CN110620330A - 一种用于控制vcsel阵列产生均匀的平顶远场的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于控制VCSEL阵列产生均匀的平顶远场的方法，通过执行该方法，能够使得相对于传统的VCSEL阵列，在不需要设置漫射器等光学元件的条件下即可很容易地实现均匀的平顶远场，从而在良好满足TOF测量，以及实现一个VCSEL芯片可控的出现多种远场形状，以使用于不同的应用场景等需要的同时，显著降低了阵列及相应的模组成本，并具有了现有技术中所不具备的诸多有益效果。

Description

一种用于控制VCSEL阵列产生均匀的平顶远场的方法
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器（VCSEL）技术领域，尤其涉及一种控制无透镜VCSEL单元产生均匀的平顶远场的方法。
背景技术
目前，在众多智能设备比如智能手机中，对平顶红外照明（IR）投影模组具有巨大的市场需求，该模组在TOF测量、安全摄像设备等具体应用中发挥着至关重要的作用，垂直腔面发射激光器（VCSEL）则是平顶红外照明投影模组中最为核心的器件。
现有的平顶红外照明投影模组在结构上通常包括VCSEL阵列与诸如漫射器（diffuser）等光学器件的组合。典型的VCSEL阵列的发射孔径通常为矩形或圆形，通过现有的一些控制方法得到的空间光分布（远场）通常为高斯形或者是环形的，这种远场是非均匀的，无法满足TOF测量等的需要，因此需要通过漫射器将这些形状改变为矩形或圆形的平顶强度分布（flat-top far field），即均匀的光强分布。上述现有的模组结构，由于漫射器等光学器件的设置，一方面对各组成部件之间装配的精密性具有及其严苛的要求，提高了结构和生产过程的复杂程度，同时为了支持这种光学系统，还需要具有侧壁的硬框架来支撑VCSEL阵列和光学元件，以在两个部件之间提供最小间距（通常为0.3-0.5mm），模组的总厚度通常接近1毫米，也最终导致其所具体应用的手机等设备的厚度和体积难以进一步降低。此外，在很多应用领域如安保摄像领域中，需要集成TOF、红外光局部特写以及全场照明等不同应用，这些应用在通常情况下需要采用各自不同的VCSEL模组来实现。因此，如何提供一种在不依赖漫射器等光学器件的条件下仍能生成均匀的远场的VCSEL阵列控制方法，并适用于不同的应用场景，从而显著降低IR模组及其所应用的设备成本，是本领域中亟待解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种用于控制VCSEL阵列产生均匀的平顶远场的方法，所述方法包括：
对包含多个VCSEL单元的VCSEL阵列上不同区域的VCSEL单元，施加不同强度的电流，用于使各区域的光场相互叠加产生均匀的平顶远场；
由于给定发光孔，电流密度越大，观察到的远场发散角越大，本发明基于这种思想，通过使不同区域所产生的具有环状或高斯分布的远场进行叠加，能够实现较为均匀的平顶远场分布；
由于在一定电流密度范围内，电流密度越大，远场的强度也越大，发散角也越大，因此通过对具有不同形状和/或尺寸的发光孔的VCSEL单元设置不同的电流密度，可以调节叠加后的远场的均匀性，能够实现较为均匀的平顶远场分布。
进一步地，所述VCSEL单元的发光孔具有相同的形状和/或尺寸。
进一步地，所述VCSEL单元的发光孔包括不同的形状和/或尺寸的组合。
通过给定相同的电流密度，存在发光孔越小，远场散射角越小的关系。
因此，进一步地，所述VCSEL单元设置为分别具有不同的电流，所述不同施加电流包括不同电流密度，或者不同频率和/或占空比和/或相位的脉冲电流。
其中，在不同的电流密度下，相同尺寸的孔径尺寸可以产生不同的远场分布。以一定的数量比例对它们进行叠加可以产生圆形平顶照明场。
进一步地，对于每个不同的电流密度，具体为将单独的电流注入接触区以允许用不同的电流密度注入电流。
进一步地，所述VCSEL单元采用并联、串联或者单独控制的形式。
本发明所提供的方法，相对于传统的VCSEL阵列，能够在不需要设置漫射器等光学元件的情况下即可很容易地实现均匀的平顶远场，从而显著降低了阵列及相应的模组成本。同时，由于漫射器的取消，相应的侧壁柱与漫射器盖等部件也得以省略，使得模组厚度可由原来的约1.5mm降低至0.5mm。
附图说明
图1具有不同电流密度大小的两个圆形孔径发光器的远场叠加。
图2是电流密度、发光孔和发散角间关系的原理。
图3是具有不同电流密度大小的三种不同形状和大小发光孔的VCSEL阵列的远场叠加。
图4是几种对VCSEL阵列的两个区域（区域A和区域B）用不同脉冲电流进行时域调制方法。
具体实施方式
下面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它实施例，都属于本发明保护范围。
本发明提供了一种不需要设置漫射器（diffuser）的控制VCSEL阵列产生均匀的平顶远场的方法，所述方法包括：
对包含多个VCSEL单元的VCSEL阵列上不同区域的VCSEL单元，施加不同强度的电流，用于使各区域的光场相互叠加产生均匀的平顶远场
图1中示出了本发明的一个优选实施方式，具有不同电流密度大小的两个圆形孔径发光器的远场叠加产生的远场分布。较大电流密度为J1，较小电流为J2，J1有序排列在左侧，J2有序排列在右侧。可见单个VCSEL单元的远场呈环状或高斯分布等非均匀的形式，而在阵列中以一定的数量比例对它们进叠加产生的远场分布则较为均匀。通过对VCSEL单元的比例和排列进行设计，可以看出实现了优选的圆形平顶远场分布。
如图2所示出了本发明的技术方案所基于的一种原理，能够看出给定相同的电流密度，发光孔越小，实验观察到的远场发散角越小。给定发光孔，电流密度越大，实验观察到的远场发散角越大。
如图3所示给出本发明的另一种优选实施方式，具有不同电流密度大小的三种不同发光孔形状和尺寸的发光器的远场叠加产生的远场分布。较大电流密度为J1，较小电流密度为J3，而J2介于J1和J3之间。J1，J2和J3分别有序排列在左侧，中间和右侧。可见单个VCSEL单元的远场呈内部凹陷的矩形或类高斯椭圆形分布等非均匀的形式，而在阵列中以一定的数量比例对它们进叠加产生的远场分布则较为均匀。通过对VCSEL单元的比例和排列进行设计，可以看出实现了优选的矩形平顶远场分布。
如图4所示给出一种远场时域控制方法，比如两个同相位成倍数频率的脉冲,如图4(a)所示，会出现一部分周期性的交叠，交叠时是平顶远场分布，单元独立点亮时是其他远场形状，这样可以实现平顶和其他形状远场（比如类高斯分布）的交替出现。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于控制VCSEL阵列产生均匀的平顶远场的方法，其特征在于：
对包括多个VCSEL单元的VCSEL阵列上不同区域的VCSEL单元，施加不同电流使得各区域的光场相互叠加，从而产生均匀的平顶远场并实现VCSEL阵列的光场在时域上发生的变化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述施加不同电流包括施加不同的电流密度，或者不同频率和/或占空比和/或相位的脉冲电流。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述VCSEL单元的发光孔具有相同的形状和/或尺寸。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述VCSEL单元的发光孔包括不同的形状和/或尺寸的组合。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：对于每个不同的电流密度，具体为将单独的电流注入接触区以允许用不同的电流密度注入电流。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述VCSEL单元采用并联、串联或者单独控制的形式。
7.如前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于：通过对欲施加不同电流的所述VCSEL单元的排列和比例进行调整，以用于实现不同形状的平顶远场。
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