TW201539012A - 光學成像模組及包含飛行時間感測器之光學偵測模組 - Google Patents

光學成像模組及包含飛行時間感測器之光學偵測模組 Download PDF

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Abstract

本發明揭示光學成像模組及包含諸如飛行時間(TOF)感測器之感測器之光學偵測模組。描述在一些例項中可幫助減少主動偵測像素與參考像素之間之光學串擾量且/或可促進該感測器判定待在(例如)距離計算中使用之一準確相位差之能力之各種實施方案。

Description

光學成像模組及包含飛行時間感測器之光學偵測模組 [相關申請案之交叉參考]
本申請案主張以下美國臨時專利申請案之優先權利：2014年3月14日申請之第61/953,089號；2014年4月18日申請之第61/981,235號；及2014年5月1日申請之第61/987,045號。先前申請案之內容以引用之方式併入本文中。
諸如智慧型電話之一些手持計算裝置可提供各種不同光學功能，諸如一維(1D)或三維(3D)手勢偵測、3D成像、近接偵測、環境光感測及/或前置二維(2D)相機成像。
例如，基於TOF之系統可提供深度及/或距離資訊。一般而言，TOF系統係基於發射強度調變光(其由一場景反射)之相位-量測技術。將該反射光成像於一感測器上，且在該感測器中對光生電子進行解調。基於相位資訊，藉由與該感測器相關聯之處理電路判定各像素至場景中之一點之距離。
此外，基於TOF之系統可經由一脈衝-量測技術提供深度及/或距離資訊。該脈衝-量測技術採用如上所述之一發射器及感測器；然而，藉由計算所發射之光反射回到該感測器上之時間而判定距離。
然而，將TOF感測器整合至諸如智慧型電話、平板電腦之裝置或其他手持裝置中可由於一些理由而變得有挑戰性。第一，主機裝置中 之空間通常係非常珍貴的。因此，需要達成具有一相對較小高度之準確TOF感測器。第二，晶粒之大小影響生產成本。據此，期望達成具有一相對較小佔用面積(foot print)之TOF感測器。
儘管以上問題亦可適用於其他類型之光學成像或偵測感測器，但另一潛在問題對TOF感測器更具特定性。特定言之，藉由像素獲得之距離量測應抵抗由(例如)熱漂移效應引起之相位延遲而具有穩健性。為瞭解決此等問題，在一些TOF晶片中，藉由提供量測來自照明源之光之參考像素來達成TOF距離量測之一自校準。使用此等參考像素使得將來自照明源之部分光引導至參考像素成為必需，該等參考像素可需要與用於量測至場景之距離之主動像素光學分隔。
經由脈衝-量測技術之基於TOF之距離量測應抵抗熱漂移效應而具有穩健性。例如，在一些例項中，來自發射器之光之初始發射之精確開始時間可能由於熱漂移效應而變模糊。
本發明描述光學成像模組及包含諸如飛行時間(TOF)感測器之感測器之光學偵測模組。
描述在一些例項中可幫助減少主動偵測像素與參考像素之間之光學串擾量且/或可促進感測器判定待在(例如)距離計算中使用之一準確相位差之能力之各種實施方案。
在一態樣中，本發明描述一種光電模組，其包含：一照明源；一感測器，其包含在空間上分佈之偵測像素及至少一參考像素；一光學部件，其安置於該照明源及該感測器上方；及一光障壁，其將該模組之一發射腔室與該模組之一偵測腔室分隔。該光學部件具有在照明源上方之一第一透射區域及在偵測像素上方之一第二透射區域。該照明源及該至少一參考像素係位於發射腔室中，而偵測像素係位於偵測腔室中。另外，光電模組包含以下之至少一者：(i)照明源上方之第 一透射區域之一表面上之一部分反射塗層或(ii)發射腔室之一表面上之一反射塗層，其中該塗層經配置使得來自照明源之一些光由該塗層反射朝向至少一參考像素。
在另一態樣中，一光電模組包含照明源上方之光學部件之透射區域之一表面上之一塗層，其中該塗層係一濾光器塗層、一部分反射塗層及一抗反射塗層或一非透射塗層之至少一者。
在另一態樣中，一光電模組包含安置於偵測像素及/或(若干)參考像素上方之一或多個微透鏡。
根據一進一步態樣，一或多個偵測及/或參考像素之各者至少部分由縮小像素之一有效視域一或多個層之一遮蔽物橫向環繞。
根據另一態樣，一種光電模組包含：一印刷電路板；及一照明源，其安裝於該印刷電路板上或安裝於該印刷電路板中。該模組進一步實施於嵌入於印刷電路板內之一或多個半導體感測器中之在空間上分佈之偵測像素及至少一參考像素。
一進一步態樣描述一種使用包含主動解調偵測像素及一或多個參考像素之一飛行時間感測器來判定至一目標物之一距離之方法。該方法包含在一第一積分週期期間積分主動解調偵測像素且在不同於該第一積分週期之一第二積分週期期間積分一或多個參考像素。在第一積分週期之後之一第一讀出週期期間自主動解調偵測像素讀出信號，且在第二積分週期之後之一第二讀出週期期間自一或多個參考像素讀出信號。
如根據另一態樣所描述，一光電模組包含經組態以微調(若干)參考像素處之一積分時間之控制邏輯。
另一態樣係關於一種使用包含解調偵測像素及一或多個參考像素之一飛行時間感測器模組來判定至一目標物之一距離之方法。該方法包含：自一特定解調偵測像素及自一特定參考像素量測經感測到之 值；及至少部分基於經感測到之值及基於所儲存之靈敏度值而判定一相位差，其中該等靈敏度值指示特定解調偵測像素與特定參考像素之間之光學串擾量。該模組可包含處理邏輯以實施該方法。
在另一態樣中，一種光電模組包含安置於照明源及感測器上方之一透射部件。一各自黑鉻塗層係位於透射部件之一相對表面上，其中該等黑鉻塗層之各者界定容許來自照明源之光穿過而到達模組外側之一透射窗。開口係設置於至少一參考像素附近之透射部件之一感測器側上之黑鉻塗層之一部分中。在某些情況下，黑鉻塗層之存在可增大反射至參考像素之光量；提供部分黑鉻塗層作為一光柵可用於防止過量之光入射於參考像素上。
自以下詳細描述、所附圖式及技術方案中將易於明白其他態樣、特徵及優勢。
20‧‧‧TOF相機系統/相機
22‧‧‧照明模組/照明源
24‧‧‧經發射照明光
25‧‧‧照射光信號
26‧‧‧場景
28‧‧‧光學器件
30‧‧‧感測器
32‧‧‧2D像素矩陣
34‧‧‧解調像素/主動像素
36‧‧‧電子控制單元
38‧‧‧資料輸出介面
40‧‧‧顯示器
44‧‧‧參考像素
100‧‧‧光電模組
102‧‧‧光發射通道/發射腔室
104‧‧‧光偵測通道/偵測腔室
106‧‧‧光發射器晶片/發射器
108‧‧‧TOF感測器晶片/TOF感測器
108A‧‧‧感測器晶片
108B‧‧‧感測器晶片
110‧‧‧印刷電路板(PCB)
110A‧‧‧層
116‧‧‧光學部件
121A‧‧‧濾光器
121B‧‧‧濾光器
122‧‧‧透射蓋罩/防護玻璃罩
122A‧‧‧透射窗
122B‧‧‧透射窗
122C‧‧‧透射窗
124‧‧‧偵測像素
128‧‧‧參考像素
130‧‧‧遮蔽物/光障壁
131‧‧‧非透射區域/非透射區段/不透明或非透明區段
132‧‧‧塗層
133‧‧‧反射塗層
140‧‧‧微透鏡
140A‧‧‧微透鏡
144‧‧‧堆疊/反射層
152‧‧‧可變積分週期
154‧‧‧固定積分週期
156‧‧‧第一週期
158‧‧‧第二週期
162‧‧‧參考像素積分
164‧‧‧主動像素積分
166‧‧‧第一積分週期
168‧‧‧第二積分週期
172‧‧‧第一積分週期
174‧‧‧第二積分週期
176‧‧‧第三積分週期
184A‧‧‧黑鉻塗層
184B‧‧‧黑鉻塗層
185A‧‧‧光柵
185B‧‧‧光柵
186A‧‧‧開口
186B‧‧‧開口
200‧‧‧方塊
202‧‧‧方塊
204‧‧‧方塊
206‧‧‧方塊
R‧‧‧距離資訊
圖1繪示一TOF相機系統之一般操作。
圖2繪示根據本發明之一些實施方案之一光電模組之一實例。
圖3繪示根據本發明之一些實施方案之一光電模組之另一實例。
圖4繪示根據本發明之一些實施方案之一光電模組之一進一步實例。
圖5至圖7繪示根據本發明之一些實施方案之光電模組之額外實例。
圖8A至圖8D繪示積分時序圖之實例。
圖9係判定本發明之一些實施方案中之一相位差之一方法之一流程圖。
圖10係繪示用於輔助理解圖9之方法之向量之一向量圖。
圖11繪示根據本發明之一些實施方案之一光電模組之另一實例。
如圖1中所展示，一TOF相機系統20包含一照明源22。將來自照明源22之經解調之發射照明光24引導朝向包含一或多個目標物之一場景26。引導至該場景之總光學功率之一小部分透過光學器件28反射回到相機20且由一3D成像感測器30偵測。感測器30包含解調像素34之一2D像素矩陣32。各像素34能夠解調由光學器件28(例如，一透鏡)收集且成像於成像感測器30上之照射光信號25。一電子控制單元36控制照明模組22及感測器30之時序以實現其同步偵測。
調變值容許各像素34計算飛行時間，該飛行時間繼而直接對應於場景26中之對應點之距離資訊(R)。可在包含一影像處理器及/或其他控制及處理邏輯(例如，微處理器及/或其他電路)之資料輸出介面38處將具有距離資訊之2D灰階影像轉換成一3D影像。3D影像可在(例如)一顯示器40上向一使用者顯示或可用作為機器視覺輸入。
藉由解調自場景26反射且照射在感測器30之主動像素34上之光信號來獲得飛行時間(TOF)。已知不同調變技術，例如偽雜訊調變、脈衝調變及連續調變。接著，可基於所偵測到之信號而使用已知技術計算各像素至目標物之距離。
例如，感測器30可實施為亦包含參考像素44之一區域(例如，一列)之一積體半導體晶片。在操作期間，將來自照明源22之前向路徑之光之一小部分反饋至一或多個參考像素44。由參考像素44偵測之信號可用於重新計算每個圖框之一零距離，藉此促進TOF距離量測之自校準。感測器晶片亦可包含(例如)控制邏輯、解碼器邏輯及讀出邏輯。
圖2繪示包含一光發射通道102及一光偵測通道104之一光電模組100之一實例。一光發射器晶片106及一TOF感測器晶片108安裝於一印刷電路板(PCB)110之一第一側上。光發射器106係一照明源之一實例。在一些情況中，光發射器106可操作以產生同調、指向性、光譜 界定之光發射。光發射器106之實例係一雷射二極體或一垂直腔面發射雷射(VCSEL)。
一光學部件116跨越通道102，104且包含對於由發射器106發射之某一波長的光(例如，紅外線輻射)實質上透明之透射窗122A、122B。在一些例項中，如圖2所展示，發射器及偵測器窗122A、122B藉由形成光學部件116之部分之一不透明的或實質上非透射區域131而彼此分隔。來自發射器106之光透過發射器窗122A被自該模組引導出，且在被一目標物反射回朝向模組之偵測通道104的情況下可藉由TOF感測器108來感測。
TOF感測器108可包含在空間上分佈之光敏元件(例如，主動解調偵測像素)124以及一或多個光敏參考像素128之一陣列。偵測像素124及參考像素128兩者均能夠感測由發射器106發射之一波長處之光。偵測像素124提供用於判定至模組外之一目標物之距離之主要信號。來自參考像素128之信號可用於補償漂移及/或提供一零距離量測。可(例如)使用電荷耦合裝置(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術實施感測器108。在一些情況中，參考像素128定位於與偵測像素124相同之感測器晶片上，然在其他情況中，如下文所討論，其等可定位於不同晶片上。在一些例項中，可存在一參考像素陣列(例如，單列像素或多列像素)。通常，參考像素128比偵測像素124少得多。
發射器106及TOF感測器108可(例如)藉由導電墊或焊線而電連接至PCB 110。繼而，PCB 110可電連接至一主機裝置(例如，一智慧型電話或平板電腦)內之其他組件。
在圖2之實例中，一垂直遮蔽物(即，光障壁)130在光學部件116與TOF感測器108之表面之間延伸。實質上減弱光或對於由發射器106發射之光非透明(即，不透明)之遮蔽物130經安置使得偵測像素124定 位於遮蔽物之一側且該等參考像素定位於該遮蔽物之另一側。因此，參考像素128在與發射器106相同之遮蔽物130之側上安置於發射腔室102中。然而，偵測像素124在遮蔽物130之另一側上安置於偵測腔室104中。此配置容許來自發射器106之少量光由透射窗122A反射以藉由參考像素128感測而不將來自發射腔室102之光學串擾引入至偵測像素124。
在圖2之所繪示實例中，透射窗122A、122B之間之光學部件116之非透射區段131可由與光障壁130相同之材料組成。
在一些實施方案中，發射腔室102之一或多個表面由一濾光器、一部分反射塗層及一抗反射塗層及/或一防刮塗層塗覆。例如，發射器窗122A可包含安置於其之頂側或底側(或在兩側上)之一塗層132，諸如一濾光器塗層、一抗反射塗層及/或一非透明塗層(例如，黑鉻)。在一些情況中，發射器窗122A之兩側具有設置於其上之相同塗層。在其他情況中，發射器窗122A之頂側及底側具有不同塗層。此外，在一些例項中，一或兩側可具有兩種(或更多)不同塗層。該(等)塗層可部分反射光之一些波長(即，可由參考像素偵測之波長)。因此，例如，由發射器窗122A反射之部分光可入射於參考像素128上。在一些實施方案中，一被動光學元件安裝於發射器窗122A上或併入至發射器窗122A中。此一被動光學元件之實例包含一反射貼片、一繞射光學元件、及/或諸如棱鏡之一折射光學元件。
作為對在發射器窗122A之一表面上設置一部分反射塗層之替代或補充，一反射塗層133可設置於光障壁130之表面上或光學部件116之非透射區域131上。此一反射塗層可幫助引導部分發射器光朝向參考像素128。
當來自發射器106之光由發射器窗122A或發射腔室102之其他表面反射朝向參考像素128時，此光較佳係不入射於偵測像素124上。在 一些情況中，諸如圖2之實施方案，光障壁130幫助防止由發射器窗122A反射之光入射於偵測像素124上。
儘管光障壁130可幫助減少偵測像素124與參考像素128之間之光學串擾，但將光障壁併入至模組100中可增加該模組之總體佔用面積及/或高度。因此，在一些例項中，期望提供在無需光障壁130的情況下使用參考像素128之優勢。在此等情況中，其他技術可用於解決光學串擾之問題。此等其他技術之實例在下文予以描述且可與光障壁130一起使用或替代光障壁130而使用。
在圖2之實施方案中，偵測像素124可具有一相對較寬之視域(FOV)使得其等感測來自一較寬角度之進入光。在一些例項中(例如，在無光障壁130之一模組中)，縮小偵測像素124之FOV以減少由像素124感測之光學串擾之量係有利的。此可(例如)藉由在偵測像素124上方提供一或多個微透鏡140(見圖3)來達成。
在一些例項中，一微透鏡140A亦可置於參考像素128之上。藉由沿發射器106之方向略微移位微透鏡140A，參考像素128可自發射器收集更多之光。此一配置亦可幫助減少由參考像素128感測之光學串擾量。在一些實施方案中，省略參考像素上方之微透鏡。
在一些情況中，提供微透鏡140以縮小偵測像素124之FOV可避免需要一光障壁130(見圖2)來防止由發射器窗122A反射之光入射於偵測像素124上。在不包含光障壁130之實施方案中，亦可省略實質上減弱由發射器106發射之光或對於由發射器106發射之光不透明之光學部件116之區段131使得透射窗122A、122B不藉由一不透明或非透明區段131彼此分隔。減弱對光障壁130之需求可幫助減小模組之整體大小，此對其中模組將整合至諸如其中空間係非常珍貴之一手持裝置(諸如一智慧型電話或平板電腦)中之應用係有利的。
在一些實施方案中，可提供堆疊144作為圍繞一或多個像素 124、128之遮蔽物(見圖4)。可由(例如)金屬或其他層組成之堆疊144可幫助界定偵測像素124之FOV且可幫助減少由反射朝向偵測像素之發射器光引起之光學串擾。同樣地，圍繞參考像素128之堆疊144可幫助確保由發射器窗122A反射之光入射於參考像素上，但由模組之外之一目標物反射之光不入射於該等參考像素上。一各自堆疊144可部分或全部橫向包圍各個別像素124、128。此外，堆疊144可經設置而作為對圖3之微透鏡140、142之替代或補充。
在一些例項中，如圖5中所繪示，感測器晶片108可嵌入於PCB 110之層內。此一配置可促進參考像素128與主動偵測像素124之光學分隔，藉此減少光學串擾。此外，PCB堆疊110之一或多個層110A本身可用於提供參考像素與偵測像素之間之光學分隔。藉由將感測器晶片108嵌入於PCB 110內，可使光障壁之設計變得更容易，此係因為鑑於PCB 110對感測器108之固有保護，關於材料及機械應力之考慮因素變得不那麼重要。此外，藉由使用PCB 110之層110A來提供光學分隔，模組之整體高度可保持相對較小。
在上述之實例(包含圖5之實例)中，一單一感測器晶片108包含主動偵測像素124及參考像素128(以及控制邏輯、解碼器邏輯及讀出邏輯)兩者。在其他實施方案中，參考像素128整合至與含有主動偵測像素124之晶片108B分隔之一晶片108A中(見圖6)。可嵌入於PCB 110內之晶片108A、108B之各者亦可包含適合控制邏輯、解碼器邏輯及/或讀出邏輯。將(若干)感測器晶片嵌入PCB層內可與(例如)本文所描述之其他技術(例如，發射腔室之一表面上之一部分反射塗層或其他塗層；在像素上方添加微透鏡140、142；圍繞像素添加反射層144)組合。
在一些例項中，除了將(若干)感測器晶片108A、108B嵌入於PCB 110內之外，發射器晶片106亦可嵌入於PCB層內(見圖7)。
在一些例項中，將感測器及/或發射器晶片108、106嵌入於PCB 110內可達成其他優勢。例如，可避免需要焊線。消除對易受機械振動影響之焊線之需求可係有用的。此外，焊線引入寄生電容及電感，此使得高頻應用更具挑戰性。因此，消除對焊線之需求可促進高頻應用。
在一些實施方案中，將感測器及/或發射器晶片108、106嵌入於PCB 110內亦可更好地幫助保護晶片，此係因為僅暴露該等晶片之經鈍化之晶片表面。
在一些實施方案中，主動偵測像素124及參考像素128可具有同時發生之積分時間(即，曝光時間)。然而，在其他情況中，模組可使用多個非重疊積分時間(例如，一個積分時間用於主動偵測像素124且另一個積分時間用於參考像素128)。圖8A中繪示此一實施方案之時序之一實例。在一些情況中，一可變積分週期152可用於主動偵測像素124，而一固定積分週期154可用於參考像素128。偵測像素124之曝光時間可基於由場景26中之目標物反射之信號位準而經調整以(例如)降低信號雜訊(S/N)比。例如，在一第一週期156期間可讀出主動像素124，且在一第二週期158期間可讀出參考像素128。該讀出時間之持續時間可係例如該(等)像素大小之一函數。
在一些實施方案中，感測器之控制電路經組態以微調參考像素之積分時間以達成像素之一有效靈敏度。改變參考像素之積分時間可提供對改變該等像素之孔徑大小之一替代。例如，一較長積分週期可對應於具有一相對較大孔徑之像素，而一較短積分週期可對應於具有一相對較小孔徑之一像素。在一些情況中，可微調積分時間可用於在相對於主動偵測像素之積分週期之一特定時間處開始(或結束)參考像素積分週期。圖8B至圖8C繪示可使用參考像素之可微調積分時間達成之實例。如圖8B之實例中所繪示，參考像素積分162在主動像素積 分164之中間期間發生。相比而言，如圖8C之實例中所展示，參考像素積分發生於主動像素積分週期164之起點及終點處之較短週期166、168內，此可導致隨著時間之推移而發生之發射器106之熱相移之平均化。在一些例項中，一特定參考像素在兩個積分週期166、168週期期間經積分。在其他情況中，一第一參考像素可在第一積分週期166期間經積分，且一不同第二像素可在第二積分週期168期間經積分。
在一些情況中，諸如在感測器108具有多個參考像素128之情況中，該感測器之控制電路可控制該等參考像素使得不同像素具有不同持續時間之積分週期。圖8D繪示一實例，其中一第一參考像素(或參考像素之子集)在具有一第一持續時間之一第一積分週期172期間積分，一第二參考像素(或參考像素之子集)在具有比第一積分週期更長之一第二持續時間之一第二積分週期174期間積分，且一第三參考像素(或參考像素之子集)在具有比第二積分週期更長之一第三持續時間之一第三積分週期176期間積分。在所繪示之實例中，該等像素之各者在接近主動像素之積分週期之中間之一時間處經積分，然無需在所有實施方案中皆係如此。此外，積分週期172、174、176之各者比主動像素之積分週期164更短。
感測器之動態範圍取決於各像素可累積之最大電荷量。因此，在一些實施方案中，可藉由增大參考像素128之最大電荷容量而增大感測器之動態範圍。
在上述實例中，描述用於幫助使偵測像素124與參考像素128彼此光學隔離以減少光學串擾(即，減少藉由偵測像素124感測之由(例如)發射窗122A反射之光量，且減少藉由參考像素128感測之由場景26中之一目標物反射之光量)之各種技術。然而，如下文所描述，在一些實施方案中，即使當存在此光學串擾時，仍可判定相位差，且因此判定至場景中之一目標物之距離。
例如，基於成像系統之先前校準，可判定一特定偵測像素124具有定義為兩個經感測信號之比(Aref/Bref)之一第一靈敏度α，該兩個信號之各者係由被發射窗122A(或發射腔室之其他表面)反射之光引起(圖9，方塊200)。在此情況中，Aref表示由被發射窗122A(或發射通道之其他表面)反射之光引起之藉由偵測像素124感測之光之分量，且Bref表示由被發射窗122A(或發射通道之其他表面)反射之光引起之藉由一特定參考像素128感測之光之分量。同樣地，基於成像系統之先前校準，可判定參考像素128具有定義為兩個經感測信號之比(Aobj/Bobj)之一第二靈敏度β，該兩個信號之各者由被場景26中之一目標物反射之光引起。在此情況中，Aobj表示由被場景26中之目標物反射之光引起之藉由参考像素128感測之光之分量，且Bobj表示由被場景中之目標物反射之光引起之藉由偵測像素124感測之光之分量。一般而言，α及β之各者將具有0與1之間的各自值，且通常應具有更接近0之值。因此，靈敏度α及β表示發生於參考像素與主動偵測像素之間之光學串擾之指示。α及β之值可藉由邏輯或記憶體儲存於成像系統中(圖9，方塊202)。
在下列討論中，假定兩個像素(即，偵測像素及參考像素)具有彼此不同之靈敏度(即，α及β係不同的)。量測且讀出由兩個像素之各者感測之信號以分別獲得一參考向量及一目標物向量(見圖9，方塊204；圖10)。此等向量之各者表示分別藉由參考像素128或偵測像素124偵測之光之總量，且因此各向量表示由特定像素感測之兩個信號分量(即，由被發射窗122A(或發射腔室之其他表面)反射之光引起之藉由像素感測之光之一第一分量及由被場景26中之一目標物反射之光引起之藉由相同像素感測之光之一第二分量)之總和。儘管兩個信號分量彼此重疊，但可藉由感測器之處理邏輯如下計算相位φ且因此計算至場景中之實際目標物之距離： 其中： (見圖9，方塊206)為了獲得上述技術判定相位差之有利用途，各種像素之靈敏度α及β應實質上獨立於感測器模組所位於之環境。
圖11繪示具有包含參考像素128之一感測器之一光電模組之一部分。在此實例中，光學部件116包含PCB基板110上方之一透射蓋罩(例如，一防護玻璃罩)122。防護玻璃罩122之兩側分別由(例如)濾光器121A及121B塗覆。濾光器121A及121B可過濾由發射器106發射之一特定波長或一定範圍波長之光。此外，濾光器121A及121B以(例如)黑鉻184A、184B塗覆以防止經由防護玻璃罩122之串擾。過濾器121A、121B之各自部分未以黑鉻塗覆以界定容許來自發射器106之光穿過模組而離去之一透射窗122C。在光學部件116之感測器側上存在黑鉻塗層184B亦可幫助增大自濾光器121B朝參考像素128反射之光量。在一些情況中，為了減小黑鉻層184B將過多發射器光反射至參考像素128上之可能性，黑鉻層184B可設置為具有開口(例如，點、線、同心圓)之一光柵185B以減少入射於參考像素128上之光量。此外，黑鉻層184A可設置為具有開口(例如，點、線、同心圓)之一光柵185A以減少入射於參考像素128上之光量。如圖11之實例中所繪示，光柵185A、185B包含其中不存在黑鉻之開口186A、186B。因此，儘管黑鉻層184A、184B之存在可增大反射至參考像素128之光量，但提供黑鉻塗層之部分作為一光柵185A、185B可用於防止過多光入射於參考像素128上。在一些實施方案中，黑鉻層184A、184B無需設置為具有開口之光柵185A、185B。例如，黑鉻塗層184A、184B可設置為 一單一開口，諸如一圓形、方形或其他幾何形狀。
在一些例項中，使用上述實施方案中之特徵及技術可產生較小感測器模組(即，具有一較小高度及/或一較小佔用面積)。此外，上述實施方案可幫助減少或消除光學串擾。此等較小模組可有利地整合至其中空間係非常珍貴之裝置(諸如智慧型電話、平板電腦及其他主机裝置)中。
可對上述實例作出各種修改。此外，在一些例項中，來自不同實例之特徵可整合於同一模組中。其他實施方案係落於隨附申請專利範圍之範疇內。
100‧‧‧光電模組
102‧‧‧光發射通道
104‧‧‧光偵測通道
106‧‧‧光發射器晶片
108‧‧‧TOF感測器晶片
110‧‧‧印刷電路板(PCB)
116‧‧‧光學部件
122A‧‧‧透射窗
122B‧‧‧透射窗
124‧‧‧偵測像素
128‧‧‧參考像素
130‧‧‧光障壁
131‧‧‧非透射區段
132‧‧‧塗層
133‧‧‧反射塗層

Claims (47)

  1. 一種光電模組，其包括：一照明源；一感測器，其包含在空間上分佈之偵測像素及至少一參考像素；一光學部件，其安置於該照明源及該感測器上方，該光學部件具有在該照明源上方之一第一透射區域及在該等偵測像素上方之一第二透射區域；一光障壁，其將該模組之一發射腔室與該模組之一偵測腔室分隔，其中該照明源及該至少一參考像素係處於該發射腔室中，且其中該等偵測像素係處於該偵測腔室中；及以下之至少一者：(i)該照明源上方之該第一透射區域之一表面上之一部分反射塗層或(ii)該發射腔室之一表面上之一反射塗層，其中該塗層經配置使得來自該照明源之一些光由該塗層反射朝向該至少一參考像素。
  2. 如請求項1之光電模組，其包含面向該照明源之該第一透射區域之一表面上之一部分反射塗層。
  3. 如請求項1之光電模組，其包含背向該照明源之該第一透射區域之一表面上之一部分反射塗層。
  4. 如請求項1之光電模組，其包含該第一透射區域之相對表面上之一部分反射塗層。
  5. 如請求項1之光電模組，其包含面向該照明源之該光障壁之一表面上之一反射塗層。
  6. 如請求項1之光電模組，其中該光學部件包含分隔該第一透射區域與該第二透射區域之一非透射區域，該非透射區域在面向該 照明源之一表面上具有一反射塗層。
  7. 一種光電模組，其包括：一照明源；一感測器，其包含在空間上分佈之偵測像素及至少一參考像素；一光學部件，其安置於該照明源及該感測器上方，該光學部件具有在該照明源上方之一第一透射區域及在該等偵測像素上方之一第二透射區域；一光障壁，其將該模組之一發射腔室與該模組之一偵測腔室分隔，其中該照明源及該至少一參考像素係處於該發射腔室中，且其中該等偵測像素係處於該偵測腔室中；及一塗層，其位於該第一透射區域之一表面上，其中該塗層係一濾光器塗層、一部分反射塗層、一抗反射塗層或一非透射塗層之至少一者。
  8. 如請求項7之光電模組，其中該第一透射區域在面向該照明源之一第一表面上具有一第一塗層且在背向該照明源之一第二表面上具有一第二塗層。
  9. 如請求項8之光電模組，其中該等第一及第二塗層彼此不同。
  10. 如請求項8之光電模組，其中該塗層包括黑鉻。
  11. 如請求項8之光電模組，其包含該第一透射區域之相對表面上之一各自黑鉻塗層。
  12. 如請求項8之光電模組，其中該第一透射區域之一或多個表面之各者包含一黑鉻塗層及一濾光器塗層。
  13. 如請求項7之光電模組，其進一步包含安裝於第一透射窗上或併入至該第一透射窗中之一被動光學元件。
  14. 如請求項13之光電模組，其中該被動光學元件包含一反射貼 片、一繞射光學元件或一折射光學元件之至少一者。
  15. 一種光電模組，其包括：一照明源；一感測器，其包含在空間上分佈之偵測像素及至少一參考像素；一光學部件，其安置於該照明源及該感測器上方，其中該照明源上方及該等偵測像素上方之該光學部件之至少區域對於由該照明源發射之一或多個波長之光透射；及一或多個微透鏡，其安置於該等偵測像素上方。
  16. 如請求項15之光電模組，其進一步包含該至少一參考像素上方之一微透鏡。
  17. 如請求項16之光電模組，其中該等一或多個參考像素比該等偵測像素更靠近該照明源而安置，且其中該至少一參考像素上方之該微透鏡係沿朝向該照明源之一方向略微移位。
  18. 一種光電模組，其包括：一照明源；一感測器，其包含在空間上分佈之偵測像素及至少一參考像素；及一光學部件，其安置於該照明源及該感測器上方，其中該照明源上方及該等偵測像素上方之該光學部件之至少區域對於由該照明源發射之一或多個波長之光透射；其中一或多個該等偵測或參考像素之各者至少部分由縮小該像素之一有效視域之一或多個層之一遮蔽物橫向包圍。
  19. 如請求項18之光電模組，其中該等偵測及參考像素之各者單獨由包括一或多個層之堆疊之一各自遮蔽物橫向包圍。
  20. 如請求項19之光電模組，其中各堆疊包括一或多個金屬層。
  21. 如請求項19之光電模組，其中各堆疊完全橫向包圍該等偵測或參考像素之一各自者。
  22. 一種光電模組，其包括：一印刷電路板；一照明源，其安裝於該印刷電路板上或安裝於該印刷電路板中；在空間上分佈之偵測像素及至少一參考像素，其等實施於一或多個半導體感測器晶片中，其中該等一或多個半導體感測器晶片嵌入於該印刷電路板內；及一光學部件，其安置於該照明源及該等一或多個半導體感測器晶片上方，該光學部件具有在該照明源上方之一第一透射區域及在該等偵測像素上方之一第二透射區域。
  23. 如請求項22之光電模組，其進一步包含將該模組劃分成一發射腔室及一偵測腔室之一光障壁，其中該照明源及該至少一參考像素係處於該模組之該發射腔室側中，且其中該等偵測像素係處於該模組之該偵測腔室側中。
  24. 如請求項22之光電模組，其中該等在空間上分佈之偵測像素係實施於嵌入於該印刷電路板中之該等半導體感測器晶片之一第一者中，且該至少一參考像素係實施於嵌入於該印刷電路板中之該等半導體感測器晶片之一第二者中。
  25. 如請求項22之光電模組，其中該等在空間上分佈之偵測像素及該至少一參考像素係實施於嵌入於該印刷電路板中之相同半導體感測器晶片中。
  26. 如請求項22之光電模組，其中照明源係實施於嵌入於該印刷電路板中之一半導體感測器晶片中。
  27. 一種使用包含主動解調偵測像素及一或多個參考像素之一飛行 時間感測器來判定至一目標物之一距離之方法，該方法包括：在一第一積分週期期間積分該等主動解調偵測像素；在不同於該第一積分週期之一第二積分週期期間積分該等一或多個參考像素；在該第一積分週期之後之一第一讀出週期期間自該等主動解調偵測像素讀出信號；及在該第二積分週期之後之一第二讀出週期期間自該等一或多個參考像素讀出信號。
  28. 如請求項27之方法，其中在積分該等主動解調偵測像素之前調整該第一積分週期之持續時間。
  29. 如請求項28之方法，其中調整該第一積分週期之該持續時間以減小一信號雜訊(S/N)比。
  30. 一種光電模組，其包括：一照明源；一感測器，其包含在空間上分佈之偵測像素及至少一參考像素；控制邏輯，其經組態以微調該至少一參考像素之一積分時間。
  31. 如請求項30之光電模組，其中該至少一像素之一積分週期比在空間上分佈之偵測像素之該積分週期更短，且其中該控制邏輯經組態以致使該至少一參考像素在該等在空間上分佈之偵測像素之一積分週期之中間期間積分。
  32. 如請求項30之光電模組，其中該感測器包含複數個參考像素，且其中該控制邏輯經組態以在該等在空間上分佈之偵測像素之該積分週期之起點附近將一第一積分週期應用於該等參考像素之一第一者且在該等在空間上分佈之偵測像素之該積分週期之 終點附近將一第二積分週期應用於該等參考像素之一第二者。
  33. 如請求項30之光電模組，其中該控制邏輯經組態以將一第一積分週期及一第二積分週期應用於該至少一參考像素，其中該第一積分週期在該等在空間上分佈之偵測像素之該積分週期之起點附近發生，且其中該第二積分週期在該等在空間上分佈之偵測像素之該積分週期之終點附近發生。
  34. 如請求項30之光電模組，其中該感測器包含複數個參考像素，且其中該控制邏輯經組態以將一第一積分週期應用於該等參考像素之一第一者中，將一第二積分週期應用於該等參考像素之一第二者中，且將一第三積分週期應用於該等參考像素之一第三者中，及其中該第一積分週期比該第二積分週期更短，該第二積分週期比該第三積分週期更短，該第三積分週期比該等在空間上分佈之偵測像素之該積分週期更短。
  35. 一種使用包含解調偵測像素及一或多個參考像素之一飛行時間感測器模組來判定至一目標物之一距離之方法，該方法包括：自一特定解調偵測像素及自一特定參考像素量測所感測到之值；及至少部分基於該等所感測到之值及基於所儲存之靈敏度值而判定一相位差，其中該等靈敏度值指示該特定解調偵測像素與該特定參考像素之間之光學串擾量。
  36. 如請求項35之方法，其中該等靈敏度值係：一第一靈敏度，其針對該特定解調偵測像素且定義為Aref/Bref之一比率，其中Aref表示由被該模組之一發射通道之一表面反射之光引起之藉由該特定解調偵測像素感測之光之一分量，且其中Bref表示由被該發射通道之該表面反射之光引起之藉 由該特定參考像素感測之光之一分量，及一第二靈敏度，其針對該特定參考像素且定義為Aobj/Bobj之一比率，其中Aobj表示由被該模組之外之一目標物反射之光引起之藉由該特定參考像素感測之光之一分量，且其中Bobj表示由被該目標物反射之光引起之藉由該特定解調偵測像素感測之光之一分量。
  37. 如請求項36之方法，其包含使用該相位差來判定至該模組之外之該目標物之一距離。
  38. 一種光電模組，其包括：一照明源；一感測器，其包含在空間上分佈之偵測像素及至少一參考像素；一光學部件，其安置於該照明源及該感測器上方，該光學部件具有該照明源上方之一第一透射區域及該等偵測像素上方之一第二透射區域；處理邏輯，其經配置以：自一特定解調偵測像素及自一特定參考像素量測所感測到之值；及至少部分基於該等所感測到之值及基於所儲存之靈敏度值而判定一相位差，其中該等靈敏度值指示該特定解調偵測像素與該特定參考像素之間之光學串擾量。
  39. 如請求項38之光電模組，其中該模組具有一發射通道及一偵測通道，且其中該等靈敏度值係：一第一靈敏度，其針對該特定解調偵測像素且定義為Aref/Bref之一比率，其中Aref表示由被該模組之一發射通道之一表面反射之光引起之藉由該特定解調偵測像素感測之光之一分 量，且其中Bref表示由被該發射通道之該表面反射之光引起之藉由該特定參考像素感測之光之一分量，及一第二靈敏度，其針對該特定參考像素且定義為Aobj/Bobj之一比率，其中Aobj表示由被該模組之外之一目標物反射之光引起之藉由該特定參考像素感測之光之一分量，且其中Bobj表示由被該目標物反射之光引起之藉由該特定解調偵測像素感測之光之一分量。
  40. 如請求項39之光電模組，其中該處理邏輯進一步經配置以至少部分基於該相位差而判定至該模組之外之該目標物之一距離。
  41. 一種光電模組，其包括：一照明源；一感測器，其包含至少一參考像素；一透射部件，其安置於該照明源及該感測器上方；一第一濾光器，其位於該透射部件之一感測器側上，及一第二濾光器，其位於該透射部件之一相對側上；及一第一黑鉻塗層，其位於該第一濾光器之部分上，及一第二黑鉻塗層，其位於該第二濾光器之部分上，其中該等第一及第二濾光器之各自區域並非由該等黑鉻塗層覆蓋且界定容許來自該照明源之光穿過該透射部件而到達該模組外側之一透射窗。
  42. 如請求項41之光電模組，其中在接近該至少一參考像素之該透射部件之該感測器側上具有在該黑鉻塗層中之一或多個開口。
  43. 如請求項41之光電模組，其在接近該至少一參考像素之該透射部件之該感測器側上具有在該黑鉻塗層中具有開口之一光柵。
  44. 如請求項43之光電模組，其中該具有開口之光柵係由點、線或同心圓組成之一光柵。
  45. 如請求項41之光電模組，其中在接近該至少一參考像素之該透 射部件之該相對側上具有處於該黑鉻塗層中之一或多個開口。
  46. 如請求項41之光電模組，其在接近該至少一參考像素之該透射部件之該相對側上具有在該黑鉻塗層中具有開口之一光柵。
  47. 如請求項46之光電模組，其中該具有開口之光柵係由點、線或同心圓組成之一光柵。
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