CN111868487A - 对眼睛安全的光学模块 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于确保结合VCSEL和VCSEL阵列的高功率光学模块保持对眼睛安全的封装方法。本公开的VCSEL装置或VCSEL封装体通常可以被配置成证明光学装置是对眼睛安全的，使得所述装置能够经受住单个故障模式。在其它实施例中，多透镜阵列被布置在VCSEL上方，其将光散射成大范围的角度，使得更高百分比的光将到达位于VCSEL旁边的光电检测器。在根据本公开的其它实施例中，提供了一种或多种方法和电路来检测和校正由一种或多种不安全条件引起的错误或故障。

Description

对眼睛安全的光学模块

相关申请的交叉引用

本公开要求于2018年3月20日提交的标题为“对眼睛安全的光学模块(Eye SafeOptical Modules)”美国临时申请第62/647,406号的优先权，所述美国临时申请的内容特此通过引用以其全文并入本文。

技术领域

本公开涉及如LED、RCLED(共振腔LED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和VCSEL阵列等光学装置及其封装。特别地，本公开涉及一种用于确保结合这些装置的高功率光学模块保持对眼睛安全的封装方法。

背景技术

本文提供的背景描述是为了总体上呈现本公开的上下文。当前提及的发明人在本背景技术部分描述的范围内的工作以及在提交时可能未取得现有技术资格的描述的各方面既不明确地也不暗示地承认是相对于本公开的现有技术。

VCSEL和VCSEL阵列是在各种市场(包含但不限于消费性、工业、汽车和医疗产业)中应用的重要技术。示例应用包含但不限于安全相机的照明、传感器的照明，如三维(3D)相机或者手势识别系统、医学成像系统、光疗系统或医学感测系统，如需要深度穿透组织的那些系统。在这种光学感测和照明应用以及其它应用中，VCSEL和VCSEL阵列提供了多种好处，如将在本文中进一步详细描述的，包含但不限于功率效率、窄光谱宽度、窄光束发散和显著的封装灵活性。

实际上，对于VCSEL和VCSEL阵列，在660-1000nm范围内的波长下，可以实现大于30％的功率转换效率(PCE)。PCE可以定义为从如VCSEL或VCSEL阵列等一个或多个激光器发射的光学功率除以驱动所述一个或多个激光器的电功率之比。尽管仅VCSEL PCE与当前可用的某些最高效发光二极管(LED)相当，但考虑到光谱宽度和光束发散度，VCSEL相对于LED而言具有明显的效率优势。

例如，VCSEL阵列的光谱宽度通常为约1nm。这允许将过滤器用于光电检测器或相机，以减少与本底辐射相关联的噪声。作为对比，LED通常具有20-50nm的光谱线宽，从而导致大部分光被这种过滤器隔绝并且因此降低了LED的有效PCE。另外，VCSEL的波长对温度不太敏感，从而在温度每增加1摄氏度时仅增加约0.06nm。波长随温度的变化的VCSEL速率比LED中小四倍。

另外，VCSEL的角光束发散度通常为10-30度半高全宽(FWHM)，而LED的输出光束为朗伯型(Lambertian)，从而充满整个半球。这意味着通常可以使用各种光学元件来收集VCSEL的全部光(即便不是全部)，各种光学元件例如用于准直或聚焦的光束轮廓的透镜、用于宽光束(40-90度或更高)轮廓的漫射器或用于生成光点或直线图案的衍射光学元件。由于LED的光束角较宽，因此可能难以收集所有或几乎所有光(从而导致有效PCE进一步降低)，并且也难以像VCSEL那样可能精确地引导光。

VCSEL的垂直发射性还使其具有比常规激光器更高的封装灵活性并且提供了使用LED或半导体集成电路(IC)可用的广泛范围的封装体。除了将多个VCSEL集成在同一芯片上之外，还可以用光电检测器或光学元件来封装VCSEL或VCSEL阵列。塑料或陶瓷表面安装封装选项或板上芯片选项同样可用于VCSEL。

从单个VCSEL孔发射出的功率范围可以从微瓦到几十毫瓦不等，而VCSEL阵列用于产生数百毫瓦到瓦甚至千瓦的功率。对于在较长距离上操作的传感器(如基于飞行时间或结构化照明方法的3D传感器)，可能首选高功率VCSEL阵列。对于医疗传感器或诊断装置或治疗性激光器，可能还需要更高的功率才能更深地渗透到组织中。化学传感器或环境传感器也可能需要更高的功率。

特别是对于由较大的VCSEL或VCSEL阵列组成的更高功率的VCSEL管芯，能够监测VCSEL管芯的输出功率将是有益的。光学装置的输出功率可能会受到温度或老化的影响。在许多应用中，希望保持来自VCSEL管芯的足够的输出功率，以实现良好的信号或高信噪比。在另一方面，VCSEL通常在人类可以接触到的环境中操作，必须确保人们不会暴露于会损害眼睛或皮肤的发射水平。这些要求对光输出功率设置了上限和下限，并且期望具有一种用于确保功率在一定的温度范围和一定的时间段内保持在该功率范围内的机制。

除了控制随温度变化的功率变化或者或随时间变化改变性能外，将光学装置认证为对眼睛安全还要求所述装置能够经受住单个故障模式。例如，许多高功率VCSEL阵列正被应用于消费类装置。VCSEL阵列本质上不是对眼睛安全的，但可以通过以低占空比脉冲所述装置和/或在VCSEL上方添加一个将光束扩展到大角度从而限制可能进入眼睛的光的量的漫射器来实现对眼睛安全。但是，故障机制可能包含漫射器从封装体中脱落、液体在漫射器表面上的凝结，这可能会消除漫射器效应并使漫射器透明和无效、漫射器表面融化或导致电子设备出现故障(这将导致VCSEL连续导通而不是脉冲导通)。

关于VCSEL结构和制造以及用于制备和使用VCSEL的另外的VCSEL实施例和方法的更具体的细节公开于例如以下中：美国专利第8,249,121号，标题为“推挽调制耦合垂直腔表面发射激光器和方法(Push-Pull Modulated Coupled Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers and Method)”；美国专利第8,494,018号，标题为“直接调制改进型垂直腔表面发射激光器和方法(Direct Modulated Modified Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers and Method)”；美国专利第8,660,161号，标题为“推挽调制耦合垂直腔表面发射激光器和方法(Push-Pull Modulated Coupled Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers and Method)”；美国专利第8,989,230号，标题为“包含可移动反射镜MEMS调谐表面发射激光器的方法和设备(Method and Apparatus Including Movable-Mirror MEMS-Tuned Surface-Emitting Lasers)”；美国专利第9,088,134号，标题为“包含改进型垂直腔表面发射激光器的方法和设备(Method and Apparatus IncludingImproved Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers)”；美国重新发行号RE41,738，标题为“红光激光器(Red Light Laser)”；以及美国公开第2015/0380901号，标题为“包含改进型垂直腔表面发射激光器的方法和设备(Method and Apparatus Including ImprovedVertical-Cavity Surface-Emitting Lasers)”；上述文献中的每个文献的内容在此通过引用以其整体并入本文。不限于仅在前述专利或专利申请中的任何一个专利或专利申请中描述的VCSEL，适于本公开的各个实施例或者可根据本公开适当地修改的VCSEL包含前述专利或专利申请中公开的VCSEL(包含其中对现有技术VCSEL的任何讨论)以及在检查任何前述专利或专利申请期间引用的任何现有技术参考文献中公开的VCSEL。更一般地说，除非另外具体地或明确地描述，否则目前已知或稍后开发的任何VCSEL均可以适于本公开的各个实施例或者可根据本公开适当地修改。

目前至少有两种方法用于监测和控制VCSEL的输出功率。这些方法中的一些也可用于其它光电子装置，如边缘发射激光器。一种是在一定温度范围内表征VCSEL的性能。然后，可以在系统中包含热敏电阻或温度传感器，并基于先前随温度而变化的表征，使用测得的温度来调节电流以获得期望的输出功率。这在图1中示出，其中绘制了VCSEL阵列在25℃至85℃范围内的各种温度下输出功率与电流的关系图。在25-40℃下，达到2W的输出功率所需的电流在此图中约为3A。随着环境温度升高到70℃，到达2W所需的电流增加到大约3.2A，而在85℃，到达2W所需的电流为约4A。可将这一信息编程到查找表中，并根据热敏电阻测得的温度调节电流。这种方法的一个限制是，装置之间存在可变性，并且由于器件寿命的老化效应(burn-in effect)，可能会存在一些随时间变化的可变性。人们可以通过单独校准每个器件来补偿器件间的可变性，但这既昂贵又耗时。随时间变化的可变性更难补偿。

第二种方法是直接监测输出功率，并调整激光器或LED的驱动电流，以将输出功率保持在所需范围内。对于封装在TO头部和罐中的装置，尤其是在光纤数据通信市场中，经常采用这种方法。图2示出了封装在TO头部和罐中的VCSEL的一个实例。可以产生一个由安装在金属TO头部204上的光电二极管202和安装在光电检测器上的金属垫上的小于光电二极管的有源区域的VCSEL 206组成的叠层。为了将光电二极管202与头部204隔离，可以可选地将所述光电二极管安装在用位于头部和光电二极管之间的金属图案化的陶瓷底座上。各个VCSEL和PD触点通过导线接合到头部或封装体的引脚上，以实现电接触。盖或帽208设置在封装体的顶部。在TO头部204的情况下，这通常是一个高金属罐，并且在顶面有一个窗口210。窗口210优选不具有AR涂层，或者具有用于确定将在窗口的两个表面反射的光的量的受控涂层。由于从VCSEL 206发射的光束212具有非零的发散角范围，一些光214以一定角度向下反射。以足够高的角度反射的光将到达光电二极管202未被VCSEL芯片覆盖的区域，并可用于监测输出功率。

图3A和3B以头部的顶部视图示出了这种方法。图3(a)示出了位于光电二极管302上的金属焊盘顶部的VCSEL二极管306，所述光电二极管又位于头部304上，并且示出了到各种阳极和阴极触点的导线接合，包含两个二极管的LD阳极308、MPD阴极310以及LD阴极和PD阳极312。图3(b)示出了光电二极管302的一个可能版本的细节，其示出了容纳VCSEL 306的焊盘。可替代地，VCSEL 306和光电二极管302可以并排放置在底座或头部304上，并且光电二极管将捕获从VCSEL发射的被窗口反射到一侧的光。这通常增加了从VCSEL 302的有源发射区域到光电二极管302的有源部分的距离，因此需要增加VCSEL上方的窗口的高度。

这种方法得到了有效的应用，但也存在一些局限性。为了在光电二极管上捕获足够的光，TO头部的盖可以相对较高，这限制了封装体的紧凑性。例如，如果从VCSEL发射区域到光电二极管的目标部分的距离是0.5mm(相当小的距离)，并且VCSEL半角是11度，在一些实施例中，窗口的底侧应该在VCSEL的顶部之上大约1.28mm。如果VCSEL到光电二极管的距离增加到1mm，则高度加倍到2.56mm。总封装体高度还包含头部或底座厚度、窗口厚度和VCSEL厚度，因此很容易达到3-4mm高。由于VCSEL应用于小型化至关重要的消费类电子设备，这可能会有问题。此外，VCSEL的光束发散度会受到温度和电流的影响，因此需要再次了解这种关系，并对其进行潜在的补偿。VCSEL相对于光电二极管的精确几何放置也很重要。对于较高输出功率的阵列，需要良好的散热，而TO罐通常不是足够好的散热器，无法用作封装体。

使用带玻璃盖的塑料或陶瓷表面安装封装体可能会达到同样的效果。通常，这些封装是低型面的，因此所述盖在VCSEL表面上方的高度不足以将足够的光反射到光电检测器上。虽然可以用工具加工一个更高的封装体或附加一个间隔物，但当试图实现一个低型面的封装体时，这是适得其反的。此外，当封装通常为更大的芯片的更高功率的VCSEL时，尺寸问题变得更具挑战性。如果希望从整个阵列中采样功率，则必须将反射面移得更高。可替代地，必须仅对阵列的边缘进行采样就可以满足要求，但是经常观察到，随着温度和电流的增加，中心或边缘的VCSEL可能发射更多或更少的功率，从而提供关于从阵列发射的功率的不准确数据。

发明内容

以下呈现了对本公开的一个或多个实施例的简要概述，以提供对这种实施例的基本理解。本概述不是对所有设想到的实施例的广泛综述，并且既不旨在标识所有实施例的关键或重要要素，也不旨在界定任何或所有实施例的范围。

在一个或多个实施例中，本公开涉及一种VCSEL装置，其具有发光量子阱有源区、第一和第二反射镜层、金属接触层以及布置在所述金属接触层和底座之间的光电二极管。所述第一反射镜层可以布置在所述有源区的第一侧上，并且可以被配置成发射由所述有源区产生的光的至少50％。第二反射镜层可以布置在所述有源区的第二侧，并且可以被配置成发射不超过由所述有源区产生的光的50％。金属接触层可以被图案化成具有与VCSEL的光发出方向对准的开口，所述开口的尺寸被设计成并且所述开口被配置成接收从第二反射镜层发出的光。此外，布置在所述金属接触层和底座之间的光电二极管可以被配置成接收从所述第二反射镜层发射的光。在一些实施例中，所述VCSEL装置可以具有沉积在金属接触层的所述开口中的介电层。所述金属接触层的所述开口的直径或宽度介于10μm与100μm之间。在一些实施例中，所述开口的直径或宽度为大约30μm。所述VCSEL装置还可具有布置在所述金属接触层与所述第二反射镜层之间的基板层。在一些实施例中，所述基板层可以是基本透明的。在其它实施例中，所述基板层可以包含与所述VCSEL的光发射方向对准的经蚀刻区域，所述经蚀刻区域的直径或宽度介于25μm与100μm之间。在一些实施例中，所述VCSEL装置可以具有布置在所述经蚀刻区域与所述光电二极管之间的法布里-珀罗滤波器。所述VCSEL可以具有不小于870nm或不小于920nm的波长。此外，所述第二反射镜层可以包含比所述第一反射镜层更多的反射镜周期。在一些实施例中，所述第一反射镜层和第二反射镜层中的一个可以是掺杂的n型，而所述第一反射镜层和第二反射镜层中的另一个可以是掺杂的p型。

在一个或多个实施例中，本公开另外涉及一种控制VCSEL装置的输出功率的方法。所述方法可以包含构造具有布置在第一反射镜层和第二反射镜层之间的发光量子阱有源区的VCSEL装置。所述第一反射镜层可以被配置成发射由所述有源区产生的光的至少50％，并且所述第二反射镜层可以被配置成发射不超过由所述有源区产生的光的50％。所述方法可以进一步包含在所述第二反射镜层上沉积金属接触层，并且将所述金属接触层图案化成具有与所述VCSEL的光发出方向对准的开口。所述开口的尺寸可以被设计成并且所述开口可以被配置成接收从所述第二反射镜层发射的光。所述方法还可以包含将所述VCSEL装置布置在底座上，并且光电二极管定位于所述金属接触层与所述底座之间，所述光电二极管被配置成接收从所述第二反射镜发射的光。此外，所述方法可以包含将所述光电二极管接收的信号引导到用于所述VCSEL的驱动器，以保持期望的输出功率范围。在一些实施例中，所述方法可以包含在所述金属接触层的所述开口中沉积介电层。

在一个或多个实施例中，本公开另外涉及具有VCSEL装置和布置在底座上的光电二极管的低型面VCSEL封装体。所述VCSEL封装体还可以具有被配置和布置成允许从VCSEL发射的光通过的窗口。VCSEL封装体可以具有布置在所述底座与所述窗口之间的间隔物。漫射器可以另外布置在所述窗口的至少一部分上。在一些实施例中，漫射器可以被布置在窗口的一部分上，以便侧向地偏离从VCSEL装置发射的光的中心轴。在其它实施例中，漫射器可以布置在窗口上，以便与从VCSEL装置发射的光的中心轴对准，并且所述漫射器可以具有带有中心开口的环形形状。在一些实施例中，VCSEL封装体可以具有VCSEL装置阵列。此外，光电二极管可以布置在与一个或多个VCSEL装置相邻的底座上。在一些实施例中，VCSEL封装体的厚度可以小于3mm，或者小于2mm。

在一个或多个实施例中，本公开另外涉及用于检测和补偿可能导致对眼睛安全的光学装置转换成对对眼睛不安全的光学装置的变化或故障的设计和机制。在一些实施例中，对眼睛安全的光学装置可以包含VCSEL装置和布置在底座上的光电二极管。在其它实施例中，VCSEL封装体可以包含使用控制器、微处理器、跨阻放大器、比较器、ADC或其它电路或软件中的一个或多个来测量光电二极管电流的方法和系统。在其它实施例中，VCSEL封装体可以包含使用微处理器和比较器来检测实际电流和将实际电流与预期电流进行比较的方法和系统。在仍其它实施例中，VCSEL封装体可以包含用于实施校正动作以解决VCSEL封装体检测到的变化或故障的方法和系统。在一些实施例中，校正动作可以包含响应于检测到错误状态而设置数字错误标志或模拟错误标志、启用或禁用VCSEL封装体、和/或响应于错误检测状态而采取其它校正动作。

在一个或多个实施例中，本公开另外涉及一种包含窗口的VCSEL封装体，所述窗口被配置和布置成允许从VCSEL发射的光通过。在一些实施例中，所述VCSEL封装体可以进一步包含VCSEL装置阵列。在其它实施例中，一个或多个微透镜可以布置在所述窗口的至少一部分上，使得来自所述VCSEL的光冲击在一个或多个微透镜上。所述一个或多个微透镜可以被布置成随机或规则阵列。在一些实施例中，一个或多个微透镜可以被布置成使得从VCSEL装置发射的光的一部分被转移通过微透镜，并且所述光的一部分被侧向散射，从而增加所述装置对眼睛的安全性。

虽然公开了多个实施例，但是根据以下详细描述，本公开的又其它实施例对于本领域技术人员而言将变得显而易见，所述详细描述示出并描述了本发明的说明性实施例。如将认识到的，本公开的各个实施例能够在各个明显的方面进行修改，所有这些修改均不脱离本公开的精神和范围。因此，附图和详细描述应被视为本质上是说明性的而非限制性的。

附图说明

尽管本说明书以特别指出并明确要求保护被视为形成本公开的各个实施例的主题的权利要求书作为结尾，但是应当相信，根据结合附图进行的以下描述，将更好地理解本发明，在附图中：

图1是展示根据一个或多个实施例的在各种温度下的VCSEL阵列的输出功率相对于电流的曲线图。

图2是根据一个或多个实施例的具有TO头部和TO头部帽的VCSEL封装体的示意性横截面视图。

图3(a)是根据一个或多个实施例的图2的VCSEL装置的TO头部的示例示意图。

图3(b)是根据一个或多个实施例的图2的VCSEL装置的光电二极管的示例示意图。

图4(a)是根据一个或多个实施例的具有单个VCSEL孔的VCSEL管芯的示例示意图。

图4(b)是根据一个或多个实施例的具有多个VCSEL孔的VCSEL阵列芯片的示例示意图。

图5是根据一个或多个实施例的塑料或陶瓷表面安装VCSEL封装体的示意性横截面视图。

图6是根据一个或多个实施例的VCSEL装置的示意性横截面视图。

图7是根据一个或多个实施例的具有图案化金属接触层的VCSEL装置的示意性横截面视图。

图8是根据一个或多个实施例的图7的VCSEL装置的图案化金属接触层的示例示意图。

图9(a)是展示根据一个或多个实施例的VCSEL装置的底部发射和顶部发射的输出功率相对于输入电流的曲线图。

图9(b)是展示根据一个或多个实施例的VCSEL装置的底部发射和顶部发射的输出功率相对于输入电流的另一曲线图。

图10(a)是根据一个或多个实施例的VCSEL装置的示意性横截面视图。

图10(b)是根据一个或多个实施例的具有经蚀刻基板的VCSEL装置的示意性横截面视图。

图11是根据一个或多个实施例的VCSEL封装体的示意性横截面视图。

图12是根据一个或多个实施例的VCSEL封装体的示例示意性平面图。

图13是展示根据一个或多个实施例的VCSEL阵列的电流输入相对于光功率和由光电二极管检测的电流的曲线图。

图14是展示根据一个或多个实施例的光电二极管的响应度随VCSEL和光电二极管的表面上方的漫射器表面的高度的变化的曲线图。

图15是根据一个或多个实施例的VCSEL封装体的示意性横截面视图。

图16是展示根据一个或多个实施例的由安装在封装体中的光电检测器检测的信号相对于来自封装体中的VCSEL管芯的输出功率的曲线图。

图17是根据一个或多个实施例的检测故障并采取适当动作的过程流决策树。

图18(a)是根据一个或多个实施例的用于响应于测得的光电二极管电流来确定和设置状态信号的方法的过程流。

图18(b)是根据一个或多个实施例的根据光电二极管是否检测到正确的光电二极管电流来设置特定信号的电路的示意图。

图19是根据一个或多个实施例的使激光器通电(启用)或使激光器断电(禁用)的方法的示意图。

图20(a)是根据一个或多个实施例的图18所示的用于确定和设置状态信号的方法的检测方案的方法与图19的激光器控制切换集成的过程流。

图20(b)是根据一个或多个实施例的用于设置图18所示的状态信号的检测方案与图19的激光器控制切换集成的电路示意图。

图21(a)是根据一个或多个实施例的方法的过程流，在所述方法中图20(a)和(b)的一些模拟电子器件已经被激光器驱动器和控制器代替。

图21(b)是根据一个或多个实施例的根据图219(a)的过程流的示意性电路。

图22展示了根据一个或多个实施例的使用控制单元或其它软件驱动的解决方案来从数模转换器产生信号以自动设置参考电压的概念。

图23是展示根据一个或多个实施例的VCSEL的输出功率相对于VCSEL的电流的曲线图。

图24是根据一个或多个实施例的包含电容式传感器的VCSEL封装体的示意性横截面视图。

图25是根据一个或多个实施例的包含微透镜阵列的VCSEL封装体的示意性横截面视图。

具体实施方式

在一个或多个实施例中，本公开涉及一种用于在相对紧凑、低型面的封装体中监测VCSEL或VCSEL阵列的输出功率的方法。举例来说，对VCSEL的监测可提供可允许控制输出功率以优化信噪比和/或将VCSEL输出保持在对眼睛安全的范围内的反馈。本公开的VCSEL装置或VCSEL封装体通常可以配置有用于监测一个或多个VCSEL的输出功率的光电二极管。在一些实施例中，一个或多个VCSEL装置可以被布置在光电检测器之上或上面，使得光电检测器被配置成检测通过VCSEL的底部发射的光。在此类实施例中，VCSEL装置可以具有图案化的底部金属层和/或经过蚀刻的基板，以允许光在VCSEL下面或后面通过而到达光电二极管。在其它实施例中，光电检测器可以被布置在邻近一个或多个VCSEL的底座上，并且可以被配置成检测经由漫射器反射的光以监测输出功率。

现在转到图4(a)和4(b)，示出了本公开的两个VCSEL管芯。这些装置是从VCSEL管芯的顶面绘制的。图4(a)展示了具有单个VCSEL孔402的管芯400，包含围绕光通过其发射的开口的金属环404。管芯400还包含金属接合焊盘406。图4(b)展示了芯片上具有许多VCSEL孔452的VCSEL阵列450。在这种情况下，有111个VCSEL孔452。然而，VCSEL阵列可以具有布置成任何合适的配置或形状的任何其它合适数量的孔。阵列450进一步包含金属接合焊盘454。关于图4(a)和4(b)，在两种情况下，VCSEL光都是从顶面发射的。

在一些实施例中，可以将一个或多个VCSEL管芯安装在封装体中。VCSEL封装体可以促进与芯片的电气接口和光学接口。VCSEL是二极管，因此可以有一个阳极触点和一个阴极触点来工作。由于VCSEL的基板通常是导电的，这可以通过在VCSEL基板和封装体之间使用导电环氧树脂或焊料将VCSEL附着到封装体中来实现。另一个接触可以通过到芯片顶面上的金属接合焊盘区域的导线接合来形成。然后，可以将VCSEL芯片封装起来，为管芯和导线接合提供机械保护。也可以有一个透明的窗口让光束通过。例如，VCSEL管芯可以被布置成具有如图2所示的TO头部和帽。对于TO头部，如图2所示，可以在所述头部的顶部之上布置一个罐，并且在罐的顶面布置一个窗口，以允许光通过。其它的VCSEL封装体可以具有带壁的塑料或陶瓷表面安装，使得VCSEL管芯位于腔中。这在图5中示出，根据至少一个实例，其中VCSEL阵列502和监测光电二极管504布置在陶瓷或塑料引线框或底座508上。还示出了导线接合506。芯片可以用透明液体封装，随后将所述透明液体固化成固体或凝胶。可替代地，透明塑料或玻璃平盖可以连接到封装体的顶部。塑料盖或玻璃盖也可以采用透镜或漫射器的形式。这些封装的VCSEL通常在包含消费类电子设备在内的其它电子设备的传感器中实施。通常希望尽可能地使传感器小型化，尤其是使用低型面组件来使装置保持薄型。

图6示出了另一个VCSEL装置600的横截面视图。VCSEL装置600可以具有一个或多个反射镜，如两个反射镜602、608，并且两个反射镜之间具有光产生量子阱有源区606和氧化物孔604。这些反射镜可以被称为上反射镜602和下反射镜608。反射镜602、608可以各自包含折射率不同的两种交替组成的叠层。反射镜中的每一层可以是四分之一波长厚，或者是奇数个四分之一波长厚的层。例如，反射镜可以由交替的四分之一波长厚的AlxGa(1-x)As层组成。在一个层中，x可以等于0.1，并且在另一个层中，x可以等于0.85。在一些实施例中，一个反射镜可以是掺杂的n型，而另一个反射镜可以是掺杂的p型，使得p-n结位于反射镜之间的量子阱有源层处。如果生长在导电基板610上，可以通过在晶片的背面沉积均匀的金属层612来实现与装置的一次接触。可以在晶片的顶面上图案化金属触点614，留下用于将发射的光的开口，并且可以使用引线接合将VCSEL的顶触点连接到封装体。VCSEL装置600可以具有布置在金属触点614的开口处的介电帽616。VCSEL可以被设计为对于底部反射镜608具有相对高的反射率(即许多反射镜周期)，而对于顶部反射镜602具有稍微低的反射率，使得光主要通过顶部表面发射。向基板610发射的任何光通常会被基板或底部金属触点612吸收。为了避免在底部金属触点612中光被吸收，可以使用ITO(氧化铟锡)接触层，或者可以使用允许一些透射的非常薄的金属层。

可替代地，图7中示出了另一个VCSEL装置。如上所述，典型地，VCSEL被设计成一个反射镜透射几乎为零的光(<1％)，而另一个反射镜(通常在晶片的顶面)被设计成光发射表面。然而，通过控制反射镜周期的数量来调整两个反射镜结构的反射率，可以调整从腔的每一端发射的光的相对百分比。例如，10％/90％、30％/70％或50％/50％的发射率可以通过调整反射镜周期的数量以及每个反射镜的反射率来实现。

因此，图7的示意图图示了被设计成从顶面发射大部分光，并且通过底部反射镜和GaAs基板发射较小部分光的装置700。像VCSEL装置600一样，VCSEL装置700可以具有顶部反射镜702、氧化物孔704、有源区706和布置在基板710上的底部反射镜708。VCSEL可以进一步具有顶部金属触点716和介电帽718。此外，VCSEL装置700可以具有底部金属触点712。此外，为了允许功率监测，底部金属触点712可以被图案化，其中从与VCSEL的光发射方向成一直线的区域去除金属化。介电层714可以沉积在去除了金属的区域中，以保护表面并形成抗反射涂层。在没有抗反射涂层的情况下，可以在基板的底部和底部反射镜之间建立另外的腔，从而导致VCSEL的底部输出根据电流和/或温度进行一些调制。

VCSEL管芯底侧上的金属712中的开口也可以用于滤除自发发射的并且以朗伯模式(Lambertian pattern)发射的光，并且仍然允许基本垂直于基板发射的激光离开芯片。图8示出了晶片背面上的金属图案的一个实施例的图像。具体地，图8示出了其上布置有金属层804并且具有多个图案化开口806的基板802的背面或底面。抗反射介电涂层可以被布置在金属804的开口806中，并且被圆形金属触点包围。在一些实施例中，可以为孔尺寸小于或等于6μm的单模VCSEL提供大约30μm的开口806。此开口针对150μm的基板厚度对向5.7度的半角，并且针对100μm厚的管芯对向8.5度的半角。然而，可以设想在10μm到100μm范围内的底侧金属开口806。单层抗反射涂层可以理想地设计成四分之一波长厚度的材料(其折射率是GaAs折射率和空气折射率的乘积的平方根)或者是紧挨着基板的材料。在940nm处，GaAs的折射率大约为3.5，因此对于与空气的接口(折射率等于1)，抗反射涂层应该优选具有1.87的折射率和大约125nm的厚度。也可以设计由多层组成的抗反射涂层。

参考回图7，为了监测VCSEL装置700的输出，VCSEL可以直接安装在对高达大约1000nm波长的光敏感的硅光电二极管718的顶部。例如，图7示出了布置在底部金属层712和底座720之间的光电二极管718。穿过VCSEL底部通过底部反射镜708、穿过金属层714中的开口发射的光由硅光电二极管718检测，而剩余的光通过顶部反射镜702从顶部表面发射，并用作各种传感器或通信系统中的照明。也可以使用在大于870nm的波长范围内具有灵敏度的其它类型的检测器。

图9示出了这种监测布置的性能。图9(a)示出了从940nm VCSEL顶部检测到的光和从同一940nm VCSEL底部检测到的光的输出功率相对于输入电流的曲线图。这种VCSEL被设计为从顶面发射90％的光，并且通过基板发射10％。从顶面发射的峰值输出功率为3.2mW，而从底面发射的峰值功率为约0.37mW，总功率为3.57mW。从顶面发射的功率与总功率之比为3.2/3.57＝0.896，非常接近0.9的设计目标。

在图9(b)中，将输出功率相对于来自顶部和底部的电流绘制在两个不同的轴上，并选择了范围，以便使两个曲线尽可能重叠。从图中可以看出，VCSEL底部的输出功率非常精确地跟踪顶部的功率，这意味着监测功能非常好。可以从背面看到信号的小幅度调制。如果没有抗反射涂层，这将大大增强。

如前所述，顶部反射镜和底部反射镜的反射镜周期数可以决定反射率和来自顶部表面的发射相对于来自底部的发射的比率。为了实现图9所示的功率比，底部n掺杂层的反射镜周期数是35，顶部p掺杂镜的反射镜周期数是25。作为另一个实例，对于2.5的前发射功率与后发射功率之比，底部n型反射镜的反射镜周期可以是28，并且顶部p型反射镜的反射镜周期可以是23。这对应于99.52％反射顶镜和99.82％反射底镜的反射率。也可以获得其它功率比。利用不同的反射镜组成(以及相关的折射率)和不同数量的反射镜周期，可以以多种方式实现期望的正面发射与背面发射的比率。

图7的VCSEL装置700对于长于870nm的波长特别有用，其中GaAs基板的吸收系数下降到相对较低的值。对于小于870nm的波长，GaAs可能具有相对较高的吸收能力，因此对于构建在GaAs基板上的较短波长的VCSEL，通过后反射镜发射的光可能会被吸收，并且可能对监测没有那么有用。然而，在室温下，GaAs吸收的波段边缘约为870nm，因此对于更长的波长，GaAs可能变得越来越透明。在大约930nm处，吸收可能变得可以忽略，因此根据一些实施例，这里描述的技术在870nm以上可能是有用的，并且对于920或930nm以上的发射波长可能是特别有用的。

对于基板不透明的VCSEL装置，可以通过蚀刻掉或以其它方式去除VCSEL下方的基板来修改所述方法，例如，如图10所示。具体地，图10(a)示出了VCSEL装置1000，其具有顶部反射镜1002、有源区1004、底部反射镜1006和基板1008，所述基板可以是透明基板，布置在光电二极管1010上。滤波器1012(如法布里-珀罗滤波器)可以被布置在基板和光电二极管之间。经图案化的金属触点可以布置在透明基板的底表面上。或者，图10(b)展示了具有顶部反射镜1052、有源区1054、底部反射镜1056和具有经蚀刻区域1064的基板1058的VCSEL装置1050。基板1058的经蚀刻区域1064可以在VCSEL下方对准，以便对准并接收通过底部反射镜1056发射的光。VCSEL装置可以布置在光电二极管1060上，并且滤波器1062(如法布里-珀罗滤波器)可以布置在所述光电二极管和所述经蚀刻基板之间。经图案化的金属触点仍然可以沉积和图案化在基板的未蚀刻部分上。对于分立装置，经蚀刻区域的直径可以在25到100μm的范围内。对于阵列，经蚀刻直径可以是整个阵列尺寸，并且可以是各种形状，如圆形或矩形。对于1mm的阵列尺寸，经蚀刻区域可能略大于1mm。在这种情况下，金属可以直接沉积在底部反射镜上的经蚀刻区域中，以提供自发辐射的过滤。

参照图6-11描述的这些监测VCSEL输出功率的方法不需要外部反射表面。在每种情况下，VCSEL都位于光电二极管上，光电二极管的厚度可以很容易地选择为0.05mm，但更典型的可能是小于0.2mm或在0.1mm到0.2mm的范围内，因此结合VCSEL和监测功能的封装体可以型面相对较低。也设想了其它光电二极管厚度。

相对于其它方法，如在VCSEL和光电检测器之间插入角度选择滤波器，背面金属图案化的使用具有简单和成本优势。金属图案化通常包含在VCSEL晶片制造中增加一个简单的基于掩模的图案化步骤，而没有另外的组装步骤。使用单独的过滤器需要制造、分离和组装过滤器元件。

功率监测的另一种方法可以涉及硅光电二极管的金属图案化。类似大小的金属孔(10-100μm)可以被图案化，并且它也可以阻挡大部分来自VCSEL的自发辐射。由于可能已经需要在光电二极管上对金属触点进行图案化，这可以通过简单地改变掩模图案来实现，而不需要任何另外的制造步骤。

图11展示了在不使用背面监测二极管的情况下在低型面封装体中监测VCSEL输出的方法。这一方法可以在封装体中包含窗口，但是不是使用来自窗口的简单反射，而是可以将漫射器结合到窗口中。漫射器可以由磨砂玻璃组成，也可以是蚀刻或压印到玻璃或聚合物材料中的结构。漫射器可以将光线散射到更宽的角度范围，一些光线会从窗口的顶面反射，从而在玻璃内侧向地转移。较高百分比的光可以到达远离VCSEL的更远的侧向距离。最终，一些光会被散射回封装体中。由于光可以沿玻璃或塑料窗口重复散射和反射一段侧向距离，窗口通常不需要像在反射情况下那样放置在VCSEL的上方，因此可以实现较低型面的封装体。

如图11所示，封装体100可以包含底座1106、一个或多个间隔物1108和顶部窗口1110。窗口1110的内表面或外表面可以部分或完全被漫射器1112覆盖。在一些实施例中，为了更好的性能和避免污染，窗口1110的内表面可以优选用于放置漫射器1112。可以是分立的VCSEL或VCSEL阵列的VCSEL芯片1102安装在底座1106上。光电检测器1104也安装在底座1106上，位于VCSEL芯片的侧面。漫射器1112可以是磨砂玻璃或工程漫射器，其图案被蚀刻或模制到玻璃中，或者被蚀刻、模制或压花到可以具有对发射的激光透明的玻璃、聚合物或其它基板的聚合物材料中。这些伪随机的、非周期性的结构可以通过改变光的能量方向来操纵光，并且通过适当的设计可以将光引导到预定角度的视场中。从VCSEL芯片1102发射的大部分光可以透射通过漫射窗并填充该角视场，但是一定百分比(从百分之几到15％或更大)可以被重复散射并平行于窗的平面反射，并且一些可以被漫射器再次散射回到封装体中并可以到达光电二极管1104。

图11中的配置允许封装体具有相对较低的型面，同时仍然允许输出监测。与使用反射机制时相比，光电二极管信号的大小对窗口1110的高度可能不太敏感。对于图11所示的实例，底座加上光学管芯的厚度可以大约为0.38mm，间隔物可以具有大约0.76mm的厚度，漫射器窗口可以具有大约0.4mm的厚度。封装体的总厚度可以大约为1.6mm，包含用于组装封装体的环氧树脂。在其它实施例中，封装体的总厚度可以小于2mm、小于2.5mm、小于3mm或为任何其它合适的厚度。VCSEL和光电二极管的厚度通常在0.1到0.2mm的范围内。对于0.15mm厚的VCSEL和光电二极管，从芯片顶部到漫射器底部的距离约为0.6mm。相比之下，如果使用反射方法来监测输出，则间距需要明显更大。例如，假设一个线性尺寸为1mm的VCSEL阵列和一个线性尺寸为1mm的光电二极管。也假设希望从VCSEL芯片中间发射的光能够到达光电二极管的中间。两个芯片中间之间的侧向距离需要大于1mm，即VCSEL线性尺寸的一半加上光电二极管线性尺寸的一半加上两个芯片之间存在的任何空间。VCSEL光通常以圆锥形发射，对于多模式VCSEL，光从峰值强度下降到峰值强度的1/e2的角度大约为11度。因此，如果要求从VCSEL芯片的中间距法向11度或更多发出的光到达光电二极管芯片的中间，则VCSEL芯片和光电二极管芯片上方的窗口的高度将需要大约为2.6mm，导致总封装体厚度大约为3.6mm或者两倍以上。显然，扩散机制的使用可以允许更低型面的封装体。

图12是从顶部看到的封装体1200的平面图的示意图，其中漫射器被移除。间隔物可以位于边缘周围，并且示意图显示了在这一特定布局中VCSEL芯片1202和光电二极管芯片1204的放置。在一些实施例中，VCSEL芯片1202的中心和光电二极管1204的中心可以侧向分隔开大约2mm或2.1mm的距离。在其它实施例中，VCSEL芯片1202和光电二极管1204的中心点可以侧向分隔开不同的距离。测试了具有这种布局的结合安装在顶部的VCSEL、光电检测器和漫射器的封装体，结果如图13所示。VCSEL芯片的中心和光电二极管芯片的中心之间的距离为2.12mm。两个芯片都用导电环氧树脂安装在底座上的焊盘上，顶面上的金属触点用导线接合到另一个焊盘上。如图11所示，漫射器表面的位置大约在VCSEL顶面上方0.76mm。

图13展示了根据一个实施例的VCSEL阵列的输出功率和由光电二极管检测的信号。VCSEL输出功率的标度在图的左侧，而由于检测到光而产生的光电二极管电流的标度在右侧。x轴是输入到VCSEL阵列中的电流。可以看出，激射开始的阈值电流约为300mA。这反映在光电二极管响应中，在光电二极管响应中，光检测产生的电流也在相同的阈值电流下开始增加。此外，光电二极管电流的斜率与从VCSEL芯片发射的光功率的量相对成线性关系。如果我们将有效系统响应度(请注意，这不仅仅是光电二极管响应度)定义为光电二极管中产生的电流与VCSEL阵列发射的总功率的量之比，计算结果为0.65mA/W。这将考虑所有损耗源：光电二极管本身的响应度、漫射器侧向转移的光量(即不是由封装体透射的光的量)以及散射回封装体并撞击光电二极管有源区的光量。

图14是光电二极管的响应度随VCSEL和光电二极管的表面上方的漫射器表面的高度而变化的曲线图。同样，在这种情况下，我们将响应度定义为光电二极管检测到的功率与VCSEL发射的功率之比。可以看出，响应度与漫射器高度有一定的相关性，但相对较弱。系统响应度与高度的弱相关性也是一个好处，可以提高容差。

图15展示了用于制作具有监测二极管的低型面封装体的另一种设计。在这种情况下，设计旨在使得封装体外部的环境光(即不是由VCSEL产生的)到达光电二极管的量减至最少。如前所述，VCSEL芯片1502和光电二极管监测器1504可以放置在封装体1500的基部。在这种情况下，漫射器1512可以偏向一侧，即不在VCSEL芯片1502的正上方。大部分VCSEL光可以穿过透镜1510，或者仅穿过平面窗口。漫射器1512可以被放置成使得它正好对向从VCSEL芯片1502发射的光的较高角度，并且侧向转移一些光，然后通过在漫射器表面的散射向下回到光电二极管监测器1504上。此漫射器1512可以仅在VCSEL芯片1502的一侧，或者可以被设计成围绕VCSEL芯片，并且在中间具有开口以允许大部分VCSEL光通过。为了使从外部到达漫射器1512区域的光减到最少，并使被漫射器散射的到达光电二极管1504的那部分光尽可能多，可以在玻璃或塑料漫射器的另一个表面上沉积反射涂层1514(如金或介电反射涂层)。当散射到漫射器窗口中的光侧向传播时，通常可以防止其从顶面逃逸。这一反射涂层1514还可以防止来自封装体外部的光被透射到漫射器和封装体中。此外，不透明封装体壁1516和VCSEL发射区域外的不透明覆盖物1518可以帮助保护光电二极管1504免于暴露于不想要的环境光。

如上所述，漫射器1512可以位于一侧，如与光电二极管1504相同的一侧，如图15所示。所述漫射器也可以是一个圆形或矩形的漫射器，中间有一个透明的孔，可以透射大部分的VCSEL光束。为了增加总信号，监测光电二极管1504可以VCSEL芯片1502的一侧或多侧上。另外，VCSEL芯片1502可以安装在更大的光电二极管1504的顶部。光电二极管1504的中部可以被金属层覆盖，以防止检测到透射通过窗口或透镜1510的透明部分的环境光，而外部部分保持敞开以检测从漫射器1512散射的光。这种布置可以进一步最大程度的提高由监测光电二极管检测到的信号的幅度。使环境光的影响降到最小的另一种方法是将滤波器1520放置在窗口1510的透明、非漫射器区域上，并且另外或可替代地将滤波器1522放置在光电二极管1504本身上。这些滤波器可以是s陷波滤波器或在例如1到50nm的带宽范围内允许VCSEL波长通过但是拒绝所述频带之外的波长的陷波滤波器。

这些特征的组合可以将由外部环境光引起的背景信号减少几个数量级。通过使用漫射器将采样光从封装体窗口侧向转移出去的能力，提高了对环境光的抑制，从而使光电二极管被封装体和漫射器的反射顶面遮蔽。

关于上述实施例，光电二极管接收的信号可以以多种方式使用。所述信号可以反馈到VCSEL驱动器的控制，以保持传感器中最小信号幅度的期望输出功率或输出功率范围。另一方面，可以将输出功率降低，以将功率保持在对眼睛安全的水平内。VCSEL加光电二极管监测器的一种替代性用途是用于自混合应用，在此类应用中，VCSEL发射的信号从目标反射回来并且重新进入VCSEL，从而导致输出调制。然后可以用光电二极管监测输出调制。可以通过高分辨率检测移动或振动。

如前所述，使用光电检测器信号的一些实例包含随温度变化保持恒定的功率或确保对眼睛安全。除了使用光电二极管监测器来控制标准操作条件下的功率(例如，由于温度变化而导致的功率变化)之外，影响对眼睛的安全性的一些事件可能包含漫射器或微透镜从封装体上脱落、漫射器破裂、漫射器涂层熔化或液体在漫射器表面上凝结。

如图16所示，来自封装有VCSEL阵列的光电检测器的信号可用于检测和确定VCSEL封装体的某些故障或改变模式。具体地，图16是光电二极管电流随激光器的光功率变化的曲线图。如图16所示，例如由以图11和12所示的方式安装在封装体中的光电检测器检测到的信号被绘制为来自VCSEL管芯的输出功率的函数。示出了三种情况：a)用完整的漫射器在适当位置作为封装体盖检测到的光电二极管信号1602；b)用平面玻璃(没有漫射器、透镜或DOE)在适当位置作为封装体盖检测到的光电二极管信号1604；以及c)在封装体上没有盖的情况下(即没有漫射器、透镜、DOE或平面玻璃盖)检测到的光电二极管信号1606。从曲线图中可以看出，与信号1602中的漫射器相比，具有平玻璃盖的情况下的信号1604显著下降(大约下降了4倍)。当根本没有盖时，信号1606甚至更低，与漫射器信号1602相比下降了大于10倍，很可能恰好对应于散射光产生的噪声。

为了确定故障或其它变化事件，可以使用可以将预期的光电二极管信号与实际光电二极管电路进行比较的电子设备、硬件和/或软件。图17展示了检测故障并采取适当行动的过程流决策树1702。在一些实施例中，对VCSEL封装体故障的检测和反应可以避免不安全状态，如在对眼睛的安全性可能是一个问题的情况下。如果预期的光电二极管信号超出可接受的范围，可以采取校正动作。校正动作通常取决于应用，但是可以包含但不限于将错误标志线设置为高、使激光器断电、或者进一步处理结果和条件以确定要采取的合适的动作。

如图17所示，在一个或多个实施例中，决策树1702可以包含以下步骤：首先测量实际光电二极管信号1704；将测量的光电二极管信号与预期的光电二极管信号进行比较1706；确定测量的光电二极管信号是否可接受1708；并且，如果光电二极管信号是可接受的，则发送无错误信号1710，或者如果光电二极管信号是不可接受的1712，则发送采取校正行动信号1712。如果在步骤1710没有检测到错误，如图17所示，决策树1702可以返回到测量实际光电二极管信号1704的第一步骤。在其它实施例中，方法700可以包含另外的步骤和/或替代性步骤。

测量实际光电二极管信号1704的步骤可以以任何合适的方式执行，例如，通过使用以图11(光电二极管芯片1104)或12(光电二极管芯片1204)所示的方式安装在封装体中的光电检测器。用于测量光电二极管电流的其它合适的方法可以包含使用具有比较器的跨阻放大器、具有ADC的跨阻放大器和/或任何其它合适的电子电路。在测量实际信号1704之后，可以以任何合适的方式将测得的信号与预期的光电二极管信号1706进行比较，包含但不限于使用具有通过电压设置的电平的微处理器或比较器(模拟或DAC)。一旦决策树1702的方法在步骤1708确定测得的信号是否可接受，采取校正行动信号步骤1712可进一步包含触发一个或多个校正行动措施，包含但不限于设置数字线路高标记错误、使用电子设备切断VCSEL的电源、或进一步评估激光器电流和电压或系统状态以确定是否发生实际错误，如下文进一步描述的。

图18(a)和18(b)示出了控制单元的一个实施例，所述控制单元用于根据光电二极管检测到的光电二极管电流是否在可接受范围内来将数字信号设置为高电平或低电平。如图18(a)所示，一种响应于测得的电流设置数字高或数字低的信号的方法利用具有光电二极管、跨阻放大器1804和比较器1806的光学元件1802。在所示实施例中，光学元件1802将来自光电二极管的电流测量值发送到跨阻放大器1804，以将光电二极管电流转换成电压电平。跨阻放大器1804然后将电压电平发送到比较器1806。然后，比较器1806将所提供的电压电平与预定的参考电平进行比较，以确定来自光电二极管的测得信号是否在可接受的电平内。如图17的决策树1702中整体示出的，在一些实施例中，控制单元可以根据比较的结果产生信号。在一个实施例中，尽管考虑了其它布置，但如果测得的电流大于参考电平，则比较器1806可以发送高信号，并且如果测得的电流小于参考电平，则所述比较器可以发送低信号。

图18(b)展示了根据本公开的控制电路1808的一个实施例。如图所示，光学元件1802可以包含VCSEL封装体1810和光电二极管1812。在一些实施例中，光电二极管1812可以向跨阻放大器1804发送信号Ip。在所示实施例中，使用运算放大器1813实现通用跨阻放大器功能，而实际上可以使用任何电流-电压放大器拓扑。接下来，在比较器1806处将光电二极管1812产生的电压与预期参考电平1814进行比较。在一个实施例中，如图18(b)所示的预期参考电平1814可以小于由起作用的漫射器产生的电流，但是大于其它两种故障机制。如图18(b)所示，比较器1806可以包括被配置为比较器的放大器1816，并且如果信号在可接受的范围内，则在+和-之间改变其输出电压。在这种情况下，比较器1806被配置为具有滞后作用的比较器，以防止错误警报，例如当信号上有噪声时。预期参考电平1814不必是固定电压，而是可以是根据例如驱动条件、激光器是否通电来调整比较电平的DAC的输出，或者根据环境因素(如温度)来调整电平。设置电子设备、硬件、固件或软件中的电平的其它方法对于本领域的其它实践者来说是清楚的。

图19示出了根据本公开的示意图的一个实施例，其中意在使光学元件(如VCSEL中的激光器)通电(启用)或使光学元件断电(禁用)。在一个或多个实施例中，图19中所示的电路1902可以使用各种切换机制1904中的一个或多个，包含但不限FET、MOSFET、HexFET或其它高电流、低阻抗模拟源，以通过调节Q1 1910的FET栅极1908(G)上的电压值切换到电源1906(Vcc)的连接。所示实施例只是本领域中已知的用于控制耦合光学元件或激光器1912是否通电或是否能够使其通电的许多方法中的一种。

图20(a)示出了图18所示的用于确定和设置状态信号的方法的检测方案的方法与图19(a)和19(b)的激光器控制切换集成的过程流的一个实施例。如图20(a)所示，一种用于响应于测得的电流设置数字高或数字低信号和激光器功率切换的方法利用具有光电二极管的光学元件2002、跨阻放大器2004、比较器2006和切换单元2008。在所示实施例中，光学元件2002将来自光电二极管的电流测量值发送到跨阻放大器2004，以将光电二极管电流转换成电压电平。跨阻放大器2004然后将电压电平发送到比较器2006。然后，比较器2006将所提供的电压电平与预定的参考电平进行比较，以确定来自光电二极管的测得信号是否在可接受的电平内。在一些实施例中，比较器2006可以根据比较结果产生信号，并将所述信号发送到切换单元2008。因此，在一些实施例中，根据从比较器2006接收的信号，切换单元2008可以使光学元件2002通电或使所述光学元件断电。图20(a)中所示的实施例代表了一种在光电二极管处的信号不够高的情况下自动使所述激光器断电的可能的模拟解决方案。此外，图20(a)表示概念上的控制方法；为了说明启动条件或脉冲条件，可能需要或希望对对示意图进行本领域技术人员已知的另外的更改。图20(b)示出了根据一个或多个实施例的用于设置图18(a)和18(b)所示的状态信号的检测方案与图19的激光器控制切换集成的电路示意图。

在一个或多个实施例中，可以利用驱动器来控制如激光器等光学元件的通电。图21(a)示出了一个概念，其中，例如图20(b)中所示的一些模拟电子设备已经被激光器驱动器和控制器2102代替，所述控制器使用模拟输入来确定光电二极管的电流。在所示实施例中，控制器或控制器2102的独立微控制器可用于评估从跨阻放大器2104接收的信号，以确定激光器2106的控制。图21(b)示出了图21(a)所示的过程流的电路图。如图21(b)所示，放大器2104可以向激光器驱动器和控制器2102递送信号，所述激光驱动器和所述控制器可以通过差分驱动器与激光器2106介接。使用替代性电子设备、硬件、固件或软件利用和控制激光器驱动器和控制器2102的其它方法对于本领域的其它技术人员是清楚的。

图22(a)示出了另一个实施例，其中驱动器/控制器2202或单独的电子元件(如微控制器、DSP、FPGA、集成逻辑或电路或其它软件驱动的解决方案)从数模转换器(DAC)2204产生信号，并自动设置期望的参考信号。根据一些实施例，控制器2202或类似的电气装置也可以根据比较器利用数字输入线来确定错误条件。本领域的技术人员将理解所提出的各种解决方案的变化和组合，并且本公开也考虑了这些变化和组合。

另一个可能超过对眼睛安全的水平的潜在故障机制是，如果驱动电路发生故障，导致VCSEL连续工作而不是脉冲工作。图23展示了输出功率在这两种不同条件下如何变化。针对这些情况绘制了输出功率与电流的关系图。较高的输出功率曲线示出了当垂VCSEL阵列以10％的占空比脉冲时的峰值功率(非平均)。因此，平均功率可能低10X，并绘制在最低曲线上。中间曲线显示了当VCSEL管芯连续工作时VCSEL的输出功率。由于内部自热，在某一点上，VCSEL阵列的输出功率开始随着电流的增加而下降。在图23的实例中，这在大约1250mA的电流和1W的输出功率下开始发生。在略高于2000mA时，输出功率停止增加，而实际上随着电流的增加而减小。可以再次设置光电二极管输出电流的阈值来检测这一故障。如果后续电路正在检测峰值电流，则可以将阈值设置为与稍微高于1600mW的峰值输出功率相对应的光电二极管电流。如果后续电路正在测量平均输出功率，则可以将阈值设置为与介于300mW与1500mW之间的输出功率相对应的光电二极管电流。

检测漫射器或窗口的损耗、所述漫射器或窗口中的裂纹、所述漫射器或窗口的熔化、或所述漫射器或窗口上的液体的存在、或任何可能危及VCSEL装置的对眼睛安全的操作的情况的另一种方法是将电容式传感器2402结合到VCSEL封装体2404中，如图24所示。电容式传感器2402可以用作近距离传感器，并且对封装体环境和封装体的机械状态非常敏感，特别是对其状态的变化非常敏感。在一个实施例中，传感器可以包含检测电路和换能器。检测电路可以是封装体中的分立电路、封装体外的分立电路，或者在功能上集成到VCSEL驱动器中。虽然不是电容式传感器的唯一检测机制，但通常将电容式换能器电放置在振荡器的谐振电路中，然后再放置频率-电压转换器电路。如由于固定的漫射器或窗口2405的损耗、所述漫射器或窗口2405中的裂缝2406、或所述漫射器或窗口2405上的湿气而引起的对封装体状态的改变可能导致电容的改变，所述电容的改变随后可以被检测为检测电路的电压的改变，从而导致产生例如“激光器禁用”事件信号。换能机制可以是通过激光器封装体内的分立电容式传感器，或者依赖于封装体组件(即窗口本身，或者与封装体外壳一致的窗口)之间的互电容或自电容。电容变化可能是由于涉及漫射器或窗口或其上的湿气的近距离效应所致。窗口、漫射器或封装体可以具有另外的导电涂层(例如金属化或氧化铟锡层)，以促进电容性换能，或者可以纯粹是近距离效应。

图25是根据一个或多个实施例的包含微透镜阵列的VCSEL封装体的示意性横截面视图。类似于图11、12和15所示的实施例，所示的实施例涉及VCSEL封装体2502，其可以包含VCSEL 2504、光电检测器2506、间隔物2508、窗口2510和一个或多个微透镜2512。VCSEL2504可以包含阵列中的单个或多个VCSEL装置，或者可替代地另一个光学元件。如图25所示，在一些实施例中，一个或多个微透镜2512可以布置在窗口2510的至少一部分上，使得来自VCSEL装置2504的光冲击在一个或多个微透镜2512上。一个或多个微透镜25125可以布置成随机或规则的阵列。在一些实施例中，一个或多个微透镜可以被布置成使得从VCSEL装置发射的光的一部分被转移通过微透镜，并且所述光的一部分被侧向散射，从而增加所述装置对眼睛的安全性。微透镜或微透镜阵列2512可以进一步安置在任何位置，使得透镜2512冲击来自VCSEL 2504的光。

代替允许封装体中的漫射器侧向散射光，还可以使用多透镜阵列2512。在这种情况下，透镜2512也位于封装体的内表面上。在一些实施例中，透镜阵列可以与VCSEL阵列2504不具有1:1的关系，以便改善光散射。来自VCSEL阵列2504的光可以冲击到阵列2512中的各个透镜上，并且来自一个VCSEL 2504的光通常冲击到不止一个透镜2512上。如同漫射器一样，大部分光通过漫射器转移以照亮视场，如箭头2514所示。然而，一部分光(在1％到20％的范围内)被散射回到封装体中，如2516所示。因为光以相对于透镜表面的一定范围的角度撞击透镜，所以光被散射到大范围的角度内并因此以比用平坦的窗口表面将会实现的更高的角度侧向地透射。实线箭头2516表示光的散射。在一些实施例中，由于VCSEL 2504光将以较大范围的角度撞击各个透镜2512的事实，光可以以较大范围的角度从透镜2512的表面反射。其它光也可以在窗口2510散射到透镜玻璃层中，并且可以侧向地散射(如2520所示)，然后再次向下朝光电检测器2506散射。与漫射器实施例一样，光到达位于VCSEL阵列2504旁边的光电检测器的百分比高于仅依靠平坦玻璃表面的反射所获得的光的百分比。在一些实施例中，漫射器可以与窗口2510和/或漫射器(未示出)结合使用。

如本文所使用的术语“基本上”或“通常”是指动作、特性、性质、状态、结构、项目或结果的完全或几乎完全的范围或程度。例如，“基本上”或“通常”封闭的对象将会意味着对象被完全封闭或几乎完全封闭。在某些情况下，与绝对完全性的偏差的精确允许程度可以取决于具体的上下文。然而，一般而言，完成的接近度将是具有如获得了绝对且全部完成那样总体上相同的总体结果。当以否定含义使用以指代动作、特性、性质、状态、结构、项目或结果的完全或几乎完全缺失时，“基本上”或“通常”的使用同样适用。例如，“基本上不含”或“通常不含”元素的元素、组合、实施例或组成实际上仍然可以包含这种元素，只要所述元素总体上无显著效果即可。

为了帮助专利局和在本申请中发布的任何专利的任何读者解释所附的权利要求，申请人希望注意，除非在特定权利要求中明确使用了词语“用于……的方法”或“用于……的步骤”，否则他们不希望所附的权利要求或权利要求要素中的任何一条援引35U.S.C.§112(f)的规定。

另外，如本文所用，短语“[X]和[Y]中的至少一个”，其中X和Y是可以包含在本公开的实施例中的不同组件，意味着所述实施例可以包含组件X而不包含组件Y，所述实施例可以包含组件Y而不包含组件X，或者所述实施例可以包含组件X和组件Y两者。类似地，当如“[X]、[Y]和[Z]中的至少一个”等短语关于三个或更多个组件使用时，所述短语意味着这一实施例可以包括三个或更多组件中的任何一个任何组件的任何组合或子组合、或者所有组件。

在前述描述中，出于说明和描述的目的，已经给出了本公开的各个实施例。所述实施例不旨在是详尽的或将本发明限于所公开的精确形式。鉴于以上教导，明显的修改或变化是可能的。选择并描述了不同实施例，以便提供对本公开的原理和其实际应用的最佳说明并且使本领域普通技术人员能够利用如适于所构想的特定用途的具有各种修改的各个实施例。所有这种修改和变化均在如由所附权利要求书在根据其公平、合法且平等有权取得的广度解释时确定的本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种光学元件封装体，其包括：

光学元件；

光敏传感器，所述光敏传感器被配置成测量由所述光学元件发射的光；

跨阻放大器，所述跨阻放大器电耦合到所述光敏传感器，其中所述放大器被配置成从所述光敏传感器接收第一信号；以及

比较器，所述比较器电耦合到所述跨阻放大器，其中所述比较器被配置成从所述跨阻放大器接收第二信号并且进一步将所述第二信号与参考值进行比较。

2.根据权利要求1所述的光学元件封装体，其中所述比较器包括具有滞后作用的高阻抗输入比较器。

3.根据权利要求1所述的光学元件封装体，其中所述光敏传感器包括耦合到所述光学元件封装体的光电二极管。

4.根据权利要求1所述的光学元件封装体，其中所述光学元件包括VCSEL。

5.根据权利要求1所述的光学元件封装体，其进一步包括错误信号单元，所述错误信号单元电耦合到所述比较器并且被配置成发射错误信号。

6.根据权利要求5所述的光学元件封装体，其进一步包括控制切换单元，所述控制切换单元被配置成在从所述错误信号单元接收到所述错误信号后切换向所述光学元件的供电。

7.根据权利要求1所述的光学元件封装体，其进一步包括驱动器控制器单元，所述驱动器控制器单元被配置成自动设置参考值。

8.一种检测光学元件封装体中的不安全操作变化的方法，所述方法包括：

测量从所述光学元件封装体内的光学元件接收的信号；

将所述信号与预期参考值进行比较；以及

在所述信号与所述预期参考值不同的情况下发射错误信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括在所述信号与预期参考信号不同的情况下执行一个或多个校正动作。

10.根据权利要求9所述的方法，其中执行一个或多个校正动作包括使所述光学元件断电。

11.根据权利要求8所述的方法，其中测量从光学元件接收的信号进一步包括使用所述光学元件封装体内的光电二极管。

12.一种光学元件封装体，其包括：

光学元件和光电二极管，所述光学元件和光电二极管布置在底座上；

窗口，所述窗口被配置和布置成允许从所述光学元件发射的光穿过所述窗口；以及

一个或多个微透镜，所述一个或多个微透镜被布置成使得来自所述光学元件的所述光接触所述一个或多个微透镜。

13.根据权利要求12所述的光学元件封装体，其中所述光学元件包括一个或多个VCSEL装置。

14.根据权利要求12所述的光学元件封装体，其中所述一个或多个微透镜布置在所述窗口的一部分上。

15.根据权利要求12所述的光学元件封装体，其中所述一个或多个微透镜被布置成不规则图案。

16.根据权利要求12所述的光学元件封装体，其中所述一个或多个微透镜被布置成规则阵列图案。

17.根据权利要求12所述的光学元件封装体，其中所述一个或多个微透镜被定位成使得来自所述光学元件的大部分光穿过所述窗口。

18.根据权利要求12所述的光学元件封装体，其进一步包括间隔物，所述间隔物布置在所述底座与所述窗口之间。

19.根据权利要求12所述的光学元件，其中从所述光学元件发射的所述光的至少20％散射回到所述光学元件封装体中。

20.根据权利要求12所述的光学元件，其中所述一个或多个微透镜布置在所述窗口上，以便与从所述VCSEL装置发射的光的中心轴对准。

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