CN113970749A - 光源系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及光源系统。本公开涉及光源驱动系统，例如激光驱动系统。该系统被配置为包括用于驱动电流驱动信号的初始部分以开启光源的极低电感电流回路。通过将系统实现为具有非常低的电感电流回路，可以实现非常快的光源开启时间，这对于需要来自光源的非常快速开启响应的飞行时间系统特别有用。

Description

光源系统
技术领域
本发明涉及光源系统，例如可以用作飞行时间相机系统中的光源。
背景技术
飞行时间(ToF)相机系统是范围成像系统，它通过测量从ToF相机系 统发出的光信号的往返时间来解析相机与物体之间的距离。这些系统通常 包括光源(例如激光器或LED)、控制光源发出的光的光源驱动器、对对 象反射的光成像的图像传感器、控制图像传感器的操作的图像传感器驱动 器、用于对从光源发出的光进行整形并将物体反射的光聚焦到图像传感器 上的光学器件、以及被配置为通过确定来自光源的光发射和来自物体的相 应反射之间的时间量来确定到物体的距离的计算单元。
ToF相机系统可以测量几厘米到100或1000米的距离。考虑到光速很 高，光的发射和反射光的接收之间只有16.66ns的时间差对应于距离相机 系统2.5m的物体。因此，ToF相机系统需要高水平的时间精度和控制才能 准确测量距离。
发明内容
本公开涉及光源驱动系统，例如激光驱动系统。该系统被配置为包括 用于驱动电流驱动信号的初始部分以打开和关闭光源的极低电感电流回 路。通过将系统实现为具有非常低的电感电流回路，光源可以实现非常快 的开启时间，这对于需要来自光源的非常快的开启响应或调制频率的飞行 时间系统特别有用。
在本公开的第一方面，提供光源系统，包括：基板；安装在所述基板 表面上的光源，其中所述光源包括：具有上端子的上表面；和安装表面， 导电地固定到所述基板表面并具有下端子，所述光源被配置为通过在所述 上端子和所述下端子之间流动的电流而开启，垂直电容器，用于提供第一 部分电流以驱动所述光源，其中所述垂直电容器包括：上表面，包括到所 述垂直电容器的第一板的上端子，其中所述垂直电容器的上端子电耦合到 上端子光源；和安装表面，导电地固定到所述基板表面并且包括到所述垂 直电容器的第二板的下端子；和电流驱动器，安装在所述基板表面上并耦 合到所述光源和所述垂直电容器，用于控制从所述垂直电容器到所述光源 的电流流动，以便控制所述光源的操作，其中所述基板包括电压端子，该 电压端子电耦合到所述垂直电容器用于提供驱动所述光源所需的电流的 第二部分。
所述基板的电压端子可通过第一互连器电耦合到所述垂直电容器的 上端子。
所述基板表面和所述光源的上端子之间的距离可以与所述光源表面 与所述垂直电容器的上端子之间的距离基本相同(例如在25％以内)。
所述光源安装可以在使用导电底座的基板表面上，所述导电底座具有 这样的厚度，该厚度使得所述基板表面和所述光源的上端子之间的距离与 所述基板表面和所述垂直电容器的上端子之间的距离基本相同。
所述电流驱动器可以是低侧驱动器，并且所述光源的下端子可以通过 所述电流驱动器电耦合到所述垂直电容器的下端子，其中所述垂直电容器 的上端子通过第二互连器电耦合到所述光源的上端子，使得当所述光源导 通时，电流从所述垂直电容器的上端子流向所述光源的上端子，再从所述 光源的下端子经过所述电流驱动器回到垂直电容器。
第一交互器可以包括一个或多个键合线。
所述基板可以包括：所述光源的下端子和所述电流驱动器的第一端子 导电固定的第一导电路径(例如第一导电迹线)，使得当所述光源导通时， 电流通过所述第一导电路径从所述光源的下端子流向所述电流驱动器的 第一端子；和所述垂直电容器的下端子和所述电流驱动器的第二端子导电 固定的第二导电路径(例如第二条导电迹线)，使得当所述光源导通时， 电流通过所述第二导电路径从所述驱动器的第二端子流向所述垂直电容器的下端子。
所述第二导电路径可以保持在参考电位，例如接地。
所述电流驱动器可以是高侧驱动器，并且所述垂直电容器的上端子可 以通过所述电流驱动器电耦合到所述光源的上端子。
所述基板可以包括：所述光源的下端子和所述垂直电容器的下端子导 电固定的参考电压导电路径，使得当所述光源导通时，电流通过所述第一 导电路径从所述光源的下端子流向所述垂直电容器的下端子。
所述参考电压导电路径的一部分可以流过电流驱动器下方，使得当所 述光源导通时，电流通过所述参考电压导电路径从所述光源的下端子流向 所述垂直电容器的下端子，在所述电流驱动器下方与电流从所述垂直电容 器的上端子流向所述光源的上端子的方向基本相反。
所述高侧电流驱动器可以包括：第一表面，具有第三端子和第四端子； 和固定到所述基板表面的第二表面，其中所述垂直电容器的上端子通过第 三互连器耦合到所述电流驱动器的第三端子，并且所述电流驱动器的第四 端子通过第四互连器耦合到所述光源的上端子。
其中，第三互连器可以包括一根或多根键合线，并且第四互连器可以 包括一根或多根键合线。
所述光源的上端子、所述垂直电容器的上端子和所述电流驱动器的第 三与第四端子可以均与所述基板表面的距离基本相同。
在本公开的所有方面，所述第一互连器可以包括：导电平台，具有导 电固定到电压端子的安装表面和从所述基本表面的距离与所述垂直电容 器的上端子基本相同的上表面；和至少一个导电元件，固定到所述导电平 台的上表面和所述垂直电容器的上端子。
在本公开的所有方面，基板可以是PCB的非导电基板。
光源系统还可包括用于提供电流的第三部分以驱动所述光源的另外 的电容器，其中所述另外的电容器具有比所述垂直电容器更大的电容，和 其中所述垂直电容器、所述光源和所述电流驱动器耦合在一起形成第一电 流回路，和其中所述另外的电容器、所述光源和所述电流驱动器耦合在一 起以形成第二电流回路。
光源系统还可包括第二垂直电容器，其中所述第二垂直电容器包括： 上表面包括到所述第二垂直电容器的第一板的上端子，其中所述第二垂直 电容器的上端子电耦合到所述光源的第二上端子，其中所述光源的第一上 端子位于所述光源上表面的第一侧，并且所述光源的第二上端子位于所述 光源的上表面的第二相对侧；和安装表面，导电地固定到所述基板表面并 且包括到所述垂直电容器的第二板的下端子，其中所述第二垂直电容器电 耦合到所述基板的电压端子，并位于所述光源的与所述第一垂直电容器的 位置相对侧上，使得当光源导通时，电流从所述第一垂直电容器流向所述 光源的方向与从第二垂直电容器流向所述光源的电流的方向基本相反。
在本公开的第二方面，提供光源系统，包括：包括电流驱动器的驱动 器IC；安装在所述驱动器IC表面上的光源，其中所述光源包括：第一端 子；和在所述光源的安装表面上的第二端子，所述光源的第二端子导电结 合到所述驱动器IC表面上的电流驱动器的第一端子；和安装在所述驱动 器IC表面上的电容器，其中所述电容器包括：到所述电容器的第一板的 第一端子，所述第一端子导电结合到所述电源电压和所述光源的第一端 子，使得当所述光源导通时，电流从所述电容器的第一板流向所述光源的 第一端子；和到所述电容器的第二板的第二端子，所述电容器的第二端在 所述电容器的安装表面上，并导电结合到所述驱动器IC表面上的电流驱 动器的第二端子，使得当所述光源导通时，电流通过所述电流驱动器从所 述光源的第二端子流向所述电容器的第二板。
所述电容器可以是垂直硅电容器，其中所述电容器的第一端子在所述 电容器的上表面。电容器的第一端子可以使用结合线耦合到光源的第一端 子。
或者，所述电容器可以是横向硅电容器，其中所述电容器的第二端子 在所述电容器的安装表面上，并导电结合到所述驱动器IC导电路径，所 述驱动器IC导电路径电耦合到所述光源的第一端子。光源的第一端子可 以在光源的上表面上，并且驱动器IC导电路径使用结合线电耦合到光源 的第一端子。或者，光源的第一端子可以在光源的安装表面上，并且驱动 器IC导电路径使用导电结合电耦合到光源的第一端子。
在本公开的第三方面，提供激光驱动器电路，包括：激光器；第一电 容器，耦合到所述激光器用于提供电流以驱动所述激光器，其中所述第一 电容器具有第一电容；第二电容器，耦合到所述激光器用于提供电流以驱 动所述激光器，其中所述第二电容器具有大于所述第一电容的第二电容； 电流驱动器，耦合到所述激光器、所述第一电容器和所述第二电容器，用 于控制所述激光器与所述第一和第二电容器之间的电流流动，其中所述激 光器、所述电流驱动器和所述第一电容器一起形成第一电流电路，和其中 所述激光器、所述电流驱动器和所述第二电容器一起形成第二电流电路， 和其中所述第一电流电路的电感相对小于所述第二电流电路的电感。
第一电容器可以是垂直硅电容器，其下表面导电地结合到电容器表面 上的导电迹线。
激光器可以安装在基板表面上，其中第一电容器的上表面上的上端子 电耦合到激光器的上表面上的上端子，使得当激光器导通时，驱动电流从 第一电容器的上端子流向激光器的上端子。
所述第一电容器可以通过下列方式耦合到所述电流驱动器：将其中电 流驱动器形成并导电接合所述第一电容器端子的集成电路的表面上的第 一电容器安装到所述集成电路表面上的第一端子。通过将激光器安装在集 成电路的表面上并将激光器的端子导电结合到集成电路表面上的第二端 子，激光器可以耦合到电流驱动器。
附图说明
参考以下附图描述了本公开的方面，其中：
图1A和1B示出了封装的光源模块的示例表示；
图1C显示了安装在PCB上的图1A和1B的封装光源模块；
图1D示出了代表图1A和1B的光源模块的电路图；
图1E显示了理想驱动电流信号和理想光源光功率信号的表示；
图2A示出了根据本公开的一方面的光源系统；
图2B示出了图2A系统配置的电路图表示；
图3A示出了图2A的系统的第一电容器和光源的侧视图；
图3B示出了图2A的系统的第一电容器和光源的另一侧，其具有用于 升高光源高度的平台；
图3C示出了图2A的系统的第一电容器和光源的更进一步的侧面，具 有额外的平台以提高电压端子的高度；
图3D示出了图2A系统的第一电容器和光源的另一侧，其中导电桥用 于形成电耦合；
图4A示出了根据本公开的一方面的又一光源系统；
图4B表示图4A系统的电路图。
图5A示出了根据本公开的一方面的又一光源系统；
图5B表示图5A系统的电路图。
图6示出了根据本公开的一方面的又一光源系统；
图7A示出了根据本公开的一方面的又一光源系统；
图7B显示了图7A的系统的侧视图；
图8A示出了根据本公开的一方面的又一光源系统；
图8B表示图8A系统的电路图。
图9示出了根据本公开的一方面的又一光源系统；
图10A示出了根据本公开的一方面的又一光源系统；
图10B表示图10A系统的电路图。
图10C显示了图10A的系统的侧视图；
图11A示出了根据本公开的一方面的又一光源系统；
图11B表示图11A系统的电路图。
图12示出了根据本公开的一方面的又一光源系统；
图13A示出了根据本公开的一方面的又一光源系统；
图13B显示了图13A的系统的侧视图；
图13C示出了根据本公开的一方面的又一光源系统；
图13D示出了图13C的系统的第一电容器的侧视图；
图13E显示了图13C的系统的侧视图；
图13F示出了根据本公开的一方面的又一光源系统；
图13G显示了图13F的系统的侧视图；
图14A和14B示出了可用于将第一电容器耦合到电源电压端子的导电 夹的表示。
具体实施方式
许多因素可能会影响ToF相机系统测量物体距离的精度。这些因素之 一是从光源发出的光的性质。例如，环境光干扰会影响距离/深度确定的准 确性。通常，用相对高频的调制信号调制发射的光可以减少环境光干扰。 然而，最大可实现频率可能受到驱动光源的信号的上升和下降时间的限 制。
此外，精确距离/深度测量的范围可能受到发射光的峰值功率的限制。 增加发射光的峰值功率，同时保持在眼睛安全范围内，可以增加系统可以 准确测量的最大深度。
深度测量中的噪声、光源调制频率与检测到的信号光子数之间的关系 可以从下式看出：
Figure BDA0003176415690000071
其中：
σ＝深度噪音
c＝光逮
A信号＝检测的信号光子的平均数
B背景＝检测的背景光子的平均数
fmod＝调制频率
MC＝调制对比度
增加发射光的峰值功率应该会增加Asignal。增加发射光的调制频率也 应该降低整体深度噪声的不确定性。仅作为示例，发明人已经认识到，如 果光源是垂直腔面发射激光器(VCSEL)，那么，如果光源驱动信号能够 提供4A范围内的峰值电流，则可以实现良好的深度测量范围并且σ可以保 持在期望的水平内，上升和下降时间在600ps左右。对于几米范围内的成 像对象，调制频率可能在50到400MHz的范围内，并且可以在多个捕获 帧上使用多个频率来处理不同距离的相位展开。调制光在每帧10微秒(uS) 范围内爆发，对于近距应用，通常每1-2毫秒在10微秒范围内爆发，对于 较长投射应用，通常在100微秒(uS)范围内爆发。然而，应当理解，本文 公开的方面不仅限于这些特定参数，并且系统可以被配置为递送其他水平 的峰值电流、上升/下降时间、调制频率和突发周期。
因此，为了提高精度和测量范围，希望从光源发射用相对高频调制信 号调制的高峰值功率光信号。这需要将高电流驱动信号传送到光源，以在 相对较短的上升和下降时间内实现高峰值电流。
然而，以较大的电流和较短的上升和下降时间来驱动光源存在许多挑 战。特别是，光源驱动器电路中的固有电阻和电感不仅会导致电损耗(从 而增加实现光源特定光功率输出所需的电流量)，还会减慢电流电平之间 的电路转换，从而缓慢开启和关闭。
考虑到这一挑战，发明人设计了适用于ToF相机系统的各种光源系统 设计。在那些设计中，系统包括低电感电流回路/电路，其被设计为以非常 短的上升和/或下降时间提供光源驱动电流的第一部分。低电感回路包括第 一电容器，该电容器紧邻光源定位并耦合到光源和驱动器电路。由于靠近， 由第一电容器、光源和光源驱动器形成的电流回路/电路的尺寸非常小，从 而使电感最小化。第一个电容器提供用于开启光源的初始电流，并且由于 环路的低电感，初始电流的上升时间可能非常短。此外，驱动器电流和电 源所需的裕量可以更低，从而实现更节能的解决方案。
可选地，还可以存在第二更高电感回路，第二回路包括比第一电容器 大的第二电容器并且可以在初始开启之后补充第一电容器上的电荷和/或 驱动光源。第二电容器与光源和光源驱动器没有如此紧密地耦合。这样， 由第二电容器、光源和光源驱动器形成的电流回路/电路的电感大于由第一 电容器、光源和光源驱动器形成的电感。在替代方案中，可以省略第二电 容器并且可以补充第一电容器并且可以在初始开启之后由电源电压驱动光源。以这种方式，光源可以最初以较低电感电流回路中的电流供应，从 而改善电流信号上升时间，然后在驱动信号的“稳态”期间提供更高电感电 流回路中的电流，从而在驱动信号持续时间内维持高峰值电流。由于所达 到的上升时间最初受驱动电路的电感影响最大，因此可以实现快速上升时 间和高峰值电流。电源电压可提供对两个电容器再充电所需的电流并维持 更长的电流突发周期。
还公开了使第一电流回路的电感最小化的各种设计细节。例如，将第 一电容器实现为垂直电容器，使得安装元件的基板平面与光源的上端子所 在平面之间的电流垂直平移的一部分由第一电容器执行。这减少/消除了对 纯粹专用于在这两个平面之间传导电流的任何特征的需求，例如导电通 孔，从而进一步降低电感。在进一步的示例中，光源和第一电容器可以安 装在包含驱动电路的集成电路(IC)的表面上，从而最小化所形成的电流回路的物理尺寸，这进一步降低了电感。
图1A和1B示出了先前封装的光源模块110的示例表示，其遭受相对 高的电感驱动电路并且因此相对缓慢的上升和下降时间。光源是VCSEL 并且封装的光源模块110包括VCSEL 120和光电二极管130(出于眼睛安 全原因，其可用于测量光功率输出)。VCSEL 120的阳极端子122经由引 线接合142耦合到接合焊盘140，并且阴极端子在VCSEL 110的下侧上(因 此不可见)。
图1C示出了安装在PCB 160上的封装光源模块110。光源模块110 的焊盘140和阴极端子通过PCB 160耦合到驱动器IC 150。
图1D示出了表示系统100的电路图，其包括寄生电感、电阻和电容 的表示。应当理解，封装的VCSEL模块110中存在相对较高的等效串联 电感，其与PCB布线寄生相结合可以抑制电流驱动信号的上升时间。它们 还可能导致不需要的电共振。当电流快速变化时，驱动期间电感两端的压 降会导致电感两端的压降，从而降低驱动器的可用电压顺应性/净空。为了 弥补这一点，可以增加电源电压，但这会增加激光器驱动期间的功耗。因 此，希望减小电路电感以最小化激光器工作期间的功耗。
图1E示出了理想驱动电流信号和理想光功率信号以及通过图1C和 1D的布置实现的实际光功率和驱动器电流的表示。可以看出，驱动器电流 的上升和下降时间，以及因此从VCSEL 120输出的光功率，都比理想情况 慢。VCSEL的驱动信号不仅仅包含方波。特别是，可以添加预加重或波形 整形来尝试控制和改善光边沿速度或光谱内容，但它们都与环路电感作斗 争。
图2A示出了根据本公开的一方面的光源系统200。系统200包括光 源210，在这种情况下是VCSEL、光源驱动器220、第一电容器230和第 二电容器240。在这个例子中第一电容器230是低电感引线键合垂直电容 器。例如，它可以是硅电容器，例如Murata制作的可引线键合的垂直硅电 容器-https://www.murata.com/-/media/webrenewal/products/capacitor/silicon capacitors/pdf/silicon-capacitors-cataloguev15murata.ashx？la＝en&cvid＝20200 227020954000000.
这些垂直硅电容器可以用硅制成，并带有某种形式的沟槽，以增加给 定区域的有效电容表面。沟槽可以衬有一个电极，涂有绝缘体，然后涂有 第二电极。然后，第一电极可以通过重掺杂硅连接到电容器的底面，然后 用良好的金属导体涂覆该底面以形成端子，以便它可以适用于通过焊料或 等效物连接到系统中。可以以类似的方式在电容器的上表面上形成上电极 以允许引线键合或其他连接方法。然而，还有其他制造这种电容器的方法。
第一电容器230的上表面包括用于连接到第一电容器230的第一(顶) 极板的上端子。上端子耦合到电压端子，在该示例中，电压端子是通过接 合线232的电源电压迹线(可以是任何合适的电压，例如3.3V、或5V、 或11V等)。第一电容器230的上端子也通过接合线234耦合到VCSEL 210 的上表面上的上端子(在这种情况下，阳极端)，使得对第一电容器230的 上端子进行两个不同的连接。在此，当VCSEL开启时，电流可以从第一 电容器230和电源电压(如稍后解释的)提供到阳极端子。
第一电容器230的安装(下)表面包括用于连接到第一电容器230的第 二(底)板(图2A中不可见)的下端子。第一电容器的安装表面通过任何合适 的方式(例如焊接/凸点接合或导电粘合剂等)与参考电压传导路径导电接 合，在这种情况下，参考电压传导路径是通过任何合适的方式例如焊料/ 凸块接合或导电粘合剂等的PCB的接地迹线。VCSEL 210的安装(下) 表面包括下端子(在这种情况下，阴极端子)。下端子通过任何合适的方 式(例如金属对金属的接合或导电粘合剂等)导电地接合到阴极导电路径 (在该示例中为PCB的迹线)。VCSEL 210和第一电容器230的下端子 通过电流驱动器220通过将驱动器220的第一(电流输入)端子导电地接 合(例如焊料/凸点接合、导电粘合剂等)到阴极迹线并且将驱动器220的 第二(电流输出)端子导电地接合(例如芯片键合、焊料/凸点键合、导电 粘合剂等)到参考电压迹线而彼此耦合，使得当VCSEL导通时，来自 VCSEL阴极的电流驱动驱动器220并返回到第一电容器230的底板，其顶 板将电流传送到同一VCSEL 210的阳极。
在此示例中，所有表示的组件/元件都安装在PCB的绝缘基板上。然 而，应当理解，在该示例实施方式和以下所有其他示例实施方式中，可以 使用其他非PCB类型的基板，例如陶瓷基板。可以看出，导电路径(例如， 迹线)都在基板的同一侧，使得不需要诸如导电通孔的互连，这有助于减少 电路长度和电路电感。
图2B示出了系统200的配置的电路图表示。驱动器220被表示为包 括电流源/吸收器，但是为了简单起见没有表示驱动器220的其他组件(例 如用于打开和关闭VCSEL驱动电流)。驱动器220可以包括诸如FET的 晶体管器件，其具有受控的栅极电压以偏置晶体管以用作电流源/吸收器。 该晶体管还可以用作开关以打开和关闭电路电流，从而控制VCSEL210。 或者，驱动器220可以包括第二晶体管器件，该器件可以与电流源和 VCSEL串联，位于电流源的任一侧，电流源可以作为一个开关来打开或 关闭电路电流。可选地，可以有多个驱动晶体管形成数控电流，并且可以 通过多个驱动晶体管或其他方式将电流从一个非零电平调制到另一个非 零电平，以产生从一个电平到另一个电平所需的光源调制，而不仅仅是在 驱动器电流打开和关闭之间移动。可以看出，在该示例中，由于驱动器220 位于VCSEL210的阴极侧，因此驱动器220作为低侧驱动器工作。因此， 应当理解，驱动器/电流驱动器220可以替代地被称为配置为控制电路中电 流的开启和关闭或调制控制器/电流控制器。
第一电容器230非常靠近VCSEL 210和驱动器220。因此，由第一电 容器230、VCSEL210和驱动器220形成的电流回路相对较短。第一电容 器230和VCSEL 210可以位于相距100μm、200μm、500μm、1mm或2mm 的区域中。此外，第一电容230为垂直电容器，可以选择低电感设计，例 如硅垂直电容器。第一电容器230在高度上离VCSEL 210越近，组件可以 被定位在一起越近并且连接方法可以越短且越少环路。因此，由第一电容 器230、VCSEL 210和驱动器220形成的电流回路较短且电感较低。然而， 由于希望具有非常紧凑的设计，第一电容器230的电容值以及因此第一电 容器230可以传送到VCSEL 210的能量(短时间段内的电流)的量可以相 对小。第二电容器240位于更远离VCSEL 210和驱动器240的位置并且可 以具有相对较高的电感设计(与垂直电容器相比)。结果，由第二电容器 240、VCSEL 210和驱动器220形成的电流回路可以相对较长并且电感相 对较高(与第一回路相比)。然而，与第一电容器230相比，第二电容器240 可以具有相对较高的电容，并且因此能够以相对低的电流变化率向VCSEL 210输送相对大的电流，因为第一电容器230已经满足了高频需求。第二 电容器240可以是任何合适的设计或类型或组合的电容器，例如陶瓷电容 器、聚合物电容器和/或多种类型电容器的组合。在一个示例中，它可以是 安装在其上安装有VCSEL 210的基板上的SMD电容器，或者安装在别处 并且通过电缆或柔性连接。
当驱动器220开启驱动电流时，由于第一回路的电感相对较低，因 此第一电容器230应最初将驱动电流的第一部分提供给VCSEL 210。相 对较低的环路电感应导致该电流的上升时间较短，使得驱动电流的高频分 量可以由第一电容器230提供。第二电容器240应该提供驱动电流的第二 部分给VCSEL，并且电源电压应该提供第三部分的驱动电流给VCSEL， 同时也给第一电容230和/或第二电容240补足。由于包括第二电容器240 和电源电压的电路的环路电感较大，电源电压的阻抗较大，所以上升时间 可能比第一电容器230提供的电流的第一部分较长。然而，第二电容器240 可以提供的相对大的电流量和电源电压应该使电路能够在驱动信号的持 续时间内维持大的峰值电流。因此，这种布置意味着对于10s或100s的整 个照明操作周期，可以在高调制频率下(例如以10MHz到500MHz或更 高的顺序)以相对快的开关/上升时间(比如500ps的顺序，比如460ps， 或者520ps等)实现高驱动电流(例如4A的顺序，如3.5A或4.5A，或更 高)。
第一个电容器可能在10's-100'snF的范围内，以在调制频率的几个周 期的一部分上提供电流，纹波只有几百mV，而第二个电容器可能要大得 多(uFs到100'suF)，以维持10's或100'suS的电流传输和/或在脉冲串内 的调制频率的许多周期内平滑从电源汲取的电流。
可选地，可以选择第一电容器230的高度(即，第一电容器230的上表 面与安装它的基板表面之间的距离)以使其与VCSEL 210的高度(即 VCSEL 210的上表面与其安装的基板表面之间的距离)基本相同(例如， 在5％以内，或在10％以内，或在25％以内)。通常，VCSEL的厚度可以 在100μm或120μm的范围内。它们通常在此范围内以最小化厚度以改善从VCSEL传出的热传递并降低其串联阻抗，同时保持厚度以保持处理和 可靠性所需的刚度。然而，现在或将来有可能拥有更薄或更厚的VCSEL 和其他发光器件。此外，该厚度可能会受到5％或10％范围内的制造公差 的影响。因此应当理解，术语“基本上”并不意味着两个部件的高度完全相 同。相反，这意味着它们至少接近于处于相同的高度，在制造公差范围内 和/或在考虑到物理设备尺寸选择的限制的合理近似范围内。特别地，如果 设备高度相同，彼此相差在20-30％以内，例如在25％以内，则可以实现 显着的益处。例如，如果VCSEL具有100μm的标称厚度，则第一电容器 210的上端子与VCSEL的上端子的高度大致相同，其上端子的标称厚度可 在70-130μm范围内的任何位置(即，在+/-30％内)，或80-120μm范围内 的任何位置(即，在+/-20％内)。特别地，接合线234的长度可以由于接 合线必须行进较少的垂直距离而被最小化，而且还因为它使得第一电容器 230和VCSEL 210能够彼此更靠近地定位。这最大限度地减少了与键合线 相关的寄生电感和电阻。此外，可以减少接合线234的“回路”的数量，这 甚至进一步降低与接合线234相关联的电感。参考图3可以进一步理解这 一点。此外，电容器可以执行最初驱动VCSEL 210所需的大部分(如果不 是全部)电流的垂直转换，使得不需要专用于电流垂直传导的组件，从而 进一步降低电感。
虽然上述垂直电容器230是硅设计，但可以替代地使用其他类型的垂 直电容器。例如，有垂直电容器可以涂覆在基板的表面上，例如涂覆在图 2A示例中的参考电压迹线上，并以与上述参考图2A相同的方式对其两个 板进行三个导电条件。与VCSEL 210相比，这样的电容器可以相对薄，使 得它们基本上不处于相同的高度。然而，这样的设计仍然意味着电流从基 板表面到VCSEL上端子的一部分垂直平移由第一电容器230执行，与所 有垂直平移由仅执行电流传导的组件(例如通孔)完成的布置相比，这有 助于降低电感。此外，该设计使第一电容器230能够非常靠近VCSEL 210 定位，从而最小化电流回路的尺寸并降低电感。因此，即使当第一电容器 230是高度与VCSEL 210的高度基本不同的垂直电容器时，系统仍然可以 实现降低的电感，并因此凭借垂直电容器执行所需的垂直电流转换的一部分和/或实现更紧凑的电路布置，电流转换/改变的速度更快。
进一步可选地，根据第一电容器230和VCSEL 210的尺寸，可以使用 底座(也称为“嵌块”)来抬高第一电容器230和/或VCSEL 210的上表面 以使它们的上表面基本共面。图3A示出了第一电容器230的上表面和 VCSEL 210的上表面之间存在高度差Δh的布置。VCSEL 210可以安装在 导电材料上，例如铜，以在VCSEL 210的阴极和PCB的导电迹线之间形 成导电耦合。可以选择第一电容器230和VCSEL 210，使得它们之间可能 存在的任何高度差Δh足够小以致它们可以被认为处于基本上相同的高度。 然而，在高度差Δh较大的情况下，可以使用台面或金属块使元件的高度(即 PCB表面与元件上端子之间的距离)基本相同。
图3B示出了一个示例，其中使用平台310(或“嵌块”或“垫片”)来升 高VCSEL 210第一电容器230的高度，使得其上表面与第一电容器230 的顶表面处于基本相同的高度。底座可以由任何合适的导电材料制成，例 如铜，因此类似于上面参考图3A描述的导电材料，但是具有被特别选择 以减小或消除高度差Δh的高度。平台310的表面积可以类似于它正在升 高的部件的表面积，在这种情况下是VCSEL 210，平台位于基板表面和 VCSEL 210之间的基板表面上。结果，可以减少引线键合234的长度，这 减少了寄生电感和电阻。此外，可以看出，图3B中的接合线234比图3A 中的接合线234具有更少的“环”(即，由接合线234形成的环的半径被有 效地减小)并且因此更进一步减少电感。
应当理解，根据第一电容器230和VCSEL 210的几何形状，基座310 可以替代地用于升高第一电容器230的高度，例如在其中VCSEL 210的高 度高于第一电容器230的高度，使得基座310可位于第一电容器230下方 以升高其顶面以与VCSEL 210的上表面基本共面的情况下。在任何情况 下，应当理解，可以在本文公开的任何方面中使用诸如图3B中的310之 类的平台，以使与接合线234耦合在一起的第一电容器230和VCSEL 210 的端子达到基本共面的高度。
图3C示出了更进一步的配置，其中使用附加的导电底座320来提高 键合线232和PCB的导电迹线之间的键合线耦合点的高度。导电底座320 可由任何合适的导电材料制成，例如铜。通过提高接合线232电耦合到PCB 的电源迹线的点的高度，接合线232的“环”的数量可以减少，从而甚至进 一步降低接合线232的电感。台面320可以作为台面310的补充或替代使 用。
图3D示出了替代配置，其中不是将接合线用于供电端子、第一电容 器230和VCSEL210之间的耦合，而是可以使用导电“桥”330(例如任何 合适的导电材料片，如铜)来实现导电耦合。电桥330可以使用导电粘合 剂固定到第一电容器230和VCSEL 210阳极端子。通过这样做，不仅电流 回路尽可能小，因为第一电容器230和VCSEL 210的表面基本上共面，从而减少了回路的电感，与键合线相关的其他电感(例如由“环形”形状引起 的电感)可能会减少或消除。此外，与键合线相比，由于增加了导电面积， 可以降低耦合的阻抗。稍后给出使用接合线的其他示例替代方案。
图4A示出了根据本公开的一方面的又一光源系统400。它类似于第 一系统200，但包括与第一电容器230具有相同设计的第三电容器430和 与第二电容器420具有相同设计的第四电容器440。VCSEL 210在其上表 面上具有两个上端子，第一电容器230通过接合线234耦合到这些端子 中的一个，而第三电容器430通过接合线434耦合到另一个端子。第三电 容器430还通过键合线432耦合到电源电压传导路径。
图4B示出了系统400的配置的电路图表示。可以看出，第一电容器 230和第三电容器430各自是相对较低电感电流回路(第一回路和第三回 路)的一部分。第二电容器240和第四电容器440均是电感较高的电流回 路(第二回路和第四回路)的一部分。系统400的操作与系统200的操作 非常相似。然而，与系统200相比，通过将VCSEL 210上的键合焊盘连接的数量加倍，键合线电感可以减少大约一半，从而进一步降低电流回路的 电感，改善驱动电流的上升时间。此外，通过使用更多的电容器和/或使用 较小的电容器传递相同的电流可能是可能的，这些电容器然后可以在物理 上更靠近VCSEL 210和驱动器220，从而甚至进一步降低电流回路的电感， 甚至进一步减少电流的上升/下降时间。此外，由于布局的对称性，电流在 第1个回路中与第3个回路和在第2个回路中与第4个回路相比基本上以 相反的方向流动。因此，可能会有一些磁场抵消，这可以减少电磁辐射并 减少系统每个部分看到的有效电感。
图5A示出了根据本公开的一方面的又一光源系统500。它与系统400 非常相似，但不包括第四个电容器440。图5B示出了系统500的配置的电 路图表示。在该示例中，可以实现如参考系统400所解释的将焊盘连接 加倍的相同好处。从图5A和5B可以理解，由于布局的对称性，与第三环 路相比，第一环路中的电流以相反方向流动。此外，有效地在第二电容器 240和电路的其他部件之间形成两个电流回路，使得再次存在具有基本上 相反方向上流动的电流的第二和第四回路。因此，可能会有一些磁场抵消， 这可以减少电磁辐射并减少系统每个部分看到的有效电感。
图6示出了根据本公开的一方面的又一光源系统600。系统600与系 统500非常相似，但不包括第三电容器430，而是包括用于将VCSEL 610 的第二上端子耦合到电源电压的接合线610。因此，第二电容器240通过 两条路径耦合到VCSEL 210，一条路径通过第一电容器230的第一极板， 第二条路径通过接合线610。可选地，可以使用导电平台来升高接合线610 耦合到电源电压迹线的点(类似于图3D)，使得键合线610的两端距基板 表面的距离基本相同，元件都安装在该表面上。
图7A示出了根据本公开的一方面的又一光源系统700。系统700与 上述系统非常相似，但包括由与第一VCSEL 210相同的驱动器220驱动的 第二VCSEL 710，但但具有由第三电容器430和第四电容器440形成的单 独的低电感和高电感电流回路。可选地，驱动器220可以被配置为同时驱 动两个VCSEL以增加光输出功率，或者可以被配置为一次仅驱动一个， 例如它们被配置为执行两种不同的功能(例如如参考图7B所述)。
图7B示出了系统700的侧视图，其中两个不同的光源被配置为执行 不同的功能。可选地，两个不同的光学元件可以用于两个VCSELS。在该 示例中，光学元件720是漫射器并且光学元件730是用于产生图案化光源 的衍射光学元件。应当理解，对于每个VCSEL，可以使用任何合适的/期 望的光学元件，或者可以根本不使用光学元件。
图8A示出了根据本公开的一方面的又一光源系统800。图8B示出了 系统800的配置的电路图表示。系统800与之前描述的系统200非常相似， 除了它包括VCSEL旁路810并且驱动器220包括旁路电路。在该配置中， 驱动器220可以保持电流的连续流动，在旁路回路和VCSEL 210驱动回路 之间切换以便开启和关闭VCSEL 210。通过这样做，可以维持通过一些寄 生电感的连续电流流动，从而减少那些寄生电感的影响并减少VCSEL驱 动电流的上升和下降时间。从图8A中可以看出，第一电容器230的上端 子被引线接合到旁路810。
在上述每个示例中，第一电容器230是垂直电容器。与使用其他形式 电容器的先前电路相比，在光源系统中使用垂直电容器可以显着降低环路 电感。特别地，应当理解，VCSEL是垂直结构，因为当其开启时，电流在 其上表面和下表面的端子之间流动。因此，电路还必须有第二条反向电流 返回路径。
在许多传统系统中，VCSEL可能安装在多层基板上，每个电压电位都 有一个垂直层，因此可能有三层：一层用于接地端子，另一层用于阴极电 压，另一层承载供应终端。电路的组件可以安装在基板的顶面上，导电 通孔提供到基板下表面的适当垂直连接。然而，这些过孔会影响电路的整 体电感。
从图3A到3D中可以看出，在本公开中，通过对第一电容器230使用 垂直电容器，第一电容器230可以在与流过VCSEL 210的电流相反的方向 上执行至少一些所需的垂直电流转换，即，将电流传送到VCSEL 210的阳 极端子的水平。因此，第一电容器230有效地执行两个功能：提供一些驱 动电流和提供垂直电流转换。结果，可以避免仅用于垂直电流转换目的的 组件特征，例如通孔，并减少环路电感。
这种特性对于图3B到3D的“台面”实现可能特别有益。从这些图中可 以看出，现在实际上有两个横向或水平面，一个位于VCSEL 210阳极表 面的高电压平面和一个位于PCB的低电压平面，用于阴极端子和接地。在 横向平面之间也有效地存在两个垂直或平移电流路径：一个由VCSEL 210 和平台210形成以将电流从较高电压电平/平面传送到较低电压电平/平面， 另一个由第一电容器230形成，将电流从较低电压电平/平面传送到较高电 压电平/平面。与需要在系统的不同层级/层之间移动的仅传导路径(例如 通孔)的其他解决方案相比，这导致明显更短的整体电流回路和降低的电 感。
应当理解，图3A至3D中所示的电流路径被简化，因为电流还将流过 安装在PCB上但为了简单起见未在图中示出的驱动器220。然而，应当理 解，由于驱动器220安装在作为系统的低电压平面的PCB上，电流将从安 装VCSEL 210的PCB的阴极迹线流过驱动器220到PCB的接地迹线，然 后通过第一电容器230到达系统的高压平面。因此，电流通过第一电容器 230从低压平面转换到高压平面，从而避免了需要提供导电路径来执行该 功能。
在替代配置中，第一电容器230(以及可选的第三电容器430)可以 是横向电容器，而不是垂直电容器。例如，它可以是叉指硅横向电容器。 这种类型的电容器在结构上通常与前面描述的垂直电容器相似，因为它利 用沟槽或其他方式(例如柱子)通过电极和绝缘体层来增加电容器的有效 表面密度。然而，与垂直电容器相比，两个端子都穿过同一表面，以方便 连接到电容器的两个极板。这些电容器可以可选地交叉电极连接的行以降 低寄生电阻和电感。
图9示出了在与系统200类似的系统900内实施的这种电容器的示例 表示。可以看出，第一电容器930的第一极板935通过接合线932线接合 到电源电压迹线并且通过接合线234线接合到VCSEL 210阳极。第一电容 器930的第二极板936与第一极板935相互交叉并且通过线接合942线接 合至接地迹线(与前面描述的垂直电容器设计所使用的底面接合相反)。 结果，就像垂直电容器的实现一样，两端电容器有三个不同的连接。使板 相互交叉可有助于消除引线键合932到电源电压和引线键合942到地之间 的电感，因为相应的引线键合也是相互交叉的并且具有彼此沿相反方向流 动的电流。因此，以这种方式布置第一电容器930的极板使得到第一极板 的电源电压之间以及到第二极板的接地之间的接合线相互交叉可以有助 于降低驱动电路的较低电感电流回路的电感.
此外，通过使回路内的不同耦合处于基本相同的高度，甚至可以进一 步减小电流回路的电感。例如，第一板935端子的高度可以与VCSEL 210 的阳极端子基本共面，并且PCB迹线都在一个表面上，使得VCSEL的阴 极、驱动器和接地迹线之间的耦合都基本共面。因此，同样基本上只有两 个电流平面围绕低电感回路流动，电流在两个平面之间移动仅通过VCSEL 以及通过接合线932和942。同样，参考描述的平台之一或两者如果需要， 可以使用图3B和3C。
图10A示出了根据本公开的配置的又一光源系统1000。图10B示出 了系统1000的配置的电路图表示。在该系统中，驱动器1020被配置为 VCSEL 210的高侧驱动器(因此，驱动器1020的驱动晶体管可以是PMOS 晶体管，而不是通常用于低侧驱动器的NMOS晶体管)，使得第一电容器 230的上端子通过驱动器1020耦合到VCSEL 210的上端子。特别地， VCSEL210的上端子通过接合线1050耦合到驱动器1020的第二(输出电流) 端，并且第一电容器230的上端子通过接合线1014耦合到驱动器1020的 第一(输入电流)端，使得当VCSEL 210导通时，电流从第一电容器230 流向驱动器1020的第一端子，然后从驱动器1020的第二端子流向VCSEL 210。图10A还显示了耦合到PCB附加端子的驱动器的其他端子，但这些 只是用于控制驱动器等目的的可选连接，不再进一步描述。VCSEL 210和 第一电容器230的下端子可以通过任何合适形式的电耦合将它们导电地固 定到PCB 160的参考电压传导路径(例如，接地迹线)而彼此耦合，例如 在图10A的表示中看不到的金属对金属的粘合或导电粘合剂。这种布置可 以帮助减少接地回路电感，从而进一步减少VCSEL驱动电流的上升时间。特别是，可以通过限制电流在基本上两个平面中行进来最小化电流回路的 大小——第一平面是PCB基板的接地迹线，第二平面是第一电容器230、 驱动器1020和VCSEL 210的上表面上的端子所在的平面。在低电感回路 中，电流从接地面通过第一电容器230流向终端连接面，并从终端连接 面通过VCSEL 210流向接地面。前面描述了使用第一电容器230不仅作为 电荷供应而且将接地平面连接到端子连接平面的益处。此外，在该特定布 置中，驱动器安装在基板上参考电压迹线的一部分之上，电流通过该部分 从VCSEL 210返回到第一电容器230。例如，它可以以绝缘方式固定到基 板上，以便电流可以在驱动器1020下方通过。这意味着在高电感电流回 路和低电感电流回路中，电流在接地平面中基本上沿一个方向流动，而在 端子连接平面中则沿相反方向流动。因此，可以实现一定程度的环路电感 抵消，从而甚至进一步降低每个环路的电感。
图10C示出了系统1000的侧面表示，其中可以更容易地理解两个电 流平面中的电流流动。
可选地，第一电容器230、驱动器1020和VCSEL 210的上表面距离 基板表面的高度可以基本相同。这可以通过组件选择和/或通过使驱动器 1020IC相对变薄以降低驱动器1020的高度来实现。附加地或替代地，一 个或多个导电平台可用于升高第一电容器230、VCSEL 210和/或驱动器 1020中的一个或多个的高度，以便使它们的端子与PCB表面的高度基本 相同。附加地或替代地，一个或多个导电平台可用于升高电源电压接合线 端子的高度，使得接合线232接合至与第一电容器230的表面上的接合线 端子基本共面的导电平台。从前面的描述中可以理解，这些特性可以帮助 甚至进一步降低环路电感。
VCSEL 210的下端子连接耦合到PCB基板160，这可以改善VCSEL 210的散热。该示例中的第一电容器230是垂直电容器，尽管应当理解， 图9的横向电容器实施方案也可以与高侧驱动器结合使用。
图11A示出了根据本公开的一方面的又一光源系统1100。图11B示 出系统1100的配置的电路图表示。该系统与系统1000非常相似，但驱动 器IC 1120还包括集成光电二极管1130。光电二极管1130通过驱动器IC 1020内部的电连接和接合线耦合到VCSEL 210的上端子。或者，它可以 耦合到第一电容器230和/或驱动器1020中的参考电压的内部路由。出于 眼睛安全的原因，光电二极管1130用于测量从VCSEL 210发射的光的强 度，吸收从光输出路径中的任何光学部件(例如漫射器)反射回来的光。 可以看出，驱动器IC 1120包括另外的组件，例如用于测量光强度的缓冲 器/放大器和ADC。光电二极管1130可以嵌入驱动器IC内部，因为它也 朝上，这可以允许更简单的低成本解决方案，而无需额外的组件。还应注意，有几种不同的方式来配置光电二极管1130并将其用于检测来自VCSEL 210的代表性光，例如，它可以参考另一个电源电压，或者它可以用于在 照明周期内对电容器放电，以创建捕获的光能的低通滤波版本。在该特定 示例中，驱动器IC 1120还包括可用于在测量光强度和测量VCSEL 210阳 极上的电压之间切换的开关。系统1100的配置导致具有内置安全特征的紧 凑、低寄生电感设计。
图12示出了根据本公开的配置的另一光源系统1200。在该示例中， 系统1200包括引线接合的另一安全监控IC 1210。安全监控IC 1210包括 集成光电检测器，其被配置为测量从VCSEL 210发射的光的强度。安全监 控IC 1210包括集成开关以断开进入系统1200的电源，或将驱动器1120 的电压分流至0V，从而在检测到危险水平的光发射的情况下关闭系统。通 过在两个不同的管芯中具有安全监视器，该系统1200在系统的安全监视 中提供额外的冗余，因为安全监控IC 1210或驱动器IC 1120内的PD 1130 监控检测到的故障可能会关闭系统，从而停止发光。虽然安全监控IC 1210 与图11A的系统布置结合使用，但是应当理解，它可以与本文公开的任何 其他系统设计结合使用。
图13A示出了根据本公开的配置的另一光源系统1300。该系统包括 具有驱动器IC1330的模块或封装1350(用虚线表示)，VCSEL 210、第一 电容器230和第三电容器430直接安装在其上表面上。VCSEL 210的阴极 可以芯片到芯片键合到驱动器1330。第一电容器230和第三电容器430是 早先描述的类型的垂直电容器。驱动器IC 1330管芯可以可选地变薄以改 善散热。表示了用于将模块或封装1350耦合到外部组件(例如SDA、SCL 等)的多个端子。这些是用于配置、供电和控制驱动程序的可选控制，不 再进一步描述。第二电容器240在模块或封装1350的外部。第四电容器 440未在该图中表示，但是应当理解，第四电容器440可以可选地被包括 作为光源系统1300的一部分。注意，在该示例中，驱动器IC 1330包括 如前所述嵌入在内部的光电二极管1030。
驱动器IC 1330可以导电地接合到其安装在其上的基板/PCB的参考电 压(地(GND))迹线。附加地或替代地，驱动器IC 1330的接地端子可以通过 互连器例如接合线1340耦合到接地迹线的端子。驱动器IC 1330的电源电 压端子也可以通过互连器例如接合线1340耦合到电源电压迹线的端子。
图13B示出了模块或封装1350的一部分的侧视图，从而可以更容易 地理解组件的布置和互连。可以看出，第一电容器230和第三电容器430 的上端子均通过接合线1320导电耦合到电源电压。在该示例中，接合线 1320耦合电容器的上端子以提供驱动器IC 1330的上表面上的电压端子。 然而，在替代布置中，诸如接合线1320的互连器可以直接耦合电容器的 上端子以在其上安装驱动器IC 1330的基板/PCB的表面上提供电压端子。
电容器230和430的上端子也通过互连器1310电耦合到VCSEL 210 的上端子，在该示例中为接合线。可以看出，在该示例中，电容器230和 430的上端子以及VCSEL都位于距驱动器IC 1320的表面基本相同的高 度，从而最小化键合线1310的长度和“回路”，并且还使电容器能够更靠 近VCSEL 210定位。
电容器230和430以及VCSEL 210的下端子均使用导电接合剂1360 与驱动器IC1310的上表面上的端子导电接合，以这样的方式，VCSEL 210 的下端子通过电流驱动器(在图13B中由电流源符号表示)耦合到电容器 230和430的下端子。特别地，VCSEL 210的下端子可以导电地结合到电 流驱动器的第一(电流输入)端，并且第一和第三电容器230和430的下 端子与电流驱动器的第二(电流输出)端耦合，使得当VCSEL导通时， 电流从电流驱动器的第一端流过电流驱动器到电流驱动器的第二端。
从图13A和13B可以理解，由第一和第三电容器230和430、VCSEL 210和电流驱动器形成的电流回路非常紧凑。此外，电流有效地在两个平 面中流动——包括电容器230和430以及VCSEL 210的上端子的第一平 面，以及作为驱动器IC的第二平面——电流在平面之间通过电容器230 和430以及通过VCSEL 210上下移动。因此，可以最小化电路的电感，从 而使用存储在电容器230和430中的电流实现非常快的初始开启速度。此 外，模块或封装1350的物理尺寸做得非常小，这使得它更容易在光源系 统1300中使用。
图13C示出了与图13A中表示的非常相似的光源系统1300的另一替 代实施方式，除了第一和第三电容器230和430是横向硅设计电容器。
图13D显示了横向硅设计电容器的一侧，它显示了电容器两个极板的 两个凸块端子连接。两个凸块端子连接可以通过半导体处理导电地接合到 驱动器IC电路中的合适的导电路径。
图13E显示了图13C中表示的实现的侧面表示。可以看出，电容器230和430中的每一个的端子之一导电地接合到IC电路中的参考电压(在 这种情况下，接地)导电路径。电容器230和430中的每一个的另一个端 子导电接合到IC电路中的电源电压导电路径，其也通过互连1320(在该 示例中，接合线)耦合到VCSEL 210的上端子。
横向硅电容器是相对低电感的器件，并且通过导电接合到驱动器IC 表面上的端子将第一和第三电容器230和430耦合到电流驱动器和VCSEL 210可以最小化电流回路中的电感。因此，可以使用存储在第一和第三电 容器230和430中的电流来实现VCSEL的非常快的初始开启速度。
图13F示出了与图13C非常相似的光源系统1300的另一替代实施方 式，仅VCSEL210的阳极端子和阴极端子都在VCSEL 210的安装表面上。 图13G示出了查看这种差异可能更容易理解的地方。
在该替代方案中，不需要互连1320，而是VCSEL 1370包括内部通孔 1370，其将电流从其安装表面上的阳极端子路由到VCSEL 1370的上表面。 VCSEL 210的阴极和阳极端子可以通过导电结合材料1360导电结合到驱 动器IC表面上的适当端子。同样，与图13C至13E的实施方式一样，这 种布置可能具有非常低的环路电感，从而使用存储在第一和第三电容器 230和430中的电流实现非常快的VCSEL 210开启速度。
在该方法中，VCSEL 210使用硅通孔等将阳极端子带到与阴极端子不 同的区域中的VCSEL 210的安装表面，而VCSEL发射器阵列的发射器孔 径保持在上表面上，允许光从该表面发射。这有时称为背面照明或BSI。
应当理解，图13A至13G中表示的一些特征是可选的。例如，在替代 方案中，可以省略PD 1030，可以省略第三电容器430和/或可以使用第四 电容器440。
可选地，基板160上的电压供应和/或参考电压(地)端子的高度可以 有效地升高到与驱动器IC 1330的表面基本相同的高度。这样，接合线1340 可以以尽可能小的环路制作得尽可能短。附加地或替代地，在驱动器IC 1330的上表面与电容器230和430的上表面之间存在互连的实施方式中 (例如图13A和13B)或在驱动器IC 1330的上表面和VCSEL 210的上表 面之间(例如图13C和13E)的实施方式中，相关驱动器IC端子的高度 可以升高到与电容器/VCSEL的高度基本相同。例如，这可以通过使用任 何合适的半导体加工技术在芯片表面上的键合端子上生长导电层(例如 铜)来实现。或者，可以使用合适的导电环氧树脂将导电材料(例如铜) 固定到接合端子上方的管芯表面。在这两种情况下，可以实现与图3C中表示的结果类似的结果，使得将VCSEL 210耦合到驱动器1330的键合线 的长度可以减少并且它们也已经减少的“回路”的量，从而进一步降低电感 和电阻。
在所有上述公开的系统中，布置有一个或多个电容器以与VCSEL和 驱动器形成相对较低的电感回路，以提供具有低寄生电感并因此具有更短 上升时间的初始驱动器电流。一个或多个另外的电容器也在相对较高的电 感回路中耦合到VCSEL和驱动器，以便向VCSEL供应峰值电流，从而实 现相对高的峰值驱动电流(尽管如前所述，可以省略一个或多个另外的电 容器，并且峰值电流仅由电源电压提供)。因此，可以实现同时实现短上 升和下降时间以及高频操作的系统，这可以提高使用光源系统的ToF系统 的精度和深度范围。此外，可以选择用于传递初始电流的电容器的电容器 设计以具有非常低的寄生电感，即使它们的容量/密度很小。用于传送较晚 电流的电容器的电容器设计可以选择为具有高容量/密度以传送高峰值电 流，即使它们的电感相对较高。因此，可以在同一系统中实现低电感和高 容量的优势，以提供短的电流上升时间和高峰值电流。
在上述每个示例中，第一电容器230(以及可选地还有第三电容器 430)的至少一个耦合端子可以与它所耦合到的设备的端子基本共面/处于 相同高度(例如，VCSEL 210或驱动程序)。在某些情况下，这可以通过 组件选择或电路设计来实现(如图13A所示)。在其他情况下，可以使用 一个或多个导电平台来升高第一电容器230和/或与其耦合的装置的高度， 使得它们各自的端子基本上共面。可选地，耦合到第一电容器230(以及 可选地还有第三电容器430)的其他表面可以与电容器所耦合到的元件基 本共面/处于相同高度。例如，如果电容器的上表面被引线接合到安装基板 的电源迹线或接地迹线，则可以使用平台来升高迹线接合表面的高度以与 电容器的上表面基本共面。
上面公开了各种示例系统，其中第一电容器230(以及可选的第三电 容器430)是垂直电容器。在那些示例中，电容器板之一(在电容器的上 部或顶部侧)具有两个耦合，例如键合线耦合或导电夹。通常，这些耦合 之一是接触安装电容器的基板上的焊盘/迹线，例如电源电压，而另一个耦 合是激光驱动电路的一个组件，例如光源或驱动器。另一个电容器板(在 电容器的下部或底部)通常以导电方式固定到安装电容器的基板上的接触 垫/迹线(例如接地)。通过在这种三耦合布置中耦合激光器驱动电路内的 垂直电容器，可以减小电路的环路电感，从而提高接通速度。与图9的 横向叉指电容器类似，键合线耦合(或导电夹耦合)用于将两个电容器板 连接到三个不同的元件/组件。特别地，一个电容器板被引线接合到VCSEL 并且还被引线接合到基板上的电源电压迹线。第二个电容器极板通过引线键合到基板上的接地迹线。同样，这三个耦合布置可以帮助最小化电路的 环路阻抗。
在上述每个示例中，VCSEL、驱动器和第一电容器(和第三电容器) 可以被包括在单个封装/模块中，使得由这些部件形成的电流回路很小并且 具有很小的电感。一个或多个(例如，两个、三个、四个等)电容器可用 于该快速上升时间目的。第二电容器(和第四电容器)可以是封装/模块的 一部分，或者可以在封装/模块的外部，其中封装/模块被配置用于耦合一 个或多个外部电容器。一个或多个(例如，两个、三个、四个等)电容器 可用于该高峰值电流目的。此外，虽然以上示例中的每一个都包括至少一 个相对低容量的电容器(例如，第一电容器230)和至少一个相对高容量 的电容器(例如，第二电容器240)，但在替代方案中，该电路可能只有一 个或多个低容量电容器。在这种情况下，第一电容器230可以提供驱动电 流的初始、第一部分以快速开启VCSEL 210。为了在期望的持续时间内将VCSEL维持在导通状态所需的驱动电流的剩余部分可以由电压源提供。在 电源电压是能够提供所需驱动电流的剩余部分的类型的情况下，这种实现 可能特别有用，在这种情况下，可以通过省略第二电容器240来降低电路 成本和物理尺寸。然而，在电源电压不适合提供所需驱动电流的全部剩余 部分的情况下，可以包括第二电容器240并且由电源电压和第二电容240 两者提供所需驱动电流的剩余部分。
本领域技术人员将容易理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以 对本公开的上述方面进行各种改变或修改。
本文描述的各个方面包括引线键合。无论在何处使用引线键合，都可 以使用任何其他合适形式的表面电耦合。例如，可以替代地使用带状接合 和导电夹耦合。图14A示出了用于将第一电容器230的第一极板耦合到 PCB迹线而不是使用引线接合的导电夹1410(例如铜夹)的示例表示。图 14B示出了导电夹可以如何延伸以便还将第一电容器230的第一极板耦合 到VCSEL 210的另一示例。在这个例子中，可以看出，即使在不使用引线 键合的情况下，第一电容器230和VCSEL 210之间的端子连接基本上在同 一平面上仍然是有益的(在这个例子中，使用平台/台面310实现)，以减 少当前路径长度。导电夹可以使用任何合适的材料例如导电环氧树脂固定 到第一电容器230和/或VCSEL 210。
虽然特别参考与ToF相机系统一起使用来描述上述光源系统，但是光 源系统不限于这种用途并且可以用于任何其他目的。此外，虽然上述光源 系统中的每一个都具有作为光源的VCSEL，但是可以替代地使用任何合适 类型的光源，例如任何其他类型的激光器或LED。
在此给出的大多数示例中，光源210在其上表面具有阳极端子并且在 其下表面具有阴极端子。但是，通过对电路其余部分中的组件连接进行适 当的小幅重新配置，它也可以反过来。例如，在图2A的布置中，第一电 容器230的上端子可以通过互连232耦合到参考电压(GND)迹线，而不是 耦合到电源电压迹线。下端子可以与驱动器202的端子一起导电地接合到 电源电压迹线，并且驱动器220的另一个端子和光源210的下阳极端子导 电地接合到阳极迹线(与图2A中标记为“阴极”的迹线基本相同)。在这种 情况下，驱动器220将是高侧驱动器。换句话说，标记为“电源电压”的走 线将成为参考电压走线(地)，标记为“GND”的走线将成为电源电压走线， 标记为“阴极”的走线将成为阳极走线。同样对于图11A的配置，标记为“电 源电压”的迹线将成为参考电压迹线(地)，标记为“GND”的迹线将成为电 源电压迹线并且驱动器1120将成为低侧驱动器。
术语“耦合”和“连接”在本公开全文中使用以涵盖两个组件/设备之间 的直接电连接，以及两个组件/设备之间的间接电耦合，其中在两个组件/ 设备之间的电耦合路径中存在一个或多个中间组件/设备。

Claims (20)

1.光源系统，包括：
基板；
安装在所述基板表面上的光源，其中所述光源包括：
具有上端子的上表面；和
安装表面，导电地固定到所述基板表面并具有下端子，所述光源被配置为通过在所述上端子和所述下端子之间流动的电流而开启，
垂直电容器，用于提供第一部分电流以驱动所述光源，其中所述垂直电容器包括：
上表面，包括到所述垂直电容器的第一板的上端子，其中所述垂直电容器的上端子电耦合到上端子光源；和
安装表面，导电地固定到所述基板表面并且包括到所述垂直电容器的第二板的下端子；和
电流驱动器，安装在所述基板表面上并耦合到所述光源和所述垂直电容器，用于控制从所述垂直电容器到所述光源的电流流动，以便控制所述光源的操作，
其中所述基板包括电压端子，该电压端子电耦合到所述垂直电容器用于提供驱动所述光源所需的电流的第二部分。
2.权利要求1所述的光源系统，其中所述基板的电压端子通过第一互连器电耦合到所述垂直电容器的上端子。
3.权利要求1所述的光源系统，其中所述基板表面和所述光源的上端子之间的距离与所述光源表面与所述垂直电容器的上端子之间的距离基本相同。
4.权利要求3所述的光源系统，其中所述光源安装在使用导电底座的基板表面上，所述导电底座具有这样的厚度，该厚度使得所述基板表面和所述光源的上端子之间的距离与所述基板表面和所述垂直电容器的上端子之间的距离基本相同。
5.权利要求1所述的光源系统，其中所述电流驱动器是低侧驱动器，并且所述光源的下端子通过所述电流驱动器电耦合到所述垂直电容器的下端子；和
其中所述垂直电容器的上端子通过第二互连器电耦合到所述光源的上端子，使得当所述光源导通时，电流从所述垂直电容器的上端子流向所述光源的上端子，再从所述光源的下端子经过所述电流驱动器回到垂直电容器。
6.权利要求5所述的光源系统，其中所述基板包括：
所述光源的下端子和所述电流驱动器的第一端子导电固定的第一导电路径，使得当所述光源导通时，电流通过所述第一导电路径从所述光源的下端子流向所述电流驱动器的第一端子；和
所述垂直电容器的下端子和所述电流驱动器的第二端子导电固定的第二导电路径，使得当所述光源导通时，电流通过所述第二导电路径从所述驱动器的第二端子流向所述垂直电容器的下端子。
7.权利要求6所述的光源系统，其中所述第二导电路径保持在参考电位。
8.权利要求1所述的光源系统，其中所述电流驱动器是高侧驱动器，并且所述垂直电容器的上端子通过所述电流驱动器电耦合到所述光源的上端子。
9.权利要求8所述的光源系统，其中所述基板包括：所述光源的下端子和所述垂直电容器的下端子导电固定的参考电压导电路径，使得当所述光源导通时，电流通过所述第一导电路径从所述光源的下端子流向所述垂直电容器的下端子。
10.权利要求9所述的光源系统，其中所述参考电压导电路径的一部分流过电流驱动器下方，使得当所述光源导通时，电流通过所述参考电压导电路径从所述光源的下端子流向所述垂直电容器的下端子，在所述电流驱动器下方与电流从所述垂直电容器的上端子流向所述光源的上端子的方向基本相反。
11.权利要求8所述的光源系统，其中所述电流驱动器包括：
第一表面，具有第三端子和第四端子；和
固定到所述基板表面的第二表面，
其中所述垂直电容器的上端子通过第三互连器耦合到所述电流驱动器的第三端子，并且所述电流驱动器的第四端子通过第四互连器耦合到所述光源的上端子。
12.权利要求11所述的光源系统，其中所述光源的上端子、所述垂直电容器的上端子和所述电流驱动器的第三与第四端子均与所述基板表面的距离基本相同。
13.权利要求1所述的光源系统，其中所述第一互连器包括：
导电平台，具有导电固定到电压端子的安装表面和从所述基本表面的距离与所述垂直电容器的上端子基本相同的上表面；和
至少一个导电元件，固定到所述导电平台的上表面和所述垂直电容器的上端子。
14.权利要求1所述的光源系统，还包括用于提供电流的第三部分以驱动所述光源的另外的电容器，
其中所述另外的电容器具有比所述垂直电容器更大的电容，和
其中所述垂直电容器、所述光源和所述电流驱动器耦合在一起形成第一电流回路，和
其中所述另外的电容器、所述光源和所述电流驱动器耦合在一起以形成第二电流回路。
15.权利要求1所述的光源系统，还包括第二垂直电容器，其中所述第二垂直电容器包括：
上表面包括到所述第二垂直电容器的第一板的上端子，其中所述第二垂直电容器的上端子电耦合到所述光源的第二上端子，其中所述光源的第一上端子位于所述光源上表面的第一侧，并且所述光源的第二上端子位于所述光源的上表面的第二相对侧；和
安装表面，导电地固定到所述基板表面并且包括到所述垂直电容器的第二板的下端子，
其中所述第二垂直电容器电耦合到所述基板的电压端子，并位于所述光源的与所述第一垂直电容器的位置相对侧上，使得当光源导通时，电流从所述第一垂直电容器流向所述光源的方向与从第二垂直电容器流向所述光源的电流的方向基本相反。
16.光源系统，包括：
包括电流驱动器的驱动器IC；
安装在所述驱动器IC表面上的光源，其中所述光源包括：
第一端子；和
在所述光源的安装表面上的第二端子，所述光源的第二端子导电结合到所述驱动器IC表面上的电流驱动器的第一端子；和
安装在所述驱动器IC表面上的电容器，其中所述电容器包括：
到所述电容器的第一板的第一端子，所述第一端子导电结合到所述电源电压和所述光源的第一端子，使得当所述光源导通时，电流从所述电容器的第一板流向所述光源的第一端子；和
到所述电容器的第二板的第二端子，所述电容器的第二端在所述电容器的安装表面上，并导电结合到所述驱动器IC表面上的电流驱动器的第二端子，使得当所述光源导通时，电流通过所述电流驱动器从所述光源的第二端子流向所述电容器的第二板。
17.权利要求16所述的光源系统，其中所述电容器是垂直硅电容器，和
其中所述电容器的第一端子在所述电容器的上表面。
18.权利要求16所述的光源系统，其中所述电容器是横向硅电容器；和
其中所述电容器的第二端子在所述电容器的安装表面上，并导电结合到所述驱动器IC导电路径，所述驱动器IC导电路径电耦合到所述光源的第一端子。
19.激光驱动器电路，包括：
激光器；
第一电容器，耦合到所述激光器用于提供电流以驱动所述激光器，其中所述第一电容器具有第一电容；
第二电容器，耦合到所述激光器用于提供电流以驱动所述激光器，其中所述第二电容器具有大于所述第一电容的第二电容；
电流驱动器，耦合到所述激光器、所述第一电容器和所述第二电容器，用于控制所述激光器与所述第一和第二电容器之间的电流流动，
其中所述激光器、所述电流驱动器和所述第一电容器一起形成第一电流电路，和
其中所述激光器、所述电流驱动器和所述第二电容器一起形成第二电流电路，和
其中所述第一电流电路的电感相对小于所述第二电流电路的电感。
20.权利要求19所述的激光驱动器电路，其中所述第一电容器通过下列方式耦合到所述电流驱动器：将其中电流驱动器形成并导电结合所述第一电容器端子的集成电路的表面上的第一电容器安装到所述集成电路表面上的第一端子。
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