鏡筒８で保持したレンズユニット９（光学部材）と、をギャップＧを介してレンズの光軸方向に並べて一体に貼り合せて構成されている。レンズユニット９は、その焦点位置がセンサチップ２の撮像面３と一致するように光軸方向に位置調整（フォーカス）されて撮像素子５のカバーガラス４に貼り付けられている。このカメラモジュール１は、半田ボール１１を用いて撮像素子５を配線基板１０に電気的に接続することで携帯電話に組み込まれる。

なお、ここでは半田ボール１１を用いてカメラモジュール１を配線基板１０に接続した場合について説明するが、ワイヤーボンディングによりカメラモジュール１を配線基板１０に取り付けても良い。また、撮像素子５のセンサチップ２は、上述したＣＭＯＳセンサチップに限らず、例えばＣＣＤセンサチップなどの他の半導体素子を用いても良い。

ところで、上述したカメラモジュール１を構成する撮像素子５およびレンズユニット９は、それぞれ、個体間で光学特性にばらつきを有する。このため、単に両者を一定のギャップＧで貼り合わせただけでは、カメラモジュール１として正常に機能しない。つまり、上述したカメラモジュール１を製造する際には、レンズユニット９を介して撮像素子５で被写体を撮像したとき、被写体の像が撮像素子５の撮像面３に結像するように、レンズユニット９を撮像素子５に対して光軸方向に高精度に位置調整する必要がある。

しかし、撮像素子５にレンズユニット９を位置合わせして貼り付ける際に、その都度、撮像素子５に通電してテストチャートを撮像し、このテストチャートの画像をモニターしつつ両者間の位置調整を行う従来の調整方法を採用すると、カメラモジュール１を組み立てる度に撮像素子５に通電する必要があり、通電して撮像素子５の信号が安定するまで一定の待機時間（通常、２秒程度）が必要となる。つまり、この方法を採用して多数のカメラモジュール１を製造した場合、製造工程全体として処理時間が長くなり、生産性が低下してしまう。

このため、本実施の形態では、図２に示す測定装置２０を用いて、各レンズユニット９に固有の光学特性（すなわち、各レンズユニット９の基準撮像素子２１に対するジャストフォーカス位置）を順次測定し、各レンズユニット９とそれぞれ一体化される撮像素子５に対し、測定したジャストフォーカス位置に各レンズユニット９を対向配置して貼り合せるようにした。具体的には、測定装置２０にセットしたレンズユニット９をジャストフォーカス位置に配置したときの基準撮像素子２１との間のギャップＧを、一体化の相手となる実際の撮像素子５との間で再現して両者を固定するようにした。

このように、基準撮像素子２１を用いて複数のレンズユニット９の光学特性を測定することで、貼り合せ相手の各撮像素子５それぞれに通電する必要がなくなり、カメラモジュール１の製造に要する工程全体としての処理時間を大幅に短縮できる。

図２に示すように、測定装置２０は、基準撮像素子２１の撮像面に対向する位置で測定対象となるレンズユニット９を脱着可能に保持するとともに、保持したレンズユニット９を撮像面に対して離接させるよう昇降移動させるアクチュエータ２２を有する。レンズユニット９は、撮像面と直交する方向に光軸が延びる姿勢でアクチュエータ２２にセットされ、その光軸方向に沿って移動可能となっている。

基準撮像素子２１は、図６に模式図を示すように、上述した撮像素子５と同じ構造を有し、センサチップ２の撮像面３に隙間ｇ（ここでは図示省略）を空けてカバーガラス４を貼り付けて構成されている。つまり、基準撮像素子２１は、カメラモジュール１を構成する撮像素子５と同じ光学特性を有する。

そして、この基準撮像素子２１は、半田ボール１１を介して測定装置２０の配線基板２３に電気的に接続され、樹脂２４によって配線基板２３に一体に固定されている。つまり、この基準撮像素子２１は、測定装置２０の図示しないフレームに固定的に取り付けられている。なお、基準撮像素子２１の取り付け角度は、センサチップ２の撮像面３が水平になる角度に設定されている。

この他に、測定装置２０は、図２に示すように、配線基板２３（図６）を介して基準撮像素子２１に通電するとともに基準撮像素子２１で光電変換された画像信号を処理するフォーカスＰＣ２５、およびメインコントローラ２６を有する。メインコントローラ２６は、フォーカスＰＣ２５にコマンドを与えてフォーカスＰＣ２５との間で各種データを送受信し、アクチュエータ２２を駆動制御する。

カメラモジュール１を製造するための準備として、上述した基準撮像素子２１の光学的距離Ｄ0を予め測定しておく。ここで言う光学的距離Ｄ0とは、センサチップ２の撮像面３の高さ位置、カバーガラス４の厚さ、および隙間ｇによって決まる光路長であり、後述するようにレーザ変位計を用いて撮像面３、カバーガラス４の表面、および裏面の高さを測定することで算出できる。そして、予め測定した基準撮像素子２１の光学的距離Ｄ0を後述する補正値αの算出基準として記憶しておく。光学的距離Ｄ0および補正値αの算出方法については後に詳述する。

図３には、上述した測定装置２０を用いてレンズユニット９の光学特性を測定する方法を説明するためのフローチャートを示してある。また、図４には、測定装置２０の動作タイミングを説明するためのタイミングチャートを示してある。

レンズユニット９の光学特性を測定する場合、初めに、基準撮像素子２１のセンサチップ２に通電して信号を安定させる（図３、ステップＳ１１）。そして、図５に示すように、測定対象となるレンズユニット９をトレイ３１から取り出して、測定装置２０のアクチュエータ２２にセットする（図３、ステップＳ１２）。

この状態で、図６に示すように、当該レンズユニット９を介して基準撮像素子２１で、背面側に光源３２を配置したテストチャートＴ（テスト用の被写体）を撮像し、レンズユニット９をアクチュエータ２２で間欠的に移動させる。このとき、テストチャートＴの像が基準撮像素子２１のセンサチップ２の撮像面３に結像するレンズユニット９の高さ位置（以下、この位置をジャストフォーカス位置と称する）を挟んで、ジャストフォーカス位置より上方からレンズユニット９を徐々に下降させてジャストフォーカス位置を少なくとも過ぎる位置までレンズユニット９を移動させる。

上述したように、ジャストフォーカス位置は、レンズユニット９毎に固体差がある。このため、本実施の形態では、当該測定装置２０を用いて、基準となるレンズユニットのジャストフォーカス位置を予め測定しておき、この基準レンズユニットの高さ位置をゼロ基準として、測定対象となるレンズユニット９を上方に５０［μｍ］離間したホーム位置から下方に７０［μｍ］離間した位置まで２０［μｍ］ずつ間欠的に移動させるようにした。

図４のタイミングチャートに示すように、基準撮像素子２１に通電してレンズユニット９を介してテストチャートＴを撮像すると、基準撮像素子２１で光電変換された画像データが基準センサ出力として基準撮像素子２１から出力される。そして、メインコントローラ２６からトリガー信号が出力（図４、タイミングＴ１）されると、フォーカスＰＣ２５が画像データの取り込みを開始する。

タイミングＴ１では、アクチュエータ２２はホーム位置に停止しており、レンズユニット９は、ジャストフォーカス位置より上方に５０［μｍ］離間したホーム位置に配置されている。フォーカスＰＣ２５は、メインコントローラ２６から出力されるトリガー信号に応じて、基準撮像素子２１から出力されている画像データを取り込んで、撮像した画像のコントラスト［％］を算出する。フォーカスＰＣ２５で算出したデータは、図７に示すように、レンズユニット９の高さ位置に関連付けて図示しないメモリに記憶される。

そして、フォーカスＰＣ２５が画像データを取り込んで演算を開始したタイミングＴ２で、メインコントローラ２６は、アクチュエータ２２に対してレンズ下げ信号を出力し、アクチュエータ２２は、フォーカスＰＣ２５が演算をしているときに、レンズユニット９を２０［μｍ］だけ下降させる。

レンズユニット９がホーム位置から２０［μｍ］下降されると、タイミングＴ３でレンズユニット９の移動が終了したことをトリガーとして、メインコントローラ２６からフォーカスＰＣ２５に対して次の画像データの取り込み開始が指示され、フォーカスＰＣ２５が次の画像データを取り込む。そして、フォーカスＰＣ２５は、取り込んだ画像データに基づいてコントラストを演算し、演算結果をメモリに記憶する。

測定装置２０は、以降、上記一連の動作を、レンズユニット９がジャストフォーカス位置より７０［μｍ］下方に下降されるまで続け、レンズユニット９の高さ位置が５０［μｍ］、３０［μｍ］、１０［μｍ］、−１０［μｍ］、−３０［μｍ］、−５０［μｍ］、−７０［μｍ］のときそれぞれの画像のコントラストを演算してメモリに記憶する（図７）。

そして、最後に取り込んだ画像のコントラストを演算した後、フォーカスＰＣ２５は、図７に示すグラフからコントラストがピークを示すレンズユニット９の高さ位置、すなわちジャストフォーカス位置を演算し（図３、ステップＳ１３）、タイミングＴ４で、当該レンズユニット９に固有の焦点距離に関するデータとしてメインコントローラ２６に送信する。本実施の形態では、図７に示すように、当該レンズユニット９のジャストフォーカス位置は、ゼロ基準より１０［μｍ］上方の位置であった。

メインコントローラ２６は、タイミングＴ４でフォーカスＰＣ２５からデータを受信した後、当該レンズユニット９をジャストフォーカス位置に配置したときの基準撮像素子２１との間のギャップＧを算出し（図３、ステップＳ１４）、図示しないメモリに記憶する（ステップＳ１５）。このとき、メインコントローラ２６は、各レンズユニット９に固有の焦点距離に関するデータとして、ステップＳ１４で算出したギャップＧを当該レンズユニットを特定するためのシリアル番号などと関連付けて記憶する。

そして、測定装置２０は、光学特性を測定する対象となるレンズユニット９が無くなるまで（ステップＳ１６；ＮＯ）、上述したステップＳ１１からステップＳ１５の処理を続け、測定対象の全てのレンズユニット９の光学特性、すなわちギャップＧを測定して記憶する。なお、ここでは、ギャップＧをレンズユニット９に固有の光学特性として測定する場合について説明したが、各レンズユニット９の実際の焦点距離を測定しても良い。

図８には、上記のようにギャップＧを測定したレンズユニット９と一体化される撮像素子５の光学特性を測定する方法について説明するためのフローチャートを示してある。ここでは、各撮像素子５の光学的距離Ｄを算出して、上述した基準撮像素子２１の光学的距離Ｄ0との差を算出し、補正値αを算出する方法について説明する。なお、上述した基準撮像素子２１もここで説明するように光学的距離Ｄ0を測定するものとする。また、基準撮像素子２１の各部位の寸法も予め測定しておく。

まず、図９に示すように、測定対象となる撮像素子５をトレイ４１から取り出して、図１０に示すように、ステージ４２上にセットする（図８、ステップＳ２１）。ステージ４２は、撮像素子５の半田ボール１１を受け入れる凹所を形成した上面４２ａを有し、この上面４２ａに撮像素子５のセンサチップ２（図１）の裏面を接触せしめて載置する。なお、図９および図１０では、撮像素子５のセンサチップ２の撮像面３とカバーガラス４の裏面４ｂとの間の隙間ｇの図示を省略してある。

そして、ステージ４２の上方に離間して配置したレーザ変位計４３によって、撮像素子５の撮像面３の高さＨ1、カバーガラス４の裏面４ｂの高さＨ2、および表面４ａの高さＨ3を測定する（ステップＳ２２）。このとき、測定基準Ｈ0は、例えば、ステージ４２の上面４２ａに設定する。また、本実施の形態では、撮像素子５の１辺の長さが５［ｍｍ］程度であるため、各面３、４ａ、４ｂの高さを１点で測定したが、測定ポイントを複数個所に設定しても良い。

さらに、図示しない演算部において、レーザ変位計４３で測定した各面Ｈ1、Ｈ2、Ｈ3、およびカバーガラス４の屈折率ｎに基づいて、下式のように、当該撮像素子５の光学的距離Ｇ’を算出する（ステップＳ２３）。このとき、基準撮像素子２１のカバーガラス４の厚さと測定対象の撮像素子５のカバーガラス４の厚さ（Ｈ3−Ｈ2）との差をΔＴとし、基準撮像素子２１の撮像面３の高さと測定対象の撮像素子５の撮像面３の高さＨ1との差をΔＨとする。また、レンズユニット９に固有の光学特性を上述したギャップＧとする。

Ｇ’＝Ｇ＋ΔＴ×ｎ＋ΔＨ
この後、演算部において、ステップＳ２３で算出した光学的距離Ｇ’と図３のステップＳ１４で算出してステップＳ１５で記憶した基準撮像素子２１の光学的距離Ｄ0（基準値）とを比較し（ステップＳ２４）、両者の差を当該撮像素子５に固有の補正値αとして算出し（ステップＳ２５）、図示しないメモリに記憶する（ステップＳ２６）。この場合、補正値αは、ΔＴ×ｎ＋ΔＨとなる。補正値αは、撮像素子５を特定するためのシリアル番号などと関連付けて記憶する。

以上、ステップＳ２１〜ステップＳ２６の処理を、測定対象となる撮像素子５が無くなるまで（ステップＳ２７；ＮＯ）続け、各撮像素子５の光学特性として、補正値αを記憶しておく。

そして、図１１に示すように、上述したようにギャップＧを算出したレンズユニット９と、上述したように補正値αを算出した撮像素子５と、を補正距離Ｇ＋αで対向させて固定し、カメラモジュール１を製造する。

この場合、まず、図１２に示すように、ステージ４２上に配置されている撮像素子５のカバーガラス４の表面４ａに、ディスペンサー５１を介して、紫外線により硬化するタイプの接着剤５２を塗布する（図１１、ステップＳ３１）。接着剤５２の塗布位置は、センサチップ２の撮像面３の有効領域に重ならない外側の領域に設定される。

なお、ここでは、図８のステップＳ２１でステージ４２上にセットした撮像素子５をそのまま動かさずに連続した工程で接着剤を塗布する場合について説明するが、補正値αを算出した撮像素子５を後工程で別のステージに移し替えて接着剤を塗布するようにしても良い。つまり、補正値αは各撮像素子５に関連付けされてメモリに記憶されているため、補正値αを任意のタイミングで読み出すことで別工程にできる。

ステップＳ３１で接着剤５２を塗布した後、図１３に示すように、一体化する相手となるカメラユニット９をアクチュエータ５３で保持してステージ４２上の撮像素子５に対向させ、レンズユニット９を光軸方向に移動させて撮像素子５との間の距離を調整する。このとき、撮像素子５のカバーガラス４の表面４ａとレンズユニット９の下端９ｂとの間のギャップが補正距離Ｇ＋αになるようにアクチュエータ５３を動作させる（ステップＳ３２）。

このとき、アクチュエータ５３は、図６で説明したアクチュエータ２２をそのまま使用しても良い。つまり、図３のステップＳ１３に連続して、アクチュエータ２２で保持したレンズユニット９を、そのまま、図８のステップＳ２２の処理を経たステージ４２上の撮像素子５に対向させて両者間の距離を調整しても良い。

ステップＳ３２で撮像素子５とレンズユニット９を位置決めした後、図１４に示すように、撮像素子５とレンズユニット９との間に塗布されている接着剤５２に紫外光Ｌを照射して接着剤５２を硬化させ、撮像素子５とレンズユニット９を固定する（ステップＳ３３）。これにより、カメラモジュール１が製造される。そして、このカメラモジュール１は、図１５に示すように、吸着アーム５４によって吸着保持されて、ステージ４２からトレー５５に移し替えられて収納される。この後、固定する撮像素子５およびレンズユニット９が無くなるまで（ステップＳ３４；ＮＯ）、ステップＳ３１〜ステップＳ３３の処理が繰り返される。

以上のように、本実施の形態によると、常時通電状態の基準撮像素子２１を用いて複数のレンズユニット９の光学特性を測定することで、貼り合せ相手の各撮像素子５それぞれに通電する必要がなくなり、カメラモジュール１の製造に要する工程全体としての処理時間を大幅に短縮できる。また、撮像素子５の個体間における光学特性の違いを補正するため、各撮像素子５の光学的距離Ｄを算出して補正値αを算出するようにしたため、撮像素子５の光学特性のずれをも吸収でき、信頼性の高いカメラモジュール１を製造できる。

なお、この発明は、上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、上述した実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。

例えば、上述した実施の形態では、レンズユニット９の光学特性を測定して補正値αを算出した撮像素子５と組み合わせる場合について説明したが、これに限らず、撮像素子５の寸法誤差が少なく光学的距離Ｄの差が殆ど無い場合には、図８で説明した処理を省略して図３で算出したギャップＧだけを再現するようにレンズユニット９と撮像素子５を一体化するようにしても良い。

この発明の実施の形態に係るカメラモジュールを示す概略断面図。図１のカメラモジュールのレンズユニットの光学特性を測定する測定装置の概略図。図２の測定装置による動作を説明するためのフローチャート。図２の測定装置の動作タイミングを説明するためのタイミングチャート。レンズユニットを取り出す動作を説明するための動作説明図。レンズユニットを基準撮像素子に対向させてテストチャートを撮像している状態を示す動作説明図。図２の測定装置による測定結果を示すグラフ。撮像素子の光学特性を算出する動作を説明するためのフローチャート。撮像素子を取り出す動作を説明するための動作説明図。撮像素子の光学的距離を測定する動作を説明するための動作説明図。光学特性を測定したレンズユニットと補正値を算出した撮像素子を一体化する動作を説明するためのフローチャート。ステージにセットした撮像素子に接着剤を塗布する動作を説明するための動作説明図。撮像素子にレンズユニットを位置決めする動作を説明するための動作説明図。接着剤を硬化させて固定する動作を説明するための動作説明図。撮像素子とレンズユニットを固定したカメラモジュールを収納する動作を説明するための動作説明図。

符号の説明

１…カメラモジュール、２…ＣＭＯＳセンサチップ、３…撮像面、４…カバーガラス、５…撮像素子、６、７…レンズ、８…鏡筒、９…レンズユニット、１１…半田ボール、２０…測定装置、２１…基準撮像素子、２２…アクチュエータ、２５…フォーカスＰＣ、２６…メインコントローラ、４２…ステージ、５２…接着剤、α…補正値、Ｇ…ギャップ、Ｔ…テストチャート。

Claims

撮像素子の撮像面に被写体の像を結像するための光学部材を一体化したカメラモジュールを製造する方法であって、
上記撮像素子と同じ光学特性を有する基準撮像素子と上記光学部材を対向させてこの光学部材を介してテスト用の被写体を撮像し、当該光学部材と基準撮像素子を光軸方向に相対的に移動させて、当該被写体の像が上記基準撮像素子の撮像面に結像するジャストフォーカス位置を測定する測定工程と、
この測定工程で測定したジャストフォーカス位置に上記基準撮像素子と当該光学部材を配置したときの当該基準撮像素子と光学部材との間の距離で、一体化の対象となる上記撮像素子と当該光学部材が対向するように、当該撮像素子と光学部材を位置決めして固定する一体化工程と、
を有することを特徴とするカメラモジュールの製造方法。
上記撮像素子の上記基準撮像素子に対する光学的距離のずれを補正するための補正値を算出する算出工程をさらに有し、
上記一体化工程では、この算出工程で算出した補正値を上記距離に加えた補正距離で当該撮像素子と上記光学部材を位置決めすることを特徴とする請求項１に記載のカメラモジュールの製造方法。
上記測定工程では、通電状態の上記基準撮像素子を用いて複数の上記光学部材との間の上記距離を順次測定し、
上記算出工程では、上記複数の光学部材と一体化する複数の上記撮像素子それぞれの上記補正値を算出し、
上記一体化工程では、上記算出工程で上記補正値を算出した撮像素子と上記測定工程で上記距離を測定した光学部材を、当該距離に当該補正値を加えた補正距離で位置決めして固定することを特徴とする請求項２に記載のカメラモジュールの製造方法。