光學傳感器及光學感測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種光學傳感器及光學感測系統(tǒng)，所述光學傳感器包含至少兩個以上不同的光感測像素以及至少兩個以上的光柵元件。這些光柵元件位于光感測像素的上方且各自與光感測像素相對應。
【專利說明】
光學傳感器及光學感測系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種光學傳感器，具體地，設及一種可應用在距離測量或是手勢辨識 上的光學傳感器及光學感測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 一般來說，距離測量系統(tǒng)（Distance measurement system, DM巧通常會使用光源， 并利用光源的光束被物體反射回來的能量來計算物體的距離。傳統(tǒng)上，可使用=角定位的 方式，或是飛行時間（Time Of f Ii曲t，TO巧的技術方案來計算距離，然而采用上述方式所 花費的成本與系統(tǒng)的尺寸相對來說都會較高。
[0003] 另外，手勢（ges化re)辨識的開發(fā)基礎通?？墒褂?D圖像先消除背景圖像W取出 前景物件圖像，其中，運樣的技術會使用到兩個圖像傳感器，如此一來，手勢辨識模塊的尺 寸與成本同樣地便無法有效地獲得縮減。
[0004] 基于上述，本發(fā)明主要是利用相位偵測（phase detection)的技術取得3D圖像， 而且無需額外打光（上述飛行時間法需要打光），且本發(fā)明的技術方案可只使用單個圖像 傳感器，便可實現(xiàn)偵測距離及手勢辨識的應用。

【發(fā)明內容】
陽0化]有鑒于此，本發(fā)明提出一種光學傳感器及光學感測系統(tǒng)，其具有低成本及尺寸小 的優(yōu)點。
[0006] 本發(fā)明提供一種光學傳感器，該光學傳感器包含至少兩個W上的光感測像素 W及 至少兩個W上不同的光柵元件。所述多個光柵元件位于所述多個光感測像素的上方且各自 與所述多個光感測像素相對應。
[0007] 本發(fā)明還提供一種光學感測系統(tǒng)，該光學感測系統(tǒng)包含兩個光感測像素、兩個光 柵元件W及處理器。所述兩個光柵元件彼此之間具有相位差并分別與所述兩個光感測像素 相對應。所述處理器用于根據(jù)所述兩個光感測像素感測的光強度信號判斷入射光角度。
[0008] 本發(fā)明還提供一種光學傳感器，包含兩個光感測像素、兩個光柵元件W及處理器。 所述兩個光柵元件彼此之間具有相位差并分別與所述兩個光感測像素相對應。所述處理器 用于根據(jù)所述兩個光感測像素感測的兩個光強度信號計算至少一個光強度參數(shù)。
[0009] 在本發(fā)明說明的實施例中，光學傳感器還包括透鏡，其中光柵元件位于透鏡與光 感測像素之間。
[0010] 在本發(fā)明說明的實施例中，光柵元件中每一者至少由兩層金屬層所構成。
[0011] 在本發(fā)明說明的實施例中，光學傳感器還包括濾光元件，其中所述多個光柵元件 位于所述濾光元件與所述多個光感測像素之間。
[0012] 為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能更明顯，下文將配合所附圖示，詳 細說明如下。此外，在本發(fā)明的說明中，相同的元件W相同的符號表示，于此先述明。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明一實施例的光學傳感器的示意圖。
[0014] 圖2為不同角度的光線經(jīng)過不同相位差的光柵元件的光強度變化的示意圖。
[0015] 圖3A~圖3D分別為圖1的光柵元件實施方式的示意圖。
[0016] 圖4A~圖4C分別為不同光學傳感器所使用的光柵元件的上視圖。
【具體實施方式】
[0017] 圖1為本發(fā)明一實施例的光學傳感器的示意圖，而圖2則為不同角度的光線經(jīng)過 不同相位差的光柵元件的光強度變化的示意圖；其中，所述不同相位差的光柵元件例如為 顯示于圖3A至圖3D的光柵元件。
[0018] 參考圖1，本實施例的光學傳感器100包括至少兩個W上的光感測像素（例如此 處顯示為四個光感測像素112曰、112b、112c、112d，但并不W此為限），其中，每個光感測像 素112曰、1126、112(3、112(1上方各自對應有一個光柵元件122曰、12213、122(3、122(1，且運些光 柵元件122a、122b、122c、122d的相位差可分別為0度相位、90度相位、180度相位W及270 度相位。亦即，所述多個光柵元件122曰、1226、122(3、122(1彼此之間具有相位差并分別與所 述多個光感測像素112日、11化、112(3、112(1相對應。
[0019] 本發(fā)明說明中，所述多個光感測像素112a、l^b、112c、112d可為獨立制作的光感 測像素，或者可為同一像素陣列中相鄰或不相鄰的光感測像素，并無特定限制。例如某些實 施例中，可在像素陣列選擇部分像素 W作為所述多個光感測像素112曰、112b、112c、112山而 其它像素可用于執(zhí)行其它功能。
[0020] 具體來說，不同角度的入射光束Ll (或稱物體光束）在經(jīng)過不同相位差的光柵元 件時相對應的光感測像素的成像會有不同的光強度變化，如圖2所示對應4個光柵元件的 四種光強度變化。換言之，本實施例的光學傳感器100可通過光感測像素112a、112b、112c、 112d所感測的光強度來反推入射光束LI (或是物體光束）的方向與位置，從而計算出物體 Ol位置，W下將舉例進行較為詳細的說明。
[0021] 請先參考圖2的曲線1101，曲線Lioi為不同角度（例如圖2所繪示的負40度至 正40度）的入射光束Ll經(jīng)過相位差為180度的光柵元件后的光強度變化，其中，正向入 射（入射角度為零度時）的入射光束的光強度最高，且當入射角度逐漸增加時光強度逐漸 改變；相對地，曲線L102為不同角度（例如圖2所繪示的負40度至正40度）的入射光束 Ll經(jīng)過相位差為0度的光柵元件后的光強度變化，其中，正向入射（入射角度為零度時）的 入射光束的光強度最低，且當入射角度逐漸增加時光強度逐漸改變。因此，通過光感測像素 112曰、11化、112(3、112(1所感測的光強度信號（即灰度值信號）便可反推入射光束1^的入 射角度，進而通過光線追蹤的方式便可計算出物體Ol的位置與位置變化。換言之，本實施 例的光學傳感器100可只使用兩個W上的光感測像素112曰、112b、112c、112d即可反推物體 Ol的位置。此外，相較于傳統(tǒng)距離感測系統(tǒng)值M巧須使用打光的方式，本實施例的光學傳感 器100由于無須打光，且可僅使用數(shù)量較少的光感測像素112曰、112b、112c、112d即可偵測 到物體Ol位置，從而具有低成本與小體積的優(yōu)點。
[0022] 在某些實施例中，為了消除物體Ol本身的顏色化及環(huán)境光線的影響，可計算物體 Ol在相同位置時，不同光感測像素所感測的光強度信號與角度的相對關系，W預先建立查 找表（look-up t油le)，例如下表1所示，并儲存于存儲單元中，
[0023]
[0024] 巧 1
[00巧]例如表1中，Iai為物體Ol位于第1位置時光線經(jīng)過180度光柵元件的光強度而 Iei為物體Ol位于所述第1位置時光線經(jīng)過0度光柵元件的光強度；I A2為物體Ol位于第2 位置時光線經(jīng)過180度光柵元件的光強度而Iez為物體Ol位于所述第2位置時光線經(jīng)過0 度光柵元件的光強度；1?為物體Ol位于第3位置時光線經(jīng)過180度光柵元件的光強度而 為物體Ol位于所述第3位置時光線經(jīng)過0度光柵元件的光強度；其中，光強度I M~I A3 及Iei~I 例如可參照圖2。O M~O A3為光強度參數(shù)1對應180度光柵元件的入射光角 度而?ei~? B3為光強度參數(shù)2對應0度光柵元件的入射光角度。由于不同光柵元件的橫 向距離可預先求得，因此當入射光角度已知時，可根據(jù)=角運算求得物體Ol的距離（或高 度）、二維坐標及=維坐標。同時，根據(jù)=維坐標隨時間的變化即可進行手勢判斷。
[00%] 藉此，在實際測量時，所述光學傳感器100則可利用查表的方式判斷物體Ol的高 度及坐標。然而，本發(fā)明說明并不W此為限，亦可利用其它算法，例如表1中的光強度參數(shù) 1及2可定義成其它方式，只要能夠消除物體Ol本身的顏色W及環(huán)境光線的影響即可。例 如，光強度參數(shù)1及2可利用光強度（例如1,1、Iei)分別減去平均光強度（Iai+Im)/2后再 除W光強度和（Iai+Im)求得；例如，光強度參數(shù)1及2可直接通過計算兩光強度（例如Iai、 Iei)的比例求得。因此，既然可消除環(huán)境光線的影響，本實施例亦可應用于具有光源的其它 裝置中。
[0027] 當所述光學傳感器100包含兩個W上的光感測像素時，相對一個物體距離或物體 坐標，可同時利用多個光強度決定一個光強度參數(shù)，或者利用所述多個光強度的每兩個光 強度決定多個光強度參數(shù)，接著根據(jù)所述至少一個光強度參數(shù)決定物體距離或物體坐標。
[0028] 本實施例中，所述光學傳感器100還包含處理器150,該處理器150電性禪接所述 多個光感測像素112a、112b、112c、112d，用于計算入射光角度、高度及坐標，并進行手勢判 斷。
[0029] 在一實施例中，所述處理器設置于所述光學傳感器100外部并與所述光學傳感器 100共同形成光學感測系統(tǒng)，亦即所述光學傳感器100僅輸出每一光感測像素的測量值（即 光強度信號），而由所述外部處理器根據(jù)所述多個光感測像素感測的光強度信號計算至少 一個光強度參數(shù)并判斷入射光角度、根據(jù)所述至少一個光強度參數(shù)計算物體距離及坐標、 根據(jù)多個光強度參數(shù)的變化進行手勢判斷；其中，光強度參數(shù)與入射光角度的對應關系可 預先形成查找表，如表1所示。
[0030] 在另一實施例中，所述多個光感測像素112a、112b、112c、112d與所述處理器150 均制作在基底層化ase layer)中，亦即所述處理器150為處理電路，可用于根據(jù)所述多個 光感測像素感測112a、l^b、112c、112d的光強度信號計算至少一個光強度參數(shù)，所述至少 一個光強度參數(shù)例如被輸出至外部主機；而所述多個光柵元件122a、122b、122c、122d則為 形成于所述基底層上方的至少兩層金屬層。此外，只要所述處理器150具有足夠的運算能 量，也可進行上述外部處理器的運算，并無特定限制。
[0031] 在本實施例中，光學傳感器100還可具有濾光元件130,該濾光元件130用于濾 除特定波長W外的光線，其中所述多個光柵元件122a、122b、122c、122d位于所述濾光元件 130與所述多個光感測像素112曰、11化、112(：、112(1之間。本實施例的圖2^ 550皿波長 作為舉例說明，但不限于此。更具體而言，所述濾光元件130的波長選擇可根據(jù)衍射公式 (difTraction equation)，配合元件參數(shù)，例如兩金屬層（如圖3A~3D所示）間距dl W 及光柵元件與光感測像素的間距來決定，W達到較佳的感測結果。
[0032] 此外，由于本實施例的光學傳感器100可只使用少量的光感測像素112a、112b、 112c、112d即可反推物體Ol的位置，換言之，若本實施例的光學傳感器100采取更多數(shù)量的 光感測像素陣列，例如：300X 300、600X600、900X900的光感測像素陣列，便可獲得物體 Ol的更多位置信息，進而建構出物體的3D圖像。
[0033] 另外，需要說明的是，圖1所繪示的光柵元件122曰、12化、122c、122d僅為舉例說 明，【具體實施方式】例如是圖3A~圖3D繪示的實施方式。詳細來說，參考圖3A~圖3D，位于 光感測像素112a、11化、112c、112d上方的光柵元件122a、122b、122c、122d可W是由至少兩 層金屬層Ml、M2所構成，其中，不同相位差的光柵元件的產(chǎn)生方式可由運些金屬層Ml、M2產(chǎn) 生偏移、改變金屬層M1/M2與M1/M2的間隔Wl或是金屬層M1、M2的間距dl，而產(chǎn)生0度相 位、90度相位、180度相位化及270度相位的形態(tài)；其中，間隔Wl及間距dl的數(shù)值可根據(jù)目 標光譜依據(jù)衍射公式?jīng)Q定。此外，光柵元件122a、122b、122c、122d的金屬層Ml、M2可W是 CMOS工藝中的第一道金屬層至第十道金屬層之間的任意兩層。本發(fā)明說明中，M1、M2僅用 于表示不同金屬層而并非用于限定為第一道金屬層與第二道金屬層，特此說明。更詳細地， 本發(fā)明說明中的光柵元件可利用CMOS工藝中的至少兩道金屬層來制作，并無特定限制。某 些實施例中，光感測像素中每一者可對應多個光柵元件，而并不限于圖1所示。
[0034] 另外，位于光感測像素112曰、1126、112(3、112(1上方的光柵元件122曰、12213、122(3、 122d的金屬層排列方式可W是呈現(xiàn)為如圖4A~圖4C所繪示的光學傳感器200a~200c的 實施方式，例如：金屬層水平（橫向）排列、垂直（縱向）排列、傾斜一角度，或是其組合，可 視實際應用而定。
[0035] 某些實施例中，光學傳感器100還包含至少一個透鏡W增加感光效率。在一實施 例中，透鏡140可設置于所述多個光柵元件122a、122b、122c、122d上方，W使所述多個光 柵元件122a、122b、122c、122d位于所述透鏡140與所述多個光感測像素112a、112b、112c、 112d之間；其中，所述透鏡140與所述多個光柵元件122a、12化、122c、122d可利用墊片 (spacer)維持預設距離。在另一實施例中，多個微透鏡（microlens)可分別對應于所述多 個光柵元件122a、122b、122c、122d而設置，且所述多個微透鏡與所述多個光柵元件122曰、 122b、122c、122d 之間具有保護層（passivation layer)。
[0036] 必須說明的是，上述實施例中的數(shù)值，例如光強度、相位等，僅用于說明而并非用 于限定本發(fā)明說明。
[0037] 綜上所述，公知距離測量系統(tǒng)及手勢辨識系統(tǒng)需要較高的成本及尺寸，且通常需 要另外提供光源。因此，本發(fā)明說明提出一種光學傳感器（圖I)及光學感測系統(tǒng)，其利用 穿過光柵元件的衍射光強度隨入射角度變化的特性，藉W判斷物體的二維、=維位置W及 位置變化，且由于無需使用光源，因此具有低成本及尺寸小的優(yōu)點。
[0038] 雖然本發(fā)明已通過上述實施例進行了公開，然其并非用于限定本發(fā)明，任何本發(fā) 明所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，可作各種的更動與修改。因 此本發(fā)明的保護范圍應該W所附的權利要求書所限定范圍為準。
【主權項】
1. 一種光學傳感器，包含： 至少兩個以上的光感測像素；以及 至少兩個以上不同的光柵元件，位于所述多個光感測像素的上方且各自與所述多個光 感測像素相對應。2. 根據(jù)權利要求1所述的光學傳感器，還包含透鏡，其中所述多個光柵元件位于所述 透鏡與所述多個光感測像素之間。3. 根據(jù)權利要求1所述的光學傳感器，其中光柵元件中每一者至少由兩層金屬層所構 成。4. 根據(jù)權利要求1所述的光學傳感器，還包含濾光元件，其中所述多個光柵元件位于 所述濾光元件與所述多個光感測像素之間。5. 根據(jù)權利要求1所述的光學傳感器，其中所述多個光柵元件之間具有相位差。6. 根據(jù)權利要求1所述的光學傳感器，其中所述多個光柵元件沿橫向方向、縱向方向、 傾斜方向或其組合排列。7. -種光學感測系統(tǒng)，包含： 兩個光感測像素； 兩個光柵元件，彼此之間具有相位差并分別與所述兩個光感測像素相對應；以及 處理器，用于根據(jù)所述兩個光感測像素感測的光強度信號判斷入射光角度。8. 根據(jù)權利要求7所述的光學感測系統(tǒng)，還包含至少一個濾光元件，該至少一個濾光 元件位于所述兩個光柵元件上方。9. 根據(jù)權利要求7所述的光學感測系統(tǒng)，還包含至少一個透鏡，對應于所述兩個光柵 元件。10. 根據(jù)權利要求7所述的光學感測系統(tǒng)，其中所述兩個光柵元件由CMOS工藝所制作 的至少兩層金屬層所構成。11. 根據(jù)權利要求7所述的光學感測系統(tǒng)，其中所述處理器還用于根據(jù)所述兩個光感 測像素感測的兩個光強度信號計算至少一個光強度參數(shù)。12. 根據(jù)權利要求11所述的光學感測系統(tǒng)，其中所述至少一個光強度參數(shù)與所述入射 光角度的對應關系預先被形成為查找表。13. 根據(jù)權利要求11所述的光學感測系統(tǒng)，其中所述處理單元還根據(jù)所述至少一個光 強度參數(shù)計算物體距離。14. 根據(jù)權利要求11所述的光學感測系統(tǒng)，其中所述處理單元還根據(jù)多個光強度參數(shù) 的變化進行手勢判斷。15. -種光學傳感器，包含： 兩個光感測像素； 兩個光柵元件，彼此之間具有相位差并分別與所述兩個光感測像素相對應；以及 處理器，用于根據(jù)所述兩個光感測像素感測的兩個光強度信號計算至少一個光強度參 數(shù)。16. 根據(jù)權利要求15所述的光學傳感器，還包含濾光元件，該濾光元件位于所述兩個 光柵元件上方。17. 根據(jù)權利要求15所述的光學傳感器，還包含至少一個透鏡，對應于所述兩個光柵 元件。18. 根據(jù)權利要求15所述的光學傳感器，其中所述兩個感測像素與所述處理器形成在 基底層中。19. 根據(jù)權利要求18所述的光學傳感器，其中所述兩個光柵元件為形成于所述基底層 上方的至少兩層金屬層。20. 根據(jù)權利要求19所述的光學傳感器，其中所述至少兩層金屬層由CMOS工藝所制 作。
【文檔編號】G01D5/26GK105987712SQ201510054956
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月3日
【發(fā)明人】許恩峯, 劉家佑
【申請人】原相科技股份有限公司