TW201518690A - 包括遠心成像系統之光學編碼器模組 - Google Patents
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Abstract
本發明描述一種光學編碼器模組，其中光學偵測通道包括一遠心成像系統，其包括一被動光學元件(例如一透鏡)及位於該被動光學元件與(若干)光偵測元件之間之一孔徑光闌。該孔徑光闌可實施為(例如)一實質上呈平面之薄中間部件中之一開口。在一些實施方案中，一旋轉式碼尺可直接位於在一反射模式中操作之該模組之成像透鏡上方。
Description
本申請案係相關於2013年10月8日申請且名稱為「Optical encoder modules」之美國臨時專利申請案第61/888,177號。該相關申請案之全文以引用的方式併入本文中。
本發明係關於包括一遠心成像系統之光學編碼器模組。
反射光學編碼器可用於偵測(例如)一旋轉碼尺(例如一圓柱形碼輪)之運動，該旋轉碼尺包括一條紋圖案以反射呈一已知場型之光。可使用一光發射器及一光偵測器來光學地偵測該碼尺之運動。由該碼尺反射之光之強度隨著該碼尺旋轉而變動。特定言之，由該碼尺上之圖案反射光，使得明亮及黑暗或高強度及低強度之一交替場型可由該偵測器偵測。可(例如)由一信號處理器將所偵測之場型轉換為指示該碼尺之移動、位置、方向或速度之一數位信號。
本發明描述一種光學編碼器模組，其中光學偵測通道包括一遠心成像系統，其包括一被動光學元件(例如一透鏡)及位於該被動光學元件與(若干)光偵測元件之間之一孔徑光闌。該孔徑光闌可實施為(例如)一實質上呈平面之薄中間部件中之一開口。在一些實施方案中，一旋轉式碼尺可直接位於在一反射模式中操作之該模組之成像透鏡上
方。
例如，在一態樣中，一種光學編碼器模組包括一發光元件及一或多個光偵測元件安置於其上之一基板。該發光元件及該一或多個光偵測元件分別配置於第一光學通道及第二光學通道中。該模組亦包括提供該發光元件上之一第一被動光學元件及該一或多個光偵測元件上之一第二被動光學元件之一光學器件支架。該第二光學通道包括一遠心成像系統，其包含該第二被動光學元件及位於該第二被動光學元件與該(等)光偵測元件之間之一孔徑光闌。
在一些實施方案中，該孔徑光闌包含安置於該基板與該光學器件支架之間之一實質上呈平面之中間部件，該中間部件具有實質上與該(等)光偵測元件及該第二被動光學元件對準之一第一開口。在一些實施方案中，光發射路徑及光偵測路徑彼此不對稱。
本發明亦描述一種光學編碼器，其包括一光學編碼器模組及一碼尺(例如一旋轉式碼輪)。
將從[實施方式]、附圖及技術方案明白其他態樣、特徵及優點。
10‧‧‧光學編碼器模組
12‧‧‧基板
14‧‧‧發光元件晶片
16‧‧‧積體電路晶片/光偵測器積體電路
18‧‧‧光偵測元件
20‧‧‧光學器件支架/光學部件
22‧‧‧被動光學元件
24‧‧‧被動光學元件
26‧‧‧光學發射通道
27‧‧‧中間部件
28‧‧‧光學偵測通道
29‧‧‧孔隙/開口
30A‧‧‧第一間隔物/外間隔壁
30B‧‧‧第二間隔物/外間隔壁
31‧‧‧金屬層/金屬塗層
32A‧‧‧內間隔壁
32B‧‧‧內間隔壁
33‧‧‧開口
34‧‧‧中心光軸
36‧‧‧中心軸
40‧‧‧旋轉式碼尺
42‧‧‧軸
100‧‧‧晶圓堆疊
102‧‧‧基板晶圓
104‧‧‧第一間隔物晶圓
106‧‧‧中間晶圓
108‧‧‧第二間隔物晶圓
110‧‧‧光學器件晶圓
112‧‧‧透明材料/透明區域
114‧‧‧被動光學元件/透鏡
116‧‧‧被動光學元件/透鏡
118‧‧‧垂直線
圖1A繪示根據本發明之一反射光學編碼器之一實例。
圖1B繪示一碼尺之一透視圖。
圖2繪示形成一遠心成像系統之部分之一孔徑光闌之一實例之細節。
圖3繪示使用一晶圓級程序之光學編碼器模組之製造。
圖4繪示一孔徑光闌之額外細節。
如圖1A中所繪示，一光學編碼器模組10包括一發光元件晶片14(例如一發光二極體(LED)、一雷射二極體或一VCSEL)及一積體電路晶片16安裝於其上之一基板12，積體電路晶片16具有一或多個(且在
一些情況中，兩個或兩個以上)光偵測元件18(例如光二極體或影像感測器，諸如CMOS或CCD影像感測器)。積體電路晶片16包括用於處理由光偵測元件18偵測之信號的電路。雖然模組10之所繪示實例展示安裝於模組10內之基板12上之積體電路晶片16，但在一些實施方案中，積體電路晶片16可位於模組10外，其可有助於減小模組之佔用面積。在此等實施方案中，一或多個光偵測元件18可直接安裝或形成於基板12上(即，與積體電路晶片16分離)。無論何種情況，模組10包括一發光元件14及直接或間接安置於基板12上之一或多個光偵測元件18。
光偵測元件18可配置成(例如)一陣列。提供兩個或兩個以上光偵測元件18允許模組偵測安置於模組10上方之一旋轉碼尺40(例如一碼輪)之運動且識別隨時間之相對角位置變化。
雖然圖1A中未繪示，但基板12之外側可包括一或多個焊料球或其他導電接點，其可(例如)藉由延伸穿過基板12之導電通孔而電耦合至發光元件14及積體電路晶片16(或光偵測元件18)。此等特徵允許模組10安裝至(例如)一印刷電路板。
一光學器件支架20配置於發光元件14及光偵測元件18上，光學器件支架20用於與光學發射通道26對準之一或多個被動光學元件22及與光學偵測通道28對準之一或多個被動光學元件24。光學偵測通道28中之光學元件24形成一遠心成像系統之部分，該遠心成像系統亦包括位於光學元件24與光偵測元件18之間之一孔徑光闌。該孔徑光闌可實施為(例如)一實質上呈平面之薄中間部件27中之一孔隙(即，一開口)29，且可有助於提供由光偵測元件18感測之影像之更均勻放大。在一些實施方案中，實質上呈平面之薄中間部件27包括沿其底面之一極薄金屬(例如銅)層31。在所繪示之實例中，中間部件27亦延伸至光學發射通道26中且提供來自發光元件14之光穿過其(較佳地不受阻擋)之一相對較大開口33。因此，中間部件27之總橫向(即，寬度及長度)尺寸
可實質上相同於基板12及光學部件20之尺寸。
如圖1A中所展示，基板12、中間部件27及光學器件支架20彼此平行。由一第一間隔物30A使基板12與中間部件27分離，第一間隔物30A橫向包圍光學發射通道26及光學偵測通道28之下部分且充當模組10之外壁之一部分。由一第二間隔物30B使中間部件27與光學器件支架20分離，第二間隔物30B橫向包圍光學發射通道26及光學偵測通道28之上部分且亦充當模組10之外壁之一部分。間隔物30A、30B亦界定使光學發射通道26與光學偵測通道28分離之內壁32A、32B。光學器件支架20、基板12及間隔壁30A、30B(以及中間部件27之側邊緣)界定模組外殼。
光偵測元件18經配置以偵測由發光元件14發射之光之一波長(或波長範圍)。在一些實施方案中，發光元件14發射紅外光。然而，一般而言，由發光元件14發射之(若干)波長可在可視或不可視範圍內。
較佳地，間隔物30A、30B(其包括內壁32A、32B)由實質上對由發光元件14發射之光及/或可由光偵測元件18偵測之光不透明之一材料組成。此一配置可有助於減少光學串擾及光學雜訊。例如，間隔物30、32可由包括一不透明填充材料(諸如碳黑、一顏料、一無機填充劑或一染料)之一聚合材料組成。基板12及光學器件支架20(除被動光學元件22、24之外)亦可由不透明材料組成。例如，基板12可由一印刷電路板(PCB)材料(例如G10或FR4，其係賦予玻璃增強型環氧積層材料之等級編號)組成。同樣地，光學器件支架20可由(例如)具有用於被動光學元件22、24之開口之一PCB材料組成。
中間部件27亦可由一不透明材料(例如一PCB材料，諸如G10或FR4；或矽或一陶瓷材料)組成。如上文所提及，在一些實施方案中，中間部件27在其底面上具有一金屬(例如銅)塗層31。如圖2中所繪示，在一些實施方案中，孔隙29塑形為一斜截錐形。例如，孔隙29之
較窄開口可更靠近於光偵測元件18，且其較寬開口可更靠近於(若干)光學元件24。然而，在一些實施方案中，斜截錐形孔隙29之較寬開口更靠近於光偵測元件18。在一些情況中，中間部件27之厚度(t)係100μm或更小。作為一特定實例，若中間部件27之厚度(t)係約100μm，則較寬開口可具有約450μm之一直徑(w1)，且較窄開口可具有約170μm之一直徑(w2)。在所繪示之實例中，斜截錐形孔隙之外角α係約45°。其他實施方案可具有不同尺寸。
用於光發射(即，照明)路徑之(若干)被動光學元件22可包括一繞射元件，例如一菲涅耳(Fresnel)透鏡。用於光偵測(即，成像)路徑之(若干)被動光學元件24可包括(例如)一或多個非球面透鏡。如圖1A中所繪示，用於光發射及光偵測之光學路徑係不對稱的。在所繪示之實例中，(若干)光學元件24及孔隙29實質上直接對準於光偵測元件18上方，且(若干)光學元件24經配置以沿具有實質上垂直於光學器件支架20之平面之一中心光軸34之一路徑接收光。相比而言，用於光發射通道26之(若干)光學元件22經配置以沿具有相對於光學器件支架20之平面形成不垂直角度θ之一中心軸36之一路徑導引由發光元件14發射之光。一般而言，光發射路徑之中心軸36與光學部件20之平面之間之角度θ取決於碼尺40與編碼器模組10之間之距離，以及發光元件14與光偵測元件18之間之距離。在一些實施方案中，角度θ係在20°至60°之範圍內。此一配置可用於(例如)具有約1mm(寬度)×約2mm(高度)×約3mm(長度)之總尺寸之一模組，其中高度量測為從模組10之底部至圓柱形碼尺40之軸42之中心。在所繪示之實例中，碼尺40具有約1.4mm之一直徑(d)(參閱圖1A及圖1B)。在一些實施方案中，光發射路徑之中心光軸與光偵測路徑之中心光軸在相距於光學部件之外表面之小於1mm之一距離處相交。模組10及碼尺40之不同尺寸可適用於其他實施方案。
所繪示之編碼器可在(例如)一漫反射模式中操作。模組10之前述配置允許沿一路徑(其中心光軸34實質上垂直於光學器件支架20之平面及基板12之平面)將由碼尺40反射之光導引朝向光偵測元件18。雖然從光發射通道26發射朝向碼尺40之光成一角度，但提供具有不對稱光學路徑之一模組可允許對光偵測光學器件實施一相對簡易光學設計，同時亦允許碼尺40相對於模組10之位置之更大機械容限。例如，對於上文所提及之特定尺寸，碼尺之軸42之位置之容限在水平方向(x)及垂直方向(z)上可為約100微米(μm)至高達數百微米，其中碼尺40之外圓周與編碼器模組10之間之標稱距離係在500μm至1mm之範圍內。對於其他實施方案，容限以及碼尺與編碼器10之間之標稱距離可為不同的。
可同時製造多個模組10，其(例如)作為一晶圓級程序之部分。一般而言，一晶圓係指一實質上呈圓盤狀或板狀之物件，其在一方向(z方向或垂直方向)上之延伸小於其在其他兩個方向(x方向及y方向)上之延伸。複數個類似結構或物件可配置於一(非空白)晶圓上或提供於其內之(例如)一矩形柵格上。一晶圓可具有開口或孔，且在一些情況中，一晶圓在其橫向區域之一主要部分中可不具有材料。根據實施方案，一晶圓可由(例如)一半導體材料、一聚合材料、一複合材料(其包含金屬及聚合物)或聚合物及玻璃材料製成。晶圓可包含可硬化材料，諸如熱固化或UV固化聚合物。在一些實施方案中，一晶圓之直徑係在5cm至40cm之間。晶圓可呈具有(例如)2英寸、4英寸、6英寸、8英寸或12英寸之一直徑之圓柱形，1英寸係約2.54cm。晶圓厚度可在(例如)0.2mm至10mm之間，且在一些情況中，在0.4mm至6mm之間。在一些情況中，晶圓之一或多者(例如用於孔徑光闌之一晶圓)可甚至更薄。不同材料及尺寸可適用於其他實施方案。
圖3繪示用於製造多個光學編碼器模組10之一晶圓級程序。在此
程序中，一基板晶圓102、一第一間隔物晶圓104、一中間晶圓106(其提供孔徑光闌)、一第二間隔物晶圓108及一光學器件晶圓110彼此附接以形成一晶圓堆疊100。多個發光元件14及光偵測積體電路16安裝於可由(例如)一PCB材料組成之基板晶圓102上。根據所欲模組設計而使發光元件14與光偵測器積體電路16彼此間隔。在一些實施方案中，發光元件14及光偵測器積體電路16配置為橫跨基板晶圓102之表面之陣列。
如上文所提及，在一些實施方案中，光偵測元件可直接安裝或形成於基板晶圓102上以取代將積體電路晶片16(其包括光偵測元件18)安裝於基板晶圓102上。在此等實施方案中，一積體電路晶片16(其包括用於隨後處理來自(若干)光偵測元件18之信號的電路)可與一光學編碼器模組一起安裝於(例如)一共同印刷電路板上。
間隔物晶圓104、108可由(例如)一不透明聚合材料組成且包括用於光學發射通道及光學偵測通道之開口。光學器件晶圓110可由(例如)具有填充有一透明材料112(例如玻璃或聚合物)之開口之一不透明PCB材料組成。複製之被動光學元件(例如透鏡)114、116可形成於透明區域112之一或兩側上。可(例如)使用一黏著劑來將晶圓102、104、106、108、110附接在一起，其中第一間隔物晶圓104使基板晶圓102與中間晶圓106分離，且第二間隔物晶圓108使中間晶圓106與光學器件晶圓110分離。接著，可沿垂直線118使晶圓堆疊100分離(例如，藉由分割、雷射切割或水射流切割)以形成多個個別光學編碼器模組。
在一些實施方案中，可使用(例如)一真空注射程序來使間隔物直接形成於基板晶圓102及光學器件晶圓110上以取代分離間隔物晶圓104、108。接著，可藉由該等間隔物而將基板晶圓102及光學器件晶圓110附接至中間晶圓106以形成類似於上文所描述之晶圓堆疊之一晶
圓堆疊。在一些實施方案中，可使用一組合之複製及真空注射工具來使被動光學元件及間隔物形成於光學器件晶圓110上。相同工具可用於在光學器件晶圓110之透明區域112上複製被動光學元件(例如透鏡)且藉由真空注射而在光學器件晶圓上形成間隔物元件。
晶圓堆疊中之相鄰模組之間之間隔物可具有大於(例如，約兩倍)其他間隔物之厚度之一厚度。因此，當將晶圓堆疊分離成個別模組時，所得間隔物之厚度將彼此大致相同。例如，在圖1中，內間隔壁32A、32B之厚度可大致相同於外間隔壁30A、30B之厚度。
各種技術可用於形成遠心成像系統之孔徑光闌。例如，在將中間晶圓106附接為晶圓堆疊100之部分之前，一蝕刻技術可用於形成中間晶圓106中之開口29。在其他實施方案中，可(例如)在其底側上塗覆有一金屬層之一PCB晶圓中鑽削開口29。例如，可使用具有一90°尖端之一鑽頭。該金屬鑽頭尖端及該金屬層之導電性可用於控制孔隙之深度，且該金屬層可有助於達成斜截錐形孔隙之尖銳邊緣。例如，在一些實施方案中，當該鑽頭尖端達到該金屬層時，其引起閉合一電路，藉此指示該鑽頭尖端之位置。可藉由略微更深地鑽入該金屬層中而產生具有尖銳邊緣之一孔隙。
雖然孔隙29之窄開口應儘可能小，但斜截錐形孔隙之開口角度(β)應大於入射光之開口角度(λ)，如圖4中所繪示。例如，在一些情況中，斜截錐形孔隙之開口角度(β)可為約45°，而入射光之開口角度(λ)可為10°至15°。此等角度可影響斜截錐形孔隙之頂部開口及底部開口之直徑之比率(w2：w1)。
其他實施方案係在技術方案之範疇內。
10‧‧‧光學編碼器模組
12‧‧‧基板
14‧‧‧發光元件晶片
16‧‧‧積體電路晶片/光偵測器積體電路
18‧‧‧光偵測元件
20‧‧‧光學器件支架/光學部件
22‧‧‧被動光學元件
24‧‧‧被動光學元件
26‧‧‧光學發射通道
27‧‧‧中間部件
28‧‧‧光學偵測通道
29‧‧‧孔隙/開口
30A‧‧‧第一間隔物/外間隔壁
30B‧‧‧第二間隔物/外間隔壁
31‧‧‧金屬層/金屬塗層
32A‧‧‧內間隔壁
32B‧‧‧內間隔壁
33‧‧‧開口
34‧‧‧中心光軸
36‧‧‧中心軸
40‧‧‧旋轉式碼尺
42‧‧‧軸
Claims (23)
- 一種光學編碼器模組，其包含：一基板，其上安置一發光元件及一或多個光偵測元件，其中該發光元件及該一或多個光偵測元件分別配置於第一光學通道及第二光學通道中；及一光學器件支架，其提供該發光元件上之一第一被動光學元件及該一或多個光偵測元件上之一第二被動光學元件，其中該第二光學通道包括一遠心成像系統，該遠心成像系統包含：該第二被動光學元件，及一孔徑光闌，其位於該第二被動光學元件與該一或多個光偵測元件之間。
- 如請求項1之光學編碼器模組，其中該孔徑光闌包含安置於該基板與該光學器件支架之間之一實質上呈平面之中間部件，該中間部件具有實質上與該一或多個光偵測元件及該第二被動光學元件對準之一第一開口。
- 如請求項1或2中任一項之光學編碼器模組，其中該第一開口具有一斜截錐形形狀。
- 如請求項2之光學編碼器模組，其中該中間部件在該第一光學通道中具有一第二開口以允許來自該發光元件之光傳至該第一被動光學元件。
- 如請求項2之光學編碼器模組，其中該中間部件包括其表面上之一金屬塗層。
- 如請求項2之光學編碼器模組，其中該中間部件具有100μm或更小之一厚度。
- 如請求項1或2中任一項之光學編碼器模組，其中該第一開口之一開口角度大於入射於該第一開口上之光之一開口角度。
- 如請求項1或2中任一項之光學編碼器模組，其中該模組之一光偵測路徑之一中心光軸實質上垂直於該發光元件及該一或多個光偵測元件安置於其上之該基板。
- 如請求項8之光學編碼器模組，其中該模組之一光發射路徑之一中心軸與該光學器件支架之一平面之間之一角度係在20°至60°之一範圍內。
- 如請求項1或2之光學編碼器模組，其中該發光元件上之該第一被動光學元件包括一繞射元件。
- 如請求項1或2之光學編碼器模組，其中該發光元件上之該第一被動光學元件包括一菲涅耳(Fresnel)透鏡。
- 如請求項1或2之光學編碼器模組，其中該一或多個光偵測元件上之該第二被動光學元件包括至少一非球面透鏡。
- 如請求項1或2之光學編碼器模組，其中該模組之光發射路徑及光偵測路徑彼此不對稱。
- 一種反射光學編碼器，其包含：一旋轉式碼尺；及一模組，其包含：一基板，其上安置一發光元件及一或多個光偵測元件，其中該發光元件及該一或多個光偵測元件分別配置於第一光學通道及第二光學通道中；及一光學器件支架，其提供該發光元件上之一第一被動光學元件及該一或多個光偵測元件上之一第二被動光學元件，其中該第二光學通道包括一遠心成像系統，該遠心成像系統包含： 該第二被動光學元件，及一孔徑光闌，其位於該第二被動光學元件與該一或多個光偵測元件之間；該旋轉式碼尺及該模組相對於彼此配置，使得由該發光元件發射且離開該模組之光被導引朝向該旋轉式碼尺，且從該旋轉式碼尺反射且由該一或多個光偵測元件偵測之光量隨著該旋轉式碼尺之旋轉而變動。
- 如請求項14之反射光學編碼器，其中該孔徑光闌包含安置於該基板與該光學器件支架之間之一實質上呈平面之中間部件，該中間部件具有實質上與該一或多個光偵測元件及該第二被動光學元件對準之一第一開口。
- 如請求項14或15中任一項之反射光學編碼器，其中該第一開口具有一斜截錐形形狀。
- 如請求項15之反射光學編碼器，其中該中間部件在該第一光學通道中具有一第二開口以允許來自該發光元件之光傳至該第一被動光學元件。
- 如請求項17之反射光學編碼器，其中該中間部件包括其表面上之一金屬塗層。
- 如請求項15之反射光學編碼器，其中該中間部件具有100μm或更小之一厚度。
- 如請求項14或15之反射光學編碼器，其中該第一開口之一開口角度大於入射光之一開口角度。
- 如請求項14或15之反射光學編碼器，其中該模組之一光偵測路徑之一中心光軸實質上垂直於該發光元件及該一或多個光偵測元件安置於其上之該基板。
- 如請求項21之反射光學編碼器，其中該模組之一光發射路徑之 一中心軸與該光學器件支架之一平面之間之一角度係在20°至60°之一範圍內。
- 如請求項14或15之反射光學編碼器，其中離開該模組之光之一中心光軸及進入該模組之光之一中心光軸彼此不對稱。
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