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CN102668082B - 用于光学元件的聚焦补偿及其应用 - Google Patents

用于光学元件的聚焦补偿及其应用 Download PDF

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CN102668082B CN201080047536.9A CN201080047536A CN102668082B CN 102668082 B CN102668082 B CN 102668082B CN 201080047536 A CN201080047536 A CN 201080047536A CN 102668082 B CN102668082 B CN 102668082B
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Abstract

提供了具有期望的焦距属性的光学成像设备，该光学成像设备可以以晶片级制造和/或组装。

Description

用于光学元件的聚焦补偿及其应用
相关申请数据
本申请按照35U.S.C.$119(e)要求对于在2009年10月20日提交的美国临时专利申请No.61/253,337的优先权，其故此通过引用被整体包含。
技术领域
本发明涉及光学元件，并且具体地涉及在光学成像设备中使用的光学元件。
背景技术
包含固态感测元件的光学成像设备适用于从军事侦查和监视至消费者电子装置的多个领域。固态相机例如用在多种消费者电子装置中，该消费者电子装置包括蜂窝电话、数字照相机、计算机、玩具和汽车驾驶辅助系统。为了满足要求，需要以每天百万量级的大数量来制造固态相机。鉴于这些数目，固态相机和其他光学设备的有效的和低成本的制造是高度重要的。
传统上，将固态相机模块制造为分立的单元。模块的光学元件例如被分开地安装在透镜旋转台中。外壳随后附接到相机基板，并且透镜旋转台借助螺纹被插入外壳内以将光学元件定位在图像传感器上。每一个模块的光学元件的高度通过在外壳中透镜旋转台的旋转而被调整以获得最佳的聚焦。
上述的制造技术的缺点是对于每一个模块的光学元件的聚焦调整被串行地有效管理。以串行格式(serial format)制造固态相机模块和其他光学设备会显著地增加制造的成本和时间。仅当生产大量相机模块时，这样的低效率才被放大。
发明内容
鉴于上述缺点，本发明提供了具有期望的聚焦属性的光学成像设备，可以在晶片级制造和/或组装该光学成像设备。在一些实施例中，晶片级组装可以在避免与串行制造技术相关联的一个或多个低效率的同时提供光学成像设备在成本和时间上高效的生产。
在一个实施例中，一种光学成像设备包括：至少一个晶片级光学元件；耦合到该晶片级光学元件的隔离物；以及，在该隔离物上的多个聚焦补偿支架，该支架限定光电元件或晶片级光学元件安装表面，其具有与该隔离物的至少另一个表面粗糙度不同的表面粗糙度。在一些实施例中，多个支架结合到隔离物。在一些实施例中，多个支架与隔离物连续或与隔离物形成整体结构。
在一些实施例中，光学成像设备进一步包括光电元件。在一些实施例中，光电元件是光电探测器或感测元件。在一些实施例中，光电元件是诸如发光二极管的电磁辐射发射元件。在一些实施例中，光电元件耦合到多个支架的安装表面。
根据在此描述的实施例的聚焦补偿支架具有适合于将(一个或多个)晶片级光学元件设定于相对于像平面的期望的距离或高度处的尺寸，诸如将该(一个或多个)光学元件的焦点设定于该像平面处或附近。在一些实施例中，光学成像设备的像平面与光电元件的平面重合。
因为在一些实施例中可以以晶片级构造在此描述的光学成像设备，所以本发明也提供了隔离物晶片(spacer wafer)，该隔离物晶片包括：与在光学晶片上的第一光学元件位置对应的第一开口(aperture)和多个第一聚焦补偿支架；以及，与在该光学晶片上的第二光学元件位置对应的第二开口和多个第二聚焦补偿支架。在一些实施例中，多个第一聚焦补偿支架的高度与第二聚焦补偿支架的高度不同。在其他实施例中，多个第一聚焦补偿支架的高度与多个第二聚焦补偿支架的高度相同或基本上相同。
在另一个方面中，本发明提供了一种晶片组件，该晶片组件包括光学晶片和与该光学晶片耦合的第二晶片，该光学晶片包括光学元件的阵列。第一光学模具位于在该晶片组件上的第一模具位置处，并且包括在该光学晶片上的第一光学元件和在该第二晶片上的第一聚焦补偿支架。第二光学模具位于在该晶片组件上的第二模具位置处，并且包括在该光学晶片上的第二光学元件和在该第二晶片上的第二聚焦补偿支架，其中，该第二聚焦补偿支架的高度与该第一聚焦补偿支架的高度不同。
在一些实施例中，第二晶片通过第一聚焦补偿支架而在第一模具位置处并且通过第二聚焦补偿支架而在第二模具位置处耦合到光学晶片。在一些实施例中，第一聚焦补偿支架和第二聚焦补偿支架不耦合到光学晶片，并且具有用于容纳光电元件、第三晶片或第二光学晶片的安装表面。
而且，在另一个方面，本发明也提供了一种晶片，该晶片包括多个单体化(singulated)的晶片级光学模具组件。在一个实施例中，一种晶片包括：第一单体化光学模具组件，该第一单体化光学模具组件包括第一光学元件、第一隔离物和第一聚焦补偿支架；以及，第二单体化光学模具组件，该第二单体化光学模具组件包括第二光学元件、第二隔离物和第二聚焦补偿支架。在一些实施例中，第一和第二聚焦补偿支架具有不相等的高度。
在另一个方面中，本发明提供了用于生产光学成像设备的方法。如在此进一步描述的，在一些实施例中，本发明的方法可以克服在将光学元件组装到旋转台或镜筒内后进行聚焦调整的现有的光学元件聚焦技术的一个或多个低效率。
在一个实施例中，一种用于生产光学成像设备的方法包括：提供至少一个晶片级光学元件；确定该晶片级光学元件的焦距；将隔离物耦合到该光学元件；在该隔离物上设置多个支架；对于该光学元件计算相对于像平面的聚焦补偿；并且，调整该支架的高度以将该晶片级光学元件的焦点设置在该像平面处或附近。在一些实施例中，根据光学成像设备的应用或期望属性来选择像平面。
在一些实施例中，用于生产光学成像设备的方法进一步包括：将光电元件耦合到支架的安装表面。在一些实施例中，光电元件的表面与晶片级光学元件的像平面重合。
在另一个实施例中，一种用于生产光学成像设备的方法包括：提供至少一个晶片级光学元件；确定该晶片级光学元件的焦距；提供隔离物；在该隔离物上设置多个支架；对于该光学元件计算相对于像平面的聚焦补偿；调整该支架的高度以将该晶片级光学元件的焦点设置在该像平面处或附近；并且，将晶片级光学元件耦合到该支架的安装表面。在一些实施例中，用于生产光学成像设备的方法进一步包括：将光电元件耦合到隔离物。
在另一个实施例中，一种用于生产多个光学成像设备的方法包括：提供至少一个光学晶片，该光学晶片包括在该光学晶片上的在第一模具位置处的第一光学元件和在第二模具位置处的第二光学元件；并且，确定该第一光学元件的焦距和该第二光学元件的焦距。隔离物晶片耦合到该光学晶片，并且多个第一支架被设置于在该第一模具位置处的隔离物晶片上，以提供第一光学模具。多个第二支架被设置于在该第二模具位置处的隔离物晶片上，以提供第二光学模具。计算该第一光学元件相对于第一像平面的聚焦补偿。计算该第二光学元件相对于第二像平面的聚焦补偿。调整该多个第一支架的高度以将该第一光学元件的焦点设置在该第一像平面处或附近，并且调整该多个第二支架的高度以将该第二光学元件的焦点设置在该第二像平面处或附近。在一些实施例中，第一支架和第二支架被调整到不同的高度。
而且，在一些实施例中，用于生产多个光学成像设备的方法进一步包括：将第一光学模具和第二光学模具单体化。一旦已经将第一和第二光学模具单体化，则在一些实施例中，第一光电元件耦合到第一支架的安装表面，以提供第一光学成像设备。另外，在一些实施例中，将第二光电元件耦合到第二支架的安装表面，以提供第二光学成像设备。
在其他实施例中，将第一单体化光学模具和第二单体化光学模具耦合到晶片。晶片可以随后耦合到光电元件晶片，光电元件晶片包括第一光电元件和第二光电元件。在一些实施例中，将晶片耦合到光电元件晶片实现了在第一单体化光学模具和第一光电元件之间、以及在第二单体化光学模具和第二光电元件之间的期望的对齐。另外，在一些实施例中，第一像平面与第一光电元件的表面重合，并且第二像平面与第二光电元件的表面重合。
晶片与第一和第二光电元件可以被单体化以提供单体化后的第一光学成像设备和单体化后的第二光学成像设备。
在随后的详细说明中更详细地描述了这些和其他实施例。
附图说明
图1图示通过不同的焦距表征的光学成像设备。
图2图示由(一个或多个)共同的晶片生成的光学元件的焦距的示例性分布。
图3图示根据本发明的一个实施例的光学成像设备。
图4图示根据本发明的一些实施例的各种形状的支架。
图5图示根据本发明的一个实施例的、包括多个开口和多个聚焦补偿支架的隔离物晶片。
图6图示根据本发明的一个实施例的耦合到晶片的单体化光学模具。
图7是概述根据本申请的一个实施例的用于生产光学成像设备的方法的流程图。
图8是概述根据本发明的一个实施例的用于生产光学成像设备的方法的流程图。
图9图示了根据本发明的一个实施例的在相邻的模具位置处的隔离物晶片。
图10图示根据本发明的一个实施例的、包括聚焦补偿支架的、在相邻模具位置处的隔离物晶片。
图11图示根据本发明的一个实施例的、包括具有聚焦补偿支架的隔离物晶片的单体化光学模具。
图12图示根据本发明的一个实施例的光学成像设备。
图13图示根据本发明的一个实施例的、在用于光电元件或晶片级光学元件安装表面的x和y方向上的表面粗糙度频率(surface roughnessfrequency)。
具体实施方式
通过参考下面的详细说明、示例和附图与它们的先前和随后的描述，可以更容易地理解本发明。然而，本发明的元件、设备和方法不限于在详细说明、示例和附图中提供的特定实施例。应当认识到，这些实施例仅是本发明的原理的解释。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，多种修改和适配对于本领域内的技术人员是容易清楚的。
本发明提供了具有期望聚焦属性的光学成像设备，该光学成像设备可以在晶片级制造和/或组装。在一些实施例中，晶片级组件可以在避免与串行制造和/或聚焦技术相关联的一个或多个低效率的同时提供光学成像设备在成本和时间上高效的生产。
在单个晶片内以及在多批晶片之间的制造误差可以导致由晶片构造的光学成像设备的不同的聚焦位置。图1图示了由共同的透镜叠层晶片和光电元件晶片构造的三个光学成像设备(102，104，106)。对于每一个光学成像设备，通过由光学元件叠层(110)向图像传感器(112)聚焦的示例性光束(10g)来图示聚焦位置。如图1中提供的，光学成像设备(104)的光学元件叠层(110)将图像聚焦在图像传感器(112)的表面之下，而光学成像设备(106)的光学元件叠层(110)将图像聚焦在图像传感器(112)之上。此外，光学成像设备(102)的光学元件叠层(110)将图像聚焦在图像传感器(112)的表面处或附近。
用于将在由(一个或多个)共同的晶片生成的光学元件之间的焦距变化最小化的一种可能解决方案是在单体化之前测量所有或基本上所有光学元件的光学属性。可以根据测量的光学属性产生所需的高度补偿的分布，并且，可以选择隔离物晶片(114)的高度使得分布的中心被置于在图像传感器处事先对焦。图2图示由(一个或多个)共同的晶片生成的光学元件的焦距的示例性分布。
然而，上面的解决方案仍然导致低效率，因为隔离物晶片对于在分布中心之外的光学元件未能提供最佳聚焦补偿。结果，包括落在中心分布之外的光学元件的光学成像设备可能受到不良质量的影响，使得成像设备不适合于期望的应用或使得丢弃成为必要。
与在图1和图2中演示的情况相反，本发明提供了光学成像设备，该光学成像设备包括：至少一个晶片级光学元件；耦合到该晶片级光学元件的隔离物；以及，在该隔离物上的多个聚焦补偿支架，该支架限定光电元件或晶片级光学元件安装表面，其具有与该隔离物的至少另一个表面粗糙度不同的表面粗糙度。在一些实施例中，该多个聚焦补偿支架的高度被定制为将光学成像设备的(一个或多个)晶片级光学元件设定在相对于像平面的期望距离处，使得该(一个或多个)光学元件的焦点在像平面处或附近。在一些实施例中，光学成像设备的像平面与光电元件的平面重合。
如在此描述的，在一些实施例中，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面具有与隔离物的至少另一个表面粗糙度不同的表面粗糙度。在一些实施例中，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面的表面粗糙度小于隔离物的至少另一个表面的表面粗糙度。在另一个实施例中，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面的表面粗糙度大于隔离物的至少另一个表面的表面粗糙度。在一些实施例中，在表面粗糙度上的差别可以归因于用于调整聚焦补偿支架的高度的特定工艺，该工艺包括但是不限于切割、抛光烧蚀和修整。
在一些实施例中，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面的平均区域表面粗糙度(average areal surface roughness)(Sa)小于大约1μm。在一些实施例中，例如，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面的Sa范围为从大约0.1μm至大约0.6μm。在另一个实施例中，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面的Sa大于大约1μm。
而且，在一些实施例中，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面的区域均方根表面(rms)粗糙度(areal root mean squaresurface roughness)(Sq)小于大约1μm。在一个实施例中，例如，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面的Sq范围从大约0.1μm至大约0.8μm。在另一个实施例中，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面的Sq范围从大约0.2μm至大约0.7μm。在一些实施例中，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面的Sq大于大约1μm。
如本领域内的技术人员已知的，可以根据几种技术和仪器来测量Sa和Sq。使用从纽约州的Planview的Vecco Instruments Inc.能够购买到的Vecco Confocal Metrology(VCM)-200Advanced Confocal ProfilingSystem来测量在此描述的Sa和Sq。
在一些实施例中，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面的Sa和/或Sq与隔离物的至少另一个表面的Sa和/或Sq相差至少大约5％。在一些实施例中，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面Sa和/或Sq与隔离物的至少另一个表面的Sa和/或Sq相差至少大约10％或至少大约30％。在其他实施例中，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面Sa和/或Sq与隔离物的至少另一个表面的Sa和/或Sq相差至少大约50％或至少大约100％。
另外，在一些实施例中，聚焦补偿支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面的表面粗糙度在安装表面的第一方向上与在安装表面的第二方向上不同。在一个实施例中，例如，光电元件或晶片级光学元件安装表面的表面粗糙度在x方向上与在y方向上不同。在一些实施例中，在光电元件或晶片级光学元件安装表面的不同方向上的表面粗糙度上的差别包括在频率组成上的差别。图13图示根据本发明的一个实施例的、在光电元件或晶片级光学元件安装表面的x和y方向上的表面粗糙度频率。如图13中所示，在y方向上的表面粗糙度频率组成与在x方向上的表面粗糙度频率组成不同。在一些实施例中，在表面粗糙度上的方向差别可以归因于用于调整聚焦补偿支架的高度的特定工艺，该特定工艺包括但是不限于切割、抛光烧蚀或修整。
在一些实施例中，在光学成像设备的隔离物上的聚焦补偿支架可以具有相同或基本上相同的高度。在其他实施例中，光学成像设备的聚焦补偿支架可以具有不同的高度。在其中在光学成像设备的隔离物上的聚焦补偿支架具有不同高度的一些实施例中，聚焦补偿支架可以有助于校正在(一个或多个)晶片级光学元件中的倾斜。
图3图示了根据本发明的一个实施例的光学成像设备。在图3中所示的光学成像设备(300)包括布置为透镜叠层的多个晶片级光学元件(302，304，306)和光电元件(328)。晶片级光学元件(302，304，306)包括可操作地用于与电磁辐射相互作用的光学表面(310，312，314)。在一些实施例中，光学表面(310，312，314)折射或衍射电磁辐射。可以使用已知技术来在基板(316，318，320)上形成光学表面(310，312，314)，该技术包括但是不限于光刻和复制工艺。在一些实施例中，光学表面包括玻璃和/或聚合材料。
在一些实施例中，光学表面是凸的或凹的。而且，在一些实施例中，每一个基板(316，318，320)可以具有在其上形成的两个或更多的光学表面，这些光学表面相结合地工作以提供双凸、双凹或凹/凸布置。光学表面(310，312，314)在形状上可以是对于给定设计适当的球形的或非球形的。
在一些实施例中，晶片级光学元件(302，304，306)的基板被隔离物(322，324)分开。在其他实施例中，晶片级光学元件(302，304，306)直接地彼此结合。
在图3中所示的实施例中，隔离物(326)耦合到最接近光电元件(328)的晶片级光学元件(306)。如在此提供的，隔离物包括多个聚焦补偿支架(330)，该多个聚焦补偿支架限定用于光电元件(328)的安装表面(332)。聚焦补偿支架(330)具有高度或距离(d)以将晶片级光学元件叠层的焦点设定在光电元件(328)的平面处或附近。通过晶片级光学元件叠层的示例性光束(334)聚焦在光电元件(328)的平面处或附近。
在一些实施例中，在(一个或多个)晶片级光学元件和光电元件之间设置了覆盖玻璃。在其中在(一个或多个)晶片级光学元件和光电元件之间设置覆盖玻璃的一些实施例中，覆盖玻璃的高度和(一个或多个)晶片级光学元件的测量的光学属性用于确定聚焦补偿支架的适当高度，以将(一个或多个)晶片级光学元件的焦点设定在诸如光电元件的平面的期望像平面处或附近。
在图3中图示的光学成像设备(300)包括在晶片级光学元件叠层和光电元件(328)之间设置的覆盖玻璃(336)。多个聚焦补偿支架(330)在安装表面(332)处耦合到覆盖玻璃(336)。在其中不存在覆盖玻璃(336)的一些实施例中，多个聚焦补偿支架(330)在安装表面(332)处耦合到光电元件(328)。而且，在一些实施例中，多个聚焦补偿支架耦合到另一个隔离物晶片。
如在此提供的，在一些实施例中，聚焦补偿支架的安装表面容纳晶片级光学元件。图12图示根据本发明的一个实施例的光学成像设备，其中，聚焦补偿支架安装表面耦合到晶片级光学元件。在图12中所示的光学成像设备(12)包括布置为透镜叠层的多个晶片级光学元件(14，16，18)和光电元件(20)。晶片级光学元件(14，16，18)包括可操作地用于与电磁辐射相互作用的光学表面(24，26，28)。在一些实施例中，光学表面(24，26，28)折射或衍射电磁辐射。可以使用已知技术来在基板(30，32，34)上形成光学表面(24，26，28)，该技术包括但是不限于光刻和复制工艺。在一些实施例中，光学表面包括玻璃和/或聚合材料。
在一些实施例中，光学表面是凸的或凹的。而且，在一些实施例中，每一个基板(30，32，34)可以具有在其上形成的两个或更多的光学表面，这些光学表面相结合地工作以提供双凸、双凹或凹/凸布置。光学表面(24，26，28)在形状上可以是对于给定设计适当的球形的或非球形的。
在一些实施例中，晶片级光学元件(14，16，18)的基板被隔离物(36，38)分开。在其他实施例中，晶片级光学元件(14，16，18)直接地彼此结合。
在图12中所示的实施例中，将隔离物(40)耦合到光电元件(20)的覆盖玻璃(46)。隔离物(40)包括多个聚焦补偿支架(42)，该多个聚焦补偿支架限定安装表面(44)。聚焦补偿支架(42)具有高度或距离(d)以将晶片级光学元件叠层的焦点设定在光电元件(20)的平面处或附近。聚焦补偿支架的安装表面(44)耦合到光学元件叠层的晶片级光学元件(18)。通过晶片级光学元件叠层的示例性光束(48)聚焦在光电元件(20)的平面处或附近。
在一些实施例中，光学成像设备的聚焦补偿支架结合到隔离物。在其他实施例中，聚焦补偿支架与隔离物连续或与隔离物形成整体结构(monolithic structure)。如在此进一步描述的，在其中聚焦补偿支架与隔离物连续或与隔离物形成整体结构的一些实施例中，已经通过整形、模制或切割隔离物来形成聚焦补偿支架。
而且，聚焦补偿支架可以具有任何期望的形状。在一些实施例中，聚焦补偿支架具有多边形形状，该形状包括但是不限于三角形、正方形或矩形。在其他实施例中，聚焦补偿支架具有圆形、椭圆或圆锥形状。图4图示了光学模具的底部平面图，该光学模具包括具有根据本发明的一些实施例的各种形状的聚焦补偿支架的隔离物。如图4中所示，光学模具(400)包括隔离物(402)和与隔离物耦合的多个聚焦补偿支架(404)。如在此提供的，在一些实施例中，多个聚焦补偿支架(404)结合到隔离物(402)。在其他实施例中，多个聚焦补偿支架(404)与隔离物(402)连续。隔离物(402)也包括开(406)，用于向耦合到在此描述的隔离物的(一个或多个)晶片级光学元件或从其传输电磁辐射。
多个聚焦补偿支架可以在隔离物上具有任何期望的布置。在一些实施例中，聚焦补偿支架的布置具有至少一个对称的平面。在其他实施例中，聚焦补偿支架的布置不对称。在另一个实施例中，在隔离物的外围布置聚焦补偿支架。在一些实施例中，向内部离开隔离物的外围朝向隔离物的开口布置聚焦补偿支架。在一些实施例中，与隔离物的开口相邻地布置聚焦补偿支架。而且，在一些实施例中，可以每一个模具位置使用不同数目的支架(404)。虽然图4图示了用于每一个模具的四个光学元件(404)，但是可以在每一个模具位置处设置更少或更多的支架。
如在此描述的，在一些实施例中，光学成像设备进一步包括光电元件。在一些实施例中，光电元件包括电磁辐射感测元件。在一些实施例中，电磁辐射感测元件包括光敏区域，该光敏区域可操作地用于检测由光学成像设备接收的电磁辐射。
在一些实施例中，包括光敏区域的感测元件包括半导体。可以使用不与本发明的目的不一致的任何适当的半导体用于包括光敏区域的感测元件。在一些实施例中，半导体包括IV族半导体，包括硅或IV族元素的任何组合。在另一个实施例中，半导体包括III/V族半导体或II/VI族半导体。
在一些实施例中，感测元件的光敏区域包括聚焦平面阵列。在一些实施例中，聚焦平面是包括640×480像素的VGA传感器。在一些实施例中，传感器包括更少的像素(例如，CIF、QCIF)或更多的像素(1兆或更多兆像素)。
在一个实施例中，包括光敏区域的感测元件包括电荷耦合器件(CCD)。在另一个实施例中，包括光敏区域的感测元件包括互补金属氧化物半导体(CMOS)架构。
在一些实施例中，光电元件产生要由光学成像设备提供的电磁辐射。可以使用不与本发明的目的不一致的用于产生电磁辐射的任何期望的元件。在一些实施例中，产生电磁辐射的光电元件包括一个或多个发光二极管(LED)。在一些实施例中，LED包括诸如无机半导体的无机材料。在其他实施例中，LED包括诸如包括聚合物半导体的有机半导体的有机材料。在另一个实施例中，LED包括有机和无机材料的混合物。
在一些实施例中，可以以晶片级构造如在此描述的光学成像设备，在另一个方面，本发明也提供了晶片，该晶片包括：与在光学晶片上的第一光学元件位置对应的第一开口和多个第一聚焦补偿支架；以及，与在该光学晶片上的第二光学元件位置对应的第二开口和多个第二聚焦补偿支架。在一些实施例中，该多个第一聚焦补偿支架的高度与该第二聚焦补偿支架的高度不同。在其他实施例中，该多个第一聚焦补偿支架的高度与该多个第二聚焦补偿支架的高度相同或基本上相同。
该晶片可以耦合到包括第一和第二光学元件的光学晶片。当耦合到光学晶片时，第一和第二开口分别实现与光学晶片的第一和第二光学元件的期望的对齐。而且，多个第一聚焦补偿支架将第一光学元件设定在相对于第一像平面的期望距离或高度处，使得第一光学元件的焦点位于第一像平面处或附近。类似地，多个第二聚焦补偿支架将第二光学元件设定在相对于第二像平面的期望距离或高度处，使得第二光学元件的焦点位于第二像平面处或附近。
如在此提供的，如果第一光学元件要与具有覆盖玻璃的光电元件相关联，则根据第一光学元件的焦距和/或其他光学性能和任何覆盖玻璃的存在来确定第一聚焦补偿支架的高度。另外，如果第二光学元件要与具有覆盖玻璃的光电元件相关联，则根据第二光学元件的焦距和/或其他光学性能和任何覆盖玻璃的存在来确定第二聚焦补偿支架的高度。
图5图示了晶片(500)，晶片(500)包括：与在光学晶片上的第一光学元件位置对应的第一开口(502)和多个第一聚焦补偿支架(504)；以及，与在该光学晶片上的第二光学元件位置对应的第二开口(506)和多个第二聚焦补偿支架(508)。当第一光学元件和第二光学元件的光学性能因为在光学晶片内的制造误差而不同时，多个第一聚焦补偿支架(504)被设定到与多个第二聚焦补偿支架(508)的高度不同的高度。在图5中所示的实施例中，在多个第一聚焦补偿支架(504)和多个第二聚焦补偿支架(508)之间的在高度上的差是5μm。
除了第一和第二开口之外，晶片(500)包括几个更多的开口和聚焦补偿支架，其中，每一个开口和相关联的聚焦补偿支架对应于在包括第一和第二光学元件的光学晶片上的独立的光学元件位置。
如图5中图示的，沿着单独光学模具的切割道(dicing lane)设置支架(504、508等)。在该配置中，相邻模具的支架(504、508等)彼此连续，直到在相邻模具的单体化期间被分开。
图9图示根据本发明的一个实施例的在相邻模具位置处的隔离物晶片。当聚焦补偿支架还没有被提供到隔离物晶片(900)时，在第一模具位置(902)和第二模具位置(904)处的隔离物晶片(900)的高度相同或基本上相同。如在图9中所示，要向在用于第一模具位置(902)的第一高度(906)和用于第二模具位置(904)的第二高度(908)处的隔离物晶片(900)提供聚焦补偿支架，其中，第一高度(906)和第二高度(908)不相等。如在此描述的，可以通过各种方法来提供聚焦补偿支架，该方法包括但是不限于切割、激光烧蚀、抛光、复制等。
图10图示图9的隔离物晶片，其中，已经向隔离物晶片提供了聚焦补偿支架。在第一模具位置(902)处的聚焦补偿支架(910，912)具有与在第二(904)模具位置处的聚焦补偿支架(914，916)不同的高度。而且，聚焦补偿支架(912，914)彼此连续。在一些实施例中，从用于生成聚焦补偿支架的工艺剩下残余材料(918)。然而，用于将光学模具(902，904)单体化的设备的刀片宽度(920)宽得足以去除任何残余材料(918)。
图11图示了根据本发明的一个实施例的、包括具有聚焦补偿支架的隔离物(900)的单体化光学模具(902，904)。
在一些实施例中，可以确定光学晶片的每一个光学元件的焦距和/或其他光学属性，并且计算每一个光学元件的聚焦补偿。用于每一个光学元件的聚焦补偿可以被映射到在图5中图示的晶片，使得可以调整在每一个晶片位置处的支架的高度，以提供用于光学晶片的对应的光学元件的期望聚焦补偿。
在另一个方面，本发明提供了一种晶片组件，该晶片组件包括光学晶片和与该光学晶片耦合的第二晶片，该光学晶片包括光学元件的阵列。第一光学模具位于在该晶片组件上的第一模具位置处，并且包括在该光学晶片上的第一光学元件和在该第二晶片上的第一聚焦补偿支架。第二光学模具位于在该晶片组件上的第二模具位置处，并且包括在该光学晶片上的第二光学元件和在该第二晶片上的第二聚焦补偿支架，其中，该第二聚焦补偿支架的高度与该第一聚焦补偿支架的高度不同。
如在此描述的，在一些实施例中，如果第一光学模具要与具有覆盖玻璃的光电元件耦合，则根据第一光学元件的焦距和/或光学性能和覆盖玻璃的存在来确定多个第一聚焦补偿支架的高度。类似地，如果第二光学模具要与具有覆盖玻璃的光电元件耦合，则根据第二光学元件的焦距和/或其他光学性能和覆盖玻璃的存在来确定多个第二聚焦补偿支架的高度。
当第一光学元件和第二光学元件的光学属性因为在光学晶片内的制造误差而不同时，多个第一聚焦补偿支架被设定到与多个第二聚焦补偿支架的高度不同的高度。
在另一个方面，本发明也提供了一种晶片，该晶片包括多个单体化晶片级光学模具组件。在一个实施例中，一种晶片包括：第一单体化光学模具组件，该第一单体化光学模具组件包括第一光学元件、第一隔离物和第一聚焦补偿支架；以及，第二单体化光学模具组件，该第二单体化光学模具组件包括第二光学元件、第二隔离物和第二聚焦补偿支架。在一些实施例中，该第一和第二聚焦补偿支架具有不相等的高度。
另外，在一些实施例中，第一和第二聚焦补偿支架的高度考虑第一和第二光学模具组件所耦合到的晶片的高度。
在一些实施例中，包括第一和第二单体化光学模具组件的晶片耦合到包括第一和第二光电元件的晶片。在一些实施例中，将包括单体化第一和第二光学晶片组件的晶片耦合到包括第一和第二光电元件的晶片可以实现在第一单体化光学模具组件和第一光电元件之间的期望的对齐、以及在第二单体化光学模具组件和第二光电元件之间的期望的对齐。在一些实施例中，可以在耦合后将包括第一和第二光学组件模具的晶片与包括第一和第二光电元件的晶片单体化，以提供包括第一光学模具和第一光电元件的第一单体化光学成像设备与包括第二单体化光学模具和第二光电元件的第二光学成像设备。
图6图示了根据本发明的一个实施例的包括第一单体化光学模具组件(602)和第二单体化光学模具组件(604)的晶片(600)。在图6中图示的实施例中的单体化第一(602)和第二(604)光学模具组件每一个包括光学元件叠层(606，608)，该光学元件叠层(606，608)包括多个晶片级光学元件。隔离物(610)耦合到第一光学模具组件(602)的光学元件叠层(606)，并且隔离物(612)耦合到第二光学模具组件(604)的光学元件叠层(608)。
隔离物(610)包括适当高度的多个第一聚焦补偿支架(614)，以将第一光学模具(602)的光学元件设定在相距第一像平面期望距离处，使得光学元件的焦点位于第一像平面处或附近。类似地，隔离物(612)包括适当高度的多个第二聚焦补偿支架(616)，以将第二光学模具(604)的光学元件设定在相距第二像平面期望距离处，使得光学元件的焦点位于第二像平面处或附近。如在此提供的，在一些实施例中，第一和第二聚焦补偿支架(614，616)的高度考虑第一(602)和第二(604)光学模具组件所耦合到的晶片(600)的高度。
当第一(602)和第二(604)光学模具组件的光学元件由于在用于生产相应光学叠层(606，608)的晶片级光学元件的光学晶片或多批光学晶片内的制造误差而具有不同光学属性时，第一聚焦补偿支架(614)具有与第二聚焦补偿支架(616)不同的高度。
在一些实施例中，晶片(600)包括与光学元件叠层(606，608)对齐的开口(620)，以允许辐射以期望的方式通过晶片。在一个或多个实施例中，开口(620)可以作为光阑(stop)。
在另一个方面，本发明提供了用于生产光学成像设备的方法。如在此进一步提供的，在一些实施例中，本发明的方法可以克服在将该光学元件组装到旋转台或镜筒内后进行聚焦调整的现有的光学元件聚焦技术的一个或多个低效率。
图7提供了用于概述根据本发明的一个实施例的用于生产光学成像设备的方法的流程图。提供至少一个晶片级光学元件(702)，并且，测量或在理论上确定晶片级光学元件的焦距(704)。在一些实施例中，可以通过下述方式来提供晶片级光学元件：通过沉积玻璃和/或聚合材料或通过蚀刻或烧蚀基板的表面来在晶片基板上形成光学表面。
另外，如在此描述的，在一些实施例中，将多个晶片级光学元件设置为光学元件叠层。在这样的实施例中，测量或在理论上确定光学元件叠层的焦距。
将隔离物耦合到晶片级光学元件或光学元件叠层(706)。在隔离物(708)中设置多个支架。在一些实施例中，多个支架结合到隔离物。在其他实施例中，多个支架与隔离物连续或与隔离物形成整体结构。
在其中支架与隔离物连续或与隔离物形成整体结构的一些实施例中，通过包括但是不限于切割、加工、蚀刻、切断或光刻地烧蚀隔离物的工艺来生成支架。在其中支架与隔离物连续或与隔离物形成整体结构的其他实施例中，在模制隔离物时形成支架。在一个实施例中，例如，提供了具有考虑到多个隔离物的形状的模子，并且支架与隔离物共同模制。
替代地，在其中支架结合到隔离物的一些实施例中，支架可以通过复制技术被沉积，或者通过粘结剂结合到隔离物。在一些实施例中，例如，支架可以通过步进和重复复制技术而被设置在与一个或多个模具位置对应的隔离物上。
计算或确定晶片级光学元件或光学元件叠层相对于像平面的聚焦补偿(710)。如在此描述的，可以根据光学元件的焦距和在晶片级光学元件和像平面之间设置的任何结构的尺寸来计算晶片级光学元件的聚焦补偿，该任何结构诸如是覆盖玻璃、其他隔离物或透镜支架。
调整多个支架的高度以将晶片级光学元件或光学元件叠层的焦点设置在期望的像平面处或附近(712)。在一些实施例中，通过包括但是不限于在轴向方向上切割、抛光或修整支架的工艺来调整支架高度。在一个实施例中，通过切割锯的外围边缘调整支架高度。在一种实现方式中，使用用于将各个模具单体化的切割锯来调整支架高度。在其他实施例中，可以通过利用激光或其他形式的电磁辐射在轴向方向上烧蚀支架来调整支架高度。
在一些实施例中，调整支架的高度向支架提供了光电元件或晶片级光学元件安装表面，其具有与隔离物的至少另一个表面粗糙度不同的表面粗糙度。在一些实施例中，调整后的支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面的表面粗糙度小于隔离物的至少另一个表面粗糙度。在其他实施例中，调整后的支架的光电元件或晶片级光学元件安装表面的表面粗糙度大于隔离物的至少另一个表面粗糙度。在一些实施例中，调整后的隔离物的光电元件或晶片级光学元件安装表面可以具有在此描述的任何Sa和/或Sq值。
当在轴向方向上调整支架高度时，在一些实施例中，具有与隔离物的表面粗糙度不同的表面粗糙度的支架的表面是光电元件或覆盖玻璃被安装或耦合到的表面。
在一些实施例中，一种用于生产光学成像设备的方法进一步包括：将光电元件耦合到该支架的安装表面(714)。在一些实施例中，光电元件的覆盖玻璃耦合到支架的安装表面。而且，在一些实施例中，光电元件的表面与晶片级光学元件或光学元件堆叠的像平面重合。
图8提供了用于概述根据本发明的一个实施例的用于生产光学成像设备的方法的流程图。提供了光学晶片，其包括在第一模具位置处的第一光学元件和在第二模具位置处的第二光学元件(802)。可以通过在此描述的或在晶片级光学领域中已知的技术中的任何一种来提供第一和第二光学元件。确定第一光学元件的焦距，并且确定第二光学元件的焦距(804)。
将隔离物晶片耦合到光学晶片(806)。在第一模具位置处的隔离物晶片上设置多个第一支架，以提供第一光学模具(808)。在第二模具位置处的隔离物晶片上提供多个第二支架，以提供第二光学模具(810)。可以以在此描述的任何方式来在隔离物晶片上设置多个第一支架和多个第二支架，该方式包括但是不限于切割、加工、蚀刻、切断、光刻烧蚀隔离物或步进和重复复制技术。计算相对于第一像平面的第一光学元件的聚焦补偿(812)。计算相对于第二像平面的第二光学元件的聚焦补偿(814)。
调整多个第一支架的高度以将第一光学元件的焦点设置在第一像平面处或附近(816)。调整多个第二支架的高度以将第二光学元件的焦点设置在第二像平面处或附近(818)。根据在此描述的方法中的任何一种来调整第一和第二支架的高度。而且，在一些实施例中，调整第一和第二支架的高度向第一和第二支架提供了与隔离物的表面粗糙度不同的表面粗糙度。
在一些实施例中，单体化第一光学模具和第二光学模具(820)。在一些实施例中，将第一光电元件耦合到第一单体化光学模具的第一支架的一个或多个安装表面，以提供第一光学成像设备(822)。在一些实施例中，将第二光电元件耦合到第二单体化光学模具的第二支架的一个或多个安装表面，以提供第二光学成像设备(824)。
在另一个实施例中，将单体化后的第一光学模具和单体化后的第二光学模具耦合到基板晶片(826)。基板晶片耦合到包括第一光电元件和第二光电元件的光电元件晶片(828)。在一些实施例中，将基板耦合到光电元件晶片实现了在第一单体化光学模具和第一光电元件之间、和在第二光学模具和第二光电元件之间的期望的对齐。而且，在一些实施例中，第一像平面与第一光电元件的表面重合，并且第二像平面与第二光电元件的表面重合。
基板与第一和第二光电元件被单体化以提供第一单体化光学成像设备和第二单体化光学成像设备(830)。
在另一个实施例中，一种用于生产光学成像设备的方法包括：提供至少一个晶片级光学元件；确定该晶片级光学元件的焦距；提供隔离物；在该隔离物上设置多个支架；对于该光学元件计算相对于像平面的聚焦补偿；调整该支架的高度以将该晶片级光学元件的焦点设置在该像平面处或附近；并且，将晶片级光学元件耦合到该支架的安装表面。在一些实施例中，一种用于生产光学成像设备的方法进一步包括：将光电元件耦合到该隔离物。
已经描述了用于实现本发明的目的的各个实施例。应当认识到，这些实施例仅是本发明的原理的解释。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，多种修改及其适配对于本领域内的技术人员是容易清楚的。

Claims (27)

1.一种光学成像设备，包括：
至少一个晶片级光学元件；
隔离物，所述隔离物耦合到所述至少一个晶片级光学元件；以及
在所述隔离物上的多个聚焦补偿支架，该支架限定光电元件安装表面或晶片级光学元件安装表面，所述光电元件安装表面或晶片级光学元件安装表面具有与所述隔离物的至少另一个表面粗糙度不同的表面粗糙度，
其中所述聚焦补偿支架的表面粗糙度与所述隔离物的至少另一个表面粗糙度相差至少10％，以及
其中所述多个聚焦补偿支架被彼此分开并且被向内部离开所述隔离物的外围布置。
2.根据权利要求1所述的光学成像设备，其中，所述多个聚焦补偿支架与所述隔离物连续。
3.根据权利要求1所述的光学成像设备，其中，所述多个聚焦补偿支架结合到所述隔离物。
4.根据权利要求1所述的光学成像设备，进一步包括耦合到所述光电元件安装表面的光电元件。
5.根据权利要求1所述的光学成像设备，其中，所述聚焦补偿支架具有多边形形状。
6.根据权利要求1所述的光学成像设备，其中，所述聚焦补偿支架具有柱形、球形、椭圆或圆锥形状。
7.根据权利要求4所述的光学成像设备，其中，所述至少一个晶片级光学元件的焦点在所述光电元件的表面处。
8.根据权利要求1所述的光学成像设备，其中，所述光电元件或晶片级光学元件安装表面具有与在第二方向上的表面粗糙度频率不同的、在第一方向上的表面粗糙度频率。
9.一种晶片，包括：
第一开口；
第一高度的多个第一聚焦补偿支架，所述第一开口和所述第一聚焦补偿支架对应于在光学晶片上的第一光学元件位置；
第二开口；以及
第二高度的多个第二聚焦补偿支架，所述第二开口和所述第二聚焦补偿支架对应于在光学晶片上的第二光学元件位置，
其中所述多个第一聚焦补偿支架与所述多个第二聚焦补偿支架被彼此分开并且被分别向内部离开所述第一光学元件位置和所述第二光学元件位置的外围分别朝向所述第一开口和所述第二开口设置。
10.根据权利要求9所述的晶片，其中，所述第一高度和所述第二高度不同。
11.根据权利要求9所述的晶片，其中，所述第一高度和所述第二高度相同。
12.一种晶片组件，包括：
光学晶片，所述光学晶片包括光学元件的阵列；
第二晶片，所述第二晶片与所述光学晶片耦合；
第一光学模具，所述第一光学模具位于在所述晶片组件上的第一模具位置处，所述第一光学模具包括在所述光学晶片上的第一光学元件和在所述第二晶片上的多个第一聚焦补偿支架；以及
第二光学模具，所述第二光学模具位于在所述晶片组件上的第二模具位置处，所述第二光学模具包括在所述光学晶片上的第二光学元件和在所述第二晶片上的多个第二聚焦补偿支架，
其中所述多个第一聚焦补偿支架与所述多个第二聚焦补偿支架被彼此分开并且被分别向内部离开所述第一模具位置和所述第二模具位置的外围设置。
13.根据权利要求12所述的晶片组件，其中，所述第一聚焦补偿支架具有与所述第二聚焦补偿支架不同的高度。
14.根据权利要求12所述的晶片组件，其中，所述第一聚焦补偿支架具有与所述第二聚焦补偿支架相同的高度。
15.一种组件，包括：
晶片；以及
第一单体化光学模具，所述第一单体化光学模具耦合到所述晶片，所述第一单体化光学模具包括第一光学元件、耦合到所述第一光学元件的第一隔离物和被设置在所述第一隔离物上的多个第一聚焦补偿支架，
其中所述多个第一聚焦补偿支架被彼此分开并且被向内部离开所述第一隔离物的外围布置。
16.根据权利要求15所述的组件，进一步包括第二单体化光学模具，所述第二单体化光学模具耦合到所述晶片，所述第二单体化光学模具包括第二光学元件、第二隔离物和多个第二聚焦补偿支架。
17.一种用于生产光学成像设备的方法，包括：
提供至少一个晶片级光学元件；
确定所述至少一个晶片级光学元件的焦距；
将隔离物耦合到所述至少一个晶片级光学元件；
在所述隔离物上设置彼此分开的多个支架，该支架限定用于光电元件的安装表面，并且将所述多个支架向内部离开所述隔离物的外围布置；
对于所述至少一个晶片级光学元件计算相对于像平面的聚焦补偿；并且，
调整所述支架的高度以将所述至少一个晶片级光学元件的焦点设置在所述像平面处。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：将所述光电元件耦合到所述支架的安装表面。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述像平面与所述光电元件的表面重合。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，多个晶片级光学元件被设置为光学元件叠层。
21.一种用于生产多个光学成像设备的方法，包括：
提供至少一个光学晶片，所述至少一个光学晶片包括在所述光学晶片上的在第一模具位置处的第一光学元件和在第二模具位置处的第二光学元件；
确定所述第一光学元件的焦距和所述第二光学元件的焦距；
将隔离物晶片耦合到所述至少一个光学晶片；
在所述第一模具位置处的所述隔离物上设置彼此分开的多个第一支架，以产生第一光学模具，并且将所述多个第一支架向内部离开所述隔离物的外围布置，该第一支架限定用于第一光电元件的安装表面；
在所述第二模具位置处的所述隔离物上设置彼此分开的多个第二支架，以提供第二光学模具，并且将所述多个第二支架向内部离开所述隔离物的外围布置，该第二支架限定用于第二光电元件的安装表面；
对于所述第一光学元件计算相对于第一像平面的聚焦补偿；
对于所述第二光学元件计算相对于第二像平面的聚焦补偿；
调整所述多个第一支架的高度，以将所述第一光学元件的焦点设置在所述第一像平面处；
调整所述多个第二支架的高度，以将所述第二光学元件的焦点设置在所述第二像平面处。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：将所述第一光学模具和所述第二光学模具单体化。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：将第一光电元件耦合到所述第一支架的安装表面，以提供第一光学成像设备。
24.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：将第二光电元件耦合到所述第二支架的安装表面，以提供第二光学成像设备。
25.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：将所述单体化后的第一光学模具和所述单体化后的第二光学模具耦合到晶片。
26.根据权利要求25所述的方法，进一步包括：将包括所述单体化后的第一光学模具和所述单体化后的第二光学模具的所述晶片耦合到包括第一光电元件和第二光电元件的光电晶片，由此将所述第一光学模具与所述第一光电元件对齐，并且将所述第二光学模具与所述第二光电元件对齐。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：将所述晶片和所述第一光电元件和所述第二光电元件单体化，以提供第一光学成像设备和第二光学成像设备。
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