CCM影像模組構裝技術.ppt

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1、1,三、CCM影像模組構裝技術良率成本,2,手機相機模組(CCM)3個層次,第一：Sensor Module，以CMOS Image Sensor為主，功能簡單，畫素在130萬以下。目前包括Sensor廠、封裝場、光學廠及DSC廠等都積極投入，競爭者多、利潤微薄，已成為殺價最激烈的戰場。第二：為Camera Module，具有自動對焦鏡頭(Auto Focus；AF)或基本光學變焦、基本攝影功能和不差的畫質，畫素在200萬至300萬左右。目前仍以日本業者，如Sharp和Panasonic等為主。第三：是Camera Sub-System，尚在發展中的領域，完全以DSC的理念和畫質要求製作。攝影

2、功能亦需加入，具備與主流DSC相同的畫素及光學變焦。註：TI在2004年共推出超過1100種不同封裝的162種新產品。同時，為因應消費性產品和可攜式應用對降低成本和體積微縮化的需求，TI也將持續進行封裝的創新，包括晶圓晶片級封裝(WCSP)等。,3,照相手機模組封裝方式1,優點：高度小、材料成本低、光線 吸收性佳、技術成熟缺點：加工潔淨低、良率低,4,COB封裝Design Rule(範例),5,Wafer-chip-scale package(WCSP),6,WCSP technology,Ultimately Small and Lightweight(1/10th)Extremely T

3、hin(0.4-0.5mm)Easy to Mount Improve Electrical Characteristics,7,TI各式各樣封裝技術比較表,8,照相手機模組封裝方式2,優點：良率高、不須打線缺點：光學效率不佳、專利限制、材料成本高、厚度大特點：二段式封裝,9,Shell case structure/CSP,焦距變差,10,Shell case structure/Cavity CSP,1.改善Epoxy覆蓋issue2.增加厚度,11,OCSP模組封裝方式,1.Top glass 如何放置(Shift/tilt/rotation)?2.點膠與膠量控制3.間隙要控制多少(毛細

4、/黏稠)4.加工道次,Reference：kingpak com./2004,12,照相手機模組封裝方式3,優點：良率高(免打線)、高度 最小、光學設計易缺點：Flip-chip，專利限制、成本昂貴,TOG(Tab on glass),13,TOG(Tab on glass)封裝方式,優點：光學效率佳、高度較小、二階段組裝缺點：成本高、加工技術較高,Source：Toshiba、fujitsu,14,CCM基板材料選擇,陶瓷基板：硬度高易作業，散熱性佳，穩定性高、價格高、開模昂貴、來源有限PCB硬板：硬度適中、可靠性OK、可雙面加工、選擇多、潔淨度不佳FPC軟板：省去與硬板之接合作業、不可雙面

5、加工，不利打線作業，可靠性低軟硬結合板：兼具軟硬板之優點、成本偏高,15,各種模組封裝方式比較,Reference：kingpak com./2004,16,CCM範例,Specification1.Image size”2.Pixel siez 5.6um3.F/#2.84.Image output digital YUV5.YUV format CCIR6016.Sensitivity 40lux/F2.8 30fps 20lux/F2.8 15fps7.ALC(auto light control)ELC/AGC combined8.ELC speed 30Hz mode:1/30-1/

6、4500 s(exposure)15Hz mode:1/15-1/2250 s9.Illumination 30Hz mode:min.-150000 lux 15Hz mode:min.-75000 lux10.White balance Auto/manual/IIC I/F bus,Source:Matsushita/2002,17,四、CMM影像模組光機設計,18,Camera system parameters,Source：Edmund optics,19,照相手機影像IC之考量,20,Lens for CMOS/CCD sensor,Source：Nagano optics/20

7、02,21,1.F/#越大，聚焦平面越小，進光量少，光線越平行TV distortion 越小。2.CMM通行F/#2.8=1.9mm/A，A=0.68mm,Source：Photo bit,22,影像器尺寸之規格,SENSOR SIZE：the size of a camera sensors active area,typically specified in the horizontal dimension(see Figure 1).This parameter is important in determining the primary magni fication(PMAG)re

8、quired to obtain a desired field of view.Note：Most analog cameras have a 4:3(H:V)dimensional aspect ratio.FIGURE 1,23,24,視角：FOV(Field Of View),FOV(Field Of View)：與鏡組焦距、CIS尺寸有關CIS size FOV Focal length FOV IFOV=FOV/pixel number(例如 12801024),25,CMM鏡組的基本關係,影像高度=光學鏡組焦距 x tan(semi-FOV)簡易方式：光學鏡組焦距長為6mm，而影

9、像高度由影像偵測器的有效區域大小決定，最大為區域的對角線長的一半(假設對角線長6毫米)，影像高度為3mm，由公式可以算出半視場角為 tan-1(3/6)=26.5度，FOV=53度。像素大小為 5.4 x 5.4 微米，像素數目 6000/5.4=1100 x 1100 所以此CCM的最大空間解析能力的空間頻率計算如下 最大空間頻率=1/(2 x 0.0054)=92.6 1p/mm),26,-Lens聚光效率與光學系統關係,27,Modulation transfer function(MTF),Fourier transfer of the 2-D response of the imag

10、er in response to a point source object measured by magnitude response to sinusoids of different frequencies normalized to dc response.Oo(x,y)=h(x,y)Oi(x,y)Oo(fx,fy)=H(fx,fy)Oi(fx,fy)H(fx,fy)=h(x,y)exp2(fxx+fyy)dxdy where,Oo(x,y):output image;Oi(x,y):input image H(fx,fy):MTF,fx&fy as the spatial fre

11、quencies sinusoidal test pattern:20lp/mm to 95lp/mm for 10m pixel,spatial resolution50lp/mm,28,MTF definition,Input(Object)Output(Image)MTF=1.0 0.8 0.5,ModulationM=(Vmax-Vmin)/(Vmax+Vmin)=AC/DCMTF=(output M)/(input M),29,Contrast Transfer Function/CTF,The system response to a square-wave target is t

12、he contrast transfer function(CTF).For bar targets whose spatial frequency is above 1/3fMTF=0,the MTF=(/4)CTF.,30,MTF 案例,31,現代CTF測量方法,32,Optical lens TV distortion,Sourse:Principle of optics/E.Wolf,33,Optical Limitation,34,35,光學設計分析,For CCM:視角要寬(近距離)、焦距要小、解析度要高、TV 扭曲(S5)要小、鏡片要薄。進行CCM光學設計之前需要先決定的程序：1

13、.選定光學設計軟體(Code V、OSLO、Zemax)2.建立模型。3.參考舊有設計(軟體內之專利資料庫)。4.設計展開，建立基本架構。5.優化設計參數。-計算光線軌跡-優化各種像差-達成各種光學規格-達到加工要求*高精度光學加工機禁止至大陸6.若達不成，只好增加鏡片或改變材質。7.考慮其他方法。(非球面、DOE等等),36,優化前的光學分析,進行此光學設計之前需要先決定光學系統的資料:1.F/#、光學鏡組焦距長()有效焦距EFL)2.可見光波長範圍選擇紅、綠、藍(另有CMY)，波長分別為0.656微米,0.587微米(配合color fiter peak)，並選擇綠光的波長為基本的波長並提

14、高比重為2，這樣將會使得往後在做優化時對中心波長給予更多的強調，或用積分值。3.設定視場角為0度,11度,19度,26.5度，分別為0,0.4,0.7及全視場角，比重皆設定為1(優化時調整:要求解析度高的區域，可以設為2/寬角度)。有時候要求中心位置CTF較高，會調整為2 or more/dep.on tool,37,CCM鏡組的一般分析流程,1.光線像差的曲線(Ray Aberration Curve)2.光點分析(Spot Diagram)3.視場角扭曲(TV Distortion)4.鏡片的MTF(Sharpness)5.漸暈(Vignetting)效應和角度效應6.可行性困難:1.鏡片

15、太小且太薄。2.鏡組所使用的材料的光學折射係數，這將關係 製作成本。過高或低光學折射率的玻璃材料(例如:1.65或1.45)比光學折射率在中間範圍的 玻璃材料要貴許多。(10倍以上)7.優化(optimization)(價值所在),38,Optical lens SEM2620,Source:Samsung/2001,1 plastic+1 glass lensFor 1/6 inch mobile phoneNo distortion,39,Free form surface prism,2片菱鏡功能可以取代3-5片鏡片體積由z軸轉為x-y軸面Tele-centric angle 可以減少組

16、光技術2-3M效果更明顯Olympus出品 1.3 M CCD Total height 8.5mm MTF 250 lp/mm(on axis)200 lp/mm(edge),40,光學元件加工,塑膠鏡片:非球面加工機製造模仁後，射出成形大量生產。玻璃鏡片:研磨加工機製造，難大量生產。光學元件尺寸太小，加工不易。多鏡片組裝/公差模擬(1.3M一般為3片式)1.空氣間隙與鏡片厚度 2.傾斜度 3.de-center 4.de-focus 5.reliability(auto才可能/日本，人工實在不可能 常見之塑膠鏡片材料:E48R 480R 330R COC,41,陶瓷鏡片Lumicera,透

17、光陶瓷鏡片:日本村田製作所開發Lumicera具有 與光學玻璃相同的透光率，且超越光學 玻璃的折射率(nd=1.5-1.85)達到 nd=2.08的折射率(=578nm)。強度高，能實現該鏡頭鏡片薄型化的目標。該新鏡片，提昇短波長的光透光率，並且除去讓透光率下降的氣泡等問題。研磨材料、時間、壓力等研磨方法的改善，可以製作出相當高水準的陶瓷鏡片。Casio在2004年8月2日發表使用在數位相機鏡組。(card-size DSC；for zoom lens,profile20%)適用於CCM鏡組。資料來源:PIDA/2004.09,42,陶瓷鏡片Lumicera,資料來源:Murata Manuf

18、acturing Co./2004,43,鏡片檢測項目,鏡片面精度(球面:干涉儀 非球面:表面精度測量儀)外徑檢驗中心厚度檢驗偏心度檢驗(偏心顯微鏡)波長檢驗(光譜儀)MTF檢驗(解析投影檢查儀)TV Distortion(解析投影檢查儀),44,變焦照相手機模組,1.patent issues(一般需要4片以上lens)2.high class3.高度較長，(折疊式)4.Toshiba(2004/2Q)CIF VGA 1/7”1/4”高度:10mm 15mm 5mm 倍率:2.0 2.5 耗電:25mW-最小移動:16um 具有AF功能 Cost:xxxx日圓,45,變焦照相手機模組(續),

19、1.模組內包含:變焦塑膠鏡頭、CCD、Driver、ADC和DSP2.DSP為專用、JPEG由手機CPU處理3.微機電技術4.定焦不符合用戶需求5.Sharp(CCD/2M、3M)高度:10mm倍率:2-3耗電:-最小移動:-具有AF功能出貨:2004/Apr.(2M),46,液體變焦鏡頭原理,液晶鏡片:兩片ITO之間灌滿液晶，利用電場控制液晶折射率，藉由折射率分佈(Gradient)達到聚焦功 能。,液體鏡頭/Samsung&Philips/2004 CeBIT,47,液體變焦CCM模組,1.模組厚度僅增加2mm2.Wave front error1,000,00010.重力形變?(Aper

20、tureDia.=4.5mm)11.溫度範圍:-15-60c12.強光照射變質issue,48,數位相機光學鏡頭,5-9組鏡頭組所組成,49,CCM Final Test Process,50,CCM Electrical Test,Power/standby:上測試機台後，測量各pad所消耗之電流Operation:上測試機台後，測量各式test pattern(包括ADC)Bus test(I2C/SCCB):是否通過Bus test,51,CCM Lens Assembly Test,De-centering:鏡頭組合時已檢驗通過同心度，CCM組合 時多半靠人工視覺(示波器)Full a

21、uto:Histogram sharpnessSemi auto:影像加人眼判斷Lens fixing,52,CCM Optical Test,MTF:測量鏡頭中心與邊緣之MTF值(lp/mm)TV distortion:測量鏡頭邊緣之形變程度(%)Vignette:測量鏡頭中心與邊緣之相對量度比率(%),53,CCM Final Test Process,Color:測試模組對色彩的正確性(Macbeth color chart)Sensitivity:測試模組對不同光照度之信號強度。SNR:測試模組在一定光照度下之信號雜訊比。NESF:模組最小照度。Dynamic Range:模組最大照度與最小照度比值。Bad pixel:辨識影像中的壞pixel或是particle。AWB:改變色溫環境，測試模組對不同光環境之AWB功能。AE:改變色溫亮度，測試模組對不同光強度之自動曝光功能。,54,色彩量測與調整,55,手機LED色彩校正,Source:工研院光電所,56,Integrated camera,picture taking mode,Time(seconds),