CN115685230A - Tof光学感测模块 - Google Patents

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Abstract

一种TOF光学感测模块，包括基板、帽盖和收发单元。帽盖包括本体、以及与本体连接的发射窗、接收窗、隔板结构和至少一个凸出结构。本体与基板共同定义出一腔体，本体具有面向基板和腔体的下表面，凸出结构自下表面朝向腔体内凸出。收发单元位于腔体中，隔板结构位于下表面与基板之间，以配合收发单元将腔体分隔成与发射窗和接收窗分别对应的发射腔体和接收腔体，收发单元用于在发射腔体内发射测量光，并在接收腔体内通过接收窗接收感测光，全部凸出结构位于发射腔体内，以对在发射腔体内朝接收腔体行进的测量光进行反射及/或吸收。本公开的TOF光学感测模块与现有技术相比，对目标物距离的测量准确性更高。

Description

TOF光学感测模块
相关申请
本公开要求于2022年4月19日提交的美国临时专利申请号63/332,280的优先权，并内容以引用方式整体并入本文。
技术领域
本公开是有关于一种飞行时间(Time Of Flight,TOF)光学感测模块。
背景技术
现今的智能电话、平板电脑或其他手持装置搭配有光学模块，来达成手势检测、三维(3D)成像或接近检测或者相机对焦等功能。操作时，TOF感测器向场景中发射近红外光，利用光的飞行时间信息，测量场景中物体的距离。TOF感测器的优点是深度信息计算量小，抗干扰性强，测量范围远，因此已经渐渐受到青睐。
TOF感测器的核心组件包含：光源，特别是红外线垂直共振腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)；光感测器，特别是单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)；以及时间至数字转换器(Time to DigitalConverter,TDC)。SPAD是一种具有单光子探测能力的光电探测雪崩二极管，只要有微弱的光信号就能产生电流。TOF感测器中的VCSEL向场景发射红外脉冲光，SPAD接收从目标物体反射回来的红外脉冲光，TDC记录发射光和接收光之间的时间间隔(即飞行时间)，利用飞行时间计算待测物体的距离。因此，发射光和接收光之间的时间间隔的准确确定直接关系到该距离的准确性，换而言之，需要准确确定VCSEL发射红外脉冲光的时间、以及SPAD接收从目标物体反射的红外脉冲光的时间。
然而，使用传统的TOF光学感测模块，VCSEL发射的一部分红外脉冲光直接从TOF光学感测模块的内部被SPAD接收，并且该部分红外脉冲光被SPAD接收的时间比另一部分红外脉冲光经待测物体反射后被SPAD接收的时间更早，因而前一个时间将被错误地用于计算待测物体的距离，导致结果不准确。
发明内容
本公开提供一种TOF光学感测模块，以解决传统TOF光学感测模块难以准确确定待测物体距离的问题。
本公开实施例提供一种TOF光学感测模块，包括基板、帽盖，以及收发单元。帽盖包括本体、以及与所述本体连接的发射窗、接收窗、隔板结构和至少一个凸出结构，其中，所述本体与所述基板共同定义出一腔体，所述本体具有面向所述基板和所述腔体的下表面，所述凸出结构自所述下表面朝向所述腔体内凸出；收发单元位于所述腔体中，所述隔板结构位于所述下表面与所述基板之间，以配合所述收发单元将所述腔体分隔成与所述发射窗和所述接收窗分别对应的发射腔体和接收腔体，所述收发单元用于在所述发射腔体内发射测量光，并在所述接收腔体内通过所述接收窗接收感测光，全部所述凸出结构位于所述发射腔体内，以对在所述发射腔体内朝所述接收腔体行进的测量光进行反射及/或吸收。
本公开的TOF光学感测模块中，发射腔体内的凸出结构增加了发射腔体的内表面积，从而增加了对杂散光的反射量及吸收量和/或反射及吸收次数，使杂散光的能量衰减，从而减少或避免杂散光穿透隔板结构或隔板结构与基板之间的缝隙而进入接收腔体内。因此，本公开的TOF光学感测模块与现有技术相比，对目标物距离的测量准确性更高。
此外，发射腔体内的凸出结构还能减少到达参考像素的测量光，从而避免传统TOF光学感测模块的参考像素接收到的测量光能量过高而需额外处理以降低接收到的光能的问题。
附图说明
所包括的附图用来提供对本公开实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本公开的实施方式，并与文字描述一起来阐述本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1和图2显示本公开一实施例的TOF光学感测模块的结构示意图；
图3至图6显示本公开实施例的TOF光学感测模块的凸出结构的多个变化例的结构示意图。
主要元件标号说明：
10、基板；
20、帽盖；21、本体；211、顶壁；212、下表面；
22、发射窗；23、接收窗；24、隔板结构；25、凸出结构；
30、收发单元；31、发光单元；32、感测像素；33、参考像素；34、像素基板；
40、腔体；41、发射腔体；42、接收腔体；
L1、测量光；L2、感测光；L3、杂散光；L4、参考光；F、目标物；
L、长度方向；W、宽度方向；H、高度方向；
t、厚度；s、间距；g、间隙。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。
图1和图2显示依据本公开一实施例的TOF光学感测模块的示意图。如图1、图2所示，本公开一实施例的TOF光学感测模块包括基板10、帽盖20和收发单元30。
基板10可以包括一个或多个绝缘层和导电层，例如是印刷电路板或陶瓷基板等。
如图1、图2所示，帽盖20包括不透光的本体21以及与本体21连接的发射窗22、接收窗23、隔板结构24以及至少一个凸出结构25。本体21与基板10共同定义出一腔体40，示例性地，本体21大致呈倒U形结构而罩在基板10上以形成该腔体40。本体21具有顶壁211，顶壁211具有面向基板10和腔体40的下表面212，可以理解，该下表面212位于腔体40内，且与基板10相对。凸出结构25自下表面212朝向腔体40内凸出，或者说，凸出结构25自下表面212朝基板10凸出。
如图1、图2所示，收发单元30位于腔体40中，例如可以设置于基板10上。隔板结构24位于下表面212与基板10之间，以配合收发单元30将腔体40分隔成与发射窗22和接收窗23分别对应的发射腔体41和接收腔体42。可以理解，隔板结构24位于发射窗22与接收窗23之间。隔板结构24可以固定于本体21的下表面212。可选地，隔板结构24和本体21为一体式结构或分体式结构。隔板结构24可配合收发单元30将腔体40分隔成局部互通或完全不相连通的发射腔体41和接收腔体42。全部凸出结构25均位于发射腔体41内，或者说，全部凸出结构25位于隔板结构24与发射窗22之间。可选地，凸出结构25和本体21为一体式结构或分体式结构。
如图1、图2所示，收发单元30用于在发射腔体41内发射测量光L1。由于发射的测量光L1具有一定的发散角度，其中一部分测量光L1穿过发射窗22照射在位于帽盖20上方的一目标物F，在被目标物F反射后作为感测光L2穿过接收窗23被收发单元30在接收腔体42内接收，另一部分测量光L1(后文将该部分测量光L1称为杂散光L3)则不能穿过发射窗22，而是在发射腔体41内被反射。本实施例通过在发射腔体41内设置凸出结构25，能够增强发射腔体41对杂散光L3的反射及/或吸收，从而减少或避免杂散光L3进入接收腔体42内。具体是，凸出结构25增加了发射腔体41的内表面积，从而增加了对杂散光L3的反射量及吸收量和/或反射次数及吸收次数，使杂散光的能量衰减。因此，本实施例与传统的TOF光学感测模块相比，能够减少或完全避免杂散光进入接收腔体42，从而提高对目标物F距离的测量准确性。
作为一种可选的技术方案，隔板结构24配合收发单元30将腔体40分隔成局部互通的发射腔体41和接收腔体42。本方案中，尽管隔板结构24与收发单元30之间存在缝隙，凸出结构25可以减少或避免杂散光穿过该缝隙进入接收腔体42，从而提高对目标物F距离的测量准确性。
作为另一种可选的技术方案，隔板结构24配合收发单元30将腔体40分隔成完全不相连通的发射腔体41和接收腔体42，以阻绝接收腔体42与发射腔体41的互相干扰。本方案中，由于隔板结构24与收发单元30之间不存在缝隙，可以避免杂散光穿过缝隙进入接收腔体42，而凸出结构25则可以减少或避免杂散光穿透隔板结构24进入接收腔体42，从而进一步提高对目标物F距离的测量准确性。
在一些实施例中，如图1所示，腔体40限定彼此垂直的长度方向L、宽度方向W和高度方向H，隔板结构24将腔体40在长度方向L上分隔为发射腔体41和接收腔体42。在长度方向L上，凸出结构25分布在发射窗22与隔板结构24之间的至少部分长度范围内，换句话说，凸出结构25分布在发射窗22与隔板结构24之间的整个长度区域内或部分长度区域内。在宽度方向W上，各凸出结构25在腔体40的至少部分宽度范围内延伸，换句话说，凸出结构25在腔体40的整个宽度区域或部分宽度区域内延伸，在前者的情况下，凸出结构25在该宽度方向W上的尺寸等于腔体40的宽度。在高度方向H上，各凸出结构25与收发单元30之间具有间隙，换句话说，各凸出结构25并未接触收发单元30的上表面。
在一些实施例中，如图1至图4所示，帽盖20包括在长度方向L上间隔排布的至少两个凸出结构25，以进一步增大腔体40的内表面积，特别是发射腔体41的内表面积，增加对杂散光L3的反射量及吸收量和/或反射次数及吸收次数，从而进一步提高对目标物F距离的测量准确性。
本实施例中，如图2所示，可选地，各凸出结构25在长度方向L上的厚度t不小于0.1mm。凸出结构25的厚度t越大，表面积也越大，对杂散光L3的反射量及吸收量越大。可选地，各凸出结构25的厚度t可以相同，也可以不同。
本实施例中，如图2所示，可选地，相邻两个凸出结构25在长度方向L上的间距s不小于0.1mm。该间距s为杂散光L3提供了传输空间，若该间距s过小，则不利于杂散光L3传输，导致杂散光L3被反射的次数减小。若该间距s过大，则无法在有限的空间内设置较多数量的凸出结构25。因此在实际设计中，可以根据发射腔体41的具体尺寸，在上述数值范围内合理选择适合的厚度t和间距s。可选地，相邻两个凸出结构25之间的间距s可以相同，也可以不同。
本实施例中，如图2所示，可选地，各凸出结构25与收发单元30之间的间隙g不大于1mm。该间隙g越小，对杂散光L3的阻挡效果越好，因此在保证凸出结构25不影响封装过程中在收发单元30的芯片上打线的前提下，间隙g越小越好。可选地，各凸出结构25与收发单元30之间的间隙g可以相同，也可以不同。
本实施例中，如图3、图4所示，各凸出结构25的形状可以相同，也可以不同。对于单个凸出结构25而言，其形状可以是规则或不规则的形状，示例性地，其纵截面的形状可以是矩形(如图2所示)、三角形、倒梯形(如图3所示)、正梯形、平行四边形(如图4所示)、上部为矩形且下部为半圆形或椭圆形(如图3所示)、波浪形、阶梯形中的任意一种。各凸出结构25可以沿竖直方向延伸，也可以沿相对于竖直方向倾斜的倾斜方向延伸，在后者的情况下，各凸出结构25的倾斜方向及倾斜角度可以相同，也可以不同，例如，参见图4，至少一个凸出结构25由上至下朝靠近隔板结构24的方向倾斜，或者说朝远离发光单元31的方向倾斜，至少另一个凸出结构25由上至下朝远离隔板结构24的方向倾斜，或者说朝靠近发光单元31的方向倾斜。其中发光单元31设于发射窗22口下方，用于发出测量光L1，详见后文的介绍。
本实施例中，各凸出结构25的单个表面(例如某一侧面或底面)可以是平滑的表面，也可以是凹凸不平的表面，后者具有更大的表面积，从而更有利于增加对杂散光L3的反射量及吸收量和/或反射次数及吸收次数。
可选地，至少一个凸出结构25的至少一个表面设有用于吸收杂散光L3的镀膜层，以减少或避免杂散光L3进入接收腔体42内。可以根据发光单元31所发射的光波，选择容易吸收该光波(例如红外光)的材质作为镀膜层的材质，以增加对该光波的吸收率。当发光单元31发射的光波为红外光时，镀膜层可以是红外光吸收涂层，镀膜层的材质可以是可吸收红外光的有机色材，例如红外光吸收剂。
示例性地，每个凸出结构25的至少一个表面设有镀膜层，或者，每个凸出结构25的所有暴露在发射腔体41内的表面均设有镀膜层，以提高对杂散光L3的吸收量和/或吸收次数。
在另一些实施例中，如图5、图6所示，帽盖20包括在长度方向L上连续延伸的一个凸出结构25。本实施例中，由于凸出结构25的数量为一个，可以将其构造成在长度方向L上具有比与前一实施例的单个凸出结构25更大的尺寸，从而同样可以达到增加表面积的效果。
本实施例中，可选地，凸出结构25的形状可以是规则或不规则的形状。示例性地，其纵截面的形状可以是梯形(如图5所示)或阶梯形(如图6所示)，或者前一实施例所列举的其它形状。
本实施例中，凸出结构25的底面的不同部位与收发单元30之间的间隙g可能不同，可选地，凸出结构25的最低部位与收发单元30之间的间隙g不大于1mm，或者说，凸出结构25与收发单元30之间的最小间隙g不大于1mm。
本实施例中，可选地，凸出结构25的单个表面(例如某一侧面或一底面)可以是平滑的表面，也可以是凹凸不平的表面，后者具有更大的表面积，从而更有利于增加对杂散光L3的反射量及吸收量和/或反射次数及吸收次数。
在一些实施例中，各凸出结构25均与隔板结构24相间隔，即凸出结构25与隔板结构24在长度方向L上间隔开。
在另一些实施例中，至少一个凸出结构25与隔板结构24相接触。当凸出结构25的数量为两个以上时，最靠近隔板结构24的一个凸出结构25的侧面可以与隔板结构24相贴。当凸出结构25的数量为一个时，凸出结构25的面向隔板结构24的侧面可以与隔板结构24相贴，参见图5和图6。
在一些实施例中，如图2所示，收发单元30包括发光单元31、感测像素32和参考像素33。
如图2所示，参考像素33设于发射腔体41内，且位于隔板结构24与发射窗22之间，用于接收参考光L4。
如图2所示，感测像素32设于接收腔体42内，且位于接收窗23下方，用于接收感测光L2。
如图2所示，发光单元31设于发射腔体41内，且位于发射窗22下方。发光单元31用于发射测量光L1。测量光L1的一部分通过发射窗22照射在位于帽盖20上方的一目标物F，并被目标物F反射后作为感测光L2通过接收窗23被感测像素32接收。测量光L1的另一部分(即杂散光L3)在发射腔体41内被凸出结构25反射及/或吸收后，至少有一部分作为参考光L4被参考像素33接收，可以理解，被参考像素33接收的参考光L4明显少于杂散光L3，这有助于减少到达参考像素33的测量光L1，从而避免传统TOF光学感测模块的参考像素接收到的测量光能量过高而需额外处理以降低接收到的光能的问题。
在一些实施例中，至少部分凸出结构25位于参考像素33与发射窗22之间。例如，一部分凸出结构25位于参考像素33与发射窗22之间，另一部分凸出结构25位于隔板结构24与参考像素33之间。或者，全部凸出结构25位于参考像素33与发射窗22之间(如图2所示)，以最大限度减少到达参考像素33的测量光L1。
在另一些实施例中，全部凸出结构25可以位于参考像素33与隔板结构24之间。
现结合本实施例中收发单元30的结构，介绍TOF光学感测模块的测距原理。
TOF光学感测模块测距所基于的数学公式为2L＝C△t，其中L为光学感测模块到目标物F的距离，C为光速，△t为光的飞行时间(在此定义为从发射到接收的时间)，因此需要分别确定发射时间点和接收时间点。接收时间点以感测像素32接收到感测光L2后产生感测电信号为依据确定，而发射时间点则可以以参考像素33在发射腔体41内接收到测量光L1后产生参考电信号为依据确定。如前面提到的，发光单元31具有一定的发散角度，因此，发光单元31发出的另一部分测量光L1会在发射腔体41内被反射，由于该部分测量光L1在腔体40内部反射的走距相较于目标物F的检测距离(2L)是可以被忽略的，因此可以将参考像素33接收到这部分测量光L1(即参考光L4)的时间点为发射时间点。
在另一些实施例中，也可以依据发光单元31被控制发光的时间点作为发射时间点，或者该被控制发光的时间点加上一个预定的延迟时间作为发射时间点。
在一些实施例中，发光单元31被配置成以特定频率或频率范围发射辐射，例如发射红外(Infrared,IR)线。发光单元31可以为VCSEL或发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)，例如为红外线LED。发光单元31可以通过粘着材料被固定至基板10的上表面，并且可以通过例如打线或导电凸块而电连接至基板10。
在一些实施例中，如图1、图2所示，收发单元30包括像素基板34，像素基板34可以固定于基板10上，隔板结构24与像素基板34配合将腔体40分隔成发射腔体41和接收腔体42，或者说隔板结构24的底部与像素基板34的上表面密合。凸出结构25与像素基板34的上表面之间具有间隙，或者说凸出结构25的底部并未接触像素基板34的上表面。感测像素32和参考像素33形成于像素基板34中。
上述像素的一部分为光敏结构，例如光电二极管、雪崩二极管(Avalanche PhotoDiode,APD)等，在本实施例其为SPAD，像素的其他部分为感测电路，用于处理来自于光敏结构的电信号。像素基板34的材料可以包含半导体材料，半导体材料例如为硅、锗、氮化镓、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、锑化铟、硅锗合金、磷砷镓合金、砷铝铟合金、砷铝镓合金、砷铟镓合金、磷铟镓合金、磷砷铟镓合金或上述材料的组合。像素基板34上可以还包括一个或多个电气元件(如集成电路)。集成电路可以是类比或数字电路，类比或数字电路可以被实现为在芯片内形成并且根据芯片的电气设计与功能而达成电连接的主动元件、被动元件、导电层和介电层等。像素基板34可以通过打线或导电凸块电连接至基板10，进而电连接至外部以及发光单元31，借此可以由芯片控制发光单元31、感测像素32与参考像素33的操作，并提供信号处理的功能。
在一些实施例中，腔体40可以是一透明模料所制造的实心体，本体21为一不透明的材料所制造，例如不透明模料或金属等等，并覆盖于该透明模料的腔体40上，仅露出对应于接收窗23及发射窗22的那部分透明模料。
在另一些实施例中，腔体40可以是空气(可以包含高于或低于一大气压)。可以理解的，在此实施例中，帽盖20可以预先制成并粘贴于基板10上，例如，部分或全部通过射出成型的方法，直接形成在基板10上。接收窗23及发射窗22可以是穿透本体21的顶壁211的中空开口，或者具有特殊光学功能的光学器件，例如特定波长的光学滤波器等，或者具有例如散光或聚光功能的镜头或绕射元件等，抑或多个光学功能的结合，例如前两者等。比如，发射窗22为散光的透镜，以增大测量光L1对目标物F的照射范围；接收窗23为聚光的透镜，以将感测光L2聚焦于感测像素32。
以上结合具体的实施方式对本公开进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本公开保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本公开的精神和原理对本公开做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本公开的范围内。

Claims (12)

1.一种TOF光学感测模块，其特征在于，包括：
基板；
帽盖，包括本体、以及与所述本体连接的发射窗、接收窗、隔板结构和至少一个凸出结构，其中，所述本体与所述基板共同定义出一腔体，所述本体具有面向所述基板和所述腔体的下表面，所述凸出结构自所述下表面朝向所述腔体内凸出；以及
收发单元，位于所述腔体中，所述隔板结构位于所述下表面与所述基板之间，以配合所述收发单元将所述腔体分隔成与所述发射窗和所述接收窗分别对应的发射腔体和接收腔体，所述收发单元用于在所述发射腔体内发射测量光，并在所述接收腔体内通过所述接收窗接收感测光，全部所述凸出结构位于所述发射腔体内，以对在所述发射腔体内朝所述接收腔体行进的测量光进行反射及/或吸收。
2.根据权利要求1所述的TOF光学感测模块，其特征在于，所述腔体限定长度方向、高度方向和宽度方向，所述隔板结构将所述腔体在所述长度方向上分隔为所述发射腔体和所述接收腔体；
在所述长度方向上，所述凸出结构分布在所述发射窗与所述隔板结构之间的至少部分长度范围内；
在所述宽度方向上，各所述凸出结构在所述腔体的至少部分宽度范围内延伸；
在所述高度方向上，各所述凸出结构与所述收发单元之间具有间隙。
3.根据权利要求2所述的TOF光学感测模块，其特征在于，
所述帽盖包括在所述长度方向上间隔排布的至少两个所述凸出结构。
4.根据权利要求3所述的TOF光学感测模块，其特征在于，
各所述凸出结构在所述长度方向上的厚度不小于0.1mm；且/或，
相邻两个所述凸出结构在所述长度方向上的间距不小于0.1mm；且/或，
各所述凸出结构与所述收发单元之间的所述间隙不大于1mm。
5.根据权利要求2所述的TOF光学感测模块，其特征在于，
所述帽盖包括在所述长度方向上连续延伸的一个凸出结构。
6.根据权利要求5所述的TOF光学感测模块，其特征在于，
所述凸出结构与所述收发单元之间的最小间隙不大于1mm。
7.根据权利要求1所述的TOF光学感测模块，其特征在于，
各所述凸出结构均与所述隔板结构相间隔；或者
至少一个所述凸出结构与所述隔板结构相接触。
8.根据权利要求1所述的TOF光学感测模块，其特征在于，
所述收发单元包括至少一参考像素，至少部分所述凸出结构位于所述参考像素与所述发射窗之间。
9.根据权利要求8所述的TOF光学感测模块，其特征在于，
全部所述凸出结构位于所述参考像素与所述发射窗之间。
10.根据权利要求1所述的TOF光学感测模块，其特征在于，所述收发单元包括：
参考像素，设于所述发射腔体内，且位于所述隔板结构与所述发射窗之间；
感测像素，设于所述接收腔体内，且位于所述接收窗下方；
发光单元，设于所述发射腔体内，且位于所述发射窗下方，所述发光单元用于发射所述测量光，所述测量光的一部分穿过所述发射窗照射在位于所述帽盖上方的一目标物并被所述目标物反射后，作为所述感测光穿过所述接收窗被所述感测像素接收，所述测量光的另一部分在所述发射腔体内被所述凸出结构反射及/或吸收后，至少有一部分作为参考光被所述参考像素接收。
11.根据权利要求1所述的TOF光学感测模块，其特征在于，
所述发射腔体和所述接收腔体互不连通。
12.根据权利要求1所述的TOF光学感测模块，其特征在于，
至少一个所述凸出结构的至少一个表面设有用于吸收所述测量光的镀膜层。
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