JP5292291B2 - Manufacturing method of camera system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、カメラシステムおよびカメラシステムを大量生産するための方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to a camera system and a method for mass producing a camera system.
ますますより小型化するデバイスにカメラがより広く利用されるにつれ、カメラシステムの小型化、軽量化、薄型化、高品質化および低価格化の要求が増大している。しかし現在市販されているものは、すべてのデザインパラメータを最適かつ同時に満足するものではない場合がある。 As cameras are increasingly used in increasingly smaller devices, there is an increasing demand for smaller, lighter, thinner, higher quality and lower cost camera systems. However, what is currently on the market may not satisfy all design parameters optimally and simultaneously.
本発明に係る実施形態は、カメラシステムおよび関連する方法に関し、関連技術が有する制限および不都合による1つまたはそれ以上の問題点を実質的に解消するものである。 Embodiments in accordance with the present invention relate to camera systems and related methods that substantially eliminate one or more of the limitations and disadvantages associated with the related art.
本発明に係る実施形態の特徴は、カメラシステムおよび関連する方法を提供することであって、物品の画像形成するレンズシステムが検出器基板に固定される前に単品化される垂直光学的積層体を構成する。 A feature of embodiments according to the present invention is to provide a camera system and related methods, wherein the vertical optical stack is singulated before the article imaging lens system is secured to the detector substrate. Configure.
本発明に係る実施形態の別の特徴は、検出器のためのカバー構造体の直上に固定された光学的積層体を有するカメラシステムおよび関連する方法を提供することである。 Another feature of embodiments according to the present invention is to provide a camera system and associated method having an optical stack that is secured directly above a cover structure for a detector.
本発明に係る実施形態の別の特徴は、複数の光学的積層体が複数の検出器を含むウエハに固定されるカメラシステムおよび関連する方法を提供することである。 Another feature of embodiments according to the present invention is to provide a camera system and associated method in which a plurality of optical stacks are secured to a wafer including a plurality of detectors.
本発明に係る実施形態の別の特徴は、検出器のカバー構造体が光学的積層体を越えて延びるカメラシステムおよび関連する方法を提供することである。 Another feature of embodiments according to the present invention is to provide a camera system and associated method in which the detector cover structure extends beyond the optical stack.
本発明に係る上記および他の特徴および利点のうちの少なくとも1つが以下のカメラシステムを提供することにより実現される。すなわち、そのカメラシステムは、2つの基板を有する光学的積層体であって、光学的積層体は画像形成システムを構成し、各基板は互いに対して平行でかつ画像形成システムの光軸に対して垂直な2つの表面を有し、光学的積層体は2つの基板の対向する表面上に固定領域を有し、2つの基板はウエハレベルで固定領域において一体に固定され、2つの基板のうちの少なくとも1つの表面は画像システムの屈折性表面を有する光学的積層体と、活性領域を有する検出器基板と、少なくとも検出器基板の活性領域を保護するカバー構造体とを備え、光学的構造体はカバー構造体の上側表面に固定されるものである。 At least one of the above and other features and advantages of the present invention is realized by providing the following camera system. That is, the camera system is an optical stack having two substrates, the optical stack comprising an image forming system, each substrate being parallel to each other and to the optical axis of the image forming system. Having two vertical surfaces, the optical stack has fixed regions on opposite surfaces of the two substrates, the two substrates being fixed together in the fixed region at the wafer level and of the two substrates At least one surface comprises an optical stack having a refractive surface of the imaging system, a detector substrate having an active area, and a cover structure protecting at least the active area of the detector substrate, the optical structure comprising: It is fixed to the upper surface of the cover structure.
光学的構造体の屈折性表面の径は画像形成システムに対応する活性領域の対角線より小さくてもよい。 The diameter of the refractive surface of the optical structure may be smaller than the diagonal of the active area corresponding to the imaging system.
このカメラシステムは、検出器基板を表面実装するために構成された導電性構造物を検出器基板の下側表面上に配設されている。 In this camera system, a conductive structure configured for surface mounting the detector substrate is disposed on the lower surface of the detector substrate.
光学的積層体の少なくとも1つの基板は、カバー構造体の上側表面より小さい面積を有する。 At least one substrate of the optical stack has an area that is smaller than the upper surface of the cover structure.
2つの基板およびカバー構造体は、ウエハレベルで固定されるものであってもよい。 The two substrates and the cover structure may be fixed at the wafer level.
2つの基板は、同一の広がりを有していてもよい。 The two substrates may have the same extent.
カバー構造体は、最後の光学部品を有するものであってもよい。 The cover structure may have the last optical component.
光学的積層体とカバー構造体との間に最後の光学部品を有していてもよい。 You may have the last optical component between an optical laminated body and a cover structure.
カバー構造体および検出器基板は、ウエハレベルで固定されるものであってもよい。 The cover structure and detector substrate may be fixed at the wafer level.
カバー構造体および光学的構造体は、ウエハレベルで固定されるものであってもよい。 The cover structure and the optical structure may be fixed at the wafer level.
カメラシステムは複数のサブカメラを有し、各サブカメラは光学的構造体の同一平面上に対応する屈折性表面を有するものであってもよい。 The camera system may have a plurality of sub-cameras, and each sub-camera may have a corresponding refractive surface on the same plane of the optical structure.
このカメラシステムは、対向する表面の固定領域の間にスペーサ構造体を有してもよい。スペーサ構造体は接着剤であってもよい。 The camera system may have a spacer structure between the fixed areas of the opposing surfaces. The spacer structure may be an adhesive.
電気的内部結線が活性領域から導電性構造物まで、検出器基板の端部の周りを包囲するように設けられてもよい。 Electrical internal connections may be provided to surround the edges of the detector substrate from the active region to the conductive structure.
カメラシステムにおいて、検出器基板が表面実装される回路基板を有し、導電性構造物が回路基板に半田付けされてもよい。 In the camera system, the detector substrate may have a circuit board that is surface-mounted, and the conductive structure may be soldered to the circuit board.
導電性構造物は半田であってもよい。 The conductive structure may be solder.
2つの表面は平坦な領域を有するものであってもよい。 The two surfaces may have flat areas.
固定領域は平坦であってもよい。 The fixed area may be flat.
本発明に係る上記および他の特徴および利点のうちの少なくとも1つが以下のカメラシステムを提供することにより実現される。すなわち、そのカメラシステムは、第1の屈折性部品を有する第1の基板、第2の屈折性部品を有する第2の基板、および隣接する基板の間にある第1の分離体を有し、第1および第2の基板がウエハレベルで固定される光学的構造体と、活性領域を有する検出器基板と、光学的構造体と活性領域の間にある第2の分離体とを備え、第2の分離体が第1の分離体より小さいものである。 At least one of the above and other features and advantages of the present invention is realized by providing the following camera system. That is, the camera system includes a first substrate having a first refractive component, a second substrate having a second refractive component, and a first separator between adjacent substrates, An optical structure in which the first and second substrates are fixed at a wafer level, a detector substrate having an active region, and a second separator between the optical structure and the active region, The second separator is smaller than the first separator.
光学的構造体は、検出器基板に隣接する第3の基板を有していてもよい。 The optical structure may have a third substrate adjacent to the detector substrate.
第1の分離体は第1および第2の基板の間にあるか、第2および第3の基板の間にあってもよい。 The first separator may be between the first and second substrates or between the second and third substrates.
活性領域に最も近接する屈折性部品の径は、光学的構造体の他の屈折性部品の径より大きくてもよい。 The diameter of the refractive component closest to the active region may be larger than the diameter of other refractive components in the optical structure.
カメラシステムは、活性領域をカバーするカバー構造体を有し、光学的構造体は、カバー構造体上に直接的に実装されるものであってもよい。 The camera system may have a cover structure that covers the active area, and the optical structure may be mounted directly on the cover structure.
カメラシステムは、複数のサブカメラを有し、各サブカメラはそれぞれ、第1の基板の第1の表面上に第1の屈折性部品、および第2の基板の第1の表面上に第2の屈折性部品を有していてもよい。 The camera system has a plurality of sub-cameras, each sub-camera having a first refractive component on the first surface of the first substrate and a second on the first surface of the second substrate. The refractive part may be provided.
本発明に係る上記および他の特徴および利点のうちの少なくとも1つが以下のカメラシステムを提供することにより実現される。すなわち、そのカメラシステムは、第1の径を有する第1の屈折性部品を有する第1の基板と、第1の遮蔽開口部を有する第1の遮蔽体と、第1の径より大きい第2の径を有する第2の屈折性部品を有する第2の基板と、活性領域を有する検出器基板と、第1の遮蔽体と検出器基板との間にある第2の遮蔽体とを備え、検出器基板は第1の基板より第2の基板より近接して配置され、第1の基板、第2の基板および検出器基板のうちのすくなくとも2つは、ウエハレベルで固定され、第2の遮蔽体は、第1の遮蔽開口部より大きい第2の遮蔽開口部を有するものである。 At least one of the above and other features and advantages of the present invention is realized by providing the following camera system. That is, the camera system includes a first substrate having a first refractive component having a first diameter, a first shield having a first shielding opening, and a second larger than the first diameter. A second substrate having a second refractive component having a diameter of, a detector substrate having an active region, and a second shield between the first shield and the detector substrate, The detector substrate is positioned closer to the second substrate than the first substrate, and at least two of the first substrate, the second substrate, and the detector substrate are fixed at the wafer level, and the second substrate The shield has a second shielding opening larger than the first shielding opening.
第1の遮蔽体は、第1の基板上にあってもよいし、検出器基板からより離れた第1の基板の第1の表面上にあってもよい。 The first shield may be on the first substrate or on the first surface of the first substrate that is further away from the detector substrate.
本発明に係る上記および他の特徴および利点のうちの少なくとも1つが以下のカメラシステムの作製方法を提供することにより実現される。すなわち、その作製方法は、第1および第2のウエハを有し、複数の画像形成システムを形成する光学的積層体ウエハを位置合わせするステップと、第1および第2のウエハの対向表面上にある領域において光学的積層体ウエハを固定するステップと、対向表面は互いに平行でかつ画像形成システムの光軸に対して垂直であり、対向表面を貫通するように第1および第2のウエハを分断して、複数の光学的積層体を形成するステップと、各光学的積層は画像形成システムを有し、活性領域を有する検出器基板に光学的積層体を固定するステップとを有し、屈折性表面の径は活性領域の対角線より小さいことを特徴とするものである。 At least one of the above and other features and advantages according to the present invention is realized by providing the following method for making a camera system. That is, the manufacturing method includes the steps of aligning an optical laminate wafer having first and second wafers and forming a plurality of image forming systems, on opposite surfaces of the first and second wafers. Fixing the optical laminate wafer in an area, and the opposing surfaces are parallel to each other and perpendicular to the optical axis of the imaging system, and the first and second wafers are separated to penetrate the opposing surfaces Forming a plurality of optical stacks, and each optical stack having an imaging system and fixing the optical stack to a detector substrate having an active region, and having refractive properties The surface diameter is smaller than the diagonal of the active region.
光学的積層体を固定するステップは、検出器基板が検出器ウエハの一部であるとき、光学的積層体を検出器基板に固定するステップを有していてもよい。 The step of fixing the optical stack may include the step of fixing the optical stack to the detector substrate when the detector substrate is part of the detector wafer.
この作製方法は、カバー構造体ウエハを検出器ウエハに固定するステップをさらに有していてもよい。 The manufacturing method may further include a step of fixing the cover structure wafer to the detector wafer.
この作製方法は、対向表面を貫通するように、固定されたカバー構造体ウエハ、検出器ウエハおよび光学的積層体ウエハを分断して、複数のカメラシステムを形成するステップを有し、各カメラシステムがカバー構造体、検出器および光学的積層体を有していてもよい。 The manufacturing method includes a step of dividing the fixed cover structure wafer, the detector wafer, and the optical laminated wafer so as to penetrate the opposing surface to form a plurality of camera systems, and each camera system May have a cover structure, a detector and an optical stack.
光学的積層体のうちの少なくとも1つの基板は、カバー構造体の上側表面領域より小さい表面領域を有していてもよい。 At least one substrate of the optical stack may have a surface area that is smaller than the upper surface area of the cover structure.
この作製方法は、光学的積層体が許容可能か否かを診断するステップと、活性領域が許容可能か否かを診断するステップと、許容可能な光学的積層体のみを許容可能な活性領域に固定するステップとをさらに有していてもよい。 The manufacturing method includes a step of diagnosing whether or not the optical laminate is acceptable, a step of diagnosing whether or not the active region is acceptable, and making only an acceptable optical laminate an acceptable active region. A fixing step.
この作製方法は、平行な対向表面上の固定領域の間にスペーサ構造体を設けるステップをさらに有する。 The fabrication method further includes providing a spacer structure between the fixed regions on the parallel opposing surfaces.
スペーサ構造体は接着剤であり、接着剤に光路を穿孔することにより形成してもよい。 The spacer structure is an adhesive and may be formed by punching an optical path in the adhesive.
本発明に係る上記および他の特徴および利点のうちの少なくとも1つが以下のカメラシステムの作製方法を提供することにより実現される。すなわち、その作製方法は、第1および第2のウエハを有し、複数の画像形成システムを形成する光学的積層体ウエハを位置合わせするステップと、第1および第2のウエハの対向表面上にある領域において光学的積層体ウエハを固定するステップと、対向表面は互いに平行でかつ画像形成システムの光軸に対して垂直であり、平行な表面を貫通するように第1および第2のウエハを分断して、複数の光学的積層体を形成するステップと、各光学的積層は画像形成システムを有し、活性領域を有する検出器基板に光学的積層体を固定するステップと、カメラシステムを表面実装するために構成された導電性構造物を検出器基板の下側表面上に形成するステップとを有するものである。 At least one of the above and other features and advantages according to the present invention is realized by providing the following method for making a camera system. That is, the manufacturing method includes the steps of aligning an optical laminate wafer having first and second wafers and forming a plurality of image forming systems, on opposite surfaces of the first and second wafers. Fixing the optical laminate wafer in a region, and opposing surfaces are parallel to each other and perpendicular to the optical axis of the imaging system, and the first and second wafers are passed through the parallel surfaces. Severing to form a plurality of optical stacks, each optical stack having an imaging system, fixing the optical stack to a detector substrate having an active area, and surface the camera system Forming a conductive structure configured for mounting on a lower surface of the detector substrate.
この作製方法は、活性領域から導電性構造物まで、検出器基板の端部の周りを包囲する電気的内部結線を形成するステップを有するものである。 The fabrication method includes the step of forming an electrical interconnect that surrounds the edge of the detector substrate from the active region to the conductive structure.
この作製方法は、平行な対向表面上の固定領域の間にスペーサ構造体を設けるステップをさらに有する。 The fabrication method further includes providing a spacer structure between the fixed regions on the parallel opposing surfaces.
スペーサ構造体は、接着剤であってもよい。この作製方法は、接着剤に光路を穿孔するステップをさらに有する The spacer structure may be an adhesive. The fabrication method further includes the step of drilling an optical path in the adhesive.
この作製方法は、回路基板を提供するステップと、導電性構造物と回路基板を固定するために半田リフロするステップとを有する。 The manufacturing method includes a step of providing a circuit board and a step of performing solder reflow to fix the conductive structure and the circuit board.
導電性構造物が半田である。 The conductive structure is solder.
本発明に係る上記および他の特徴および利点は、当業者にとっては添付図面を参照しながら以下の実施形態の詳細な説明を参照すると明白である。 These and other features and advantages of the present invention will be apparent to those skilled in the art upon reference to the following detailed description of embodiments with reference to the accompanying drawings.
添付図面を参照しながら、本発明に係る実施形態についてより詳細に以下説明する。本発明は、さまざまな実施形態において具現化することができ、本明細書に記載の実施形態に限定して解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、その開示内容が十分かつ完全であり、当業者に対し本発明の概念を明瞭に開示するように提供されるものである。 Embodiments according to the present invention will be described below in more detail with reference to the accompanying drawings. The present invention can be embodied in various embodiments and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will clearly convey the concept of the invention to those skilled in the art.
図面を明確とするために、層および領域の厚みが誇張される場合がある。ある層が別の層または基板の直接的に「上に」と記載された場合、別の層または基板の直上にあるか、もしくは介在する層があるものと理解されたい。さらに、ある層が別の層または基板の直接的に「下に」と記載された場合、別の層または基板の直下にあるか、もしくは介在する層があるものと理解されたい。加えて、ある層が2つの層の間にあると記載された場合、2つの層のみの間にあるか、2つ以上の層が介在するものと理解されたい。図面全体を通して、同様の符号は同様の構成部品を示す。本明細書で用いられる「ウエハ」なる用語は、その上の平坦な表面上に複数の構成部品が形成され、この平坦な表面を分断して、最終的な利用に供されるものを意図するものである。また本明細書で用いられる「カメラシステム」なる用語は、光信号を画像取込システムなどの検出システムへ搬送し、画像などの情報を出力する光学的画像システムを含む任意のシステムを意図するものである。 The thickness of layers and regions may be exaggerated for clarity in the drawings. When a layer is described as “directly on” another layer or substrate, it should be understood that there is a layer directly on or intervening with another layer or substrate. Further, when a layer is described directly “under” another layer or substrate, it should be understood that there is a layer directly below or intervening with another layer or substrate. In addition, if a layer is described as being between two layers, it should be understood that it is only between the two layers or that more than one layer intervenes. Like numbers refer to like components throughout the drawings. As used herein, the term “wafer” is intended to mean that a plurality of components are formed on a flat surface thereon, and that the flat surface is divided for final use. Is. Also, as used herein, the term “camera system” is intended to mean any system including an optical imaging system that carries an optical signal to a detection system such as an image capture system and outputs information such as an image. It is.
本発明に係る実施形態によれば、検出器の活性領域の対角線より小さい径を有するレンズなどを用いたカメラシステムは、ウエハレベルで固着された少なくとも2つの基板を有する光学的積層体を有するものであってもよい。光学的積層体は、光学的画像システムを有していてもよい。光学的積層体は、検出器を保護する被覆構造体に直接的に固着するものであってもよいし、被覆構造体が光学的積層体の一部であってもよい。被覆構造体は光学的積層体を越えて延びるものであってもよい。 According to an embodiment of the present invention, a camera system using a lens having a diameter smaller than the diagonal of the active region of the detector has an optical stack having at least two substrates fixed at a wafer level. It may be. The optical stack may have an optical imaging system. The optical stack may be directly attached to the covering structure that protects the detector, or the covering structure may be part of the optical stack. The covering structure may extend beyond the optical stack.
本発明に係る実施形態によるカメラシステムを図1A〜図1Cに示す。図1A〜図1Cにおいて、単一の画像システムがすべての色に対して用いられ、カラーフィルタアレイが検出器アレイ24上に直接的に配設されていてもよい。当然に、画像システムは、以下説明するように、各カメラの複数のサブカメラを構成する3つまたは4つなどの任意の数で提供され、カラーフィルタアレイの各カラーフィルタのデザインと配置位置は適宜変更してもよい。
A camera system according to an embodiment of the present invention is shown in FIGS. 1A to 1C. In FIGS. 1A-1C, a single imaging system may be used for all colors and a color filter array may be disposed directly on the
図1Aおよび図1Bにおいて、さまざまな光路がオブジェクトからのさまざまなフィールドポイント(field points)に対応している。画像システムは、第1の基板110、第2の基板120および第3の基板130を含む光学的積層体140に具現化されるものであってもよい。
In FIGS. 1A and 1B, various light paths correspond to various field points from the object. The imaging system may be embodied in an
第1の基板110の第1の表面は、画像システムの焦点距離に影響を与え、そして/または収差を補正するなどして、入射光の画像形成を支援する第1の屈折性表面112であってもよい。第1の基板110の第2の表面114は平坦で、赤外線フィルタ115を有するものであってもよい。この構成は適宜変更でき、赤外線フィルタ115任意の表面に設けてもよい。
The first surface of the
第2の基板120の第1の表面122は、光の画像形成のさらなる支援を可能にする回折性部品123を有するものであってもよい。第2の基板120の第2の表面は、光の画像形成をさらに支援可能な第2の屈折性表面124を有するものであってもよい。
The
第3の基板130の第1の表面は、第3の屈折性表面132を有するものであってもよい。第3の屈折性表面132は、画像フィールドを平坦化して、図1Bに示すように画像ポイントを同一平面135上で像形成して、検出器アレイ24上に画像形成してもよい。
The first surface of the
図1Aおよび図1Bに示すように、第1の屈折性表面112および第2の屈折性表面124は凸面であり、第3の屈折性表面132は凹面であってもよい。当然に、以下詳細に説明するように、少なくとも1つの凹部と少なくとも1つの凸部とを有するより複合的な非球面屈折性表面を特定のデザインのために採用してもよい。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the first
画像形成媒体としてセンサを用いるカメラは、フィルムを用いるカメラとは異なり、像形成平面に直交して配置される光学部品を有していてもよい。図1Bおよび図1Cに示すように、最後の基板、ここでは第3の屈折性表面132を有する第3の基板130は、検出器アレイ24に直接的に固着されるものであってもよい。光学的積層体140と検出器アレイを固着するためのさまざまな形態について以下詳細に説明する。検出器アレイ24がカバープレートを有する場合、第3の基板130はカバープレートに接合させてもよい。検出器アレイがカバープレートを有さない場合、第3の基板130は、検出器アレイに設けられた複数のマイクロレンズをカバーし包囲するために固定され、そして環境因子から検出器アレイを封止するためのカバープレートとして機能させるものであってもよい。
Unlike a camera using a film, a camera using a sensor as an image forming medium may have an optical component arranged orthogonal to the image forming plane. As shown in FIGS. 1B and 1C, the last substrate, here the
こうした構成により、能動的に焦点を調整する必要性を排除することができる。追加的な光学部品を用いて、所望の焦点距離および/または色収差からの逸脱を補償することができる。 Such a configuration eliminates the need for active focus adjustment. Additional optical components can be used to compensate for deviations from the desired focal length and / or chromatic aberration.
図1Cの断面図においてより詳細に図示するように、第1、第2および第3の基板110,120,130は、画像システムの光軸に対して垂直な対向平坦領域を有し、その上に光学的要素112,115,123,124,132が形成されていてもよい。レンズシステム内のすべての構成要素の傾きを制御することができるので、こうした平坦領域を有する基板を用いることは有用である。また平坦領域を有する基板を用いることにより、構成部品を積層し、そして対向する平坦領域を直接的に接合することを可能にし、光学部品の3つの軸に沿った位置合わせを可能にし、ウエハレベルでの作製(アセンブリ)を支援してハウジング部材の必要性を排除することができる。基板の平坦領域は、各光学部品の周りの周縁部にあり、そして/または適当なマテリアル(material:部材)を積層することにより、各光学部品の周縁部の周りに形成されるものであってもよい。択一的には、たとえば同一の譲受人に譲渡された米国特許第6,096,155号に開示されたように、スタンドオフ内の溝に接着剤を充填して、平坦でない固着領域において基板を固着させてもよい。これらの固着領域は、同様に、光学部品が形成される表面上に配設されるものであってもよい。
As illustrated in more detail in the cross-sectional view of FIG. 1C, the first, second and
カメラは、パワー(power:レンズジオプタ)を有する光学部品間における能動的な焦点調節機能を有するものとして設計されていないので、間隔(分離体)S12,S23は正確に規制される。間隔(分離体)S12に関するいくつかの事例では、薄いスペーサが好ましい場合がある。間隔(分離体)S23に関する別の事例では、より厚いスペーサが必要となる場合がある。いずれの事例においても、複数の光学部品間のX方向すなわち光軸に沿った距離を正確に規制し、光学部品を粒子、小片(debris)および他の環境因子から保護するために封止するような分離体を設けることが好ましい。分離体S12,S23を光路上から外して配置することは、少なくとも2つの理由で好適である。第1に、光を空気中に伝播させることにより、カメラの全体的な長さを短くしやすくなる。第2に、分離体がレンズ開口部の外側に配置されていれば、不透明材料を用いて、分離体を遮蔽体(バッフル)として機能させることができる。 Since the camera is not designed to have an active focus adjustment function between optical components having power (lens diopter), the distances (separators) S12 and S23 are accurately regulated. In some cases regarding the spacing (separator) S12, a thin spacer may be preferred. In another case for the spacing (separator) S23, a thicker spacer may be required. In any case, the distance between the optical components in the X direction, i.e. along the optical axis, should be precisely regulated and sealed to protect the optical components from particles, debris and other environmental factors. It is preferable to provide a separate separator. Placing the separators S12 and S23 off the optical path is suitable for at least two reasons. First, by propagating light into the air, the overall length of the camera can be easily shortened. Second, if the separator is disposed outside the lens opening, the separator can be made to function as a shield (baffle) using an opaque material.
必要とされる間隔に依存するが、分離体S12,S23は、リソグラフィ技術を用いて、あるいは別個のウエハを用いて具現化することができる。利用可能なリソグラフィ技術は、光学部品の周縁部が光学部品の最上部より上方に配置されるように、マテリアル(部材)を積層し、光学部品を平坦な基板上にパターン形成またはエッチングすることを含む。マテリアルが積層され、パターン形成された場合、たとえば金属や光吸収性ポリマなどの不透明性または光吸収性のマテリアルを用いることができる。たとえばSU−8などのポリマを用いて、リソグラフィ技術により、50〜100μmの厚みに制御しつつパターン形成することができる。ただし、こうしたポリマは透光性を有していてもよいので、遮光材(baffle)として機能させるため、不透明材料をコーティングしてもよいし、吸光性を有するように着色してもよい。同一の譲受人に譲渡された米国特許第5,912,872号および米国特許第6,096,155号等に開示されたようにスタンドオフを形成するか、あるいは同一の譲受人に譲渡された米国特許第6,669,803号に開示されたようにスペーサウエハを形成してもよい。これらの米国特許文献はここに一体のものとして参考に統合される。さらに、固着すべき表面上に接着層などの層を設け、必要な光路を貫通させるために層に適当な通路を穿孔することによりスタンドオフを形成してもよい。 Depending on the required spacing, the separators S12, S23 can be implemented using lithographic techniques or using separate wafers. Available lithographic techniques include stacking materials and patterning or etching the optical component on a flat substrate so that the periphery of the optical component is positioned above the top of the optical component. Including. When the materials are laminated and patterned, for example, opaque or light absorbing materials such as metals and light absorbing polymers can be used. For example, a polymer such as SU-8 can be used to form a pattern while controlling the thickness to 50 to 100 μm by lithography. However, since such a polymer may have translucency, in order to function as a baffle, an opaque material may be coated, or it may be colored so that it may absorb light. Form a standoff as disclosed in U.S. Pat.No. 5,912,872 and U.S. Pat.No. 6,096,155 assigned to the same assignee, or disclosed in U.S. Pat. As described above, a spacer wafer may be formed. These US patent documents are hereby incorporated by reference in their entirety. Further, a standoff may be formed by providing a layer such as an adhesive layer on the surface to be fixed and perforating an appropriate passage through the layer in order to penetrate the required optical path.
さらに、金属などの不透明で吸光性マテリアルからなる最初の分離体S01は、光学的積層体140のトップ表面上、すなわち第1の屈折性表面と同一の表面上に形成してもよい。最初の分離体S01は、主要な開口絞りとして機能することもできる。最初の分離体S01は、リソグラフィ技術を用いて第1の基板110上に形成される。
Furthermore, the first separator S01 made of an opaque and light-absorbing material such as a metal may be formed on the top surface of the
最小限のエアギャップ(空気の間隙)、対向する光学的表面の間のエアギャップ、すなわちたとえば約5〜10μmのオーダといった、屈折性表面または回折性部品の最上部と対向する基板表面の間のエアギャップにより、それぞれの光学部品が適正に作動しやすくなる。さらに、光は空気中では基板中より大きい角度で屈折するため、より大きいエアギャップを設けて、より小型に設計することができる。同様に、異なる光学的効果のために異なる焦点距離を有するレンズシステムを提供すると、上述と同様、異なるレンズシステムに対して異なるエアギャップを設けることができる。 Minimal air gap (air gap), air gap between opposing optical surfaces, ie between the top of the refractive surface or diffractive component and the opposite substrate surface, eg on the order of about 5-10 μm The air gap facilitates proper operation of each optical component. Furthermore, since light is refracted in air at a larger angle than in the substrate, a larger air gap can be provided to design a smaller size. Similarly, providing lens systems with different focal lengths for different optical effects can provide different air gaps for different lens systems, as described above.
図1Cに示す特定の実施形態において、検出器アレイ24に像を満たすことができるように分離体S23は分離体S12より厚く、分離体S12,S23の両方は、最後の基板130と検出器アレイ24の間の分離体(エアギャップがまったくなくてもよいが)より大きい。最初の屈折性表面と最後の屈折性表面の間により大きいエアギャップを設けることにより、本発明の実施形態に係る光学積層体140と検出器アレイ24との間のギャップを極力小さく抑えつつ、光学的システムと光学的センサとの間にスペースを必要とする従来式のアプローチに比して、カメラをより薄く作製することができる。分離体S01,S12,S23は、異なるマテリアルで異なる手法で作製してもよい。
In the particular embodiment shown in FIG. 1C, the separator S23 is thicker than the separator S12 so that the
図1A〜図1C中の最も大きいエアギャップは、最後の屈折性部品132の前であるが、最初の屈折性部品112の後に形成される点について留意されたい。従来式のカメラ設計において、最大のエアギャップは、通常、最後の光学部品とセンサとの間に形成される。この実施形態が従来式の態様と異なるのはいくつかの理由がある。第1に、できるだけ大きなエアギャップをカメラ内に設けることにより、カメラの厚みを最小限に抑えることができる。一般に、光は基板中よりも空気中において大きな角度で伝播するので、エアギャップが大きいほど、厚みを極力小さくすることができる。ただし、基板が構成部品を保持するための空間も必要であり、エアギャップを設けることにより、厚みを最小限に抑えるとともに、特性を最適化することを支援することができる。
Note that the largest air gap in FIGS. 1A-1C is formed before the last
さらに、複数の屈折性表面のうちの少なくとも1つの表面の透明な開口部、およびすべての屈折性表面のおそらくは透明な開口部は、検出器アレイ24の活性領域より小さくてもよい。各レンズ部品の開口を小さくすると、屈折性表面のそれぞれのサグ(撓み:sag)を小さくすることができる。一般に、各屈折性表面は、ウエハにエッチングする場合には特に、その撓みが小さいほど作製がより容易で安価にすることができる。一般に、屈折性表面の径が小さいほど、撓みは小さくなる。一番最後の表面まで、検出器アレイ24の活性領域よりビーム径を小さくすることにより、屈折性表面の径を極力小さくすることができる。
Further, the transparent opening of at least one surface of the plurality of refractive surfaces, and possibly the transparent opening of all refractive surfaces, may be smaller than the active area of the
この最後の表面を用いて、ビーム径を増大すると同時に、フィールドを平坦化することができる。このようにフィールド平坦化部材を用いたとき、フィールド平坦化部材は、入射瞳の径とセンサの径の中間の径を有していてもよい。さらに、この実施形態において、第1の屈折性凸状表面112が入射瞳と等しい開口を有するように、入射瞳は第1の屈折性凸状表面112上に配置される。すなわち、フィールド平坦化部材は、第1の屈折性表面112の開口と検出器アレイ24の活性領域の開口の中間の開口を有していてもよい。
This last surface can be used to flatten the field while increasing the beam diameter. When the field flattening member is used in this way, the field flattening member may have an intermediate diameter between the diameter of the entrance pupil and the diameter of the sensor. Further, in this embodiment, the entrance pupil is disposed on the first refractive
すなわち、より小さい径の屈折性表面を入射瞳にまたは近接して配置して、光が入射瞳から検出器アレイ24の活性領域に伝播するとき、すべての光学部品の開口が拡張してもよい。最終的な屈折性表面は、第1の屈折性表面112の径と検出器アレイ24の活性領域の径の中間の径を有するものであってもよい。
That is, a smaller diameter refractive surface may be placed at or close to the entrance pupil so that when light propagates from the entrance pupil to the active region of the
カメラを設計する際、第1および第2の屈折性表面112,124の径、すなわちサグを小さく維持するためには、第3の屈折性表面132は凹面状で、フィールド平坦化部材として機能するとともに、フィールドサイズを増大させるように機能する。フィールド平坦化部材を用いた場合、第3の屈折性表面132の前に、大きなエアギャップを必要とする場合がある。
In designing the camera, in order to keep the diameter, or sag, of the first and second
上述のように、センサダイは、通常、光学ダイより大きい。サイズの違いは、上記のようにカメラシステムにおいては発散し、このとき検出器の活性領域の対角線より小さい径を有するレンズが用いられる。換言すると、レンズは検出器とは異なるピッチを有する。こうした任意の設計において、カメラシステムの製造歩留まりが重要な意義を有する場合、すべての構成部品をウエハレベルで固着させること、および検出器を基板上に設けることは、こうしたカメラシステムを製造する際の最も経済的な手法ではあり得ない。 As mentioned above, the sensor die is usually larger than the optical die. The difference in size diverges in the camera system as described above, and at this time, a lens having a diameter smaller than the diagonal of the active region of the detector is used. In other words, the lens has a different pitch than the detector. In any such design, where the camera system manufacturing yield is of significant significance, securing all components at the wafer level and providing the detector on the substrate is important in manufacturing such a camera system. It cannot be the most economical method.
本発明に係る実施形態によるカメラシステム100が図1Dおよび図1Eに図示されている。カメラシステム100は、光学的積層体140に加え、カバープレート150、スタンドオフ160、および検出器基板170を有する。検出器基板170は、活性領域176、マイクロレンズのアレイ174、およびボンディングパッド172を有する。
A
スタンドオフ160は、光学的積層体140と検出器基板170の間の正確な間隔を設けるものである。カバープレート150およびスタンドオフ160は、活性領域176を封止するものである。
The
スタンドオフ160は検出器基板170およびカバープレート150とは別体の部品であるように図示されているが、スタンドオフは、検出器基板170およびカバープレート150の一方または両方と一体のものであってもよい。さらにスタンドオフ160の側壁は、ダイシング工程およびパターン形成工程により形成されて、直線的であるように図示されているが、スタンドオフ160が利用される特定の構成材料の所定のエッチング角度で形成される手法に応じて、傾斜しているものであってもよい。別の実施例によれば、同一の譲受人に譲渡された米国特許第6,669,803号に開示され、ここに一体のものとして参考に統合されるように、スタンドオフ160は、検出器基板170およびカバープレート150の一方または両方に正確に配置された接着剤であってもよい。
Although
カバープレート150は、面取りされた端部を有するものとして図示されているが、カバープレート150の作製プロセスで生じる副産物であり、異なるプロセスにより作製してもよい。たとえばダイ切断される表面より下方の構成部品を保護する必要があるとき、固着したすべてのウエハを分断するようにダイ切断されることはなく、傾斜したダイ切断ブレードが用いられることがある。さらにカバープレート150は、カメラシステム100により記録すべき光に対して透明であり、ガラス製であってもよい。
Although the
図1Dおよび図1Eの両方から明らかであるが、上述したようにより小さい径とした結果、光学的積層体140は検出器基板170より小さくてもよい。図1Eに示す特定の実施例では、光学的積層体140は1.3mm×1.5mmであり、活性領域は1.0mm×1.5mmである。検出器基板170は2.0mm×3.0mmである。屈折性表面112,124,132の径が大きくなっていることが認められ、これらの径は活性領域176の対角線よりも小さい。
As is apparent from both FIGS. 1D and 1E, the
この径の違いは、光学的積層体140が同一サイズのウエハから検出器基板170より数多く形成され得ることを意味する。すなわち、光学的積層体140を検出器基板170に固着して単品化する前に、光学的積層体140を形成することにより、製造コストを低減することができる。とりわけ、光学的積層体140の良品のみを検出器基板170に固定されるので、光学的積層体140の歩留まりはあまり高くなくてもよい。さらに、光学的積層体と検出器基板はウエハレベルで固定される場合に比して、同一の材料でより数多くの光学的積層体140を形成することができる。
This difference in diameter means that more
光学的積層体140を製造する方法の段階(ステップ)を図2Aおよび図2Bに示す。図から明らかなように、光学的積層体140’は、屈折性表面112をそれぞれ有する第1の基板110からなる第1のウエハ110’と、屈折性表面124をそれぞれ有する第2の基板120からなる第2のウエハ120’と、屈折性表面132をそれぞれ有する第3の基板130からなる第3のウエハ130’とを有する。第1および第2のウエハ110’,120’はそれぞれの分離体S12により固定され、第2および第3のウエハ120’,130’はそれぞれの分離体S23により固定される。
The steps of the method of manufacturing the
図2Aに示すように、第1、第2および第3のウエハ110’,120’,130’は、位置合わせされ、固定された後、図2Bに示すように、ダイ切断ステップやエッチングステップなどにより垂直方向に分断して、個別の光学的積層体140を形成してもよい。
As shown in FIG. 2A, after the first, second, and
図3Aおよび図3Bに示すように、個別の光学的積層体140をカバーウエハ150’と位置合わせし、固着した後さらに、それぞれのスタンドオフ160を介して、カバーウエハを検出器基板170’に固着することができる。図3Aに示すように、個別の光学的積層体140をカバーウエハ150’と位置合わせし、固着した後、ダイ切断ステップやエッチングステップ等により、検出器基板170’およびカバーウエハ150’を垂直方向に分断して、個別のカメラシステムを作製することができる。図3Bに示すように、カバーウエハ150’および検出器ウエハ170’に対する垂直方向の分断ステップは異なる技術を用いて行ってもよい。たとえば同一の譲受人に譲渡され、ここに一体のものとして参考に統合される米国特許第7,208,771号に開示されたように、図3Bに示す特定の実施例では、カバーウエハ150’はその上側表面からダイ切断することにより分断し、検出器基板170’はその下側表面からダイ切断することにより分断してもよい。この分断ステップにより、接触パッド172を露出させてもよい。
As shown in FIGS. 3A and 3B, after the individual
本発明に係る別の実施形態によるカメラシステム200を図4A〜図6Bに示す。この実施形態において、最後の屈折性表面232(たとえば凹状表面)を有するカバー光学基板230をカバープレート150の代わりに用いて、構成部品を省略することができる。ただし、被覆構造体として、単純なカバープレートの代わりにこうしたカバー光学基板を用いると、カバー光学基板230と光学的積層体240の間のより厳格な位置合わせが必要となる。さらに、構成部品が光学的システムに存在しなくなるので、光学的積層体240を検出器基板170に固着する前に、光学的積層体240の許容性をテストすることが困難となり得る。
A
光学的積層体240を製造する方法の段階(ステップ)を図4Aおよび図4Bに示す。図から明らかなように、光学的積層体240’は、レンズ112をそれぞれ有する第1の基板110からなる第1のウエハ110’と、レンズ124をそれぞれ有する第2の基板120からなる第2のウエハ120’とを有する。第1および第2のウエハ110’,120’はそれぞれの分離体S12により固定される。分離体S23のそれぞれが第2のウエハ120’の下側表面上に設けられている。
The steps of the method of manufacturing the
図4Aに示すように、第1および第2のウエハ110’,120’は、位置合わせされ、固定された後、図4Bに示すように、ダイ切断ステップやエッチングステップなどにより垂直方向に分断して、個別の光学的積層体240を形成してもよい。
As shown in FIG. 4A, after the first and
図5は、それぞれのスタンドオフ260を介して、検出器ウエハ170’に固着された光学的カバーウエハ230’の断面図である。凹状の屈折レンズは、光学的カバーウエハ230’が検出器ウエハ170’に固定される前または後に形成される。さらに、光学的積層体240上に分離体S23を設ける代わりに、あるいはこれに追加的に光学的カバーウエハ230’の上にも分離体S23を設けてもよい。
FIG. 5 is a cross-sectional view of an
図6Aおよび図6Bに示すように、個別の光学的積層体240を光学的カバーウエハ230’と位置合わせし、固着した後さらに、それぞれのスタンドオフ260を介して、カバーウエハを検出器基板170’に固着することができる。図6Aに示すように、個別の光学的積層体240を光学的カバーウエハ230’と位置合わせし、固着した後、ダイ切断ステップやエッチングステップ等により、検出器基板170’およびカバーウエハ150’を垂直方向に分断して、個別のカメラシステムを作製することができる。図6Bに示すように、カバーウエハ230’および検出器ウエハ170’に対する垂直方向の分断ステップは異なる技術を用いて行ってもよい。図6Bに示す特定の実施例では、光学的カバーウエハ230’はその上側表面からダイ切断することにより分断し、検出器ウエハ170’はその下側表面からダイ切断することにより分断してもよい。この光学的カバーウエハ230’の分断ステップにより、スタンドオフ260に影響を与え、たとえば部分的に切除してもよい。この分断ステップにより、接触パッド172を露出させてもよい。
As shown in FIGS. 6A and 6B, after the individual
図7Aに示すように、本発明に係る別の実施形態によるカメラシステム300は、4つのサブカメラを有していてもよい。カメラシステム300は、光学的積層体340と、カバープレート350と、検出器基板370とを有するものであってもよい。
As shown in FIG. 7A, a
光学的積層体340は、フィルタ基板302、第1の基板310、第2の基板320、および第3の基板330を有する。フィルタ基板302は、その第1の表面に一連のレンズ(レンズアレイ)304、およびその第2の表面に一連のカラーフィルタ(カラーフィルタアレイ)306を有するものであってもよい。第1の基板310は、一連の第1の屈折性表面(第1の屈折性表面アレイ)312を有する。第2の基板320は、一連の第2の屈折性表面(第2の屈折性表面アレイ)324を有する。第3の基板330は、一連の第3の屈折性表面(第3の屈折性表面アレイ)332を有する。
The optical
各サブカメラは、カラーフィルタ306、ならびに第1、第2および第3の屈折性表面312,314,323を有するものであってもよい。3つのサブカメラのそれぞれに対し、カラーフィルタ306は赤色フィルタ、緑色フィルタおよび青色フィルタであってもよい。4つ目のフィルタは、緑色であるか、完全に透明であってもよく、そのサブ撮像器は、他のサブカメラとは異なる焦点距離を有していてもよい。択一的には、4つのサブカメラ態様において、複数のレンズ、すなわち4つのレンズには個々のカラーフィルタを設けず、ベイヤーパターン(Bayer pattern)を有し、異なる光学的効果を実現するために、たとえば望遠レンズ、広角レンズ、マクロレンズ、魚眼レンズなどのILAにおける他のレンズシステムとは異なる焦点距離を有するレンズには個々のカラーフィルタを設けなくてもよい。さらに、各レンズシステムは、異なる焦点距離を有し、かつ、フルカラーを実現するためにベイヤーパターンを有するものであってもよい。
Each sub-camera may have a
繰り返しになるが、光学的積層体340は、検出器基板370より小さくてもよいし、上述のカメラシステム300を製造するための上記いずれかの方法を採用することができる。ここで、各サブカメラのレンズ径は、サブカメラが像形成するそれぞれの活性領域の対角線より小さい。
Again, the
さらに図7Aに示すように、カバープレート350および検出器基板370は同一の広がり(coextensive)を有していてもよく、検出器基板370は、検出器基板の端部の周りを包囲するように設けられた電気的内部結線372および導電性構造物374であって、検出器基板370の活性領域を回路基板に電気的に接続するためのものを有するものであってもよい。択一的には、ここに一体のものとして参考に統合される、同一の譲受人に譲渡された米国特許第7,224,856号に開示されたように、活性領域は、検出器基板370の下側表面に設けた複数の導電性バイアホールを介して導電性構造物に接続してもよい。
Further, as shown in FIG. 7A, the
本実施形態に係る画像形成システムを構成するすべての構成部品は、図7Bに示すように、導電性構造物374を回路基板380に固定するために必要とされる温度条件に耐えることができる。たとえば、導電性構造物374が半田であるとき、画像形成システムを構成するすべての構成部品は、半田リフロ条件に耐えることができるものである。すなわち、本発明に係る実施形態による光学的積層体340を含む検出器基板370は、たとえばリフロ半田を用いて回路基板380に表面実装されるものであってもよい。とりわけ、プラスティック製の筐体はもはや必要ではなく、複製マテリアルまたはガラスに、すべての構成部品を形成することができ、画像形成システムは、カメラを表面実装する場合に直面する条件にあまり影響を受けないようにすることができる。
As shown in FIG. 7B, all the components constituting the image forming system according to the present embodiment can withstand a temperature condition required for fixing the
図7Bに示すように、回路基板380をセル方式電話などの携帯デバイスに組み込むことができる。図7Bの側面図から明らかなように、カメラシステム300が携帯デバイスの最も厚い構成部品となり得る。
As shown in FIG. 7B, the
別の択一的な実施形態が図8Aおよび図8Bに図示されており、光学的積層体440は図6Bに示すものと同一の構造を有するが、この実施形態ではレンズを有する基板が光学的カバープレート基板230と同じ大きさとなるように広がり、この基板をウエハレベルで光学積層体に集積することができる。固定された積層体全体を分離することができるので、光学的カバープレート基板は直線的な端部を有することに留意されたい。
Another alternative embodiment is illustrated in FIGS. 8A and 8B, where the
特に、レンズ径は、図6Bに示すものと同一であるが、光学的積層体440は1.8mm×2.0mmの大きさを有するものであってもよい。すなわち光学的積層体240が検出器基板170のほぼ1/3の面積を有するのに対し、光学的積層体の大きさを0.5mmだけ大きくしても、光学的積層体は依然として検出器基板170の大きさの2/3以下である。一般に、光学的積層体の面積が検出器基板の20%以下である場合、検出器ウエハに光学的積層体を固着して単品化する前に、光学的積層体を固定することが有用である。こうすると、許容可能な光学的積層体のみが許容可能な検出器に固定することができるので、歩留まりを増大させることができる。
In particular, the lens diameter is the same as that shown in FIG. 6B, but the
さらに図8Aに示すように、スタンドオフ460は、光学的積層体440とともにウエハレベルで形成される。スタンドオフ460は、上述の任意の変形例にかかるスタンドオフであってもよい。さらに光学的積層体440のすべての基板が同一の広がり(面積)を有するものとして図示されているが、光学的積層体は、ウエハレベルで光学的カバープレートウエハに固定され、分断され、このとき光学的カバープレートウエハは他のレンズ基板を越えて広がり(延び)、たとえば図6Bに示すように、直線的な端部または面取りされた端部を有するものであってもよい。
As further shown in FIG. 8A, the
図8Bに示すように、個別の光学的積層体440を検出器ウエハ170’に位置合わせして固定した後、独立したカメラシステム400を形成するために、ダイ切断ステップまたはエッチングステップにより、この構造体を垂直方向に分断してもよい。さらに、検出器基板170の活性領域176のみを保護する必要があるので、スタンドオフ460は活性領域176に隣接して設けられ、追加的な回路部をボンディングまたは集積化などをするための利用可能な領域を増大させることができる。図8Aおよび図8Bに示すように、スタンドオフ460は、光学的積層体440上にウエハレベルで作製してもよいが、択一的には検出器基板170の上に設けてもよい。この手法を用いて、任意の上記設計を行ってもよく、光学的積層体または少なくとも最後の基板の水平方向の面積を十分に拡大することができる。
After the individual
光学的積層体540の別の実施例が図9Aおよび図9Bに図示されている。再び、すべての色について単一のレンズシステムを用いてもよいし、単一レンズシステムが複数のレンズシステムのうちの1つであってもよい。 Another example of an optical stack 540 is illustrated in FIGS. 9A and 9B. Again, a single lens system may be used for all colors, or the single lens system may be one of a plurality of lens systems.
図9Aにおいて、異なる光路がオブジェクトからの異なるフィールドポイントに対応している。第1の基板550は、カメラに入射する光を制限する主要開口絞りS05を有する。第2の基板560は、入射光の画像形成を支援する第1の屈折性表面562を有する。第2の基板560は、光の画像形成をさらに支援する第2の屈折性表面562を有する。第3の基板570上には色収差および画像収差を補正する回折部品572が設けられている。第3の基板570は、光の画像形成をさらに支援する第3の屈折性表面574を有する。最後の基板580は、第4の屈折性表面582を有する。第4の屈折性表面582は凹面状で、画像のフィールドを平坦化して、すべての画像ポイントが同一平面に写像され、検出器アレイ24上に画像形成されるようにしたものである。
In FIG. 9A, different light paths correspond to different field points from the object. The
図9Bに最も明確に表されているように、対向する基板間の分離体S56,S67,S78は別々のものである。図9Aおよび図9Bに示す特定の実施形態においては、最も大きい分離体S56は、主要開口絞りS05と第1の屈折性表面562との間にある。ただし他の実施形態では、たとえば分離体S67などの他の分離帯が最大のものであってもよい。
As best shown in FIG. 9B, the separators S56, S67, S78 between the opposing substrates are separate. In the particular embodiment shown in FIGS. 9A and 9B, the largest separator S56 is between the main aperture stop S05 and the first
画像形成システムの別の実施例が図10に図示されている。図示のように、画像形成システムは、第1の基板650および第2の基板660からなるレンズ積層体を有する。画像形成システムが、検出器の活性領域674をカバーするカバープレート670から離間して、これに取り付けられる。
Another embodiment of an image forming system is illustrated in FIG. As shown in the figure, the image forming system has a lens stack including a
第1の基板650は、第1の表面上に第1の屈折性部品652、および第1の表面に平行な第2の表面上に第2の屈折性部品654を有する。図10に示すように、光学部品が形成された表面に対して光学的積層体がどのように分断されるかに応じて、第1の基板650の側面は互いに平行でなくてもよい。
The
第2の基板660は、第1の基板650の第2の表面に対向する第1の表面上に第3の屈折性部品662、および当該第1の表面に平行な第2の表面上に第4の屈折性部品664を有する。図10に示すように、屈折性部品662,664全体にわたって曲率半径が変化するものであってもよい。
The
第1および第2の基板650,660は、これらの対向表面上の固着領域656,666を用いてウエハレベルで一体に固着してもよい。たとえばスタンドオフ、穿孔接着剤、スペーサウエハなど、基板間を正確に離間させるための上述のさまざまな技術を用いることができる。上述のように、光学的積層体は、ウエハレベルまたはダイレベルでカバー基板670に固着させることができる。このとき、上述の離間技術を用いて、光学的積層体をカバー基板670から離間させる場合であっても、第1および第2の基板650,660の間のエアギャップは、光学的積層体間のエアギャップ、すなわち第2の基板660の第2の表面とカバー基板670の間のエアギャップより大きい。
The first and
画像形成システムの別の具体的な実施形態を図11に示す。図示のように、画像形成システムは、第1の基板740、第2の基板750および第3の基板760からなる。この画像形成システムは、検出器の活性領域774をカバーするカバープレート770に直接的に取り付けられている。
Another specific embodiment of the image forming system is shown in FIG. As illustrated, the image forming system includes a
第1の基板740は、第1の表面上に第1の屈折性部品742を有し、第1の表面に平行な第2の表面の光路上には構成部品が形成されていない。第2の基板750は、第1の基板740の第2の表面に対向する第1の表面上に第2の屈折性部品752を有し、第1の表面に平行な第2の表面の光路上には構成部品が形成されていない。第3の基板760は、第2の基板750の第2の表面に対向する第1の表面上に第3の屈折性部品762を有し、第1の表面に平行な第2の表面の光路上には構成部品が形成されていない。第3の基板760の第2の表面は平坦であり、カバープレート770に直接的に取り付けられている。
The
図11に示すように、屈折性部品752,762の曲率半径はその全体にわたって変化するものであってもよい。第2の屈折性部品752は、たとえば第1の曲率半径を有する中央凸面領域と、変化する曲率半径を有する周縁凹面領域とを有する。第3の屈折性部品は、第2の曲率半径を有する中央凹面領域と、第3の曲率半径を有する周縁凸面領域とを有する。
As shown in FIG. 11, the radius of curvature of the
第1、第2および第3の基板740,750,760は、それぞれの対向する表面上の固着領域746,756,758,766を用いてウエハレベルで一体に固着される。たとえばスタンドオフ、穿孔接着剤、スペーサウエハなど、基板間を正確に分離するための上述のさまざまな技術を用いることができる。上述のように、光学的積層体は、ウエハレベルまたはダイレベルでカバー基板770に固着させることができる。
The first, second and
すなわち本発明に係る実施形態によるカメラシステムは、ウエハレベルで形成され、平坦な表面を介して固着される光学部品を用いて作製することができる。さまざまな機構を用いて、これらの光学部品間を分離させることができる。分離機構を有するバッフルを光学アセンブリ全体に配設してもよい。これらの分離機構は、光学アセンブリの光学部品を封止し、保護するものである。光学的システムの最後の平坦な表面は検出アレイ、すなわち検出器マイクロレンズアレイまたは検出器カバープレートの最上面に直接的に配置される。回折性部品および他の矯正部品を用いて、焦点距離のばらつきまたは収差などの所望の光学的機能からの逸脱を矯正する。さらなる光学的機能を実現するために、異なる焦点距離を有するレンズがカメラシステムのアレイとして配設される。 That is, the camera system according to the embodiment of the present invention can be manufactured using an optical component that is formed at the wafer level and is fixed through a flat surface. Various mechanisms can be used to separate these optical components. A baffle having a separation mechanism may be disposed throughout the optical assembly. These separation mechanisms seal and protect the optical components of the optical assembly. The last flat surface of the optical system is placed directly on the top surface of the detection array, ie the detector microlens array or detector cover plate. Diffractive components and other corrective components are used to correct deviations from the desired optical function, such as focal length variations or aberrations. In order to realize further optical functions, lenses with different focal lengths are arranged as an array of camera systems.
本発明のいくつかの実施形態は、カメラシステムのそれぞれに対するレンズシステムのアレイを用い、レンズシステムは光学的システムを用いて各色に対して画像形成するものである。本発明の他の実施形態は、各カメラシステムのための単一のレンズシステムを利用するものである。各色に対してレンズシステムを用いると、各レンズを特定の関連する波長範囲に最適化することができ、薄くすることができ、カラーフィルタを光学的システム内に、すなわち最上面から検出器アレイまでの間に配置することができる。ただし、各カメラシステムに対する複数のレンズシステムを用いることは、得られた画像を複合するための最終信号処理を増大させることになる。単一レンズシステムを用いることは、より典型的なアプローチに適合し、その後の処理を減らすことになるが、それほど薄くすることはできず、検出器アレイ内にカラーフィルタを存置する必要がある。 Some embodiments of the present invention use an array of lens systems for each of the camera systems, where the lens system uses an optical system to image each color. Other embodiments of the present invention utilize a single lens system for each camera system. With a lens system for each color, each lens can be optimized for a specific associated wavelength range, can be thinned, and color filters can be placed in the optical system, ie from the top surface to the detector array. Can be placed between. However, using multiple lens systems for each camera system increases the final signal processing for combining the obtained images. Using a single lens system fits a more typical approach and reduces subsequent processing, but cannot be made as thin and requires the presence of a color filter in the detector array.
ウエハ形態にある受動光学部品(非発光部品)を形成すること、ウエハレベルまたはダイレベルで受動光学部品を他の受動光学部品または電気光学部品に固定すること、およびウエハ間の構成部品を封止するためにウエハおよび/またはウエハを固定する接着剤を用いることは、同一の譲受人に譲渡された米国特許第5,912,872号および第6,096,155号に開示されている。上記説明したように、基板は平坦な表面上に固着され、そしてエポキシ樹脂、半田、UV硬化接着剤、熱硬化性接着剤などの接着剤を用いて固定され、あるいは隣接する基板を溶融するものであってもよい。これらの特許文献でさらに開示されているように、基板を適合させ、位置合わせしやすくするために、リソグラフィ技術を用いて構造力学的な特徴物を形成してもよい。 Form passive optical components (non-light emitting components) in wafer form, secure passive optical components to other passive optical components or electro-optical components at wafer level or die level, and seal components between wafers The use of wafers and / or adhesives to secure the wafers to do so is disclosed in commonly assigned US Pat. Nos. 5,912,872 and 6,096,155. As explained above, the substrate is fixed on a flat surface and fixed with an adhesive such as epoxy resin, solder, UV curable adhesive, thermosetting adhesive, or melts adjacent substrates It may be. As further disclosed in these patent documents, structural mechanical features may be formed using lithographic techniques to adapt and facilitate alignment of the substrate.
これらの特許文献に記載されているように、リソグラフィ技術を用いて受動光学部品を形成するか、あるいはモールド成形加工技術、リソグラフィ技術、マシーン加工技術などを用いてマスター(原盤)を作製し、受動光学部品をこのマスターから複製してもよく、いずれの場合も本明細書では「リソグラフ加工品」という。さらに、ここに一体のものとして参考に統合される米国特許第6,027,595号に記載のように、複製されたリソグラフ加工品は、基板に転写してもよい。受動光学部品を作製するための方法および材料は、受動光学部品の設計に依存して決定してもよい。たとえば、大きなサグを有する屈折性光学部品が必要な場合、エッチング時間はサグに直接的に比例し、レンズの作製に莫大な時間を必要とするので、直接的なリソグラフィ技術は有用である。 As described in these patent documents, passive optical components are formed using lithography technology, or a master (master) is produced using molding processing technology, lithography technology, machine processing technology, etc. The optical component may be duplicated from this master, in any case referred to herein as a “lithographic product”. Further, as described in US Pat. No. 6,027,595, which is incorporated herein by reference, the replicated lithographic workpiece may be transferred to a substrate. The methods and materials for making the passive optics may be determined depending on the design of the passive optics. For example, when a refractive optical component having a large sag is required, the direct lithography technique is useful because the etching time is directly proportional to the sag and enormous time is required to fabricate the lens.
直接的なリソグラフィ技術に適した透明材料は数少なく、たとえば溶融シリカなどのガラスといったものである。残念ながら、直接的なリソグラフィ技術に適した数多くの材料は、同様の屈折率および分散率を有する。このため、高品位カメラシステム、すなわちウエハレベルで作製された光学部品を用いた、フィールド全体においてMTFが高いカメラシステムを設計することが極めて困難となっている。特に色収差はMTFを低減する特定の要因となり得る。この問題に対する1つの解決手段は、色収差を低減する回折部品を用いることである。さらに、各レンズシステムに対して異なる色を用いて、各レンズシステムの波長範囲を狭くして、色収差をいっそう低減することができる。たとえば複製されたリソグラフ加工品が最終的な部品である場合、別の潜在的な解決手段によれば、いくつかのレンズ表面についてポリマなどのプラスティック材料を用いることができる。これらのプラスティック材料は、通常、ガラスより安価で軽量であるが、熱膨張率がより高く、ガラスより高い分散率を有し得る。 There are few transparent materials suitable for direct lithography techniques, such as glass such as fused silica. Unfortunately, many materials suitable for direct lithographic techniques have similar refractive index and dispersion. For this reason, it is extremely difficult to design a high-definition camera system, that is, a camera system having a high MTF in the entire field using optical parts manufactured at the wafer level. In particular, chromatic aberration can be a specific factor in reducing MTF. One solution to this problem is to use diffractive components that reduce chromatic aberration. Furthermore, using different colors for each lens system, the wavelength range of each lens system can be narrowed to further reduce chromatic aberration. For example, if the replicated lithographic workpiece is the final part, according to another potential solution, plastic materials such as polymers can be used for some lens surfaces. These plastic materials are usually cheaper and lighter than glass, but have a higher coefficient of thermal expansion and may have a higher dispersion than glass.
しかしながら、色分散特性が異なる複数の材料を用いると、すなわち分散率の高い材料と低い材料を用いると、単一の材料を用いた場合と比較して、高いMTFを得ることができる。たとえば複製された部品をポリマで、リソグラフ加工部品をガラスで形成してもよい。これらの材料は、異なる熱膨張率、異なる屈折率、および異なる色分散特性を有していてもよい。ポリマ製光学部品およびガラス製光学部品の両方を用いるシステムを設計することにより、単一の材料を用いるシステムに比してより高いMTFを実現することができる。すなわち、最も小さい径を有する第1の屈折性部品など、いくつかの光学部品について直接的なリソグラフィ技術システムを用い、他の光学部品については複製技術を用いて、システムを形成することができる。当然に、すべての構成部品は、複製物であるか、あるいは直接的に形成されたものである。 However, when a plurality of materials having different color dispersion characteristics are used, that is, a material having a high dispersion rate and a material having a low dispersion rate are used, a high MTF can be obtained as compared with the case of using a single material. For example, the replicated part may be formed of a polymer and the lithographic processed part may be formed of glass. These materials may have different coefficients of thermal expansion, different refractive indices, and different color dispersion characteristics. By designing a system that uses both polymer and glass optical components, a higher MTF can be achieved compared to a system using a single material. That is, the system can be formed using a direct lithographic technology system for some optical components, such as the first refractive component having the smallest diameter, and a replication technique for other optical components. Of course, all the components are duplicates or directly formed.
第1の基板、第2の基板、最後の基板、および検出器アレイの内の少なくとも2つは、ウエハレベルで形成され、固定され、すなわちこれらの複数の構成部品は、同時に形成され、固定された後、単品化されて、たとえば図2、図6B、図7または図8Aに示す積層体が形成される。こうしたウエハレベルの作製は、ここに一体のものとして参考に統合される同一の譲受人に譲渡された米国特許第6,451,150号および第6,483,627号の教示内容に基づいて実現される。さらに光学部品は、ダイレベルでのみ固定される場合であっても、すべての光学部品はウエハレベルで形成することができる。 At least two of the first substrate, the second substrate, the last substrate, and the detector array are formed and fixed at the wafer level, i.e. these multiple components are formed and fixed simultaneously. After that, it is made into a single product to form, for example, a laminate shown in FIG. 2, FIG. 6B, FIG. 7 or FIG. Such wafer level fabrication is realized based on the teachings of US Pat. Nos. 6,451,150 and 6,483,627 assigned to the same assignee, which is hereby incorporated by reference. Furthermore, all optical components can be formed at the wafer level, even if the optical components are fixed only at the die level.
カメラシステムの構成部品は、固着され、単品化され、そして同様に先に固定され、他の構成部品とともに単品化された別の構成部品に固着される。択一的には、カメラシステムを単品化する代わりに、異なる焦点距離など、異なる光学的効果を有するこれらのカメラシステムのアレイを異なるカメラシステムを用いて実現することができる。たとえば、2×2のカメラシステムアレイであって、その1つのカメラシステムが標準的なレンズ構成として形成され、別の1つが広角レンズとして、また別の1つが望遠レンズとして、さらに別の1つがマクロレンズとして形成される。 The components of the camera system are fastened, singulated, and similarly fixed earlier, and fastened to another component that is singulated with other components. Alternatively, instead of a single camera system, an array of these camera systems with different optical effects, such as different focal lengths, can be realized using different camera systems. For example, a 2 × 2 camera system array, where one camera system is formed as a standard lens configuration, another as a wide-angle lens, another as a telephoto lens, and another one as It is formed as a macro lens.
先に詳細説明したように、カメラシステムを設計する際、第1のレンズとセンサとの間にいくつかのポイントで大きなエアギャップを設けることが好ましい。ただし、ウエハに基づく光学部品を用いる場合、ウエハ全体にわたって構成部品を支持するのに十分な厚みを有する基板上に光学部品を作製することが好ましい。これにより、大きなエアギャップを配置できる位置が制限される。すなわち大きなエアギャップが2つの構成部品間に配置されたとき、数多くの場合、カメラシステムに必要なすべての基板および構成部品を薄い空間的制約に適合させつつ、大きなエアギャップを利用できる場所はそこしかない。したがって、大きなエアギャップの位置または任意の2つの部品間の最大のエアギャップの位置は、極めて重要な設計パラメータである。 As detailed above, when designing a camera system, it is preferable to provide a large air gap at several points between the first lens and the sensor. However, when using an optical component based on a wafer, it is preferable to produce the optical component on a substrate having a thickness sufficient to support the components over the entire wafer. Thereby, the position which can arrange | position a big air gap is restrict | limited. That is, when a large air gap is placed between two components, in many cases there is no place where the large air gap can be used while adapting all the boards and components required for the camera system to thin spatial constraints. There is only. Thus, the position of the large air gap or the position of the largest air gap between any two parts is a very important design parameter.
典型的なカメラシステム設計において、最大のエアギャップは、通常、最後のレンズ表面とセンサとの間に配置される。センサ平面の直上またはこれに隣接するレンズ部品を配置することは困難であるので、典型的な設計においては、しばしばそのようにされる。上述のように、ウエハスケールのカメラシステムについては、こうした制約は排除されている。上述のように、光学表面は容易にセンサ平面に隣接して配置することができる。フィールド平坦化部材をセンサ平面に隣接して配置することにより、図1Aに示す部品112,124などのカメラ光学部品の塊がより小さい開口を有すること、より小さい径のサグを有すること、より大きいフィールド曲率およびより小さい縮小率を有するカメラ機能を実現することを可能とし、ひいてはフィールド平坦化部材を用いて矯正して、フィールドを拡大するとともに、平坦化するものである。すなわち、最後のレンズ部品表面とセンサの間ではなく、任意の2つの構成部品の表面間の最大のエアギャップを設けることにより、ウエハスケールのカメラシステムについての製造可能な設計をより簡便に行うことができる。たとえば図1Aおよび図6Bに示すように、フィールド平坦化部材に至る前の最後のレンズ表面と、フィールド平坦化部材との間に、最大のギャップが形成される。
In a typical camera system design, the largest air gap is usually located between the last lens surface and the sensor. This is often done in typical designs because it is difficult to place lens components directly above or adjacent to the sensor plane. As described above, such restrictions are removed from the wafer scale camera system. As mentioned above, the optical surface can easily be placed adjacent to the sensor plane. By placing the field flattening member adjacent to the sensor plane, a mass of camera optical components, such as
さらに、本発明に係る実施形態による光学的積層体を越えて延びるカバー構造体を設けると、カメラシステムの他の構成部品のための土台としてカバー構造体を機能させることができる。たとえば迷光を低減するために光学的積層体を包囲するカバー構造体上に遮光マテリアルを配設してもよい。 Furthermore, providing a cover structure that extends beyond the optical stack according to embodiments of the present invention allows the cover structure to function as a foundation for other components of the camera system. For example, a light shielding material may be disposed on a cover structure that surrounds the optical laminate in order to reduce stray light.
最後に、カメラシステムのための特定のレンズシステムについて説明するが、上述の原理は、任意のレンズシステム設計に対して採用することができ、このとき、光学基板は検出器基板に比して十分に小さく、数多くの検出器に対応してウエハ上で作製される数多くのレンズシステムを十分に増やすことができる。 Finally, although a specific lens system for a camera system will be described, the principles described above can be employed for any lens system design, where the optical substrate is sufficient compared to the detector substrate. The number of lens systems manufactured on a wafer corresponding to a large number of detectors can be sufficiently increased.
以上のように、本発明の実施形態について説明する際に特定の用語を用いたが、これらは一般的な用語であって記述的用語としてのみ解釈すべきであり、限定する意図を有するものとして解釈すべきではない。たとえば、典型的な3色の構成部品を説明したが、フルカラーカメラを実現するための任意の適当な3つまたはそれ以上の数の色の構成部品を採用してもよい。さらに、サブ画像形成器の設計として円形レンズについて説明したが、より大きなフィルファクタ(fill factor)のためのより高記録密度を実現するために、六角形レンズなどの他の形状を採用してもよい。さらに、同一色を有するサブカメラにおいて異なる画像を得るための異なる開口について説明したが、違いが得られる他の光学部品を用いてもよい。たとえば異なるサブカメラに対して、画素の活性領域が異なる形状を有していてもよい。任意の実施形態において、任意の電気的I/Oによる解決手段を採用してもよい。以上のように、当業者には容易に理解されるところではあるが、添付クレームに記載された本発明の精神および範疇から逸脱することなくなされたさまざまな変形例および変更例を想到することができる。 As described above, specific terms are used in describing the embodiments of the present invention, but these are general terms and should be interpreted only as descriptive terms, and are intended to be limiting. Should not be interpreted. For example, while a typical three color component has been described, any suitable three or more number of color components for implementing a full color camera may be employed. In addition, the circular lens has been described as a sub-imager design, but other shapes such as hexagonal lenses may be employed to achieve higher recording density for larger fill factors. Good. Furthermore, although different apertures for obtaining different images in the sub-cameras having the same color have been described, other optical components that can obtain a difference may be used. For example, the active areas of the pixels may have different shapes for different sub-cameras. In any embodiment, any electrical I / O solution may be employed. As will be appreciated by those skilled in the art, various modifications and changes may be made without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the appended claims. it can.
24:検出器アレイ、110:第1の基板、112:第1の屈折性表面、114:第1の基板の第2の表面、115:赤外線フィルタ、120:第2の基板、122:第2の基板の第1の表面、123:回折性部品、124:第2の屈折性表面、130:第3の基板、132:第3の屈折性表面、140:光学的積層体、150:カバープレート、160:スタンドオフ、170:検出器基板、172:ボンディングパッド、174:マイクロレンズのアレイ、176:活性領域、S01,S12,S23:分離体。 24: detector array, 110: first substrate, 112: first refractive surface, 114: second surface of the first substrate, 115: infrared filter, 120: second substrate, 122: second Substrate: first surface, 123: diffractive component, 124: second refractive surface, 130: third substrate, 132: third refractive surface, 140: optical laminate, 150: cover plate , 160: Stand-off, 170: Detector substrate, 172: Bonding pad, 174: Array of microlenses, 176: Active region, S01, S12, S23: Separators.
Claims (1)
第1および第2のウエハを有し、複数の画像形成システムを形成する光学的積層体ウエハを位置合わせするステップと、
第1および第2のウエハの対向表面上にある領域において光学的積層体ウエハを固定するステップと、対向表面は互いに平行でかつ画像形成システムの光軸に対して垂直であり、
対向表面を貫通するように第1および第2のウエハを分断して、複数の光学的積層体を形成するステップと、各光学的積層体は画像形成システムを有し、
活性領域を有する検出器基板に光学的積層体を固定するステップとを有し、
屈折性表面の径は活性領域の対角線より小さく、
光学的積層体が許容可能か否かを診断するステップと、
活性領域が許容可能か否かを診断するステップと、
許容可能な光学的積層体のみを許容可能な活性領域に固定するステップと、
活性領域を含むように検出器基板を分断するステップとをさらに有することを特徴とする作製方法。 A method of manufacturing a camera system,
Aligning an optical laminate wafer having first and second wafers and forming a plurality of imaging systems;
Fixing the optical stack wafer in a region on the opposing surfaces of the first and second wafers, the opposing surfaces being parallel to each other and perpendicular to the optical axis of the imaging system;
Dividing the first and second wafers to penetrate the opposing surface to form a plurality of optical stacks, each optical stack having an imaging system;
Fixing the optical stack to a detector substrate having an active region,
The diameter of the refractive surface is smaller than the diagonal of the active region,
Diagnosing whether the optical stack is acceptable;
Diagnosing whether the active region is acceptable; and
Securing only an acceptable optical stack to an acceptable active area;
And a step of dividing the detector substrate so as to include the active region.
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