CN112234432B - 一种多芯片可寻址的tof发射模组及激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种多芯片可寻址的TOF发射模组及激光器。该多芯片可寻址的TOF发射模组，包括基板以及设置于基板一侧的控制驱动芯片、至少两个激光发生器芯片和与激光发生器芯片一一对应的电路开关，电路开关与控制驱动芯片电连接，电路开关用于根据控制驱动芯片输出的控制信号导通或关断，激光发生器芯片分别与电路开关电连接，激光发生器芯片用于在电路开关导通时，与导通的电路开关连接的激光发生器芯片发射激光。本发明的技术方案通过控制驱动芯片根据实际需要控制至少两个激光发生器芯片依次发光，在保证FOI区域亮度的同时，降低了激光发生器芯片的工作状态占空比，降低热量累计，提升工作效率，降低了散热难度。

Description

一种多芯片可寻址的TOF发射模组及激光器
技术领域
本发明实施例涉及激光发射技术领域，尤其涉及一种多芯片可寻址的TOF发射模组及激光器。
背景技术
TOF(飞行时间测距法，Time of flight)的工作原理是向目标发射信号光脉冲，接收被反射的光信号，比较发射信号与接收信号的时间差，获得目标的深度信息。TOF通常使用边缘发射激光器（EEL）或激光发生器芯片（VCSLE）等激光器作为信号源。由于光信号在传播过程中的发散，光信号的照度随着距离的增大而衰减，反射光信号的信噪比也因此减弱，因此TOF的探测距离受光信号强度的制约。将出光准直成发散角小的光斑，可以降低信号随距离的衰减。机械式雷达（lidar）通过反射振镜，以准直光斑扫描ROI（region ofinterest）获得光信号，此方法对反射振镜的稳定性和可靠性要求很高，体积大，帧率低，成本高。通过转换，也可以将大发散角的光源转换为小发散角的分立光斑，但此时接收端成像的像素受到光斑数量的限制，因此对ROI区域成像的像素低。
而若使用泛光照明（flash lidar），可以提高接收端的成像质量和刷新帧率，在动态识别上具有显著的优势。但当要求的探测距离较远时，需要很高的信号功率，这对激光器的散热要求很高，因此增大TOF模组的成本。
现有的泛光照明探测距离较远时，TOF模组需要很高的信号功率，对激光器的散热要求很高的问题成为业内亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种多芯片可寻址的TOF发射模组及激光器，以解决现有的泛光照明探测距离较远时，TOF模组需要很高的信号功率，对激光器的散热和可靠性要求很高的问题。
为实现上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种多芯片可寻址的TOF发射模组，包括：
基板以及设置于基板一侧的控制驱动芯片、至少两个激光发生器芯片和与激光发生器芯片一一对应的电路开关；
电路开关与控制驱动芯片电连接，电路开关用于根据控制驱动芯片输出的控制信号导通或关断；
激光发生器芯片分别与电路开关电连接，激光发生器芯片用于在电路开关导通时，与导通的电路开关连接的激光发生器芯片发射激光。
进一步地，基板包括焊盘，激光发生器芯片的负极通过焊盘接地；
激光发生器芯片的正极分别通过金线与电路开关电连接。
进一步地，基板包括驱动电源接入端，驱动电源接入端与激光发生器芯片电连接，驱动电源接入端用于输入电源信号驱动激光发生器芯片。
进一步地，所述多芯片可寻址的TOF发射模组还包括：光学支架，光学支架设置于基板上，光学支架与基板形成空腔，激光发生器芯片设置于空腔内。
进一步地，所述多芯片可寻址的TOF发射模组还包括：光学元件和透镜，光学元件通过光学支架支撑，透镜设置于光学元件上且与激光发生器芯片一一对应，或者，一片透镜对应至少两个激光发生器芯片。进一步地，透镜包括投影透镜、菲涅尔透镜或衍射光学元件。
进一步地，激光发生器芯片阵列排布。
进一步地，每个激光发生器芯片的出光在经过透镜的折射后，折射至不同的视场区域，其对应的角为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 796317DEST_PATH_IMAGE002
为长度方向的张角；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为宽度方向的张角；
Figure 133888DEST_PATH_IMAGE004
为第i个所述激光发生器芯片发光面的长度；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为第i个所述激光发生器芯片发光面的宽度；
Figure 557392DEST_PATH_IMAGE006
为第i个所述激光发生器芯片对应的焦距。
进一步地，第i个所述激光发生器芯片产生的面光斑中心与光轴的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为：
Figure 28825DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为激光发生器芯片的中心位置与透镜的光轴的间距。
第二方面，本发明实施例提供一种激光器，包括第一方面任意所述多芯片可寻址的TOF发射模组。
本发明实施例提供的多芯片可寻址的TOF发射模组，包括基板以及设置于基板一侧的控制驱动芯片、至少两个激光发生器芯片和与激光发生器芯片一一对应的电路开关，电路开关与控制驱动芯片电连接，电路开关用于根据控制驱动芯片输出的控制信号导通或关断，激光发生器芯片分别与电路开关电连接，激光发生器芯片用于在电路开关导通时，与导通的电路开关连接的激光发生器芯片发射激光。通过控制驱动芯片根据实际需要控制至少两个激光发生器芯片依次发光，在保证FOI区域亮度的同时，降低了激光发生器芯片的工作状态占空比，降低热量累计，提升工作效率，降低了散热难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种多芯片可寻址的TOF发射模组的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种多芯片可寻址的TOF发射模组的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的又一种多芯片可寻址的TOF发射模组的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的又一种多芯片可寻址的TOF发射模组的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的又一种多芯片可寻址的TOF发射模组的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种多芯片可寻址的TOF发射模组的FOI区域多颗激光发生器芯片的光斑叠加的示意图；
图7是本发明实施例提供的一种多芯片可寻址的TOF发射模组的激光发生器芯片的照度补偿的示意图；
图8是本发明实施例提供的一种多芯片可寻址的TOF发射模组的激光发生器芯片的出射激光的示意图。
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是本发明实施例提供的一种多芯片可寻址的TOF发射模组的结构示意图。参见图1，本发明实施例提供的多芯片可寻址的TOF发射模组包括基板1以及设置于基板1一侧的控制驱动芯片2、至少两个激光发生器芯片3和与激光发生器芯片3一一对应的电路开关4，电路开关4与控制驱动芯片2电连接，电路开关4用于根据控制驱动芯片2输出的控制信号导通或关断，激光发生器芯片3分别与电路开关4电连接，当电路开关4导通时，与导通的电路开关4连接的激光发生器芯片3发射激光。
具体地，控制驱动芯片2可以通过SMT工艺焊接到基板1上，基板1可以是氮化铝（AlN）或其他具有良好导热性能的绝缘材料，控制驱动芯片2可以使用FPGA，STM32或ARM等具有多个I/O口的芯片，控制驱动芯片2可以对多个电路开关4进行独立控制。不同激光发生器芯片3的电路上的串联的电路开关4可以使用氮化镓场效应晶体管（GaN FET）或其他开关，激光发生器芯片3可以包括砷化镓（GaAs）或/铝家砷（AlGaAs）多量子阱结构，或磷化铟基（InP基）材料，激光发生器芯片3的波长可以是850nm、940nm、1350nm或根据需要设置的波长。GaN FET开关由FPGA或STM32等具有多个I/O引脚的芯片控制，通过控制I/O的电平，控制GaN FET开关的导通和关闭，多颗激光发生器芯片3可以是不同功率或形状的，以在FOI区域得到特定的光强分布和形状，多颗激光发生器芯片3单独控制的工作模式，能够在应用中智能选择TOF模组中激光发生器芯片3的工作数量、发光功率或频率，可根据实际应用场景的需要，例如距离或环境光等来自适应调节。
本实施例提供的多芯片可寻址的TOF发射模组通过控制驱动芯片根据实际需要控制至少两个激光发生器芯片依次发光，在保证FOI区域亮度的同时，降低了激光发生器芯片的工作状态占空比，降低热量累计，提升工作效率，降低了散热难度。
可选地，图2是本发明实施例提供的另一种多芯片可寻址的TOF发射模组的结构示意图。在上述实施例的基础上，参见图2，基板1包括焊盘11，激光发生器芯片3的负极通过焊盘11接地；激光发生器芯片3的正极分别通过金线5与电路开关4电连接。
具体的，基板1可以为陶瓷基板或其它线路板，具有散热功能和电路功能，基板1的焊盘11包括多个正极焊盘pad和负极焊盘pad，基板1上可贴装多颗激光发生器芯片3。激光发生器芯片3的负极可以由银胶或焊料或其他材料进行焊接，激光发生器芯片3的正极由金线5焊接至基板1，金线5可以采用99.99%的金。
可选地，图3是本发明实施例提供的又一种多芯片可寻址的TOF发射模组的结构示意图。在上述实施例的基础上，参见图3，基板1包括驱动电源接入端6，驱动电源接入端6与激光发生器芯片3电连接，驱动电源接入端6用于输入电源信号驱动激光发生器芯片3。
具体的，驱动电源接入端6可以有多个不同电压或电流的驱动电源接入，以对不同的激光发生器芯片3输出不同的功率，或使用电压分配芯片产生不同的输入功率，为驱动电源接入端6输入电源。
可选地，图4是本发明实施例提供的又一种多芯片可寻址的TOF发射模组的结构示意图。在上述实施例的基础上，参见图4，所述的TOF发射模组还包括光学支架7，光学支架7设置于基板1上，光学支架7与基板1形成空腔，激光发生器芯片3设置于空腔内。
具体的，光学支架7可以与基板1一体成型，光学支架7也可以与基板1相互独立成型，基板1与光学支架7连接在一起，光学支架7的材料可以是陶瓷材料，也可以是树脂类材料或金属材料。
可选地，继续参见图4，所述的TOF发射模组还包括光学元件10和透镜8，光学元件10通过光学支架7支撑，透镜8设置于光学元件10上且与激光发生器芯片3一一对应，或者，一片透镜8对应至少两个激光发生器芯片3。
具体的，透镜8可以与光学元件10一体成型或者分立设置于光学元件10上。光学元件10和透镜8均可以为透明的，可以采用透明的UV胶或透明的热固胶将透镜8固定到光学元件10上。光学元件10的材料可以为透明的玻璃，树脂或石英等。
可选地，继续参见图4，透镜8可以包括投影透镜、菲涅尔透镜或衍射光学元件。
具体的，投影透镜、菲涅尔透镜或衍射光学元件的材料可以是玻璃、石英或树脂材料。
具体的，继续参见图4，激光发生器芯片3发射的激光通过透明的光学元件10和透镜8射出，多颗激光发生器芯片3由多个电路开关控制发光或不发光，控制驱动芯片通过软件和设定的规则，依次分批点亮多颗激光发生器芯片3，例如激光发生器芯片3可以为VCSEL，激光发生器芯片3发射激光信号，激光信号出射至透镜8，激光信号通过透镜8的折射，依次照亮FOI区域，FOI区域的物体反射光信号，反射的信号被传感器sensor捕获，sensor通过比较发射信号与接收信号的时间差，获得物体与多芯片可寻址的TOF发射模组的距离信息，完成3D建模等功能。
可选地，图5是本发明实施例提供的又一种多芯片可寻址的TOF发射模组的结构示意图。在上述实施例的基础上，参见图5，激光发生器芯片3阵列排布。
具体的，图5示例性地画出分别沿第一方向Q和第二方向N，激光发生器芯片3阵列排布的情况，其中，第一方向Q和第二方向N相互垂直。独立控制每颗激光发生器芯片3上的驱动功率，或使用不同功率的激光发生器芯片3组合，容易在FOI区域得到理想的光强分布，实现FOI区域多颗激光发生器芯片3的光斑叠加，对sensor端进行有效的照度补偿，或实现对FOI区域的形状进行调节，使sensor得到强度均匀的激光信号。图6是本发明实施例提供的一种多芯片可寻址的TOF发射模组的FOI区域多颗激光发生器芯片3的光斑叠加的示意图。结合图5和图6，图5中圆形表示透镜8，矩形表示激光发生器芯片3，矩形框的面积可以表示每颗激光发生器芯片3上的驱动功率的大小。多颗激光发生器芯片3可以设置于透镜8的不同位置，每颗激光发生器芯片3上的驱动功率大小可以相同或不同。图6中矩形覆盖区域F1表示图5中对应位置的激光发生器芯片3产生的光斑，阴影区域F2表示FOI区域多颗激光发生器芯片3产生的光斑叠加。图7是本发明实施例提供的一种多芯片可寻址的TOF发射模组的激光发生器芯片的照度补偿的示意图。结合图5至图7，激光发生器芯片3可以包括第一激光发生器芯片3A1和第二激光发生器芯片3A2。多芯片可寻址的TOF发射模组由发射端和接收端组成，发射端的信号光到达白屏或目标物体会发生漫反射，部分漫反射光被传感器sensor接收。由于漫反射遵循朗伯原理，
Figure 896418DEST_PATH_IMAGE010
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为物体法向的漫反射光强度，
Figure 998366DEST_PATH_IMAGE012
为激光发生器芯片3的出射光与光轴w之间的夹角。当
Figure 443254DEST_PATH_IMAGE012
增大，sensor的等效受光面积会缩小；所以对面阵感光sensor，对应于较小的
Figure DEST_PATH_IMAGE013
角度的像素收到的光强要显著大于对应于较大的
Figure 390481DEST_PATH_IMAGE013
角度的像素收到的光强，为了在sensor上接收到比较均匀的光强即照度补偿的目的，激光发生器芯片3如图5和图6的阵列排布方式所示，图5示例性地示出大角度的区域，即图5中阵列中的第一排的第一区域和第三区域以及第三排的第一区域和第三区域，图5中阵列中的第一排的第一区域和第三区域以及第三排的第一区域和第三区域内的激光发生器芯片3的角度较大，需要使用更大的功率，使用多芯片与多透镜的组合，可以实现对照度补偿的作用。
可选地，图8是本发明实施例提供的一种多芯片可寻址的TOF发射模组的激光发生器芯片的出射激光的示意图。在上述实施例的基础上，参见图8，每个激光发生器芯片3的出光在经过透镜8的折射后，折射至不同的视场（FOV）区域，其对应的角近似为：
Figure 237214DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 837960DEST_PATH_IMAGE002
为长度方向的张角；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为宽度方向的张角；
Figure 179598DEST_PATH_IMAGE004
为第i个所述激光发生器芯片发光面的长度；
Figure 523992DEST_PATH_IMAGE005
为第i个所述激光发生器芯片发光面的宽度；
Figure 225232DEST_PATH_IMAGE006
为第i个所述激光发生器芯片对应的焦距。可选地，继续参见图8，激光发生器芯片3产生的面光斑中心与光轴的夹角
Figure 137824DEST_PATH_IMAGE007
为：
Figure 291725DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为激光发生器芯片3的中心位置与透镜8的光轴的间距。
具体地，参见图8，当激光发生器芯片3和光轴w的间距较大时，激光发生器芯片3的出射光的角度
Figure 846334DEST_PATH_IMAGE018
较大，对应的FOI区域面积会变大，对sensor而言，激光发生器芯片3的出射光的角度
Figure DEST_PATH_IMAGE019
较大对应的像素面积也会增大。由于目标是在sensor各像素上实现相同的照度，因此当激光发生器芯片3和光轴w的间距较大时，会对应于产生图6中的第一排的第一区域和第三区域以及第三排的第一区域和第三区域的子光斑，其激光发生器芯片3需要更大的光功率，需要进行补偿。TOF接收器也就是sensor的每个像素等大，并且要求得到照度均匀的图像，通过进行照度补偿可以在sensor上实现相同的照度，不出现黑边或黑角落。结合图1至图8，对不同的激光发生器芯片3，控制与激光发生器芯片3对应的透镜8的焦距f，以及控制透镜8的光轴w与激光发生器芯片3发光面中心的垂直间距
Figure 933239DEST_PATH_IMAGE009
，可以控制不同激光发生器芯片3产生的光斑填满FOI区域，不产生空洞。激光发生器芯片3与透镜8的间距应与透镜8焦距f有一定偏差，从而避免在FOI区域形成较为清晰的发光面的像。当需要较大偏折角度
Figure 16732DEST_PATH_IMAGE020
时，需要使用功率密度更高的激光发生器芯片3，或使用更高的驱动电流或驱动电压，以实现照度补偿。
本发明实施例提供一种激光器包括上述任意实施例所述的多芯片可寻址的TOF发射模组。具有上述多芯片可寻址的TOF发射模组的有益效果，在此不再赘述。
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 (8)

1.一种多芯片可寻址的TOF发射模组，其特征在于，包括：
基板以及设置于所述基板一侧的控制驱动芯片、至少两个激光发生器芯片和与所述激光发生器芯片一一对应的电路开关；
所述电路开关与所述控制驱动芯片电连接，所述电路开关用于根据所述控制驱动芯片输出的控制信号导通或关断；
所述激光发生器芯片分别与所述电路开关电连接，所述激光发生器芯片用于在所述电路开关导通时，与导通的所述电路开关连接的所述激光发生器芯片发射激光；
所述基板包括焊盘，所述激光发生器芯片的负极通过所述焊盘接地；
所述激光发生器芯片的正极分别通过金线与所述电路开关电连接；
光学支架，所述光学支架设置于所述基板上，所述光学支架与所述基板形成空腔，所述激光发生器芯片设置于所述空腔内；
光学元件和透镜，所述光学元件通过所述光学支架支撑；所述透镜设置于所述光学元件上；
所述激光发生器芯片包括VCSEL；
所述激光发生器芯片的功率或形状不同；
不同激光发生器芯片设置于对应所述透镜的位置不同。
2.根据权利要求1所述多芯片可寻址的TOF发射模组，其特征在于，
基板包括驱动电源接入端，所述驱动电源接入端与所述激光发生器芯片电连接，所述驱动电源接入端用于输入电源信号驱动所述激光发生器芯片。
3.根据权利要求1所述多芯片可寻址的TOF发射模组，其特征在于，所述透镜与所述激光发生器芯片一一对应，或者，一片所述透镜对应至少两个所述激光发生器芯片。
4.根据权利要求3所述多芯片可寻址的TOF发射模组，其特征在于，
所述透镜包括投影透镜、菲涅尔透镜或衍射光学元件。
5.根据权利要求3所述多芯片可寻址的TOF发射模组，其特征在于，
所述激光发生器芯片阵列排布。
6.根据权利要求5所述多芯片可寻址的TOF发射模组，其特征在于，
每个所述激光发生器芯片的出光在经过所述透镜的折射后，折射至不同的视场区域，其对应的角为：
θl＝li/fi，θw＝wi/fi
其中，θl为长度方向的张角；θw为宽度方向的张角；li为第i个所述激光发生器芯片发光面的长度；wi为第i个所述激光发生器芯片发光面的宽度；fi为第i个所述激光发生器芯片对应的焦距。
7.根据权利要求6所述多芯片可寻址的TOF发射模组，其特征在于，
第i个所述激光发生器芯片产生的面光斑中心与光轴的夹角θi为：
θi＝atan(di/fi)
其中，di为所述激光发生器芯片的中心位置与透镜的光轴的间距。
8.一种激光器，其特征在于，包括：权利要求1至7任一所述多芯片可寻址的TOF发射模组。
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