KR20220147978A - 표면발광 레이저소자 및 카메라 모듈 - Google Patents

표면발광 레이저소자 및 카메라 모듈 Download PDF

Info

Publication number
KR20220147978A
KR20220147978A KR1020210055163A KR20210055163A KR20220147978A KR 20220147978 A KR20220147978 A KR 20220147978A KR 1020210055163 A KR1020210055163 A KR 1020210055163A KR 20210055163 A KR20210055163 A KR 20210055163A KR 20220147978 A KR20220147978 A KR 20220147978A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light emitting
light
emitting unit
emitters
unit
Prior art date
Application number
KR1020210055163A
Other languages
English (en)
Inventor
김명섭
박귀연
Original Assignee
엘지이노텍 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지이노텍 주식회사 filed Critical 엘지이노텍 주식회사
Priority to KR1020210055163A priority Critical patent/KR20220147978A/ko
Publication of KR20220147978A publication Critical patent/KR20220147978A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18322—Position of the structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/028—Coatings ; Treatment of the laser facets, e.g. etching, passivation layers or reflecting layers
    • H01S5/0282—Passivation layers or treatments
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/17—Semiconductor lasers comprising special layers
    • H01S2301/176—Specific passivation layers on surfaces other than the emission facet

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

발명의 실시 예에 개시된 표면발광 레이저소자는 복수의 제1이미터들이 배열된 제1발광부; 및 상기 복수의 제2이미터들이 배열된 제2발광부를 포함하며, 상기 제1발광부는 제1빔각을 발광하며, 상기 제2발광부는 상기 제1빔각보다 좁은 제2빔각을 발광하며, 상기 제1이미터와 상기 제2이미터는 적어도 한 방향으로 교대로 배치될 수 있다.

Description

표면발광 레이저소자 및 카메라 모듈{SURFACE-EMITTING LASER DEVICE AND CAMERA MODULE}
발명의 실시예는 표면발광 레이저소자 및 이를 갖는 카메라 모듈에 관한 것이다.
카메라 모듈은 객체를 촬영하여 이미지 또는 동영상으로 저장하는 기능을 수행하며 다양한 어플리케이션에 장착되고 있다. 특히 카메라 모듈은 초소형으로 제작되어 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 등의 휴대용 디바이스와 드론 및 차량과 같은 이동체에 적용될 수 있다.
최근에는 3차원 컨텐츠에 대한 수요 및 공급이 증가하고 있다. 이에 따라 카메라를 이용한 깊이 정보 파악으로 3차원 컨텐츠를 파악할 수 있는 다양한 기술들이 연구 및 개발되고 있다. 예를 들어, 깊이 정보를 파악할 수 있는 기술은 스테레오(Stereo) 카메라를 이용한 기술, 구조 광(Structured light) 카메라를 이용한 기술, DFD(Depth from defocus) 카메라를 이용한 기술, TOF(Time of flight) 카메라 모듈을 이용한 기술 등이 있다.
먼저, 스테레오(Stereo) 카메라를 이용한 기술은 복수의 카메라, 예컨대 좌측 및 우측에 배치된 각각의 카메라를 통해 수신된 영상의 좌우 시차에서 발생하는 거리, 간격 등의 차이를 이용하여 깊이 정보를 생성하는 기술이다.
또한 구조 광(Structured light) 카메라를 이용한 기술은 설정된 패턴을 형성하도록 배치된 광원을 이용하여 깊이 정보를 생성하는 기술이며, DFD(Depth from defocus) 카메라를 이용한 기술은 초점의 흐려짐을 이용한 기술로 동일한 장면에서 촬영된 서로 다른 초점을 가지는 복수의 영상을 이용하여 깊이 정보를 생성하는 기술이다.
또한 TOF(Time of flight) 카메라는 광원에서 객체를 향해 방출한 광이 상기 객체에 반사되어 센서에 돌아오는 시간을 측정함으로써, 상기 객체와의 거리를 계산하여 깊이 정보를 생성하는 기술이다. 이러한 TOF 카메라는 깊이 정보를 실시간으로 획득할 수 있는 장점이 있어 최근 주목받고 있다.
발명의 실시예는 객체를 향해 도트 광원과 플러드 광원을 선택적으로 제공하는 표면발광 레이저소자를 제공한다.
발명의 실시 예는 출사각이 다른 적어도 두 이미터 그룹을 갖는 표면발광 레이저소자를 제공한다.
발명의 실시 예는 이미터들 중에서 출사측 표면이 러프하지 않는 제1이미터 그룹과, 러프한 제2이미터 그룹을 갖는 표면발광 레이저소자를 제공한다.
발명의 실시예는 제1이미터 그룹과 제2이미터 그룹을 적어도 한 방향 또는 두 방향 이상으로 교대로 배열한 표면발광 레이저소자 및 이를 구비한 카메라 모듈을 제공할 수 있다.
발명의 실시 예에 따른 표면발광 레이저소자는 복수의 제1이미터들이 배열된 제1발광부; 및 상기 복수의 제2이미터들이 배열된 제2발광부를 포함하며, 상기 제1발광부는 제1빔각을 발광하며, 상기 제2발광부는 상기 제1빔각보다 좁은 제2빔각을 발광하며, 상기 제1이미터와 상기 제2이미터는 적어도 한 방향으로 교대로 배치될 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1발광부와 상기 제2발광부의 출사측 상부면의 거칠기는 서로 다르며, 상기 제1발광부는 전 영역의 제1이미터들에 의해 50도 이상의 빔각을 발광하며, 상기 제2발광부는 전 영역의 제2이미터들에 의해 30도 이하의 빔각을 발광할 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1발광부의 상부 면은 러프한 면을 형성되며, 상기 제2발광부의 상부 면은 플랫한 면으로 형성될 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1 및 제2발광부의 상부 면은 패시베이션 재질로 형성될 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1 및 제2발광부 각각의 외측에 전기적으로 연결된 복수의 패드를 포함할 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1이미터들 간의 피치와 상기 제2이미터들 간의 피치는 서로 동일하거나 다를 수 있다.
발명에 실시 예에 따른 카메라 모듈은 상기의 표면발광 레이저소자를 갖는 발광부 및 상기 상기 발광부 상에 렌즈부를 갖는 발광 유닛; 및 상기 발광부의 이미터들이 구동되어 조사된 적외선 영역의 광을 객체로부터 산란 또는 반사된 광을 수신하는 수광 유닛을 포함할 수 있다.
발명에 실시예에 의하면, 출사되는 빔 각이 다른 적어도 두 이미터 그룹을 하나의 VCSEL에 배치하여, 별도의 VCSEL 또는 구동 광학계 없이 도트(Dot)와 플러드(flood) 광원을 제공할 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 고정 포커스 광학계를 이용하여 도트 광원과 플러드 광원을 동시에 구성할 수 있어, 카메라 모듈의 사이즈를 줄일 수 있고 카메라 모듈의 구성이 복잡하지 않을 수 수 있다.
발명의 실시 예에 따른 표면발광 레이저소자 및 이를 구비한 카메라 모듈의 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
발명의 실시 예에 따른 표면발광 레이저소자는 차량과 같은 이동체, 휴대단말기, 카메라, 각종 정보 측정장치, 로봇, 컴퓨터, 의료기기, 가전이나 웨어러블에 거리 측정장치로 적용될 수 있다.
도 1는 발명의 실시 예에 따른 카메라 모듈을 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 발광 유닛의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 발광 유닛에서 발광부 및 렌즈부의 예이다.
도 4는 도 1의 발광부의 복수의 발광부를 나타낸 평면도의 예이다.
도 5는 도 4의 제1이미터 어레이의 측 단면도의 예이다.
도 6은 도 4의 제1이미터 및 제2이미터의 어레이를 나타낸 측 단면도의 예이다.
도 7은 도 6의 제2이미터의 측 단면도의 예이다.
도 8은 도 4의 복수의 발광부에 연결된 전극의 다른 예이다.
도 9는 도 8의 제1발광부의 B-B측 단면도이다.
도 10은 발명의 실시 예에 따른 이미터들의 배치 및 그 연결 형태의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 11은 발명의 실시 예에 따른 이미터들의 다른 배치 및 그 연결 형태의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 12의 (A)-(D)는 발명의 실시 예에 따른 제1,2이미터의 예를 나타낸 도면이다.
도 13은 도 4의 제1,2발광부 중 어느 하나의 구동 예이다.
도 14의 (A)(B)는 제1,2발광부의 빔 패턴의 예이다.
도 15는 발명의 실시 예에 따른 카메라 모듈의 블록 구성도이다.
도 16은 발명의 실시 예에 따른 카메라 모듈의 흐름도의 예이다.
도 17은 발명의 실시 예에 따른 카메라 모듈을 갖는 휴대 단말기의 예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A,B,C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나이상을 포함 할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 확정되지 않는다. 그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다. 또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
<실시예>
도 1는 발명의 실시 예에 따른 카메라 모듈을 설명하는 개념도이며, 도 2는 도 1의 발광 유닛의 일 예를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 발광 유닛에서 렌즈부의 예이며, 도 4는 도 1의 발광 유닛의 다른 예를 나타낸 도면이며, 도 5는 도 4의 발광 유닛에서 렌즈부 및 렌즈 구동부의 예이고, 도 6은 도 2 내지 도 5에서 발광부의 이미터 어레이를 나타낸 평면도의 예이며, 도 7의 (a)(b)(c)은 도 6의 제1영역(A1), 제2영역(A2) 및 제3영역(A3)을 나타낸 도면이며, 도 8은 도 6의 발광부의 이미터 어레이의 왜곡 형태를 나타낸 도면이고, 도 9는 도 6의 표면발광 레이저소자의 이미터의 측 단면도의 예이다.
도 1을 참조하면, 카메라 모듈(10)은 전방에 위치한 객체(20)에 대한 거리 정보 등의 3차원 정보를 검출하기 위한 광을 조사하고 실시간으로 조사된 광을 획득하는 모듈일 수 있다. 여기서, 상기 3차원 정보는 ToF(Time of Filght) 기능을 이용하여 3차원의 깊이 정보를 갖는 이미지 또는 거리 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 카메라 모듈(10)은 휴대 단말기, 무인 자동차, 자율 주행차, 로봇, 및 드론, 의료기기 등에 적용될 수 있다. 상기 카메라 모듈(10)은 라이다(LiDAR: Light detection and ranging) 장치, 센싱 장치 또는 촬상 모듈을 포함할 수 있다.
상기 카메라 모듈(10)은 객체(20)를 향해 광을 조사하는 발광 유닛(100), 상기 객체(20)로부터 반사된 광을 수신하는 수광 유닛(200), 및 상기 발광 유닛(100) 및 수광 유닛(200)을 제어하는 제어 유닛(300)을 포함할 수 있다. 상기 발광 유닛(100)은 광 신호를 생성한 후 생성된 광 신호를 객체(20)로 출력하는 유닛일 수 있다. 이러한 발광 유닛(100)은 이미터와 같이 광을 생성할 수 있은 이미터 어레이, 및 광 신호를 크기(amplitude) 변조 또는 위상(phase) 변조를 수행하여 광을 출력하는 구성을 포함할 수 있다. 상기 광 신호는 펄스의 형태이거나 사인파(sinusoid wave), 구형파(wquared wave) 또는 펄스파와 같은 지속파(continuous wave)의 형태일 수 있다.
상기 발광 유닛(100)에서 발생된 광 신호는 경로가 왜곡되어 출력될 수 있다. 상기 광 신호의 광 경로는 기 설정된 왜곡 수차(distortion)에 따라 왜곡된 조명으로 투사될 수 있다. 상기 발광 유닛(100)는 다양한 광 패턴의 광 신호를 출력할 수 있으며, 예컨대 면(flood) 조명 패턴의 광 신호를 출력하거나 도트(dot) 조명 패턴의 광 신호를 출력할 수 있다. 상기 발광 유닛(100)는 제어 유닛(300)의 제어 신호에 따라 광 신호의 광 경로를 변경할 수 있는 구조를 포함할 수 있다. 상기 발광 유닛(100)에서 출력되는 광은 상기 카메라 모듈(10)을 기준으로 출력 광 또는 출력 신호일일 수 있다. 상기 발광 유닛(100)에서 출력되는 광은 상기 객체(20)를 기준으로 입사광 또는 입사 신호일 수 있다.
상기 발광 유닛(100)은 상기 광 신호를 상기 객체(20)에 소정의 노출 주기(integration time) 동안 조사할 수 있다. 여기서 상기 노출 주기는 1개의 프레임 주기를 의미할 수 있다. 일례로, 상기 카메라 모듈(10)의 프레임 레이트(frame rate)가 30 FPS(Frame per second)인 경우 하나의 프레임의 주기는 1/30초일 수 있다.
상기 수광유닛(200)은 상기 발광 유닛(100)의 위치와 인접한 위치에 배치될 수 있다. 일례로, 상기 수광유닛(200)은 상기 발광 유닛(100)과 나란히 배치될 수 있다. 상기 수광유닛(200)은 상기 객체(20)에 반사된 광을 감지할 수 있다. 자세하게, 상기 수광유닛(200)는 상기 발광 유닛(100)에서 객체(20)로 투사되고 상기 객체(20)를 통해 반사된 광을 감지할 수 있다. 상기 수광유닛(200)은 상기 발광 유닛(100)이 방출한 광과 대응되는 파장 대역의 광을 감지할 수 있다.
객체(20)로부터 반사된 광신호는 상기 수광유닛(200)의 렌즈 어셈블리를 통과할 수 있다. 렌즈 어셈블리의 광축은 센서의 광축과 얼라인(align)될 수 있다. 필터는 렌즈 어셈블리와 센서 사이에 배치될 수 있다. 필터는 객체와 센서 사이의 광경로 상에 배치될 수 있다. 필터는 소정 파장 범위를 갖는 빛을 필터링할 수 있다. 필터는 빛의 특정 파장대역을 투과시킬 수 있다. 필터는 특정 파장의 빛을 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 필터는 발광 유닛(100)이 출력하는 광신호의 파장 대역에서 빛을 통과시킬 수 있다. 필터는 적외선 대역의 빛을 통과시키고 적외선 대역 이외의 빛을 차단시킬 수 있다. 또는, 필터는 가시광선을 통과시키고 가시광선 이외의 파장의 빛을 차단시킬 수 있다.
수광유닛(200)의 센서는 빛을 센싱할 수 있다. 센서는 광신호를 수신할 수 있다. 센서는 광신호를 센싱하는 이미지 센서일 수 있다. 센서는 광신호를 감지하여 전기적 신호로 출력할 수 있다. 센서는 발광 소자에서 출력하는 광의 파장에 대응하는 파장의 광을 감지할 수 있다. 센서는 적외선 대역의 빛을 감지할 수 있다. 또는, 센서는 가시광선 대역의 빛을 감지할 수 있다. 센서는 렌즈 어셈블리를 통과한 빛을 대응하는 전기 신호로 변환하는 픽셀 어레이, 픽셀 어레이에 포함된 복수의 픽셀을 구동하는 구동 회로 및 각 픽셀의 아날로그 픽셀 신호를 리드(read)하는 리드아웃회로를 포함할 수 있다. 리드아웃회로는 아날로그 픽셀 신호를 기준 신호와 비교하여 아날로그-디지털 변환을 통해 디지털 픽셀 신호(또는 영상 신호)를 생성할 수 있다. 여기서, 픽셀 어레이에 포함된 각 픽셀의 디지털 픽셀 신호는 영상 신호를 구성하며, 영상 신호는 프레임 단위로 전송됨에 따라 이미지 프레임으로 정의될 수있다. 즉, 이미지 센서는 복수의 이미지 프레임을 출력할 수 있다.
상기 제어 유닛(300)는 상기 발광 유닛(100) 및 상기 수광유닛(200)와 연결되며 구동을 제어할 수 있다. 상기 제어 유닛(300)는 상기 카메라 모듈(10)의 전방에 위치한 객체(20)의 크기, 위치, 형태 등에 따라 상기 발광 유닛(100)의 구동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어 유닛(300)은 상기 객체(20)의 위치에 따라 방출되는 광의 강도, 광 패턴의 크기, 광 패턴의 형태 등을 제어할 수 있다.
상기 카메라 모듈(10)은 객체(20)를 향해 광을 방출하고 객체에 반사되어 되돌아오는 광의 시간 또는 위상 차이를 바탕으로 객체의 깊이 정보를 산출하는 TOF(Time of flight) 카메라일 수 있다. 이에 따라 상기 제어 유닛(300)은 수광 유닛(200)이 생성한 전기신호에 기초하여 영상을 생성할 수 있다. 상기 제어 유닛(300)은 위상 펄스 주기마다 생성되는 전기신호로부터 서브 프레임 영상을 생성할 수 있다. 그리고, 상기 제어 유닛(300)은 프레임 펄스 주기 동안 생성된 복수의 서브 프레임 영상으로부터 하나의 프레임 영상을 생성할 수 있다. 또한, 상기 제어 유닛(300)은 복수의 서브 프레임 영상이나 복수의 프레임 영상을 통해 하나의 고해상 영상을 생성할 수도 있다. 예를 들어, 상기 제어 유닛(300)는 고 해상도(Super Resolution, SR) 기법을 통해 영상을 생성할 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았으나 상기 카메라 모듈(10)은 결합부(미도시) 및 연결부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 결합부는 후술할 광학 기기와 연결될 수 있다. 상기 결합부는 회로기판 및 상기 회로기판 상에 배치되는 단자를 포함할 수 있다. 일례로, 상기 단자는 상기 광학 기기와의 물리적, 전기적 연결을 위한 커넥터일 수 있다. 상기 연결부는 후술할 상기 카메라 모듈(10)의 기판과 상기 결합부 사이에 배치될 수 있다. 상기 연결부는 상기 기판과 상기 결합부를 연결할 수 있다. 일례로, 상기 연결부는 연성 PCB(FBCB)를 포함할 수 있고, 상기 기판과 상기 결합부의 회로기판을 전기적으로 연결할 수 있다. 여기서 상기 기판은 상기 발광 유닛(100)의 제1 기판 및 상기 수광 유닛(200)의 제2 기판 중 적어도 하나일 수 있다.
도 2 및 도 3과 같이, 상기 발광 유닛(100)은 다양한 조사 영역으로 광신호를 출력할 수 있다. 발광 유닛(100)은 이미터 어레이를 갖는 발광부(110), 렌즈부(120) 및 구동부(140)를 포함하며, 상기 이미터 어레이를 전체 영역 또는 개별 영역로 구동하여 다양한 조사 영역으로 광신호를 출력할 수 있다. 발광 유닛(100)은 제어 신호에 따라 조사 영역을 변경하기 위한 이미터 어레이를 포함할 수 있다. 상기 발광부(110)는 복수의 이미터가 배열된 이미터 어레이를 포함하며, 상기 이미터들은 구동부(140)에 의해 부분 또는 전체가 구동될 수 있으며, 상기 렌즈부(120)는 적어도 하나의 렌즈 또는 복수의 렌즈를 포함하며, 상기 발광부(110)로부터 입사된 광을 굴절시키고 객체(20)를 향해 집광시켜 줄 수 있다.
상기 발광부(110)는 측면 발광 레이저(Edge emitting laser), 수직캐비티 표면 광방출 레이저 (Vertical-cavity surface emitting laser; VCSEL), 분포궤환형 레이저 (Distributed feedback laser), 유기 발광 다이오드(OLED; Organic Light Emitting diode), 또는 레이저 다이오드(LD; Laser diode) 중 적어도 하나의 발광소자를 포함할 수 있다. 상기 발광부(110)는 예컨대, 표면발광 레이저 소자를 일 예로 설명하기로 한다.
상기 발광부(110)는 복수의 이미터(emitter)를 포함할 수 있다. 일례로, 상기 복수의 이미터가 배치될 경우, 상기 복수의 이미터 각각은 광이 방출되는 영역, 예컨대 광 방출을 위한 적어도 하나의 개구부(aperture)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 발광부(110)는 설정된 방향으로 광을 방출할 수 있다.
상기 발광부(110)는 설정된 파장 대역의 광을 방출할 수 있다. 자세하게, 상기 발광부(110)는 가시광 또는 적외선 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 상기 발광부(110)는 약 380nm 내지 약 700nm 파장 대역의 가시광을 방출할 수 있다. 또한, 상기 발광부(110)는 약 700nm 내지 약 1.1mm 파장 대역의 적외선 광을 방출할 수 있다.
상기 렌즈부(120)는 하나 이상의 고체 렌즈 또는/및 적어도 하나의 액체 렌즈의 적층 구조와 상기 렌즈(들)을 수용하는 하우징을 포함할 수 있다. 상기 고체 렌즈는 유리 또는 플라스틱 재질일 수 있다. 이러한 렌즈부(120)는 발광부(110)의 방출 광의 경로를 제어할 수 있으며, 예컨대 광을 확산, 산란, 굴절 또는 집광시켜 줄 수 있다.
상기 렌즈부(120)는 콜리메이터 렌즈를 포함할 수 있다. 여기서 콜리메이팅(collimating)은 광의 발산각을 감소시키는 것을 의미할 수 있고, 이상적으로 광이 수렴 또는 발산하지 않고 평행하게 진행하도록 만드는 것을 의미할 수 있다. 즉, 상기 콜리메이터 렌즈는 상기 발광부(110)에서 방출된 광을 평행광으로 집광할 수 있다. 상기 렌즈부(120)는 상기 복수의 이미터를 통해 방출된 광을 플러드(flood) 조명 또는 도트 조명으로 집광시켜 줄 수 있다.
또한, 상기 렌즈부(120)는 상기 발광부(110)에서 방출된 광의 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 렌즈부(120)는 상기 발광부(110)의 이미터가 배치된 곳, 예컨대 상기 이미터의 개구부와 대응되는 영역에 광이 집중되는 핫스팟(hot spot)이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 상기 구동부(140)는 상기 발광부(110)의 구동을 제어할 수 있다. 상기 구동부(140)는 상기 발광부(110)의 이미터들의 영역 구동 또는 전체 구동을 제어할 수 있다.
또한, 상기 렌즈부(120)는 상기 발광부(110)에서 방출된 광이 객체에 직접적으로 조사되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 렌즈부(120)는 상기 발광부(110)에서 방출된 광을 제어하여 사람의 눈, 피부 등과 같이 광에 민감한 영역에 광이 직접적으로 조사되는 것을 방지할 수 있다. 상기 렌즈부(120)에는 별도의 엑츄에이터와 같은 구동부 없이, 플러드 조명 및 도트 조명을 선택적으로 제공할 수 있다.
상기 발광부(110) 및 상기 렌즈부(120) 사이의 거리는 고정될 수 있고, 광축을 따라 이동 없이, 상기 발광부(110)를 통해 렌즈부(120)로 투사된 광은 플러드 조명에서 도트 조명까지 스팟의 크기가 변경될 수 있다. 여기서, 상기 렌즈부(120)는 고정 초점 거리로서, 0.5mm 이상 예컨대, 0.5mm 내지 15mm 범위일 수 있다.
상기 발광부(110)는 카메라 모듈 예컨대, 3차원 이미지 센싱용 카메라 모듈에 채택된다. 예를 들어, 3차원 이미지 센싱용 카메라 모듈은 객체의 심도 정보(Depth Information)를 포착할 수 있는 카메라일 수 있다. 한편, 카메라 모듈의 심도 센싱을 위해서는 별도 센서를 탑재하며, 구조광(Structured Light: SL) 방식과 ToF(Time of Flight) 방식 등 두 가지로 구분된다. 구조광(SL) 방식은 특정 패턴의 레이저를 피사체에 방사한 후, 피사체 표면의 모양에 따라 패턴이 변형된 정도를 바탕으로 심도를 계산한 후, 이미지센서가 찍은 사진과 합성해 3차원 이미지의 촬영 결과를 얻게 된다. 이에 비해 ToF 방식는 레이저가 피사체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 심도를 계산한 후, 이미지센서가 찍은 사진과 합성해 3D 촬영 결과를 얻게 된다. 이에 따라 SL 방식은 레이저가 매우 정확하게 위치해야 하는 반면에, ToF 기술은 향상된 이미지센서에 의존한다는 점에서 대량 생산에 유리한 장점이 있으며, 하나의 휴대폰에 어느 하나의 방식 또는 두 가지 방식 모두를 채용할 수도 있다.
상기 ToF는 직접/간접(direct/In-direct) 타입이 있으며, 간접 타입은 방출광과 수신광의 위상차를 이용하여 거리를 측정하며, 표면발광 레이저소자(VCSEL)의 광원을 변조하여 소정 주기로 온오프가 반복되도록 구동될 수 있다. 여기서, 센서의 픽셀은 광원과 동일 주기로 온오프되는 픽셀 및 180도의 위상 차이를 갖고 온/오프되는 픽셀을 포함할 수 있다. 간접(In-direct) 타입에서는 위상차를 검출해서 거리를 측정하는데, 위상차가 0인 경우와 360도인 경우 동일한 거리로 인식될 수 있다. 예컨대, 광원 바로 앞에 물체가 있는 제1케이스(case)와, 광원과 멀리 있어 광이 돌아오는 시간이 위상이 360도 바뀌는 주기와 동일한 제2케이스(case)를 같은 거리로 처리하고 인식할 수 있다. 상기 제1케이스는 광원이 발광한 광이 위상 차이 없이 바로 센서에서 검출할 수 있으며, 제2케이스는 광원과 센서가 수신하는 반사광의 위상 차이가 360도가 되어 다시 위상 차이가 없어지게 된다. 이에 따라 타켓(target) 거리에 따라 광원과 센서의 점멸 주기를 맞춰야 하며, 특히 물체와 객체 사이의 거리가 멀어질수록 점멸 주기를 길게(모듈레이션 주파수를 작게) 설정할 수 있다.
도 4 내지 도 7과 같이, 발광부(110)는 복수의 이미터(201,202)들이 배열된 표면발광 레이저소자를 포함할 수 있다. 상기 표면발광 레이저소자는 조명 모드에 따라 선택적으로 발광되는 복수의 발광부(E1,E2)를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 표면발광 레이저소자(200)는 제1영역에서 발광하는 제1발광부(E1)와, 제2영역에서 발광하는 제2발광부(E2)를 포함할 수 있다. 상기 제1,2영역은 전체 영역일 수 있다. 상기 표면발광 레이저소자는 서로 다른 화각(FOV: Field Of View)을 갖는 광을 조사하는 제1발광부(E1) 또는/및 제2발광부(E2)를 포함할 수 있다. 상기 표면발광 레이저소자는 서로 다른 줌(Zoon) 기능을 위해 광을 조사하는 제1발광부(E1) 또는/및 제2발광부(E2)를 포함할 수 있다.
상기 표면발광 레이저소자는 제1발광부(E1), 상기 제1발광부(E1)의 제1이미터(201)들에 연결된 제1패드(101), 제2발광부(E2), 및 상기 제2발광부(E2)의 제2이미터(202)들에 연결된 제2패드(102)를 포함할 수 있다. 상기 제1발광부(E1)는 상기 제1이미터(201)들의 어레이를 포함하며, 상기 제1이미터(201)들의 어레이는 제1영역에 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 상기 제1영역은 상기 표면발광 레이저소자의 전 영역으로서, 가로 길이가 세로 길이와 같거나 클 수 있다. 상기 가로 길이와 상기 세로 길이의 비율은 4:3이거나, a:b의 비율일 수 있으며, 상기 a>b이며, a은 b보다 1배 초과일 수 일 수 있다.
발명의 실시 예에 따른 표면발광소자를 갖는 발광부(110)는 빔각이 다른 적어도 2종류의 이미터들을 포함할 수 있으며, 상기 적어도 2종류의 이미터들은 제1 및 제2방향(X,Y) 중 적어도 한 방향 또는 두 방향으로 교대로 배치될 수 있다. 상기 적어도 2종류의 이미터들은 적어도 세 방향(도 12의 X,Y,Z) 중 적어도 한 방향 또는 두 방향 이상에서 교대로 배치될 수 있다.
상기 제1발광부(E1)는 상기 제2발광부(E2)보다 넓은 제1빔각으로 포커싱되고, 플러드 조명을 발광할 수 있다. 도 14의 (B)와 같이, 상기 제1발광부(E1)의 제1빔각은 50도 이상 예컨대, 50도 내지 120도의 범위일 수 있다. 도 14의 (B) 및 도 13과 같이, 상기 제2발광부(E2)는 발광될 경우, 상기 제1발광부(E1)보다 좁은 제2빔각으로 포커싱되고, 도트 조명을 발광할 수 있다. 상기 제2발광부(E2)의 제2빔각은 30도 이하일 수 있으며, 예컨대 5도 내지 30도의 범위 또는 15도 내지 30도 범위일 수 있다. 여기서, 상기 표면발광 레이저소자 상에서 검출기와의 거리가 10cm에서 측정할 때, 협각의 도트 사이즈는 1.5mm 이하이며, 광각의 도트 사이즈는 2mm 이상일 수 있다. 상기 제2빔각은 상기 제1빔각의 1/6 내지 5/6 범위이거나 1/4 내지 3/4의 범위일 수 있다. 상기 제1빔각은 플러드 조명으로 제공되며, 상기 제2빔각은 도트 조명으로 제공될 수 있다. 상기 제1발광부(E1)의 빔각(1/e2)은 광각으로 제공되며, 상기 제2발광부(E2)의 빔각(1/e2)은 협각으로 제공될 수 있다.
상기 제1이미터(201)와 상기 제2이미터(202)들의 어레이는 여러 방향 중 적어도 한 방향 예컨대, 제2방향(Y)으로 같은 이미터 어레이로 배치되고 다른 이미터 어레이와 교대로 배치되지 않을 수 있다. 상기 제1이미터(201)와 상기 제2이미터(202)들은 어레이 방향에 전극(101,102)가 배치되어, 전극(101,102)와의 연결이 용이할 수 있다. 상기 제1발광부(E1)와 상기 제2발광부(E2)의 출사측 상부 면의 표면 거칠기는 서로 다를 수 있다.
상기 제1이미터(201)와 상기 제2이미터(202)들은 이미터 개수가 서로 동일하거나 제1이미터(201)가 더 많을 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 제1이미터(201)와 제2이미터(202)들이 적어도 한 방향으로 교대로 배치되거나, 적어도 2열 또는/및 2행 중에서 어느 하나의 행 또는/및 열로 교대로 배치될 수 있으며, 또는 상기 제2이미터(202) 각각이 상기 제1이미터(201)들 사이에 각각 배치될 수 있다.
상기 제1이미터(201)는 플러드 조명의 균일도를 위해, 전 영역에 균일한 분포로 배치될 수 있다. 상기 제2이미터(202)들은 제1이미터(201)을 연결한 5각형 영역 또는 7개의 이미터 내에 적어도 1개 이상이 배치될 수 있으며, 예컨대 1개 내지 3개의 범위일 수 있다.
상기 제1방향(Y)으로 제1이미터(201) 간의 피치는 서로 동일할 수 있으며, 제2이미터(202) 간의 피치는 서로 동일할 수 있다. 상기 제1방향(Y)으로 제1이미터(201)와 상기 제2이미터(202) 간의 피치는 서로 동일할 수 있다. 상기 제1방향(Y)에서 제1이미터(201) 간의 피치는 인접한 제1,2이미터(201,202) 간의 피치의 2배일 수 있다. 상기 제2방향(X)으로 상기 제1이미터(201)들 간의 피치 또는 상기 제2이미터(202)들 간의 피치는 서로 동일할 수 있다. 상기 피치는 예컨대, 발광층을 고려하여 20 ㎛ 이상 예컨대, 40 내지 60 ㎛ 또는 20 내지 50 마이크로 미터 범위일 수 있다.
상기 제2이미터(202)과 상기 제1이미터(201)간의 면적 비율은 4:6 내지 6: 4의 비율일 수 있다. 여기서, 상기 제1이미터(201)의 전체 개수는 450개 이상 예컨대, 450 내지 600개의 범위일 수 있으며, 상기 제2이미터(202)의 개수는 최소 400개 이상 예컨대, 400개 내지 550개의 범위일 수 있다. 이에 따라 제1발광부(E1)의 구동에 의해 도트 조명을 제공하며 상기 제2발광부(E2)의 구동에 의해 플러드 조명을 제공할 수 있다. 상기 제1,2발광부(E1,E2)는 교차 구동되거나 동시에 구동될 수 있다.
상기 제1 및 제2이미터(201,202)는 예를 들면, 수직캐비티 표면 광방출 레이저 (Vertical-cavity surface emitting laser; VCSEL)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2이미터(201,202)들 각각은 개구부를 갖는 이미터로 정의될 수 있다. 상기 제1 및 제2이미터(201,202)는 750nm 이상 예컨대, 750nm 내지 1100nm의 범위 또는 750nm 내지 950nm의 범위로 발광할 수 있다. 상기 제1 및 제2이미터(201,202)는 동일한 피크 파장을 발광할 수 있다.
도 5와 같이, 상기 제1이미터(201)들은 상기 제1패드(101)에 전원이 공급되면, 발광될 수 있다. 상기 제1패드(101)는 상기 제1발광부(E1)의 상부를 통해 연장된 제1전극(280)과 전기적으로 연결될 수 있다. 도 6과 같이, 상기 제2이미터(202)들은 제2패드(102)에 전원이 공급되면, 발광될 수 있다. 상기 제2이미터(202)들은 상기 제2발광부(E2)의 상부를 통해 연장된 제2전극(290)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1패드(101)는 상기 제1전극(280)의 외부 영역 중 외부 전원 단자 예컨대, 와이어 또는 본딩 부재가 연결되는 영역일 수 있다. 상기 제2패드(102)는 상기 제2전극(290)의 외부 영역 중 외부 전원 단자, 예컨대 와이어 또는 본딩 부재가 연결되는 영역일 수 있다.
도 9와 같이, 전극들 중 적어도 하나는 중첩될 수 있으며, 예컨대 상기 제2패드(102)와 상기 제2이미터(202)들의 제2전극(290)은 브리지 전극(295)으로 연결될 수 있다. 상기 브리지 전극(295)은 하나 또는 복수로 배치될 수 있다. 상기 브리지 전극(295)은 상기 제1발광부(E1)들의 외측 상부를 따라 연장될 수 있다. 상기 브리지 전극(295)의 폭은 상기 제2패드(102)의 폭과 같거나 작을 수 있다. 상기 브리지 전극(295)의 폭은 상기 제2발광부(E2)의 가로 너비와 같거나 작을 수 있다. 발명의 실시 예는 제2전극(290)의 브리지 전극(295)를 상기 제1전극(280)의 제1연결부(284)와 수직 방향으로 중첩되도록 배치해 줌으로써, 광 손실을 줄일 수 있다. 또한 제2패드(102)가 형성된 영역은 제1패드(101)와 별도로 형성됨으로써, 단층으로 형성될 수 있는 효과가 있다. 따라서, 이미터들의 경계 영역에서 제1,2전극(280,290)에 대해 선택적으로 다층으로 적층함으로써, 금속(예: Au) 재료를 절감할 수 있으며, 상기 제2전극(290)의 브리지 전극의 폭을 최대한으로 넓게 형성해 주므로, 동작 전압을 감소시켜 줄 수 있고, 전류 확산을 개선시켜 줄 수 있다.
또한 표면발광 레이저소자에서 전체 영역의 구동 시, 제1이미터(201) 또는/및 제2이미터(202)를 이용하여 각각 구동시켜 줌으로써, 엑츄에이터와 같은 구동부 없이, 플러드 조명과 도트 조명을 제공할 수 있다.
상기 제1이미터(201)는 상부 면(272)이 플랫하거나 평평하며, 상기 제2이미터(202)는 상면이 러프한 면(274)로 형성될 수 있다. 상기 러프한 면(274)는 불규칙한 요철 패턴으로 형성될 수 있다. 이러한 러프한 면(274)을 갖는 제2이미터(202)들을 통해 발광된 광은 플랫한 상부 면(272)보다는 광의 굴절되는 각도가 크게 되므로, 산란되거나 확산될 수 있어, 플러드 조명으로 제공될 수 있다. 반대로 플랫한 상부 면(272)을 갖는 제1이미터(201)들은 도트 조명으로 발광될 수 있다. 도 7과 같이, 러프한 면(272)의 폭(D2)은 제2이미터(202)는 산화층(240)의 개구부(241)의 폭(D1)보다 크고, 제2전극(290)에 의해 오프된 윈도우 영역(255)의 폭(D3)보다 작을 수 있다. 상기 러프한 면(272)을 형성하는 패시베이션(270)의 두께는 3/(4n)×λ 범위이며, 상기 n은 패시베이션층(270)의 굴절률이며, λ는 입사 파장이다. 상기 러프한 면(272)은 상기 패시베이션층(270)의 두께의 50% 이하로 에칭될 수 있다.
여기서, 제1 및 제2이미터(201,202)의 구조는 제1이미터(201)를 중심으로 설명하며, 제2이미터(202)에 대해서는 제1이미터(201)의 설명을 참조하기로 한다. 또한 상기 제2이미터(202)의 구조 중에서 상기 제1이미터(201)와 다른 구성 및 추가적인 구성에 대해, 후술하기로 한다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 상기 제1이미터(201)는 하부 전극(215), 기판(210), 제1 반사층(220), 발광층(230), 산화층(240), 제2 반사층(250), 패시베이션층(270), 및 제1 전극(280)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(280)은 제1접촉부(282)와 제1연결부(284)를 포함할 수 있다. 상기 제2 전극(290)은 제2접촉부(292)와 제2연결부(294)를 포함할 수 있으며, 제1전극(280)의 설명을 참조하기로 한다.
상기 제1이미터(201)는 기판(210)을 포함할 수 있다. 상기 기판(210)은 전도성 기판 또는 비전도성 기판일 수 있다. 상기 전도성 기판은 전기 전도도가 우수한 금속이 사용될 수 있다. 상기 기판(210)은 제1이미터(201)의 동작시 발생되는 열이 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로, 열전도도가 높은 GaAs 기판 또는 금속기판을 사용하거나 실리콘(Si) 기판을 포함할 수 있다. 상기 비전도성 기판은 AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판 등이 사용될 수 있다.
상기 하부 전극(215)은 기판(210)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 하부 전극(215)은 도전성 재료로 단층 또는 다층으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 하부 전극(215)은 금속일 수 있고, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성되어, 전기적 특성을 향상시켜 광출력을 높일 수 있다. 상기 하부 전극(215)은 상기 제1이미터(201)와 상기 제2이미터(202)와 공통적으로 연결되는 공통 전극 또는 캐소드 단자일 수 있다.
상기 제1 반사층(220)는 기판(210) 상에 배치될 수 있다. 두께를 줄이기 위해 기판(210)이 생략되는 경우, 제1 반사층(220)의 하면은 하부 전극(215)의 상면과 접촉될 수 있다. 상기 제1 반사층(220)는 제1 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 상기 제1 반사층(220)는 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 반사층(220)는 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)는 서로 다른 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 제1 층 및 제2 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다. 상기 제1 반사층(220)에서의 층의 두께는 각각의 굴절률과 발광층(230)에서 방출되는 광의 파장에 따라 결정될 수 있다.
상기 발광층(230)은 제1 반사층(220) 상에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 발광층(230)은 상기 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250) 사이에 배치될 수 있다. 상기 발광층(230)는 내부에 활성층과 적어도 하나 이상의 캐비티를 포함할 수 있으며, 상기 활성층은 단일 우물구조, 다중 우물구조, 단일 양자우물 구조, 다중 양자우물(MQW: Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 활성층은 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 InGaAs/AlxGaAs, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 페어를 갖고 1 내지 3 페어 구조로 형성될 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다. 상기 캐비티는 AlyGa(1-y)As(0<y<1) 물질로 형성될 수 있으며, AlyGa(1-y)As로된 복수의 층을 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 산화층(240)은 절연영역(242)과 개구부(241)를 포함할 수 있다. 상기 절연영역(242)는 개구부(241)을 둘러쌀 수 있다. 예컨대, 상기 개구부(241)는 상기 발광층(230)의 발광 영역(중심영역) 상에 배치되고, 상기 절연영역(242)은 발광층(230)의 비 발광 영역(가장자리영역) 상에 배치될 수 있다. 상기 비 발광 영역은 발광 영역을 둘러쌀 수 있다. 상기 개구부(241)는 전류가 흐르는 통로영역일 수 있다. 상기 절연영역(242)은 전류의 흐름을 차단하는 차단영역일 수 있다. 상기 절연영역(242)는 옥사이드층(oxide layer) 또는 산화층으로 지칭될 수 있다. 상기 산화층(240)은 전류의 흐름이나 밀도를 제한하여 보다 응집된 레이저 빔이 방출되도록 하므로, 전류제한층(current confinement layer)으로 지칭될 수 있다.
상기 개구부(241)의 사이즈에 의해 상기 제1 전극(280)에서 발광층(230)으로 공급되는 전류의 양, 즉 전류밀도가 결정될 수 있다. 상기 개구부(241)의 사이즈는 절연영역(242)에 의해 결정될 수 있다. 상기 절연영역(242)의 사이즈가 커질수록 개구부(241)의 사이즈는 작아지고, 이에 따라 발광층(230)으로 공급되는 전류밀도는 증가될 수 있다. 아울러, 상기 개구부(241)는 발광층(230)에서 생성된 빔이 상측 방향, 즉 제2 반사층(250)의 방향으로 진행되는 통로일 수 있다. 즉, 상기 개구부(241)의 사이즈에 따라, 발광층(230)의 빔의 발산 각이 달라질 수 있다.
상기 절연영역(242)은 절연층, 예를 들어 알루미늄산화물(Al2O3)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 산화층(240)이 AlGaAs(aluminum gallium arsenide)를 포함하는 경우, 산화층(240)의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 가장자리가 알루미늄산화물(Al2O3)로 변해져 절연영역(242)으로 형성되고, H2O와 반응하지 않은 중심영역은 AlGaAs를 포함하는 개구부(241)가 될 수 있다.
상기 개구부(241)를 통해 발광층(230)에서 발광된 광을 상부 영역으로 발산할 수 있으며, 상기 절연영역(242)과 비교하여 개구부(241)의 광 투과율은 더 높을 수 있다. 상기 절연영역(242)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예컨대, 적어도 한 층이 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 제2 반사층(250)는 산화층(240) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 반사층(250)는 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있다. 상기 제2 반사층(250)는 제2 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 다른 예로서, 상기 제1 반사층(220)이 p형 도펀트로 도핑될 수도 있고, 상기 제2 반사층(250)이 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다. 상기 제2 반사층(250)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 반사층(250)는 서로 다른 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 복수의 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다. 상기 제2 반사층(250)의 각 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는, x의 조성이 다른 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다. 상기 제2 반사층(250)의 각 층의 두께는
Figure pat00001
/4n이고,
Figure pat00002
는 활성층에서 방출되는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 층들이 교대로 적층되어 이루어질 수 있으며, 상기 제1 반사층(220) 내에서 층들의 페어(pair) 수는 상기 제2 반사층(250) 내에서 층들의 페어 수보다 더 많을 수 있다. 여기서, 상기 제1 반사층(220)의 반사율은 상기 제2 반사층(250)의 반사율 보다 클 수 있다.
여기서, 상기 제1 반사층(220)에서 상기 제2 반사층(250)까지의 층들은 발광 구조물로 정의될 수 있다. 상기 발광 구조물의 상부는 외 측면이 경사진 측면으로 제공될 수 있다. 상기 발광 구조물의 상부는 메사 에칭 공정에 의해 경사진 측면으로 노출될 수 있다.
패시베이션층(270)은 발광구조물의 상부 둘레에 배치될 수 있다. 상기 발광구조물의 상부는, 예컨대 발광층(230), 산화층(240) 및 제2 반사층(250)를 포함할 수 있다. 상기 패시베이션층(270)은 상기 제1 반사층(220)의 상면 상에 배치될 수 있다. 상기 패시베이션층(270)은 상기 제2 반사층(250)의 에지 영역 상에 배치될 수 있다. 상기 발광구조물이 부분적으로 메사 식각되는 경우, 상기 제1 반사층(220)의 상면의 일부는 노출되고, 발광구조물의 일부 영역이 돌출된 형태로 배치될 수 있다. 상기 패시베이션층(270)이 발광구조물의 일부 영역의 둘레와 상기 노출된 제1 반사층(220)의 상면 상에 배치될 수 있다.
상기 패시베이션층(270)은 외부로부터 발광구조물을 보호하고, 상기 제1 반사층(220)와 제2 반사층(250)의 전기적인 쇼트를 차단할 수 있다. 상기 패시베이션층(270)은 절연 재질 또는 유전체 재질로 형성될 수 있으며, 예컨대 SiO2와 같은 무기 재질로 형성될 수 있지만, 이에 대해 한정하지 않는다.
상기 패시베이션층(270)는 제1,2발광부(E1,E2) 상에서 상기 제2 반사층(250) 상에 플랫한 상부 면(272) 및 상기 러프한 면(274)을 제공할 수 있다. 상기 러프한 면(274)는 습식 에칭에 의해 불규칙한 요철 패턴으로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극(280)은 제1접촉부(282)와 상기 제1접촉부(282)에 연결되는 제1연결부(284)를 포함할 수 있다. 상기 제1접촉부(282)는 상기 제2 반사층(250)의 상면의 일부분에 접촉될 수 있다. 상기 제1접촉부(282)는 상기 제2 반사층(250)과의 오믹 접촉될 수 있다. 상기 제1연결부(284)는 상기 제1접촉부(282)와 제1 패드(도 4의 101)를 연결시켜 줄 수 있으며, 인접한 제1이미터(201)들을 연결시켜 줄 수 있다.
상기 제1접촉부(282)와 상기 제1연결부(284)는 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1접촉부(282)와 상기 제1연결부(284)는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 상기 제1접촉부(282)와 상기 제1연결부(284)는 서로 동일한 금속 또는 비 금속 재질이거나, 서로 다른 재질로 형성될 수 있다. 상기 제2접촉부(292)와 상기 제2연결부(294)는 상기 제1접촉부(282) 및 제1연결부(284)의 재질 중에서 선택될 수 있다.
상기 제1접촉부(282)는 상기 개구부(241)와 수직 방향으로 중첩되는 패시베이션층(270)의 외측 둘레에서 상기 제2 반사층(250)과 접촉될 수 있다. 상기 제1접촉부(282)는 상기 패시베이션층(270)을 통해 제2 반사층(250)과 접촉될 수 있으며, 상기 제2 반사층(250)의 상부 둘레에 루프 형상 또는 폐 루프 형상으로 배치될 수 있다.
도 4와 같이, 상기 제1 및 제2이미터(201,202) 각각은 탑뷰에서 볼 때, 상기 개구부(241)가 중심부에 배치되고, 상기 개구부(241)의 둘레에 절연영역(242) 및 제1,2접촉부(282,292)가 배치될 수 있다. 상기 개구부(241)의 상부에 상기 개구부(241)와 수직 방향으로 중첩되는 플랫한 상부 면(272)와 러프한 면(274)이 노출될 수 있다.
도 8 및 도 9와 같이, 상기 제2절연층(287)은 상기 제1발광부(E1)와 상기 제2발광부(E2) 사이의 경계 영역에 더 배치될 수 있다. 상기 제2절연층(287)은 상기 제1발광부(E1)의 제1전극(280)의 제1연결부(284)와, 상기 제2발광부(E2)의 제2전극(290)의 제2연결부(294) 사이를 절연시켜 줄 수 있다. 이에 따라 상기 제2절연층(287)은 외측에서 제1발광부(E1)의 제1전극(280)으로부터 제2발광부(E2)의 제2전극(290)의 제2연결부(294)를 전기적 및 물리적으로 분리시켜 줄 수 있다. 상기 제2절연층(287)은 경계 영역을 따라 일 방향으로 직선 형태로 연장되거나, 지그 재그 형태로 연장될 수 있다. 즉, 상기 제2절연층(287)은 인접한 이미터(201,202)들에 공간적으로 영향을 주지 않는 영역에 배치되거나 개구부(241)에 영향이 없도록, 상기 제1전극(280)의 제1연결부(284)와 제2전극(290)의 제2연결부(294) 또는 브리지 전극(295) 사이로 연장될 수 있다.
상기 제1절연층(285) 및 제2절연층(287)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 질화물 또는 산화물로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 폴리이미드(Polyimide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 10 및 도 11과 같이, 이미터 어레이의 발광부(E1,E2)는 복수의 라인 형태로 배열되거나, 복수의 라인들에 전원을 공급하는 패드(101,102)가 각각 연결될 수 있다. 각 이미터들의 라인별 구동에 따른 도트 조명 또는 플러드 조명이 구현될 수 있다. 예컨대, 교번하여 배치된 수평한 라인들 또는/및 수직한 라인들의 이미터들에 패드들을 선택적으로 연결해 주어, 발광되는 활성 영역을 제어할 수 있다. 이러한 발광된 이미터들의 라인들 또는/및 활성 영역을 제어하는 한편, 렌즈부를 통해 왜곡을 줄 수 있다.
도 12의 (A)와 같이, 제1,2발광부(E1,E2)는 제3방향(W)의 열을 따라 제1발광부(E1)과 제2발광부(E2)의 배치 비율이 2:1로 배치될 수 있으며, 제2방향(Y)의 열을 따라 제1발광부(E1)과 제2발광부(E2)의 배치 비율이 2:1로 배치될 수 있다. 상기 제1발광부(E1)과 제2발광부(E2)는 제1방향(X)으로 교대 및 지그 재그 형태로 배치될 수 있다.
도 12의 (B)와 같이, 제1,2발광부(E1,E2)는 제3방향(W)의 열을 따라 제1발광부(E1)과 제2발광부(E2)의 배치 비율이 3:1로 배치될 수 있으며, 제2방향(X)의 2열 중 1열을 따라 제1발광부(E1)과 제2발광부(E2)의 배치 비율이 1:1로 배치될 수 있다. 상기 제1발광부(E1)과 제2발광부(E2)는 제1방향(X)으로 교대 및 지그 재그 형태로 배치될 수 있다.
도 12의 (C)와 같이, 제1,2발광부(E1,E2)는 제4방향(V)의 열을 따라 제1발광부(E1)과 제2발광부(E2)가 교대로 배치되고, 제2,3방향(Y,W)의 열을 따라 제1,2발광부(E1,E2)의 배치 비율이 1:1로 배치될 수 있다. 상기 제1발광부(E1)과 제2발광부(E2)는 제1방향(X)으로 교대로 배치될 수 있다.
도 12의 (D)와 같이, 제1,2발광부(E1,E2)는 제1방향(Y)으로 교대로 배치되고, 제2방향(X) 및 제3방향(W)에 대해 제2발광부(E2)가 제1발광부(E1)의 2열 중 하나의 열에 교대로 배치될 수 있다.
도 15와 같이, 카메라 모듈은 발광부(100), 광 수신부(420), 복수의 증폭기들(470), 피크 검출기(472), 선택부(474) 및 프로세서(476)를 포함할 수 있다. 상기 발광부(100)는 상기에 개시된 제1,2발광부(112,114)를 통해 객체을 향해 광을 조사할 수 있다. 상기 발광부(100)은 제1발광부(112)를 구동시키는 제1구동부(142)와, 제2발광부(114)를 구동시키는 제2구동부(144)를 갖는 구동부(140)을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2구동부(142,144)는 드라이버 IC로 구현될 수 있다.
상기 광 수신부(420)는 객체(20)에서 반사 또는 산란된 광을 검출하여 전기 신호를 출력할 수 있다. 상기 광 수신부(420)는 산란된 광을 검출하여 전기 신호를 출력할 수 있다. 상기 광 수신부(420)는 반사 또는 산란된 광을 전압 신호로 변환할 수 있다. 복수의 증폭기들(470)은 서로 다른 이득(gain)들 각각으로 전기 신호를 증폭하여, 복수의 증폭된 전기 신호들을 생성할 수 있다. 복수의 증폭기들(470)은 낮은 이득 값부터 높은 이득 값까지 서로 다른 이득 값을 가질 수 있다.
복수의 피크 검출기(472)들은 상기 증폭된 신호들 각각에 대해 피크를 검출하여, 피크 검출 신호를 생성할 수 있으며, 각각 피크 검출기(472)는 증폭된 전기 신호의 중심 위치를 검출함으로써, 피크를 검출할 수 있다.
선택부(474)는 복수의 증폭된 전기 신호들 중에서 적어도 하나의 증폭된 전기 신호의 레벨에 기초하여 최적의 피크 검출신호를 선택할 수 있다.
프로세서(476)는 거리측정 장치의 각 구성요소들의 동작을 제어할 수 있다. 상기 거리측정 장치는 상기 프로세서(476)에 의해 수행되는 동작을 프로그램 및 기타 데이터들이 저장된 메모리를 포함할 수 있다. 상기 프로세서(476)는 발광부(100)의 제1 또는/및 제2발광부(112,114)에서 조사된 광의 조사 시점과 피크 검출기(474)에서 검출된 피크의 검출 시점 사이의 시간을 측정하는 TDC(Time to Digital Converter)를 포함할 수 있고, 프로세서(476)는 TDC에 의해 측정된 시간에 기초하여, 객체(20)까지의 거리를 측정할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 프로세서(476)는, 아날로그 신호인 피크를 디지털 신호로 변환하는 ADC(Analog Digital Converter)를 포함할 수 있고, 프로세서(476)는 ADC에 의해 변환된 디지털 신호를 처리하여 객체(20)까지의 거리를 측정할 수 있다. 이러한 신호를 이용하여 플로드 조명과 스팟 조명을 검출할 수 있다.
도 16과 같이, 표면발광 레이저소자는 제1 및 제2발광부 중 어느 하나 또는 모두를 선택할 수 있으며(S21), 상기 선택된 발광부는 제1 및 제2구동부에 의해 구동되며(S22), 적외선 광을 객체를 향해 조사될 수 있다. 이후, 광 수신부는 제1 또는/및 제2발광부에 의해 조사된 광을 수신하며(S24), 상기 수신된 광을 분석하여 3차원 이미지 또는 거리를 검출할 수 있다. 이때 상기 제2발광부를 구동할 때, 플러드 조명이 조사되며, 제1발광부가 구동될 때 스팟 조명이 조사될 수 있다. 이에 따라 상기 광 수신부에 의해 수신된 광에 의해 객체에 상응하는 3차원 이미지 또는 거리를 측정할 수 있다.
도 17은 발명의 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용된 이동 단말기의 예를 나타낸 사시도이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 이동 단말기(1500)는 일면 또는 후면에 제공된 카메라 모듈(1520), 플래쉬 모듈(1530), 자동 초점 장치(1510)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 자동 초점 장치(1510)는 발광층으로서 상기에 개시된 표면발광 레이저소자 및 광 수신부를 포함할 수 있다.
상기 플래쉬 모듈(1530)은 그 내부에 광을 발광하는 이미터를 포함할 수 있다. 상기 플래쉬 모듈(1530)은 이동 단말기의 카메라 작동 또는 사용자의 제어에 의해 작동될 수 있다. 상기 카메라 모듈(1520)은 이미지 촬영 기능 및 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 예컨대 카메라 모듈(1520)은 이미지를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다.
상기 자동 초점 장치(1510)는 레이저를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 상기 자동 초점 장치(1510)는 카메라 모듈(1520)의 이미지를 이용한 자동 초점 기능이 저하되는 조건, 예컨대 10m 이하의 근접 또는 어두운 환경에서 주로 사용될 수 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 실시예의 범위에 포함된다.

Claims (7)

  1. 복수의 제1이미터들이 배열된 제1발광부; 및
    상기 복수의 제2이미터들이 배열된 제2발광부를 포함하며,
    상기 제1발광부는 제1빔각을 발광하며,
    상기 제2발광부는 상기 제1빔각보다 좁은 제2빔각을 발광하며,
    상기 제1이미터와 상기 제2이미터는 적어도 한 방향으로 교대로 배치되는, 표면발광 레이저소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1발광부와 상기 제2발광부의 출사측 상부면의 거칠기는 서로 다르며,
    상기 제2발광부는 상기 제1발광부는 전 영역의 제1이미터들에 의해 50도 이상의 빔각을 발광하며,
    상기 제2발광부는 전 영역의 제2이미터들에 의해 20도 이하의 빔각을 발광하는, 표면발광 레이저소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1발광부의 상부 면은 러프한 면을 형성되며,
    상기 제2발광부의 상부 면은 플랫한 면으로 형성된, 표면발광 레이저소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2발광부의 상부 면은 패시베이션 재질로 형성된, 표면발광 레이저소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2발광부 각각의 외측에 전기적으로 연결된 복수의 패드를 포함하는, 표면발광 레이저소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1이미터들 간의 피치와 상기 제2이미터들 간의 피치는 서로 동일하거나 다른, 표면발광 레이저소자.
  7. 제1항 또는 제2항의 표면발광 레이저소자를 갖는 발광부 및 상기 상기 발광부 상에 렌즈부를 갖는 발광 유닛; 및
    상기 발광부의 이미터들이 구동되어 조사된 적외선 영역의 광을 객체로부터 산란 또는 반사된 광을 수신하는 수광 유닛을 포함하는 카메라 모듈.
KR1020210055163A 2021-04-28 2021-04-28 표면발광 레이저소자 및 카메라 모듈 KR20220147978A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210055163A KR20220147978A (ko) 2021-04-28 2021-04-28 표면발광 레이저소자 및 카메라 모듈

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210055163A KR20220147978A (ko) 2021-04-28 2021-04-28 표면발광 레이저소자 및 카메라 모듈

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220147978A true KR20220147978A (ko) 2022-11-04

Family

ID=84045234

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210055163A KR20220147978A (ko) 2021-04-28 2021-04-28 표면발광 레이저소자 및 카메라 모듈

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20220147978A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7174780B2 (ja) ３次元画像を記録するためのｓｍｉセンサー用ｖｃｓｅｌデバイス
KR102637658B1 (ko) 눈-안전 장거리 고체 상태 lidar 시스템
US11953308B2 (en) Light emitting element array and optical measuring system
US5684523A (en) Optical line printhead and an LED chip used therefor
CN214795207U (zh) 固态激光雷达
KR102523975B1 (ko) 광원 일체형 광 센싱 시스템 및 이를 포함하는 전자 기기
US20220114835A1 (en) Light-emitting device, optical device, and information processing device
CN112234432B (zh) 一种多芯片可寻址的tof发射模组及激光器
US6687282B2 (en) Micro-lens built-in vertical cavity surface emitting laser
US11287514B2 (en) Sensor device
US20240069162A1 (en) Solid-state lidar and method for detection using same
CN115201844A (zh) 固态激光雷达及使用其进行探测的方法
CN220171253U (zh) 一种3d模组及电子设备
US20230132771A1 (en) Surface-emitting laser device and distance measurement device having same
KR20220147978A (ko) 표면발광 레이저소자 및 카메라 모듈
US20220115836A1 (en) Light-emitting device, optical device, and information processing device
TW202025585A (zh) 低發散垂直空腔表面發射雷射及結合其之模組及主裝置
US20220123524A1 (en) Light-emitting device, optical device, and information processing device
KR20220000136A (ko) 표면발광 레이저소자 및 이를 구비한 거리측정 장치
KR20220000237A (ko) 표면 발광 레이저 소자 및 vcsel 모듈
KR20210141092A (ko) 표면발광 레이저소자, 카메라 모듈 및 이미터 어레이의 배열방법
KR20210121912A (ko) 표면발광 레이저소자 및 이를 구비한 거리측정장치
KR20210116899A (ko) 표면발광 레이저소자 및 이를 구비한 거리측정장치
CN111969409A (zh) 一种封装结构和封装方法
KR20220138641A (ko) 카메라 모듈

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination