CN111491444B - 一种测距传感器发射模组以及测距传感器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种测距传感器发射模组以及测距传感器，测距传感器发射模组包括：印刷电路板；边缘发射激光器，固定于所述印刷电路板，与所述印刷电路板电连接，被配置为在所述印刷电路板的驱动下出射激光光束；自由曲面反射镜，固定于所述印刷电路板，位于所述边缘发射激光器的出射光路上，被配置为改变所述边缘发射激光器出射的激光光束的方向、发射角和形状。本发明实施例提供一种测距传感器发射模组以及测距传感器，以实现简化测距传感器的封装结构、工艺，降低成本，并降低测距传感器的厚度。

Description

一种测距传感器发射模组以及测距传感器

技术领域

本发明涉及激光技术，尤其涉及一种测距传感器发射模组以及测距传感器。

背景技术

随着光学测量以及计算机视觉的发展，光学三维测量技术逐渐成熟，已逐渐出现在手机等消费类电子行业，安防和监控，机器人，医疗和生物等领域中，也成为当前测量领域中的热点。

T0F(Time-Of-Flight，飞行时间方法)技术是众多三维光学测量技术中较为突出的一种。TOF技术的基本原理是，主动光源发射的光线经被测物体反射后被TOF设备捕获，而后TOF设备根据光线由发出至捕获的时间差或相位差来计算被测物体的距离，以产生深度信息。此外再结合传统的相机拍摄，就可以将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的图形方式呈现出来。

测距传感器中的测距传感器发射模组包括边缘发射激光器(EEL)，边缘发射激光器出射的激光光束沿水平方向投射至45°斜面反射镜后变为垂直方向，然而被偏转后的激光光束的发散角、强度分布不能直接适用于TOF设备(即测距传感器)，因此需要以光学漫射体(diffuser)来调制光斑的形状。这样的设置存在如下不足：

1.这样的封装结构较为复杂，需要反射镜，光学漫反射体和支架，成本较高。

2.为了达到良好的光束整形效果，光学漫反射体与边缘发射激光器之间需要有一定的间距，使得TOF设备的整体厚度较大。

发明内容

本发明实施例提供一种测距传感器发射模组以及测距传感器，以实现简化测距传感器的封装结构、工艺，降低成本，并降低测距传感器的厚度。

本发明实施例提供一种测距传感器发射模组，包括：

印刷电路板；

边缘发射激光器，固定于所述印刷电路板，与所述印刷电路板电连接，被配置为在所述印刷电路板的驱动下出射激光光束；

自由曲面反射镜，固定于所述印刷电路板，位于所述边缘发射激光器的出射光路上，被配置为改变所述边缘发射激光器出射的激光光束的方向、发射角和形状。

可选地，所述自由曲面反射镜的中心与所述印刷电路板的垂直距离大于或者等于所述边缘发射激光器的出光点与所述印刷电路板垂直距离。

可选地，所述自由曲面反射镜朝向所述边缘发射激光器一侧的表面包括凹曲面，所述凹曲面背离所述边缘发射激光器凸起。

可选地，所述自由曲面反射镜被配置为将垂直于所述印刷电路板方向上入射其上的激光光斑偏转90°后出射，以及控制偏转90°后出射激光光斑在目标面具有预设光强度分布和预设光斑形状。

可选地，还包括粘结层，所述自由曲面反射镜通过所述粘结层固定于所述印刷电路板上；

所述粘结层包括紫外固化胶和/或热固胶。

可选地，还包括过渡热沉，所述边缘发射激光器通过所述过渡热沉间接固定于所述印刷电路板上；

所述边缘发射激光器的出光点位于所述过渡热沉的边缘。

可选地，还包括第一导线；

所述过渡热沉包括导电材料；

所述边缘发射激光器包括第一引脚和第二引脚，所述印刷电路板包括第一衬垫和第二衬垫；所述第一引脚通过所述过渡热沉与所述第一衬垫电连接，所述第二引脚通过所述第一导线与所述第二衬垫电连接。

可选地，还包括第二导线和第三导线；

所述过渡热沉包括绝缘材料；

所述边缘发射激光器包括第一引脚和第二引脚，所述印刷电路板包括第一衬垫和第二衬垫；所述第一引脚通过所述第二导线与所述第一衬垫电连接，所述第二引脚通过所述第三导线与所述第二衬垫电连接。

可选地，还包括第一焊料层和第二焊料层；所述边缘发射激光器通过所述第一焊料层焊接于所述过渡热沉上，所述过渡热沉通过所述第二焊料层焊接于所述印刷电路板上。

第二方面，本发明实施例提供一种测距传感器，包括第一方面所述的测距传感器发射模组，以及测距传感器接收模组。

本发明实施例提供的测距传感器发射模组中，自由曲面反射镜位于边缘发射激光器的出射光路上，边缘发射激光器出射的激光光束投射至自由曲面反射镜上，并被自由曲面反射镜反射后出射。由于自由曲面反射镜能够改变边缘发射激光器出射的激光光束的方向、发射角和形状，因此无需专门设置漫反射体等器件，相对于现有设计中采用平面反射镜和漫反射体实现激光光束的方向、发射角和形状的改变而言，使用了更少的器件，简化了测距传感器的封装结构、工艺，降低成本，并降低测距传感器的厚度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种测距传感器发射模组的俯视结构示意图；

图2为沿图1中AA’的剖面结构示意图；

图3为沿图1中BB’的剖面结构示意图；

图4为自由曲面反射镜的设计原理示意图；

图5为入射至自由曲面反射镜的光斑示意图；

图6为被自由曲面反射镜反射后出射的光斑示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种测距传感器发射模组的俯视结构示意图；

图8为沿图7中CC’的剖面结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种测距传感器的俯视结构示意图；

图10为沿图9中DD’的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种测距传感器发射模组的俯视结构示意图，图2为沿图1中AA’的剖面结构示意图，图3为沿图1中BB’的剖面结构示意图，参考图1、图2和图3，测距传感器发射模组包括印刷电路板10、边缘发射激光器20和自由曲面反射镜30。边缘发射激光器20固定于印刷电路板10，与印刷电路板10电连接，被配置为在印刷电路板10的驱动下出射激光光束。自由曲面反射镜30固定于印刷电路板10，位于边缘发射激光器20的出射光路上，被配置为改变边缘发射激光器20出射的激光光束的方向、发射角和形状。

示例性地，在一些可行的实施方式中，印刷电路板10包括用于驱动边缘发射激光器20的驱动电路。在其他一些可行的实施方式中，驱动电路还可以独立于印刷电路板10之外，即驱动电路和印刷电路板10为两个独立的器件。驱动电路与印刷电路板10电连接，并在印刷电路板10的控制下驱动边缘发射激光器20发射激光光束，本发明实施例对此不作限制，具体可以根据产品需求而定。自由曲面反射镜30的反射面为自由曲面。在光学系统中，光学的自由曲面没有严格确切的定义，通常是指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。关于自由曲面反射镜30的设计原理将在后续介绍。自由曲面反射镜30可以位于边缘发射激光器20的出光点201前的一定水平距离处。其中，边缘发射激光器20的出光点201指的是边缘发射激光器20中出射激光光束的位置点。水平方向为平行于印刷电路板10所在平面的方向。

本发明实施例提供的测距传感器发射模组中，自由曲面反射镜30位于边缘发射激光器20的出射光路上，边缘发射激光器20出射的激光光束投射至自由曲面反射镜30上，并被自由曲面反射镜30反射后出射。由于自由曲面反射镜30能够改变边缘发射激光器20出射的激光光束的方向、发射角和形状，因此无需专门设置漫反射体等器件，相对于现有设计中采用平面反射镜和漫反射体实现激光光束的方向、发射角和形状的改变而言，使用了更少的器件，简化了测距传感器的封装结构、工艺，降低成本，并降低测距传感器的厚度。

可选地，参考1、图2和图3，自由曲面反射镜的中心与印刷电路板10的垂直距离大于或者等于边缘发射激光器20的出光点201与印刷电路板10垂直距离，也就是说，自由曲面反射镜的中心81的高度大于或者等于边缘发射激光器20的出光点201的高度。这样设置的优点在于，可以更好地覆盖大部分的边缘发射激光器20出射光斑，以便减少出射光的能量损失。

示例性地，参考图1和图2，自由曲面反射镜的中心81与印刷电路板10的垂直距离等于边缘发射激光器20的出光点201与印刷电路板10垂直距离，自由曲面反射镜的中心81与边缘发射激光器20的出光点201的连线L平行于印刷电路板10。沿连线L的延伸方向上，自由曲面反射镜的中心81与边缘发射激光器20的出光点201之间的距离H满足：H≤1mm。进一步地还可以设置H≤0.5mm，以便保持测距传感器发射模组中结构的紧凑，同时使边缘发射激光器20的出射光斑有适当大小，以便于简化自由曲面反射镜30的设计。

可选地，参考1、图2和图3，自由曲面反射镜30朝向边缘发射激光器20一侧的表面包括凹曲面，凹曲面背离边缘发射激光器20凸起。

可选地，参考图1、图2和图3，自由曲面反射镜30被配置为将垂直于印刷电路板10方向上入射其上的激光光斑偏转90°后出射，以及控制偏转90°后出射激光光斑在目标面具有预设光强度分别和预设光斑形状。示例性地，目标面的光斑在任意两个位置可以具有相同的光强度或者不同的光强度分布。目标面的光斑可以具有矩形、圆形的、椭圆形的或者多边形的形状。

示例性地，参考图1、图2和图3，自由曲面反射镜30使激光光束的传播路径由平行于印刷电路板10所在平面的方向入射至自由曲面反射镜30上，此时，入射至自由曲面反射镜30的激光光束所产生的激光光斑垂直于印刷电路板10。被自由曲面反射镜30反射后的激光光束转变为垂直于印刷电路板10所在平面的方向上传播，此时，被自由曲面反射镜30反射的激光光束所产生的激光光斑平行于印刷电路板10。

可选地，参考图2，测距传感器发射模组还包括粘结层80，粘结层80位于自由曲面反射镜30与印刷电路板10之间，自由曲面反射镜30通过粘结层80固定于印刷电路板10上。粘结层80包括紫外固化胶和/或热固胶。紫外固化胶，又称UV光固化胶，是一种单组份，不含溶剂，UV和可见光固化的粘接胶和密封胶，它可以用各种广泛的光源固化，如点光源、脉冲光源和高密度灯。热固胶为单组份胶拈剂，这种单组份胶拈剂结合了热熔胶和结构胶的特长，固化快，强度高，不含有机溶剂，100％固含量。根据粘度、固化时间以及添加剂的不同，可适用于不同表面的粘接。

示例性地，自由曲面反射镜30可以由树脂、金属、硅或其他易于加工为具有特定自由曲面的材料制备，而后在自由曲面上通过热蒸镀等手段形成高反射金属层，所蒸镀的金属层材料选择对边缘发射激光器20工作波长具有高反射性的材料。

图4为自由曲面反射镜的设计原理示意图，参考图4，将输入光和所需输出光按照空间坐标划分为等能量网格，根据边缘光线理论思想，输入光和输出光的等能量网格建立一一对应关系。对于一组输入光-输出光网格，建立各自四个顶点之间的一一对应关系。对于输入光的等能量网格，其顶点具有已知的坐标和入射光线角度，因此可以此确定通过何种斜率的斜面反射被反射至于其对应的输出光网格顶点，从而确定一组曲面的坐标及斜率。通过一组输入光-输出光网格顶点对应关系后，可建立与之对应的小范围自由曲面网格，根据插值法等办法，可补全自由曲面范围内的面数据。根据边缘光线理论，经由输入面网格内的光线，经与之对应的自由曲面网格反射，入射至对应的出射光网格内。以此，建立了出射光网格与入射光网格的一一对应，并得到了自由曲面的坐标点云及斜率信息，并可以以之建立自由曲面并进行加工。输入光网格的划分因边缘发射激光器20的光照空间分布而异，输出光网格的划分可按照需求进行，从而输出特定光强分布的输出光。。

图5为入射至自由曲面反射镜的光斑示意图，图6为被自由曲面反射镜反射后出射的光斑示意图，参考图5和图6，入射至自由曲面反射镜30的光斑为椭圆形光斑，即边缘发射激光器20的出射光斑为椭圆形光斑。被自由曲面反射镜30反射后出射的光斑为矩形光斑，即投射至目标面的光斑为矩形光斑。本发明实施例中，自由曲面反射镜30被配置为改变边缘发射激光器20出射的激光光束的形状可以包括：自由曲面反射镜30被配置为将椭圆形的光斑改变为矩形光斑。其中，光斑指的是激光光束在接收面上的形状。在其他实施方式中，自由曲面反射镜30例如还可以将圆形的光斑改变为椭圆形的光斑。本发明式实施例对于入射至自由曲面反射镜30的光斑以及被自由曲面反射镜30反射后出射的光斑形状不作限定。

示例性地，参考图1、图2、图5和图6，边缘发射激光器20的出射光斑为椭圆形光斑，该椭圆形光斑具有60°*28°的发散角，即该椭圆形光斑在图5中X轴方向具有28°的发散角，在图5中Y轴方向具有60°的发散角，传播方向为Z轴方向。则印刷电路板10所在平面为XZ平面。自由曲面反射镜的中心81与边缘发射激光器20的出光点201之间的距离H为0.3mm，自由曲面反射镜的中心81与目标面之间的垂直距离为45mm，自由曲面反射镜30的自由曲面的点云数量为97*97个(即9407个)。被自由曲面反射镜30反射后形成在目标面上的矩形光斑尺寸为26.0mm*18.3mm。被自由曲面反射镜30反射后形成在目标面上的矩形光斑具有60°*45°的发散角，即该矩形光斑在图6中X轴方向具有60°的发散角，在图6中Y轴方向具有45°的发散角。需要说明的是，由于Z轴方向被定义为光斑传播方向，因此随着光斑传播方向的改变，X轴方向以及Y轴方向随之发生改变，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向三者之中的任意两者相互垂直。

可选地，参考图1和图2，测距传感器发射模组还包括过渡热沉40，边缘发射激光器20通过过渡热沉40间接固定于印刷电路板10上，过渡热沉40具有良好的散热作用，用于为边缘发射激光器20散热，保证边缘发射激光器20的正常工作。边缘发射激光器20的出光点201位于过渡热沉40的边缘。也就是说，边缘发射激光器20的出光点201在印刷电路板10的垂直投影位于过渡热沉40的边缘在印刷电路板10垂直投影上。将边缘发射激光器20的出光点201设置于过渡热沉40的边缘，保证了边缘发射激光器20出射的激光光束不被过渡热沉40遮挡，保证了边缘发射激光器20出射的激光光束的质量。

可选地，参考图1和图3，测距传感器发射模组还包括第一导线51。过渡热沉40包括导电材料。边缘发射激光器20包括第一引脚21和第二引脚22，印刷电路板10包括第一衬垫61和第二衬垫62。第一引脚21通过过渡热沉40与第一衬垫61电连接，第二引脚22通过第一导线51与第二衬垫62电连接。

示例性地，参考图1和图3，第一引脚21和第二引脚22位于边缘发射激光器20的相对两侧表面，第一引脚21位于边缘发射激光器20朝向印刷电路板10一侧的表面，第二引脚22位于边缘发射激光器20背离印刷电路板10一侧的表面。

图7为本发明实施例提供的另一种测距传感器发射模组的俯视结构示意图，图8为沿图7中CC’的剖面结构示意图，参考图7和图8，测距传感器发射模组还包括第二导线52和第三导线53。过渡热沉40包括绝缘材料。边缘发射激光器20包括第一引脚21和第二引脚22，印刷电路板10包括第一衬垫61和第二衬垫62。第一引脚21通过第二导线52与第一衬垫61电连接，第二引脚22通过第三导线53与第二衬垫62电连接。

示例性地，参考图7和图8，第二导线52贯穿过渡热沉40。测距传感器发射模组还包括贯穿过渡热沉40的通孔41，第二导线52位于通孔41内。在制作过程中，例如可以先在过渡热沉40中形成贯穿其的通孔41，然后在通孔41中注入金属，以在通孔41中形成第二导线52。

可选地，参考图2、图3和图8，测距传感器发射模组还包括第一焊料层71和第二焊料层72。边缘发射激光器20通过第一焊料层71焊接于过渡热沉40上，过渡热沉40通过第二焊料层72焊接于印刷电路板10上。本发明实施例中，边缘发射激光器20与过渡热沉40之间的固定方式为通过第一焊料层71焊接，过渡热沉40与印刷电路板10之间的固定方式为通过第二焊料层72焊接，焊接固定的方式具有固定牢固、操作方便、导电性优良等优点。

需要说明的是，由于焊接多为金属材料的操作方式，第一焊料层71以及第二焊料层72均为导电膜层。参考图3，过渡热沉40包括导电材料时，第一引脚21通过第一焊料层71、过渡热沉40以及第二焊料层72与第一衬垫61电连接。参考图8，过渡热沉40包括绝缘材料时，第一引脚21通过第一焊料层71、第二导线52以及第二焊料层72与第一衬垫61电连接。

示例性地，边缘发射激光器20采用GaAs/AlGaAs多量子阱材料，或InP基材料。边缘发射激光器20出射激光的波长可为940nm，1350nm或其他合适的波长。印刷电路板10可由多层铜及树脂有机材料组成。过渡热沉40可以采用铜钨或AlN等热导率良好的材料。第一焊料层71和第二焊料层72可使用能实现特定电学功能与机械功能的材料，包括但不限于金锡焊料。第一导线51、第二导线52和第二导线52可采用四个九纯金，即纯度为99.99％纯度的金线。

本发明实施例还提供测距传感器发射模组的制作方法，用于形成上述实施例中测距传感器发射模组，该制作方法包括如下步骤：

步骤一、将过渡热沉40的下表面以第二焊料层72料焊接于印刷电路板10上。

步骤二、将边缘发射激光器20的下表面的第一引脚21以第一焊料层71焊接于过渡热沉40的上表面。

本步骤中，若过渡热沉40包括导电材料，则将过渡热沉40直接电连接于印刷电路板10的第一衬垫61上，过渡热沉40充当边缘发射激光器20的一个电极。若过渡热沉40包括绝缘材料，还可以采用第二导线52将第一引脚21电连接至第一衬垫61。

步骤三、将边缘发射激光器20的上表面的第二引脚22以金线与印刷电路板10的第二衬垫62电连接。

本步骤中，若过渡热沉40包括导电材料，则可以通过第一导线51将第二引脚22电连接至第二衬垫62；若过渡热沉40包括绝缘材料，则可以通过第三导线53将第二引脚22电连接至第二衬垫62。

步骤四、将自由曲面反射镜30通过粘结层80固定到印刷电路板10上。

本步骤中，需保证自由曲面反射镜30的贴合精度，以保证光斑的形状。

图9为本发明实施例提供的一种测距传感器的俯视结构示意图，图10为沿图9中DD’的剖面结构示意图，参考图9和图10，测距传感器包括上述实施例中的测距传感器发射模组100，以及测距传感器接收模组200。本发明实施例中，测距传感器包括上述实施例中的测距传感器发射模组100，从而具有上述测距传感器发射模组100的有益效果，即，简化测距传感器的封装结构、工艺，降低成本，并降低测距传感器的厚度。

示例性地，参考图9和图10，测距传感器接收模组200固定于印刷电路板10上。测距传感器接收模组200可以采用硅材料或者GaAs，InP等化合物半导体材料。

测距传感器的工作原理如下：印刷电路板10驱动边缘发射激光器20出射激光光束。通过为边缘发射激光器20输入特定的电信号，边缘发射激光器20输出特定的激光信号，通过自由曲面反射镜30的调制，边缘发射激光器20出射的光斑变为具有特定形状与发散角的光斑，照射特定范围内的空间物体。通过使用测距传感器接收模组200接受被空间物体反射的激光回波信号，根据接收到的被空间物体反射的激光回波信号以处理器计算光信号从发射到接收的时间差，可以计算处空间物体的深度信息，从而实现三维成像等功能。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种测距传感器发射模组，其特征在于，包括：

印刷电路板；

边缘发射激光器，固定于所述印刷电路板，与所述印刷电路板电连接，被配置为在所述印刷电路板的驱动下出射激光光束；

自由曲面反射镜，固定于所述印刷电路板，位于所述边缘发射激光器的出射光路上，被配置为改变所述边缘发射激光器出射的激光光束的方向、发射角和形状；

其中，所述自由曲面反射镜的反射面为自由曲面，所述自由曲面反射镜还被配置为将椭圆形的光斑改变为矩形光斑，所述矩形光斑的发散角非零。

2.根据权利要求1所述的测距传感器发射模组，其特征在于，所述自由曲面反射镜的中心与所述印刷电路板的垂直距离大于或者等于所述边缘发射激光器的出光点与所述印刷电路板垂直距离。

3.根据权利要求1所述的测距传感器发射模组，其特征在于，所述自由曲面反射镜朝向所述边缘发射激光器一侧的表面包括凹曲面，所述凹曲面背离所述边缘发射激光器凸起。

4.根据权利要求1所述的测距传感器发射模组，其特征在于，所述自由曲面反射镜被配置为将垂直于所述印刷电路板方向上入射其上的激光光斑偏转90°后出射，以及控制偏转90°后出射激光光斑在目标面具有预设光强度分布。

5.根据权利要求1所述的测距传感器发射模组，其特征在于，还包括粘结层，所述自由曲面反射镜通过所述粘结层固定于所述印刷电路板上；

所述粘结层包括紫外固化胶和/或热固胶。

6.根据权利要求1所述的测距传感器发射模组，其特征在于，还包括过渡热沉，所述边缘发射激光器通过所述过渡热沉间接固定于所述印刷电路板上；

所述边缘发射激光器的出光点位于所述过渡热沉的边缘。

7.根据权利要求6所述的测距传感器发射模组，其特征在于，还包括第一导线；

所述过渡热沉包括导电材料；

所述边缘发射激光器包括第一引脚和第二引脚，所述印刷电路板包括第一衬垫和第二衬垫；所述第一引脚通过所述过渡热沉与所述第一衬垫电连接，所述第二引脚通过所述第一导线与所述第二衬垫电连接。

8.根据权利要求6所述的测距传感器发射模组，其特征在于，还包括第二导线和第三导线；

所述过渡热沉包括绝缘材料；

所述边缘发射激光器包括第一引脚和第二引脚，所述印刷电路板包括第一衬垫和第二衬垫；所述第一引脚通过所述第二导线与所述第一衬垫电连接，所述第二引脚通过所述第三导线与所述第二衬垫电连接。

9.根据权利要求6所述的测距传感器发射模组，其特征在于，还包括第一焊料层和第二焊料层；所述边缘发射激光器通过所述第一焊料层焊接于所述过渡热沉上，所述过渡热沉通过所述第二焊料层焊接于所述印刷电路板上。

10.一种测距传感器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的测距传感器发射模组，以及测距传感器接收模组。

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