光学传感器、电子设备及光学传感器的封装方法

技术领域

本发明涉及光学传感器技术领域，尤其涉及一种光学传感器、电子设备及光学传感器的封装方法。

背景技术

TOF是飞行时间(Time of Flight)技术的缩写，即光学传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，光学传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息。3D(深度)TOF传感器属于无扫描器件，其成像不是像传统激光雷达逐点扫描的方式，而是采用类似照相机的工作模式，一次性实现全局成像来完成探测和成像，每个像素点都可记录光子飞行的时间。由于物体具有三维空间属性，照射到物体不同部位的光具有不同的飞行时间，因此输出具有深度信息的三维图像。现有的光学传感器多采用相机模组封装，相机模组包括透镜，透镜本身尺寸较大，且光路传递仍需要较大空间，导致封装成本高且体积较大，已逐渐不能满足VR/AR等穿戴式消费电子领域的需求。

鉴于此，有必要提供一种新的光学传感器、电子设备及光学传感器的封装方法，以解决或至少缓解上述技术缺陷。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种光学传感器、电子设备及光学传感器的封装方法，旨在解决现有技术中光学传感器封装体积大，制作成本高的技术问题。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供一种光学传感器，包括基板和安装于所述基板的壳体，所述基板与所述壳体配合形成有相互隔离的第一容纳腔和第二容纳腔，所述第一容纳腔内设置有光源，所述第一容纳腔正对所述光源的位置开设有第一光孔，所述第一光孔上覆盖有匀光片；所述第二容纳腔形成有第二光孔，所述第二光孔上覆盖有滤光片，所述第二容纳腔内设置有芯片和包裹所述芯片的第一透明塑封层，所述第一透明塑封层与所述基板连接，所述第一透明塑封层上设置有面向所述滤光片的超表面透镜。

在一实施例中，所述第一透明塑封层上设置有支撑件，所述超表面透镜安装于所述支撑件背离所述第一透明塑封层的一端。

在一实施例中，所述支撑件包括支撑环，所述支撑环沿所述超表面透镜的内边缘一周设置。

在一实施例中，所述支撑环上形成有泄气通道。

在一实施例中，所述匀光片设置于所述第一光孔面向所述第一容纳腔的一侧，所述滤光片设置于所述第二光孔面向所述第二容纳腔的一侧，所述超表面透镜面向所述滤光片设置。

在一实施例中，所述壳体上分别形成有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽的底面形成有所述第一光孔，所述第二凹槽的底面形成有所述第二光孔，所述匀光片设置于所述第一凹槽内，所述滤光片设置于所述第二凹槽内。

在一实施例中，所述第一凹槽的开口背离所述第一容纳腔设置，所述第二凹槽的开口背离所述第二容纳腔设置。

在一实施例中，所述匀光片和所述滤光片上均贴附有保护膜。

在一实施例中，所述第一凹槽的开口朝向所述第一容纳腔设置，所述匀光片设置于所述第一容纳腔内，所述第二凹槽的开口朝向所述第二容纳腔设置，所述滤光片设置于所述第二容纳腔内。

在一实施例中，所述壳体与所述匀光片的粘接位置、所述壳体与所述滤光片的粘接位置中至少一个设置有支撑位。

在一实施例中，所述壳体与所述匀光片的粘接位置、所述壳体与所述滤光片的粘接位置中至少一个设置有格挡槽。

在一实施例中，所述超表面透镜由玻璃晶圆表面制作微结构形成。

在一实施例中，所述第一容纳腔内还设置有包裹所述光源的第二透明塑封层。

在一实施例中，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体与所述基板配合形成有所述第一容纳腔，所述第二壳体与所述基板配合形成有所述第二容纳腔，所述第一壳体和所述第二壳体均为金属壳，所述金属壳与所述基板焊接。

在一实施例中，所述壳体内设置有隔板，所述隔板将所述壳体分隔为所述第一容纳腔和第二容纳腔，所述壳体为注塑壳。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述所述的光学传感器。

根据本发明的又一方面，本发明还提供一种光学传感器的封装方法，所述光学传感器的封装方法包括：

提供一壳体，在所述壳体上形成第一光孔和第二光孔；

在所述第一光孔上覆盖匀光片，在所述第二光孔上覆盖滤光片；

提供一基板，在所述基板上分别设置光源和芯片，并在所述基板上设置第一透明塑封层以包裹所述芯片；

在所述第一透明塑封层上设置超表面透镜；

将组装完成后的所述壳体安装于所述基板，以使所述壳体与所述基板配合形成第一容纳腔和第二容纳腔，所述光源位于所述第一容纳腔内，所述芯片位于所述第二容纳腔内，所述光源正对所述第一光孔设置，所述超表面透镜面对所述第二光孔设置。

上述方案中，光学传感器包括基板和安装于基板的壳体，基板与壳体配合形成有相互隔离的第一容纳腔和第二容纳腔，第一容纳腔内设置有光源，第一容纳腔正对光源的位置开设有第一光孔，第一光孔上覆盖有匀光片；第二容纳腔形成有第二光孔，第二光孔上覆盖有滤光片，第二容纳腔内设置有芯片和包裹芯片的第一透明塑封层，第一透明塑封层与基板连接，第一透明塑封层上设置有面向滤光片的超表面透镜。光源可以是VCSEL激光发射器，可以发射出垂直且能量较为集中的光线，匀光片用于将激光发生器发出的能量较为集中的光点转换为整面能量均匀的光；滤光片作用是滤除不相干的环境光，以减少环境噪声。芯片可以是ASIC芯片，超表面透镜的作用是改变光路，使光路更聚集，让ASIC芯片上的感光区全部接收。传统的相机模组封装是使用透镜，封装成本高，并且本身尺寸较大，且光路仍需要较大空间。第一透明塑封层采用的是透明塑封的方式，使得第一透明塑封层可以使得光线通过，不会起到阻挡光线的作用。该发明通过在第二容纳腔内设置第一透明塑封层对超表面透镜起到支撑作用，从滤光片进入的光线在超表面透镜的作用下达到改变光路和聚集光路的效果。超表面透镜为平面透镜，降低了封装成本，且光路更小，能够减小封装后的光学传感器的体积，更适合小体积封装使用。并且通过第一透明塑封层将芯片、金线和基板上的电子器件进行塑封密封，可以使得敏感元件与外界大气隔离，保护内部元件不受损，能够适用于恶劣环境。该发明具有封装成本低、封装产品体积小和能够适用于恶劣环境的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例光学传感器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例光学传感器的另一剖面结构示意图；

图3为本发明实施例光学传感器的的部分结构示意图；

图4为本发明实施例超表面透镜、芯片、支撑件的结构示意图；

图5为本发明实施例光学传感器的封装方法的第一实施例的流程示意图。

标号说明：

1、基板；2、壳体；21、第一光孔；22、第二光孔；23、第一容纳腔；24、第二容纳腔；25、第一凹槽；26、第二凹槽；27、第一壳体；28、第二壳体；29、隔板；3、光源；4、芯片；41、感光区；5、匀光片；6、滤光片；7、超表面透镜；8、支撑件；81、支撑环；82、泄气通道；9、第一透明塑封层；10、第二透明塑封层；11、电子器件。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参见图1～图4，根据本发明的一个方面，本发明提供一种光学传感器，包括基板1和安装于基板1的壳体2，基板1与壳体2配合形成有相互隔离的第一容纳腔23和第二容纳腔24，第一容纳腔23内设置有光源3，第一容纳腔23正对光源3的位置开设有第一光孔21，第一光孔21上覆盖有匀光片5；第二容纳腔24形成有第二光孔22，第二光孔22上覆盖有滤光片6，第二容纳腔24内设置有芯片4和包裹芯片4的第一透明塑封层9，第一透明塑封层9与基板1连接，第一透明塑封层9上设置有面向滤光片6的超表面透镜7。

上述实施例中，光源3可以是VCSEL激光发射器，可以发射出垂直且能量较为集中的光线，匀光片5用于将激光发生器发出的能量较为集中的光点转换为整面能量均匀的光；滤光片6作用是滤除不相干的环境光，以减少环境噪声。芯片4可以是ASIC芯片，超表面透镜7的作用是改变光路，使光路更聚集，让ASIC芯片上的感光区41全部接收。传统的相机模组封装是使用透镜，封装成本高，并且本身尺寸较大，且光路仍需要较大空间。第一透明塑封层9采用的是透明塑封的方式，使得第一透明塑封层9可以使得光线通过，不会起到阻挡光线的作用。该实施例通过在第二容纳腔24内设置第一透明塑封层9对超表面透镜7起到支撑作用，从滤光片6进入的光线在超表面透镜7的作用下达到改变光路和聚集光路的效果。超表面透镜7为平面透镜，代替现有技术中的相机透镜，降低了封装成本，且光路更小，能够减小封装后的光学传感器的体积，更适合小体积封装使用。并且通过第一透明塑封层9将芯片4、金线和基板1上的电子器件11进行塑封密封，可以使得敏感元件与外界大气隔离，保护内部元件不受损，能够适用于恶劣环境。该实施例具有封装成本低、封装产品体积小和能够适用于恶劣环境的优点。该光学传感器可以是3D TOF传感器。

参照图1～图3，在一实施例中，第一透明塑封层9上设置有支撑件8，超表面透镜7安装于支撑件8背离第一透明塑封层9的一端。支撑件8为凸出于第一透明塑封层9表面的凸起结构，对超表面透镜7起到支撑作用；同时，超表面透镜7在使用过程中会发热，第一透明塑封层9一般由环氧树脂制成，支撑件8也可以避免超表面透镜7与第一透明塑封层9直接接触，防止第一透明塑封层9熔融粘接超表面透镜7。

参照图4，在一实施例中，支撑件8包括支撑环81，支撑环81沿超表面透镜7的内边缘一周设置。支撑环81设计为护城河形状，可以减小粘接过程中胶水流淌到超表面透镜7的感光区域。同时，还可以在支撑环81上设置缺口，形成泄气通道82，使得产品在封装或使用时的烘烤与回流中可将膨胀气体排出。

在一实施例中，壳体2与匀光片5的粘接位置、壳体2与滤光片6的粘接位置两者中，至少一个设置有支撑位。支撑位的结构和作用与第一支撑件8的结构和作用类似，在此不在一一赘述。

在一实施例中，壳体2与匀光片5的粘接位置、壳体2与滤光片6的粘接位置两者中，至少一个设置有格挡槽。格挡槽是对应设置在壳体2上的向内凹陷的凹陷槽，当粘接过程中多余的胶水或银浆朝各镜片的中心方向流动时，会流动到凹陷槽中，以减小粘接过程中胶水流淌到各镜片(这里的镜片可以包括匀光片5、滤光片6和超表面透镜7)的透光区域，影响光线传播。

参照图1，在一实施例中，匀光片5和滤光片6可以设置于壳体2内部。匀光片5设置于第一光孔21面向第一容纳腔23的一侧，滤光片6设置于第二光孔22面向第二容纳腔24的一侧，超表面透镜7面向滤光片6设置。将匀光片5和滤光片6设置于壳体2内部，使得匀光片5和滤光片6表面不容易掉灰，保持匀光片5和滤光片6表面洁净，也可以不需要使用保护膜。

参照图2，在一实施例中，壳体2上分别形成有第一凹槽25和第二凹槽26，第一凹槽25的底面形成有第一光孔21，第二凹槽26的底面形成有第二光孔22，匀光片5设置于第一凹槽25内，滤光片6设置于第二凹槽26内。该实施例通过在壳体2的外侧形成凹槽用于放置匀光片5和滤光片6，第一凹槽25和第二凹槽26可以起到定位作用，提高了贴装精度和贴装效率。需要说明的是，第一凹槽25和第二凹槽26既可以形成于壳体2内部，也可以形成于壳体2的外表面上。当第一凹槽25形成于壳体2的内部时，壳体2的上表面向外凸起，在壳体2内部形成第一凹槽25和第二凹槽26，形成第一凹槽25和第二凹槽26同样可以起到定位作用，提升贴装精度。当第一凹槽25形成于壳体2的外表面时，壳体2的上表面向内凹陷，第一凹槽25的开口背离第一容纳腔23设置，第二凹槽26的开口背离第二容纳腔24设置。这样设计可以进一步降低贴装难度。因为实际的光学传感器中，壳体2的尺寸较大，深度也较大，如果要将匀光片5和滤光片6贴装于壳体2内侧，现有的设备会与壳体2发生干涉，因此需要设计额外的较小的贴装工装，以防止将匀光片5和滤光片6深入壳体2内时发生干涉，这无疑增加了贴装的难度，增加了制作成本。当然，由于滤光片6和匀光片5设置在壳体2外部容易沾灰，因此，可以在匀光片5和滤光片6上均贴附有保护膜，保护膜需要可以耐高温的材料制成，如聚酰亚胺薄膜。至于第一光孔21和第二光孔22的形状，可以是圆孔也可以是方形，尺寸大小可以依照光学设计作适应性调整。

在一实施例中，超表面透镜7由玻璃晶圆表面制作微结构形成，制作出来的超表面透镜7是平面透镜，制作成本更低，体积更小，并且同样能够达到改变光路和聚集光路的作用，保障光学传感器的正常使用功能。

参照图1和图2，在一实施例中，第一容纳腔23内还设置有包裹光源3的第二透明塑封层10。通过第二透明塑封层10将光源3、金线和基板1上的电子器件11进行塑封密封，可以使得敏感元件与外界大气隔离，保护内部元件不受损，能够适用于恶劣环境。

参照图1，在一实施例中，壳体2包括第一壳体27和第二壳体28，第一壳体27与基板1配合形成有第一容纳腔23，第二壳体28与基板1配合形成有第二容纳腔24，第一壳体27和第二壳体28均为金属壳，金属壳与基板1焊接。壳体2为金属壳，金属壳与基板1焊接。由于壳体2体积较大，因此可以设计为两个相互独立的壳体2，并且为提高壳体2的强度，可以采用金属壳体2，金属壳体2与基板1通过银浆或锡膏焊接，使用过程中不容易发生变形。在可以在金属壳体2的内表面涂覆黑色的吸光涂料，或者将金属壳体2内表面设计为黑色哑光，起到减小腔室内光反射的作用。

参照图2，在一实施例中，壳体2内设置有隔板29，隔板29将壳体2分隔为第一容纳腔23和第二容纳腔24，壳体2为注塑壳。该实施例采用注塑壳，壳体2和隔板29采用注塑一体成型，制作工艺简单，制作成本更低。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种电子设备，电子设备包括上述的光学传感器。上述电子设备可以是便携式智能可穿戴设备，如VR或AR眼镜。由于电子设备包括了上述光学传感器的所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述全部技术方案带来的所有有益效果，在此不在一一赘述。

参照图5，根据本发明的第一实施例，本发明还提供一种光学传感器的封装方法，光学传感器的封装方法包括：

S10，提供一壳体2，在壳体2上形成第一光孔21和第二光孔22；

第一光孔21和第二光孔22的作用是用于供光线通过，第一光孔21和第二光孔22的形状可以是圆孔也可以是方形，尺寸大小可以依照光学设计作适应性调整。

S20，第一光孔21上覆盖匀光片5，在第二光孔22上覆盖滤光片6；

可以将匀光片5和滤光片6设置于壳体2内部，使得匀光片5和滤光片6表面不容易掉灰，保持匀光片5和滤光片6表面洁净，也可以不需要使用保护膜。当然，也可以将匀光片5和滤光片6设置于壳体2外表面，这样方便贴装，能够提高贴装精度和贴装效率。壳体2上还可以分别形成有第一凹槽25和第二凹槽26，第一凹槽25的底面形成有第一光孔21，第二凹槽26的底面形成有第二光孔22，匀光片5设置于第一凹槽25内，滤光片6设置于第二凹槽26内。该实施例通过在壳体2的外侧形成凹槽用于放置匀光片5和滤光片6，第一凹槽25和第二凹槽26可以起到定位作用，提高了贴装精度和贴装效率。需要说明的是，第一凹槽25和第二凹槽26可以形成于壳体2内部，也可以形成于壳体2的外表面上。当第一凹槽25形成于壳体2的内部时，壳体2的上表面向外凸起，在壳体2内部形成第一凹槽25和第二凹槽26，形成第一凹槽25和第二凹槽26同样可以起到定位作用，提升贴装精度。当第一凹槽25形成于壳体2的外表面时，壳体2的上表面向内凹陷，第一凹槽25的开口背离第一容纳腔23设置，第二凹槽26的开口背离第二容纳腔24设置。这样设计可以进一步降低贴装难度。因为实际的光学传感器中，壳体2的尺寸较大，深度也较大，如果要将匀光片5和滤光片6贴装于壳体2内侧，现有的设备会与壳体2发生干涉，因此需要设计额外的较小的贴装工装，以防止将匀光片5和滤光片6深入壳体2内时发生干涉，这无疑增加了贴装的难度，增加了制作成本。当然，由于滤光片6和匀光片5设置在壳体2外部容易沾灰，因此，可以在匀光片5和滤光片6上均贴附有保护膜，保护膜需要可以耐高温的材料制成，如聚酰亚胺薄膜。

S30，提供一基板1，在基板1上分别设置光源3和芯片4，并在基板1上设置第一透明塑封层9以包裹芯片4；

光源3可以是VCSEL激光发射器，可以发射出垂直且能量较为集中的光线，匀光片5用于将激光发生器发出的能量较为集中的光点转换为整面能量均匀的光；滤光片6作用是滤除不相干的环境光，以减少环境噪声。芯片4可以是ASIC芯片，当然，还可以是基板1上贴装其它需要的电子器件11。第一透明塑封层9采用的是透明塑封的方式，使得第一透明塑封层9可以使得光线通过，不会起到阻挡光线的作用。并且通过第一透明塑封层9将芯片4、金线和基板1上的电子器件11进行塑封密封，可以使得敏感元件与外界大气隔离，保护内部元件不受损，能够适用于恶劣环境。

S40，在第一透明塑封层9上设置超表面透镜7；

超表面透镜7的作用是改变光路，使光路更聚集，让ASIC芯片上的感光区41全部接收。第一透明塑封层9对超表面透镜7起到支撑作用，从滤光片6进入的光线在超表面透镜7的作用下达到改变光路和聚集光路的效果。

S50，将组装完成后的壳体2安装于基板1，以使壳体2与基板1配合形成第一容纳腔23和第二容纳腔24，光源3位于第一容纳腔23内，芯片4位于第二容纳腔24内，光源3正对第一光孔21设置，超表面透镜7面对第二光孔22设置。

本发明的上述实施例中，通过在第二容纳腔24内设置第一透明塑封层9对超表面透镜7起到支撑作用，从滤光片6进入的光线在超表面透镜7的作用下达到改变光路和聚集光路的效果。超表面透镜7为平面透镜，降低了封装成本，且光路更小，能够减小封装后的光学传感器的体积，更适合小体积封装使用。并且通过第一透明塑封层9将芯片4、金线和基板1上的电子器件11进行塑封密封，可以使得敏感元件与外界大气隔离，保护内部元件不受损，能够适用于恶劣环境。该实施例具有封装成本低、封装产品体积小和能够适用于恶劣环境的优点。

以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。