光學裝置、使用微透鏡的感光元件及其制作方法
【專利摘要】一種光學裝置，包括基板、發(fā)光元件、感光元件以及多個微透鏡。發(fā)光元件被配置于基板上并適于提供光束。感光元件被配置于基板上并適于接收物體所反射的光束，其中感光元件具有陣列排列的多個感光單元。微透鏡設置于感光元件上方，且微透鏡分別對應于相對的感光單元。一種使用微透鏡的感光元件及其制作方法也被提出。
【專利說明】光學裝置、使用微透鏡的感光元件及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是有關于一種光學裝置，且特別是有關于一種尺寸小、成本低廉和組裝容易的優(yōu)點的光學裝置。
【背景技術】
[0002]圖1A為已知光學裝置感測手勢移動的示意圖，而圖1B則為圖1A的光學裝置100的剖面示意圖。請同時參考圖1A和圖1B所示，光學裝置100包括封裝殼體110、發(fā)光元件120、感光元件130以及聚光透鏡140。封裝殼體110具有出光口 112和收光口 114，其中位于封裝殼體110內(nèi)的發(fā)光元件120所產(chǎn)生的光束LO會由出光口 112射出，而位于封裝殼體110內(nèi)的感光元件130則適于通過收光口 114接收被移動物體101所反射的光束LI而形成圖像。另外，聚光透鏡140裝設于收光口 114處，用以收集被移動物體101所反射的光束LI并在感光元件130上會聚成像。
[0003]傳統(tǒng)的光學裝置100主要是使用單一聚光透鏡140進行圖像成像，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，雖然采用Fresnel透鏡可達到降低整體厚度的目的，但是仍無法有效地降低光學裝置100的整體成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種光學裝置，其具有尺寸小、成本低廉和組裝容易的優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明還提供一種使用微透鏡的感光元件及其制作方法，其適用于在前述的光學裝置上且具有相同的優(yōu)點。
[0006]本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點可以從本發(fā)明所披露的技術特征中得到進一步的了解。
[0007]為達上述的部分或全部目的或是其他目的，本發(fā)明提出一種光學裝置，包括基板、發(fā)光元件、感光元件以及多個微透鏡。所述發(fā)光元件配置于所述基板上并適于提供光束。所述感光元件包含陣列排列的多個感光單元并配置于所述基板上以適于接收物體反射所述光束所形成的反射光束。所述微透鏡設置于所述感光元件上方并分別對應所述感光單元。
[0008]本發(fā)明還提出一種使用微透鏡的感光元件的制作方法，包括下列步驟:提供感光元件，其中所述感光元件包含陣列排列的多個感光單元；在所述感光元件上形成保護層；在所述保護層上形成至少二層圖案化金屬層以形成多個光通道，其中所述光通道分別對應所述感光單元；形成多個微透鏡對應所述光通道。
[0009]本發(fā)明還提出一種使用微透鏡的感光元件，包括多個感光單元、擋光堆迭層以及多個微透鏡。所述感光單元以陣列排列。所述擋光堆疊層形成于所述感光單元上并包含分別對應所述感光單元的多個光通道，其中部分所述光通道朝向遠離陣列中心的方向傾斜一個傾斜角。所述微透鏡設置于所述擋光堆迭層上并分別對應所述光通道。
[0010]本發(fā)明各實施例中，所述光學裝置更包括設置于所述感光元件上的擋光堆迭層；其中，所述擋光堆疊層包含對應所述感光單元的多個光通道朝向遠離所述感光元件的中心的方向傾斜一個傾斜角，用以限制入射至所述感光單元的反射光束的入射角度。[0011]本發(fā)明各實施例中，所述擋光堆迭層位于所述微透鏡與所述感光元件之間。
[0012]如上所述，本發(fā)明的光學裝置可通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(tǒng)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并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制作成本。另外，本發(fā)明的光學裝置借由在相鄰的感光單元的周邊堆疊有擋光堆疊層，用以限制入射至各感光單元上的反射光束的入射角度，如此可達成判斷物體移動的功能并減少雜散光或漏光的影響；其中，每一個感光單元可包含一個或多個光二極體。
[0013]為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖式作如下詳細說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1A為已知光學裝置感測手勢移動的示意圖；
[0015]圖1B則為圖1A的光學裝置的剖面示意圖；
[0016]圖2A為本發(fā)明實施例的光學裝置的剖面示意圖；
[0017]圖2B則為圖2A的光學裝置的局部放大示意圖；
[0018]圖2C則為圖2A的光學裝置的另一局部放大示意圖；
[0019]圖3A-圖3D為本發(fā)明實施例的使用微透鏡的感光元件的制作方法的示意圖；
[0020]圖4A-圖4E為本發(fā)明實施例的使用微透鏡的感光元件的制作方法的另一示意圖；
[0021]圖5為本發(fā)明實施例的使用微透鏡的感光元件的制作方法的流程圖；
[0022]圖6為本發(fā)明實施例的光學裝置的另一剖面示意圖。
[0023]附圖標記說明
[0024]100、200光學裝置
[0025]110、260封裝殼體
[0026]120,220發(fā)光元件
[0027]130,230感光元件
[0028]140聚光透鏡
[0029]112,262出光口
[0030]114、264收光口
[0031]101、270物體
[0032]LO光束
[0033]LI反射光束
[0034]210基板
[0035]232感光單元
[0036]240微透鏡
[0037]250擋光堆迭層
[0038]252透光材料層
[0039]254不透光堆迭層
[0040]SI第一容置空間[0041]S2第二容置空間
[0042]310保護層
[0043]320第一圖案化金屬層
[0044]330第二圖案化金屬層
[0045]Θ、Θ1、Θ2入射角度
[0046]DUD2偏移距離
[0047]C光通道
[0048]S41-S44步驟。
【具體實施方式】
[0049]有關本發(fā)明的前述和其他技術內(nèi)容、特點與功效，在以下配合參考圖式的較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現(xiàn)。以下實施例中所提到的方向用語，例如:上、下、左、右、前或后等，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并非用來限制本發(fā)明。
[0050]圖2Α為本發(fā)明一實施例的光學裝置的剖面示意圖，而圖2Β和2C則為圖2Α的光學裝置的局部放大示意圖。請同時參考圖2Α、2Β和2C，本實施例的光學裝置200包括基板210、發(fā)光元件220、感光元件230以及多個微透鏡240，光學裝置200用以檢測物體270。發(fā)光元件220和感光元件230可配置于基板210上并與基板210電性連接，如圖2Α所示。在另一未繪示的實施例中，發(fā)光元件220與感光元件230也可分別配置于不同的基板上，圖2Α僅是用以繪示一實施例，并非用以限定本發(fā)明。
[0051]本實施例中，基板210可以是采用硬式電路板、軟式電路板或是導線架(LeadFrame)的態(tài)樣，此部分可依不同需求而有不同的設計，因此圖2A并非用以限定本發(fā)明。另外，發(fā)光元件220適于提供光束LO ;其中，發(fā)光元件220可以采用發(fā)光二極體元件，且發(fā)光元件220所提供的光束LO可具有不可見光的光波長，如:紅外光或紫外光，此處以紅外光作為舉例說明，但不僅限于此。其它實施例中，發(fā)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可以是采用CXD圖像傳感器或是CMOS圖像傳感器，其中，此處以CMOS圖像傳感器作為實施態(tài)樣。感光元件230適于接收物體270反射光束LO所形成的反射光束LI。
[0052]具體來說，感光元件230具有陣列排列的多個感光單元232 ;其中，每一個感光單元232可包含至少一個光二極體(photodiode, F1D),用以將光能量轉換成電信號,且感光單元232的周邊堆疊有擋光堆疊層250。擋光堆迭層250設置于感光元件230上；其中，擋光堆迭層250包含分別對應感光單元232的多個光通道C(如圖2C)，其朝向遠離感光元件230的中心的方向傾斜一個傾斜角Θ，用以限制入射至感光單元232的反射光束LI的入射角度(即入射角度等于傾斜角)。借此，使感光元件230可達成判斷物體移動的功能并減少雜散光或漏光的影響，如圖2B和2C所示。詳細來說，擋光堆迭層250可包含有透光材料層252和不透光堆迭層254，其中透光材料層252覆蓋于感光單元232上用作反射光束LI入射至感光單元232的光通道C，而位于擋光堆迭層250內(nèi)的不透光堆迭層254則是用以限制入射至感光單元232上的反射光束LI的入射角度Θ，擋光堆迭層250的制作方式可使用傳統(tǒng)的半導體蝕刻制程進行，在此不再贅述。不透光堆迭層254可為金屬材料或非金屬材料(本發(fā)明中以金屬為例進行說明)。此外，為避免反射光束LI于入射至感光單元232時被不透光堆迭層254反射，所述不透光堆迭層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LI以增加感測效果，光通道的傾斜角Θ較佳與光通道至感光元件230的中心的距離成正相關，以使得感光單元232接收的反射光束LI的入射角度與光通道至感光元件230的中心的距離成正相關；也即，越靠近感光元件230邊緣的光通道具有越大的外傾的傾斜角Θ，以使得相對應的感光單元232接收具有較大入射角度的反射光束LI。
[0053]另外，微透鏡240設置于感光元件230上并分別對應感光單元232，如圖2A所示；也即，若微透鏡240導光效果良好，擋光堆迭層250可不予實施。當本實施例的光學裝置200包含擋光堆迭層250時，微透鏡240分別對應光通道C并設置于擋光堆迭層250上，以使得擋光堆迭層250位于微透鏡240與感光元件230之間。具體來說，本實施例的每一個感光單元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(tǒng)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，同時也可使得光學裝置200的整體厚度或大小有效地被縮減、制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可通過在感光元件230上配置有相對應的微透鏡240，以有效地減少傳統(tǒng)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制作成本。
[0054]第2B圖實施例中，每一個感光單兀232顯不為對應單一微透鏡240和單一光通道。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上可對應多個相同或不同的微透鏡240以及多個光通道C，例如圖2C顯示每一個感光單元232對應兩微透鏡240以及兩光通道C，以解決于較大的感光單元232上制作較大的微透鏡240的困難并可增加信號的強度。詳細來說，微透鏡240本身的制作尺寸通常會較小，因此若感光單元232本身的體積較大時便可在單一感光單元232上形成多個微透鏡240，以使光線可有效地被收集。換言之，形成于感光單元232上方的微透鏡232以及光通道C的數(shù)量可根據(jù)感光單元232的尺寸決定外，還可視微透鏡232本身易于制作在感光單元232上方的制程精準度而定，上述僅是用以舉例說明，非僅限于此。例如一實施例中，當每一個感光單元232對應多個光通道C和多個微透鏡240時，對應至相同的感光單元232的光通道C的傾斜角Θ相同且微透鏡240的聚光角度相同，以限制反射光束LI的入射角度為相同，如圖2C所
/Jn ο
[0055]另外，光學裝置200還可包括封裝殼體260 ;其中，封裝殼體260設置在基板210上并具有出光口 262和入光口 264。本實施例中，當封裝殼體260設置于基板210上時會形成第一容置空間SI與第二容置空間S2 ;其中，第一容置空間SI可容置有前述的發(fā)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。位于第一容置空間SI內(nèi)的發(fā)光元件220所提供的光束LO可經(jīng)由出光口 262傳遞出去，而位于第二容置空間S2內(nèi)的感光元件230則可經(jīng)由入光口 264接收被物體270反射的反射光束LI。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，此部分可依不同的制程而有不同，本實施例所提供的圖式僅是用以說明，非僅限于此。
[0056]圖3A-圖3D為圖2B的使用微透鏡的感光元件的制作方法的示意圖。請先參考圖3A，首先，提供前述的感光元件230 ;其中，所述感光元件230可為CMOS圖像傳感器并包含陣列排列的多個感光單元232，例如排列成長方形或正方形的矩形陣列。之后，在感光元件230上形成保護層310 ;其中，所述保護層310可以是使用介電材料，如圖3B所示。接著，在保護層310上形成至少二層圖案化金屬層以形成多個光通道，并使所述光通道分別對應感光單元232。如前所述，部分所述光通道C (例如不位于感光元件230中央位置的光通道)朝向遠離感光元件230的中心的方向傾斜一個傾斜角且所述傾斜角與所述光通道至感光元件230的中心的距離成正相關；此外,位于感光元件230中央位置(例如感光單元232所形成陣列的陣列中心)的光通道C可不具有傾斜角，其用以接收來自感光元件230法線方向的反射光束LI，如圖2B和2C圖所示。
[0057]圖案化金屬層的形成方式例如為，形成第一圖案化金屬層320，如圖3B所示；其中，所述第一圖案化金屬層320的形成方式可以是采用傳統(tǒng)的半導體微影蝕刻技術。然后，在第一圖案化金屬層320上形成第二圖案化金屬層330，如圖3C所示；其中，所述第二圖案化金屬層330的形成方式可以是采用傳統(tǒng)的半導體微影蝕刻技術。而后，依序重復堆迭第一圖案化金屬層320與第二圖案化金屬層330的步驟，則可形成如圖3D所繪示的實施態(tài)樣。最后，將前述的微透鏡240形成于感光元件230的上方并分別對應光通道，如此便完成圖2B的在感光元件230上制作微透鏡240的步驟。值得一提的是，堆迭后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迭層254而透光材料層252則用作為光通道C。
[0058]此外，請參照圖4A-圖4E，其顯示圖2B的使用微透鏡的感光元件的制作方法的另一示意圖，其同樣先提供感光元件230 (圖4A);接著，在所述感光元件230上形成保護層310 ;接著，依序形成透光材料層252 (圖4B)、不透光堆迭層320 (圖4C)、另一個透光材料層252 (圖4D)、另一個不透光堆迭層330 (圖4E)、反復堆迭后則可形成如圖3D的結構。最后再于擋光堆迭層250上形成多個微透鏡240以完成本發(fā)明的使用微透鏡的感光元件。本實施例同樣可采用傳統(tǒng)的半導體微影蝕刻技術來形成所述透光材料層252、所述不透光堆迭層320、所述透光材料層252以及所述不透光堆迭層330，故于此不再贅述。
[0059]總而言之，本實施例的使用微透鏡的感光元件的制作方法包含下列步驟:提供感光元件(步驟S41);在所述感光元件上形成保護層(步驟S42);在所述保護層上形成至少二層圖案化金屬層以形成多個光通道(步驟S43);以及形成多個微透鏡對應所述光通道(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和其相關說明，故于此不再贅述。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和尺寸，但其并非用以限制本發(fā)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也可大致相同。
[0060]必需說明的是，雖然圖2B和2C中顯示有5層不透光堆迭層254，但本發(fā)明并不以此為限，例如可為2-5層。不透光堆迭層254的層數(shù)例如可根據(jù)感測范圍、感光單元尺寸、微透鏡形狀等系統(tǒng)參數(shù)決定。
[0061]圖2B和圖2C中，微透鏡240形成為非球對稱，且部分微透鏡240 (即不位于感光元件320中心的微透鏡)的重心較佳從相對應的感光單元232朝向遠離感光元件230的中心的方向偏移一偏移距離以有效引導反射光束LI射入感光單兀232,其中，搭配光通道C的傾斜角Θ，所述偏移距離也與微透鏡240至感光元件230的中心的距離成正相關。
[0062]另一實施例中，請參照圖6，微透鏡240也可形成為球對稱，且所述微透鏡240的重心(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的中心的方向偏移一偏移距離；例如，圖6中的偏移距離Dl和D2。同理，搭配光通道C的傾斜角Θ，偏移距離與微透鏡240至感光元件230的中心的距離成正相關，例如距離Dl>距離D2，以限制入射至感光單元232的反射光束LI的入射角度，例如入射角度Θ 1>入射角度Θ 2。
[0063]基于上述可知，本發(fā)明實施例的光學裝置(如圖2A)可通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(tǒng)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且減少光學裝置的整體尺寸，并可有效地降低光學裝置的制作成本。另外，光學裝置借由在相鄰的感光單元的周邊堆疊有擋光堆疊層(如圖2B、圖2C和圖6)，用以限制入射至各感光單元上的反射光束的入射角度，可達成判斷物體移動的功能并減少雜散光或漏光的影響。
[0064]以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能以此限定本發(fā)明實施的范圍，即依本發(fā)明權利要求和發(fā)明說明內(nèi)容所作的簡單的等效變化與修飾，都仍屬本發(fā)明專利涵蓋的范圍。另外本發(fā)明的任一實施例或權利要求不須達成本發(fā)明所披露的全部目的或優(yōu)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，并非用來限制本發(fā)明的權利范圍。
【權利要求】
1.一種光學裝置，用以檢測物體，該光學裝置包括: 基板； 發(fā)光元件，配置于所述基板上并適于提供光束； 感光元件，包含陣列排列的多個感光單元并配置于所述基板上以適于接收所述物體反射所述光束所形成的反射光束；以及 多個微透鏡，設置于所述感光元件上方并分別對應所述感光單元。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學裝置，該光學裝置還包括設置于所述感光元件上的擋光堆迭層，其中所述擋光堆迭層包含對應所述感光單元的朝向遠離所述感光元件的中心的方向傾斜的多個光通道，用以限制入射至所述感光單元的所述反射光束的入射角度。
3.根據(jù)權利要求2所述的光學裝置，其中所述擋光堆迭層位于所述微透鏡與所述感光元件之間。
4.根據(jù)權利要求2所述的光學裝置，其中所述擋光堆迭層包含透光材料層和不透光堆迭層，所述透光材料層用作所述光通道。
5.根據(jù)權利要求4所述的光學裝置，其中所述不透光堆迭層由吸光材料形成。
6.根據(jù)權利要求2所述的光學裝置，其中所述入射角度與所述光通道至所述感光元件的中心的距離成正相關。
7.根據(jù)權利要求2所述的光學裝置，其中每一個所述感光單元對應至少一個所述光通道。
8.根據(jù)權利要求2所述的光學裝置，其中每一個所述感光單元對應多個所述光通道，且與相同的感光單元對應的光通道限制所述反射光束的入射角度為相同。
9.根據(jù)權利要求1所述的光學裝置，其中所述微透鏡為非球對稱。
10.根據(jù)權利要求1所述的光學裝置，其中所述微透鏡為球對稱且所述微透鏡的重心從相對應的所述感光單元朝向遠離所述感光元件的中心的方向偏移一偏移距離。
11.根據(jù)權利要求10所述的光學裝置，其中所述偏移距離與所述微透鏡至所述感光元件的中心的距離成正相關。
12.根據(jù)權利要求1-11中任一項權利要求所述的光學裝置，其中每一個所述感光單元包含至少一個光二極體。
13.一種使用微透鏡的感光元件的制作方法，該制作方法包括: 提供感光元件，其中所述感光元件包含陣列排列的多個感光單元； 在所述感光元件上形成保護層； 在所述保護層上形成至少二層圖案化金屬層以形成多個光通道，其中所述光通道分別對應所述感光單元； 形成對應所述光通道的多個微透鏡。
14.根據(jù)權利要求13所述的制作方法，其中部分所述光通道朝向遠離所述感光元件的中心的方向傾斜一傾斜角。
15.根據(jù)權利要求14所述的制作方法，其中所述傾斜角與所述光通道至所述感光元件的中心的距離成正相關。
16.根據(jù)權利要求13所述的制作方法，其中部分所述微透鏡的重心從相對應的所述感光單元朝向遠離所述感光元件的中心的方向偏移一偏移距離。
17.根據(jù)權利要求16所述的制作方法，其中所述偏移距離與所述微透鏡至所述感光元件的中心的距離成正相關。
18.—種使用微透鏡的感光兀件,該感光兀件包括: 多個感光單元，以陣列排列； 擋光堆疊層，形成在所述感光單元上并包含分別對應所述感光單元的多個光通道，其中一部分所述光通道朝向遠離陣列中心的方向傾斜一傾斜角；以及多個微透鏡，設置在所述擋光堆迭層上并分別對應所述光通道。
19.根據(jù)權利要求18所述的感光元件，其中所述傾斜角與所述光通道至所述感光單元的中心的距離成正相關。
20.根據(jù)權利要求18所述的感光元件，其中所述微透鏡的重心從相對應的所述感光單元朝向遠離所述感 光單元的中心的方向偏移一偏移距離。
【文檔編號】G02B3/00GK103926629SQ201310222847
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年6月6日 優(yōu)先權日:2013年1月11日
【發(fā)明者】許恩峰, 劉家佑, 陳經(jīng)緯 申請人:原相科技股份有限公司