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TWI848491B - Tof光學感測模組 - Google Patents

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TWI848491B
TWI848491B TW111150469A TW111150469A TWI848491B TW I848491 B TWI848491 B TW I848491B TW 111150469 A TW111150469 A TW 111150469A TW 111150469 A TW111150469 A TW 111150469A TW I848491 B TWI848491 B TW I848491B
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林子聖
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神盾股份有限公司
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Abstract

一種TOF光學感測模組包括基板、帽蓋和收發單元。帽蓋包括本體、及與本體連接的發射窗、接收窗、隔板結構和凸出結構。本體與基板定義出一腔體，本體具有面向基板和腔體的下表面，凸出結構自下表面朝向腔體內凸出。收發單元位於腔體中，隔板結構位於下表面與基板之間，以配合收發單元將腔體分隔成與發射窗和接收窗分別對應的發射腔體和接收腔體，收發單元在發射腔體內發射測量光，並在接收腔體內通過接收窗接收感測光，全部凸出結構位於發射腔體內，以對在發射腔體內朝接收腔體行進的測量光進行反射及/或吸收，可更準確測量目標物距離。

Description

TOF光學感測模組
本發明是有關於一種飛行時間（Time Of Flight, 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，來達成手勢檢測、三維(3D)成像或近接檢測或者相機對焦等功能。操作時，TOF感測器向場景中發射近紅外光，利用光的飛行時間信息，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，抗干擾性强，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發射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)；光感測器，特別是單光子雪崩二極管(Single Photon Avalanche Diode, SPAD)；以及時間至數位轉換器(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管，只要有微弱的光信號就能産生電流。TOF感測器中的VCSEL向場景發射紅外脈衝光，SPAD接收從目標物體反射回來的紅外脈衝光，TDC記錄發射光和接收光之間的時間間隔（即飛行時間），利用飛行時間計算待測物體的距離。因此，發射光和接收光之間的時間間隔的準確確定直接關係到該距離的準確性，換而言之，需要準確確定VCSEL發射紅外脈衝光的時間、以及SPAD接收從目標物體反射的紅外脈衝光的時間。
然而，使用傳統的TOF光學感測模組，VCSEL發射的一部分紅外脈衝光直接從TOF光學感測模組的內部被SPAD接收，並且該部分紅外脈衝光被SPAD接收的時間比另一部分紅外脈衝光經待測物體反射後被SPAD接收的時間更早，因而前一個時間將被錯誤地用於計算待測物體的距離，導致結果不準確。
本發明提供一種TOF光學感測模組，以解决傳統TOF光學感測模組難以準確確定待測物體距離的問題。
本發明實施例提供一種TOF光學感測模組，包括基板、帽蓋，以及收發單元。帽蓋包括本體、以及與所述本體連接的發射窗、接收窗、隔板結構和至少一個凸出結構，其中，所述本體與所述基板共同定義出一腔體，所述本體具有面向所述基板和所述腔體的下表面，所述凸出結構自所述下表面朝向所述腔體內凸出；收發單元位於所述腔體中，所述隔板結構位於所述下表面與所述基板之間，以配合所述收發單元將所述腔體分隔成與所述發射窗和所述接收窗分別對應的發射腔體和接收腔體，所述收發單元用於在所述發射腔體內發射測量光，並在所述接收腔體內通過所述接收窗接收感測光，全部所述凸出結構位於所述發射腔體內，以對在所述發射腔體內朝所述接收腔體行進的測量光進行反射及/或吸收。
本發明的TOF光學感測模組中，發射腔體內的凸出結構增加了發射腔體的內表面積，從而增加了對雜散光的反射量及吸收量和/或反射及吸收次數，使雜散光的能量衰减，從而减少或避免雜散光穿透隔板結構或隔板結構與基板之間的縫隙而進入接收腔體內。因此，本發明的TOF光學感測模組與現有技術相比，對目標物距離的測量準確性更高。
此外，發射腔體內的凸出結構還能减少到達參考像素的測量光，從而避免傳統TOF光學感測模組的參考像素接收到的測量光能量過高而需額外處理以降低接收到的光能的問題。
爲了使本技術領域的人員更好地理解本說明書中的技術方案，下面將結合本說明書實施例中的附圖，對本說明書實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本說明書一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本說明書中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本說明書保護的範圍。
圖1和圖2顯示依據本發明一實施例的TOF光學感測模組的示意圖。如圖1、圖2所示，本發明一實施例的TOF光學感測模組包括基板10、帽蓋20和收發單元30。
基板10可以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。
如圖1、圖2所示，帽蓋20包括不透光的本體21以及與本體21連接的發射窗22、接收窗23、隔板結構24以及至少一個凸出結構25。本體21與基板10共同定義出一腔體40，示例性地，本體21大致呈倒U形結構而罩在基板10上以形成該腔體40。本體21具有頂壁211，頂壁211具有面向基板10和腔體40的下表面212，可以理解，該下表面212位於腔體40內，且與基板10相對。凸出結構25自下表面212朝向腔體40內凸出，或者說，凸出結構25自下表面212朝基板10凸出。
如圖1、圖2所示，收發單元30位於腔體40中，例如可以設置於基板10上。隔板結構24位於下表面212與基板10之間，以配合收發單元30將腔體40分隔成與發射窗22和接收窗23分別對應的發射腔體41和接收腔體42。可以理解，隔板結構24位於發射窗22與接收窗23之間。隔板結構24可以固定於本體21的下表面212。可選地，隔板結構24和本體21爲一體式結構或分體式結構。隔板結構24可配合收發單元30將腔體40分隔成局部互通或完全不相連通的發射腔體41和接收腔體42。全部凸出結構25均位於發射腔體41內，或者說，全部凸出結構25位於隔板結構24與發射窗22之間。可選地，凸出結構25和本體21爲一體式結構或分體式結構。
如圖1、圖2所示，收發單元30用於在發射腔體41內發射測量光L1。由於發射的測量光L1具有一定的發散角度，其中一部分測量光L1穿過發射窗22照射在位於帽蓋20上方的一目標物F，在被目標物F反射後作爲感測光L2穿過接收窗23被收發單元30在接收腔體42內接收，另一部分測量光L1（後文將該部分測量光L1稱爲雜散光L3）則不能穿過發射窗22，而是在發射腔體41內被反射。本實施例通過在發射腔體41內設置凸出結構25，能够增强發射腔體41對雜散光L3的反射及/或吸收，從而减少或避免雜散光L3進入接收腔體42內。具體是，凸出結構25增加了發射腔體41的內表面積，從而增加了對雜散光L3的反射量及吸收量和/或反射次數及吸收次數，使雜散光的能量衰减。因此，本實施例與傳統的TOF光學感測模組相比，能够减少或完全避免雜散光進入接收腔體42，從而提高對目標物F距離的測量準確性。
作爲一種可選的技術方案，隔板結構24配合收發單元30將腔體40分隔成局部互通的發射腔體41和接收腔體42。本方案中，儘管隔板結構24與收發單元30之間存在縫隙，凸出結構25可以减少或避免雜散光穿過該縫隙進入接收腔體42，從而提高對目標物F距離的測量準確性。
作爲另一種可選的技術方案，隔板結構24配合收發單元30將腔體40分隔成完全不相連通的發射腔體41和接收腔體42，以阻絕接收腔體42與發射腔體41的互相干擾。本方案中，由於隔板結構24與收發單元30之間不存在縫隙，可以避免雜散光穿過縫隙進入接收腔體42，而凸出結構25則可以减少或避免雜散光穿透隔板結構24進入接收腔體42，從而進一步提高對目標物F距離的測量準確性。
在一些實施例中，如圖1所示，腔體40限定彼此垂直的長度方向L、寬度方向W和高度方向H，隔板結構24將腔體40在長度方向L上分隔爲發射腔體41和接收腔體42。在長度方向L上，凸出結構25分布在發射窗22與隔板結構24之間的至少部分長度範圍內，換句話說，凸出結構25分布在發射窗22與隔板結構24之間的整個長度區域內或部分長度區域內。在寬度方向W上，各凸出結構25在腔體40的至少部分寬度範圍內延伸，換句話說，凸出結構25在腔體40的整個寬度區域或部分寬度區域內延伸，在前者的情况下，凸出結構25在該寬度方向W上的尺寸等於腔體40的寬度。在高度方向H上，各凸出結構25與收發單元30之間具有間隙，換句話說，各凸出結構25並未接觸收發單元30的上表面。
在一些實施例中，如圖1至圖4所示，帽蓋20包括在長度方向L上間隔排布的至少兩個凸出結構25，以進一步增大腔體40的內表面積，特別是發射腔體41的內表面積，增加對雜散光L3的反射量及吸收量和/或反射次數及吸收次數，從而進一步提高對目標物F距離的測量準確性。
本實施例中，如圖2所示，可選地，各凸出結構25在長度方向L上的厚度t不小於0.1mm。凸出結構25的厚度t越大，表面積也越大，對雜散光L3的反射量及吸收量越大。可選地，各凸出結構25的厚度t可以相同，也可以不同。
本實施例中，如圖2所示，可選地，相鄰兩個凸出結構25在長度方向L上的間距s不小於0.1mm。該間距s爲雜散光L3提供了傳輸空間，若該間距s過小，則不利於雜散光L3傳輸，導致雜散光L3被反射的次數减小。若該間距s過大，則無法在有限的空間內設置較多數量的凸出結構25。因此在實際設計中，可以根據發射腔體41的具體尺寸，在上述數值範圍內合理選擇適合的厚度t和間距s。可選地，相鄰兩個凸出結構25之間的間距s可以相同，也可以不同。
本實施例中，如圖2所示，可選地，各凸出結構25與收發單元30之間的間隙g不大於1mm。該間隙g越小，對雜散光L3的阻擋效果越好，因此在保證凸出結構25不影響封裝過程中在收發單元30的晶片上打線的前提下，間隙g越小越好。可選地，各凸出結構25與收發單元30之間的間隙g可以相同，也可以不同。
本實施例中，如圖3、圖4所示，各凸出結構25的形狀可以相同，也可以不同。對於單個凸出結構25而言，其形狀可以是規則或不規則的形狀，示例性地，其縱截面的形狀可以是矩形（如圖2所示）、三角形、倒梯形（如圖3所示）、正梯形、平行四邊形（如圖4所示）、上部爲矩形且下部爲半圓形或橢圓形（如圖3所示）、波浪形、階梯形中的任意一種。各凸出結構25可以沿竪直方向延伸，也可以沿相對於竪直方向傾斜的傾斜方向延伸，在後者的情况下，各凸出結構25的傾斜方向及傾斜角度可以相同，也可以不同，例如，參見圖4，至少一個凸出結構25由上至下朝靠近隔板結構24的方向傾斜，或者說朝遠離發光單元31的方向傾斜，至少另一個凸出結構25由上至下朝遠離隔板結構24的方向傾斜，或者說朝靠近發光單元31的方向傾斜。其中發光單元31設於發射窗22口下方，用於發出測量光L1，詳見後文的介紹。
本實施例中，各凸出結構25的單個表面（例如某一側面或底面）可以是平滑的表面，也可以是凹凸不平的表面，後者具有更大的表面積，從而更有利於增加對雜散光L3的反射量及吸收量和/或反射次數及吸收次數。
可選地，至少一個凸出結構25的至少一個表面設有用於吸收雜散光L3的鍍膜層，以减少或避免雜散光L3進入接收腔體42內。可以根據發光單元31所發射的光波，選擇容易吸收該光波（例如紅外光）的材質作爲鍍膜層的材質，以增加對該光波的吸收率。當發光單元31發射的光波爲紅外光時，鍍膜層可以是紅外光吸收塗層，鍍膜層的材質可以是可吸收紅外光的有機色材，例如紅外光吸收劑。
示例性地，每個凸出結構25的至少一個表面設有鍍膜層，或者，每個凸出結構25的所有暴露在發射腔體41內的表面均設有鍍膜層，以提高對雜散光L3的吸收量和/或吸收次數。
在另一些實施例中，如圖5、圖6所示，帽蓋20包括在長度方向L上連續延伸的一個凸出結構25。本實施例中，由於凸出結構25的數量爲一個，可以將其構造成在長度方向L上具有比與前一實施例的單個凸出結構25更大的尺寸，從而同樣可以達到增加表面積的效果。
本實施例中，可選地，凸出結構25的形狀可以是規則或不規則的形狀。示例性地，其縱截面的形狀可以是梯形（如圖5所示）或階梯形（如圖6所示），或者前一實施例所列舉的其它形狀。
本實施例中，凸出結構25的底面的不同部位與收發單元30之間的間隙g可能不同，可選地，凸出結構25的最低部位與收發單元30之間的間隙g不大於1mm，或者說，凸出結構25與收發單元30之間的最小間隙g不大於1mm。
本實施例中，可選地，凸出結構25的單個表面（例如某一側面或一底面）可以是平滑的表面，也可以是凹凸不平的表面，後者具有更大的表面積，從而更有利於增加對雜散光L3的反射量及吸收量和/或反射次數及吸收次數。
在一些實施例中，各凸出結構25均與隔板結構24相間隔，即凸出結構25與隔板結構24在長度方向L上間隔開。
在另一些實施例中，至少一個凸出結構25與隔板結構24相接觸。當凸出結構25的數量爲兩個以上時，最靠近隔板結構24的一個凸出結構25的側面可以與隔板結構24相貼。當凸出結構25的數量爲一個時，凸出結構25的面向隔板結構24的側面可以與隔板結構24相貼，參見圖5和圖6。
在一些實施例中，如圖2所示，收發單元30包括發光單元31、感測像素32和參考像素33。
如圖2所示，參考像素33設於發射腔體41內，且位於隔板結構24與發射窗22之間，用於接收參考光L4。
如圖2所示，感測像素32設於接收腔體42內，且位於接收窗23下方，用於接收感測光L2。
如圖2所示，發光單元31設於發射腔體41內，且位於發射窗22下方。發光單元31用於發射測量光L1。測量光L1的一部分通過發射窗22照射在位於帽蓋20上方的一目標物F，並被目標物F反射後作爲感測光L2通過接收窗23被感測像素32接收。測量光L1的另一部分（即雜散光L3）在發射腔體41內被凸出結構25反射及/或吸收後，至少有一部分作爲參考光L4被參考像素33接收，可以理解，被參考像素33接收的參考光L4明顯少於雜散光L3，這有助於减少到達參考像素33的測量光L1，從而避免傳統TOF光學感測模組的參考像素接收到的測量光能量過高而需額外處理以降低接收到的光能的問題。
在一些實施例中，至少部分凸出結構25位於參考像素33與發射窗22之間。例如，一部分凸出結構25位於參考像素33與發射窗22之間，另一部分凸出結構25位於隔板結構24與參考像素33之間。或者，全部凸出結構25位於參考像素33與發射窗22之間（如圖2所示），以最大限度减少到達參考像素33的測量光L1。
在另一些實施例中，全部凸出結構25可以位於參考像素33與隔板結構24之間。
現結合本實施例中收發單元30的結構，介紹TOF光學感測模組的測距原理。
TOF光學感測模組測距所基於的數學公式爲2L=C△t，其中L爲光學感測模組到目標物F的距離，C爲光速，△t爲光的飛行時間(在此定義爲從發射到接收的時間)，因此需要分別確定發射時間點和接收時間點。接收時間點以感測像素32接收到感測光L2後産生感測電信號爲依據確定，而發射時間點則可以以參考像素33在發射腔體41內接收到測量光L1後産生參考電信號爲依據確定。如前面提到的，發光單元31具有一定的發散角度，因此，發光單元31發出的另一部分測量光L1會在發射腔體41內被反射，由於該部分測量光L1在腔體40內部反射的走距相較於目標物F的檢測距離(2L)是可以被忽略的，因此可以將參考像素33接收到這部分測量光L1（即參考光L4）的時間點爲發射時間點。
在另一些實施例中，也可以依據發光單元31被控制發光的時間點作爲發射時間點，或者該被控制發光的時間點加上一個預定的延遲時間作爲發射時間點。
在一些實施例中，發光單元31被配置成以特定頻率或頻率範圍發射輻射，例如發射紅外(Infrared, IR)線。發光單元31可以爲VCSEL或發光二極管(Light-Emitting Diode, LED)，例如爲紅外線LED。發光單元31可以通過黏著材料被固定至基板10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10。
在一些實施例中，如圖1、圖2所示，收發單元30包括像素基板34，像素基板34可以固定於基板10上，隔板結構24與像素基板34配合將腔體40分隔成發射腔體41和接收腔體42，或者說隔板結構24的底部與像素基板34的上表面密合。凸出結構25與像素基板34的上表面之間具有間隙，或者說凸出結構25的底部並未接觸像素基板34的上表面。感測像素32和參考像素33形成於像素基板34中。
上述像素的一部分爲光敏結構，例如光電二極管、雪崩二極管(Avalanche Photo Diode, APD)等，在本實施例其爲SPAD，像素的其他部分爲感測電路，用於處理來自於光敏結構的電信號。像素基板34的材料可以包含半導體材料，半導體材料例如爲矽、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。像素基板34上可以還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。像素基板34可以通過打線或導電凸塊電連接至基板10，進而電連接至外部以及發光單元31，藉此可以由晶片控制發光單元31、感測像素32與參考像素33的操作，並提供信號處理的功能。
在一些實施例中，腔體40可以是一透明模料所製造的實心體，本體21爲一不透明的材料所製造，例如不透明模料或金屬等等，並覆蓋於該透明模料的腔體40上，僅露出對應於接收窗23及發射窗22的那部分透明模料。
在另一些實施例中，腔體40可以是空氣（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20可以預先製成並粘貼於基板10上，例如，部分或全部通過射出成型的方法，直接形成在基板10上。接收窗23及發射窗22可以是穿透本體21的頂壁211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，或者具有例如散光或聚光功能的鏡頭或繞射元件等，抑或多個光學功能的結合，例如前兩者等。比如，發射窗22爲散光的透鏡，以增大測量光L1對目標物F的照射範圍；接收窗23爲聚光的透鏡，以將感測光L2聚焦於感測像素32。
以上結合具體的實施方式對本發明進行了描述，但本領域技術人員應該清楚，這些描述都是示例性的，並不是對本發明保護範圍的限制。本領域技術人員可以根據本發明的精神和原理對本發明做出各種變型和修改，這些變型和修改也在本發明的範圍內。
10:基板 20:帽蓋 21:本體 211:頂壁 212:下表面 22:發射窗 23:接收窗 24:隔板結構 25:凸出結構 30:收發單元 31:發光單元 32:感測像素 33:參考像素 34:像素基板 40:腔體 41:發射腔體 42:接收腔體 L1:測量光 L2:感測光 L3:雜散光 L4:參考光 F:目標物 L:長度方向 W:寬度方向 H:高度方向 t:厚度 s:間距 g:間隙
所包括的附圖用來提供對本發明實施例的進一步的理解，其構成了說明書的一部分，用於例示本發明的實施方式，並與文字描述一起來闡述本發明的原理。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中： ［圖1］和［圖2］顯示本發明一實施例的TOF光學感測模組的結構示意圖； ［圖3］至［圖6］顯示本發明實施例的TOF光學感測模組的凸出結構的多個變化例的結構示意圖。
10:基板
20:帽蓋
21:本體
211:頂壁
212:下表面
22:發射窗
23:接收窗
24:隔板結構
25:凸出結構
30:收發單元
31:發光單元
32:感測像素
33:參考像素
34:像素基板
40:腔體
41:發射腔體
42:接收腔體
L1:測量光
L2:感測光
L3:雜散光
L4:參考光
F:目標物
t:厚度
s:間距
g:間隙

Claims (12)

  1. 一種TOF光學感測模組，包括：基板；帽蓋，包括本體、以及與所述本體連接的發射窗、接收窗、隔板結構和至少一個凸出結構，其中，所述本體與所述基板共同定義出一腔體，所述本體具有面向所述基板和所述腔體的下表面，所述凸出結構自所述下表面朝向所述腔體內凸出；以及收發單元，位於所述腔體中，所述隔板結構位於所述下表面與所述基板之間，以配合所述收發單元將所述腔體分隔成與所述發射窗和所述接收窗分別對應的發射腔體和接收腔體，所述收發單元用於在所述發射腔體內發射測量光，並在所述接收腔體內通過所述接收窗接收感測光，全部所述凸出結構位於所述發射腔體內，以對在所述發射腔體內朝所述接收腔體行進的測量光進行反射及/或吸收，並阻擋部分所述測量光照射至所述隔板結構。
  2. 如請求項1所述的TOF光學感測模組，其中所述腔體限定長度方向、高度方向和寬度方向，所述隔板結構將所述腔體在所述長度方向上分隔為所述發射腔體和所述接收腔體；在所述長度方向上，所述凸出結構分布在所述發射窗與所述隔板結構之間的至少部分長度範圍內；在所述寬度方向上，各所述凸出結構在所述腔體的至少部分寬度範圍內延伸；在所述高度方向上，各所述凸出結構與所述收發單元之間具有間隙。
  3. 如請求項2所述的TOF光學感測模組，其中，所述帽蓋包括在所述長度方向上間隔排布的至少兩個所述凸出結構。
  4. 如請求項3所述的TOF光學感測模組，其中，各所述凸出結構在所述長度方向上的厚度不小於0.1mm；且/或，相鄰兩個所述凸出結構在所述長度方向上的間距不小於0.1mm；且/或，各所述凸出結構與所述收發單元之間的所述間隙不大於1mm。
  5. 如請求項2所述的TOF光學感測模組，其中，所述帽蓋包括在所述長度方向上連續延伸的一個凸出結構。
  6. 如請求項5所述的TOF光學感測模組，其中，所述凸出結構與所述收發單元之間的最小間隙不大於1mm。
  7. 如請求項1所述的TOF光學感測模組，其中，各所述凸出結構均與所述隔板結構相間隔；或者至少一個所述凸出結構與所述隔板結構相接觸。
  8. 如請求項1所述的TOF光學感測模組，其中，所述收發單元包括至少一參考像素，至少部分所述凸出結構位於所述參考像素與所述發射窗之間。
  9. 如請求項8所述的TOF光學感測模組，其中，全部所述凸出結構位於所述參考像素與所述發射窗之間。
  10. 如請求項1所述的TOF光學感測模組，其中，所述收發單元包括：參考像素，設於所述發射腔體內，且位於所述隔板結構與所述發射窗之間；感測像素，設於所述接收腔體內，且位於所述接收窗下方；發光單元，設於所述發射腔體內，且位於所述發射窗下方，所述發光單元用於發射所述測量光，所述測量光的一部分穿過所述發射窗照射在位於所述帽蓋上方的一目標物並被所述目標物反射後，作為所述感測光穿過所述接收窗被所述感測像素接收，所述測量光的另一部 分在所述發射腔體內被所述凸出結構反射及/或吸收後，至少有一部分作為參考光被所述參考像素接收。
  11. 如請求項1所述的TOF光學感測模組，其中，所述發射腔體和所述接收腔體互不連通。
  12. 如請求項1所述的TOF光學感測模組，其中，至少一個所述凸出結構的至少一個表面設有用於吸收所述測量光的鍍膜層。
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