CN115808692A - 光学传感器 - Google Patents

Abstract

一种光学传感器，包括基板、盖体、光发射器、以及测量光电检测器。基板具有表面以及凹槽。盖体与基板连接并形成内部空间。盖体具有突起部、第一透光部以及第二透光部。突起部朝基板延伸，并具有底面，且将内部空间区分为连通的第一腔室与第二腔室。突起部的底面位于表面以及凹槽的底部之间。光发射器设置于基板的表面并位于第一腔室。测量光电检测器设置于凹槽并位于第二腔室。

Description

光学传感器

技术领域

本发明有关于一种光学传感器，尤指一种用于飞时测距(Time of Flight,TOF)的光学传感器。

背景技术

光学三维量测技术可以分为被动及主动量测两种方式，被动量测可为双目立体测量(stereo matching)，而主动量测可为飞时测距。飞时测距是一种三维主动式光学测距的技术。其测量原理是以仪器向待测物体主动发出光，并于接收由待测物体反射回来的反射光后，计算发射出光与接受到反射光后的相位差或时间差，并由相位差或时间差估算光源的全部运动时间，得到仪器与待测物体的距离或深度资讯。然而，使用飞行时间测距的光学传感器，必须注意到内部漏光的问题以提高距离量测的准确度。

发明内容

有鉴于此，在本发明一实施例中，提供一种光学传感器，透过凹槽与光学遮蔽结构的设计，能够解决漏光的问题并简化组装程序，以提高组件的稳定性。

本发明一实施例揭露一种光学传感器以及光学传感器制造方法，光学传感器包括基板、盖体、光发射器、以及测量光电检测器。基板具有表面以及第一凹槽。盖体与基板连接并形成内部空间。盖体具有第一突起部、第一透光部以及第二透光部。第一突起部朝基板延伸，并具有底面，且将内部空间区分为连通的第一腔室与第二腔室。第一突起部的底面位于表面以及凹槽的底部之间。光发射器设置于基板的表面并位于第一腔室。测量光电检测器设置于凹槽并位于第二腔室。

根据本发明一实施例，上述第一透光部对应于上述光发射器，上述第二透光部对应于上述测量光电检测器。

根据本发明一实施例，上述第一突起部的上述第一底面距离上述第一凹槽的底部一第一间隔距离。

根据本发明一实施例，上述盖体包括一顶盖以及由上述顶盖周围朝上述基板延伸并与上述基板连接的侧壁，其中上述基板具有容置槽，用以接合上述侧壁，上述第一突起部从上述顶盖朝上述基板延伸。

根据本发明一实施例，上述基板还具有一第二凹槽，上述第二凹槽位于上述第一腔室，上述第一凹槽与上述第二凹槽之间具有一间隔墙。

根据本发明一实施例，上述光学传感器还包括一参考光电检测器，设置于上述第二凹槽。

根据本发明一实施例，上述盖体还包括一第二突起部，其中上述第二突起部从上述顶盖朝上述基板延伸，并具有一第二底面，上述第二底面位于上述表面以及上述第二凹槽的底部之间，且上述间隔墙位于上述第一突起部以及第二突起部之间。

根据本发明一实施例，上述光发射器根据一控制信号发出一检测光束，上述检测光束通过上述第一透光部，经一待测目标反射后，通过上述第二透光部传送至上述测量光电检测器。

根据本发明一实施例，上述光学传感器还包括一控制电路，用以提供上述控制信号，上述参考光电检测器根据上述检测光束产生一参考信号，上述测量光电检测器根据上述检测光束产生一测量信号，上述控制电路根据上述参考信号以及上述测量信号取得一飞行时间。

根据本发明一实施例，上述光学传感器还包括一第一光滤波片以及一第二光滤波片，分别设置于上述第一透光部以及上述第二透光部。

根据本发明实施例所提供的光学传感器，透过将测量光电检测器以及参考光电检测器设置于第一凹槽以及第二凹槽中，可以减小光学传感器的体积，而第一凹槽以及第二凹槽之间的间隔墙伸入两突起部之间，可以避免位于第一腔室的光发射器所发出检测光束经由连通区域进入第二腔室而造成测量光电检测器的误判。再者，间隔墙未与两突起部实体接触，免除了间隔墙与突起部连接的制程，不仅简化了制程，还节省了粘着层的成本，甚至避免了传统因挤压间隔墙与突起部之间的粘着层而造成溢胶的问题，提高了产品的良率以及产量。

附图说明

图1显示根据本发明一实施例所述的光学传感器的示意图。

图2显示根据本发明一实施例所述的基板的侧视剖面图。

图3A-图3F显示根据本发明一实施例所述的光学传感器的制造方法的剖面示意图。

主要元件符号说明

10:光学传感器

12:基板

121A、121B:容置槽

13:表面

14:盖体

15A:第一凹槽

15B:第二凹槽

16:光发射器

17:测量光电检测器

18:参考光电检测器

19:间隔墙

20A、20B:突起部

22A:第一透光部

22B:第二透光部

24A:第一光滤波片

24B:第二光滤波片

26A:顶盖

26B:侧壁

28A:第一腔室

28B:第二腔室

28C:连通区域

29:黏着层

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图与实施例对本发明进一步的详细描述，应当理解，本发明提供许多可供应用的发明概念，其可以多种特定型式实施。本领域技术人员可利用这些实施例或其他实施例所描述的细节及其他可以利用的结构，逻辑和电性变化，在没有离开本发明的精神与范围之下以实施发明。

本发明说明书提供不同的实施例来说明本发明不同实施方式的技术特征。其中，实施例中的各组件的配置为说明之用，并非用以限制本发明。且实施例中图式标号的部分重复，系为了简化说明，并非意指不同实施例之间的关联性。其中，图示和说明书中使用的相同的组件编号系表示相同或类似的组件。本说明书的图示为简化的形式且并未以精确比例绘制。为清楚和方便说明起见，方向性用语(例如顶、底、上、下以及对角)系针对伴随的图示说明。而以下说明所使用的方向性用语在没有明确使用在以下所附的申请专利范围时，并非用来限制本发明的范围。

再者，在说明本发明一些实施例中，说明书以特定步骤顺序说明本发明的方法以及(或)程序。然而，由于方法以及程序并未必然根据所述的特定步骤顺序实施，因此并未受限于所述的特定步骤顺序。熟习此项技艺者可知其他顺序也为可能的实施方式。因此，于说明书所述的特定步骤顺序并未用来限定申请专利范围。再者，本发明针对方法以及(或)程序的申请专利范围并未受限于其撰写的执行步骤顺序，且熟习此项技艺者可了解调整执行步骤顺序并未跳脱本发明的精神以及范围。

图1显示根据本发明一实施例所述的光学传感器的示意图。为了方便说明，

图1显示光学传感器的侧视剖面图。如图1所示，光学传感器10包括基板12、盖体14、光发射器16、测量光电检测器17以及参考光电检测器18。

图2显示根据本发明一实施例所述的基板12的侧视剖面图。如图1-2所示，基板12具有表面13、第一凹槽15A以及第二凹槽15B。第一凹槽15A以及第二凹槽15B之间，具有间隔墙19。根据本发明一实施例，间隔墙19为基板12的一部分，间隔墙19的顶部与基板12的表面13共平面。另外，基板12两侧具有容置槽121A、121B，用以容纳盖体14。基板12可用不同的材料制作，如塑料材料、环氧材料、复合材料、FR-4材料或陶瓷材料制作。基板12上具有预先设计的内连线结构，并具有接合垫以耦接相关电子组件，相关电子组件可包括用来实施光信号发射或接收功能所必要的电路组件以及控制电路，此为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述以精简说明。

盖体14与基板12连接并与基板12形成内部空间。根据本发明一实施例，盖体14的材质可为不透明的塑胶高分子材料。盖体14包括顶盖26A以及由顶盖26A周围朝基板12延伸并与基板12的容置槽121A、121B连接的侧壁26B。盖体14还包括突起部20A、20B、第一透光部22A以及第二透光部22B。突起部20A、20B位于顶盖26A朝向基板12的表面，并朝向基板12延伸，使得突起部20A朝向基板12的底面位于基板12的表面13以及第一凹槽15A的底部之间，而突起部20B朝向基板12的底面位于基板12的表面13以及第二凹槽15B的底部之间。根据本发明实施例，突起部20A、20B可为独立的组件或是与顶盖26A一体成型。透过突起部20A，可将盖体14与基板12所形成的内部空间区分为第一腔室28A与第二腔室28B。由于突起部20A、20B的底面距离第一凹槽15A以及第二凹槽15B的底部分别具有实体间隔距离，因此第一腔室28A与第二腔室28B是连通的。如图1所示，第一腔室28A与第二腔室28B之间，也就是突起部20A的底部与基板12之间，具有连通区域28C。

光发射器16设置于基板12的表面13并位于第一腔室28A。根据本发明一实施例，光发射器16可包括单个或多个垂直腔面发射雷射二极体(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser Diode，以下简称VCSEL)，或称面射型雷射二极体，多个VCSEL构成阵列，并由驱动晶片驱动而发射光讯号。在其他实施例中，亦可使用其他可作为光源的组件，例如发光二极体、边射型雷射二极体(Edge Emitting Laser Diode，EELD)或分散式反馈雷射器(Distributed Feedback Laser，DFB)。根据本发明一实施例，光发射器16用以发射红外线波段的光束，在其他实施例中，光发射器16也可发射可见光、紫外线等其他波段的光束。

根据本发明一实施例，光学传感器10还包括测量光电检测器17以及参考光电检测器18。测量光电检测器17设置于第一凹槽15A并位于第二腔室28B，参考光电检测器18设置于第二凹槽15B并位于第一腔室28A。测量光电检测器17以及参考光电检测器18的种类可包括PN型光电二极管、PIN型光电二极管和雪崩式光电二极管等。根据本发明一实施例，测量光电检测器17以及参考光电检测器18的高度可小于第一凹槽15A以及第二凹槽15B的侧壁的高度，使得测量光电检测器17以及参考光电检测器18的顶部位置低于基板12的表面13。另外，第一光滤波片24A以及第二光滤波片24B，分别设置于第一透光部22A以及第二透光部22B。由于第一透光部22A的位置对应于光发射器16，第二透光部22B的位置对应于测量光电检测器17，光发射器16根据控制电路(图未显示)所发出的控制信号发射一检测光束，检测光束通过第一透光部22A的第一光滤波片24A，经一待测目标反射后，通过第二透光部22B的第二光滤波片24B传送至测量光电检测器17。第一光滤波片24A以及第二光滤波片24B的设计是用来滤除光发射器16所发射频段以外的光线，使得测量光电检测器17能够更精确的分析接收到的光线。根据本发明另一实施例，也可使用透镜取代光滤波片以控制光线的方向，或者使用透镜结合光滤波片以达到更好的光路与光传输质量。

根据本发明一实施例，间隔墙19位于第一凹槽15A以及第二凹槽15B之间，并且位于突起部20A以及20B之间。由于间隔墙19的顶部与基板12的表面13共平面，因此突起部20A朝向基板12的底面位于隔墙19的顶部以及第一凹槽15A的底部之间，而突起部20B朝向基板12的底面位于隔墙19的顶部以及第二凹槽15B的底部之间。如图所示，突起部20A的底部与第一凹槽15A的底部之间具有第一间隔距离，突起部20B的底部与第二凹槽15B的底部之间具有第二间隔距离，间隔墙19的顶部与顶盖26A之间具有第三间隔距离，而间隔墙19的侧壁与突起部20A、20B之间沿着平行基板12表面13的方向分别具有第四间隔距离。上述第一间隔距离、第二间隔距离，第三间隔距离以及第四间隔距离为非零的实体距离。

另外，根据本发明一实施例，光学传感器10的基板12与盖体14可透过黏着层29接合，同样的，光发射器16、测量光电检测器17、参考光电检测器18以及光学阻挡装置19也可透过黏着层固定于基板12上。黏着层可包括聚酰亚胺(Polyimide，PI)、聚乙烯对苯二甲酸酯(Polyethylene Terephthalate，PET)、铁氟龙(Teflon)、液晶高分子(Liquid CrystalPolymer，LCP)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)、尼龙(Nylon or Polyamides)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、ABS塑胶(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)、酚树脂(Phenolic Resins)、环氧树脂(Epoxy)、聚酯(Polyester)、硅胶(Silicone)、聚氨基甲酸乙酯(Polyurethane，PU)、聚酰胺-酰亚胺(polyamide-imide，PAI)或其组合，但不限于此，只要具有黏着特性的材料皆可应用于本发明。

图3A-图3F显示根据本发明一实施例所述的光学传感器的制造方法的剖面示意图。首先，参阅图3A，提供基板12，基板12具有表面13、第一凹槽15A以及第二凹槽15B。第一凹槽15A以及第二凹槽15B之间，具有间隔墙19。根据本发明一实施例，间隔墙19为基板12的一部分，间隔墙19的顶部与基板12的表面13共平面。另外，基板12两侧具有容置槽121A、121B，用以容纳盖体14。基板12可用不同的材料制作，如塑料材料、环氧材料、复合材料、FR-4材料或陶瓷材料制作。基板12上具有预先设计的内连线结构，并具有接合垫以耦接相关电子组件，相关电子组件可包括用来实施光信号发射或接收功能所必要的电路组件以及控制电路，此为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述以精简说明。

接下来，参阅图3B，将光发射器16、测量光电检测器17以及参考光电检测器18设置于基板12上。根据本发明一实施例，可透过黏着层将组件贴在基板12上，并执行打线接合(Wire Bonding)、卷带自动接合(Tape Automated Bonding，TAB)、覆晶接合(Flip Chip，FC)等电性连接程序。根据本发明一实施例，光发射器16可包括单个或多个垂直腔面发射雷射二极体(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode，以下简称VCSEL)，或称面射型雷射二极体，多个VCSEL构成阵列，并由驱动晶片驱动而发射光讯号。在其他实施例中，亦可使用其他可作为光源的组件，例如发光二极体、边射型雷射二极体(Edge EmittingLaser Diode，EELD)或分散式反馈雷射器(Distributed Feedback Laser，DFB)。根据本发明一实施例，光发射器16用以发射红外线波段的光束，在其他实施例中，光发射器16也可发射可见光、紫外线等其他波段的光束。根据本发明一实施例，测量光电检测器17以及参考光电检测器18的种类可包括PN型光电二极管、PIN型光电二极管和雪崩式光电二极管等。

接下来，参阅图3C，在盖体14上设置第一光滤波片24A以及第二光滤波片24B。根据本发明一实施例，盖体14的材质可为不透明的塑胶高分子材料。盖体14包括顶盖26A以及由顶盖26A周围朝基板12延伸的侧壁26B。盖体14还包括突起部20A、20B、第一透光部22A以及第二透光部22B。突起部20位于顶盖26A朝向基板12的表面，并朝向基板12延伸。根据本发明实施例，突起部20A、20B可为独立的组件或是与顶盖26A一体成型。第一光滤波片24A以及第二光滤波片24B，分别透过粘着层设置于第一透光部22A以及第二透光部22B。盖体14可透过黏着层29与基板12于容置槽121A、121B接合。黏着层可包括聚酰亚胺(Polyimide，PI)、聚乙烯对苯二甲酸酯(Polyethylene Terephthalate，PET)、铁氟龙(Teflon)、液晶高分子(Liquid Crystal Polymer，LCP)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)、尼龙(Nylon orPolyamides)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、ABS塑胶(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)、酚树脂(Phenolic Resins)、环氧树脂(Epoxy)、聚酯(Polyester)、硅胶(Silicone)、聚氨基甲酸乙酯(Polyurethane，PU)、聚酰胺-酰亚胺(polyamide-imide，PAI)或其组合，但不限于此，只要具有黏着特性的材料皆可应用于本发明。

接下来，参阅图3D，对盖体14以及第一光滤波片24A与第二光滤波片24B进行烘烤以使得第一光滤波片24A以及第二光滤波片24B与盖体14之间的粘着层固化以将第一光滤波片24A与第二光滤波片24B固定于盖体14上。根据本发明实施例，烘烤的温度可根据第一光滤波片24A、第二光滤波片24B、盖体14与粘着层的材质而控制在100℃-170℃之间。

接下来，参阅图3E，将盖体14与基板12连接并与基板12形成内部空间。透过突起部20A，可将盖体14与基板12所形成的内部空间区分为连通的第一腔室28A与第二腔室28B。如图所示，第一腔室28A与第二腔室28B之间，以及突起部20A的底部与基板12之间，具有连通区域28C。结合盖体14与基板12后，间隔墙19位于突起部20A以及20B之间。由于间隔墙19的顶部与基板12的表面13共平面，因此突起部20A朝向基板12的底面位于间隔墙19的顶部以及第一凹槽15A的底部之间，而突起部20B朝向基板12的底面位于间隔墙19的顶部以及第二凹槽15B的底部之间。如图所示，突起部20A的底部与第一凹槽15A的底部之间具有第一间隔距离，突起部20B的底部与第二凹槽15B的底部之间具有第二间隔距离，间隔墙19的顶部与顶盖26A之间具有第三间隔距离，而间隔墙19的侧壁与突起部20A、20B之间沿着平行基板12表面13的方向具有第四间隔距离D。上述第一间隔距离、第二间隔距离，第三间隔距离以及第四间隔距离为非零的实体距离。最后，参阅图3F，对结合后的盖体14与基板12进行烘烤以使得盖体14与基板12之间的粘着层固化。根据本发明实施例，烘烤的温度可根据盖体14与基板12的材质而控制在100℃-170℃之间。

根据本发明一实施例，参阅图1，当光学传感器执行距离测量时，位于第一腔室28A的光发射器16根据控制电路(图未显示)所发出的控制信号发射一检测光束，同时，参考光电检测器18侦测到检测光束并在第一时间t1产生一参考信号，而光发射器16所发出的检测光束通过第一透光部22A的第一光滤波片24A发射到光学传感器外部，经一待测目标(图未显示)反射后，通过第二透光部22B的第二光滤波片24B传送至光学传感器的第二腔室28B，此时测量光电检测器17侦测到经待测目标反射的检测光束并在第二时间t2产生一测量信号。上述参考信号以及测量信号传送至控制电路，由于参考信号以及测量信号分别是在第一时间t1以及第二时间t2产生，控制电路根据参考信号以及测量信号即可取得检测光束的飞行时间(t2-t1)。而光学传感器与待测目标之间的距离d可由光速C与飞行时间(t2-t1)乘积的1/2而得(d＝C*(t2-t1)/2)。

根据本发明实施例所述使用光学传感器的距离测量系统可应用于多种设备，包括：智能手机、便携式计算机，计算机手表、平板电脑、游戏装置、电视、个人计算机、内部通信系统、家庭自动化系统、汽车安全系统、3D成像系统、手势控制系统、触控感测器、指纹感测器、诊断系统、交互式显示器、3D感测系统、家用电器、扫地机器人、显示装置、虹膜识别系统等。

根据本发明实施例所提供的光学传感器，透过将测量光电检测器17以及参考光电检测器18设置于第一凹槽15A以及第二凹槽15B中，可以减小光学传感器的体积，而第一凹槽15A以及第二凹槽15B之间的间隔墙19伸入突起部20A、20B之间，可以避免位于第一腔室28A的光发射器16所发出检测光束经由连通区域28C进入第二腔室28B而造成测量光电检测器17的误判。再者，间隔墙19未与突起部20A、20B实体接触，免除了间隔墙19与突起部20A、20B连接的制程，不仅简化了制程，还节省了粘着层的成本，甚至避免了传统因挤压间隔墙19与突起部20A、20B之间的粘着层而造成溢胶的问题，提高了产品的良率以及产量。

对本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的发明方案和发明构思结合生成的实际需要做出其他相应的改变或调整，而这些改变和调整都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学传感器，其特征在于，包括:

一基板，具有一表面以及一第一凹槽；

一盖体，与上述基板连接并与上述基板形成内部空间，上述盖体具有一第一突起部、一第一透光部以及一第二透光部，其中上述第一突起部朝上述基板延伸，上述第一突起部具有一第一底面，且将上述内部空间区分为连通的第一腔室与第二腔室，其中上述第一底面位于上述表面以及上述第一凹槽的底部之间；

一光发射器，设置于上述表面并位于上述第一腔室；以及

一测量光电检测器，设置于上述第一凹槽并位于上述第二腔室。

2.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，上述第一透光部对应于上述光发射器，上述第二透光部对应于上述测量光电检测器。

3.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，上述第一突起部的上述第一底面距离上述第一凹槽的底部一第一间隔距离。

4.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，上述盖体包括一顶盖以及由上述顶盖周围朝上述基板延伸并与上述基板连接的侧壁，其中上述基板具有容置槽，用以接合上述侧壁，上述第一突起部从上述顶盖朝上述基板延伸。

5.如权利要求4所述的光学传感器，其特征在于，上述基板还具有一第二凹槽，上述第二凹槽位于上述第一腔室，上述第一凹槽与上述第二凹槽之间具有一间隔墙。

6.如权利要求5所述的光学传感器，其特征在于，还包括一参考光电检测器，设置于上述第二凹槽。

7.如权利要求6所述的光学传感器，其特征在于，上述盖体还包括一第二突起部，其中上述第二突起部从上述顶盖朝上述基板延伸，并具有一第二底面，上述第二底面位于上述表面以及上述第二凹槽的底部之间，且上述间隔墙位于上述第一突起部以及第二突起部之间。

8.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，上述光发射器根据一控制信号发出一检测光束，上述检测光束通过上述第一透光部，经一待测目标反射后，通过上述第二透光部传送至上述测量光电检测器。

9.如权利要求6所述的光学传感器，其特征在于，还包括一控制电路，用以提供上述控制信号，上述参考光电检测器根据上述检测光束产生一参考信号，上述测量光电检测器根据上述检测光束产生一测量信号，上述控制电路根据上述参考信号以及上述测量信号取得一飞行时间。

10.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，还包括一第一光滤波片以及一第二光滤波片，分别设置于上述第一透光部以及上述第二透光部。

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