TWI908005B

TWI908005B - 光收發系統

Info

Publication number: TWI908005B
Application number: TW113110414A
Authority: TW
Inventors: 黃耀緯
Original assignee: 國立陽明交通大學
Priority date: 2024-03-20
Filing date: 2024-03-20
Publication date: 2025-12-11
Also published as: TW202538309A

Abstract

一種光收發系統包含下基板、光發射模組以及光接收模組。光發射模組位於下基板上。光接收模組位於下基板上及光發射模組的一側。光接收模組包含光偵測器以及超穎透鏡陣列。光偵測器位於下基板上。超穎透鏡陣列位於光偵測器上方且朝向光偵測器，其中超穎透鏡陣列包含複數個超穎透鏡。

Description

光收發系統

本揭露是有關一種光收發系統。

隨著擴增實境與自動駕駛光達(LiDAR)科技來臨，對於能夠在單一設備內提供空間運算能力的深度感測器的需求持續增加。深度感知的技術包含照相機與演算法，有時包含外加光源。包含外加光源的深度感測器主要有結構光、單目視覺、飛時測距等。

目前的商用的飛時測距系統包含結構光投射器與接收端的鏡頭與影像感測器。接收端受限於接收端的塑膠鏡頭組的厚度與視角，體積不易縮小且可觀測的視角不大。並且，廣角鏡頭在大角度入射時的大像差影響收光的影像深度辨認，整個飛時測距系統只能量測約 576 個點的結構光。

本揭露之一技術態樣為一種光收發系統。

根據本揭露之一實施方式，一種光收發系統包含下基板、光發射模組以及光接收模組。光發射模組位於下基板上。光接收模組位於下基板上及光發射模組的一側。光接收模組包含光偵測器以及超穎透鏡陣列。光偵測器位於下基板上。超穎透鏡陣列位於光偵測器上方且朝向光偵測器，其中超穎透鏡陣列包含複數個超穎透鏡。

在本揭露之一實施方式中，光收發系統更包含間隔件。間隔件位於下基板與超穎透鏡陣列之間。

在本揭露之一實施方式中，超穎透鏡成陣列排列。

在本揭露之一實施方式中，超穎透鏡的每一者包含複數個超穎結構，超穎結構包含圓柱體或正方柱體至少其中一者。

在本揭露之一實施方式中，光收發系統更包含支撐件。支撐件位於下基板上，且具有第一開口以及第二開口，其中第一開口配置以使超穎透鏡陣列露出。

在本揭露之一實施方式中，光發射模組包含光發射器以及驅動器。光發射器位於下基板上，其中光發射器包含光子晶體面射型雷射。驅動器位於下基板上以及光發射器遠離光接收模組的一側，其中第二開口配置以使光發射器露出。

在本揭露之一實施方式中，支撐件有一部分位於光發射模組與光接收模組之間。

在本揭露之一實施方式中，光收發系統更包含外殼件。外殼件沿支撐件的外側壁及上表面設置，其中外殼件有第一開口以及第二開口。

在本揭露之一實施方式中，外殼件的第一開口配置以使超穎透鏡陣列露出。

在本揭露之一實施方式中，光收發系統更包含記憶體。記憶體位於下基板上及支撐件下，且電性連接光偵測器。

在本揭露上述實施方式中，由於光接收模組包含超穎透鏡陣列，超穎透鏡陣列包含基板的厚度僅有100微米至700微米，可以大幅度將光收發系統的光接收模組的厚度控制在小於1毫米之內，也同時可以放大光收發系統的光接收模組所能接收光的視角，讓整個光收發系統更加輕量化及精細化。

以下揭示之實施方式內容提供了用於實施所提供的標的之不同特徵的許多不同實施方式，或實例。下文描述了元件和佈置之特定實例以簡化本案。當然，該等實例僅為實例且並不意欲作為限制。此外，本案可在各個實例中重複元件符號及/或字母。此重複係用於簡便和清晰的目的，且其本身不指定所論述的各個實施方式及/或配置之間的關係。

諸如「在……下方」、「在……之下」、「下部」、「在……之上」、「上部」等等空間相對術語可在本文中為了便於描述之目的而使用，以描述如附圖中所示之一個元件或特徵與另一元件或特徵之關係。空間相對術語意欲涵蓋除了附圖中所示的定向之外的在使用或操作中的裝置的不同定向。裝置可經其他方式定向(旋轉90度或以其他定向)並且本文所使用的空間相對描述詞可同樣相應地解釋。

第1圖繪示根據本揭露一實施方式的光收發系統100的剖面圖。第2圖繪示第1圖的超穎透鏡陣列134的下視圖。參照第1圖及第2圖。一種光收發系統100包含下基板110、光發射模組120以及光接收模組130。光發射模組120位於下基板110上。光接收模組130位於下基板110上及光發射模組120的一側。光接收模組130包含光偵測器132以及超穎透鏡陣列134。光偵測器132位於下基板110上。在一些實施方式中，光偵測器132可以包含遠紅外光(Near Infrared, NIR)波長專用的互補式金氧半影像感測器 (CMOS image sensor, CIS)或單光子雪崩二極體 (single photon avalanche diode, SPAD)，但本揭露並不侷限於此。超穎透鏡陣列134位於光偵測器132上方且朝向光偵測器132，其中超穎透鏡陣列134包含複數個超穎透鏡136。在本實施方式中，超穎透鏡136成陣列排列。在一些實施方式中，超穎透鏡陣列134基板的長寬分別為2.2毫米與1.76毫米，每個超穎透鏡136的直徑為160微米，超穎透鏡136之間鏡心的距離為220微米，但本揭露並不侷限於此，譬如可以以不同的尺寸大小與距離來設計超穎透鏡136，只要超穎透鏡136之間不要產生過多的串音干擾(crosstalk)即可。

光收發系統100更包含間隔件140以及支撐件150。間隔件140位於下基板110與超穎透鏡陣列134之間。間隔件140的高度可以約為200微米或更小，但本揭露並不侷限於此。支撐件150位於下基板110上，且具有第一開口152以及第二開口154，其中第一開口152配置以使超穎透鏡陣列134露出。支撐件150的材料可以包含塑膠，但本揭露並不侷限於此。光發射模組120包含光發射器122以及驅動器124。光發射器122位於下基板110上。在一些實施方式中，光發射器122可以包含光子晶體面射型雷射(photonic crystal surface-emitting laser, PCSEL)，並且在PCSEL 上蝕刻超穎全像片取代塑膠透鏡組、繞射式光學元件，但本揭露並不以此為限。驅動器124位於下基板110上以及光發射器122遠離光接收模組130的一側，其中第二開口154配置以使光發射器122露出。支撐件150有一部分位於光發射模組120與光接收模組130之間。也就是說，支撐件150環繞光發射模組120與光接收模組130。

光收發系統100更包含外殼件160。外殼件160沿支撐件150的外側壁及上表面設置，其中外殼件160有第一開口162以及第二開口164。外殼件160的第一開口162配置以使超穎透鏡陣列134露出。並且，外殼件160的第二開口164配置以使光發射器122露出，也就是說，外殼件160包覆支撐件150、光發射模組120以及光接收模組130。外殼件160的材質可以包含金屬，但本揭露並不以此為限。光收發系統100更包含記憶體170。記憶體170位於下基板110上及支撐件150下，且電性連接光偵測器132。

第3圖繪示第1圖的光發射器122所發射的結構光在球座標上的投影圖。參照第2圖及第3圖，在光收發系統100運作時，光發射器122(參第1圖)首先會朝球座標空間發射1185個結構光，這1185個結構光在球座標的投影圖如第3圖所示。在球座標上，這1185個結構光的水平視角120度，垂直視角100度，對角視角160度。這1185個點在靠近中心點的部分會被以25個點一組，分配給超穎透鏡陣列134上的59個超穎透鏡136。而在靠近視角極限的地方則因為已經接近邊緣，因此不會以25個點為一組。在一些實施方式中，坐落在四個角落的四個超穎透鏡136可做為超穎透鏡陣列134整合於光偵測器132上時對準與校正系統需求。

第4圖繪示第1圖的超穎透鏡陣列134的不同的超穎透鏡136接收光並聚焦至光偵測器132的示意圖。由於在超穎透鏡陣列134之上的每一個超穎透鏡136都會被分配到球座標的其中一塊區域中的25個點，因此每一個超穎透鏡136都有一個可以清楚聚焦在光偵測器132上的角度區間，計算式表示如下： …式1

其中為該超穎透鏡136的鏡心在超穎透鏡陣列134上的座標位置，為結構光波長，在本實施方式中為940奈米。F為超穎透鏡陣列134中的該超穎透鏡136與光偵測器132之間的距離(即聚焦的焦長)，在本實施方式中為200微米。在第4圖中，在角度區間為時，可以在超穎透鏡136正下方的區域A1形成25個點的接近無像差的聚焦，而其餘的部分則因為像差過大，聚焦的效果不好，在後續的計算中會被捨去。後續影像數位處理時再透過裁切的方式，將每個接近無像差的聚焦區域(包含區域A1、區域A2、區域A3)排列在一起，如第5圖所示，便可完成一幅全幅都接近無像差的聚焦的圖案。

第6圖繪示第1圖的超穎透鏡136的側視圖。第7圖繪示根據本揭露一實施方式的超穎結構138的立體圖。第8圖繪示根據本揭露另一實施方式的超穎結構138a的立體圖。參照第6圖至第8圖，超穎透鏡136的每一者包含複數個超穎結構138或超穎結構138a，其中超穎結構138可為正方柱體，超穎結構138a可為圓柱體。這樣的設計，是因為通常光偵測器132(參第1圖)的一個像素的大小大約在2微米至10微米的範圍內。理想設計下，在聚焦時，超穎透鏡陣列134投影的每一個聚焦的點對應光偵測器132的一個像素是最佳的。但在真實的情況下，光偵測器132的一個像素通常大於一個聚焦焦點的大小。在第3圖中，兩個點在球座標上的最小間距為2.58度。如果要滿足上述「超穎透鏡陣列134投影的每一個聚焦的點對應光偵測器132的一個像素」的條件，第3圖中的每一個點的座標、像素寬度、超穎透鏡陣列134的焦長F滿足以下計算式： …式2

其中 ( m, n) 代表第 m行與第 n列的像素。如果像素寬度 =(9微米,9微米)，焦長F=200微米，則離散分布的角度可以如式3所示： …式3

式3之物理意義即為，在光偵測器132上給定1185個像素，即可讓光發射器122所發射的1185個結構光都找到能完美聚焦的像素，並且能夠分析其距離的資訊，達到飛時測距的目的。

經過模擬，可以實現超穎透鏡136的超穎結構如第7圖及第8圖所示。在一些實施方式中，超穎結構138、138a的材料可以為非晶矽，超穎透鏡陣列134的基板的材料可以為石英，但本揭露並不侷限於此。

由於光接收模組130包含超穎透鏡陣列134，超穎透鏡陣列134包含基板的厚度僅有100微米至700微米，可以大幅度將光收發系統100的光接收模組130的厚度控制在小於1毫米之內，也同時可以放大光收發系統100的光接收模組130所能接收光的視角，讓整個光收發系統100更加輕量化及精細化。

前述概述了幾個實施方式的特徵，使得本領域技術人員可以更好地理解本揭露的態樣。本領域技術人員應當理解，他們可以容易地將本揭露用作設計或修改其他過程和結構的基礎，以實現與本文介紹的實施方式相同的目的和/或實現相同的優點。本領域技術人員還應該認識到，這樣的等效構造不脫離本揭露的精神和範圍，並且在不脫離本揭露的精神和範圍的情況下，它們可以在這裡進行各種改變，替換和變更。

100:光收發系統 110:下基板 120:光發射模組 122:光發射器 124:驅動器 130:光接收模組 132:光偵測器 134:超穎透鏡陣列 136:超穎透鏡 138,138a:超穎結構 140:間隔件 150:支撐件 152:第一開口 154:第二開口 160:外殼件 162:第一開口 164:第二開口 170:記憶體 A1,A2,A3:區域

當與隨附圖示一起閱讀時，可由後文實施方式最佳地理解本揭露內容的態樣。注意到根據此行業中之標準實務，各種特徵並未按比例繪製。實際上，為論述的清楚性，可任意增加或減少各種特徵的尺寸。第1圖繪示根據本揭露一實施方式的光收發系統的剖面圖。第2圖繪示第1圖的超穎透鏡陣列的下視圖。第3圖繪示第1圖的光發射器所發射的結構光在球座標上的投影圖。第4圖繪示第1圖的超穎透鏡陣列的不同的超穎透鏡接收光並聚焦至光偵測器的示意圖。第5圖繪示第4圖的聚焦區域重新排列的示意圖。第6圖繪示第1圖的超穎透鏡的側視圖。第7圖繪示根據本揭露一實施方式的超穎結構的立體圖。第8圖繪示根據本揭露另一實施方式的超穎結構的立體圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:光收發系統

110:下基板

120:光發射模組

122:光發射器

124:驅動器

130:光接收模組

132:光偵測器

134:超穎透鏡陣列

136:超穎透鏡

140:間隔件

150:支撐件

152:第一開口

154:第二開口

160:外殼件

162:第一開口

164:第二開口

170:記憶體

Claims

一種光收發系統，包含：一下基板；一光發射模組，位於該下基板上；以及一光接收模組，位於該下基板上及該光發射模組的一側，且包含：一光偵測器，位於該下基板上；以及一超穎透鏡陣列，位於該光偵測器上方且朝向該光偵測器，其中該超穎透鏡陣列包含複數個超穎透鏡以及一基板，該些超穎透鏡位於該基板的一下表面上且該超穎透鏡陣列包含該基板的厚度在100微米到700微米的範圍中，該些超穎透鏡的每一者具有聚焦在該光偵測器上的一角度區間Φ，計算式表示如下：其中(θ,ϕ)為該超穎透鏡陣列的球座標，(x,y)為該超穎透鏡的鏡心在該超穎透鏡陣列上的座標位置，λ_d為結構光波長，F為該超穎透鏡陣列中的該超穎透鏡與該光偵測器之間的距離。
如請求項1所述之光收發系統，更包含：一間隔件，位於該下基板與該超穎透鏡陣列之間。
如請求項1所述之光收發系統，其中該些超穎透鏡成陣列排列。
如請求項1所述之光收發系統，其中該些超穎透鏡的每一者包含複數個超穎結構，該些超穎結構包含圓柱體或正方柱體至少其中一者。
如請求項1所述之光收發系統，更包含：一支撐件，位於該下基板上，且具有一第一開口以及一第二開口，其中該第一開口配置以使該超穎透鏡陣列露出。
如請求項5所述之光收發系統，其中該光發射模組包含：一光發射器，位於該下基板上，其中該光發射器包含光子晶體面射型雷射；以及一驅動器，位於該下基板上以及該光發射器遠離該光接收模組的一側，其中該第二開口配置以使該光發射器露出。
如請求項5所述之光收發系統，其中該支撐件有一部分位於該光發射模組與該光接收模組之間。
如請求項6所述之光收發系統，更包含：一外殼件，沿該支撐件的一外側壁及一上表面設置，其中該外殼件有一第一開口以及一第二開口。
如請求項8所述之光收發系統，其中該外殼件的該第一開口配置以使該超穎透鏡陣列露出，該外殼件的該第二開口配置以使該光發射器露出。
如請求項5所述之光收發系統，更包含：一記憶體，位於該下基板上及該支撐件下，且電性連接該光偵測器。