CN1953221A - 光电传感器、光学模块及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学模块，其形成有密封在透明树脂部内部的半导体光学元件和贴附于该透明树脂部的上表面的透镜单元。该透镜单元具有透镜部，该透镜部通过所述透明树脂部与所述半导体光学元件相对设置。从所述透镜部沿着所述透明树脂部的所述上表面延伸有平坦部。光电传感器可以包括一个这样的光学模块作为光投射器，而且还包括另一个这样的光学模块作为光接收器。
Description
本申请要求2005年10月19日提交的日本专利申请2005-304759的优先权。
技术领域
本发明涉及光学模块，例如光电传感器的光投射和接收单元，并且涉及这种光学模块和具有这种光学模块的光电传感器的制造方法。
背景技术
关于用于物体检测的光电传感器的光学模块，需要使例如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)或者光电二极管(PD)的半导体光学元件与例如光投射透镜或光接收透镜等与上述半导体光学元件对应设置的透镜的位置精确匹配。如果没有充分精确地实现这种位置匹配，那么光的投射或接收将不会如所预期的进行，并且不能精确地实现物体的检测。
透镜通常设置在安装于基板上的半导体光学元件的上方。如日本专利特开平10-125187所述的，在很多情况下，透镜与一罩盖形成为一体，其中该罩盖与贴附有基板的壳体连接。
对于如此构成的光学模块，通过严格控制组件间的组装位置的精确度，半导体光学元件和透镜可以达到高级别精确度的定位。为了精确地进行位置匹配，还必须严格地控制测量中的精确度，以使得制造出来的组件具有根据设计的精确形状。
然而，严格地控制测量中的精确度以及组装位置的精确度并不是一件容易的事情。对于透镜与连接到一壳体的罩盖形成为一体的光学组件——其通过将半导体光学元件安装在中间基板并使用透明树脂材料将其密封以形成芯片尺寸封装(CSP)，并且通过将该形成为CSP的IC封装安装到基板以使基板固定到壳体上而制成——而言，例如，至少需要考虑以下种类的位置偏差：
(a)当半导体光学元件连接到中间基板时所产生的位置偏差；
(b)在制造中间基板时正面和背面上的布线图样的位置偏差；
(c)当CSP形式的IC封装安装到基板时所产生的位置偏差；
(d)当基板连接到壳体时所产生的位置偏差；
(e)当透镜形成于罩盖上时透镜的位置偏差；和
(f)当罩盖安装到壳体时所产生的位置偏差。
因此，对于具有如上所述结构的光学模块，必须要有非常多的测量控制和组装控制，这不利地影响了制造成本。而且，由于测量控制和组装控制存在一个限度，因此即使个别的位置偏差可以控制到最小的程度，当所述模块作为一个整体时，在半导体光学元件和透镜之间并不能始终实现精确地位置匹配。因此，使半导体光学元件和透镜位置匹配的有效方法就是尽量减少半导体光学元件和透镜之间的组件的数量。
从上述观点出发，日本专利特开平4-13989公开了一种光学模块，其具有被密封在透明树脂材料内而形成IC封装的半导体光学元件，例如LED或LD，并且将透镜直接连接到该IC封装的表面。在这种情况下，因为可以使用日本专利特开平2-188972中公开的用于调整光轴的装置来直接调整透镜与半导体光学元件之间的位置匹配，所以无需考虑上述(a)至(f)所述类型的位置偏差，并且使得精确的位置匹配成为可能。
然而，近年来，光学模块逐渐需要变得更小，并且半导体光学元件和透镜也正在小型化。因此，在对这些组件进行定位时难以对这些组件进行操作。在进行位置匹配时难以保持透镜本身，从而极难使透镜与半导体光学元件位置匹配。
而且，随着半导体光学元件和透镜被制作得更小，在光学模块中它们之间的距离也需要变得更小。因此，如果在它们之间存在位置偏差，则产生的光的行为的变化将变得很大从而导致产量降低的问题。
另一个问题是随着透镜逐渐变薄，如果在通过注射成型来制造透镜时使用顶出针(eject pin)将透镜从模具中取出，那么该顶出针很可能穿透并损坏透镜。
发明内容
因此鉴于上述问题，本发明的一个目的在于提供一种光学模块，其中可以容易地实现其小型化的半导体光学元件和透镜的位置匹配，同时还提供一种制造这种光学模块的方法以及一种含有这种光学模块的光电传感器。
本发明的另一个目的在于提供一种光学模块，尽管其透镜制作得很薄但仍可以高生产率地制造，同时提供一种制造这种光学模块的方法以及一种含有这种光学模块的光电传感器。
根据本发明的光学模块的特征在于包括：半导体光学元件；将所述半导体光学元件密封于其中的透明树脂部；和贴附于所述透明树脂部上表面的透镜单元；其中，所述透镜单元包括：透镜部，其通过所述透明树脂部与所述半导体光学元件相对设置；以及平坦部，其从所述透镜部沿着所述透明树脂部的所述上表面延伸。利用如此构成的光学模块，因为可以通过透镜单元的平坦部间接地支撑透镜部，所以即使透镜部被制作得很小或很薄，也可以容易且精确地进行透镜部相对于半导体光学元件的位置匹配。
其中，优选地，所述平坦部形成为完全围绕所述透镜部，并且从所述透镜部的整个外周延伸。这样，平坦部的主要表面的区域可以制作得很宽并且可以更容易地支撑透镜单元。另外，优选地，所述平坦部在远离所述透镜部的边缘部具有引导壁，从而所述引导壁延伸并覆盖所述透明树脂部的连接至所述上表面的侧表面。由此可以粗略地使引导壁相对于透明树脂部的侧表面位置匹配。当透镜单元和透明树脂部通过粘结剂连接在一起时，多余部分的粘结剂被平坦部和引导壁引导到透明树脂部的侧表面，从而能够防止粘结剂贴附透镜部等。
其中，优选地，所述平坦部具有一对自所述透镜部相互反向延伸的部分，从而所述引导壁从所述相互反向延伸的部分的端部延伸，并且覆盖所述透明树脂部的连接至所述上表面的相对的侧表面。利用如此构成的平坦部，透明树脂部位于一对引导壁之间，并且使得透镜单元的位置匹配更为容易。
所述平坦部在与所述透明树脂部的所述上表面垂直的方向上的厚度优选为0.6mm或更大，并且要小于等于所述透镜部的最大厚度。如果平坦部具有这样的尺寸，那么通过注射成型来制造透镜单元时，顶出针可以作用于平坦部，并且因此光学模块可以制作得更小和更薄。
所述平坦部在与所述透明树脂部的所述上表面垂直的方向上的厚度优选小于0.6mm，所述引导壁在与所述透明树脂部的所述上表面垂直的方向上的宽度为0.6mm或更大。如果平坦部具有这样的尺寸，那么在通过注射成型来制造透镜单元时，顶出针可以作用于引导壁部分，并且因此光学模块可以制作得更小和更薄。平坦部在与所述透明树脂部的所述上表面垂直的方向上的厚度可以优选被制作为基本上等于引导壁在与所述侧表面垂直的方向上的厚度。如果这样，在通过注射成型来制造透镜单元时，熔融的树脂就可以更平稳地流动。
所述平坦部位于所述透明树脂部上的部分在与所述透明树脂部的所述上表面垂直的方向上的最大厚度优选被制作为1.0mm或更小，从而可以获得非常薄且小的光学模块。
其中，所述平坦部可以包括沿远离所述透明树脂部的相反方向凸出的壁部，并且所述壁部在与所述透镜部相对的位置处具有凹部，该凹部沿朝向所述透镜部的方向凹入，而且光纤的一端插入该凹部中，从而所述光纤通过面向所述透镜部的一端而贴附于所述壁部。通过这样的结构，光纤可以容易地连接到透镜单元，并且可以容易且低成本地制造具有光纤的光学模块。而且，光纤可以容易地相对于透镜部进行位置匹配来制造高质量的光学模块。
其中，所述透镜单元优选包括聚碳酸酯树脂或丙烯酸树脂以作为主要材料。通过这样的材料，本发明的光学模块可以通过注射成型低成本地制造。
根据本发明一个方案的光电传感器的特征在于包括至少一个如上所述的光学模块，以用作光投射器或光接收器。
所谓的传输型光电传感器通常具有一个设置在单独的壳体内的、作为光投射器或光接收器的光学模块。如果该光学模块如上所述构成，那么就可以容易地实现其小型化的半导体光学元件和透镜部的位置匹配，并且可以获得小型化的光电传感器。
根据本发明的另一方案的光电传感器的特征在于包括：至少一个作为光投射器的如上所述的光学模块，和至少一个另外的作为光接收器的如上所述的光学模块。
所谓的反射型光电传感器通常具有在一个单独的壳体内的、作为光投射器和光接收器的两个光学模块。因此，如果根据本发明来构成光学模块，那么即使是具有两个或更多个光学模块的光电传感器也能制造得很小，这是因为能够容易且精确地实现其小型化的半导体光学元件和透镜部之间的位置匹配。
本发明的光学模块的制造方法的特征在于包括以下步骤：将半导体光学元件密封在透明树脂部中；通过注射成型形成包含有透镜部和从所述透镜部延伸的平坦部的透镜单元；以及通过吸附装置吸附所述平坦部的主要表面部，由此使所述透镜单元与所述透明树脂部的表面(上表面)位置匹配地贴附，以使所述透镜部通过透明树脂部与所述半导体光学元件以面对面的关系定位。通过这种方法，可以间接地支撑透镜单元，因此能够容易地实现位置匹配。
在上述的制造方法中，优选地，所述平坦部形成为在与所述透镜部相对的边缘部具有引导壁，并且由此所述透镜单元贴附于所述透明树脂部，从而使所述引导壁覆盖所述透明树脂部的侧表面。这样通过引导壁和与所述透明树脂部的上表面连续的侧表面能够实现粗略的位置匹配。
进一步优选地，所述透镜单元形成为使所述平坦部的厚度小于0.6mm，并且所述引导壁在所述平坦部的所述厚度的方向上的厚度为0.6mm或更大；优选地，在将所述透镜单元从模具取出时，通过沿所述平坦部的所述厚度方向朝向所述引导壁顶压顶出针来形成所述透镜单元。通过这种方法，透镜单元在通过注射成型方法形成以后，能够有效地从模具中取出，因此平坦部可以制作得更薄，而且光学模块可以制作得更小。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的光投射器(light projector)的分解立体图；
图2为图1的光投射器组装后的局部剖面图；
图3-图7为示出用于制造图1的光投射器的过程的示意性截面图；
图8为根据本发明第二实施例的光投射器的分解立体图；
图9为图8的光投射器的透镜单元的立体图；
图10为图8的光投射器组装后的局部剖面图；
图11-图14为示出用于制造图8的光投射器的过程的示意性截面图；
图15为根据本发明第三实施例的光接收器的分解立体图；
图16为图15的光接收器的透镜单元的立体图；
图17为图15的光接收器组装后的局部剖面图；
图18为根据本发明第三实施例的结合有光接收器的距离设定型光电传感器的示意图；
图19为根据本发明第四实施例的光投射器的局部剖面图。
具体实施方式
下面将通过实例对本发明进行说明，其中，本发明作为光学模块应用于光电传感器的光投射器和光接收器。在所述的实例中，相同的组件以相同的附图标记表示，并且不再重复它们的描述。
图1为根据本发明第一实施例的光投射器101A的分解立体图，而图2为光投射器101A组装后的局部剖面图。以下将结合图1和图2对该光投射器101A的结构进行说明。
如图1和图2所示，根据本发明第一实施例的该光投射器101A包括：CSP形式的IC封装110、安装基板120、透镜单元130、壳体140和罩盖150。CSP形式的IC封装110包括中间基板111、作为半导体光学元件的LED112和透明树脂部113。LED112以裸芯片方式安装在中间基板111的表面(上表面)，从而其光投射面将朝向上方。透明树脂部113形成于中间基板111的上表面，以覆盖以裸芯片方式安装的LED112。以这种方式，LED112被透明树脂部113密封于其中。环氧树脂优选作为透明树脂部113的材料。除LED112之外的组件也可以安装于透明树脂部113的表面。
IC封装110安装成使其中间基板111的背面面对安装基板120。更详细地进行描述，在中间基板111的背面上形成的导线分布图(未图示)和在安装基板120的表面(上表面)上形成的另一个导线分布图121通过焊料(未图示)连接在一起，从而使中间基板111上的电路和安装基板120上的电路电连接，并且IC封装110能够可靠地贴附于安装基板120。当然，安装基板120上还可以安装除IC封装110外的组件。
透镜单元130与IC封装110的透明树脂部113的上表面113a位置匹配且连接到该上表面113a。透镜单元130包括：用作投射透镜的透镜部131；以及平坦部132，该平坦部132从透镜部131向侧向延伸，且形成为基本平坦的形式，并且与在中央处的投射透镜形成为一个整体。换句话说，透镜单元130形成为使得透镜部131被平坦部132围绕，该平坦部132从透镜部131沿所有的侧向方向侧向凸出，并且沿着IC封装110的透明树脂部113的上表面113a延伸。透镜部131由例如聚碳酸酯树脂或丙烯酸树脂的材料制成，并且优选通过注射成型来形成。使用含有通过紫外线硬化的树脂材料的粘合剂118将透镜单元130固定到透明树脂部113的上表面113a上。
透镜单元130被固定到透明树脂部113的上表面113a上，使透镜部131相对于LED112位置匹配，或者说LED112的光轴和透镜部131的光轴相互重合。
安装基板120被固定以容置于壳体140的内部，该壳体140为箱形且上表面敞开。更详细地进行描述，通过设置于壳体140底面的位置匹配销141将安装基板120固定并使其位置匹配。罩盖150进一步被连接到壳体140，用于封盖壳体140的上部开口。罩盖150的至少中央部分需要由透明材料制成，以使来自LED112的、通过透镜部131的光可以被投射到光投射器101A的外部。聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂和聚芳酯树脂材料适于作为罩盖150的材料。
根据图2所示的实施例，光投射器101A设计成平坦部132在与透明树脂部113的上表面113a垂直的方向上的厚度t1为0.6mm或更大，并且小于透镜部131在同样方向上的最大厚度T1。厚度t1优选为1.0mm或更小。
要求t1至少为0.6mm的原因在于：在透镜单元130通过注射成型形成并从模具上取下时，顶出针将不会穿透透镜单元130的平坦部132。使t1小于T1的原因在于：通过尽可能地减少罩盖150和透镜单元130的透镜部131之间的距离，可以使得光投射器101A更薄。优选使t1等于或小于1.0mm的原因在于：这样将可以在不利用平坦部132的情况下通过保持透镜部131的侧表面而实现上述的位置匹配。最大厚度T1是决定光投射器101A的光学特性的参数之一，其没有特别的限定。
以下将结合图3-图7对制造光投射器101A的方法进行说明，图3-图7分别示出了该制造过程中的一个示意性截面图。
首先，如图3所示，将LED112以裸芯片方式安装于中间基板111的上表面。然后，在中间基板111上形成透明树脂部113以便将以裸芯片方式安装的LED112密封于其中。由此制备出CSP形式的IC封装110，并且该IC封装110被贴附于安装基板120的上表面。
除了上述参考图3的过程之外，如图4和图5所示，通过注射成型单独制备透镜单元130。制备好模具11和12并使它们结合，然后将熔融的透明树脂材料浇注到它们之间形成的空间并使透明树脂材料硬化，从而形成透镜单元130。由于这样获得的透镜单元130是很小的组件，所以将其从模具11和12中取出便成为了问题。根据本发明的方法，如图5所示，模具11沿箭头A的方向与模具12分离，并且与此同时顶出针14以箭头B的方向顶向平坦部132，从而透镜单元130可以平滑地与模具11和12分离。如上所述，由于透镜单元130的平坦部132的厚度t1为0.6mm或更大，所以可以进行这种操作。因此可以在不会由于顶出针14的顶出而产生损坏的情况下，将透镜单元130取出。
然后，如图6所示，将一定量的含有可通过紫外线硬化的树脂材料的粘合剂118涂敷到贴附于安装基板120的IC封装110的透明树脂部113的上表面113a，同时通过吸附头21的吸附力吸住如上所述的通过注射成型制造的透镜单元130，并且沿箭头C的方向使吸附头21下降。透镜单元130通过以下形式被吸附到吸附头21上，即其透镜部131插入到形成于吸附头21的吸附表面23上的开口22，并且平坦部132的上表面被定位成与吸附头21的、开设有吸附管24的吸附表面23接触。
然后，如图7所示，使透镜单元130的透镜部131与密封在IC封装110内的LED112相互位置匹配，从而使LED112和透镜部131的光轴同轴，并且在保持位置匹配的情况下使粘结剂118暴露于紫外线下从而使粘结剂118硬化。因此，透镜单元130贴附于IC封装110的透明树脂部113的上表面113a。在前述日本专利特开平2-188972中公开的用于调整光轴的装置可以被用于该位置匹配处理。当透镜单元130由此被直接贴附于IC封装110后，释放由吸附头21产生的吸附力，并且沿着箭头D的方向移走吸附头21。
然后，将其上安装有IC封装110并且IC封装110上贴附有透镜单元130的安装基板120定位并贴附于壳体140上，并且将罩盖150连接到该壳体140，以完成结构如图2所示的光投射器101A。
当光投射器101A根据如上所述的方法制造，尽管透镜部131被制作地很小且很薄，但是由于透镜部131是间接地由吸附头21支撑以吸附包括有透镜部131的透镜单元130的平坦部132的上表面，所以可以容易地实现透镜部131相对于LED112的位置匹配过程。因此，尽管光投射器101A的透镜部131制造得更小且更薄，但是光投射器101A仍可以以高生产效率且低成本地进行制造。
由于平坦部132形成为围绕透镜部131且侧向延伸，所以平坦部132的上表面的面积可以制造得足够大，并且因此吸附头21可以可靠地支撑透镜单元130，从而可以保持很高的生产效率。
图8为根据本发明第二实施例的光投射器101B的分解立体图；图9为更详细地示出该光投射器101B的结构的立体图；图10为该光投射器101B组装后的局部剖面图。
如图8和图10所示，与上述的根据本发明第一实施例的光投射器101A类似，根据本发明第二实施例的光投射器101B包括：CSP形式的IC封装110、安装基板120、透镜单元130、壳体140和罩盖150。该透镜单元130的形状不同于第一实施例的光投射器101A的相应的单元。
如图8和图10所示，光投射器101B的透镜单元130包括：用作投射透镜的透镜部131；以及从透镜部131侧向延伸的平坦部132。该平坦部132在其与透镜部131相反的一侧的边缘部处具有引导壁133。换句话说，如图9所示，根据本发明第二实施例的光投射器101B的透镜单元130为下表面敞开的箱形，投射透镜位于其主要表面(principal surface)的中央部分。平坦部132形成为沿着IC封装110的透明树脂部113的上表面113a延伸，并且引导壁133沿着透明树脂部113的侧表面113b向下延伸。透镜部131由例如聚碳酸酯树脂或丙烯酸树脂的材料制成，并且优选通过注射成型来形成。
如图10所示，透镜单元130通过粘结剂118贴附于IC封装110(形成为CSP且内部容置有LED112)的透明树脂部113的上表面113a，从而使透明树脂部113的上表面113a被包括透镜部131和平坦部132的透镜单元130的主要表面覆盖，并且透明树脂部113的侧表面113b的上部被引导壁133覆盖。
透镜单元130以透镜部131与LED112相互位置匹配而使LED112和透镜部131的光轴相互重合的形式而贴附于透明树脂部113的上表面113a。
根据本发明的第二实施例，光投射器101B设计成平坦部132在与透明树脂部113的上表面113a垂直的方向上的厚度t1小于0.6mm，优选小于0.5mm，甚至更优选地小于0.4mm，并且小于透镜部131在相同方向上的最大厚度T1。引导壁133的宽度(在与透明树脂部113的上表面113a垂直的方向上)t2为0.6mm或更大，并且引导壁133的厚度(在与透明树脂部113的侧表面113b垂直的方向上)t3基本上与t1相同。
要求t1小于0.6mm的原因在于：平坦部132可以随着透镜部131的变小而被制作为比0.6mm更薄。使t1小于T1的原因在于：通过使罩盖150与透镜单元130的透镜部131尽可能地彼此靠近而可以使光投射器101B制造得更薄。为了在这种情况下通过注射成型来形成透镜单元130，透镜单元130的厚度必须为0.6mm或更大，从而当透镜单元130作为模制产品从模具取出时顶出针将不会穿透和损坏透镜单元130。然而，如果顶出针顶到了比平坦部132厚的透镜部131，那么透镜部131的表面将受到损坏，并且由于在受损部分发生光散射，因此很有可能不利地影响光投射器的特性。这就是引导壁的宽度t2要选择为0.6mm或更大以及设置引导销顶到其上的原因。
使t1和t3基本相等的原因在于：在注射成型时熔融的树脂材料较容易在模具内流动，从而可以一种改善的方式形成透镜单元130。透镜部131的最大厚度T1是决定光投射器101B的光学特性的参数，其没有特别的限定。
在上述内容中，如果引导壁133的宽度t2为1.0mm或更大，那么将有可能从侧面保持(或特别地通过吸附)透镜单元130。因此，如果这样做，那么将意味着在使透镜单元130相对于LED112位置匹配时增加了处理中的自由度。
以下将结合图11-图14对制造光投射器101B的方法进行说明，图11-图14分别示出了该制造过程中的一个示意性截面图。
首先，与本发明第一实施例的情形一样，制备CSP形式的IC封装110并将其贴附于安装基板120的上表面。
除如上所述的处理之外，如图11和图12所示，通过注射成型来单独制备透镜单元130。制备模具11和12并使它们结合，然后将熔融的透明树脂材料浇注到它们之间形成的空间并且硬化，从而形成透镜单元130。由于如此获得的透镜单元130是很小的组件，所以将其从模具11和12中取出便成为了问题。根据本发明的方法，如图12所示，模具11沿箭头A的方向与模具12分离，并且与此同时顶出针14以箭头B的方向顶向引导壁133，从而透镜单元130可以平滑地与模具11和12分离。如上所述，由于透镜单元130的引导壁的宽度t2制造为0.6mm或更大，所以可以进行这种操作。因此可以在不会由于顶出针14顶向引导壁133而产生损坏的情况下，将透镜单元130从模具12中取出。
然后，如图13所示，将一定量的含有可通过紫外线硬化的树脂材料的粘合剂118涂敷到贴附于安装基板120的IC封装110的透明树脂部113的上表面113a，同时通过吸附头21的吸附力吸住如上所述的通过注射成型制造的透镜单元130，并且沿箭头C的方向使吸附头21下降。透镜单元130通过以下形式被吸附到吸附头21上，即透镜部131插入形成在吸附头21的吸附表面23上的开口22，并且其平坦部132的上表面定位成与吸附头21的、开设有吸附管24的吸附表面23接触。然后贴附箱形的透镜单元130，以覆盖透明树脂部113，从而使引导壁133与透明树脂部113的侧表面113b相对。
然后，如图14所示，并且如上面第一实施例所述的，透镜单元130的透镜部131与密封在IC封装110内的LED112相互位置匹配，从而使LED112和透镜部131的光轴同轴，并且在保持这种位置匹配的情况下使粘结剂118暴露于紫外线下从而使得粘结剂118硬化。因此，透镜单元130贴附于IC封装110的透明树脂部113的上表面113a。在这样将透镜单元130直接地固定至IC封装110之后，释放由吸附头21产生的吸附力，并且沿着箭头D的方向移走吸附头21。如果引导壁133的宽度t2为1.0或更大，那么吸附头21可以从侧面接触透镜单元130，以通过吸附力支撑透镜单元130。
以后的完成如图10所示结构的光投射器101B的过程与第一实施例相同。
第二实施例相比于第一实施例的优点包括：第一，由于模制物可以通过顶出针推动而安全地脱离模具，所以即使透镜部131制作得较小，透镜单元130仍然可以通过注射成型而形成；第二，由于通过引导壁133和透明树脂部113的侧面壁113b可以实现粗略的位置匹配，所以透镜部131相对于LED112的位置匹配变得较为容易；第三，由于多余部分的粘结剂118由引导壁133和平坦部132引导到透明树脂部113的侧壁113b，所以可以防止粘结剂贴附到吸附头或透镜部131上。因此，即使透镜部131被制作得再小再薄，也可以维持高效率地生产。
图15为根据本发明第三实施例的光接收器201的分解立体图。图16为更详细地示出该光接收器201的结构的立体图。图17为该光接收器201组装后的局部剖面图。以下将结合这些附图来说明光接收器的结构。由于其制造方法类似于根据本发明第二实施例的光投射器101B的制造方法，所以不再重复描述。
如图15和图17所示，根据本发明第三实施例的光接收器201包括：CSP形式的IC封装210、安装基板220、透镜单元230、壳体240和罩盖250。
CSP形式的IC封装210包括：中间基板211、作为半导体光学元件的PD和透明树脂部213。PD212以裸芯片方式安装于中间基板211的上表面上，从而其光接收面朝向上方。透明树脂部213形成于中间基板211的上表面，以覆盖以裸芯片方式安装的PD212。以这种方式，PD212被透明树脂部213密封于内部。环氧树脂优选作为透明树脂部213的材料。透明树脂部213的表面上还可以安装除PD212之外的其他组件。
IC封装210安装成使其中间基板211的背面面对安装基板220。更详细地进行描述，在中间基板211的背面上形成的导线分布图(未图示)和在安装基板220的上表面上形成的另一个导线分布图221通过焊料(未图示)连接在一起，从而中间基板211上的电路和安装基板220上的电路可以电连接，并且IC封装210能够可靠地贴附于安装基板220。当然，安装基板220可以安装除IC封装210外的组件。
透镜单元230与IC封装210的透明树脂部213的上表面213a位置匹配并连接到上表面213a。透镜单元230包括：用作光接收透镜的透镜部231；以及从透镜部231侧向延伸的平坦部232。在平坦部上远离透镜部231的一对相对边缘部还形成有引导壁233。因此，如图16所示，光接收器201的透镜单元230是一个整体的箱形，且具有敞开的下表面和一对敞开的侧表面，并在其主要表面的中央部分具有光接收透镜。平坦部232沿着透明树脂部213的上表面213a延伸，而引导壁233沿着透明树脂部213的侧表面从平坦部232的侧边缘向下延伸。透镜部231由例如聚碳酸酯树脂或丙烯酸树脂的材料制成，并且优选通过注射成型来形成。使用含有通过紫外线硬化的树脂材料的粘合剂218将透镜单元230固定到透明树脂部213的上表面213a上。
透镜单元230被固定到透明树脂部213的上表面213a上，从而使其透镜部231相对于PD212位置匹配，或者说PD212的光轴和透镜部231的光轴相互重合。
安装基板220被固定以容置于壳体240的内部，该壳体240为箱形并且其上表面敞开。更详细地进行描述，安装基板220通过设置于壳体240底面的位置匹配销241而进行固定进而位置匹配。罩盖250进一步被连接到壳体240，用于封盖壳体240的上部开口。罩盖250的至少中央部分需要由透明材料制成，以便需要通过透镜部231由PD212接收的光可以从光接收器201的外部到达透镜部231。聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂和聚芳酯树脂材料适于作为罩盖250的材料。
根据图17所示的实施例，光接收器201设计成平坦部232在与透明树脂部213的上表面213a垂直的方向上的厚度t4小于0.6mm，优选小于0.5mm，更优选地小于0.4mm，并且小于透镜部231在相同方向上的最大厚度T2。引导壁233的宽度(在与透明树脂部213的上表面213a垂直的方向上)t5为0.6mm或更大，并且引导壁233的厚度(在与透明树脂部213的侧表面213b垂直的方向上)t6基本上与t4相同。
要求t4小于0.6mm的原因在于：平坦部232可以随着透镜部231的变小而被制作为比0.6mm更薄。使t4小于T2的原因在于：通过设置罩盖250与透镜单元230的透镜部231尽可能地彼此靠近而可以使光接收器201被制作得更薄。为了在这种情况下通过注射成型来形成透镜单元230，透镜单元230在厚度上必须为0.6mm或更大，从而当透镜单元130作为模制产品从模具取出时顶出针将不会穿透和损坏透镜单元230。不过，如果顶出针顶到了比平坦部232厚的透镜部231，那么透镜部231的表面可能会受到损坏，并且由于在损害部分发生光散射，而很有可能不利地影响作为光接收器的特性。这就是引导壁的宽度t5要选择为0.6mm或更大并且设置引导销顶到其上的原因。本发明的这方面的详情与本发明第二实施例中所说明的内容类似。
使t4和t6基本相等的原因在于：在注射成型时熔融的树脂材料较容易在模具内流动，从而可以一种改善的方式形成透镜单元230。透镜部231的最大厚度T2是决定光接收器201的光学特性的参数之一，其没有特别的限定。
在上述内容中，如果引导壁233的宽度t5制成1.0mm或更大，那么将可以从透镜单元230的侧面来保持(或特别地通过吸附)透镜单元230。因此，如果这样做，那么将意味着在使透镜单元230相对于PD212位置匹配时增加了处理中的自由度。
通过如此构成的光接收器201，可以得到与根据本发明的第一和第二实施例的光投射器101A和101B相类似的效果。换句话说，即使透镜部231被制作得小且薄，也可以低成本地且以高生产率地制造高质量的光接收器。而且，由于透明树脂部231位于一对引导壁233之间，所以只要在一个方向上进行透镜单元230在透明树脂部213的上表面231a上的位置匹配，因此大大简化了位置匹配的工作。
图18示出了将本发明的光接收器用于距离设定型光电传感器中的情形，这是因为上述的光接收器201尤其适用于距离设定型光电传感器，。
距离设定型光电传感器使用例如分区光电二极管(divided photodiode)或位置敏感二极管(PSD)等位置检测元件，并且通过计算这些元件的输出信号之间的差值以及通过将计算的差值与特定的阈值相比较来检测位于特定的参考位置前方的物体。通常不检测设置成距离超过上述参考位置的物体。而且，在这样的距离设定型光电传感器的制造中，光投射元件和光接收元件(光投射器和光接收器)的精确定位极为重要。
图18示出了具有彼此靠近设置的光投射器101和光接收器201的距离设定型光电传感器。光接收器201的PD212被划分为第一光接收部212a和第二光接收部212b，从而使来自光投射器101的光在被距离短于特定值L的物体反射后将被第一光接收部212a接收，并且来自光投射器101的光在被距离大于特定值L的物体反射后将被第二光接收部212b接收。
光投射器101适用于通过光投射透镜130发射光束到检测区域。光接收透镜单元230和分区光电二极管212相对于该光束以特定角度定位。更详细地进行描述，如以下方式构成和定位光投射器和光接收器201，即，透镜单元230和分区的PD212的中心连线与光投射器101的光轴在特定距离L的预定位置处交叉。
距离设定型光电传感器的信号处理通过安装在安装基板220上的信号处理电路(未图示)来执行。PD212的第一光接收部212a和第二光接收部212b均有一端与I/V转换器(未图示)连接，所述I/V转换器用于将从PD212的对应的光接收部212a或212b接收的电流转换为电压信号。每一个输出的电压信号通过放大器(未图示)进行放大，并且传输到差动电路(未图示)以产生差动信号。该差动信号被传输到比较电路(未图示)以与特定的阈值比较。该比较电路适用于根据差动信号的正或负来确定反光的目标物体的距离是短于还是远于特定的距离L。
如果根据本发明构成光接收器201，那么透镜单元230可以根据特定的距离L沿箭头E的方向移动，以相对于位于所述的一对引导壁233之间的透明树脂部213进行位置匹配。换句话说，可以容易地实现位置匹配，因此该距离设定型光电传感器可以根据本发明而容易地制造。
并且，本发明也具有关于其他种类的反射型光电传感器的优点。反射型光电传感器的光学特性是由分别包括光投射器和光接收器的光投射部和光接收部确定的。如果将本发明的光投射器和光接收器用于反射型光电传感器的光投射部和光接收部，并且根据本发明进行调整以便它们具有各自所需的光学特性，那么就可以消除现有技术中与波动相关的诸多问题。通过消除反射型光电传感器在组装处理中产生的特性上的变化，还可以稳定且可靠地制造反射型光电传感器；并且还可以消除这些反射型光电传感器在使用时环境变化的影响。
图19为根据本发明第四实施例的光投射器101C的局部剖面图，该光投射器101C具有光纤160，以通过作为光投射透镜的透镜部131将光从LED112引导到待检测的目标物体。
该光投射器101C的透镜单元130包括：透镜部131、从透镜部131侧向延伸的平坦部132以及从平坦部132向上凸出的壁部134。该平坦部132沿着IC封装110的透明树脂部113的上表面113a延伸，而壁部134沿着远离透明树脂部113的向上方向延伸。壁部134在面对透镜部131的位置处具有凹部134a，该凹部134a通过使壁部134的上表面沿朝向透镜部131的方向内凹而形成。光纤160的一端部连接并固定于该凹部134a。
通过这样形成的光投射器101C，光纤160可以容易地贴附于透镜单元130，而且由此可以容易且低成本地制造连接有光纤的光投射器。由于光纤可以容易地相对于透镜部131进行位置匹配，所以可以获得高质量的光投射器。
尽管以上通过光投射器和光接收器的具体实施例对本发明进行了描述，但光投射器中具有的特点可以包含在光接收器中，并且光接收器中具有的特点同样可以包含在光投射器中。而且，本发明所阐述的特点可以应用到光投射器和光接收器之外的各种不同的光学模块中，例如光通信装置。总之，所描述的实施例并不用于限定本发明的范围。
Claims (20)
1、一种光学模块，包括：
半导体光学元件；
透明树脂部，其将所述半导体光学元件密封于其中；和
透镜单元，其贴附于所述透明树脂部的上表面；
其中，所述透镜单元包括：
透镜部，其通过所述透明树脂部与所述半导体光学元件相对设置；和
平坦部，其从所述透镜部沿着所述透明树脂部的所述上表面延伸。
2、如权利要求1所述的光学模块，其中，所述平坦部完全围绕所述透镜部，并且从所述透镜部的整个外周延伸。
3、如权利要求1所述的光学模块，其中，所述平坦部在远离所述透镜部的边缘部具有引导壁，所述引导壁延伸成覆盖所述透明树脂部的连接至所述上表面的侧表面。
4、如权利要求3所述的光学模块，其中，所述平坦部具有一对自所述透镜部互相反向延伸的部分；
其中，所述引导壁从所述的互相反向延伸的部分的端部延伸；并且
其中，所述引导壁延伸成覆盖所述透明树脂部的连接至所述上表面的彼此相对的侧表面。
5、如权利要求1所述的光学模块，其中，所述平坦部在与所述透明树脂部的所述上表面垂直的方向上的厚度为0.6mm或更大，并且要小于等于所述透镜部的最大厚度。
6、如权利要求3所述的光学模块，其中，所述平坦部在与所述透明树脂部的所述上表面垂直的方向上的厚度小于0.6mm；并且
所述引导壁在与所述透明树脂部的所述上表面垂直的方向上的宽度为0.6mm或更大。
7、如权利要求3所述的光学模块，其中，所述平坦部在与所述透明树脂部的所述上表面垂直的方向上的厚度基本等于所述引导壁在与所述侧表面垂直的方向上的厚度。
8、如权利要求1所述的光学模块，其中，所述平坦部位于所述透明树脂部上的部分在与所述透明树脂部的所述上表面垂直的方向上的最大厚度为1.0mm或更小。
9、如权利要求1所述的光学模块，其中，所述平坦部包括沿远离所述透明树脂部的相反方向凸出的壁部；
其中，所述壁部在与所述透镜部相对的位置处具有凹部，该凹部沿朝向所述透镜部的方向凹入；并且
其中，光纤的一端插入所述的凹部中，从而使所述光纤通过面向所述透镜部的所述一端而贴附于所述壁部。
10、如权利要求3所述的光学模块，其中，所述平坦部包括沿远离所述透明树脂部的相反方向凸出的壁部；
其中，所述壁部在与所述透镜部相对的位置处具有凹部，该凹部沿朝向所述透镜部的方向凹入；并且
其中，光纤的一端插入所述的凹部中，从而使所述光纤通过面向所述透镜部的所述一端而贴附于所述壁部。
11、如权利要求3所述的光学模块，其中，所述透镜单元包括聚碳酸酯树脂或丙烯酸树脂作为主要材料。
12、一种光电传感器，其包括根据权利要求1所述的光学模块，所述光学模块用作光投射器或光接收器。
13、如权利要求12所述的光电传感器，其中包括：用作光投射器的根据权利要求1所述的光学模块，和用作光接收器的根据权利要求1所述的另一个光学模块。
14、一种光电传感器，包括：
光投射部，其具有用于将光束投射到检测区域的光投射元件；
光接收元件；
透明树脂部，其将所述光接收元件密封于其中；和
透镜单元，其贴附于所述透明树脂部的上表面，所述透镜单元包括：
透镜部，其通过所述透明树脂部与所述光接收元件相对设置；和
平坦部，其从所述透镜部沿着所述透明树脂部的所述上表面延伸；
其中，所述光电传感器用于根据所述光接收元件的光接收位置，通过三角测量获得与待检测的目标物体的距离相当的物理量，并通过将所述的物理量与阈值比较来确定到所述目标物体的距离。
15、如权利要求14所述的光电传感器，其中，所述平坦部完全围绕所述透镜部，并且从所述透镜部的整个外周延伸；
其中，所述平坦部在远离所述透镜部的边缘部具有引导壁；
其中，所述引导壁延伸成覆盖所述透明树脂部的连接至所述上表面的侧表面。
16、一种光电传感器，包括：
光投射元件；
光接收元件；
透明树脂部，其将所述光投射元件密封于其中；和
透镜单元，其贴附于所述透明树脂部的上表面，所述透镜单元包括：
透镜部，其通过所述透明树脂部与所述光投射元件相对设置；和
平坦部，其从所述透镜部沿着所述透明树脂部的所述上表面延伸；
其中，所述光电传感器用于根据所述光接收元件的光接收位置，通过三角测量获得与待检测的目标物体的距离相当的物理量，并通过将所述的物理量与阈值比较来确定到所述目标物体的距离。
17、如权利要求16所述的光电传感器，其中，所述平坦部完全围绕所述透镜部，并且从所述透镜部的整个外周延伸；
其中，所述平坦部在远离所述透镜部的边缘部具有引导壁；
其中，所述引导壁延伸成覆盖所述透明树脂部的连接至所述上表面的侧表面。
18、一种光学模块的制造方法，所述方法包括以下步骤：
将半导体光学元件密封在透明树脂部中；
通过注射成型形成包括有透镜部和从所述透镜部延伸的平坦部的透镜单元；以及
通过吸附装置吸附所述平坦部的主要表面部，由此使所述透镜单元与所述透明树脂部的上表面位置匹配地贴附，以使所述透镜部通过所述透明树脂部与所述半导体光学元件以面对面的关系定位。
19、如权利要求18所述的方法，其中，所述平坦部形成为在与所述透镜部相对的边缘部具有引导壁，并且所述透镜单元被贴附于所述透明树脂部，以使所述引导壁覆盖所述透明树脂部的侧表面，所述侧表面与所述上表面相连。
20、如权利要求19所述的方法，其中，所述透镜单元形成为使得所述平坦部的厚度小于0.6mm，并且所述引导壁在所述平坦部的所述厚度的方向上的厚度为0.6mm或更大；并且形成所述透镜单元的步骤包括以下步骤：在将所述透镜单元从模具取出时，沿所述平坦部的所述厚度方向向着所述引导壁顶压顶出针。
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