CN107357118A - 具有高散热性能的光学模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学模组，包括：底座、镜座及光学元件；所述镜座安装在所述底座上；所述光学元件安装在所述镜座上，用于调制光束；其中，所述底座包括：芯片，用于发射或接收所述光束；电路板，开有第一通孔，所述第一通孔中设有所述芯片；基底，用于安装所述芯片与所述电路板，所述基底设有至少一个第二通孔，所述第二通孔的面积小于所述芯片的面积，以使得所述芯片可以覆盖至少部分所述第二通孔。本发明提出的光学模组体积小且具有高散热性能，主要应用在结构光深度相机中。
Description
技术领域
本发明涉及光学及电子技术领域，特别是涉及一种光学模组。
背景技术
成像模组或成像相机由透镜、滤光片以及图像传感器组成，被广泛应用于消费类电子，如手机、电脑、平板等设备上。随着消费类设备对成像种类的需求增加，3D成像正得到迅速的发展。
3D成像技术中，结构光技术应用最为广泛，基于结构光技术的深度相机一般由多个光学模组组成，例如结构光投影模组以及成像模组，随着微型电子设备如手机等对3D成像的日益增加的需求，光学模组对体积、功耗、散热等要求也越来越高。
然而，传统的结构形式难以同时满足光学模组体积小且具有高散热性能的要求。
发明内容
为了解决难以同时满足光学模组体积小且具有高散热性能的技术问题，本发明提出一种光学模组及深度相机。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种光学模组，包括：底座、镜座及光学元件；所述镜座安装在所述底座上；所述光学元件安装在所述镜座上，用于调制光束；其中，所述底座包括：芯片，用于发射或接收所述光束；电路板，开有第一通孔，所述第一通孔中设有所述芯片；基底，用于安装所述芯片与所述电路板，所述基底设有至少一个第二通孔，所述第二通孔的面积小于所述芯片的面积，以使得所述芯片可以覆盖至少部分所述第二通孔。在一实施例中，为了进一步提升所述芯片散热性能，在所述第二通孔中设有散热材料。所述散热材料可以包括散热硅脂。在又一实施例中，所述芯片包括VCSEL阵列光源。其中，所述VCSEL阵列光源可以由半导体衬底以及多个VCSEL光源组成。另外，所述多个VCSEL光源可以以不规则二维图案形式排列在所述半导体衬底上。
在本发明中，所述光学元件可以包括：透镜，用于接收并汇聚VCSEL阵列光源发射的光束；衍射光学元件，用于接收经所述透镜汇聚后的所述光束后向外发射结构化图案光束。此外，所述芯片可以包括图像传感器，所述图像传感器包括CMOS图像传感器或CCD图像传感器。在其他实施例中，所述光学元件也可以包括：滤光片，用于使得具有特定波长的光束通过；透镜，用于使外部物体在图像传感器上成像。
总的来说，上述光学模组，包括光束模块，用于发射或接收光束；供电模块，与所述光束模块连接，用于为所述光束模块供电；所述供电模块包括通孔模块，所述通孔模块中设有所述光束模块；散热模块，与所述光束模块及供电模块连接，能同时承载所述光束模块及所述供电模块，并能让光束模块发出的热量从散热模块中通过；从而在能确保所述光学模组体积小的同时，实现散热。
本发明还提出了一种用于制造光学模组的方法，所述方法包括：提供底座与镜座，所述镜座安装在所述底座上；提供光学元件，所述光学元件安装在所述镜座上，用于调制光束；其中，所述底座包括：芯片，用于发射或接收所述光束；电路板，开设有第一通孔，所述芯片设在所述第一通孔中；基底，用于安装所述芯片与所述电路板，所述基底设有至少一个第二通孔，所述第二通孔的面积小于所述芯片的面积，所述芯片覆盖所述第二通孔；在所述第二通孔中设散热材料，所述散热材料用于提升所述芯片的散热性能。
此外，本发明还提出了一种结构光深度相机，包括：上述任一所述光学模组，所述光学模组包括结构光投影模组及成像模组，所述结构光投影模组用于向外发射结构化图案光束；所述成像模组，用于采集所述结构化图案；处理器，根据所述结构化图案计算出深度图像。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明提出的光学模组，电路板以及基底分别开设有通孔，将芯片置入电路板的第一通孔中减少了光纤模组的整体体积，另外将电路板以及芯片安装在基底上，基底能够承载电路板与芯片，所述第二通孔的面积小于所述芯片的面积，芯片可以覆盖至少部分所述第二通孔，所述第二通孔能让芯片发出的热量散出，从而本发明的光学模组在保证体积小的同时确保高散热性能。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构光深度相机系统的侧视图。
图2是本发明一个实施例的结构光投影模组的侧视图。
图3是本发明一个实施例的成像模组的侧视图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
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光学装置。在后面的说明中将以结构光深度相机的光学模组为例进行说明，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。
深度相机
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主要组成部件包含两个光学模组，分别是结构光投影模组13、成像模组14，以及主板12以及处理器11，在一些深度相机中还配备了RGB相机16。结构光投影模组13、成像模组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，而结构光投影模组13与成像模组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，结构光投影模组用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，成像模组采集到该结构光图案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，结构光图案为红外散斑图案，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。对应的成像模组14可以为红外相机。
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；在成像模组与结构光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，只有体积小的结构光投影模组才能满足要求，另外由于结构光投影模组的功耗较大、发热较多，因此使光学模组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光学模组。接下来根据本发明的实施例方案对光学模组进行详细说明。
结构光投影模组
图2是根据本发明的一个实施例的结构光投影模组的示意图，结构光投影模组包括底座以及位于其上的镜座134，镜座134中放置有光学元件。底座包括半导体光源芯片131(相当于光束模块)、基底132以及电路板(相当于供电模块)133，其中电路板133以及半导体光源芯片131位于基底132之上。电路板133开有第一通孔(相当于通孔模块)，用于放置半导体光源芯片131，芯片131与电路板133之间电连接以实现对芯片131的控制，在一种实施例中，通过金线实现电连接。基底132开有一个或多个第二通孔，第二通孔的面积小于半导体光源芯片131的面积，使得半导体光源芯片131可以覆盖至少部分第二通孔且与基底132有足够的接触以便于稳定地安装在基底132上，由芯片131散发的热量可通过第二通孔进行散热。开设有第二通孔的基底132相当于散热模块，在其他实施例中，散热模块也可以是具有透气性能的网格板，或者也可以是散热片、滤水板等。为了使得半导体光源芯片131能更好的散热，在第二通孔中设置有散热材料137，比如涂上散热硅脂等。
光学元件用来调制光束，在结构光投影模组13中，光学元件一般包括用于准直光源芯片131所发出光束的透镜或透镜组135，经透镜135准直或聚集后的光束被衍射光学元件(DOE)136接收并向外发射出结构化图案光束，比如可以形成随机散斑图案的光束。
半导体光源芯片131包括半导体衬底以及位于半导体衬底上的光源，在一个实施例中，光源包括边发射激光器或垂直腔面激光发射器(VCSEL)，在一个实施例中，光源包括由多个VCSEL组成的阵列激光，多个VCSEL以二维图案的形式排布在半导体衬底上，二维图案可以是规则图案也可以是不规则图案。
电路板133用于给光源芯片供电且控制光源的发光，可以是印制电路板(PCB)、柔性电路板(FPC)、软硬结合板中的一种或组合。
基底132用于给其他部件提供支撑，也可以给光源芯片131提供散热，因此优选地由硬性材料组成，比如金属、陶瓷等。在一个实施例中，当基底132是金属材料时，光源芯片131可以与基底132电连接，再通过基底132与电路板133的连接以实现间接电连接。
各个部件之间的连接可以由任何合适的方式，比如胶水、螺栓、螺柱或多种方式的结合。
成像模组
图3是根据本发明的一个实施例的成像模组14的示意图。与结构光投影模组13不同的是，这里的芯片为半导体图像传感器芯片141，常用的有CMOS与CCD两种图像传感器芯片，另外光学元件有也区别，成像模组14中的光学元件主要包括滤光片145以及成像透镜146，其中滤光片145的作用是仅让处在光源芯片131所发出的光束波长一定范围内的光束通过，在一个实施例中，光源芯片131发射出近红外激光束，波长为940nm，滤光片的作用是使得波长范围在940nm左右一定区间内的波长光束通过。透镜146用于成像，可以是单透镜也可以是透镜组，在一个实施例中，还可以包括音圈马达，以使得该模组14实现自动对焦，透镜的作用是使得外部物体在图像传感器芯片141上成像。
相应的，本发明还提供一种光学模组的制造方法，包括：提供底座与镜座，所述镜座安装在所述底座上；提供光学元件，所述光学元件安装在所述镜座上，用于调制光束；其中，所述底座包括：芯片，用于发射或接收所述光束；电路板，开设有第一通孔，所述芯片设在所述第一通孔中；基底，用于安装所述芯片与所述电路板，所述基底设有至少一个第二通孔，所述第二通孔的面积小于所述芯片的面积，所述芯片覆盖所述第二通孔；在所述第二通孔中设散热材料，所述散热材料用于提升所述芯片的散热性能。
以上无论是结构光投影模组13还是成像模组14，其底部结构均通过开通孔的电路板以及基底，一方面降低了整体光学模组的厚度，另一方面可以提高芯片的散热，提升系统的稳定性。
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的保护范围。
Claims (11)
1.一种光学模组，其特征在于，包括：底座、镜座及光学元件；所述镜座安装在所述底座上；所述光学元件安装在所述镜座上，用于调制光束；其中，所述底座包括：
芯片，用于发射或接收所述光束；
电路板，开设有第一通孔，所述第一通孔中设有所述芯片；
基底，用于安装所述芯片与所述电路板，所述基底设有至少一个第二通孔，所述第二通孔的面积小于所述芯片的面积，以使得所述芯片可以覆盖至少部分所述第二通孔。
2.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，在所述第二通孔中设有散热材料，所述散热材料用于提升所述芯片的散热性能。
3.如权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述散热材料包括散热硅脂。
4.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述芯片包括VCSEL阵列光源；
所述VCSEL阵列光源由半导体衬底以及多个VCSEL光源组成。
5.如权利要求4所述的光学模组，其特征在于，所述多个VCSEL光源以不规则二维图案形式排列在所述半导体衬底上。
6.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学元件包括：
透镜，用于接收并汇聚VCSEL阵列光源发射的光束；
衍射光学元件，用于接收经所述透镜汇聚后的所述光束后向外发射结构化图案光束。
7.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述芯片包括图像传感器，所述图像传感器包括CMOS图像传感器或CCD图像传感器。
8.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学元件包括：
滤光片，用于使得具有特定波长的光束通过；
透镜，用于使外部物体在图像传感器上成像。
9.一种用于制造光学模组的方法，其特征在于，所述方法包括：提供底座与镜座，所述镜座安装在所述底座上；提供光学元件，所述光学元件安装在所述镜座上，用于调制光束；其中，所述底座包括：芯片，用于发射或接收所述光束；电路板，开设有第一通孔，所述芯片设在所述第一通孔中；基底，用于安装所述芯片与所述电路板，所述基底设有至少一个第二通孔，所述第二通孔的面积小于所述芯片的面积，所述芯片覆盖所述第二通孔；在所述第二通孔中设散热材料，所述散热材料用于提升所述芯片的散热性能。
10.一种光学模组，其特征在于，包括光束模块，用于发射或接收光束；供电模块，与所述光束模块连接，用于为所述光束模块供电；所述供电模块包括通孔模块，所述通孔模块中设有所述光束模块；散热模块，与所述光束模块及供电模块连接，能同时承载所述光束模块及所述供电模块，并能让光束模块发出的热量从散热模块中通过；从而在能确保所述光学模组体积小的同时，实现散热。
11.一种结构光深度相机，其特征在于，包括：
如权利要求1～8或10任一所述光学模组，所述光学模组包括结构光投影模组及成像模组，所述结构光投影模组用于向外发射结构化图案光束；
所述成像模组，用于采集所述结构化图案；
处理器，根据所述结构化图案计算出深度图像。
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