用于飞行时间测量的光学传感器模块和用于制造光学传感器模块的方法与流程

本发明涉及光学传感器模块和用于制造光学传感器模块的方法，特别是用于飞行时间测量的传感器模块。

用于飞行时间(tof)测量的光学传感器可应用于各种距离测量系统。示例包括相机自动对焦辅助系统，用于车辆的停车辅助系统以及用于自动驾驶车辆的控制或监控系统。tof传感器通常被实施到包括高度适应的传感器封装的专用传感器模块中。例如，tof传感器模块通常需要光学参考路径和测量路径，以便准确地检测光发射的时间戳和反射光(例如，激光束)的到达。用于tof的光学传感器模块通常包括单个的单光子雪崩二极管(spad)或spad的阵列，作为其主要光学检测器。为了实现高时间测量精度，除了测量spad之外，还可以使用参考spad或参考spad阵列。

主检测器和参考检测器的组合可以支持双差分测量原理。能够测量光源驱动器的电信号和参考检测器之间的时间延迟以及光源驱动器的电信号和主测量检测器之间的延迟。将两个结果相减得到飞行时间值并且易于取消驱动器电路、光源和读出电路的响应时间的系统误差。

tof传感器中的双差分测量原理通过将参考检测器与主检测器光学分离来支持，以便防止在测量检测器处检测到基于串扰的参考信号。通常希望保持传感器模块紧凑并且减小其形状因数。然而，另一方面，光学传感器模块的设计不应该用紧凑尺寸来换取准确度，准确度还取决于限定的参考路径和不期望的光学串扰的减少。因此，本领域需要解决这些问题的替代包装概念。

本发明的目的是提供用于时间飞行测量的光学传感器模块和用于制造该光学传感器模块的方法，这有助于紧凑的形状因子和改进的精度。

这些目标是通过独立权利要求的主题实现的。进一步的扩展和实施例在从属权利要求中描述。

应当理解，参照任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与下文描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或更多个特征、或者实施例的任何其他组合结合使用，除非明确地描述为替代方案。此外，在不偏离如所附权利要求中限定的光学传感器模块和制造光学传感器模块的方法的范围的情况下，也可以采用下面未描述的等同和修改。

在至少一个实施例中，用于时间飞行测量的光学传感器模块包括光发射器、主检测器以及布置在载体中或载体上的参考检测器。

例如，光发射器包括具有可见光、红外光或紫外光谱发射的光源，例如激光器、激光二极管或发光二极管。相应地，主检测器和参考检测器对由光发射器发射的辐射敏感。检测器的示例包括光学二极管、雪崩二极管(诸如单光子雪崩二极管(spad))或任何其他类型的cmos光电传感器。此外，检测器可以布置成线性或二维阵列，例如spad阵列。

通常，光发射器、主检测器和参考检测器是集成部件，或集成电路的一部分，并且可以通过额外的电子电路来补充，用于对其进行连接和操作。载体可以是衬底外壳的一部分并且包括相同的材料，或者是例如印刷电路板或衬底。一些光源可以配备有光源驱动器，该光源驱动器能够外部连接，或者集成到集成电路中，作为用于对上文所提到的进行连接和操作的额外电子电路的一部分。

光学传感器模块还包括不透明的外壳。外壳具有第一腔室和第二腔室，该第一腔室和第二腔室由光栅分隔开。外壳还包括具有主表面的盖部分。

可选地，外壳可以补充有布置在主表面上的盖板。然而，盖板可以是其中可以实现光学传感器模块的设备(例如移动电话或平板电脑)的一部分。

例如，外壳包括包括模制材料或另外的光学不透明材料。术语“光学不透明”是指对电磁辐射(例如，波长在光发射器的发射波长范围中的光)的不透明性。“不透明”还可以包括对例如红外光、可见光和/或紫外线辐射的不透明性。通常，如果没有另外说明的话，下文表述“光”是指可见光、红外光和紫外光谱中的电磁辐射。通常，外壳的材料和载体的材料相对于光发射器的发射都是不透明的。然而，这些材料可能会使入射光衰减而不是完全阻挡它。

此外，如果没有另外说明，第一和第二腔室至少对于波长在光发射器的发射波长范围内的光是半透明或透明的。第一和第二腔室可以填充有光学半透明或透明的材料，诸如模制材料。然而，腔室也可以不填充任何材料并且仅包含空气。

外壳布置在载体上使得光发射器位于第一腔室内部，主检测器位于第二腔室内部并且参考检测器位于第一腔室外部。

此外，盖部分的主表面的位置与载体相对。

术语“内部”用于表示相应的部件具有至少一个表面，所述至少一个表面与由腔室中的一个包围的容积接触或向其开放。例如，光发射器可以布置在载体中或载体上。当光发射器布置在载体上时，光发射器延伸到由腔室包围的容积中并且被认为是在腔室内部。当光发射器布置在载体中时，光发射器至少具有一个与由腔室包围的容积接触的表面，例如，其有效表面。在所有情况下，发射器都被认为是在腔室内。

然而，术语“外部”被用于表示相应的部件不在由腔室包围的容积内。然而，所述部件可以布置在其他腔室内部。此外，所述部件还可以布置在载体内部，或嵌入在载体中，但是不具有任何表面朝腔室容积打开或接触腔室容积。例如，参考检测器可以布置在载体中和光发射器的下方。在这种情况下，参考检测器可以被认为是在第二腔室外部和下方。

光发射器被布置和配置成通过在盖部分中的第一孔发射光。此外，主检测器被布置和配置成检测通过盖部分中的第二孔进入第二腔室的光。

在操作中，光发射器发射光，发射的光最终照射光学传感器模块外侧的标靶。

通常，发射被调制。例如，光发射器能够被脉冲调制或通过连续波(例如正弦波或方波)调制。在标靶位于光学传感器模块的视野中的情况下，光可以被反射回模块并最终经由第二孔进入第二腔室。主检测器产生指示反射光的强度的测量信号。经由标靶将光发射器与主检测器连接的光学路径将在下文中表示为测量路径。

此外，在光学传感器模块内部，参考路径建立在光发射器和参考检测器之间。参考路径由盖部分的主表面和载体限制。

换而言之，沿着参考路径传播的光不会离开外壳，而是保持在由盖部分的主表面和载体的外部表面所限制的体积内部。然而，参考路径可以至少部分地通过盖部分和/或载体材料的内部。例如，当光沿着参考路径传播时，光可以被衰减。在光学模块包括连接到主表面的盖玻璃的情况下，参考路径不经由玻璃延伸但是保持在主表面的下方。实际上，盖玻璃不被认为是外壳的一部分而是布置在外壳上。

在光学传感器模块的操作期间，参考检测器可以检测指示沿着参考路径传播的光的参考信号。因此，光学传感器模块可以提供两个信号，即，测量信号和参考信号。这两个信号确定在标靶的照射和标靶处的反射之间的相移。例如，参考信号确定发射的时间戳或开始时间并且测量信号确定反射的另一个时间戳或停止时间。相移，或开始时间和停止时间之间的差异指示朝向标靶传播的光的飞行时间，该飞行时间继而能够转换成距离。通常，能够通过集成到光学传感器模块中的部件或通过光学传感器模块外部的其他装置在片上执行必要的信号处理。

与现有技术系统相比，所提出的光学传感器模块允许显著地降低封装成本。特别地，能够实现紧凑的形状因子，因为参考路径位于模块内部。同时，减少了串扰，这产生飞行时间测量的精确度改进。实际上，由于光发射器布置在第一腔室中，主检测器布置在第二腔室中，以及参考检测器布置在第一腔室外部，可以减少从光发射器到检测器(特别是主检测器)的不希望的光学串扰和腔室之间的光泄漏。这使得确定的检测开始和/或停止时间更准确，因此tof更准确。

能够通过盖部分中的开口限定孔。可以精确地控制这些孔的尺寸和位置，例如通过光刻结构化工艺或通过盖部分上的模制工艺。特别地，能够使用光刻结构化以实现更小的特征尺寸并且与模制工艺相比可以更精确地确定孔。因此，能够微调参考路径和测量路径并且能够以特别精确的方式控制光学传感器模块中的光束的强度、位置和/或方向。这还可以减小光发射器和主检测器之间的不期望的光学串扰并且因此改善测量的精度。

在至少一个实施例中，第一孔和第二孔都位于光发射器的发射体或发射锥内。其中，发射体或发射锥包括空间中的至少理论上可以被发射器照射的所有点，例如，对于光学传感器模块内的固定的发射器位置和方向。

在至少一个实施例中，外壳、光发射器和参考检测器被布置成使得当光沿着参考路径传播时，通过光发射器发射的光的至少一部分到达参考检测器。这部分光可以通过由参考检测器生成参考信号来检测。

在至少一个实施例中，主检测器和/或参考检测器包括单光子雪崩二极管或简称spad。主检测器和/或参考检测器还可以包括spad的阵列。

在至少一个实施例中，光发射器包括垂直腔面发射激光器或简称vcsel。替代地，光发射器包括垂直外腔面发射激光器，简称vecsel。所述两种激光器类型都配置为发光。例如，发射能够是脉冲调制的或以连续波(例如正弦波或方波)调制的。

在至少一个实施例中，参考检测器和测量检测器被组合成单个检测器。例如，单个检测器能够被集成到单个管芯中并且能够在相同的检测器上限定不同的感兴趣区域以区分测量信号和参考信号。能够建立不同的读出序列以分别地读出测量和参考信号。替代地，在至少一个实施例中，参考检测器和测量检测器被实现为单独的检测器。例如，检测器能够被特别分离或集成到共同的管芯中但作为电可区分的实体。

在至少一个实施例中，光发射器的前侧面向盖部分的主表面。光发射器的后侧面向载体。参考检测器布置在光发射器的后侧的下方。由光发射器发射的光的至少一部分是经由后侧发射的。

例如，vcsel或vecsel等光发射器是表面发射器并且主要经由被示为前侧的有效表面发射光。然而，一些发射还经由其后侧发生。该特征能够用于通过将参考检测器直接布置在发射器的下方来建立与光发射器的后侧之间的参考路径。在这种情况下，光发射器可以嵌入在载体中或集成在布置在载体上的集成电路中。因此参考路径和参考检测器可以位于第一腔室外侧并且由于环绕材料而避免杂散光。

在至少一个实施例中，参考路径至少部分地在载体内部延伸。由光发射器发射的光沿着参考路径并且通过载体朝向参考检测器传播。

在操作中，光被耦合到载体中并且沿着参考路径衰减。即使载体可能是不透明的，也可能存在光发射器的发射的一些透射。例如，作为载体材料的硅具有非零的红外透射率。由于载体中的参考路径或通过载体的参考路径而产生的衰减有利于放松对额外滤波器(例如光学密度(od)滤波器)的要求。在一些实施例中，甚至可以免除任何另外的滤波器。此外，通过使用载体或其部分作为参考路径使得光学模块的整体设计更简单并且因此制造成本更低。

在至少一个实施例中，参考路径至少部分地经过波导。波导布置在盖部分和载体之间。

例如，波导是布置在外壳中的一维或二维结构。通常，波导是沿其尺寸引导电磁辐射的结构。例如，波导可以包括具有高介电常数并且因此具有高折射率的介电材料，并且波导可以被具有较低介电常数的外壳材料包围。波导通过全内反射来引导光。一种可能性是将波导布置在光屏障和载体之间的间隙中或者将间隙布置在光屏障中。因此，例如，波导连接了第一和第二腔室。

在至少一个实施例中，光屏障被设计成光功率限制器。光屏障限制参考路径使得光由光发射器沿着参考路径并朝向参考检测器发射的光在通过光屏障时被衰减。

光屏障被布置成阻挡光(例如，来自光发射器的发射)到达检测器。因此光屏障是减少光学传感器模块中的光学串扰的装置。然而，取决于光屏障的材料或设计，一定量的光可能泄漏并且最终由检测器中的一个或全部检测到。例如，外壳的材料在红外线中可能有一定的红外透射，或光屏障在第一腔室和第二腔室之间留下小的间隙。然而，通过选择材料和/或设计，光屏障能够布置成至少衰减光，即，光在功率上受到光学限制。这样，可以区分沿着参考路径传播的光与沿着测量路径传播的光。

在至少一个实施例中，光屏障包括用作光功率限制器的间隙。实际上，光屏障限制在盖部分和载体之间的间隙。间隙限制了参考路径使得仅仅光的一部分可以通过并且最终到达参考检测器。因此，沿着参考路径传播的光被衰减，即，在功率上受到光学限制。

在至少一个实施例中，光屏障包括作为光功率限制器的曲折结构。该曲折结构具有一组叉指。该组互相叉指包括至少一个连接到外壳的指部和至少一个连接到载体的指部。因此，曲折结构被分成两部分，一部分连接到外壳并且一部分连接到载体。因此，所述两部分不一定必须接触。

具有一组叉指的曲折结构使沿着参考路径传播的光衰减，或限制光的功率。因此，曲折结构减小了光学串扰并且支持改善的测量精确度。此外，曲折结构提供了将外壳(例如，光屏障)与载体分离的一种设计选择。换而言之，由于叉指，光屏障和载体之间可以没有直接连接。这提高了光学传感器模块的稳定性，传感器在机械应力下可能不那么容易损坏。此外，不需要在光屏障和载体之间提供另外的连接，这使得模块的制造更简单并且因此成本更低。

在至少一个实施例中，盖玻璃布置在盖部分的主表面上，在该盖玻璃和盖部分之间留下间隙。在光发射器和参考检测器之间建立另外的参考路径。另外的参考路径经由盖玻璃和盖部分之间的间隙延伸。

在至少一个实施例中，外壳包括框架主体。框架主体横向限制第一腔室和第二腔室。盖部分、框架主体和光屏障由连续的材料件构成。

特别地，框架主体和光屏障不单独制造并且在单独的工艺步骤中彼此连接，例如通过粘合剂。因此，可以避免在光屏障和框架主体之间的界面处的第一腔室和第二腔室之间的不希望的光泄漏。

在至少一个实施例中，光学传感器模块还包括测量单元。主检测器被配置成响应于由主检测器检测的光而生成测量信号。参考检测器被配置成响应于由参考检测器检测的光而生成参考信号。测量单元被配置成根据测量信号和参考信号计算飞行时间值。

例如，测量单元被配置成根据参考信号计算开始时间t1和根据测量信号计算停止时间t2。飞行时间值ttof由差值ttof＝t2-t1给出。

在至少一个实施例中，测量单元被配置成根据差值ttof＝t2-t1-toff计算飞行时间值，其中toff表示考虑到参考路径dref的长度的偏移时间，dref作为toff＝dref/c给出，其中c为光速。

在至少一个实施例中，测量单元、主检测器和参考检测器被集成到单个半导体管芯中。例如，单个集成电路包括具有以下部件中的一些或全部的测量单元：时数转换器、用于信号处理的处理器cpu(例如，微控制器)、易失和/或非易失存储器以及驱动电路。通常，光源(例如vcsel激光二极管)被连接到集成电路并且该集成电路仅包括驱动电路。然而，如果例如能够通过cmos工艺集成该部件，则单个集成电路也可以包括光源本身。

在至少一个实施例中，光学传感器模块包括用于聚焦由光发射器发射的光的一个或更多个发射器透镜和/或用于聚焦进入第二腔室的光的一个或更多个检测器透镜。各个透镜可以布置在腔室中的孔中或附近。例如，发射器透镜布置在外壳的一侧上的光发射器的上方(特别是正上方)，面向光发射器。特别地，发射器透镜可以覆盖第一孔。检测器透镜布置在外壳的一侧上的主检测器的上方(特别是正上方)，面向主检测器。特别地，发射器透镜可以覆盖第二孔。

在至少一个实施例中，盖玻璃实施为透明玻璃板或塑料板。

在至少一个实施例中，制造用于飞行时间测量的光学传感器模块的方法包括以下步骤。

将光发射器、主检测器和参考检测器布置在载体中或载体上。设置具有盖部分的不透明外壳。通过光屏障将所述外壳分隔成第一腔室和第二腔室。

将外壳布置在载体上，以使得光发射器位于第一腔室内部，主检测器位于第二腔室内部，并且参考检测器位于第一腔室外部。此外，将载体上的外壳布置成使得盖部分的主表面与载体相对。

此外，在外壳的盖部分中设置第一孔和第二孔。将光发射器布置和配置成通过在盖部分中的第一孔发射光。将主检测器布置和配置成检测通过盖部分中的第二孔进入第二腔室的光。

最终，在光学传感器模块内部的光发射器和参考检测器之间建立参考路径。参考路径由盖部分的主表面和载体限制。

该方法的进一步实施例易于从光学传感器模块的各种实施例得出，反之亦然。

在下文中，参考附图更详细的描述的上面给出的原理，其中给出了示例性实施例。

在下面的示例性实施例和附图中，相似或相同的元件可以各自具有相同的附图标记。然而，附图中所示的元件以及它们彼此之间的尺寸关系不应被视为真实比例。相反，可以夸大各个元件(例如层、部件或区域)以能够更好的说明或改善的理解。

图1a到1c示出具有曲折结构的光屏障的光学传感器模块的示例性实施例，

图2示出具有通过载体的参考路径的光学传感器模块的另一个示例性实施例，

图3示出主检测器和参考检测器堆叠的光学传感器模块的另一个示例性实施例，

图4示出具有通过载体的参考路径的光学传感器模块的另一个示例性实施例，

图5示出具有波导的光学传感器模块的另一个示例性实施例，

图6a到6c示出了具有测量单元的光学传感器模块的示例性实施例。

图1a至1c示出了具有曲折结构的光屏障的光学传感器模块的示例性实施例。

图1a示出了具有曲折的结构的光屏障lb的光学传感器模块的侧视图。

模块包括载体ca和布置在载体上的不透明外壳。外壳包括将外壳分成第一腔室c1和第二腔室c2的光屏障lb。第一腔室c1和第二腔室c2由布置在外壳中的框架主体进一步横向限制。盖部分cs与载体ca相对并且因此覆盖腔室c1、c2。盖部分cs具有主表面ms，主表面ms基本上平行于载体ca的主表面。盖部分cs、框架主体fb和光屏障lb都由连续的材料(例如，模制材料)件制成。光屏障lb包括叉指状的曲折结构，叉指分别部分地连接到载体ca和外壳。曲折结构将在图1b中更详细的讨论。

载体ca向集成在光学传感器模块中的电子部件提供机械支撑和电连接。例如，在该实施例中，载体ca包括印刷电路板(pcb)。然而，在其他实施例中(未示出)，载体ca也能够是外壳的一部分，例如，作为以上所提到的连续材料件的一部分，例如，模制材料和电子部件被嵌入在外壳中。

光发射器em位于第一腔室c1内部。在该特定实施例中，光发射器om布置在载体ca上并且电连接到载体ca，例如，电连接到pcb。光发射器om是诸如vcsel或vecsel的激光二极管。所述这些类型的激光器被配置成在电磁光谱的红外部分发光。

主检测器md和参考检测器rd被布置在第二腔室c2内部，例如，布置在载体ca上。在特定实施例中，检测器md、rd被集成在单个检测器管芯中，例如以cmos工艺制造的单个半导体集成电路。检测器md、rd能够实现为参考spad阵列和测量spad阵列，所述参考spad阵列和测量spad阵列被组合成能够分别用于测量光学参考信号和测量信号(如下)的单个spad阵列。

第一孔a1和第二孔a2被布置在盖部分cs中。第一和第二孔a1、a2分别位于光发射器om和主检测器md的上方。实际上，孔a1、a2分别位于光发射器om的发射锥和主检测器md的视场内。其中，发射锥包括空间中的至少理论上可以被光发射器oe(例如，对于光学传感器模块内的固定的发射位置和朝向)照射的所有点。类似地，主检测器md的视场包括空间中的所有这样的点，至少在理论上，在外部的标靶tg处反射后的光可以朝向主检测器md穿过，例如，对于光学传感器模块内的固定的检测器位置和定位。

光学传感器模块可选的由光学透明或半透明的盖板cp覆盖，例如由玻璃或塑料材料制成。盖板cp通常是更大设备(例如，其中集成了光学传感器模块的移动设备)的一部分。出于设计原因，盖板cp可以设置有材料层ly，该材料层ly分布在盖板cp的内主表面si上，包括例如光学不透明涂层oc。光学不透明涂层oc能够实施为油墨涂层，特别是黑色油墨涂层。

在操作中，光发射器oe发射具有在ir或uv/vis中的发射波长或发射光谱的光。在许多应用中，红外线发射是优选的，因为它对人类视觉是不可见的。光发射器包括垂直腔表面发射激光器(vcsel)，或垂直外腔表面发射激光器(vecsel)，其主要在ir中发射。光发射器oe的发射通常是经调制的，例如，发射被脉冲调制或通过连续的波来调制。例如，脉冲可以具有khz范围内的频率，例如80khz。

光发射器oe位于外壳内，使得发射的光的至少一部分经由第一孔a1离开模块。光的这部分(表示为测量部分)最终至少部分地被外部物体或标靶tg反射。主检测器md位于模块中，使得反射的光可以通过第二孔a2进入第二腔室c2并且因此由主检测器md检测。主检测器md响应于检测的光生成测量信号。通过标靶tg将光发射器oe与主检测器md连接的光学路径建立测量路径mp，并且沿测量路径传播的光形成光的测量光束mr。

另外，在光学传感器模块中建立参考路径rp，并且该参考路径rp将光发射器oe与参考检测器rd光学连接，而不经由任何外部标靶。因此，另一部分(在下文中表示为参考部分)沿着参考路径传播并且形成参考光束rr。参考光束rr的光至少部分地由参考检测器rd检测，参考检测器rd又基于检测到的光产生参考信号。测量信号和参考信号是对测量路径的飞行时间特性的测量，并且能够转换为距离(模块和标靶之间)。信号处理和飞行时间计算在测量单元mu中执行，该测量单元mu在该特定实施例中与其他部件一起集成到由同一半导体芯片管芯sd制成的集成电路ic中，并且包括主检测器md和参考检测器rd。将参考图6a至6c讨论进一步的细节。

图1b更详细地示出了叉指曲折结构。曲折结构分成两部分，连接到外壳的上部分up和连接到载体ca的下部分lp。每个部分包括至少一个指状物并且指状物以互相交叉的方式布置。因此，两部分和叉指不接触并且由此在光屏障lb的范围内将外壳和载体ca彼此分离。

曲折结构是参考路径rp的一部分并且用作光功率限制器，即，它限制了参考路径rp，使得参考光束rb在通过光屏障lb和曲折结构时衰减。曲折结构被添加为光功率限制器，以便防止串扰使主检测器md和参考检测器rd饱和。

在另一个实施例(未示出)中，作为曲折结构的替代或除曲折结构以外，光屏障lb包括作为光功率限制器的间隙gp，并将该间隙限制在盖部分cs和载体ca之间。在这种情况下，参考光束需要通过间隙gp并且也在途中衰减。尽管如此，间隙gp提供了作为光功率限制器的明确定义的光学路径，以便防止串扰使主检测器md和参考检测器rd饱和。

图1c示出了光学传感器模块的顶视图。在附图中的盖部分cs仅通过将第一孔a1和第二孔a2显示为圆形来示意。光发射器oe相对于第一孔a1居中并且布置在第一腔室c1中。主检测器md与参考检测器rd一起相对于第二孔a2居中。与测量单元mu一起，检测器与集成电路ic集成到同一半导体管芯sd中。集成电路ic被布置在第二腔室c2中。检测器md、rd和光发射器oe位于垂直于载体ca的共同平面中，即载体ca的主表面ms。

图2示出了具有通过载体ca的参考路径rp的光学传感器模块的另一个示例性实施例。光学传感器模块的总体设计基于图1a到1c中所解释的设计。然而，光屏障lb能够设计为将外壳与载体ca连接的结构特征，而不是曲折结构。

此外，参考路径rp至少部分的通过载体ca。例如，在载体ca包括衬底或印刷电路板的情况下，载体材料对光发射器oe的发射有一些透明，以引导通过衬底或pcb到参考检测器rd的串扰。例如，作为载体材料的硅具有一定的红外光透射率。同时，通过载体ca传播的光被衰减，以便不使检测器饱和。

类似于图1a至1c，光学传感器模块位于盖板cp下方，例如，布置在盖部分cs的主表面ms上，在盖板cp和盖部分cs之间留下间隙。该间隙为另外的参考路径rp‘提供了空间，该另外参考路径rp¹通过经由盖板cp和盖部分cs之间的另一个间隙gp’来引导发射的光而将光发射器oe和参考检测器rd光学连接。另外参考路径rp’产生能够用于tof测量的另一个参考光束。

图3示出了光学传感器模块的另一示例性实施例，具有主检测器md和参考检测器rd的堆叠。光学传感器模块的总体设计再次基于先前图中所呈现的设计。光屏障lb在载体ca(或集成电路ic)与外壳之间留下间隙gp。因此，外壳至少在光屏障lb的范围内不与载体ca或集成电路ic接触。此外，包括主检测器md、参考检测器rd和光发射器oe的集成电路ic跨越载体ca并且位于第一和第二腔室c1、c2中。

光发射器oe具有面向第一腔室c1并朝向第一孔a1的前侧fs。光发射器oe还具有面向载体ca的后侧bs。光发射器oe经由其后侧bs连接到集成电路ic。在光发射器oe的后侧bs的正下方，参考检测器rd与光发射器oe堆叠，并且从而集成到集成电路ic中并位于第一腔室c1的外侧。实际上，当从上方(即，从垂直于载体ca的主表面的方向)观察时，参考检测器rd的有效表面被光发射器oe的后侧bs完全覆盖。

已知一些光发射器oe(例如vcsel激光二极管)经由其后侧bs发射少量光子。在该实施例中，vcsel直接堆叠在参考检测器rd(例如，作为参考spad阵列)上方。因此，它保护参考检测器rd免受阳光照射。后侧bs发射的光子累积并建立参考光束，并且能够通过参考检测器rd(或参考spad阵列)检测到，这产生高的信噪比，例如在参考spad阵列的直方图中所示(参见图6c)。参考路径rp建立在包括光发射器oe和参考检测器rd的堆叠内。

图4示出了具有通过载体ca的参考路径rp的光学传感器模块的另一个示例性实施例。该实施例部分类似于图3中所示的实施例，并且部分类似于图2中所示的实施例。

例如，光屏障lb将外壳分成第一腔室c1和第二腔室c2。光屏障lb与外壳接触或部分接触，并与载体ca连接。因此，在光屏障lb和载体ca之间不存在间隙。然而，第一腔室c1仅包括光发射器oe，并且参考检测器rd位于第一腔室c1的外侧。第二腔室c2通过另外的光屏障lb’分成两个子腔室，该另外的光屏障lb’类似于图3的光屏障lb。第一子腔室si包括主检测器md，并且第二子腔室s2包括参考检测器rd。

另外的光屏障lb’在载体ca(或集成电路ic)与外壳之间留下间隙gp。因此，至少在另外的光屏障lb’的范围内，外壳不与载体ca或集成电路ic接触。此外，集成电路ic包括主检测器md，并且参考检测器rd跨越载体ca并且位于第一和第二子腔室s1、s2中。

在该实施例的修改中，另外的光屏障lb’还可以包括或补充有如图1a至1c所示的曲折结构。此外，光发射器oe具有后侧发射，并且类似于图2的实施例，参考路径rp至少部分地通过载体ca，例如衬底或pcb。本实施例中的参考路径rp进一步补充有载体衬底或pcb上的一个或更多个金属层ml和/或通孔vi，其布置在载体ca的表面上。这允许将管芯与光发射器oe(例如vcsel)分离。该方法由光发射器oe的修改设计支持，在该设计中，oe在其顶侧具有两根键合线bw，以便防止底侧在制造过程中被金属层覆盖。

图5示出了具有波导wg的光学传感器模块的另一个示例性实施例。该实施例基于图3并且示出了具有后侧发射的光发射器oe(例如vcsel激光二极管)的另一种方案。

波导wg放置在载体ca、集成电路ic和外壳之间的光屏障lb的间隙gp中。波导wg连接第一腔室c1和第二腔室c2。此外，波导wg具有在参考检测器rd上方延伸的重叠部ol并且因此覆盖参考检测器免受光照。主检测器md和参考检测器能够实现为单个检测器或者位于集成电路ic之上或之中，彼此紧邻。换而言之，波导wg布置在集成电路ic的表面上。

在操作中，光子经由光发射器的背侧bs发射并且通过波导wg被引导到位于邻近主检测器md的参考检测器rd。vcsel可以安装在集成电路ic上，在波导wg的上方。波导wg将在集成电路ic上方传送信号，并且主检测器md和参考检测器rd都可以放置在相同的区域中。波导wg还阻挡其他光学路径和发射路径，并且仅看到参考路径rp。这使得芯片布图(时序)更好，因为所有检测器(例如，spad)能够彼此相邻。

图6a至6c示出了具有测量单元的光学传感器模块的示例性实施例。测量单元包括若干部件，以便使用光学传感器模块运行和协调飞行时间测量。实际上，本文提出的所有实施例都具有相同或相似的操作原理，这将在下面讨论。

图6a示出了没有外壳的光学传感器模块。该模块基于上面所讨论的载体ca。在示例性实施例中，载体包括衬底和印刷电路板pcb。pcb具有多个端子，以便电接触其部件。

例如，端子gnd、vdd和sda、scl分别布置用于供电和与模块通信。集成电路ic与印刷电路板和各个端子连接。

集成电路ic包括测量单元mu、主检测器md和参考检测器rd，即，所有都集成到单个半导体管芯sd中。例如，主检测器md和/或参考检测器rd包括单光子雪崩二极管、spad或spad的阵列。

测量单元mu包括时数转换器tdc、用于信号处理的处理单元pu(例如微控制器)、易失性vm和/或非易失性存储器nm以及驱动电路dr。这些部件的相互作用使测量单元mu能够进行飞行时间测量，如下文中将讨论的。

通常，光发射器oe包括垂直腔表面发射激光器(vcsel)或垂直外腔表面发射激光器(vecsel)。这些部件能够集成到集成电路ic中，但是如图所示，将它们外部连接到集成电路ic通常更经济。特别地，光发射器oe被连接到驱动电路dr，驱动电路dr是集成电路ic的一部分，即集成到集成电路ic中，并且经由驱动器端子d1、d2访问。

测量单元mu接收来自主检测器md的测量信号和来自参考检测器rd的参考信号。例如，通过一个或更多个时数转换器tdc将所述这些信号被分别转换为相应的数字信号。这些数字信号可以保存或累计到存储器中，用于后续信号处理。检测器和光发射器oe的定时和控制也由测量单元mu控制，例如，通过驱动电路dr同步检测和发射。

处理单元pu或微控制器进行飞行时间测量。例如，处理单元pu配置成从参考信号的到达确定发射的开始时间t1，并且从测量信号的到达确定发射的停止时间t2。飞行时间值ttof由差值ttof＝t2_t1给出。

处理单元pu还能够考虑偏移时间，偏移时间考虑了由toff＝dref/c给出的参考路径dref的长度，其中c是光速。然后产生飞行时间值ttof＝t2_t1_toff。

一旦飞行时间值已经确定，就能够将其转换为距离值，该距离值表示光学传感器模块和标靶tg之间的距离。

在脉冲调制操作中，光发射器oe照射标靶tg一段短暂的时间δt＝t2_t1，并且在主检测器md(例如，spad阵列)的像素处对反射光进行采样。这可以通过使用两个窗口w1和w2来实现，这两个窗口w1和w2在相同的时间段t2_t1期间不同相。在这些窗口期间累积的电荷产生两个测量信号m1和m2。距离值d由下面给出：

通过图6b和6c中所示的直方图的累加来促进时间差δt的测量。图6b示出了单个检测器封装(例如，图1a至1c中所示的)的典型直方图。该直方图，即，随着时间t的强度分布，示出了参考峰值p1和测量峰值p2。图6c示出了堆叠的vcsel方案的测量和参考直方图。参考spad阵列包含了非常明确定义的参考峰值pi，并且几乎没有背景噪声。顶部上的图表示出了发射峰值p3，中间的图表示出了仅用于比较的另一个参考峰值。

附图标记

a1第一孔

a2第二孔

bs后侧

bw结合线

c1第一腔室

c2第二腔室

ca载体

cp盖板

cs盖部分

dr驱动电路

d1驱动端子

d2驱动端子

ic集成电路

fb框架主体

fs前侧

gnd电源端

gp间隙

gp’间隙

gs引导结构

i强度

if互相交叉的指状物

oe光发射器

lb光屏障

lb’附加的光屏障

lp下部分

ly层

md主检测器

ml金属层

mp测量路径

ms主表面

mu测量单元

nm非易失性存储器

oc不透明涂层

ol叠层

pi参考峰值

p2测量峰值

pu处理单元

rd参考检测器

rp参考路径

rp’附加的参考路径

scl通信终端

sd半导体管芯

sda通信终端

s1第一子腔室

s2第二子腔室

si内表面

t时间

tdc时数转换器

tg目标

up上部分

vdd电源端

vi通孔

vm易失性存储器

wg波导