本實用新型涉及電子及光學元器件制造領域，尤其涉及一種發(fā)光裝置及其光學投影模組。

背景技術：

深度相機可以獲取目標的深度信息借此實現(xiàn)3D掃描、場景建模、手勢交互，與目前被廣泛使用的RGB相機相比，深度相機正逐步受到各行各業(yè)的重視。例如利用深度相機與電視、電腦等結合可以實現(xiàn)體感游戲以達到游戲健身二合一的效果。另外，谷歌的tango項目致力于將深度相機帶入移動設備，如平板、手機，以此帶來完全顛覆的使用體驗，比如可以實現(xiàn)非常真實的AR游戲體驗，可以使用其進行室內(nèi)地圖創(chuàng)建、導航等功能。

深度相機中的核心部件是光學投影模組，隨著應用的不斷擴展，光學投影模組將向越來越小的體積以及越來越高的性能上不斷進化。一般地，光學投影模組組由電路板、光源以及光學器件等部件組成，目前晶圓級大小的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列光源使得光學投影模組的體積可以減小到被嵌入到手機等微型電子設備中。一般地，將VSCEL制作在半導體襯底上，并將半導體襯底與柔性電路板（FPC）進行連接，為了解決散熱問題，還可以引入半導體致冷器（TEC）。TEC可以很好的對光源發(fā)熱進行控制，但由于本身的功耗較高，且占用較大的體積，使得這種形式的光學投影模組的體積以及功耗仍不理想。

除了深度相機中的光學投影模組，在其他的芯片與電路板結合的領域，也同樣面臨著體積與散熱的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術中芯片與電路板結合時的體積與散熱的問題，提出一種發(fā)光裝置及其光學投影模組，能夠同時兼顧體積與散熱的問題。

本實用新型提供一種發(fā)光裝置，包括：底座，用于支撐及散熱，所述底座相對立的兩個表面分別有凹槽與凸起；光源，用于發(fā)射光束，所述光源安裝在所述底座的凹槽中；電路板，用于控制光源發(fā)光，所述電路板設置有通孔；所述底座通過凸起安裝到所述電路板的通孔中。

在一些實施方案中，所述底座包括陶瓷基底，所述陶瓷基底開有通孔，以使得所述電路板與所述光源電連接。

在一些實施方案中，所述光源包括VCSEL陣列光源, 所述VCSEL陣列光源包括半導體基底以及VCSEL光源，所述VCSEL光源以不規(guī)則圖案排列在所述半導體基底上。

在一些實施方案中，所述電路板包括柔性電路板、印制電路板以及軟硬結合電路板的一種或組合。

本實用新型還提供一種光學投影模組，包括如上所述的發(fā)光裝置，用于發(fā)射光束；光學器件，包括：透鏡，用于接收及準直所述光束；衍射光學元件，用于將所述光束經(jīng)擴束后形成固定的光束圖案并向外發(fā)射；鏡筒，用于固定所述透鏡及所述衍射光學元件，且與所述發(fā)光裝置連接。

在一些實施方案中，所述透鏡包括微透鏡陣列。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果有：

本實用新型提供發(fā)光裝置，通過在具有支撐及散熱功能的底座兩面分別設置凹槽以及凸起，分別用于放置芯片以及與電路板連接，如此可以充分減小裝置的整體體積，同時芯片與散熱部件直接接觸連接，散熱部件同時起到支撐芯片的作用，保證給芯片提供最大限度的散熱。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的發(fā)光裝置具有高導熱、高穩(wěn)定、高可靠性以及體積小的優(yōu)勢，從而可以被集成到微型的計算設備中。

附圖說明

圖1是本實用新型一個實施方案中的深度相機系統(tǒng)的側視圖。

圖2是本實用新型一個實施方案中的光學投影模組的側視圖。

圖3是本實用新型一個實施方案中的垂直腔面激光發(fā)射器的結構示意圖。

圖4是本實用新型一個實施方案中的VCSEL芯片正視圖。

具體實施方式

為了使本實用新型實施例所要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

需要說明的是，當元件被稱為“固定于”、“設置于”或“安裝于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者間接在該另一個元件上。當一個元件被稱為是“連接于”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或間接連接至該另一個元件上。另外，連接即可以是用于固定作用也可以是用于電路連通作用。

需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。

本實用新型提出一種散熱性能好以及體積小的芯片嵌入裝置。在后面的說明中將以深度相機的投影模組為例進行說明，但并不意味著這種方案僅能應用在深度相機中，任何其他裝置中凡是直接或間接利用該方案都應被包含在本實用新型的保護范圍中。

圖1所示的基于結構光的深度相機側面示意圖。深度相機10主要組成部件有光學投影模組13、采集模組14、主板12以及處理器11，在一些深度相機中還配備了RGB相機16。光學投影模組13、采集模組14以及RGB相機16一般被安裝在同一個深度相機平面上，且處于同一條基線，每個模組或相機都對應一個進光窗口17。一般地，處理器11被集成在主板12上，而光學投影模組13與采集模組14通過接口15與主板連接，在一種實施例中所述的接口為FPC接口。其中，光學投影模組用于向目標空間中投射經(jīng)編碼的結構光圖案，采集模組采集到該結構光圖像后通過處理器處理以得到目標空間的深度圖像。在一個實施例中，結構光圖像為紅外散斑圖案，圖案具有顆粒分布相對均勻但具有很高的局部不相關性，這里的局部不相關性指的是圖案中各個子區(qū)域都具有較高的唯一性。對應的采集模組14為紅外相機。

基于時間飛行法原理（TOF）的深度相機的主要組成部分也是投影模組與采集模組，與結構光原理的深度相機不同的是其投影模組用于發(fā)射記時的光脈沖，采集模組采集到該光脈沖后就可以得到光在空間中的飛行時間，再利用處理器計算出對應的空間點的距離。

目前單一的深度相機由于體積較大，大都是作為獨立的外設，通過USB等數(shù)據(jù)接口與其他設備如電腦、手機等連接，并將其獲取的深度等信息傳輸給其他設備進行進一步的處理。隨著深度相機的應用越來越廣泛，將深度相機與其他設備進行集成、整合將會是未來的發(fā)展方向。在主板與處理器的集成方面可以將深度相機的主板、處理器與電腦手機等設備的主板、處理器進行整合；在采集模組與光學投影模組的集成方面，目前電腦等大型設備都有相關的方案，然而對于手機等微型設備，只有體積小的光學投影模組才能滿足要求，另外由于光學投影模組的功耗較大、發(fā)熱較多，因此擁有較高的散熱性也非常有必要。本實用新型的重點將是提出一種擁有高散熱性及小體積的發(fā)光裝置及其光學投影模組。接下來根據(jù)本實用新型的實施例方案對光學投影模組進行詳細說明。

圖2是根據(jù)本實用新型實施例的光學投影模組的示意圖。光學投影模組13包括發(fā)光裝置與光學器件組成，其中發(fā)光裝置由底座131、電路板132以及光源134組成，光學器件由鏡筒137、透鏡135以及衍射光學元件（DOE）136組成。光學器件與發(fā)光裝置之間是由鏡筒137與底座131連接。發(fā)光裝置中的光源132發(fā)出的光束經(jīng)透鏡135準直或匯聚后由DOE136向空間中發(fā)射，一般地透鏡135位于光源134以及衍射光學元件136之間，典型地，透鏡135與光源132之間的距離近似等于透鏡的焦距。在其它實施例中透鏡135與DOE也可以整合成一個光學元件，鏡座也可以分成上、下鏡座以便于安裝或調(diào)試。底座131一方面要求具有足夠的硬度來支撐光源，另一方面還需要有較高的散熱性。

在一個實施例中，透鏡也可以是微透鏡陣列。

光學投影模組的體積影響整個深度相機的大小，而其中光源134與底座131的大小則是影響光學投影模組體積的重要因素。在光源的選擇中，垂直腔面激光發(fā)射器(VCSEL)擁有體積小、光源發(fā)射角小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點可以用來作為投影模組的光源以減小整體的體積。接下來先對VCSEL及其陣列芯片進行說明，其次對其與底座131組成的發(fā)光裝置進行闡述。

圖3是根據(jù)本實用新型一個實施方案中的VCSEL結構示意圖。在圖3中，301為單個VCSEL，一般地， VCSEL的有源層305在中間，與有源層連接的是限制層306，限制層的作用是用來控制光場和電流以實現(xiàn)對激光形狀等的控制，有源層兩端還有P型與N型的半導體反射鏡304與307，反射鏡307的另一側是頂部電極308（P極、正極），反射鏡304的一側分別是半導體襯底303以及底部電極302（N極、負極）。

圖4是本實用新型一個實施方案中的VCSEL芯片正視圖。當單個VCSEL光源的功率等達不到應用要求時，通過將多個VCSEL403以陣列的形式布置在同一個半導體襯底402上可以提高光源功率，另外在同一個半導體襯底上同時制造多個VCSEL光源也可以大幅提高制造效率。VCSEL陣列芯片401目前可以達到晶圓級的尺度，即可以在1mm²的芯片上布置成百上千個VCSEL光源。對光源的控制可以有不同的模式，芯片上所有的VCSEL光源被同步控制打開與關閉，或者，芯片上的VCSEL被獨立或分組控制以產(chǎn)生不同的光照密度。在一些實施例中，采用第一種模式，即芯片上所有的VCSEL光源被同步控制打開與關閉。在另一些實施例中，可以采用第二種模式，即芯片上的VCSEL被獨立或分組控制以產(chǎn)生不同的光照密度。

VCSEL403的形式及排列按照具體的應用需求可以有多種，比如均勻規(guī)則地排列或者以一定的不相關圖案進行不規(guī)則排列。單個VCSEL的形狀、面積也可以不相同。形式上的不規(guī)則化會帶來制造效率的降低。在一些實施例中，VCSEL403均勻規(guī)則地排列在半導體襯底402上，在另一些實施例中，按照具體的應用需求，VCSEL403以一定的不相關圖案不規(guī)則排列在半導體襯底402上。

在一些實施例中，VCSEL芯片按特殊的用途也可以進行封裝，類似于電腦的CPU等芯片，將正負極通過連接到引腳在同一側與外界連接。針對本實用新型所述的深度相機實施例而言，由于要求體積小，因而較佳的處理方式是直接將未封裝的VCSEL半導體切片芯片置于底座131上。一般地，芯片的底部負極連接，頂部正極連接。在以下說明中將以VCSEL切片芯片為例進行說明，但應理解的是封裝芯片也包含在本實用新型的保護范圍內(nèi)。

芯片都需要有承載和連接機構，以保證芯片的正常功能。例如電腦CPU有為其獨立設計的卡套式連接與固定機構；對于一些發(fā)熱量不大的專用芯片，會直接通過引腳與主板進行直接相連；而對于本實用新型所述的芯片，一般具有較高的發(fā)熱量，且需要有穩(wěn)固的固定裝置。VCSEL陣列芯片由于是用來發(fā)射光束，需要較大的功率，發(fā)熱量較大，另外還需要被集成到體積較小的微型設備中，散熱問題需要解決；另一方面，對于深度相機而言，光學投影模組的相對位置要求非常穩(wěn)固，以確保有穩(wěn)定、精確的深度圖像輸出。因此，VCSEL陣列芯片的承載與連接機構就要求既擁有小的體積以便于集成，又需要有較好的散熱性能以及穩(wěn)固的連接。

回到圖2，本實用新型的發(fā)光裝置，包括底座131，用來支撐芯片134以及提供散熱功能；電路板132，用來控制芯片134工作。其中底座131可以是金屬材料也可以是其他材料，典型地，底座131為陶瓷材料，陶瓷材料具有優(yōu)良的散熱性以及硬度。為了減小發(fā)光裝置的厚度，在底座131的一個表面有凹槽138，用于放置芯片134，在另一面有凸起132，凸起處用于將底座131安裝到電路板132相應的通孔中。典型地，電路板132的通孔與底座131的凸起大小相同，電路板132端部還具有與外部實現(xiàn)電連接的端口133，比如USB、MINI USB、MIPI等接口。

發(fā)光裝置中，芯片134的控制由電路板132執(zhí)行，由于電路板132與芯片134之間被底座131隔開，因此往往需要在底座131上開通孔以實現(xiàn)連接。在一些實施例中，由于芯片134為未封裝裸片，因此其底部為一電極，因此當?shù)鬃?31為導電材料時，134的電極直接與導電材料連接，再將電路板132與底座131電連接即實現(xiàn)也該電極的連接；而對于芯片134另一電極的連接則可以在底座131上開設通孔后將芯片該電極與電路板電連接。

在一個實施例中，底座131為不導電的陶瓷材料，此時可以在其表面或通孔中注入導電材料比如銀、銅、金等材料，讓其具有陶瓷的高導熱、高穩(wěn)定、高可靠性的同時還具有導電性。

本實用新型中底座的兩個表面分別有凹槽138與凸起139，設置凹槽138的作用一方面在于可以將芯片134固定于其中以減小光學投影模組13的整體厚度，另一方面還可以保證鏡筒137與底座131連接的位置有足夠的厚度以保證連接的強度。另外，電路板132中間開有通孔，底座上的凸起139與通孔匹配以將底座131與電路板132連接，這將進一步減小光學投影模組13的厚度。

電路板132可以為印制電路板（PCB）、柔性電路板(FPC)或者二者結合而成的軟硬結合板。當?shù)鬃?31具有足夠的硬度及穩(wěn)定性時，典型地，電路板132可以為FPC，一方面FPC的厚度小，另一方面FPC連接及安裝均更為方便。

對于圖2所示的激光模組在制造時，發(fā)光裝置與光學器件可以同步進行。對于發(fā)光裝置，將底座131與電路板132連接，其次將光源134連接到底座131上，最后將光學器件安裝到底座131上。

以上內(nèi)容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限于這些說明。對于本實用新型所屬技術領域的技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬于本實用新型技術方案的保護范圍。