TWI813969B - 光學傳感器以及光學傳感器製造方法 - Google Patents

光學傳感器以及光學傳感器製造方法 Download PDF

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Abstract

一種光學傳感器以及光學傳感器製造方法，光學傳感器包括基板、蓋體、光發射器、光電檢測器以及光學阻擋元件。蓋體與基板連接並形成內部空間。蓋體具有突起部、第一透光部以及第二透光部。突起部朝基板延伸，並具有底部，且將內部空間區分為連通的第一腔室與第二腔室。光發射器設置於基板並位於第一腔室。光電檢測器設置於基板並具有位於第二腔室的測量光電檢測元件。光學阻擋元件設置於上述光電檢測器，朝蓋體延伸並超出突起部的底部。

Description

光學傳感器以及光學傳感器製造方法
本發明有關於一種光學傳感器，尤指一種用於飛時測距(Time of Flight,TOF)的光學傳感器。
光學三維量測技術可以分為被動及主動量測兩種方式，被動量測可為雙目立體測量(stereo matching)，而主動量測可為飛時測距。飛時測距是一種三維主動式光學測距的技術。其測量原理是以儀器向待測物體主動發出光，並於接收由待測物體反射回來的反射光後，計算發射出光與接受到反射光後的相位差或時間差，並由相位差或時間差估算光源的全部運動時間，得到儀器與待測物體的距離或深度資訊。然而，使用飛行時間測距的光學傳感器，必須注意到內部漏光的問題以提高距離量測的準確度。
有鑑於此，在本發明一實施例中，提供一種光學傳感器，具有交錯設置的光學遮蔽結構，能夠解決漏光的問題並簡化組裝程序，以提高元件的穩定性。
本發明一實施例揭露一種光學傳感器，包括基板、蓋體、光發射器、光電檢測器以及光學阻擋元件。蓋體與基板連接並形成內部空間。蓋體具有突起部、第一透光部以及第二透光部。突起部朝基板延伸，並具有底部，且將內部空間區分為連通的第一腔室與第二腔室。光發射器設置於基板並位於第 一腔室。光電檢測器設置於基板並具有位於第二腔室的測量光電檢測元件。第一光學阻擋元件設置於上述光電檢測器，朝蓋體延伸並超出突起部的底部。
本發明一實施例揭露一種光學傳感器製造方法，包括提供一基板；提供一蓋體，上述蓋體具有一突起部、一第一透光部以及一第二透光部；設置一光發射器以及一光電檢測器於上述基板，上述光電檢測器具有一測量光電檢測元件；設置一第一光學阻擋元件於上述光電檢測器；以及連接上述蓋體與上述基板以形成內部空間，其中上述突起部朝上述基板延伸，並具有一底部，且將上述內部空間區分為連通的第一腔室與第二腔室，上述光發射器以及上述第一光學阻擋元件位於上述第一腔室，上述第一光學阻擋元件位於上述光發射器以及上述突起部之間，上述測量光電檢測元件位於上述第二腔室，上述第一光學阻擋元件朝上述蓋體延伸並超出上述突起部的底部。
根據本發明一實施例，上述第一透光部的位置對應於上述光發射器，上述第二透光部的位置對應於上述測量光電檢測器。
根據本發明一實施例，上述蓋體包括一頂蓋以及由上述頂蓋周圍朝上述基板延伸並與上述基板連接的側壁，其中上述第一光學阻擋裝置位於上述第一腔室，具有一頂部，上述第一光學阻擋裝置的上述頂部距離上述頂蓋一第二間隔距離，上述第一光學阻擋裝置與上述突起部之間具有一第三間隔距離。
根據本發明一實施例，上述光發射器根據一控制信號發出一檢測光束，上述檢測光束通過上述第一透光部，經一待測目標反射後，通過上述第二透光部傳送至上述測量光電檢測器。
根據本發明一實施例，上述光電檢測器還具有一參考光電檢測元件，其中上述參考光電檢測元件位於上述第一腔室，而上述突起部位於上述測量光電檢測元件以及上述參考光電檢測元件之間且上述突起部的上述底部距離上述光電檢測器一第一間隔距離。
根據本發明一實施例，上述光學傳感器還包括一控制電路，用以提供上述控制信號，上述參考光電檢測元件根據上述檢測光束產生一參考信號，上述測量光電檢測元件根據上述檢測光束產生一測量信號，上述控制電路根據上述參考信號以及上述測量信號取得一飛行時間。
根據本發明一實施例，上述光學傳感器還包括一第二光學阻擋元件，設置於上述光電檢測器並位於上述第二腔室且位於上述測量光電檢測元件與上述突起部之間，上述第二光學阻擋元件朝上述蓋體延伸並超出上述突起部的底部。
根據本發明一實施例，上述光學傳感器還包括一第一光濾波片以及一第二光濾波片，分別設置於上述第一透光部以及上述第二透光部。
根據本發明實施例所提供的光學傳感器，透過第一光學阻擋元件即可避免位於第一腔室的光發射器所發出檢測光束經由連通區域進入第二腔室而造成測量光電檢測器的誤判，並可視需要增設第二光學阻擋元件以降低漏光的機會。再者，第一光學阻擋元件未與突起部實體接觸，免除了第一光學阻擋元件與突起部連接的製程，不僅簡化了製程，還節省了黏著層的成本，甚至避免了傳統因擠壓第一光學阻擋元件與突起部之間的黏著層而造成溢膠的問題，提高了產品的良率以及產量。
10:光學傳感器
12:基板
14:蓋體
16:光發射器
17:光電檢測器
18A:參考光電檢測元件
18B:測量光電檢測元件
19A:第一光學阻擋元件
19B:第二光學阻擋元件
20:突起部
22A:第一透光部
22B:第二透光部
24A:第一光濾波片
24B:第二光濾波片
26A:頂蓋
26B:側壁
28A:第一腔室
28B:第二腔室
28C:連通區域
29:黏著層
A:第一間隔距離
B:第二間隔距離
D:第三間隔距離
圖1顯示根據本發明一實施例所述的光學傳感器的示意圖。
圖2A-圖2F顯示根據本發明一實施例所述的光學傳感器的製造方法的剖面示意圖。
為了便於本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖與實施例對本發明進一步的詳細描述，應當理解，本發明提供許多可供應用的 發明概念，其可以多種特定型式實施。熟悉此技藝之人士可利用這些實施例或其他實施例所描述之細節及其他可以利用的結構，邏輯和電性變化，在沒有離開本發明之精神與範圍之下以實施發明。
本發明說明書提供不同的實施例來說明本發明不同實施方式的技術特徵。其中，實施例中的各元件之配置係為說明之用，並非用以限制本發明。且實施例中圖式標號之部分重複，係為了簡化說明，並非意指不同實施例之間的關聯性。其中，圖示和說明書中使用之相同的元件編號係表示相同或類似之元件。本說明書之圖示為簡化之形式且並未以精確比例繪製。為清楚和方便說明起見，方向性用語(例如頂、底、上、下以及對角)係針對伴隨之圖示說明。而以下說明所使用之方向性用語在沒有明確使用在以下所附之申請專利範圍時，並非用來限制本發明之範圍。
再者，在說明本發明一些實施例中，說明書以特定步驟順序說明本發明之方法以及(或)程序。然而，由於方法以及程序並未必然根據所述之特定步驟順序實施，因此並未受限於所述之特定步驟順序。熟習此項技藝者可知其他順序也為可能之實施方式。因此，於說明書所述之特定步驟順序並未用來限定申請專利範圍。再者，本發明針對方法以及(或)程序之申請專利範圍並未受限於其撰寫之執行步驟順序，且熟習此項技藝者可瞭解調整執行步驟順序並未跳脫本發明之精神以及範圍。
圖1顯示根據本發明一實施例所述的光學傳感器的示意圖。為了方便說明，圖1顯示光學傳感器的側視剖面圖。如圖所示，光學傳感器10包括基板12、蓋體14、光發射器16、光電檢測器17、第一光學阻擋元件19A以及第二光學阻擋元件19B。
基板12可用不同的材料製作，如塑料材料、環氧材料、複合材料、FR-4材料或陶瓷材料製作。基板12上具有預先設計的內連線結構，並具有接合墊以耦接相關電子元件，相關電子元件可包括用來實施光信號發射或接收功能 所必要的電路元件以及控制電路，此為本領域技術人員所熟知，在此不予贅述以精簡說明。
蓋體14與基板12連接並與基板12形成內部空間。根據本發明一實施例，蓋體14的材質可為不透明的塑膠高分子材料。蓋體14包括頂蓋26A以及由頂蓋26A周圍朝基板12延伸並與基板12連接的側壁26B。蓋體14還包括突起部20、第一透光部22A以及第二透光部22B。突起部20位於頂蓋26A朝向基板12的表面，並朝向基板12延伸。根據本發明實施例，突起部20可為獨立的元件或是與頂蓋26A一體成型。透過突起部20，可將蓋體14與基板12所形成的內部空間區分為連通的第一腔室28A與第二腔室28B。如圖1所示，第一腔室28A與第二腔室28B之間，也就是突起部20的底部與基板12之間，具有連通區域28C。
光發射器16設置於基板12並位於第一腔室28A。根據本發明一實施例，光發射器16可包括單個或多個垂直腔面發射雷射二極體(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode，以下簡稱VCSEL)，或稱面射型雷射二極體，多個VCSEL構成陣列，並由驅動晶片驅動而發射光訊號。在其他實施例中，亦可使用其他可作為光源的元件，例如發光二極體、邊射型雷射二極體(Edge Emitting Laser Diode，EELD)或分散式反饋雷射器(Distributed Feedback Laser，DFB)。根據本發明一實施例，光發射器16用以發射紅外線波段的光束，在其他實施例中，光發射器16也可發射可見光、紫外線等其他波段的光束。
根據本發明一實施例，光電檢測器17可包含在空間上分布之光敏元件，例如參考光電檢測元件18A以及測量光電檢測元件18B。參考光電檢測元件18A以及測量光電檢測元件18B兩者均能够感測由發射器106發射之光束，但是測量到的時間點不同。如圖1所示，參考光電檢測元件18A位於第一腔室28A，測量光電檢測元件18B位於第二腔室28B。參考光電檢測元件18A以及測量光電檢測元件18B的種類可包括PN型光電二極管、PIN型光電二極管、雪崩式光電二極管等，以及電荷耦合裝置(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)。在本實施例中，參考光電檢測元件18A以及測量光電檢測元件18B位於相同的光電檢測器 17上，在其他實施例中，參考光電檢測元件18A以及測量光電檢測元件18B可位於不同晶片上。
另外，第一光濾波片24A以及第二光濾波片24B，分別設置於第一透光部22A以及第二透光部22B。由於第一透光部22A的位置對應於光發射器16，第二透光部22B的位置對應於測量光電檢測元件18B，光發射器16根據控制電路(圖未顯示)所發出的控制信號發射一檢測光束，檢測光束通過第一透光部22A的第一光濾波片24A，經一待測目標物反射後，通過第二透光部22B的第二光濾波片24B傳送至測量光電檢測元件18B。第一光濾波片24A以及第二光濾波片24B的設計是用來濾除光發射器16所發射頻段以外的光線，使得測量光電檢測元件18B能够更精確的分析接收到的光線。根據本發明另一實施例，也可使用透鏡取代光濾波片以控制光線的方向，或者使用透鏡結合光濾波片以達到更好的光路與光傳輸品質。
第一光學阻擋元件19A設置於光電檢測器17，並且由光電檢測器17朝蓋體14的頂蓋26A延伸，並超出突起部20的底部。如圖所示，突起部20的底部與光電檢測器17之間具有第一間隔距離A，第一光學阻擋元件19A的頂部與頂蓋26A之間具有第二間隔距離B，而第一光學阻擋元件19A與突起部20之間沿著平行基板12表面的方向具有第三間隔距離D。上述第一間隔距離A、第二間隔距離B以及第三間隔距離D為非零的實體距離。另外，還可在測量光電檢測元件18B與突起部20之間設置第二光學阻擋元件19B，第二光學阻擋元件19B的材質和作用與第一光學阻擋元件19A類似，因此不重複說明以精簡內容。必須說明的是，第一光學阻擋元件19A與第二光學阻擋元件19B兩者可根據實際需要或尺寸需求而擇一或同時使用。根據本發明一實施例，第一光學阻擋元件19A與第二光學阻擋元件19B所使用的材料可為具吸光特性的材料，例如是黑漆、綠漆等深色高分子材料，可以減少光線由第一腔室28A經由連通區域28C進入第二腔室28B的機會。
根據本發明一實施例，光學傳感器10的基板12與蓋體14可透過黏著層29接合，同樣的，光發射器16以及光電檢測器17可透過黏著層固定於基板12上，而第一光學阻擋組件19A以及第二光學阻擋組件19B可透過黏著層固定於光電檢測器17上。根據本發明一實施例，光學傳感器10的基板12與蓋體14可透過黏著層29接合，同樣的，光發射器16、參考光電檢測元件18A、測量光電檢測元件18B、第一光學阻擋元件19A以及第二光學阻擋元件19B也可透過黏著層固定於基板12上。另外，在其他實施例中，第一光學阻擋元件19A與第二光學阻擋元件19B的材質也可以採用與黏著層相同的材料，只要固化後的黏著層的高度能够維持超過超出突起部20的底部即可。黏著層可包括聚醯亞胺(Polyimide，PI)、聚乙烯對苯二甲酸酯(Polyethylene Terephthalate，PET)、鐵氟龍(Teflon)、液晶高分子(Liquid Crystal Polymer，LCP)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)、尼龍(Nylon or Polyamides)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、ABS塑膠(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)、酚樹脂(Phenolic Resins)、環氧樹脂(Epoxy)、聚酯(Polyester)、矽膠(Silicone)、聚氨基甲酸乙酯(Polyurethane，PU)、聚醯胺-醯亞胺(polyamide-imide，PAI)或其組合，但不限於此，只要具有黏著特性的材料皆可應用於本發明。
圖2A-圖2F顯示根據本發明一實施例所述的光學傳感器的製造方法的剖面示意圖。首先，參閱圖2A，將光發射器16以及光電檢測器17設置於基板12上。根據本發明一實施例，可透過黏著層將元件貼在基板12上，並執行打線接合(Wire Bonding)、卷帶自動接合(Tape Automated Bonding，TAB)、覆晶接合(Flip Chip，FC)等電性連接程序。根據本發明一實施例，基板12可用不同的材料製作，如塑料材料、環氧材料、複合材料、FR-4材料或陶瓷材料製作。基板12上具有預先設計的內連線結構，並具有接合墊以耦接相關電子元件，相關電子元件可包括用來實施光信號發射或接收功能所必要的電路元件以及控制電路，此為本領域技術人員所熟知，在此不予贅述以精簡說明。
根據本發明一實施例，光發射器16可包括單個或多個垂直腔面發射雷射二極體(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode，以下簡稱VCSEL)，或稱面射型雷射二極體，多個VCSEL構成陣列，並由驅動晶片驅動而發射光訊號。在其他實施例中，亦可使用其他可作為光源的元件，例如發光二極體、邊射型雷射二極體(Edge Emitting Laser Diode，EELD)或分散式反饋雷射器(Distributed Feedback Laser，DFB)。根據本發明一實施例，光發射器16用以發射紅外線波段的光束，在其他實施例中，光發射器16也可發射可見光、紫外線等其他波段的光束。根據本發明一實施例，光電檢測器17可包含在空間上分布之光敏元件，例如參考光電檢測元件18A以及測量光電檢測元件18B。參考光電檢測元件18A以及測量光電檢測元件18B兩者均能够感測由發射器106發射之光束。參考光電檢測元件18A以及測量光電檢測元件18B的種類可包括PN型光電二極管、PIN型光電二極管、雪崩式光電二極管等，以及電荷耦合裝置(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)。
接下來，參閱圖2B，在光電檢測器17的參考光電檢測元件18A以及測量光電檢測元件18B之間設置第一光學阻擋元件19A以及第二光學阻擋元件19B。根據本發明一實施例，第一光學阻擋元件19A以及第二光學阻擋元件19B所使用的材料可為具吸光特性的材料，例如是黑漆、綠漆等深色高分子材料，也可以採用與黏著層相同的材料。
接下來，參閱圖2C，在蓋體14上設置第一光濾波片24A以及第二光濾波片24B。根據本發明一實施例，蓋體14的材質可為不透明的塑膠高分子材料。蓋體14包括頂蓋26A以及由頂蓋26A周圍朝基板12延伸的側壁26B。蓋體14還包括突起部20、第一透光部22A以及第二透光部22B。突起部20位於頂蓋26A朝向基板12的表面，並朝向基板12延伸。根據本發明實施例，突起部20可為獨立的元件或是與頂蓋26A一體成型。第一光濾波片24A以及第二光濾波片24B，分別透過黏著層設置於第一透光部22A以及第二透光部22B。
接下來，參閱圖2D，對蓋體14以及第一光濾波片24A與第二光濾波片24B進行烘烤以使得第一光濾波片24A以及第二光濾波片24B與蓋體14之間的黏著層固化以將第一光濾波片24A與第二光濾波片24B固定於蓋體14上。根據本發明實施例，烘烤的溫度可根據第一光濾波片24A、第二光濾波片24B、蓋體14與黏著層的材質而控制在100℃-170℃之間。
接下來，參閱圖2E，將蓋體14與基板12連接並與基板12形成內部空間。透過突起部20，可將蓋體14與基板12所形成的內部空間區分為連通的第一腔室28A與第二腔室28B。如圖所示，第一腔室28A與第二腔室28B之間，也就是突起部20的底部與基板12之間，具有連通區域28C。結合蓋體14與基板12後，第一光學阻擋元件19A以及第二光學阻擋元件19B超出突起部20的底部。根據本發明一實施例，第一光學阻擋元件19A以及第二光學阻擋元件19B，可以減少光線由第一腔室28A經由連通區域28C進入第二腔室28B的機會。如圖所示，突起部20的底部與光電檢測器17之間具有第一間隔距離A，第一光學阻擋元件19A的頂部與頂蓋26A之間具有第二間隔距離B，而第一光學阻擋元件19A與突起部20之間沿著平行基板12表面的方向具有第三間隔距離D。上述第一間隔距離A、第二間隔距離B以及第三間隔距離D為非零的實體距離。同樣的，第二光學阻擋元件19B與頂蓋26A以及突起部20之間也存在非零的實體距離。
根據本發明一實施例，光學傳感器10的基板12與蓋體14同樣可透過黏著層接合，黏著層可包括聚醯亞胺(Polyimide，PI)、聚乙烯對苯二甲酸酯(Polyethylene Terephthalate，PET)、鐵氟龍(Teflon)、液晶高分子(Liquid Crystal Polymer，LCP)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)、尼龍(Nylon or Polyamides)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、ABS塑膠(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)、酚樹脂(Phenolic Resins)、環氧樹脂(Epoxy)、聚酯(Polyester)、矽膠(Silicone)、聚氨基甲酸乙酯(Polyurethane，PU)、聚醯胺- 醯亞胺(polyamide-imide，PAI)或其組合，但不限於此，只要具有黏著特性的材料皆可應用於本發明。
最後，參閱圖2F，對結合後的蓋體14與基板12進行烘烤以使得蓋體14與基板12之間的黏著層固化。根據本發明實施例，烘烤的溫度可根據蓋體14與基板12的材質而控制在100℃-170℃之間。
根據本發明一實施例，參閱圖1，當光學傳感器執行距離測量時，位於第一腔室28A的光發射器16根據控制電路(圖未顯示)所發出的控制信號發射一檢測光束，同時，參考光電檢測元件18A偵測到檢測光束並在第一時間t1產生一參考信號，而光發射器16所發出的檢測光束通過第一透光部22A的第一光濾波片24A發射到光學傳感器外部，經一待測目標(圖未顯示)反射後，通過第二透光部22B的第二光濾波片24B傳送至光學傳感器的第二腔室28B，此時測量光電檢測元件18B偵測到經待測目標反射的檢測光束並在第二時間t2產生一測量信號。上述參考信號以及測量信號傳送至控制電路，由於參考信號以及測量信號分別是在第一時間t1以及第二時間t2產生，控制電路根據參考信號以及測量信號即可取得檢測光束的飛行時間(t2-t1)。而光學傳感器與待測目標之間的距離d可由光速C與飛行時間(t2-t1)乘積的1/2而得(d=C*(t2-t1)/2)。
根據本發明實施例所述使用光學傳感器的距離測量系統可應用於多種設備，包括：智能手機、便携式計算機，計算機手錶、平板電腦、游戲裝置、電視、個人計算機、內部通信系統、家庭自動化系統、汽車安全系統、3D成像系統、手勢控制系統、觸控感測器、指紋感測器、診斷系統、交互式顯示器、3D感測系統、家用電器、掃地機器人、顯示裝置、虹膜識別系統等。
根據本發明實施例所提供的光學傳感器，透過第一光學阻擋元件19A即可避免位於第一腔室28A的光發射器16所發出檢測光束經由連通區域28C進入第二腔室28B而造成測量光電檢測元件18B的誤判。另外，還可以再加設第二光學阻擋元件19B以達到更好的遮光效果。再者，第一光學阻擋元件19A未與突起部20實體接觸，免除了第一光學阻擋元件19A與突起部20連接的製程，不僅 簡化了製程，還節省了黏著層的成本，甚至避免了傳統因擠壓第一光學阻擋元件19A與突起部20之間的黏著層而造成溢膠的問題，提高了產品的良率以及產量。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上該者僅為本發明之較佳實施方式，本發明之範圍並不以上述實施方式為限，舉凡熟悉本案技藝之人士爰依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10:光學傳感器
12:基板
14:蓋體
16:光發射器
17:光電檢測器
18A:參考光電檢測元件
18B:測量光電檢測元件
19A:第一光學阻擋元件
19B:第二光學阻擋元件
20:突起部
22A:第一透光部
22B:第二透光部
24A:第一光濾波片
24B:第二光濾波片
26A:頂蓋
26B:側壁
28A:第一腔室
28B:第二腔室
28C:連通區域
29:黏著層
A:第一間隔距離
B:第二間隔距離
D:第三間隔距離

Claims (2)

  1. 一種光學傳感器，包括：一基板；一蓋體，包括一頂蓋以及由上述頂蓋周圍朝上述基板延伸並與上述基板連接的側壁，上述蓋體與上述基板連接並與上述基板形成內部空間，上述蓋體還具有一突起部、一第一透光部以及一第二透光部，其中上述突起部朝上述基板延伸，並具有一底部，且將上述內部空間區分為連通的第一腔室與第二腔室，所述突起部的底部與所述基板之間，具有連通區域；一光發射器，設置於上述基板並位於上述第一腔室；一光電檢測器，設置於上述基板，具有一測量光電檢測元件，其中上述測量光電檢測元件位於上述第二腔室；一第一光學阻擋元件，設置於上述光電檢測器，朝上述蓋體延伸並超出上述突起部的底部；以及一第二光學阻擋元件，設置於上述光電檢測器並位於上述第二腔室且位於上述測量光電檢測元件與上述突起部之間，上述第二光學阻擋元件朝上述蓋體延伸並超出上述突起部的底部；其中，所述突起部的底部與上述光電檢測器之間具有第一間隔距離，上述第一光學阻擋元件的頂部與所述頂蓋之間具有第二間隔距離，而上述第一光學阻擋元件與上述突起部之間沿著平行上述基板表面的方向具有第三間隔距離，上述第一間隔距離、上述第二間隔距離以及上述第三間隔距離為非零的實體距離。
  2. 如請求項1所述的光學傳感器，更包括一第一光濾波片以及一第二光濾波片，分別設置於上述第一透光部以及上述第二透光部。
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