CN106125299A - 一种3d激光扫描模组的封装简化方法及模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D激光扫描模组的封装简化方法及模组，使用激光器芯片作为光源，制作一体化机壳，所述一体化机壳包括出光窗和透镜组，将激光器芯片与扫描振镜固定在预制好的基座上，将机壳与基座装配好并加以密封即完成3D激光扫描模组的封装。本发明的有益效果是：采用半导体激光器芯片一体化的封装工艺，创造性的使用具有多个功能光面机壳，大大简化整个模组的封装工艺，同时在减小污染降低成本和增加密封性方面优势明显。

Description

一种3D激光扫描模组的封装简化方法及模组

技术领域

本发明涉及光电领域，特别涉及一种3D激光扫描装置的封装简化方法及模组。

背景技术

将特定图案照射到待测物体上，再通过拍摄被物体表面调制的图案计算出物体表面的距离信息，是目前常用的一种3D扫描成像技术。对于越来越追求微型化的电子产品，扫描模组的体积和性能已经变得越发重要。现有的3D激光扫描模组大都采用激光器TO封装，其组件包括TO激光器，汇聚透镜，散射透镜，扫描振镜和控制系统。该封装过程有3个问题，第一使用TO激光器的模组体积过大的；第二由于多部件分离，光路耦合过程变得十分复杂；第三模组内部包含多个精密器件，光路耦合过程多次的粘胶会造成器件污染加重，影响整个模组的性能。在这种背景上，我们发明了一种使用半导体激光器芯片一体化封装的3D激光扫描装置。

发明内容

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种3D激光扫描模组的封装简化方法及模组，能够解决现有扫描模组中体积过大，部件分离，耦合困难，粘胶污染，成本高的一系列问题。

技术方案表现为，使用半导体激光器芯片作为光源，将汇聚透镜、散射透镜、出光窗整合为一体化机壳，基座上安装激光器芯片与扫描振镜，机壳罩扣在基座上。通过以上方式减少了模组需要的体积。

一种3D激光扫描模组的封装简化方法，使用激光器芯片作为光源，制作一体化机壳，所述一体化机壳包括出光窗和透镜组，将激光器芯片与扫描振镜固定在预制好的基座上，将机壳与基座装配好并加以密封即完成3D激光扫描模组的封装。

所述一体化机壳的所述透镜组具有汇聚光面和散射光面；所述一体化机壳采用相同的光学材料一体成型制作而成。

所述一体化机壳也可以采用多个镜面粘接固化制作而成的方式。

对所述出光窗面做增透处理或者额外镀增透膜，通过更改窗口的大小，来控制光束扫射的角度，所述角度包括水平和垂直两个方向的角度。

一种D激光扫描装置的封装简化模组，包括控制系统、扫描振镜及基座，所述扫描振镜固定在所述基座上，还包括同样固定在所述基座上的激光器芯片，及罩扣在所述基座上的一体化机壳，所述机壳上设置有透镜组及出光窗面，所述透镜组位于所述激光器芯片与所述扫描振镜之间，所述出光窗面位于所述扫描振镜的上方，所述透镜组包括与所述激光器芯片正对的汇聚光面，及位于所述汇聚光面一侧的散射光面。

优选为，所述机壳将所述透镜组与出光窗面用同一种光学材料一次制作成型，所述出光窗面位于所述透镜组的一侧，所述透镜组包括汇聚光面及位于所述汇聚光面一侧的散射光面。

所述一体化机壳所包含的光学透镜组光面包括汇聚光面和散射光面。其中汇聚光面将半导体激光器芯片发射的高斯光束汇聚成平行光束，散射透镜将平行光束汇聚后散射成线型光束，通过汇聚光面和散射光面组合使用使得原本的点状高斯光斑发散成均匀的线性光束。

优选为，所述机壳采用注塑一体成型的方式，或者采用通过多个镜面粘接固化的方式。其作用都是通过透镜组和机壳的位置固定，简化光路耦合过程。

优选为，所述汇聚光面为非球面镜，所述汇聚光盘把激光器所发出的具有一定散射角的高斯光束调制成中间部分能量分布高，边缘分布弱的平行光束；所述散射光面为非规则镜面，所述散射光面将通过汇聚光面的光束均匀的先汇聚再发散。

优选为，所述扫描振镜，设置在所述散射光面先汇聚再发散的光线的束腰处。

优选为，所述激光器，其波长覆盖可见光与红外光波段，该激光器出光光束为高斯光束，大小满足所述汇聚光面和散射光面的入射光斑要求。

优选为，所述一体化机壳所包含的出光窗面，该部位需要做增透处理或者额外镀增透膜，以增大出光效率。还可以通过更改窗口的大小，来控制光束扫射的角度，所述角度包括水平和垂直两个方向的角度。相比于一般的独立的出光窗，该光面在封装过程中不需要额外粘接，可以减小过程中的污染。同时使整个机壳的密封性能更加优越。

优选为，所述扫描振镜包括反射镜、回转轴和基座。反射镜能够镜面反射激光光束；回转轴固定反射镜并使反射镜能够其做往复旋转，以便使反射出的型激光光束扫描成二位平面投影。基座固定回转轴并提供支撑。

所述控制系统包括激光器控制和扫描振镜控制。所述两个控制系统协同工作，通过相应关系可以控制扫描投影的明暗、形状、密度等参数。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

第一：使用半导体激光器芯片代替传统TO封装的激光器，使得整个模组结构拥有更小的体积。以830nm TO激光器为例，在装配相同扫描振镜的情况下，使用830nm TO激光器封装的3D扫描模组厚度在10mm左右，而使用半导体激光器芯片封装的3D扫描模组厚度可以控制在5mm左右。该尺寸意味着模组可以轻易的嵌在可移动设备的电路板中，大大提高该模组的实用范围。

第二：该3D扫描模组将机壳将透镜组，出光窗整合为一个器件，一体封装。该设计的好处在于，一般的3D扫面模组该在封装过程中需要同时完成激光器，散射透镜，汇聚透镜，扫描振镜和出光窗5个部件的光路耦合，生产效率和成品率都受影响。而且现有的光耦合技术各个部件需要多次粘结，这不但会影响产品的光学性能，还会造成气密性和污染等一系列问题。

使用注塑成型的方法得到一体化机壳，该机壳把散射透镜，汇聚透镜，出光窗整合为一个整体。该设计的优点在于，一体成型各光学面之间的公差被约束的很小，大大降低了耦合的工艺要求，使用该封装技术的3D扫描中模组只需要在基座上固定好激光器和扫描振镜的位置，再将机壳密封就能完成整个封装过程，十分有利于工业生产；相比于单独加工透镜组，出光窗，保护壳体使用一体成型的壳体可在量产时可以大幅度降低：由于是一体加工成型完全解决了3D扫面模组的密封性问题，进一步简化工艺，降低成本。而且由于部件整合，连续的粘胶污染和密封性问题也得了很好的解决。

综上所述，本发明提供的新型3D扫描装置，采用半导体激光器芯片一体化的封装工艺，创造性的使用具有多个功能光面机壳，大大简化整个模组的封装工艺，同时在减小污染降低成本和增加密封性方面优势明显。

附图说明

图1为本发明整体模组结构主视图。

图2为本发明整体模组结构俯视图。

图3为本发明一体化机壳结构示意图。

图4为本发明所用透镜结构示意图俯视图。

图5为本发明所用透镜结构示意图主视图。

图6为本发明光路结构示意图俯视图。

图7为本发明光路结构示意图主视图。

图8为本发明所使用的3D扫描模组原理示意图。

其中，附图标记为：102、激光器芯片；104、准直镜面；106、机壳；108、基座；110、控制系统；202、汇聚光面；204、散射光面；206、出光窗。

具体实施方式

针对传统3D激光扫描模组封装体积较大，限制了其在很多领域问题，本发明提供一种3D激光扫描模组的封装简化方法及模组。

实施例一：

参见图1至图7，本发明是一种3D激光扫描模组的封装简化方法及模组：

一种3D激光扫描模组的封装简化方法，使用激光器芯片作为光源，制作一体化机壳，一体化机壳包括出光窗和透镜组，将激光器芯片与扫描振镜固定在预制好的基座上，将机壳与基座装配好并加以密封即完成3D激光扫描模组的封装。

一体化机壳的透镜组具有汇聚光面和散射光面；一体化机壳采用相同的光学材料一体成型制作而成。

一体化机壳通过多个镜面粘接固化制作而成。

对出光窗面做增透处理或者额外镀增透膜，通过更改窗口的大小，来控制光束扫射的角度，角度包括水平和垂直两个方向的角度。

一种3D激光扫描模组的封装简化方法及模组，包括激光器102，扫描振镜104，一体化机壳106，基座108，控制系统110。

其中机壳106包含3个不同的光学功能面，包括汇聚光面202，散射光面204，出光窗光面206。

组装次序为，先将半导体激光器芯片102和扫描振镜104固定在基座108上，然后将基座108和机壳106密封，即完成装配。

具体实施过程为：

半导体激光器芯片102出光后投射在机壳的透镜组202入光面，该光面的作用是将半导体激光器芯片102所发出的高光束汇聚为平行光束。然后该平行光束经过透镜组出光面204，该光面的作用是将如宿舍的平行光束汇聚并重新发散投射在扫描振镜104上，随后光线经过机壳106的出光面206出射成为扫描光束。控制系统110通过协同控制激光器的明灭和扫描振镜的振动，最终使得扫面光束，成为符合一定要求的结构光。

所述半导体激光器芯片102，其波长可以是可见光，也可以是红外光。根据实际使用环境选择激光器功率，其出光光束为高斯光束，大小满足汇聚透镜和散射透镜的入射光斑要求。

所述机壳106，包括三个光面；汇聚光面202，散射光面204，出光窗光面206。该模型可以是一体成型的而在另一些实例中该一体化机壳可以不是一体成型的，而是通过多个镜面粘接固化。其作用都是通过透镜组和机壳的位置固定，简化光路耦合过程。

所述机壳106透镜组汇聚202，为非球面镜，其目的把激光器102所发出的具有一定散射角的高斯光束调制成中间部分能量分布高，边缘分布弱的平行光束。

所述机壳106透镜组散射光面204可以是非柱面镜，也可以是其他非规则镜面。该透镜面的作用在于将通过汇聚透镜202的光束均匀发散。

所述扫描振镜104，至少在一个方向上可扭转振动，其出光范围内不应有物体遮挡，该实例的摆放角度是45°，在另一些实例中也可以通过反射或者投射光路配置为其他角度。

所示扫描振镜104，其位置被配置在经过204光面先汇聚再发散的光线的束腰处。

所述机壳106的出光窗面206，可以是和机壳使用同样的光学材料一体成型。而在另一些实例中使用其他材料，或做镀膜处理，其作用都在于透光。

控制系统110被配置成可以协同控制激光器的明灭和扫描振镜的振动，最终使得扫面光束，成为符合一定要求的结构光。

而在另一些实例中该一体化机壳可以不是一体成型的，而是通过多个镜面粘接固化。其作用都是通过透镜组和机壳的位置固定，简化光路耦合过程。

还有一些实例中，可以通过在半导体激光器芯片的和入射光面或入射光面和出射光面之间添加其他光路，而改变激光器或者透镜组光面的位置或形状，但都不超过本专利光线经过与机壳一体的透镜组，扫描振镜最后经过出光窗最后出射的模型范畴。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D激光扫描模组的封装简化方法，其特征在于，使用激光器芯片作为光源，制作一体化机壳，所述一体化机壳包括出光窗和透镜组，将激光器芯片与扫描振镜固定在预制好的基座上，将机壳与基座装配好并加以密封即完成3D激光扫描模组的封装。

2.根据权利要求1所述的3D激光扫描模组的封装简化方法，其特征在于，所述一体化机壳的所述透镜组具有汇聚光面和散射光面；所述一体化机壳采用相同的光学材料一体成型制作而成。

3.根据权利要求1所述的3D激光扫描模组的封装简化方法，其特征在于，所述一体化机壳通过多个镜面粘接固化制作而成。

4.根据权利要求1所述的3D激光扫描装置的封装简化方法，其特征在于，对所述出光窗面做增透处理或者额外镀增透膜，通过更改窗口的大小，来控制光束扫射的角度，所述角度包括水平和垂直两个方向的角度。

5.一种3D激光扫描装置的封装简化模组，包括控制系统(110)、扫描振镜(104)及基座(108)，所述扫描振镜(104)固定在所述基座(108)上，其特征在于：还包括同样固定在所述基座(108)上的激光器芯片(102)，及罩扣在所述基座(108)上的一体化机壳(106)，所述机壳(106)上设置有透镜组及出光窗面(206)，所述透镜组位于所述激光器芯片(102)与所述扫描振镜(104)之间，所述出光窗面(206)位于所述扫描振镜(104)的上方，所述透镜组包括与所述激光器芯片(102)正对的汇聚光面(202)，及位于所述汇聚光面(202)一侧的散射光面(204)。

6.如权利要求5所述的3D激光扫描装置的封装简化模组，其特征在于：所述机壳(106)将所述透镜组与出光窗面(206)用同一种光学材料一次制作成型，所述出光窗面(206)位于所述透镜组的一侧，所述透镜组包括汇聚光面(202)及位于所述汇聚光面(202)一侧的散射光面(204)。

7.如权利要求5所述的3D激光扫描装置的封装简化模组，其特征在于：所述汇聚光面(202)为非球面镜，所述汇聚光盘(202)把激光器(102)所发出的具有一定散射角的高斯光束调制成中间部分能量分布高，边缘分布弱的平行光束；所述散射光面(204)为非规则镜面，所述散射光面(204)将通过汇聚光面(202)的光束均匀的先汇聚再发散。

8.如权利要求7所述的3D激光扫描装置的封装简化模组，其特征在于：所述扫描振镜(104)，设置在所述散射光面(204)先汇聚再发散的光线的束腰处。

9.根据权利要求5所述的3D激光扫描装置的封装简化模组，其特征在于，所述激光器(102)，其波长覆盖可见光与红外光波段，该激光器出光光束为高斯光束，大小满足所述汇聚光面(202)和散射光面(204)的入射光斑要求。

10.根据权利要求5所述的3D激光扫描装置的封装简化模组，其特征在于，所述出光窗面(206)做透光镀膜。