CN110445012A - 发光模块、其制备方法以及具有其的深度探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发光模块、其制备方法以及具有其的深度探测装置。发光模块包括：第一衬底结构，第一衬底结构具有第一出光面，第一衬底结构靠近第一出光面的一侧具有激光器结构；第二衬底结构，与第一出光面接触设置，第二衬底结构具有贯穿至第一出光面的光通道；第三衬底结构，设置于第二衬底结构远离第一出光面的一侧，第三衬底结构具有远离第二衬底结构的第二出光面，第三衬底结构靠近第二出光面的一侧具有微透镜结构，微透镜结构与光通道在第二出光面上的投影至少部分重叠。本发明利用上述第二衬底结构能够精确控制激光器与光扩散片之间的空气间隔，以便达到预设的光扩散参数指标。

Description

发光模块、其制备方法以及具有其的深度探测装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种发光模块、其制备方法以及具有其的深度探测装置。

背景技术

飞行时间(Time Of Flight,TOF)深度相机可以获取目标的深度信息，在TOF这类需要以主动发光形式来进行深度探测的深度成像方案中，需要一个发光模块将红外光投射到场景中，之后通过该投射光的反射光来测量场景中的深度信息。

在发光模块中，一般应包括发射准直光的VCSEL激光器和用于将VCSEL激光器发射的准直光扩散为面光源的光扩散片。VCSEL激光器和光扩散片之间的距离需要被精确的控制，以便达到预设的光扩散参数指标。VCSEL激光器和光扩散片还需要粘合在一起，由于胶水性质以及器件硬度方面的限制，对工艺的可靠性方面也提出了更高要求。为了提升量产良率，有必要提供一种更高效的发光模块及其工艺。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种发光模块、其制备方法以及具有其的深度探测装置，以解决现有技术中发光模块由于胶水性质导致器件可靠性降低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种发光模块，包括：第一衬底结构，第一衬底结构具有第一出光面，第一衬底结构靠近第一出光面的一侧具有激光器结构；第二衬底结构，与第一出光面接触设置，第二衬底结构具有贯穿至第一出光面的光通道；第三衬底结构，设置于第二衬底结构远离第一出光面的一侧，第三衬底结构具有远离第二衬底结构的第二出光面，第三衬底结构靠近第二出光面的一侧具有微透镜结构，微透镜结构与光通道在第二出光面上的投影至少部分重叠。

进一步地，微透镜结构包括多个微透镜单元，各微透镜单元由光学有效区域和光学无效区域组成，光学无效区域环绕光学有效区域，光通道有多个，且与微透镜单元一一对应。

进一步地，光通道由通孔区域和非通孔区域组成，非通孔区域210环绕通孔区域，各光学有效区域的横截面积小于通孔区域的横截面积。

进一步地，激光器结构包括阵列排布的多个激光器芯片，激光器芯片通过光通道与微透镜单元一一对应设置。

进一步地，各激光器芯片由发光区域和非发光区域组成，发光区域与通孔区域在第二出光面上的投影重叠。

进一步地，第一衬底结构与第二衬底结构键合连接，第二衬底结构与第三衬底结构键合连接。

进一步地，第三衬底结构包括层叠的树脂层和玻璃层，树脂层具有微透镜结构。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述的发光模块的制备方法，包括以下步骤：在第一衬底上形成激光器结构，以得到第一衬底结构，第一衬底结构具有激光器结构的一侧具有第一出光面；在第二衬底中形成贯穿至激光器结构的光通道，以得到第二衬底结构；在第三衬底的一侧形成微透镜结构，以得到第三衬底结构，第三衬底结构具有微透镜结构的一侧具有第二出光面；将第一衬底结构、第二衬底结构和第三衬底结构顺序层叠，以使第二衬底结构与第一出光面接触设置，第二出光面位于第三衬底结构远离第二衬底结构的一侧，且微透镜结构与光通道在第二出光面上的投影至少部分重叠。

进一步地，采用键合工艺将第一衬底结构、第二衬底结构和第三衬底结构键合，以得到键合结构，在得到键合结构之后，制备方法还包括将以下步骤：将键合结构切割，以得到多个发光模块。

根据本发明的另一方面，还提供了一种深度探测装置，包括：上述的发光模块，用于朝目标物体发射激光；以及相机模组，用于接收经目标物体反射后的激光。

应用本发明的技术方案，提供了一种发光模块，包括顺序层叠的第一衬底结构、第二衬底结构和第三衬底结构，上述第一衬底结构的一侧具有激光器结构，上述第三衬底结构的一侧具有微透镜结构，作为光扩散片，上述第二衬底结构中具有连通第一衬底结构和第三衬底结构的通孔，本发明利用上述第二衬底结构能够精确控制激光器与光扩散片之间的空气间隔，以便达到预设的光扩散参数指标。同时，上述第二衬底结构还能够避免第一衬底结构与第三衬底结构直接粘合而导致的对器件性能的影响，从而提高了器件的可靠性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本申请的一种实施例的发光模块的剖面结构示意图；

图2示出了根据本申请的一种实施例的第一衬底结构的俯视结构示意图；

图3示出了根据本申请的一种实施例的第二衬底结构的俯视结构示意图；

图4示出了根据本申请的一种实施例的第三衬底结构的俯视结构示意图；

图5示出了根据本申请的一种实施例的发光模块中树脂层的剖面结构示意图；

图6示出了根据本申请的一种实施例的发光模块中包括顺序层叠的树脂层、胶粘层和玻璃层的第三衬底结构的剖面结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、第一衬底结构；11、激光器芯片；110、非发光区域；111、发光区域；20、第二衬底结构；21、光通道；210、非通孔区域；211、通孔区域；30、第三衬底结构；31、微透镜单元；310、光学无效区域；311、光学有效区域；3110、树脂层；3111、胶粘层；3112、玻璃层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。

正如背景技术所介绍的，现有技术中为了提升量产良率，有必要提供一种更高效的发光模块及其工艺。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种发光模块、其制备方法以及具有其的深度探测装置。

本申请的第一实施例中，提供了一种发光模块，如图1至图4所示，该发光模块包括：

第一衬底结构10，第一衬底结构10具有第一出光面，第一衬底结构10靠近第一出光面的一侧具有激光器结构；

第二衬底结构20，与第一出光面接触设置，第二衬底结构20具有贯穿至第一出光面的光通道21；

第三衬底结构30，设置于第二衬底结构20远离第一出光面的一侧，第三衬底结构30具有远离第二衬底结构20的第二出光面，第三衬底结构30靠近第二出光面的一侧具有微透镜结构，微透镜结构与光通道21在第二出光面上的投影至少部分重叠。

上述发光模块中，第一衬底结构上设置有激光器结构，第三衬底结构构成光扩散片，从而利用上述第二衬底结构能够精确控制激光器与光扩散片之间的空气间隔，以便达到预设的光扩散参数指标。同时，上述第二衬底结构还能够避免第一衬底结构与第三衬底结构直接粘合而导致的对器件性能的影响，从而提高了器件的可靠性。

在上述实施例中，微透镜结构可以具有微纳米尺度特征的各种形状的凸起或凹陷，如半球形、方形、圆盘形、三角形、多边形或者不规则形状。微透镜可以是二维阵列，也可以是二维阵列的堆叠的三维阵列，还可以是完全随机的排列。

本申请的第二实施例中，如图4所示，微透镜结构包括多个微透镜单元31，各微透镜单元31由光学有效区域311和光学无效区域310组成，光通道21有多个，且与微透镜单元31一一对应。经过上述微透镜单元31中光学有效区域311的光能够被扩散，而经过上述微透镜单元31中的光学无效区域310的光的路径不会发生变化。并且，本领域技术人员可以根据实际需求对上述微透镜单元31和光通道21的数量进行合理选择。

本申请的第三实施例中，如图3所示，光通道21由通孔区域211和非通孔区域210组成，非通孔区域210环绕通孔区域211，各微透镜单元31中的光学有效区域311的横截面积小于第二衬底结构20中光通道21的横截面积。上述通孔区域211是指光通道21中光能够通过的区域，上述非通孔区域210是指光通道21中光无法通过的区域，如指光通道21中用于构成通孔区域211的侧壁。

在上述实施例中，光学有效区域311与应于光通道21对应，通过使上述光学有效区域311的横截面积小于光通道21的横截面积，能够以减少制作成本，也更加容易进行第二衬底结构20与第三衬底结构30的校准和对齐。

本申请的第四实施例中，第一衬底结构10中的激光器结构为VCSEL激光器。VCSEL激光器即为垂直腔面发射激光器，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小易大面积集成等优点。

本申请的第五实施例中，如图2所示，激光器结构包括阵列排布的多个激光器芯片11，激光器芯片11通过光通道21与微透镜单元31一一对应设置。上述激光器芯片11构成激光器阵列，从而提高了激光器结构的输出功率。

本申请的第六实施例中，如图2所示，各激光器芯片11由发光区域111和非发光区域110组成，发光区域111与光通道21中的通孔区域211在第二出光面上的投影重叠。通过使上述发光区域111与上述通孔区域211的投影重叠，保证了来自激光器结构的激光全部进入到通孔区域211中。

本申请的第七实施例中，第一衬底结构10与第二衬底结构20键合连接，第二衬底结构20与第三衬底结构30键合连接。通过键合连接的方式能够增强衬底之间粘合的可靠性。本领域技术人员也可以根据现有技术对上述键合工艺进行合理设定，在此不再赘述。需要注意的是，本领域技术人员也可以采用现有技术中的其它工艺实现第一衬底结构10与第二衬底结构20以及第二衬底结构20与第三衬底结构30之间的固定连接。

本申请的第八实施例中，如图5和图6所示，第三衬底结构30包括层叠的树脂层3110和玻璃层3112，树脂层3110具有微透镜结构。利用树脂制造微透镜结构可以降低工艺成本，上述微透镜结构可以形成于树脂层3110的远离玻璃层3112的一侧表面。

本申请的第九实施例中，第三衬底结构30包括相互交替层叠的多个树脂层3110和多个玻璃层3112，树脂层3110具有微透镜结构。上述树脂层3110和玻璃层3112构成的多层结构能够在提高量产性的同时加强推脱力。

本申请的第十实施例中，如图6所示，第三衬底结构30还包括胶粘层3111，胶粘层3111位于树脂层3110与玻璃层3112之间，起到将两者固定连接的作用。上述胶粘层3111可以通过紫外固化胶固化后形成，用于使树脂层3110与玻璃层3112的结合更加简单，有利于器件的量产。

本申请的第十一实施例中，提供了一种上述发光模块的制备方法，包括以下步骤：

在第一衬底上形成激光器结构，以得到第一衬底结构10，第一衬底结构10具有激光器结构的一侧具有第一出光面；

在第二衬底中形成贯穿至激光器结构的光通道21，以得到第二衬底结构20；

在第三衬底的一侧形成微透镜结构，以得到第三衬底结构30，第三衬底结构30具有微透镜结构的一侧具有第二出光面；

将第一衬底结构10、第二衬底结构20和第三衬底结构30顺序层叠，以使第二衬底结构20与第一出光面接触设置，第二出光面位于第三衬底结构30远离第二衬底结构20的一侧，且微透镜结构与光通道21在第二出光面上的投影至少部分重叠。

上述制备方法中，第一衬底上形成有激光器结构，第三衬底表面形成微透镜结构作为光扩散片，从而利用上述形成的第二衬底结构能够精确控制激光器与光扩散片之间的空气间隔，以便达到预设的光扩散参数指标。同时，上述第二衬底还能够避免第一衬底与第三衬底直接粘合而导致的对器件性能的影响，从而提高了器件的可靠性。

本申请的第十二实施例中，第一衬底为半导体材料层，例如，硅、锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓、硫化锌等。本领域技术人员可以根据实际需求对上述第一衬底的种类进行合理选取。

本申请的第十三实施例中，第二衬底为玻璃。需要注意的是，上述第二衬底可以为能够实现透光的其它透明材料种类。

本申请的第十四实施例中，采用灰度光刻、电铸和纳米压印中的任一种工艺形成第三衬底结构30中的微透镜结构。上述制造工艺能够提高微透镜结构的工艺效率，需要注意的是，本领域技术人员也可以采用现有技术中其他形成上述微透镜结构的制造工艺。

本申请的第十五实施例中，第三衬底为玻璃。需要注意的是，上述第三衬底可以为能够实现透光的其它透明材料种类。

本申请的第十六实施例中，通过注塑工艺在玻璃层3112上形成具有微透镜结构的树脂层3110。由于相比于上述提到的纳米压印、灰度光刻和电铸等工艺，注塑工艺不仅生产效率更高，而且成本可大幅降低，因此使用注塑工艺制作具有微透镜结构的树脂层3110对量产非常有益。

在上述实施例中，由于注塑工艺对于材料的限制较大，目前只能将结构制作在适合注塑的树脂材料上，而树脂材料在可靠性方面，刚度方面不如玻璃基底的光学器件，因此通过将注塑制作的树脂层3110和玻璃层3112组合，一方面利用注塑工艺解决了更高效率生产的问题，另一方面玻璃基底材料保证了匀光片器件的可靠性及硬度指标。

本申请的第十七实施例中，将玻璃层3112与第二衬底结构20键合，然后通过紫外光固化紫外固化胶，以将具有微透镜结构的树脂层3110粘合到玻璃层3112上，以得到第三衬底结构30。需要注意的是，也可以采用红外固化胶或热固化胶等其它种类的胶黏剂实现树脂层3110与玻璃层3112之间的固定连接。

本申请的第十八实施例中，上述玻璃层3112为第二衬底结构20的一部分。此时，可以通过在第二衬底结构20上设置具有微透镜结构的树脂层3110，以得到具有光扩散作用的第三衬底结构30。

本申请的第十九实施例中，采用键合工艺将第一衬底结构10、第二衬底结构20和第三衬底结构30键合，以得到键合结构，在得到键合结构之后，制备方法还包括将以下步骤：将键合结构切割，以得到多个发光模块。通过先整版组立之后再进行切割，能够提高量产效率。

本申请的第二十实施例中，提供了一种深度探测装置，包括：

上述的发光模块，用于朝目标物体发射激光；以及

相机模组，用于接收经目标物体反射后的激光。

深度探测装置(TOF)包括发射端模组和接收端模组，在上述深度探测装置中，发光模块中的第一衬底结构具有激光器结构，第三衬底结构具有微透镜结构作为光扩散片，激光器结构与光扩散片作为发射端模组，相机模组即为接收端模组，利用第二衬底结构能够精确控制激光器与光扩散片之间的空气间隔，以便达到预设的光扩散参数指标。同时，上述第二衬底结构还能够避免发光模块中第一衬底结构与第三衬底结构直接粘合而导致的对器件性能的影响，从而提高了器件的可靠性。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

上述第一衬底结构的一侧具有激光器结构，上述第三衬底结构的一侧具有微透镜结构，作为光扩散片，上述第二衬底结构中具有连通第一衬底结构和第三衬底结构的通孔，本发明利用上述第二衬底结构能够精确控制激光器与光扩散片之间的空气间隔，以便达到预设的光扩散参数指标。同时，上述第二衬底结构还能够避免第一衬底结构与第三衬底结构直接粘合而导致的对器件性能的影响，从而提高了器件的可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发光模块，其特征在于，包括：

第一衬底结构(10)，所述第一衬底结构(10)具有第一出光面，所述第一衬底结构(10)靠近所述第一出光面的一侧具有激光器结构；

第二衬底结构(20)，与所述第一出光面接触设置，所述第二衬底结构(20)具有贯穿至所述第一出光面的光通道(21)；

第三衬底结构(30)，设置于所述第二衬底结构(20)远离所述第一出光面的一侧，所述第三衬底结构(30)具有远离所述第二衬底结构(20)的第二出光面，所述第三衬底结构(30)靠近所述第二出光面的一侧具有微透镜结构，所述微透镜结构与所述光通道(21)在所述第二出光面上的投影至少部分重叠。

2.根据权利要求1所述的发光模块，其特征在于，所述微透镜结构包括多个微透镜单元(31)，各所述微透镜单元(31)由光学有效区域(311)和光学无效区域(310)组成，所述光学无效区域(310)环绕所述光学有效区域(311)，所述光通道(21)有多个，且与所述微透镜单元(31)一一对应。

3.根据权利要求2所述的发光模块，其特征在于，所述光通道(21)由通孔区域(211)和非通孔区域(210)组成，所述非通孔区域210环绕所述通孔区域(211)，各所述光学有效区域(311)的横截面积小于所述通孔区域(211)的横截面积。

4.根据权利要求3所述的发光模块，其特征在于，所述激光器结构包括阵列排布的多个激光器芯片(11)，所述激光器芯片(11)通过所述光通道(21)与所述微透镜单元(31)一一对应设置。

5.根据权利要求4所述的发光模块，其特征在于，各所述所述激光器芯片(11)由发光区域(111)和非发光区域(110)组成，所述发光区域(111)与所述通孔区域(211)在所述第二出光面上的投影重叠。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的发光模块，其特征在于，所述第一衬底结构(10)与所述第二衬底结构(20)键合连接，所述第二衬底结构(20)与所述第三衬底结构(30)键合连接。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的发光模块，其特征在于，所述第三衬底结构(30)包括层叠的树脂层(3110)和玻璃层(3112)，所述树脂层(3110)具有所述微透镜结构。

8.一种权利要求1至7中任一项所述的发光模块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在第一衬底上形成激光器结构，以得到第一衬底结构(10)，所述第一衬底结构(10)具有所述激光器结构的一侧具有第一出光面；

在第二衬底中形成贯穿至所述激光器结构的光通道(21)，以得到第二衬底结构(20)；

在第三衬底的一侧形成微透镜结构，以得到第三衬底结构(30)，所述第三衬底结构(30)具有微透镜结构的一侧具有第二出光面；

将所述第一衬底结构(10)、所述第二衬底结构(20)和所述第三衬底结构(30)顺序层叠，以使所述第二衬底结构(20)与所述第一出光面接触设置，所述第二出光面位于所述第三衬底结构(30)远离所述第二衬底结构(20)的一侧，且所述微透镜结构与所述光通道(21)在所述第二出光面上的投影至少部分重叠。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，采用键合工艺将所述第一衬底结构(10)、所述第二衬底结构(20)和所述第三衬底结构(30)键合，以得到键合结构，在得到所述键合结构之后，所述制备方法还包括将以下步骤：

将所述键合结构切割，以得到多个所述发光模块。

10.一种深度探测装置，其特征在于，包括：

权利要求1至7中任一项所述的发光模块，用于朝目标物体发射激光；以及

相机模组，用于接收经所述目标物体反射后的激光。