(57)【要約】【課題】  小型イメージ捕捉レンズを提供する。【解決手段】  小型イメージ捕捉レンズは、口径を有し、口径によりイメージを捕捉するダイヤフラムとウェハレベルのレンズシステムからなる。ウェハレベルのレンズシステムは、第一基板と、第一基板の第一面上に設置される第一レンズと、第一基板の第二面上に設置される第二レンズと、からなる第一レンズ群と、第二基板と、第二基板の第一面上に設置される第三レンズと、第二基板の第二面上に設置される第四レンズと、からなる第二レンズ群と、からなる。第一、第二、第三、第四レンズは非球面形状で、小型イメージ捕捉レンズは所定の条件を満たす。【選択図】図２
2010092024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
小型イメージ捕捉レンズであって、
開口を有し、この開口を通してイメージを捕捉するダイヤフラムと、
ウェハレベルのレンズシステムと、
からなり、前記ウェハレベルのレンズシステムは、
第一基板と、前記第一基板の第一面上に設置される第一レンズと、前記第一基板の第二面上に設置される第二レンズと、からなる第一レンズ群と、
第二基板と、前記第二基板の第一面上に設置される第三レンズと、前記第二基板の第二面上に設置される第四レンズと、からなる第二レンズ群と、
からなり、前記第一、第二、第三、第四レンズは非球面形状で、前記小型イメージ捕捉レンズは、前記第一レンズからイメージ平面までの総トラック距離（ＴＴＬ）であるＬと、全レンズシステムの有効焦点距離であるｆｅと、 前記第一レンズの有効焦点距離であるｆ１と、 前記第二レンズの有効焦点距離であるｆ２と、前記第二レンズ群の厚さであるＴgroup2と、前記第二レンズと前記第三レンズ間の距離であるＴａｉｒと、前記最後のレンズ表面からイメージ平面の後ろ焦点距離であるＴＢＦＬとは、式（１）乃至式（５）の条件を満たすことを特徴とする小型イメージ捕捉レンズ。
【数１】
2010092024.tif 000009
【請求項２】
第三レンズの有効焦点距離ｆ３および第四レンズの有効焦点距離ｆ４はそれぞれ０＜ｆ３／ｆｅ、ｆ４／ｆｅ＜０を満たすことを特徴とする請求項１に記載の小型イメージ捕捉レンズ。  
【請求項３】
前記第一レンズは正曲率レンズ、前記第二レンズは負曲率レンズ、前記第三レンズは正曲率レンズ、前記第四レンズは負曲率レンズであることを特徴とする請求項１に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
【請求項４】
前記第一レンズ群は凹凸レンズのように作用することを特徴とする請求項１に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
【請求項５】
前記第二レンズ群はフィールド補正器の作用を発揮し、前記イメージセンサに適合するように主光線角度を補正することを特徴とする請求項１に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
【請求項６】
さらに、前記第一レンズ群と前記第二レンズ群間にスペーサを有することを特徴とする請求項１に記載の小型イメージ捕捉レンズ。  
【請求項７】
さらに、前記第一レンズ上方にフロントカバーガラスを有することを特徴とする請求項１に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
【請求項８】
さらに、前記フロントカバーガラス、或いは、前記第一レンズ上に形成されるＵＶ／ＩＲカットフィルタを有することを特徴とする請求項７に記載の小型イメージ捕捉レンズ。  
【請求項９】
さらに、前記第四レンズ下方にバックカバーガラスを有することを特徴とする請求項６に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
【請求項１０】
さらに、前記第二レンズ群と前記バックカバーガラス間に第二スペーサを有することを特徴とする請求項９に記載の小型イメージ捕捉レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズシステムに関するものであって、特に、ウェハレベルの小型イメージ捕捉レンズ（Miniature image capture lens）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
撮像装置の高パフォーマンスと小型化を可能にするＣＣＤ（電荷結合素子）イメージセンサー、ＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳ）イメージセンサー等の固体のイメージ捕捉素子を取り入れたことにより、撮像装置を搭載する携帯電話やパソコンが普及した。そのため、撮像装置に搭載するイメージ捕捉レンズのさらなる小型化が要求されている。
【０００３】
しかし、上述のような要求があるにもかかわらず、従来のイメージ捕捉レンズについて、さらなる小型化をすることは限界に来ている。それは、レンズが真の三次元（３−Ｄ）構造であり、センサーも小型化が必要であるからであり、この種の技術は各レンズ表面の横方向の移動と傾斜の精密度を制御するのが難しく、製造過程で、微小レンズの操作も難しい。つまり、小型化により、従来のレンズは許容誤差が小さくなるからである。
【０００４】
図１は既に開示されているウェハレベルのレンズモジュールシステムを用いた撮像装置を示す図である。光線はウェハレベルのレンズ１０２とレンズ１０４とを通ってセンサ素子１０６に到達する。本技術において、ウェハレベルのレンズモジュール１０２と１０４、および、センサ素子１０６は超大規模集積回路（VLSI）工程技術により製造される。よって、撮像装置１００を小型にして、携帯電話やＰＤＡなどの携帯式装置に搭載するのに適したサイズにすることができる。ウェハレベルのレンズは、真の三次元構造を各レンズプレートを積層してレンズキューブにする２．５次元構造にする。よって、ムーアの法則(Moore’s law)などの半導体プロセスによる技術的進歩に伴い、さらに小型化することができる一方、許容誤差は増大する。
【０００５】
また、従来のレンズは離散プロセス(discrete process)により製造され、レンズを一つずつ組みつけるのに対し、ウェハレベルのレンズはバッチ処理により製造され、レンズプレート上に何千ものレンズを積層して、レンズモジュールアレイにし、その後、ダイソー（die-saw）プロセスにより単一のレンズキューブに分離する。しかし、ウェハレベルのレンズは体積が小さくなるが、従来の三次元レンズの方が現在のところウェハレベルのレンズより性能が優れている。さらに、ウェハレベルのレンズにとって、特に、ナイキスト周波数(Nyquistfrequency)が高い時、収差が小さく、最適な変調伝達関数（以下「ＭＴＦ」という）の光学レンズシステムを設計するのはさらに困難である。レンズ表面の数を増大させることによりＭＴＦを増大させることができるが、レンズの総トラック長さが増大する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】台湾特許第１２８９３６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
よって、本発明は、公知の３Ｄレンズに匹敵するパフォーマンスを有するウェハレベルのレンズシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態によると、小型イメージ捕捉レンズは、開口を有し、この開口を通してイメージを捕捉するダイヤフラムとウェハレベルのレンズシステムからなる。ウェハレベルのレンズシステムは、第一基板と、第一基板の第一面上に設置される第一レンズと、第一基板の第二面上に設置される第二レンズと、からなる第一レンズ群と、第二基板と、第二基板の第一面上に設置される第三レンズと、第二基板の第二面上に設置される第四レンズと、からなる第二レンズ群と、からなる。第一、第二、第三、第四レンズは非球面形状で、小型イメージ捕捉レンズは以下の条件を満たす。
【０００９】
【数１】
2010092024.tif 000003
【００１０】
ここでＬは第一レンズからイメージ平面の総トラック距離（ＴＴＬ）、ｆｅは全レンズシステムの有効焦点距離、ｆ１は第一レンズの有効焦点距離、 ｆ２は第二レンズの有効焦点距離、Ｔgroup2は第二レンズ群の厚さ、Ｔairは第二レンズと第三レンズ間の距離、ＴBFLは最後のレンズ表面からイメージ平面までの後側焦点距離である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明はハイパフォーマンスのウェハレベルのレンズシステムを提供し、公知のレンズに匹敵するレンズパフォーマンスを有し、レンズセットは無鉛の溶接工程を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】公知のウェハレベルレンズモジュールシステムを用いた撮像装置を示す図である。
【図２】本発明の実施形態である小型イメージ捕捉レンズの断面図である。
【図３】本発明の実施形態である小型イメージ捕捉レンズを示す立体分解図である。
【図４】本発明の実施形態である小型イメージ捕捉レンズの断面図である。
【図５】本発明の実施例である小型イメージ捕捉レンズの様々な波長状態下での非点収差の像面湾曲を示す図である。
【図６】本発明の実施例である小型イメージ捕捉レンズの様々な波長状態下での変形曲線を示す図である。
【図７】本発明の実施例である小型イメージ捕捉レンズの球面収差を示す図である。
【図８】本発明の実施例である小型イメージ捕捉レンズのコマ収差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下で本発明の実施形態を説明するが、本発明の主要な技術的特徴を示すものであって、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００１４】
図２は本発明の実施形態である小型イメージ捕捉レンズの断面図である。図３は本発明の実施形態である小型イメージ捕捉レンズを示す立体分解図である。実施形態の小型イメージ捕捉レンズは物体（図示しない）のイメージを捕捉することができる。図４は本発明の実施形態である小型イメージ捕捉レンズの断面図である。以下で、図２乃至図４を参照して、物体からイメージ平面２２０に亘る小型イメージ捕捉レンズの素子を説明する。実施形態の小型イメージ捕捉レンズは、フロントカバーガラス２０１と、スペーサダム(spacer dam)２０３と、第一レンズ２０２、第一基板２０８、および、第二レンズ２０７からなる第一レンズ群２０６と、第一スペーサ２０５と、第三レンズ２１０、第二基板２１４、および、第四レンズ２１６からなる第二レンズ群２１２と、第二スペーサ２０９と、バックカバーガラス２１８と、からなる。
【００１５】
フロントカバーガラス２０１はＵＶ／ＩＲカットフィルタでコーティングされている。次に、ダイヤフラム絞り２０４と第一レンズ２０２（正曲率）が第一基板２０８の第一面上に設置され、第二レンズ２０７（負曲率）が第一基板２０８の第二面上に設置される。第一レンズ２０２、第一基板２０８、第二レンズ２０７が第一レンズ群２０６を構成する。第三レンズ２１０（正曲率）が第二基板２１４の第一面上に設置され、第四レンズ２１６（負曲率）が第二基板２１４の第二面上に設置される。第三レンズ２１０、第二基板２１４、および、第四レンズ２１６が第二レンズ群２１２を構成する。実施形態の小型イメージ捕捉レンズ中、第一レンズ群２０６は一つの凹凸レンズのように作用し、第二レンズ群２１２はフィールド補正器の作用を発揮し、イメージセンサに適合するように主光線角度を補正する。
【００１６】
図２に記載の実施形態の小型イメージ捕捉レンズについて、図３と図４の断面図によりさらに詳しく説明する。特に、第一レンズ２０２、第二レンズ２０７、第三レンズ２１０、第四レンズ２１６は非球面形状で、以下の条件を満たす。
【００１７】
【数２】
2010092024.tif 000004
【００１８】
ここでＬは第一レンズ２０２からイメージ平面２００までの総トラック距離（ＴＴＬ）、ｆｅは全レンズシステムの有効焦点距離、 ｆ１は第一レンズ２０２の有効焦点距離、ｆ２は第二レンズ２０７の有効焦点距離、Ｔｇｒｏｕｐ２は第二レンズ群２１２の厚さ、Ｔａｉｒは第二レンズ２０７と第三レンズ２１０間の距離、ＴＢＦＬは最後のレンズ表面からイメージ平面２００までの後ろ焦点距離（バックカバーガラス２１８の等価厚さも含む）である。
【００１９】
また、各レンズの有効焦点距離は式（６）により求められる。
【数３】
2010092024.tif 000005
ここでｎは屈折率、Ｒは光学表面の曲率半径である。
【００２０】
特に、実施形態の小型イメージ捕捉レンズは、さらに以下の式（７）および式（８）の条件を満たす。
【数４】
2010092024.tif 000006
ここで  ｆ３は第三レンズの有効焦点距離、ｆ4は第四レンズの有効焦点距離である。
【００２１】
本実施形態において、第一基板２０８、第二基板２１４はガラスプレートで、レンズ材料の反射屈折率に適合し、厚さが約３００〜４００μｍである。スペーサ２０３、２０５、２０９は擦りガラスかドリル穴を有する高密度の黒プラスチックである。ＵＶ／ＩＲカットフィルターとダイヤフラム絞り２０４が別々のガラス基板、例えば、フロントカバーガラス２０１上に形成されるか、或いは、第一レンズ２０２の表面に集積される。第三レンズ２１０はセンサー上で主光線入射角を補正する。
【００２２】
第一、第二、第三、第四レンズの各レンズは非球面形状であり、これらの非球形表面の形状は式（９）で示され、垂直の座標系において、非球形表面の頂点を原点とし、且つ、光軸の方向はｚ軸である。
【００２３】
【数５】
2010092024.tif 000007
【実施例】
【００２４】
実施例の小型イメージ捕捉レンズのパラメータはこの段落で説明され、以下のとおりである。
ｆｅ＝１．２０６ｍｍ
Ｌ＝１．５４ｍｍ
Ｒ１＝０．５２６ｍｍ、Ｒ２＝１．２８５ｍｍ、Ｒ３＝１．２１７ｍｍ、
Ｒ４＝１．６１５ｍｍ
ＴＢＦＬ＝０．３５４ｍｍ(バックカバーガラスの等価厚さを含み、ＴＣ／Ｇ／ｎｄ＝０．４／１．５２＝０．２６７)
ｆ１／ｆｅ＝１．０２／１．２０６＝０．８５
ｆ２／ｆｅ＝−２．４８／１．２０６＝−２．０６
ｆ3／ｆｅ＝２．３４／１．２０６＝１．９５
ｆ4／ｆｅ＝−３．１２／１．２０６＝−２．５８
Ｔｇｒｏｕｐ２＝０．４１６ｍｍ
Ｔａｉｒ＝０．２５８ｍｍ
各レンズの表面データが表１で示される。
【００２５】
【表１】
2010092024.tif 000008
【００２６】
図５は、実施例の小型イメージ捕捉レンズの様々な波長状態下での非点収差の像面湾曲（astigmatic field curve）を示す図であり、線Ｓ１〜Ｓ５は弧線であり、一方線T１〜T５は接線である。図５で示されるように、本実施例の非点収差は０．０３ｍｍ以下である。図６は、実施例の小型イメージ捕捉レンズの様々な波長状態下での変形曲線を示す図であり、同小型イメージ捕捉レンズの歪曲が十分小さい。図７は、実施例の小型イメージ捕捉レンズの球面収差を示す図であり、同小型イメージ捕捉レンズの球面収差は十分小さい。図８は、実施例の小型イメージ捕捉レンズのコマ収差を示す図であり、同小型イメージ捕捉レンズのコマ収差は十分小さい。図５乃至図８からわかるように、実施例の小型イメージ捕捉レンズの収差は最適なものである。
【００２７】
上述によると、本発明はハイパフォーマンスのウェハレベルのレンズシステムを提供し、公知のレンズに匹敵するレンズパフォーマンスを有し、レンズセットは無鉛の接続工程を実行することができる。
【００２８】
本発明では好ましい実施形態を前記の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の技術的範囲を脱しない範囲内で各種の変形を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【符号の説明】
【００２９】
１０２      ウェハレベルのレンズ
１０４      ウェハレベルのレンズ
１０６      センサー素子
２０１      フロントカバーガラス
２０２      第一レンズ
２０３      スペーサダム
２０４      ダイヤフラム絞り
２０５      第一スペーサ
２０６      第一レンズ群
２０７      第二レンズ
２０８      第一基板
２０９      第二スペーサ
２１０      第三レンズ
２１２      第二レンズ群
２１４      第二基板
２１６      第四レンズ
２１８      バックカバーガラス
２２０      イメージ平面
【図１】
2010092024.tif 000010
【図２】
2010092024.tif 000011
【図３】
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【図４】
2010092024.tif 000013
【図５】
2010092024.tif 000014
【図６】
2010092024.tif 000015
【図７】
2010092024.tif 000016
【図８】
2010092024.tif 000017