CN210129089U - 集成化激光投射模组 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光投射模组，其包括模组壳体、光学元件、发光芯片和柔性电路板，模组壳体包括保持架和连接至保持架的一个开口端的基板，其中，所述发光芯片和所述柔性电路板的主体部分分别直接设置在所述基板的顶面上，并且所述发光芯片至少部分地通过所述基板电连接至所述柔性电路板。这样的激光投射模组消除了现有技术中对于用于将发光芯片连接至柔性电路板的连接板的需要，简化了结构。

Description

集成化激光投射模组

技术领域

本实用新型涉及一种集成化的激光投射模组，特别是一种可用于结构光三维传感技术的激光投射模组。

背景技术

近些年来，结构光三维传感技术在消费电子、机器人、物流、工业检测等领域的应用越来越广泛。用于产生结构光的激光投射模组是结构光三维传感系统中的核心部件，其结构和功能对于结构光三维传感技术的实现有很大的影响。

图1示出了一种现有的结构光激光投射模组，其具有框形的保持架1。保持架1的一端安装有诸如DOE(衍射光学元件，Diffractive Optical Element)之类的用于基于激光产生结构光的光学元件2，另一端上贴附有柔性电路板3。柔性电路板3的与保持架1相反的一侧设置有基板4。基板4通常具有较好的刚性和散热性能，用于保持柔性电路板3的相应部分的平整性以及增强散热。发光芯片5，例如VCSEL(垂直腔表面发射激光器,Vertical CavitySurface Emitting Laser)，经由连接板6安装并电连接到柔性电路板3上。

可以看到，如图1所示的现有激光投射模组中，为了实现发光芯片与柔性电路板的电连接，专门设置了连接板。这增加了模组的体积、工艺复杂程度和制作成本。同时，由于保持架1粘接在柔性电路板上，而柔性电路板本身的刚性和稳定性是较差的，因此模组本身的结构稳定性不足。此外，这样的激光投射模组只具有基本的投射功能，在使用时需要配合外围的电路和其它元器件一起使用。这就造成了投射模组在使用时，整个系统结构过于复杂，使用上不便利且成本高等问题。

总之，现有的激光投射模组还存在较多亟待改进之处。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种激光投射模组，其至少部分地克服了现有的激光投射模组中的不足。

根据本实用新型实施例的一种激光投射模组包括：模组壳体，包括保持架和连接至保持架的一个开口端的基板；光学元件，安装至所述保持架的另一个开口端；发光芯片，设置在所述模组壳体内，用于发射激光；和柔性电路板，包括设置在所述模组壳体内的主体部分和从主体部分延伸到所述模组壳体外的延伸部分。所述发光芯片和所述柔性电路板的主体部分分别直接设置在所述基板的顶面上，并且所述发光芯片至少部分地通过所述基板电连接至所述柔性电路板。

优选地，所述激光投射模组还可以包括设置在所述模组壳体内的、用于驱动所述发光芯片的驱动芯片，该驱动芯片直接设置在所述基板的顶面上并且通过所述基板电连接至所述柔性电路板。

优选地，所述激光投射模组还可以包括设置在所述模组壳体内的测光元件和/或测温元件，所述测光元件和/或测温元件直接设置在所述基板的顶面上并且通过所述基板电连接至所述柔性电路板。所述测光元件和/或测温元件可以连接至所述驱动芯片，从而将其所测得的信号输出给所述驱动芯片。

在一些实施例中，所述基板同时提供通往所述柔性电路板的正、负极性的电连接。

优选地，所述基板的顶面形成有导电线路层。所述导电线路层可以包括至少一条导电线路以及形成在每一条所述导电线路两端的焊盘。

在一些实施例中，所述基板包括金属层、形成在该金属层上的绝缘层、以及形成在该绝缘层上的所述导电线路层。

在另一些实施例中，所述基板包括陶瓷层和形成在该陶瓷层上的所述导电线路层，并且所述陶瓷层中形成有散热过孔。

优选地，所述柔性电路板的主体部分具有小于所述基板的外形尺寸，所述基板与所述保持架之间直接密封连接。所述保持架上可以形成有供所述柔性电路板的延伸部分穿过的开口，该开口处优选利用密封胶被密封。

优选地，所述基板与所述保持架的所述一个开口端具有大致相同的外形尺寸。

所述发光芯片可以为VCSEL芯片。

所述光学元件可以为衍射光学元件。

根据本实用新型实施例的新型激光投射模组，通过将发光芯片等器件直接安装在基板上并至少部分地经由基板实现电连接，消除了现有技术中对于用于将发光芯片连接至柔性电路板的连接板的需要，简化了结构。根据本实用新型一些实施例的激光投射模组还集成了具有其它功能的元器件，实现了高度集成化的、使用便利的激光投射模组。此外，根据本实用新型实施例的激光投射模组还改进了模组封装结构。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了一种现有的结构光激光投射模组；

图2A和图2B示出了根据本实用新型第一实施例的激光投射模组的一个示例，其中图2B是图2A在位置A-A处截取的剖视图；

图3示出了图2A和图2B所示激光投射模组的一个变型例；

图4示出了图2A和图2B所示激光投射模组的另一个变型例；

图5A示出了根据本实用新型第二实施例的激光投射模组的一个示例，图5B示出了可用于图5A所示激光投射模组中的基板的一个示例；

图6示出了根据本实用新型第三实施例的激光投射模组的一个示例；

图7A和图7B示出了根据本实用新型第四实施例的激光投射模组的一个示例，其中图7B是图7A在位置B-B处截取的剖视图；

图8示出了可用于图7A和图7B所示激光投射模组的基板的一个示例；

图9示出了可用于图7A和图7B所示激光投射模组的柔性电路板的一个示例；

图10A和图10B示出了可用于根据本实用新型实施例的激光投射模组的基板的不同构造的两个示例；以及

图11示出了根据本实用新型第五实施例的激光投射模组的一个示例。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型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相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

图2A和图2B示出了根据本实用新型第一实施例的激光投射模组的一个示例，其中图2B是图2A在位置A-A处截取的俯视剖视图。如图所示，激光投射模组100包括模组壳体10、安装在模组壳体10的开口端上的光学元件20、设置在模组壳体10内的发光芯片30以及用于提供模组内外电连接的柔性电路板40。其中，模组壳体10包括保持架11和连接至保持架11的一个开口端的基板12，光学元件20安装至保持架11的另一个开口端。柔性电路板40包括设置在模组壳体10内的主体部分41和从主体部分41延伸到模组壳体10外的延伸部分42。根据本实用新型实施例，发光芯片30和柔性电路板40的主体部分41均直接设置在基板12的顶面上，并且发光芯片30至少部分地通过基板12电连接至柔性电路板40。

可以看到，根据本实用新型实施例的激光投射模组中，发光芯片被直接设置在基板上，并经由基板实现与柔性电路板的连接。这样，相对于图1所示现有的激光投射模组而言，省略了连接板，简化了结构。这相应地使得能够简化模组的组装工艺并降低制作成本，而且有利于模组的小型化和轻型化。

光学元件20包括用于基于发光芯片30所发射的激光产生所需要的结构光的元器件，例如衍射光学元件。光学元件20也可以包括例如对来自发光芯片30的激光进行准直或调制的其它光学元件，例如透镜等等。

根据本实用新型实施例的激光投射模组中，发光芯片30优选为VCSEL激光器芯片，然而本实用新型并不限于此。

根据本实施例，激光投射模组100的发光芯片30的一个电极(例如负极)经由基板12与柔性电路板40连接，另一个电极(例如正极)通过引线43与柔性电路板40电连接。

在图2A和图2B所示示例中，柔性电路板40的主体部分41上可以设置焊盘41a、41b，这些焊盘与设置在柔性电路板40的延伸部分42上的连接器42a电连通。连接器42a例如可以为焊盘或接触垫形式的。在该示例中，发光芯片30例如通过回流焊焊接在基板12上；基板12提供相应的导电通路，该导电通路一端与发光芯片30的底部的电极端子电连通，另一端与形成在柔性电路板40的主体部分41的与基板12的相对的表面(下表面)上的焊盘41a电连通。这样，发光芯片30的一个电极可以经由基板12电连接至柔性电路板40。如图所示，发光芯片30的另一个电极可以通过常用的引线连接方式连接至柔性电路板40上的焊盘41b。

在图2A和图2B所示示例中，基板12例如可以由导电的金属材料制成，或者至少部分地包含导电材料以提供上述连接在发光芯片30底部与柔性电路板40的焊盘41a之间的导电通路；本实用新型在基板的具体形式方面不受限制。

为了模组的小型化，基板12优选具有与保持架11的开口端大致相同的外形尺寸。

此外，优选地，如图2A和2B所示，柔性电路板40的主体部分41具有小于基板12的外形尺寸，基板12与保持架11之间直接密封连接。例如，基板12与保持架11之间可以利用密封胶密封粘接在一起。相比图1所示的模组中保持架与柔性电路板连接，柔性电路板再固定到基板上的结构而言，这样将基板与保持架直接连接和固定在一起的激光投射模组能够简化结构，很好地提高模组的稳定性，降低安装误差，从而也有利于提高激光投射模组的光学性能。

如图2A和2B所示，保持架11上可以形成有供柔性电路板40的延伸部分42穿过的开口11a。优选地，开口11a利用密封胶被密封。这样有利于保持模组壳体内部空间的密封性，防止外部尘埃、水汽等不利环境因素对内部器件的影响，从而保证模组的光学性能，提高模组的使用寿命。

在图2A和图2B所示示例中，柔性电路板40的主体部分41具有叉形形状，其中如图所示，两个分叉部分上分别设置焊盘41b，用于分别与发光芯片30实现引线连接。然而，根据本实用新型实施例的模组中，主体部分41的形状和构造并不限于任何特定的形式，更不限于图2A和图2B所示的形状和构造。为了便于理解，图3和图4示出了两个变型例。图3示出的模组100A中，柔性电路板40的主体部分41可以覆盖模组壳体10内基板12上的大部分面积而中间设置有开口，发光芯片30设置在该开口中并直接连接至基板12。图4示出的模组100B中，柔性电路板40的主体部分41可以仅覆盖模组壳体10内基板12上的较小面积，并在其靠近发光芯片30的一侧边缘部分处设置有用于引线连接的焊盘41b。

图5A示出了根据本实用新型第二实施例的激光投射模组的一个示例。根据本实用新型第二实施例的激光投射模组200与根据本实用新型第一实施例的激光投射模组100具有基本上相同的结构，不同之处主要在于，在激光投射模组200中，发光芯片30构造为在其底部具有正负两个电极的连接端子(焊盘)，并且基板12为发光芯片30提供通往柔性电路板40的正负两个极性的电连接。因此，如图5A所示，发光芯片30与柔性电路板40之间可以不再需要引线方式的连接。

图5B示出了可用于图5A所示激光投射模组中的基板的一个示例，其中基板12的顶面上设置有对应于发光芯片30底部的电连接端子的两个焊盘12a和12a’、以及对应于柔性电路板40的主体部分41下表面上的焊盘41a(此示例中包括两个分立的焊盘，图中未示出)的两个焊盘12b和12b’。基板12还设置有连接于焊盘12a和12b以及焊盘12a’和焊盘12b’之间的导电线路12c。在图5B所示示例中，导电线路12c是形成在基板12的顶面上，例如印刷在基板12的顶面上。然而，导电线路12c也可以包括形成在基板12的顶面以外的部位的彼此导通的特征，例如导电过孔等；本实用新型在此方面并不受限。

图6示出了根据本实用新型第三实施例的激光投射模组的一个示例。根据本实用新型第三实施例的激光投射模组300与根据本实用新型第一实施例的激光投射模组100具有基本上相同的结构，不同之处主要在于，在激光投射模组300中进一步集包括用于驱动发光芯片30的驱动芯片50，该驱动芯片50被集成在模组壳体10内，其直接设置在基板12的顶面上，并且部分地通过基板12电连接至柔性电路板。

在根据第三实施例的激光投射模组300中，驱动芯片50与柔性电路板40之间的连接方式可以相同或类似于发光芯片30与柔性电路板40之间的连接方式。在图6所示示例中，驱动芯片50的一个电极(例如负极)经由基板12连接至柔性电路板40的主体部分41的焊盘41a，另一个电极(例如正极)通过引线直接连接至柔性电路板40的主体部分41上的焊盘41b。优选，发光芯片30和驱动芯片50的相同极性的电极(例如均为负极)经由基板12连接至柔性电路板40。这样有利于简化基板12的构造。例如，基板12可以由整体的导电材料例如金属形成。

发光芯片需要配合适用于该发光芯片的驱动电路来使用。如以上结合图1所介绍的，现有技术中激光投射模组仅具备激光投射的功能，发光芯片的驱动电路却需要在激光投射模组之外另行提供，使得使用时激光投射模组及其外围电路等的体积大、连线复杂，不仅使用起来不方便，甚至有时还限制了模组的适用场合。根据本实用新型第三实施例，直接将用于驱动发光芯片的驱动芯片集成到激光投射模组300的模组壳体中，这不仅仅为模组提供了相应的电源驱动功能，而且相对于在模组外提供驱动芯片或驱动电路的技术，模组300在结构上是高度集成化的，可以利用基板、柔性电路板等模组中已有的构件为驱动芯片提供电连接，对外提供简单的连接接口，具有整体封装的可靠的结构。可以理解，这样的激光投射模组是非常便于使用的，相应地适用场合也更加广泛。

图7A和图7B示出了根据本实用新型第四实施例的激光投射模组的一个示例，其中图7B是图7A在位置B-B处截取的剖视图。如图所示，根据本实用新型第四实施例的激光投射模组400具有与根据本实用新型第一实施例的激光投射模组100基本上相同的结构，不同之处主要在于，激光投射模组400中进一步集成了用于驱动发光芯片30的驱动芯片50、用于感测模组内温度的测温元件60和用于感测发光芯片30的发光亮度的测光元件70。驱动芯片50、测温元件60和测光元件70均被集成在模组壳体10内，它们直接设置在基板12的顶面上，并且经由基板12电连接至柔性电路板40。

测温元件60和测光元件70可在投射模组400工作时实时地将模组的温度和发光亮度反馈给驱动电路(驱动芯片50)。驱动电路则可以根据模组400的工作状态调整模组的发光方式。驱动电路中也可写入预先设定好的对应于投射模组400不同工作状态的不同驱动方式，例如不同的驱动电流、是否频闪、不同的频闪频率以及不同的脉冲占空比等。

根据本实施例，激光投射模组400将用于实现结构光投射的元器件(包括发光芯片和光学元件等)与激光器驱动电路(驱动芯片)、测温元件、测光元件集成在一起，使得投射模组400不但具有基本结构光投射功能，还能具有自动调节投射模组温度和亮度功能以及发光芯片的驱动控制功能。这使得在投射模组在使用中，不需要配合其它的外围设备，提高了系统的集成度和使用便捷性，并降低了使用成本。

应该理解的是，尽管图7A和图7B所示示例中，激光投射模组400同时集成了驱动芯片50、测温元件60和测光元件70，但是本实用新型并不限于此。根据本实用新型其它实施例的激光投射模组也可以仅集成驱动芯片、测温元件60和测光元件70中的任何一个或两个。

在图7A和图7B所示示例中，发光芯片30与柔性电路板40的连接方式如以上结合图2A和图2B所介绍的相同，在此不再赘述。当然，可以理解，发光芯片30也可以采用图5A和图5B所示电连接方式。

此外，在图7A和图7B所示示例中，驱动芯片50、测温元件60以及测光元件70则由基板12提供通往柔性电路板40的正、负两个极性的电连接。例如，驱动芯片50、测温元件60和测光元件70可以在其底部分别设置有正负极性的焊盘，从而与基板12顶面上的焊盘连接，经由基板12上提供的导电通路分别连接至例如设置在柔性电路板40的主体部分41的下表面上的对应于正负极性的焊盘41a。

尽管没有示出，但是优选地，测温元件60和测光元件70可以连接至驱动芯片50，例如经由基板12提供的导电通路，从而将其所测得的信号输出给所述驱动芯片。

为了便于理解，而非限制本实用新型，接下来将结合图8和图9介绍适用于图7A和图7B所示激光投射模组的基板和柔性电路板的示例。

图8示出了可用于图7A和图7B所示激光投射模组400的基板的一个示例。如图8所示，基板12在其顶面设置有多条导电线路，每一条导电线路12c，每一条导电线路12c在其两端形成有焊盘12a和12b。对照图8和图7B，可以看到，导电线路12c一端的焊盘12a可以用于与诸如发光芯片30、驱动芯片50、测温元件60以及测光元件70之类的设置在模组壳体10内的元器件电连接；导电线路12c另一端的焊盘12b可以用于与柔性电路板40的主体部分41的下表面上的焊盘41a(见图9)连接。

相应于图8所示的基板的示例，图9示出了可用于激光投射模组400的柔性电路板40的一个示例。如图9所示，柔性电路板40的主体部分41的下表面提供有用于与基板12上的焊盘12b连接的焊盘41a，上表面提供有用于与发光芯片30或其它集成于模组壳体10内的元器件通过引线连接的焊盘41b。焊盘41a和41b通过柔性电路板40内的导电线路40a连接至柔性电路板40的延伸部分42上所设置的连接器42a，用于与外部电源、设备等连接。连接器42a可以包括例如与主体部分41上的多个焊盘41a和41b对应的多个焊盘或接触垫。

应该理解的是，图8和图9仅分别示出了基板12和柔性电路板40的一个具体示例。在一些优选实现方式中，基板12可以进一步提供例如驱动芯片50与发光芯片30、测温元件60和/或测光元件70之间直接电连接的导电线路。作为替代或补充，柔性电路板40上也可以提供用于驱动芯片50与发光芯片30、测温元件60和/或测光元件70之间电连接的导电线路。例如发光芯片、测温元件60和/或测光元件70可以经由基板和柔性电路板连接至驱动芯片50。

在其中基板需要提供不止一条导电线路的本实用新型实施例中，优选基板12的顶面形成有导电线路层。图10A和图10B示出了具有导电线路层的基板的两个示例。

图10A所示的基板121采用金属基板。具体地，基板121包括金属层121c、形成在该金属层上的绝缘层121b、以及形成在绝缘层121b上的导电线路层121a。导电线路层121a上制作诸如图5B和图8所示的导电线路，用于将发光芯片30、驱动芯片50等电连接至柔性电路板40。基板121中，金属层121c自身导热性能良好，有利于实现良好的散热功能。

图10B所示的基板121采用陶瓷基板。具体地，基板122包括陶瓷层122b和形成在陶瓷层122b上的导电线路层122a。陶瓷材料的绝缘性能良好，但是导热性能较差。因此，陶瓷层122b中优选形成有散热过孔122c。散热过孔122c例如由贯穿陶瓷层122b的通孔以及填充在通孔中的导热材料(例如焊锡)构成，用以提高基板的散热性能。

尽管图2A和图7A中显示光学元件20和基板12分别设置在保持架11的两个彼此相对的开口端，但是本实用新型并不限于此。例如，参见图11所示出的根据本实用新型第五实施例的激光投射模组示例。

图11所示的激光投射模组500可以与例如根据本实用新型第四实施例的激光投射模组400具有基本上相同的结构，不同之处主要在于，光学元件20和基板12设置在保持架11的两个彼此垂直方向上的开口端上。可以采用例如反射元件80，例如反射镜或棱镜，实现激光光路的偏折。激光投射模组500对于在模组的光出射方向上的尺寸受限的应用场合尤其适用。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (14)

1.一种激光投射模组，包括：

模组壳体，包括保持架和连接至保持架的一个开口端的基板；

光学元件，安装至所述保持架的另一个开口端；

发光芯片，设置在所述模组壳体内，用于发射激光；和

柔性电路板，包括设置在所述模组壳体内的主体部分和从主体部分延伸到所述模组壳体外的延伸部分，

其特征在于，所述发光芯片和所述柔性电路板的主体部分分别直接设置在所述基板的顶面上，并且所述发光芯片至少部分地通过所述基板电连接至所述柔性电路板。

2.如权利要求1所述的激光投射模组，其特征在于，该激光投射模组还包括设置在所述模组壳体内的、用于驱动所述发光芯片的驱动芯片，该驱动芯片直接设置在所述基板的顶面上并且通过所述基板电连接至所述柔性电路板。

3.如权利要求2所述的激光投射模组，其特征在于，该激光投射模组还包括设置在所述模组壳体内的测光元件和/或测温元件，所述测光元件和/或测温元件直接设置在所述基板的顶面上并且通过所述基板电连接至所述柔性电路板。

4.如权利要求3所述的激光投射模组，其特征在于，所述测光元件和/或测温元件连接至所述驱动芯片，从而将其所测得的信号输出给所述驱动芯片。

5.如权利要求1-4中任一项所述的激光投射模组，其特征在于，所述基板同时提供通往所述柔性电路板的正、负极性的电连接。

6.如权利要求5所述的激光投射模组，其特征在于，所述基板的顶面形成有导电线路层。

7.如权利要求6所述的激光投射模组，其特征在于，所述导电线路层包括至少一条导电线路以及形成在每一条所述导电线路的两端的焊盘。

8.如权利要求6或7所述的激光投射模组，其特征在于，所述基板包括金属层、形成在该金属层上的绝缘层、以及形成在该绝缘层上的所述导电线路层。

9.如权利要求6或7所述的激光投射模组，其特征在于，所述基板包括陶瓷层和形成在该陶瓷层上的所述导电线路层，并且所述陶瓷层中形成有散热过孔。

10.如权利要求1所述的激光投射模组，其特征在于，所述柔性电路板的主体部分具有小于所述基板的外形尺寸，所述基板与所述保持架之间直接密封连接。

11.如权利要求10所述的激光投射模组，其特征在于，所述保持架上形成有供所述柔性电路板的延伸部分穿过的开口，该开口处利用密封胶被密封。

12.如权利要求10或11所述的激光投射模组，其特征在于，所述基板与所述保持架的所述一个开口端具有大致相同的外形尺寸。

13.如权利要求1所述的激光投射模组，其特征在于，所述发光芯片为VCSEL芯片。

14.如权利要求1所述的激光投射模组，其特征在于，所述光学元件为衍射光学元件。

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