TWI578019B - 低剖面混合型透鏡系統及其製造方法 - Google Patents

低剖面混合型透鏡系統及其製造方法 Download PDF

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TWI578019B TW105102402A TW105102402A TWI578019B TW I578019 B TWI578019 B TW I578019B TW 105102402 A TW105102402 A TW 105102402A TW 105102402 A TW105102402 A TW 105102402A TW I578019 B TWI578019 B TW I578019B
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Description

低剖面混合型透鏡系統及其製造方法
本發明揭露大體上係有關於光學透鏡領域，特定而言係針對低剖面混合型透鏡系統及其製造方法。
相機併入於大量器件中。諸如行動電話、平板電腦與膝上型電腦之消費電子器件一般包括微型相機模組。大多數該等器件配備由塑膠透鏡以固定組態組成之透鏡系統。為滿足該等器件穩定減少之形狀因數之要求，相機模組之成像物鏡必須具有低剖面。舉例而言，現代照相手機之厚度可能小於10毫米(mm)，包括外殼厚度。在滿足此類苛刻形狀因數要求之同時，相機模組必須提供高解析度影像。這對透鏡與影像感測器均施加約束。典型相機模組擁有約2百萬或更高像素之解析度。在如此大量像素共用入射光的情形下，關聯透鏡系統必須具有高採光效率，從而可產生足夠明亮之影像。為避免漸暈，透鏡系統必須產生至少與影像感測器相同大小之像圈。大多數解析度為2百萬或更高像素之影像感測器具有幾毫米的邊長。因此，關聯透鏡系統必須產生直徑至少為幾毫米之像圈。
本發明揭示組合一晶圓級透鏡與一或多個鑄造透鏡以在一短總軌道長度情形下產生大像圈之低剖面混合型透鏡系統。這些低剖面混合型透鏡系統非常適合用於併入至使用於例如行動電話之可攜式裝置之微型相機模組中。
於一實施例中，一種用於使一場景在影像平面上成像之一低剖面混合型透鏡系統，其包括：(a)一晶圓級透鏡，其帶有(i)具有對置的第一表面及第二表面之一平面基板，(ii)置放於第一表面上之一第一材料之一第一透鏡元件，以及(iii)置放於第二表面上之一第二材料之一第二透鏡元件；(b)一第一鑄造透鏡；以及(c)一第二鑄造透鏡；其中，晶圓級透鏡、該第一鑄造 透鏡以及該第二鑄造透鏡以串聯形式光學地耦接。
於一實施例中，一種用於製造低剖面混合型透鏡系統之方法包括於一夾具中安裝一晶圓級透鏡、一第一鑄造透鏡以及一第二鑄造透鏡以串聯形式光學地耦接該晶圓級透鏡以及該第一鑄造透鏡與該第二鑄造透鏡，其中該晶圓級透鏡包括(a)具有對置之第一表面與第二表面之一平面基板，(b)置放於第一表面上之一第一材料之一第一透鏡元件，以及(c)置放於第二表面上之一第二材料之一第二透鏡元件。
100‧‧‧相機器件
110‧‧‧相機模組
120、200、400‧‧‧低剖面混合型透鏡系統
130‧‧‧影像感測器
150、210(1)、410(1)‧‧‧晶圓級透鏡
152、154、230(1)、230(2)、430(1)、430(2)‧‧‧透鏡元件
153、155、163、165、173、175‧‧‧透鏡表面
156、220、420(1)‧‧‧基板
160、170、210(2)、210(3)、410(2)、410(3)‧‧‧鑄造透鏡
190、290、490‧‧‧像圈
195‧‧‧總軌道長度
212(1,1)、212(1,2)、212(2,1)、212(2,2)、212(3,1)、212(3,2)、412(1,1)、412(1,2)、412(2,1)、412(2,2)、412(3,1)、412(3,2)‧‧‧透鏡表面
222(1)、222(2)、422(1)、422(2)‧‧‧表面
240、440‧‧‧蓋玻璃
250、450‧‧‧影像平面
260、460‧‧‧光軸
280、480‧‧‧視野角
312、314、316、512、514、516‧‧‧縱向球面像差曲綫
322、324、326、522、524、526‧‧‧失真曲線
331、332、333、334、335、336、531、532、533、534、535、536‧‧‧像場彎曲
342、344、346、542、544、546‧‧‧橫向色差
348、548‧‧‧愛里斑半徑
600、700、800‧‧‧方法
圖1為根據一實施例說明於一例示性相機器件中實施之一低剖面混合型透鏡系統示意圖。
圖2為圖1根據一實施例說明低剖面混合型透鏡系統之示意圖。
圖3A為圖2之低剖面混合型透鏡系統的縱向球面像差之曲線圖。
圖3B為圖2之低剖面混合型透鏡系統的f-theta失真之曲線圖。
圖3C為圖2之低剖面混合型透鏡系統的佩茲瓦爾(Petzval)像場彎曲之曲線圖。
圖3D為圖2之低剖面混合型透鏡系統的橫向色差之曲線圖。
圖4為根據另一實施例說明圖1之低剖面混合型透鏡系統之示意圖。
圖5A為圖4之低剖面混合型透鏡系統的縱向球面像差之曲線圖。
圖5B為圖4之低剖面混合型透鏡系統的f-theta失真之曲線圖。
圖5C為圖4之低剖面混合型透鏡系統的佩茲瓦爾像場彎曲之曲線圖。
圖5D為圖4之低剖面混合型透鏡系統的橫向色差之曲線圖。
圖6為根據一實施例說明製造低剖面混合型透鏡系統之方法流程圖。
圖7為根據一實施例說明形成複數個晶圓級透鏡的方法流程圖。
圖8為根據一實施例說明產生鑄造透鏡之方法流程圖。
圖1為根據一實施例說明於一例示性相機器件100中實施之一低剖面混合型透鏡系統120示意圖。相機器件100是(例如)行動電話、平板電腦或膝上型電腦。然而，在不偏離本案範疇的情形下，相機器件100可為另一類型相機器件。低剖面混合型透鏡系統120與相機模組110中之影像感測器 130相耦接。相機模組110實施於相機器件100中。
低剖面混合型透鏡系統120包括晶圓級透鏡150、鑄造透鏡160及鑄造透鏡170。晶圓級透鏡150以及鑄造透鏡160及170以串聯形式光學地耦接，從而使場景在影像平面上成像。於相機模組110中，低剖面混合型透鏡系統120之影像平面與影像感測器130實質上重合。晶圓級透鏡150包括置放於基板156之對側上之透鏡元件152及154。透鏡元件152具有背對低剖面混合型透鏡系統120之影像平面之透鏡表面153。透鏡元件154具有面向低剖面混合型透鏡系統120之影像平面之透鏡表面155。鑄造透鏡160具有分別背對與面向低剖面混合型透鏡系統120之影像平面之透鏡表面163及165。鑄造透鏡170具有分別背對與面向低剖面混合型透鏡系統120之影像平面之透鏡表面173及175。
鑄造透鏡160及170中之每一者是一體成型，即，其均採用一種材料形成為單件透鏡。因此，鑄造透鏡160及170中之每一者通體由單一材料構成。然而，在不偏離本案範疇的情形下，鑄造透鏡160及170其中之一或二者均可包括一或多層表面塗層，例如，抗反射塗層。塗層於透鏡鑄造之後施用至鑄造透鏡。
鑄造透鏡160及170可採用例如注塑模製技術以極低成本進行製造。晶圓級透鏡150得益於晶圓級大量生產方法，可使其製造成本比鑄造透鏡160及170相關製造成本更低。此外，晶圓級透鏡150之晶圓級生產可允許透鏡元件152及154(以及基板156)採用不同材料進行製造。與鑄造透鏡相比，此類額外材料選擇之自由提供了更多的靈活性，有利於實現晶圓級透鏡150所需的效能特性。於一實施例中，透鏡元件152採用與透鏡元件154之材料不同的一材料進行製造。然而，並非所有透鏡形狀均可與晶圓級製造相容。舉例而言，並非所有透鏡形狀均能夠在兩個透鏡表面之間容納一平面基板。低剖面混合型透鏡系統120包括鑄造透鏡160及170，以達成與晶圓級製造不相容或者至少在晶圓級水平上無法製造之特定透鏡形狀。至少一部分由於透鏡形狀之原因，鑄造透鏡160及170與晶圓級透鏡150協作以產生短總軌道長度(TTL)195以及大像圈。在圖1中，低剖面混合型透鏡系統120之像圈由像圈(Image Circle,IC)之直徑190表示。於一實施例中，TTL 195小於IC 190。於另一實施例中，TTL 195相當於IC 190。由於TTL 195相對較短且IC 190相對較大，低剖面混合型透鏡系統120與相機模組110將以微型形式製造。因此，低剖面混合型透 鏡系統120非常適合用於併入至於一或多個維度上具有小形狀因數的相機器件100之實施例(例如現代行動電話或平板電腦)中。
於本案中，透鏡系統之「總軌道長度(Total Track Length,TTL)」是指在與透鏡系統之光軸平行條件下自透鏡系統之影像平面至距離該影像平面最遠之透鏡表面之最長距離。透鏡系統之像圈為由透鏡系統透射至影像平面之光錐截面。於本案中，像圈定義為與影像平面處之光錐的半高寬重合之圈。於本案中，透鏡系統之「像圈」是指影像平面上的由透鏡系統透射的光可到達的相對於光軸位置最遠的位置之集合或組。對於本案中所揭示的該等軸對稱透鏡系統而言，此集合或組描述影像平面上之一圈。
圖2說明包括以串聯形式光學耦接的晶圓級透鏡210(1)、鑄造透鏡210(2)及鑄造透鏡210(3)之一例示性低剖面混合型透鏡系統200。低剖面混合型透鏡系統200以非限制性實例說明結合圖1所論述之有益概念。雖然揭示低剖面混合型透鏡系統200的參數之特定值，但實際值仍可能與所揭示值存在偏差。所揭示參數值為一定範圍的值之特定實施例，其可擴展至此值範圍。低剖面混合型透鏡系統200為低剖面混合型透鏡系統120之一實施例。晶圓級透鏡210(1)為晶圓級透鏡150之一實施例。鑄造透鏡210(2)及210(3)分別為鑄造透鏡160及170之實施例。
低剖面混合型透鏡系統200經組態以透過置放於低剖面混合型透鏡系統200與影像平面250之間的蓋玻璃240而使場景在影像平面250上成像。蓋玻璃240可採用(例如)玻璃、塑膠或二者組合進行製造。低剖面混合型透鏡系統200具有總軌道長度295，且在影像平面250上形成像圈290。低剖面混合型透鏡系統200具有由視野角280指示之視野(FOV)。圖2進一步指示低剖面混合型透鏡系統200的光軸260。
晶圓級透鏡210(1)包括透鏡元件230(1)及230(2)，以及基板220。透鏡元件230(1)及230(2)分別為透鏡元件152及154之實施例。基板220為基板156之一實施例。基板220具有背對影像平面250之實質上平面表面222(1)以及面向影像平面250之實質上平面表面222(2)。透鏡元件230(1)及230(2)分別置放於表面222(1)及222(2)上。透鏡元件230(1)具有背對影像平面250之凸透鏡表面212(1,1)。透鏡元件230(2)具有面向影像平面250之凹透鏡表面212(1,2)。鑄造透鏡210(2)具有分別背對與面 向影像平面250之凹透鏡表面212(2,1)及凸透鏡表面212(2,2)。鑄造透鏡210(3)具有分別背對與面向影像平面250之透鏡表面212(3,1)及212(3,2)。鑄造透鏡210(3)成鷗翼形，且透鏡表面212(3,1)及212(3,2)中之每一者包括凸出與凹入部分。透鏡表面212之所有部分均為非球面。
表面222(1)界定低剖面混合型透鏡系統200之孔徑光闌。在不偏離本案範疇的情形下，基板220(1)的直徑可大於圖2中所示值，在此情形下，孔徑可位於表面222(1)上以形成孔徑光闌。同時，雖然下文呈現之光學效能採用圖2中所示之光學作用區域，在不偏離本案範疇的情形下，透鏡元件230(1)及230(2)以及透鏡元件210(2)及210(3)可具有比圖2中所示值更大之徑。
凸透鏡表面212(1,1)採集入射光線且將入射光線引導至低剖面混合型透鏡系統200。透鏡元件230(1)之凸平面形狀可減小進入低剖面混合型透鏡系統200的射線之角度並引導射線通過孔徑光闌。透鏡元件230(2)校正低剖面混合型透鏡系統200之色差。鑄造透鏡210(2)將自晶圓級透鏡210(1)接收到的射線束引導至鑄造透鏡210(3)。鑄造透鏡210(2)的形狀設計至少在一特定程度上維持與視野位置相應各射線束的對稱性，使得晶圓級透鏡210(1)之前的射線束的角分散與鑄造透鏡210(2)之後的相應射線束的角分散類似。因此，TTL 295比較少對稱情形下透鏡系統所達成之長度更短。鑄造透鏡210(3)主要用於(a)校正像差，尤其是失真與像散，以及(b)引導射線束至影像平面250。
表1A與1B列出低剖面混合型透鏡系統200之透鏡資料。透鏡資料包括所有透鏡表面212、透鏡元件230(1)及230(2)、基板220以及鑄造透鏡210(2)及210(3)的設計參數之值。透鏡資料亦包括孔徑光闌(STO)位置、蓋玻璃(CG)240的組態以及蓋玻璃240與影像平面(IMA)250之間的間隙。此外，亦列出所採用的物件位置(OBJ)。透鏡元件230(1)及230(2)、基板220、鑄造透鏡210(2)及210(3)以及蓋玻璃240中之每一者的材料特性與厚度均在表1A中以與自物件側所視相應元件之第一表面之相同列指示。表1A中所示材料特性為(a)夫朗和斐(Fraunhofer)譜線中D線λD=589.3nm時之折射率n D 以及(b)阿貝數(Abbe number)。阿貝數用於衡量一材料之光色散程度，其定義為V d =(n D -1)/(n F -n C )，其中n F 與n C 分別為夫朗和斐 譜線中F線λF=486.1nm與夫朗和斐譜線中C線λC=656.3nm情形下之折射率。
表1B列出各透鏡表面212的非球面係數。對於各透鏡表面212而言，表面輪廓可表示如下： 其中Z是與光軸260平行的表面凹陷，其隨自光軸260的徑向距離s而變化，C是曲率半徑的倒數，k是圓錐常數，A 4 ,A 6 ,...,...是第4、第6...階非球面項。
低剖面混合型透鏡系統200之工作光圈數為2.53，視野角280為80.2度，TTL 295為2.803mm，且IC 290為3.692mm。由此可得出低剖面混合型透鏡系統200之IC/TTL=1.317。
如表1A中所示，透鏡元件230(1)與230(2)採用兩種不同材料進行製造。透鏡元件230(1)材料之折射率n D =1.51，阿貝數V d =57.00，而透鏡元件230(2)材料之折射率n D =1.59，阿貝數V d =31.24。透鏡元件230(2)之阿貝數小於透鏡元件230(1)與鑄造透鏡210(2)之阿貝數。
《塑膠光學手冊》(Handbook of Plastic Optics)(Wiley-VCH出版社)列出阿貝數大於55之透明光學材料之實例。實例包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及例如APELTM 5014DP、TOPAS® 5013以及ZEONEX® 480R之環烯聚合物。在不偏離本案範疇的情形下，阿貝數大於55之透鏡材料可能為塑膠、玻璃或任何其他光學材料。《塑膠光學手冊》進一步列出阿貝數小於35之透明光學材料之實例。實例包括例如PANLITE®之聚碳酸酯，例如Udel® P-1700之聚碸以及例如OKP-4之光學聚酯。在不偏離本案範疇的情形下，阿貝數小於35之透鏡材料可能為塑膠、玻璃或任何其他光學材料。
鑄造透鏡210(2)的透鏡表面212(2,1)及212(2,2)在光軸260上的投射位置隔開約50微米。因此，除鑄造之外，在晶圓級(與晶圓級透鏡210(1)類似)上產生鑄造透鏡210(2)將不能實施，這是因為此種晶圓級透鏡之基板厚度需小於50微米。類似地，鑄造透鏡210(3)的透鏡表面212(3,1)及212(3,2)在光軸260上的投射位置隔開約100微米，且除鑄造之外，在晶圓級上產生鑄造透鏡210(3)將不能實施。
透鏡表面212的曲率半徑使得(R2/R5)*R6<1.85mm且 R5/R3/R2/R4/R10.15mm-3，其中R1、R2、R3、R4、R5與R6分別為透鏡表面212(1,1)、212(1,2)、212(2,1)、212(2,2)、212(3,1)與212(3,2)之曲率半徑。
圖3A、圖3B、圖3C與圖3D展示依據Zemax® Optical Design Program所評估的低剖面混合型透鏡系統200(圖2)的光學效能。圖3A、圖3B、圖3C與圖3D分別展示低剖面混合型透鏡系統200的球面像差、f-theta失真、像場彎曲與橫向色差(假定物件(OBJ)與影像平面(IMA)250的位置如表1A中所指示)。如圖3A、圖3B、圖3C與圖3D所示，低剖面混合型透鏡系統200在高光學品質影像平面250上產生一影像。
圖3A為低剖面混合型透鏡系統200的縱向球面像差之曲線圖。圖3A展示以毫米為單位之縱向球面像差(於橫軸上顯示)，其隨入射光瞳高度(於縱軸上顯示)而變化。縱軸自光軸260延伸至與視野角280相關聯的光軸260的最極端徑向距離處。最大入射光瞳半徑為r p =0.4261mm。縱向球面像差曲綫312、314與316分別在夫朗和斐譜線中F、D與C線上計算。
圖3B為低剖面混合型透鏡系統200的f-theta失真之曲線圖。圖3B展示以百分比為單位之f-theta失真(於橫軸上顯示)，其隨視野角(於縱軸上顯示)而變化。縱軸自光軸260延伸至視野角280所限制最極端位置處。因此，圖3B中所標繪的最大視野角為θmax=40.110°。失真曲線322(實線)是在波長λF下進行計算，失真曲線324(虛線)是在波長λD下進行計算，失真曲線326(點劃線)是在波長λF下進行計算。
圖3C為低剖面混合型透鏡系統200的佩茲瓦爾像場彎曲之曲線圖。像場彎曲以毫米為單位於橫軸上顯示，零與θmax=40.110°之間的視野角於縱軸上顯示。像場彎曲331與像場彎曲332分別於矢狀及切向平面中以波長λF進行計算。像場彎曲333與像場彎曲334分別於矢狀及切向平面中以波長λD進行計算。像場彎曲335與像場彎曲336分別於矢狀及切向平面中以波長λC進行計算。
圖3D為低剖面混合型透鏡系統200的橫向色差(亦稱為橫向像差)之曲線圖。圖3D展示以微米為單位之橫向色差(於橫軸上顯示)，其隨像場高度(於縱軸上顯示)而變化。縱軸自光軸260延伸至與視野角280相關聯的光軸260的最極端徑向距離處。像場高度範圍為hmin=0(軸上)至hmax=1.8140mm。橫向色差參考為λD，使得λD的橫向色差344在所有像場高度下均為零。橫向色差342在波長λF下進行計算。橫向色差346在波長λC下進行計算。在所評估像場高度範圍下，橫向色差小於愛里斑(Airy Disk)半徑348。
圖4說明包括以串聯形式光學地耦接之晶圓級透鏡410(1)、鑄造透鏡410(2)及鑄造透鏡410(3)之例示性低剖面混合型透鏡系統400。低剖面混合型透鏡系統400以非限制性實例說明結合圖1所論述之有益概念。雖然揭露了低剖面混合型透鏡系統400的參數之特定值，但實際值仍可能與所揭示數值存在偏差。所揭露參數值為一定範圍值之一特定實例，其可擴展至該值範圍。低剖面混合型透鏡系統400為低剖面混合型透鏡系統120之一實施例，與低剖面混合型透鏡系統200(圖2)類似。晶圓級透鏡410(1)為晶圓級透鏡150之一實施例。鑄造透鏡410(2)及410(3)分別為鑄造透鏡160及170之實施例。
低剖面混合型透鏡系統400經組態以透過置放於低剖面混合型透鏡系統400與影像平面450之間的蓋玻璃440而使場景在影像平面450上成像。蓋玻璃440可採用，舉例而言，玻璃、塑膠或二者組合進行製造。低剖面混合型透鏡系統400具有總軌道長度495，且在影像平面450上形成像圈490。低剖面混合型透鏡系統400具有由視野角480指示之視野(FOV)。圖4進一步指示低剖面混合型透鏡系統400之光軸460。
晶圓級透鏡410(1)包括透鏡元件430(1)及430(2)，以及基板420。透鏡元件430(1)及430(2)分別為透鏡元件152及154之實施例。基板420為基板156之一實施例。基板420具有背對影像平面450之實質上平面表面422(1)以及面向影像平面450之實質上平面表面422(2)。透鏡元件430(1)及430(2)分別置放於表面422(1)及422(2)上。透鏡元件430(1)具有背對影像平面450之凸透鏡表面412(1,1)。透鏡元件430(2)具有面向影像平面450之凹透鏡表面412(1,2)。透鏡元件410(2)具有分別背對與面向影像平面450之凹透鏡表面412(2,1)及凸透鏡表面412(2,2)。鑄造透鏡410(3)具有分別背對與面向影像平面450之透鏡表面412(3,1)及412(3,2)。透鏡元件410(3)成鷗翼形，透鏡表面412(3,1)及412(3,2)中之每一者包括凸出與凹入部分。透鏡表面412之所有部分均為非球面。
表面422(1)界定低剖面混合型透鏡系統400的孔徑光闌。在不偏離本案範疇的情形下，基板420(1)的直徑可大於圖4中所示值，在此情形下，孔徑可形成於表面422(1)上以形成孔徑光闌。此外，在不偏離本案範疇的情形下，透鏡元件430(1)及430(2)以及透鏡元件410(2)及410(3) 可具有比圖4中所示值更大的直徑，但下文呈現之光學效能採用如圖4中所示的光學作用區域。
凸透鏡表面412(1,1)採集入射光線並將該等入射光線引導至低剖面混合型透鏡系統400。透鏡元件430(1)之凸平面形狀可減小進入低剖面混合型透鏡系統400的射線之角度且引導射線通過孔徑光闌。透鏡元件430(2)校正低剖面混合型透鏡系統400之色差。鑄造透鏡410(2)將自晶圓級透鏡410(1)接收到的射線束引導至鑄造透鏡410(3)。鑄造透鏡410(2)的形狀設計至少在一特定程度上維持與視野位置相應各射線束的對稱性，從而確保晶圓級透鏡410(1)之前的射線束的角分散與鑄造透鏡410(2)之後的相應射線束的角分散相似。因此，TTL 495比不對稱情形下透鏡系統所得到的長度更短。鑄造透鏡410(3)主要用於(a)校正像差，尤其是失真與像散，以及(b)引導射線束至影像平面450。
表2A與2B列出低剖面混合型透鏡系統400之透鏡資料。透鏡資料包括所有透鏡表面412、透鏡元件430(1)及430(2)、基板420以及鑄造透鏡410(2)及410(3)的設計參數之值。透鏡資料亦包括孔徑光闌(STO)位置、蓋玻璃(CG)440的組態以及蓋玻璃440與影像平面(IMA)250之間的間隙。此外，亦列出假定物件位置(OBJ)。透鏡元件430(1)及430(2)、基板420、鑄造透鏡410(2)及410(3)以及蓋玻璃440中之每一者的材料特性與厚度均在表2A中以與自物件側所視相應元件之第一表面之相同列顯示。表2A中所示材料特性為(a)夫朗和斐譜線中D線λD=589.3時之折射率n D 以及(b)阿貝數。表2B列出各透鏡表面412之非球面係數。
低剖面混合型透鏡系統400之工作光圈數為2.49，視野角480為80.5度，TTL 495為2.815mm，且IC 490為3.708mm。由此可得出低剖面混合型透鏡系統400之IC/TTL=1.317。
如表2A中所示，透鏡元件430(1)與430(2)採用兩種不同材料進行製造。透鏡元件430(1)材料之折射率n D =1.51，阿貝數V d =57.00，而透鏡元件430(2)材料之折射率n D =1.59，阿貝數V d =31.24。透鏡元件430(2)之阿貝數小於透鏡元件430(1)與鑄造透鏡410(2)之阿貝數。
鑄造透鏡410(2)之透鏡表面412(2,1)及412(2,2)在光軸460上的投射位置重疊。因此，除鑄造之外，在晶圓級(與晶圓級透鏡410(1) 類似)上產生鑄造透鏡410(2)是不可能的。鑄造透鏡412(3)之透鏡表面412(3.1)及410(3.2)在光軸460上的投射位置隔開約200微米。因此，除鑄造之外，在晶圓級產生鑄造透鏡410(3)將為不能實施的，此是因為此種晶圓級透鏡之基板厚度需小於200微米。
透鏡表面412的曲率半徑使得(R2/R5)*R6<1.85mm且R5/R3/R2/R4/R10.15mm-3，其中R1、R2、R3、R4、R5與R6分別為透鏡表面412(1,1)、412(1,2)、412(2,1)、412(2,2)、412(3,1)與412(3,2)之曲率半徑。
圖5A、圖5B、圖5C與圖5D展示依據Zemax® Optical Design Program所評估的低剖面混合型透鏡系統400(圖4)之光學效能。圖5A、圖5B、圖5C與圖5D中分別展示低剖面混合型透鏡系統400之球面像差、f-theta失真、像場彎曲與橫向色差(假定物件(OBJ)與影像平面(IMA)450之位置如表2A中所指示)。如圖5A、圖5B、圖5C與圖5D所示，低剖面混合型透鏡系統400在高光學品質影像平面450上產生一影像。
圖5A為低剖面混合型透鏡系統400的縱向球面像差之曲線圖。圖5A展示以毫米為單位之縱向球面像差(於橫軸上顯示)，其隨入射光瞳高度(於縱軸上顯示)而變化。縱軸自光軸460延伸至與視野角480相關聯的光軸460的最極端徑向距離處。最大入射光瞳半徑為r p =0.4243mm。縱向球面像差曲綫512、514與516分別在夫朗和斐譜線中F、D與C線上計算。
圖5B為低剖面混合型透鏡系統400的f-theta失真之曲線圖。圖5B展示以百分比為單位之f-theta失真(於橫軸上顯示)，其隨視野角(於縱軸上顯示)而變化。縱軸自光軸460延伸至視野角480所限定的最極端位置處。因此，圖5B中所標繪的最大視野角為θmax=40.268°。失真曲線522(實線)在波長λF下進行計算，失真曲線524(虛線)在波長λD下進行計算，失真曲線526(點劃線)在波長λF下進行計算。
圖5C為低剖面混合型透鏡系統400的佩茲瓦爾像場彎曲之曲線圖。像場彎曲以毫米為單位在橫軸上顯示，零與θmax=40.268°之間的視野角 在縱軸上顯示。像場彎曲531與像場彎曲532分別於矢狀及切向平面中以波長λF進行計算。像場彎曲533與像場彎曲534分別於矢狀及切向平面中以波長λD進行計算。像場彎曲535與像場彎曲536分別於矢狀及切向平面中以波長λC進行計算。
圖5D為低剖面混合型透鏡系統400的橫向色差之曲線圖。圖5D展示以微米為單位之橫向色差(於橫軸上顯示)，其隨像場高度(於縱軸上顯示)而變化。縱軸自光軸460延伸至與視野角480相關聯的光軸460的最極端徑向距離處。像場高度範圍為hmin=0(軸上)至hmax=1.8140mm。橫向色差參考λD，使得λD的橫向色差544在所有像場高度下均為零。橫向色差542在波長λF下進行計算。橫向色差546在波長λC下進行計算。在所評估像場高度範圍情形下，橫向色差小於愛里斑半徑548。
圖6為根據一實施例說明製造低剖面混合型透鏡系統120(圖1)之方法600流程圖。方法600可用於根據低剖面混合型透鏡系統200(圖2)的透鏡規格或根據低剖面混合型透鏡系統400(圖4)的透鏡規格形成低剖面混合型透鏡系統120。
於步驟640中，方法600組裝低剖面混合型透鏡系統120。步驟640包括一步驟642，在步驟642中，將晶圓級透鏡150、鑄造透鏡160及鑄造透鏡170裝置於一夾具中。夾具經組態以光學地串聯置放晶圓級透鏡150、鑄造透鏡160與鑄造透鏡170，如圖1所示。在一實例中，步驟642採用先前技術中已知的方法於夾具中安裝晶圓級透鏡150、鑄造透鏡160及鑄造透鏡170。
可選擇地，步驟640可先於步驟610、620及630。於步驟610中，方法600形成晶圓級透鏡150。於步驟620中，方法600鑄造鑄造透鏡160。於步驟630中，方法600鑄造鑄造透鏡170。
於一實施例中，方法600進一步包括基於低剖面混合型透鏡系統120製造相機模組110的步驟650。步驟650包括耦接低剖面混合型透鏡系統120至影像感測器130以形成相機模組110的步驟652。於一實例中，步驟642的夾具經組態以安裝至包括影像感測器130的電子電路板上。
圖7為根據一實施例說明形成複數個晶圓級透鏡150(圖1)的方法700流程圖。方法600(圖6)的步驟610可實施方法700。
於步驟710中，在以與基板156相關聯的材料所製造的晶圓之 第一表面上形成複數個透鏡元件152。於步驟710的一實施例中，在晶圓的第一表面上模製複數個透鏡元件。舉例而言，將樹脂(例如聚合物樹脂)沉積在晶圓的第一表面上；將帶有複數個凹部的模具，模具各自的形狀與透鏡表面153互補，置放於第一表面(帶樹脂)上，固化該樹脂，且自第一表面移除該模具。樹脂可為透過晶圓向第一表面上的樹脂照射紫外線光而進行固化的紫外線(UV)可固化環氧樹脂。
於步驟720中，在步驟710的晶圓之第二表面上形成複數個透鏡元件154，其中第二表面與第一表面對置。步驟720可與步驟710利用相同的方法，然而使用帶有複數個凹部的模具，每一模具的形狀與透鏡表面155互補且其位置與步驟710中所使用模具的凹部中的一者相同的晶圓位置相同。
於步驟730中，自晶圓單分出複數個晶圓級透鏡150。晶圓經切割，例如採用領域中已知的方法，以形成複數個晶圓級透鏡150。
圖8為根據一實施例說明產生鑄造透鏡160及170(圖1)中的任一者之方法800流程圖。方法600(圖6)的步驟620及630中的一個步驟或二者均可實施方法800。
於步驟810中，在具有與鑄造透鏡(換言之，鑄造透鏡160與170中的一者)的形狀互補之形狀的模具中置放樹脂(例如聚合物樹脂)。
於步驟820中，對樹脂進行硬化。於一實例中，樹脂為紫外線可固化環氧樹脂，且於步驟820中，包括將樹脂曝露至紫外線。步驟820導致在模具內形成鑄造透鏡。
於步驟830中，打開模具以自其釋放鑄造透鏡。
特徵組合
在不偏離本案範疇的情形下，上述特征及下文所主張之特征可以多種方式組合。舉例而言，應了解，本案所述之低剖面混合型透鏡系統或其製造方法之諸態樣可併入或替換本案所述的另一低剖面混合型透鏡系統或其製造方法的特徵。下述實例說明上述實施例之一些可能、非限制性組合。應當明確，可在不偏離本發明精神及範疇的情形下對本案內的方法及器件作出諸多其他變更及修改：
(A1)一種用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統可包括：(a)一晶圓級透鏡，其帶有(i)具有對置的第一表面與第二 表面之一平面基板，(ii)置放於第一表面上之一第一材料之一第一透鏡元件，以及(iii)置放於第二表面上之一第二材料之一第二透鏡元件；(b)一第一鑄造透鏡；(c)一第二鑄造透鏡。
(A2)於(A1)所表示之低剖面混合型透鏡系統中，晶圓級透鏡、第一鑄造透鏡及第二鑄造透鏡以串聯形式光學地耦接。
(A3)於(A1)及(A2)所表示之低剖面混合型透鏡系統中的任一者中，第一鑄造透鏡與第二鑄造透鏡中之每一者可通體由相同材料構成。
(A4)於(A1)和(A2)所表示之低剖面混合型透鏡系統中的任一者中，第一鑄造透鏡與第二鑄造透鏡中之每一者可由單一塊體材料及一或多層表面塗層構成。
(A5)於(A1)至(A4)所表示之低剖面混合型透鏡系統中的任一者中，晶圓級透鏡、第一鑄造透鏡及第二鑄造透鏡協作以使場景在影像平面上成像。
(A6)於(A1)至(A5)所表示之低剖面混合型透鏡系統中的任一者中，相對於於晶圓級透鏡，第一鑄造透鏡與第二鑄造透鏡更貼近影像平面。
(A7)於(A6)所表示之低剖面混合型透鏡系統中，晶圓級透鏡距影像平面最遠，第二鑄造透鏡距該影像平面最近，第一鑄造透鏡沿低剖面混合型透鏡系統的光軸位於晶圓級透鏡及第二鑄造透鏡之間。
(A8)如(A7)所表示之低剖面混合型透鏡系統可具有像圈(IC)及總軌道長度(TTL)，使得IC/TTL>1.275。
(A9)於(A7)和(A8)所表示之低剖面混合型透鏡系統中的任一者中，其可具有TTL<3毫米。
(A10)如(A7)至(A9)所表示之低剖面混合型透鏡系統中的任一者，其視野角可大於75°。
(A11)如(A7)至(A10)所表示之低剖面混合型透鏡系統中的任一者，其工作光圈數可小於3。
(A12)於(A7)至(A11)所表示之低剖面混合型透鏡系統中的任一者中，晶圓級透鏡之第一透鏡元件之阿貝數大於晶圓級透鏡之第二透 鏡元件之阿貝數。
(A13)於(A7)至(A12)所表示之低剖面混合型透鏡系統中的任一者中，第一鑄造透鏡之阿貝數大於晶圓級透鏡之第二透鏡元件之阿貝數。
(A14)於(A7)至(A13)所表示之低剖面混合型透鏡系統中的任一者中，晶圓級透鏡之第二透鏡元件包括背對基板且面向影像平面之一第二透鏡表面，其中第二透鏡表面之曲率半徑為R2；且第二鑄造透鏡可包括(a)背對影像平面且曲率半徑為R5之一第五透鏡表面，以及(b)面向影像平面且曲率半徑為R6之一第六透鏡表面；其中R2/R5*R6<1.85毫米。
(A15)於(A7)至(A14)所表示之任何低剖面混合型透鏡系統內，晶圓級透鏡之第一透鏡元件可包括背對基板且背對影像平面之一第一透鏡表面，其中第一透鏡表面之曲率半徑為R1；晶圓級透鏡之第二透鏡元件可包括背對基板且面向影像平面之一第二透鏡表面，其中第二透鏡表面之曲率半徑為R2,；第一鑄造透鏡可包括(a)背對影像平面且曲率半徑為R3之一第三透鏡表面，以及(b)面向影像平面且曲率半徑為R4之一第四透鏡表面；且該第二鑄造透鏡可包括背對影像平面且曲率半徑為R5之一第五透鏡表面；其中R5/R3/R2/R4/R1<0.15mm-3。
(A16)於(A7)至(A15)所表示之低剖面混合型透鏡系統中的任一者中，晶圓級透鏡之第一透鏡元件可包括背對基板且背對影像平面之一凸透鏡表面；晶圓級透鏡之第二透鏡元件可包括背對基板且面向影像平面之一凹透鏡表面；且第一鑄造透鏡可包括(a)背對影像平面之一凹入鑄造透鏡及(b)面向影像平面之一凸出鑄造透鏡。
(A17)於(A16)所表示之低剖面混合型透鏡系統中，凹入鑄造透鏡表面沿光軸之位置可與凸出鑄造透鏡表面沿光軸之位置重疊。
(A18)於(A1)至(A17)所表示之低剖面混合型透鏡系統中的任一者中，第一鑄造透鏡及第二鑄造透鏡中的每一者可包括(a)背對影像平面且沿低剖面混合型透鏡系統的光軸具有一第一位置之一第一透鏡表面，以及(b)面向影像平面且沿光軸具有一第二位置之一第二透鏡表面，其中該第二位置自該第一位置偏移小於0.3毫米。
(A19)於(A1)至(A17)所表示之低剖面混合型透鏡系統 中的任一者中，第一鑄造透鏡及第二鑄造透鏡中的每一者可包括(a)背對影像平面且沿低剖面混合型透鏡系統之光軸具有一第一位置之一第一透鏡表面，以及(b)面向影像平面且沿光軸具有一第二位置之一第二透鏡表面，其中第二位置自第一位置偏移小於0.1毫米。
(B1)一種用於製造低剖面混合型透鏡系統之方法可包括於一夾具中安裝一晶圓級透鏡、一第一鑄造透鏡與一第二鑄造透鏡，以串聯形式光學地耦接晶圓級透鏡、第一鑄造透鏡及第二鑄造透鏡，其中晶圓級透鏡包含(a)具有對置的第一表面與第二表面之一平面基板，(b)置放於第一表面上之一第一材料之一第一透鏡元件，以及(c)置放該第二表面上之一第二材料之一第二透鏡元件。
(B2)(B1)所表示之方法可進一步包括：在一晶圓之一第一表面上置放第一透鏡元件之第一複數個複本，以及在晶圓之一第二平面上置放第二透鏡元件之第二複數個複本，其中晶圓之第二平面與第一平面對置。
(B3)(B2)所表示之方法可進一步包括：在置放第一複數個複步驟之後且在置放該第二複數個複本之該步驟之後，自晶圓單分出晶圓級透鏡之複數個複本。
(B4)(B1)至(B3)所表示之任何方法可進一步包括在一第一模具內置放一第一材料，及在處第一模具內時硬化該第一材料以形成第一鑄造透鏡。
(B5)(B1)至(B4)所表示之任何方法可進一步包括在一第二模具內置放一第二材料，及在處於該第二模具內時硬化該第二材料以形成該第二鑄造透鏡。
(B6)(B1)至(B5)所表示之任何方法可用於製造(A1)至(A19)所表示之低剖面混合型透鏡系統中的任一者。
可在不偏離本案範疇的情形下對上述系統及方法做出改變。因此應當指出的是，以上描述中含有或於附圖中展示之內容應解釋為說明性的意義而非限制性的意義。下列申請專利範圍是意欲涵蓋本案所述之所有一般特性及特定特征，且由於語言的關係，本系統及方法的範疇的全部陳述可能落入其間。
100‧‧‧相機器件
110‧‧‧相機模組
120‧‧‧低剖面混合型透鏡系統
130‧‧‧影像感測器
150‧‧‧晶圓級透鏡
152、154‧‧‧透鏡元件
153、155、163、165、173、175‧‧‧透鏡表面
156‧‧‧基板
160、170‧‧‧鑄造透鏡
190‧‧‧像圈
195‧‧‧總軌道長度

Claims (17)

  1. 一種用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，包含：一晶圓級透鏡，包括具有對置之一第一表面與一第二表面之一平面基板，置放於該第一表面上之一第一材料之一第一透鏡元件，以及置放於該第二表面上之一第二材料之一第二透鏡元件；一第一鑄造透鏡；以及一第二鑄造透鏡；其中該晶圓級透鏡、該第一鑄造透鏡及該第二鑄造透鏡係以串聯形式沿該低剖面混合型透鏡系統之一光軸光學地耦接，該晶圓級透鏡距該影像平面最遠，該第二鑄造透鏡距該影像平面最近，該第一鑄造透鏡沿該低剖面混合型透鏡系統之一光軸位於該晶圓級透鏡與該第二鑄造透鏡之間，以及該低剖面混合型透鏡系統具有像圈(IC)及總軌道長度(TTL)，使得IC/TTL>1.275。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，該第一鑄造透鏡及該第二鑄造透鏡中之每一者均通體由相同材料構成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，該第一鑄造透鏡及該第二鑄造透鏡中之每一者均是由一單一塊體材料及一或多層表面塗層構成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，該晶圓級透鏡、該第一鑄造透鏡及該第二鑄造透鏡係協作以使該場景在該影像平面上成像。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，相比於該晶圓級透鏡，該第一鑄造透鏡及該第二鑄造透鏡之每一者更貼近該影像平面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，該系統具有TTL<3毫米。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，該系統視野角大於75°。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，該系統工作光圈數小於3。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，該晶圓級透鏡之該第一透鏡元件之阿貝數大於該晶圓級透鏡之該第二透鏡元件之阿貝數；以及該第一鑄造透鏡之阿貝數大於該晶圓級透鏡之該第二透鏡元件之阿貝數。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，該晶圓級透鏡之該第二透鏡元件包括背對該基板且面向該影像平面之一第二透鏡表面，其中該第二透鏡表面之曲率半徑為R2；且該第二鑄造透鏡包括：背對該影像平面且曲率半徑為R5之一第五透鏡表面，以及面向該影像平面且曲率半徑為R6之一第六透鏡表面；其中R2/R5*R6<1.85毫米。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，該晶圓級透鏡之該第一透鏡元件包括背對該基板且背對該影像平面之一第一透鏡表面，該第一透鏡表面之曲率半徑為R1；該晶圓級透鏡之該第二透鏡元件包括背對該基板且面向該影像平面之一第二透鏡表面，該第二透鏡表面之曲率半徑為R2；該第一鑄造透鏡包括：背對該影像平面且曲率半徑為R3之一第三透鏡表面，以及面向該影像平面且曲率半徑為R4之一第四透鏡表面；且該第二鑄造透鏡包括背對該影像平面且曲率半徑為R5之一第五透鏡表面， 其中R5/R3/R2/R4/R1<0.15mm-3。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，該晶圓級透鏡之該第一透鏡元件包括背對該基板且背對該影像平面之一凸透鏡表面；該晶圓級透鏡之該第二透鏡元件包括背對該基板且面向該影像平面之一凹透鏡表面；且該第一鑄造透鏡包括：背對該影像平面之一凹入鑄造透鏡表面，以及面向該影像平面之一凸出鑄造透鏡表面。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，該凹入鑄造透鏡表面沿該光軸之定位與該凸出鑄造透鏡表面沿該光軸之定位重疊。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，該第一鑄造透鏡及該第二鑄造透鏡中之每一者包括：背對該影像平面且沿該低剖面混合型透鏡系統之光軸具有一第一位置之一第一透鏡表面；以及面向該影像平面且沿該光軸具有一第二位置之一第二透鏡表面，該第二位置自該第一位置偏移小於0.3毫米。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之用於使一場景在一影像平面上成像之低剖面混合型透鏡系統，該第一鑄造透鏡及該第二鑄造透鏡中之每一者包括：背對該影像平面且沿該低剖面混合型透鏡系統之光軸具有一第一位置之一第一透鏡表面；以及面向該影像平面且沿該光軸具有一第二位置之一第二透鏡表面，該第二位置自該第一位置偏移小於0.1毫米。
  16. 一種用於製造一低剖面混合型透鏡系統之方法包含：在一晶圓之一第一表面上置放一第一材料之該第一透鏡元件之第一複數個複本； 在該晶圓之一第二表面上置放一第二材料之該第二透鏡元件之第二複數個複本，其中該晶圓之該第二表面與該第一表面對置；以及在置放該第一複數個複本之該步驟之後且在置放該第二複數個複本之該步驟之後，自該晶圓單分出該晶圓級透鏡之複數個複本，該晶圓級透鏡之每一者包含一平面基板、該第一透鏡元件之一複本及該第二透鏡元件之一複本；以及於一夾具中安裝該晶圓級透鏡、一第一鑄造透鏡及一第二鑄造透鏡以串聯形式光學地耦接該晶圓級透鏡以及該第一鑄造透鏡與該第二鑄造透鏡。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其進一步包含：在一第一模具內置放該第一材料；使該第一材料在處於該第一模具中時硬化以形成該第一鑄造透鏡；在一第二模具內置放該第二材料；以及使該第二材料在處於該第二模具中時硬化以形成該第二鑄造透鏡。
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