CN112859046B - 光接收模组、飞行时间装置及电子设备 - Google Patents

光接收模组、飞行时间装置及电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种光接收模组、飞行时间装置及电子设备。光接收模组包括像素阵列、电路阵列和微透镜阵列。像素阵列包括多个像素单元。电路阵列包括多个电路单元。多个像素单元和多个电路单元相互间隔设置。像素阵列与电路阵列位于同一平面。微透镜阵列包括多个微透镜。微透镜阵列覆盖像素阵列和电路阵列。每个微透镜覆盖的像素单元的面积大于电路单元的面积。外界光线能够经过微透镜汇聚到像素单元以产生电信号。上述光接收模组、飞行时间装置及电子设备，每个微透镜覆盖的像素单元的面积大于电路单元的面积，外界光线经过微透镜能够更多地汇聚到像素单元，从而提高飞行时间装置的能量利用率，降低电子设备的功耗。

Description

光接收模组、飞行时间装置及电子设备
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，特别涉及一种光接收模组、飞行时间装置及电子设备。
背景技术
通常，飞行时间(Time of Flight，TOF)传感器包括光发射模组和接收模组，光发射模组发出经调制的近红外光，照射到物体后发生反射，接收模组接收到反射光信号后，通过计算光线发射和反射时间差或相位差，计算得到拍摄物体的距离，形成深度信息。在相关技术中，TOF传感器的能量利用率较低，当电子设备配置该TOF传感器时，为了保证接收到足够反射信号，需要提高光发射模组的功率或者延长光发射模组的工作时长，从而导致电子设备的功耗较高。
发明内容
本申请的实施方式提供了一种光接收模组、飞行时间装置及电子设备。
本申请实施方式的光接收模组包括像素阵列、电路阵列和微透镜阵列。像素阵列包括多个像素单元。电路阵列包括多个电路单元。多个所述像素单元和多个所述电路单元相互间隔设置。所述像素阵列与所述电路阵列位于同一平面。微透镜阵列包括多个微透镜。所述微透镜阵列覆盖所述像素阵列和所述电路阵列。每个所述微透镜覆盖的所述像素单元的面积大于所述电路单元的面积。外界光线能够经过所述微透镜汇聚到所述像素单元以产生电信号。
本申请实施方式的飞行时间装置包括光发射模组和上述实施方式所述的光接收模组。光发射模组用于发射经调制的近红外光。光接收模组用于接收经物体反射的所述近红外光。
本申请实施方式的电子设备包括上述实施方式所述的飞行时间装置和壳体，所述壳体用于固定所述飞行时间装置。
上述光接收模组、飞行时间装置及电子设备，每个微透镜覆盖的像素单元的面积大于电路单元的面积，外界光线经过微透镜能够更多地汇聚到像素单元，从而提高飞行时间装置的能量利用率，降低电子设备的功耗。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请实施方式的光接收模组的部分像素阵列和电路阵列和微透镜阵列的排布示意图；
图2是图1中沿Ⅱ-Ⅱ线的部分截面示意图；
图3是本申请实施方式的光接收模组的部分像素阵列和电路阵列和微透镜阵列的排布示意图；
图4是本申请实施方式的飞行时间装置的示意图；
图5是本申请实施方式的电子设备的示意图。
主要元件符号说明：
电子设备1000、飞行时间装置100、光接收模组10、像素阵列12、像素单元122、电路阵列14、电路单元142、微透镜阵列16、微透镜162、光发射模组20、壳体200、
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式的实施方式在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
请参阅图1和图2，本申请实施方式的光接收模组10包括像素阵列12、电路阵列14和微透镜阵列16。像素阵列12包括多个像素单元122。电路阵列14包括多个电路单元142。多个像素单元122和多个电路单元142相互间隔设置。像素阵列12与电路阵列14位于同一平面。微透镜阵列16包括多个微透镜162。微透镜阵列16覆盖像素阵列12和电路阵列14。每个微透镜162覆盖的像素单元122的面积大于电路单元142的面积。外界光线能够经过微透镜162汇聚到像素单元122以产生电信号。
上述光接收模组10，每个微透镜162覆盖的像素单元122的面积大于电路单元142的面积，外界光线经过微透镜162能够更多地汇聚到像素单元122，从而提高飞行时间装置的能量利用率，降低电子设备的功耗。
在相关技术中，像素阵列与电路阵列分开设置在芯片基板上，像素阵列和电路阵列占用芯片基板面积较大，导致光接收模组较大，不适用于智能手机等小型化电子设备。而本申请实施方式的光接收模组10，多个像素单元122和多个电路单元142相互间隔设置，像素单元122与电路单元142紧凑排布在芯片基板上，能够有效利用芯片基板面积，有利于缩小光接收模组10的尺寸，从而适用于智能手机等小型化电子设备。
具体地，光接收模组10可用于飞行时间装置。在某些实施方式中，光接收模组10包括前照式TOF接收芯片，像素阵列12与电路阵列14设于芯片基板上，像素阵列12与电路阵列14基本位于同一平面。请结合图2，在某些实施方式中，光接收模组10还包括遮光件18，遮光件18设于像素单元122和微透镜162之间，遮光件18的面积小于像素单元122的面积，遮光件18的面积小于微透镜162的面积，从而在微透镜162将外界光线汇聚到像素单元122上时，降低相邻光束之间的干扰。外界光线可包括反射的经调制的近红外光和环境光。像素单元122获取到外界光线之后可以产生与调制的近红外光对应的电信号，从而将光信号转换成电信号。电路单元142能够处理并传输像素单元122产生的电信号。
进一步地，请结合图1，每个像素单元122与四个电路单元142相邻，每个电路单元142与四个像素单元122相邻，多个像素单元122与多个电路单元142相互间隔设置。可以理解，像素单元122与电路单元142相互间隔设置，能够降低像素单元122之间串扰，提升像素单元122性能，从而提升有效分辨率。此外，像素单元122与电路单元142相互间隔设置，还有利于电路单元142的设计和排布。每个微透镜162与四个微透镜162相邻，多个微透镜162排布紧凑。微透镜阵列16位于像素阵列12与电路阵列14所在平面的上方，从而微透镜阵列16能够覆盖像素阵列12和电路阵列14。
在某些实施方式中，像素单元122与电路单元142的数量相同，每个电路单元142与相邻的一个像素单元122电连接以处理相邻的一个像素单元122产生的电信号。
如此，电路单元142与像素单元122一一对应，有利于提高电信号的处理效率。可以理解，每个电路单元142中的电路结构相同，当像素单元122与电路单元142的数量相同时，一个电路单元142负责处理一个像素单元122产生的电信号，多个电路单元142同时处理多个像素单元122产生的电信号，从而提高电信号读出和转移效率。
具体地，电路单元142可包括数字电路和/或模拟电路。当外界光线照射到像素单元122时，像素单元122内部产生电信号，数字电路和/或模拟电路能够处理像素单元122产生的电信号，并输出处理之后的电信号。
请结合图1，在一个例子中，像素阵列12包括5行7列，电路阵列14也包括5行7列，像素单元122与电路单元142相互间隔设置，像素单元122与电路单元142的数量均为18个，其中，在像素阵列12和电路阵列14的奇数行中，每个电路单元142与其左侧的一个像素单元122电连接；在像素阵列12和电路阵列14的偶数行中，每个电路单元142与其右侧的一个像素单元122电连接。
在某些实施方式中，电路单元142处理相邻的一个像素单元122产生的电信号的方式包括光生电荷转移、放大、读出、复位中的至少一种。
如此，像素单元122产生的电信号能够被其他电子部件处理和分析。可以理解，像素单元122根据外界光线产生微弱的电信号，需要通过电路单元142将微弱的电信号处理成通用的电信号，以保证其他电子部件正常运行。
具体地，电路单元142可包括模拟电路、ADC放大电路、读出电路、复位电路中的至少一种。模拟电路可用于转移光生电荷转移。ADC放大电路可用于放大光生电荷放大。读出电路可用于读出光生电荷。复位电路可用于复位光生电荷。
在一个例子中，电路单元142处理相邻的一个像素单元122产生的电信号的方式包括光生电荷转移、放大、读出、复位中的全部，即就是，电路单元142用于将相邻的一个像素内的光生电荷转移、放大、读出以及复位。
在某些实施方式中，每个像素单元122的形状和尺寸相同，每个电路单元142的形状和尺寸相同，每个微透镜162的形状和尺寸相同，像素单元122的面积大于电路单元142的面积，微透镜162的面积大于像素单元122的面积。
如此，有利于排布多个像素单元122、多个电路单元142和多个微透镜162，在芯片基板面积相同的情况下，本申请的像素单元122与电路单元142的面积比更大，光接收模组10能够获取到更多外界光线，能够提高飞行时间装置的能量利用率。
具体地，像素单元122和电路单元142可设置在芯片基板上，每个像素单元122映射到芯片基板上的形状和尺寸基本相同，每个电路单元142映射到芯片基板上的形状和尺寸基本相同，每个微透镜162映射到芯片基板上的形状和尺寸基本相同，像素单元122映射到芯片基板上的面积大于电路单元142映射到芯片基板上的面积，微透镜162映射到芯片基板上的面积大于像素单元122映射到芯片基板上的面积。像素单元122、电路单元142和微透镜162的形状可相同，可不相同，在此不作限定，例如，像素单元122、电路单元142和微透镜162可均为正方形结构，或者，像素单元122为圆形结构，电路单元142和微透镜162为正方形结构。
需要指出的是，基本相同，指的是在误差允许范围内相同。可以理解，在批量生产制造过程中，多个像素单元122之间的形状或尺寸可能存在一定误差，多个电路单元142之间的形状或尺寸可能存在一定误差，多个微透镜162之间的形状或尺寸可能存在一定误差，但这些误差均控制在允许范围内。
请参阅图1，在某些实施方式中，像素单元122呈正八边形结构，电路单元142呈正方形结构，微透镜162呈正方形结构，像素单元122的正八边形结构的边长与电路单元142的正方形结构的边长相同，微透镜162的正方形结构的边长与像素单元122的正八边形结构的任意两条平行边之间的距离相等。
如此，像素单元122与电路单元142排布较为紧凑，提高了芯片基板面积的利用率。同时，微透镜162覆盖的像素单元122的面积大于电路单元142的面积，微透镜162可最大化地将外界光线汇聚到像素单元122。
在一个例子中，像素单元122映射到芯片基板上呈正八边形结构，正八边形结构的边长为3μm，正八边形结构的任意两条平行边之间的距离约为7.24μm，正八边形结构的面积约为43.46μm2。电路单元142映射到芯片基板上呈正方形结构，正方形结构的边长为3μm，正方形结构的面积为9μm2。微透镜162映射到芯片基板上呈正方形结构，正方形结构的边长为7.24μm，正方形结构的面积为52.42μm2。
请参阅图3，在某些实施方式中，像素单元122呈圆形结构，电路单元142呈正方形结构，微透镜162呈正方形结构，电路单元142的正方形结构的边长不超过像素单元122的圆形结构的直径，微透镜162的正方形结构的边长与像素单元122的圆形结构的直径相等。
如此，像素单元122更容易和微透镜阵列16配准，且像素单元122内部的电荷势阱一致性和电场分布更容易做的均匀。同时，微透镜162覆盖的像素单元122的面积大于电路单元142的面积，微透镜162可将外界光线充分汇聚到像素单元122。
在一个例子中，像素单元122映射到芯片基板上呈圆形结构，圆形结构的直径为7.24μm，圆形的面积约为41.17μm2。电路单元142映射到芯片基板上呈正方形结构，正方形结构的边长为3μm，正方形结构的面积为9μm2。微透镜162映射到芯片基板上呈正方形结构，正方形结构的边长为7.24μm，正方形结构的面积为52.42μm2。
需要指出的是，上述所提到的具体数值只为了作为例子详细说明本申请的实施，而不应理解为对本申请的限制。在其他例子或实施方式或实施例中，可根据本申请来选择其他数值，在此不作具体限定。
在一个例子中，光接收模组10包括前照式D-TOF SPAD芯片，像素单元122和电路单元142设置在芯片基板上。像素单元122为单光子雪崩二极管(Single Photon AvalancheDiode，SPAD)，由于像素单元122呈圆形结构，在SPAD感光区域周围嵌套保护环较为方便。因此，该方案特别适用于前照式D-TOF SPAD芯片的像素结构设计。
在某些实施方式中，电路单元142的正方形结构的边与微透镜162的正方形结构的边形成的夹角为45度或者135度。
如此，微透镜162与电路单元142错开，微透镜162能够较好地覆盖像素单元122，从而像素单元122能够获得更多外界光线。
在一个例子中，电路单元142的正方形结构的边与微透镜162的正方形结构的边形成的夹角为45度或者135度，即就是，像素阵列12和微透镜阵列16错开45度排布。像素单元122和微透镜162的截面图如图2所示，通过微透镜162的光束汇聚作用，可以将光束100％的聚集到像素单元122的感光区域，从而像素单元122能够获得更多外界光线，有效提高了飞行时间装置的能量利用率。
在某些实施方式中，像素单元122与微透镜162的数量相同，每个微透镜162覆盖一个像素单元122以将外界光线汇聚到像素单元122。
如此，每个像素单元122充分获取外界光线，极大地提高了飞行时间装置的能量利用率。
在其他实施方式中，微透镜162的数量可为像素单元122的数量的4倍，每四个微透镜162覆盖一个像素单元122以将外界光线汇聚到像素单元122，每个微透镜162覆盖的像素单元122的面积同样大于电路单元142的面积。
请参阅图4，本申请实施方式的飞行时间装置100包括光发射模组20和上述实施方式的光接收模组10。光发射模组20用于发射经调制的近红外光。光接收模组10用于接收经物体反射的近红外光。
上述飞行时间装置100，每个微透镜162覆盖的像素单元122的面积大于电路单元142的面积，外界光线经过微透镜162能够更多地汇聚到像素单元122，从而提高飞行时间装置100的能量利用率，降低电子设备的功耗。
具体地，在某些实施方式中，飞行时间装置100还包括处理模组(图未示)。处理模组与光接收模组10电连接。处理模组用于在光接收模组10接收到经物体反射的近红外光之后，计算物体与飞行时间装置100的距离，从而获得深度数据。
在一个例子中，像素阵列12设计成640*240交错排布的方式,为了进一步提升像素分辨力至VGA(640*480)需要将640*240的TOF图像进行上采样。首先，像素单元122产生的电信号经过读出电路、数模转换等流程，生成一张640*240分辨率的原始Raw图。然后，对Raw图进行去马赛克变换，获得一张640*480分辨率的Raw图(类似棋盘格)，其中交错像素没有有效数据。接着进行相机标定和深度图像处理，得到深度数据。最后，进行像素上采样，例如插值算法等将棋盘格无效像素区域的值进行插值，获得VGA分辨率的深度图像。
需要指出的是，上述对光接收模组10的实施方式和有益效果的解释说明，也适应用于飞行时间装置100和以下实施方式的电子设备，为避免冗余，在此不作详细展开。
请参阅图5，本申请实施方式的电子设备1000包括上述实施方式的飞行时间装置100和壳体200，壳体200用于固定飞行时间装置100。
上述电子设备1000，每个微透镜162覆盖的像素单元122的面积大于电路单元142的面积，外界光线经过微透镜162能够更多地汇聚到像素单元122，从而提高飞行时间装置100的能量利用率，降低电子设备1000的功耗。
具体地，在某些实施方式中，飞行时间装置100设于壳体200内部，壳体200设有透光区域以使得飞行时间装置100能够向外界发射经调制的近红外光以及接收经物体反射的近红外光。在其他实施方式中，飞行时间装置100也可设于壳体200表面，飞行时间装置100能够直接向外界发射经调制的近红外光以及接收经物体反射的近红外光。
需要指出的是，在图5所示的实施方式中，电子设备1000为智能手机，在其他实施方式中，电子设备1000可为数码相机、平板电脑、智能手表或其他配置有飞行时间装置100的终端设备，在此不作限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种光接收模组，其特征在于，所述光接收模组包括：
像素阵列，包括多个像素单元；
电路阵列，包括多个电路单元，多个所述像素单元和多个所述电路单元相互间隔设置，所述像素阵列与所述电路阵列位于同一平面；
微透镜阵列，包括多个微透镜，所述微透镜阵列覆盖所述像素阵列和所述电路阵列，每个所述微透镜覆盖的所述像素单元的面积大于所述电路单元的面积，外界光线能够经过所述微透镜汇聚到所述像素单元以产生电信号；
所述像素单元呈正八边形结构，所述电路单元呈正方形结构，所述微透镜呈正方形结构，所述像素单元的正八边形结构的边长与所述电路单元的正方形结构的边长相同，所述微透镜的正方形结构的边长与所述像素单元的正八边形结构的任意两条平行边之间的距离相等；
所述电路单元的正方形结构的边与所述微透镜的正方形结构的边形成的夹角为45度或者135度。
2.根据权利要求1所述的光接收模组，其特征在于，所述像素单元与所述电路单元的数量相同，每个所述电路单元与相邻的一个所述像素单元电连接以处理相邻的一个所述像素单元产生的电信号。
3.根据权利要求2所述的光接收模组，其特征在于，所述电路单元处理相邻的一个所述像素单元产生的电信号的方式包括光生电荷转移、放大、读出、复位中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的光接收模组，其特征在于，每个所述像素单元的形状和尺寸相同，每个所述电路单元的形状和尺寸相同，每个所述微透镜的形状和尺寸相同，所述像素单元的面积大于所述电路单元的面积，所述微透镜的面积大于所述像素单元的面积。
5.根据权利要求4所述的光接收模组，其特征在于，所述像素单元呈圆形结构，所述电路单元呈正方形结构，所述微透镜呈正方形结构，所述电路单元的正方形结构的边长不超过所述像素单元的圆形结构的直径，所述微透镜的正方形结构的边长与所述像素单元的圆形结构的直径相等。
6.根据权利要求1所述的光接收模组，其特征在于，所述像素单元与所述微透镜的数量相同，每个所述微透镜覆盖一个所述像素单元以将所述外界光线汇聚到所述像素单元。
7.一种飞行时间装置，其特征在于，所述飞行时间装置包括：
光发射模组，用于发射经调制的近红外光；
权利要求1-6任一项所述的光接收模组，所述光接收模组用于接收经物体反射的所述近红外光。
8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括权利要求7所述的飞行时间装置和壳体，所述壳体用于固定所述飞行时间装置。
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