CN119716874A - 一种挡板叶片型ToF光学感测模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种挡板叶片型ToF光学感测模块，属于光学感测技术领域，包含：基板、盖帽和收发单元。盖帽包括发射窗、接收窗和至少一个凸出叶片。盖帽的本体与基板之间形成腔体，本体具有面向基板和腔体的下表面，凸出叶片自下表面朝向腔体内凸出，挡板置于基板上，处于发光单元与像素基板之间。收发单元位于腔体中，凸出叶片位于下表面与基板之间，配合收发单元将腔体分隔成与发射窗和接收窗分别对应的发射腔体和接收腔体。收发单元用于在发射腔体内发射测量光，并在接收腔体内通过接收窗接收感测光。凸出叶片和挡板位于发射腔体内，对测量光进行反射或吸收。本发明挡板叶片型ToF光学感测模块与现有技术相比，封装可靠性更高，距离测量得更加精准。

Description

一种挡板叶片型ToF光学感测模块

技术领域

本发明属于光学感测技术领域，尤其涉及一种挡板叶片型ToF光学感测模块。

背景技术

现今的智能电话、平板电脑或其他手持装置搭配有光学模块，来达成手势检测、三维3D)成像或接近检测或者相机对焦等功能。操作时，ToF感测器向场景中发射近红外光，利用光的飞行时间信息，测量场景中物体的距离。ToF感测器的优点是深度信息计算量小，抗干扰性强，测量范围远，因此已经渐渐受到青睐。

ToF感测器的核心组件包含：光源，特别是红外线垂直共振腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)；光感测器，特别是单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)；以及时间至数字转换器(Time to DigitalConverter,TDC)。SPAD是一种具有单光子探测能力的光电探测雪崩二极管﹐只要有微弱的光信号就能产生电流。ToF感测器中的VCSEL向场景发射红外脉冲光，SPAD接收从目标物体反射回来的红外脉冲光，TDC记录发射光和接收光之间的时间间隔(即飞行时间)，利用飞行时间计算待测物体的距离。因此，发射光和接收光之间的时间间隔的准确确定直接关系到该距离的准确性，换而言之，需要准确确定VCSEL发射红外脉冲光的时间、以及SPAD接收从目标物体反射的红外脉冲光的时间。

传统的ToF光学感测模块，为解决VCSEL发射的部分红外脉冲光直接从ToF光学感测模块的内部被SPAD提前接收导致结果不准确的问题，直接在芯片上增加隔断结构，会使芯片产生应力变形，信号接收区产生误差，降低产品使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种挡板叶片型ToF光学感测模块，其特征在于，包括基板、罩设于基板上表面的盖帽、设于基板上表面的挡板和收发单元，基板和盖帽之间形成腔体；

盖帽内底面朝向基板延伸有凸出叶片，腔体被凸出叶片分为发射腔体和接受腔体，并通过凸出叶片反射或吸收发射腔体内的测量光，盖帽与发射腔体和接收腔体处分别设有发射窗和接收窗；

收发单元包括发光单元和感测像素，发光单元设于发射腔体内，且位于发射窗正下方，用于发射测量光，感测像素设于接收腔体内，且位于接收窗正下方，用于接收目标物反射的测量光；

挡板防止外来光线影响感测像素，并配合凸出叶片引导感测光的传播，设于发射腔体内部，且位于发光单元和凸出叶片之间，用于反射或吸收发射腔体内的测量光。

进一步地，基板上表面还设有像素基板，像素基板位于接收腔体内，且伸入发射腔体内部；

收发单元还包括参考像素，感测像素和参考像素皆设于像素基板上表面，参考像素位于凸出叶片的下方，用于接收挡板和凸出叶片反射的测量光。

进一步地，凸出叶片与像素基板之间留存有间隙。

进一步地，凸出叶片的数量为至少一个，当凸出叶片的数量为多个时，多个凸出叶片以腔体的长度方向间隔设置，且凸出叶片越靠近接收窗，其高度越高，斜面与高度面之间的夹角越大。

进一步地，设定凸出叶片和挡板分别与靠近接收窗和发射窗的边缘处为起点设定初始位置，则：

且/或，每个凸出叶片的斜面与高度面之间的夹角以及挡板的斜面与底面的夹角至少为15°；

且/或，相邻两个凸出叶片之间的距离至少为0.3mm；

且/或，凸出叶片与挡板的高度至少为0.2mm。

进一步地，至少一个凸出叶片的至少一个表面涂覆有用于吸收测量光的镀膜层。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

1、本发明通过发射腔体内的凸出叶片增加了发射腔体的内表面积，从而增加了对杂散光的反射量及吸收量和/或反射及吸收次数，使穿过凸出叶片的杂散光的能量衰减至感测像素的灵敏度阈值之下，斜面叶片的设计能引导杂散光的传播，在减少接收腔体內杂散光的同时，提高参考像素接收参考光的概率。

2、基板上的挡板能够阻挡外界杂散光，减少或避免杂散光穿透凸出叶片或凸出叶片与基板之间的缝隙而进入接收腔体内，部分杂散光还能应用于提高信号测量的准确性。

3、本发明提供的挡板叶片型ToF光学感测模块与现有技术相比，减轻了内部零件受到的来着封装设计的应力变形，提高了产品使用寿命，对目标物距离的测量具有更高的准确性。

4、本发明通过对发射腔体内的凸出叶片和挡板的斜面角度进行调节还能改变到达参考像素的杂散光，避免传统ToF光学感测模块参考像素接收到的光能量过高而需额外处理的问题。

附图说明

图1为本发明设置两个凸出结构的挡板叶片型ToF光学感测模块的结构示意图。

图2为本发明设置两个凸出结构的挡板叶片型ToF光学感测模块的剖面结构示意图。

图3为本发明设置两个凸出结构的挡板叶片型ToF光学感测模块的光路分析示意图。

图4为本发明仅设置一个凸出结构的挡板叶片型ToF光学感测模块的结构示意图。

图5为本发明仅设置一个凸出结构的挡板叶片型ToF光学感测模块的剖面结构示意图。

图6为本发明仅设置一个凸出结构的挡板叶片型ToF光学感测模块的光路分析示意图。

其中，10、基板；

20、盖帽；21、本体；211、顶壁；212、下表面；22、发射窗；23、接收窗；24、凸出叶片；

30、挡板；

41、发光单元；42、感测像素；43、参考像素；44、像素基板；

51、发射腔体；52、接收腔体；

L1、测量光；L2、感测光；L3、杂散光；L4、参考光；F、目标物；L、长度方向；

W、宽度方向；H、高度方；α、叶片角度；β、叶片高度；γ、叶片间距；δ、叶片初始位置；a、挡板角度；b、挡板高度；c、挡板初始位置。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明一种挡板叶片型ToF光学感测模块进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1-3所示，本公开一实施例的挡板叶片型ToF光学感测模块包括基板10、盖帽20、挡板30和收发单元。

基板10可以包括一个或多个绝缘层和导电层，例如是印刷电路板或陶瓷基板等。

盖帽20包括不透光的本体21以及与本体21连接的发射窗22、接收窗23以及至少一个凸出叶片24。本体21与基板10共同定义出一腔体，示例性地，本体21大致呈倒U形结构而罩在基板10上以形成该腔体。本体21具有顶壁21l，顶壁211具有面向基板10和腔体的下表面212。可以理解，该下表面212位于腔体内，且与基板10相对。凸出叶片24自下表面212朝向腔体内凸出，或者说，凸出叶片24自下表面212朝基板10凸出。

挡板30为三角形结构，斜面面朝发射窗，放置于像素基板和发光单元之间，处于发射腔体51之中。

收发单元位于腔体中，设置于基板10上。凸出叶片24位于下表面212与基板10之间，以配合收发单元将腔体分隔成与发射窗22和接收窗23分别对应的发射腔体51和接收腔体52。全部凸出叶片24均位于发射腔体51内。可选地，凸出叶片24和本体21为一体式结构或分体式结构。

收发单元用于在发射腔体51内发射测量光L1。由于发射的测量光Ll具有一定的发散角度，其中一部分测量光Ll穿过发射窗22照射在位于帽盖20上方的一目标物F上，在被目标物F反射后作为感测光L2穿过接收窗23被收发单元在接收腔体52内接收。另一部分测量光L1(后文将该部分测量光L1称为杂散光L3)则不能穿过发射窗22，而是在发射腔体51内被反射。本实施例通过在发射腔体51内设置凸出叶片24和挡板30，增强发射腔体51对杂散光L3的反射及/或吸收，从而减少或避免杂散光L3进入接收腔体52内。具体是，凸出叶片24和挡板30增加了发射腔体51的内表面积，从而增加了对杂散光L3的反射量及吸收量和/或反射次数及吸收次数，使杂散光L3的能量衰减，并精确地传递参考光L4至参考像素43上，挡板30同时避免了外界杂散光穿过凸出叶片24与基板10之间的缝隙进入接收腔体52的可能。因此，本实施例与传统的ToF光学感测模块相比，减轻了内部零件受到的来着封装设计的应力变形，提高了产品使用寿命，对目标物距离的测量具有更高的准确性。

如图2所示，腔体限定彼此垂直的长度方向L、宽度方向W和高度方向H，以靠近接收窗边缘的凸出叶片24为界，将腔体在长度方向L上分隔为发射腔体51和接收腔体52。在长度方向L上，凸出结构24分布在发射窗22的长度范围内。在宽度方向W上，各凸出叶片24在腔体的整个宽度区域或部分宽度区域内延伸，在前者的情况下，凸出叶片24在该宽度方向W上的尺寸等于腔体的宽度。在高度方向H上，各凸出叶片24与基板10之间存在有间隙，且未接触收发单元的上表面。

如图4-6所示，盖帽20包括在长度方向L上间隔排布的至少两个凸出叶片24，以进一步增大腔体的内表面积，特别是发射腔体51的内表面积，增加对杂散光L3的反射量及吸收量和/或反射次数及吸收次数，从而进一步提高对目标物F距离的测量准确性。

如图3和6所示，可选地，各凸出叶片24以接收窗23右边缘为起点设置叶片初始位置δ，叶片角度α(凸出叶片24的斜面与高度面之间的夹角)为垂直方向，至少15°，该角度过小则无法使杂散光集中，过大则无法使杂散光进入指定位置。挡板30以发射窗22左边缘为起点设置挡板初始位置c，挡板角度a(挡板30的斜面与底面的夹角)为水平方向，至少15°，该角度过小则无法遮挡来自外界的杂散光，过大则会阻碍参考像素接收杂散光。

如图3所示，可选地，相邻两个凸出叶片24在长度方向L上的叶片间距γ不小于0.3mm。该叶片间距γ为杂散光L3提供了传输空间，若该叶片间距γ过小，则不利于杂散光L3传输，导致杂散光L3被反射的次数减小。若该叶片间距γ过大，则无法引导杂散光的传播。因此在实际设计中，可以根据发射腔体51的具体尺寸，在上述数值范围内合理选择适合的叶片角度α和叶片间距γ。可选地，相邻两个凸出叶片24的叶片间距γ可以相同，也可以不同。

如图3和6所示，可选地，各凸出叶片24的叶片高度β和挡板30的挡板高度b不小于0.2mm，其中凸出叶片24的叶片高度β不与收发单元的上表面水平高度相接触，该高度越高对杂散光的遮挡效果越好。可选地，各凸出叶片24的高度可以相同，也可以不同。

如图2和4所示，各凸出叶片24的个数和形状可以相同，也可以不同。凸出叶片24的个数应保持至少一个以上，盖帽20允许的大小范围之内。对于单个凸出叶片24而言，其形状可以是规则或不规则的形状，示例性地，其纵截面的形状可以是圆形、矩形、三角形、倒梯形、正梯形、平行四边形、上部为矩形且下部为半圆形或椭圆形、波浪形、阶梯形中的任意一种。各凸出叶片24可以沿竖直方向延伸，也可以沿相对于竖直方向倾斜的倾斜方向延伸，在后者的情况下，各凸出叶片4的倾斜方向及倾斜角度可以相同，也可以不同。

本实施例中，各凸出叶片24的单个表面(例如某一侧面或底面)可以是平滑的表面，也可以是凹凸不平的表面，后者具有更大的表面积，从而更有利于增加对杂散光L3的反射量及吸收量和/或反射次数及吸收次数。

可选地，挡板30和至少一个凸出叶片24的至少一个表面设有用于吸收杂散光L3的镀膜层，以减少或避免杂散光L3进入接收腔体52内。可以根据发光单元41所发射的光波，选择容易吸收该光波(例如红外光)的材质作为镀膜层的材质，以增加对该光波的吸收率。当发光单元41发射的光波为红外光时，镀膜层可以是红外光吸收涂层，镀膜层的材质可以是可吸收红外光的有机色材，例如红外光吸收剂。

收发单元包括发光单元41，感测像素42、参考像素43和像素基板44。

像素基板44设置在基板10的上表面，其大部分位于接收腔体52内，小部分伸入发射腔体51内部。

如图3所示，参考像素43设于发射腔体51内，且位于凸出叶片24下方，用于接收参考光L4。

感测像素42设于接收腔体52内，且位于接收窗23下方，在用于接收感测光L2。

如图3所示，发光单元41设于发射腔体51内，且位于发射窗22下方。发光单元41用于发射测量光Ll。测量光Ll的一部分通过发射窗22照射在位于盖帽20上方的一目标物F上，并被目标物F反射后作为感测光L2通过接收窗23被感测像素42接收，测量光Ll的另一部分(即杂散光L3)在发射腔体51内被凸出叶片24反射及/或吸收后，至少有一部分作为参考光L4被参考像素43接收，可以理解，被参考像素33接收的参考光L4明显少于杂散光L3，这有助于减少到达参考像素33的测量光Ll，从而避免传统ToF光学感测模块的参考像素接收到的测量光能量过高而需额外处理以降低接收到的光能的问题。

现结合本实施例中收发单元的结构，介绍ToF光学感测模块的测距原理。

ToF光学感测模块测距所基于的数学公式为2L＝CΔt，其中L为光学感测模块到目标物F的距离,C为光速,Δt为光的飞行时间(在此定义为从发射到接收的时间)，因此需要分别确定发射时间点和接收时间点。接收时间点以感测像素42接收到感测光L2后产生感测电信号为依据确定，而发射时间点则可以参考像素43在发射腔体51内接收到测量光Ll后产生参考电信号为依据确定。如前面提到的，发光单元41具有一定的发散角度，因此，发光单元41发出的另一部分测量光L1会在发射腔体51内被反射，由于该部分测量光L1在腔体内部反射的走距相较于目标物F的检测距离(2L)是可以被忽略的，因此可以将参考像素43接收到这部分测量光Ll(即参考光L4)的时间点为发射时间点。

在另一些实施例中,也可以依据发光单元41被控制发光的时间点作为发射时间点，或者该被控制发光的时间点加上一个预定的延迟时间作为发射时间点。

在一些实施例中，发光单元41被配置成以特定频率或频率范围发射辐射，例如发射红外(Infrared,IR)线。发光单元41可以为VCSEL或发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)，例如为红外线LED。发光单元41可以通过粘着材料被固定至基板10的上表面,并且可以通过例如打线或导电凸块而电连接至基板10。

在一些实施例中,如图1、图2、图3所示，收发单元和挡板30可以固定于基板10上，以凸出叶片24为界限将腔体分隔成发射腔体51和接收腔体52。凸出叶片24的底端与像素基板44的上表面之间具有间隙。感测像素42和参考像素43形成于像素基板44中。

上述像素的一部分为光敏结构，例如光电二极管、雪崩二极管(Avalanche PhotoDiode,APD)等，在本实施例其为SPAD，像素的其他部分为感测电路，用于处理来自于光敏结构的电信号。像素基板44的材料可以包含半导体材料，半导体材料例如为硅、锗、氮化听、碳化硅、砷化家﹑磷化家、磷化锢、砷化锢、锑化锢、硅锗合金、磷砷家合金、砷铝锢合金、砷铝家合金、砷锢家合金、磷锢家合金、磷砷锢家合金或上述材料的组合。像素基板44上可以还包括一个或多个电气元件(如集成电路)。集成电路可以是类比或数字电路，类比或数字电路可以被实现为在芯片内形成并且根据芯片的电气设计与功能而达成电连接的主动元件、被动元件、导电层和介电层等。像素基板44可以通过打线或导电凸块电连接至基板10，进而电连接至外部以及发光单元41，借此可以由芯片控制发光单元41、感测像素42与参考像素43的操作，并提供信号处理的功能。

在一些实施例中，腔体可以是一透明模料所制造的实心体，本体21为一不透明的材料所制造，例如不透明模料或金属等等，并覆盖于该透明模料的腔体上，仅露出对应于接收窗23及发射窗22的那部分透明模料。

在另一些实施例中，腔体可以是空气(可以包含高于或低于一大气压)。可以理解的，在此实施例中，盖帽20可以预先制成并粘贴于基板10上，例如，部分或全部通过射出成型的方法，直接形成在基板10上。接收窗23及发射窗22可以是穿透本体21的顶壁211的中空开口，或者具有特殊光学功能的光学器件，例如特定波长的光学滤波器等，或者具有例如散光或聚光功能的镜头或绕射元件等，抑或多个光学功能的结合，例如前两者等。比如，发射窗22为散光的透镜，以增大测量光Ll对目标物F的照射范围；接收窗23为聚光的透镜，以将感测光L2聚焦于感测像素42。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种挡板叶片型ToF光学感测模块，其特征在于，包括基板、罩设于基板上表面的盖帽、设于基板上表面的挡板和收发单元，所述基板和盖帽之间形成腔体；

所述盖帽内底面朝向基板延伸有凸出叶片，所述腔体被凸出叶片分为发射腔体和接受腔体，并通过凸出叶片反射或吸收发射腔体内的测量光，所述盖帽与所述发射腔体和所述接收腔体处分别设有发射窗和接收窗；

所述收发单元包括发光单元和感测像素，所述发光单元设于所述发射腔体内，且位于发射窗正下方，用于发射测量光，所述感测像素设于所述接收腔体内，且位于接收窗正下方，用于接收目标物反射的测量光；

所述挡板设于发射腔体内部，且位于发光单元和凸出叶片之间，用于反射或吸收发射腔体内的测量光。

2.根据权利要求1所述的挡板叶片型ToF光学感测模块，其特征在于，所述基板上表面还设有像素基板，所述像素基板位于接收腔体内，且伸入所述发射腔体内部；

所述收发单元还包括参考像素，所述感测像素和参考像素皆设于像素基板上表面，所述参考像素位于凸出叶片的下方，用于接收挡板和凸出叶片反射的测量光。

3.根据权利要求2所述的挡板叶片型ToF光学感测模块，其特征在于，所述凸出叶片的底端与像素基板之间留存有间隙。

4.根据权利要求2所述的挡板叶片型ToF光学感测模块，其特征在于，所述凸出叶片的数量为至少一个，当所述凸出叶片的数量为多个时，多个凸出叶片以腔体的长度方向间隔设置，且凸出叶片越靠近接收窗，其高度越高，斜面与高度面之间的夹角越大。

5.根据权利要求4所述的挡板叶片型ToF光学感测模块，其特征在于，设定凸出叶片和挡板分别与距离接收窗和发射窗的边缘处为起点设定初始位置，则，每个所述凸出叶片的斜面与高度面之间的夹角以及所述挡板的斜面与底面的夹角至少为15°、相邻两个所述凸出叶片之间的距离至少为0.3mm、所述凸出叶片与挡板的高度至少为0.2mm。

6.根据权利要求4所述的挡板叶片型ToF光学感测模块，其特征在于，至少一个凸出叶片的至少一个表面涂覆有用于吸收测量光的镀膜层。