CN219226883U - 一种vcsel发光器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及发光技术领域，公开了一种VCSEL发光器件，包括基板、VCSEL发光芯片、透镜和空腔结构。透镜包括第一光学界面和第二光学界面。透镜设置为具有会聚作用的凸透镜。VCSEL发光芯片设于第一光学聚焦区远离透镜的一侧，第一光学聚焦区与VCSEL发光芯片之间的距离小于其与透镜之间的距离。第一光学聚焦区为平行光线从第一光学界面入射并由第二光学界面出射后的聚焦区。VCSEL发光芯片的光经透镜折射后会聚在第二光学聚焦区，形成能量会聚的微小光斑。通过出光孔径尺寸、发光面与透镜距离的设置，进一步得到满足应用场景的的光斑。将VCSEL发光芯片直接固定于PCB基板上，保证了第二光学聚焦区精准到达预设位置，减少安装难度，节省生产成本，结构简单、稳固。

Description

一种VCSEL发光器件

技术领域

本实用新型属于发光技术领域，具体而言，涉及一种VCSEL发光器件。

背景技术

VCSEL全名为垂直共振腔表面放射激光，简称面射型激光，是半导体激光器的一种。相对于LED、EEL激光器等其他光源，VCSEL光源有诸多优良的特性，包括：发光效率高、功耗低，易于光纤耦合，超窄的线宽，极高的光束质量，高偏振比等。

现有光感测领域的主要光源采用EEL边发射激光，即谐振器与半导体基板平行地形成，光是沿平行于基板表面发出。现有的EEL的光感测器存在：1、EEL光源的封装结构复杂且封装后固定方式复杂，制造成本高，整体体积较大；2、安装过程容易造成会聚光偏离预设位置，安装难度大。

基于上述，目前要解决的问题：提供一种结构简单、易于制造、体积小，且能量会聚、到达预设光照位置精准度高的发光器件。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种VCSEL发光器件，旨在解决现有技术中，光源的封装结构、固定方式复杂，制造成本高，体积大，且精准度不能满足使用要求的问题。

本实用新型是这样实现的，一种VCSEL发光器件，包括基板、设置于所述基板上的VCSEL发光芯片、覆盖所述VCSEL发光芯片的透镜，以及所述透镜和所述基板形成容纳所述VCSEL发光芯片的空腔结构；

所述透镜包括靠近所述VCSEL发光芯片的第一光学界面和远离所述VCSEL发光芯片的第二光学界面，所述透镜设置为具有会聚作用的凸透镜；

所述VCSEL发光芯片设于第一光学聚焦区远离所述透镜的一侧，所述VCSEL发光芯片与所述第一光学聚焦区之间的距离小于所述透镜与所述第一光学聚焦区之间的距离；

所述第一光学聚焦区为平行光线从所述第二光学界面入射并由所述第一光学界面出射后的聚焦区。

进一步的，所述第二光学界面为凸曲面，所述第一光学界面为平面或者凸曲面或者凹曲面。

进一步的，所述VCSEL发光芯片设有至少1个圆形的出光孔，所述出光孔的直径小于0.1mm；所述出光孔的光轴与所述第一光学界面、所述第二光学界面的光轴平行或者重合设置。

进一步的，所述第一光学界面设置为平面，所述VCSEL发光芯片的发光面到所述第一光学界面之间的距离为小于4mm。

进一步的，所述VCSEL发光芯片发出的光的波长范围为700nm-1100nm。

进一步的，所述透镜的两侧底部设置与所述透镜一体成型的延伸部和/或设置固定架；所述延伸部、所述固定架分别与所述基板固定连接，所述VCSEL发光芯片被封装在所述空腔结构内。

进一步的，所述基板为PCB基板。

进一步的，所述PCB基板设置有固晶区与焊线区。

进一步的，所述PCB基板设置有与外部器件连接的外置的引脚区。

进一步的，所述PCB基板为BT板、FR4板、陶瓷板、铝基板中的一种。

与现有技术相比，本实用新型提供的VCSEL发光器件具有如下有益效果：

一、本实用新型的VCSEL发光器件设有用于会聚功能的透镜、设置在第一光学聚焦区远离透镜的一侧的VCSEL发光芯片和空腔结构，通过透镜的折射、会聚，使光能会聚在预设的第二光学聚焦区。第二光学聚焦区预设在光感器件的感测位置，光感器件感测第二光学聚焦区光能的变化并做出相应信息反馈。第二光学聚焦区的光斑微小且能量集中，结构简单，体积小。

二、本实用新型的VCSEL发光芯片采用：1.至少1个直径小于0.1mm的圆形的出光孔；2.VCSE发光芯片的发光面到第一光学界面之间的距离为小于4mm；3.光的波长范围为700nm-1100nm，进一步得到一定焦距范围内的能量集中、尺寸较小的光斑，满足场景使用需要。

三、透镜采用与透镜一体成型的延伸部或固定架与基板固定连接，将VCSEL发光芯片封装在空腔结构内。本实用新型的封装结构简单、稳固，易于制造，成本低，且体积小。

四、现有技术采用将VCSEL发光芯片封装在提供电连接、保护、支撑、散热、组装等功效的封装基板上，再通过表面贴装技术（SMT）将VCSEL发光器件的封装基板安装在PCB基板上，连接方式通常采用焊接等。SMT过程中焊膏厚度、固定的平整度，都会影响第二光学聚焦区到达预设位置，影响精准度。本实用新型采用将VCSEL发光芯片直接固定于PCB基板上，PCB基板设置了便于与外部器件物理连接和电连接的引脚区，保证了第二光学聚焦区精准到达预设位置，减少安装难度，节省生产成本，减少光感测器的检测误差。

附图说明

图1是本实用新型提供的VCSEL发光器件的剖面结构示意图及光路图；

图2是本实用新型提供的VCSEL发光器件的剖面结构示意图及另一种光路图；

图3是本实用新型提供的实施例1的剖面结构示意图；

图4是本实用新型提供的PCB基板的结构示意图；

图5是本实用新型提供的PCB基板的另一种结构示意图；

图中: 1-基板；11-引脚区；2-VCSEL发光芯片；3-透镜；31-第一光学界面；32-第二光学界面；33-延伸部；4-空腔结构； 5-第一光学聚焦区；6-第二光学聚焦区，X-光轴。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

以下结合具体实施例对本实用新型的实现进行详细的描述。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照图1-5所示，为本实用新型提供的较佳实施例。

参照图1-2，VCSEL发光器件包括基板1、设置于基板1上的VCSEL发光芯片2、覆盖VCSEL发光芯片2的透镜3。透镜3和基板1形成容纳所述VCSEL发光芯片2的空腔结构4，空腔结构4包括用于放置电子元器件的空间和光传播的空间。

透镜3包括靠近VCSEL发光芯片2的第一光学界面31和远离VCSEL发光芯片2的第二光学界面32，透镜3设置为具有会聚作用的凸透镜3。参照图1，VCSEL发光芯片2发出的光经透镜3折射后在透镜3远处一定距离会聚至第二光学聚焦区6，第二光学聚焦区6的光斑微小且能量集中，满足应用场景的需要，例如VCSEL发光器件作为光感器件的感测光源，第二光学聚焦区6设置在PD光感器件感测位置。

透镜3与VCSEL发光芯片2的放置位置：参照图2，VCSEL发光芯片2设于第一光学聚焦区5远离透镜3的一侧，透镜3与第一光学聚焦区5的距离大于VCSEL发光芯片2与第一光学聚焦区5的距离。第一光学聚焦区5：如果用平行光照射第二光学界面32，平行光与透镜3的光轴平行或者重叠，经透镜3折射后由第一光学界面31出射后形成的光会聚区域。

优选方案，第二光学界面32设置为凸曲面，第一光学界面31设置为平面或者凸曲面或者凹曲面。VCSEL发光芯片2的发光面设置至少1个圆形的出光孔，出光孔的直径优选小于0.1mm，出光孔的光轴X与第一光学界面31、第二光学界面32的光轴平行或者重合设置。

进一步的，第一光学界面31优选设置为平面，VCSEL发光芯片2的发光面与第一光学界面31之间的距离优选小于4mm。VCSEL发光芯片2发出的光的波长优选范围为700nm-1100nm。通过对VCSEL发光芯片2的出光孔的直径、发光面与第一光学界面31之间的距离的设置，以及光波的选取，得到一定焦距范围内的能量集中、尺寸较小的光斑，满足场景使用需要。

实施例1：参照图3，透镜3的两侧底部设置与透镜3一体成型的延伸部33和/或设置固定架。延伸部33、固定架分别与基板1固定连接，VCSEL发光芯片2被封装在空腔结构4内。整体封装结构简单、稳固，易于制造，成本低，且体积小。

基板1优选为PCB基板，即将VCSEL发光芯片2直接设于PCB基板上。PCB基板设置有用于放置透镜3的固晶区与用于定位焊接的焊线区。PCB基板设置有用于与外部器件连接的外置的引脚区11，引脚区11内布置有导电金属。引脚区11的数量大于等于1个，图4的引脚区11的数量为1，正、负极导电金属间隔、并列布置其上；图5的引脚区11的数量为2，正、负极导电金属分开布置在不同引脚区11上。同时引脚区11可与外部器件的插口配合使用，进行连接。引脚区11起到物理连接和电连接的作用。

现有技术先将VCSEL发光芯片2固定在封装基板上，再通过表面贴装技术（SMT）将封装基板安装于PCB基板上。本实用新型省去了封装基板，直接将VCSEL发光芯片2固定于PCB基板上，减少了SMT焊接过程中因焊膏的厚度等操作因素造成基板安装位置的误差；使VCSEL发光芯片2的光轴沿预设方向出射，保证了第二光学聚焦区6精准聚焦在预设位置，提高光感测器测量的准确度。同时简化了工艺，减少了安装难度，大大节省了生产成本和提高了生产效率。PCB基板优选BT板、FR4板、陶瓷板、铝基板中的一种。

不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种VCSEL发光器件，其特征在于，包括基板（1）、设置于所述基板（1）上的VCSEL发光芯片（2）、覆盖所述VCSEL发光芯片（2）的透镜（3），以及所述透镜（3）和所述基板（1）形成容纳所述VCSEL发光芯片（2）的空腔结构（4）；

所述透镜（3）包括靠近所述VCSEL发光芯片（2）的第一光学界面（31）和远离所述VCSEL发光芯片（2）的第二光学界面（32），所述透镜（3）设置为具有会聚作用的凸透镜（3）；

所述VCSEL发光芯片（2）设于第一光学聚焦区（5）远离所述透镜（3）的一侧，所述VCSEL发光芯片（2）与所述第一光学聚焦区（5）之间的距离小于所述透镜（3）与所述第一光学聚焦区（5）之间的距离；

所述第一光学聚焦区（5）为平行光线从所述第二光学界面（32）入射并由所述第一光学界面（31）出射后的聚焦区。

2.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述第二光学界面（32）为凸曲面，所述第一光学界面（31）为平面或者凸曲面或者凹曲面。

3.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述VCSEL发光芯片（2）设有至少1个圆形的出光孔，所述出光孔的直径小于0.1mm；所述出光孔的光轴与所述第一光学界面（31）、所述第二光学界面（32）的光轴平行或者重合设置。

4.如权利要求3所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述第一光学界面（31）设置为平面，所述VCSEL发光芯片（2）的发光面到所述第一光学界面（31）之间的距离为小于4mm。

5.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述VCSEL发光芯片（2）发出的光的波长范围为700nm-1100nm。

6.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述透镜（3）的两侧底部设置与所述透镜（3）一体成型的延伸部（33）和/或设置固定架；所述延伸部（33）、所述固定架分别与所述基板（1）固定连接，所述VCSEL发光芯片（2）被封装在所述空腔结构（4）内。

7.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述基板（1）为PCB基板。

8.如权利要求7所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述PCB基板设置有固晶区与焊线区。

9.如权利要求7所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述PCB基板设置有与外部器件连接的外置的引脚区（11）。

10.如权利要求7所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述PCB基板为BT板、FR4板、陶瓷板、铝基板中的一种。

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