TWM613370U - 具有雜散光導離結構的tof光學感測模組 - Google Patents

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Abstract

一種TOF光學感測模組，供設置於一保護蓋板的下方，並包含：一基板；一帽蓋，具有一本體以及該本體連接的一接收窗、一發射窗及一雜散光導離結構，其中帽蓋與基板共同定義出一腔體；以及一收發單元，設置於基板上，位於腔體中，通過發射窗發出量測光，並且通過接收窗接收感測光。雜散光導離結構位於保護蓋板與本體的一外側之間以及發射窗與接收窗之間，以阻擋雜散光通過接收窗而進入收發單元中。

Description

具有雜散光導離結構的TOF光學感測模組
本新型是有關於一種飛行時間(Time Of Flight, TOF)光學感測模組，且特別是有關於一種具有雜散光導離結構的TOF光學感測模組。
現今的智能電話、平板電腦或其他手持裝置搭配有光學模組，來達成手勢偵測、3D成像或近接偵測或者相機對焦等功能。飛行時間(Time Of Flight, TOF)感測器向場景中發射近紅外光，利用光的飛行時間或相位信息，測量場景中物體的距離。TOF感測器的優點是深度信息計算量小，抗干擾性強，測量範圍遠，因此已經漸漸受到青睞。
TOF感測器的核心組件包含：光源，特別是紅外線垂直共振腔面射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)；光感測器，特別是單光子雪崩二極體(Single Photon Avalanche Diode, SPAD)；和時間至數位轉換器(Time to Digital Converter, TDC)。SPAD是一種具有單光子探測能力的光電探測雪崩二極體，只要有微弱的光信號就能產生電流。TOF感測器中的VCSEL向場景發射脈衝波，SPAD接收從目標物體反射回來的脈衝波，TDC記錄發射脈衝和接收脈衝之間的時間間隔，利用飛行時間計算待測物體的深度信息。
圖1顯示一種傳統的TOF光學感測模組300的示意圖。如圖1所示，TOF光學感測模組300設置於一保護蓋板400下方，並且包含一帽蓋(cap)310、一發光單元320、一感測器晶片330及一基板350。基板350譬如是印刷電路板，包括一個或多個絕緣層和導電層(未顯示)。基板350上通過黏膠材料設置發光單元320及感測器晶片330。發光單元320及感測器晶片330電連接至基板350。感測器晶片330上形成有至少一第一像素(或稱參考像素)331及至少一第二像素(或稱感測像素)341。光學感測模組300更包含用於發送、接收和處理電信號的控制處理電路，譬如是積體電路，用來控制發光單元320的光線發射、第一像素331的光線接收、第二像素341的光線接收以及第一像素331與第二像素341接收光線後所產生的電信號的處理。帽蓋310具有一發射窗314及一接收窗312，並且設置於基板350的上方，以將基板350上的發光單元320及感測器晶片330容置於帽蓋310的一腔室315中。發光單元320發出量測光L1通過發射窗314及保護蓋板400到達物體(未顯示)，第二像素341通過保護蓋板400及接收窗312接收物體反射之感測光L3。量測光L1被帽蓋310反射後產生參考光L2朝第一像素331行進。另一方面，有一部分的量測光L1通過發射窗314射出腔室315以後，會在保護蓋板400與帽蓋310之間反射後，通過接收窗312而進入腔室315而被第二像素341接收，干擾了第二像素341的感測結果，如圖中的雜散光L4。因此，如何降低此一雜散光干擾，實為本案所欲解決的問題。
因此，本新型的一個目的是提供一種具有雜散光導離結構的TOF光學感測模組，藉由適當地設計雜散光導離結構，可以有效降低干擾。
為達上述目的，本新型提供一種TOF光學感測模組，供設置於一保護蓋板的下方，TOF光學感測模組至少包含：一基板；一帽蓋，具有一本體以及該本體連接的一接收窗、一發射窗及一雜散光導離結構，其中帽蓋與基板共同定義出一腔體；以及一收發單元，設置於基板上，位於腔體中，通過發射窗發出量測光，並且通過接收窗接收感測光。雜散光導離結構位於保護蓋板與本體的一外側之間以及發射窗與接收窗之間，以阻擋雜散光通過接收窗而進入收發單元中。
利用上述TOF光學感測模組，可以有效降低光學感測模組與保護蓋板之間的雜散光對感測結果的影響，降低干擾。
為讓本新型的上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
本新型較佳是採用一種封裝製程，也可以是晶圓級封裝製程，在封裝帽蓋的本體的外側上製作雜散光導離結構，可以藉此讓帽蓋與保護蓋板之間傳導的雜散光干擾降至最低，進而提高感測像素的信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)，解決上述習知技術的問題。具體實施是利用帽蓋的本體的外側上製作雜散光導離結構，藉由一反射角度的設計來將帽蓋的本體的外側與保護蓋板之間的反射的雜散光線導引離開感測像素，如此可避免雜散光進到感測像素，降低干擾。
圖2顯示依據本新型較佳實施例的TOF光學感測模組的示意圖。如圖2所示，本實施例的TOF光學感測模組100供設置於一保護蓋板200的下方，並且至少包含一帽蓋10、一基板80及一收發單元90。帽蓋10具有一本體16以及與本體16連接的一接收窗12、一發射窗14及一雜散光導離結構50。帽蓋10與基板80之間共同定義出一腔體11，本體16具有界定腔體11的一內側及位於腔體11外部的一外側13。設置於基板80上及位於腔體11中的收發單元90通過發射窗14發出量測光L1，並且通過接收窗12接收感測光L3。雜散光導離結構50位於保護蓋板200與本體16的外側13之間以及發射窗14與接收窗12之間，用於導引雜散光L4及/或L5遠離接收窗12，以阻擋雜散光L4及/或L5通過接收窗12進入收發單元90進而干擾了感測結果，其中雜散光L4來自腔體11內的發光單元20，而雜散光L5來自外界環境。可以理解的，雖然圖2的雜散光L5在被雜散光導離結構50的第一面51反射時仍朝向靠近接收窗12的方向行進，但是由於第一面51具有傾斜角度，使得雜散光L5後續被第一面51反射後，終究會朝向遠離接收窗12的方向行進。可以理解的是，雜散光L4也是具有類似雜散光L5的上述反射情形。
於本實施例中，接收窗12與發射窗14為透光區，可以讓所欲量測的光線穿透。接收窗12與發射窗14是貫穿不透光的倒U形結構的本體16。在另一實施例中，帽蓋10之本體16可更具有一分隔結構17，分隔結構17位於雜散光導離結構50的下方，並與一感測晶片45接觸而將腔體11分隔成兩個光學隔絕的子腔體11A與11B，避免不同腔體的雜散光互相干擾。於一例子中，腔體11為一透光模料所製造的實心體，本體16為一不透光的材料所製造，例如不透光模料或金屬等等，並覆蓋於透光模料的腔體11上，僅露出對應於接收窗12及發射窗14部分的透光模料。於另一例子中，腔體11為一空氣(可以包含高於或低於一大氣壓)。可以理解的，在此實施例中，帽蓋10可以事先製成並黏貼於基板80上，例如，部分或全部藉由射出成型的方法，直接形成在基板80上。接收窗12及發射窗14可以是穿透的中空開口或者具有特殊光學功能的光學器件，例如特定波長的光學濾波器等等，或者具有例如散光或聚光功能的鏡頭或繞射元件等等，抑或多個光學功能的結合，例如前兩者等等。
於本實施例中，收發單元90包含一發光單元20、一光參考區30及一光感測區40。保護蓋板200在此可以是玻璃蓋板，但當然不限於此，其也可以例如是顯示器、觸控面板等等或上述可能的元件的組合。光參考區30於感測晶片45的位置與光感測區40不同(抑或者光參考區30與光感測區40可以位於不同晶片上)，其中光參考區30靠近發光單元20，而光感測區40較遠離發光單元20。
感測晶片45的材料可以包含半導體材料，半導體材料例如矽、鍺、氮化鎵、碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦、銻化銦、矽鍺合金、磷砷鎵合金、砷鋁銦合金、砷鋁鎵合金、砷銦鎵合金、磷銦鎵合金、磷砷銦鎵合金或上述材料的組合。感測晶片45可以更包括一個或多個電氣元件(如積體電路)。積體電路可以是類比或數位電路，類比或數位電路可以被實現爲在晶片內形成並且根據晶片的電氣設計與功能而達成電連接的主動元件、被動元件、導電層和介電層等等。感測晶片45可以通過打線或導電凸塊電連接至TOF光學感測模組100的基板80，進而電連接至外部以及發光單元20，藉此控制發光單元20及光參考區30與光感測區40的操作，並提供信號處理的功能。
光參考區30及光感測區40分別包含一個或多個參考像素以及一個或多個感測像素，排列成單點、一維或二維陣列。參考像素與感測像素都是用來接收所要感測的光線，參考/感測像素的一部分為光敏結構，例如光電二極體，雪崩二極體(Avalanche Photo Diode, APD)等等，在本實施例其為SPAD，參考/感測像素的其他部分為感測電路，用於處理來自於光敏結構的電信號。感測晶片45的製造可以是使用例如互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)製程，例如採用前面照度(Front Side Illumination, FSI)或背面照度(Back Side Illumination, BSI)製程，抑或者其他的半導體製程，本創作並不以此為限。基板80包括一個或多個絕緣層和導電層，例如是印刷電路板或陶瓷基板等等。
發光單元20設置於基板80上，並對應地位於發射窗14的下方，並發出量測光L1。量測光L1通過發射窗14經過一段距離後照射在一目標物F，而被目標物F反射，使目標物F輸出感測光L3，其中目標物F包含生物體及非生物體。部分的感測光L3會通過接收窗12而被感測晶片45的光感測區40接收並轉換成電信號。光感測區40設置於接收窗12的下方，用於通過接收窗12接收感測光L3以產生一感測電信號。然而光感測區40接收到的信號必須要參照一基準點才能計算出目標物F的距離，由飛行時間(time of flight)公式，可以得到2L=C△t，其中L為光學感測模組100到目標物F的距離，C為光速，△t為光跑的時間(在此定義為從發射到接收的時間)。因此除了要得到光感測區40接收到感測光L3的時間點以外，也要透過光參考區30得到量測光L1發射時的時間起始點。
光參考區30設置於帽蓋10的下方，用於接收參考光L2以產生一參考電信號。於本實施例中，光參考區30設置於帽蓋10的本體16的一不透光區(位於接收窗12與發射窗14之間)的下方。藉由接收到參考電信號與感測電信號的時間差，即可獲得目標物F與TOF光學感測模組100的距離信息。
於一例子中，發光單元20被配置成以特定頻率或頻率範圍發射輻射，例如發射紅外(IR)線。於數個例子中，發光單元20為VCSEL或發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)(例如紅外線LED)。發光單元20可以通過黏著材料被固定至基板80的上表面，並且可以通過例如打線或導電凸塊而電連接至基板80。
另外，發光單元20所發出的量測光L1有一部分被保護蓋板200反射產生雜散光L4。為了避免雜散光L4被光感測區40感測到而影響感測光L3的實際感測結果，本實施例的作法是將雜散光導離結構50設置於保護蓋板200與外側13之間以及發射窗14與接收窗12之間。雜散光導離結構50的角度設計可以導引雜散光L4遠離接收窗12，以阻擋雜散光L4通過接收窗12進入光感測區40中。阻擋的方式包含但不限於以下方式：(a)將雜散光L4往遠離接收窗12的方向反射；以及(b)將雜散光L4往可穿透保護蓋板200的方向反射。
於本例子中，雖然所繪製的感測光L3是相對於入射法線(垂直於光感測區40的感測像素)的左右兩側呈現對稱的角度範圍的光線，但是並未將本新型限制於此。於另一例子中，感測光可以是相對於入射法線的左右兩側呈現不對稱的角度範圍的光線。於又另一例子中，感測光的角度範圍僅位於入射法線的右或左側。
於本實施例中，雜散光導離結構50為一楔形結構，楔形結構從接收窗12到發射窗14呈現厚度降低的走勢。若以圖2的剖面圖來看，雜散光導離結構50具有三角形的形狀。然而，實際上的雜散光導離結構50可以是具有類似立體的山坡的結構。可以理解的，雜散光導離結構50的第一面51將雜散光L4反射遠離接收窗12。第一面51為一斜面(但是並未將本新型限制於此，因為也可以是彎曲面或者例如鋸齒狀等等)，從接收窗12到發射窗14朝下傾斜。在幾何上，第一面51的一法線51N與發射窗14的一法線14N相交以形成位於第一及第三象限I與III的銳角θ，其中0＜θ＜90□度，其中法線是對一個面來定義，法線51N與法線14N的相交處在圖2中是呈現一點P，以點P為原點定義出第一至第四象限I、II、III及IV。第一面51可以是高吸光的材料或表面被粗化以增加光吸收，以降低反射的能力。可以理解的，斜面可以是巨觀上的斜面，而在微觀上具有粗糙的結構，而可反射一部分的雜散光，並且吸收一部分的雜散光。此外，雜散光導離結構50可以更包含一第二面52，其為一斜面，連接至第一面51，並且界定出光感測區40的視野(Field Of View, FOV)的一部分。因此，亦可進一步藉由雜散光導離結構50配合接收窗12來界定出光感測區40的FOV，亦即，圖2所示的往右邊最大角度的感測光L3可以被第二面52限制住。
圖3顯示圖2的TOF光學感測模組的變化例的示意圖。如圖3所示，一樣可以定義出如圖2的銳角θ，且帽蓋10更包含一第二雜散光導離結構60，設置於保護蓋板200與本體16的外側13之間，使接收窗12位於第二雜散光導離結構60與雜散光導離結構50之間。利用第二雜散光導離結構60的第一面61，可以將雜散光L5導引離開接收窗12。利用第二雜散光導離結構60的第二面62及雜散光導離結構50的第二面52，可以完整定義出光感測區40的FOV。
此外，帽蓋10可以更包含一第三雜散光導離結構70，設置於保護蓋板200與本體16的外側13之間，使發射窗14位於第三雜散光導離結構70與雜散光導離結構50之間。利用第三雜散光導離結構70的第一面71，可以將雜散光L5導引離開發射窗14及接收窗12。利用第三雜散光導離結構70的第二面72可以定義出發光單元20的部分發射角度範圍。
圖4顯示雜散光導離結構與帽蓋的組合的變化例的示意圖。如圖4所示，帽蓋10的不透光的本體16與雜散光導離結構50是由相同材料形成一體成型的結構。因此，可以設計好封裝用模具後，使用封裝用材料模塑成型整個一體結構，製造上相當方便。
值得注意的是，上述所有實施例，都可以適當的交互組合、替換或修改，以提供各式各樣的組合效果。上述的TOF光學感測模組可應用於各種電子設備，電子設備可以是行動電話、平板電腦、相機及/或可以裝設於衣服、鞋子、手錶、眼鏡或是其他任意可穿戴結構中的可穿戴計算裝置。在某些實施例中，TOF光學感測模組或電子設備本身可以位於如輪船和汽車的交通工具、機器人或者任何其他可移動結構或機器中。
利用上述TOF光學感測模組，可以有效降低光學感測模組的腔體內的量測光所衍生的雜散光在光學感測模組與保護蓋板之間連續反射進入腔體內而影響感測結果，故可有效降低干擾。
在較佳實施例的詳細說明中所提出的具體實施例僅用以方便說明本新型的技術內容，而非將本新型狹義地限制於上述實施例，在不超出本新型的精神及申請專利範圍的情況下，所做的種種變化實施，皆屬於本新型的範圍。
F:目標物 I, II, III, IV:象限 L1:量測光 L2:參考光 L3:感測光 L4:雜散光 L5:雜散光 P:點 θ:銳角 10:帽蓋 11:腔體 11A, 11B:子腔體 12:接收窗 13:外側 14:發射窗 14N:法線 16:本體 17:分隔結構 20:發光單元 30:光參考區 40:光感測區 45:感測晶片 50:雜散光導離結構 51:第一面 51N:法線 52:第二面 60:第二雜散光導離結構 61:第一面 62:第二面 70:第三雜散光導離結構 71:第一面 72:第二面 80:基板 90:收發單元 100:TOF光學感測模組 200:保護蓋板 300:TOF光學感測模組 310:帽蓋 312:接收窗 314:發射窗 315:腔室 320:發光單元 330:感測器晶片 331:第一像素 341:第二像素 350:基板 400:保護蓋板
［圖1］顯示一種傳統的TOF光學感測模組的示意圖。 ［圖2］顯示依據本新型較佳實施例的TOF光學感測模組的示意圖。 ［圖3］顯示［圖2］的TOF光學感測模組的變化例的示意圖。 ［圖4］顯示雜散光導離結構與帽蓋的組合的變化例的示意圖。
F:目標物
I,II,III,IV:象限
L1:量測光
L2:參考光
L3:感測光
L4:雜散光
L5:雜散光
P:點
θ:銳角
10:帽蓋
11:腔體
11A,11B:子腔體
12:接收窗
13:外側
14:發射窗
14N:法線
16:本體
17:分隔結構
20:發光單元
30:光參考區
40:光感測區
45:感測晶片
50:雜散光導離結構
51:第一面
51N:法線
52:第二面
80:基板
90:收發單元
100:TOF光學感測模組
200:保護蓋板

Claims (14)

  1. 一種TOF光學感測模組，供設置於一保護蓋板的下方，該TOF光學感測模組至少包含： 一基板； 一帽蓋，具有一本體以及與該本體連接的一接收窗、一發射窗及一雜散光導離結構，其中該帽蓋與該基板共同定義出一腔體；以及 一收發單元，設置於該基板上，位於該腔體中，通過該發射窗發出量測光，並且通過該接收窗接收感測光，其中該雜散光導離結構位於該保護蓋板與該本體的一外側之間以及該發射窗與該接收窗之間，以阻擋雜散光通過該接收窗而進入該收發單元中。
  2. 如請求項1所述的TOF光學感測模組，其中該收發單元包含： 一發光單元，設置於該發射窗的下方，並發出該量測光，該量測光通過該發射窗照射一目標物，使該目標物輸出該感測光，其中該量測光被該保護蓋板反射產生該雜散光；以及 一光感測區，設置於該接收窗的下方，用於通過該接收窗接收該感測光以產生一感測電信號，其中該雜散光導離結構阻擋該雜散光通過該接收窗進入該光感測區中。
  3. 如請求項2所述的TOF光學感測模組，其中該量測光在該帽蓋內反射產生參考光，且該收發單元更包含： 一光參考區，設置於該帽蓋的下方，用於接收該參考光以產生一參考電信號。
  4. 如請求項1所述的TOF光學感測模組，其中該雜散光導離結構包含：一第一面，將該雜散光反射遠離該接收窗。
  5. 如請求項4所述的TOF光學感測模組，其中該第一面為一斜面，從該接收窗到該發射窗朝下傾斜。
  6. 如請求項4所述的TOF光學感測模組，其中該第一面的一法線與該發射窗的一法線相交以形成位於一第一象限與一第三象限的銳角θ，其中0＜θ＜90度。
  7. 如請求項4至6項中的任一項所述的TOF光學感測模組，其中該雜散光導離結構更包含：一第二面，連接至該第一面，該第二面界定出該收發單元的一光感測區的視野的一部分。
  8. 如請求項7所述的TOF光學感測模組，其中該第二面為一斜面。
  9. 如請求項1所述的TOF光學感測模組，其中該雜散光導離結構為一楔形結構，該楔形結構從該接收窗到該發射窗呈現厚度降低的走勢。
  10. 如請求項1所述的TOF光學感測模組，其中該帽蓋更包含一第二雜散光導離結構，設置於該外側，並且位於該保護蓋板與該外側之間，使該接收窗位於該第二雜散光導離結構與該雜散光導離結構之間，該第二雜散光導離結構將該雜散光導引離開該接收窗。
  11. 如請求項1或10所述的TOF光學感測模組，其中該帽蓋更包含一第三雜散光導離結構，設置於該外側，並且位於該保護蓋板與該外側之間，使該發射窗位於該第三雜散光導離結構與該雜散光導離結構之間，該第三雜散光導離結構將該雜散光導引離開該發射窗及該接收窗。
  12. 如請求項1所述的TOF光學感測模組，其中該本體與該雜散光導離結構是由相同材料形成一體成型的結構。
  13. 如請求項1所述的TOF光學感測模組，其中該本體更具有一分隔結構，將該腔體分隔成兩個子腔體，用於將該兩個子腔體作光學隔絕。
  14. 如請求項13所述的TOF光學感測模組，其中該分隔結構位於該雜散光導離結構的正下方。
TW110203761U 2020-09-14 2021-04-08 具有雜散光導離結構的tof光學感測模組 TWM613370U (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TWI800005B (zh) * 2021-09-13 2023-04-21 大陸商訊芯電子科技(中山)有限公司 光學感測器

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