微光学系统及其制造方法
【专利摘要】一种光学系统，包括具有第一板侧和第二板侧的基板、大体位于该第一板侧上的导光元件以及位于该第二板侧上的透镜元件。基板和导光元件一体成型或为独立的部件，并且基板是至少部分透明的。光学系统形成光路，用于光通过该透镜元件、穿过该基板并通过该导光元件，并且其中该基板包括至少一个机械引导元件。制造这种光学系统的方法包括提供包括多个该基板的晶片。
【专利说明】微光学系统及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学领域，尤其涉及微光学。本发明涉及根据权利要求的前序部分的方法和设备。特别地，本发明涉及光学系统、光电模组、电子装置以及制造光学系统的设备和方法。
[0002]术语定义
[0003]“有源光学器件”:感光或发光的器件。例如光二极管、图像传感器、LED、0LED、激光
-H-* I I
心/T O
[0004]“无源光学器件”:通过诸如透镜、棱镜、反射镜或光学系统的折射和/或衍射和/或反射使光改变方向的光学器件，其中光学系统是这种光学器件的集合，也可能包括机械元件，例如孔径光阑、图像屏幕、支架。
[0005]“光电模组”:其中包括至少一个有源光学器件和至少一个无源光学器件的器件。
[0006]“复制”:再现给定的结构或其负模的技术。例如蚀刻、浮花压印、印刷、铸造、模制。
[0007]“晶片”:大体地类圆盘或类平板形状的物品，其在一个方向(z方向或垂向)上的延伸相对于在其它两个方向(X和y方向或横向方向)上的延伸而言是小的。通常而言，在(非毛胚)晶片上，布置或提供了多个类似的结构或物品，典型地在矩形网格上。晶片可以具有开口或孔，并且晶片在其横向区域的主要部分中甚至可没有材料。晶片可以具有任何横向形状，其中圆形和矩形是极常见的。虽然在许多情况下，可以理解晶片主要是由半导体材料制成，但在本专利申请中，这显然是不受限制的。据此，晶片例如可以主要由半导体材料、聚合材料、复合材料(其包括金属和聚合物或聚合物和玻璃材料)制成。特别地，可硬化的材料(例如可热固化或可紫外光固化的聚合物)是结合本发明的有利的晶片材料。
[0008]“横向”:参见“晶片”。
[0009]“垂向”:参见“晶片”。
[0010]“光”:最普通的电磁辐射；更特别的是电磁光谱的红外、可见或紫外部分的电磁辐射。
【背景技术】
[0011]在目前的智能手机中，已知提供有小型化的光学器件，例如闪光LED，其通过衍射透镜而发光至智能手机的外侧。
【发明内容】
[0012]本发明的一个目的是提供用于设计和/或制造小型化光学系统的新的概念。此夕卜，分别提供了包括这种光学系统的相应的光电模组，以及包括这种光学系统和光电模组的电子装置。
[0013]此外，提供了制造光学系统的方法。
[0014]本发明的另一目的是提供可选的方式，以将器件布置在光学系统中或光电模组中，特别是在小型化光学系统或小型化光电模组中。[0015]本发明的另一目的是提供新的概念，以将小型化光学系统或光电模组布置在电子
装置中。
[0016]本发明的另一目的是提供制造光学系统(特别是小型化光学系统)的改进的方法。
[0017]本发明的另一目的是提供具有改进的可制造性的光学系统和/或光电模组和/或电子装置，特别地允许稳定的和/或可再生的的和/或高产率的大量生产。
[0018]本发明的另一目的是要达到光学系统或光电模组(特别是小型化光电系统或小型化光电模组)中的器件的特别严的对准公差。
[0019]进一步的目的从下面的描述和实施例展现。
[0020]这些目的中的至少一个是根据权利要求的设备和方法所至少部分达到的。
[0021]光学系统包括具有第一板侧和第二板侧的基板、大致在该第一板侧上的导光兀件、以及位于该第二板侧的透镜元件，其中该基板和该导光元件是一体成型的或是独立的部件。该基板是至少部分透明的，并且光学系统形成光路，用于光通过该透镜元件、穿过该基板、并通过该导光元件，并且该基板包括至少一个机械引导元件。
[0022]如本专利申请中所使用的“透明”和“非透明”等术语一般将被解释成带有其通常赋予的意思。更具体地，本申请使用“透明”这一术语，我们表示对于光(特别是指至少部分可见光)而言是透明的或可穿透的；并且使用“非透明”这一术语，我们表示对于至少部分光(特别是指至少部分可见光)而言是不透明的或不可穿透的，更特别地对可见光而言是不透明的或不可穿透的。结合光电模组，透明度或非透明度可更具体地理解为针对包括在光电模组中的有源光学器件所发出的或可探测的光波长范围。
[0023]该导光元件可大致为一块透明材料。该基板特别因其至少一个机械引导元件、以及可能地连同该导光元件，而便于精确对准光学系统和/或精确固定光学系统。如果该基板和该导光元件是独立的部件，则它们可以使用不同的材料，并且可以容易地分别对其应用处理步骤。如果它们是一体成型的，则它们可在共同的处理步骤中制造，从而简化了制造。
[0024]光学系统可被高效地制造，特别是以晶片级而言，下文中将更加清楚。免除一个或更多个组装步骤和/或对准步骤成为可能。
[0025]光学系统可以描绘出光路，其不仅在光学系统中良好定义，还可相对于其它部件(例如相对于电子装置的外壳)容易地精确对准。
[0026]在一个实施例中，该导光元件具有由其形状描绘的轴线，该透镜元件具有由其形状描绘的轴线，这些轴线重合并且对准为垂直于该基板。
[0027]在可与一个或多个前述实施例组合的一个实施例中，光学系统以晶片级来制造。该透镜元件的应用和/或制造可以以晶片级实施。
[0028]在可与前述实施例组合的一个实施例中，该基板是:
[0029]-大体由透明材料制成；或
[0030]-包括非透明材料的第一部分和透明材料的第二部分，特别是其中该第二部分由该第一部分包围。
[0031]前一种可能性可以简化制造。后一种可能性可以通过形成孔径和/或通过最小化在不期望的位置上逃离光学系统的或逃离至不期望位置的光量，来改善光学系统的光学性倉泛。[0032]高效的(尤其以晶片级)制造包括非透明材料的第一部分和透明材料的第二部分的基板(特别是其中该第二部分由该第一部分包围)的方法，可以从2011年7月19日提交的申请号为61/509357的尚未公开的美国临时专利申请推导，其因而在此以引用方式并入本申请。尤其要指出US61/509357中被称为“半完成部件(sem1-finished part)”或“组合的半完成部件(combined sem1-finished part)”的部件,例如参见,参考符号ow, ow’、图4、8-11、15、16以及相应的文字描述。虽然机械引导元件的规定可能并没有披露在US61/509357中，但这可以通过以下方式来完成:例如通过钻孔或通过提供对准销，例如胶黏这些元件或复制这些元件，或者以其它方式，例如本专利申请所述的其它方式(来提供机械引导元件)。
[0033]通常而言，该基板大体为平板形。
[0034]在可与一个或多个前述实施例组合的一个实施例中，提供该至少一个机械引导元件以界定光学系统相对于固定光学系统的构件的对准。特别地，该至少一个引导元件可以是机械固定元件，更特别地，是将该光学系统机械地固定于固定光学系统的构件(例如，电子装置的外壳)的机械固定元件。
[0035]在可与一个或多个前述实施例组合的一个实施例中，该至少一个机械引导元件包括以下至少之一:
[0036]-自该基板突出的突出物；
[0037]-该基板中的凹陷；以及
[0038]-边缘，特别是该基板的边缘。
[0039]特别地，该至少一个机械引导元件可包括以下至少之一:
[0040]-对准销；以及
[0041]-该基板中的孔，其中该孔可以是通孔或盲孔。
[0042]在可与一个或多个前述实施例组合的一个实施例中，提供至少两个机械引导元件。在该第一板侧上提供至少两个机械引导兀件，能够改善相对于在第一板侧固定光学系统的构件的对准准确度和/或改善在该构件上的固定。在该第一板侧上提供至少一个机械引导元件和在该第二板侧上提供至少一个机械引导元件，能够获得相对于在第一板侧固定光学系统的构件和相对于在第二板侧固定光学系统的构件的高的对准准确度，和/或改善在该构件上的固定。在任一侧(尤其在该第二板侧)上的至少一个第二机械引导元件能够改善对准准确度和/或改善固定。
[0043]在可与一个或多个前述实施例组合的一个实施例中，该透镜元件由已硬化的可硬化材料制成，特别是由已固化的可固化材料制成。例如，该透镜元件可由环氧树脂或热塑性塑料(thermopast)制成。
[0044]在可与一个或多个前述实施例组合的一个实施例中，使用复制来制造该透镜元件。借由复制，特别借由浮花压印，以极高精确度来制造小型光学结构成为可能。它可以应用在晶片上，从而能够高效地大量生产。
[0045]在可与一个或多个前述实施例组合的一个实施例中，该透镜元件包括，特别地是，透镜，其中透镜可以是衍射或折射透镜，或是衍射兼折射透镜。可能地，该透镜元件利用全内反射(TIR)。
[0046]在可与一个或多个前述实施例组合的一个实施例中，该透镜元件自该基板突出。特别地，透镜元件可制造为座落在基板上。
[0047]在可与一个或多个前述实施例组合的一个实施例中，该导光元件大体为棱柱形，特别地大体为圆柱形。
[0048]在可与一个或多个前述实施例组合的一个实施例中，该导光元件自该基板突出。
[0049]在可与一个或多个前述实施例组合的一个实施例中，该导光元件包括其上施加有涂层的至少一个侧壁。非透明涂层能够防止或者最小化在不期望的位置逃离光学系统或逃往不期望的位置(更特别的是逃离导光元件)的光量。
[0050]在可与一个或多个前述实施例组合的一个实施例中，该导光元件在远离该基板的末端包括顶壁，该顶壁大体平坦且对准为大致平行于该基板。对于该顶壁，可施加涂层，特别是耐刮涂层和/或抗污涂层。抗污涂层(或耐污涂层)减少附着，致使尘土或其它材料(特别是潮湿的材料)仅微弱地附着于表面和/或使表面更容易清洁。
[0051 ] 将涂层施加于光学系统部件的建议技术一般是物理气相沉积(PVD)，例如溅镀，化学气相沉积(CVD)，喷涂、滴涂和/或其它。
[0052]为了仅在构件的一部分上完成涂层，例如仅在该光学系统、该基板或该导光元件的一部分上，则有可能使用诸如光刻。可能地，施加涂层至多于要涂覆的部分，之后从表面不需要涂层之处移除涂层，例如借由蚀刻或抛光。
[0053]在可与一个或多个前述实施例组合的一个实施例中，该基板在至少两个方向上是横向超过该导光元件和该透镜元件的。当将光学系统固定于另一构件时，这可以改善机械稳定性。并且，这能够合理地布置两个机械引导元件，即布置在该基板横向超过该导光元件和该透镜元件的区域中。
[0054]光电模组包括根据本发明的光学系统和至少一个有源光学器件。
[0055]在光电模组的一个实施例中，该至少一个有源光学器件包括至少一个发光元件，特别是至少一个发光二极管(LED)。更特别地，该发光元件可以是发出闪光(即高强度、短时间光脉冲)的发光元件，例如类似用于闪光照相。适合的LED是也被称为“高亮度LED”的LED。
[0056]可选择地，诸如光二极管或像素传感器的光探测元件可做为有源光学器件。
[0057]在可与前述实施例组合的光电模组的一个实施例中，光电模组包括至少一个有源光学器件附接于其的壳体部分，其中该壳体部分附接于该基板。特别地，该壳体部分附接于该第二板侧；和/或该壳体部分可使用一个或多个或该至少一个机械引导元件以相对于该基板对准和/或附接于该基板。进一步地，该至少一个有源光学器件和该至少一个无源光学器件之间的距离由该壳体部分界定。
[0058]这种实施例能够以晶片级来制造高精确度的光电模组，更特别地，该光电模组中，有源光学器件和透镜元件以高精确度相对于彼此对准，其中因机械引导元件可获得横向精确度，且因壳体部分可获得垂向精确度。
[0059]电子装置包括根据本发明的光学系统乃至根据本发明的光电模组。
[0060]在一个实施例中，电子装置包括外壳,该外壳包括:
[0061]-其中布置有至少一部分该导光兀件的开口；以及
[0062]-至少一个机械引导元件，其构造并布置为配合该光学系统的该至少一个机械引导元件。[0063]以这种方式，可获得穿过外壳的良好界定、精确对准的入光口。并且，能够恰当地、良好对准地将光学系统(或光电模组)固定至外壳。
[0064]电子装置可以是例如手持通讯装置或手持数字音乐播放装置或照相装置，特别是智能手机或照相机或摄像机。在这种应用中，空间通常是非常珍贵的。本发明能够以高精确度来生成、对准和固定光学系统，特别地，其中光学系统的尺寸非常小，例如最大横向尺寸小于IOmm,特别地小于7mm,最大垂向尺寸小于6mm,更特别地小于4mm。在以晶片级大量生产的情况下，可实现优于±50μπκ甚至优于±40 μ m的横向对准精确度。
[0065]根据本发明的设备包括多个根据本发明的光学系统，其布置为使其各个基板大体共面。该设备可认为是光学系统的晶片。可通过制造这种晶片且此后将晶片分离成独立的光学系统而生产光学系统。在晶片中，光学系统典型地并排布置。在晶片中，基板通常是同一个平板的多个部分，该平板是晶片的组件。
[0066]根据本发明的制造光学系统的方法包括提供包括多个该基板的晶片。这使得晶片级制造成为可能。
[0067]在方法的一个实施例中，该方法包括使用复制，特别地，使用浮花压印来制造该透镜元件。特别地，使用在制造该导光元件期间和/或制造该基板期间未使用的过程来制造透镜元件。结果，特别地，浮花压印能够实现比目前注射成型所能实现的更小和/或更佳界定的结构。
[0068]在可与前述方法实施例组合的一个方法实施例中，该晶片包括至少一个第一对准标记，该方法包括使用包括至少一个第二对准标记的复制工具而将透镜元件复制在该晶片上，且该方法进一步包括对准步骤，其中该至少一个第一对准标记相对于该至少一个第二对准标记对准。这种对准标记使得在一个对准步骤中相对于关联的基板精确地定位多个透镜元件成为可能。通常，存在有至少两个第一对准标记和至少两个第二对准标记。
[0069]在可与前述方法实施例的一个和两者组合的一个方法实施例中，该晶片包括多个该光学系统。
[0070]在涉及最后实施例的一个方法实施例中，该方法包括将该晶片分离为多个该光学系统。分离有时也被称为切块，例如通过激光切割、冲压或锯切(例如使用晶片锯或切片锯)来完成。
[0071]在可与一个或多个前述方法实施例组合的一个方法实施例中，该方法包括将涂层施加至该导光部件的侧壁，特别是非透明涂层。例如通过施加涂层且此后抛光或蚀刻需为透明的该导光部件的一个或多个其它壁而完成，该壁例如为导光元件的顶壁，特别是大体平坦且应该大体对准地平行于该晶片的顶壁。
[0072]下文中描述了三种不同的制造方法，皆可与一个或多个前述方法实施例组合。
[0073]第一方法:
[0074]第一方法包括使用注射成型过程制造包括该多个基板的该晶片。该方法被称为第一方法。以此方式，能够在大体一个过程中制造该多个基板。可选地，也可使用其它复制方法替代注射成型。
[0075]在第一方法的一个实施例中，该多个导光部件也是在该注射成型过程中制造。对于光学系统的制造而言可减少处理步骤。
[0076]在可与最后所述第一方法的实施例组合的该第一方法的一个实施例中，该方法包括将涂层提供至大体平坦且大体对准地平行于该基板的该导光部件的顶壁，特别地提供耐刮涂层和/或耐污涂层。
[0077]在可与两个最后所述第一方法的实施例中之一或两者组合的该第一方法的一个实施例中，该方法包括应用薄化过程来薄化注射成型的材料，特别地以达到该基板的预定厚度。薄化过程可以包括例如研光和/或抛光和/或机制和/或铣制。可能地，初始提供较厚的晶片是有利的，例如因其提供更闻的机械稳定性，和/或因其提供更闻的尺寸稳定性，和/或因其以特别高的精确度和/或准确度达到了期望的或预定的基板厚度。
[0078]第二方法:
[0079]第二方法包括使用微机制过程来制造该导光元件，特别是在机械微机制过程中，更特别的是铣制过程。
[0080]在该第二方法的一个实施例中，也借由该微机制来形成该机械引导元件。这可以减少光学系统的制造中的处理步骤。
[0081]在可与最后所述的实施例组合的该第二方法的一个实施例中，该微机制过程应用于毛坯晶片，其中尤其可能的是该毛坯晶片包括涂层，特别是耐刮涂层和/或耐污涂层。这使得能够使用较少的制造步骤而得到涂覆的导光元件。
[0082]在涉及最后所述第二方法的实施例的该第二方法的一个实施例中，该方法包括应用薄化过程来薄化已经历该微机制过程的该毛坯晶片的材料。特别地，可实施其以达到该基板的预定厚度。薄化过程可以包括例如研光和/或抛光和/或机制和/或铣制。可能地，初始提供较厚的晶片是有利的，例如因其提供更闻的机械稳定性，和/或因其提供更闻的尺寸稳定性，和/或因其以特别高的精确度和/或准确度达到了期望的或预定的基板厚度。
[0083]应注意以下实施例可以指第一和第二方法的任何实施例:一个实施例，其中该方法包括使用相同类型的过程来联合制造该晶片和该导光元件。这可以使用例如复制过程(例如使用注射成型)或微机制(例如铣制)而完成。
[0084]第三方法:
[0085]第三方法包括在该晶片上组装多个该导光元件。组装可包括例如胶黏，特别是使用环氧树脂，更特别的是可辐射固化的环氧树脂。
[0086]在第三方法的一个实施例中，该方法包括制造该多个所述导光元件，特别地，其中使用没有用于制造该基板和/或该透镜元件的处理步骤来制造该导光元件。此外，所述制造该多个所述导光元件可以包括通过将一大块材料分成多个部分而获得至少一部分该多个所述导光元件。
[0087]在涉及最后所述实施例的第三方法的一个实施例中，所述制造该多个所述导光元件包括通过将至少一根棒切割成多个部分而得到该多个所述导光元件，特别是其中该至少一根棒大体由玻璃或透明聚合材料制成。所述切割该棒可特别地包括锯开或激光切割。例如，可以使用截面形状与导光元件应有的截面形状相同的棒。
[0088]在涉及最后所述实施例的第三方法的一个实施例中，该方法包括对该多个所述导光元件提供至少一个涂层，特别是对该导光部件的侧壁提供非透明涂层和/或对该导光部件的顶壁提供耐刮涂层或耐污涂层。这些涂层可施加于尚未布置在晶片上的导光元件。
[0089]在涉及第三最后所述实施例的第三方法的一个实施例中，所述制造该多个所述导光元件包括通过将至少一个平板或盘切割成多个部分而获得该多个所述导光元件，特别是其中该至少一个平板或盘大体由玻璃或透明聚合材料制成。
[0090]在涉及最后所述实施例的第三方法的一个实施例中，该平板或盘包括的顶壁包括涂层，特别是耐刮涂层。
[0091]本发明包括的方法具有根据本发明的相应光学系统的特征，并且反之亦然，光学系统也具有根据本发明的相应方法的特征。
[0092]本方法的优点基本上对应于相应光学系统的优点，并且反之亦然，光系统的优点基本上对应于相应方法的优点。
[0093]本发明能够以与制造公差有关的高要求来尽可能大量制造光学系统和包括光学系统的装置或构件。
[0094]进一步的实施例和优点可从从属权利要求和附图中显现。
【专利附图】
【附图说明】
[0095]下文，通过示例及所含的附图详细地描述了本发明。附图示出:
[0096]图1电子装置细节的示意截面图，其包括的光电模组包括光学系统；
[0097]图2图1的光学系统的示意俯视图；
[0098]图3图1的光学系统的晶片的不意俯视图；
[0099]图4光学系统的透视图；
[0100]图5-10制造图4的光学系统的第一晶片级制造方法的截面示图；
[0101]图11-16制造图4的光学系统的第二晶片级制造方法的截面示图；
[0102]图17-23制造图4的光学系统的第三晶片级制造方法的截面示图。
[0103]所述实施例仅是示例且并不限制本发明。
【具体实施方式】
[0104]图1示出电子装置50的细节的示意截面图，其包括光电模组40，光电模组包括光学系统I。电子装置50包括外壳51，其中提供有例如为圆形截面的例如呈通孔形式的开口52。光学系统I包括导光兀件11、基板12和透镜兀件13。导光兀件11和基板12可以是独立的部件或形成整体的部件。导光元件11或至少其部分布置在开口 52中。
[0105]光电模组40包括光学系统I和有源光学器件20(例如LED20)、以及保持LED20的壳体部分。壳体部分25可以是整体的部件，如图1所示意性示出的，或可以包括两个或者更多个部件。其确保了 LED20相对于光学系统I在横向和垂向上精确且恒定的相对定位。垂向方向在图1中标识为z，是垂直于基板12的方向，横向方向是基板12界定的平面中的方向，例如图1中的方向X和/或图2中的方向y。
[0106]壳体部分25借由所提供的至少一个机械引导元件55 (通常为两个，乃至三、四个)而相对于光学系统I横向定位。这些机械引导元件55的每一个都配合各个其它部件上的机械引导元件，例如壳体部分25的导引销与基板12中的孔交互作用，反之亦然。主要通过壳体25的垂向延伸来确保垂向对准，且有源光学器件20在良好定义且精确的垂向位置附接至外壳。当然，有源光学器件20在壳体25中的横向位置也必须良好定义和精确。
[0107]基板12包括两个机械引导元件5 (例如对准销)，其配合外壳51的机械引导元件(例如孔)，其中也可能只提供一个机械引导元件，特别是因为导光元件11也可以具有作为机械引导元件的功能，和/或因为引导元件5可被设计成当配合外壳51的机械引导元件时提供抵抗光学系统I旋转的保护，例如通过提供矩形或三角形或星形的横向截面。也能够在基板12中生成孔以作为机械引导元件5来配合外壳51的销。
[0108]还可以额外地提供机械引导元件5和55或它们中的一些以分别将光学系统I固定至外壳51和壳体部分25，例如通过提供螺纹或缠绕或扣合。也可以至少部分不同地提供真正的固定，例如胶黏，例如通过施加环氧树脂胶和硬化该胶，例如通过固化，诸如通过辐射固化或热固化。
[0109]通常，导光元件11描绘出轴线，例如中央轴线。并且通常，透镜元件13也描绘出轴线，通常为其光学轴线。这些轴线通常垂向对准，并且在制造光学系统I期间尝试将这些轴线尽可能精确地重合以形成一个轴线A。此外，通常，有源光学器件20也描绘出轴线，例如其发光的主方向，并且该轴线通常也旨在与轴线A重合。
[0110]因而，从有源光学器件20发出的和到达有源光学器件20的光线的(中心)光路8沿着穿过透镜元件13、基板12和导光元件11的轴线A。在像素传感器作为有源光学器件20的情况中，像素传感器的中心垂向对称轴线旨在与轴线A重合。
[0111]基板12可大体由诸如透明聚合物的透明材料制成。这种情况下，至少在其侧壁(具有横向对准的表面法线)提供涂层是有利的，特别是非透明涂层。但也可能提供具有至少一个透明部分和至少一个非透明部分(图1中未示出)的基板12，例如非透明部分大体由非透明材料制成。
[0112]透镜元件12例如可以是衍射或折射透镜或衍射兼折射透镜，或者可以包括两个或更多个透镜。也可利用全内反射(TIR)。
[0113]电子装置50例如可以为照相装置或手持通讯装置，例如移动电话，特别是智能手机。特别地对于后者，空间极其珍贵，因而布置在其中的光学系统I必须尽可能的小。
[0114]基板12的典型尺寸为横向小于IOmm,特别小于7mm,且垂向小于0.6mm,特别小于
0.4mm。导光元件11的典型尺寸为横向小于5mm,特别小于3.5mm,且垂向小于3mm,特别小于2mm。透镜元件11的典型尺寸为横向小于5mm,特别小于3.5mm,且垂向小于1.5mm,特别小于Imm0
[0115]图2是图1的光学系统的不意俯视图。如图2所不，由于机械引导兀件5并不在光学系统I的中心X轴线上，因而在它们图1中以虚线绘出。
[0116]图3是设备30的示意俯视图，更特别的是图1的光学系统的晶片30的示意俯视图。能够使用晶片级制造方法大量生产光学系统I。以此方式，可实现高对准精确度、高产率、高生产力的制造。下文，更详细地描述了三种不同的制造方法。
[0117]图4是类似图1和2所示的光学系统的透视图。分别参见图5-10、图11-16、和图17-23，描述了涉及光学系统I的制造方法，但方法也可应用于制造图1-3的光学系统。图4中所示的基板12的圆角例如可使用激光切合或超声切割而容易地制造。
[0118]图5-10提供了用于制造图4的光学系统的第一晶片级制造方法的截面示图。
[0119]在第一方法中，通过注射成型技术制造晶片60 (图5)。晶片典型地包括多于10个，更典型地多于50个乃至多于100个或多于500个等同物，也参见图3，其中示出了包括35个光学系统I的晶片30。导光元件11在注射成型过程中形成，且机械引导元件5也可已在注射成型过程中形成。
[0120]然后，导光元件11的侧壁可选地具有涂层，特别是非透明涂层3，例如黑铬涂层，参见图6。为此，例如可涂覆整个晶片60，然后例如通过抛光和蚀刻来移除不需要的涂层，例如在导光元件11的顶面上和在晶片60的(平坦的)背面(底面)上。
[0121]然后，可选地，对导光元件11的顶面施加例如耐刮涂层的涂层4，参见图7。同样地，为此，例如涂覆整个晶片60。
[0122]本专利申请提及的涂层可使用PVD、CVD、滴涂、喷涂、溅镀、蒸镀中至少之一来施加。
[0123]然而，可选的步骤因初始增加了晶片稳定性而改善了制造能力，该步骤为从背面薄化晶片60。例如通过研光来完成。这使得基板12厚度的精确度高于仅使用注射成型所能达到的。此外，同时实现了移除晶片背面上不需要的涂层。并且，当进行抛光或机制时，相对于注射成型所能达到的，表面品质/光学品质得到改善。图8中示出了得到的晶片。
[0124]然后，透镜元件13施加在晶片背面上，参见图9。这可以借由复制，更特别的是借由浮花压印而以极高精确度来完成。特别地，复制的情况下，在用于复制的复制工具和晶片上都提供一个或多个对准标记可提高精确度。也可能使用胶黏来施加透镜元件13，例如向晶片背面或预制透镜施加(例如液态)黏胶，然后将预制透镜放置于晶片背面上，例如借由贴装。
[0125]在浮花压印过程中，晶片30上的多个透镜元件11乃至所有透镜元件11可以一次生产出来，即在一个浮花压印过程中。可能地，用于制造透镜元件13的复制工具或压印器针对透镜元件的位置根据注射成型中使用的模具特别适应导光元件的位置。这可以大大提高产率和精确度。例如，制造出模具之后，在模具本身上测量出对应导光元件的位置，或使用该模具通过注射成型制造晶片，然后在如此获得的晶片上测量导光元件的位置。然后，制造诸如压印器的用于制造透镜元件的复制工具，例如使用重组，其中基于在模具上实施的测量来选择透镜元件13的位置。据此，复制工具可设计为使得每个透镜元件相对于导光元件而恰当地对准，并且模具的位置误差和不精确在复制工具中再现。因此，单体化(singulation)之后,每个光学系统将包括相对于导光元件精确对准的透镜元件。
[0126]以此方式，获得光学系统I的晶片30，参见图9。该晶片30然后被分离成独立的光学系统1，例如使用激光切割或锯开，参见图10。
[0127]图11-16提供了制造图4的光学系统的第二晶片级制造方法的截面示图。该第二方法从毛坯晶片70开始，如图11所示，包括诸如抗刮和/或抗污涂层的涂层4。
[0128]然后，通过微机制(例如铣制)处理毛坯晶片70以形成导光元件11和机械引导元件5。图12示出如此获得的晶片。
[0129]然后，可选地，将涂层3施加于导光元件11的侧壁，参见图13。关于细节，参见结合图6给出的解释。
[0130]然后，可选地且如果毛坯晶片尚未被适当地涂覆，则将诸如耐刮涂层的涂层4施加至导光元件11的顶面。关于细节，参见结合图7给出的解释。
[0131]然后，可选地，从背面完成晶片的薄化，参见图14。关于细节，参见结合图8给出的解释。
[0132]然后，将透镜元件13施加至晶片背面，参见图15。关于细节，参见结合图9给出的解释。
[0133]然后，如此获得的光学系统I的晶片被分离成多个光学系统I。关于细节，参见结合图10给出的解释。
[0134]图17-23提供制造图4的光学系统的第三晶片级制造方法的截面示图。在该第三方法中，导光元件13在被施加至包括多个基板12的晶片之前先从一大块材料制得。可选地，能够以不同的方式制造导光元件，例如使用注射成型以制造各个导光元件，或者例如通过玻璃成型而在玻璃中生成各个导光元件。
[0135]从一大块材料得到导光元件11的第一种可能性是由棒80得到导光元件，如图17所示。例如使用锯开或激光切割而将棒80切割成多个导光元件，且随后可进行抛光步骤。图18示出从一大块材料得到导光元件11的可选方式，即由平板或盘90得到导光元件，例如使用中空钻而钻出。也可能形成平板或盘90的堆叠，例如通过钻孔对其进行处理，如此以节省处理时间和/或处理步骤。
[0136]然后，向导光元件施加顶涂层4，通常在批处理中于一次过程中涂覆多个导光元件。图19中示出如此涂覆的导光元件11。涂层4例如是防刮和/或防污涂层。
[0137]然后，向导光元件施加侧壁涂层3，通常在批处理中于一次过程中涂覆多个导光元件。图20中示出如此涂覆的导光元件11。涂层3例如是非透明涂层。
[0138]也可以交换涂层3和4的施加次序。也可以略过这些涂层中的一个或两者。
[0139]在另一处理步骤中，提供包括多个基板12的晶片，其中可以在注射成型过程中得到该晶片，且机械引导元件已被包含。可选地，晶片，例如毛坯晶片，可被微机制以生成包括多个基板12的晶片。并且，另外可选地，可通过切割来实现，例如冲切诸如毛坯晶片的晶片。
[0140]然后，对晶片提供透镜元件13，例如通过复制，特别是通过浮花压印。图21中示出如此获得的晶片。关于细节，参见结合图9给出的解释。应注意，在复制过程中，可在晶片上形成对准标记，特别地每个透镜元件13有至少一个标记。在附接导光元件11的后续处理步骤中可使用这种对准标记。
[0141]在晶片的反面上，然后例如使用贴装过程来施加导光元件11。导光元件11可固定至包括多个基板12的晶片，例如通过黏胶，例如使用环氧树脂。晶片上有对准标记，因而可极为精确地实施贴装过程，这是因为例如对每个导光元件11存在的一个或两个对准标记可以非常靠近导光元件11应放置的地方，并且，相对于各个透镜元件13的位置，对准标记的位置非常精确。后者容易实现，例如当使用复制制造用于生产透镜元件的复制工具时，以及当制造复制工具期间使用的工具包括透镜元件和伴随的一个或多个对准标记的负模或正模时。
[0142]也可以在制造透镜元件13之前将导光元件11固定至基板12的晶片。
[0143]图22示出单体化之前的多个光学系统的晶片30。
[0144]然后，如此获得的光学系统I的晶片被分离成多个光学系统I。关于细节，参见结合图10给出的解释。
[0145]所述制造方法能够高效地大量生产具有高精确度和优良的光学性能的光学系统
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[0146]基板12和导光元件大体可由可注射成型的聚合物制成。特别适合的材料可以是透明聚合物，例如聚碳酸酯或聚(甲基丙烯酸甲酯)，简写为PMMA。在第三方法的情况下(参见图17-23)，玻璃也是用于导光元件11的可能选择。透镜元件13大体由诸如固化的可固化材料的复制材料制成，例如紫外可固化或热可固化的聚合物。
[0147]内嵌于电子装置50内，对照图1，所述光学系统I不仅具有高的精确度和优良的光学性能，还能够以高精确度定位在电子装置50中，这是由于集成制造机械引导元件5的缘故。并且，光学系统I在电子装置50中所占的空间量极小。使用所述方法，能够实现大量生产。
[0148]还需注意，光电模组40 (参见图1)的组装可以晶片级来进行。可以制造出包括多个壳体部分25、多个有源光学器件20和多个机械引导元件55的晶片或晶片堆叠。然后，晶片堆叠可由晶片或晶片堆叠外加包括多个光学系统I的晶片30 (参见图3、9、15、22)形成。单体化如此获得的晶片堆叠在制造过程中以高精确度、高产率和高产量生产出多个光电模组40。
【权利要求】
1.一种光学系统，包括具有第一板侧和第二板侧的基板、大体位于所述第一板侧上的导光元件以及位于所述第二板侧上的透镜元件，其中，所述基板和所述导光元件一体成型或为独立的部件，其中所述基板是至少部分透明的，并且其中所述光学系统形成光路，用于光通过所述透镜元件、穿过所述基板并通过所述导光元件，并且其中所述基板包括至少一个机械引导元件。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述导光元件具有由其形状描绘的轴线，以及所述透镜元件具有由其形状描述的轴线，并且其中这些轴线重合并垂直地对准所述基板。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其中所述基板是: -大体由透明材料制成；或 -包括非透明材料的第一部分和透明材料的第二部分，特别是其中所述第二部分被所述第一部分包围。
4.根据前述任一权利要求所述的光学系统，其中所述至少一个机械引导元件包括以下至少之一: -自所述基板突出的突出物； -所述基板中的凹陷；以及 -边缘； 特别地，其中所述至少一个机械引导元件包括以下至少之一: -对准销；以及 -所述基板中的孔； -所述基板的边缘。
5.根据前述任一权利要求所述的光学系统，所述基板包括布置在所述第一板侧上的至少一个机械引导元件和布置在所述第二板侧上的至少一个机械引导元件。
6.根据前述任一权利要求所述的光学系统，其中所述透镜元件是以下至少之一: -使用复制制造； -由硬化的可硬化材料制成，特别是由固化的可固化材料制成。
7.根据前述任一权利要求所述的光学系统，其中所述导光元件大体为棱柱形，特别地大体为圆柱形。
8.根据前述任一权利要求所述的光学系统，其中所述导光元件包括其上施加有涂层的至少一个侧壁，特别地其中所述涂层是非透明涂层。
9.根据前述任一权利要求的光学系统，其中所述导光兀件在远离所述基板的末端包括顶壁，所述顶壁大体平坦且大致平行地对准所述基板。
10.根据前述任一权利要求所述的光学系统，其中所述基板在至少两个方向上横向地超过所述导光元件和所述透镜元件。
11.一种光电模组，包括根据前述任一权利要求所述的光学系统和至少一个有源光学器件。
12.根据权利要求11所述的光电模组，其中所述至少一个有源光学器件包括至少一个发光元件，特别是至少一个发光二极管。
13.根据权利要求11所述的光电模组，包括所述至少一个有源光学器件附接于其的壳体部分，其中所述壳体部分附接于所述基板，特别地所述壳体部分为以下至少之一: -附接于所述第二板侧；以及 -使用一个或多个或所述至少一个机械引导元件而相对于所述基板对准。
14.一种电子装置，包括根据权利要求1-10中之一所述的光学系统或根据权利要求11-13中之一所述的光电模组。
15.根据权利要求14所述的电子装置，包括外壳，所述外壳包括其中布置有至少一部分所述导光元件的开口，以及被构造并布置为配合所述光学系统的所述至少一个机械引导元件的至少一个机械引导元件。
16.根据权利要求14或15所述的电子装置，其为手持通讯装置或照相装置，特别是智能手机或照相机或摄像机。
17.一种设备，包括多个根据权利要求1-10之一所述的光学系统，这些光学系统被布置为使其相应的基板大体共面。
18.—种制造根据权利要求1-10之一所述的光学系统的方法，所述方法包括提供包括多个所述基板的晶片 。
19.根据权利要求18所述的方法，包括使用复制，特别地使用浮花压印来制造所述透镜兀件。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中所述晶片包括至少一个第一对准标记，所述方法包括使用包括至少一个第二对准标记的复制工具将透镜元件复制在所述晶片上，所述方法进一步包括对准步骤，其中所述至少一个第一对准标记相对于所述至少一个第二对准标记对准。
21.根据权利要求18-20之一所述的方法，其中所述晶片包括多个所述光学系统。
22.根据权利要求21所述的方法，包括将所述晶片分离为多个所述光学系统。
23.根据权利要求18-22之一所述的方法，包括将涂层，特别是非透明涂层施加至所述导光部件的侧壁。
24.根据权利要求18-23之一所述的方法，包括使用同一类型的过程来联合制造所述晶片和所述导光元件。
25.根据权利要求18-24之一所述的方法，包括使用微机制过程来制造所述导光元件，特别在机械微机制过程中，更特别是铣制过程。
26.根据权利要求25所述的方法，其中通过所述微机制形成所述机械引导元件。
27.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述微机制过程应用于毛坯晶片，特别是施加有涂层，特别地耐刮涂层和/或耐污涂层，的毛坯晶片。
28.根据权利要求27所述的方法，包括应用薄化过程来薄化已经历所述微机制过程的所述毛坯晶片的材料，特别地用于达到所述基板的预定厚度。
29.根据权利要求18-24之一所述的方法，包括使用注射成型过程制造所述晶片。
30.根据权利要求29所述的方法，其中在所述注射成型过程中制造所述多个机械引导元件。
31.根据权利要求29或30所述的方法，包括将涂层，特别是耐刮涂层和/或耐污涂层，提供至大体平坦且大致平行地对准所述晶片的所述导光部件的顶壁。
32.根据权利要求29-31之一所述的方法，包括应用薄化过程以薄化所述注射成型的材料，特别地用于达到所述基板的预定厚度。
33.根据权利要求18-23之一所述的方法，包括在所述晶片上组装多个所述导光元件。
34.根据权利要求33所述的方法，包括制造所述多个所述导光元件，特别地其中制造所述多个所述导光元件包括通过将一大块材料分成多个部分而获得至少一部分所述多个所述导光元件。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述制造所述多个所述导光元件包括通过将至少一根棒切割成多个部分而得到所述多个所述导光元件，特别地其中所述至少一根棒大体由玻璃或透明聚合材料制成。
36.根据权利要求35所述的方法，包括对所述多个所述导光元件提供至少一个涂层，特别是对所述导光部件的侧壁提供非透明涂层和/或对所述导光部件的顶壁提供耐刮涂层或耐污涂层。
37.根据权利要求34所述的方法，其中所述制造所述多个所述导光元件包括通过将至少一个平板或盘切割成多个部分而获得所述多个所述导光元件，特别地其中所述至少一个平板或盘大体由玻璃或透明聚合材料制成。
38.根据权利要求37所述的方法，所述平板或盘包括的顶壁包括涂层，特别是耐刮涂层。
【文档编号】G02B19/00GK103959125SQ201280049010
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年10月1日 优先权日:2011年10月5日
【发明者】H·拉德曼, M·巴尔热 申请人:新加坡恒立私人有限公司