CN111555116A - 倒装vcsel光源和TOF模组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种倒装vcsel光源和TOF模组。倒装vcsel光源包括：微自由曲面阵列；光源阵列，光源阵列设置在微自由曲面阵列的一侧，微自由曲面阵列的上表面具有多个微自由曲面，且光源阵列与微自由曲面阵列一体成型。本发明解决了现有技术中发射端存在结构复杂、生产成本高的问题。

Description

倒装vcsel光源和TOF模组

技术领域

本发明涉及光学成像设备技术领域，具体而言，涉及一种倒装vcsel光源和TOF模组。

背景技术

目前，TOF模组主要应用于3D传感、人脸识别、机器视觉、自动驾驶等人工智能领域，实现三维成像功能。目前行业内实现3D成像的方式主要有双目、结构光和TOF，其中双目精度较低，结构光结构复杂成本高，而TOF有足够的精度且成本稍低，已有流行推广的趋势。TOF通常由一个发射端和一个接收端组成，其中发射端主要由一个正装vcsel(垂直腔面发射激光器)光源和一个光扩散器(diffuser)组成，顶部发光，光扩散器下表面做微透镜阵列，结构较为复杂，成本高。

也就是说，现有技术中发射端存在结构复杂、生产成本高的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种倒装vcsel光源和TOF模组，以解决现有技术中发射端存在结构复杂、生产成本高的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种倒装vcsel光源，包括：微自由曲面阵列；光源阵列，光源阵列设置在微自由曲面阵列的一侧，微自由曲面阵列的上表面具有多个微自由曲面，且光源阵列与微自由曲面阵列一体成型。

进一步地，光源阵列包括多个发光芯片，多个发光芯片呈阵列排布，发光芯片的直径A大于等于8微米且小于等于12微米。

进一步地，相邻两个发光芯片之间的距离P大于等于243微米且小于等于297微米。

进一步地，发光芯片的边缘角α大于等于20度且小于等于40度；和/或发光芯片的光束角大于等于18度且小于等于30度。

进一步地，倒装vcsel光源的厚度T与发光芯片的直径A之间满足：T≥10A，且倒装vcsel光源的厚度T小于微自由曲面的焦距。

进一步地，微自由曲面的长度L1、微自由曲面的宽度L2与相邻两个发光芯片之间的距离P之间满足：L1＝L2＝P，微自由曲面的高度H大于等于17.5微米且小于等于21.5微米。

进一步地，倒装vcsel光源的厚度T、微自由曲面的长度L1、发光芯片的边缘角α之间满足：L1/2＝T*tan。

进一步地，微自由曲面朝向背离光源阵列的方向凸出；和/或倒装vcsel光源的材料是半导体，且倒装vcsel光源的折射率大于等于1.4且小于等于4.4。

进一步地，微自由曲面满足：

其中，

为所在点的Z坐标；m为x的指数；n为y的指数；当曲面方程的系数C_jx和C_jy都为正时为凸曲面，当曲面方程的系数C_jx和C_jy都为负时为凹曲面。

根据本发明的另一方面，提供了一种TOF模组，包括上述的倒装vcsel光源。

应用本发明的技术方案，倒装vcsel光源包括微自由曲面阵列和光源阵列，光源阵列设置在微自由曲面阵列的一侧，微自由曲面阵列的上表面具有多个微自由曲面，且光源阵列与微自由曲面阵列一体成型。

光源阵列的设置使得倒装vcsel光源能够发光，实现对物体的照射。微自由曲面阵列的设置使光源阵列发出的光发生不同方向的折射、反射和散射，从而改变光的行进路线，实现充分色散以产生光学扩散的效果。将微自由曲面阵列与光源阵列一体成型，使得微自由曲面阵列与光源阵列之间更加的紧凑，节约了生产成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的一个可选实施例的倒装vcsel光源的整体结构示意图；以及

图2示出了图1中倒装vcsel光源的配光图；

图3示出了图1中微自由曲面阵列的结构示意图；

图4示出了图3中P处的放大图；

图5示出了图3中微自由曲面的放大图；

图6示出了图5中微自由曲面的x方向的自由曲线图；

图7示出了图5中微自由曲面的y方向的自由曲线图；

图8示出了图1中光源阵列的结构示意图；

图9示出了图8中M处的放大图；

图10示出了图1中倒装vcsel光源的光路图；

图11示出了图1中倒装vcsel光源的发光图；

图12示出了图1中倒装vcsel光源的一种光斑图；

图13示出了图1中倒装vcsel光源的另一种光斑图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、微自由曲面阵列；11、微自由曲面；20、光源阵列；21、发光芯片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中发射端存在结构复杂、生产成本高的问题，本发明提供了一种倒装vcsel光源和TOF模组。

如图1至图13所示，倒装vcsel光源包括微自由曲面阵列10和光源阵列20，光源阵列20设置在微自由曲面阵列10的一侧，微自由曲面阵列10的上表面具有多个微自由曲面11，且光源阵列20与微自由曲面阵列10一体成型。

光源阵列20的设置使得倒装vcsel光源能够发光，实现对物体的照射。微自由曲面阵列10的设置使光源阵列20发出的光发生不同方向的折射、反射和散射，从而改变光的行进路线，实现充分色散以产生光学扩散的效果。将微自由曲面阵列10与光源阵列20一体成型，使得微自由曲面阵列10与光源阵列20之间更加的紧凑，节约了生产成本。

在本申请中，倒装vcsel光源自身就能实现发光和光扩散的效果，而不再需要与单独的扩散器配合使用。在将倒装vcsel光源应用于TOF模组中时，可以大大简化TOF模组中发射端的结构，节省了生产成本。

如图1、图8和图9所示，光源阵列20包括多个发光芯片21，多个发光芯片21呈阵列排布，发光芯片21的直径A大于等于8微米且小于等于12微米。若发光芯片21的直径A小于8微米，使得发光芯片21的尺寸过小，进而使得发光芯片21发射的光的角度也过小，导致一个发光芯片21所照射的物体较小，不利于成像。若发光芯片21的直径A大于12微米，使得发光芯片21的尺寸过大，进而使得发光芯片21的发射的光的角度也过大，就容易使得相邻两个发光芯片21对物体进行重复照射的范围过大，不利于发光芯片21的利用率，增加了生产成本。将发光芯片21的直径A限制在8微米至12微米的范围内，就使得发光芯片21的发光角度限制在合理的范围内，且不会出现大面积重复照射的情况，增加了发光芯片21的利用率，同时还减小了生产成本。

需要说明的是，发光芯片21包括PN结和DBR谐振腔，PN结通电后会发出光，光经DBR谐振腔，光会通过不同折射率膜层来实现光的反射，而反射后出射的角度一般较小。

可选地，相邻两个发光芯片21之间的距离P大于等于243微米且小于等于297微米。若相邻两个发光芯片21之间的距离P小于243微米，就使得发光芯片21发出的光照射到相同的区域的面积较多，对发光芯片21的利用率较低。若相邻两个发光芯片21之间的距离P大于297微米，就使得相邻两个发光芯片21之间的距离过大，就容易导致部分区域未被照射到，进而获得的图像不准确。将相邻两个发光芯片21之间的距离P限制在243微米至297微米之间，可以保证发光芯片21的利用率的同时还使得成像更准确。

具体的，发光芯片21的边缘角α大于等于20度且小于等于40度。边缘角α的角度越小，发光芯片21之间的间距越小，微自由曲面的尺寸也越小。将边缘角α限制在20度与40度之间，可以减小发光芯片21的使用数量的同时还可以减少光束的重叠范围。边缘角的角度太小技术很难实现，而边缘角的角度太大应用范围会受到限制。

可选地，发光芯片21的光束角大于等于18度且小于等于30度。光束角的角度太小技术很难实现，而光束角的角度太大应用范围会受到限制。

可选地，倒装vcsel光源的厚度T与发光芯片21的直径A之间满足：T≥10A，且倒装vcsel光源的厚度T小于微自由曲面11的焦距。这样设置使得发光芯片21发出的光能够被微自由曲面阵列10充分扩散，同时有利于倒装vcsel光源的小型化。这样设置还可以将发光芯片21看成是点光源，有利于对微自由曲面的理论计算。倒装vcsel光源的厚度小于微自由曲面11的焦距，使得发光芯片21与微自由曲面11能够一一对齐，减少发光芯片21发出的光相互交错的情况出现。

具体的，微自由曲面11的长度L1、微自由曲面11的宽度L2与相邻两个发光芯片21之间的距离P之间满足：L1＝L2＝P。将自由曲面的长度L1、微自由曲面11的宽度L2设计成与相邻两个发光芯片21之间的距离P相等，这样设置使得一个发光芯片21与一个微自由曲面11对应，便于控制发光芯片21的发光角度和范围，进而可以减少相邻两个发光芯片21发出的光的重叠范围，减少了杂散光，同时还避免了部分区域未被照射到的风险，大大提高了倒装vcsel光源对物体照射的完整性。

需要说明的是，在本申请中，微自由曲面11是具有四个边和四个角的，以一个角为定位角，微自由曲面11的长度L1是指与定位角相邻的一个角到定位角的直线距离，而微自由曲面11的宽度L2是指与定位角相邻的另一个角到定位角的直线距离。本申请中的微自由曲面11的长度和宽度均是指直线距离，而不是指弧线距离。

具体的，微自由曲面11的高度H大于等于17.5微米且小于等于21.5微米。若微自由曲面11的高度H小于17.5微米，就使得微自由曲面11过薄，不利于对发光芯片21发射出的光的扩散。若微自由曲面11的高度H大于21.5微米，就使得微自由曲面11过厚，就使得倒装vcsel光源内部容易形成全反射而减少光线的射出，就使得倒装vcsel光源对物体照射不完整。将微自由曲面11的高度H限制在17.5微米至21.5微米的范围内，就使得微自由曲面11能够对发光芯片21发出的光进行充分扩散后的同时尽可能减少全反射。

在光学效果方面，材料的折射率越大，越容易形成全反射，形成全反射对物体的照射不利，因此微自由曲面11的高度也需要更小，以减少形成全反射的情况。

可选地，倒装vcsel光源的厚度T、微自由曲面11的长度L1、发光芯片21的边缘角α之间满足：L1/2＝T*tanα/2。这样设置使得发光芯片21与微自由曲面11之间能够一一对齐，发光芯片21产生的光线不会交错。

如图1和图4所示，微自由曲面11朝向背离光源阵列20的方向凸出。凸的微自由曲面11在每个微自由曲面11中拥有不同的法线，可以分别精准地控制发光芯片21在各个方向的光线，实现需要的照明光斑。而凹的微自由曲面性能较差，因为会导致入射角较大，易形成全反射，不利于对光斑的控制。

可选地，倒装vcsel光源的材料是半导体，且倒装vcsel光源的折射率大于等于1.4且小于等于4.4。合理限定倒装vcsel光源的材料的折射率，能够保证倒装vcsel光源具有较高的光电转换效率。

优选的，倒装vcsel光源的材料是砷化镓、磷化镓。砷化镓是一种重要的半导体材料，典型的直接跃迁型能带结构，导带极小值与价带极大值均处于布里渊区中心，即K＝0处，这使砷化镓具有较高的电光转换效率，是制备光电器件的优良材料。

具体的，微自由曲面11满足：

其中，

为所在点的Z坐标；m为x的指数；n为y的指数；当曲面方程的系数C_jx和C_jy都为正时为凸曲面，当曲面方程的系数C_jx和C_jy都为负时为凹曲面。自由曲面可以增加设计的自由度，满足不同成像及非成像领域的应用。

本申请将光源与微曲面阵列合二为一，取消了扩散器，减少了vcsel器件数量，结构更简单紧凑；价格更便宜，节约成产成本。

如图2所示，为倒装vcsel光源的配光图，以直角坐标的形式示出了倒装vcsel光源中发光芯片21的发光图，横坐标代表角度，纵坐标代表发光的强度，发光芯片21的发光图呈立体分布。图中曲线是在某个测光平面测得，由此可以看出光线中心的光照强度较低，两侧各有一个峰值，形成M形分布。中间凹两侧凸的配光曲线，光线照到平面内可以实现照度均匀。

图6和图7为微自由曲面的x方向和y方向的自由曲线图，微自由曲面由x方向自由曲线和y方向自由曲线混合而成。

图10示出了倒装vcsel光源的光路图，展示了发光芯片发出的光入射在微自由曲面上时发生的折射变化，具体可以分成2个截面。实际的光线追踪是三维立体的，我们取2个截面作为典型的光路分析，例如在XOZ和YOZ坐标平面内进行分析。

图11和图12示出了倒装vcsel光源的光斑图，中心矩形框画出区域为有校成像区，而该区域内所标注的数值越大则代表光照度越强，由此可知本申请中的倒装vcsel光源在有效成像区内中心暗四周亮，此特点为弥补TOF接受端摄像头RI相对亮度分布而特别设计的，相对亮度分布为中心亮，两侧暗。因此经过二者综合作用，最终得到的图片效果是亮度均匀的。

具体的，TOF模组包括上述的倒装vcsel光源。这样TOF模组得到的图片的亮度是均匀的，且具有成像清晰、结构紧凑、成本低的优点。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种倒装vcsel光源，其特征在于，包括：

微自由曲面阵列(10)；

光源阵列(20)，所述光源阵列(20)设置在所述微自由曲面阵列(10)的一侧，所述微自由曲面阵列(10)的上表面具有多个微自由曲面(11)，且所述光源阵列(20)与所述微自由曲面阵列(10)一体成型。

2.根据权利要求1所述的倒装vcsel光源，其特征在于，所述光源阵列(20)包括多个发光芯片(21)，多个所述发光芯片(21)呈阵列排布，所述发光芯片(21)的直径A大于等于8微米且小于等于12微米。

3.根据权利要求2所述的倒装vcsel光源，其特征在于，

相邻两个所述发光芯片(21)之间的距离P大于等于243微米且小于等于297微米；和/或

所述发光芯片(21)的边缘角α大于等于20度且小于等于40度。

4.根据权利要求2所述的倒装vcsel光源，其特征在于，所述发光芯片(21)的光束角大于等于18度且小于等于30度。

5.根据权利要求2所述的倒装vcsel光源，其特征在于，所述倒装vcsel光源的厚度T与所述发光芯片(21)的直径A之间满足：T≥10A，且所述倒装vcsel光源的厚度T小于所述微自由曲面(11)的焦距。

6.根据权利要求3所述的倒装vcsel光源，其特征在于，所述微自由曲面(11)的长度L1、所述微自由曲面(11)的宽度L2与相邻两个所述发光芯片(21)之间的距离P之间满足：L1＝L2＝P，所述微自由曲面(11)的高度H大于等于17.5微米且小于等于21.5微米。

7.根据权利要求6所述的倒装vcsel光源，其特征在于，所述倒装vcsel光源的厚度T、所述微自由曲面(11)的长度L1、所述发光芯片(21)的边缘角α之间满足：L1/2＝T*tan(α/2)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的倒装vcsel光源，其特征在于，

所述微自由曲面(11)朝向背离所述光源阵列(20)的方向凸出；和/或

所述倒装vcsel光源的材料是半导体，且所述倒装vcsel光源的折射率大于等于1.4且小于等于4.4。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的倒装vcsel光源，其特征在于，所述微自由曲面(11)满足：

其中，

为所在点的Z坐标；m为x的指数；n为y的指数；当曲面方程的系数C_jx和C_jy都为正时为凸曲面，当曲面方程的系数C_jx和C_jy都为负时为凹曲面。

10.一种TOF模组，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的倒装vcsel光源。

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