包括飞行时间传感器的光学成像模块和光学检测模块的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求以下美国临时专利申请的优先权益：2014年3月14日提交的序号61/953,089；2014年4月18日提交的序号61/981,235；和2014年5月1日提交的序号61/987,045。以前申请的内容以引用方式并入本文。

背景

一些手持式计算装置如智能电话可以提供各种不同的光学功能，例如一维(1d)或三维(3d)姿势检测、3d成像、接近检测、环境光传感和/或前置二维(2d)相机成像。

基于tof的系统，例如，可提供深度和/或距离信息。在一般情况下，tof系统基于所发射强度调制光的相位测量技术，所述光由场景反射。反射光在传感器上成像，并且光产生的电子在传感器中解调。基于相位信息，对于每一个像素，与场景中点的距离由与传感器相关联的处理电路来确定。

另外，基于tof的系统可经由脉冲测量技术来提供深度和/或距离信息。脉冲测量技术使用如上所述的发射器和传感器；然而，距离通过记录发射光反射回到传感器的时间来确定。

然而，将tof传感器整合至装置诸如智能电话、平板或其他手持装置中出于多个原因可为具有挑战性的。首先，主机装置中的空间通常是非常珍贵的。因此，需要获得具有相对小高度的准确tof传感器。其次，芯片的大小影响生产成本。因此，需要获得具有相对小覆盖面积的tof传感器。

虽然前述问题也可适用于其他类型的光学成像或检测传感器，但是另一个潜在问题对于tof传感器更具有特殊性。具体地说，通过像素来获得的距离测量应受例如由热漂移效应所导致的相位延迟影响较小。为了解决这类问题，在一些tof芯片中，tof距离测量的自校准通过提供测量来自照明源的光的参考像素来实现。使用这类参考像素就必须将来自照明源的一些光引导至参考像素，从而可能需要将所述参考像素与用于测量与场景距离的有源像素在光学上分离。

经由脉冲测量技术的基于tof的距离测量应受热漂移效应影响较小。举例来说，在一些情况下，开始从发射器最初发射光的精确时间可能由于热漂移效应而变得模糊不清。

概述

本公开描述包括传感器诸如飞行时间(tof)传感器的光学成像和光学检测模块。

描述各种实行方案，在一些情况下，所述实行方案可有助于减少有源检测像素与参考像素之间的光学串扰量且/或可促进传感器确定将要在例如距离计算中使用的精确相位差的能力。

在一方面，本公开描述光电模块，其包括照明源、包括空间分布检测像素和至少一个参考像素的传感器、安置于照明源和传感器上方的光学部件，和将模块的发射腔室与模块的检测腔室分隔的光屏障。光学部件具有照明源上方的第一透射区域和检测像素上方的第二透射区域。照明源和至少一个参考像素在发射腔室中，而检测像素在检测腔室中。另外，光电模块包括以下至少一个：(i)照明源上方的第一透射区域的表面上的部分反射涂层或(ii)发射腔室的表面上的反射涂层，其中涂层被布置成使得来自照明源的一些光被涂层朝向至少一个参考像素反射。

在另一方面，光电模块包括照明源上方的光学部件的透射区域的表面上的涂层，其中涂层是滤光片涂层、部分反射涂层、抗反射涂层或非透射涂层中的至少一个。

在另一个方面，光电模块包括安置于检测像素和/或参考像素上方的一或多个微透镜。

根据另一个方面，一或多个检测和/或参考像素中的每一个至少部分地由使像素的有效视场变窄的一或多个层的护罩来侧向包围。

根据另一个方面，光电模块包括印刷电路板，和安装于印刷电路板上或中的照明源。模块进一步包括空间分布检测像素和至少一个参考像素，这些像素在嵌入印刷电路板中的一或多个半导体传感器中实施。

另一个方面描述使用包括有源解调检测像素和一或多个参考像素的飞行时间传感器来确定至目标的距离的方法。方法包括在第一积分周期期间将有源解调检测像素积分并且在不同于第一积分周期的第二积分周期期间将一或多个参考像素积分。在第一积分周期之后的第一读出周期期间，从有源解调检测像素读出信号，并且在第二积分周期之后的第二读出周期期间，从一或多个参考像素读出信号。

如根据另一个方面所描述，光电模块包括被配置来调谐参考像素的积分时间的控制逻辑。

另一个方面涉及使用包括解调检测像素和一或多个参考像素的飞行时间传感器模块来确定至目标的距离的方法。方法包括测量来自具体解调检测像素和具体参考像素的感测值，并且至少部分地基于感测值和基于存储敏感性值来确定相位差，其中敏感性值指示具体解调检测像素与具体参考像素之间的光学串扰量。模块可包括用于实施所述方法的处理逻辑。

在另一个方面，光电模块包括安置于照明源和传感器上方的透射部件。相应黑色铬涂层在透射部件的相反表面上，其中黑色铬涂层中的每一个界定允许来自照明源的光传递到模块外部的透射窗口。开口在至少一个参考像素附近、在透射部件的传感器一侧提供于黑色铬涂层的一部分中。在一些情况下，黑色铬涂层的存在可增强反射至参考像素的光量；将黑色铬涂层的一部分以图案形式来提供可用于防止过量光入射至参考像素上。

其他方面、特征和优势从以下详细说明、附图和权利要求书而变得显而易知。

附图简述

图1示出tof相机系统的一般操作。

图2示出根据本发明的一些实行方案的光电模块的实例。

图3示出根据本发明的一些实行方案的光电模块的另一个实例。

图4示出根据本发明的一些实行方案的光电模块的另一个实例。

图5-7示出根据本发明的一些实行方案的光电模块的额外实例。

图8a-8d示出积分定时图的实例。

图9是在本发明的一些实行方案中确定相位差的方法的流程图。

图10是示出矢量以帮助理解图9方法的矢量图。

图11示出根据本发明的一些实行方案的光电模块的另一个实例。

详细描述

如图1中示出，tof相机系统20包括照明源22。将来自源22的调制发射照明光24朝向包括一或多个目标的场景26引导。引导至场景的总光学功率的一部分经由光学器件28被反射回到相机20，并且由3d成像传感器30来检测。传感器30包括解调像素34的2d像素矩阵32。每个像素34能够解调入射光信号25，所述光信号由光学器件28(例如，透镜)收集并且在成像传感器30上成像。电子控制单元36控制照明模块22和传感器30的定时以便实现其同步检测。

解调值允许每个像素34计算飞行时间，其进而直接对应于场景26中的对应点的距离信息(r)。具有距离信息的2d灰度图像可在数据输出接口38处转化成3d图像，所述接口包括图像处理器和/或其他控制和处理逻辑(例如，微处理器和/或其他电路)。3d图像可例如在显示器40上向使用者显示，或可用作机器视觉输入。

飞行时间(tof)通过解调从场景26反射并且入射于传感器30的有源像素34上的光信号来获得。不同调制技术是已知的，例如假噪声调制、脉冲调制和连续调制。然后，每个像素的至目标的距离可基于检测信号使用已知技术来计算。

传感器30可实施为例如集成半导体芯片，所述芯片还包括参考像素44的区域(例如，行)。在操作期间，来自照明源22的前向路径的光的一部分被反馈回到一或多个参考像素44。由参考像素44检测到的信号可用于重新计算与每一帧的零距离，从而促进tof距离测量的自校准。传感器芯片还可包括，例如，控制逻辑、解码器逻辑和读出逻辑。

图2示出包括光发射通道102和光检测通道104的光电模块100的实例。光发射器芯片106和tof传感器芯片108安装于印刷电路板(pcb)110的第一侧上。光发射器106是照明源的实例。在一些情况下，光发射器106可操作来产生相干、定向、光谱界定光发射。光发射器106的实例是激光二极管或垂直空腔表面发射激光器(vcsel)。

光学部件116横跨通道102、104并且包括对于由发射器106发射的光波长(例如，红外线辐射)大致上透明的透射窗口122a、122b。在一些情况下，如图2中示出，发射器和检测器窗口122a、122b通过形成光学部件116的一部分的不透明或大致上非透射区域131来彼此分离。来自发射器106的光经由发射器窗口122a引导至模块外部并且，如果被目标反射回到模块的检测通道104，可被tof传感器108感测。

tof传感器108可包括空间分布光敏元件(例如，有源解调检测像素)124的阵列以及一或多个光敏参考像素128。检测像素124和参考像素128能够感测由发射器106发射的波长下的光。检测像素124提供确定至模块外部目标的距离的主要信号。来自参考像素128的信号可用于补偿漂移且/或提供零距离测量。传感器108可例如使用电荷耦合装置(ccd)或互补金属氧化物半导体(cmos)技术来实施。在一些情况下，参考像素128位于与检测像素124同一传感器芯片上，但是在其他情况下，如下论述，其可位于不同芯片上。在一些情况下，可存在参考像素的阵列(例如，单行像素或多行像素)。典型地，与检测像素124相比，参考像素128少很多。

发射器106和tof传感器108可例如通过导电衬垫或引线接合来电气连接至pcb110。pcb110进而可电气连接至主机装置内的其他部件(例如，智能电话或平板)。

在图2的实例中，垂直护罩(即，光屏障)130在光学部件116与tof传感器108的表面之间延伸。大致上减弱光或对于由发射器106发出的光不透明(即，不透光)的护罩130被安置成使得检测像素124位于护罩的一侧并且参考像素位于护罩的另一侧。因此，参考像素128在护罩130的与发射器106相同的一侧安置于发射腔室102中。然而，检测像素124在护罩130的另一侧安置于检测腔室104中。此布置允许少量来自发射器106的光被透射窗口122a反射以便由参考像素128感测而不会将来自发射腔室102的光学串扰引入检测像素124。

在图2的示出实例中，光学部件116的在透射窗口122a、122b之间的非透射部分131可由与光屏障130相同的材料组成。

在一些实行方案中，发射腔室102的一或多个表面以滤光片、部分反射涂层、抗反射涂层和/或抗刮涂层涂布。举例来说，发射器窗口122a可包括安置于其顶侧或底侧(或两侧)上的涂层132，诸如滤光片涂层、抗反射涂层和/或不透明涂层(例如，黑色铬)。在一些情况下，发射器窗口122a的两侧具有提供在其上的相同涂层。在其他情况下，发射器窗口122a的顶侧和底侧具有不同涂层。此外，在一些情况下，一或两侧可具有两个(或更多个)不同涂层。涂层可对于光的一些波长(即，可被参考像素检测的波长)是部分反射的。因此，例如，被发射器窗口122a反射的一些光可入射于参考像素128上。在一些实行方案中，将无源光学元件安装于发射器窗口122a上或并入发射器窗口122a中。这类无源光学元件的实例包括反射膜片、衍射光学元件和/或折射光学元件诸如棱镜。

代替或附加于在发射器窗口122a的表面上提供部分反射涂层，反射涂层133可提供于光屏障130或光学部件116的非透射区域131的表面上。这类反射涂层可帮助将一些发射器光朝向参考像素128引导。

当来自发射器106的光被发射器窗口122a或发射腔室102的其他表面朝向参考像素128反射时，这类光优选地不入射至检测像素124上。在一些情况下，诸如图2的实行方案，光屏障130帮助防止由发射器窗口122a反射的光入射至检测像素124上。

虽然光屏障130可帮助减少检测像素124与参考像素128之间的光学串扰，将光屏障并入模块100中可增加模块的总覆盖面积和/或高度。因此，在一些情况下，在不需要光屏障130的情况下提供使用参考像素128的优势可为合乎需要的。在这些情况下，其他技术可用于解决光学串扰问题。这些其他技术的实例于下文描述并且可连同或代替光屏障130来使用。

在图2的实行方案中，检测像素124可具有相对宽视场(fov)以使得其感测来自宽角度的入射光。在一些情况下(例如，在没有光屏障130的模块中)，使检测像素124的fov变窄以减少被像素124感测的光学串扰量可为有利的。这可例如通过在检测像素124上方提供一或多个微透镜140来实现(参见图3)。

在一些情况下，微透镜140a还可安置于参考像素128上方。通过将微透镜140a稍微在发射器106方向上移位，参考像素128可收集来自发射器的更多光。这类布置还可帮助减少由参考像素128感测的光学串扰量。在一些实行方案中，省去参考像素上方的微透镜。

在一些情况下，提供微透镜140以使检测像素124的fov变窄可消除对于防止由发射器窗口122a反射的光入射至检测像素124上的光屏障130(参见图2)的需求。在不包括光屏障130的实行方案中，光学部件116的大致上减弱由发射器106发出的光或对于由发射器106发出的光不透明的部分131也可省去以使得透射窗口122a、122b不被不透光或不透明部分131彼此分离。消除对于光屏障130的需要可帮助减少模块的总大小，这对于模块将要整合至空间非常珍贵的手持装置诸如智能电话或平板中的应用可为有利的。

在一些实行方案中，堆叠144可作为护罩来提供于一个或多个像素124、128周围(参见图4)。可由例如金属或其他层组成的堆叠144可帮助界定检测像素124的fov并且可帮助减少由朝向检测像素反射的发射器光所导致的光学串扰。同样地，在参考像素128周围的堆叠144可帮助确保由发射器窗口122a反射的光入射至参考像素上，但是由模块外部目标反射的光不入射至参考像素上。相应堆叠144可部分地或完全地侧向包围每个个别像素124、128。此外，堆叠144可代替或连同图3的微透镜140、142来提供。

在一些情况下，如图5示出，传感器芯片108可嵌入于pcb110的层中。这类布置可促进参考像素128与有源检测像素124的光学分离，从而减少光学串扰。此外，pcb堆叠110本身的一或多个层110a可用于提供参考与检测像素之间的光学分离。通过将传感器芯片108嵌入于pcb110中，光屏障的设计可变得更容易，因为考虑到pcb110对于传感器108的固有保护，与材料和机械应力有关的考虑因素倾向于不太重要。此外，通过使用pcb110的层110a来提供光学分离，模块的总高度可保持相对较小。

在前述实例(包括图5的实例)中，单一传感器芯片108包括有源检测像素124和参考像素128(以及控制逻辑、解码器逻辑和读出逻辑)。在其他实行方案中，将参考像素128整合至与含有有源检测像素124的芯片108b分离的芯片108a中(参见图6)。可嵌入pcb110中的芯片108a、108b中的每一个也可包括适当控制逻辑、解码器逻辑和/或读出逻辑。将传感器芯片嵌入pcb层中可例如与本文描述的其他技术组合(例如，发射腔室的表面上的部分反射或其他涂层；将微透镜140、142添加于像素上方；将反射层144添加于像素周围)。

在一些情况下，除了将传感器芯片108a、108b嵌入pcb110中以外，发射器芯片106也可嵌入pcb层中(参见图7)。

在一些情况下，将传感器和/或发射器芯片108、106嵌入pcb110中可获得其他优势。举例来说，可避免接合引线的需要。消除倾向于易被机械振动损坏的接合引线的需要可为有用的。此外，接合引线引入寄生电容和电感，从而使得高频率应用更具有挑战性。因此，消除对于接合引线的需要可促进高频率应用。

在一些实行方案中，将传感器和/或发射器芯片108、106嵌入pcb110中还可帮助更好地保护芯片，因为仅芯片的钝化芯片表面得以暴露。

在一些实行方案中，有源检测像素124和参考像素128可具有同时发生的积分时间(即，曝光时间)。然而，在其他情况下，模块可使用多个不重叠积分时间(例如，一个用于有源检测像素124并且另一个用于参考像素128)。这类实行方案的定时的实例在图8a中示出。在一些情况下，可变积分周期152可用于有源检测像素124，而固定积分周期154可用于参考像素128。检测像素124的曝光时间可基于由场景26中的目标反射的信号的水平来调整以便例如减少信号噪声(s/n)比率。有源像素124可例如在第一周期156期间读出，并且参考像素128可在第二周期158期间读出。读出时间的持续时间可例如随着像素大小而变化。

在一些实行方案中，传感器的控制电路被配置来调谐参考像素的积分时间以便获得像素的情绪敏感性。改变参考像素的积分时间可提供改变像素的孔径大小的替代方案。举例来说，更长积分周期可对应于具有相对大孔径的像素，而较小积分周期可对应于具有相对小孔径的像素。在一些情况下，可调谐的积分时间可用于在相对于有源检测像素的积分周期的指定时间来启始(或结束)参考像素积分周期。图8b-8c示出可使用参考像素的可调谐积分时间来实现的实例。如图8b的实例示出，参考像素积分162在有源像素积分164的中间期间发生。相比之下，如图8c的实例示出，参考像素积分在有源像素积分周期164开始和结束时发生较短周期166、168，从而可导致随着时间的推移而发生的发射器106的热相位位移平均化。在一些情况下，具体参考像素在两个积分周期166、168期间积分。在其他情况下，第一参考像素可在第一积分周期166期间积分，并且不同第二像素可在第二积分周期168期间积分。

在一些情况下，诸如当传感器108具有多个参考像素128时，传感器的控制电路可控制参考像素以使得不同像素具有不同持续时间的积分周期。图8d示出实例，其中第一参考像素(或参考像素的子集)在具有第一持续时间的第一积分周期172期间积分，第二参考像素(或参考像素的子集)在具有比第一积分周期更长的第二持续时间的第二积分周期174期间积分，并且第三参考像素(或参考像素的子集)在具有比第二积分周期更长的第三持续时间的第三积分周期176期间积分。在所示实例中，像素中的每一个在接近于有源像素的积分周期中间的时间处积分，但是不一定对于所有实行方案都是这种情况。此外，积分周期172、174、176中的每一个比有源像素的积分周期164更短。

传感器的动态范围取决于每个像素可积聚的电荷的最大量。因此，对于一些实行方案，传感器的动态范围可通过增加参考像素128的最大电荷能力来增加。

在前述实例中，描述各种技术来帮助将检测像素124与参考像素128彼此光学分离以便减少光学串扰(即，减少由检测像素124感测的例如由发射窗口122a反射的光量，并且减少由参考像素128感测的由场景26中的目标反射的光量)。然而，如下所述，在一些实行方案中，甚至在这类光学串扰存在时，可确定相位差，并且由此确定至场景中的目标的距离。

举例来说，基于成像系统的以前校准，可确定具体检测像素124具有定义为两个感测信号的比率(aref/bref)的第一敏感性α，所述信号中的每一个由发射窗口122a(或发射腔室的其他表面)反射的光产生(图9，区块200)。在此情况下，aref表示由发射窗口122a(或发射通道的其他表面)反射的光产生的由检测像素124感测的光的分量，并且bref表示由发射窗口122a(或其他表面发射通道)反射的光产生的由具体参考像素128感测的光的分量。同样地，基于成像系统的以前校准，可确定参考像素128具有定义为两个感测信号的比率(aobj/bobj)的第二敏感性β，所述信号中的每一个由场景26中的目标反射的光产生。在此情况下，aobj表示由场景26中的目标反射的光产生的由参考像素128感测的光的分量，并且bobj表示由场景中的目标反射的光产生的由检测像素124感测的光的分量。通常，α和β中的每一个具有0与1之间的相应值，并且通常应具有更接近0的值。因此，敏感性α和β表示在参考与有源检测像素之间发生的光学串扰的指示。α和β的值可通过成像系统中的逻辑或存储器来存储(图9，区块202)。

在以下论述中，假定两个像素(即，检测像素和参考像素)具有彼此不同的敏感性(即，α和β是不同的)。将由两个像素中的每一个感测的信号测量并读出以分别获得参考矢量和目标矢量(参见图9，区块204；图10)。这些矢量中的每一个表示分别由参考像素128或检测像素124检测到的光的总量，并且因此每个矢量表示由具体像素感测的两个信号分量的总和(即，由发射窗口122a(或发射腔室的其他表面)反射的光所产生的由像素感测的光的第一分量和由场景26中的目标反射的光所产生的由同一像素感测的光的第二分量)。虽然两个信号分量彼此叠加，但是相位以及由此与场景中的实际目标的距离可通过传感器的处理逻辑计算如下：

其中：

(参见图9，区块206)。为了获得前述技术用于确定相位差的有利使用，各种像素的敏感性α和β应大致上与传感器模块定位的环境无关。

图11示出具有包括参考像素128的传感器的光电模块的一部分。在此实例中，光学部件116包括pcb基板110上方的透射盖(例如，盖玻璃)122。盖玻璃122的两侧分别涂布例如滤光片121a和121b。滤光片121a和121b可将由发射器106发出的特定波长或波长范围的光滤波。此外，滤光片121a、121b例如用黑色铬184a、184b涂布以防止经由盖玻璃122的串扰。滤光器121a、121b的相应部分未用黑色铬覆盖以便界定允许将来自发射器106的光从模块中传出去的透射窗口122c。光学部件116的传感器侧的黑色铬涂层184b的存在还可帮助增强从滤光片121b朝向参考像素128反射的光的量。在一些情况下，为了减少太多的发射器光由黑色铬层184b反射至参考像素128上的可能性，黑色铬层184b可以具有开口(例如，点、线、同心圆)的图案185b形式提供以便减少入射至参考像素128上的光的量。此外，黑色铬层184a可以具有开口(例如点、线、同心圆)的图案185a形式提供以便减少入射至参考像素128上的光的量。如图11的实例中示出，图案185a、185b包括其中没有黑色铬的开口186a、186b。因此，虽然黑色铬涂层184a、184b的存在可增强反射至参考像素128的光量，将黑色铬涂层的一部分以图案185a、185b形式提供可用于防止太多的光入射至参考像素128上。在一些实行方案中，黑色铬层184a、184b不一定以具有开口的图案185a、185b形式提供。举例来说，铬层184a、1854可以单一开口诸如圆形、正方形或其他几何形状提供。

在一些情况下，前述实行方案中的特征和技术的使用可产生小传感器模块(即，具有小高度和/或小覆盖区)。此外，前述实行方案可帮助减少或消除光学串扰。这类小模块可有利地整合至空间非常珍贵的装置诸如智能电话、平板和其他主机装置中。

前述实例可作出各种修改。此外，在一些情况下，来自不同实例的特征可整合于同一模块中。其他实行方案在权利要求书的范围中。