光感测阵列模块与光收发装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种光学模块与装置，且特别是涉及一种光感测阵列模块与光收发装置。


背景技术：

2.随着光电技术的进步，飞行时间测距装置(time-of-flight ranging device)或光雷达(lidar)被发展出来，其可测量光的飞行时间，以计算出物体的距离。
3.飞行时间测距装置或光雷达包括激光发射器与光感测阵列。激光发射器发出激光，以照射外界的物体。外界的物体再将激光反射回光感测阵列。
4.在习知的飞行时间测距装置或光雷达中，是以壳体的开口位置与大小来决定光感测阵列所侦测到的光的视场角。但当光感测阵列在壳体中的组装位置有偏差时，容易使部分的视场角被壳体遮挡，而使得边缘噪声增加。
5.若是使用角度滤光器(angular filter)来过滤掉信号以外的大角度光线，虽然提高了信噪比(signal-to-noise ratio)，却牺牲了量子效率(quantum efficiency)。


技术实现要素：

6.本实用新型是针对一种光感测阵列模块，其兼具高量子效率与低杂光干扰。
7.本实用新型是针对一种光收发装置，其兼具高量子效率与低杂光干扰。
8.本实用新型的一实施例提出一种光感测阵列模块，包括光感测阵列基板、透镜阵列及遮光层。光感测阵列基板包括排成阵列的多个像素。透镜阵列配置于光感测阵列基板的上方，且包括分别配置于这些像素上方的多个微透镜。遮光层配置于光感测阵列基板与透镜阵列之间，且包括多个通光开口。这些通光开口分别配置于这些微透镜与这些像素之间，其中每一通光开口的形状与光通过对应的微透镜后在通光开口处所形成的光斑的形状相配合。
9.本实用新型的一实施例提出一种光收发装置，包括发光元件及上述光感测阵列模块。发光元件用以发出光束。光感测阵列模块用以感测物体在反射光束后所产生的光。
10.在本实用新型的一实施例中，入射透镜阵列的入射角至少在14度以内的光会通过这些通光开口传递至这些像素，而不会被遮光层遮挡。
11.在本实用新型的一实施例中，光斑具有至少一凹陷处，而通光开口的内壁具有往至少一凹陷处凸出的至少一凸起部。
12.在本实用新型的一实施例中，光斑呈x形，且具有四个凹陷处，而通光开口的内壁具有往四个凹陷处凸出的四个凸起部。
13.在本实用新型的一实施例中，入射透镜阵列的入射角至少在20度以内的光会通过这些通光开口传递至这些像素，而不会被遮光层遮挡。
14.在本实用新型的一实施例中，入射透镜阵列的入射角至少在40度以内的光会通过这些通光开口传递至这些像素，而不会被遮光层遮挡。
15.在本实用新型的一实施例中，遮光层为金属层。
16.在本实用新型的一实施例中，发光元件为激光发射器，且光感测阵列基板为单光子雪崩二极管阵列基板。
17.在本实用新型的一实施例中，光收发装置为飞行时间测距装置或光雷达，光收发装置还包括控制器，电性连接至发光元件与光感测阵列基板，且用以根据光束与被反射的光的飞行时间或相位来计算出物体的距离。
18.在本实用新型的实施例的光感测阵列模块与光收发装置中，由于采用了遮光层来遮挡杂光，且每一通光开口的形状与光通过对应的微透镜后在通光开口处所形成的光斑的形状相配合，使得入射透镜阵列的光会通过这些通光开口传递至这些像素，而较不会被遮光层遮挡，因此本实用新型的实施例的光感测阵列模块与光收发装置兼具高量子效率与低杂光干扰。
附图说明
19.图1为本实用新型的一实施例的光收发装置的剖面示意图。
20.图2为图1中的光感测阵列模块的剖面示意图。
21.图3为图2中的遮光层与光斑的上视示意图。
22.图4为本实用新型的另一实施例的遮光层与光斑的上视示意图。
23.图5a为图3中的遮光层与在x方向上斜向入射的光所形成的光斑的上视示意图。
24.图5b为图3中的遮光层与在对角线方向上斜向入射的光所形成的光斑的上视示意图。
具体实施方式
25.现将详细地参考本实用新型的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
26.图1为本实用新型的一实施例的光收发装置的剖面示意图，图2为图1中的光感测阵列模块的剖面示意图，而图3为图2中的遮光层与光斑的上视示意图。请参照图1至图3，本实施例的光收发装置100包括发光元件110及光感测阵列模块200。发光元件110用以发出光束112。光感测阵列模块200用以感测物体50在反射光束112后所产生的光52。在本实施例中，发光元件110为激光发射器，例如为垂直共振腔面射型激光器(vertical cavity surface-emitting laser,vcsel)，而光束112为激光束。然而，在其他实施例中，发光元件110也可以是其他激光发射器或其他种类的发光元件。光感测阵列模块200包括光感测阵列基板210、透镜阵列220及遮光层230。光感测阵列基板210包括排成阵列(例如是二维阵列)的多个像素211。在本实施例中，光感测阵列基板210为单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode,spad)阵列基板，而每一像素211可包括单光子雪崩二极管212。也就是说，在本实施例中，光收发装置100可为飞行时间测距装置、光雷达或接近传感器(proximity sensor)。
27.透镜阵列220配置于光感测阵列基板210的上方，且包括分别配置于这些像素211上方的多个微透镜222。也就是说，微透镜222亦呈阵列配置，例如是呈二维阵列配置。遮光层230配置于光感测阵列基板210与透镜阵列220之间，且包括多个通光开口232。这些通光
开口232分别配置于这些微透镜222与这些像素211之间。也就是说，这些通光开口232呈阵列配置，例如是呈二维阵列配置。其中，入射透镜阵列220的入射角θ至少在14度以内的光会通过这些通光开口232传递至这些像素211，而不会被遮光层230遮挡。其中，入射角θ定义为光52的行进方向与透镜阵列220的法线n的夹角，而法线n例如平行于微透镜222的光轴。
28.在本实施例的光感测阵列模块200与光收发装置100中，由于采用了遮光层230来遮挡杂光，且使入射透镜阵列220的入射角θ至少在14度以内的光52会通过这些通光开口232传递至这些像素211，而不会被遮光层230遮挡，因此本实施例的光感测阵列模块200与光收发装置100兼具高量子效率与低杂光干扰。
29.在本实施例中，遮光层230为金属层，其例如为在制作光感测阵列基板210的半导体制程中，与用以电性连接像素211的金属线路层相同的材质所形成的金属层。
30.在本实施例中，每一通光开口232的形状与光52通过对应的微透镜222后在通光开口232处所形成的光斑53的形状相配合。举例而言，在本实施例中，微透镜222例如为凸透镜，其剖面如图2所绘示，然而，微透镜222的上视图例如呈方形，因此光斑53会呈现x形，而通光开口232也呈现与x形相配合的形状。如此一来，遮光层230可以让有效的光52通过而不会将其遮挡，另一方面也可以遮挡其他杂光，因此可使本实施例的光感测阵列模块200与光收发装置100兼具高量子效率与低杂光干扰。
31.在本实施例中，光斑53具有至少一凹陷处55，而通光开口232的内壁234具有往至少一凹陷处55凸出的至少一凸起部235。当光斑53呈x形，而具有四个凹陷处55时，通光开口232的内壁234具有往四个凹陷处55凸出的四个凸起部235。
32.在其他实施例中，当光斑呈现其他形状或不具有凹陷处时，通光开口也可以呈现与其相配合的形状。举例而言，请参照图4，在另一实施例中，当光斑53a呈椭圆形时，通光开口232a的形状可与其相配合而呈椭圆形。在其他实施例中，光斑也可以呈圆形，而通光开口的形状可与其相配合而呈圆形。或者，光斑也可以呈现其他形状，而通光开口的形状可与其相配合。
33.在本实施例中，光收发装置100还包括控制器120，电性连接至发光元件110与光感测阵列基板210，且用以根据光束112与光52的飞行时间或相位来计算出物体50的距离，也就是光收发装置100为飞行时间测距装置或光雷达。
34.在一实施例中，控制器120例如为中央处理单元(central processing unit,cpu)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor,dsp)、可程序化控制器、可程序化逻辑设备(programmable logic device,pld)或其他类似装置或这些装置的组合，本实用新型并不加以限制。此外，在一实施例中，控制器120的各功能可被实作为多个程序代码。这些程序代码会被储存在一个内存中，由控制器120来执行这些程序代码。或者，在一实施例中，控制器120的各功能可被实作为一或多个电路。本实用新型并不限制用软件或硬件的方式来实作控制器120的各功能。
35.图5a为图3中的遮光层与在x方向上斜向入射的光所形成的光斑的上视示意图，图5b为图3中的遮光层与在对角线方向上斜向入射的光所形成的光斑的上视示意图。请参照图1、图2、图5a及图5b，当光52入射至光感测阵列模块200偏离中心的位置时，光52可以是斜向入射的，而使得在通光开口232处所形成的光斑53b(如图5a所绘示)或光斑53c(如图5b所绘示)可以是扭曲变形的，例如往一边或一角歪斜。其中，图5a的光斑53b是由在x方向有14
度的入射角θ的光52所形成，而图5b的光斑53c是由在对角线方向(即与x方向与y方向皆夹45度的方向，其中x方向垂直于y方向)有14度的入射角θ的光52所形成。
36.在本实施例中，入射角θ超过14度的光52会被遮光层230遮挡，尤其是在如图5b的对角线方向。然而，在其他实施例中，入射透镜阵列220的入射角θ至少在20度以内的光52会通过这些通光开口232传递至这些像素211，而不会被遮光层230遮挡。在一实施例中，入射透镜阵列220的入射角θ在20度以内的光52会通过这些通光开口232传递至这些像素211，而不会被遮光层230遮挡，而入射角θ超过20度的光52则被遮光层230遮挡。或者，在另一实施例中，入射透镜阵列220的入射角θ至少在40度以内的光52会通过这些通光开口232传递至这些像素211，而不会被遮光层230遮挡。在一实施例中，入射透镜阵列220的入射角θ在40度以内的光52会通过这些通光开口232传递至这些像素211，而不会被遮光层230遮挡，而入射角θ超过40度的光52则被遮光层230遮挡。
37.请在参照图2，本实施例的光感测阵列模块200可包括另一遮光层240，遮光层240可具有分别配置于这些微透镜222与这些像素211之间的通光开口242。通光开口242的设计方式可与通光开口232一样，也就是通光开口242的形状可与光52在通过通光开口242处所形成的光斑的形状相配合。由于遮光层240配至于遮光层230与光感测阵列基板210之间，因此通光开口242的尺寸可以比通光开口232小。
38.如同遮光层230，遮光层240也可以是金属层，其例如为在制作光感测阵列基板210的半导体制程中，与用以电性连接像素211的金属线路层相同的材质所形成的金属层。由于金属线路层可以有多层，因此可以选择金属线路层中的几层(例如n层，n大于等于1)来作为具有上述特性(即与遮光层230的设计概念相同)的遮光层。在其他实施例中，具有上述特性的遮光层也可以只有一层(即遮光层230)。或者，光感测阵列模块200也可以只具有遮光层230，而不具有遮光层240。
39.综上所述，在本实用新型的实施例的光感测阵列模块与光收发装置中，由于采用了遮光层来遮挡杂光，且每一通光开口的形状与光通过对应的微透镜后在通光开口处所形成的光斑的形状相配合，使得入射透镜阵列的入射角至少在14度以内的光会通过这些通光开口传递至这些像素，而较不会被遮光层遮挡，因此本实用新型的实施例的光感测阵列模块与光收发装置兼具高量子效率与低杂光干扰。
40.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。