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TW201417250A - 光學模組，特別是光電模組，及其製造方法 - Google Patents

光學模組，特別是光電模組，及其製造方法 Download PDF

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TW201417250A
TW201417250A TW102123620A TW102123620A TW201417250A TW 201417250 A TW201417250 A TW 201417250A TW 102123620 A TW102123620 A TW 102123620A TW 102123620 A TW102123620 A TW 102123620A TW 201417250 A TW201417250 A TW 201417250A
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TW102123620A
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哈馬特 盧德曼
馬克思 羅西
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海特根微光學公司
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Abstract

一種光學模組(1)包含：一第一構件(O)，其具有一實質平的第一表面(F1)；一第二構件(P)，其具有一面向該第一表面(F1)的第二表面(F2)，其係實質平的且被實質平行於該第一表面對準；一第三構件(S)，其被包含在該第一構件(O)中或被包含在該第二構件(P)中或不同於該第一及第二構件且被設置在它們之間，其包含一開孔(4)；一出現在該第二表面(F2)上的面鏡元件(31’；31''')；及一主動式光學構件(26)，其出現在該第二表面(F2)上且電連接至該第二構件(P)；其中該第一及第二構件的至少一者包含一或多個光可穿透的透明部分(t)。一種製造該光學模組(1)的方法，其包含下列步驟：a)提供一第一晶圓；b)提供一第二晶圓，該面鏡元件(31’...)出現在該第二晶圓上；c)提供一第三晶圓，其中該第三晶圓被包含在該第一晶圓中或被包含在該第二晶圓中或和該第一及第二晶圓不同，及其中該第三晶圓包含開孔(4)；e)形成一包含這些晶圓的晶圓堆疊；其中該第一及第二晶圓的至少一者包含一或多個光可穿透的透明部分(t)。

Description

光學模組，特別是光電模組，及其製造方法
本發明係有關於光學器件(optics)領域且更具體地係關於光學構件或光電構件的封裝及製造。更明確地，本發明係關於光學模組及關於包含此等光學模組的應用器具(appliance)及裝置，及關於製造它們的方法。本發明亦關於諸申請專利範圍的開頭句子所述的方法及設備。
〔名詞定義〕
“主動式光學構件”：一種光感測器或光發射構件。例如，光二極體、影像感測器、LED、OLED、雷射晶片。一主動式光學構件可如一裸晶粒(bare die)般呈現或以一封裝體形式(如，一封裝構件)呈現。
“被動式光學構件”：一種藉由折射及/或繞射及/或(內部及/或外部)反射來將光線轉向的光學構件，譬如一鏡片、一稜鏡、一鏡子、或一光學系統，其中一光學系統是此等光學構件的集合，其亦可能包含像是光圈光闌、 影像螢幕、固持件的機械元件。
“光電模組”：一種構件，其包含至少一主動式及至少一被動式光學構件。
“複製”：一種技術，一給定的結構或其負形(negative)可藉由此技術被複製。例如，蝕刻、壓花、銘印、澆鑄、模製。
“晶圓”：一種實質圓盤或板片式形狀的物件，其在一個方向(z方向或垂直方向)上的延伸相對於其在另兩個方向(x及y方向或側向)上的延伸小很多。通常，在一(非空白的)晶圓上，多個相類似的結構或物件被配置或設置於其中，典型地在一矩形的格點上。一晶圓可具有開孔或孔，且一晶圓甚至可在其側向區域的一預定的部分沒有材料。一晶圓可具有任何側向形狀，其中圓的形狀及矩形是極常見的形狀。雖然在許多情境中，一晶圓被理解為主要是用半導體材料製成的，但在本專利申請案中，並不侷限於此。因此，一晶圓可以主要是由例如半導體材料、聚合物材料、包含金屬與聚合物或聚合物與玻璃材料的複合材料所製成。詳言之，可硬化的材料(譬如，可熱硬化或UV硬化的聚合物)都是本發明感興趣的晶圓材料。
“側向”：參見“晶圓”。
“垂直”：參見“晶圓”。
“光”：最一般性地是電磁輻射；較具體地是電磁光譜的紅外線、可見光或紫外線部分的電磁輻射。
在美國專利US 5,912,872號中，一種集成式光學設備被提出。在該光學設備的製造中，一其上有多個主動式光學構件的支撐晶圓和一具有相應的多個光學元件的透明晶圓對準。此一支撐晶圓-透明晶圓配對然後可被分切(diced)。
在美國專利公開案US 2011/0050979 A1號中，一種具有功能性元件之用於光電裝置的光學模組被揭露。該光學模組包括一具有至少一鏡片元件的鏡片基材部分、及一間隔件。該間隔件係用來在該鏡片基材和完全組裝好的光電裝置的一基礎基材部分兩者間保持一明確界定的軸向距離。為了要確保該功能性元件有改善的效能，一EMC防護件被提供。該間隔件至少部分地導電並因而形成該EMC防護件或EMC防護件的一部分。一種以晶圓尺度來製造多個該模組的方法亦被揭示在US 2011/0050979 A1中。
一種雷射功率監視器及系統可從美國專利US 6,314,223 B1號中被知曉。在該專利中，一雷射發出光線穿過一其上有一繞射元件的基材，該繞射元件將該被發射出的雷射光的一部分反射至一光偵測器。
本發明的一個目的是要創造一種新穎的方式 來製造光學模組或裝置及/或創造新穎的光學模組或裝置。此外，包含多個此種光學模組或裝置的應用器具將被提供。再者，用於製造這些光學模組或裝置的特殊晶圓及方法將被提供。
本發明的另一個目的是要提供特別微小的或精巧的或微型化的光學模組或裝置及/或提供製造它們的方法。
本發明的另一個目的是要提供一種特別快的方式來製造光學模組或裝置。
本發明的另一個目的是要提供具有極低製造公差的光學模組或裝置，及一種以極高精確度製造此光學模組或裝置的方式。
本發明的另一個目的是要提供一種大量製造微型化的光學模組或裝置的方式並提供相對應的光學模組或裝置。
本發明的另一個目的是要提供能夠在光學模組內部完成精細的光路徑的光學模組。
本發明的另一個目的是要提供由數量特別少的部件所組成的光學模組。
該等光學模組及/或裝置更具體地可以是光電模組。
其它的目的將從下面的描述及實施例中浮現。
這些目的中的至少一個目的係藉由本案申請 專利範圍所請的設備及方法而被至少部分地被達成。
該光學模組包含：一第一構件，其具有一實質平的第一表面，其中和該第一表面正交的方向被稱為垂直方向；一第二構件，其具有一面向該第一表面的第二表面，其係實質平的且被實質平行於該第一表面對準；一第三構件，其被包含在該第一構件中或被包含在該第二構件中或不同於該第一及第二構件且被設置在它們之間，其包含一開孔；一出現在該第二表面上的面鏡元件(mirror element)；及一主動式光學構件，其出現在該第二表面上且電連接至該第二構件；其中該第一及第二構件的至少一者包含一或多個光可穿透的透明部分。
和一垂直方向正交的方向將稱為側向方向(lateral directions)。
尤其是，該面鏡元件是一繞射光柵或包含繞射光柵，但通常該面鏡元件是一非繞射式的反射元件。典型地，該面鏡元件只以鏡面反射為基礎。該面鏡元件尤其可以是一光學面鏡。該面鏡元件通常具有一光學品質的反射表面，其典型地具有至少90%的反射率，通常至少是98%的反射率。該面鏡元件可以是平的或是彎曲的。一彎曲的面鏡可將反射率和聚焦/散焦功能結合(亦存在於平 的面鏡的情形中)。提供一可變形狀(而不是固定形狀)的面鏡元件，例如一反射性薄膜，也是有可能的。
通常，該面鏡元件是一和該主動式光學構件分開的構件。但是，當一電驅動的微型面鏡陣列被提供時，該面鏡元件和該主動式光學構件是相等的。
該主動式光學構件可以例如是一光發射器，譬如LED(發光二極體)、SLED(高輝度發光二極體)、雷射二極體、VCSEL(垂直腔面射型雷射)，或一光偵測器，譬如光二極體、光二極體陣列，多像素光偵測器，譬如影像感測器。
光可經由該一或多個透明部分進入及/或離開該光學模組。該一或多個透明部分提供一光學連接於該第三構件內的該開孔和一分別位在該第一構件及該第二構件上分別與該第一表面及該第二表面相反的那一側上的空間之間，或在許多例子中，在該開孔和該光學模組的外部之間。
在一方面，光(經由該等開孔部分的至少一開孔部分)從該光學模組外部進入該光學模組內且被該模組的該面鏡元件反射。該被反射的光然後被該模組內部或該模組外部的元件偵測或使用。在另一方面，在該模組內部被產生的光被該模組的該面鏡元件反射。該被反射的光然後被該模組內部或該模組外部的元件偵測或使用。
通常，該第一及第二構件係相對於彼此被固定。此固定可以是直接固定，或如果該第三構件和該第一 及第二構件不同的話則該固定可以是透過該第三構件的間接固定。黏結材料(如，環氧樹脂)可被使用在各個構件之間。
在一實施例中，該第三構件係不同於該第一及第二構件，且該第三構件被設置在該第一及第二構件之間。
在一可和前面提到的實施例結合的實施例中，該面鏡元件實質地是一塊狀光學元件，其黏結至該第二構件，更具體地黏結至該第二表面。
在一可和前面提到的實施例結合的實施例中，該面鏡元件實質地是由一施用在該第二表面上的塗層來形成。一塗層可包含多於一個的塗敷層。該塗層尤其可以是一金屬塗層。尤其是，平的(平面)面鏡元件藉由產生一塗層而被簡單地製造在該第二表面上。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該面鏡元件係被設置在該開孔內。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該第二構件包含：一第三表面，其被實質平行於該第二表面地對準；一介於該第二及第三表面之間的電絕緣基礎材料；及在該第二表面及該第三表面的每一者上的一或多個導電跡線(tracks)及/或一或多個導電接觸區(如，接觸墊片)。
這可獲得一具有多項功能(更具體地為光學 功能及電子功能)的第二構件。尤其是，該至少一主動式光學構件被電連接至出現在該第二表面的該等導電跡線及/或該等導電接觸區的至少一者。更具體地，該第二構件包含一或多個電連接，其將出現在該第二表面的該等導電跡線的一或多者及/或該等導電接觸區的一或多者連接至出現在該第三表面的該等導電跡線的一或多者及/或該等導電接觸區的一或多者。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，藉由該第二構件，至少一橫跨該第二構件的電連接被提供。
橫跨該第二構件的電連接可以是導電的介層孔(via)，譬如被電鍍的穿孔或印刷電路板技術中習知的其它垂直的電連接。該至少一電連接尤其可電連接上述的第二表面及第三表面。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該第二構件實質地是一印刷電路板或一印刷電路板組件。該印刷電路板(PCB)可更具體地被稱為一插入物(interposer)。一被體現為一印刷電路板或一印刷電路板組件的構件可提供一或多個橫跨此構件的電連接並提供其它電連接。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該光學模組被建構成使得光可沿著一將該等透明部分的至少一者、該面鏡元件及該主動式光學構件互連的光路徑傳播。該光路徑尤其可位在該光學模組內。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該面鏡元件是用被硬化的可硬化材料製造及使用複製處理獲得，這兩種中的至少一者。尤其是，此面鏡元件例如可包含一塗層(如，敷金屬(metallization))。這讓達成一更好的可製造性成為可能。尤其是，浮凸壓印可被使用在該面鏡元件的製造中。如果該第一或第二構件和該面鏡元件在同一處理中一起被製造的話，將會特別有效率。在此特殊例子中，各構件亦是至少實質地用一被硬化之可硬化的材料來製造及/或使用複製處理來獲得。至少該面鏡元件將典型地設有一反射性塗層。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該開孔被該第一、第二及第三構件所包圍。更具體地，該開孔可被該等構件所界定。因此，一腔穴可被形成在該模組內。一或多個被動式光學構件(尤其是至少該面鏡元件)及/或一或多個主動式光學構件(尤其是上文中提到的主動式光學構件)可在該腔穴內。尤其是，被形成在該模組內的該開孔或腔穴可被隔絕地密封。這可保護該模組的內部不受有害物，譬如灰塵或泥土，的影響。因此，在該模組內的光學構件可用此方式保護，且在該模組內部的光路徑保持良好的狀況一段很長的時間。該第一、第二及第三構件是界定該開孔或腔穴的構件。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該第一、第二及第三構件係大致塊狀或板狀的 形狀，其包含至少一孔洞。此等光學模組的一晶圓層級的製造是很有可能的。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該模組的垂直輪廓(vertical silhouette)的外邊界(即，該光學模組在一側向平面上的投影所描繪出來的形狀的外邊界)及該第一、第二及第三構件的垂直輪廓的外邊界(即，各構件在一側向平面上的投影所描繪出來的形狀的外邊界)，其每一者都描繪同一個實質的矩形形狀。這可獲得一更佳的可製造性。詳言之，所有被提到的垂直輪廓可描繪一個且同一個矩形形狀。該第一、第二及第三構件的側向尺寸係實質相同。用晶圓層級來製造此等光學模組是很有可能的，這可獲得高精確度的大量製造。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該第一及第二構件的至少一者，尤其是它們兩者(即，該第一及第二構件)，至少部分是實質上用至少實質上不透明的材料來製造。當然，該一或多個透明部分不是用至少實質上不透明的材料來製造。此一材料的選擇可以防止所不想要之光線離開該光學模組及/或避免所不想要的光線進入該光學模組中。它對於光學地密封該光學模組有所貢獻，當然，其中該光學密封被該一或多個透明部分中斷，尤其是只被該一或多個透明部分中斷。因此，該第一構件通常是實質上完全用一至少實質不透明的材料製造，但該一或多個透明部分除外。該第二構件係實質地完全用一至少實質不透明的材料來製造。而且，該第二構 件是實質上完全用一至少實質不透明的材料製造，但該一或多個透明部分除外。該不透明的材料尤其可以是一以聚合物為主的材料。尤其是在該第二構件的例子中，該不透明的材料可以是PCB基礎材料(硬的或軟的)、強化纖維材料或非強化纖維材料、及它可以是以環氧樹脂為主的材料，譬如FR4或聚醯亞胺。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該第三構件至少部分是實質地用一至少實質不透明的材料來製造。這對於光學地密封該光學模組有貢獻。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該第三構件是用被硬化之可硬化材料製造及使用複製處理獲得，這兩種中的至少一者。這讓達成一更好的可製造性成為可能。這讓用更效率的方式及更高的精確度來提供單一部件形式的第三構件成為可能。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該第三構件是一單一部件，尤其是其中該第三構件不同於該第一及第二構件，這可提高該第三構件的可製造性。
典型地，該第三構件(尤其是在它不同於該第一及第二構件時)具有一垂直的延伸量，其受限於從該第一表面到該第二表面的垂直距離。
通常，一第三構件(更明確地，一分開的第三構件)亦可被稱為間隔件或間隔件構件或疏遠構件，因 為它可在該第一及第二構件之間，更明確地在該第一及第二表面之間，造成一明確界定的(垂直)距離。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該光學模組額外地包含下列的至少一者：一被動式光學構件，尤其是一至少部分反射的元件、一反射元件及一繞射元件的至少一者；及另一主動式光學構件，尤其是一光發射元件或一光偵測元件。
這可讓較複雜的光學設備用此方式被設置在該模組內。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該模組包含一內部空間及一包圍該內部空間的外殼，該內部空間被包含在該開孔內，除了該透明部分之外該外殼都是不透明的，使得光只能經由該一或多個透明部分進入或離開該內部空間。更具體地，該第三構件及該第一及第二構件的至少一者對該外殼有供獻，或更加具體地，它們形成該外殼。再更具體地，該第一、第二及第三構件對該外殼有供獻，更加具體地，它們甚至形成該外殼。藉此，一極為精巧地封裝的光學模組可被完成。該光學模組可以只使用極少數的部件來完成。此外，不只該第一構件，該第二構件也可以包含至少一個透明部分。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該模組的最大垂直延伸量最多25mm，尤其是最多12mm。
在一可和一或多個前面提到的實施例結合的實施例中，該模組的最大側向延伸量最多30mm，尤其是最多15mm。
該晶圓包含多個面鏡元件。此晶圓可被使用在上述類型的光學模組或其它光學模組(例如，不包含主動式光學構件)的大量製造中。在一分割步驟(在此步驟中一包含此晶圓的晶圓堆疊被分割成多個部件)之後，該晶圓的相對應部分尤其可以是上文所述之第二構件，且它們具有上文所述之相應的特性。尤其是：在該晶圓的一實施例中，多個主動式光學構件被安裝在該晶圓的一表面上。該表面尤其可以是一垂直表面。該等主動式光學構件在該表面和該晶圓電接觸。該等面鏡出現並分佈在該表面上。
在該晶圓的一可和前面提到的晶圓實施例結合的另一實施例中，該晶圓實質地是一印刷電路板。
一種製造一包含多個面鏡元件的晶圓的方法包含下列步驟的至少一者：A)使用取放操作(pick-and-place)將該等多個面鏡元件置於該晶圓的一表面上；B)當形成該等多個面鏡元件時，提供該晶圓一具有多個被塗覆的區域的表面；及C)當形成該等多個面鏡元件時，實施一或多個複製步驟。
尤其是，前述的晶圓可用此方法來製造。步 驟A)以及步驟B)及步驟C)都很適合大量製造。在步驟A)的情形中，塊體式(bulk)光學元件可使用電子工業中習知的技術被放置在該晶圓上。在步驟B)的情形中，多個鏡面化的區域可被形成在該晶圓上，這些區域通常具有光學品質。首先可產生一基礎塗層以產生一平的(但還不是反射性的)區域，其將該晶圓上可能存在的不平或粗糙度補平然後施加一反射塗層於該基礎塗層上。在步驟C)的情形中，該等面鏡元件係使用複製來製造，該等面鏡元件可被提供一塗層。
該應用器具(appliance)包含多個描述於上文中的光學模組及/或包含一描述於上文中的晶圓。該應用器具尤其可以是一晶圓堆疊。
在該應用器具的一實施例中，該應用器具包含多個描述於上文中的光學模組及：一第一晶圓，其包含多個該第一構件；一第二晶圓，其包含多個該第二構件；一第三晶圓，其包含多個該第三構件，其中該第三晶圓被包含在該第一晶圓中或被包含在該第二晶圓中或和該第一及第二晶圓不同；及多個該面鏡元件；及多個該主動式光學構件。
此一應用器具或晶圓堆疊對於大量製造上述光學模組很有用。
提供一種沒有該等多個主動式光學構件的應 用器具亦是可能的。因此，使用此一晶圓堆疊的應用器具所製造的光學模組亦可以是它們不包含主動式光學構件。
一種製造光學模組的方法包含下列步驟：a)提供一第一晶圓；b)提供一第二晶圓，其上有多個面鏡元件；c)提供一第三晶圓，其中該第三晶圓被包含在該第一晶圓中或被包含在該第二晶圓中或和該第一及第二晶圓不同，及其中該第三晶圓包含多個開孔；e)形成一晶圓堆疊，其包含該第一晶圓、該第二晶圓、該第三晶圓；其中該第一晶圓及該第二晶圓的至少一者包含多個透明部分，光可從該等透明部分穿過。
藉此，高精密度的光學模組的有效率的大量製造可被達成。
尤其是，該方法是一種製造多個光學模組的方法。
使用此方法製造的光學模組尤其可以是上文所述的光學模組。
在該方法的一實施例中，步驟b)包含下面的步驟：b1)使用取放操作將該等多個面鏡元件置於該第二晶圓上。
這在該等面鏡元件和該第一、第二第三晶圓分開製造的時候特別有用。該等面鏡元件可以例如是塊體式(bulk)光學元件。
在該方法的另一實施例中，步驟b)包含下面的步驟：b2)在該等多個面鏡元件的製造期間施用一塗層。
更具體地，該塗層可被施用至該第二晶圓上。
在一可和前面提到的方法實施例的一或多者結合的實施例中，在該第二晶圓上有多個主動式光學構件。這些主動式光學構件尤其可被安裝在該第二晶圓上，且更具體地，在該第二晶圓之其上有該等面鏡元件的表面同一表面上。該等主動式光學構件和該第二晶圓的一表面電接觸。
在一參考前面最後提到的的實施例的實施例中，該方法包含下面的步驟：b3)使用取放來將該等多個主動式光學構件置於該第二晶圓上。
在一可和前面提到的一或多個方法實施例結合的實施例中，步驟e)包含下面的步驟：e1)安排該第一、第二及第三晶圓及該等面鏡元件使得該第三晶圓被設置在該第一及第二晶圓之間且該等面鏡元件的每一者被指派給該等多個開孔的一個開孔以及該等多個透明部分的一個透明部分。
藉此，高精密度的光學模組的有效率的大量製造可被達成。如果有該等前面提到的多個主動式光學構件的話，則每一面鏡元件亦被指派給該等主動式光學構件 的一個主動式光學構件。
在一可和前面提到的一或多個方法實施例結合的實施例中，步驟b)包含下面的步驟：b4)在該等面鏡元件的製造期間實施一複製步驟。
尤其是，該複製步驟被實施在該第二晶圓上。
該複製步驟尤其可以是一浮凸壓印步驟。
該等多個面鏡元件可使用一複製步驟或具有絕佳的大量製造性的複製處理來製造。
尤其是，全部該等多個面鏡元件係實質地在一個處理中被製造。如果該等多個面鏡元件的所有面鏡元件被同時製造(尤其是以晶圓層級)的話，則大量製造可以很容易被達成。在該複製處理之後，一塗覆處理可被實施以產生該等面鏡元件的塗層。
在一方法實施例中，該等面鏡元件的每一者至少部分地在一共同的複製步驟或複製處理中和該第二晶圓一起被形成。
大致上，一複製步驟或複製處理通常包含下面的步驟：i)將複製材料沉積在該一晶圓的表面上；ii)讓一複製工具和該複製材料接觸；iii)將該複製材料硬化，尤其是例如藉由加熱或藉由輻射，例如用UV輻射，來將該複製材料固化；iv)移除該複製工具。
在該步驟i)中，該表面尤其是一和上面提到的第二表面相對應的表面。
在一可和前面提到的一或多個實施例結合的實施例中，該方法包含下列步驟的至少一者：n1)使用複製處理，尤其是浮凸壓印處理，來製造該第一晶圓；n2)使用複製處理，尤其是浮凸壓印處理，來製造該第二晶圓；n3)使用複製處理，尤其是浮凸壓印處理，來製造該第三晶圓。
在該方法中可進一步提供下面的步驟：q)使用一複製處理，尤其是浮凸壓印處理，來製造該等多個透明部分或該等多個透明部分的一部分。
在一可和前面提到的一或多個實施例結合的實施例中，該方法包含下列步驟的至少一者：f)將該晶圓堆疊分割成該等多個光學模組。
尤其是，該等光學模組的每一者包含：該等多個透明部分的至少一個透明部分；該等多個面鏡元件的至少一面鏡元件；及該等多個開孔的至少一開孔。
該等光學模組的每一者可以是本專利申請案在上文中描述的光學模組。
該分割可使用已知的分切(dicing)技術，如鋸切、雷射切割及其它，來實施。
本發明包含具有依據本發明的相對應的方法的特徵的光學模組，反之亦然，本發明包含具有依據本發明的相對應的光學模組的特徵的方法。
該等光學模組的好處基本上對應於相應的方法的好處，反之亦然，該等方法的好處基本上對應於相應的光學模組的好處。
該裝置包含一上文所述類型的光學模組。尤其是，該裝置亦包含一其上安裝了該光學模組的印刷電路板。該裝置尤其可以是一電子裝置、智慧型手機、照相裝置、光學通信裝置、一光學裝置、一光譜計(spectrometer)。“光學通信裝置”係指一種在光學數據傳輸中，更具體地是在光學數位數據傳輸中，再更具體地是在光學長途電信數據傳輸中，使用的光學構件。通常，一光學通信裝置具有至少一用來接收光的輸入埠及至少一用來輸出光的輸出埠。典型地，在該光學通信裝置中，一些處理被施加至該被輸入的光上，該處理可以是放大、聚焦、散焦、濾波、光學濾波、分離(separating)、分割(dividing)、分裂(splitting)、合併的至少一種。
該用來製造包含一光學模組的裝置的方法包含依據一上文所述的方法來製造該光學模組。此外，該光學模組可以是一上文所述類型的光學模組。
其它的實施例及好處從附屬請求項及圖中浮現。
1‧‧‧光學模組
10‧‧‧裝置
9‧‧‧印刷電路板(PCB)
8‧‧‧控制單元
P‧‧‧基材(構件)
S‧‧‧分隔件
O‧‧‧光學器件構件
B‧‧‧遮擋件
20‧‧‧主動式光學構件
22‧‧‧光發射器
30‧‧‧被動式光學構件
31‧‧‧面鏡元件
32‧‧‧被動式光學構件
7‧‧‧焊錫球
4‧‧‧開孔
6‧‧‧透明元件
5‧‧‧鏡片元件
3‧‧‧透明區域
Sb‧‧‧間隔件部分
27‧‧‧主動式光學構件
Sb‧‧‧結構部分
PW‧‧‧基材晶圓
SW‧‧‧間隔件晶圓
OW‧‧‧光學器件晶圓
BW‧‧‧遮擋晶圓
b‧‧‧遮擋部分
L‧‧‧鏡片構件
2‧‧‧晶圓堆疊
PW‧‧‧基材晶圓
SW‧‧‧間隔件晶圓
OW‧‧‧光學器件晶圓
BW‧‧‧遮擋晶圓
19‧‧‧穿孔
11‧‧‧外殼
25‧‧‧主動式光學構件
31’‧‧‧被動式光學構件
31'''‧‧‧被動式光學構件
36‧‧‧繞射光柵
26‧‧‧偵測器配置
Sb’‧‧‧間隔件部分
Sb”‧‧‧間隔件部分
Sb'''‧‧‧間隔件部分
Sb''''‧‧‧間隔件部分
t‧‧‧透明部分
t’‧‧‧透明部分
38‧‧‧稜鏡
39‧‧‧複製材料
C‧‧‧塗層
F3‧‧‧表面
31”‧‧‧被動式光學構件
F1‧‧‧表面
F2‧‧‧表面
Sp‧‧‧通道分隔件
4’‧‧‧開孔
32’‧‧‧面鏡元件
32”‧‧‧面鏡元件
32'''‧‧‧面鏡元件
在下文中，本發明藉由例子及圖式來作更詳細的描述。該等圖式以示意的方式顯示：圖1為一包含光學模組的裝置的剖面圖；圖2為圖1的光學模組的組成物的各式各樣的剖面圖；圖3為用來形成一用來製造多個圖1的光學模組的晶圓堆疊的諸晶圓的剖面圖；圖4為用來形成一用來製造多個圖1的光學模組的晶圓堆疊的剖面圖；圖5為一在印刷電路板上的光學模組的剖面圖；圖6為一包含繞射光柵的光學模組的剖面圖；圖7是在一穿過圖6的實施例的垂直剖面上的圖式的一特別的詮釋；圖8a-8f為穿過一晶圓的垂直剖面圖，用來顯示製造一晶圓及面鏡元件的方法；圖9a及9b為穿過一晶圓的垂直剖面圖，用來顯示製造一晶圓及面鏡元件的方法；圖10為一包含光電模組的裝置的剖面圖；圖11為一光學模組的側視圖；圖12為穿過圖11的光學模組的垂直剖面的圖式；圖13為穿過圖11的光學模組的垂直剖面的圖式；圖14為穿過圖11的光學模組的垂直剖面的圖式； 圖15為一包含一具有兩個通道的光學模組的裝置的剖面圖。
被描述的實施例是要作為例子之用，其不應被用來限制本發明。
圖1顯示一包含光學模組1的裝置10的示意剖面圖，其中該光學模組尤其是一光電模組1。該被例示的剖面是垂直剖面。圖2顯示圖1的模組的組成物的各式示意側剖面圖，其中這些側剖面的大致位置在圖1中係以s1至s5及虛線來標示。關於s4及s5，其觀看方向係以箭頭來標示。
裝置10可以例如是電子裝置及/或照相裝置。它除了模組1之外還包含印刷電路板9，該模組1係安裝於該印刷電路板上。此外，安裝在該印刷電路板9上的是一積體電路8，譬如一控制單元8或控制器晶片，其透過該印刷電路板9和模組1操作地互連。例如，積體電路8可評估該模組1輸出的訊號及/或提供訊號至模組1，用以控制模組1。
模組1包含數個組成物(P、S、O、B)其彼此堆疊於一被界定為“垂直”的方向上；其對應於z方向(參見圖1)。在x-y平面(參見圖2)上和垂直(z)方向正交的方向被稱為“側向方向(lateral direction)”。
模組1包含彼此堆疊的一基材P、一分隔件S (其亦可被稱為間隔件)、一光學器件構件(optics member)O及一非必要的遮擋件B。基材P例如是一印刷電路板組件，或只是一印刷電路板。此該印刷電路板(PCB)組件的該PCB更具體地亦被稱為一插入物(interposer)。在該PCB上，一主動式光學構件(譬如，光發射器22)被安裝於其上且一被動式光學構件31亦被安裝於其上。該被動式光學構件31更具體地是一面鏡元件31(或一反射元件)，如一面鏡式稜鏡。光學元件22及31係在基材P的一表面F2上。在該光學器件構件O上，另一被動式光學構件32被設置於其上，其更具體地是一面鏡元件32(或反射元件)，如一弧形面鏡。面鏡元件32係在該光學器件構件O的一表面F1上。表面F1及F2係實質平的且彼此平行。
主動式光學器件構件22的電接點透過基材P而被電連接至模組1的外面，其中焊錫球7係附著在基材P的一表面F3上。亦可以提供接觸墊片於該PCB(基材P)上，而不是設置焊錫球7，接觸墊片上不設(或在稍後的時間點設有)焊錫球。
藉此，模組1可被安裝在印刷電路板9上，例如用表面安裝技術(SMT)，並與其它電子構件(譬如，控制器8)比鄰。模組1特別適合應用在精巧的電子裝置10中，譬如在手持式裝置中，因為它可被設計及製造成具有極小的尺寸。
分隔件S具有一開孔4，該主動及被動光學器 件構件22，31，32被設置於該開孔內。以此方式，這些物件被分隔件S側向地圍繞(參見圖1及2)。
分隔件S可達成數項任務。它可(透過其垂直的延伸量(extension))確保該基材P和光學器件構件O之間一明確界定的距離，這有助於在該模組內達成明確界定的光路徑。分隔件S亦可禁止該主動式光學器件構件22所產生的光經由底下的光路徑擴散至模組1外面。這是藉由讓該分隔件S形成該模組1的外壁的一部分來達成，分隔件S實質上是由不透明的材料製成。典型地，分隔件S是用聚合物材料製成，尤其是可硬化的，或更具體地可固化的聚合物材料，如環氧樹脂製成。如果分隔件S實質上是由不透明的可固化材料製成的話，它可以特別是一可熱固化的材料。
光學器件構件O包含一遮擋部分b及一透明部分t，後者是要讓該主動式光學器件構件22所產生的光能夠離開該模組1。
遮擋部分b係藉由用適當的(聚合物)材料，例如和被描述的分隔件S相類似的材料，製造而實質不透光。透明部分t包含一被動式光學器件構件L，或更具體地包含例如一用於光線引導的鏡片元件L。鏡片元件L例如包含圖1所示地一和透明元件6緊密接觸的鏡片元件5。透明元件6可具有和光學器件構件O的遮擋部分b相同的垂直尺寸，使得光學器件構件O的遮擋部分b和透明元件6一起形成一(接近完美的)實心板形狀。鏡片元件5藉由折 射(參見圖1)及/或藉由繞射(未示於圖1中)將光重新導向。鏡片元件5可例如是大致外凸形狀(如圖1所示)，但鏡片元件5可被不同地塑形，例如大致內凹或部分內凹形。提供另一光學結構於透明元件6的相反側上亦是可能的(未示出)。
遮擋件B是非必要的且可遮擋所不想要的光，尤其是以一所想要的角度離開模組1的光。通常，遮擋件B將具有一透明的區域3，其可被體現為一開孔或用透明材料來體現。遮擋件B在透明區域3以外的部分可用一可實質地讓光衰減或遮擋光線的材料來製造，或可被設置一具有此特性的塗層，其中後者在製造上通常較複雜。該遮擋件B或更精確地該透明區域3的形狀可以和圖1及2所示的形狀不同，且其可以例如形成一圓錐狀的形狀或一截頭的角錐的形狀。
不只該透明區域3的側面形狀，該透明部分t的形狀和開孔4的形狀也可以和圖2所示的形狀不同，而具有其它的外觀，例如具有圓角化角落的多邊形或矩形或橢圓形。
回到分隔件S，它並不獨自地包含一側向地界定的區域，該分隔件S在該區域內垂直地延伸至一最大程度，亦即延伸至實質地界定該介於基材構件P和該光學器件構件O之間的垂直距離的程度、及包含側向地界定的區域，該分隔件在該區域內完全沒有材料，以形成一垂直地完全橫貫該最大的垂直延伸量的開孔。而且，有一側向地 界定的區域，該分隔件S的材料(通常是不透明的材料)只沿著該最大的垂直延伸量的一部分(即，在該間隔件部分Sb的區域內)垂直地延伸。因此，間隔件部分Sb可如一用於該模組1內部的遮光件般地作用(參見圖1)。它可防止光沿著所不想要的路徑擴散。尤其是，如果該分隔件S使用複製來製造的話，則在製造性及製造步驟方面，該間隔件部分Sb提供的分隔件S的額外功能可以在幾近沒有成本下很容易達成。
該主動式光學器件構件亦可以是一用於偵測光線的偵測構件，譬如影像偵測器或光二極體，而不是一包含一發光構件22作為主動式光學器件構件的發光模組1。在此情況中，分隔件S亦可藉由形成為實質不透明及藉由形成該模組1的外壁的一部分及藉由形成一遮光部(即，間隔件部分Sb)而被提供來保護該偵側構件以遮擋掉不應被該偵測構件偵測的光線。再者，透明部分t然後可被提供以允許光從模組1的外面進入模組1內並到達該偵測構件。
而且，亦可在模組1中提供一發光構件及一偵測構件(未在圖1至4中示出，但在示於圖15中)。為了要達成將這些主動式光學器件構件和模組1外面的電接觸，這兩者通常將會被安裝於基材P上。此一模組可被用於例如藉由將光發射出該模組1外並偵測且分析已和模組1的環境中的一物件互動的光線來調查模組1的環境。
再者，亦可以提供依據上文中討論的原則設 計的模組，其除了一或兩個主動式光學元件之外還包含一或多個額外的電子構件，譬如額外的光偵測器、及/或一或多個積體電路、及/或兩個或多個光源。
圖1至4中的模組1是一光電構件、更精確地是一經過封裝的光電構件。模組1的垂直側壁是由物件P、S、O及B形成。一底壁是由基材P形成，及一頂壁是由遮擋件B或由遮擋件B和光學器件構件O一起形成，或在沒有遮擋壁B的情況中，其是單獨由光學器件構件O來形成。
如可在圖2中清楚地看出，這四個物件P、S、O及B因為上述的原因，因此亦可被稱為外殼構件(構成模組1的外殼)，它們全都具有相同的外側面形狀及外側面尺寸。這和一種可行的且極有效率的模組1製造方法有關，該方法將於下文中參考圖3及4更詳細地說明。這些外殼構件P、S、O及B通常全都是大致塊狀或板狀形狀，或更常的是大致矩形的平行四邊形，可能具有孔洞或開孔(譬如遮擋件B及分隔件S就有)或(垂直的)突出部(譬如光學器件構件O因為光學結構5的關係而有突出部)。
被動式光學構件31及32及主動式光學器件構件22被設置成使得光可沿著互連這些構件的光學路徑及透明的部分t在該模組1內傳播。被設置成和該光學元件32分開的該透明部分t讓該光學路徑具有一側向分量(沿著x方向)。該面鏡元件31的彎角的對準(angled alignment)有助於一適當的光學路徑。一面鏡元件(譬如，面鏡元件31)出現在該表面F2上使得在一模組1中實現長的且複雜的光路徑成為可能。藉著面鏡元件31出現在作為一印刷電路板的該基材P上，基材P除了提供(在模組1內及/或在模組1和一或多個其它構件(譬如，裝置10的印刷電路板9)之間的)電連接之外，它還作為一光學元件(更精準地，一面鏡元件)的載具(或基板)。當然，基材P還具有上文中提到的其它功能；它對該模組外殼有貢獻且對於將該模組1的內部和模組1外面的空間光學地分隔開有貢獻。
包含在模組1內的主動式電子構件(譬如圖1所示的例子中的發光件22)可以是封裝的或未封裝的電子構件。為了接觸該基材P，可使用打線接合(wire bonding)技術或覆晶技術或任何其它已知的表面安裝技術，或甚至傳統的穿孔技術。提供主動式光學器件構件作為裸晶粒(bare die)或晶圓尺度的封裝體可讓設計特別小的模組1成為可能，而且還可讓以不同方式封裝的主動式光學器件構件被包含在模組1內。
圖3顯示用來形成一晶圓堆疊2之諸晶圓的示意剖面圖，該晶圓堆疊係用來製造多個示於圖1及2中的模組。(實際上)完全以晶圓尺度(wafer-scale)來製造該等模組1是可行的，當然具有後續的分割步驟。雖然圖3及4只顯示提供三個模組1，但通常在一個晶圓堆疊中在每一側方向上可提供至少10個、或至少30個或甚至 多於50個的模組。每一個晶圓的典型尺度為：側向地至少5公分或10公分、及高達30公分或40公分或甚至50公分；及垂直地(在沒有構件被設置在該基材晶圓PW時測量)至少0.2公釐至0.4公釐或甚至1公釐，及高達6公釐或10公釐或甚至20公釐。
四片晶圓(或沒有遮擋晶圓時：三片晶圓)足夠製造多個示於圖1中的模組：一片基材晶圓PW，一片間隔件晶圓SW，一片光學器件晶圓OW，及非必要的遮擋晶圓BW。每一片晶圓包含多個包含在相應的模組1內之相應的構件(參見圖1及2)，其通常被設置在一矩形的柵格上，其彼此之間典型地具有一很小的距離以用於晶圓分割步驟。
基材晶圓PW可以是一PCB組件，其包含一標準PCB材料(譬如，FR4)的PCB，其一側上設有焊錫球7且有一或多個光學元件(在圖1中：主動式光學器件構件22及被動式光學器件構件32)被連接至(如，焊接至或黏合至)其另一側。該等光學元件可被置於該基材晶圓PW上，例如藉由使用標準的取放機器實施的取放操作(pick-and-place)。相類似地，被動式光學器件構件32可被設置在光學器件晶圓OW上。或者，提供被動式光學構件(尤其是面鏡元件)於一基材上的其它方式將於下文中參考圖8及9描述。
當光學元件被設置於一晶圓上時，確保它們彼此被夠精確地放置是很重要的。
為了要提供最大保護以防止所不想要的光擴散，所有晶圓PW、SW、OW、BW可實質地用不透光的材料製成，但在透明的區域除外，譬如透明的部分t及透明的區域3。
晶圓SW及BW及晶圓OW的全部或一部分可用複製來製造或至少用複製來製造。在一示範性的複製處理中，一結構化的表面被凸浮壓印到一液狀黏滯性的材料或可塑性變形的材料，然後該材料被硬化，譬如使用超紫外線或加熱予以固化，然後該結構化表面被移除。因此，該結構化表面的一複製品(replica)(其在此例子中為一負形複製品)被獲得。適合用於複製的材料為，例如，可硬化的(更具體地為可固化的)聚合物材料或其它複製材料，即可在硬化步驟中(更明確地為在固化步驟中)從液狀黏滯或可塑性變形的狀態轉變為固態的材料。複製是一種習知的技術，例如參見WO 2005/083789 A2以獲得關於此技術的更多細節。
在光學器件晶圓OW的例子中，複製，如凸浮壓印或模製，可被用來獲得不透明的部分(遮擋部分b)。亦可在應出現透明部分t的地方藉由鑽孔或蝕刻來提供孔洞。
接下來，一如此被獲得之包含遮擋部分b的先驅物晶圓設有鏡片構件L及被動式光學器件構件22。前者可藉由複製來完成，如將鏡片部分L形成為一單一部件，如美國公開案第US 2011/0043923 A1號中所描述 者。然而，該等鏡片構件L亦可從一半完成的(semi-finished)部件開始製造，該半完成的部件是一晶圓其包含在孔洞內的透明元件6，該等透明區域3是由這些孔洞所界定。這在等鏡片構件L每一者都具有至少一個頂點(apex)，且這些頂點都位在該光學器件晶圓OW的垂直剖面外面的時候特別有用。此一半完成的部件(通常且在圖中所示的示範性例子中)是一平的圓盤狀晶圓，其在透明區域3沒有貫穿該晶圓的孔洞且沒有或只有很淺的表面皺紋，此等表面皺紋通常是下凹的，即不超過該等遮擋部分b所界定的晶圓表面。
一如上文所述的半完成的部件可從一平的先驅物晶圓(其典型地是由單一組成材料製成)開始被製造，該先驅物晶圓在應該要有透明部分t的地方具有孔洞或開孔，然後使用例如一配給處理將該等孔洞用透明材料填滿，並例如使用一類似於在覆晶技術中用於底膠填充(underfilling)處理的配給器來將該先驅物晶圓上的該等孔洞一個接著一個地填滿，或例如使用刷塗(squeegee)處理(如，網版印刷所使用者)或一具有數個輸出材料的中空針頭的配給器來一次填充數個孔洞。在該配給期間，該晶圓可被置於一例如用矽製成之平的支撐板上。必須要小心處理以防止氣泡或空穴形成於該被配給的材料中，因為這將會讓所製造的鏡片構件L的光學特性變差。例如，吾人實施該配給的方式可使得該晶圓材料的弄濕(wetting)是在該晶圓的邊緣及底下的支撐板(或在一靠 近此邊緣的地方)開始，藉由適當地引導一輸出該材料的中空針頭靠近此邊緣來達成。接下來，該被配給的材料被熱或UV輻射固化，用以獲得被硬化的透明材料。
此方式可能形成的外凸的新月形(meniscus)可用研磨予以平坦化，用以獲得一透明元件6，其具有被調整至該晶圓厚度的平行表面。然後，藉由複製，光學結構5(鏡片元件5)被施加至光學器件晶圓OW的一側或兩側(頂側及底側)上。在該等透明元件的下凹的新月形的情況中，該複製可實施於這些皺紋上，其中所施用的複製材料需要作相應的調整。
從一包含該間隔件晶圓SW及該遮擋晶圓BW這兩者的特殊種類的光學器件晶圓被提供的角度來看，該間隔件晶圓SW及/或該遮擋晶圓BW有可能是過時的(obsolete)，即在此情況中，各種晶圓都是該光學器件晶圓的一部分。此光學器件晶圓(“組合式光學器件晶圓”)包含該間隔件晶圓SW及/或該遮擋晶圓BW的特性及功能。製造此“組合式光學器件晶圓”可使用一特殊的先驅物晶圓來實施，一特殊的半完成的部件係以該先驅物晶圓為基礎被製造。此一先驅物晶圓及半完成的部件分別具有至少一結構化的表面，其通常具有至少一者突出部，其分別垂直地延伸超過將被設置在該先驅物晶圓內且出現在該半完成的部件內的透明元件的兩個表面。將圖4中的晶圓OW及SW(或晶圓OW及BW，或晶圓OW及SW及BW)看作是一個單一部件，可輕易地看出來用於製造 圖1的模組的光學器件晶圓(“組合式光學器件晶圓”)以及一相對應之半完成的部件是長什麼樣子。
大致上，作為上文所述的部分變化，間隔件晶圓SW可以是基材晶圓PW的一部分。在此情況中，基材晶圓PW將不再是用標準的PCB材料製造，而是用複製材料來製造。
圖9a，9b顯示一種如何製造一晶圓及面鏡元件31的方式。圖9a，9b為穿過一將基材晶圓PW和間隔件晶圓SW的功能整合在一起的“結合式(combined)”晶圓的垂直剖面。此外，該晶圓包含面鏡元件31(但沒有一將被施用的塗層)，用以達到該等面鏡元件31的一所想要的反射性，參見圖9a。在圖9b中有一相對應反射性塗層C，其典型地為一金屬塗層。塗層C可被電化學地施加或由氣相(例如，使用物理氣相沉積技術)來施加，且如果不是被特別局部地被施加(如，使用遮罩)的話，則可例如使用光刻處理，如光微影蝕刻，來形成。
示於圖9a中的晶圓可使用複製來製造。更具體地，它可使用射出成形(injection molding)來製造。如果沒有間隔件部分Sb的話，則該晶圓可使用浮凸壓印來製造。
示於圖9b中的晶圓應包含印刷電路板的功能，相對應的導電跡線及/或導電區域(譬如，接觸墊片)可使用和產生塗層C的處理類似的處理(譬如，塗覆和蝕刻)來產生，且該等導電跡線及/或導電區域甚至可 和塗層C在相同的處理步驟中同時被產生。穿孔，如果有的話，可在該複製步驟中被形成。它們可單純地被提供在一用來射出成形該晶圓的射出模內。
圖8例示另一種將面鏡元件31形成在一晶圓上的方式。在此例子中，晶圓是一不包含間隔件晶圓的功能的基材晶圓PW；但通常亦可在所例示的方式中將面鏡元件31形成在一結合了基材晶圓和間隔件晶圓的功能的“結合式(combined)”晶圓上。圖8a-8f為穿過該晶圓的垂直剖面，其例示出不同的方法步驟。
在圖8a中，其顯示出複製材料39被施用在一晶圓上。該晶圓可以是一基材晶圓且可以是一具有主動式光學構件及/或焊錫球或如圖8a所示地或沒有主動式光學構件及/或焊錫球的印刷電路板。圖8b例示在一複製步驟之後，尤其是一浮凸壓印步驟之後，的結果。該複製材料被塑形及硬化(固化)並形成面鏡元件31，但仍然沒有反射塗層。在圖8c中，塗層C以一未被結構化的方式被施用。然後，該塗層例如藉由使用一蝕刻遮罩來加以結構化，並獲得如圖8d所示的晶圓。或者，一遮罩可例如在氣化一適當的金屬期間被用來施用該塗層。圖8e例示該晶圓在使用電子工業常用的取放機器將主動式光學構件22放置於其上之後的情形。圖8f例示在設置(非必要的)焊錫球7之後所完成的晶圓。焊錫球7及主動式光學構件22亦可在任一稍早的步驟被設置，例如甚至在沉積該複製材料39之前(參見圖8a)。
回到圖1-4。為了要形成晶圓堆疊2，該等晶圓被對準且藉由使用一可熱固化的環氧樹脂而被黏結在一起。確保在基材晶圓SW上的每一光學元件(譬如，主動式光學器件構件22及被動式光學器件構件31)被夠精確地分配給光學器件晶圓OW的光學元件(譬如，被動式光學器件構件32)及透明部分t是很關鍵的重點。
應指出的是，被動式光學器件構件31及/或被動式光學器件構件32可以是繞射光柵，而不是全然的光學面鏡。
圖4顯示一被如此獲得之用於製造多個圖1所示的模組1的晶圓堆疊2的剖面圖。該薄薄的矩形虛線是使用分切鋸片或雷射切割來實施分割的地方。
多數對準步驟是在晶圓層級被實施的事實讓以相當簡單且極快速的方式達成良好的光學元件對準成為可能。因此，一用於模組1內部的光線之明確地界定的光學路徑可被實現。整體製程很快速且精確。因為該晶圓尺度製造的關係，所以只需要很少的製造步驟及部件(或構件)來製造多個模組1。
接在前面提出的概念之後，各式其它光學模組1可被建造及製造。在下文中，一些例子被描述。
圖5顯示一在印刷電路板9上的光學模組1的剖面圖。和圖1的模組相反地，該透明部分t並沒有被設置在該光學器件構件O上，而是設置在基材構件P上。當該光學模組被安裝於PCB 9上時，一穿孔19被提 供於PCB 9上，用以讓光經由該穿孔及經由透明部分t進入(或離開)該光學模組1。穿孔19可如一遮光板(baffle)般地作用，用以限制光線可進入該光學模組1內的角度範圍。因為安裝在一PCB上可達到的定位精確度非常有限(以光學的標準而言)，所以穿孔19將被設計為具有一側向的延伸量，其大於該透明部分t具有的側向延伸量。
再者，透明部分t的另一可能的變化被例示於圖5中。在該被例示的例子中，透明部分t只是該模組1的外殼11上的一個開孔。一類似於圖1至4中的透明元件6的透明元件亦可被提供在該透明部分t內；這對於防止所不想要的顆粒(譬如，灰塵)進入模組1內將由所幫助。而且，一鏡片元件可被設置在此一透明元件6的一側或兩側上。和圖1至4的例子相類似地，該模組1的外殼11係實質地由構成構件O、S、P(在圖1至4中亦包含非必要的構件B)所構成。
圖5的模組1的主動式光學構件25可以是一光偵測器，例如一畫素陣列，例如一影像感測器。被動式光學組件32例如可以是一在稜鏡上的光學面鏡。因此，在依據圖5的實施例中有一面鏡元件，但卻是在一不是印刷電路板的晶圓上。間隔件部分Sb對於防止以所不想要的方式進入到該模組1內的雜散光被主動式光學構件25偵測到是有貢獻的。
藉此，圖5中的模組1可例如被用來將進入 模組1內的光成像。如果該被動式光學元件32是一繞射光柵的話，則圖5的模組1可例如被用來光譜地分析進入模組1內的光。該主動式光學構件25所獲得的訊號可透過焊錫球7被送至一和該PCB 9操作地相連的評估單元，例如饋送至一類似於圖1中的構件8的積體電路。
在圖5的另一詮釋中，主動式光學構件25是一光發射器，及被動式光學元件32是一(全光譜的)面鏡元件。在此情形中，模組1可以是一用來投射影像的投影器。例如，該光發射器可以是一用來在同一時間產生一全影像訊框(full image frame)的多畫素光發射器，且該被動式光學構件32將會是一平的面鏡或一(未示出的)彎曲的面鏡。然而，該光發射器亦可以在同一時間只產生一個畫素或一全影像訊框的一部分，且該被動式光學構件32可以是一數位微型面鏡裝置，其藉由後續地將該光發射器所發出的光導引至不同的方向上來產生一全影像。在這些情形的任何一種情形中，在該透明部分t內的一或多個鏡片可達成一更佳的影像品質。
另一個光學模組1以剖面圖的形式被例示於圖6中。在該光學模組中，透明部分t包含一鏡片構件L其包含透明元件6，在該透明元件6的兩個相反的表面的每一表面上附裝了一鏡片元件5，例如藉由晶圓層級複製來製造。一光二極體的配置26(如，一直線配置)被安排在基材構件P上。此外，三個被動式光學構件36，31’，31'''被設置該基材構件P上。被動式光學構件36是 一反射繞射光柵36，及被動式光學構件31’，31'''被體現為(平面的)光學面鏡。光柵36可使用複製(尤其是晶圓層級的複製)來製造、或它可以是一(預先製造的)光柵，藉由例如取放操作(pick-and-place)來放置於基板P上。三個被動式光學構件31，31”，31””被設置該光學器件構件O上，它們被體現為(平面的)光學面鏡。
該等面鏡元件(或它的至少一部分)可以是被取放操作放置在各構件上之預先製造的(塊體式)面鏡、或可以藉由施用一塗層於各個構件上(分別在構件O及P上)來實施。而且，可在施用一塗層之前，一複製步驟，尤其是一浮凸壓印步驟，可被實施，用以在其上將出現該塗層的該基材P上形成材料(亦參見圖8及9，以及相對應的說明)。
(經由透明部分t)進入模組1中的光可沿著一依照光柵36、面鏡31、31’、31”、31'''、31''''及偵測器配置26的順序前進之光路徑傳播。數個間隔件部分，即Sb、Sb’、Sb”、Sb'''、SB''''，擋住雜散光朝向該偵測器配置26傳播。在第一種詮釋圖6的方式中，圖6中所示的光學構件係實質地沿著一個一般的x-z平面被設置。在此例子中，圖6中所示的光學模組1通常將會是一相當細長的形狀，它在y方向上的延伸量只構成它在x方向上的延伸量的一小部分(參見圖6左下角的座標系統)。由在該光學模組1內傳播的光所描繪出的光路徑係沿x方向前進。
然而，如圖7中所例示的，亦可應用於y方向上的特定用途。在一第二詮釋中，圖7顯示在一穿過圖6的實施例的垂直剖面上的圖式。圖6中的點線及開放箭頭(open arrow)標示取得該剖面的大致位置。在圖6中所例示的實施例的此一特殊的詮釋中，由在該光學模組1內傳播的光所描繪出的光路徑在x方向及y方向這兩個方向上具有實質的分量。藉此可達成光在該光學模組1內部傳播所遵循的光路徑的一相當長的路徑長度。而且，至少部分地因為在該模組內的該等面鏡元件的關係，各種形塑光學模組1內的一光束的方式可因而被實現。
如圖7中所示，選擇間隔件部分Sb、Sb’、Sb”...沿著y軸的實質上任何適當的延伸量是可能的。但在圖6所示的垂直延伸量下，間隔件部分Sb、Sb’、Sb”...沿著y軸的的延伸量亦可完全地橫貫(traverse)該開孔4沿著y軸的延伸量(這和圖7中所示不一樣)。反之亦然地，在如圖7所示之間隔件Sb、Sb’、Sb”...沿著y軸的延伸量之下，間隔件部分Sb、Sb’、Sb”...沿著y軸的延伸量亦可完全橫貫開孔4沿著z軸的垂直延伸量(這和圖6所示的不同)。當然，大致上，且對於任何實施例而言，間隔件部分，譬如間隔件部分Sb、Sb’、Sb”...，不只可以是矩形形狀，其還可以是許多其它形狀，譬如楔形及彎角形狀。
而且，該等面鏡元件可以是平面的或曲面的且是矩形或圓的或任何其它形狀。
圖11至14顯示另一個可利用一光學模組中多於一個側向方向且使用面鏡元件來達成此目的的例子。圖11是一相應的光學模組1的側視圖，圖12至14是穿過圖11的光學模組1的不同垂直剖面的圖式。取得該等垂直剖面的位置係用點線及開放箭頭標示於圖11中。
光經由透明部分t進入圖11至14的光學模組1中，然後依序地被四個被動式光學構件，更具體地被面鏡元件32、32’、32”、32'''(光學面鏡)，反射。該等面鏡元件的一或多者，例如在圖式中所示的所有面鏡元件，可以是彎曲的面鏡。一複雜的(elaborate)成像及/或光束塑形因而可被獲得。然後，該光撞到該主動式光學構件27上，更具體地撞到一光偵測器上，如撞到一影像偵測器上。此光學模組1因而可構成例如一照相裝置。
應指出的是，該分隔構件S在此實施例中被特別地塑形。它的一部分可被視為一遮光部，其防止所不想要的光撞到該主動式光學構件27上。因此，此部分的功能至少類似於圖6及7中的間隔件部分Sb，Sb’，...的功能。如圖14中可看到的，此部分可從光學器件構件O的一表面F1延伸至該基材構件S的一表面F2。
應指出的是，在圖12、13及14中，構件O、S及P在圖中並未被清楚地區別。如之前被說明及例示的，光學器件構件O及分隔構件S或基材構件P及分隔構件S可以是單一部件。當然，它們亦可以是分開的部件，例如在其它圖中所示，如圖1至6。通常，可在任何 被描述的實施例中提供下列任一者：一分開的分隔構件S；或一包含在該光學器件構件O中的分隔構件S；或一包含在該基材構件P中的分隔構件S。
圖15是一包含光學模組1的裝置10的剖面圖。在許多態樣中，此光學模組1類似圖1的光學模組且參考其元件標號。圖15的光學模組1包含兩個分開的通道：一個發射通道(在圖15的右手邊)及一偵測通道(在圖15的左手邊)。該間隔件構件S的間隔件部分Sp將兩個通道光學地分開；其因而可被稱為通道分隔器Sp。因此，在兩個通道之間沒有串音(因為該通道分隔器Sp是不透明的)。分隔構件S包含兩個分開的開孔4及4’，每一個通道各有一個開孔。該發射通道包含一發射構件22，其作為主動式光學構件，例如一LED或雷射二極體。該偵測通道包含偵測構件(譬如，光二極體)的一配置26來作為一主動式光學構件，其中一多像素偵測器亦可被設置。該偵測通道更包含該被動式光學構件，更具體地，一繞射光柵36及一光學面鏡31。而且，一類似於圖5及6的間隔件部分Sb的間隔件部分Sb可被設置在該偵測通道內作為一遮光件。
該發射構件22發出的光穿過包含鏡片構件L(其通常是用於形成光束)的透明部分t。如果從該光學模組1中發出的光和一外面的物件發生互動的話，則該光的一部分，更具體地是該偵測通道，可最終進入該光學模 組1，即經由包含鏡片元件L’的透明部分t’進入。該光然後被該面鏡元件31反射且接下來被繞射光柵36繞射且至少有一部分可撞擊到該配置26的一或多個偵測構件上。對於在該繞射光柵36被繞射的光而言，傳播方向和光的波長有關。
被如此地偵測到的光的量及其在該等偵測構件上的分佈可得出關於該外面的物件的顏色及/或位置的結果，其中此位置被稱為該外面的物件相關於該光學模組1的相對位置。此一光學模組1可以例如是一近接感測器(proximity sensor)及/或一(簡單的)光譜計(其具有自己的光源)。
圖10是一包含一光電模組1的裝置10的剖面圖。在圖10中，電連接(尤其是該基材P提供的電連接)比其它圖式更詳細地被例示，但可出現類似的電接點。圖10的模組1包含一光學器件構件O、一分隔構件S及一被體現為一印刷電路板或印刷電路板組件的基材構件P。透明部分t包含一鏡片元件5及一稜鏡38及一介於它們之間的透明元件6。一面鏡元件32被設置在該光學器件構件O的表面F1上。另一面鏡元件31以及一主動式光學構件，更具體地一偵測構件25(譬如，一影像偵測器)出現在該基材構件P的表面F2。面鏡元件31例如可以在類似於用來製造導電跡線及導電區域40於表面F2上的處理步驟或甚至是相同的(一模一樣的)處理步驟中被形成在表面F2上。但，通常該面鏡元件31亦可在用來 將導電跡線及導電區域40製造在表面F2上的處理步驟以外的其它處理步驟中被產生。介層孔(via)45，譬如被電鍍的穿孔，產生將表面F2及F3互連的電連接。因此，從主動式光學構件25到印刷電路板9的電接點的重新分布可被完成。
經由透明部分t進入圖10的模組1中的光被稜鏡38重新導向。該光的至少一部分被面鏡元件31反射，且該被反射的光的至少一部分然後被面鏡元件32反射，最終撞擊到該偵測構件25上的光在該處被偵測到。如果稜鏡38只將光重新導向的話(通常是因為具有很小的散光性)，則模組1例如可以是一成像設備。但如果稜鏡38提供高散光性且依據光的波長來將光重新導向的話，則模組1可以是一光譜計(spectrometer)或一光譜計模組。
從上文中可清楚地瞭解的是，許多種光學配置可在本發明的框架下被實現，例如，各式大致上特別適合使用平板形光學器件來實施的配置。而且，標準的光學設備可用微型化及大量製造的方式來實現，被動式以及主動式光學模組可被設置於該等光學設備中。面鏡元件可以讓在該模組內完成複雜的光路徑成為可能，且如果該等面鏡元件出現在該模組的一PCB狀的構件上的話，則該構件可實現多項功能。而且，如上文所述之用來將面鏡元件製造在尤其是一PCB狀的構件上的特殊方法可提供絕佳之高精密度的大量製造。
各式光學配置可藉由本發明以微型光學封裝體(模組1)的方式來實現。
1‧‧‧光學模組
4‧‧‧開孔
5‧‧‧鏡片元件
6‧‧‧透明元件
7‧‧‧焊錫球
26‧‧‧偵測器配置
31‧‧‧面鏡元件
31’、31”、31'''、31''''‧‧‧被動式光學構件
36‧‧‧繞射光柵
b‧‧‧遮擋部分
O‧‧‧光學器件構件
P‧‧‧基材(構件)
S‧‧‧分隔件
t‧‧‧透明部分
L‧‧‧鏡片構件
F1、F2‧‧‧表面
Sb、Sb’、Sb”、Sb'''、Sb''''‧‧‧間隔件部分

Claims (34)

  1. 一種光學模組，其包含：一第一構件，其具有一實質平的第一表面，其中和該第一表面正交的方向被稱為垂直方向；一第二構件，其具有一面向該第一表面的第二表面，其係實質平的且被實質平行於該第一表面對準；一第三構件，其被包含在該第一構件中或被包含在該第二構件中或不同於該第一及第二構件且被設置在它們之間，其包含一開孔；一出現在該第二表面上的面鏡元件(mirror element)；及一主動式光學構件，其出現在該第二表面上且電連接至該第二構件；其中該第一及第二構件的至少一者包含一或多個光可穿透的透明部分。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學模組，其中該面鏡元件實質上是一黏結至該第二構件的塊狀(bulk)光學元件。
  3. 如申請專利範圍第1項之光學模組，其中該面鏡元件實質上是由一施用在該第二表面上的塗層所形成。
  4. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中該第二構件包含：一第三表面，其被實質地平行於該第二表面對準；一介於該第二及第三表面之間的電絕緣基礎材料；及 在該第二表面及該第三表面的每一者上的一或多個導電跡線(tracks)及/或一或多個導電接觸區，例如，接觸墊片。
  5. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中至少一橫跨該第二構件的電連接藉由該第二構件被提供。
  6. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中該第二構件實質上是一印刷電路板或一印刷電路板組件。
  7. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中該光學模組被建造及建構成使得光可沿著一將該等透明部分的至少一者、該面鏡元件及該主動式光學構件互連的光路徑傳播。
  8. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中該面鏡元件是：用被硬化的可硬化材料製造及使用複製處理獲得，這兩種中的至少一者。
  9. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中該開孔係被該第一、第二及第三構件所界定。
  10. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中該第一、第二及第三構件係大致塊狀或板狀的形狀，其包含至少一孔洞。
  11. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中該光學模組的垂直輪廓(vertical silhouette)的外邊界和該第一、第二及第三構件的垂直輪廓的外邊界，其每一者都描繪同一個實質的矩形形狀。
  12. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中 該第一及第二構件的至少一者，尤其是它們兩者、該第一及第二構件係至少部分是實質上用至少實質不透明的材料來製造。
  13. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中該第三構件至少部分是實質上用一至少實質不透明的材料來製造。
  14. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中該第三構件是：用被硬化之可硬化材料製造及使用複製處理獲得，這兩種中的至少一者。
  15. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中該第三構件是一單一部件。
  16. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其包含一內部空間及一包圍該內部空間的外殼，該內部空間被包含在該開孔內，除了該一或多個透明部分之外，該外殼是完全不透明的，使得光只能經由該一或多個透明部分進入或離開該內部空間，尤其是其中該第一、第二及第三構件對該外殼有供獻。
  17. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中該光學模組的最大垂直延伸量最多是25mm，尤其是最多是12mm。
  18. 如前述申請專利範圍中任一項之光學模組，其中該光學模組的最大側向延伸量最多是30mm，尤其是最多是15mm。
  19. 一種晶圓，其包含多個面鏡元件。
  20. 如申請專利範圍第19項的晶圓，其中該晶圓具有下列至少一者：多個主動式光學構件被安裝在該晶圓的一表面上；及該晶圓實質上是一印刷電路板。
  21. 一種製造一包含多個面鏡元件的晶圓的方法包含下列步驟的至少一者：A)使用取放操作(pick-and-place)將該等多個面鏡元件置於該晶圓的一表面上；B)當形成該等多個面鏡元件時，提供該晶圓一具有多個被塗覆的區域的表面；及C)當形成該等多個面鏡元件時，實施一或多個複製步驟。
  22. 一種應用器具(appliance)，其包含多個依據申請專利範圍第1至18項中任一項的光學模組及/或包含一依據申請專利範圍第19或20項的晶圓。
  23. 如申請專利範圍第22項的應用器具，其包含多個依據申請專利範圍第1至18項中任一項的光學模組及包含：一第一晶圓，其包含多個該第一構件；一第二晶圓，其包含多個該第二構件；一第三晶圓，其包含多個該第三構件，其中該第三晶圓被包含在該第一晶圓中或被包含在該第二晶圓中或和該第一及第二晶圓不同；多個該面鏡元件；及 多個該主動式光學構件。
  24. 一種製造光學模組的方法，其包含下列步驟：a)提供一第一晶圓；b)提供一第二晶圓，其上有多個面鏡元件；c)提供一第三晶圓，其中該第三晶圓被包含在該第一晶圓中或被包含在該第二晶圓中或和該第一及第二晶圓不同，及其中該第三晶圓包含多個開孔；e)形成一晶圓堆疊，其包含該第一晶圓、該第二晶圓、該第三晶圓；其中該第一晶圓及該第二晶圓的至少一者包含多個透明部分，光可從該等透明部分穿過。
  25. 如申請專利範圍第24項的方法，其中該步驟b)包含下面的步驟：b1)使用取放操作將該等多個面鏡元件置於該第二晶圓上。
  26. 如申請專利範圍第24項的方法，其中該步驟b)包含下面的步驟：b2)在該等多個面鏡元件的製造期間施用一塗層；尤其是該塗層可被施用至該第二晶圓上。
  27. 如申請專利範圍第24至26項中任一項的方法，其中在該第二晶圓上有多個主動式光學構件。
  28. 如申請專利範圍第27項的方法，其包含下面的步驟：b3)使用取放操作來將該等多個主動式光學構件置於 該第二晶圓上。
  29. 如申請專利範圍第24至28項中任一項的方法，其中該步驟e)包含下面的步驟：e1)安排該第一、第二及第三晶圓使得該第三晶圓被設置在該第一及第二晶圓之間且該等面鏡元件的每一者被分派給該等多個開孔的一個開孔以及該等多個透明部分的一個透明部分。
  30. 如申請專利範圍第24至29項中任一項的方法，其中該步驟b)包含下面的步驟：b4)在該等多個面鏡元件的製造期間實施一複製步驟；尤其是，其中該複製步驟被實施在該第二晶圓上。
  31. 如申請專利範圍第24至30項中任一項的方法，其包含下列步驟的至少一者：n1)使用複製處理，尤其是浮凸壓印處理，來製造該第一晶圓；n2)使用複製處理，尤其是浮凸壓印處理，來製造該第二晶圓；n3)使用複製處理，尤其是浮凸壓印處理，來製造該第三晶圓。
  32. 如申請專利範圍第24至31項中任一項的方法，其包含下面的步驟：f)將該晶圓堆疊分割成該等多個光學模組。
  33. 一種裝置，其包含依據申請專利範圍第1至18 項中任一項的光學模組，尤其是包含一其上安裝了該光學模組的印刷電路板。
  34. 一種製造一裝置的方法，該裝置包含一光學模組，該方法包含製造依據申請專利範圍第24至32項中任一項的光學模組，尤其是其中該光學模組是依據申請專利範圍第1至18項中任一項的光學模組。
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