專利名稱：相機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式涉及相機(jī)系統(tǒng)以及大規(guī)模制造相機(jī)系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
隨著相機(jī)系統(tǒng)越來越廣泛地被應(yīng)用于越來越小的裝置上，對更小、更輕、 更薄、更好也更便宜的相機(jī)系統(tǒng)的需求也隨之增加。然而，當(dāng)前的解決方案 可能不能最理想地和/或同時地滿足所有設(shè)計參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施方式因此涉及相機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)方法，其大致地克服了由現(xiàn)有 技術(shù)的限制和缺點所造成的一個或更多個問題。
因此本發(fā)明的一個實施方式的特征是提供相機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)方法，在該相
機(jī)系統(tǒng)中用于目標(biāo)成像的透鏡系統(tǒng)形成了垂直的光學(xué)疊層(optics stack),該 光學(xué)疊層在被固定到檢測器基板之前進(jìn)行單個化(singulated)。
本發(fā)明的一個實施方式的另一特征是提供了具有直接被固定在用于檢測 器的覆蓋結(jié)構(gòu)上的光學(xué)疊層的相機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)方法。
本發(fā)明的一個實施方式的另一特征是提供了將多個光學(xué)疊層固定到包含 有多個檢測器的晶片上的相機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)方法。
本發(fā)明的實施方式的另一特征是提供了檢測器的覆蓋結(jié)構(gòu)延伸超過光學(xué) 疊層的相機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)方法。
可以通過提供這樣的相機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)本發(fā)明的至少一個上述和其它特征 與優(yōu)點，該相機(jī)系統(tǒng)包括光學(xué)疊層，其包括兩個基板，所述光學(xué)疊層形成
9成像系統(tǒng)，每個基板都具有相互平行且與所述成像系統(tǒng)的光軸垂直的兩個表 面，所述光學(xué)疊層包括位于所述兩個基板相對表面上的固定區(qū)域，所述兩個
基板在它們各自的固定區(qū)域處于晶圓級(wafer levd)固定在一起，所述兩個基 板的表面中的至少一個表面包括所述成像系統(tǒng)的折射面；檢測器基板，其具 有工作區(qū)域(active area);以及覆蓋結(jié)構(gòu)，其至少保護(hù)所述檢測器基板的工作 區(qū)域，所述光學(xué)疊層被固定到所述覆蓋結(jié)構(gòu)的上表面。
所述光學(xué)疊層中的折射面的直徑可以小于與所述成像系統(tǒng)相對應(yīng)的所述 工作區(qū)域的對角線。
相機(jī)系統(tǒng)可以包括所述檢測器基板的底面上的導(dǎo)電器件，所述導(dǎo)電器件 適于對所述檢測器基板進(jìn)行表面安裝。
所述光學(xué)疊層中的至少一個基板的表面面積小于所述覆蓋結(jié)構(gòu)的上表面 面積。
可以于晶圓級固定所述兩個基板和覆蓋結(jié)構(gòu)。 所述兩個基板可以是同延的(co-extensive)。 所述覆蓋結(jié)構(gòu)可以包括末級光學(xué)元件(final optical element)。 相機(jī)系統(tǒng)可以包括位于所述光學(xué)疊層與所述覆蓋結(jié)構(gòu)之間的末級光學(xué)元件。
可以對所述覆蓋結(jié)構(gòu)與所述檢測器基板進(jìn)行晶圓級固定。 可以對所述覆蓋結(jié)構(gòu)與所述光學(xué)疊層進(jìn)行晶圓級固定。 相機(jī)系統(tǒng)可以包括多個子相機(jī)，各子相機(jī)在所述光學(xué)疊層的同一表面上
具有對應(yīng)的折射面。
相機(jī)系統(tǒng)可以包括位于相對表面的所述固定區(qū)域之間的間隔結(jié)構(gòu)。該間
隔結(jié)構(gòu)可以是粘合劑。
電互連可以從所述工作區(qū)域到所述導(dǎo)電器件巻繞所述檢測器基板的邊緣。
相機(jī)系統(tǒng)可以包括表面安裝有所述檢測器基板的電路板，所述導(dǎo)電器件
10被焊接到所述電路板上。
所述導(dǎo)電器件可以是焊料。 所述兩個表面可以包括平坦區(qū)域。 所述固定區(qū)域可以是平坦的。
可以通過提供這樣的相機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)本發(fā)明的至少一個上述和其它特征 與優(yōu)點，該相機(jī)系統(tǒng)包括光學(xué)疊層，其包括具有第一折射元件的第一基板， 具有第二折射元件的第二基板，以及位于相鄰基板之間的第一間隔，于晶圓
級固定所述第一基板和第二基板；檢測器基板，其具有工作區(qū)域；以及第二 間隔，其位于所述光學(xué)疊層與所述工作區(qū)域之間，所述第二間隔小于所述第 一間隔。
所述光學(xué)疊層可以包括與所述檢測器基板相鄰的第三基板。 所述第一間隔可以位于所述第一基板與第二基板之間，或者位于所述第
二基板與第三基板之間。
最靠近所述工作區(qū)域的折射元件的直徑可以大于所述光學(xué)疊層中其它折
射元件的直徑。
相機(jī)系統(tǒng)可以包括覆蓋所述工作區(qū)域的覆蓋結(jié)構(gòu)，所述光學(xué)疊層被直接 地安裝在所述覆蓋結(jié)構(gòu)上。
相機(jī)系統(tǒng)可以包括多個子相機(jī)，各子相機(jī)在所述第一基板的第一表面上 具有相應(yīng)的第一折射元件和在所述第二基板的第一表面上具有相應(yīng)的第二折 射元件。
可以通過提供這樣的相機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)本發(fā)明的至少一個上述和其它特征
與優(yōu)點，該相機(jī)系統(tǒng)包括具有第一折射元件的第一基板，所述第一折射元 件具有第一直徑；具有第一隔板開口的第一隔板；具有第二折射元件的第二
基板，所述第二折射元件具有第二直徑，所述第二直徑大于所述第一直徑； 具有工作區(qū)域的檢測器基板，所述檢測器基板相距所述第二基板比相距所述 第一基板更近；于晶圓級固定所述第一基板、所述第二基板和所述檢測器基板中的至少兩個基板；以及第二隔板，其位于所述第一隔板與所述檢測器基 板之間，所述第二隔板具有大于所述第一隔板開P的第二隔板開口 。
所述第一隔板可以在所述第一基板上。所述第一隔板可以在離所述檢測 器基板較遠(yuǎn)的所述第一基板的第一表面上。
可以通過提供制造相機(jī)系統(tǒng)的方法來實現(xiàn)本發(fā)明的至少一個上述和其它
特征與優(yōu)點，該方法包括以下步驟對準(zhǔn)包括第一晶片和第二晶片的光學(xué)疊 層晶片，所述光學(xué)疊層晶片形成多個成像系統(tǒng)；于所述第一晶片與所述第二 晶片的相對的表面上的區(qū)域?qū)⑺龉鈱W(xué)疊層晶片固定，所述相對的表面相互 平行并且垂直于所述成像系統(tǒng)的光軸；穿過所述相對的表面分離被固定的所 述第一晶片和所述第二晶片，由此形成多個光學(xué)疊層，每個光學(xué)疊層均包括 成像系統(tǒng)；以及將光學(xué)疊層固定到具有工作區(qū)域的檢測器基板，折射面的直 徑小于所述工作區(qū)域的對角線。
固定所述光學(xué)疊層的步驟可以包括當(dāng)檢測器基板是檢測器晶片的一部分 的時候?qū)⑺龉鈱W(xué)疊層固定到所述檢測器基板。
該方法可以包括將覆蓋結(jié)構(gòu)晶片固定到所述檢測器晶片。
該方法可以包括以下步驟穿過所述相對的表面來分離被固定的所述覆 蓋結(jié)構(gòu)、檢測器晶片和光學(xué)疊層，以形成多個相機(jī)系統(tǒng)，每個相機(jī)系統(tǒng)均包 括覆蓋結(jié)構(gòu)、檢測器和光學(xué)疊層。
所述光學(xué)疊層中的至少一個基板的表面面積小于所述覆蓋結(jié)構(gòu)的上表面 的表面面積。
該方法還包括確定光學(xué)疊層是否是合格的、確定所述工作區(qū)域是否是合 格的、以及僅將合格的光學(xué)疊層固定到合格的工作區(qū)域。
該方法可以包括在相對的平行表面上的固定區(qū)域之間設(shè)置間隔結(jié)構(gòu)。
所述間隔結(jié)構(gòu)可以是粘合劑，并且可以通過在一層粘合劑中穿孔形成光 路來形成該間隔結(jié)構(gòu)。
可以通過提供制造相機(jī)系統(tǒng)的方法來實現(xiàn)本發(fā)明的至少一個上述和其它
12特征與優(yōu)點，該方法包括以下步驟對準(zhǔn)包括第一晶片和第二晶片的光學(xué)疊 層晶片，所述光學(xué)疊層晶片形成多個成像系統(tǒng)；于所述第一晶片與所述第二 晶片的相對的表面上的區(qū)域?qū)⑺龉鈱W(xué)疊層晶片固定，所述相對的表面相互
平行并且垂直于所述成像系統(tǒng)的光軸；穿過所述相對的表面分離被固定的所 述第一晶片和所述第二晶片，由此形成多個光學(xué)疊層，每個光學(xué)疊層均包括 成像系統(tǒng)；將光學(xué)疊層固定到具有工作區(qū)域的檢測器基板；以及在所述檢測 器基板的底面上形成適于對相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行表面安裝的導(dǎo)電器件。
該方法還可以包括形成從所述工作區(qū)域到所述導(dǎo)電器件巻繞所述檢測器 基板的邊緣的電互連。
該方法包括在相對的平行表面上的固定區(qū)域之間設(shè)置間隔結(jié)構(gòu)。 所述間隔結(jié)構(gòu)可以是粘合劑。該方法可以包括在一層所述粘合劑中穿孔 形成光路。
該方法可以包括設(shè)置電路板并且進(jìn)行回流焊料以固定所述導(dǎo)電器件和所 述電路板。
所述導(dǎo)電器件可以是焊料。


通過參照附圖來詳細(xì)地描述本發(fā)明的實施方式，本發(fā)明的以上特征和優(yōu) 點對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于變得明顯，其中
圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的相機(jī)系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖1B示出了圖1A的相機(jī)系統(tǒng)的示意性立體圖1C示出了圖1A的相機(jī)系統(tǒng)的剖面圖1D示出了包括圖1C的光學(xué)疊層的相機(jī)系統(tǒng)的剖面圖1E示出了圖1D的相機(jī)系統(tǒng)的頂視圖2A和2B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的制造圖1D的光學(xué)疊層 的方法的各階段的剖面圖；圖3A和3B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的制造圖1D的相機(jī)系統(tǒng) 的方法的各階段的剖面圖4A和4B示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的制造光學(xué)疊層的方法的 各階段的剖面圖5示出了傳感器基板和包括于晶圓級固定的凹面元件的光學(xué)基板的剖 視圖6A和6B示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的制造包括了圖4B和圖5 的元件的相機(jī)系統(tǒng)的方法的各階段的剖面圖7A示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的相機(jī)系統(tǒng)的分解的示意性立 體圖7B示出了圖7A中的相機(jī)系統(tǒng)被并入一種便攜式設(shè)備的圖； 圖8A和8B示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的制造相機(jī)系統(tǒng)的方法的 各階段的剖面圖9A示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的相機(jī)系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖； 圖9B示出了圖9A的相機(jī)系統(tǒng)的示意性剖面圖IO示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的相機(jī)系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖；和 圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的相機(jī)系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將在下文中參照附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的實施方式。然而，可 以通過不同的形式來具體實施本發(fā)明并且不應(yīng)將本發(fā)明解釋為限于這里所闡 述的實施方式。更準(zhǔn)確地說，提供這些實施方式是為了使公開全面并且完整， 而且將全面地向本領(lǐng)域的技術(shù)人員傳達(dá)本發(fā)明的觀念。
在附圖中，為清楚起見，夸大了層和區(qū)域的厚度。還應(yīng)理解的是，當(dāng)將 一層描述為位于另一層或基板"之上"的時候，該層可以是直接地位于其它 層或基板上，或者也可以存在中間層。另外，應(yīng)該理解的是，當(dāng)將一層描述為在另一層"之下"的時候，該層可以是直接地位于另一層或基板之下，或 者也可以存在一個或更多個中間層。此外，還應(yīng)理解的是，當(dāng)將一層描述為 在兩層"之間"的時候，該層可以是兩層之間唯一的一層，或者也可以存在 一個或多個中間層。從始至終以相同的標(biāo)號表示相同的元件。如在此使用的， 術(shù)語"晶片"表示在其上的平坦表面上形成有多個部件的任意基板，所述部 件在最終使用前將通過該平坦表面分離開來。另外，如在這里所使用的，術(shù) 語"相機(jī)系統(tǒng)"表示包括向例如圖像采集系統(tǒng)的檢測器系統(tǒng)傳遞光信號的光 學(xué)成像系統(tǒng)的任意系統(tǒng)，該檢測器系統(tǒng)輸出例如圖像的信息。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，使用例如具有直徑小于檢測器的工作區(qū)域的對 角線的透鏡的相機(jī)系統(tǒng)可以包括光學(xué)疊層，該光學(xué)疊層包括于晶圓級固定的 至少兩個基板。該光學(xué)疊層可以包括光學(xué)成像系統(tǒng)。該光學(xué)疊層可以被直接 地固定到保護(hù)檢測器的覆蓋結(jié)構(gòu)上，或者該覆蓋結(jié)構(gòu)可以是光學(xué)疊層的一部 分。該結(jié)構(gòu)可以延伸超出光學(xué)疊層。
在圖1A到1C中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的相機(jī)系統(tǒng)。在圖1A 到1C中，可以將單個成像系統(tǒng)用于所有顏色，并且可以直接在檢測器陣列 24上設(shè)置濾色器陣列。當(dāng)然，如下所述，可以設(shè)置任意數(shù)量(例如，3個或4 個)的這種成像系統(tǒng)，形成各個相機(jī)的多個子相機(jī)，而且可以以合適的方式 來改變?yōu)V色器陣列的濾色器的設(shè)計和/或位置。
在圖1A和1B中，不同的光路從物體對應(yīng)到不同的場點?？梢栽诠鈱W(xué)疊 層140中實現(xiàn)成像系統(tǒng)，該光學(xué)疊層140包括第一基板110、第二基板120、 以及第三基板130。
第一基板110的第一表面可以具有第一折射面112，該第一折射面有助于 對輸入其中的光進(jìn)行成像，例如，該第一折射面可以影響成像系統(tǒng)的焦距和/ 或可以校正像差。第一基板110的第二表面114可以是平坦的，并且可以在 其上包括紅外濾色器115?？梢砸院线m的方式來改變這種布置，并且紅外濾色 器115可以位于這些表面中的任意一個表面處。
15第二基板120的第一表面122上可以具有衍射元件123，該衍射元件123 還有助于對光進(jìn)行成像。第二基板120的第二表面具有第二折射面124，該第 二折射面還有助于對光進(jìn)行成像。
第三基板130的第一表面可以具有第三折射面132。該第三折射面132可 以使得圖像視場變得平坦，從而可以將所有像點成像在待呈現(xiàn)在檢測器陣列 24 (圖1B所示)上的同一平面135上。
如圖1A和1B所示，第一折射面112和第二折射面124可以是凸面，而 第三折射面可以是凹面。當(dāng)然，根據(jù)具體設(shè)計，可以采用稍后將討論的更加 復(fù)雜的非球面折射面，例如，包括至少一個凹入部分和至少一個凸出部分的 折射面。
與使用膠片的相機(jī)不同，使用傳感器作為成像介質(zhì)的相機(jī)可以具有與圖 像平面正對地設(shè)置的光學(xué)元件。如圖1B和1C所示，可以將末級基板(在這 里是第三基板130，其包括第三折射面132)直接固定到檢測器陣列24。下面 將詳細(xì)的討論用于固定光學(xué)疊層140和檢測器陣列的各種結(jié)構(gòu)。如果檢測器 陣列24包括蓋板，則第三基板130可以結(jié)合到該蓋板上。如果檢測器陣列不 包括蓋板，則第三基板130可以被固定為覆蓋和包圍與檢測器陣列相關(guān)的微 透鏡，并且可以作為蓋板以將檢測器陣列從環(huán)境因素隔絕開來。
該結(jié)構(gòu)可以消除主動調(diào)焦的需要?？梢允褂妙~外的光學(xué)元件來補(bǔ)償期望 的焦距和/或色差的偏離。
如在圖1C的剖面圖中更詳細(xì)地示出的，基板110、 120和130可以具有 與成像系統(tǒng)的光軸相垂直的相對的平坦區(qū)域，光學(xué)元件112、 115、 123、 124 和132形成在其上。由于可以控制透鏡系統(tǒng)中的所有元件的傾角，因而使用 具有這種平坦區(qū)域的基板可以是有利的。具有平坦區(qū)域的基板還使得能夠進(jìn) 行元件的堆疊和與相對的平坦區(qū)域的直接結(jié)合，如此，可以沿全部三個光軸 來對準(zhǔn)光學(xué)元件，這可以方便晶圓級組裝且可以取消外殼元件。基板的平坦 區(qū)域可以處于各個光學(xué)元件的外圍，和/或例如通過合適材料的沉積而在各個
16光學(xué)元件的外圍周圍形成平坦區(qū)域。或者，例如，如在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利
6,096,155中所公開的，可以使用粘合劑來充填支座(standoff)內(nèi)的凹槽，于 非平坦的固定區(qū)域?qū)⒒骞潭ā＿@些固定區(qū)域仍舊可以位于形成有光學(xué)元件 的表面上。
由于相機(jī)被設(shè)計為在具有倍率(power)的光學(xué)元件之間(例如，間隔S12 和S23)不能精確地控制主動調(diào)焦。在一些情況下(例如間隔S12)，可能期 望薄的間隔。在其它情況下(例如，間隔S23)，可能需要更大的間隔。在這 兩種情況下，可能期望這樣的間隔，即，該間隔提供對z方向上(例如，沿 光軸方向)的光學(xué)部件間的距離的準(zhǔn)確控制，并且將光學(xué)元件密封以保護(hù)它 們不受例如顆粒、碎片以及其它外部因素的影響。還有利的是，出于至少兩 個原因?qū)㈤g隔S12和S23設(shè)置在光路之外。首先，使光在空氣中傳播可以有 助于縮短相機(jī)的總長度。其次，如果將間隔設(shè)置在透鏡孔徑之外，則可以使 用不透明的材料，使得還可將間隔用作隔板。
取決于期望的間隔量，通過平版印刷技術(shù)或通過使用間隔晶片 (separationwafer)可以實現(xiàn)間隔S12、 S23。能夠采用的平版印刷技術(shù)例如包括 沉積和構(gòu)圖材料、或?qū)⒐鈱W(xué)元件蝕刻入平坦基板中，以使得平坦基板的外圍 在該光學(xué)元件的最高點上方延伸。如果沉積了材料并進(jìn)行構(gòu)圖，則可以使用 不透明材料或吸收材料(例如，金屬或吸收性聚合物)?？梢允褂媚軌蛞云桨?印刷方式構(gòu)圖為受控厚度(例如，約50-100微米)的聚合物(例如，SU-8)。 然而，由于這種聚合物是可透射的，因此為了另外將其用作隔板，可以以不 透明材料來涂覆該聚合物或者對聚合物進(jìn)行染色以使其自身變?yōu)槲轿?。?如在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利5,912,872和6，096，155中所公開的，可以形成這種 支座，或者例如在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利6，669，803中所公開的，可以這樣來形 成這種隔離晶片(spacerwafer)。另外，可以通過在待固定的表面上方設(shè)置例 如粘合劑層的層并且在該層中穿孔形成適當(dāng)?shù)耐ǖ酪蕴峁钠渫ㄟ^的所需光 路來實現(xiàn)支座。
17此外，可以在光學(xué)疊層140的頂面上(例如，與第一折射面112相同的 平面上)設(shè)置例如金屬的不透明材料和/或吸收材料的初始間隔SOl。該初始 間隔S01還可以充任主孔徑光闌?？梢砸云桨嬗∷⒎绞綄⒃摮跏奸g隔S01形 成在第一基板110上。
一些微空隙(air gap)(其小到足以與相對的光學(xué)表面之間(即，在折射 面或衍射面的頂點與相對的基板表面之間)的一些空隙相當(dāng)，例如，最低在 大約5-10微米的量級)可以有助于確保各個光學(xué)元件正常發(fā)揮功能。此外， 由于光在空氣中可以以比在基板中更大的角度折射，可以設(shè)置較大的空隙以 實現(xiàn)更緊湊的設(shè)計。另外，如以上所提到的，如果設(shè)置對不同光學(xué)效果具有 不同焦距的透鏡系統(tǒng)，則應(yīng)該針對不同的透鏡系統(tǒng)設(shè)置不同的空隙。
在圖1C中示出的具體實施方式
中，間隔S23大于間隔S12，使得圖像充 滿檢測器陣列24，而且S12與S23 二者都大于末級基板130與檢測器陣列24 之間的間隔，在末級基板130與檢測器陣列24之間可以不具有任何空隙。根 據(jù)本發(fā)明的實施方式通過在初始折射面與末級折射面之間設(shè)置較大的空隙， 而最小化光學(xué)疊層140與檢測器陣列24之間的任意間隙，與要求光學(xué)系統(tǒng)與 傳感器之間的間隔的傳統(tǒng)方案相比，可以將相機(jī)制造得更薄。可以以不同的 方式、以不同的材料來形成間隔SOl、 S12和S23。
注意，圖1A到1C中最大的空隙出現(xiàn)在末級折射面132之前，但是在初 始折射面112之后。在常規(guī)相機(jī)的設(shè)計中，最大的空隙典型地出現(xiàn)在末級光 學(xué)元件與傳感器之間。該實施方式在這個方面不同是有幾個原因的。首先， 在相機(jī)中存在盡可能大的空隙可以使相機(jī)的厚度最小化。通常，光在空氣中 傳播的角度比在基板中要大，因此當(dāng)空隙較大的時候就可以減小厚度。然而， 基板也需要空間來容納元件，而且空隙的存在可以有助于使厚度最小化并使 性能最大化。
此外，至少一個折射面的通光孔徑(clear aperture)(或者所有折射面的 通光孔徑)可以小于檢測器陣列24的工作區(qū)域?？s小各個透鏡元件的通光孔徑使得能夠減少各個折射面的SAG。通常，各個折射面的SAG越小，則制造 起來越容易且成本更低，特別是向晶片內(nèi)進(jìn)行蝕刻的情況。通常，折射面的 直徑越小，則SAG越小。通過保持光束直徑小于檢測器陣列24的工作陣列 直到末級表面，可以實現(xiàn)將折射面直徑保持得盡可能的小。
該末級表面可以同時被用來增加光束的直徑且使視場平坦化。當(dāng)以該方 式使用矯正像場平面鏡片(field flattener)時，矯正像場平面鏡片可以具有這 樣的直徑，即該直徑介于入射光瞳直徑與傳感器直徑之間。此外，在該實施 方式中，入射光瞳可以位于第一折射凸表面112上，以使得第一折射凸表面 112的通光孔徑等于入射光瞳的通光孔徑。因此，矯正像場平面鏡片的通光孔 徑可以介于第一折射面112的通光孔徑與檢測器陣列24的工作區(qū)域之間。
因此，較小直徑的折射面可以位于或者靠近入射光瞳，且所有光學(xué)元件 的通光孔徑可以隨著光從入射光瞳向檢測器陣列24的工作區(qū)域傳播而擴(kuò)展。 末級折射面可以具有介于第一折射面112的直徑與檢測器陣列24的工作區(qū)域 的直徑之間的直徑。
當(dāng)設(shè)計相機(jī)時，為了保持第一折射面112和第二折射面124的直徑很小 并因此使得SAG保持得低很，第三折射面132可以是凹面以充任矯正像場平 面鏡片并增加視場的尺寸。當(dāng)使用了這樣的矯正像場平面鏡片的時候，在第三 折射面132的前面可能需要較大的空隙。
如以上所提到的，傳感器芯片(sensordies) —般地可以大于光學(xué)器件芯 片(optics die)。在如上所述的其中使用了具有比檢測器工作區(qū)域的對角線小的 透鏡直徑的透鏡的相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中，這種尺寸差可以進(jìn)一步變大。換言之， 透鏡具有與檢測器不同的節(jié)距。對于任意的該類設(shè)計而言，隨著良率在制造 相機(jī)系統(tǒng)中變得更關(guān)鍵，于晶圓級固定包括其上具有檢測器的基板在內(nèi)的所 有元件可能不是制造這些相機(jī)系統(tǒng)的最經(jīng)濟(jì)的方式。
在圖ID和IE中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的相機(jī)系統(tǒng)100。除 了光學(xué)疊層140以外，相機(jī)系統(tǒng)100可以還包括蓋板150、支座160、以及檢測器基板170。檢測器基板170可以包括工作區(qū)域176、微透鏡陣列174和結(jié) 合焊盤(bondpad)172。
支座160可以在光學(xué)疊層140與檢測器基板170之間提供準(zhǔn)確間隔。蓋 板150與支座160可以密封工作區(qū)域176。
盡管支座160被示出為與檢測器基板170與蓋板150相分離的元件，但 支座可以與檢測器基板170與蓋板150之中的任意一個或二者都成為一體。 另外，盡管支座160的側(cè)壁被示為平直的(例如，通過切割或構(gòu)圖而形成)， 但根據(jù)形成支座160的方式(例如，按用于支座160的特定材料的蝕刻角度)， 支座的側(cè)壁可以是成角度的。在另一實現(xiàn)方式中，例如以引證的方式并入于 此的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利6,669,803中所公開的，支座160可以是精確地設(shè)置 在檢測器基板170與蓋板150上或設(shè)置在二者其中之一上的粘結(jié)材料。
盡管蓋板150被示出為具有斜邊，但其可能是用于制造蓋板150的工藝 的典型制品，且其可以根據(jù)不同的工藝而改變。例如，當(dāng)需要保護(hù)位于待切 割的表面之下的元件時(例如，不切割所有被固定的晶片)，可以使用帶角度 的切割刀片。此外，蓋板150可以對將由相機(jī)系統(tǒng)100記錄的光透明，例如， 該蓋板可以是玻璃。
如在圖1D和1E中可見的，作為上述較小直徑的結(jié)果，光學(xué)疊層140可 以小于檢測器基板170。在圖1E中示出的具體示例中，光學(xué)疊層140是1.3mm X1.5mm，工作區(qū)域176是1.0mmX1.5mm，而檢測器基板170是2.0mmX 3.0mm。還可以看出，折射面112、 124與132的直徑遞增，并且所有這些直 徑都小于工作區(qū)域176的對角線。
尺寸的差異意味著，相同尺寸的晶片可以形成比檢測器基板170多很多 的光學(xué)疊層140。因此，通過在將光學(xué)疊層140固定到檢測器基板170之前形 成光學(xué)疊層140并使其單個化，可以減少制造成本。具體的說，由于僅會將 合格的光學(xué)疊層140固定到檢測器基板170上，因此光學(xué)疊層140的良率不 需要很高。此外，與將光學(xué)疊層和檢測器進(jìn)行晶圓級固定的情況相比，相同
20的材料可以制造更多的光學(xué)疊層140。
在圖2A和2B中示出了制造光學(xué)疊層140的方法的多個階段。從中可以 看出，光學(xué)疊層晶片140'可以包括第一基板110的第一晶片110'，該基板具 有對應(yīng)的折射面112;第二基板120的第二晶片120，，其上具有對應(yīng)的折射 面124;以及第三基板130的第三晶片130'，其上具有對應(yīng)的折射面132。 通過對應(yīng)的間隔S12可以固定第一晶片110，和第二晶片120'，并且通過間 隔S23可以固定第二晶片120，和第三晶片130，。
如圖2A所示，在對準(zhǔn)并固定了第一到第三晶片110， 、 120， 、 130，后， 可以通過例如切割、蝕刻等方式垂直地分離這些晶片以形成單獨的光學(xué)疊層 140，如圖2B所示。
如圖3A和3B所示，可以將各光學(xué)疊層140對準(zhǔn)并固定到覆蓋晶片150' 上，該覆蓋晶片150'進(jìn)而可以經(jīng)由對應(yīng)的支座160被固定到檢測器晶片 170'。如圖3A所示，在己經(jīng)將各光學(xué)疊層140對準(zhǔn)并固定到覆蓋晶片150' 之后，可以例如通過切割、蝕刻等方式垂直地分離檢測器晶片170'和覆蓋晶 片150'以形成單獨的相機(jī)系統(tǒng)100。如圖3B所示，對于覆蓋晶片150'和 檢測器晶片170'可以使用不同的技術(shù)來進(jìn)行該垂直分離。在圖3B所示的具 體示例中，例如以引證的方式并入于此的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利7,208,771中所 述，通過從覆蓋晶片150'的上表面切割可以分離覆蓋晶片150'，而通過從 檢測器晶片170'的下表面切割可以分離檢測器晶片170'。該分離步驟可以 露出觸點焊盤172。
在圖4A到6B中示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的相機(jī)系統(tǒng)200。在 該實施方式中，可以使用具有末級折射面232 (例如，凹面)的覆蓋光學(xué)基板 230來代替蓋板150，由此去除一個元件。然而，使用這種覆蓋光學(xué)基板作為 覆蓋結(jié)構(gòu)來取代簡單的蓋板可能需要在覆蓋光學(xué)基板230與光學(xué)疊層240之 間更嚴(yán)格的對準(zhǔn)。此外，由于在光學(xué)系統(tǒng)中缺少了一個元件，可能難以在將 光學(xué)疊層240固定到檢測器基板170之前測試光學(xué)疊層240的合格與否。在圖4A和4B中示出了制造光學(xué)疊層240的方法的多個階段。其中可以 看出，光學(xué)疊層晶片240'可以包括第一基板110的第一晶片110'，其具有 對應(yīng)的透鏡112、以及第二基板120的第二晶片120'，其具有對應(yīng)的透鏡124。 通過對應(yīng)的間隔S12可以固定第一晶片110'與第二晶片120'?？梢栽诘诙?晶片120'的底面上設(shè)置對應(yīng)的間隔S23。
如圖4A所示，在已經(jīng)對準(zhǔn)并固定了第一晶片110'與第二晶片120'之 后，可以例如通過切割、蝕刻等方式垂直地分離這些晶片以形成單獨的光學(xué) 疊層240，如圖4B所示。
圖5示出了經(jīng)由對應(yīng)的支座260被固定到檢測器晶片170'的光學(xué)覆蓋晶 片230'的剖面圖。在將光學(xué)覆蓋晶片230'與檢測器晶片170'相固定之前 或之后，可以形成凹折射透鏡。此外，可以替代或補(bǔ)充光學(xué)疊層240在光學(xué) 覆蓋晶片230'上形成間隔S23。
如圖6A和6B所示，可以將各光學(xué)疊層240對準(zhǔn)并固定到光學(xué)覆蓋晶片 23(T ，該光學(xué)覆蓋晶片230'進(jìn)而經(jīng)由對應(yīng)的支座260被固定到檢測器晶片 170，。如圖6A所示，在已經(jīng)將各光學(xué)疊層240對準(zhǔn)并固定到光學(xué)覆蓋晶片 230'之后，可以例如通過切割、蝕刻等方式垂直地分離檢測器晶片170'和 光學(xué)覆蓋晶片230'以形成單獨的相機(jī)系統(tǒng)200。如圖6B所示，對于光學(xué)覆 蓋晶片230'和檢測器晶片170'可以使用不同的技術(shù)或處理步驟來進(jìn)行該垂 直分離。在圖6B所示的具體示例中，通過從光學(xué)覆蓋晶片230'的上表面切 割可以將光學(xué)覆蓋晶片230'分離成光學(xué)覆蓋晶片230，而通過從檢測器晶片 170'的下表面切割可以將檢測器晶片170'分離成檢測器基板170。光學(xué)覆 蓋晶片230的分離步驟可以影響支座260，例如，部分地去除支座260。該分 離步驟可以露出結(jié)合焊盤172。
如圖7A所示，根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的相機(jī)系統(tǒng)300可以包括4個 子相機(jī)。該相機(jī)系統(tǒng)300可以包括光學(xué)疊層340、蓋板350以及檢測器基板 370。
22光學(xué)疊層340可以包括濾色器基板302、第一基板310、第二基板320、 以及第三基板330。濾色器基板302可以包括該濾色器基板302的第一表面上 的透鏡304陣列以及該濾色器基板302的第二表面上的濾色器306陣列。第 一基板310可以具有第一折射面312陣列。第二基板320可以包括第二折射 面324陣列。第三基板330可以包括第三折射面332陣列。
各子相機(jī)可以包括濾色器306以及第一到第三折射面312、 314和323。 濾色器306可以包括紅色濾色器、綠色濾色器、以及藍(lán)色濾色器，每個濾色 器都對應(yīng)于三個子相機(jī)中的一個。第四濾色器可以是綠色或可以是完全透明 的，并且子成像儀可以提供與其它三個子相機(jī)不同的焦距。或者，從而實現(xiàn) 不同的光學(xué)效果，在四個子相機(jī)的結(jié)構(gòu)中，可以不將單獨的濾色器與例如第 四透鏡的透鏡關(guān)聯(lián)起來，這樣反而可以提供拜爾模式(Bayer Pattern)和在ILA 中具有與其余透鏡系統(tǒng)(例如，望遠(yuǎn)透鏡、廣角透鏡、微距透鏡、魚眼透鏡 等)不同焦距的透鏡。此外，各個透鏡系統(tǒng)可以提供不同的焦距且與拜爾模 式關(guān)聯(lián)起來以實現(xiàn)全彩色。
而且，光學(xué)疊層340可以小于檢測器基板370，并且可以采用以上的用于 制造上述相機(jī)系統(tǒng)300的方法中的任意一種。這里，各個子相機(jī)的透鏡的直 徑可以小于子相機(jī)在其上提供圖像的對應(yīng)工作區(qū)域的對角線。
此外，如圖7A所示，蓋板350與檢測器基板370可以是同延的，并且檢 測器基板370可以包括巻繞檢測器基板的邊緣的電互連372和將檢測器基板 370的工作區(qū)域連接到電路板的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)374?；蛘?，例如，如以引證方式并 入于此的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利7,224， 856中所公開的，可以通過導(dǎo)電結(jié)構(gòu)經(jīng) 由檢測器基板370的底面上的導(dǎo)電通孔來連接工作區(qū)域。
如圖7B所示，形成根據(jù)本發(fā)明實施方式的成像系統(tǒng)的所有元件要能夠經(jīng) 受住將導(dǎo)電結(jié)構(gòu)374固定到電路板380所需的熱狀況。例如，當(dāng)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)374 是焊料時，形成成像系統(tǒng)的所有元件都要能夠經(jīng)受住焊料回流的狀況。因此， 例如通過回流焊接的方式可以將具有根據(jù)本發(fā)明的實施方式的光學(xué)疊層340
23的檢測器基板370表面安裝在電路板380上。特別地，由于不再需要塑料外 殼并且可以將所有光學(xué)元件形成在復(fù)型材料(replicationmaterial)或玻璃上， 所以在表面安裝相機(jī)時遇到的狀況對成像系統(tǒng)的影響更小。
如圖7B進(jìn)一步所示，可以將電路板380并入例如蜂窩電話的便攜式設(shè)備 中。從圖7B的側(cè)視圖可以看出，相機(jī)系統(tǒng)300可能是該便攜式設(shè)備中最厚的 部件。
在圖8A和8B中示出了另一可選實施方式。如其所示，盡管在該實施方 式中，具有透鏡的基板被擴(kuò)展為具有與光學(xué)蓋板基板230相同的尺寸，這使 其現(xiàn)在可以與光學(xué)疊層于晶圓級結(jié)合在一起，但光學(xué)疊層440可以具有與圖 6B中所示的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)。注意，由于將要分離整個被固定的疊層組件， 光學(xué)蓋板基板可以具有直的邊緣。
具體地說，盡管透鏡直徑可以保持與圖6B中的透鏡直徑相同，但是光學(xué) 疊層440可以具有例如1.8mmX2.0mm的尺寸。因此，盡管光學(xué)疊層240可 以大約是檢測器基板170的面積的1/3，但即使將光學(xué)疊層的尺寸增加0.5mm， 也只會使光學(xué)疊層440仍然保持在小于檢測器基板170面積的2/3的水平。通 常，如果光學(xué)疊層的面積小于檢測器基板面積的20%，則有利的是，在將光 學(xué)疊層固定到檢測器晶片之前固定光學(xué)疊層并使其單個化。由于只有合格的 光學(xué)疊層可以被固定到合格的檢測器，這還可以使良率增加。
如圖8A進(jìn)一步示出的，可以于晶圓級將支座460與光學(xué)疊層440 —起形 成。支座460可以是上述支座變型中的任意一種。此外，盡管光學(xué)疊層440 中的所有基板都被示為是同延的，但是光學(xué)疊層可以包括圖6B中的透鏡基 板，該透鏡基板與光學(xué)蓋板晶片一起被于晶圓級固定并之后被分離，使得光 學(xué)蓋板基板例如圖6B示出的那樣延伸超出其它透鏡基板并且具有直邊或斜 邊。
如圖8B所示，在將各個光學(xué)疊層440對準(zhǔn)并固定到檢測器晶片170'后， 可以通過例如切割、蝕刻等方式垂直地分離該結(jié)構(gòu)以形成單獨的相機(jī)系統(tǒng)
24400。此外，由于僅需要保護(hù)檢測器基板170的工作區(qū)域176，支座460可以 更接近工作區(qū)域176，因而增加例如用于結(jié)合、集成額外電路等可用露出面積。 如圖8A和8B所示，可以將支座460與光學(xué)疊層440 —起進(jìn)行晶圓級制造， 但是可以另選地將這些支座460設(shè)置在檢測器基板170上?？梢砸酝ㄟ^充分 地增加表面面積(例如，光學(xué)疊層或至少光學(xué)疊層的末級基板的橫斷面積) 的方式實現(xiàn)以上設(shè)計的任意一種。
在圖9A和9B中示出了光學(xué)疊層540的另一示例。而且，可以將單透鏡
系統(tǒng)用于全彩色或者該單透鏡系統(tǒng)可以是多個透鏡系統(tǒng)中的一個。
在圖9A中，不同的光路從物體對應(yīng)到不同的場點。第一基板550上可以 具有主孔徑光闌S05，該主孔徑光闌S05可以限制輸入到相機(jī)的光。第二基板 560可以包括第一折射面562，該第一折射面562可以有助于對輸入到該第一 折射面562的光進(jìn)行成像。第二基板560可以包括第二折射面564，該第二折 射面564可以進(jìn)一步輔助對光進(jìn)行成像。衍射元件572可以位于第三基板570 上，該衍射元件572可以校正色差與相差。第三基板570還可以包括第三折 射面574，該第三折射面574可以進(jìn)一步輔助對光進(jìn)行成像。末級基板580中 可以具有第四折射面582。第四折射面582可以是凹面并且可以使圖像的視場 平坦，以使得所有圖像點在將被成像到檢測器陣列24上的同一平面成像。
從圖9B可以最清楚地看出，相對的基板之間的間隔S56、 S67以及S78 可以是不同的。盡管在其它實施方式中，例如間隔S67的最大間隔能夠位于 其他地方，但是在圖9A和9B中示出的特定結(jié)構(gòu)中，最大間隔S56位于主孔 徑光鬧S05與第一折射面562之間。
在圖IO中示出了成像系統(tǒng)的另一示例性實施方式。如圖中所示，該成像 系統(tǒng)可以包括透鏡疊層，該透鏡疊層由第一基板650與第二基板660形成。 成像系統(tǒng)可以與覆蓋檢測器的工作區(qū)域674的蓋板670分隔開來并且附接到 該蓋板670上。
第一基板650可以包括第一表面上的第一折射元件652和第二表面上的第二折射元件654，該第二表面與第一表面平行。如圖10所示，根據(jù)光學(xué)疊 層通過其上形成有光學(xué)元件的表面而單個化的方式，第一基板650的側(cè)面可 以不相互平行。
第二基板660可以包括第一表面上的第三折射元件662，該第一表面面 向第一基板650的第二表面；以及第二表面上的第四折射元件664，該第二表 面與第一表面平行。如圖IO所示，在折射元件662、 664處曲率半徑可以變 化。
使用第一基板650和第二基板660的相對的表面上的固定區(qū)656、 666， 可以于晶圓級來將第一基板650和第二基板660固定在一起?？梢允褂迷谏?面討論過的用于在基板之間設(shè)置準(zhǔn)確的間隔的各種技術(shù)(例如，支座、穿孔 粘合劑(punched adhesive)、間隔晶片等)。如以上所討論的，可以于晶圓級或 芯片級來將光學(xué)疊層固定到蓋670。在這里，即便使用上述的分離技術(shù)中的任 意一種將光學(xué)疊層將與蓋670分開，在第一基板650和第二基板660之間的 空隙可以大于光學(xué)疊層(在這里，是指第二基板660的第二表面)與蓋670 之間的空隙。
在圖11中示出了成像系統(tǒng)的另一示例性實施方式。如圖所示，成像系統(tǒng) 可以包括透鏡疊層，該透鏡疊層由第一基板740、第二基板750以及第三基板 760形成?？梢詫⒊上裣到y(tǒng)直接地附接到覆蓋檢測器的工作區(qū)域774的蓋板 770上。
第一基板740可以包括第一表面上的第一折射元件742，并且該第一基板 740在第二表面上的光路上沒有任何元件，該第二表面與第一表面平行。第二 基板750可以包括第一表面上的第二折射元件752，該第一表面面向第一基板 740的第二表面，并且該第二基板750在第二表面的光路上沒有任何元件，該 第二表面與第一表面平行。第三基板760可以包括第一表面上的第三折射元 件762，該第一表面面向第二基板750的第二表面，并且該第三基板760在第 二表面上的光路上沒有元件，該第二表面與第一表面平行。第三基板760的第二表面可以是平坦的并且可以被直接地固定到蓋板770。
如圖11所示，在折射元件752、 762處的曲率半徑可以變化。例如，第 二折射元件752可以包括具有第一曲率半徑的中央凸區(qū)域和具有不同曲率半 徑的外圍凹區(qū)域。第三折射元件可以包括具有第二曲率半徑的中央凹區(qū)域和 具有第三曲率半徑的外圍凸區(qū)域。
首先，利用第一基板740、第二基板750和第三基板760的各自相對的表 面上的固定區(qū)域746、 756和766于晶圓級來將第一基板740、第二基板750 和第三基板760固定在一起?？梢允褂迷谏厦嬗懻撨^的用于在基板之間設(shè)置 準(zhǔn)確的間隔的各種技術(shù)(例如，支座、穿孔粘合劑、間隔晶片等)。如以上所 討論的，可以于晶圓級或芯片級來將光學(xué)疊層固定到蓋770。
因此，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，利用于晶圓級制造的光學(xué)元件可以實現(xiàn) 相機(jī)系統(tǒng)，可以利用該光學(xué)元件的平坦表面對該光學(xué)元件進(jìn)行固定。可以使 用用于在這些光學(xué)元件之間設(shè)置間隔的各種機(jī)制。在整個光學(xué)組件中可以使 用隔板，其可以包括這些間隔機(jī)制。這些間隔機(jī)制還可以密封和保護(hù)光學(xué)組 件的光學(xué)元件。可以將光學(xué)系統(tǒng)的末級平坦表面直接地設(shè)置在檢測器陣列上 (即，設(shè)置在檢測器微透鏡陣列或檢測器蓋板的上面)。可以使用衍射元件與 其它校正元件來校正與期望的光學(xué)功能的偏差(例如，焦距的偏差或相差)。 可以將具有不同焦距的透鏡設(shè)置在相機(jī)系統(tǒng)的陣列中，從而提供進(jìn)一步的光 學(xué)功能。
本發(fā)明的一些實施方式可以使用針對各相機(jī)系統(tǒng)的透鏡系統(tǒng)陣列(例如， 針對將由光學(xué)系統(tǒng)成像的各顏色的透鏡系統(tǒng))。本發(fā)明的其它實施方式可以使 用針對各相機(jī)系統(tǒng)的單透鏡系統(tǒng)。使用針對各顏色的透鏡系統(tǒng)可以使得針對 特定的相關(guān)聯(lián)的波長范圍來優(yōu)化各透鏡，各透鏡可以更薄，并且可以使得將 濾色器設(shè)置在光學(xué)系統(tǒng)之內(nèi)(g卩，在頂面之后和檢測器陣列之前)。然而，針 對各相機(jī)系統(tǒng)使用多個透鏡系統(tǒng)增加了用于合并所生成的圖像的末端信號處 理。使用單透鏡系統(tǒng)可以適于更常規(guī)的方式，減少后期處理，但是其可能不
27能被制造得薄，并且其可能需要在檢測器陣列中保留濾色器陣列。
如在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利5,912,872和6,096,155中公開的，晶片形式的 無源光學(xué)元件的制造和于晶圓級或芯片級來將這些無源光學(xué)元件與其它無源 光學(xué)元件或光電元件固定在一起、和使用晶片和/或固定晶片的粘合材料以密 封其間的元件是已知的。如在其中所公開的，可以將基板固定到基板的平坦 表面上，并且通過提供粘合材料(例如，環(huán)氧樹脂、焊料、UV固化的粘合劑、 熱固化的粘合劑等)來固定基板，或者可以融合相鄰的基板。還如這些專利 所公開的，以平版印刷方式形成動態(tài)特征來輔助基板的配合和對準(zhǔn)。如果要 于晶圓級固定之后仍然露出的表面(例如，第一基板110的上表面、光學(xué)蓋 板230或濾色器基板302)形成光學(xué)元件，則可以在固定后形成這些元件。
還如這些專利所公開的，可以以平板印刷的方式來制造無源光學(xué)元件， 或者例如可以通過成型法、平板印刷法、切削法等來制造母件，并可以根據(jù) 該母件來復(fù)制無源光學(xué)元件，在這里可以將這兩種方式中的任意一種稱為"平 板印刷(l他ograph)"。此外，例如，以引證的方式并入于此的美國專利6,027,595 所公開的，可以將復(fù)制的平板印刷轉(zhuǎn)印到基板中。制造這些無源光學(xué)元件的 方法和材料可以由無源光學(xué)元件的設(shè)計來決定。例如，如果需要具有大的凹 陷(sag)的折射光學(xué)元件，由于蝕刻時間與凹陷成正比，直接平板印刷技術(shù) 可能需要很長時間來制造這樣的透鏡，則復(fù)制是具有優(yōu)勢的。
適用于直接平板印刷法的透明材料數(shù)量有限，例如，玻璃(例如，熔融 石英(fbsed silica))。不幸的是，很多適于直接平板印刷法的材料具有相似的 折射系數(shù)和散射系數(shù)。這使得難以設(shè)計高質(zhì)量的相機(jī)系統(tǒng)(即，具有跨整個 視場的高M(jìn)TF、使用晶圓級制造的光學(xué)部件的相機(jī)系統(tǒng))。具體地說，色差可 以是導(dǎo)致降低的MTF的特定根源。該問題的一個解決方案是使用衍射元件來 減少色差。此外，可以使各透鏡系統(tǒng)的波長范圍變窄(即，對各透鏡系統(tǒng)使 用不同的顏色，可以進(jìn)一步減少色差)。另一可能的解決方案是當(dāng)復(fù)制的平板 印刷品是末級元件時，針對一些透鏡表面使用例如聚合物的塑料材料。這些塑料材料一般地比玻璃便宜而且更輕，但是比玻璃具有更高的熱膨脹系數(shù)和 更高的散射性。
然而，與單獨使用一種材料相比，通過使用具有不同色散特性的材料(例
如，高散射材料和低散射材料)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的MTF。例如，復(fù)制的元件可 以由聚合物制成，而平板印刷元件可以由玻璃制成。這些材料可以具有不同 的熱膨脹系數(shù)、不同的折射率、以及不同的色散特性。與單獨使用一種材料 相比，通過使用聚合物光學(xué)元件和玻璃光學(xué)元件二者來構(gòu)建系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn) 更高的MTF。因此，將直接平板印刷法用于例如可以具有最小直徑的第一折 射表面的一些光學(xué)元件而將復(fù)制平板印刷法用于其它光學(xué)元件，可以制造這 種系統(tǒng)。當(dāng)然，所有的元件都可以是復(fù)制品或直接形成的。
可以對第一基板、第二基板、末級基板與檢測器陣列中的至少兩個進(jìn)行 晶圓級制造和固定，即，多個這些元件可以被制造并被固定在一起，之后進(jìn) 行單個化以形成例如圖2B、圖6B、圖7、或圖8A中示出的疊層。根據(jù)通過 以引證方式并入于此的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利第6,451,150和6,483,627，可以實 現(xiàn)這種晶圓級制造。此外，即使僅以芯片級固定，也可以按晶圓級制造所有 光學(xué)元件。
可以將相機(jī)系統(tǒng)的部件固定并單個化，之后將被固定并單個化的部件固 定到之前也已經(jīng)與其它部件固定并單個化的部件?；蛘?，代替將相機(jī)系統(tǒng)單 個化，可以由不同的相機(jī)系統(tǒng)提供具有不同光學(xué)效果(例如，不同的焦距) 的相機(jī)系統(tǒng)陣列。例如，可以形成一個二乘二的相機(jī)系統(tǒng)陣列，其中一個具 有標(biāo)準(zhǔn)的透鏡配置， 一個具有廣角透鏡、 一個具有望遠(yuǎn)透鏡、而另一個具有 微距透鏡(macro lens)。
如在上面詳細(xì)討論的，在設(shè)計相機(jī)系統(tǒng)中，第一透鏡與傳感器之間的某 些位置具有大的空隙是有利的。然而，當(dāng)使用了基于晶片的光學(xué)元件時，同 樣有利的是在具有足夠大的厚度的基板上制造光學(xué)元件以在整個晶片上支撐 這些元件。這限制了其中能夠設(shè)置大的空隙的位置。即，如果將大的空隙設(shè)
29置在兩個元件之間，則在很多情況下，在仍舊將相機(jī)系統(tǒng)所需的所有基板和 元件安裝在薄薄的空間限制內(nèi)的同時，該兩個元件之間可能是能夠用來設(shè)置 大空隙的僅有的位置。換而言之，在設(shè)計相機(jī)系統(tǒng)中，僅可能有一個大的空 隙。因此，在任意兩個元件之間的大的空隙或最大空隙的位置是關(guān)鍵的設(shè)計 參數(shù)。
在常規(guī)的相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中， 一般地將最大的空隙設(shè)置在末級透鏡表面與 傳感器之間。經(jīng)常這樣做是因為很難將透鏡元件直接地設(shè)置在傳感器平面上 或靠近傳感器平面。如上所述，在晶圓級相機(jī)系統(tǒng)中，消除了這種限制。如 上所述，光學(xué)表面能夠容易地靠近傳感器平面設(shè)置。將矯正像場平面鏡片設(shè)
置得靠近傳感器平面可以使得大量的相機(jī)光學(xué)元件(例如，圖1A中的元件 112、 124)具有較小的孔徑，并且因此具有較小的直徑和SAG，并且這些元 件以較高的像場彎曲(field curvature)和更多的縮倍率(demagnification)來 執(zhí)行相機(jī)功能。矯正像場平面鏡片可以通過擴(kuò)展視場且使視場平坦來修正較 高的場曲率和更多的縮放倍率。因此，與將最大空隙設(shè)置在末級透鏡元件表 面與傳感器之間相對，使任意兩個部件之間的最大空隙被設(shè)置在兩個光學(xué)元 件表面之間可以容易地得到用于晶圓級相機(jī)系統(tǒng)的可制造性設(shè)計。例如，如 圖1A和圖6B所示，可以將最大間隙設(shè)置在矯正像場平面鏡片之前的末級透 鏡表面與矯正像場平面鏡片之間。
另外，根據(jù)本發(fā)明的實施方式來設(shè)置延伸超過光學(xué)疊層的覆蓋結(jié)構(gòu)可以 使得該覆蓋結(jié)構(gòu)充任相機(jī)系統(tǒng)的其它元件的支座，例如，可以在覆蓋結(jié)構(gòu)上 圍繞光學(xué)疊層設(shè)置遮光材料以減少雜散光。
最后，盡管已經(jīng)示出了相機(jī)系統(tǒng)的特定透鏡系統(tǒng)，但是可以將以上原理 用于任何這樣的透鏡系統(tǒng)設(shè)計中，g卩，光學(xué)基板相對于檢測器基板要小，相 對于檢測器的數(shù)量而言，這可以充分的增加可以制造在晶片上的透鏡系統(tǒng)的 數(shù)量。
這里己經(jīng)公開了本發(fā)明的實施方式，盡管使用了特定的術(shù)語，但是應(yīng)該在寬泛的和說明性的意義上而不是出于限制目的使用并解釋這些術(shù)語。例如， 盡管從始至終示出了常規(guī)的三色部件，但是可以采用實現(xiàn)全彩色相機(jī)的任何 適當(dāng)?shù)娜蚋嗌考４送?，盡管示出了子成像儀設(shè)計的圓形透鏡，但
是可以使用任何實現(xiàn)較高填充因子(fill factor)的高組裝密度的其他形狀(例 如，六邊形透鏡)。此外，盡管描述了在具有相同顏色的子相機(jī)中提供不同的 圖像的不同孔徑，但是可以使用提供該差異的其它光學(xué)元件。例如，可以針 對不同的子相機(jī)來不同地塑造像素的工作區(qū)域自身。可以結(jié)合任一實施方式 使用任意的電I/0解決方案。相應(yīng)地，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以 在不脫離所附權(quán)利要求所闡述的精神和范圍的情況下做出各種形式上或具體 內(nèi)容上的修改。
權(quán)利要求
1、一種相機(jī)系統(tǒng)，該相機(jī)系統(tǒng)包括光學(xué)疊層，其包括兩個基板，所述光學(xué)疊層形成成像系統(tǒng)，各基板具有相互平行并且與所述成像系統(tǒng)的光軸垂直的兩個表面，所述光學(xué)疊層包括在所述兩個基板的相對表面上的固定區(qū)域，所述兩個基板在它們相應(yīng)的固定區(qū)域處于晶圓級固定在一起，所述兩個基板的所述表面中的至少一個表面包括所述成像系統(tǒng)的折射表面；檢測器基板，其具有工作區(qū)域；以及覆蓋結(jié)構(gòu)，其至少保護(hù)所述檢測器基板的工作區(qū)域，所述光學(xué)疊層被固定到所述覆蓋結(jié)構(gòu)的上表面，所述光學(xué)疊層中的所述折射面的直徑小于與所述成像系統(tǒng)相對應(yīng)的所述工作區(qū)域的對角線。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述光學(xué)疊層中的至少一個基 板的表面面積小于所述覆蓋結(jié)構(gòu)的上表面面積。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中于晶圓級對所述兩個基板與所 述覆蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述兩個基板是同延的。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述覆蓋結(jié)構(gòu)包括末級光學(xué)元件。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相機(jī)系統(tǒng)，所述相機(jī)系統(tǒng)還包括位于所述光學(xué) 疊層與所述覆蓋結(jié)構(gòu)之間的末級光學(xué)元件。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中于晶圓級對所述覆蓋結(jié)構(gòu)與所 述檢測器基板進(jìn)行固定。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中于晶圓級對所述覆蓋結(jié)構(gòu)與所 述光學(xué)疊層進(jìn)行固定。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述相機(jī)系統(tǒng)包括多個子相機(jī)，各子相機(jī)在所述光學(xué)疊層的同一表面上具有對應(yīng)的折射面。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相機(jī)系統(tǒng)，所述相機(jī)系統(tǒng)還包括相對表面的所述固定區(qū)域之間的間隔結(jié)構(gòu)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述間隔結(jié)構(gòu)是粘合劑。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相機(jī)系統(tǒng)，所述相機(jī)系統(tǒng)還包括所述檢測器 基板的底面上的導(dǎo)電器件，該導(dǎo)電器件適于對已經(jīng)固定有所述光學(xué)疊層的所 述檢測器基板進(jìn)行表面安裝。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的相機(jī)系統(tǒng)，所述相機(jī)系統(tǒng)還包括從所述工作 區(qū)域到所述導(dǎo)電器件巻繞所述檢測器基板的邊緣的電互連。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的相機(jī)系統(tǒng)，所述相機(jī)系統(tǒng)還包括電路板，在 該電路板上表面安裝有已經(jīng)固定有所述光學(xué)疊層的所述檢測器基板，所述導(dǎo) 電器件被焊接到所述電路板。
15、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電器件是焊料。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述兩個表面包括平坦區(qū)域。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述固定區(qū)域是平坦的。
18、 一種相機(jī)系統(tǒng)，所述相機(jī)系統(tǒng)包括光學(xué)疊層，其包括具有第一折射元件的第一基板、具有第二折射元件的 第二基板以及相鄰基板之間的第一間隔，于晶圓級固定所述第一基板和所述 第二基板；檢測器基板，其具有工作區(qū)域；以及第二間隔，其位于所述光學(xué)疊層與所述工作區(qū)域之間，所述第二間隔小 于所述第一間隔。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述光學(xué)疊層包括與所述檢 測器基板相鄰的第三基板。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述第一間隔位于所述第一 基板與所述第二基板之間。
21、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述第一間隔位于所述第二 基板與所述第三基板之間。
22、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中最靠近所述工作區(qū)域的折射 元件的直徑大于所述光學(xué)疊層中的其它折射元件的直徑。
23、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的相機(jī)系統(tǒng)，所述相機(jī)系統(tǒng)還包括覆蓋了所述 工作區(qū)域的覆蓋結(jié)構(gòu)，所述光學(xué)疊層被直接安裝在所述覆蓋結(jié)構(gòu)上。
24、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述相機(jī)系統(tǒng)包括多個子相 機(jī)，各子相機(jī)在所述第一基板的第一表面上具有相對應(yīng)的第一折射元件以及 在所述第二基板的第一表面上具有相對應(yīng)的第二折射元件。
25、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的相機(jī)系統(tǒng)，所述相機(jī)系統(tǒng)還包括所述檢測器 基板的底面上的導(dǎo)電器件，所述導(dǎo)電器件適于對所述相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行表面安裝。
26、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的相機(jī)系統(tǒng)，所述相機(jī)系統(tǒng)還包括從所述工作 區(qū)域到所述導(dǎo)電器件巻繞所述檢測器基板的邊緣的電互連。
27、 一種相機(jī)系統(tǒng)，該相機(jī)系統(tǒng)包括第一基板，其具有第一折射元件，所述第一折射元件具有第一直徑； 第一隔板，其具有第一隔板開口；第二基板，其具有第二折射元件，所述第二折射元件具有第二直徑，所 述第二直徑大于所述第一直徑；檢測器基板，其具有工作區(qū)域，所述檢測器基板相距所述第二基板比相 距所述第一基板更近，于晶圓級固定所述第一基板、所述第二基板以及所述 檢測器基板中的至少兩個基板；以及第二隔板，其位于所述第一隔板與所述檢測器基板之間，所述第二隔板 具有大于所述第一隔板開口的第二隔板開口 。
28、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述第一直徑小于所述工作 區(qū)域的對角線。
29、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的相機(jī)系統(tǒng)，所述相機(jī)系統(tǒng)還包括所述檢測器基板的底面上的導(dǎo)電器件，所述導(dǎo)電器件適于對所述檢測器基板進(jìn)行表面安 裝。
30、 根據(jù)權(quán)利要求29所述的相機(jī)系統(tǒng)，所述相機(jī)系統(tǒng)還包括從所述工作 區(qū)域到所述導(dǎo)電器件巻繞所述檢測器基板的邊緣的電互連。
31、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述第一隔板在所述第一基 板上。
32、 根據(jù)權(quán)利要求31所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述第一隔板在離所述檢測 器基板較遠(yuǎn)的所述第一基板的第一表面上。
33、 一種相機(jī)系統(tǒng)，該相機(jī)系統(tǒng)包括光學(xué)疊層，其包括兩個基板，所述光學(xué)疊層形成成像系統(tǒng)，各基板具有 相互平行并且與所述成像系統(tǒng)的光軸垂直的兩個表面，所述光學(xué)疊層包括在 所述兩個基板的相對平行的表面上的固定區(qū)域，所述兩個基板在它們相應(yīng)的 固定區(qū)域處于晶圓級固定在一起，所述兩個基板的所述平行表面中的至少一 個表面包括所述成像系統(tǒng)的折射面；檢測器基板，其具有工作區(qū)域；以及在所述檢測器基板的底面上的導(dǎo)電器件，其適于對所述檢測器基板進(jìn)行 表面安裝。
34、 根據(jù)權(quán)利要求33所述的相機(jī)系統(tǒng)，所述相機(jī)系統(tǒng)還包括從所述工作 區(qū)域到所述導(dǎo)電器件巻繞所述檢測器基板的邊緣的電互連。
35、 根據(jù)權(quán)利要求33所述的相機(jī)系統(tǒng)，所述相機(jī)系統(tǒng)還包括電路板，在 該電路板上表面安裝有具有所述光學(xué)疊層的所述檢測器基板，所述導(dǎo)電器件 被焊接到所述電路板。
36、 根據(jù)權(quán)利要求35所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電器件是焊料。
37、 根據(jù)權(quán)利要求34所述的相機(jī)系統(tǒng)，其中所述表面包括平坦區(qū)域。
38、 一種制造相機(jī)系統(tǒng)的方法，該方法包括以下步驟 對準(zhǔn)包括第一晶片和第二晶片的光學(xué)疊層晶片，所述光學(xué)疊層晶片形成多個成像系統(tǒng)；于所述第一晶片與所述第二晶片的相對表面上的區(qū)域?qū)⑺龉鈱W(xué)疊層晶 片固定，所述相對表面相互平行并且垂直于所述成像系統(tǒng)的光軸；穿過所述相對表面來分離被固定的所述第一晶片與所述第二晶片，由此 形成多個光學(xué)疊層，每個光學(xué)疊層均包括成像系統(tǒng)；以及將光學(xué)疊層固定到具有工作區(qū)域的檢測器基板，折射表面的直徑小于所 述工作區(qū)域的對角線。
39、 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中固定所述光學(xué)疊層的步驟包括當(dāng) 所述檢測器基板是檢測器晶片的一部分的時候?qū)⑺龉鈱W(xué)疊層固定到檢測器 基板。
40、 根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，所述方法還包括將覆蓋結(jié)構(gòu)晶片固定 到所述檢測器晶片。
41、 根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，所述方法還包括穿過所述相對表面來 分離被固定的所述覆蓋結(jié)構(gòu)晶片、所述檢測器晶片以及所述光學(xué)疊層，以形 成多個相機(jī)系統(tǒng)，每個相機(jī)系統(tǒng)均包括覆蓋結(jié)構(gòu)、檢測器以及光學(xué)疊層。
42、 根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中所述光學(xué)疊層中的至少一個基板 的表面面積小于所述覆蓋結(jié)構(gòu)的上表面面積。
43、 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，所述方法還包括將覆蓋結(jié)構(gòu)固定在所 述光學(xué)疊層與所述檢測器基板之間。
44、 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，所述方法還包括以下步驟 確定光學(xué)疊層是否合格； 確定所述工作區(qū)域是否合格；以及 僅將合格的光學(xué)疊層固定到合格的工作區(qū)域。
45、 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，所述方法還包括在相對的平行表面上 的固定區(qū)域之間設(shè)置間隔結(jié)構(gòu)。
46、 根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中所述間隔結(jié)構(gòu)是粘合劑。
47、 根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，所述方法還包括在所述粘合劑中穿孔 形成光路。
48、 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，所述方法還包括在所述檢測器基板的 底面上形成導(dǎo)電器件，所述導(dǎo)電器件適于對所述檢測器基板進(jìn)行表面安裝。
49、 根據(jù)權(quán)利要求48所述的方法，所述方法還包括形成從所述工作區(qū)域 到所述導(dǎo)電器件巻繞所述檢測器基板的邊緣的電互連。
50、 根據(jù)權(quán)利要求48所述的方法，所述方法還包括以下步驟 設(shè)置電路板；以及通過回流焊料來固定所述導(dǎo)電器件與所述電路板。
51、 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中所述導(dǎo)電器件是焊料。
52、 一種制造相機(jī)系統(tǒng)的方法，該方法包括以下步驟 對準(zhǔn)包括第一晶片和第二晶片的光學(xué)疊層晶片，所述光學(xué)疊層晶片形成多個成像系統(tǒng)；于所述第一晶片與所述第二晶片的相對表面上的區(qū)域?qū)⑺龉鈱W(xué)疊層晶 片固定，所述相對表面相互平行并且垂直于所述成像系統(tǒng)的光軸；穿過所述相對表面來分離被固定的光學(xué)疊層晶片，由此形成多個光學(xué)疊 層，每個光學(xué)疊層均包括成像系統(tǒng)，第一間隔位于所述光學(xué)疊層的相鄰基板 之間；以及將光學(xué)疊層固定到具有工作區(qū)域的檢測器基板，以第二間隔來分離所述 工作區(qū)域與所述光學(xué)疊層，所述第二間隔小于所述第一間隔。
53、 一種制造相機(jī)系統(tǒng)的方法，該方法包括以下步驟 對準(zhǔn)包括第一晶片和第二晶片的光學(xué)疊層晶片，所述光學(xué)疊層晶片形成多個成像系統(tǒng)；于所述第一晶片與所述第二晶片的相對表面上的區(qū)域?qū)⑺龉鈱W(xué)疊層晶 片固定，所述相對表面相互平行并且垂直于所述成像系統(tǒng)的光軸；穿過所述平行表面來分離被固定的所述第一晶片與所述第二晶片，由此形成多個光學(xué)疊層，每個光學(xué)疊層均包括成像系統(tǒng)；將光學(xué)疊層固定到具有工作區(qū)域的檢測器基板；以及在所述檢測器基板的底面上形成導(dǎo)電器件，所述導(dǎo)電器件適于對所述相 機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行表面安裝。
54、 根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，所述方法還包括形成從所述工作區(qū)域 到所述導(dǎo)電器件巻繞所述檢測器基板的邊緣的電互連。
55、 根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，所述方法還包括在相對的平行表面上 的固定區(qū)域之間設(shè)置間隔結(jié)構(gòu)。
56、 根據(jù)權(quán)利要求55所述的方法，其中所述間隔結(jié)構(gòu)是粘合劑。
57、 根據(jù)權(quán)利要求56所述的方法，所述方法還包括在所述粘合劑中穿孔 出光路。
58、 根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，所述方法還包括以下步驟 設(shè)置電路板；以及通過回流焊料來固定所述導(dǎo)電器件與所述電路板。
59、 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中所述導(dǎo)電器件是所述焊料。
全文摘要
一種相機(jī)系統(tǒng)，該相機(jī)系統(tǒng)可以包括光學(xué)疊層，其包括兩個基板，所述光學(xué)疊層形成成像系統(tǒng)，每個基本均具有相互平行并與所述成像系統(tǒng)的光軸相垂直的兩個表面，所述光學(xué)疊層包括所述兩個基板的相對的表面上的固定區(qū)域，所述兩個基板在它們相應(yīng)的固定區(qū)域被于晶圓級固定在一起，所述兩個基板的所述表面中的至少一個表面包括所述成像系統(tǒng)的折射表面；檢測器基板，其具有工作區(qū)域；以及覆蓋結(jié)構(gòu)，其至少保護(hù)所述檢測器基板的工作區(qū)域，所述光學(xué)疊層被固定到所述覆蓋結(jié)構(gòu)的上表面。
文檔編號H01L27/148GK101512768SQ200780033627
公開日2009年8月19日 申請日期2007年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月17日
發(fā)明者羅伯特·D·泰科斯特, 詹姆斯·E·莫里斯, 邁克爾·R·費爾德曼 申請人:德薩拉北美公司