CN100481471C - 成像装置及其设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CMOS传感器的光学系统，该系统包括使出射光瞳距在成像平面的中心区域短而在成像平面的外围区域长的一非球面透镜。非球面透镜起到使得出射光瞳距从成像平面的中心区域朝着成像平面的外围区域单调增大。另外，根据出射光瞳距d进行光瞳校正，所述出射光瞳距d满足(d1+d2)/2＜d＜d2，该式中d1是成像平面中心处的出射光瞳距，d2是成像平面边缘处的出射光瞳距。

Description

成像装置及其设置方法

技术领域

本发明涉及一种包括诸如互补型金属氧化物半导体(CMOS)传感器的固态成像部件的成像装置，以及该成像装置的设置方法。

背景技术

在应用CMOS传感器的一般成像装置中，用在半导体基质上形成的光接收单元中包含的光电二极管对经过光学系统的光进行光电转换。然后，通过光电转换产生的电子被聚集并传递至放大器电路，并从该放大器电路获得电压输出或电流输出。

下面将描述光进入这种成像装置的方式。图9是示出包含CMOS传感器的照相机模块的示例的结构的剖面图。图10A和10B是示出图9中所示的CMOS传感器的光接收单元中的不同像素的结构的放大剖面图。图10A示出处于光垂直进入的位置的像素(图9中用a表示)，而图10B则示出处于光以一定角度进入的位置的像素(图9中用b表示)。

如图中所示，光10穿过透镜12、孔径(aperture)13、和设置在透镜镜筒11中的透镜14，进入位于各像素的CMOS传感器15表面上的各芯片上(on-chip)透镜16，再由芯片上透镜16折射，并入射在相应的光接收部分17中的光电二极管上。CMOS传感器15中设有各种导线层18。

如图10A中所示，在成像平面的中心区域，光基本上垂直入射在成像平面上。所以，光穿过芯片上透镜16，并直接入射在光接收部分17上。然而，如图10B中所示，当与成像平面中心的距离增大时，入射角度增大，光以相对于成像平面的小角度入射在成像平面上。因此，并非全部穿过芯片上透镜16的光都入射在光接收部分17上，有些光到达光接收部分17以外的区域。因而，降低了在成像平面的外围区域内入射在光接收部分上的光的强度。

下面将描述光学系统中出射光瞳的概念。图11是示出CMOS传感器20的光学系统的一个示例的示图。两个透镜22和23设置在孔径21的前面，而透镜24设置在孔径21的后面。

出射光瞳是指由设置在孔径21后面的透镜24形成的孔径的图像(虚像)。另外，出射光瞳距是指成像平面与出射光瞳之间的距离。

虽然通过使用出射光瞳距长的透镜可以减小成像平面的外围区域内的入射角，但在这种情况下制造薄透镜模块变得困难。相反，虽然使用出射光瞳距短的透镜可以制造薄透镜模块，但在这种情况下成像平面外围区域内的入射角变大。

在公知结构中，如图12所示，各芯片上透镜31从相应的光接收部分32的中心移向成像平面，移经的距离与成像平面的中心和芯片上透镜31的中心之间的距离以一恒定比率成比例，该比率与出射光瞳距相关。这样做的原因是为了使大入射角的光以高效率入射在光接收部分上。这就是所述的光瞳校正。

然后，还存在一个问题，即在薄透镜模块中，成像平面的外围区域内的入射角增大。所以，仅通过以恒定比率移动各芯片上透镜得到的收集效率受到限制(例如参照日本未经审查的专利申请公开第1-213079号)。

因此，在公知的成像装置中，CMOS传感器的成像平面中的中心处与外围区域的入射光强度不同，并且会出现CMOS传感器的输出在中心区域大而在外围区域小的阴影。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种成像装置，它能减小由于成像装置的成像平面中的中心和外围区域之间的亮度差异造成的阴影，本发明还提供一种该成像装置的设置方法。

为了实现该目的，根据本发明，一种成像装置包括：一固态成像装置，其包括一光接收单元，在该单元上集成着多个具有光电转换器的像素；芯片上透镜，其与像素相对应地设置在光接收单元的成像平面上；以及一光学系统，其控制入射在光接收单元上的光，该光学系统包括一孔径和一非球面透镜，所述孔径控制入射在光接收单元上的光的强度，所述非球面透镜设置在光接收单元与孔径之间，并控制入射光，使得出射光瞳距中成像平面的中心区域短而在成像平面的外围区域长。

另外，为了实现上述目的，本发明提供一种成像装置的设置方法，该成像装置包括：一固态成像装置，其包括一光接收单元，在该单元上集成着多个具有光电转换器的像素；芯片上透镜，其与像素相对应地设置在光接收单元的成像平面上；以及一光学系统，其控制入射在光接收单元上的光，该光学系统包括控制入射在光接收单元上的光强的一孔径以及控制入射光的一非球面透镜。所述设置方法包括：将非球面透镜设置在光接收单元与孔径之间，从而使出射光瞳距在成像平面的中心区域短而在成像平面的外围区域长。

根据本发明，固态成像装置的光学系统包括使出射光瞳距根据像高(光接收单元与成像平面中心之间的距离)而不同的透镜。因此，提高了成像平面外围区域的收集效率，并抑制了阴影。因而，改善了阴影特性。

附图说明

图1是示出本发明实施例的包括一CMOS传感器照的相机模块的结构的剖面图；

图2A和2B是示出图1中所示的CMOS传感器的光接收单元中不同像素的结构的放大剖面图，其中图2A示出处于光垂直进入的位置的像素，图2B示出处于光以一定角度进入的位置的像素；

图3是示出在图1中所示的CMOS传感器的光学系统中像高与出射光瞳距之间的关系的示图；

图4是示出图1中所示的CMOS传感器的光学系统以及对应公知结构的一对比示例中像高与入射角之间的关系的示图；

图5是示出图1中所示的CMOS传感器的光学系统中进行的光瞳校正的方式的示图；

图6A至6C是示出图1中所示的CMOS传感器的光学系统中校正特性的示图；

图7是示出图1中所示的CMOS传感器的光学系统中以及对应公知结构的一对比示例中的像高与芯片上透镜位移(移动量)之间的关系的示图；

图8A至8C是示出图1中所示的CMOS传感器的光学系统中光瞳校正距函数与出射光瞳函数之间的关系的示图；

图9是示出包括一CMOS传感器的公知照相机模块的结构的剖面图；

图10A和10B是示出图9中所示的CMOS传感器的光接收单元中的不同像素的结构的放大剖面图，其中图10A示出处于光垂直进入的位置的像素，图10B示出处于光以一定角度进入的位置的像素；

图11是示出公知的CMOS传感器的光学系统中的出射光瞳和出射光瞳距的示图；以及

图12是示出公知的CMOS传感器中芯片上透镜的设置的示图。

具体实施方式

在根据本发明实施例的成像装置及该成像装置的设置方法中，CMOS传感器的光学系统包括使出射光瞳在成像平面中心区域中短而在成像平面外围区域中长的一非球面透镜。因此，成像平面外围区域的收集效率增大，且阴影得到抑制。

非球面透镜起到使得出射光瞳距从成像平面中心区域向成像平面外围区域单调增大的作用。在这种情况下，可以根据满足(d1+d2)/2<d<d2的出射光瞳距d进行光瞳校正，在该式中，d1是成像平面中心处的出射光瞳距，d2是成像平面边缘处的出射光瞳距。因而，当假定一特定出射光瞳距，且各芯片上透镜以恒定比率移动时，成像平面外围区域的收集效率增大，且阴影得到抑制。

另外，在使用使得出射光瞳距从成像平面中心区域向成像平面外围区域单调增大的非球面透镜的情况下，芯片上透镜可以根据像高以不同的比率移动，从而使成像平面外围区域中移动量的变化率比成像平面中心区域中的小(见图7)。在这种情况下，移动量的变化率朝向成像平面外围区域单调降低。当芯片上透镜的移动量以这种方式改变时，与芯片上透镜以恒定比率移动且出射光瞳距单调增大的情况相比，光更加有效地入射在光接收单元上。

另外，当使用上述非球面透镜时，描述出射光瞳距随像高(距光接收单元的成像平面中心的距离)的变化的出射光瞳函数基本上与描述各芯片上透镜相对于处于与距成像平面中心的距离无关的相应位置上的出射光瞳距的移动量的光瞳校正距函数一致(见图8A)。在这种情况下，获得能使整个区域上的灵敏性最大化的结构。

或者，光瞳校正距函数可以大于成像平面中心区域中的出射光瞳距函数，并接收成像平面外围区域中的出射光瞳函数(见图8B)。在这种情况下，获得能减小成像平面的中心区域与外围区域之间的灵敏性差异并减少阴影的结构。

或者，光瞳校正距函数可以比成像平面的中心区域中的出射光瞳函数大，在出射光瞳距处于(d1+d2)/2和d2之间的范围内与出射光瞳函数相交，并靠近成像平面的外围区域中的出射光瞳函数(见图8C)。在该情况下，获得能减小成像平面的中心区域与外围区域之间的灵敏性差异并减少阴影的结构。

第一实施例

图1是示出根据本发明一实施例的包括一CMOS传感器的照相机模块的结构的剖面图。图2A和2B是示出图1中所示的CMOS传感器的光接收单元中的不同像素的结构的放大剖面图。图2A示出处于光垂直进入的位置的像素(图1中用a表示)，而图2B示出处于光以一定角度进入的位置的像素(图1中用b表示)。

如图1所示，在根据本发明的成像装置中，CMOS传感器120、孔径112、和透镜113至115被设置在透镜镜筒111中。

CMOS传感器120作为一个模块通过传感器支架121和盖122被设置在透镜镜筒111的底部。孔径112设置在透镜镜筒111的前侧附近并控制入射在CMOS传感器120上的光的强度。透镜113设在孔径112的外侧，透镜114和115设在孔径112与CMOS传感器120之间。这些透镜构成的非球面透镜是本实施例的特征所在，并其具有使出射光瞳距在CMOS传感器120的成像平面的中心区域短而在成像平面的外围区域长的形状。透镜113至115由其各自的透镜支架安装在透镜镜筒111上。

在如上所述那样构造的照相机模块中，光110穿过透镜镜筒111中的透镜113、孔径112、透镜114和115，并进入设置在CMOS传感器120表面上用于各像素的各芯片上透镜116，再由芯片上透镜116折射，并入射在相应的光接收部分123中的光电二极管上。各种导线层124设置在CMOS传感器120中。

在本发明的第一实施例中，包括三个透镜113至115的透镜组起到使得出射光瞳距不被确定为单个的恒定的距离的作用，并构成使出射光瞳距在成像平面的中心区域短而在成像平面的外围区域长的一非球面透镜。

最外面的透镜113具有凸外表面和凹内表面，面向透镜113的内表面的透镜114具有凹外表面和凸内表面。最内侧的透镜115具有凹外表面和复合内表面，该复合内表面中的中心区域是凹形的，外围区域是凸形的。实验证实，通过该透镜组，出射光瞳距在成像平面的中心区域短，而在成像平面的外围区域长。

因而，透镜组在透镜组的一部分中包括一非球面表面。在本发明中，术语“非球面透镜”概括地指具有这种结构的透镜组。

图2中所示的透镜结构仅是应用本发明的示例，也可以用其它不同的模式。例如，可以使用具有两个透镜的透镜组，可以从不同的模拟设计、测试产品、实验中选取适当的透镜结构。

当使用具有上述结构的透镜时，不能确定精确的出射光瞳。然而，由于能为各像素确定出射光瞳距，所以这里使用所谓的“出射光瞳函数”，该函数中出射光瞳距被表示成像高的函数。像高是指距成像平面中心的距离。

图3是示出像高与出射光瞳距之间的关系(出射光瞳函数)的示图，图4是示出像高与入射角之间的关系的示图。虽然在公知结构中出射光瞳距是恒定的，但在本实施例中，出射光瞳距随着像高而单调地增大，如图3所示。在这种情况下，如图4所示，入射角的改变比率朝着成像平面的外围区域(边缘)降低。当使用这种透镜时，入射角能在成像平面的外围区域减小而不会增加透镜模块的厚度。

因此，在本实施例中，CMOS传感器的光学系统包括一使出射光瞳距依据像高而不同的透镜。另外，各芯片上透镜可以以根据芯片上透镜处的出射光瞳距以与成像平面的中心和相应的像素之间的距离成比例或不成比例的一比率从相应的光接收部分的中心移开。因此，增大了成像平面外围区域的收集效率。因而，抑制了阴影，并改善了阴影特性。

第二实施例

在本发明的第二实施例中，图3所示的两个出射光瞳距d1和d2用于假定(d1+d2)/2和d2之间的出射光瞳距，如图5所示。然后，以基于该假定的出射光瞳距的恒定比率移动各芯片上透镜。在这种情况下，如果不考虑由于透镜本身造成的光强阴影，灵敏性在与成像平面的外围区域相应的像高处增大，如图6A所示。然而，实际上会产生由于透镜本身造成的光强阴影，如图6C所示。因此，通过计算乘积可以确定如图6B所示的芯片灵敏性。

由于如图6A所示，灵敏性在外围区域中增大，所以即使当考虑透镜的阴影时，也防止了外围区域中的光强的减小，如图6B所示。

因此，当根据第一实施例中的图1所示的透镜结构应用于本实施例中，且各芯片上透镜基于假定的出射光瞳距以恒定比率移动时，收集效率在成像平面的外围区域中的收集效率增大，并改善了阴影特性。

第三实施例

在第三实施例中，使用根据第一实施例的透镜，并且不采用如第二实施例中那样以恒定比率移动各芯片上透镜，而代之以以不同比率移动芯片上透镜，如图7中所示。更具体地，成像平面外围区域中的芯片上透镜的位移(移动量)的变化率比成像平面的中心区域中的小。这里，表示芯片上透镜位移的最佳出射光瞳距的函数定义为光瞳校正距函数。

在公知的结构中，由于出射光瞳距是恒定的，所以光瞳校正距函数是恒定的。然而，当在本实施例中使用使出射光瞳距根据像高而显不同的透镜时，各位置上的最佳芯片上透镜位移不同。

例如，在如图7中所示芯片上透镜位移变化的情况下，光瞳校正距函数随着像高朝着成像平面的外围区域而单调增大。

如图8A中所示，光瞳校正距函数基本上与出射光瞳函数一致。或者，如图8B所示，光瞳校正距函数可以比中心区域中的出射光瞳函数大，并接近外围区域中的出射光瞳函数。或者，如图8C所示，光瞳校正距函数可以比中心区域中的出射光瞳函数大，在(d1+d2)/2与d2之间的范围内与出射光瞳函数相交，并接近外围区域中的出射光瞳函数。

图8A用于使整个区域上的灵敏性最大化，图8B和8C用于通过使成像平面的中心与外围区域之间的灵敏性的差异最小化而抑制阴影。

虽然图1中所示的装置的结构也用于第三实施例，但第三实施例不同于第二实施例，区别在于芯片上透镜位移是根据光瞳校正距函数确定的，且各芯片上透镜位移不以恒定比率变化。因此，光更有效地入射在光接收单元上。

Claims (2)

1、一成像装置，其包括：

一固态成像装置，其包括一光接收单元，在该单元上集成着多个具有光电转换器的像素；

芯片上透镜，其与所述像素相对应地设置在所述光接收单元的一成像平面上；以及

一光学系统，其控制入射在所述光接收单元上的光，该光学系统包括一孔径和一非球面透镜，所述孔径控制入射在所述光接收单元上的光强，所述非球面透镜设置在所述光接收单元与所述孔径之间，并控制入射光，使出射光瞳距在所述成像平面的中心区域短而在成像平面的外围区域长，

其中，所述非球面透镜起到使得出射光瞳距从所述成像平面的中心区域朝着成像平面的外围区域单调增大的作用，并且，

根据出射光瞳距d进行光瞳校正，所述出射光瞳距d满足(d1+d2)/2<d<d2，该式中d1是所述成像平面中心处的出射光瞳距，d2是成像平面边缘处的出射光瞳距。

2、一种成像装置的设置方法，该成像装置包括：一固态成像装置，其包括一光接收单元，在该单元上集成着多个具有光电转换器的像素；芯片上透镜，其与所述像素相对应地设置在所述光接收单元的一成像平面上；以及一光学系统，其控制入射在光接收单元上的光，该光学系统包括控制入射在光接收单元上的光强的一孔径以及控制入射光的一非球面透镜，所述设置方法包括以下步骤：

将所述非球面透镜设置在所述光接收单元与孔径之间，从而使出射光瞳距在所述成像平面的中心区域短而在成像平面的外围区域长，其中

所述非球面透镜的设置使得出射光瞳距从所述成像平面的中心区域朝着成像平面的外围区域单调增大，并且

根据出射光瞳距d进行光瞳校正，所述出射光瞳距d满足(d1+d2)/2<d<d2，该式中d1是所述成像平面中心处的出射光瞳距，d2是成像平面边缘处的出射光瞳距。

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