TW201610398A - 包括垂直對齊特徵之光發射器及光偵測器模組 - Google Patents

包括垂直對齊特徵之光發射器及光偵測器模組 Download PDF

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Abstract

本發明描述可對諸如一光發射器或光偵測器之一光電裝置提供超精確的且穩定的封裝之各種模組。該等模組包括垂直對齊特徵，該等垂直對齊特徵可根據需要在製造該等模組期間經加工以在該光電裝置與安置於該光電裝置上之一光學元件或光學總成之間建立一精確距離。

Description

包括垂直對齊特徵之光發射器及光偵測器模組
本發明係關於光發射器及光偵測器模組。
各種消費者電子產品及其他裝置包括經設計用於精密光投影應用之一封裝式光發射器模組。此等模組之空間尺寸通常需要控制至高精度，使得例如依一最佳距離精確地定位光學元件及光發射元件。因此，為了達到最佳效能，該等模組應具有非常小的空間(尺寸)及光學(例如，焦距)容限。然而，例如，在該封裝式光發射器模組中黏合劑之使用以及其他因素(諸如相關支撐結構之固有製造容限)通常將該模組之容限擴展至一不可接受位準。前述問題亦可適於光偵測器模組。
對於一些應用，該光發射器模組需要在一相對較大的溫度範圍內(例如，-20℃至70℃)依最佳光學效能操作，其可引起各種問題。首先，該等光學元件及該支撐結構之空間尺寸可隨溫度變化。其次，該等光學元件之折射率可隨溫度變化。此折射率變動可引起一焦距變動，從而致使該光發射器模組之不良效能。此外，該等模組通常需要良好的熱傳導。
本發明描述可對一光發射或光偵測光電裝置提供超精確的且穩定的封裝之各種模組。該等模組包括垂直對齊特徵，若需要，則該等 垂直對齊特徵可在製造該等模組期間經加工以在該光電裝置與一光學元件或光學總成之間建立一精確距離。描述在一些情況下可幫助促進例如甚至在一相對較寬的溫度範圍內一光束之改良式聚焦的其他特徵。
在一個態樣中，例如，描述一種製造一光發射器或光偵測器之方法。該方法包括：提供橫向地環繞安裝於一基板上之一光電裝置的一外殼及使用一黏合劑將一第一光學元件固定於該光電裝置上之適當位置。該光電裝置可實施為例如一光發射器或光偵測器。該光學元件對於可由該光電裝置發射或偵測之光實質上係透明的。一或多個垂直對齊特徵使該光學元件與該外殼之一表面分離。然而，不在與該(等)垂直對齊特徵之任何介面處提供該黏合劑。該方法可包括在將該光學元件固定於該光電裝置上之適當位置之前執行若干步驟。特定言之，在將該光學元件固定於該光電裝置上之適當位置之前，可進行一或多次量測，該一或多次量測指示在該模組之光學軸之一方向上之一高度。此外，可基於該(等)量測，對至少一個表面加工達一定量以在該光電裝置與該光學元件之間實現一指定距離。該(等)經加工表面可包括以下項之至少一者：(i)一特定垂直對齊特徵之一接觸表面；或(ii)一相對接觸表面，其在該光學元件固定於該光電裝置上之適當位置時與該特定垂直對齊特徵之該接觸表面直接接觸。
亦描述包括經客製化(例如，經加工)垂直對齊特徵的光發射器及光偵測器之各種配置。例如，一光發射器模組或光偵測器模組可包括安裝於一基板上之一光電裝置，該光電裝置可操作以發射光或偵測光。一外殼橫向地環繞該光電裝置且用作該模組之側壁。一光學元件安置於該光電裝置上且對於可由該光電裝置發射或偵測之光實質上係透明的。一或多個垂直對齊特徵使該光學元件與該外殼分離，其中該光學元件與該一或多個垂直對齊特徵直接接觸。
各種實施方案提供以下優點之一或多者。例如，在一些情況下，該等模組可提供一精確的z高度使得該光電裝置與該光學元件之間的間隙在所要最佳值之幾微米內(例如，±5μm，在一些情況下在±3μm內)。特定言之，可在製程期間對可客製化垂直對齊特徵加工以實現所要z高度。描述可幫助避免在z高度上黏合劑之潛在不利後果的各種方法。其他特徵(諸如併入由玻璃組成之至少一個光學元件及/或一自動聚焦機構)可進一步幫助校正z高度偏移。額外特徵(例如，將該光電裝置安裝於一銅合金基板上)亦可幫助確保該模組在一寬溫度範圍內良好地運作。因此，本發明中所述之技術及模組可促進實現及維持一光束之改良式聚焦。
根據另一態樣，一種用來投影一光圖案之照明投影器模組包括一第一總成，該第一總成包括可操作以發射光之一光電裝置及包括一遮罩之一光學元件。該光電裝置經配置以使光透射穿過該光學元件。該模組亦包括一光學總成，該光學總成包括一或多個光學元件及一第一間隔件，該第一間隔件具有與包括該遮罩之光學元件直接接觸的一或多個垂直對齊特徵。該第一間隔件亦固定至一第二間隔件，該第二間隔件形成該第一總成之部分且橫向地環繞該光電裝置。
在一些實施方案中包括以下特徵之一或多者。例如，該第一間隔件可藉由黏合劑固定至該第二間隔件。包括該遮罩之光學元件可具有一或多個透明窗，該一或多個透明窗之各者與該光電裝置上之一各自對齊遮罩對齊。此等窗可幫助促進該光學總成與該光電裝置之對齊。包括該遮罩之光學元件可藉由黏合劑固定至該第二間隔件，且可包括一或多個UV透明窗，該一或多個UV透明窗之各者安置於將該第一間隔件固定至該第二間隔件的該黏合劑之至少部分上。該等UV透明窗可在組裝該模組期間促進該黏合劑之UV固化。在一些情況下，該遮罩包含一透明基板上之一黑鉻遮罩。
從下文詳細描述、隨附圖式及申請專利範圍，其他態樣、特徵及優點將顯而易見。
100‧‧‧封裝式光發射器模組
102‧‧‧光發射器/垂直空腔表面發光雷射(VCSEL)
104‧‧‧基板/引線框架
106‧‧‧外殼
107‧‧‧向內表面
108‧‧‧上垂直對齊特徵/離散垂直對齊特徵
109‧‧‧錐形/倒金字塔形空間
110‧‧‧透明蓋/透明板/透明基板
110A‧‧‧上光學元件
110B‧‧‧下光學元件
111‧‧‧方向
112‧‧‧側邊緣
114‧‧‧非透明壁/擋板壁/上側壁
116‧‧‧非透明囊封劑/不透明囊封劑/不透明材料
118‧‧‧透鏡/光束整形元件
120‧‧‧區域
122‧‧‧表面/接觸表面
124‧‧‧表面/接觸表面
126‧‧‧黏合劑通道
126A‧‧‧上黏合劑通道
126B‧‧‧下黏合劑通道
128‧‧‧延伸部
130‧‧‧黏合劑
132‧‧‧第二垂直對齊特徵/下垂直對齊特徵
134‧‧‧第二延伸部
140‧‧‧第一光學總成/下光學總成/第一光學元件
142‧‧‧第二光學總成/上光學總成/第二光學元件
148‧‧‧客製化垂直對齊特徵
150‧‧‧表面/接觸表面
152‧‧‧上凸耳
154‧‧‧下凸耳
156‧‧‧表面
158‧‧‧延伸部
160‧‧‧橫向對齊特徵
164‧‧‧自動聚焦機構
202‧‧‧步驟
204‧‧‧步驟
206‧‧‧步驟
400‧‧‧照明投影器
406A‧‧‧第一間隔件
406B‧‧‧第二間隔件
412‧‧‧遮罩
416A‧‧‧垂直對齊特徵
416B‧‧‧表面
417A‧‧‧黏合劑/環氧樹脂
417B‧‧‧黏合劑
417C‧‧‧黏合劑
418‧‧‧透明對齊窗
419‧‧‧UV透明窗
420‧‧‧光學總成
422‧‧‧(中央)光學軸
424‧‧‧(中央)光學軸
428‧‧‧對齊遮罩
429‧‧‧對齊特徵
430‧‧‧金屬跡線
432‧‧‧基台
440‧‧‧光學元件/透鏡
442‧‧‧透鏡鏡筒
446‧‧‧高度
448‧‧‧對齊遮罩
450‧‧‧垂直空腔表面發光雷射(VCSEL)總成
Z‧‧‧高度
圖1A至圖1C為封裝式光發射器模組之截面。
圖2為包括用來設定光發射器與蓋之間的z高度之離散垂直對齊特徵的模組之一俯視圖。
圖3A及圖3B繪示具有一或多個垂直對齊特徵的製造模組之實例。
圖4A至圖4C為可經加工以獲得一所要z高度的表面之放大部分描繪。
圖5A繪示另一光發射器模組之一截面圖；圖5B為圖5A之一放大部分圖。
圖6A繪示又一光發射器模組之一截面圖；圖6B為圖6A之一放大部分圖。
圖7A繪示另一光發射器模組之一截面圖；圖7B為圖7A之一放大部分圖。
圖8A繪示又一光發射器模組之一截面圖；圖8B為圖8A之一放大部分圖。
圖9A繪示包括一光學總成堆疊的一光發射器模組之一截面圖；圖9B及圖9C為圖9A之分解圖。
圖10A為包括一光學總成堆疊的另一光發射器模組之一截面圖；圖10B為圖10A之一放大部分圖。
圖11展示包括一光學總成堆疊的一光發射器模組之一進一步實例。
圖12A及圖12B為包括垂直對齊特徵及橫向對齊特徵的模組之放大部分圖。
圖13A及圖13B為包括垂直對齊特徵及橫向對齊特徵的其他模組之放大部分圖。
圖14為包括用於製造一光發射器模組之步驟的一流程圖。
圖15繪示包括由玻璃組成之至少一個光學構件的一模組之一實例。
圖16繪示包括一自動聚焦總成的一模組之一實例。
圖17繪示一照明投影器之一實例。
圖18A、圖18B、圖18C繪示組裝圖17之照明投影器的一實例。
圖19繪示一照明投影器之另一實施方案。
如圖1A中所繪示，一封裝式光發射器模組100可對安裝於一基板104(諸如一引線框架)上之一光發射器102提供超精確的且穩定的封裝。光發射器102可為產生相干的、方向的、光譜界定的光發射之類型(例如，一垂直空腔表面發光雷射(VCSEL)或一雷射二極體)。在一些實施方案中，光發射器102可操作以發射紅外(IR)光或可見光譜範圍中之光。由於光發射器102之可操作溫度可相對較高，故引線框架或其他基板104可由諸如展現低熱膨脹之一材料(諸如銅合金)組成。此等材料具有相對較高的熱傳導性，且因此亦可幫助提供對該模組之良好熱管理。例如，主要由銅(其熱傳導性為約260W/(mK))構成之一基板可促進熱快速地傳離該模組，藉此防止歸因於熱膨脹所致之尺寸變更。
橫向地環繞光發射器102及引線框架104之一外殼106用作該模組之側壁。較佳地，外殼106亦由展現低熱膨脹之一材料(例如，具有一陶瓷填充物之射出成型環氧樹脂或射出成型金屬)組成。在一些情況下，該外殼之向內表面107相對於基板104之表面成一角度而傾斜且界定其內定位有光發射器102之一錐形或倒金字塔形空間109。可為(或 可包括)一透明蓋110之一繞射或其他光學元件安置於光發射器102上且由分離外殼106之主體與蓋110的一或多個垂直對齊特徵(例如，螺柱或間隔件)108支撐。在一些情況下，蓋110可由玻璃或另一透明無機材料(諸如藍寶石)組成。使用此等材料之一優點在於相較於透鏡材料，其等具有一相對較低的熱膨脹係數。為了防止或減少來自該模組之光洩漏，可用橫向地環繞蓋110之非透明壁114遮蔽蓋110之側邊緣112。壁114可例如藉由射出成型形成且可與外殼106之本體形成為一單體件(且可由相同於該本體之材料組成)。
在一些情況下，如圖1B中所展示，蓋110之側邊緣112嵌入非透明囊封劑116內。壁114或囊封劑116可由例如相同於外殼106之材料組成。在一些情況下，如圖1C中所繪示，一或多個光束整形元件(諸如透鏡118)提供於蓋110之一或兩個表面上。光束整形元件118及透明蓋110一起構成一光學總成。在一些實例中，橫向地環繞蓋110之側壁114延伸超出蓋110之外表面且用作一擋板。
在一些實施方案中，一單一垂直對齊特徵108提供於該(等)蓋邊緣之整體附近。在其他實例中，可提供多個(例如，三個)離散垂直對齊特徵108(參見圖2)。無論如何，該(等)垂直對齊特徵108之一個功能為在蓋110與光發射器102之間提供一精確界定的間隙。
在製造該模組期間，垂直對齊特徵108可根據需要經加工以便調整其高度且因此在蓋110與光發射器102之間實現一精確的預定距離。例如，在一些情況下，該(等)垂直對齊特徵108藉由射出成型形成且與外殼106形成為一單體件(且由相同於外殼106之材料組成)(參見圖3A)。可在製造該等模組期間執行各種量測以判定是否應對該(等)垂直對齊特徵108加工及加工程度為何。在一些實例中，加工量可隨垂直對齊特徵108的不同而變化以校正(例如)傾斜。在根據需要將該(等)垂直對齊特徵108加工至所要高度之後，可將蓋110放置成直接接觸該 (等)垂直對齊特徵108上方。為了在蓋110與光發射器102之間提供準確間隔，蓋110未藉由黏合劑附接至該(等)垂直對齊特徵108。替代地，例如，可在蓋110之側邊緣與外殼106及/或側壁114之間的區域120中提供黏合劑(參見圖1C)。在此實施方案及其他實施方案中，一合適黏合劑之一實例為一UV可固化環氧樹脂。
在一些實例中，該(等)垂直對齊特徵108最初(例如，藉由複製)提供於蓋110之發射器側上且接著在將其等放置成直接接觸該外殼上方之前根據需要加工至所要高度(參見圖3B)。此技術之一優點在於可與外殼106分離地加工該(等)垂直對齊特徵108，藉此避免光發射器102之可能污染。
在一些情況下，除對該(等)垂直對齊特徵108之表面加工外或替代對該(等)垂直對齊特徵108之表面加工的是，可對外殼106之表面加工。圖4A至圖4C為繪示可經加工以實現一指定z高度(即，光發射器102與光學元件110之間的距離)的表面122、124之實例之放大部分圖。表面122為垂直對齊特徵108之一接觸表面，而表面124為一相對接觸表面。此等圖式亦繪示用於將蓋110固定於外殼106上之適當位置(即，固定於蓋110之側邊緣處)的黏合劑130之位置之一實例。
在一些實例中，將一黏合劑通道126提供成鄰近各垂直對齊特徵108，如圖5A及圖5B中所展示。黏合劑通道126可定位於垂直對齊特徵108與一延伸部128之間，該延伸部128從蓋110之發射器側表面向下凸出且略短於垂直對齊特徵108。延伸部128可例如藉由射出成型與垂直對齊特徵108形成為一單體件且由相同於垂直對齊特徵108之材料組成。在製造期間，在蓋110放置於該外殼上時，將垂直對齊特徵108之發射器側表面放置成與外殼106之表面直接接觸以便在光發射器102與蓋110之間建立所要高度。延伸部128之發射器側表面與外殼106之表面之間的黏合劑130將蓋110固定於適當位置。
較佳地，通道126之形狀及尺寸幫助防止黏合劑130到達垂直對齊特徵108與外殼106之下層表面之間。特定言之，該黏合劑對該等垂直對齊特徵之材料之毛細管力及可濕性可幫助使該黏合劑遠離該(等)垂直對齊特徵。將此目的記於心中，可設計該黏合劑與該垂直對齊特徵之間的接觸角度及通道尺寸。
在一些實施方案中，如圖6A及圖6B中所展示，鄰近黏合劑通道126之延伸部128亦可與橫向地環繞蓋110之側邊緣的囊封材料116形成為一單體件(且由相同於囊封材料116之材料組成)。如在其他實施方案中，該(等)垂直對齊特徵108之高度可根據需要藉由加工以減小其高度而客製化。在所得模組中，各垂直對齊特徵108直接擱置於外殼106上(即，在該對齊特徵與該外殼之間的介面處不具有黏合劑)以便在光發射器102與蓋110之間提供所要高度。由於囊封蓋110之側邊緣的材料116幫助防止來自該模組之光洩漏，故可在一些實例中省略擋板壁114。然而，在一些情況下，提供擋板壁114仍可有幫助，其可促進蓋110及垂直對齊特徵108之橫向對齊。
如圖7A及圖7B中所繪示，一些實施方案包括第二垂直對齊特徵132及第二延伸部134，該(等)第二延伸部134之各者從外殼106之上表面凸出。各第二垂直對齊特徵132與從蓋110凸出之一對應垂直對齊特徵108對齊。上垂直對齊特徵108及下垂直對齊特徵132之一者或兩者之表面可在其等彼此直接(機械)接觸之前根據需要加工至所要高度，使得其各自相對表面彼此鄰接。此外，各第二延伸部134與一對應延伸部128對齊。然而，延伸部128、134彼此不直接接觸。替代地，延伸部128、134分別用作藉由黏合劑130附接至彼此以將蓋110固定於外殼106上之適當位置的上附接特徵及下附接特徵。上黏合劑通道126A及下黏合劑通道126B可幫助防止黏合劑130流動得過於接近垂直對齊特徵108、132。因此，上垂直對齊特徵108及下垂直對齊特徵132之組 合高度幫助在光發射器102與蓋110之間實現一精確的指定距離，而延伸部128、134及黏合劑130將蓋110固定至外殼110。
圖8A及圖8B繪示包括第二垂直對齊特徵132及第二延伸部134的另一模組之一實例，該(等)第二延伸部134之各者從外殼106之上表面凸出。因此，如同圖7A及圖7B中之模組，圖8A及圖8B中之模組包括上垂直對齊特徵及下垂直對齊特徵兩者。此外，藉由不透明材料116橫向地囊封圖8A及圖8B中之模組之蓋110之側邊緣，該不透明材料116可與垂直對齊特徵108及延伸部128形成為一單體件(且由相同於直對齊特徵108及延伸部128之材料組成)。由於囊封蓋110之側邊緣的材料116可幫助防止來自該模組之光洩漏，故可在一些實例中省略擋板壁114。
可客製化垂直對齊特徵亦可用來將多個光學總成堆疊在彼此之上。圖9A中繪示一實例，其展示包括第一光學總成140及第二光學總成142之一堆疊的一模組。光學總成140、142可藉由位於上總成142之透明板110之發射器側表面上的一或多個可客製化垂直對齊特徵148而彼此分離。該(等)垂直對齊特徵148之發射器側表面直接(即，不具有黏合劑)擱置於下總成140之透明板110之上表面上。如圖9B中所展示，在一些實施方案中，下光學總成140放置於從外殼106延伸之垂直對齊特徵132上，且隨後上總成142放置於下總成140上。光學總成140、142可例如藉由在光學元件110之側邊緣與該模組之上側壁114之間使用黏合劑而固定於適當位置，如圖4A中所繪示。在將光學總成140、142放置於外殼106上之前，垂直對齊表面122、124、150之一或多者可經加工使得與光發射器102相隔之距離係根據一指定值而定。在一些實施方案中，如圖9C中所展示，光學總成140、142可堆疊在彼此之上，且接著可將該整個堆疊放置於該(等)垂直對齊特徵132上。
在一些情況下，如圖10A中所展示，上光學總成142之垂直對齊特徵148可直接擱置於外殼106之一上凸耳152上，正如下光學總成140之垂直對齊特徵108擱置於一下凸耳154上。如圖10B中所繪示，垂直對齊特徵108、148或凸耳152、154之一或多個表面122、124、150、156可根據需要在定位光學總成140、142之前經加工以便在光發射器102與各光學總成之間提供所要的相對距離。光學總成140、142可例如藉由其側邊緣與外殼106之向內表面之間的黏合劑130固定於適當位置。
如圖11中所繪示，光學總成140、142之一堆疊亦可使用結合圖7A及圖8A所述的特徵之一些(即，形成於垂直對齊特徵108/148與從透明板110之發射器側凸出的一對應延伸部128/158之間的一黏合劑通道)定位於該外殼上。此外，在一些情況下，可藉由不透明材料囊封光學元件110之側邊緣，如上文結合圖8A所述。垂直對齊特徵108、132、148之接觸表面122、124、150之一或多者可根據需要在定位光學總成140、142之前經加工以便在光發射器102與各光學總成之間實現所要距離。如在先前所述之實例中，在接觸表面122、124、150處不存在黏合劑，其允許精確地建立至發射器102之距離。替代地，可在延伸部134、128、158之表面處提供黏合劑。
除垂直對齊特徵(例如，108、132)外，一些實施方案亦包括橫向對齊特徵160，例如，如圖12A及圖12B中所繪示。橫向對齊特徵160可例如與下垂直對齊特徵132及外殼106形成為一單體件(且可由相同於下垂直對齊特徵132及外殼106之材料組成)。特定言之，橫向對齊特徵160可採取從該外殼凸出且緊挨著下垂直對齊特徵132的一延伸部之形式。該(等)橫向對齊特徵160可促進將該(等)上垂直對齊特徵108放置至該(等)下垂直對齊特徵132上。在所得模組中，各橫向對齊特徵160之一側與一對應上垂直對齊特徵108之一側直接接觸。此外，該 (等)橫向對齊特徵160可幫助使光發射器102免受起因於表面122、124之加工的小顆粒的影響。在一些情況下，可提供一光學總成堆疊。如圖13A中所展示，上光學元件110A可藉由一垂直對齊特徵(即，一螺柱或間隔件)148與下光學元件110B分離。垂直對齊特徵148之接觸表面150可在其與下光學元件110B接觸之前經加工以便在光發射器102與上光學元件110A之間實現一所要距離。在其他實例中，如圖13B中所繪示，可藉由不透明材料116橫向地囊封蓋110A、110B兩者之側邊緣。在此，囊封材料116亦可與垂直對齊特徵108及延伸部128形成為一單體件(且由相同於垂直對齊特徵108及延伸部128之材料組成)。在一些情況下，可省略橫向對齊特徵160。
如從前文詳細描述顯而易見的是，該等垂直對齊特徵或該(等)凸耳之接觸表面及擱置在該等接觸表面上之其他表面可經加工以在該光發射器與該模組中之一光學元件之間實現一精確界定的距離。可能需要之任何加工之程度可例如基於在製程期間進行之各種量測。在一些情況下，整個製程可係自動的。
在前文實施方案中，該等垂直對齊特徵(例如，108、132、148)可例如實施為單一連續間隔件或多個離散螺柱/間隔件(參見圖2)。
如由上文所述之各項實例所指示，在製造模組期間，可在將一光學元件(例如，蓋110或光學總成140、142)固定於光發射器102上之適當位置之前進行一或多次量測(參見圖14，方塊202)。該等量測可指示在模組之光學軸之方向上(即，平行於圖1中之箭頭111)之一高度。例如，該(等)量測可包括該光學元件之焦距量測，及/或可在加工之前或期間光學地量測該外殼及/或該等垂直對齊特徵之高度。基於該(等)光學量測，一或多個表面可在必要時經加工以在該光發射器與該光學元件之間精確地建立一指定距離(方塊204)。該等經加工表面可包括一垂直對齊特徵之一接觸表面及/或該垂直對齊特徵之一相對 接觸表面(即，在該光學元件固定於該光發射器上之適當位置時鄰接該垂直對齊特徵之接觸表面的一表面)。儘管在該光學元件固定於該光發射器上之適當位置時鄰接該垂直對齊特徵之接觸表面的表面可稱為「相對接觸表面」，但在對該等表面加工時該表面無需一定與該垂直對齊特徵之接觸表面相對。在執行該加工之後(若有)，將該光學元件放置於該光發射器上使得該一或多個垂直對齊特徵使該光學元件與該模組之外殼分離且將該光學元件固定於適當位置(方塊206)。不在與該等垂直對齊特徵之任何介面處使用黏合劑。替代地，該光學元件可藉由在其他位置處(例如，沿該光學元件之側邊緣)或在一分離黏合劑附接表面處提供黏合劑而固定至該外殼。在一些實施方案中，可使用一晶圓級製程平行地製造多個模組。
在一些實施方案中，包括如上文所述之垂直對齊特徵的一模組亦可包括其他特徵以提供在一寬溫度範圍內相對較穩定的一精密封裝式光發射器模組。例如，儘管在一些實施方案中，該光學元件(例如，110、140、142)可由一聚合物材料組成以減小熱誘導尺寸變更(例如，z高度變更)，但該等光學元件之一或多者可由通常具有低於諸多聚合物之熱膨脹的玻璃組成。圖15中繪示一實例，其展示包括由一聚合物材料組成之一第一光學元件140的一模組。該模組亦包括由一玻璃透鏡組成之一第二光學元件142。
為了更進一步減緩由熱膨脹所致之尺寸變更，一些實施方案包括一自動聚焦機構164(參見圖16)。自動聚焦機構164可實施為例如一可調諧透鏡或一壓電元件。可單獨或結合一玻璃光學元件及/或該等可客製化垂直對齊特徵使用該自動聚焦機構以對該光發射器模組提供非常準確的且精確的光學效能。在上文所述之各項實施方案中所述之其他特徵亦可組合於該相同模組中。
各種電連接件可提供至光發射器102或自光發射器102提供。此 等電連接件可包括例如通過外殼106之導電通孔及/或在外殼106之內部或外部表面上呈一導電塗層之形式的連接件。佈線可例如在發射器102與基板104之間提供電連接件。基板104之背面上的電襯墊或其他連接件可促進至可例如與該光發射器模組一起安裝於一印刷電路板上的其他裝置或模組之連接。
在一些實施方案中，該模組可包括具有一遮罩(例如，透明基板110上之一黑鉻遮罩)之一光學元件。下文詳細描述此一實施方案之一實例。
圖17繪示一照明投影器400之另一實例。為了產生一高品質光投影/照明，較佳應如下般提供精確對齊：(1)光學總成420之焦距應落於遮罩412之平面上；及(2)總成420之(中央)光學軸422應符合該發射器(例如，VCSEL 102)之(中央)光學軸424。如上文所論述，無法精確地控制黏合劑層之厚度。據此，光學總成420具備一第一間隔件406A，該第一間隔件406A具有允許經由一直接機械連接件精確地界定一高度Z(即，遮罩412與該光學總成之間的一距離)之垂直對齊特徵416A。此外，光學總成420可經由黏合劑417A固定於適當位置，該黏合劑417A塗覆於第一間隔件406A與一第二間隔件406B之間而形成用於該發光元件(例如，VCSEL 102)的外殼之部分。第一間隔件406A可與光學總成420之透鏡鏡筒442分離地形成(如在圖17之實例中)，或可與透鏡鏡筒442形成為一單體件，如在圖19之實例中。
對齊總成420之光學軸422與VCSEL 102之光學軸424之一個挑戰在於在組裝期間，包括遮罩412之光學元件附接至VCSEL總成，而光學總成420隨後附接至VCSEL/遮罩總成。因此，可由於無法透過遮罩412看見VCSEL 102來達到對齊目的而引起一問題。為了減緩此問題，可將透明對齊窗418併入至包括遮罩412之光學元件中，使得可在光學總成420附接至VCSEL總成450時看見VCSEL 102上之對齊標記 428。因此，光學總成420可精確地對齊於VCSEL 102。
圖18A、圖18B、圖18C繪示用於組裝模組400之一例示性製程。將VCSEL 102安裝於一基台總成上，該基台總成可在一基台432上包括例如一金屬(例如，銅)跡線430。為了促進將VCSEL 102水平地對齊於金屬跡線430上，可將對齊特徵429提供於金屬跡線430之VCSEL側表面上。
如圖18A中進一步所展示，第二間隔件406B之表面416B鄰接(即，直接機械接觸)金屬跡線430之VCSEL側表面。若需要，則可事先對表面416B加工以便提供更精確的垂直對齊。因此，間隔件406B包括垂直對齊特徵(即，表面416B)。間隔件406B亦可藉由黏合劑417C固定至基台432。有利地，在所繪示實例中，黏合劑417C並非緊鄰於VCSEL 102。此外，間隔件406B與金屬跡線430之間的直接機械接觸可導致更佳的高度準確度，此係因為不存在可變高度/厚度之中介層。
如圖18A中進一步所展示，橫向地環繞VCSEL 102之第二間隔件406B使遮罩412與VCSEL/基台總成分離。包括遮罩412之光學元件可藉由黏合劑417B固定至第二間隔件406B，該黏合劑417B可例如藉由UV輻射固化。遮罩412中之UV透明窗419允許使用UV輻射來使黏合劑417B固化。圖18A展示所得VCSEL總成450。
如圖18B中所展示，光學總成420可包括藉由一鏡筒442保持於一透明蓋110上之一或多個光學元件(例如，透鏡)440。在所繪示實例中，第一間隔件406A橫向地環繞透明蓋110。在其他情況下，如圖19中所展示，第一間隔件406A可與鏡筒442一體地形成為一單件。在此等情況下，可省略透明蓋110。
應小心地控制光學總成420與遮罩412之間的距離使得光學總成420之焦距符合遮罩412之平面。因此，在一些情況下，可例如藉由加 工而客製化間隔件406A之高度，如由圖18B中之水平虛線446所指示。若需要，則加工亦可用來校正傾斜。在一些情況下，可將間隔件406A製造至足夠準確度使得進一步尺寸客製化係不必要的。因此，第一間隔件406A包括垂直對齊特徵(即，表面416A)。
接著，將光學總成420附接至VCSEL總成450。判定光學總成420之(中央)光學軸422之位置。此外，例如使用VCSEL 102上之對齊窗418及對齊遮罩428判定VCSEL 102之(中央)光學軸424之位置。光學總成420亦可包括一或多個對齊遮罩，例如透鏡440上之一或多個對齊遮罩448。接著，例如使用一黏合劑417A(諸如環氧樹脂)(參見圖18A)將兩個總成420、450固定至彼此(參見圖18C)。特定言之，第一間隔件406A及第二間隔件406B可經由環氧樹脂417A固定至另一者。間隔件406A之垂直對齊特徵(即，表面416A)鄰接(即，直接機械接觸)遮罩412之光學總成側表面以便精確地界定高度Z(圖17)且以便精確地固定光學總成420與遮罩412之間的距離。
儘管在包括一光發射器的模組之內容脈絡中描述前述實例，但在一些實施方案中，該模組可包括一不同類型之主動光電裝置，諸如一光偵測器。例如，裝置102可為包括一光敏元件(即，像素)陣列之一影像感測器而非一光發射器。在包括一光偵測器的模組之內容脈絡中，上文所述之各種特徵可例如有利於建立一適當z高度使得一透鏡之焦距係在該影像感測器上。其他特徵(例如，提供環繞透明蓋110之側邊緣的不透明囊封劑116)可用於防止雜散光照射於該影像感測器上。
在本發明中，參考可由該光電裝置發射或偵測的光之波長使用諸如「透明」、「非透明」及「不透明」之術語。因此，在本發明之內容脈衝中，一非透明或不透明材料或組件可允許其他波長之光經過而具有較少或不具有衰減。同樣地，對於由該光電裝置發射或偵測之光 為透明的一材料或組件可不允許其他波長之光經過或可使此等其他波長之光顯著地衰減。
本文所述之模組可整合至一寬範圍之消費者產品及/或其他電子裝置中，諸如生物裝置、行動機器人、監測相機、攝錄影機、膝上型電腦、平板電腦及桌上型電腦以及其他裝置。
其他實施方案係在申請專利範圍之範疇內。
100‧‧‧封裝式光發射器模組
102‧‧‧光發射器/垂直空腔表面發光雷射(VCSEL)
104‧‧‧基板/引線框架
106‧‧‧外殼
107‧‧‧向內表面
108‧‧‧上垂直對齊特徵/離散垂直對齊特徵
109‧‧‧錐形/倒金字塔形空間
110‧‧‧透明蓋/透明板/透明基板
111‧‧‧方向
112‧‧‧側邊緣
114‧‧‧非透明壁/擋板壁/上側壁
120‧‧‧區域
Z‧‧‧高度

Claims (43)

  1. 一種製造一光發射器或光偵測器模組之方法，該方法包含：提供橫向地環繞安裝於一基板上之一光電裝置的一外殼，該光電裝置可操作以發射光或偵測光；及使用一黏合劑將一第一光學元件構件固定於該光電裝置上之適當位置，該光學元件對於可由該光電裝置發射或偵測之光實質上係透明的，其中一或多個垂直對齊特徵使該光學件構件與該外殼之一表面分離，且其中不在與該一或多個垂直對齊特徵之任何介面處提供該黏合劑；且該方法進一步包括在將該光學元件固定於該光電裝置上之適當位置之前執行以下步驟：進行一或多次量測，該一或多次量測指示在該模組之一光學軸之一方向上之一高度；及基於該一或多次量測，對至少一個表面加工達一定量以在該光電裝置與該光學元件之間實現一指定距離；其中該至少一個經加工表面包括以下項之至少一者：一特定垂直對齊特徵之一接觸表面；或一相對接觸表面，其在該光學元件固定於該光電裝置上之適當位置時與該特定垂直對齊特徵之該接觸表面直接接觸。
  2. 如請求項1之方法，其中該一或多個垂直對齊特徵提供於該光學元件之一表面上，且其中在將該光學元件固定於該光電裝置上之適當位置之前，基於該一或多次量測對該等垂直對齊特徵之至少一者之一接觸表面加工達一定量以在該光電裝置與該光學元件之間實現該指定距離。
  3. 如請求項1之方法，其中該一或多個垂直對齊特徵被提供為來自 該外殼之一表面的延伸部，且其中在將該光學元件固定於該光電裝置上之適當位置之前，基於該一或多次量測對該等垂直對齊特徵之至少一者之一接觸表面加工達一定量以在該光電裝置與該光學元件之間實現該指定距離。
  4. 如請求項1至3中任一項之方法，其包括在將該光學元件固定於該光電裝置上之適當位置之前，基於該一或多次量測對該相對接觸表面加工達一定量。
  5. 如請求項1之方法，其包括提供黏合劑使得該光學元件之側邊緣藉由該黏合劑附接至該外殼之一向內表面。
  6. 如請求項1之方法，其包括提供黏合劑使得從更接近於該光電裝置的該光學元件之一側凸出的一延伸部附接至該外殼之一表面，其中該延伸部不同於該一或多個垂直對齊特徵。
  7. 如請求項1之方法，其包括提供黏合劑使得從更接近於該光電裝置的該光學元件之一側凸出的一第一延伸部附接至從該外殼之一表面凸出的一第二延伸部，其中該第一延伸部及該第二延伸部不同於該一或多個垂直對齊特徵。
  8. 如請求項1至3中任一項之方法，其進一步包括使用一黏合劑將一第二光學元件固定於該第一光學元件上之適當位置，該第二光學元件對於可由該光電裝置發射或偵測之光實質上係透明的，其中一或多個第二垂直對齊特徵使該第二光學元件與該第一光學元件分離，且其中不在與該一或多個第二垂直對齊特徵之任何介面處提供該黏合劑；該方法進一步包括在將該第二光學元件固定於該第一光學元件上之適當位置之前執行以下步驟：對至少一個表面加工以在該光電裝置與該第二光學元件之間實現一指定距離， 其中該至少一個經加工表面包括以下項之至少一者：一特定第二垂直對齊特徵之一接觸表面；或一相對第二接觸表面，其在該第二光學元件固定於該第一光學元件上之適當位置時與該特定第二垂直對齊特徵之該接觸表面直接接觸。
  9. 如請求項8之方法，其中該一或多個第二垂直對齊特徵提供於該第二光學元件之一表面上，且其中在將該第二光學元件固定於適當位置之前，對該等第二垂直對齊特徵之至少一者之一接觸表面加工以在該光電裝置與該第二光學元件之間實現該指定距離。
  10. 如請求項9之方法，其包括在將該第二光學元件固定於該第一光學元件上之適當位置之前，對該相對第二接觸表面加工。
  11. 一種光發射器或光偵測器模組，其包含：一光電裝置，其安裝於一基板上，該光電裝置可操作以發射光或偵測光；一外殼，其橫向地環繞該光電裝置且用作該模組之側壁；該光電裝置上之一光學元件，其中該光學元件對於可由該光電裝置發射或偵測之光實質上係透明的；及一或多個垂直對齊特徵，其使該光學元件與該外殼分離，其中該光學元件與該一或多個垂直對齊特徵直接接觸。
  12. 如請求項11之模組，其中該一或多個垂直對齊特徵由相同於該外殼之一材料組成。
  13. 如請求項11之模組，其中該一或多個垂直對齊特徵與該外殼形成為一單體件。
  14. 如請求項11至13中任一項之模組，其中該光學元件之側邊緣藉由黏合劑附接至該外殼之一向內表面。
  15. 如請求項11之模組，其中該模組包括橫向地環繞該光學元件之非透明側壁。
  16. 如請求項11之模組，其中該光學元件之側邊緣橫向地囊封於一非透明材料中。
  17. 如請求項11之模組，其進一步包括至少一個延伸部，該至少一個延伸部在朝向該外殼之一表面的一方向上從該光學元件之一表面向下凸出，但不到達該表面，各延伸部藉由黏合劑附接至該外殼之一表面。
  18. 如請求項17之模組，其中該延伸部與該一或多個垂直對齊特徵之至少一者形成為一單體件且由相同於該至少一者之一材料組成。
  19. 如請求項18之模組，其中該光學元件之側邊緣橫向地囊封於一非透明材料中，該非透明材料與該延伸部形成為一單體件且由相同於該延伸部之材料組成。
  20. 如請求項11之模組，其包括一或多個第二垂直對齊特徵，該一或多個第二垂直對齊特徵之各者從該外殼凸出且該一或多個第二垂直對齊特徵之各者與從該光學元件凸出的該等垂直對齊特徵之一對應者對齊並直接接觸。
  21. 如請求項20之模組，其包括：至少一個延伸部，其在朝向該外殼之一方向上從一蓋之一側表面向下凸出；及至少一個第二延伸部，其在朝向該光學元件之一方向上從該外殼凸出，其中各第二延伸部藉由黏合劑附接至從該光學元件凸出的該等延伸部之一對應者。
  22. 如請求項21之模組，其中各第二垂直對齊特徵及各第二延伸部與該外殼形成為一單體件且由相同於該外殼之一材料組成。
  23. 如請求項22之模組，其中從該光學元件凸出之各垂直對齊特徵與從該光學元件凸出的該等延伸部之一對應者形成為一單體件，且由相同於該對應者之一材料組成。
  24. 如請求項20至23中任一項之模組，其中該光學元件橫向地囊封於一非透明材料中。
  25. 如請求項11至13中任一項之模組，其中該光學元件為安置於該光電裝置上的一第一光學總成之部件。
  26. 如請求項25之模組，其進一步包括安置於該第一光學總成上之一第二光學元件，該第二光學元件對於可由該光電裝置發射或偵測之光實質上係透明的。
  27. 如請求項26之模組，其中該第二光學元件藉由一或多個垂直對齊特徵與該第一光學總成之該光學元件分離，該一或多個垂直對齊特徵與該第一光學總成之該光學元件及該第二光學元件直接接觸。
  28. 如請求項11之模組，其中該外殼包括一第一內凸耳及一第二內凸耳，其中該等垂直對齊特徵安置於該第一凸耳與該光學元件之間且與該第一凸耳及該光學元件直接接觸，該模組進一步包括：該光電裝置上之一第二光學元件，該第二光學元件對於可由該光電裝置發射或偵測之光實質上係透明的；及一或多個第二垂直對齊特徵，其安置於該第二凸耳與該第二光學元件之間且與該第二凸耳及該第二光學元件直接接觸。
  29. 如請求項28之模組，其中該第二凸耳具有大於該第一凸耳之圓周且定位成比該第一凸耳更遠離該光電裝置。
  30. 如請求項28或29之模組，其中兩個光學元件之側邊緣藉由黏合 劑附接至該外殼之各自向內表面。
  31. 如請求項11之模組，其包括具有一側表面之一或多個橫向對齊特徵，該側表面鄰接從該光學元件凸出的該等垂直對齊特徵之一對應者之一側表面，其中各橫向對齊特徵從該外殼凸出且與該外殼形成為一單體件，且由相同於該外殼之一材料組成。
  32. 如請求項11至13中任一項之模組，其中該基板由一銅合金組成。
  33. 如請求項11至13中任一項之模組，其中該外殼由具有一陶瓷填充物之射出成型環氧樹脂或射出成型金屬組成。
  34. 如請求項11至13中任一項之模組，其中該光電裝置包含一垂直空腔表面發光雷射或一雷射二極體。
  35. 如請求項11至13中任一項之模組，其中該光電裝置包含一影像感測器。
  36. 如請求項11至13中任一項之模組，其中該光學元件由玻璃組成。
  37. 如請求項11至13中任一項之模組，其進一步包括一自動聚焦機構。
  38. 一種用來投影一光圖案之照明投影器模組，該模組包含：一第一總成，其包括：一光電裝置，其可操作以發射光；及一光學元件，其包括一遮罩，該光電裝置經配置以使光透射穿過該光學元件；及一光學總成，其包括：一或多個光學元件；及一第一間隔件，其具有與包括該遮罩之該光學元件直接接觸的一或多個垂直對齊特徵，該第一間隔件亦固定至一第二間隔件，該第二間隔件形成該第一總成之部件且橫向地環繞該光電裝置。
  39. 如請求項38之照明投影器模組，其中該第一間隔件藉由黏合劑固定至該第二間隔件。
  40. 如請求項38或39之照明投影器模組，其中包括該遮罩之該光學元件具有一或多個透明窗，該一或多個透明窗之各者與該光電裝置上之一各自對齊標記對齊。
  41. 如請求項38或39之照明投影器模組，其中包括該遮罩之該光學元件藉由黏合劑固定至該第二間隔件，包括該遮罩之該光學元件進一步包括一或多個UV透明窗，該一或多個UV透明窗之各者安置於將該第一間隔件固定至該第二間隔件的該黏合劑之至少部分上。
  42. 如請求項38或39之照明投影器模組，其中該遮罩包含一透明基板上之一黑鉻遮罩。
  43. 如請求項38或39之照明投影器模組，其中該光學總成包括一透鏡鏡筒內之一或多個透鏡，且其中該第一間隔件及該透鏡鏡筒形成一單一單體件。
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