CN115693384A - 一种微型激光投影装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微型激光投影装置及其制造方法，涉及激光投影装置技术领域。微型激光投影装置包含第一管壳、第一基板、振镜组件和盖板，以及三组光源组件。第一管壳设置有容纳槽、连通容纳槽的焊接孔位，用以供容纳槽内的光线穿过的出光窗口。盖板用以密封容纳槽。第一基板配置于容纳槽。三组光源组件分别配置于第一基板。光源组件包括配置于第一基板的第二基板、准直透镜和反射透镜，以及配置于第二基板的激光芯片。准直透镜和反射透镜沿着激光芯片的出射方向设置。振镜组件包括配置于焊接孔位的TO管帽、配置于TO管帽的窗口片和TO管壳，以及配置于TO管壳的MEMS芯片。TO管帽为倾斜的管帽，用以罩住MEMS芯片。振镜组件用以使光线从出光窗口射出。

Description

一种微型激光投影装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及激光投影装置技术领域，具体而言，涉及一种微型激光投影装置及其制造方法。

背景技术

基于MEMS微扫描镜和激光光源的激光微型投影设备，具有体积小，亮度高的优点。随着虚拟现实的发展，智能眼镜、VR眼镜等设备越来越受到人们的青睐。

其中智能眼镜需要在镜片上进行投影，从而显示需要的内容，但是现有的激光微型投影设备体积和重量并没有达到一个较为理想的情况，使得智能眼镜的体积还比较笨重，大大降低了智能眼镜的使用体验。

有鉴于此，申请人在研究了现有的技术后特提出本申请。

发明内容

本发明提供了一种微型激光投影装置及其制造方法，旨在改善现有的激光微型投影设备体积和重量均较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种微型激光投影装置，其包含第一管壳、第一基板、振镜组件和盖板，以及三组光源组件。

第一管壳设置有容纳槽、连通容纳槽的焊接孔位，用以供容纳槽内的光线穿过的出光窗口。盖板用以密封容纳槽。

第一基板配置于容纳槽。三组光源组件分别配置于第一基板。光源组件包括配置于第一基板的第二基板、准直透镜和反射透镜，以及配置于第二基板的激光芯片。准直透镜和反射透镜沿着激光芯片的出射方向设置。准直透镜用以将激光芯片发出的发散光校正为平行光。反射透镜用以改变平行光的方向。

振镜组件包括配置于焊接孔位的TO管帽、配置于TO管帽的窗口片和TO管壳，以及配置于TO管壳的MEMS芯片。TO管帽为倾斜的管帽，用以罩住MEMS芯片。振镜组件能够改变光的方向，用以使光线从出光窗口射出。

在一个可选地实施例中，第二基板设置有负极区、正极区和用以焊接激光芯片的焊接区。激光芯片的发光出口朝向第二基板外部的方向设置，且激光芯片的发光出口和第二基板的边缘平齐。

在一个可选地实施例中，激光芯片的发光出口朝向第一基板内部的方向设置，且第二基板远离激光芯片一侧的边缘和第一基板的边缘平行。

第一基板的边缘和第一管壳的边缘平行。

在一个可选地实施例中，第一基板为钨铜基板或陶瓷基板。第二基板为陶瓷基板。

在一个可选地实施例中，MEMS芯片为MEMS 2D芯片。TO管壳为5Pin引脚结构。TO管帽为45°倾斜的管帽。窗口片为高透光片。

在一个可选地实施例中，三组光源组件的反射透镜之间偏移设置，以使三个激光芯片发出的光线重叠。

本申请另提供一种微型激光投影装置的制造方法，其包含步骤S1至步骤S7。

S1、采用贴片机将三种颜色的激光芯片分别贴在三个第二基板的激光器焊接区域，然后经过回流焊工艺完成焊接固定。

S2、通过导热银胶将三个第二基板分别粘结在第一基板上。

S3、通过导热银胶将第一基板粘结到第一管壳的容纳槽。

S4、通过芯片绑线工艺，电连接激光芯片和第二基板。

S5、将焊料环套在振镜组件的TO管帽上，并将焊料环和TO管帽插入焊接孔位，然后经过回流焊工艺完成焊接固定。

S6、分别根据三个激光芯片执行当前步骤，以完成光路耦合：将准直透镜和反射透镜依次放置于激光芯片的出光方向。然后给激光芯片加电使其发光，同时用光板分析仪对穿过出光窗口的光线进行监控。再然后保持振镜组件中反射镜片的方向不变，调整准直透镜和反射透镜的位置，直至光板分析仪监测到的光斑处于预设位置，且调整光斑分析仪和第一管壳之间的距离光斑的中心位置不变时，将准直透镜和反射透镜固定于第一基板。

S7、采用平行封焊工艺将盖板固定于第一管壳。

在一个可选地实施例中，步骤S7具体包括：

采用平行封焊工艺将盖板固定于第一管壳，并且在封盖时往容纳槽中充入氮气或惰性气体。

在一个可选地实施例中，制造方法在步骤S5之前还包含步骤A1至步骤A4。

A1、采用贴片机将MEMS芯片贴在TO管壳上，然后经过回流焊工艺完成焊接固定。

A2、通过芯片绑线工艺，将MEMS芯片和TO管壳进行电连接。

A3、将窗口片贴在TO管帽上。

A4、通过TO封帽工艺将TO管帽固定于TO管壳。

在一个可选地实施例中，贴片机为共晶贴片机。

在一个可选地实施例中，三种颜色分别为红色、绿色和蓝色。

通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：

通过本发明微型激光投影装置的结构，直接将激光芯片和振镜组件封装在第一管壳内，大大缩小了整体的体积和重量，使其能够应用于更多的场景，具有很好的实际意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是微型激光投影装置的正视图(隐去盖板)

图2是光源组件配置在第一基板的轴测图。

图3是第二基板的轴测图。

图4是振镜组件的半剖图。

图5是振镜组件的俯视图(隐去管帽)。

图6是光线经过反射透镜发生折射的原理图。

图7是三个反射透镜之间偏移的示意图。

图8是微型激光投影装置的制造方法的流程示意图。

图中标记：1-第一管壳、2-光源组件、3-第一基板、4-反射透镜、5-准直透镜、6-激光芯片、7-第二基板、8-容纳槽、9-振镜组件、10-出光窗口、11-负极区、12-焊接区、13-正极区、14-TO管壳、15-TO管帽、16-窗口片、17-MEMS芯片。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例一、

由图1至图7所示，本发明实施例提供了一种微型激光投影装置，其包含第一管壳1、第一基板3、振镜组件9和盖板，以及三组光源组件2。第一管壳1设置有容纳槽8、连通容纳槽8的焊接孔位，用以供容纳槽8内的光线穿过的出光窗口10。盖板用以密封容纳槽8。优选地，三组光源组件2分别用以发出红色、绿色和蓝色的光线。

第一基板3配置于容纳槽8底部。三组光源组件2分别配置于第一基板3。光源组件2包括配置于第一基板3的第二基板7、准直透镜5和反射透镜4，以及配置于第二基板7的激光芯片6。准直透镜5和反射透镜4沿着激光芯片6的出射方向设置。准直透镜5用以将激光芯片6发出的发散光校正为平行光。反射透镜4用以改变平行光的方向。优选地，激光芯片6为单管结构或巴条结构的高功率半导体激光芯片6。激光芯片6和第二基板7之间通过芯片绑线进行电连接。

振镜组件9包括配置于焊接孔位的TO管帽15、配置于TO管帽15的窗口片16和TO管壳14，以及配置于TO管壳14的MEMS芯片17。TO管帽15为倾斜的管帽，用以罩住MEMS芯片17。振镜组件9能够改变光的方向，用以使光线从出光窗口10射出。

在本实施例中，第一管壳1和容纳槽8均为长方体结构。其宽度方向的两侧分别设置有管脚和出光窗口10。第二基板7配置于靠近管脚的一侧，反射透镜4配置于靠近出光窗口10的一侧。振镜组件9配置于第一管壳1长度方向上，靠近出光窗口10的一端。

通过本发明实施例微型激光投影装置的结构，直接将激光芯片6和振镜组件9封装在第一管壳1内，不仅能够减小零部件之间的间距，而且能够减少不必要的组件，提高了整体的集成度，大大缩小了整体的体积和重量，使其能够应用于智能眼镜等更多的场景，具有很好的实际意义。

本发明实施例的微型激光投影装置结构简单，没有复杂的光路和电路控制系统，所以器件在一个管壳内部。实现工艺简单，都是通用的半导体封装工艺与设备，并且体积小重量轻，都是芯片级别封装，管壳小。相同的工艺适用性强，可以根据虚拟现实的眼镜做到更小，单对于激光投影因为散热的要求可以做的更大。适合量产，没有特别复杂的设备要求也没有特殊材料，只要将半导体工艺和光学耦合工艺结合即可进行量产线的搭建。

如图1至图3所示，在上述实施例的基础上，本发明的一个可选地实施例中，第一基板3和第二基板7均为长方体结构。优选地，第二基板7设置有负极区11、正极区13和用以焊接激光芯片6的焊接区12。激光芯片6的发光出口朝向第二基板7外部的方向设置，且激光芯片6的发光出口和第二基板7的边缘平齐。

具体的，通过将贴片式的激光芯片6其发光方向朝向陶瓷片外部，并且芯片的出口与陶瓷最外边沿重合平齐，不仅能够保证第二基板7不会遮挡光线，而且能够保证芯片的准直性和芯片出光的准直。

此外，在一个可选地实施例中，激光芯片6的发光出口朝向第一基板3内部的方向设置，且第二基板7远离激光芯片6一侧的边缘和第一基板3的边缘平行。第一基板3的边缘和第一管壳1的边缘平行。

具体的，第二基板7的粘结位置，在第一基板3上通过划线等方式进行标记，在粘结时对准标记即可进行粘结。通过将第二基板7、第一基板3和容纳槽8侧壁之间设置成平行能够保证整体出光的平行。

如图4和图5所示，在上述实施例的基础上，本发明的一个可选地实施例中，第一基板3为钨铜基板或陶瓷基板。第二基板7为陶瓷基板。优选地，MEMS芯片17为MEMS 2D芯片。TO管壳14为5Pin引脚结构。TO管帽15为45°倾斜的管帽。窗口片16为高透光片。

具体的，MEMS芯片17和TO管壳14之间通过芯片绑线进行电连接。TO管帽15的轴线方向和三组光源组件2发出的光线之间同轴，通过45°设置的窗口片16和MEMS反射镜片，将光源组件2发出的光线进行折射，使其从出光窗口10向外射出。

优选地，在第二基板7的焊接区12域镀有金锡焊料，激光芯片6的P电极镀有镍金层。激光芯片6贴在焊接区12域后，经过高温曲线后金锡焊料融化与芯片的P电极形成共晶焊接。第二基板7通过导热银胶粘结于第一基板3；第一基板3通过导热银胶粘结于第一管壳1；

如图6和图7所示，在上述实施例的基础上，本发明的一个可选地实施例中，三组光源组件2的反射透镜4之间偏移设置，以使三个激光芯片6发出的光线重叠。

在本实施例中，从左到右依次是蓝色激光、绿色激光和红色激光，其波长为450nm、520nm和638nm。光的耦合过程中由于对于不同的波长折射率的不同，光程的差异将三色光的光斑不重合，所以需要对光程进行补偿。

如图6所示，采用如下的计算方法得到光程的差异，然后在耦合的过程中同时观察三个光斑，三个进行调整，就可以达到补偿光路的效果。450nm光入射角45°，根据折射定律计算光线偏移

折射角：

光程：

光线偏移L：

具体的，反射透镜4呈板状，粘结于第一基板3或者通过透镜支架固定于第一基板3。在本实施例中，沿着改变方向后的激光的方向，三个反光透镜之间的间距不是等间距的。或者三个激光芯片6之间的间距不是等间距的，从而保证最终输出的光线能够汇合在一起。

实施例二、

如图8所示，本申请另提供一种微型激光投影装置的制造方法，其可由微型激光投影装置的制造设备来执行，以实现步骤S1至步骤S7。

S1、采用贴片机将三种颜色的激光芯片分别贴在三个第二基板的激光器焊接区域，然后经过回流焊工艺完成焊接固定。

优选地，贴片机为共晶贴片机。三种颜色分别为红色、绿色和蓝色。

具体的，如图2和图3所示，将三个激光器芯片分别贴在三个陶瓷基板上，实现了芯片三个芯片的集成贴装。在贴装过程中采用高精度的共晶贴片机，保证激光器芯片在出光方向的准直特性。

在陶瓷基板的焊接区域镀有金锡焊料，芯片的P电极也镀有镍金层。采用共晶贴片机将芯片贴在陶瓷基板的激光器焊接区域，然后经过高温曲线后金锡焊料融化与芯片的P电极形成共晶焊接。

需要说明的是，焊接要求全部完全的焊接，不能有气泡和空隙，达到良好的散热。依次完成红绿蓝三个芯片的焊接。

S2、通过导热银胶将三个第二基板分别粘结在第一基板上。

具体的，粘结后进行高温固化。

S3、通过导热银胶将第一基板粘结到第一管壳的容纳槽。

具体的，第一基板与管壳之间的粘结采用导热银胶进行粘结。粘结第一基板边沿与管壳边沿平行，保证整体出光的平行。

S4、通过芯片绑线工艺，电连接激光芯片和第二基板。

具体的，将芯片和陶瓷组件的正负极进行电连接。

需要说明的是，绑线过程中要根据芯片工作电流的大小进行设计，电流越大绑线的根数和直径越大。

经过步骤1至4后，激光芯片的封装基本完成，此时可以通过第一管壳上的管脚给芯片进行加电使得芯片发光。但是此时的芯片发出来的光是发散的，还需要准直合束。同时MEMS振镜组件还没有加入到这个壳体内部。

S5、将焊料环套在振镜组件的TO管帽上，并将焊料环和TO管帽插入焊接孔位，然后经过回流焊工艺完成焊接固定。

具体的，三束合束的光线经过窗口片后打到MEMS反射镜后，反射镜再经过反射镜子反射后穿过窗口后再射出。MEMS反射镜的结构为现有结构，本发明在此不再赘述。

在本实施例中，第一管壳侧壁上有TO的焊接孔位，将焊料环和TO管帽塞入到管壳的焊接孔位上内，经过高温曲线回流，焊料融化后将TO管帽焊接到第一管壳内部。

S6、分别根据三个激光芯片执行当前步骤，以完成光路耦合：将准直透镜和反射透镜依次放置于激光芯片的出光方向。然后给激光芯片加电使其发光，同时用光板分析仪对穿过出光窗口的光线进行监控。再然后保持振镜组件中反射镜片的方向不变，调整准直透镜和反射透镜的位置，直至光板分析仪监测到的光斑处于预设位置，且调整光斑分析仪和第一管壳之间的距离光斑的中心位置不变时，将准直透镜和反射透镜固定于第一基板。

具体的，利用光在线耦合台同时将准直镜与反射楔形片进行耦合，耦合过程中MEMS反射镜片至于初始状态保证光线可以垂直出射。出射的光用光斑分析仪进行监控。将光斑调整到最佳位置，并保证最圆。同时前后移动光斑分析仪或第一管壳，光斑都在最中间位置，依此保证光斑的准直特性。完成蓝光后再逐次完成绿光和红光的耦合，同时保证三个光斑的重合。

S7、采用平行封焊工艺将盖板固定于第一管壳。

具体的，完成耦合后，即可采用平行封焊工艺对整个激光器进行封盖。优选地，封盖时充入高纯度氮气或惰性气体，保证内部的露点。经过以上的工艺步骤后卫星激光投影装置已经完成。

在上述实施例的基础上，本发明的一个可选地实施例中，制造方法在步骤S5之前还包含步骤A1至步骤A4。

A1、采用贴片机将MEMS芯片贴在TO管壳上，然后经过回流焊工艺完成焊接固定。

A2、通过芯片绑线工艺，将MEMS芯片和TO管壳进行电连接。

A3、将窗口片贴在TO管帽上。

A4、通过TO封帽工艺将TO管帽固定于TO管壳。

在本实施例中，采用TO封装的形式将MEMS芯片封装在TO管壳的内部。如下图4和图5所示，根据MEMS芯片的正负电极结构，采用TO管壳为5pin引脚。MEMS芯片为MEMS 2D芯片。MEMS芯片贴在TO管壳底座上，四个pad通过绑线连接出来。TO管帽采用45°倾斜结构的管帽，上面有高透的窗口片。

具体的，在其它实施例中，MEMS芯片的封装工作可以外发订购，或者直接使用现有的结构类似的MEMS，而不必用户自己生产，从而节省购买相应生产设备的钱。

本发明实施例的微型激光投影装置结构简单，没有复杂的光路和电路控制系统，所以器件在一个管壳内部。实现工艺简单，都是通用的半导体封装工艺与设备，并且体积小重量轻，都是芯片级别封装，管壳小。相同的工艺适用性强，可以根据虚拟现实的眼镜做到更小，单对于激光投影因为散热的要求可以做的更大。适合量产，没有特别复杂的设备要求也没有特殊材料，只要将半导体工艺和光学耦合工艺结合即可进行量产线的搭建。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微型激光投影装置，其特征在于，包含第一管壳(1)、第一基板(3)、振镜组件(9)和盖板，以及三组光源组件(2)；

所述第一管壳(1)设置有容纳槽(8)、连通所述容纳槽(8)的焊接孔位，用以供所述容纳槽(8)内的光线穿过的出光窗口(10)；所述盖板用以密封所述容纳槽(8)；

所述第一基板(3)配置于所述容纳槽(8)；三组所述光源组件(2)分别配置于所述第一基板(3)；所述光源组件(2)包括配置于所述第一基板(3)的第二基板(7)、准直透镜(5)和反射透镜(4)，以及配置于所述第二基板(7)的激光芯片(6)；所述准直透镜(5)和所述反射透镜(4)沿着所述激光芯片(6)的出射方向设置；所述准直透镜(5)用以将所述激光芯片(6)发出的发散光校正为平行光；所述反射透镜(4)用以改变所述平行光的方向；

振镜组件(9)包括配置于所述焊接孔位的TO管帽(15)、配置于所述TO管帽(15)的窗口片(16)和TO管壳(14)，以及配置于所述TO管壳(14)的MEMS芯片(17)；所述TO管帽(15)为倾斜的管帽，用以罩住所述MEMS芯片(17)；所述振镜组件(9)能够改变光的方向，用以使光线从所述出光窗口(10)射出。

2.根据权利要求1所述的一种微型激光投影装置,其特征在于,所述第二基板(7)设置有负极区(11)、正极区(13)和用以焊接所述激光芯片(6)的焊接区(12)；所述激光芯片(6)的发光出口朝向所述第二基板(7)外部的方向设置，且所述激光芯片(6)的发光出口和所述第二基板(7)的边缘平齐。

3.根据权利要求2所述的一种微型激光投影装置,其特征在于,所述激光芯片(6)的发光出口朝向所述第一基板(3)内部的方向设置，且所述第二基板(7)远离所述激光芯片(6)一侧的边缘和所述第一基板(3)的边缘平行；

所述第一基板(3)的边缘和所述第一管壳(1)的边缘平行。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种微型激光投影装置,其特征在于,所述第一基板(3)为钨铜基板或陶瓷基板；所述第二基板(7)为陶瓷基板。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的一种微型激光投影装置,其特征在于,所述MEMS芯片(17)为MEMS 2D芯片；所述TO管壳(14)为5Pin引脚结构；所述TO管帽(15)为45°倾斜的管帽；所述窗口片(16)为高透光片。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的一种微型激光投影装置,其特征在于,三组所述光源组件(2)的反射透镜(4)之间偏移设置，以使三个激光芯片(6)发出的光线重叠。

7.一种微型激光投影装置的制造方法，其特征在于，包含：

采用贴片机将三种颜色的激光芯片分别贴在三个第二基板的激光器焊接区域，然后经过回流焊工艺完成焊接固定；

通过导热银胶将所述三个第二基板分别粘结在第一基板上；

通过导热银胶将所述第一基板粘结到第一管壳的容纳槽；

通过芯片绑线工艺，电连接激光芯片和第二基板；

将焊料环套在振镜组件的TO管帽上，并将焊料环和TO管帽插入焊接孔位，然后经过回流焊工艺完成焊接固定；

分别根据三个激光芯片执行当前步骤，以完成光路耦合：将准直透镜和反射透镜依次放置于激光芯片的出光方向；然后给激光芯片加电使其发光，同时用光板分析仪对穿过出光窗口的光线进行监控；再然后保持振镜组件中反射镜片的方向不变，调整准直透镜和反射透镜的位置，直至光板分析仪监测到的光斑处于预设位置，且调整光斑分析仪和所述第一管壳之间的距离光斑的中心位置不变时，将准直透镜和反射透镜固定于第一基板；

采用平行封焊工艺将盖板固定于所述第一管壳。

8.根据权利要求7所述的微型激光投影装置的制造方法,其特征在于,所述采用平行封焊工艺将所述盖板固定于所述第一管壳，具体包括：

采用平行封焊工艺将所述盖板固定于所述第一管壳，并且在封盖时往容纳槽中充入氮气或惰性气体。

9.根据权利要求7所述的微型激光投影装置的制造方法,其特征在于,所述制造方法还包含：

采用贴片机将MEMS芯片贴在TO管壳上，然后经过回流焊工艺完成焊接固定；

通过芯片绑线工艺，将所述MEMS芯片和所述TO管壳进行电连接；

将窗口片贴在所述TO管帽上；

通过TO封帽工艺将所述TO管帽固定于所述TO管壳。

10.根据权利要求7所述的微型激光投影装置的制造方法,其特征在于,所述贴片机为共晶贴片机；所述三种颜色分别为红色、绿色和蓝色。

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