TOF光学感测模块的制作方法

tof光学感测模块
技术领域
1.本发明是有关于一种飞行时间(time of flight,tof)光学感测模块，且特别是有关于一种具有角度导光结构的tof光学感测模块。


背景技术：

2.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)成像或近接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。
3.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射雷射(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)；和时间至数字转换器(time to digital converter,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向场景发射脉冲波，spad接收从目标物体反射回来的脉冲波，tdc记录发射脉冲和接收脉冲之间的时间间隔，利用飞行时间计算待测物体的深度信息。
4.图1显示一种传统的tof光学感测模块300的示意图。如图1所示，tof光学感测模块300包含一帽盖(cap)310、一发光单元320、一感测器芯片330及一基板350。基板350例如是印刷电路板，包括一个或多个绝缘层和导电层(未显示)。基板350上通过粘胶材料设置发光单元320及感测器芯片330。发光单元320及感测器芯片330电连接至基板350。感测器芯片330上形成有至少一参考像素331及至少一感测像素341。光学感测模块300还包含用于发送、接收和处理电信号的控制处理电路，例如是集成电路，用来控制发光单元320的光线发射、参考像素331的光线接收、感测像素341的光线接收以及参考像素331与感测像素341接收光线后所产生的电信号的处理。帽盖310具有一发射窗314及一接收窗312，并且设置于基板350的上方，以将基板350上的发光单元320及感测器芯片330容置于帽盖310的一腔室315中。发光单元320发出测量光l1通过发射窗314到达物体(未显示)，感测像素341通过接收窗312接收物体反射的感测光l3。测量光l1被帽盖310反射后产生参考光l2朝参考像素331行进，故参考光l2也称为腔内反射的光线。可以理解的，有一部分的参考光l2会继续在腔室315内反射而被感测像素341接收，进而干扰了感测像素341的感测结果。因此，如何降低噪声干扰，实为本案所欲解决的问题。


技术实现要素：

5.因此，本发明的一个目的是提供一种具有角度导光结构的tof光学感测模块，通过适当地设计腔内的感测端角度导光结构，可以借此将在感测模块的腔体内传导的杂散光干扰降至最低，进而提高感测像素的信噪比，可以有降低腔内杂散光对感测像素的干扰，让距离感测结果更加稳定及准确。
6.本发明的一个目的是提供一种具有角度导光结构的tof光学感测模块，利用同一光学感测模块的不同视场来感测位于不同距离之处的不同物体，以获得对应的距离信息。
7.为达上述目的，本发明提供一种tof光学感测模块，至少包含：一基板；一帽盖，具有一本体以及与本体连接的一接收窗及一发射窗，其中本体与基板共同定义出一腔体；以及一收发单元，位于腔体中，且至少包含：一光感测区，设置于接收窗的下方，并且包含一感测端角度导光结构及至少一感测像素，感测端角度导光结构系被设计成阻止来自腔体中及发射窗的下方的参考光进入感测像素，但是可以通过接收窗接收感测光进入感测像素而产生一感测电信号。
8.为达上述目的，本发明还提供一种tof光学感测模块，至少包含：一基板；一帽盖，设置于基板上，并具有一接收窗及一发射窗，其中帽盖与基板共同定义出一腔体；以及一收发单元，设置于基板上，且位于腔体中，其中收发单元包含一发光单元及多个感测单元，发光单元通过发射窗发出测量光，此些感测单元具有不同角度范围的多个视场。
9.通过上述的tof光学感测模块，利用至少一种特定角度导光结构，可以借此将在感测模块的腔体内传导的杂散光干扰降至最低，进而提高感测像素的信噪比，以提升光学感测的稳定度。此外，利用单一光学感测模块的不同角度导光结构所造成的不同角度范围的视场，提供多距离范围的感测效果，以获得物体的不同距离信息，提供日益多样化的应用。
10.为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
11.图1显示一种传统的tof光学感测模块的示意图。
12.图2a与图2b显示依据本发明较佳实施例的tof光学感测模块的两个例子的示意图。
13.图3显示图2b的tof光学感测模块的局部剖面示意图。
14.图4至图6显示图3的tof光学感测模块的数个变化例的局部剖面示意图。
15.图7a至图8b显示图2b的tof光学感测模块的数个变化例的示意图。
16.图9显示图7b的tof光学感测模块的变化例的示意图。
17.图10显示依据本发明较佳实施例的tof光学感测模块的示意图。
18.图11显示图10的两种感测单元的结构示意图。
19.图12显示图11的两种感测单元的变化例的结构示意图。
20.图13显示图10的变化例的光路示意图。
21.图14与图15显示多种感测单元的两个例子的布局图。
22.图16显示多种感测单元的视场的示意图。
23.附图标号：
24.a1:第一光轴
25.a2:第二光轴
26.ag1,ag2,ag3,ag4:方位角
27.f:物体
28.f2:物体
29.fe1:发射场
30.fv1,fv1',fv2',fv2:视场
31.g1:参考端角度导光结构
32.g2:感测端角度导光结构
33.g2b:第二感测端角度导光结构
34.l1:测量光
35.l2:参考光
36.l3:感测光
37.oa1,oa2:重叠区域
38.p:点
39.10:帽盖
40.10a:不透光区
41.11:腔体
42.11a:发射腔体
43.11b:接收腔体
44.12:接收窗
45.13:挡板结构
46.14:发射窗
47.15:周缘
48.16:本体
49.17:内表面
50.18:外表面
51.20:发光单元
52.30:光参考区
53.31:参考像素
54.32:第一遮光层
55.33:第一参考光孔
56.34:第二遮光层
57.35:第二参考光孔
58.36:第三遮光层
59.38:透明介质层组
60.38a,38b,38c:透明介质层
61.39:参考微透镜
62.40:光感测区
63.41:感测像素
64.41u,41u',42u',42u:感测单元
65.41x,41x',42x',42x:中心光轴
66.42:感测像素43,43b:第一感测光孔
67.43',43b':感测光孔
68.44:感测芯片
69.44a:像素基板
70.44b:导光结构
71.44c:凹槽
72.44d:侧壁
73.45,45b:第二感测光孔
74.45b':感测光孔
75.46:第二挡板结构
76.47:纵向阻光结构
77.49,49b:感测微透镜
78.50:基板
79.90:收发单元
80.100:tof光学感测模块
81.300:tof光学感测模块
82.310:帽盖
83.312:接收窗
84.314:发射窗
85.315:腔室
86.320:发光单元
87.330:感测器芯片
88.331:参考像素
89.341:感测像素
90.350:基板
具体实施方式
91.本发明的一样态是采用一种晶圆级工艺，在光感测芯片上面制作至少一种特定角度的导光结构(图2a至图6)，可以借此将在封装体结构内传导的杂散光干扰降至最低，进而提高感测像素的信噪比(signal to noise ratio,snr)，解决上述公知技术的问题。在两种特定角度的导光结构的例子中，具体实施是利用晶圆级制作的微透镜配合晶圆级制作的遮光层来制作参考端角度导光结构来导引腔内反射的光线(其通常为一斜向入射光)进入参考像素，同时制作了感测端角度导光结构以避免腔内反射的光线进入感测像素，如此可避免腔内反射的杂散光，甚至大幅减少来自外界各方向的杂散光进入感测像素中，让飞行时间的检测及计算过程简化，得到精确的深度信息或距离信息。
92.本发明的另一样态是采用一种封装工艺，也可以是晶圆级封装工艺，在封装帽盖的内侧制作挡板结构，可以制作出局部互通的接收腔体与发射腔体(图7a至图9)，可以让工艺控制变得容易、简化制造流程、提升结构的稳定度、降低接收腔体与发射腔体之间的环境条件差异以提升光学感测的稳定度，并可以降低杂散光干扰，进而提高感测像素的信噪比。
93.本发明的又另一样态是将具有不同视场的多个感测单元整合于一个感测器芯片上，利用具有不同感测端角度导光结构的感测单元，来感测位于不同距离之处的物体，达成
以单一tof光学感测模块却具有多重视场角感测功能，获得多距离范围的感测效果。可以理解的，上述三个样态可以单独使用，也可以组合使用。
94.图2a与图2b显示依据本发明较佳实施例的tof光学感测模块的两个例子的示意图。图3显示图2b的tof光学感测模块的局部剖面示意图。图2a与图2b的差异在于图2a的参考像素的上方没有设置对应的角度导光结构。如图2a所示，一种tof光学感测模块100至少包含一帽盖10及一收发单元90。收发单元90包含一发光单元20、一光感测区40及一可选的光参考区30，其中光参考区30靠近发光单元20而光感测区40较远离发光单元20。于本例中，光感测区40与光参考区30形成于一感测芯片44中，但于另一例中，光感测区40和光参考区30可形成于不同芯片上。以另一观点来看，感测芯片44包含一像素基板44a及位于像素基板44a上方的一角度导光结构44b。光参考区30的至少一参考像素31形成于像素基板44a中，用于接收光线；以及光感测区40的至少一感测像素41形成于像素基板44a中，用以通过角度导光结构44b接收来自特定角度范围的光线。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 photo diode,apd)等等，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。感测芯片44的制造可以是使用例如互补式金属氧化物半导体(complementary metal
‑
oxide semiconductor,cmos)工艺，例如采用前面照度(front side illumination,fsi)或背面照度(back side illumination,bsi)工艺，抑或者其他的半导体工艺，本发明并不以此为限。此外，tof光学感测模块100可以还包含一基板50。收发单元90设置于基板50上。发光单元20与感测芯片44的光参考区30及光感测区40设置于基板50上，帽盖10具有倒u形结构而覆盖基板50上以形成一腔体11，使发光单元20、光参考区30与光感测区40容纳于腔体11中。基板50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等。
95.像素基板44a的材料可以包含半导体材料，半导体材料例如硅、锗、氮化镓、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、锑化铟、硅锗合金、磷砷镓合金、砷铝铟合金、砷铝镓合金、砷铟镓合金、磷铟镓合金、磷砷铟镓合金或上述材料的组合。像素基板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、导电层和介电层等等。像素基板可以通过打线或导电凸块电连接至基板50，进而电连接至外部以及发光单元20，借此控制发光单元20、光参考区30与光感测区40的操作，并提供信号处理的功能。
96.帽盖10至少包含一个不透光的本体16以及与本体16连接的一接收窗12及一发射窗14，接收窗12与发射窗14为透光区，可以让所欲测量的光线穿透。本体16与基板50共同定义腔体11、一个包覆着腔体11的内表面17及一个暴露于外界环境的外表面18。于一例子中，腔体11为一透明模料所制造的实心体，本体16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11上，仅露出对应于接收窗12及发射窗14部分的透明模料。于另一例子中，腔体11为空气(可以包含高于或低于一大气压)。可以理解的，在此实施例中，帽盖10可以事先制成并粘贴于基板50上，例如，部分或全部通过射出成型的方法，直接形成在基板50上。接收窗12及发射窗14可以是穿透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等，或者具有例如散光或聚光功能的镜头或绕射元件等等，抑或多个光学功能的结合，例如前两者等等。
97.发光单元20设置于基板50上，并对应地位于发射窗14的下方，并发出测量光l1，测量光l1的一部分通过发射窗14经过一段距离后照射在帽盖10上方的物体f并从物体f反射输出感测光l3，其中物体f包含生物体及非生物体。来自腔体11外部的部分的感测光l3会通过接收窗12而被感测芯片44的光感测区40接收并转换成电信号。光感测区40设置于接收窗12的下方，用于通过接收窗12接收感测光l3以产生一感测电信号。然而光感测区40接收到的信号必须要参照一基准点才能计算出物体f的距离，由飞行时间公式，可以得到2l＝c
△
t，其中l为光学感测模块100到物体f的距离，c为光速，
△
t为光跑的时间(在此定义为从发射到接收的时间)。因此除了光感测区40要能将感测光l3转成电信号以外，最好也要通过光参考区30得到测量光l1发射时的时间起始点。然而，于另一例子中，也可以依据发光单元20被控制发光的时间点当作测量光l1发射时的时间起始点，或时间起始点加上一个预定的延迟时间作为飞行时间计算的依据。由于发光单元20具有一定的发散角度，因此测量光l1的另一部分在帽盖10的腔体11内反射而产生参考光l2，会有部分特定角度的参考光l2被光参考区30接收，藉以获得时间起始点(封装体结构内反射的走距相较于物体检测的距离(2l)是可以被忽略的，因此可以设定光参考区30接收到参考光l2的时间点为时间起始点)。因此，收发单元90位于腔体11中，发出测量光l1通过发射窗14，并且通过接收窗12接收感测光l3。于一例子中，发光单元20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。于数个例子中，发光单元20为vcsel或发光二极管(light
‑
emitting diode,led)(例如红外线led)。发光单元20可以通过粘着材料被固定至基板50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50。图2a的角度导光结构44b的侧壁设置有纵向阻光结构47，可以阻挡杂散光进入角度导光结构44b中，避免干扰。虽然来自腔体11中及发射窗14的下方的参考光l2会朝向光感测区40行进，但是由于导光结构44b的设计，使得参考光l2不会进入感测像素41中。有关导光结构44b的配置的一例，由于与图2b相同，故将配合图2b与图3来说明。
98.如图2b与图3所示，光参考区30设置于靠近发光单元20的腔体11中，并位于帽盖10的不透光区10a(位于透光区的发射窗14与接收窗12之间)的下方，并还包含一参考端角度导光结构g1，其形成于像素基板44a上，并且构成角度导光结构44b的一部分，且包含位于参考像素31的上方的至少一第一遮光层32的一第一参考光孔33及至少一参考微透镜39，用于将参考光l2导引至参考像素31，使参考像素31接收参考光l2而产生一参考电信号。第一遮光层32可以是由金属材料或非金属材料所制成。参考微透镜39位于第一遮光层32的第一参考光孔33的上方。在本实施例中，参考微透镜39之中心线与第一参考光孔33之中心线被设计成不对准，使得一第一特定角度范围的参考光l2可以通过参考微透镜39及第一参考光孔33聚焦于参考像素31。因此，通过参考微透镜39与第一参考光孔33的设置，可以提供一种可控角度准直结构(angle controllable collimator，简称acc)作为光参考区30的参考端角度导光结构g1。
99.如图2a、图2b、图3与图4所示，光感测区40设置于接收窗12的下方，且还包含一感测端角度导光结构g2，其包含第一遮光层32的一第一感测光孔43以及至少一感测微透镜49，其中图4仅用于说明光感测区40可以具有两个以上的感测像素41及感测微透镜49，且参考光l2可被视为来自感测端角度导光结构g2的旁侧。感测微透镜49位于第一遮光层32的第一感测光孔43的上方。感测微透镜49的中心线与第一感测光孔43的中心线呈对准关系(在
此谨以此中心线对准设计作为说明，但并不限定于此)，且感测光l3通过感测微透镜49及第一感测光孔43聚焦于感测像素41。例如，于图3及图4的例子中，感测光l3通过感测微透镜49及第一感测光孔43聚焦于感测像素41，导光结构44b至少包含一透明介质层组38、第一遮光层32、参考微透镜39及感测微透镜49，且光感测区40与光参考区30形成一体的构造。因此，通过感测微透镜49与第一感测光孔43的设置，可以提供另一种acc作为光感测区40的感测端角度导光结构g2。由于本发明通过晶圆级制造同时完成光感测区及光参考区的光学结构设计，因此图中所示的遮光层或微透镜可以是由相同工艺完成。
100.可以理解的，参考像素31及感测像素41可各自被配置成单点、一维或二维阵列。光参考区30用于接收由帽盖10反射来的第一特定角度范围的参考光l2并将此参考光l2转换成参考电信号；且光感测区40用于接收来自物体f的第二特定角度范围的感测光l3并将此感测光l3转换成一感测电信号。于一例子中，光参考区30于一第一时间点t0接收到由帽盖10反射来的参考光l2并执行光电转换而产生参考电信号，其中参考光l2相对于光参考区30的一第一光轴a1为斜向光。另外，光感测区40设置于一第二时间点t1接收到来自物体f所输出的感测光l3并执行光电转换而产生感测电信号，其中感测光l3相对于光感测区40的一第二光轴a2为第二特定角度范围的光线，其中两个特定角度范围不同。虽然参考光l2有可能在感测芯片44与帽盖10之间反射而到达光感测区40附近，但是通过光感测区40的特定acc设计，可以避免感测像素41接收到参考光l2。控制处理电路通过上述飞行时间公式、第一时间点t0、第二时间点t1与光速c，即可得到物体f与tof光学感测模块100的距离。于本例子中，虽然所绘制的感测光l3是相对于入射法线(垂直于感测像素41的表面)的左右两侧呈现对称的角度范围的光线，但是并未将本发明限制于此。于另一例子中，感测光可以是相对于入射法线的左右两侧呈现不对称的角度范围的光线。于又另一例子中，感测光的角度范围仅位于入射法线的右或左侧。
101.于图3与图4中，透明介质层组38包含透明介质层38a与38b，透明介质层38a设置于参考像素31与第一遮光层32之间，而透明介质层38b设置于第一遮光层32与参考微透镜39之间。此外，透明介质层38a也设置于感测像素41与第一遮光层32之间，而透明介质层38b也设置于第一遮光层32与感测微透镜49之间。因此，透明介质层组38可以是单层材料的型式存在或是以多层结构的型式存在。于一例中，透明介质层的材料例如sio2等等介电材料或透明高分子等等。于另一例中，透明介质层可包含光固化材料(uv
‑
curable material)、热固化材料(thermosetting material)或上述的组合。例如，透明介质层可包含例如聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，pmma)、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate，pen)聚碳酸酯(polycarbonate，pc)、全氟环丁基(perfluorocyclobutyl，pfcb)聚合物、聚亚酰胺(polyimide，pi)、亚克力树酯、环氧树脂(epoxy resins)、聚丙烯(polypropylene，pp)、聚乙烯(polyethylene，pe)、聚苯乙烯(polystyrene，ps)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride，pvc)、其他适当的材料、或上述的组合。然而，本技术内容并未受限于此。在另一实施例中，可设置一纵向阻光结构47在光感测区40与光参考区30之间的透明介质层组38中，以阻挡杂散光进入到感测像素41及参考像素31中。纵向阻光结构47与帽盖10隔开一段距离，并设置于光参考区30与光感测区40之间，用于隔绝光参考区30与光感测区40的杂散光干扰。纵向阻光结构47的材料包含金属与非金属材料。可以理解的，纵向阻光结构47是属于非必要的
结构。
102.如图5所示，本例子类似于图3，差异点在于光参考区30及光感测区40还包含一第二遮光层34，以及透明介质层组38包含透明介质层38a、38b与38c。第二遮光层34属于参考端与感测端角度导光结构的一部分，且位于第一遮光层32的上方，并分别具有第二参考光孔35及第二感测光孔45。透明介质层38a位于参考像素31与第一遮光层32之间以及位于感测像素41与第一遮光层32之间，透明介质层38b位于参考微透镜39与第二遮光层34之间以及位于感测微透镜49与第二遮光层34之间，而透明介质层38c位于第二遮光层34与第一遮光层32之间。需注意的是，图4的多个感测像素41的架构也可应用到图5。于此情况下，参考微透镜39的中心线、第一参考光孔33的中心线与第二参考光孔35的中心线三者都不对准，且参考光l2通过参考微透镜39、第二参考光孔35及第一参考光孔33聚焦于参考像素31。因此，参考端角度导光结构g1包含参考微透镜39、第一参考光孔33及第二参考光孔35。类似的，感测微透镜49的中心线、第一感测光孔43的中心线与第二感测光孔45的中心线呈对准关系。如此一来，感测光l3可以通过感测微透镜49、第二感测光孔45及第一感测光孔43聚焦于感测像素41。因此，感测端角度导光结构g2包含感测微透镜49、第一感测光孔43及第二感测光孔45，用于阻止参考光l2进入感测像素41，并将感测光l3导引至感测像素41(通过接收窗12接收感测光l3进入感测像素41)，使感测像素41产生感测电信号。
103.如图6所示，本例子类似于图5，差异点在于光参考区30及光感测区40还包含一第三遮光层36，其也是属于参考端与感测端角度导光结构的一部分。第三遮光层36位于第二遮光层34的上方、参考微透镜39的周围与感测微透镜49的周围，以遮挡杂散光免于进入参考像素31及感测像素41中。图4的多个感测像素41的架构也可应用到图6。
104.上述的第一至第三遮光层的材料可包含：金属材料(例如是集成电路工艺的最后一道金属材料)，例如钨、铬、铝或钛等，可通过例如化学气相沉积、物理气相沉积工艺(例如：真空蒸镀工艺(vacuum evaporation process)、溅镀工艺(sputtering process)、脉冲激光沉积(pulsed laser deposition，pld))、原子层沉积(atomic layer deposition，ald)、其他适合的沉积工艺、或前述的组合，来毯覆性地形成遮光层。在一些实施例中，遮光层可包含具有遮光特性的高分子材料，例如环氧树脂、聚酰亚胺等。
105.于另一例子中，也可以结合帽盖10的结构设计还进一步阻挡或限制参考光l2到达光感测区40。如图7a所示，帽盖10可以还包含一挡板结构13。挡板结构13连接至帽盖10的本体16，并且位于第一光轴a1与第二光轴a2之间，或者是说是位于光感测区40和光参考区30之间，或位于发射窗14与接收窗12之间。感测芯片44和挡板结构13在一纵向方向上隔开。当然挡板结构13的延伸方向也可能因为制造或光学考量而有一角度偏移，而非真正的垂直方向。挡板结构13并未接触该感测芯片44的上表面，使得挡板结构13与感测芯片44之间留有一空隙，可以说挡板结构13配合收发单元90将本感测模块的腔体11分割成分别位于接收窗12与发射窗14下方且局部互通的一接收腔体11b及一发射腔体11a，使得光感测区40位于接收腔体11b中，并使得光参考区30及发光单元20位于发射腔体11a中。挡板结构13可以还进一步限制更多来自发射腔体11a的参考光l2到达或进入接收腔体11b中的光感测区40，用于避免光感测区40依据参考光l2而产生杂散光信号，如此可降低发射腔体11a对接收腔体11b造成的杂散光干扰，亦即降低位于发射腔体11a中的发光单元20造成的杂散光对位于接收腔体11b中的光感测区40的干扰。挡板结构13具有锯齿状结构，并且与本体16形成一体成型
结构。锯齿状结构具有多个斜面，面向光参考区30，可以把杂散光往右边反射，使杂散光不会进入到光感测区40，提供多重的杂散光剔除效果。因此，挡板结构13没有将腔体11分割成两个互不连通的空间，这种设计在封装工艺上较好控制，因为封装上使用模具来形成倒u形结构，倒u形结构的四周与基板50接触才能形成帽盖10的周缘15，但是若挡板结构13的锯齿还要与感测芯片44直接接触，在公差上的要求必须是非常高，且锯齿因为是尖端，容易造成损坏。所以实际制作时，必须将挡板结构13设计成与感测芯片44不密合而隔开一个间隙，以简化制造流程，提升结构的稳定度，同时亦可避免两个腔体的环境条件(例如发光单元造成的温度升高)差异过大而使得参考像素与感测像素的特性差异过大。
106.值得注意的是，光感测区40包含上述的角度导光结构(参见图3至图6)，因为光感测区40的角度导光结构可以更进一步精准控制所欲接收的特定角度的光，故可更进一步阻挡其他杂散光进入感测像素41中。另外，挡板结构13也可以是非锯齿状结构，而在图7a的视角下呈现长方形结构，但仍与感测芯片44在纵向方向上隔开，以提供另一种选择。
107.如图7b所示，本例类似于图7a，差异点在于光参考区30包含上述的角度导光结构(参见图3至图6)，因为光参考区30的角度导光结构可以更进一步精准控制所欲接收的特定角度的光，故可更进一步精准控制所欲接收的参考光l2的入射角度。
108.如图8a至图8b所示，这两例分别类似于图7a至图7b，差异点在于tof光学感测模块100还包含一第二挡板结构46。第二挡板结构46连接于感测芯片44，并且位于第一光轴a1与第二光轴a2之间，或者是说位于光感测区40和光参考区30之间。第二挡板结构46与帽盖10在纵向方向上隔开，且第二挡板结构46与挡板结构13在一水平方向上隔开。当然，第二挡板结构46的延伸方向也可能因为制造或光学考量而有一角度偏移，非真正的垂直方向。挡板结构13与第二挡板结构46阻挡或限制参考光l2到达光感测区40。因此，第二挡板结构46可以更进一步避免通过挡板结构13的杂散光进入到光感测区40，提供多重的杂散光剔除效果。上述的隔开状况所造成的间隙所带来的好处也是因为制造上比较好控制。
109.如图9所示，光感测区40与光参考区30可以共用像素基板44a，但是在光参考区30与光感测区40之间的导光结构44b的一部分可以省略或移除，也就是那部分的导光结构44b有形成一个凹槽44c，使像素基板44a从凹槽44c露出。于此情况下，挡板结构13可以延伸进入凹槽44c中，达成遮光的效果，且定义该凹槽44c的两相对侧壁44d可以分别具有两纵向阻光结构47，以避免杂散光从导光结构44b输出到光感测区40中。
110.图10显示依据本发明较佳实施例的tof光学感测模块100的示意图。图11显示图10的两种感测单元的结构示意图。如图10与图11所示，本例子类似于图2a，不同之处在于用具有不同感测端角度导光结构的感测单元，来感测位于不同距离之处的物体，以提供多视场tof光学感测模块。
111.发光单元20具有一发射场fe1，并且通过发射窗14发出测量光l1。光感测区40包含多个感测单元41u与42u分别具有感测端角度导光结构g2及一第二感测端角度导光结构g2b，两者的导光结构不同而提供不同角度范围的视场fv1与fv2。例如，视场fv1的范围落在感测单元41u的法线的右半部，视场fv2的范围落在感测单元42u的法线的左右侧，但并未将本技术内容限制于此。借此，可以通过设计感测单元的视场达到不同距离范围的感测功能，来于同一时间点或不同时间点感测例如分别位于长距离与短距离的位置的物体。如图10所示，感测单元41u与42u通过接收窗12于同一模式下或不同模式下感测被位于不同距离之处
的不同物体f与f2反射回来的感测光l3以获得感测电信号。
112.如图11所示，于本实施例中，感测单元41u(42u)包含：至少一个感测像素41(42)，形成于像素基板44a上；一第一遮光层32，设置于感测像素41(42)上方，并具有至少一第一感测光孔43(43b)；及至少一感测微透镜49(49b)，位于第一遮光层32的上方。另外，一透明介质层38a位于感测像素41(42)与第一遮光层32之间，而一透明介质层38b位于感测微透镜49(49b)与第一遮光层32之间。借此，感测微透镜49与49b可以分别配合第一感测光孔43与43b以为感测像素41与42提供不同角度范围的视场fv1与fv2。
113.利用上述构造，于一短距离感测模式下，测量光l1通过发射窗14经过一段距离后照射在物体f，测量光l1被物体f反射，使物体f输出感测光l3，感测光l3通过感测微透镜49、透明介质层38b、第一感测光孔43、透明介质层38a而被感测单元41u的感测像素41接收到；以及于一长距离感测模式下，测量光l1通过发射窗14照射在物体f2，测量光l1被物体f2反射，使物体f2输出感测光l3，感测光l3通过感测微透镜49b、透明介质层38b、第一感测光孔43b、透明介质层38a而被感测单元42u的感测像素42接收到。可以理解的是，上述光孔及微透镜的配置仅为一个实施例，但并未将本技术内容限制于此，因为也可以利用其他的角度准直结构来达成类似的不同角度范围的视场fv1与fv2的效果，只要能使此些感测单元41u与42u的中心光轴41x与42x不平行且朝向适当的方位角即可。
114.如图10所示，在上述例子中，感测单元41u的视场fv1与感测单元42u的视场fv2没有任何重叠的部分。视场fv1与发射场fe1在物体f上有局部重叠区域oa1，故感测单元41u可以感测到来自物体f的感测光l3，而视场fv2与发射场fe1在物体f上没有重叠，故感测单元42u无法感测到来自物体f的感测光l3。另一方面，视场fv1与发射场fe1在物体f2上没有重叠，故感测单元41u无法感测到来自物体f2的感测光l3，而视场fv2与发射场fe1在物体f2上有局部重叠区域oa2，故感测单元42u可以感测到来自物体f2的感测光l3。
115.图12显示图11的两种感测单元的变化例的结构示意图。如图12所示，本例类似于图11，差异点在于感测单元41u(42u)还具有一透明介质层38c及一第二遮光层34，第二遮光层34具有第二感测光孔45(45b)，第二感测光孔45(45b)配合第一感测光孔43(43b)来达成光线导引限制的功能。第二遮光层34与第一遮光层32被透明介质层38c隔开以提供适当的间距。于此例中，可以提供进一步的阻光效果。当然，于又另一例子中，感测微透镜49(49b)可以设置有周边的阻光层(未显示)，避免微透镜周围的杂散光造成干扰。
116.图13显示图10的变化例的光路示意图。如图13所示，视场fv1与fv2有局部重叠，如此可以让感测单元41u感测更近距离及更远距离的物体。此外，亦可从图13看出，视场fv1与发射场fe1在物体f上有重叠，而在物体f2上没有重叠；以及视场fv2与发射场fe1在物体f2上有重叠，而在物体f上没有重叠。
117.图14与图15显示多种感测单元的两个例子的布局图。如图14所示，此些感测单元41u与42u交错排列成一个二维阵列。以微透镜及光孔的中心光轴而言，感测单元41u的第一感测光孔43相对于感测微透镜49的偏移量不同于感测单元42u的第一感测光孔43b相对于感测微透镜49b的偏移量，如此可以感测两种不同视场角(距离范围)的物体。如图15所示，以微透镜及光孔的中心光轴而言，第一感测光孔43相对于感测微透镜49的偏移向量，感测单元41u'的感测光孔43'相对于感测微透镜49'的偏移向量，感测单元42u'的感测光孔43b'相对于感测微透镜49b'的偏移向量，以及第一感测光孔43b相对于感测微透镜49b的偏移向
量可以是渐进式变化，可以感测四种不同视场角(距离范围)的物体。当然，也可能设置一个没有偏移量的感测单元当作渐进式排列的其中一个单元。
118.图16显示多种感测单元的视场的示意图。由图15的配置可以产生如图16所示的多个具有不同角度范围的视场fv1、fv1'、fv2'及fv2的感测单元41u、41u'、42u'与42u。感测单元41u、41u'、42u'与42u分别依据此些视场fv1、fv1'、fv2'及fv2的中心光轴41x、41x'、42x'、42x的方位角ag1、ag2、ag3及ag4渐进式(递增或递减)排列，其中方位角可以相对于水平线来定义。借此，可以感测更多距离范围的物体。另外，也可以根据不同的方位角，将中心光轴与感测单元的斜向距离转换成直向距离，例如，感测单元41u到物体f的距离等于感测单元41u到点p的距离乘以sin(ag1)，以修正斜向距离的误差。
119.值得注意的是，上述所有实施例，都可以适当的交互组合、替换或修改，以提供各式各样的组合效果。上述的tof光学感测模块可应用于各种电子设备，电子设备可以是行动电话、平板电脑、相机及/或可以装设于衣服、鞋子、手表、眼镜或是其他任意可穿戴结构中的可穿戴计算装置。在某些实施例中，tof光学感测模块或电子设备本身可以位于如轮船和汽车的交通工具、机器人或者任何其他可移动结构或机器中。
120.通过上述实施例的tof光学感测模块，可以适当地设计至少一种角度导光结构以及可选的杂散光剔除结构，可以有效隔绝噪声对感测像素的干扰，让距离感测结果更加稳定及准确，以供相关的应用。此外，在封装帽盖的内侧制作挡板结构，可以让工艺控制变得容易、简化制造流程、提升结构的稳定度、降低杂散光干扰及降低热干扰，进而提高感测像素的信噪比。另外，利用同一光学感测模块的不同角度导光结构，可以提供多距离范围的感测效果，获得远、中、近或甚至更多距离范围的物体的距离信息，借此距离信息可以提供各多样化的应用。
121.在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及权利要求限定的范围的情况下，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。