TWI545335B

TWI545335B - 光學裝置及使用微透鏡之感光元件

Info

Publication number: TWI545335B
Application number: TW103145894A
Authority: TW
Inventors: 許恩峯; 劉家佑; 陳經緯
Original assignee: 原相科技股份有限公司
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2016-08-11
Also published as: TW201512693A

Description

光學裝置及使用微透鏡之感光元件

本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種具有尺寸小、成本低廉及組裝容易之優點的光學裝置。

圖1A為習知光學裝置感測手勢移動的示意圖，而圖1B則為圖1A之光學裝置100的剖面示意圖。請同時參考圖1A及圖1B所示，光學裝置100包括一封裝殼體110、一發光元件120、一感光元件130以及一聚光透鏡140。封裝殼體110具有一出光口112及一收光口114，其中位於封裝殼體110內的發光元件120所產生的光束L0會由出光口112射出，而位於封裝殼體110內的感光元件130則適於透過收光口114接收被一移動物體101所反射的光束L1而形成影像。另外，聚光透鏡140裝設於收光口114處用以收集被移動物體101所反射的光束L1並會聚成像至感光元件130上。

傳統的光學裝置100主要是使用單一聚光透鏡140進行影像成像，因此使得光學裝置100整體的厚度無法進一步地被縮減。一般來說，雖然採用Fresnel透鏡可達到降低整體厚度之目的，但是光學裝置100的整體成本仍無法有效地被降低。

本發明提供一種光學裝置，其具有尺寸小、成本低廉及組裝容易之優點。

本發明另提供一種使用微透鏡之感光元件及其製作方法，其適用於前述的光學裝置上而具有相同的優點。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明提出一種光學裝置，包括一基板、一發光元件、一感光元件以及複數微透鏡。該發光元件配置於該基板上並適於提供一光束。該感光元件包含陣列排列的複數感光單元並配置於該基板上以適於接收一物體反射該光束所形成的一反射光束。該等微透鏡設置於該感光元件上方並分別對應該等感光單元。

本發明另提出一種使用微透鏡之感光元件之製作方法，包括下列步驟：提供一感光元件，其中該感光元件包含陣列排列的複數感光單元；於該感光元件上形成一保護層；於該保護層上形成至少二層圖案化金屬層以形成複數光通道，其中該等光通道分別對應該等感光單元；形成複數微透鏡對應該等光通道。

本發明另提出一種使用微透鏡之感光元件，包括複數感光單元、一擋光堆疊層以及複數微透鏡。該等感光單元以陣列排列。該擋光堆疊層形成於該等感光單元上並包含複數光通道分別對應該等感光單元，其中一部份該等光通道朝向遠離一陣列中心的方向傾斜一傾斜角。該等微透鏡設置於該擋光堆疊層上並分別對應該等光通道。

本發明各實施例中，該光學裝置更包括一擋光堆疊層設置於該感光元件上；其中，該擋光堆疊層包含對應該等感光單元之複數光通道朝向遠離該感光元件之一中心的方向傾斜一傾斜角，用以限制入射至該等感光單元之反射光束之一入射角度。

本發明各實施例中，該擋光堆疊層位於該等微透鏡與該感光元件之間。

如上所述，本發明之光學裝置可透過在感光元件上配置有相對應的微透鏡，以有效地減少傳統單一透鏡的使用，從而可使光學裝置在進行組裝時更為容易並減少光學裝置的整體尺寸，此外還可有效地降低光學裝置的製作成本。另外，本發明之光學裝置藉由在相鄰的感光單元之周邊堆疊有擋光堆疊層，用以限制入射至各感光單元上之反射光束的入射角度，如此可達成判斷物體移動之功能並減少雜散光或漏光的影響；其中，每一感光單元可包含一個或複數光二極體。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、200‧‧‧光學裝置

110、260‧‧‧封裝殼體

120、220‧‧‧發光元件

130、230‧‧‧感光元件

140‧‧‧聚光透鏡

112、262‧‧‧出光口

114、264‧‧‧收光口

101、270‧‧‧物體

L0‧‧‧光束

L1‧‧‧反射光束

210‧‧‧基板

232‧‧‧感光單元

240‧‧‧微透鏡

250‧‧‧擋光堆疊層

252‧‧‧透光材料層

254‧‧‧不透光堆疊層

S1‧‧‧第一容置空間

S2‧‧‧第二容置空間

310‧‧‧保護層

320‧‧‧第一圖案化金屬層

330‧‧‧第二圖案化金屬層

θ、θ1、θ2‧‧‧入射角度

D1、D2‧‧‧偏移距離

C‧‧‧光通道

S₄₁~S₄₄‧‧‧步驟

圖1A為習知光學裝置感測手勢移動的示意圖。

圖1B則為圖1A之光學裝置的剖面示意圖。

圖2A為本發明實施例之光學裝置的剖面示意圖。

圖2B則為圖2A之光學裝置之局部放大示意圖。

圖2C則為圖2A之光學裝置之另一局部放大示意圖。

圖3A~圖3D為本發明實施例之使用微透鏡之感光元件之製作方法的示意圖。

圖4A~圖4E為本發明實施例之使用微透鏡之感光元件之製作方法的另一示意圖。

圖5為本發明實施例之使用微透鏡之感光元件之製作方法的流程圖。

圖6為本發明實施例之光學裝置的另一剖面示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖2A為本發明一實施例之光學裝置的剖面示意圖，而圖2B及2C則為圖2A之光學裝置之局部放大示意圖。請同時參考圖2A、2B及2C，本實施例之光學裝置200包括一基板210、一發光元件220、一感光元件230以及複數微透鏡240，光學裝置200係用以偵測一物體270。發光元件220及感光元件230可配置於基板210上並與基板210電性連接，如圖 2A所示。於另一未繪示的實施例中，發光元件220與感光元件230亦可分別配置於不同的基板上，圖2A僅是用以繪示一實施例，並非用以限定本發明。

本實施例中，基板210可以是採用硬式電路板、軟式電路板或是導線架(Lead Frame)的態樣，此部分可依不同需求而有不同的設計，因此圖2A並非用以限定本發明。另外，發光元件220適於提供一光束L0；其中，發光元件220可以是採用發光二極體元件，且發光元件220所提供之光束L0可具有不可見光之光波長，如：紅外光或紫外光，此處係以紅外光作為舉例說明，但不僅限於此。其它實施例中，發光元件220可為其他適當主動光源。在本實施例中，感光元件230可以是採用CCD影像感測器或是CMOS影像感測器，其中，此處係以CMOS影像感測器作為實施態樣。感光元件230適於接收物體270反射該光束L0所形成的一反射光束L1。

具體來說，感光元件230具有陣列排列的複數感光單元232；其中，每一感光單元232可包含至少一光二極體(photodiode,PD)用以將光能量轉換成電信號，且感光單元232之周邊堆疊有一擋光堆疊層250。擋光堆疊層250設置於感光元件230上；其中，擋光堆疊層250包含分別對應感光單元232之複數光通道C(如圖2C)，其朝向遠離感光元件230之一中心的方向傾斜一傾斜角θ，用以限制入射至感光單元232之反射光束L1之一入射角度(即入射角度等於傾斜角)。藉此，使感光元件230可達成判斷物體移動之功能並減少雜散光或漏光的影響，如圖2B及2C所示。詳細來說，擋光堆疊層250可包含有透光材料層252及不透光堆疊層254，其中透光材料層252覆蓋於感光單元232上用作為反射光束L1入射至感光單元232之光通道C，而位於擋光堆疊層250內的不透光堆疊層254則是用以限制入射至感光單元232上之反射光束L1的入射角度θ，擋光堆疊層250的製作方式可使用傳統的半導體蝕刻製程進行，在此不再贅述。不透光堆疊層254可為金屬材料或非金屬材料(本發明中以金屬為例進行說明)。此外，為避免反射光束L1於入射至感光單元232時被不透光堆疊層254反射，該不透光堆疊層254較佳為吸光材料所形成。此外，為使感光單元232接收特定角度的反射光束L1以增加感測效果，光通道之傾斜角θ較佳與光通道至感光元件230之中心之一距離成正相關，以使得感光單元232接收的反射光束L1之入射角度與光通道至感光元件230之中心之一距離成正相關；亦即，愈靠近感光元件230邊緣之光通道具有較大的外傾的傾斜角θ，以使得相對應之感光單元232接收具有較大入射角度的反射光束L1。

另外，微透鏡240設置於感光元件230上並分別對應感光單元232，如圖2A所示；亦即，若微透鏡240導光效果良好，擋光堆疊層250可不予實施。當本實施例之光學裝置200包含擋光堆疊層250時，微透鏡240係分別對應光通道C並設置於擋光堆疊層250上，以使得擋光堆疊層250位於微透鏡240與感光元件230之間。具體來說，本實施例之每一感光單元232上可各自搭配至少一個不同角度的微透鏡(Micro-Lens)，如此可使得不同的感光單元232具有不同的收光角度，如圖2B所示，如此便無須使用傳統的單一大透鏡，而可使得感光元件230可有效地感測物體的移動外，同時亦可使得光學裝置200的整體厚度或大小有效地被縮減、製作成本更為低廉以及組裝更為容易(因減少單一透鏡的組裝)。換言之，光學裝置200可透過在感光元件230上配置有相對應的微透鏡240，以有效地減少傳統單一透鏡的使用，從而使得組裝更為容易、減少整體的尺寸以及有效地降低製作成本。

第2B圖實施例中，每一感光單元232係顯示為對應單一微透鏡240及單一光通道。另一實施例中，如圖2C所示，當感光單元232的尺寸較大時，每一感光單元232上可對應複數相同或不同的微透鏡240以及複數光通道C，例如圖2C顯示每一感光單元232對應兩微透鏡240以及兩光通道C，以解決於較大的感光單元232上製作較大的微透鏡240的困難並可增加訊號的強度。詳細來說，微透鏡240本身的製作尺寸通常會較小，因此若感光單元232本身的體積較大時便可形成多個微透鏡240於單一感光單元232上，以使光線可有效地被收集。換言之，形成於感光單元232上方的微透鏡240以及光通道C的數量可根據感光單元232的尺寸決定外，還可視微透鏡240本身易於製作在感光單元232上方的製程精準度而定，上述僅是用以舉例說明，非僅限於此。例如一實施例中，當每一感光單元232對應複數光通道C及複數微透鏡240時，對應至相同的感光單元232之光通道C之傾斜角θ相同且微透鏡240的聚光角度相同，以限制反射光束L1之入射角度為相同，如圖2C所示。

另外，光學裝置200還可包括一封裝殼體260；其中，封裝殼體260設置於基板210上並具有一出光口262及一入光口264。本實施例中，當封裝殼體260設置於基板210上時會形成一第一容置空間S1與一第二容置空間S2；其中，第一容置空間S1可容置有前述的發光元件220，而第二容置空間S2則可容置有前述的感光元件230，如圖2A所示。位於第一容置空間S1內的發光元件220所提供的光束L0可經由出光口262傳遞出去，而位於第二容置空間S2內的感光元件230則可經由入光口264接收被一物體270反射的反射光束L1。需要說明的是，封裝殼體260與基板210可為一體成型或是各自成型，此部分可依不同的製程而有不同，本實施例所提供之圖式僅是用以說明，非僅限於此。

圖3A~圖3D為圖2B之使用微透鏡之感光元件之製作方法之示意圖。請先參考圖3A，首先，提供一前述的感光元件230；其中，該感光元件230可為一CMOS影像感測器並包含陣列排列的複數感光單元232，例如排列成長方形或正方形之一矩形陣列。之後，於感光元件230上形成一保護層310；其中，該保護層310可以是使用介電材料，如圖3B所示。接著，於保護層310上形成至少二層圖案化金屬層以形成複數光通道，並使該等光通道分別對應感光單元232。如前所述，一部份該等光通道C(例如不位於感光元件230中央位置的光通道)朝向遠離感光元件230之中心的方向傾斜一傾斜角且該傾斜角與該等光通道至感光元件230之中心之一距離成正相關；此外，位於感光元件230中央位置(例如感光單元232所形成陣列之一陣列中心)的光通道C可不具有傾斜角，其用以接收來自感光元件230法線方向之反射光束L1，如圖2B及2C圖所示。

圖案化金屬層的形成方式例如為，形成一第一圖案化金屬層320，如圖3B所示；其中，該第一圖案化金屬層320的形成方式可以是採用傳統的半導體微影蝕刻技術。然後，於第一圖案化金屬層320上形成一第二圖案化金屬層330，如圖3C所示；其中，該第二圖案化金屬層330的形成方式可以是採用傳統的半導體微影蝕刻技術。而後，依序重複堆疊第一圖案化金屬層320與第二圖案化金屬層330之步驟，則可形成如圖3D所繪示之實施態樣。最後，將前述的微透鏡240形成於感光元件230之上方並分別對應光通道，如此便完成圖2B之在感光元件230上製作微透鏡240的步驟。值得一提的是，堆疊後的第一圖案化金屬層320與第二圖案化金屬層330即為前述的不透光堆疊層254而透光材料層252則用作為光通道C。

此外，請參照圖4A~圖4E，其顯示圖2B之使用微透鏡之感光元件之製作方法之另一示意圖，其同樣係先提供一感光元件230(圖4A)；接著，於該感光元件230上形成一保護層310；接著，依序形成一透光材料層252(圖4B)、一不透光堆疊層254(即第一圖案化金屬層320)(圖4C)、另一透光材料層252(圖4D)、另一不透光堆疊層254(即第二圖案化金屬層330)(圖4E)、反覆堆疊後則可形成如圖3D之結構。最後再於擋光堆疊層250上形成複數微透鏡240以完成本發明之使用微透鏡之感光元件。本實施例同樣可採用傳統的半導體微影蝕刻技術來形成該透光材料層252、該不透光堆疊層254(即第一圖案化金屬層320)、該透光材料層252以及該不透光堆疊層254(即第一圖案化金屬層330)，故於此不再贅述。

綜而言之，本實施例之使用微透鏡之感光元件之製作方法包含下列步驟：提供一感光元件(步驟S₄₁)；於該感光元件上形成一保護層(步驟S₄₂)；於該保護層上形成至少二層圖案化金屬層以形成複數光通道(步驟S₄₃)；以及形成複數微透鏡對應該等光通道(步驟S₄₄)，如圖5所示；其中，本實施例的詳細實施方式如圖3A~3D、圖4A~4E及其相關說明，故於此不再贅述。必需說明的是，雖然圖3A~3D以及圖4A~4E中，第一圖案化金屬層320與第二圖案化金屬層330顯示為具有不同形狀及尺寸，但其並非用以限制本發明；另一實施例中，第一圖案化金屬層320與第二圖案化金屬層330亦可大致相同。

必需說明的是，雖然圖2B及2C中顯示有5層不透光堆疊層254，但本發明並不以此為限，例如可為2~5層。不透光堆疊層254的層數例如可根據感測範圍、感光單元尺寸、微透鏡形狀等系統參數決定。

圖2B及圖2C中，微透鏡240係形成為非球對稱，且一部份微透鏡240(即不位於感光元件230中心的微透鏡)之一重心較佳從相對應的感光單元232朝向遠離感光元件230之中心的方向偏移一偏移距離以有效引導反射光束L1射入感光單元232，其中，搭配光通道C之傾斜角θ，該偏移距離亦與微透鏡240至感光元件230之中心之一距離成正相關。

另一實施例中，請參照圖6，微透鏡240亦可形成為球對稱，且該等微透鏡240之一重心(此時即為球心)較佳從相對應的感光單元232朝向遠離感光元件230之中心的方向偏移一偏移距離；例如，圖6中的偏移距離D1及D2。同理，搭配光通道C之傾斜角θ，偏移距離與微透鏡240至感光元件230之中心之一距離成正相關，例如距離D1>距離D2，以限制入射至感光單元232之反射光束L1之入射角度，例如入射角度θ1>入射角度θ2。

基於上述可知，本發明實施例之光學裝置(如圖2A)可透過在感光元件上配置有相對應的微透鏡，如此將可有效地減少傳統單一透鏡的使用，從而可使光學裝置在進行組裝時更為容易及減少光學裝置的整體尺寸，並可有效地降低光學裝置的製作成本。另外，光學裝置藉由在相鄰的感光單元之周邊堆疊有擋光堆疊層(如圖2B、2C及6)，用以限制入射至各感光單元上之反射光束的入射角度，可達成判斷物體移動之功能並減少雜散光或漏光的影響。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

200‧‧‧光學裝置

210‧‧‧基板

220‧‧‧發光元件

230‧‧‧感光元件

240‧‧‧微透鏡

260‧‧‧封裝殼體

262‧‧‧出光口

264‧‧‧入光口

270‧‧‧物體

L0‧‧‧光束

L1‧‧‧反射光束

S1‧‧‧第一容置空間

S2‧‧‧第二容置空間

Claims

一種光學裝置，用以偵測一物體，該光學裝置包括：一基板；一發光元件，配置於該基板上並適於提供一光束；以及一感光元件，配置於該基板上以適於接收該物體反射該光束所形成的一反射光束，該感光元件包含：複數感光單元，陣列排列於該感光元件上；至少兩圖案化堆疊層，堆疊於該感光元件上以形成對應該等感光單元之複數光通道，其中該等光通道朝向遠離該感光元件之一中心的方向傾斜，用以限制入射至該等感光單元之該反射光束之一入射角度；及複數微透鏡，設置於該感光元件上方並分別對應該等光通道。
如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該入射角度與該等光通道至該感光元件之該中心之一距離成正相關。
如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中每一該感光單元對應複數該等光通道，且對應至相同的該感光單元之該等光通道限制該反射光束之該入射角度為相同。
如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該至少兩圖案化堆疊層位於該等微透鏡及該感光元件之間。
如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該感光元件另包含一透光材料層作為該等光通道。
如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該至少兩圖案化堆疊層為吸光材料所形成。
如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中每一該感光單元對應至少一該等光通道。
如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該等微透鏡為非球對稱。
如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該等微透鏡為球對稱且該等微透鏡之一重心從相對應的該感光單元朝向遠離該感光元件之一中心的方向偏移一偏移距離。
如申請專利範圍第9項所述之光學裝置，其中該偏移距離與該等微透鏡至該感光元件之該中心之一距離成正相關。
如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該至少兩圖案化堆疊層為圖案化金屬層。
如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該感光元件上形成有一保護層。
如申請專利範圍第1至12項其中一項所述之光學裝置，其中每一該感光單元包含至少一光二極體。
一種使用微透鏡之感光元件，包括：複數感光單元，以陣列排列並具有一陣列中心；至少兩圖案化堆疊層，堆疊於該等感光單元上以形成對應該等感光單元之複數光通道，其中一部份該等光通道朝向遠離該陣列中心的方向傾斜一傾斜角；以及複數微透鏡，設置於該至少兩圖案化堆疊層上並分別對應該等光通道。
如申請專利範圍第14項所述之感光元件，其中該傾斜角與該等光通道至該陣列中心之一距離成正相關。
如申請專利範圍第14項所述之感光元件，其中該等微透鏡之一重心從相對應的該感光單元朝向遠離該陣列中心的方向偏移一偏移距離。
如申請專利範圍第14項所述之感光元件，其中該兩圖案化堆疊層為圖案化金屬層。
如申請專利範圍第14項所述之感光元件，其中該感光元件上形成有一保護層。
一種使用微透鏡之感光元件，包括：複數感光單元，以陣列排列並具有一陣列中心；一保護層，形成於該等感光單元上；一擋光堆疊層，形成於該保護層上並包含複數光通道對應該等感光單元，其中一部份該等光通道朝向遠離該陣列中心的方向傾斜一傾斜角；以及複數微透鏡，設置於該擋光堆疊層上並分別對應該等光通道，其中部分該等微透鏡之一重心從相對應的該光通道朝向遠離該陣列中心的方向偏移一偏移距離以使部分該等微透鏡之一光軸從相對應的該光通道朝向遠離該陣列中心的方向傾斜一偏移角度。