CN107132720B - 发光装置及其光学投影模组 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光学投影模组，由发光装置及光学器件组成。发光装置包括：底座，用于支撑及散热，所述底座相对立的两个表面分别有凹槽与凸起；光源，用于发射光束，所述光源安装在所述底座的凹槽中；电路板，用于控制光源发光，所述电路板设置有通孔；所述底座通过凸起安装到所述电路板的通孔中。本发明提出的光学投影模组具有高散热、高稳定性，且体积小可以被集成到微型计算设备中。

Description

发光装置及其光学投影模组

技术领域

本发明涉及电子及光学元器件制造领域，尤其涉及一种发光装置及其光学投影模组。

背景技术

深度相机可以获取目标的深度信息借此实现3D扫描、场景建模、手势交互，与目前被广泛使用的RGB相机相比，深度相机正逐步受到各行各业的重视。例如利用深度相机与电视、电脑等结合可以实现体感游戏以达到游戏健身二合一的效果。另外，谷歌的tango项目致力于将深度相机带入移动设备，如平板、手机，以此带来完全颠覆的使用体验，比如可以实现非常真实的AR游戏体验，可以使用其进行室内地图创建、导航等功能。

深度相机中的核心部件是光学投影模组，随着应用的不断扩展，光学投影模组将向越来越小的体积以及越来越高的性能上不断进化。一般地，光学投影模组组由电路板、光源以及光学器件等部件组成，目前晶圆级大小的垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列光源使得光学投影模组的体积可以减小到被嵌入到手机等微型电子设备中。一般地，将VSCEL制作在半导体衬底上，并将半导体衬底与柔性电路板（FPC）进行连接，为了解决散热问题，还可以引入半导体致冷器（TEC）。TEC可以很好的对光源发热进行控制，但由于本身的功耗较高，且占用较大的体积，使得这种形式的光学投影模组的体积以及功耗仍不理想。

除了深度相机中的光学投影模组，在其他的芯片与电路板结合的领域，也同样面临着体积与散热的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中芯片与电路板结合时的体积与散热的问题，提出一种发光装置及其光学投影模组，能够同时兼顾体积与散热的问题。

本发明提供一种发光装置，包括：底座，用于支撑及散热，所述底座相对立的两个表面分别有凹槽与凸起；光源，用于发射光束，所述光源安装在所述底座的凹槽中；电路板，用于控制光源发光，所述电路板设置有通孔；所述底座通过凸起安装到所述电路板的通孔中。

在一些实施方案中，所述底座包括陶瓷基底，所述陶瓷基底开有通孔，以使得所述电路板与所述光源电连接。

在一些实施方案中，所述光源包括VCSEL阵列光源, 所述VCSEL阵列光源包括半导体基底以及VCSEL光源，所述VCSEL光源以不规则图案排列在所述半导体基底上。

在一些实施方案中，所述电路板包括柔性电路板、印制电路板以及软硬结合电路板的一种或组合。

本发明还提供一种用于制造发光装置的方法，包括提供底座，所述底座用于支撑及散热，所述底座相对立的两个表面分别有凹槽与凸起；将光源安装在所述底座的凹槽中，所述光源用于发射光束；提供电路板，所述电路板用于控制光源发光且设置有通孔；将所述底座通过凸起安装到所述电路板的通孔中。

在一些实施方案中，所述底座包括陶瓷基底。

本发明还提供一种光学投影模组，包括如上所述的发光装置，用于发射光束；光学器件，包括：透镜，用于接收及准直所述光束；衍射光学元件，用于将所述光束经扩束后形成固定的光束图案并向外发射；镜筒，用于固定所述透镜及所述衍射光学元件，且与所述发光装置连接。

在一些实施方案中，所述透镜包括微透镜阵列。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

本发明提供发光装置，通过在具有支撑及散热功能的底座两面分别设置凹槽以及凸起，分别用于放置芯片以及与电路板连接，如此可以充分减小装置的整体体积，同时芯片与散热部件直接接触连接，散热部件同时起到支撑芯片的作用，保证给芯片提供最大限度的散热。与现有技术相比，本发明的发光装置具有高导热、高稳定、高可靠性以及体积小的优势，从而可以被集成到微型的计算设备中。

附图说明

图1是本发明一个实施方案中的深度相机系统的侧视图。

图2是本发明一个实施方案中的光学投影模组的侧视图。

图3是本发明一个实施方案中的垂直腔面激光发射器的结构示意图。

图4是本发明一个实施方案中的VCSEL芯片正视图。

实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“设置于”或“安装于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提出一种散热性能好以及体积小的芯片嵌入装置。在后面的说明中将以深度相机的投影模组为例进行说明，但并不意味着这种方案仅能应用在深度相机中，任何其他装置中凡是直接或间接利用该方案都应被包含在本发明的保护范围中。

图1所示的基于结构光的深度相机侧面示意图。深度相机10主要组成部件有光学投影模组13、采集模组14、主板12以及处理器11，在一些深度相机中还配备了RGB相机16。光学投影模组13、采集模组14以及RGB相机16一般被安装在同一个深度相机平面上，且处于同一条基线，每个模组或相机都对应一个进光窗口17。一般地，处理器11被集成在主板12上，而光学投影模组13与采集模组14通过接口15与主板连接，在一种实施例中所述的接口为FPC接口。其中，光学投影模组用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，采集模组采集到该结构光图像后通过处理器处理以得到目标空间的深度图像。在一个实施例中，结构光图像为红外散斑图案，图案具有颗粒分布相对均匀但具有很高的局部不相关性，这里的局部不相关性指的是图案中各个子区域都具有较高的唯一性。对应的采集模组14为红外相机。

基于时间飞行法原理（TOF）的深度相机的主要组成部分也是投影模组与采集模组，与结构光原理的深度相机不同的是其投影模组用于发射记时的光脉冲，采集模组采集到该光脉冲后就可以得到光在空间中的飞行时间，再利用处理器计算出对应的空间点的距离。

目前单一的深度相机由于体积较大，大都是作为独立的外设，通过USB等数据接口与其他设备如电脑、手机等连接，并将其获取的深度等信息传输给其他设备进行进一步的处理。随着深度相机的应用越来越广泛，将深度相机与其他设备进行集成、整合将会是未来的发展方向。在主板与处理器的集成方面可以将深度相机的主板、处理器与电脑手机等设备的主板、处理器进行整合；在采集模组与光学投影模组的集成方面，目前电脑等大型设备都有相关的方案，然而对于手机等微型设备，只有体积小的光学投影模组才能满足要求，另外由于光学投影模组的功耗较大、发热较多，因此拥有较高的散热性也非常有必要。本发明的重点将是提出一种拥有高散热性及小体积的发光装置及其光学投影模组。接下来根据本发明的实施方案对光学投影模组进行详细说明。

图2是根据本发明实施例的光学投影模组的示意图。光学投影模组13包括发光装置与光学器件组成，其中发光装置由底座131、电路板132以及光源134组成，光学器件由镜筒137、透镜135以及衍射光学元件（DOE）136组成。光学器件与发光装置之间通过镜筒137与底座131进行连接。发光装置中的光源134发出的光束经透镜135准直或汇聚后由DOE136向空间中发射，一般地透镜135位于光源134以及衍射光学元件136之间，典型地，透镜135与光源134之间的距离近似等于透镜的焦距。在其它实施例中透镜135与DOE也可以整合成一个光学元件，镜座也可以分成上、下镜座以便于安装或调试。底座131一方面要求具有足够的硬度来支撑光源，另一方面还需要有较高的散热性。

在一个实施例中，透镜也可以是微透镜阵列。

光学投影模组的体积影响整个深度相机的大小，而其中光源134与底座131的大小则是影响光学投影模组体积的重要因素。在光源的选择中，垂直腔面激光发射器(VCSEL)拥有体积小、光源发射角小、稳定性好等优点可以用来作为投影模组的光源以减小整体的体积。接下来先对VCSEL及其阵列芯片进行说明，其次对其与底座131组成的发光装置进行阐述。

图3是根据本发明一个实施方案中的VCSEL结构示意图。在图3中，301为单个VCSEL，一般地， VCSEL的有源层305在中间，与有源层连接的是限制层306，限制层的作用是用来控制光场和电流以实现对激光形状等的控制，有源层两端还有P型与N型的半导体反射镜304与307，反射镜307的另一侧是顶部电极308（P极、正极），反射镜304的一侧分别是半导体衬底303以及底部电极302（N极、负极）。

图4是本发明一个实施方案中的VCSEL芯片正视图。当单个VCSEL光源的功率等达不到应用要求时，通过将多个VCSEL403以阵列的形式布置在同一个半导体衬底402上可以提高光源功率，另外在同一个半导体衬底上同时制造多个VCSEL光源也可以大幅提高制造效率。VCSEL阵列芯片401目前可以达到晶圆级的尺度，即可以在1mm²的芯片上布置成百上千个VCSEL光源。对光源的控制可以有不同的模式，芯片上所有的VCSEL光源被同步控制打开与关闭，或者，芯片上的VCSEL被独立或分组控制以产生不同的光照密度。在一些实施例中，采用第一种模式，即芯片上所有的VCSEL光源被同步控制打开与关闭。在另一些实施例中，可以采用第二种模式，即芯片上的VCSEL被独立或分组控制以产生不同的光照密度。

VCSEL403的形式及排列按照具体的应用需求可以有多种，比如均匀规则地排列或者以一定的不相关图案进行不规则排列。单个VCSEL的形状、面积也可以不相同。形式上的不规则化会带来制造效率的降低。在一些实施例中，VCSEL403均匀规则地排列在半导体衬底402上，在另一些实施例中，按照具体的应用需求，VCSEL403以一定的不相关图案不规则排列在半导体衬底402上。

在一些实施例中，VCSEL芯片按特殊的用途也可以进行封装，类似于电脑的CPU等芯片，将正负极通过连接到引脚在同一侧与外界连接。针对本发明所述的深度相机实施例而言，由于要求体积小，因而较佳的处理方式是直接将未封装的VCSEL半导体切片芯片置于底座131上。一般地，芯片的底部负极连接，顶部正极连接。在以下说明中将以VCSEL切片芯片为例进行说明，但应理解的是封装芯片也包含在本发明的保护范围内。

芯片都需要有承载和连接机构，以保证芯片的正常功能。例如电脑CPU有为其独立设计的卡套式连接与固定机构；对于一些发热量不大的专用芯片，会直接通过引脚与主板进行直接相连；而对于本发明所述的芯片，一般具有较高的发热量，且需要有稳固的固定装置。VCSEL阵列芯片由于是用来发射光束，需要较大的功率，发热量较大，另外还需要被集成到体积较小的微型设备中，散热问题需要解决；另一方面，对于深度相机而言，光学投影模组的相对位置要求非常稳固，以确保有稳定、精确的深度图像输出。因此，VCSEL阵列芯片的承载与连接机构就要求既拥有小的体积以便于集成，又需要有较好的散热性能以及稳固的连接。

回到图2，本发明的发光装置，包括底座131，用来支撑芯片134以及提供散热功能；电路板132，用来控制芯片134工作。其中底座131可以是金属材料也可以是其他材料，典型地，底座131为陶瓷材料，陶瓷材料具有优良的散热性以及硬度。为了减小发光装置的厚度，在底座131的一个表面有凹槽138，用于放置芯片134，在另一面有凸起139，凸起处用于将底座131安装到电路板132相应的通孔中。典型地，电路板132的通孔与底座131的凸起大小相同，电路板132端部还具有与外部实现电连接的端口133，比如USB、MINI USB、MIPI等接口。

发光装置中，芯片134的控制由电路板132执行，由于电路板132与芯片134之间被底座131隔开，因此往往需要在底座131上开通孔以实现连接。在一些实施例中，由于芯片134为未封装裸片，因此其底部为一电极，因此当底座131为导电材料时，芯片134的电极直接与导电材料连接，再将电路板132与底座131电连接即实现也该电极的连接；而对于芯片134另一电极的连接则可以在底座131上开设通孔后将芯片该电极与电路板电连接。

在一个实施例中，底座131为不导电的陶瓷材料，此时可以在其表面或通孔中注入导电材料比如银、铜、金等材料，让其具有陶瓷的高导热、高稳定、高可靠性的同时还具有导电性。

本发明中底座的两个表面分别有凹槽138与凸起139，设置凹槽138的作用一方面在于可以将芯片134固定于其中以减小光学投影模组13的整体厚度，另一方面还可以保证镜筒137与底座131连接的位置有足够的厚度以保证连接的强度。另外，电路板132中间开有通孔，底座上的凸起139与通孔匹配以将底座131与电路板132连接，这将进一步减小光学投影模组13的厚度。

电路板132可以为印制电路板（PCB）、柔性电路板(FPC)或者二者结合而成的软硬结合板。当底座131具有足够的硬度及稳定性时，典型地，电路板132可以为FPC，一方面FPC的厚度小，另一方面FPC连接及安装均更为方便。

对于图2所示的激光模组在制造时，发光装置与光学器件可以同步进行。对于发光装置，将底座131与电路板132连接，其次将光源134连接到底座131上，最后将光学器件安装到底座131上。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种发光装置，其特征在于，包括：

底座，用于支撑及散热，所述底座相对立的两个表面分别有凹槽与凸起；

光源，用于发射光束，所述光源安装在所述底座的凹槽中；

电路板，用于控制光源发光，所述电路板设置有通孔；

所述底座通过凸起安装到所述电路板的通孔中，所述底座开有通孔，以使得所述电路板与所述光源电连接。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述底座包括陶瓷基底。

3.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述光源包括VCSEL阵列光源。

4.根据权利要求3所述的发光装置，其特征在于，所述VCSEL阵列光源包括半导体基底以及VCSEL光源，所述VCSEL光源以不规则图案排列在所述半导体基底上。

5.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述电路板包括柔性电路板、印制电路板以及软硬结合电路板的一种或组合。

6.一种用于制造发光装置的方法，其特征在于，包括：

提供底座，所述底座用于支撑及散热，所述底座相对立的两个表面分别有凹槽与凸起，所述底座开有通孔；

将光源安装在所述底座的凹槽中，所述光源用于发射光束；

提供电路板，所述电路板用于控制光源发光且设置有通孔；

将所述底座通过凸起安装到所述电路板的通孔中，通过所述底座上的通孔将所述电路板与所述光源电连接。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述底座包括陶瓷基底。

8.一种光学投影模组，其特征在于，包括：

如权利要求1~5任意一项所述的发光装置，用于发射光束；

光学器件，包括：

透镜，用于接收及准直所述光束；

衍射光学元件，用于将所述光束经扩束后形成固定的光束图案并向外发射；

镜筒，用于固定所述透镜及所述衍射光学元件，且与所述发光装置连接。

9.根据权利要求8所述的光学投影模组，其特征在于，所述透镜包括微透镜阵列。