CN108680929B - 一种基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及感测技术领域，公开了一种基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，包括信号发射子模块、信号接收子模块、光路调节模块和数据处理模块。信号发射子模块用于在第一条件下发射激光信号至目标物；信号接收子模块用于在第二条件下接收目标物反射回来的激光信号；光路调节模块用于将信号发射子模块发出的激光整形为平行光发射至目标物，以及用于将目标物反射回来的激光整形为平行光发射至信号接收子模块；数据处理模块用于对目标物反射回来的激光信号进行分析处理。本发明中，信号发射子模块和信号接收子模块均为垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，信号发射子模块和信号接收子模块集成于同一块主板上，集成度较高。
Description
技术领域
本发明涉及感测技术领域，具体涉及一种基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)具有阈值电流低、无灾难性的光损伤(COD)、寿命超长、单模激射、调制速率快、发散角小、耦合效率高、价格低等很多优点，其在三维感测(3D-Sensing)与成像等领域具有非常显著的竞争优势和市场价值。
2017年Lumentum公司已经将940nm VCSEL阵列集成在iphone 8和iphone X的3D感测相机中，实现人脸识别功能，带动了3D感测技术的研究热潮。3D感测技术主要是通过激光器向目标物体或人脸发射激光信号，目标物体或人脸对接收到的激光信号会进行反射，探测器接收到反射回来的激光信号后，通过数据分析处理后获取目标物体或人脸的相关信息，进而获得目标物体或人脸的形状。
但是，目前的3D感测系统中，探测器和激光器属于两种不同的器件，且各自独立封装成型，导致整个3D感测系统结构较为复杂，集成度较低。同时，目前主要选用短波长激光器，例如集成于iphone 8和iphone X的3D感测相机中的940nm VCSEL激光器，实际上该波长的激光不是一种对人眼安全的光源，在实现3D感测时，易对人眼造成伤害。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题是：现有技术中，三维感测系统集成度低。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明实施例提供了一种基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，包括：
信号发射子模块，用于在第一条件下，发射激光信号至目标物；
信号接收子模块，用于在第二条件下，接收所述目标物反射回来的激光信号；
光路调节模块，分别与所述信号发射子模块、所述信号接收子模块连接，设置于所述激光信号所在光路上，用于将所述信号发射子模块发出的激光整形为平行光发射至所述目标物，以及用于将所述目标物反射回来的激光整形为平行光发射至所述信号接收子模块；
数据处理模块，与所述信号接收子模块连接，用于对所述目标物反射回来的激光信号进行分析处理；
其中，所述信号发射子模块和所述信号接收子模块均为垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，且所述信号发射子模块和所述信号接收子模块集成于同一块主板上。
可选地，所述第一条件为施加正向偏压；所述第二条件为施加反向偏压。
可选地，所述信号接收子模块以所述信号发射子模块为中心，分布于所述信号发射子模块的四周。
可选地，所述信号发射子模块对应的垂直腔面发射激光器与所述信号接收子模块对应的垂直腔面发射激光器均包括叠层设置的缓冲层、下分布反馈布拉格反射镜、有源层、氧化层、上分布反馈布拉格反射镜以及接触层，所述有源层包括叠层设置的下限制层、量子阱层以及上限制层。
可选地，所述信号发射子模块对应的垂直腔面发射激光器包括叠层设置的缓冲层、下分布反馈布拉格反射镜、有源层、氧化层、上分布反馈布拉格反射镜以及接触层，所述有源层包括叠层设置的下限制层、量子阱层以及上限制层；
所述信号接收子模块对应的垂直腔面发射激光器包括叠层设置的缓冲层、下分布反馈布拉格反射镜、有源层、上分布反馈布拉格反射镜以及接触层，所述有源层包括叠层设置的下限制层、量子阱层以及上限制层。
可选地，所述信号发射子模块对应的垂直腔面发射激光器的正负极分别位于接触层和缓冲层上；
所述信号接收子模块对应的垂直腔面发射激光器的正负极分别位于缓冲层和上限制层上；或者所述信号接收子模块对应的垂直腔面发射激光器的正负极分别位于下限制层和上限制层上。
可选地，所述光路调节模块包括凸面朝向所述信号发射子模块的第一透镜组件，以及凸面朝向所述目标物的第二透镜组件；
所述第一透镜组件用于将所述信号发射子模块发出的激光整形为平行光发射至所述目标物；所述第二透镜组件用于将所述目标物反射回来的激光整形为平行光发射至所述信号接收子模块。
可选地，所述第一透镜组件在所述主板上的正投影与所述信号发射子模块在所述主板上的正投影重合，所述第二透镜组件在所述主板上的正投影与所述信号接收子模块在所述主板上的正投影重合。
可选地，所述第一透镜组件和所述第二透镜组件均为微透镜阵列。
可选地，所述激光信号的波长大于等于1400nm。
本发明的技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，通过集成在同一块主板上的垂直腔面发射激光器阵列在不同条件下实现发射激光信号和接收激光信号这两种功能，相对于传统的信号接收单元和信号发射单元分属两个不同部件的方式，本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统通过一个部件即可实现发射和接收两种功能，集成度较高，大大降低了制备成本，并且缩减了现有的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的体积，符合当前基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的小型化发展趋势。
本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，信号发射子模块和信号接收子模块均为垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列。垂直腔面发射激光器的光学谐振腔与主板衬底垂直，能够实现主板表面的激光发射，具有阈值电流低、无灾难性性光损伤(COD)、寿命长、稳定单波长工作、调制速率快、发散角小、耦合效率低等优点，并且光束质量远高于边发射激光器(EEL)和LED，这使得垂直腔面发射激光器在高速光通讯、激光雷达以及三维感测与成像等技术领域中具有较高的应用价值。因此，本发明实施例中采用垂直腔面发射激光器阵列作为信号发射子模块和信号接收子模块，有效增强了信号发射子模块和信号接收子模块的性能。
本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，信号接收子模块以信号发射子模块为中心，分布于信号发射子模块的四周。该排布方式一方面有助于使得集成在同一块主板上的信号接收子模块和信号发射子模块结构较为紧凑，最大化减小整个基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的体积，实现小型化；另一方面符合激光的发射光路和反射光路的分布规律，保证探测效果。
本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，第一条件为施加正向偏压，第二条件为施加反向偏压。当给垂直腔面发射激光器(VCSEL)施加正向偏压时，空穴和电子分别从两端电极注入有源区，进而发生辐射复合，经光学谐振腔共振后形成激光发射出去。当给垂直腔面发射激光器(VCSEL)施加反向偏压时，目标物反射回来的光子经布拉格反射镜(DBR)进入有源区，其中与光学谐振腔共振的光子吸收能力最强，空穴和电子对吸收这部分共振光子后分别从两侧电极输出，进而实现光电探测。
本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，在激光信号所在光路上设置有光路调节模块，光路调节模块的设置有助于调节发射出的激光光路以及反射回来的激光光路，进而提高了激光到达目标物时以及进入信号接收子模块时的高准直性，提高了该基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的灵敏度和精度。
本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，光路调节模块包括凸面朝向信号发射子模块的第一透镜组件，以及凸面朝向目标物的第二透镜组件；第一透镜组件用于将信号发射子模块发出的激光整形为平行光发射至目标物；第二透镜组件用于将目标物反射回来的激光整形为平行光发射至信号接收子模块。
本发明实施例通过第一透镜组件将信号发射子模块发射出的发散光整形为平行光，使得绝大多数光能够照射至目标物，且提高了由目标物反射回来的激光的比例；通过第二透镜组件将由目标物反射回来的激光整形为平行光发射至信号接收子模块，反射回来的大部分激光能够被信号接收子模块所接收，有效提高了激光的利用率，同时降低了该基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的功率，降低了功耗。
本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，第一透镜组件在主板上的正投影与信号发射子模块在主板上的正投影重合，第二透镜组件在主板上的正投影与信号接收子模块在主板上的正投影重合。即，第一透镜组件与信号发射子模块在位置上相对应，第二透镜组件与信号接收子模块在位置上相对应。由此，进一步保证出射的激光可经由第一透镜组件进行光路调整，显著提高了出射光的准直方向性和发光效率密度，且进一步保证反射回来的激光可经由第二透镜组件进行光路调整，增加了反射光进入信号接收子模块的几率，光学强度和灵敏度。
同时，也避免了环境杂散光对探测过程带来的干扰和噪声，提高了该基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的抗干扰能力。
本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，激光信号的波长大于等于1400nm。根据人眼生理和光学结构的研究发现，波长大于等于1400nm的光无法透射至视网膜中，即使采用较高的功率输出也不会对人眼造成伤害。因此使用波长大于等于1400nm的长波长信号发射子模块作为激光光源，可实现更远的探测距离，更高的分辨率和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统中信号发射子模块和信号接收子模块的一种实施方式的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统中信号发射子模块和信号接收子模块的另一种实施方式的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统中信号发射子模块和信号接收子模块的另一种实施方式的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统中信号发射子模块和信号接收子模块的另一种实施方式的结构示意图；
附图标记：
1-目标物；2-光学探测模块；21-主板；22-信号发射子模块；23-信号接收子模块；
3-数据处理模块；32-数据处理子模块；33-图像生成模块；
4-光路调节模块；41-第一透镜组件；42-第二透镜组件；
51-缓冲层；52-下分布反馈布拉格反射镜；53-有源区；531-下限制层；532-量子阱层；533-上限制层；54-氧化层；55-上分布反馈布拉格反射镜；56-接触层；
6-控制模块；7-时序模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例
本发明实施例提供了一种基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，如图1所示，包括光学探测模块2和数据处理模块3。其中，光学探测模块2用于在第一条件下，发射激光信号至目标物1，以及用于在第二条件下，接收目标物1反射回来的激光信号。数据处理模块3与光学探测模块2连接，用于对目标物1反射回来的激光信号进行分析处理。
即，光学探测模块2在不同条件下可起到发射激光信号和接收激光信号这两种作用，相对于传统的信号接收单元和信号发射单元分属两个不同部件的方式，本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统通过一个部件即可实现发射和接收两种功能，集成度较高，大大降低了制备成本，并且缩减了现有的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的体积，符合当前基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的小型化发展趋势。数据处理模块3与光学探测模块2连接，用于对目标物1反射回来的激光信号进行分析处理，进而得到探测结果。
需要说明的是，本发明实施例所提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统不仅可以用作三维感测，还可以用于金融支付和安全监控等人脸识别和深度相机领域。
作为一种可选实施方式，本实施例中，光学探测模块2包括集成在同一块主板21上的信号发射子模块22和信号接收子模块23；信号发射子模块22用于在第一条件下，发射激光信号至目标物1；信号接收子模块23用于在第二条件下，接收目标物1反射回来的激光信号。
即是说，信号发射子模块22和信号接收子模块23同属一种部件，且信号发射子模块22只负责发射激光信号至目标物1，而信号接收子模块23只负责接收目标物1反射回来的激光信号。由此，在信号发射子模块22发射激光信号的同时，信号接收子模块23可接收目标物1反射回来的激光信号，提高了该基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的探测效率。另外，信号发射子模块22和信号接收子模块23集成于同一块主板21上，很大程度上简化了该基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的结构，缩小了体积，提高了集成度，符合当前基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的小型化发展趋势。
作为可替换实施方式，本实施例中，也可以不分别设置信号发射子模块22和信号接收子模块23，即，使用同一个部件同时负责信号的发射和接收。由此降低了该基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的制造成本，同时进一步缩小了其体积。
本实施例中，信号发射子模块22和信号接收子模块23均为垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列。垂直腔面发射激光器的光学谐振腔与主板21衬底垂直，能够实现主板21表面的激光发射，具有阈值电流低、无灾难性性光损伤(COD)、寿命长、稳定单波长工作、调制速率快、发散角小、耦合效率低等优点，并且光束质量远高于边发射激光器(EEL)和LED，这使得垂直腔面发射激光器在高速光通讯、激光雷达以及三维感测与成像等技术领域中具有较高的应用价值。因此，本发明实施例中采用垂直腔面发射激光器阵列作为信号发射子模块22和信号接收子模块23，有效增强了信号发射子模块22和信号接收子模块23的性能。
作为一种可选实施方式，本实施例中，信号接收子模块23以信号发射子模块22为中心，分布于信号发射子模块22的四周。该排布方式一方面有助于使得集成在同一块主板21上的信号接收子模块23和信号发射子模块22结构较为紧凑，最大化减小整个基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的体积，实现小型化；另一方面符合激光的发射光路和反射光路的分布规律，保证探测效果。
作为一种可选实施方式，本实施例中，第一条件为施加正向偏压；第二条件为施加反向偏压。当给垂直腔面发射激光器(VCSEL)施加正向偏压时，空穴和电子分别从两端电极注入有源区53，进而发生辐射复合，经光学谐振腔共振后形成激光发射出去。当给垂直腔面发射激光器(VCSEL)施加反向偏压时，目标物1反射回来的光子经布拉格反射镜(DBR)进入有源区53，其中与光学谐振腔共振的光子吸收能力最强，空穴和电子对吸收这部分共振光子后分别从两侧电极输出，进而实现光电探测。
下面对垂直腔面发射激光器(VCSEL)的结构进行具体描述：
如图2所示，垂直腔面发射激光器(VCSEL)一般包含若干周期的III-V族半导体量子阱层532或量子点超晶格层和上、下限制层531、533组成的有源区53，上、下分布反馈布拉格反射镜52、55(DBR)与氧化层54、接触层56以及电极等组成。其中半导体量子阱或量子点超晶格的禁带宽度决定了激光波长，有源区53厚度(L)为一个或多个激光波长(λ)(即L＝N×λ/n,N＝1-5，n为有源区53材料有效折射率)；上、下分布反馈布拉格反射镜52、55(DBR)是由折射率明显不同的两种材料周期性交叠生长(沉积)组成的高低反射镜，在有源区53内形成光学谐振腔，使其实现激光发射；氧化层54通常是在有源区53和上、下DBR中的含Al(铝)层外围利用湿法氧化方法形成氧化铝(AlOX)，抑制载流子与光束的横向扩散，降低阈值电流和光束发散角，改善光束准直性和光功率密度。
作为一种可选实施方式，本实施例中，信号发射子模块22对应的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构与信号接收子模块23对应的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构完全相同。如图2所示，中间为信号发射子模块22对应的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构，两侧为信号接收子模块23对应的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构，两者完全相同。
作为可替换实施方式，本实施例中，信号发射子模块22对应的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构与信号接收子模块23对应的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构不完全相同。具体地，如图3所示，信号接收子模块23对应的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构中不设置氧化层54。
这是由于垂直腔面发射激光器(VCSEL)用来发射激光信号时，在电极两端施加电压后，其会产生较大的电流，氧化层54的设置起到限制电流的作用。而当垂直腔面发射激光器(VCSEL)用来接收激光信号时，无需对电流进行限制，因此可省去氧化层54，由此节约了一道工序，并且增大了该垂直腔面发射激光器(VCSEL)的吸光面积，使得光生载流子易被获取。
作为可替换实施方式，本实施例中，信号发射子模块22对应的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构与信号接收子模块23对应的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构不完全相同。具体地，信号接收子模块23对应的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的电极位置与信号发射子模块22对应的垂直腔面发射激光器(VCSEL)电极位置不相同。
其中，信号接收子模块23对应的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的正负极分别位于接触层56和缓冲层51上；信号接收子模块23所对应的垂直腔面发射激光器的正负极分别位于垂直腔面发射激光器的有源区53中上限制层533和N型缓冲层51上(见图4)。或者，分别位于垂直腔面发射激光器的有源区53中上限制层533和下限制层531上(见图5)。信号接收子模块23所对应的垂直腔面发射激光器的上述两种电极连接方式，有利于降低电极之间电阻，降低工作电压，提高光生载流子的提取效率。
作为一种可选实施方式，本实施例中，该基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统还包括光路调节模块4，该光路调节模块4设置于激光信号所在光路上，用于调节激光的光路。光路调节模块4的设置有助于调节发射出的激光光路以及反射回来的激光光路，进而提高了激光到达目标物1时以及进入信号接收子模块23时的高准直性，提高了该基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的灵敏度和精度。
需要说明的是，激光信号所在的光路指的是经信号发射子模块22发射出去的激光光路(发射光路)，以及经目标物1反射回来的激光光路(反射光路)，即，光路调节模块4同时设置在发射光路和反射光路上，既对发射出去的激光角度进行调节，也对反射回来的激光角度进行调节。
作为一种可选实施方式，本实施例中，光路调节模块4包括凸面朝向光学探测模块2的第一透镜组件，以及凸面朝向目标物1的第二透镜组件；第一透镜组件41用于将信号发射子模块22发出的激光整形为平行光发射至目标物1；第二透镜组件42用于将目标物1反射回来的激光整形为平行光发射至信号接收子模块23。
本发明实施例通过第一透镜组件41将信号发射子模块22发射出的发散光整形为平行光，使得绝大多数光能够照射至目标物1，且提高了由目标物1反射回来的激光的比例；通过第二透镜组件42将由目标物1反射回来的激光整形为平行光发射至信号接收子模块23，反射回来的大部分激光能够被信号接收子模块23所接收，有效提高了激光的利用率，同时降低了该基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的功率，降低了功耗。
本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，第一透镜组件在主板21上的正投影与信号发射子模块22在主板21上的正投影重合，第二透镜组件在主板21上的正投影与信号接收子模块23在主板21上的正投影重合。
即，第一透镜组件41与信号发射子模块22在位置上相对应，第二透镜组件42与信号接收子模块23在位置上相对应。由此，进一步保证出射的激光可经由第一透镜组件41进行光路调整，显著提高了出射光的准直方向性和发光效率密度，且进一步保证反射回来的激光可经由第二透镜组件42进行光路调整，增加了反射光进入信号接收子模块23的几率，光学强度和灵敏度。
同时，也避免了环境杂散光对探测过程带来的干扰和噪声，提高了该基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的抗干扰能力。
作为一种可选实施方式，本实施例中，第一透镜组件41和第二透镜组件42均为微透镜阵列。
作为一种可选实施方式，本实施例中，激光信号的波长大于等于1400nm。根据人眼生理和光学结构的研究发现，波长大于等于1400nm的光无法透射至视网膜中，即使采用较高的功率输出也不会对人眼造成伤害。因此使用波长大于等于1400nm的长波长信号发射模块作为激光光源，可实现更远的探测距离，更高的分辨率和安全性。
具体地，本实施例中，激光信号的波长优选为1550nm。这是由于1550nm波长的激光是自由空间光通讯(FSO)的重要光源，其在空气中可长距离传播，有利于消除恶劣气候的影响，以及避免对人眼造成伤害。
本实施例中，该基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统还包括控制模块6和时序模块7。其中，控制模块6和时序模块7均与信号发射子模块22连接，时序模块7用于产生时序脉冲信号，控制模块6根据时序脉冲信号控制信号发射模块产生皮秒级脉冲激光信号，照射至目标物1上。
作为一种可选实施方式，本实施例中，控制模块6和时序模块7均集成于信号发射子模块22和信号接收子模块23所在的主板21上。
本实施例中，数据处理模块3包括信号转换子模块、数据处理子模块32、图像生成模块33以及输出模块。
其中，信号转换子模块与信号接收子模块23连接，用于将接收到的目标物1反射回来的激光信号转换为电信号。数据处理子模块32与信号转换子模块连接，用于对信号转换子模块获得的电信号进行处理，进而获得目标物1或人脸的形状。
图像生成模块33与数据处理子模块32连接，并依据数据处理子模块32的分析结果生成图像信号，图像信号可以为三维图像或二维图像等。输出模块与图像生成模块33连接，用于输出图像生成模块33生成的图像信号至终端，终端可以为手机、平板电脑、车载电视等各类移动显示终端。
作为一种可选实施方式，本实施例中，信号转换子模块、数据处理子模块32、图像生成模块33以及输出模块均集成于信号发射子模块22和信号接收子模块23所在的主板21上。由此，有效提高了本发明实施例提供的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统的集成度。
作为可替换实施方式，本实施例中，信号转换子模块、数据处理子模块32、图像生成模块33以及输出模块不全集成于信号发射子模块22和信号接收子模块23所在的主板21上。例如，图像生成模块33可以独立于主板21设置，或者信号转换子模块独立于主板21设置等，均属于本发明的保护范围。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，其特征在于，包括：
信号发射子模块，用于在第一条件下，发射激光信号至目标物；
信号接收子模块，用于在第二条件下，接收所述目标物反射回来的激光信号；
光路调节模块，分别与所述信号发射子模块、所述信号接收子模块连接，设置于所述激光信号所在光路上，用于将所述信号发射子模块发出的激光整形为平行光发射至所述目标物，以及用于将所述目标物反射回来的激光整形为平行光发射至所述信号接收子模块；
数据处理模块，与所述信号接收子模块连接，用于对所述目标物反射回来的激光信号进行分析处理；
其中，所述信号发射子模块和所述信号接收子模块均为垂直腔面发射激光器VCSEL阵列，且所述信号发射子模块和所述信号接收子模块集成于同一块主板上；
所述数据处理模块包括信号转换子模块以及数据处理子模块，所述信号转换子模块与所述信号接收子模块连接，所述数据处理子模块与所述信号转换子模块连接；所述信号转换子模块用于将接收到的所述目标物反射回来的激光信号转换为电信号；所述数据处理子模块用于对所述信号转换子模块获得的电信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，其特征在于，所述第一条件为施加正向偏压；所述第二条件为施加反向偏压。
3.根据权利要求2所述的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，其特征在于，所述信号接收子模块以所述信号发射子模块为中心，分布于所述信号发射子模块的四周。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，其特征在于，所述信号发射子模块对应的垂直腔面发射激光器与所述信号接收子模块对应的垂直腔面发射激光器均包括叠层设置的缓冲层、下分布反馈布拉格反射镜、有源层、氧化层、上分布反馈布拉格反射镜以及接触层，所述有源层包括叠层设置的下限制层、量子阱层以及上限制层。
5.根据权利要求1-3任一项所述的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，其特征在于，所述信号发射子模块对应的垂直腔面发射激光器包括叠层设置的缓冲层、下分布反馈布拉格反射镜、有源层、氧化层、上分布反馈布拉格反射镜以及接触层，所述有源层包括叠层设置的下限制层、量子阱层以及上限制层；
所述信号接收子模块对应的垂直腔面发射激光器包括叠层设置的缓冲层、下分布反馈布拉格反射镜、有源层、上分布反馈布拉格反射镜以及接触层，所述有源层包括叠层设置的下限制层、量子阱层以及上限制层。
6.根据权利要求4所述的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，其特征在于，所述信号发射子模块对应的垂直腔面发射激光器的正负极分别位于接触层和缓冲层上；
所述信号接收子模块对应的垂直腔面发射激光器的正负极分别位于缓冲层和上限制层上；或者所述信号接收子模块对应的垂直腔面发射激光器的正负极分别位于下限制层和上限制层上。
7.根据权利要求1-3任一项所述的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，其特征在于，所述光路调节模块包括凸面朝向所述信号发射子模块的第一透镜组件，以及凸面朝向所述目标物的第二透镜组件；
所述第一透镜组件用于将所述信号发射子模块发出的激光整形为平行光发射至所述目标物；所述第二透镜组件用于将所述目标物反射回来的激光整形为平行光发射至所述信号接收子模块。
8.根据权利要求7所述的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，其特征在于，所述第一透镜组件在所述主板上的正投影与所述信号发射子模块在所述主板上的正投影重合，所述第二透镜组件在所述主板上的正投影与所述信号接收子模块在所述主板上的正投影重合。
9.根据权利要求8所述的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，其特征在于，所述第一透镜组件和所述第二透镜组件均为微透镜阵列。
10.根据权利要求9所述的基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统，其特征在于，所述激光信号的波长大于等于1400nm。
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| CN112869726A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-06-01 | 苏州亮芯光电科技有限公司 | 基于逆向光通信的健康检测装置 |
| CN115046500B (zh) * | 2022-04-26 | 2023-03-21 | 深圳市深视智能科技有限公司 | 平行度测量探头及测量装置 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5912913A (en) * | 1995-12-27 | 1999-06-15 | Hitachi, Ltd. | Vertical cavity surface emitting laser, optical transmitter-receiver module using the laser, and parallel processing system using the laser |
| KR20040022675A (ko) * | 2002-09-09 | 2004-03-16 | 주식회사 아이텍 테크널러지 | 광 백플레인 고속 병렬 통신을 위한 수직 공동 방출레이저 송신기 어레이 모듈 및 광 검출기 어레이 모듈을갖는 광송수신장치 |
| CN1530680A (zh) * | 2003-03-14 | 2004-09-22 | 中国科学院半导体研究所 | 垂直腔面发射激光器的光收发一体模块 |
| CN1960090A (zh) * | 2006-10-10 | 2007-05-09 | 李奕权 | 多有源层垂直腔面激光器 |
| CN101510665A (zh) * | 2008-02-13 | 2009-08-19 | 富士施乐株式会社 | 激光器、模块、光传输装置和系统、光通信装置和系统 |
| CN102709808A (zh) * | 2012-05-29 | 2012-10-03 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构 |
| CN107703515A (zh) * | 2017-09-19 | 2018-02-16 | 深圳市镭神智能系统有限公司 | 一种激光雷达光路系统 |
| CN107991743A (zh) * | 2018-01-11 | 2018-05-04 | 绍兴柯芯光电技术有限公司 | 一种集成plc平面波导型器件的光收发模块 |
| CN107994459A (zh) * | 2017-12-30 | 2018-05-04 | 北京工业大学 | 输出相干激光的激光器阵列 |
| CN208596229U (zh) * | 2018-07-18 | 2019-03-12 | 度亘激光技术（苏州）有限公司 | 一种基于垂直腔面发射激光器阵列的三维感测系统 |
-
2018
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Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5912913A (en) * | 1995-12-27 | 1999-06-15 | Hitachi, Ltd. | Vertical cavity surface emitting laser, optical transmitter-receiver module using the laser, and parallel processing system using the laser |
| KR20040022675A (ko) * | 2002-09-09 | 2004-03-16 | 주식회사 아이텍 테크널러지 | 광 백플레인 고속 병렬 통신을 위한 수직 공동 방출레이저 송신기 어레이 모듈 및 광 검출기 어레이 모듈을갖는 광송수신장치 |
| CN1530680A (zh) * | 2003-03-14 | 2004-09-22 | 中国科学院半导体研究所 | 垂直腔面发射激光器的光收发一体模块 |
| CN1960090A (zh) * | 2006-10-10 | 2007-05-09 | 李奕权 | 多有源层垂直腔面激光器 |
| CN101510665A (zh) * | 2008-02-13 | 2009-08-19 | 富士施乐株式会社 | 激光器、模块、光传输装置和系统、光通信装置和系统 |
| CN102709808A (zh) * | 2012-05-29 | 2012-10-03 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构 |
| CN107703515A (zh) * | 2017-09-19 | 2018-02-16 | 深圳市镭神智能系统有限公司 | 一种激光雷达光路系统 |
| CN107994459A (zh) * | 2017-12-30 | 2018-05-04 | 北京工业大学 | 输出相干激光的激光器阵列 |
| CN107991743A (zh) * | 2018-01-11 | 2018-05-04 | 绍兴柯芯光电技术有限公司 | 一种集成plc平面波导型器件的光收发模块 |
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