一种Vcsel芯片及激光发射器模组论文和设计-金鑫

全文摘要

本实用新型公开了一种Vcsel芯片及激光发射器模组，包括位于表面的封装台和位于内部的叠层电学结构，封装台上分布有用于近距离照明的小发光孔和用于远距离照明的大发光孔，小发光孔的孔径小于大发光孔的孔径，小发光孔与大发光孔分别连接不同的叠层电学结构，叠层电学结构用于与Vcsel芯片外部的控制电路连接，控制小发光孔和\/或大发光孔发光。本实用新型可以在不同的场景下选用相应的发光孔发光，既能满足多种距离、精度的使用需求，又能够节约资源。

主设计要求

1.一种Vcsel芯片，包括位于表面的封装台和位于内部的叠层电学结构，其特征在于，所述封装台上分布有用于近距离照明的小发光孔和用于远距离照明的大发光孔，小发光孔的孔径小于大发光孔的孔径，小发光孔与大发光孔分别连接不同的叠层电学结构，叠层电学结构用于与Vcsel芯片外部的控制电路连接，控制小发光孔和\/或大发光孔发光。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种Vcsel芯片，其特征在于，所述封装台划分为两个独立工作区，其中第一独立工作区内分布小发光孔，第二独立工作区内分布大发光孔。

3.根据权利要求1所述的一种Vcsel芯片，其特征在于，所述封装台包括一个集合工作区，集合工作区内交叉散布小发光孔与大发光孔。

4.根据权利要求1所述的一种Vcsel芯片，其特征在于，所述小发光孔连接第一叠层电学结构，大发光孔连接第二叠层电学结构，第一叠层电学结构和第二叠层电学结构均包括依次叠层设置的P-contact层、P-DBR层、氧化物光圈层、MQWS层、N-DBR层、P-contact层，第一叠层电学结构的外缘和第二叠层电学结构的外缘均设有二氧化硅保护层。

5.根据权利要求4所述的一种Vcsel芯片，其特征在于，所述P-contact层、P-DBR层设置在大发光孔\/小发光孔的侧周，氧化物光圈层、MQWS层、N-DBR层、P-contact层设置在大发光孔\/小发光孔的底部。

6.根据权利要求4所述的一种Vcsel芯片，其特征在于，所述第一叠层电学结构设置在第二叠层电学结构上方，第一叠层电学结构与第二叠层电学结构的交界处设有二氧化硅保护层。

7.根据权利要求1所述的一种Vcsel芯片，其特征在于，所述小发光孔的孔径为9μm±0.2μm，大发光孔的孔径为16μm±0.2μm。

8.根据权利要求1所述的一种Vcsel芯片，其特征在于，所述小发光孔的数量为130-140颗，大发光孔的数量为330-360颗。

9.一种激光发射器模组，包括如权利要求1-8中任一项所述的Vcsel芯片，还包括与Vcsel芯片连接的控制电路，用于控制小发光孔和\/或大发光孔发光。

10.根据权利要求9所述的一种激光发射器模组，其特征在于，还包括距离确定模块，用于确定工作距离；当工作距离小于阈值距离时，控制电路控制小发光孔发光，当工作距离大于或等于阈值距离时，控制电路控制大发光孔发光，当工作距离无法确定或既有小于阈值距离又有大于或等于阈值距离的工作需求时，控制电路控制小发光孔、大发光孔同时发光。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及光学电子领域，尤其是一种Vcsel芯片及激光发射器模组。

背景技术

目前深度摄像头已经广泛应用在安全监控、三维扫描、人脸识别、自动驾驶、扫地机器人等领域，目前主流的深度摄像头主要有三种方案，第一种是结构光方案，利用激光器发出上万个调制好的光斑，通过拍摄光斑的位置变化来计算出深度信息，第二种是TOF(Time of flight)方案，利用激光器发出脉冲激光，获取激光发出及返回的时间来获取深度信息，第三种是双目结构光方案，利用两个摄像头视差原理，类似人的双眼原理，来获取深度信息，三种方案中结构光方案的精度最高，使用场景也最多，但受限制于功耗，一般使用距离较其他两个方案短一些，一般在0.4米至4米左右。

目前主流结构光方案的深度相机，多采用Vcsel(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，垂直腔面发射激光器)激光发射器，其内部通过一颗Vcsel芯片来发光，现市场使用中，除了三维扫描、远距离监控、自动驾驶等场景下，对深度相机的精度、使用距离要求比较高之外，人脸识别和扫地机器人等领域中对精度要求、使用距离并不是很高，若在全部场景中均使用最高亮度的发光配置，则会造成资源浪费。

实用新型内容

实用新型目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本实用新型旨在提供一种节约资源的Vcsel芯片及激光发射器模组。

技术方案：一种Vcsel芯片，包括位于表面的封装台和位于内部的叠层电学结构，所述封装台上分布有用于近距离照明的小发光孔和用于远距离照明的大发光孔，小发光孔的孔径小于大发光孔的孔径，小发光孔与大发光孔分别连接不同的叠层电学结构，叠层电学结构用于与Vcsel芯片外部的控制电路连接，控制小发光孔和\/或大发光孔发光。

在一种实施例中，所述封装台划分为两个独立工作区，其中第一独立工作区内分布小发光孔，第二独立工作区内分布大发光孔。

在另一种实施例中，为了节约成本，减少工作区，所述封装台包括一个集合工作区，集合工作区内交叉散布小发光孔与大发光孔。

进一步的，所述小发光孔连接第一叠层电学结构，大发光孔连接第二叠层电学结构，第一叠层电学结构和第二叠层电学结构均包括依次叠层设置的P-contact层、P-DBR层、氧化物光圈层、MQWS层、N-DBR层、P-contact层，第一叠层电学结构的外缘和第二叠层电学结构的外缘均设有二氧化硅保护层。

进一步的，所述P-contact层、P-DBR层设置在大发光孔\/小发光孔的侧周，氧化物光圈层、MQWS层、N-DBR层、P-contact层设置在大发光孔\/小发光孔的底部。

为了优化结构，进一步的，所述第一叠层电学结构设置在第二叠层电学结构上方，第一叠层电学结构与第二叠层电学结构的交界处设有二氧化硅保护层。

进一步的，所述小发光孔的孔径为9μm±0.2μm，大发光孔的孔径为16μm±0.2μm。

进一步的，所述小发光孔的数量为130-140颗，大发光孔的数量为330-360颗。

一种激光发射器模组，包括上述的Vcsel芯片，还包括与Vcsel芯片连接的控制电路，用于控制小发光孔和\/或大发光孔发光。

进一步的，还包括距离确定模块，用于确定工作距离；当工作距离小于阈值距离时，控制电路控制小发光孔发光，当工作距离大于或等于阈值距离时，控制电路控制大发光孔发光，当工作距离无法确定或既有小于阈值距离又有大于或等于阈值距离的工作需求时，控制电路控制小发光孔、大发光孔同时发光。

有益效果：本实用新型提供一种新型Vcsel芯片及激光发射器模组，包含两种孔径规格的发光孔，可以在不同的场景下选用相应的发光孔发光，既能满足多种距离、精度的使用需求，又能够节约资源。

附图说明

图1是激光发射器模组的结构示意图；

图2是实施例1的发光孔示意图；

图3是实施例2的发光孔示意图；

图4是实施例2的芯片内部叠层结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本技术方案进行详细说明。

实施例1

一种Vcsel芯片，包括位于表面的封装台和位于内部的叠层电学结构，所述封装台上分布有用于近距离照明的小发光孔和用于远距离照明的大发光孔，小发光孔的孔径小于大发光孔的孔径，小发光孔与大发光孔分别连接不同的叠层电学结构，叠层电学结构用于与Vcsel芯片外部的控制电路连接，控制小发光孔和\/或大发光孔发光。

本实施例将封装台划分为两个独立工作区，其中第一独立工作区内分布小发光孔，第二独立工作区内分布大发光孔。小发光孔的孔径为9μm，误差范围在±0.2μm，数量为135颗，间距40μm，具体的数量可参考现有技术自行设置，各个厂家的产品都不同，没有标准值，在此不作限定，适用于人脸识别、扫地机器人等使用距离近、精度要求不高的场景，用于近距离照明，大发光孔的孔径为16μm，误差范围在±0.2μm，数量为348颗，间距30μm，适用于三维扫描、自动驾驶等使用距离远，精度要求高的场景，用于远距离照明。小发光孔、大发光孔均可采用规则栅格阵列或不相关(伪随机)布局。

本实施例中的激光发射器模组为深度摄像头模组，如图1所示，包括DOE(Diffractive Optical Element衍射光学元件)光栅1、Vcsel模组的镜头支架2、模组的连接排线3、PCB电路板4、定制的Vcsel芯片5、准直透镜6；还包括距离确定模块。以上结构为深度摄像头模组的常规结构。

激光发射器模组是通过连接排线3进行供电和数据传输，由Vcsel芯片5发出调制后的激光，激光经过准直透镜6将发散的光线校准为平行光束，再经过DOE 1进行衍射发散，其中Vcsel芯片5是贴片在PCB电路板4上面，由连接排线3供电至PCB电路板4上面，再给Vcsel芯片5供电。PCB电路板4上设有控制电路，与Vcsel芯片连接，用于控制小发光孔和\/或大发光孔发光。

如图2所示，图中包括左分区驱动正极7、左分区驱动正极连接金线8、左分区9(即为第一独立工作区)、右分区10(即为第二独立工作区)、右分区驱动正极连接金线11、右分区驱动正极12，右分区驱动负极13、右分区驱动负极连接金线14、右分区大发光孔15、左分区小发光孔16、左分区驱动负极连接金线17、左分区驱动负极18。

控制电路可参考现有技术进行设计，本实施例中的控制电路的工作原理大致为：由PCB电路板4上的供电经过左分区驱动正极7和负极18对左分区进行供电，所有左分区发光孔都有各自的供电极，且行程串联电路，由正极7和负极18进行整体供电。右分区10也是由PCB电路板4上的供电经过右分区驱动正极12和负极13来整体供电。孔数越多，孔径越大，需要的驱动也电流越大。

距离确定模块确定工作距离近距离场景还是远距离场景，两种分区有3种工作模式：

当工作距离小于阈值距离时，控制电路控制小发光孔发光，即左分区独立工作，需要的电流小，使用距离近，精度要求不高；

当工作距离大于或等于阈值距离时，控制电路控制大发光孔发光，即左分区独立工作，需要的电流小，使用距离近，精度要求不高；

当工作距离无法确定或既有小于阈值距离又有大于或等于阈值距离的工作需求时，控制电路控制小发光孔、大发光孔同时发光，即左右分区同时工作，需要的电流最大，使用距离可以同时满足近距离和远距离的使用。

人脸识别、扫地机器人等使用距离近、精度要求不高的场景匹配采用第一种左分区独立工作；三维扫描、远距离监控、自动驾驶等使用距离远，精度要求高的场景匹配采用第二种右分区独立工作；如果客户特殊要求或者场景特殊要求，则可以从程序中选定第三种左右分区同时工作的模式。

深度摄像头根据用户实际使用场景来匹配或自动选择是近距离场景还是远距离场景，然后选定固件版本，再选定相应的驱动电流，使其正常工作。实际的工作距离可以人为确定，也可以采用现有技术中的方法确定，例如采用红外泛光源和传感器配合确定等等。

阈值距离可根据具体需要及选择的小发光孔、大发光孔规格根据技术常识设定，例如本实施例中的小发光孔、大发光孔规格决定的近距离使用的分区工作后，激光光斑有效距离比较近，在0.4米至1.2米，光斑点数量少，且光斑点直径小；而远距离使用的分区工作后，激光光斑有效距离比较远，在0.6米至6米，光斑点数量多，且光斑点直径大一些，在远距离仍可以获得清晰的激光光斑。因此阈值距离可以在0.6米-1.2米之间取值，本实施例中的阈值距离定为1米。

本实施例通过定制Vcsel芯片及激光发射器模组，具有2个发光分区，可以满足不同场景下的工作要求，使深度摄像头在近距离使用较少的光点数，即较小的电流驱动，降低摄像头的功耗，在远距离则使用较多的光点数，获得更好的精度及效果，则需要采用更高的电流驱动，确保一种深度摄像头具有多种场景选择匹配，降低不必要的高功耗，确保设备更加稳定可靠，减少深度摄像头配置多样化，且降低深度摄像头成本。

实施例2

本实施例与实施例1的核心技术方案相同，不同之处在于，Vcsel芯片分区增加，成本也会相应增加，为了节约成本，减少工作区，本实施例定制一颗Vcsel芯片，封装台包括一个集合工作区，集合工作区内交叉散布小发光孔与大发光孔。

小发光孔的孔径为9μm，误差范围在±0.2μm，数量为135颗，适用于人脸识别、扫地机器人等使用距离近、精度要求不高的场景，用于近距离照明，大发光孔的孔径为16μm，误差范围在±0.2μm，数量为348颗，适用于三维扫描、自动驾驶等使用距离远，精度要求高的场景，用于远距离照明。小发光孔、大发光孔均可采用规则栅格阵列或不相关(伪随机)布局。两种发光孔可以在定制设计的电路及封装下，独立发光工作，也可以同时发光工作。

如图3所示，包括Vcsel芯片表面封装台19、本实施例中的小发光孔20、本实施例中的大发光孔21，大小发光孔相互间隔布置。

小发光孔连接第一叠层电学结构，大发光孔连接第二叠层电学结构，第一叠层电学结构设置在第二叠层电学结构上方。

如图4所示，截面自上而下依次为Vcesl芯片上表面SiO_{2<\/sub>(即二氧化硅保护层)22、小发光孔的P-contact(P电极)层23、小发光孔的P-DBR(distributed Bragg reflector、分布式布拉格发射激光器)层24、小发光孔的Oxide aperture(氧化物光圈)层25、小发光孔的MQWS(multiple quantum well structure，多量子阱结构)层26、小发光孔的N-DBR层27、小发光孔的P-contact层28、大小孔区间的SiO _{2<\/sub>隔离层(即二氧化硅保护层)29、大发光孔的P-contact层30、大发光孔的P-DBR层31、大发光孔的Oxide aperture层32、大发光孔的MQWS层33、大发光孔的N-DBR层34、大发光孔的P-contact层35，另外还有发光孔侧壁SiO _{2<\/sub>(即二氧化硅保护层)36。}}}

即：第一叠层电学结构和第二叠层电学结构均包括依次叠层设置的P-contact层、P-DBR层、氧化物光圈层、MQWS层、N-DBR层、P-contact层，第一叠层电学结构的外缘、第二叠层电学结构的外缘、第一叠层电学结构与第二叠层电学结构的交界处均设有二氧化硅保护层。其中，P-contact层、P-DBR层设置在大发光孔\/小发光孔的侧周，氧化物光圈层、MQWS层、N-DBR层、P-contact层设置在大发光孔\/小发光孔的底部。

通过上下叠层的方式将大小发光孔集合在一个工作区上，同时大小发光孔之间设定了SiO_{2<\/sub>隔离层，确保同时工作时不会相互干扰。}

本实施例中的激光发射器模组与实施例1的结构、功能相同，均为深度摄像头模组，仅采用以上Vcsel芯片替换了实施例1中的Vcsel芯片。

本实施例只需要1个工作区，就可以满足不同使用场景，因为Vcsel芯片是从单片晶圆上切割下来，采用1个工作区可以减小Vcsel芯片整体尺寸以及减小工艺废料，从而提升了单片晶圆生产的Vcsel芯片数量，极大的提升了Vcsel芯片的产量，降低了Vcsel芯片的成本。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

设计图

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