專利名稱：攝像裝置和移動(dòng)信息終端的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及設(shè)置有成像光學(xué)系統(tǒng)和圖像傳感器的攝像裝置，以及結(jié)合有該攝像裝置的移動(dòng)信息終端。
背景技術(shù)：
數(shù)字?jǐn)z像機(jī)已經(jīng)結(jié)合到各種移動(dòng)裝置中，例如移動(dòng)電話和PDA。此外，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)已經(jīng)廣泛用于電視電話和車載攝像機(jī)或船載攝像機(jī)，允許駕駛者監(jiān)控車輛的內(nèi)部或外部的圖像。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)具有攝像裝置和外圍電路裝置。攝像裝置是成像光學(xué)系統(tǒng)和固態(tài)圖像傳感器的單元。固態(tài)圖像傳感器光電地轉(zhuǎn)換由成像光學(xué)系統(tǒng)形成的目標(biāo)圖像。外圍電路裝置驅(qū)動(dòng)固態(tài)圖像傳感器并從固態(tài)圖像傳感器讀取成像信號(hào)和對(duì)成像信號(hào)進(jìn)行各種信號(hào)處理， 以獲取數(shù)字圖像信號(hào)。然后外圍電路裝置存儲(chǔ)數(shù)字圖像信號(hào)。例如，對(duì)于將數(shù)字?jǐn)z像機(jī)結(jié)合到通常用作移動(dòng)信息終端的移動(dòng)電話或PDA中，它相對(duì)容易地使用各種安裝技術(shù)減小外圍電路裝置的寬度。另一方面，在不影響它的光學(xué)性能的情況下它難以減小攝像裝置的寬度。通過(guò)減小成像光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度，能夠容易地減小攝像裝置的寬度。然而，當(dāng)成像光學(xué)系統(tǒng)具有短的寬度時(shí)，在成像平面上，離開(kāi)光軸的每個(gè)點(diǎn)上的主光線的入射角變得大于具有長(zhǎng)焦距的成像光學(xué)系統(tǒng)。這是由于孔徑光闌平面和成像平面之間的短幾何距離，并且由于光學(xué)設(shè)計(jì)的限制，這是不可避免的。另一方面，前側(cè)照射型CMOS 傳感器(front side illumination CMOS sensor)通常用作固態(tài)圖像傳感器，具有配置在它的入射表面上的微透鏡。因此，每個(gè)像素的開(kāi)口率 (aperture efficiency)被提高，以盡量將成像光引導(dǎo)到它的光電轉(zhuǎn)換部分。因此，與沒(méi)有微透鏡的圖像傳感器相比，前側(cè)照射型CMOS傳感器的開(kāi)口率和光電轉(zhuǎn)換率被提高。前側(cè)照射型CMOS傳感器光電和高效地轉(zhuǎn)換垂直入射光。然而，因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換部分位于配線層的下方，在傾斜入射光到達(dá)光電轉(zhuǎn)換部分之前，傾斜入射光被配線層反射或泄漏到相鄰的像素。 因此，傾斜入射光不能對(duì)像素的光電轉(zhuǎn)換有貢獻(xiàn)。當(dāng)光垂直地入射在成像表面上時(shí)，每個(gè)像素具有最高的光電轉(zhuǎn)換效率。如果設(shè)定垂直入射光的轉(zhuǎn)換效率為100%，那么以20°數(shù)量級(jí)的角度入射的光的光電轉(zhuǎn)換效率急劇地減小到35%的數(shù)量級(jí)。當(dāng)入射角超過(guò)30°的數(shù)量級(jí)時(shí)，大部分光被配線層反射或阻擋或者泄漏到相鄰的像素中。因此，光電轉(zhuǎn)換效率減小到垂直入射的5%。如上所述，因?yàn)樵谇皞?cè)照射型CMOS傳感器的每個(gè)像素中光電轉(zhuǎn)換部分位于配線層的下方，因此光漫射角(light diffusion angle)的容許范圍就小。當(dāng)入射的角度(入射角)大于豎直入射角(=0° )時(shí)，光立刻泄漏到相鄰的像素中。因此，靈敏度被降低。隨著靠近圖像的周邊，具有大入射角的光增加。結(jié)果，在圖像的周邊能夠用于光電轉(zhuǎn)換的光就減少。因此，與它的屏幕中心相比，圖像的周邊區(qū)域變得相對(duì)地暗。換言之，CMOS傳感器不能基于由光學(xué)系統(tǒng)擔(dān)保的由開(kāi)口率表示的亮度來(lái)再現(xiàn)圖像。通常，具有暗的周邊部分的圖像通過(guò)后來(lái)的圖像處理來(lái)校正。然而，這種校正導(dǎo)致信噪比(SN ratio)的惡化。當(dāng)過(guò)分地校正極其暗的圖像時(shí)，信噪比的惡化超過(guò)容許范圍，并且因此導(dǎo)致圖像不可用。在彩色CMOS傳感器中，泄漏到相鄰像素中的光導(dǎo)致顏色混合。顏色混合也能夠在圖像處理中校正。這種校正也導(dǎo)致信噪比的惡化。當(dāng)過(guò)分地校正具有過(guò)度的顏色混合的圖像時(shí)，信噪比的惡化超過(guò)容許范圍，并且因此導(dǎo)致圖像不可用。由于這些原因，前側(cè)照射型CMOS傳感器不適用于小型攝像裝置。為了校正圖像周邊的主光線的入射角，微透鏡的節(jié)距可以設(shè)定成小于像素節(jié)距 (即所謂的縮放比例)。理想地，主光線的角度被校正為等于垂直入射角的零度。因此，圖像的周邊的照射變暗被降低。然而，在實(shí)際中，縮放比例不是優(yōu)選的，不足以解決該問(wèn)題。微透鏡具有導(dǎo)致光損的像差。另外，微透鏡縮放比例不能良好地配合光學(xué)器件，因?yàn)橹鞴饩€角變化(chief ray angle variation)隨圖像高度不是線性的。當(dāng)主光線角變大時(shí)，該瑕疵變得相當(dāng)明顯。由于該原因，用于當(dāng)前的攝像裝置的光學(xué)系統(tǒng)可選地設(shè)計(jì)成主光線在成像表面上的入射角被限制為大致30°或更小，如美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào)No. 2007/0070525(對(duì)應(yīng)于日本專利公開(kāi)公報(bào)No. 2007-122007)，美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào)No. 2008/0266676 (對(duì)應(yīng)于日本專利公開(kāi)公報(bào)No. 2008-268946)和美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào)No. 2008/0180814 (對(duì)應(yīng)于日本專利公開(kāi)公報(bào)No. 2008-185687)所披露。由于對(duì)固態(tài)圖像傳感器的結(jié)構(gòu)限制，傳統(tǒng)的成像光學(xué)系統(tǒng)需要將主光線在光學(xué)系統(tǒng)的成像平面上的最大入射角設(shè)定成30°的數(shù)量級(jí)。光學(xué)系統(tǒng)的成像平面與固態(tài)圖像傳感器的入射表面一致。光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度為4mm或更大，如美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào) No. 2007/0070525和No. 2008/0266676所披露。因此，需要進(jìn)一步減薄攝像裝置。美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào)No. 2008/0180814中披露的光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度(具有等同的空氣距離或減小的距離)減小到3. 2mm的數(shù)量級(jí)。然而，主光線在成像平面上的入射角需要小于30°的數(shù)量級(jí)，這導(dǎo)致分辨率不夠和小的圖像尺寸。因此，傳統(tǒng)的圖像傳感器具有受限的應(yīng)用和缺少通用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種具有小尺寸的，特別地，厚度(成像光學(xué)系統(tǒng)的最前部平面和入射平面之間的距離)減小的便于安裝到移動(dòng)信息終端的攝像裝置。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有優(yōu)良光學(xué)性能的攝像裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述和其它目的，本發(fā)明的攝像裝置包括成像光學(xué)系統(tǒng)，所述成像光學(xué)系統(tǒng)由兩個(gè)或更多個(gè)透鏡構(gòu)成；和固態(tài)圖像傳感器，所述固態(tài)圖像傳感器用于捕獲形成在成像光學(xué)系統(tǒng)的成像平面上的圖像。成像光學(xué)系統(tǒng)的最前部平面和成像平面之間的距離小于3. 6mm。入射在成像平面上的主光線的最大入射角超過(guò)33°。當(dāng)主光線的最大入射角超過(guò)33°時(shí)，成像光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度能夠進(jìn)一步縮短，同時(shí)各種像差被抑制。因此，成像光學(xué)系統(tǒng)的最前部平面和成像平面之間的距離能夠減小到3. 3mm的數(shù)量級(jí)更優(yōu)選地，當(dāng)主光線的最大入射角超過(guò)45°時(shí)，成像光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度能夠進(jìn)一步縮短，同時(shí)各種像差被抑制。因此，成像光學(xué)系統(tǒng)的最前部平面和成像平面之間的距離能夠減小到3. Omm的數(shù)量級(jí)。優(yōu)選地，滿足f/fL < -1. 50，其中“f”表示整個(gè)成像光學(xué)系統(tǒng)的焦距，并且“fL”表示最后的透鏡的焦距。成像光學(xué)系統(tǒng)的最前部平面不局限于透鏡表面。最前部平面可以是孔徑光闌平面。當(dāng)沒(méi)有光焦度的平行平板(例如濾色板)被包括在成像光學(xué)系統(tǒng)中時(shí)，平行平板的厚度可以轉(zhuǎn)換成等效的空氣距離或減小的距離，以便計(jì)算最前部平面和成像平面之間的總長(zhǎng)度。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，滿足f/fL < -1. 50并且D/f < 1. 10?！癉 ”表示成像光學(xué)系統(tǒng)的最前部平面和成像平面之間的距離?！癴”表示整個(gè)成像光學(xué)系統(tǒng)的焦距?！癴L”表示最后的透鏡的焦距。由于總共由三個(gè)或四個(gè)透鏡構(gòu)成的透鏡結(jié)構(gòu)，因此距離D小于3. 6mm。非常優(yōu)選地，用在本發(fā)明中的固態(tài)圖像傳感器具有利用有機(jī)光電轉(zhuǎn)換層來(lái)光電地轉(zhuǎn)換目標(biāo)光的功能。在該情況中，固態(tài)圖像傳感器允許光在成像表面的最大入射角超過(guò) 33°，并且在成像光學(xué)系統(tǒng)中不需要頂截止過(guò)濾器。為了增加最大入射角，使之大于33°， 可以使用背側(cè)照射型(back side illumination type)的固態(tài)圖像傳感器。上述的攝像裝置能夠合適地結(jié)合到移動(dòng)信息終端中，特別是移動(dòng)電話中。攝像裝置能夠結(jié)合到內(nèi)窺鏡設(shè)備、個(gè)人計(jì)算機(jī)、TV等中。攝像裝置能夠廣泛用于人類檢測(cè)和圖像驗(yàn)證。本發(fā)明的攝像裝置具有優(yōu)良的成像性能，即使與傳統(tǒng)裝置相比主光線在成像平面上的最大入射角增加時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)良的成像性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了小型化。因此，本發(fā)明的攝像裝置用于各種設(shè)備(例如家用電器)和移動(dòng)信息終端中。


當(dāng)結(jié)合附圖來(lái)閱讀時(shí)，根據(jù)下述優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的的上述和其它目的和優(yōu)點(diǎn)將變得顯然，其中在幾個(gè)視圖中相同參考標(biāo)記表示相似或?qū)?yīng)的部件，其中圖IA是結(jié)合有本發(fā)明的攝像裝置的移動(dòng)電話的前視圖；圖IB是圖IA中顯示的移動(dòng)電話的后視圖；圖2A是有機(jī)CMOS傳感器的示意剖視圖；圖2B是背側(cè)照射型CMOS傳感器的示意剖視圖；圖2C是前側(cè)照射型CMOS傳感器的示意剖視圖；圖3是顯示成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖4是顯示IR (紅外)截止過(guò)濾器的光譜透射率的圖表；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；圖6是顯示根據(jù)實(shí)施例1的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖7A顯示根據(jù)實(shí)施例1的成像光學(xué)系統(tǒng)的非球面像差；圖7B顯示根據(jù)實(shí)施例1的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；圖7C顯示根據(jù)實(shí)施例1的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變；圖8顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例2的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；
圖9是顯示根據(jù)實(shí)施例2的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖IOA顯示根據(jù)實(shí)施例2的成像光學(xué)系統(tǒng)的球面像差；圖IOB顯示根據(jù)實(shí)施例2的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；圖IOC顯示根據(jù)實(shí)施例2的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變；圖11顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例3的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；圖12是顯示根據(jù)實(shí)施例3的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖13A顯示根據(jù)實(shí)施例3的成像光學(xué)系統(tǒng)的球面像差；圖13B顯示根據(jù)實(shí)施例3的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；
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圖13C顯示根據(jù)實(shí)施例3的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變；圖14顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例4的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；圖15是顯示根據(jù)實(shí)施例4的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖16A顯示根據(jù)實(shí)施例4的成像光學(xué)系統(tǒng)的球面像差；圖16B顯示根據(jù)實(shí)施例4的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；圖16C顯示根據(jù)實(shí)施例4的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變；圖17顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例5的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；圖18是顯示根據(jù)實(shí)施例5的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖19A顯示根據(jù)實(shí)施例5的成像光學(xué)系統(tǒng)的球面像差；圖19B顯示根據(jù)實(shí)施例5的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；圖19C顯示根據(jù)實(shí)施例5的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變；圖20顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例6的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；圖21是顯示根據(jù)實(shí)施例6的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖22A顯示根據(jù)實(shí)施例6的成像光學(xué)系統(tǒng)的球面像差；圖22B顯示根據(jù)實(shí)施例6的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；圖22C顯示根據(jù)實(shí)施例6的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變；圖23顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例7的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；圖M是顯示根據(jù)實(shí)施例7的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖25A顯示根據(jù)實(shí)施例7的成像光學(xué)系統(tǒng)的球面像差；圖25B顯示根據(jù)實(shí)施例7的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；圖25C顯示根據(jù)實(shí)施例7的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變；圖沈顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例8的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；圖27是顯示根據(jù)實(shí)施例8的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖28A顯示根據(jù)實(shí)施例8的成像光學(xué)系統(tǒng)的球面像差；圖28B顯示根據(jù)實(shí)施例8的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；圖28C顯示根據(jù)實(shí)施例8的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變；圖四顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例9的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；圖30是顯示根據(jù)實(shí)施例9的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖31A顯示根據(jù)實(shí)施例9的成像光學(xué)系統(tǒng)的球面像差；圖31B顯示根據(jù)實(shí)施例9的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；圖31C顯示根據(jù)實(shí)施例9的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變；圖32顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例10的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；圖33是顯示根據(jù)實(shí)施例10的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖34A顯示根據(jù)實(shí)施例10的成像光學(xué)系統(tǒng)的球面像差；圖34B顯示根據(jù)實(shí)施例10的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；圖34C顯示根據(jù)實(shí)施例10的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變；圖35顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例11的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；圖36是顯示根據(jù)實(shí)施例11的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖37A顯示根據(jù)實(shí)施例11的成像光學(xué)系統(tǒng)的球面像差；
圖37B顯示根據(jù)實(shí)施例11的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；圖37C顯示根據(jù)實(shí)施例11的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變；圖38顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例12的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；圖39是顯示根據(jù)實(shí)施例12的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖40A顯示根據(jù)實(shí)施例12的成像光學(xué)系統(tǒng)的球面像差；圖40B顯示根據(jù)實(shí)施例12的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；圖40C顯示根據(jù)實(shí)施例12的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變；圖41顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例13的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；圖42是顯示根據(jù)實(shí)施例13的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖43A顯示根據(jù)實(shí)施例13的成像光學(xué)系統(tǒng)的球面像差；圖4 顯示根據(jù)實(shí)施例13的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；圖43C顯示根據(jù)實(shí)施例13的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變；圖44顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例14的成像光學(xué)系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)；圖45是顯示根據(jù)實(shí)施例14的成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系圖表；圖46A顯示根據(jù)實(shí)施例14的成像光學(xué)系統(tǒng)的球面像差；圖46B顯示根據(jù)實(shí)施例14的成像光學(xué)系統(tǒng)的像散；和圖46C顯示根據(jù)實(shí)施例14的成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變。
具體實(shí)施例方式在圖IA中顯示移動(dòng)電話，一旦使用操作部分4輸入操作，操作菜單就顯示在顯示屏幕2上。操作部分4設(shè)置在顯示屏幕2的下方。顯示屏幕2是觸摸屏?？梢酝ㄟ^(guò)敲擊顯示屏幕2上顯示的屏幕信息來(lái)執(zhí)行操作，例如報(bào)號(hào)呼叫。在圖IB中，拍攝窗口 3設(shè)置在移動(dòng)電話的后面上。移動(dòng)電話在拍攝窗口 3后面結(jié)合有攝像裝置5。當(dāng)通過(guò)敲擊顯示屏幕2將移動(dòng)電話設(shè)定成攝像機(jī)模式時(shí)，通過(guò)拍攝窗口 3 被攝像裝置5拍攝的圖像作為直通圖像(through image)實(shí)時(shí)顯示在顯示屏幕2上。操作者確定取景，同時(shí)觀看該直通圖像。通過(guò)釋放操作，靜止圖像被拍攝。在攝像機(jī)模式中，當(dāng)選擇視頻模式時(shí)，拍攝移動(dòng)圖像。攝像裝置5由固態(tài)圖像傳感器和成像光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，其在大致矩形殼體fe中。固態(tài)圖像傳感器以裸芯片形式安裝在柔性基板上。成像光學(xué)系統(tǒng)定位在固態(tài)圖像傳感器的前方。固態(tài)圖像傳感器包括殼體fe的總厚度在幾個(gè)mm至8mm的數(shù)量級(jí)中。攝像裝置5結(jié)合到移動(dòng)電話的殼體中。攝像裝置5中使用的固態(tài)圖像傳感器由CMOS圖像傳感器(CMOS傳感器)構(gòu)成，該 CMOS圖像傳感器光電地轉(zhuǎn)換入射通過(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)光。一種有機(jī)CMOS傳感器，例如 "FUJIFILM RESEARCH&DEVEL0PMENT”(No. 55-2010)中公開(kāi)的，用作該 CMOS 傳感器。在本發(fā)明中，背側(cè)照射型CMOS傳感器可以用于提高靈敏度。在圖2A中顯示有機(jī)CMOS傳感器，微彩色過(guò)濾器層6由以預(yù)定圖案(例如拜爾布置)布置的藍(lán)色透射過(guò)濾器、綠色透射過(guò)濾器和紅色透射過(guò)濾器構(gòu)成。圖2A至2C中的“P” 對(duì)應(yīng)于一個(gè)像素。在有機(jī)CMOS傳感器中，配線層8設(shè)置在半導(dǎo)體基板7上方，半導(dǎo)體基板7設(shè)置有讀取電路(未圖示)。像素電極9設(shè)置在配線層8的上方。有機(jī)光電轉(zhuǎn)換層10設(shè)置在像素電極9的上方。透明的反電極12設(shè)置在有機(jī)光電轉(zhuǎn)換層10的上方。配線層8包括電網(wǎng)絡(luò)，例如開(kāi)關(guān)電路或放大電路，用于通過(guò)像素電極9讀取以像素單位獲得的圖像信號(hào)。這些電路通過(guò)設(shè)置在配線層8中的連接部分14相互電連接。透明保護(hù)層13形成在反電極 (counter electrode) 12 的上方。微彩色過(guò)濾器層(microcolor filter layer)6 形成在保護(hù)層13上。圖2B中顯示的背側(cè)照射型CMOS傳感器設(shè)置有在半導(dǎo)體基板7中的基于像素的光電轉(zhuǎn)換部分11。光電轉(zhuǎn)換部分11由硅光電二極管構(gòu)成。在光電轉(zhuǎn)換部分11上方，鈍化膜 15和微彩色過(guò)濾器層6從光電轉(zhuǎn)換部分11開(kāi)始依序形成。微透鏡陣列16形成在微彩色過(guò)濾器層6上，使得微透鏡陣列16的微透鏡分別覆蓋微彩色過(guò)濾器層6上的像素。配線層8 設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換部分11的下方(與入射表面相對(duì))。配線層8包括開(kāi)關(guān)電路，用于以像素單位讀取成像信號(hào)。圖2C中顯示的前側(cè)照射型CMOS傳感器設(shè)置有在半導(dǎo)體基板7中的光電轉(zhuǎn)換部分 11，該光電轉(zhuǎn)換部分11由硅光電二極管構(gòu)成。在半導(dǎo)體基板7的上方，配線層8、鈍化膜15 和微彩色過(guò)濾器層6從半導(dǎo)體基板7開(kāi)始依序形成。微透鏡陣列16形成在微彩色過(guò)濾器層6上，使得微透鏡陣列16的微透鏡分別覆蓋微彩色過(guò)濾器層6上的像素。從圖2A至圖2C可以看出，在有機(jī)CMOS傳感器和背側(cè)照射型CMOS傳感器的每個(gè)中，有機(jī)光電轉(zhuǎn)換層10或光電轉(zhuǎn)換部分11設(shè)置在配線層8的上方。有機(jī)光電轉(zhuǎn)換層10的頂表面和光電轉(zhuǎn)換部分11的頂表面的每個(gè)是靠近對(duì)應(yīng)的CMOS傳感器的入射表面定位的光接收表面。另一方面，在前側(cè)照射型CMOS傳感器中，光電轉(zhuǎn)換部分11的頂表面是光接收表面，定位在配線層8的下方。在有機(jī)CMOS傳感器中，具有光電轉(zhuǎn)換功能的有機(jī)光電轉(zhuǎn)換層 10的厚度是0. 5 μ m。在背側(cè)照射型CMOS傳感器和前側(cè)照射型CMOS傳感器的每個(gè)中，由硅光電二極管構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換部分U在深度方向上的厚度是5μπι的數(shù)量級(jí)。通過(guò)將光電轉(zhuǎn)換部分11的光接收表面放置在配線層8的上方，與前側(cè)照射型CMOS 傳感器相比，有機(jī)CMOS傳感器和背側(cè)照射型CMOS傳感器具有更高的靈敏度和更少的入射光線損失。在光到達(dá)光接收表面之前，防止入射光被配線層8反射或阻擋。因此，防止對(duì)傾斜入射光的靈敏度的惡化。當(dāng)有機(jī)光電轉(zhuǎn)換層10或光電轉(zhuǎn)換部分11在深度方向上的厚度 T減小時(shí)，防止光泄漏到相鄰像素的光電轉(zhuǎn)換部分11，而與光是否垂直地或傾斜地透射過(guò)微彩色過(guò)濾器層6無(wú)關(guān)。結(jié)果，顏色混合被防止。為了防止顏色混合，圖2B顯示的背側(cè)照射型CMOS傳感器需要微透鏡陣列16充分地折射傾斜入射光，使得光盡可能地垂直地進(jìn)入微彩色過(guò)濾器層6。另一方面，圖2A顯示的有機(jī)CMOS傳感器不需要微透鏡陣列16。在圖2B和2C顯示的背側(cè)照射型CMOS傳感器和前側(cè)照射型CMOS傳感器中，當(dāng)光相對(duì)于微彩色過(guò)濾器層6的法線以大于或等于30°的角度入射時(shí)，入射在像素的光電轉(zhuǎn)換部分11上的光的百分比就急劇下降，即使使用合適的微透鏡陣列16。圖3顯示相對(duì)靈敏度急劇地降低。入射的角度(入射角)0°對(duì)應(yīng)于垂直(法線)入射?！癕3”表示前側(cè)照射型 CMOS傳感器的靈敏度性能。與垂直入射光相比，以士20°的數(shù)量級(jí)的入射角的入射百分比下降到35%的數(shù)量級(jí)。大致士30°的入射角是入射的限值?！癕2”表示背側(cè)照射型CMOS傳感器的靈敏度特性。當(dāng)入射角是士20°的數(shù)量級(jí)，相對(duì)于垂直入射光，對(duì)入射光的靈敏度(相對(duì)靈敏度)降低到大致50%。對(duì)入射光的相對(duì)靈敏度保持在大約25%，即使在士30°的入射角處。因此，背側(cè)照射型CMOS傳感器優(yōu)于前側(cè)照射型CMOS傳感器?！癕l”表示有機(jī)CMOS傳感器的靈敏度特性。有機(jī)CMOS傳感器顯示為如同余弦曲線MO的高靈敏度特性，這是理論限制。實(shí)際上，有機(jī)CMOS傳感器在大約士45° 的入射角處具有足夠的靈敏度。這是因?yàn)橛袡C(jī)光電轉(zhuǎn)換層10具有小厚度，并且靠近入射表面放置。如上所述，有機(jī)CMOS傳感器的靈敏度特性顯著地優(yōu)于背側(cè)照射型CMOS傳感器，并且全面地優(yōu)于前側(cè)照射型CMOS傳感器。在上述三種類型的CMOS傳感器中，有機(jī)CMOS傳感器具有最好的靈敏度特性。為了實(shí)施本發(fā)明，相對(duì)于垂直入射光的靈敏度，在士30°的入射角處的相對(duì)靈敏度僅需要大于或等于20%。當(dāng)在之后的圖像處理中執(zhí)行黑點(diǎn)校正時(shí)，在士30°的入射角處具有低于20%的相對(duì)靈敏度的固態(tài)圖像傳感器不能容許信噪比的惡化。 結(jié)果，圖像品質(zhì)被顯著惡化。優(yōu)選地，使用在士 30°的入射角處具有超過(guò)50%的相對(duì)靈敏度的固態(tài)圖像傳感器。因此，具有圖2C所示的靈敏度特性的前側(cè)照射型CMOS傳感器不合適。另一方面，能夠在實(shí)際中使用背側(cè)照射型CMOS傳感器。由于對(duì)頂區(qū)域靈敏，前側(cè)照射型CMOS傳感器通常將頂截止過(guò)濾器結(jié)合到它的成像光學(xué)系統(tǒng)中。具有多層的共用的頂截止過(guò)濾器具有光譜透射率，該光譜透射率例如在圖 4中用“T0”表示。垂直入射光的光譜透射率“T0”的半值設(shè)定為650nm的數(shù)量級(jí)。然而，傾斜入射光造成波長(zhǎng)移動(dòng)。透射率特性根據(jù)入射角改變。在圖4中，“Tl”表示在20°的入射角處的透射特性?！癟2”表示在30°的入射角處的透射特性。“T3”表示在40°的入射角處的透射特性。波長(zhǎng)移動(dòng)導(dǎo)致顏色陰影(color shading)。在顏色陰影的現(xiàn)象中，圖像中心區(qū)域的顏色不同于周邊圖像區(qū)域的顏色，在前述圖像中心區(qū)域中入射角小，在前述周邊圖像區(qū)域中入射角大。為了防止顏色陰影，前側(cè)照射型CMOS傳感器需要限制主光線入射在成像平面上的最大入射角，特別地根據(jù)其特性，限制為25°至30°。另一方面，本發(fā)明的攝像裝置突破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的限制，并且將主光線的最大入射角增加成大于或等于33°，以實(shí)現(xiàn)總長(zhǎng)度小于3. 6_的成像光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)進(jìn)一步地將最大入射角增大成大于或等于40°，總長(zhǎng)度減小到3. 3mm的數(shù)量級(jí)。更優(yōu)選地，通過(guò)將最大入射角增大成大于或等于45°，總長(zhǎng)度減小到3. Omm的數(shù)量級(jí)。這里，成像光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度是指成像光學(xué)系統(tǒng)的最前部平面和成像平面之間的距離。優(yōu)選地，改善與成像光學(xué)系統(tǒng)一起使用的固態(tài)圖像傳感器，以便即使主光線的最大入射角增加，也不泄漏光到相鄰的像素， 如參照?qǐng)D2和圖3所述。由于此原因，對(duì)于本發(fā)明的攝像裝置，圖2A中所示的有機(jī)CMOS傳感器和圖2B中所示的背側(cè)照射型圖像傳感器是合適的。具體地，有機(jī)CMOS傳感器能夠顯著地減小在頂區(qū)域內(nèi)的靈敏度，如圖4所示的光譜透射率的虛線所示。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，不需要將頂截止過(guò)濾器結(jié)合到成像光學(xué)系統(tǒng)中。因此，消除了顏色陰影，并且通過(guò)省去頂截止過(guò)濾器來(lái)降低制造成本。在本發(fā)明的成像光學(xué)系統(tǒng)中，由兩個(gè)或更多個(gè)透鏡構(gòu)成的成像光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度 D小于3. 60mm，更優(yōu)選地3. 50mm，主光線在成像平面上的最大入射角超過(guò)33°。這里，主光線是指穿過(guò)光學(xué)孔徑光闌平面的中心并到達(dá)成像平面的光線。成像光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度D是指當(dāng)孔徑光闌平面定位在成像光學(xué)系統(tǒng)的最前端時(shí)孔徑光闌平面和成像平面之間的距離。 當(dāng)成像光學(xué)系統(tǒng)包括沒(méi)有光焦度的平行平板時(shí)，根據(jù)它的折射率和厚度，平行平板的厚度轉(zhuǎn)換成等效的空氣距離或減小的距離，以計(jì)算總長(zhǎng)度D。當(dāng)本發(fā)明的成像光學(xué)系統(tǒng)由四個(gè)透鏡構(gòu)成時(shí)，滿足條件f/fL < -1. 50，其中“f”表
10示整個(gè)成像光學(xué)系統(tǒng)的焦距，“fL”表示最后的(最靠近固態(tài)圖像傳感器的、具有光焦度的) 透鏡的焦距。如果不滿足該條件，就難以在保持光學(xué)性能(例如分辨率)的同時(shí)減小成像光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度D。實(shí)際地，優(yōu)選地，給該條件設(shè)定如下的下限值-3. 00 < f/fL < -1. 5。 當(dāng)該值f/fL小于下限值時(shí)，最后的透鏡的負(fù)光焦度變得過(guò)強(qiáng)而不能保持光學(xué)性能。此外，有效地，滿足條件D/f < 1. 10，其中“D”表示成像光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度，“f”表示整個(gè)成像光學(xué)系統(tǒng)的焦距。當(dāng)總長(zhǎng)度D縮短但不滿足該條件時(shí)，攝像機(jī)視角變得過(guò)廣，這對(duì)于通常使用的光學(xué)規(guī)范不是優(yōu)選的。當(dāng)設(shè)定下限時(shí)，優(yōu)選地，設(shè)定如下條件0. 80 < D/f
<1.10。當(dāng)值D/f小于下限值時(shí)，每個(gè)透鏡的光焦度變得過(guò)強(qiáng)而不能校正像差。當(dāng)本發(fā)明的成像光學(xué)系統(tǒng)由三個(gè)透鏡構(gòu)成時(shí)，優(yōu)選地，滿足條件公式f/fL <-0.90。當(dāng)不滿足該條件公式光學(xué)性能惡化。更優(yōu)選地，滿足具有下限的條件公式-2. 00
<f/fL < -0. 90。當(dāng)f/fL的值小于該下限時(shí)，最后的透鏡的負(fù)光焦度變得過(guò)強(qiáng)而不能保持光學(xué)性能。在三個(gè)透鏡結(jié)構(gòu)和四個(gè)透鏡結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選地，最后的透鏡在成像平面?zhèn)鹊谋砻嫦鄬?duì)于成像平面在光軸周圍是凹的。因此，它變得容易將f/fL保持在合適的值。下面，通過(guò)示例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例。在實(shí)施例1-8中，成像光學(xué)系統(tǒng)由四個(gè)透鏡構(gòu)成。在實(shí)施例9至14中，成像光學(xué)系統(tǒng)由三個(gè)透鏡構(gòu)成。實(shí)施例1-14的典型數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)顯示在表1中。對(duì)比示例1-6的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)也顯示在表1中，用于參考。對(duì)比示例1 和2分別是美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào)No. 2007/0070525的實(shí)施例1和2。對(duì)比示例3和4分別是美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào)No. 2008/0266676的實(shí)施例1和4。對(duì)比示例5和6分別是美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào)No. 2008/0180814的實(shí)施例4和7。在上述實(shí)施例中，說(shuō)明了三個(gè)透鏡的結(jié)構(gòu)和四個(gè)透鏡的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還可應(yīng)用到具有五個(gè)或更多個(gè)透鏡的結(jié)構(gòu)。在該情況中，能夠應(yīng)用與四個(gè)透鏡結(jié)構(gòu)相同的數(shù)字范圍。[表1]
(1)⑵(3)(4)CRAf/fLD/fffL(5)(mm)(mm)(。)(mm)(mm)El 4Y3. 3823. 30336. 8-1. 6611. 0683. 093-1. 8632. 65E2 4N3. 00845. 8-1. 5671. 0023. 002-1. 9162. 64E34N3.12945.5-1. 6031043.008-18772.64E44Y3.2053.12746.9-1. 52910413.005-19652.64E54Y3.5973.49536.2-1. 61412132.880-17842.58E64N3.39234.9-1. 59512562.701-16942.39E74N3.32244.6-1. 21012552.647-21872.36E84N3.08738.7-2. 01511792.618-12992.3E93N3.36340.6-1. 05410793.115-29553.21ElO3N3.25644.9-0. 97710833.007-30793.21Ell3N3.25743.9-1. 11410833.007-27003.21E123N3.33941.6-1. 01111053.021-29893.21E133Y3.2163.16636.0-0. 08111642.721-33. 6043.2E143Y3.2893.24040.40. 05911712.766470773.2CEl4Y6.5096.408270. 1381155.572403892.8CE24Y6.546.436260. 23811725.494231072.8CE34Y4.2094.10723-1. 40211263.648-26022.94CE44Y4.2064.10323-1. 60511543.557-22162.94CE53Y3.363.22280. 74711352.8373.7982.88CE63Y3.343.199270. 28311462.7909.3722.88‘ ”是用于“實(shí)施例”的縮寫。“CE”是用于“對(duì)比示例”的縮寫。列(1)表示透鏡的數(shù)量。列( 表示是否使用過(guò)濾器?！癥”表示使用了過(guò)濾器?！癗”表示沒(méi)有使用過(guò)濾器。 列(3)表示成像光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際總長(zhǎng)度。列(4)表示具有等效空氣距離的總長(zhǎng)度。列(5) 表示f值。下面，參照顯示透鏡數(shù)據(jù)和非球面系數(shù)的表、顯示成像光學(xué)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)的圖、 顯示入射在成像平面上的圖像高度的位置上的主光線(P)的入射角和從主光線的上方(U) 和下方(L)入射的光線的入射角的圖表、和對(duì)應(yīng)實(shí)施例的像差圖，來(lái)說(shuō)明實(shí)施例1-14和對(duì)比示例1-6。在顯示成像光學(xué)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)的附圖中，從物側(cè)開(kāi)始透鏡依序指定為“G1”、 “G2”、“G3”和“G4”?！癝”表示孔徑光闌平面?！癙”表示成像平面。IR截止過(guò)濾器FL由平行平板構(gòu)成，并且對(duì)成像性能不起貢獻(xiàn)。在球面像差圖表中，“F”表示對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)為486nm 的F線的特性。“d”表示對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)為588nm的d線的特性?！癈”表示對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)為656nm 的C線的特性。在像散圖中，“ s ”表示弧矢特性，并且“ t ”表示切向特性。在本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例中，透鏡的所有表面是非球面的。在透鏡數(shù)據(jù)中，每個(gè)表面的曲率半徑是指近軸曲率半徑。在非球面系數(shù)的表中，每個(gè)非球面系數(shù)A (i)和值K由下面顯示的公式表示。表中的字母“E”表示為底10的冪指數(shù)的隨后的數(shù)值。下面的公式表示上述非球面形狀。Z(h) =C· h2/{l+(l"K · C2 · h2)1/2} + Σ A(i) · h1公式中的每個(gè)字母表示如下Z 非球面的表面的深度(mm)，h 光軸和透鏡表面之間的距離(高度)(mm)，
K: 二次曲線常數(shù)，(:近軸曲率=1/札R 近軸曲率半徑，Ai 第i( “i”是大于或等于3的整數(shù))個(gè)非球面系數(shù)。下面的實(shí)施例說(shuō)明用于本發(fā)明的成像光學(xué)系統(tǒng)。對(duì)于共用在這些實(shí)施例中的固態(tài)圖像傳感器，相對(duì)于垂直入射，它在士30°的入射角處的相對(duì)靈敏度需要大于或等于 20%。更具體地，使用有機(jī)CMOS傳感器或背側(cè)照射型CMOS傳感器。光電轉(zhuǎn)換部分11不局限于有機(jī)光電轉(zhuǎn)換層10。更優(yōu)選地，光電轉(zhuǎn)換部分11在士30°的入射角處的相對(duì)靈敏度超過(guò)50%。[實(shí)施例1]實(shí)施例1的成像光學(xué)系統(tǒng)具有圖5所示的結(jié)構(gòu)。表2和3分別顯示透鏡數(shù)據(jù)和非球面系數(shù)。圖6顯示表示在成像平面上的圖像高度和入射角之間的關(guān)系的圖表。圖7A-7C 是像差圖圖7A顯示球面像差圖；圖7B顯示像散圖；圖7C顯示畸變圖。[表 2]
權(quán)利要求
1.一種攝像裝置，包括成像光學(xué)系統(tǒng)，所述成像光學(xué)系統(tǒng)由兩個(gè)或更多個(gè)透鏡構(gòu)成；和固態(tài)圖像傳感器，所述固態(tài)圖像傳感器用于捕獲形成在成像光學(xué)系統(tǒng)的成像平面上的圖像，其中，成像光學(xué)系統(tǒng)的最前部平面和成像平面之間的距離小于3. 6mm，入射在成像平面上的主光線的最大入射角超過(guò)33°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像裝置，其中滿足f/fL< -1. 50，其中，f表示整個(gè)成像光學(xué)系統(tǒng)的焦距，并且fL表示最后的透鏡的焦距。
3.一種攝像裝置，包括成像光學(xué)系統(tǒng)，所述成像光學(xué)系統(tǒng)由兩個(gè)或更多個(gè)透鏡構(gòu)成；和固態(tài)圖像傳感器，所述固態(tài)圖像傳感器用于捕獲形成在成像光學(xué)系統(tǒng)的成像平面上的圖像，其中，成像光學(xué)系統(tǒng)的最前部平面和成像平面之間的距離D小于3. 6mm,并且滿足D/f < 1. 10，其中f表示整個(gè)成像光學(xué)系統(tǒng)的焦距。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的攝像裝置，其中滿足f/fL< -0. 90，其中，fL表示最后的透鏡的焦距。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的攝像裝置，其中所述成像光學(xué)系統(tǒng)由三個(gè)透鏡構(gòu)成，這三個(gè)透鏡中的最后的透鏡是負(fù)透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的攝像裝置，其中滿足f/fL< -1. 50，其中fL表示最后的透鏡的焦距。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的攝像裝置，其中成像光學(xué)系統(tǒng)由四個(gè)透鏡構(gòu)成，這四個(gè)透鏡中的最后的透鏡是負(fù)透鏡。
8.一種攝像裝置，包括成像光學(xué)系統(tǒng)，所述成像光學(xué)系統(tǒng)由兩個(gè)或更多個(gè)透鏡構(gòu)成；和固態(tài)圖像傳感器，所述固態(tài)圖像傳感器用于捕獲形成在成像光學(xué)系統(tǒng)的成像平面上的圖像，其中，滿足 f/fL < -1. 5 和 D/f < 1. 10，其中，D表示成像光學(xué)系統(tǒng)的最前部平面和成像平面之間的距離，f表示整個(gè)成像光學(xué)系統(tǒng)的焦距，并且fL表示最后的透鏡的焦距。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像裝置，其中當(dāng)光線以士30°的入射角入射在固態(tài)圖像傳感器的入射表面上時(shí)的固態(tài)圖像傳感器的靈敏度相對(duì)于垂直入射的光線的靈敏度大于或等于20%，并且所述入射表面由成像光學(xué)系統(tǒng)的成像平面確定。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的攝像裝置，其中所述固態(tài)圖像傳感器在可見(jiàn)光范圍內(nèi)是敏感的，并且在頂范圍內(nèi)是非敏感的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像裝置，其中所述固態(tài)圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換部分的光接收表面設(shè)置成比配線層更靠近固態(tài)圖像傳感器的入射表面，并且光電轉(zhuǎn)換部分光電地轉(zhuǎn)換目標(biāo)光，并且所述配線層包括用于以像素單位讀取圖像信號(hào)的電路。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的攝像裝置，其中所述光電轉(zhuǎn)換部分由有機(jī)光電轉(zhuǎn)換層構(gòu)
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的攝像裝置，其中所述固態(tài)圖像傳感器是背側(cè)照射型的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像裝置，其中所述成像光學(xué)系統(tǒng)不包括頂截止過(guò)濾器。
15.一種移動(dòng)信息終端，具有權(quán)利要求1的攝像裝置。
全文摘要
提供一種具有短的長(zhǎng)度和小的像差的攝像裝置。成像光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度D小于3.6mm。主光線在成像平面上的最大入射角超過(guò)33°。條件f/fL＜-1.50或f/fL＜-0.9以及條件D/f＜1.10被滿足，其中f表示整個(gè)成像光學(xué)系統(tǒng)的焦距，fL表示最后的透鏡的焦距。
文檔編號(hào)H04N5/225GK102401978SQ20111026169
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者富岡領(lǐng)子, 筱原義和, 米山一也, 荻野辰之, 野田隆行 申請(qǐng)人:富士膠片株式會(huì)社