CN103926629B - 光学装置、使用微透镜的感光元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光学装置，包括基板、发光元件、感光元件以及多个微透镜。发光元件被配置于基板上并适于提供光束。感光元件被配置于基板上并适于接收物体所反射的光束，其中感光元件具有阵列排列的多个感光单元。微透镜设置于感光元件上方，且微透镜分别对应于相对的感光单元。一种使用微透镜的感光元件及其制作方法也被提出。

Description

光学装置、使用微透镜的感光元件及其制作方法

技术领域

本发明是有关于一种光学装置，且特别是有关于一种尺寸小、成本低廉和组装容易的优点的光学装置。

背景技术

图1A为已知光学装置感测手势移动的示意图，而图1B则为图1A的光学装置100的剖面示意图。请同时参考图1A和图1B所示，光学装置100包括封装壳体110、发光元件120、感光元件130以及聚光透镜140。封装壳体110具有出光口112和收光口114，其中位于封装壳体110内的发光元件120所产生的光束L0会由出光口112射出，而位于封装壳体110内的感光元件130则适于通过收光口114接收被移动物体101所反射的光束L1而形成图像。另外，聚光透镜140装设于收光口114处，用以收集被移动物体101所反射的光束L1并在感光元件130上会聚成像。

传统的光学装置100主要是使用单一聚光透镜140进行图像成像，因此使得光学装置100整体的厚度无法进一步地被缩减。一般来说，虽然采用Fresnel透镜可达到降低整体厚度的目的，但是仍无法有效地降低光学装置100的整体成本。

发明内容

本发明提供一种光学装置，其具有尺寸小、成本低廉和组装容易的优点。

本发明还提供一种使用微透镜的感光元件及其制作方法，其适用于在前述的光学装置上且具有相同的优点。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所披露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述的部分或全部目的或是其他目的，本发明提出一种光学装置，包括基板、发光元件、感光元件以及多个微透镜。所述发光元件配置于所述基板上并适于提供光束。所述感光元件包含阵列排列的多个感光单元并配置于所述基板上以适于接收物体反射所述光束所形成的反射光束。所述微透镜设置于所述感光元件上方并分别对应所述感光单元。

本发明还提出一种使用微透镜的感光元件的制作方法，包括下列步骤：提供感光元件，其中所述感光元件包含阵列排列的多个感光单元；在所述感光元件上形成保护层；在所述保护层上形成至少二层图案化金属层以形成多个光通道，其中所述光通道分别对应所述感光单元；形成多个微透镜对应所述光通道。

本发明还提出一种使用微透镜的感光元件，包括多个感光单元、挡光堆迭层以及多个微透镜。所述感光单元以阵列排列。所述挡光堆叠层形成于所述感光单元上并包含分别对应所述感光单元的多个光通道，其中部分所述光通道朝向远离阵列中心的方向倾斜一个倾斜角。所述微透镜设置于所述挡光堆迭层上并分别对应所述光通道。

本发明各实施例中，所述光学装置更包括设置于所述感光元件上的挡光堆迭层；其中，所述挡光堆叠层包含对应所述感光单元的多个光通道朝向远离所述感光元件的中心的方向倾斜一个倾斜角，用以限制入射至所述感光单元的反射光束的入射角度。

本发明各实施例中，所述挡光堆迭层位于所述微透镜与所述感光元件之间。

如上所述，本发明的光学装置可通过在感光元件上配置有相对应的微透镜，以有效地减少传统单一透镜的使用，从而可使光学装置在进行组装时更为容易并减少光学装置的整体尺寸，此外还可有效地降低光学装置的制作成本。另外，本发明的光学装置借由在相邻的感光单元的周边堆叠有挡光堆叠层，用以限制入射至各感光单元上的反射光束的入射角度，如此可达成判断物体移动的功能并减少杂散光或漏光的影响；其中，每一个感光单元可包含一个或多个光二极体。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作如下详细说明。

附图说明

图1A为已知光学装置感测手势移动的示意图；

图1B则为图1A的光学装置的剖面示意图；

图2A为本发明实施例的光学装置的剖面示意图；

图2B则为图2A的光学装置的局部放大示意图；

图2C则为图2A的光学装置的另一局部放大示意图；

图3A-图3D为本发明实施例的使用微透镜的感光元件的制作方法的示意图；

图4A-图4E为本发明实施例的使用微透镜的感光元件的制作方法的另一示意图；

图5为本发明实施例的使用微透镜的感光元件的制作方法的流程图；

图6为本发明实施例的光学装置的另一剖面示意图。

附图标记说明

100、200 光学装置

110、260 封装壳体

120、220 发光元件

130、230 感光元件

140 聚光透镜

112、262 出光口

114、264 收光口

101、270 物体

L0 光束

L1 反射光束

210 基板

232 感光单元

240 微透镜

250 挡光堆迭层

252 透光材料层

254 不透光堆迭层

S1 第一容置空间

S2 第二容置空间

310 保护层

320 第一图案化金属层

330 第二图案化金属层

θ、θ1、θ2 入射角度

D1、D2 偏移距离

C 光通道

S₄₁-S₄₄ 步骤。

具体实施方式

有关本发明的前述和其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图2A为本发明一实施例的光学装置的剖面示意图，而图2B和2C则为图2A的光学装置的局部放大示意图。请同时参考图2A、2B和2C，本实施例的光学装置200包括基板210、发光元件220、感光元件230以及多个微透镜240，光学装置200用以检测物体270。发光元件220和感光元件230可配置于基板210上并与基板210电性连接，如图2A所示。在另一未绘示的实施例中，发光元件220与感光元件230也可分别配置于不同的基板上，图2A仅是用以绘示一实施例，并非用以限定本发明。

本实施例中，基板210可以是采用硬式电路板、软式电路板或是导线架（LeadFrame）的态样，此部分可依不同需求而有不同的设计，因此图2A并非用以限定本发明。另外，发光元件220适于提供光束L0；其中，发光元件220可以采用发光二极体元件，且发光元件220所提供的光束L0可具有不可见光的光波长，如：红外光或紫外光，此处以红外光作为举例说明，但不仅限于此。其它实施例中，发光元件220可为其他适当主动光源。在本实施例中，感光元件230可以是采用CCD图像传感器或是CMOS图像传感器，其中，此处以CMOS图像传感器作为实施态样。感光元件230适于接收物体270反射光束L0所形成的反射光束L1。

具体来说，感光元件230具有阵列排列的多个感光单元232；其中，每一个感光单元232可包含至少一个光二极体（photodiode,PD），用以将光能量转换成电信号，且感光单元232的周边堆叠有挡光堆叠层250。挡光堆迭层250设置于感光元件230上；其中，挡光堆迭层250包含分别对应感光单元232的多个光通道C（如图2C），其朝向远离感光元件230的中心的方向倾斜一个倾斜角θ，用以限制入射至感光单元232的反射光束L1的入射角度（即入射角度等于倾斜角）。借此，使感光元件230可达成判断物体移动的功能并减少杂散光或漏光的影响，如图2B和2C所示。详细来说，挡光堆迭层250可包含有透光材料层252和不透光堆迭层254，其中透光材料层252覆盖于感光单元232上用作反射光束L1入射至感光单元232的光通道C，而位于挡光堆迭层250内的不透光堆迭层254则是用以限制入射至感光单元232上的反射光束L1的入射角度θ，挡光堆迭层250的制作方式可使用传统的半导体蚀刻制程进行，在此不再赘述。不透光堆迭层254可为金属材料或非金属材料（本发明中以金属为例进行说明）。此外，为避免反射光束L1于入射至感光单元232时被不透光堆迭层254反射，所述不透光堆迭层254较佳为吸光材料所形成。此外，为使感光单元232接收特定角度的反射光束L1以增加感测效果，光通道的倾斜角θ较佳与光通道至感光元件230的中心的距离成正相关，以使得感光单元232接收的反射光束L1的入射角度与光通道至感光元件230的中心的距离成正相关；也即，越靠近感光元件230边缘的光通道具有越大的外倾的倾斜角θ，以使得相对应的感光单元232接收具有较大入射角度的反射光束L1。

另外，微透镜240设置于感光元件230上并分别对应感光单元232，如图2A所示；也即，若微透镜240导光效果良好，挡光堆迭层250可不予实施。当本实施例的光学装置200包含挡光堆迭层250时，微透镜240分别对应光通道C并设置于挡光堆迭层250上，以使得挡光堆迭层250位于微透镜240与感光元件230之间。具体来说，本实施例的每一个感光单元232上可各自搭配至少一个不同角度的微透镜（Micro-Lens），如此可使得不同的感光单元232具有不同的收光角度，如图2B所示，如此便无须使用传统的单一大透镜，而可使得感光元件230可有效地感测物体的移动外，同时也可使得光学装置200的整体厚度或大小有效地被缩减、制作成本更为低廉以及组装更为容易（因减少单一透镜的组装）。换言之，光学装置200可通过在感光元件230上配置有相对应的微透镜240，以有效地减少传统单一透镜的使用，从而使得组装更为容易、减少整体的尺寸以及有效地降低制作成本。

第2B图实施例中，每一个感光单元232显示为对应单一微透镜240和单一光通道。另一实施例中，如图2C所示，当感光单元232的尺寸较大时，每一感光单元232上可对应多个相同或不同的微透镜240以及多个光通道C，例如图2C显示每一个感光单元232对应两微透镜240以及两光通道C，以解决于较大的感光单元232上制作较大的微透镜240的困难并可增加信号的强度。详细来说，微透镜240本身的制作尺寸通常会较小，因此若感光单元232本身的体积较大时便可在单一感光单元232上形成多个微透镜240，以使光线可有效地被收集。换言之，形成于感光单元232上方的微透镜232以及光通道C的数量可根据感光单元232的尺寸决定外，还可视微透镜232本身易于制作在感光单元232上方的制程精准度而定，上述仅是用以举例说明，非仅限于此。例如一实施例中，当每一个感光单元232对应多个光通道C和多个微透镜240时，对应至相同的感光单元232的光通道C的倾斜角θ相同且微透镜240的聚光角度相同，以限制反射光束L1的入射角度为相同，如图2C所示。

另外，光学装置200还可包括封装壳体260；其中，封装壳体260设置在基板210上并具有出光口262和入光口264。本实施例中，当封装壳体260设置于基板210上时会形成第一容置空间S1与第二容置空间S2；其中，第一容置空间S1可容置有前述的发光元件220，而第二容置空间S2则可容置有前述的感光元件230，如图2A所示。位于第一容置空间S1内的发光元件220所提供的光束L0可经由出光口262传递出去，而位于第二容置空间S2内的感光元件230则可经由入光口264接收被物体270反射的反射光束L1。需要说明的是，封装壳体260与基板210可为一体成型或是各自成型，此部分可依不同的制程而有不同，本实施例所提供的图式仅是用以说明，非仅限于此。

图3A-图3D为图2B的使用微透镜的感光元件的制作方法的示意图。请先参考图3A，首先，提供前述的感光元件230；其中，所述感光元件230可为CMOS图像传感器并包含阵列排列的多个感光单元232，例如排列成长方形或正方形的矩形阵列。之后，在感光元件230上形成保护层310；其中，所述保护层310可以是使用介电材料，如图3B所示。接着，在保护层310上形成至少二层图案化金属层以形成多个光通道，并使所述光通道分别对应感光单元232。如前所述，部分所述光通道C（例如不位于感光元件230中央位置的光通道）朝向远离感光元件230的中心的方向倾斜一个倾斜角且所述倾斜角与所述光通道至感光元件230的中心的距离成正相关；此外，位于感光元件230中央位置（例如感光单元232所形成阵列的阵列中心）的光通道C可不具有倾斜角，其用以接收来自感光元件230法线方向的反射光束L1，如图2B和2C图所示。

图案化金属层的形成方式例如为，形成第一图案化金属层320，如图3B所示；其中，所述第一图案化金属层320的形成方式可以是采用传统的半导体微影蚀刻技术。然后，在第一图案化金属层320上形成第二图案化金属层330，如图3C所示；其中，所述第二图案化金属层330的形成方式可以是采用传统的半导体微影蚀刻技术。而后，依序重复堆迭第一图案化金属层320与第二图案化金属层330的步骤，则可形成如图3D所绘示的实施态样。最后，将前述的微透镜240形成于感光元件230的上方并分别对应光通道，如此便完成图2B的在感光元件230上制作微透镜240的步骤。值得一提的是，堆迭后的第一图案化金属层320与第二图案化金属层330即为前述的不透光堆迭层254而透光材料层252则用作为光通道C。

此外，请参照图4A-图4E，其显示图2B的使用微透镜的感光元件的制作方法的另一示意图，其同样先提供感光元件230（图4A）；接着，在所述感光元件230上形成保护层310；接着，依序形成透光材料层252（图4B）、不透光堆迭层320（图4C）、另一个透光材料层252（图4D）、另一个不透光堆迭层330（图4E）、反复堆迭后则可形成如图3D的结构。最后再于挡光堆迭层250上形成多个微透镜240以完成本发明的使用微透镜的感光元件。本实施例同样可采用传统的半导体微影蚀刻技术来形成所述透光材料层252、所述不透光堆迭层320、所述透光材料层252以及所述不透光堆迭层330，故于此不再赘述。

总而言之，本实施例的使用微透镜的感光元件的制作方法包含下列步骤：提供感光元件（步骤S₄₁）；在所述感光元件上形成保护层（步骤S₄₂）；在所述保护层上形成至少二层图案化金属层以形成多个光通道（步骤S₄₃）；以及形成多个微透镜对应所述光通道（步骤S₄₄），如图5所示；其中，本实施例的详细实施方式如图3A-3D、图4A-4E和其相关说明，故于此不再赘述。必需说明的是，虽然图3A-3D以及图4A-4E中，第一图案化金属层320与第二图案化金属层330显示为具有不同形状和尺寸，但其并非用以限制本发明；另一实施例中，第一图案化金属层320与第二图案化金属层330也可大致相同。

必需说明的是，虽然图2B和2C中显示有5层不透光堆迭层254，但本发明并不以此为限，例如可为2-5层。不透光堆迭层254的层数例如可根据感测范围、感光单元尺寸、微透镜形状等系统参数决定。

图2B和图2C中，微透镜240形成为非球对称，且部分微透镜240（即不位于感光元件320中心的微透镜）的重心较佳从相对应的感光单元232朝向远离感光元件230的中心的方向偏移一偏移距离以有效引导反射光束L1射入感光单元232，其中，搭配光通道C的倾斜角θ，所述偏移距离也与微透镜240至感光元件230的中心的距离成正相关。

另一实施例中，请参照图6，微透镜240也可形成为球对称，且所述微透镜240的重心（此时即为球心）较佳从相对应的感光单元232朝向远离感光元件230的中心的方向偏移一偏移距离；例如，图6中的偏移距离D1和D2。同理，搭配光通道C的倾斜角θ，偏移距离与微透镜240至感光元件230的中心的距离成正相关，例如距离D1>距离D2，以限制入射至感光单元232的反射光束L1的入射角度，例如入射角度θ1>入射角度θ2。

基于上述可知，本发明实施例的光学装置（如图2A）可通过在感光元件上配置有相对应的微透镜，如此将可有效地减少传统单一透镜的使用，从而可使光学装置在进行组装时更为容易且减少光学装置的整体尺寸，并可有效地降低光学装置的制作成本。另外，光学装置借由在相邻的感光单元的周边堆叠有挡光堆叠层（如图2B、图2C和图6），用以限制入射至各感光单元上的反射光束的入射角度，可达成判断物体移动的功能并减少杂散光或漏光的影响。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明权利要求和发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，都仍属本发明专利涵盖的范围。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所披露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻，并非用来限制本发明的权利范围。

Claims (16)

1.一种光学装置，用以检测物体，该光学装置包括：

基板；

发光元件，配置于所述基板上并适于提供光束；

感光元件，包含阵列排列的多个感光单元并配置于所述基板上以适于接收所述物体反射所述光束所形成的反射光束；

挡光堆迭层，以半导体微影蚀刻制程形成在所述感光元件上，该挡光堆迭层包含对应所述感光单元的朝向远离所述感光元件的中心的方向倾斜的多个光通道，用以限制入射至所述感光单元的所述反射光束的入射角度；以及

多个微透镜，设置于所述挡光堆迭层上方并分别对应所述光通道，

其中每一个所述感光单元对应多个所述光通道，且与相同的感光单元对应的光通道限制所述反射光束的入射角度为相同。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述挡光堆迭层位于所述微透镜与所述感光元件之间。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述挡光堆迭层包含透光材料层和不透光堆迭层，所述透光材料层用作所述光通道。

4.根据权利要求3所述的光学装置，其中所述不透光堆迭层由吸光材料形成。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述入射角度与所述光通道至所述感光元件的中心的距离成正相关。

6.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述微透镜为非球对称。

7.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述微透镜为球对称且所述微透镜的重心从相对应的所述感光单元朝向远离所述感光元件的中心的方向偏移一偏移距离。

8.根据权利要求7所述的光学装置，其中所述偏移距离与所述微透镜至所述感光元件的中心的距离成正相关。

9.根据权利要求1-8中任一项权利要求所述的光学装置，其中每一个所述感光单元包含至少一个光二极体。

10.一种使用微透镜的感光元件的制作方法，该制作方法包括：

提供感光元件，其中所述感光元件包含阵列排列的多个感光单元；

在所述感光元件上形成保护层；

在所述保护层上以半导体微影蚀刻制程形成至少二层图案化金属层，该至少二层图案化金属层用以形成多个光通道，其中所述光通道分别对应所述感光单元；且部分所述光通道朝向远离所述感光元件的中心的方向倾斜一倾斜角以限制入射至所述感光单元的光束的入射角度，每一个所述感光单元对应多个所述光通道，且与相同的感光单元对应的光通道限制所述光束的入射角度为相同；以及

形成对应所述光通道的多个微透镜。

11.根据权利要求10所述的制作方法，其中所述倾斜角与所述光通道至所述感光元件的中心的距离成正相关。

12.根据权利要求10所述的制作方法，其中部分所述微透镜的重心从相对应的所述感光单元朝向远离所述感光元件的中心的方向偏移一偏移距离。

13.根据权利要求12所述的制作方法，其中所述偏移距离与所述微透镜至所述感光元件的中心的距离成正相关。

14.一种使用微透镜的感光元件，该感光元件包括：

多个感光单元，以阵列排列；

挡光堆叠层，以半导体微影蚀刻制程形成在所述感光单元上并包含分别对应所述感光单元的多个光通道，其中一部分所述光通道朝向远离阵列中心的方向倾斜一倾斜角以限制入射至所述感光单元的光束的入射角度，每一个所述感光单元对应多个所述光通道，且与相同的感光单元对应的光通道限制所述光束的入射角度为相同；以及

多个微透镜，设置在所述挡光堆迭层上并分别对应所述光通道。

15.根据权利要求14所述的感光元件，其中所述倾斜角与所述光通道至所述感光单元的中心的距离成正相关。

16.根据权利要求14所述的感光元件，其中所述微透镜的重心从相对应的所述感光单元朝向远离所述感光单元的中心的方向偏移一偏移距离。