CN113874688A - 减少光学传感器模块中的光学串扰 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括基板、安装在基板上的光发射器和安装在基板上的光接收器，所述光接收器包括光敏区域。所述基板包括一个或多个挡光孔，所述一个或多个挡光孔被布置为防止由所述光发射器产生的至少一些光行进穿过所述基板而由此在所述光接收器中生成光学串扰。

Description

减少光学传感器模块中的光学串扰
技术领域
本公开涉及减少光学传感器模块中的光学串扰。
背景技术
各种类型的光学传感器模块(诸如光学接近传感器模块、环境光传感器模块、测距传感器模块(诸如飞行时间(TOF)传感器模块)、2D成像传感器模块和3D成像传感器模块(诸如结构光传感器模块))可以集成到智能型手机和其它便携式运算设备中。许多这些传感器模块包括光发射器和光传感器两者以执行它们的功能。对于许多应用，期望避免从光发射器到光传感器的内部串扰。
发明内容
本公开描述用于减少光学传感器模块中的光学串扰的技术。
例如，在一个方面中，本公开描述一种装置，其包括基板、安装在基板上的光发射器和安装在基板上的光接收器，该光接收器包括光敏区域。该基板包括一个或多个挡光孔，这些当光孔被布置为防止由该光发射器产生的至少一些光行进穿过该基板而由此在该光接收器中生成光学串扰。
一些实施方案包括以下特征中的一个或多个。例如，在一些示例中，该一个或多个挡光孔中的至少一个不用于电气功能。该基板还包括提供电气功能一个或多个导电孔。在一些情况下，基板包括印刷电路板。例如，挡光孔可包括铜。挡光孔可以采取多种形式，诸如贯通电镀孔、盲孔或埋孔。在一些实施方案中，光发射器包括LED、激光器二极管、VCSEL或边缘发射激光器中的至少一个，且光敏区域包括光电二极管或空间上分布的光敏元件的阵列中的至少一个。在一些示例中，基板包括多个挡光孔，这些挡光孔被布置为防止由光发射器产生的至少一些光行进穿过基板以在光接收器中生成光学串扰。
在另一方面中，本公开描述一种方法，其包括针对包括安装在基板上的光发射器和光接收器的光学封装设计执行计算机仿真。该计算机仿真识别穿过基板的以下一个或多个路径：由该光发射器产生的一些光可能沿该一个或多个路径行进并入射在光接收器上。该方法还包括在基板中形成至少一个挡光孔。该至少一个挡光孔被布置为在光发射器和光接收器安装在基板上时防止由该光发射器产生的至少一些光行进穿过基板而由此在光接收器中生成光学串扰。
一些实施方案包括以下特征中的一个或多个。例如，在一些示例中，在基板上形成至少一个挡光孔包括在基板上形成孔洞并用铜电镀该孔洞。基板可以包括印刷电路板。在一些情况下，该至少一个挡光孔不用于电气功能。该至少一个挡光孔可以采取多种形式，诸如贯通电镀孔、盲孔或埋孔。在一些实施方案中，该方法包括在该基板中形成多个挡光孔，其中这些挡光孔被布置为在光发射器和光接收器安装在基板上时防止由光发射器产生的至少一些光行进穿过基板而由此在光接收器中生成光学串扰。
在一些实施方案中，这些挡光孔可以使用如用于形成电气孔的相同技术制作。因此，在一些情况下，这些挡光孔可以并入印刷电路板中而无需额外的制造步骤。
其它方面、特征和优势将从以下实施方式、附图和权利要求中易于了解。
附图说明
图1是光电子封装的横截面视图。
图2是图1的光电子封装的分解图。
图3示出印刷电路板中的各种类型的挡光孔。
图4A和图4B示出挡光孔可以如何减少内部光学串扰的示例。
图5是方法的流程图。
具体实施方式
图1和图2示出包括光发射通道102和光检测通道104的光电子封装100的示例。例如，一个或多个光发射器106和光接收器108可以安装在印刷电路板(PCB)或其它基板110上。每个光发射器106可操作为发射特定波长或波长范围内的光。在一些实施方案中，每个光发射器106可以实施为发光二极管(LED)、激光器二极管、垂直腔面发射激光器(VCSEL)或边缘发射激光器(EEL)。
可以为通道102、104中的每一个提供各自的模制透镜114、116。来自(一个或多个)光发射器106的光可操作为通过透镜114被引导出封装100。在一些应用(例如，接近感测)中，一些光可由封装外部的对象朝检测通道104反射，其中光可在穿过透镜116之后被光接收器108感测。
例如，光接收器108可以包括光电探测器(例如，任何种类的光电二极管或空间上分布的光敏元件的阵列(例如，SPAD))，且也可以包括逻辑和其它电子装置(例如，电子控制单元)以读取和处理来自光电探测器的信号。图2指示接收器108的光敏区域109。例如，传感器的电子控制电路可以实施为具有适当数字逻辑和/或其它硬件组件(例如，读出寄存器；放大器；模数转换器；时钟驱动器；时序逻辑；信号处理电路；微处理器；和/或诸如I2C或SPI的接口)的一个或多个半导体芯片中的一个或多个集成电路。控制和处理电路以及相关联的存储器可以与光接收器108驻留在同一半导体芯片中，或驻留在一个或多个其它半导体芯片中。在一些示例中，控制和处理电路可以在封装100的外部；例如，控制和处理电路可以集成到封装100所布置的主机设备的处理器中。
在发射器通道102和接收器通道104上方具有各自孔隙124、126(见图2)的壳体120可以横向围绕这些通道，且也可以充当封装100的罩盖。例如，壳体120可由对于由(一个或多个)发射器106产生的光的(一个或多个)波长实质上不透明的环氧树脂或其它聚合物材料组成。在一些应用中，发射器106可操作为产生红外(IR)光；在一些实施方案中，发射器中的一个或多个可操作为产生可见或紫外(UV)光谱范围内的光。在一些情况下，壳体120的内壁122部分有助于在光发射通道102与光检测通道104之间提供光学隔离。
例如，(一个或多个)发射器106和光接收器108可以通过导电垫和/或引线键合电连接至PCB 110。图2示出上方可安装光发射器126的晶粒垫128的示例。图2也示出用于(例如，经由引线键合)到接收器108上的导电垫132的电连接的PCB 110上的导电垫130的示例。
PCB 110继而可以电连接到主机设备(例如，智能型手机或其它便携式运算设备)内的其它组件。本公开中提及的智能型手机和其它便携式运算设备的设计可以包括一个或多个处理器、一个或多个存储器(例如，RAM)、储存器(例如，磁盘或闪存)、用户接口(其可以包括，例如，小键盘、TFT LCD或OLED显示屏幕、触控或其它手势传感器、相机或其它光学传感器、罗盘传感器、3D磁力计、三轴加速度计、三轴陀螺仪、一个或多个麦克风等，以及用于提供图形用户接口的软件指令)、这些组件之间的互连(例如，总线)以及用于与其它设备通信的接口(其可以是无线的，诸如GSM、3G、4G、CDMA、WiFi、WiMax、Zigbee或蓝牙，和/或有线的，诸如通过以太网局域网、T-1因特网连接等)。
尽管壳体120的内壁122部分可有助于在光发射通道102与光检测通道104之间提供光学隔离，但在一些示例中，如果没有采取合适的措施，PCB 110可为(一个或多个)发射器106与接收器108的光敏区域109之间的内部光学串扰提供额外路径。在PCB或其它基板110由允许基板110充当可将光从(一个或多个)发射器106耦合至接收器108的波导的材料组成的情况下，这可能尤其有问题。通过PCB或其它基板110的交叉耦合可以是由(一个或多个)发射器106产生的光直接被引导至PCB或其它基板中的结果，或可能是由一些发射器光，例如，因(一个或多个)发射器106上方的孔隙124的存在而被反射所致。
为减少或消除由(一个或多个)发射器106产生的光行进穿过PCB或其它基板110到接收器的光敏区域109的潜在路径，可在PCB或其它基板110中设置一个或多个挡光孔140(见图2)。挡光孔140可以形成在PCB或其它基板110内的位置处，以与以下路径相交：来自(一个或多个)发射器106的光否则将沿着该(一个或多个)路径行进以到达接收器108的光敏区域109。挡光孔140因此阻挡由(一个或多个)发射器106产生且行进穿过PCB或其它基板110的光，其中在无(一个或多个)挡光孔的情况下，光将入射到接收器108上。
例如，PCB或其它基板110内部的挡光孔140的理想位置可以基于针对特定封装设计的计算机仿真来确定。可以针对每个发射器106执行这些仿真以确定是否可能存在穿过PCB或其它基板110的供显著光学串扰发生的路径，并且如果是，则确定应设置多少孔140，以及它们在PCB或其它基板内的精确定位。
PCB或其它基板110可以包括两个不同组的孔：(i)第一组，其提供PCB的不同导电层之间的电连接且提供到或来自安装在PCB上的组件(例如，(一个或多个)光发射器106和接收器108)的电连接，和(ii)第二组，其提供挡光功能以减少(一个或多个)光发射器106与接收器108之间的内部光学串扰。在一些示例中，两个组的孔之间可能存在部分或完全重迭。因此，一些或所有孔可提供电气功能以及挡光功能两者。在其它示例中，至少一些孔提供挡光功能，但不用于电气功能。
在一些示例中，PCB 110是由玻璃纤维、复合环氧树脂或其它层压材料组成的薄板。导电通路可以被蚀刻或印刷在该板上，从而电连接PCB上的不同组件。挡光孔140的形成可与用于形成连接例如，通过不导电(例如，介电)材料的层彼此分离的PCB的不同金属层的导电(例如，铜)孔的技术一致。因此，挡光孔140可通过在指定位置处(例如，通过激光器钻孔)提供部分或完全穿过PCB 110的孔洞，以及用铜电镀或填充孔洞(部分或完全)来形成。
图3示出可充当挡光孔140的孔140A至140F的不同示例。在一些情况下，通过电镀(例如，铜)使用作孔的孔洞导电。例如，孔140A是贯通电镀孔，而盲孔140B、140C仅分别曝露于PCB 110的侧上。埋孔140D连接内层而不曝露在PCB 110的任一表面上。对于加篷(tented)孔或加盖孔140E，孔洞覆盖有阻焊剂。对于堵塞的孔140F，孔洞被密封。在一些实施方案中，所有挡光孔140为相同类型。在其它情况下，一些挡光孔140可能为第一类型，而其它挡光孔140可能为第二、不同类型。
图4A和图4B示出(一个或多个)挡光孔140的存在可以如何有利于减少内部光学串扰的示例。如图4A所示，在没有挡光孔的情况下，由发射器106产生的一些光148可以例如，被透镜114反射回PCB 110。反射光150继而可在PCB 110内部被反射，使得其入射在光接收器108上，并且具体地，入射在接收器的光敏区域109上。另一方面，如图4B所示，一个或多个挡光孔140的存在可以与光路径相交以阻挡光150，并且防止其到达光接收器108。在一些示例中，挡光(例如，铜)平面可以设置在顶部和/或底部基板层上以用于进一步遮光且有助于减少光学封装系统内的光学串扰。
图5是示出根据本公开的方法中的操作的流程图。如200处所指示的，该方法包括针对包括安装在基板(例如，PCB)上的光发射器和光接收器的光学封装设计执行计算机仿真。该计算机仿真识别穿过该基板的一个或多个以下路径：由光发射器产生的一些光可能沿该一个或多个路径行进并入射在该光接收器上。如202处所指示的，该方法还包括在基板中形成至少一个挡光孔，其中该至少一个挡光孔被布置为在光发射器和光接收器安装在该基板上时防止由光发射器产生的至少一些光行进穿过该基板而由此在光接收器中生成光学串扰。
当确定挡光孔140在PCB或其它基板110中的放置时，应注意避免产生电短路，这些电短路可能干扰或中断封装100中的组件的适当电气操作。另一方面，用于放置具有电气功能的孔的设计规则可能不适用于仅具有挡光功能但不具有电气功能的孔140。因此，在一些示例中，与使用用于放置具有一电气功能的孔的设计规则可能允许的相比，多个孔140可能被放置为更靠近彼此。
各种修改在本公开的精神内将易于了解。因此，其它实施方案在发明申请专利范围的范畴内。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
基板；
光发射器，安装在所述基板上；和
光接收器，安装在所述基板上，所述光接收器包括光敏区域；
其中，所述基板包括一个或多个挡光孔，所述一个或多个当光孔被布置为防止由所述光发射器产生的至少一些光行进穿过所述基板而由此在所述光接收器中生成光学串扰。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个挡光孔中的至少一个不用于电气功能。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述基板还包括提供电气功能的一个或多个导电孔。
4.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述基板包括印刷电路板。
5.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个挡光孔包括铜。
6.根据前述权利要求1-5中任一权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个挡光孔是贯通电镀孔。
7.根据前述权利要求1-5中任一权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个挡光孔是盲孔。
8.根据前述权利要求1-5中任一权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个挡光孔是埋孔。
9.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述光发射器包括LED、激光器二极管、VCSEL或边缘发射激光器中的至少一个，且所述光敏区域包括光电二极管或空间上分布的光敏元件的阵列中的至少一个。
10.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述基板包括多个挡光孔，所述多个挡光孔被布置为防止由所述光发射器产生的至少一些光行进穿过所述基板以在所述光接收器中生成光学串扰。
11.根据前述任一权利要求所述的装置，包括所述基板的顶部或底部的至少一个上的挡光平面。
12.一种方法，包括：
针对包括安装在基板上的光发射器和光接收器的光学封装设计执行计算机仿真，其中所述计算机仿真识别穿过所述基板的一个或多个以下路径：由所述光发射器产生的一些光可能沿着所述一个或多个路径行进并入射在所述光接收器上；和
在所述基板中形成至少一个挡光孔，其中所述至少一个挡光孔被布置为在所述光发射器和所述光接收器安装在所述基板上时防止由所述光发射器产生的至少一些光行进穿过所述基板而由此在所述光接收器中生成光学串扰。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述基板中形成至少一个挡光孔包括在所述基板中形成孔洞并用铜电镀所述孔洞。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述基板包括印刷电路板。
15.根据前述权利要求12-14中任一权利要求所述的方法，其中，所述至少一个挡光孔不用于电气功能。
16.根据前述权利要求12-14中任一权利要求所述的方法，其中，所述至少一个挡光孔包括铜。
17.根据前述权利要求12-16中任一权利要求所述的方法，其中，所述至少一个挡光孔包括贯通电镀孔。
18.根据前述权利要求12-16中任一权利要求所述的方法，其中，所述至少一个挡光孔包括盲孔。
19.根据前述权利要求12-16中任一权利要求所述的方法，其中，所述至少一个挡光孔包括埋孔。
20.根据前述权利要求12-19中任一权利要求所述的方法，包括在所述基板中形成多个挡光孔，其中，所述挡光孔被布置为在所述光发射器和所述光接收器安装在所述基板上时防止由所述光发射器产生的至少一些光行进穿过所述基板而由此在所述光接收器中生成光学串扰。
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