TWI798834B - 光感測陣列模組與光收發裝置 - Google Patents

光感測陣列模組與光收發裝置 Download PDF

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Abstract

一種光感測陣列模組，包括一光感測陣列基板、一透鏡陣列及一遮光層。光感測陣列基板包括排成陣列的多個像素。透鏡陣列配置於光感測陣列基板的上方，且包括分別配置於這些像素上方的多個微透鏡。遮光層配置於光感測陣列基板與透鏡陣列之間，且包括多個通光開口。這些通光開口分別配置於這些微透鏡與這些像素之間，其中入射透鏡陣列的入射角至少在14度以內的光會通過這些通光開口傳遞至這些像素，而不會被遮光層遮擋。一種光收發裝置亦被提出。

Description

光感測陣列模組與光收發裝置
本發明是有關於一種光學模組與裝置，且特別是有關於一種光感測陣列模組與光收發裝置。
隨著光電技術的進步，飛時測距裝置（time-of-flight ranging device）或光達（LiDAR）被發展出來，其可測量光的飛行時間，以計算出物體的距離。
飛時測距裝置或光達包括雷射發射器與光感測陣列。雷射發射器發出雷射光，以照射外界的物體。外界的物體再將雷射光反射回光感測陣列。
在習知的飛時測距裝置或光達中，是以殼體的開口位置與大小來決定光感測陣列所偵測到的光的視場角。但當光感測陣列在殼體中的組裝位置有偏差時，容易使部分的視場角被殼體遮擋，而使得邊緣雜訊增加。
若是使用角度濾光器（angular filter）來過濾掉訊號以外的大角度光線，雖然提高了訊雜比（signal-to-noise ratio），卻犧牲了量子效率（quantum efficiency）。
本發明提供一種光感測陣列模組，其兼具高量子效率與低雜光干擾。
本發明提供一種光收發裝置，其兼具高量子效率與低雜光干擾。
本發明的一實施例提出一種光感測陣列模組，包括一光感測陣列基板、一透鏡陣列及一遮光層。光感測陣列基板包括排成陣列的多個像素。透鏡陣列配置於光感測陣列基板的上方，且包括分別配置於這些像素上方的多個微透鏡。遮光層配置於光感測陣列基板與透鏡陣列之間，且包括多個通光開口。這些通光開口分別配置於這些微透鏡與這些像素之間，其中入射透鏡陣列的入射角至少在14度以內的光會通過這些通光開口傳遞至這些像素，而不會被遮光層遮擋。
本發明的一實施例提出一種光收發裝置，包括一發光元件及上述光感測陣列模組。發光元件用以發出一光束。光感測陣列模組用以感測一物體在反射光束後所產生的光。
在本發明的實施例的光感測陣列模組與光收發裝置中，由於採用了遮光層來遮擋雜光，且使入射透鏡陣列的入射角至少在14度以內的光會通過這些通光開口傳遞至這些像素，而不會被遮光層遮擋，因此本發明的實施例的光感測陣列模組與光收發裝置兼具高量子效率與低雜光干擾。
圖1為本發明的一實施例的光收發裝置的剖面示意圖，圖2為圖1中的光感測陣列模組的剖面示意圖，而圖3為圖2中的遮光層與光斑的上視示意圖。請參照圖1至圖3，本實施例的光收發裝置100包括一發光元件110及一光感測陣列模組200。發光元件110用以發出一光束112。光感測陣列模組200用以感測一物體50在反射光束112後所產生的光52。在本實施例中，發光元件110為雷射發射器，例如為垂直共振腔面射型雷射（vertical cavity surface-emitting laser, VCSEL），而光束112為雷射光束。然而，在其他實施例中，發光元件110也可以是其他雷射發射器或其他種類的發光元件。光感測陣列模組200包括一光感測陣列基板210、一透鏡陣列220及一遮光層230。光感測陣列基板210包括排成陣列（例如是二維陣列）的多個像素211。在本實施例中，光感測陣列基板210為單光子崩潰二極體（single photon avalanche diode, SPAD）陣列基板，而每一像素211可包括一單光子崩潰二極體212。也就是說，在本實施例中，光收發裝置100可為一飛時測距裝置、一光達或一接近感測器(proximity sensor)。
透鏡陣列220配置於光感測陣列基板210的上方，且包括分別配置於這些像素211上方的多個微透鏡222。也就是說，微透鏡222亦呈陣列配置，例如是呈二維陣列配置。遮光層230配置於光感測陣列基板210與透鏡陣列220之間，且包括多個通光開口232。這些通光開口232分別配置於這些微透鏡222與這些像素211之間。也就是說，這些通光開口232呈陣列配置，例如是呈二維陣列配置。其中，入射透鏡陣列220的入射角θ至少在14度以內的光會通過這些通光開口232傳遞至這些像素211，而不會被遮光層230遮擋。其中，入射角θ定義為光52的行進方向與透鏡陣列220的法線N的夾角，而法線N例如平行於微透鏡222的光軸。
在本實施例的光感測陣列模組200與光收發裝置100中，由於採用了遮光層230來遮擋雜光，且使入射透鏡陣列220的入射角θ至少在14度以內的光52會通過這些通光開口232傳遞至這些像素211，而不會被遮光層230遮擋，因此本實施例的光感測陣列模組200與光收發裝置100兼具高量子效率與低雜光干擾。
在本實施例中，遮光層230為金屬層，其例如為在製作光感測陣列基板210的半導體製程中，與用以電性連接像素211的金屬線路層相同的材質所形成的金屬層。
在本實施例中，每一通光開口232的形狀與光52通過對應的微透鏡222後在通光開口232處所形成的光斑53的形狀相配合。舉例而言，在本實施例中，微透鏡222例如為凸透鏡，其剖面如圖2所繪示，然而，微透鏡222的上視圖例如呈方形，因此光斑53會呈現X形，而通光開口232也呈現與X形相配合的形狀。如此一來，遮光層230可以讓有效的光52通過而不會將其遮擋，另一方面也可以遮擋其他雜光，因此可使本實施例的光感測陣列模組200與光收發裝置100兼具高量子效率與低雜光干擾。
在本實施例中，光斑53具有至少一凹陷處55，而通光開口232的內壁234具有往至少一凹陷處55凸出的至少一凸起部235。當光斑53呈X形，而具有四個凹陷處55時，通光開口232的內壁234具有往四個凹陷處55凸出的四個凸起部235。
在其他實施例中，當光斑呈現其他形狀或不具有凹陷處時，通光開口也可以呈現與其相配合的形狀。舉例而言，請參照圖4，在另一實施例中，當光斑53a呈橢圓形時，通光開口232a的形狀可與其相配合而呈橢圓形。在其他實施例中，光斑也可以呈圓形，而通光開口的形狀可與其相配合而呈圓形。或者，光斑也可以呈現其他形狀，而通光開口的形狀可與其相配合。
在本實施例中，光收發裝置100更包括一控制器120，電性連接至發光元件110與光感測陣列基板210，且用以根據光束112與光52的飛行時間或相位來計算出物體50的距離，也就是光收發裝置100為一飛時測距裝置或一光達。
在一實施例中，控制器120例如為中央處理單元（central processing unit, CPU)、微處理器（microprocessor）、數位訊號處理器（digital signal processor, DSP）、可程式化控制器、可程式化邏輯裝置（programmable logic device, PLD）或其他類似裝置或這些裝置的組合，本發明並不加以限制。此外，在一實施例中，控制器120的各功能可被實作為多個程式碼。這些程式碼會被儲存在一個記憶體中，由控制器120來執行這些程式碼。或者，在一實施例中，控制器120的各功能可被實作為一或多個電路。本發明並不限制用軟體或硬體的方式來實作控制器120的各功能。
圖5A為圖3中的遮光層與在x方向上斜向入射的光所形成的光斑的上視示意圖，圖5B為圖3中的遮光層與在對角線方向上斜向入射的光所形成的光斑的上視示意圖。請參照圖1、圖2、圖5A及圖5B，當光52入射至光感測陣列模組200偏離中心的位置時，光52可以是斜向入射的，而使得在通光開口232處所形成的光斑53b（如圖5A所繪示）或光斑53c（如圖5B所繪示）可以是扭曲變形的，例如往一邊或一角歪斜。其中，圖5A的光斑53b是由在x方向有14度的入射角θ的光52所形成，而圖5B的光斑53c是由在對角線方向（即與x方向與y方向皆夾45度的方向，其中x方向垂直於y方向）有14度的入射角θ的光52所形成。
在本實施例中，入射角θ超過14度的光52會被遮光層230遮擋，尤其是在如圖5B的對角線方向。然而，在其他實施例中，入射透鏡陣列220的入射角θ至少在20度以內的光52會通過這些通光開口232傳遞至這些像素211，而不會被遮光層230遮擋。在一實施例中，入射透鏡陣列220的入射角θ在20度以內的光52會通過這些通光開口232傳遞至這些像素211，而不會被遮光層230遮擋，而入射角θ超過20度的光52則被遮光層230遮擋。或者，在另一實施例中，入射透鏡陣列220的入射角θ至少在40度以內的光52會通過這些通光開口232傳遞至這些像素211，而不會被遮光層230遮擋。在一實施例中，入射透鏡陣列220的入射角θ在40度以內的光52會通過這些通光開口232傳遞至這些像素211，而不會被遮光層230遮擋，而入射角θ超過40度的光52則被遮光層230遮擋。
請在參照圖2，本實施例的光感測陣列模組200可包括另一遮光層240，遮光層240可具有分別配置於這些微透鏡222與這些像素211之間的通光開口242。通光開口242的設計方式可與通光開口232一樣，也就是通光開口242的形狀可與光52在通過通光開口242處所形成的光斑的形狀相配合。由於遮光層240配至於遮光層230與光感測陣列基板210之間，因此通光開口242的尺寸可以比通光開口232小。
如同遮光層230，遮光層240也可以是金屬層，其例如為在製作光感測陣列基板210的半導體製程中，與用以電性連接像素211的金屬線路層相同的材質所形成的金屬層。由於金屬線路層可以有多層，因此可以選擇金屬線路層中的幾層（例如N層，N大於等於1）來作為具有上述特性（即與遮光層230的設計概念相同）的遮光層。在其他實施例中，具有上述特性的遮光層也可以只有一層（即遮光層230）。或者，光感測陣列模組200也可以只具有遮光層230，而不具有遮光層240。
綜上所述，在本發明的實施例的光感測陣列模組與光收發裝置中，由於採用了遮光層來遮擋雜光，且使入射透鏡陣列的入射角至少在14度以內的光會通過這些通光開口傳遞至這些像素，而不會被遮光層遮擋，因此本發明的實施例的光感測陣列模組與光收發裝置兼具高量子效率與低雜光干擾。
50:物體 52:光 53、53a、53b、53c:光斑 55:凹陷處 100:光收發裝置 110:發光元件 112:光束 120:控制器 200:光感測陣列模組 210:光感測陣列基板 211:像素 212:單光子崩潰二極體 220:透鏡陣列 222:微透鏡 230、240:遮光層 232、232a、242:通光開口 234:內壁 235:凸起部 N:法線 θ:入射角
圖1為本發明的一實施例的光收發裝置的剖面示意圖。 圖2為圖1中的光感測陣列模組的剖面示意圖。 圖3為圖2中的遮光層與光斑的上視示意圖。 圖4為本發明的另一實施例的遮光層與光斑的上視示意圖。 圖5A為圖3中的遮光層與在x方向上斜向入射的光所形成的光斑的上視示意圖。 圖5B為圖3中的遮光層與在對角線方向上斜向入射的光所形成的光斑的上視示意圖。
200:光感測陣列模組
210:光感測陣列基板
211:像素
212:單光子崩潰二極體
220:透鏡陣列
222:微透鏡
230、240:遮光層
232、242:通光開口

Claims (15)

  1. 一種光感測陣列模組，包括：一光感測陣列基板，包括排成陣列的多個像素；一透鏡陣列，配置於該光感測陣列基板的上方，且包括分別配置於該些像素上方的多個微透鏡；以及一遮光層，配置於該光感測陣列基板與該透鏡陣列之間，且包括多個通光開口，該些通光開口分別配置於該些微透鏡與該些像素之間，其中入射該透鏡陣列的入射角至少在14度以內的光會通過該些通光開口傳遞至該些像素，而不會被該遮光層遮擋，其中每一通光開口的形狀與光通過對應的微透鏡後在該通光開口處所形成的光斑的形狀相配合。
  2. 如請求項1所述的光感測陣列模組，其中該光斑具有至少一凹陷處，而該通光開口的內壁具有往該至少一凹陷處凸出的至少一凸起部。
  3. 如請求項2所述的光感測陣列模組，其中該光斑呈X形，且具有四個凹陷處，而該通光開口的內壁具有往該四個凹陷處凸出的四個凸起部。
  4. 如請求項1所述的光感測陣列模組，其中入射該透鏡陣列的入射角至少在20度以內的光會通過該些通光開口傳遞至該些像素，而不會被該遮光層遮擋。
  5. 如請求項4所述的光感測陣列模組，其中入射該透鏡陣列的入射角至少在40度以內的光會通過該些通光開口傳遞至該些像素，而不會被該遮光層遮擋。
  6. 如請求項1所述的光感測陣列模組，其中該遮光層為金屬層。
  7. 如請求項1所述的光感測陣列模組，其中該光感測陣列基板為單光子崩潰二極體陣列基板。
  8. 一種光收發裝置，包括：一發光元件，用以發出一光束；以及一光感測陣列模組，用以感測一物體在反射該光束後所產生的光，該光感測陣列模組包括：一光感測陣列基板，包括排成陣列的多個像素；一透鏡陣列，配置於該光感測陣列基板的上方，且包括分別配置於該些像素上方的多個微透鏡；以及一遮光層，配置於該光感測陣列基板與該透鏡陣列之間，且包括多個通光開口，該些通光開口分別配置於該些微透鏡與該些像素之間，其中入射該透鏡陣列的入射角至少在14度以內的光會通過該些通光開口傳遞至該些像素，而不會被該遮光層遮擋，其中每一通光開口的形狀與光通過對應的微透鏡後在該通光開口處所形成的光斑的形狀相配合。
  9. 如請求項8所述的光收發裝置，其中該光斑具有至少一凹陷處，而該通光開口的內壁具有往該至少一凹陷處凸出的至少一凸起部。
  10. 如請求項9所述的光收發裝置，其中該光斑呈X形，且具有四個凹陷處，而該通光開口的內壁具有往該四個凹陷處凸出的四個凸起部。
  11. 如請求項8所述的光收發裝置，其中入射該透鏡陣列的入射角至少在20度以內的光會通過該些通光開口傳遞至該些像素，而不會被該遮光層遮擋。
  12. 如請求項11所述的光收發裝置，其中入射該透鏡陣列的入射角至少在40度以內的光會通過該些通光開口傳遞至該些像素，而不會被該遮光層遮擋。
  13. 如請求項8所述的光收發裝置，其中該遮光層為金屬層。
  14. 如請求項8所述的光收發裝置，其中該發光元件為雷射發射器，且該光感測陣列基板為單光子崩潰二極體陣列基板。
  15. 如請求項8所述的光收發裝置，其中該光收發裝置為一飛時測距裝置或一光達，該光收發裝置更包括一控制器，電性連接至該發光元件與該光感測陣列基板，且用以根據該光束與被反射的該光的飛行時間或相位來計算出該物體的距離。
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