CN113690330A - 光感测模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光感测模块，包括光电二极管阵列基板、距离增加层及聚光元件阵列。光电二极管阵列基板包括多个呈阵列排列的感光单元及线路区。线路区配置于这些感光单元周边，其中每一感光单元包括多个相邻的且呈阵列排列的光电二极管。距离增加层配置于光电二极管阵列基板上。聚光元件阵列配置于距离增加层上，且包括排成阵列多个聚光元件。来自外界的反射光分别被这些聚光元件会聚于这些感光单元上。

Description

光感测模块
技术领域
本发明涉及一种感测模块，且特别是涉及一种光感测模块。
背景技术
随着光电技术的发展，各种光电传感器被发展出来，包括光雷达(LiDAR)的传感器、飞行时间测距传感器(time-of-flight ranging sensor)或影像传感器。在光雷达的传感器或飞行时间测距传感器中，有一种技术是采用单光子雪崩二极管(single photonavalanche diode,SPAD)阵列基板来量测光的飞行时间。
在习知的单光子雪崩二极管中，排成阵列的感光单元的每一个的周围围绕有相当大的宽度的周边线路，当镜头将来自外界的反射光成像于感光单元外的周边线路时，这部分的光将无法被感测而导致浪费。此外，这部分的光在外在空间所对应的位置处将形成无法被感测的盲区，导致采用上述单光子雪崩二极管阵列基板的感测模块在外在空间中的感测范围并不连续，而是有多个彼此分离的盲区存在。当待测物体恰好落在盲区的位置时，将无法感测到待测物体的距离。
发明内容
本发明是针对一种光感测模块，其具有较高的收光效率，且可有效解决周边线路造成的盲区问题。
本发明的一实施例提出一种光感测模块，包括单光子雪崩二极管阵列基板、距离增加层及聚光元件阵列。单光子雪崩二极管阵列基板包括多个呈阵列排列的感光单元及线路区。线路区配置于这些感光单元周边，其中每一感光单元包括多个相邻的且呈阵列排列的单光子雪崩二极管。距离增加层配置于单光子雪崩二极管阵列基板上，且覆盖这些感光单元或感光单元及在其周边的部分线路区。聚光元件阵列配置于距离增加层上，且包括排成阵列多个聚光元件。来自外界的反射光分别被这些聚光元件会聚于这些感光单元上，且每一聚光元件覆盖对应的感光单元及在其周边的部分线路区。
本发明的一实施例提出一种光感测模块，包括光电二极管阵列基板、距离增加层及聚光元件阵列。光电二极管阵列基板包括多个呈阵列排列的感光单元及线路区。线路区配置于这些感光单元周边，其中每一感光单元包括多个相邻的且呈阵列排列的光电二极管，其中这些感测单元的面积与线路区的面积的比值是落在20％至80％的范围内。距离增加层配置于光电二极管阵列基板上。聚光元件阵列配置于距离增加层上，且包括排成阵列多个聚光元件。每一聚光元件覆盖对应的感光单元及在其周边的部分线路区。
在本发明的实施例的光感测模块中，采用了配置于距离增加层上的聚光元件阵列，每一聚光元件覆盖对应的感光单元及在其周边的部分线路区，且来自外界的反射光分别被这些聚光元件会聚于这些感光单元上。因此，来自外界的反射光能够被感光单元有效地感测，而较不会照射在周边的线路区上而造成无效的感测，也因此有效避免了周边的线路区在空间中产生盲区的问题。如此一来，本发明的实施例的光感测模块便能够具有较高的收光效率，且可有效解决周边线路造成的盲区问题。
附图说明
图1为本发明的一实施例的光感测模块的剖面示意图。
图2为图1中的一个聚光元件将来自外界的反射光会聚于一个对应的感光单元的剖面示意图。
图3为图1中的光电二极管阵列基板的正视示意图。
图4A是图1的光感测模块的对照组的光路示意图，其中此对照组不具有距离增加层与聚光元件阵列。
图4B绘示了在图4A的对照组中加了一个聚光元件及其下的距离增加层后的光路变化。
图5为图4A的光感测模块的对照组在采用不同的半导体制程时所产生的盲区宽度与物距的关系图。
图6A与图6B为绘示聚光元件与距离增加层在设计时的一些参数的剖面示意图。
图7为图1中的一个聚光元件的变型将来自外界的反射光会聚于一个对应的感光单元的剖面示意图。
图8A绘示了图2的结构的上视示意图。
图8B是图8A的结构的另一种变形。
图9为本发明的另一实施例的光感测模块的剖面示意图。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
图1为本发明的一实施例的光感测模块的剖面示意图，图2为图1中的一个聚光元件将来自外界的反射光会聚于一个对应的感光单元的剖面示意图，而图3为图1中的光电二极管阵列基板的正视示意图。请参照图1至图3，本实施例的光感测模块100包括光电二极管阵列基板200、距离增加层110及聚光元件阵列120。光电二极管阵列基板200包括多个呈阵列排列的感光单元210及线路区220，线路区220配置于这些感光单元210周边，其中每一感光单元210包括多个相邻的且呈阵列排列的光电二极管212。
举例而言，每一感光单元210包括多个相邻的且呈阵列排列的像素211，而每一像素211的感光元件为一个光电二极管212。在本实施例中，光电二极管阵列基板200例如为单光子雪崩二极管阵列基板，而光电二极管212例如为单光子雪崩二极管，但本发明不以此为限。这些感测单元的面积与线路区的面积的比值是落在20％至80％的范围内。线路区220中的线路可包括用以驱动光电二极管212的驱动线路及用以接收来自光电二极管210的感测讯号的线路，且亦可包括其他光电二极管阵列基板200运作时所需用到的线路及电子元件(例如晶体管、电容或电阻等)。
与影像传感器的所有像素是以等节距(pitch)设置不同的是，光电二极管阵列基板200包括多个感测单元201，每一感测单元201包括感光单元210及线路区220，光电二极管阵列基板200中的像素211是分为分别对应至这些感光单元210的多群像素211，每一群像素211的节距(pitch)例如为P1，但相邻两群像素211之间的间距(即线路区220在相邻二个感光单元210之间的部分的宽度W1，也就是相邻两感光单元210的间距)则会比较大，亦即节距P1小于宽度W1。此外，在本实施例中，在本实施例中，每一感测单元201的感光单元210的这些成阵列排列的光电二极管212的整体被线路区220所围绕。在本实施例中，光电二极管阵列基板200可以用来作为光雷达(LiDAR)的光传感器或飞行时间测距传感器中的光传感器，但本发明不以此为限。
距离增加层110配置于光电二极管阵列基板200上。聚光元件阵列120配置于距离增加层110上，且包括排成阵列多个聚光元件122。来自外界的反射光50分别被这些聚光元件122会聚于这些感光单元210上，且来自外界的反射光50依序通过这些聚光元件122及距离增加层110而传递至这些感光单元210。
在本实施例中，光感测模块100还包括镜头130，配置于聚光元件阵列120上方，以将来自外界的反射光50成像于光电二极管阵列基板100上。也就是说，来自外界的反射光50依序穿透镜头130、聚光元件阵列120及距离增加层110而传递至这些感光单元210上。镜头130可包括至少一透镜，而至少一透镜可包括至少一凸透镜。
在本实施例中，每一聚光元件122为透镜，例如为凸透镜。由图2可看出，来自外界的反射光50分别被这些聚光元件122会聚于这些感光单元210上，而不会照射在周边的线路区220上而造成无效的感测。因此，本实施例的光感测模块100能够具有较高的收光效率。在本实施例中，每一聚光元件122覆盖于一个感测单元201上，即覆盖对应的感光单元210及在其周边的部分线路区220。在本实施例中，每一聚光元件122在光电二极管阵列基板100的正投影面积与对应的感测单元201的面积的比值是落在0.5至1.0的范围内。
图4A是图1的光感测模块的对照组的光路示意图，其中此对照组不具有距离增加层与聚光元件阵列。图4B绘示了在图4A的对照组中加了一个聚光元件及其下的距离增加层后的光路变化。如图4A所绘示，感光单元210可包括感光单元2101、2102、2103及2104(以此四个感测单元201的感光单元210为例进行说明，但本发明不以此为限)，在离光感测模块的对照组100a的一定距离处(例如5米处)的区域Z1、Z2、Z3及Z4所发出的光50会被镜头分别会聚至感光单元2101、2102、2103及2104。然而，在区域Z1与区域Z2之间、区域Z2与区域Z3之间及区域Z3与区域Z4之间存在着三个盲区DZ。当待测物位于盲区DZ中，来自待测物的光将无法传递至感光单元210而被感测，而是被镜头130传递至线路区220，而无法被感测。如此一来，光感测模块的对照组100a将无法感测位于盲区DZ中的物体，进而无法计算位于盲区DZ中的物体的距离，甚至在测距的应用上造成了外在环境的误判。
Figure BDA0003254829240000051
Figure BDA0003254829240000052
上的感测单元数。其中，a是每一感光单元210的边长S1与感测单元201的节距P(等同于感光单元210的节距P)的比值，FOV为镜头130的视场角，物距是镜头130到区域Z1～Z4的距离，而水平方向上的感測單元数在图4A中为4。
而如图4B所绘示，当在感光单元2104上加入了聚光元件122与距离增加层110后，原本的区域Z4将从旁多出了一段延伸区域EZ而扩展为区域Z4’。如果没有加入聚光元件122，延伸区域EZ的位置就是在图4A的盲区DZ中，而此处的光会被投射至感光单元2104右边的线路区220中而无法被感测。然而，当加入聚光元件122后，来自延伸区域EZ的光50则会被聚光元件122会聚至感光单元2104的边缘区域，而被感光单元2104所感测。若在感光单元2101、2102及2103上也可入了距离增加层110与聚光元件122时，原本图4A中的区域Z1、区域Z2及区域Z3也会被分别扩展成如图4B的区域Z1’、区域Z2’及区域Z3’。其中，区域Z1’、区域Z2’、区域Z3’及区域Z4’是连成一片的，也就是区域Z1’、区域Z2’、区域Z3’及区域Z4’的每相邻两者之间没有盲区的存在。如此一来，便能够有效避免了周边的线路区220在空间中产生盲区的问题，特别是当光感测模块100应用于测距时能有效避免对外在环境的误判。
请再参照图1、图2与图3，在本实施例中，每一感光单元210的边长S1是落在20μm至80μm的范围内，且相邻二个感光单元210的间距(即上述宽度W1)是落在15μm至50μm的范围内。距离增加层110为透明层，例如是对感光单元210所欲侦测的来自外界的反射光50而言是透明的膜层，且距离增加层110的厚度T1与这些聚光元件122的焦距的比值落在0.2至0.8的范围内。在一实施例中，距离增加层110的厚度是落在20微米至50微米的范围内。距离增加层110可用以增加聚光元件122与感光单元210之间的距离，以达到对来自外界的反射光50的良好的会聚效果。
在本实施例中，在偏离光电二极管阵列基板200的中心处，每一聚光元件122相对于对应的感光单元210往此中心处偏离，如图1所示，最边缘的聚光元件122相对于对应的感光单元210往此中心偏离了距离D1。此外，越靠近光电二极管阵列基板200的边缘处的聚光元件122相对于对应的感光单元210往此中心偏离的程度越大。如此一来，便能够使来自镜头130的斜向入射的光50准确地会聚于感光单元210中。
图5为图4A的光感测模块的对照组在采用不同的半导体制程时所产生的盲区宽度与物距的关系图。请参照图3、图4A与图5，图5中的“.13μm制程1”是指采用.13微米半导体制程来制造光电二极管阵列基板200，其中感光单元210的边长S1与相邻二个感光单元210的间距(即上述宽度W1)的比值为72/30，而“.13μm制程2”是指采用.13微米半导体制程来制造光电二极管阵列基板200，其中感光单元210的边长S1与相邻二个感光单元210的间距(即上述宽度W1)的比值为50/75。此外，“40nm制程”所指的是指采用40纳米半导体制程来制造光电二极管阵列基板200所得到的数据。由图5可明显看出，随着物距越大，制程越低阶，盲区越大。因此，本实施例采用聚光元件阵列120的光感测模块100亦可适用于较低阶的半导体制程，以在避免盲区产生的同时，又能够有效降低制造成本。
聚光元件阵列120在设计时的优值(figure of merit,FoM)可定义为DZW/物距，其中
Figure BDA0003254829240000061
上的感测单元数。在直接飞行时间(direct time-of-flight)测距多区域传感器的应用中，优值通常需小于4％才能符合产品需求。本实施例的聚光元件阵列120的设计可以达到优值小于1％，而可以不需利用更高阶的半导体制程来开发，可节省产品成本，提高竞争优势。举例而言，当产品规格的FOV为62度(对角线方向)，水平方向的感測單元数为8，则优值可以表示为FoM＝0.1×(1-a)。落产品规格FoM<1％，即在5米处DZW<5cm，由以上关系式可得a＝0.9(即有效感光单元210宽度为0.9倍的感测单元201)，所以聚光元件122的直径设计大于90％的这些感测单元201的节距P(等同于感光单元210的节距P)，即可达到FoM<1％的产品规格。一般直接飞行时间测距多区域产品的节距P的设计通常落在50微米至100微米的范围内，所以视FoM的规格而定，聚光元件122的直径约落在40微米至100微米的范围内。
请再参照图2，为了使聚光元件122达到较佳产品性能，可采用距离增加层110。距离增加层110可定义为聚光元件122底部至感光单元210的这段距离中的膜层，其可包括半导体制程中的金属间介电层(inter-metal dielectric,IMD)及其他光让光50透过的膜层。距离增加层110可配合聚光元件122与感光单元210的至少两个像素211(甚至是至少四个像素211)作最佳设计，通常距离增加层110的厚度T1大致满足T1＝F×(D-S1)-h，其中F为聚光元件122的光圈数(f-number)，D为聚光元件122的直径，h为聚光元件122的厚度，而S1为感光单元210的边长。其中，上述关系是假设聚光元件122和距离增加层110的材料的折射率一样(都近似于1.5)。因聚光元件122会有像差及景深的考虑，距离增加层110的厚度T1和上式可以有20％的误差容许范围，也就是说聚光元件122与距离增加层110所形成的系统符合(F×(D-S1)-h)×0.8≦T1≦(F×(D-S1)-h)×1.2。一般聚光元件122的直径D约落在40微米至100微米的范围内，所以通常距离增加层110的厚度落在20微米至50微米的范围内。若各结构层材料有差异时则可再考虑因折射率差异所造成的光程差的差异,但亦可利用本原理推导出。
图6A与图6B为绘示聚光元件122与距离增加层110在设计时的一些参数的剖面示意图。请参照图2、图6A与图6B，上述T1＝F×(D-S1)-h的关系式是经由以上运算得来。
首先，F＝f/D…式1
其中，f为聚光元件122的焦距。
由图6A的三角关系可知，
Figure BDA0003254829240000071
其中R为聚光元件122(即透镜)的曲率半径，此式可整理成：
Figure BDA0003254829240000072
此外，
Figure BDA0003254829240000081
其中n为聚光元件122的折射率。
将式2代入式3可得：
Figure BDA0003254829240000082
由式4代入式1可得到聚光元件122系统的光圈数F。
此外，由图6B的三角几何关系可得：
Figure BDA0003254829240000083
因此，距离增加层110的厚度T1、感光单元210的边长S1及聚光元件122设计的光圈数F可表示为T1＝F×(D-S1)-h。
图7为图1中的一个聚光元件的变型将来自外界的反射光会聚于一个对应的感光单元的剖面示意图。请参照图1、图2与图7，在另一实施例中，图1与图2中的每一个聚光元件122都可以用图7的聚光元件122b来取代，而聚光元件122b为衍射光学元件(diffractiveoptical element,DOE)。聚光元件122b同样可以达到将来自外界的反射光50会聚于感光单元210的效果。
图8A绘示了图2的结构的上视示意图，而图8B是图8A的结构的另一种变形。请参照图8A，在图1至图3的实施例中，每一聚光元件122的上视图例如是呈圆形，如图8A所绘示。然而，在另一实施例中，如图8B所绘示，每一聚光元件122c的上视图也可以是呈方形。
图9为本发明的另一实施例的光感测模块的剖面示意图。请参照图9，本实施例的光感测模块100b类似于图1的光感测模块100，而两者的差异如下所述。光感测模块100b还包括光源140，用以发出光束142。光束142照射于外界的物体40后，被物体40反射成来自外界的反射光50。光源140可以是半导体雷射，而光束142例如是激光束。光源140、光电二极管阵列基板200、距离增加层110与聚光元件阵列120可配置于基板150上，且被壳体160所覆盖。壳体160上的开口162与开口164可分别被光束142与来自外界的反射光50通过。镜头130可配置于开口164中，而来自外界的反射光50依序经由镜头130、聚光元件阵列120及距离增加层110而传递至光电二极管阵列基板200。
光感测模块100b可还包括控制器170，电性连接至光源140与光电二极管阵列基板200，且用以根据光束142与光50的飞行时间或相位来计算出物体40的距离。也就是说，光感测模块100b可以是飞行时间测距装置或光雷达(LiDAR)。
在一实施例中，控制器170例如为中央处理单元(central processing unit,CPU)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor,DSP)、可程序化控制器、可程序化逻辑设备(programmable logic device,PLD)或其他类似装置或这些装置的组合，本发明并不加以限制。此外，在一实施例中，控制器170的各功能可被实作为多个程序代码。这些程序代码会被储存在一个内存中，由控制器170来执行这些程序代码。或者，在一实施例中，控制器170的各功能可被实作为一或多个电路。本发明并不限制用软件或硬件的方式来实作控制器170的各功能。
综上所述，在本发明的实施例的光感测模块中，采用了配置于距离增加层上的聚光元件阵列，每一聚光元件覆盖对应的感光单元及在其周边的部分线路区，且来自外界的反射光分别被这些聚光元件会聚于这些感光单元上。因此，来自外界的反射光能够被感光单元有效地感测，而较不会照射在周边的线路区上而造成无效的感测，也因此有效避免了周边的线路区在空间中产生盲区的问题。如此一来，本发明的实施例的光感测模块便能够具有较高的收光效率，且可有效解决周边线路造成的盲区问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (26)

1.一种光感测模块，其特征在于，包括：
单光子雪崩二极管阵列基板，包括：
多个呈阵列排列的感光单元；以及
线路区，配置于所述多个感光单元周边，其中每一感光单元包括多个相邻的且呈阵列排列的单光子雪崩二极管；
距离增加层，配置于所述单光子雪崩二极管阵列基板上，且覆盖所述多个感光单元；以及
聚光元件阵列，配置于所述距离增加层上，且包括排成阵列多个聚光元件，其中来自外界的反射光分别被所述多个聚光元件会聚于所述多个感光单元上，且每一聚光元件覆盖对应的感光单元及在其周边的部分所述线路区。
2.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，每一感光单元的所述多个呈阵列排列的单光子雪崩二极管的整体被所述线路区所围绕。
3.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，在每一感光单元中的所述多个单光子雪崩二极管的节距小于所述线路区在相邻二个感光单元之间的部分的宽度。
4.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，每一感光单元及在其周边的部分所述线路区形成感测单元，每一聚光元件在所述单光子雪崩二极管阵列基板的正投影面积与对应的感测单元的面积的比值是落在0.5至1.0的范围内。
5.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，还包括镜头，配置于所述聚光元件阵列上方。
6.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，每一感光单元的边长是落在20μm至80μm的范围内，且相邻二个感光单元的间距是落在15μm至50μm的范围内。
7.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，所述距离增加层为透明层，且所述距离增加层的厚度与所述多个聚光元件的焦距的比值落在0.2至0.8的范围内。
8.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，所述距离增加层的厚度是落在20微米至50微米的范围内。
9.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，每一聚光元件为透镜或衍射光学元件。
10.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，在偏离所述单光子雪崩二极管阵列基板的中心处，每一聚光元件相对于对应的感光单元往所述中心处偏离。
11.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，所述光感测模块符合(F×(D-S1)-h)×0.8≦T1≦(F×(D-S1)-h)×1.2，其中T1为所述距离增加层的厚度，F为每一聚光元件的光圈数，D为每一聚光元件的直径，S1为每一感光单元的边长，且h为每一聚光元件的厚度。
12.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，每一聚光元件的上视图呈圆形或方形。
13.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，每一聚光元件的直径落在40微米至100微米的范围内。
14.一种光感测模块，其特征在于，包括：
光电二极管阵列基板，包括：
多个呈阵列排列的感光单元；以及
线路区，配置于所述多个感光单元周边，其中每一感光单元包括多个相邻的且呈阵列排列的光电二极管，其中所述多个感光单元的面积与所述线路区的面积的比值是落在20％至80％的范围内；
距离增加层，配置于所述光电二极管阵列基板上；以及
聚光元件阵列，配置于所述距离增加层上，且包括排成阵列多个聚光元件，其中每一聚光元件覆盖一个感光单元及在其周边的部分所述线路区。
15.根据权利要求14所述的光感测模块，其特征在于，每一感光单元的所述多个呈阵列排列的光电二极管的整体被所述线路区所围绕。
16.根据权利要求14所述的光感测模块，其特征在于，在每一感光单元中的所述多个光电二极管的节距小于所述线路区在相邻二个感光单元之间的部分的宽度。
17.根据权利要求14所述的光感测模块，其特征在于，每一感光单元及在其周边的部分所述线路区形成感测单元，每一聚光元件在所述光电二极管阵列基板的正投影面积与对应的感测单元的面积的比值是落在0.5至1.0的范围内。
18.根据权利要求14所述的光感测模块，其特征在于，还包括镜头，配置于所述聚光元件阵列上方。
19.根据权利要求14所述的光感测模块，其特征在于，每一感光单元的边长是落在20μm至80μm的范围内，且相邻二个感光单元的间距是落在15μm至50μm的范围内。
20.根据权利要求14所述的光感测模块，其特征在于，所述距离增加层为透明层，且所述距离增加层的厚度与所述多个聚光元件的焦距的比值落在0.2至0.8的范围内。
21.根据权利要求14所述的光感测模块，其特征在于，所述距离增加层的厚度是落在20微米至50微米的范围内。
22.根据权利要求14所述的光感测模块，其特征在于，每一聚光元件为透镜或衍射光学元件。
23.根据权利要求14所述的光感测模块，其特征在于，在偏离所述光电二极管阵列基板的中心处，每一聚光元件相对于对应的感光单元往所述中心处偏离。
24.根据权利要求14所述的光感测模块，其特征在于，所述光感测模块符合(F×(D-S1)-h)×0.8≦T1≦(F×(D-S1)-h)×1.2，其中T1为所述距离增加层的厚度，F为每一聚光元件的光圈数，D为每一聚光元件的直径，S1为每一感光单元的边长，且h为每一聚光元件的厚度。
25.根据权利要求14所述的光感测模块，其特征在于，每一聚光元件的上视图呈圆形或方形。
26.根据权利要求14所述的光感测模块，其特征在于，每一聚光元件的直径落在40微米至100微米的范围内。
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