CN103872230B - 光源及光源制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光源及光源制造方法。反射器被安装到容纳至少一个边缘发射半导体芯片例如激光二极管的热沉的外周边。反射器具有适合于收集激光二极管所发射的光并在远离热沉的向上方向上重新导向光的形状。反射器可被包覆成型到热沉上。反射器能够以全内反射运作，使得不需要额外的反射器涂覆步骤。将反射器注射成型到保持激光二极管的热沉上，实现高功率的然而廉价的激光源的大量生产。
Description
技术领域
本发明涉及光源，且特别是涉及用于产生适合于例如距离成像的定向光束的半导体光源，以及光源制造方法。
发明背景
已发现距离成像目前在手势识别应用中得到越来越多的使用。在距离成像中，脉冲光源照明物体，且使用门控探测器阵列（gated detector array）来获得物体的图像。该探测器阵列配备有电子门或快门，其只在“门”打开时，在窄时间窗期间使探测器阵列对光做出响应。打开“门”的时刻相对于光脉冲被发射的时刻延迟了一个延迟时间。发射光脉冲传播了相应于延迟时间的预定距离，从位于该距离处的物体反射，并传播回来。从位于预定距离之前或之后的物体反射的任何光将被该门控探测器阵列抑制。改变该延迟时间以逐片得到3D图像。
距离成像的另一方法在于以高调制频率调制照射光，并为探测器阵列的每个像素探测在照射光和像素所探测的光之间的调制相位延迟。像素中的调制相位延迟与到物体的距离成比例，或更具体地，与到像素所成像的被照射的风景中的点的距离成比例。对任一类型的距离成像通常需要至少数十兆赫兹调制速率和10mW水平的输出光功率。
由于调制速度和光功率的要求，使得边缘发射激光二极管成为距离成像的优选光源。产生数百毫瓦红外光的直接调制边缘发射激光二极管芯片现在可以以合理低的成本被大量生产，然而，激光二极管芯片在瓦特级光源内的可靠和有效的封装仍然相对昂贵。高功率的激光二极管芯片需要有效移除在正常操作期间产生的热。需要将发射光以低的光损耗收集，将发射光重新成形以便对正在被成像的物体进行最佳照明，并将发射光定向到物体。通常安装在公共扁平热沉上的激光二极管芯片的边缘发射几何结构，经常地需要高质量旋转微镜的复杂和昂贵的组合，以将单独激光芯片所发射的光束定向到成像物体。
为了将距离成像系统合并到手势识别系统中，例如游戏和/或移动电话应用中，需要明显降低制造成本，以制造出大多数消费者可负担得起的距离成像系统。同时，有强大的市场压力，要求使便携式消费设备的元件部分小型化。这需要距离成像光源的小型化，而同时降低这些光源的制造成本。
Scifres等人在美国专利4,633,476中公开了可发射垂直于激光芯片的平面的光的激光二极管，允许来自在公共热沉上的多个激光器的光组合成单个更高功率的光束。参考图1，激光二极管10包括夹在p层12和n层13之间的有源层11。n层13包括两个子层13A和13B。V形凹槽14从p层12侧被蚀刻到p层12和第二n子层13B中。p电极15和n电极16分别接触p层12和n层13。p电极15可被制造得足够厚以用作热沉。间隙17被切割到p层12和n层13中和有源层11中，以起激光腔镜的作用。在操作中，电流被施加在p电极15和n电极16之间，且所产生的光18从凹槽14的表面内部反射，穿过n电极16中的切口19离开。
Scifres等人的激光二极管的优点之一是低型面（高度）和有可能组合来自多个激光二极管芯片的光。然而不利地，Scifres等人的光源相当难以制造。多个凹槽和间隙需要被蚀刻，或越过有源层11切割到半导体芯片中，导致产量减少，可能影响可靠性，并增加了制造成本。
现有技术缺乏适合于距离成像系统的边缘发射激光二极管光源，这样的光源将是廉价的、紧凑的和可靠的，同时允许来自很多单独激光二极管芯片的光容易组合以形成单个高功率的激光束。
发明概述
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供适合于距离成像系统的边缘发射激光二极管光源。
根据本发明，提供了一种光源制造方法，其包括：
（a）提供热沉和具有用于发射光的边缘的第一半导体芯片；
（b）将第一半导体芯片平坦地安装在所述热沉的外周边附近的热沉部分上，所述边缘面向外；
（c）将反射器安装到所述热沉的外周边，所述反射器包括反射表面，所述反射表面用于重新定向从所述边缘发射的光，以大体上垂直于第一半导体芯片传播；以及
（d）将所述反射器光学地耦合到第一半导体芯片的所述边缘。
根据本发明的另一方面，还提供了光源，其包括：
热沉；
第一半导体芯片，其具有用于发射光的边缘，其中第一半导体芯片被平坦地设置在接近热沉的外周边的热沉部分上，所述边缘面向外；以及
反射器，其被固定到所述热沉的外周边，并光学地耦合到第一半导体芯片的所述边缘，所述反射器包括反射表面，所述反射表面用于重新定向从所述边缘发射的光，以大体上垂直于第一半导体芯片传播。
在本发明的优选实施方式中，塑料反射器被包覆成型（overmolded）到圆扁平热沉上，所述圆扁平热沉支持平坦地放置在所述热沉上的多个激光二极管芯片，发射边缘面向外和并朝向该塑料反射器。该反射器可使用注射成型或直接包覆成型到热沉上而被廉价地生产。该包覆成型的反射器可封装激光二极管芯片，以利于环境保护。该反射器具有合适的形状，以适合于从激光二极管芯片收集光，并以大致垂直于热沉的远离热沉的向上方向，对光重新定向。优选地，该反射器以全内反射运作，使得不需要额外的反射器涂覆步骤。该技术方案允许以低成本大量生产用于距离成像的非常简单的、廉价的、然而快速和高功率的光源。
附图的简要说明
现在将结合附图描述示例性实施方式，其中：
图1是现有技术的光源的侧横截面视图；
图2A是本发明的光源的平面图；
图2B是图2A的沿着线B-B截取的侧横截面视图；
图3是在图2A和2B所示的光源中所使用的反射器的侧横截面视图，其中示出了用于定义其反射表面的形状的坐标；
图4是本发明的距离成像系统的侧横截面视图；
图5是图3的放大横截面视图，其中示出了安装在该反射器上的衍射光学元件；以及
图6是图2A和2B所示的光源的制造方法的方框图。
具体实施方式
虽然结合各种实施方式和例子描述了本教导，并不意味着本教导被限制到这样的实施方式。相反，本教导包括如本领域中的技术人员将认识到的各种替代、修改和等同形式。
参考图2A和2B，本发明的光源20包括扁平热沉21和被平坦地设置在热沉21上的六个边缘发射激光二极管芯片22。反射器23被附着到热沉21的外周边24，并光学地耦合到激光二极管芯片22的发射边缘25，用于将发射自发射边缘25的光26进行重新定向，以大体上垂直于半导体芯片22传播。在本文中，术语“大体上垂直”包括光远离热沉21的平面和/或激光二极管芯片22的平面的传播，并因此可包括不几何地垂直于半导体芯片22的传播的方向，只要由边缘发射激光二极管芯片22发射的光26能在单个方向（例如垂直方向，如在图2B中所看到的）上被收集，用于照明设置在热沉21和/或激光二极管芯片22的平面之外的物体。
半导体芯片22被设置在热沉21的外周边24附近，发射边缘25面向外（facingoutwards）。在所示实施方式中，热沉21具有圆的形状，且反射器23优选地由热塑性材料注射成型为环形状，所述环形状分别具有内周边23A和外周边23B以及在其之间延伸用于反射光26的凹反射表面23C。反射器23的内周边23A与热沉21的外周边24相匹配。反射器23沿着其内周边23A安装（优选地包覆成型）到热沉21的外周边24。激光芯片22以60度的等角增量安装，虽然其他安装几何结构当然是可能的。折射率匹配凝胶27的液滴被放置在激光二极管芯片22的发射边缘25（在一侧）和反射器23（另一侧）之间，用于其间的光耦合。如本领域中的技术人员已知的，折射率匹配凝胶的折射率被选择为在半导体芯片22和反射器23的折射率之间。折射率的匹配越接近，在发射边缘25和反射器23之间的界面处的反射损耗就越小。激光发射边缘25的未示出的可选的涂层将需要被修改以优化激光功率性能，因为在发射边缘25处的反射率被周围的介质（在本实施方式中是折射率匹配凝胶27）所影响。用于驱动激光二极管芯片22的经由焊线29连接到激光二极管芯片22的驱动电路28能方便地被设置在热沉21上，如在图2A中能被最佳地看到。来自驱动电路28的电线37能方便地穿过热沉21的中心中的开口30。
在优选实施方式中，反射器23被配置成用于发射光26的全内反射（TIR）。为了满足TIR的条件，从激光二极管芯片22发射的光26的入射角需要大于arcsin(1/n)，其中n是构成反射器23的光学材料的相对于周围介质（在大多数情况下是空气）的相对折射率。实际上，那意味着反射器23的折射率n需要足够高，用于使发射光26的TIR出现。实际上，1.45或更高的折射率对大多数情况就足够了。
对于满足TIR条件的任何光线，与塑料的一般金属反射保护涂层的大约80%的反射率比较，反射率是100%。因此，TIR可明显提高反射器23的光通量。此外，未涂覆的光学材料的光损坏阈值通常比它的涂覆对照物高得多。
对于给定的光学材料和给定的反射方向，反射器23的反射表面23C的形状可被优化，用于捕获激光二极管芯片22的激光束26中的大部分，并将光束26导向到目标。例如，当折射率是1.55且反射严格地垂直于激光二极管芯片22的平面时，当光源被放置在椭球体的焦点之一处时，在离主要光线±24.6°内的光线满足在具有0.707长轴与短轴比的椭球体中的全内反射条件。这个角范围覆盖激光二极管芯片22的光束发散中的大部分，捕获在18度的半高宽（FWHM）处的至少99%的发射光功率。实际上，目标可为捕获至少90%的光。
下面的表1总结了各种可能类型的反射表面23C和满足TIR条件的可实现的发散范围。图3示出用于定义反射表面23C的坐标x、z、γ和θ。在图3中，x是连接反射表面23C的焦点31、32的横坐标；z是垂直于x的线性坐标；γ是x、z坐标系相对于半导体芯片22的垂线33的倾斜角；以及θ是从x轴到反射表面23C的点34的测量的极角。发射边缘25被放置在第一焦点31处，且待照明的物体35被放置在第二焦点32处。主要光线36以45度角反射，当从反射表面23C反射时旋转90度，尽管如此，也可使用其它反射角。倾斜角γ是根据物体35的优选照射角而选择的。对于表1中列出的椭球体表面，倾斜角γ是135°，反射器23的折射率n是1.55。
表1
在图3中，为了半导体芯片22的环境保护，反射器23在半导体芯片22上被完全包覆成型。当半导体芯片22被包覆成型有反射器23时，不需要折射率匹配凝胶27的液滴。可替代地，热塑性塑料材料可被包覆成型在半导体芯片22上以将半导体芯片22的发射边缘25光学地耦合到预先安装的反射器23，并封装半导体芯片22用于后者的环境保护。
其它类型的反射表面23C是可能的，包括非旋转对称表面、椭球/双曲线等，和/或凸面，以用于照射光26的更佳扩展。激光二极管芯片22的数量可从单个芯片22变化到三个或更多芯片22，和甚至16个或更多芯片22。可从以下公式估计半导体芯片22的最大数量。
芯片的最大数量=135°/（在横向方向上的光束发散的半高宽） （1）
更多的半导体芯片22可被设置在热沉21上，但来自每个半导体芯片22的光束26的外部部分将射在表面23C，该表面23C为相邻的半导体芯片22而优化。换句话说，只有光束26的内部部分将被最佳地反射。
此外，不仅激光二极管芯片22，理论上能够发射光的其它半导体芯片22例如发光二极管也可被使用。半导体芯片22可位于接近热沉21的外周边24的任何地方，只要光26可被耦合到安装到热沉21的外周边24的反射器23。可在反射表面23C上使用反射器涂层（未示出），尽管由于成本、功率处理和光通量原因，TIR反射表面23C是优选的。
现在参考图4，本发明的距离成像系统40包括安装在基座41上的光源20和安装到基座41的接近光源20的摄像机42。基座41可包括或被安装在计算机显示器、电视机盖、手机盖等上。在操作中，光源20发射脉冲或调制光46以照明物体，例如用户43。摄像机42获得用户43的三维图像，三维图像然后由手势识别系统（未示出）处理，以实时地确定用户43的手势。
额外的光学器件可用于使脉冲或调制光46重新成形并将脉冲或调制光46导向到用户43。现在参考图5，衍射光学器件50被设置在反射器23的外表面51上，用于重新导向光束46。可替代地，外表面51可以是凹的、凸的等，或包括折射和/或衍射元件，用于修改光束46的角分布，以大体上垂直于半导体芯片22传播，或产生适合于当前处理的照明任务的光束46的角分布。折射表面可包括菲涅尔折射表面、二进制衍射图案等。光学器件50允许用户选择反射表面23C的形状，该形状能够通过TIR最有效地捕获发射光26，并接着选择光学器件50以用最有效的方式将光束46重新导向到目标，从而使TIR和目标照明要求从彼此解耦。
转到图6，制造光源20的方法60包括提供热沉21和至少一个激光二极管芯片22的步骤61。在步骤62中，半导体芯片22被平坦地安装在热沉上。在步骤63中，反射器23被安装，例如模制或包覆成型到热沉21的外周边24。最后，在步骤64中，反射器23优选地使用折射率匹配凝胶27或另一折射率匹配材料被光学地耦合到半导体芯片22的边缘25。激光二极管芯片22优选地被安装在热沉21的外周边24附近，例如与外周边24齐平，发射边缘25面向外，朝向反射器23。反射器23优选地由热塑性塑料材料注射成型，如本领域中的技术人员所公知的。在一个实施方式中，反射器23在步骤63中被注射成型或直接包覆成型到热沉21。在一个实施方式中，反射器23被包覆成型在半导体芯片22上，因而将最后两个步骤63和64组合成单个步骤。可替代地，反射器23可被预先安装，且额外的热塑性塑料可被包覆成型在反射器23和半导体芯片22之间，优选地以完全封装半导体芯片22用于后者的环境保护。虽然反射器涂层（未示出）可被施加到反射器23的反射表面23C，优选地，模制反射器23具有足够高的折射率，以用于通过未涂覆的反射表面23C进行的发射光26的TIR。以这种方式，反射器23可以以单个注射成型操作而被廉价地大量生产。
虽然热沉21可具有很多不同的形状，圆形状通常是优选的；对于圆形热沉21，反射器23可被注射成型为具有内周边23A和外周边23B的环形，且反射表面23C在其间延伸，如图2A、2B、图3和图5所示。对于圆反射器23，多个激光二极管芯片22可以被设置，例如3个、6个、12个激光二极管芯片22等，可在热沉21的外周边24周围优选地以等角增量设置以节省空间，并光学地耦合到同一反射器23。
为了说明和描述的目的提供了本发明的一个或多个实施方式的前述描述。意图不是排他的或将本发明限制到所公开的精确形式。根据上述教导，很多修改和变化是可能的。意图是本发明的范围不由这个详细描述而更确切地由其所附的权利要求限定。
Claims (18)
1.一种光源制造方法，包括：
(a)提供热沉和具有用于发射光的边缘的第一半导体芯片；
(b)将所述第一半导体芯片平坦地安装在所述热沉的外周边附近的热沉部分上，所述边缘面向外；
(c)由热塑性材料注射成型反射器；
(d)将所述反射器安装到所述热沉的所述外周边，所述反射器包括反射表面，所述反射表面用于重新导向从所述边缘发射的光，以大体上垂直于所述第一半导体芯片传播，其中步骤(c)在步骤(d)之前或与步骤(d)同时执行；以及
(e)将所述反射器光学地耦合到所述第一半导体芯片的所述边缘。
2.如权利要求1所述的光源制造方法，
其中步骤(b)包括在所述热沉的所述外周边附近的所述热沉部分上平坦地安装多个边缘发射半导体芯片，包括所述第一半导体芯片，所述多个边缘发射半导体芯片的发射边缘面向外；
其中步骤(e)包括将所述反射器光学地耦合到所述发射边缘，用于重新导向从所述发射边缘发射的光，以大体上垂直于所述多个边缘发射半导体芯片传播。
3.如权利要求1所述的光源制造方法，其中步骤(d)包括将在步骤(c)中制成的反射器包覆成型到所述热沉。
4.如权利要求2所述的光源制造方法，其中步骤(e)包括将折射率匹配材料包覆成型在所述多个边缘发射半导体芯片上，用于将所述反射器光学地耦合到所述多个边缘发射半导体芯片的所述发射边缘，并用于所述多个边缘发射半导体芯片的环境保护。
5.如权利要求1所述的光源制造方法，其中在步骤(d)中，模制的反射器具有足够高的折射率，以用于所述发射光的全内反射。
6.如权利要求1所述的光源制造方法，其中所述热沉具有圆的形状，且所述反射器具有环的形状，所述环的形状具有内周边和外周边，所述反射表面在所述内周边和所述外周边之间延伸，其中所述反射器的所述内周边与所述热沉的所述外周边相匹配；
其中在步骤(d)中，所述反射器沿着所述内周边被安装到所述热沉的所述外周边。
7.如权利要求2所述的光源制造方法，其中在步骤(e)中，所述反射器通过将光折射率匹配材料放置在所述多个边缘发射半导体芯片的每个发射边缘和所述反射器之间而被光学地耦合到每个所述多个边缘发射半导体芯片的所述发射边缘。
8.一种光源，包括：
圆的热沉；
第一半导体芯片，其具有用于发射光的边缘，其中所述第一半导体芯片被平坦地设置在接近所述热沉外周边的圆的热沉部分上，所述边缘面向外；以及
反射器，其被附着到所述圆的热沉的所述外周边，并被光学地耦合到所述第一半导体芯片的所述边缘，所述反射器包括反射表面，所述反射表面用于重新导向从所述边缘发射的光，以大体上垂直于所述第一半导体芯片传播，其中
所述反射器具有环的形状，所述环的形状具有内周边和外周边，所述反射表面在所述内周边和所述外周边之间延伸，
所述反射器的所述内周边与所述热沉的所述外周边相匹配；并且
所述反射器沿着所述内周边被附着到所述热沉的所述外周边。
9.如权利要求8所述的光源，包括：
多个边缘发射半导体芯片，包括所述第一半导体芯片，所述多个边缘发射半导体芯片被平坦地设置在所述热沉的所述外周边附近的所述圆的热沉部分上，所述多个边缘发射半导体芯片的发射边缘面向外；
其中所述反射器被光学地耦合到所述多个边缘发射半导体芯片的发射边缘，用于重新导向从所述发射边缘发射的光，以大体上垂直于所述多个边缘发射半导体芯片传播。
10.如权利要求9所述的光源，其中所述多个边缘发射半导体芯片包括至少三个边缘发射半导体芯片。
11.如权利要求9所述的光源，其中所述反射器包括能注射成型的热塑性材料。
12.如权利要求9所述的光源，其中所述反射器包括具有1.45或更高的折射率的材料，用于在所述反射表面处的发射光的全内反射。
13.如权利要求10所述的光源，其中所述多个边缘发射半导体芯片包括多个激光二极管芯片。
14.如权利要求9所述的光源，其中所述反射表面包括选自由圆锥形、椭球形、抛物面形和对数螺旋形表面组成的组中的凹表面。
15.如权利要求14所述的光源，其中所述多个激光二极管芯片以等角增量方式设置。
16.如权利要求10所述的光源，其中所述反射器包括折射和/或衍射元件，或折射和/或衍射表面，用于修改由所述多个边缘发射半导体芯片发射的光的角分布。
17.如权利要求14所述的光源，还包括：
设置在所述多个激光二极管芯片的发射边缘和所述反射器之间，用于其间的光耦合的折射率匹配材料。
18.如权利要求17所述的光源，其中所述折射率匹配材料包括热塑性塑料材料，其中所述热塑性塑料材料封装所述多个激光二极管芯片。
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