一种曲面CMOS图像传感器摄像模组

摘要

本发明公开了一种曲面CMOS图像传感器摄像模组，通过采用不含球差矫正镜的双高斯镜头作为主镜头，将传感器面向主镜头的相对面设计为凹形曲面与主镜头相对应，并将耦合有颜色滤镜的光纤二端分别与感光二极管和主镜头耦合以传导入射光，使从主镜头导出的入射光，可呈发散状进入各光纤，并通过颜色滤镜还原后抵达感光二极管，可有效消除入射光的反射及像素间串扰，提高光敏性，实现在缩小模组尺寸的同时，提高整体的图像质量。

权利要求

1.一种曲面CMOS图像传感器摄像模组，其特征在于，包括：

主镜头，所述主镜头为不含球差矫正镜的双高斯镜头；

CMOS图像传感器，设于所述主镜头的下方，所述传感器的像素阵列包括颜色滤镜阵列、金属层和感光层，所述传感器面向所述主镜头的相对面为凹形曲面，所述凹形曲面以所述主镜头的光轴为中心对称分布，并与所述主镜头的下端凸面互为相对面；自所述凹形曲面向内设有分别连通所述感光层的各感光二极管的光通道，所述光通道中设有光纤，各所述光纤下端耦合至所述感光二极管，上端与所述颜色滤镜阵列的对应颜色滤镜耦合，并均匀耦合至所述主镜头的相对面；

其中，从所述主镜头导出的入射光，可呈发散状进入各所述光纤，并通过所述颜色滤镜还原后，沿所述光纤抵达所述感光二极管。

2.根据权利要求1所述的曲面CMOS图像传感器摄像模组，其特征在于，所述主镜头自上而下依次包括第一凸透镜、凹透镜、第二凸透镜，所述第一凸透镜、第二凸透镜为单凸透镜，其凸面面向所述主镜头的外侧方向设置，所述凹透镜为双凹透镜，所述第二凸透镜的所述凸面与所述传感器的所述凹形曲面互为相对面；各所述光纤的上端与所述颜色滤镜耦合，并以垂直状态均匀耦合至所述主镜头的相对面。

3.根据权利要求1或2所述的曲面CMOS图像传感器摄像模组，其特征在于，各所述光纤的上端通过所述颜色滤镜以垂直状态均匀耦合至所述主镜头的相对面。

4.根据权利要求1或2所述的曲面CMOS图像传感器摄像模组，其特征在于，各所述光纤的上端近端面处的内部耦合有所述颜色滤镜，并以垂直状态均匀耦合至所述主镜头的相对面。

5.根据权利要求1或2所述的曲面CMOS图像传感器摄像模组，其特征在于，各所述光纤的上端端面处的内部耦合有所述颜色滤镜，并与所述颜色滤镜一起以垂直状态均匀耦合至所述主镜头的相对面。

6.根据权利要求1或2所述的曲面CMOS图像传感器摄像模组，其特征在于，所述传感器的所述凹形曲面具有与所述主镜头的相对面不同的曲率。

7.根据权利要求6所述的曲面CMOS图像传感器摄像模组，其特征在于，所述传感器的所述凹形曲面与所述主镜头的相对面具有间距，所述间距等于所述主镜头的法兰焦距。

8.根据权利要求1或2所述的曲面CMOS图像传感器摄像模组，其特征在于，所述传感器的所述凹形曲面具有与所述主镜头的相对面相同的曲率。

9.根据权利要求8所述的曲面CMOS图像传感器摄像模组，其特征在于，所述传感器的所述凹形曲面与所述主镜头的相对面相贴合，所述主镜头的法兰焦距为零。

10.根据权利要求1所述的曲面CMOS图像传感器摄像模组，其特征在于，所述传感器面向所述主镜头的相对面为所述金属层或所述感光层的所述凹形曲面。

说明书

一种曲面CMOS图像传感器摄像模组

技术领域

[0001] 本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种可提高光敏性及精简主镜头的曲面CMOS图像传感器摄像模组。

背景技术

[0002] 现有技术下的CMOS图像传感器摄像模组包括两大组成部分：CMOS图像传感器以及主镜头。

[0003] 图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视、可视通信等民用和商业范畴内已得到了广泛的应用。根据光电转换方式的不同，图像传感器通常可以分为电荷耦合器件图像传感器(Charge-coupled Device，CCD)和CMOS图像传感器(CMOS IMAGE SENSOR，CIS)两类。

[0004] 对于CCD来说，一方面，在专业的科研和工业领域，具有高信噪比的CCD成为首选；另一方面，在高端摄影摄像领域，能提供高图像质量的CCD也颇受青睐。而对于CIS来说，在网络摄像头和手机拍照模块也得到了广泛应用。

[0005] CCD与CIS相比，前者功耗较高、集成难度较大，而后者功耗低、易集成且分辨率较高。虽然说，在图像质量方面CCD可能会优于CIS，但是，随着CIS技术的不断提高和CMOS制造工艺水平的大幅提升，一部分CIS的图像质量已经接近于同规格的CCD。CIS在性能上正在取得实质性的进展，并凭借其低成本、高效率、传输速度快等优势被广泛用于平板电脑、智能手机等各类新兴领域。伴随着照相手机等消费类电子领域对CIS的促进，未来的CMOS图像传感器的市场前景将更为广阔。小尺寸、高性能CIS的设计成为本领域研究的重要课题之一。

[0006] 图像传感器一个直观的性能指标就是对图像的复现能力，而图像传感器的像素阵列就是直接关系到这一指标的关键性功能模块。现有技术中，CIS中的像素阵列采用有源像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)作为其感光单元。一个APS(即一个像素单元)包括一个感光二极管(Photo Diode，PD)和一个有源放大器(Active Amplifier)。像素阵列可分为正面照射式(Front Side Illuminated，FSI)像素阵列和背照式(Back Side Illuminated，BSI)像素阵列。

[0007] 请参阅图1，图1是现有技术的一种CMOS图像传感器的FSI像素阵列的结构剖面示意图。如图1所示，从剖面上看，像素阵列基本分为上中下三个平层，上层为滤镜层6，用来放置微透镜(Micro-lens)5和颜色滤镜(Color Filter)4。每个微透镜5为一个凸透镜，用于对入射光进行聚焦；颜色滤镜4通常按Bayer模式排列构成颜色滤镜阵列。滤镜层6下方对应一个金属层7的光通道3、感光层(又称PD层)9的光通道2及PD1。中层为金属层7，基质为氧化硅材料，放置有多层金属布线8(图示为4层)，并以电连接方式形成电路结构，用来传递电信号，相邻金属布线之间的空隙形成光通道3，入射光可从此光通道3穿过到达PD1。下层为PD层9，基质材料为硅，用来放置PD1，PD层9的光通道2与金属层7的光通道3连通并对准。微透镜5用来聚集光线，入射光(如图中空心箭头所指)通过滤镜层6依次进入金属层光通道3、PD层光通道2到达下层的PD1，PD1遇光子发生光电效应，再传出电信号，数字处理流程中的颜色插值算法将PD采集到的RAW数据还原为彩色图像。在FSI像素阵列的结构中，当入射光通过光通道时，由于其中的金属层有很多层金属布线，部分光线将被反射掉(如图中实心箭头所指)，使得光强受到损失，导致成像质量受到影响。

[0008] 请参阅图2，图2是现有技术的一种CMOS图像传感器的BSI像素阵列的结构剖面示意图。如图2所示，与FSI像素阵列不同的是，在BSI像素阵列的结构中，自上而下依次为滤镜层14、PD层15、金属层16三个平层，金属层16位于PD层15的下方。滤镜层14用来放置微透镜13和颜色滤镜12，每个微透镜13为一个凸透镜，其下方对应一个PD层15的光通道11及PD10。
入射光(如图中空心箭头所指)将只需通过PD层15的光通道11直接到达PD10，而不必通过金属层16，缩短了光通道。因此，在BSI像素阵列的结构中不会发生入射光与金属层16的反射作用。同时，由于光通道不需要因为金属层16的金属布线17而腾挪空间，使相邻像素间的距离可以适当缩短。BSI像素阵列结构的问题在于，相比FSI像素阵列，虽然可通过缩短的光通道来提高其像素阵列的光敏性，但当相邻像素间的距离过于缩短之后，像素间的串扰(crosstalk)将变得明显(如图中实心箭头所指)，造成彩色图像的褪色现象。

[0009] 当CIS应用于摄像领域时，在设计摄像模组的时候，除了需考虑图像传感器本身的性能外，还要考虑其匹配的摄像主镜头的性能。除了在一些可更换镜头的应用场合，如数码单反、高清数字电影等领域，更多场合的设计任务是要求使用一个固定尺寸的图像传感器和一个固定规格的主镜头进行匹配，从而获得最优的整体性能。

[0010] 请参阅图3，图3是人眼光学结构与照相机光学结构的比较示意图。如图3所示，图中上半部分展示了人眼的光学结构及成像原理：物体21表面的反射光线通过人的眼球19的晶状体20折射，汇聚到眼球19远端的视网膜18表面形成图像。图中下半部分展示了照相机的光学结构及成像原理：物体21表面的反射光线通过光学结构的主镜头23折射，汇聚到了CIS22表面，形成数字图像。比较这两个成像系统，可以发现三个不同点：首先，人眼的视网膜18为球形凹曲面，而CIS22为矩形平面(请参考图1、图2)；其次，人眼只有晶状体20一个镜片，而照相机的主镜头23是由若干镜片(图示为6片)组成的镜头组；再次，如果将人眼晶状体20后端到视网膜18的距离作为是人眼的法兰焦距fa，此法兰焦距fa比照相机系统的主镜头23的法兰焦距fb要短很多。

[0011] 请参阅图4，图4是现有技术中的一种CMOS图像传感器摄像模组的结构剖面示意图。如图4所示，摄像模组由一个主镜头31和一个CMOS图像传感器24(以FSI像素阵列为例)组成。主镜头31为典型的双高斯设计，为具有6片镜片的镜头组(镜头组中含有球差矫正镜片)。CMOS图像传感器24为FSI设计，其结构形式与图1中的FSI像素阵列的结构相同，同样具有滤镜层32、金属层33和感光层34，金属层33放置有多层金属布线28，故此处不再展开重复说明。CMOS图像传感器24的滤镜层32与主镜头31最下方的1片凸透镜相对设置而耦合。主镜头31的法兰焦距fc为从镜头组最下端到传感器24的像素阵列滤镜层32上表面的距离(即等同于图3中所指的主镜头23的法兰焦距fb)。从主镜头31导出的入射光线(如图中空心箭头所指)，在镜头中心处完全平行于光轴(如图中主镜头的垂直中心线所指)，在镜头边缘处则渐渐地朝向光轴方向形成一定的夹角。由于入射光线透过CMOS图像传感器24的微透镜30和颜色滤镜29后，要经过狭长的金属层光通道27、感光层光通道26才能使得感光层的PD25感光，使得与光轴具有一定夹角的入射光发生反射的几率较大，因而在图像边缘处会损失一定的光强。此镜头模组的整体高度H为从镜头组最上端到像素阵列感光层34下表面的距离。从图中可以看出，镜头组在整个镜头模组中占据了大部分的高度空间，显得十分庞大。

[0012] 如图4所示，当将CMOS图像传感器24与主镜头31的镜头组进行耦合时，就会出现一个问题，那就是图像中心的成像质量要远远好于图像边缘的部分。其重要原因就是由于FSI像素阵列中较为狭长的光通道27、26，使得入射角较为倾斜的光线无法抵达PD25进行感光。与FSI像素阵列相比，BSI像素阵列因金属层处于感光层的外侧(下方)，因此通过缩短的光通道可提高其像素阵列的光敏感度。然而，BSI仍不能彻底解决光线倾斜入射时响应较差的问题。

[0013] 针对上述问题，现有技术下的解决方案大致有两种：一种是尽量优化镜头组的光学设计，使得从镜头导出的光线从中心到边缘处尽量是以垂直的方向入射图像传感器；第二种是使用数字手段，在图像处理阶段对图像边缘的光线衰减进行补偿。这两种方案，前者大大牺牲了系统的便携性，后者在增加计算成本的同时，也只能对亮度进行补偿，不能真正起到提高图像质量的作用。

发明内容

[0014] 本发明的目的在于克服现有技术存在的摄像模组便携性差、图像边缘成像质量差的上述缺陷，提供一种曲面CMOS图像传感器摄像模组，通过采用不含球差矫正镜的双高斯镜头作为主镜头，将CMOS图像传感器面向主镜头的相对面设计为凹形曲面与主镜头相对应，并通过耦合有颜色滤镜的光纤传导入射光，使主镜头得到精简，缩短了法兰焦距，可有效减少入射光的反射，提高光敏性，实现在缩小模组尺寸的同时，提高整体的图像质量。

[0015] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0016] 一种曲面CMOS图像传感器摄像模组，包括：

[0017] 主镜头，所述主镜头为不含球差矫正镜的双高斯镜头；

[0018] CMOS图像传感器，设于所述主镜头的下方，所述传感器的像素阵列包括颜色滤镜阵列、金属层和感光层，所述传感器面向所述主镜头的相对面为凹形曲面，所述凹形曲面以所述主镜头的光轴为中心对称分布，并与所述主镜头的下端凸面互为相对面；自所述凹形曲面向内设有分别连通所述感光层的各感光二极管的光通道，所述光通道中设有光纤，各所述光纤下端耦合至所述感光二极管，上端与所述颜色滤镜阵列的对应颜色滤镜耦合，并均匀耦合至所述主镜头的相对面；

[0019] 其中，从所述主镜头导出的入射光，可呈发散状进入各所述光纤，并通过所述颜色滤镜还原后，沿所述光纤抵达所述感光二极管。

[0020] 优选的，所述主镜头自上而下依次包括第一凸透镜、凹透镜、第二凸透镜，所述第一凸透镜、第二凸透镜为单凸透镜，其凸面面向所述主镜头的外侧方向设置，所述凹透镜为双凹透镜，所述第二凸透镜的所述凸面与所述传感器的所述凹形曲面互为相对面；各所述光纤的上端与所述颜色滤镜耦合，并以垂直状态均匀耦合至所述主镜头的相对面。

[0021] 优选的，各所述光纤的上端通过所述颜色滤镜以垂直状态均匀耦合至所述主镜头的相对面。

[0022] 优选的，各所述光纤的上端近端面处的内部耦合有所述颜色滤镜，并以垂直状态均匀耦合至所述主镜头的相对面。

[0023] 优选的，各所述光纤的上端端面处的内部耦合有所述颜色滤镜，并与所述颜色滤镜一起以垂直状态均匀耦合至所述主镜头的相对面。

[0024] 优选的，所述传感器的所述凹形曲面具有与所述主镜头的相对面不同的曲率。

[0025] 优选的，所述传感器的所述凹形曲面与所述主镜头的相对面具有间距，所述间距等于所述主镜头的法兰焦距。

[0026] 优选的，所述传感器的所述凹形曲面具有与所述主镜头的相对面相同的曲率。

[0027] 优选的，所述传感器的所述凹形曲面与所述主镜头的相对面相贴合，所述主镜头的法兰焦距为零。

[0028] 优选的，所述传感器面向所述主镜头的相对面为所述金属层或所述感光层的凹形曲面。

[0029] 从上述技术方案可以看出本发明具有以下优点：

[0030] 1、通过采用不含球差矫正镜的双高斯镜头作为主镜头，镜片数减少为3片，使主镜头的设计得到精简，大为缩小了主镜头的尺寸；

[0031] 2、取消了现有技术的CMOS图像传感器的滤镜层，将CMOS图像传感器面向主镜头的相对面设计为凹形曲面与主镜头的下端凸面相对应，作为入射光的入射面，并将光纤与颜色滤镜耦合，进而耦合至主镜头的下端凸面，利用主镜头替代了微透镜，极大地缩短了法兰焦距；

[0032] 3、采用耦合有颜色滤镜的光纤而不是光通道来传导入射光，将各光纤端面与主镜头的下端凸面按垂直方向耦合，并在其表面均匀分布，可以近似平行的角度将从主镜头导出的发散状的入射光线几乎无损地通过光纤传递至感光二极管阵列，有效减少了入射光在主镜头边缘部位入射时发生的反射现象，使与光纤耦合的感光二极管阵列能接受均匀的、高光强的入射光，从而在大大缩短法兰焦距的同时，输出从中心到边缘图像质量没有衰减的、成像结果一致性很高的数字图像。

[0033] 因此，本发明的曲面CMOS图像传感器摄像模组能够同时满足高便携性与高图像质量的需求，有效解决了现有技术存在的不足，在真正意义上提高了摄像模组系统的整体性能。

附图说明

[0034] 图1是现有技术的一种CMOS图像传感器的FSI像素阵列的结构剖面示意图；

[0035] 图2是现有技术的一种CMOS图像传感器的BSI像素阵列的结构剖面示意图；

[0036] 图3是人眼光学结构与照相机光学结构的比较示意图；

[0037] 图4是现有技术中的一种CMOS图像传感器摄像模组的结构剖面示意图；

[0038] 图5是本发明实施例一中的曲面CMOS图像传感器摄像模组的结构剖面示意图；

[0039] 图6是本发明实施例二中的曲面CMOS图像传感器摄像模组的结构剖面示意图；

[0040] 图7是本发明实施例三中的曲面CMOS图像传感器摄像模组的结构剖面示意图。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

[0042] 需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

[0043] 实施例一

[0044] 在本实施例中，请参阅图5，图5是本发明实施例一中的曲面CMOS图像传感器摄像模组的结构剖面示意图。如图5所示，本发明的曲面CMOS图像传感器摄像模组包括相耦合的主镜头46和CMOS图像传感器35二个组成部分。主镜头46以双高斯镜头为基础，但取消了球差矫正镜片。因此，镜片数比典型的由6片镜片组成的双高斯镜头减少了3片，其自上而下依次包括第一凸透镜45、凹透镜44、第二凸透镜43。其中，所述第一凸透镜45、第二凸透镜43为单凸透镜，其凸面面向所述主镜头46组的外侧方向设置，所述凹透镜44为双凹透镜。在主镜头46取消了球差矫正镜片后，从所述主镜头46导出的入射光，即可转变为以所述主镜头46的光轴(即图中主镜头的垂直中心线)为中心的发散状光线射出(如图中空心箭头所指)，这与图4中从典型的6镜片双高斯镜头导出的入射光线的方向是不同的。并且，通过采用不含球差矫正镜的双高斯镜头作为主镜头，镜片数减少为3片，使主镜头46的设计得到精简，相比图4中现有技术的主镜头31，本实施例中的主镜头46的高度尺寸明显减小了。

[0045] 请继续参阅图5。CMOS图像传感器35的像素阵列以FSI结构为基础设计，包括金属层47和感光层48，但取消了滤镜层。因此，所述传感器35面向所述主镜头46的相对面为金属层47的表面。与传统的FSI像素阵列相同，金属层47设置有多层金属布线38(图示为4层)，金属层47和感光层48分别设有相连通的竖直光通道41和37，感光层光通道37的下端连通PD(感光二极管)36。与传统的FSI像素阵列的相同之处，本实施例即不再展开重复说明，请参考图1加以理解。在本实施例中，金属层47的表面被加工成一个凹形曲面40，与所述主镜头46最下方的第二凸透镜43的凸面相对应，互为相对面。所述凹形曲面40以所述主镜头46的光轴为中心对称分布；从所述凹形曲面40向金属层47的内部竖直加工有各光通道41，与感光层48的各竖直光通道37分别连通对准，各光通道41、37的下方连通所述感光层48的各PD36。

[0046] 请继续参阅图5。为了消除现有的FSI像素阵列金属层47的金属布线38对入射光线的反射作用，在各所述光通道41、37中分别设有1个光纤39，所述光纤39采用可传导可见光的柔性光纤。各所述光纤39的下端耦合至对应的PD36，并与PD36紧密接合。可使用黏合剂以及其他现有的适用方式来保证光纤39与PD36相互密合并连通。光纤39的上端从金属层47的所述凹形曲面40表面露出，在光纤39的端面处的内部耦合有1个颜色滤镜42；然后，各光纤39的上端端面与颜色滤镜42的上表面一起以垂直于所述第二凸透镜43表面的状态耦合至所述主镜头46最下方第二凸透镜43的凸面，并与所述第二凸透镜43的凸面紧密接合。各所述光纤39与第二凸透镜43耦合的端面在所述第二凸透镜43的凸面呈均匀分布。光纤39与颜色滤镜42之间以及与所述第二凸透镜43的凸面之间可采用例如融合(Fuse)的方式相耦合，必要时还可使用折射率匹配胶用以提升融合性能；或使用黏合剂以及其他现有的适用方式相耦合。在将光纤39插入到光通道41、37中、以及在与第二凸透镜43耦合时的对准时，可采用例如自由空间耦合技术(Free Space Coupling)，使用微控位置台(其马达步进极小)将光纤39放入光通道41、37并与光通道的位置进行对齐；并且，利用该技术具有的可将光纤与任意曲面进行拼接的优势，能够将光纤39与第二凸透镜43很好地进行连接。

[0047] 作为本实施例的另一种实现方式，颜色滤镜可以在光纤上端靠近端面处的内部与光纤进行耦合，然后，再将光纤的上端端面以垂直状态均匀地与第二凸透镜耦合。按此种方式，颜色滤镜与第二凸透镜之间将存在一定的间隙。此外，还有一种方式是，将光纤的上端与颜色滤镜进行端面耦合，然后，再将颜色滤镜与第二凸透镜耦合。也就是说，光纤是通过颜色滤镜以垂直状态均匀耦合至第二凸透镜的。

[0048] 在本实施例中，本发明论述的CIS像素阵列的颜色滤镜阵列(即由全部颜色滤镜42构成的颜色滤镜阵列)也使用Bayer模式，每种颜色的一个颜色滤镜42对应一个PD36。数字处理流程中的颜色插值算法可将PD36采集到的RAW数据还原为彩色图像。

[0049] 本发明通过在CIS像素阵列的光通道中设置光纤，使入射光的光路实际形成于光纤内，可使从主镜头导出的入射光在到达感光层的路径中不会被金属层反射而损失光强。由于入射光可几乎无反射地抵达感光区域，使入射光的利用率大大提高，可实现入射光信号的高效传输。

[0050] 请继续参阅图5。所述传感器35的所述凹形曲面40具有与第二凸透镜43的凸面(即所述主镜头46与所述凹形曲面40的相对面)不同的曲率，即所述凹形曲面40的形状与主镜头46的第二凸透镜43的凸面形状不完全匹配。因此，所述凹形曲面40与第二凸透镜43两者之间留有间距，此间距即为所述主镜头46的法兰焦距fd。将图5中本发明的曲面CMOS图像传感器摄像模组与图4中现有技术的平面形CMOS图像传感器的摄像模组(具有6片镜片的主镜头)相比，本发明取消了滤镜层，将金属层表面设计为凹形曲面与主镜头相对应，作为入射光的入射面，并将光纤与颜色滤镜耦合，进而耦合至主镜头，利用主镜头替代了微透镜；并且，通过采用不含球差矫正镜的双高斯镜头作为主镜头，使镜片数减少为3片。因此，本发明摄像模组主镜头46的法兰焦距fd远小于现有技术的主镜头法兰焦距fc，本发明摄像模组的整体高度ha也远小于现有技术的摄像模组的整体高度H，几乎缩短了一半的高度。

[0051] 本发明正是由图3所显示的人眼光学结构成像系统得到启发，将像素阵列的上表面模拟人眼的视网膜设计成凹形曲面形状与主镜头对应，采用耦合有颜色滤镜的光纤而不是光通道来传导入射光，将各光纤端面与主镜头表面按垂直方向耦合，并在主镜头表面均匀分布。当本发明的CMOS图像传感器35与摄像主镜头46耦合时，可以近似平行的角度，将从主镜头46导出的发散状的入射光线(如图中空心箭头所指)通过所述颜色滤镜42还原后，几乎无损地通过光纤39传递至感光二极管36阵列，有效减少了入射光在主镜头46边缘部位入射时发生的反射现象，使与光纤39耦合的感光二极管36阵列能接受均匀的、高光强的入射光。由于对摄像主镜头46边缘处的倾斜入射光容忍度较高，使得具有凹形曲面40的CMOS图像传感器35可以像人眼成像系统那样，匹配光学结构更为简洁的镜头设计——主镜头的镜片数量可以减少至少一片、甚至原先6片数目的一半(即如本实施例中的3片)，并可同时保证相同视角下的成像更为优秀，从而在大大缩短主镜头的法兰焦距以及整个成像系统尺寸的同时，输出从中心到边缘图像质量没有衰减的、成像结果一致性很高的数字图像。

[0052] 因此，本发明的曲面CMOS图像传感器摄像模组能够同时满足高便携性与高图像质量的需求，有效解决了现有技术存在的不足，在真正意义上提高了摄像模组系统的整体性能。

[0053] 实施例二

[0054] 在本实施例中，请参阅图6，图6是本发明实施例二中的曲面CMOS图像传感器摄像模组的结构剖面示意图。如图6所示，本发明的曲面CMOS图像传感器摄像模组包括相耦合的主镜头46和CMOS图像传感器49二个组成部分。主镜头46的设计与实施例一完全相同(因此使用了相同的数字标记)，同样以双高斯镜头为基础，但取消了球差矫正镜片，镜片数同样为3片。主镜头46自上而下依次包括第一凸透镜45、凹透镜44、第二凸透镜43。其中，所述第一凸透镜45、第二凸透镜43为单凸透镜，其凸面面向所述主镜头46组的外侧方向设置，所述凹透镜44为双凹透镜。在主镜头46取消了球差矫正镜片后，从所述主镜头46导出的入射光，即可转变为以所述主镜头46的光轴(即图中主镜头的垂直中心线)为中心的发散状光线射出(如图中空心箭头所指)，这与图4中从典型的6镜片双高斯镜头导出的入射光线的方向是不同的。并且，通过采用不含球差矫正镜的双高斯镜头作为主镜头46，镜片数减少为3片，使主镜头46的设计得到精简，相比图4中现有技术的主镜头31，本实施例中的主镜头46的高度尺寸明显减小了。

[0055] 请继续参阅图6。CMOS图像传感器49的像素阵列以BSI结构为基础设计，包括感光层56和金属层57，但取消了滤镜层。因此，所述传感器49面向所述主镜头46的相对面为感光层56的表面。与传统的BSI像素阵列相同，金属层57设置有多层金属布线50(图示为4层)，感光层56设有连通PD(感光二极管)51的竖直光通道52。与传统的BSI像素阵列的相同之处，本实施例即不再展开重复说明，请参考图2加以理解。在本实施例中，感光层56的表面被加工成一个凹形曲面53，与所述主镜头46最下方的第二凸透镜43的凸面相对应，互为相对面。所述凹形曲面53以所述主镜头46的光轴为中心对称分布；从所述凹形曲面53向感光层56的内部竖直加工有各光通道52，各光通道52的下方对应连通所述感光层56的各PD51。

[0056] 请继续参阅图6。为了有效地抑制现有的BSI像素阵列的像素单元间存在的串扰现象，在各所述光通道52中分别设有1个光纤54，所述光纤54采用可传导可见光的柔性光纤。各所述光纤54的下端耦合至对应的PD51，并与PD51紧密接合。可使用黏合剂以及其他现有的适用方式来保证光纤54与PD51相互密合并连通。光纤54的上端从感光层56的所述凹形曲面53表面露出，在光纤54的端面处的内部耦合有1个颜色滤镜55；然后，各光纤54的上端端面与颜色滤镜55的上表面一起以垂直于所述第二凸透镜43表面的状态耦合至所述主镜头
46最下方第二凸透镜43的凸面，并与所述第二凸透镜43的凸面紧密接合。各所述光纤54与第二凸透镜43耦合的端面在所述第二凸透镜43的凸面呈均匀分布。光纤54与颜色滤镜55之间以及与所述第二凸透镜43的凸面之间可采用例如融合(Fuse)的方式相耦合，必要时还可使用折射率匹配胶用以提升融合性能；或使用黏合剂以及其他现有的适用方式相耦合。在将光纤54插入到光通道52中、以及在与第二凸透镜43耦合时的对准时，可采用例如自由空间耦合技术(Free Space Coupling)，使用微控位置台(其马达步进极小)将光纤54放入光通道52并与光通道的位置进行对齐；并且，利用该技术具有的可将光纤与任意曲面进行拼接的优势，能够将光纤54与第二凸透镜43很好地进行连接。

[0057] 作为本实施例的另一种实现方式，颜色滤镜可以在光纤上端靠近端面处的内部与光纤进行耦合，然后，再将光纤的上端端面以垂直状态均匀地与第二凸透镜耦合。按此种方式，颜色滤镜与第二凸透镜之间将存在一定的间隙。此外，还有一种方式是，将光纤的上端与颜色滤镜进行端面耦合，然后，再将颜色滤镜与第二凸透镜耦合。也就是说，光纤是通过颜色滤镜以垂直状态均匀耦合至第二凸透镜的。

[0058] 在本实施例中，本发明论述的CIS像素阵列的颜色滤镜阵列(即由全部颜色滤镜55构成的颜色滤镜阵列)也使用Bayer模式，每种颜色的一个颜色滤镜55对应一个PD51。数字处理流程中的颜色插值算法可将PD51采集到的RAW数据还原为彩色图像。

[0059] 本发明通过在CIS像素阵列感光层的光通道中设置光纤，使入射光的光路实际形成于光纤内，不仅可使从主镜头导出的入射光在到达感光层的路径中不会损失光强，而且，利用光纤的屏蔽作用，可以有效抑制像素单元间存在的串扰现象。

[0060] 请继续参阅图6。所述传感器49的所述凹形曲面53具有与第二凸透镜43的凸面(即所述主镜头46与所述凹形曲面53的相对面)不同的曲率，即所述凹形曲面53的形状与主镜头46的第二凸透镜43的凸面形状不完全匹配。因此，所述凹形曲面53与第二凸透镜43两者之间留有间距，此间距即为所述主镜头46的法兰焦距fe。将图6中本发明的曲面CMOS图像传感器摄像模组与图4中现有技术的平面形CMOS图像传感器的摄像模组(具有6片镜片的主镜头)相比，本发明取消了滤镜层，将感光层表面设计为凹形曲面与主镜头相对应，作为入射光的入射面，并将光纤与颜色滤镜耦合，进而耦合至主镜头，利用主镜头替代了微透镜；并且，通过采用不含球差矫正镜的双高斯镜头作为主镜头，使镜片数减少为3片。因此，本发明摄像模组主镜头46的法兰焦距fe远小于现有技术的主镜头法兰焦距fc，本发明摄像模组的整体高度hb也远小于现有技术的摄像模组的整体高度H，几乎缩短了一半的高度。

[0061] 在本实施例中，本发明将像素阵列的感光层上表面模拟人眼的视网膜设计成凹形曲面形状与主镜头对应，采用耦合有颜色滤镜的光纤而不是光通道来传导入射光，将各光纤端面与主镜头表面按垂直方向耦合，并在主镜头表面均匀分布。当本发明的CMOS图像传感器49与摄像主镜头46耦合时，可以近似平行的角度，将从主镜头46导出的发散状的入射光线(如图中空心箭头所指)通过所述颜色滤镜55还原后，几乎无损地通过光纤54传递至感光二极管51阵列，有效减少了入射光在主镜头46边缘部位入射时发生的反射现象，从而消除了BSI阵列不能彻底解决光线倾斜入射时响应较差的问题，亦可使与光纤耦合的感光二极管阵列能接受更为均匀的、高光强的入射光。而且，利用光纤的屏蔽作用，可以有效抑制BSI像素单元间存在的串扰现象。由于对摄像主镜头46边缘处的倾斜入射光容忍度较高，使得具有凹形曲面53的CMOS图像传感器49可以像人眼成像系统那样，匹配光学结构更为简洁的镜头设计——主镜头的镜片数量可以减少至少一片、甚至原先6片数目的一半(即如本实施例中的3片)，并可同时保证相同视角下的成像更为优秀，从而在大大缩短主镜头的法兰焦距以及整个成像系统尺寸的同时，输出从中心到边缘图像质量没有衰减的、成像结果一致性很高的数字图像。

[0062] 实施例三

[0063] 在本实施例中，请参阅图7，图7是本发明实施例三中的曲面CMOS图像传感器摄像模组的结构剖面示意图。如图7所示，本实施例是实施例一的另一种实现方式。本实施例与实施例一的区别之处在于，所述传感器35的所述金属层47的所述凹形曲面40表面具有与所述主镜头46的第二凸透镜43的凸面相同的曲率，即所述凹形曲面40的形状与主镜头46的第二凸透镜43的凸面形状完全匹配。因此，所述凹形曲面40与第二凸透镜43两者之间相贴合耦合，完全没有了间距。也就是说，此时所述主镜头46的法兰焦距为零。相应的，所述光纤39的上端不再露出，而是缩进所述金属层47的所述凹形曲面40表面的光通道41，且各所述光纤39的上端端面、其端面内部耦合的所述颜色滤镜42上表面与所述凹形曲面40表面形成共面的曲面，并同时与所述第二凸透镜43的凸面相贴合。

[0064] 因此，在曲面CMOS图像传感器高度相同的情况下，本实施例中的曲面CMOS图像传感器摄像模组的整体高度相对于实施例一有了进一步的减小。

[0065] 本实施例的其他结构及功能实现与实施例一相同，故不再展开说明，请参考实施例一加以理解。

[0066] 需要说明的是，在设计需要的情况下，对实施例二也可采用如实施例三形式的另一种实现方式，即使所述传感器的所述感光层的所述凹形曲面表面具有与所述主镜头的第二凸透镜的凸面相同的曲率，使所述凹形曲面与第二凸透镜两者之间相贴合耦合，所述主镜头的法兰焦距同样为零。本领域技术人员参考本发明的上述实施例即可加以实施，故不再进行展开说明。

[0067] 以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。