TW201840999A - 垂直腔表面發射雷射低發散角近接感測器 - Google Patents

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美商普林斯頓光電公司
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Abstract

本發明揭示一種使用來自照明源之一垂直腔表面發射雷射(VCSEL)的極低發散光束之近接感測器。可達成在0.5度至10度之範圍中之低發散光束以在一小佔據面積總成中提供高近接感測準確度。用以降低光束發散角之一種方法係使用外部第三鏡來增加VCSEL諧振腔之長度。一第二實施例藉由修改DBR鏡及增益區域來延長該VCSEL腔之該長度。光學微透鏡可與該VCSEL耦合以準直輸出光束且降低該光束發散角。此等光學微透鏡可係分開之光學元件或者藉由修改基板輸出表面輪廓或一所添加透明層來與該VCSEL整合。將此等光束發散角降低方法併入於各種實施例組態中以生產適合用於行動電話及平板電腦之一小型近接感測器。極低發散角VCSEL源光束亦可藉由量測血流、心臟脈搏速率及血液之化學組成物等來用於健康監測。

Description

垂直腔表面發射雷射低發散角近接感測器
本發明係關於使用一光學照明源來改良及小型化近接感測及元件識別裝置，該光學照明源包括與一或多個光學偵測器耦合之極低發散角垂直腔表面發射雷射(VCSEL)。
用於物件之近接或距離偵測之典型方法涉及用一光源(諸如一LED)對一物件進行照明且量測反射回至位於源附近之一偵測器之光之強度。隨著物件遠離光源及偵測器移動，偵測器處之經反射光強度降低。該方法依賴於來自一極佳經準直光源之良好物件照明以及已知的物件之反射率。反射率及甚至物件之形狀之差異往往會改變所偵測光，從而導致距離量測之誤差。當前可用於一合理成本之源具有低強度及/或係高度發散的，此限制可準確地量測之距離，此乃因經反射強度在較大距離處係低的且變得低於偵測器之偵測限度或係與周圍光位準不可區分的。 已藉由使用複雜光學系統來達成經改良敏感度，該等複雜光學系統使用多個透鏡或多個源波長及濾光器。另一方法係使用一脈衝源使得可在脈衝之間的介入週期期間量測周圍雜訊位準。此顯著地限制感測器之時間回應。此等改良給近接感測器添加主要成本及複雜性。 行動電話及類似平板電腦之到來產生了對相機自動聚焦應用及其他類似系統之準確距離感測之需要。感測器必須小型化以與行動電話之精巧性質相容。此產生問題，此乃因其將光學偵測器置於光源附近。由於來自保護窗口之一發散源反射可傳播回至偵測器，因此此嚴重限制感測器之物件距離偵測限度。行動電話相機系統之增加之複雜性要求更準確近接感測器同時維持或甚至進一步降低小型佔據面積。
本發明闡述使用來自照明源之一垂直腔表面發射雷射(VCSEL)的極低發散光束之近接感測器。一VCSEL產生比一發光二極體或其他非同調源低之發散光束。已利用VCSEL輸出光束之經降低發散角開發出經改良近接感測器。然而，標準VCSEL之發散角通常係15度(半峰全寬)，且此可限制此等近接感測器之敏感度。 根據一項態樣，本發明闡述一種光學感測器模組，其包含一光源，該光源包含一VCSEL裝置，該VCSEL裝置可操作以產生經引導穿過一窗口而朝向一物件之一低發散角源光束，該低發散角源光束具有不大於10度之一半峰全寬光束發散角。該模組進一步包含：一光學偵測器，其用以感測自被該低發散角源光束照明之該物件反射回之光；及一運算裝置，其可操作以至少部分地基於來自該光學偵測器之一信號來判定距該物件之一距離或該物件之一物理特性。 本發明之實施例提供在0.5度至10度之範圍中之更窄發散光束以在一較小佔據面積總成中提供之較高近接感測準確度。某些實施方案使用外部第三鏡來達成VCSEL諧振腔之延長。增加之腔長度導致較少的較大直徑橫向模式中之較高功率，此顯著降低輸出光束發散角。第三鏡可係一分開之元件或與VCSEL裝置基板整合。 其他實施例闡述用以藉由修改DBR鏡及增益區域來延長VCSEL腔之長度之其他方法。光學微透鏡可與VCSEL耦合以準直輸出光束因此降低光束發散角。此等光學微透鏡可係分開之光學元件或者藉由修改基板輸出表面輪廓或一所添加透明層來與該VCSEL整合。 將此等光束發散角降低方法併入至近接感測器之各種組態中。此等組態中之一者係一VCSEL，其中一偵測器緊密地毗鄰於其定位使得來自上面保護窗口之任何反射由於極低光束發散角皆無法落在偵測器上。相比於在偵測器較遠離之情況下將發生之反射強度，使偵測器接近於VCSEL光束之軸線定位導致較高反射強度，此乃因來自一物件之最高反射強度往往係直接反向反射(及遵循郎伯(Lambertian)定律之經反向散射光)。 其他實施例能夠使被置於甚至更接近於VCSEL處之偵測器併入一垂直擋板以阻擋自窗口反射回至偵測器上之任何光。 儘管已針對應用(諸如相機之自聚焦及其他運動偵測)做出了關於物件之近接感測之說明，但仍存在技術之其他應用。極低發散角VCSEL源光束可藉由量測血流、心臟脈搏速率以及血液及組織之化學組成物等來用於健康監測。在此等應用中，源光束被引導於樣本或物件處且偵測器量測一或多個波長下之經反射光之數量或經反射光之波動，此與脈搏效應有關。 本發明亦闡述包含一窗口及一光學感測器模組之一手持式運算裝置(例如，一隻會電話或平板電腦)。該模組包含一光源，該光源包含一VCSEL裝置，該VCSEL裝置可操作以產生經引導穿過該窗口而朝向位於該手持式運算裝置外部之一物件之一低發散角源光束，該低發散角源光束具有不大於10度之一半峰全寬光束發散角。該模組亦包含：一光學偵測器，其用以感測自被該低發散角源光束照明之該物件反射回之光；及一運算裝置，其可操作以至少部分地基於來自該光學偵測器之一信號來判定距該物件之一距離或該物件之一物理特性。 依據以下詳細說明、附圖及申請專利範圍將容易明瞭其他態樣、特徵及優點。
相關申請案之交叉參考 本申請案主張於2017年1月6日提出申請之美國臨時專利申請案第62,443,402號之權益，該美國臨時專利申請案之內容以全文引用之方式併入本文中。 將使用以不同繪圖表示之例示性實施例闡述表示原理之一廣泛框架的本發明之各種態樣。為清晰及易於闡述起見，每一實施例包含僅幾個態樣。然而，每一實施例中所表示之不同態樣可單獨地或以各種組合實踐。此書面說明書中所表示之廣泛框架內之代表性實施例之諸多不同組合及子組合將為熟習此項技術者明瞭但並不明確地展示或闡述且不應解釋為係排除的。 圖1中之圖式展示使用標準VCSEL源101或其他發光元件之一近接感測器之光學佈局。輸出光束104具有15度或更大之一典型半峰全寬發散角105。輸出光束行進至場景中且光108被一特定距離處之一物件反射出。取決於物件之表面性質，此光可沿諸多方向被散射。此光108之一部分被反射回至光學偵測器102上，該光學偵測器與源安裝於一共同子基台103上。偵測器信號被發送至一運算裝置，該運算裝置基於經反射光之強度來判定物件距感測器之距離。電腦亦監測源參數使得可用提供最大感測器準確度之源功率來校準來自偵測器之信號。應注意，取決於特定應用，源可係連續波(CW)操作的或脈衝的。 在VCSEL與偵測器上面放置一窗口107以保護組件免受環境影響。感測器通常用於室內或室外環境中且窗口保護組件免受物件及液體等之損壞。窗口一般將施加有一抗反射塗層，然而塗層並非最佳的且VCSEL光束之某部分將被自該塗層鏡面反射106。此經反射光束將落至偵測器上從而產生一信號。此信號將添加至由經反射光束108產生之信號並導致距離判定中之誤差。可藉由將偵測器進一步移動遠離VCSEL且提供分開之窗口來減輕此問題。然而，此將大大地增加近接感測器之大小及複雜性。 將偵測器與感測器分離通常亦將降低來自一物件之回反射光之強度藉此降低近接感測器之敏感度。圖2中闡釋此。物件將具有一不確定表面211，取決於特定物件該不確定表面可自高度反射性至至漫射散射及其之間的所有組合及變化形式變化。入射光束212將入射於物件上且通常將足夠大以覆蓋面向感測器之物件表面之大部分。將沿不同方向且以不同強度發生光束自表面之反射。通常，對於大部分表面，沿反向方向213之反射將具有最高強度。沿其他方向之反射214、215通常將強度較低。因此，為達成最大敏感度及準確度，偵測器需要經定位以擷取大部分反向散射光。 圖3a中展示一典型標準頂部發射VCSEL 333之設計。VCSEL結構322磊晶生長於一基板321上。VCSEL諧振腔形成於兩個DBR鏡323與324之間。包括一多個量子井群組之一雷射增益區段325定位於DBR鏡之間。藉由將一電流施加至電極327及328來啟動增益區段。在增益區域中形成一孔徑以限制至中心區域之電流從而增加電流密度以獲得高增益。此導致鏡之間的雷射振盪且頂部DBR鏡經製成部分地透射從而導致沿向上方向之一輸出光束329。 圖3b中闡述VCSEL 334之一底部發射版本之設計。在此佈局中，VCSEL結構生長於基板上，其中部分反射DBR 331位於基板側上。在此情形中，輸出光束329透射穿過基板。在任一組態中，腔長度係短的(僅幾個波長長)且係藉由DBR鏡(通常半波長及DBR結構)之間的距離而判定。因此，在給出一相對較大發散角光束(通常15度FWHM)之情況下，雷射放光模式直徑係小的。可增加光束直徑且藉由增加孔徑直徑而產生較多功率，然而此導致多模式操作且發散角不會變得較低。 存在用以藉由修改VCSEL組態或藉由添加光學元件以修改光束特性來降低VCSEL輸出光束之發散角之數個方法。圖4中展示用以修改VCSEL組態且增加其腔長度之一個方法。在此VCSEL結構422中，藉由使用多個增益區段437而非多個量子井之僅一個增益區段群組來來增加增益區段435之長度。每一增益區段藉由穿隧接面二極體436彼此分隔開。每一增益區段置於諧振腔駐波之最大強度點處，使得腔長度依據所添加增益區段之數目以半波長增加。可在由Q.Wang等人著作且於2015年10月29日公佈並且由Princeton Optronics公司(Mercerville, NJ)共同擁有之美國專利申請案第20150311673 A1號中瞭解關於使用多個增益區段之更多細節。彼說明以引用方式併入本文中。使用此結構之所得VCSEL裝置由於較長腔而具有一較低發散光束，並且由於來自多個增益區段之較高增益該所得VCSEL裝置具有較高強度。 在一種方法中，可藉由以下操作擴展腔422之長度：增加DBR堆疊424中之DBR鏡446之數目；在鏡447之間使用較低對比度；降低製成DBR鏡之兩種材料之帶隙差。舉例而言，在GaAs/GaAlAs DBR中，降低Al濃度將需要較大數目個鏡對447以用於達成所要反射率且因此將增加腔長度。腔長度之增加將降低較高階模式之數目且因此降低發散角。在某些實施方案中，VCSEL裝置包含具有在6 μm至15 μm之一範圍中之一長度之一DBR鏡堆疊。此外，在某些例項中，DBR鏡堆疊包含由不同材料之交替層構成之多個DBR鏡對，該等不同材料具有在1％至7％之一範圍中之一折射率差。 圖5a及圖5b中闡述藉由增加VCSEL腔長度來降低光束發散角之其他方法。圖5a展示使用VCSEL頂部發射結構522外部之一第三鏡543。VCSEL輸出DBR鏡反射率經降低使得VCSEL在啟動時不雷射放光。具有一部分反射塗層540之一第三鏡543與VCSEL腔對準，且在具有輸出DBR鏡之此額外經組合反射率之情況下，VCSEL開始雷射放光。現藉由VCSEL底部鏡與外部鏡塗層540之間的腔之長度來定義VCSEL雷射腔。此方法可將光束發散角542顯著降低至0.5度或更少之FWHM值。 圖5b中闡述第三鏡腔之一較整合式版本。在此配置中，藉由將第三鏡塗層545沈積於與VCSEL結構530相對的基板521之一側上來擴展第三鏡距離。在此底部發射VCSEL結構530中，基板側處之底部鏡之反射率降低使得在無第三鏡之情況下該底部發射VCSEL結構不雷射放光。藉助於增加之有效VCSEL諧振腔長度來獲得光束發散角544之再一次顯著降低。可藉由使用厚的半導體材料(諸如其上生長有磊晶晶圓之GaAs)來增加基板之厚度或藉由接合另一透明材料(諸如玻璃等)來增加基板之厚度。 圖6中展示近接感測器之低光束發散角VCSEL源之應用。VCSEL 650與偵測器651緊密地安裝610於一共同基板653上。VCSEL光束透過窗口607傳播出去並且反射且散射離開物件。反向散射輻射608透過窗口返回且被偵測器651擷取。使用來自偵測器之信號強度來判定物件距感測器之距離。VCSEL光束發散角充分地小使得來自窗口607之鏡面反射652返回至VCSEL附近且並不落至偵測器上。因此此反射並不添加一雜訊信號以修改由偵測器接收之反向散射信號且因此並不使距離判定降級。 自使用來自VCSEL之低發散角光束獲得額外益處。照射於物件上之光束係較小的從而導致高得多的入射功率密度。因此，散射與反射功率成比例地較高。此導致利用較短脈衝之經改良距離量測解析度以及量測較長距離之能力。此所有皆以一小佔據面積達成，此乃因可維持VCSEL與偵測器之間的一小距離。 將存在需要近接感測器之甚至更小佔據面積之應用。用於達成此之一個方法係在VCSEL與偵測器之間添加一擋板組件以阻擋來自偵測器的VCSEL光束之任何鏡面反射。圖7給出處於此目的使用一擋板760之一實例。擋板760安裝於VCSEL 750與偵測器751之間。來自窗口707之鏡面反射752被阻擋且並不到達偵測器751。現可將VCSEL與偵測器更緊密地放置710以獲得一更小佔據面積。擋板並不干涉來自物件之反向散射輻射708到達偵測器且因此感測器解析度及距離量測能力並不受損。 用於降低來自一VCSEL 850之一光束之發散角之另一方法係在VCSEL 850前面安裝一會聚微透鏡，如圖8中所展示。微透鏡870會聚來自VCSEL之發散光束829且將其準直成一極低發散角872經準直光束871。微透鏡可係一分開之元件或其可與VCSEL整合，如圖中所展示。一個方法係在VCSEL上沈積一透明層且以一球形凸面輪廓形狀或以VCSEL軸線為中心之繞射元件形成該透明層。較適用於底部發射VCSEL之另一方法係在與VCSEL輸出光束對準之基板中形成一凸透鏡輪廓或繞射結構。可在由Kaiyan Zhang等人著作且於2005年5月3日公佈並且由Princeton Optronics公司(Mercerville, NJ)共同擁有之美國專利#6,888,871號中瞭解關於在VCSEL基板中使用一整合式透鏡之更多細節。彼說明以引用方式併入本文中。使用此方法可形成一經良好準直VCSEL光束且來自窗口之鏡面反射保持極接近於VCSEL。偵測器可在不遭遇窗口反射之情況下安裝於極接近於VCSEL處從而導致一極精巧近接感測器模組。 開發用於生產一精巧感測器之此等各種方法使得能夠考量將VCSEL與偵測器整合於同一基板上。圖9中闡述此。VCSEL結構981與偵測器結構982製作於共同基板980中。由於VCSEL與偵測器可緊密地定位，因此其實現一小低成本半導體晶片。然後可將其安裝於一陶瓷子基臺上或甚至直接安裝於一印刷電路板983上。將兩個組件整合成一單個組件會簡化感測器模組總成，降低佔據面積甚至進一步且導致主要成本節省。 圖10中展示用於整合VCSEL與偵測器之數個方法。在一個方法(a)中，VCSEL可係安裝於基板1053上之一底部發射VCSEL 1034且穿過其基板發射一低光束1029。偵測器1051可安裝於基板1053上以偵測返回輻射1008。在另一組態(b)中，偵測器1082可單體地製作於VCSEL基板1080之底部上。在此組態中，低VCSEL光束穿過基板1080被輸出1029且在通過基板1080之後被偵測為返回輻射1008。 在一第三組態(c)中，VCSEL 1033可係頂部發射，但偵測器1082可製作於基板1080之另一側上且返回輻射1008可藉由鑽孔一導通孔1038透射而穿過基板到達偵測器。另一選擇係，將對波長進行選擇使得返回輻射1008將透射穿過基板到達偵測器1082，如(d)中所展示。在此等情形中，可藉由將VCSEL與偵測器保持在不同高度處而阻擋來自窗口之鏡面反射。 用以使近接感測器之總成較簡單並降低製造成本之另一實施例係製作VCSEL與偵測器晶片使其所有電觸點皆位於同一底部側上。在此組態中，可使用標準表面安裝製造程序將晶片表面安裝焊接至一印刷電路板上。圖10中闡述以此方式製作之一整合式VCSEL與偵測器晶片之設計。應注意，由Jean F Seurin等人著作且於2014年3月18日發佈並且由Princeton Optronics公司(Mercerville, NJ)共同擁有之美國專利8675706 B2中已揭示用於設計及製作表面安裝VCSEL及VCSEL陣列之方法。彼說明以引用方式併入本文中。 圖11中詳細展示用於併入一整合式VCSEL與偵測器晶片之此表面安裝技術之擴展。將VCSEL 1186與偵測器1187製作共同基板1185中。在基板中形成一溝渠孔1190且藉由一導電引線穿過溝渠將VCSEL之頂部觸點1188路由至基板之底部側上之一接觸墊1201。在接觸引線與基板之間沈積一鈍化層1189以在其之間提供電隔離。此將VCSEL觸點1201及1191兩者提供於基板之同一底部側上。此等VCSEL觸點1201及1191可用於使用表面安裝程序接合至PCB 1192上之電墊1193及1194。 以一類似方式在偵測器1187旁邊之基板中形成一溝渠孔1196且藉由一導電引線穿過溝渠將偵測器1194之頂部觸點路由至基板之底部側上之接觸墊1202。在接觸引線與基板之間沈積一鈍化層1195以在其之間提供電隔離。此將偵測器觸點1202及1197兩者提供於基板之同一底部側上。此等偵測器觸點1202及1197可用於使用表面安裝程序接合至PCB 1192上之電墊1198及1199。 已針對應用(諸如相機之自聚焦及其他運動偵測應用)對此區段作出了關於物件之近接感測之詳細說明，然而存在技術之其他應用。極低發散角VCSEL源光束亦可藉由量測血流、心臟脈搏速率及化學組成物等來用於健康監測。在此等應用中，源光束被引導於樣本或物件處且偵測器量測一或多個波長下之經反射光之數量或經反射光之波動，此與來自一心搏之脈搏效應有關。在此等其他應用中同樣重要的係，VCSEL具有在各圖及先前段落之說明中已詳細說明之相同極低發散角性質。藉由併入本發明之特徵及元件，此等應用之敏感度同樣經改良。 儘管參考幾個較佳實施例闡述本發明之一廣泛框架，但取決於特定近接偵測或成像應用，可藉由應用本文中所闡述元件之組合及子組合來組態其他實施例。熟習此項技術者將明瞭不同實施例之變化形式及修改。因此，其他實施方案在申請專利範圍之範疇內。
101‧‧‧標準垂直腔表面發射雷射源
102‧‧‧光學偵測器
103‧‧‧共同子基台
104‧‧‧輸出光束
105‧‧‧典型半峰全寬發散角
106‧‧‧鏡面反射
107‧‧‧窗口
108‧‧‧光/經反射光束
211‧‧‧不確定表面
212‧‧‧入射光束
213‧‧‧反向方向
214‧‧‧反射
215‧‧‧反射
321‧‧‧基板
322‧‧‧垂直腔表面發射雷射結構
323‧‧‧DBR鏡
324‧‧‧DBR鏡
325‧‧‧雷射增益區段
327‧‧‧電極
328‧‧‧電極
329‧‧‧輸出光束
331‧‧‧部分反射DBR
333‧‧‧典型標準頂部發射垂直腔表面發射雷射
334‧‧‧垂直腔表面發射雷射
422‧‧‧垂直腔表面發射雷射結構/腔長度
424‧‧‧DBR堆疊
435‧‧‧增益區段
436‧‧‧穿隧接面二極體
437‧‧‧增益區段
446‧‧‧DBR鏡
447‧‧‧鏡/鏡對
521‧‧‧基板
522‧‧‧垂直腔表面發射雷射頂部發射結構
530‧‧‧垂直腔表面發射雷射結構/底部發射垂直腔表面發射雷射結構
540‧‧‧部分反射塗層
542‧‧‧光束發散角
543‧‧‧第三鏡
544‧‧‧光束發散角
545‧‧‧第三鏡塗層
607‧‧‧窗口
608‧‧‧反向散射輻射
610‧‧‧垂直腔表面發射雷射與偵測器
650‧‧‧垂直腔表面發射雷射
651‧‧‧偵測器
652‧‧‧鏡面反射
653‧‧‧共同基板
707‧‧‧窗口
708‧‧‧反向散射輻射
710‧‧‧垂直腔表面發射雷射與偵測器
750‧‧‧垂直腔表面發射雷射
751‧‧‧偵測器
752‧‧‧鏡面反射
760‧‧‧擋板
829‧‧‧發散光束
850‧‧‧垂直腔表面發射雷射
870‧‧‧微透鏡
871‧‧‧極低發散角經準直光束
872‧‧‧極低發散角
980‧‧‧共同基板
981‧‧‧垂直腔表面發射雷射結構
982‧‧‧偵測器結構
983‧‧‧印刷電路板
1008‧‧‧返回輻射
1029‧‧‧低光束/輸出
1033‧‧‧垂直腔表面發射雷射
1034‧‧‧底部發射垂直腔表面發射雷射
1038‧‧‧導通孔
1051‧‧‧偵測器
1053‧‧‧基板
1080‧‧‧垂直腔表面發射雷射基板/基板
1082‧‧‧偵測器
1185‧‧‧共同基板
1186‧‧‧垂直腔表面發射雷射
1187‧‧‧偵測器
1188‧‧‧頂部觸點
1189‧‧‧鈍化層
1190‧‧‧溝渠孔
1191‧‧‧垂直腔表面發射雷射觸點
1192‧‧‧PCB
1193‧‧‧電墊
1194‧‧‧電墊/偵測器
1195‧‧‧鈍化層
1196‧‧‧溝渠孔
1197‧‧‧偵測器觸點
1198‧‧‧電墊
1199‧‧‧電墊
1201‧‧‧接觸墊/垂直腔表面發射雷射觸點
1202‧‧‧接觸墊/偵測器觸點
圖1展示使用具標準發散角性質之一光源之一當前技術水平近接感測器。 圖2闡述自一物件散射及反射之光之光學特性，其指示最大強度通常係沿接近於鏡面反射之入射光之法線之反向方向。來自一以漫射方式散射或粗糙表面之經反射光遵循郎伯定律，郎伯定律規定光強度與自入射光之法線的角度之餘弦成正比。 圖3闡述兩種主要類型之VCSEL結構，亦即其中VCSEL結構位於基板之頂部上之頂部發射及其中VCSEL結構位於底部上且輸出光束透射穿過基板之底部發射。 圖4展示用於藉由增加增益區域之長度來增加一VCSEL之腔長度之方法。 圖5闡述用於使用外部或擴展組態中之一第三鏡來增加VCSEL腔長度之技術。 圖6係使用一低光束發散VCSEL源之一近接感測器之一示意性光學圖。其展示偵測器接近於VCSEL且不受自VCSEL光束之窗口反射影響。 圖7展示具一擋板之近接感測器，該擋板被用於進一步改良偵測器隔離從而允許其移動甚至較接近於VCSEL源。 圖8闡述使用具有VCSEL之一微透鏡來準直輸出光束從而獲得極低發散角。 圖9展示整合且製作於同一基板上之VCSEL與偵測器。 圖10闡述用於將偵測器與VCSEL源組合或整合成一單個模組之四個實施例。(a)展示安裝於一共同子基臺上之VCSEL與偵測器，(b)展示製作於同一共同基板中之一底部發射VCSEL及一偵測器，(c)給出製作於一共同基板中之一頂部發射VCSEL與及偵測器之佈局。(b)及(d)中之偵測器製作於基板之底部側中且光透射穿過基板。(c)展示製作於一共同基板之底部側中之一頂部發射VCSEL及一偵測器之佈局，其中一通孔或溝渠蝕刻穿過基板以用於將輻射透射至偵測器，否則輻射將被基板吸收。 圖11闡述如何將整合式VCSEL與偵測器製作為可安裝於一陶瓷子基台或印刷電路板上之一單個表面安裝晶片。

Claims (26)

  1. 一種光學感測器模組，其包括： 一光源，其包含一VCSEL裝置，該VCSEL裝置可操作以產生經引導穿過一窗口而朝向一物件之一低發散角源光束，該低發散角源光束具有不大於10度之一半峰全寬光束發散角；一光學偵測器，其用以感測自被該低發散角源光束照明之該物件反射回之光；及一運算裝置，其可操作以至少部分地基於來自該光學偵測器之一信號而判定距該物件之一距離或該物件之一物理特性。
  2. 如請求項1之光學感測器模組，其中該光學偵測器經安置使得自該窗口鏡面反射之光不入射於該光學偵測器上。
  3. 如請求項2之光學感測器模組，其進一步包含安置於該等VCSEL裝置與該光學偵測器之間的一擋板。
  4. 如請求項1至3中任一項之光學感測器模組，其中該VCSEL裝置包含一增益區段，該增益區段具有藉由各別穿隧接面二極體彼此間隔開之多個增益區段。
  5. 如請求項4之光學感測器模組，其中該等增益區段中之每一者安置於與該VCSEL裝置之一諧振腔駐波之一各別最大強度點對應之一位置處。
  6. 如請求項4之光學感測器模組，其中該等增益區段中之每一者經安置使得每一VCSEL裝置之一諧振腔長度根據增益區段之數目以半波長增加。
  7. 如請求項1至3中任一項之光學感測器模組，其中該VCSEL裝置包含在第一DBR鏡與第二DBR鏡之間具有一雷射增益區段之一腔，該VCSEL裝置進一步包含位於該腔外部之一第三鏡，其中該第一DBR鏡及該第二DBR鏡具有一反射率使得該VCSEL裝置在不存在該第三鏡之情況下將不雷射放光。
  8. 如請求項7之光學感測器模組，其中該第三鏡包含一部分反射塗層。
  9. 如請求項8之光學感測器模組，其具有小於5度之一半峰全寬光束發散角。
  10. 如請求項1至3中任一項之光學感測器模組，其中該VCSEL裝置安裝於一基板之一第一側上，該VCSEL裝置包含在第一DBR鏡與第二DBR鏡之間具有一雷射增益區段之一各別腔，該基板在與該第一側相對的該基板之一第二側上具有一第三鏡。
  11. 如請求項1至3中任一項之光學感測器模組，其中該VCSEL裝置上面包含有一會聚微透鏡。
  12. 如請求項1之光學感測器模組，其中該VCSEL裝置及光學偵測器位於一共同基板上。
  13. 如請求項12之光學感測器模組，其中該VCSEL裝置經安置使得該低發散角源光束通過該基板，且其中該光學偵測器經安置使得自該物件反射回之光在通過該基板之後被該光學偵測器偵測到。
  14. 如請求項12之光學感測器模組，其中該VCSEL裝置位於該基板之一第一側上，且該等光學偵測器位於該基板之一第二相對側上。
  15. 如請求項14之光學感測器模組，其經組態使得在自該物件反射回之光通過該基板之後，該光學偵測器偵測到該經反射光。
  16. 如請求項14之光學感測器模組，其經組態使得在自該物件反射回之光通過該基板中之一導通孔之後，該光學偵測器偵測到該經反射光。
  17. 如請求項1至3中任一項之光學感測器模組，其中該模組係可操作以偵測距該物件之一距離之一近接感測器。
  18. 如請求項1至3中任一項之光學感測器模組，其中該模組可操作以監測該物件之一血流或心臟脈搏速率。
  19. 如請求項1至3中任一項之光學感測器模組，其中該模組可操作以判定該物件之一化學組成物。
  20. 如請求項1至3中任一項之光學感測器模組，其包含一透明蓋，該透明蓋上面具有至少一個光衰減塗層，該模組經組態使得在自該物件反射回之光通過該至少一個光衰減塗層之後，該經反射光被該光學偵測器偵測到。
  21. 如請求項1至3中任一項之光學感測器模組，其中該VCSEL裝置及該光學偵測器整合於包含溝渠饋通部之一共同基板中，使得該VCSEL裝置及該光學偵測器之所有觸點皆位於一表面安裝總成之同一側上。
  22. 如請求項1之光學感測器模組，其中該低發散角源光束具有介於0.5度與10度之間的一半峰全寬光束發散角。
  23. 如請求項1之光學感測器模組，其中該光學偵測器被安置成毗鄰由該VCSEL裝置產生之該低發散角源光束之一軸線。
  24. 如請求項1之光學感測器模組，其中該VCSEL裝置包含具有在6 μm至15 μm之一範圍中之一長度之一DBR鏡堆疊。
  25. 如請求項24之光學感測器模組，其中該DBR鏡堆疊包含由不同材料之交替層構成之複數個DBR鏡對，該等不同材料具有在1％至7％之一範圍中之一折射率差。
  26. 一種手持式運算裝置，其包括： 一窗口；及一光學感測器模組，其包含：一光源，其包含一VCSEL裝置，該VCSEL裝置可操作以產生經引導穿過該窗口而朝向位於該手持式運算裝置外部之一物件之一低發散角源光束，該低發散角源光束具有不大於10度之一半峰全寬光束發散角；一光學偵測器，其用以感測自被該低發散角源光束照明之該物件反射回之光；及一運算裝置，其可操作以至少部分地基於來自該光學偵測器之一信號而判定距該物件之一距離或該物件之一物理特性。
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