一种用于dTOF测距系统的激光光源分区封装结构

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种用于dTOF测距系统的激光光源分区封装结构。

背景技术

3D成像装置可以大大地丰富用户的体验，提升产品竞争力。不同于传统的2D成像装置，如摄像机，只能获取物体的平面2D信息，3D成像装置还可以获取物体的深度信息，是一套测距系统，可以构建一个立体的3D模型，因此3D成像装置被广泛应用于工业测量，零件建模，医疗诊断，安防监控，机器视觉，生物识别，增强现实AR，虚拟现实VR等领域，具有极大的应用价值。

TOF的全称是Time-Of-Flight，即飞行时间，是通过测量发射光从发射时刻到被物体反射至接收端的时间间隔，根据光速不变原理，可以实现距离测定，是3D成像装置常用的一种技术方案。目前存在两种TOF技术路线:iTOF(间接飞行时间，indirect-TOF)和dTOF(直接飞行时间，direct-TOF)。iTOF技术通过激光发射装置发射一束时间上周期性调制激光到物体表面上，返回光则在时序上产生一个相对于入射光的时间延迟，具体表现为相位延迟，相位延迟的大小与光的飞行时间具有对应的计算关系，iTOF即通过测量相位延迟来“间接”得到光的飞行时间，进而实现距离测量。dTOF技术则实现了对飞行时间Δt的直接测量，采用脉冲调试信号方式，sensor内部的每一个像素都直接测量达到光子的往返时间，具有灵敏度高的优点，避开了测量往返信号的相位差所引入的各种问题，并且不存在光电子积累的过程，其测量精度受光噪声的影响比较小，较低的信噪比要求有利于系统功耗的下降。在测距范围、抗干扰性、功耗方面，dTOF更具优势，应用场景更广。

现有的公开号为CN209894976U和CN212905431U专利申请描述的时间飞行深度相机，对于基于dTOF技术原理的测距系统或3D成像装置而言，激光光源是非常重要的组成部分。相比iTOF测距系统，dTOF测距系统由于接收端sensor的特殊性，往往需要激光光源进行分区发射激光，即不同时刻激光光源的不同区域部分进行发光。具体到不同的dTOF光学系统方案，其分区方式不同，对应的激光光源封装到PCBA承载板上的方法也不同。

发明内容

本发明提出一种用于dTOF测距系统的激光光源分区封装结构，激光光源的分区与封装简单、紧凑，充分利用有限的光源发光总面积，易于封装制造和生产。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于dTOF测距系统的激光光源分区封装结构，所述激光光源的发光孔分为多组，每组分别对应一发光的区域；

每个区域内具有若干行发光孔，所有区域内的发光孔行呈周期性穿插排列；

每行发光孔与激光光源侧边的打线区域连通，所述打线区域与对应的外围供电电路的焊盘通过金线电气连接；

属于同一区域内的多行发光孔连接的打线区域连接至同一焊盘。

本发明将激光光源分为多个独立控制的发光区域，每个区域内发光孔所连接的打线区域通过金线与焊盘进行电气连接，在外围电路给任意焊盘供电时，对应区域内的发光孔会被点亮出射激光，实现多组分区发光的功能。

作为优选的，所述激光光源具有至少两层导电连接层，多个区域均匀布置在各不同的导电连接层。

根据激光光源的结构，在有多个导线连接层时，可将发光的区域设置在不同的导电连接层上，且相邻的导电连接层间通过绝缘层进行电气隔绝，防止不同区域之间产生电气导通。

作为优选的，所述激光光源的发光面设置有识别对位标记和追溯码区域。识别对位标记用于VCSEL在封装制造过程中的机器抓取识别与准确对位，可以是任意的简单图案，如星形、十字形。追溯码区域用于放置本激光光源的身份识别码，可以是字母、数字、二维码等图案。

作为优选的，每行发光孔分别连接有一打线区域，各打线区域分别通过金线与焊盘连接。

在所有发光的区域位于同一导电连接层时，不同区域之间不能有交叉，不同区域对应的打线区域应相互座位，可以设置每行发光孔有独立的打线区域，多个打线区域通过金线连接同一焊盘。

作为优选的，属于同一区域内的多行发光孔连接同一打线区域，所述打线区域通过多条金线连接至焊盘。

属于同一组的发光孔也可以连接同一打线区域，常用该打线区域呈长条形布置。另外，由于单根金线的电流承载能力有限，一般为了增加电流承载能力，打线区域和供电电路焊盘之间会打多跟金线来进行连接。

作为优选的，相邻两行发光孔错位分布。

通常，相邻行的发光孔之间是1/2错位排列，即下一行的发光孔位于上一行的相邻发光孔之间的中分线上。如果测距系统在光源面积、发光孔总数量方面的要求有余裕的情况下，也可以进行1/3错位排列、1/4错位排列等等。或者不错位排列。

作为优选的，每行发光孔中，相邻两个发光孔之间的区域边界向内收缩；对应地，临近的一行发光孔的区域边界凸起，与所述收缩位置互补。

通过每行发光孔边界的收缩和图形，形成近似菱形的边界形状(也可以理解为波浪形或齿状)，在上一行与下一行发光孔交错的地方为菱形的凸起部分，可以充分利用不同行之间交错所产生的y方向上间隙，来尽可能扩大分组区域的面积，即各自导电连接层的平面面积，以使其能承载更大的注入电流，且散热性能更加，提升发光孔的发光效率。

作为优选的，处于不同导电连接层的区域边界可部分重叠，进一步扩大发光区域的范围，提升发光孔的发光效率、散热性能。

作为优选的，连接不同区域内发光孔的打线区域位置错开。多个打线区域在激光光源的同一层时，不同区域之间不能有交叉，否则会发生串联导通，失去分组分区的功能。

附图说明

图1为本发明实施例的一种激光光源分区封装结构示意图；

图2为本发明实施例的VCSEL光源的结构堆叠示意图；

图3为本发明实施例的一种激光光源分区封装结构示意图；

图4为本发明实施例的一种激光光源分区封装结构示意图；

图5为本发明实施例的一种激光光源分区封装结构示意图；

图6为本发明实施例的一种激光光源分区封装结构示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。本文中所涉及的方位词“上”、“下”、“左”和“右”，是以对应附图为基准而设定的，可以理解，上述方位词的出现并不限定本发明的保护范围。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。

如图1所示是本发明的是一个实施例，激光光源10优选的是垂直腔面激光发射器VCSEL，包含多行平行错位排列的发光孔1010，每个发光孔均可出射一束激光。本实施例中激光光源10的发光孔被分为四组，分别对应区域106、区域107、区域108、区域109，从上到下周期性排列，在本示意图中，每个区域包含三行发光孔1010。区域106的发光孔与打线区域101连接导通，打线区域101是长条形的，位于激光光源10的侧边，用于跟光源芯片的外围供电电路的焊盘通过“打金线”的方式连接导通，以达到外围供电电路给对应区域的发光孔注入电流使之出射激光的目的。在图1中，打线区域101和外围供电电路的焊盘201之间的电气连接便是通过金线2010的导通来实现。单根金线的电流承载能力有限，一般为了增加电流承载能力，打线区域和供电电路焊盘之间会打多跟金线来进行连接，如图1中采用6根金线来进行示意。

同理，区域107的发光孔所连接的打线区域102通过金线2011与焊盘202进行电气连接，区域108的发光孔所连接的打线区域103通过金线与焊盘203进行电气连接，区域109的发光孔所连接的打线区域104通过金线与焊盘204进行电气连接。

因此，当外围电路选择给任意焊盘201、焊盘202、焊盘203、焊盘204供电时，对应区域的VCSEL发光孔就会被点亮出射激光，实现了四组分区发光的功能。具体的点亮顺序、同一时刻点亮区域的个数(例如一次点亮两个区域或多个区域)，由不同的dTOF测距系统根据需要进行配置即可。

在本实施例中，长条形的打线区域101与VCSEL的发光孔区域107在俯视图下有交叉部分，如图1中的虚线圆圈所示，他们在剖面图上是位于不同的层，并不是电气导通的状态，如图2所示的局部剖面图，即激光光源10含有两层导电连接层：第一导电连接层301和第二导电连接层303。图1中的激光光源10的白色透明部分，包含了发光孔的区域106、区域108、打线区域101和打线区域103，均位于第一导电连接层301。阴影部分，包含了发光孔的区域107、区域109、打线区域102和打线区域104，均位于第二导电连接层303。第一导电连接层301和第二导电连接层303之间还有绝缘层302进行电气隔绝，防止不同区域之间产生了电气导通，失去了分区分组的功能。激光光源10还包含有其他层，均属于VCSEL结构中的常规工艺层，此处不做详述。

在本实施例中，激光光源10还包含识别对位标记1011、追溯码区域1012。识别对位标记1011用于VCSEL在封装制造过程中的机器抓取识别与准确对位，可以是任意的简单图案，如星形、十字形。追溯码区域1012用于放置本激光光源的身份识别码，可以是字母、数字、二维码等图案。

需要指出的是，图1的实施例中相邻行的发光孔之间是1/2错位排列，即下一行的发光孔位于上一行的相邻发光孔之间的中分线上。这在业界比较常用，好处是在相同VCSEL面积下，且发光孔的总数量已经确定的情况下，发光孔任意两两之间的间距最大，可以实现更快的散热、更高的电流承载能力，提高发光效率。如果测距系统在光源面积、发光孔总数量方面的要求有余裕的情况下，也可以进行1/3错位排列、1/4错位排列等等，或者不错位排列，这些情况均不脱离本实施例的范围。

需要指出的是，图1实施例中的打线区域101至打线区域104，焊盘201至焊盘204均是长条形的，但实际应用中不局限这种形状，可以根据需要设置不同的形状，如锯齿形、跑道形、L形等等。而且，这种VCSEL含两层导电连接层的四组分区方式，也可以用于两组、三组、五组、六组等分区的形式，甚至根据需要本实施例的导电连接层也可以扩展至三层或四层。以上情况均不脱离本实施例的范围。

图3是本发明的另一个实施例，与图1实施例不同的地方在于包围发光孔的区域106、区域107、区域108、区域109的边界形状为近似菱形(不规则边界)，在上一行与下一行发光孔交错的地方为菱形的凸起部分，这与图1的长条形分区不一样。这样做的好处是充分利用不同行之间交错所产生的y方向上间隙，来尽可能扩大分组区域的面积，即各自导电连接层的平面面积，以使其能承载更大的注入电流，且散热性能更加，提升发光孔的发光效率。由于第一导电连接层与第二导电连接层之间互不干涉影响，区域106和区域108同在一层，区域107和区域109同在一层，那么在一些实施例中，还可以将区域106和区域108的边界进一步扩大到区域107和区域109的上方，将区域107和区域109的边界进一步扩大到区域106和区域108的下方，如图4所示，这样进一步提升发光孔的发光效率、散热性能。

图5是本发明的另一个实施例，与图1不同的是发光孔区域106、区域107、区域108、区域109、打线区域101、打线区域102、打线区域103、打线区域204全部在激光光源10的同一层，即总共只有一层的导电连接层，因此不同区域之间不能有交叉，否则会发生串联导通，失去分组分区的功能。可以看到打线区域101由图1的长条形变为三个分立的小打线区域共同组成，这样做是为了避免与发光孔区域107、打线区域102交叉导通，每个小打线区域均通过金线2010与供电电路的焊盘201进行电气连接导通。同样的情况也发生在打线区域103。本实施例的封装方法实现了激光光源VCSEL在只有一层导电连接层的情况下分区四组，优点是VCSEL的堆叠结构少一层，制造工艺变简单，缺点是发光孔之间的间距无法做得更小、更密。

需要指出的是，图5实施例中的打线区域101至打线区域104，焊盘201至焊盘204的形状不局限图示的这种，可以根据需要设置不同的形状，如锯齿形、跑道形、L形等等。发光孔区域106、区域107、区域108、区域109的边界形状也可以做成如图3所示的近似菱形。而且，这种VCSEL含一层导电连接层的四组分区方式，也可以用于两组、三组、五组、六组等分区的形式。

图6是本发明的另一个实施例，激光光源10含一层导电连接层，分区三组，区域106、区域107和区域108，发光孔的行与行之间错位1/3。外围供电电路的焊盘201、焊盘202、焊盘203分居在激光光源VCSEL的不同边，打线区域102也随之变为L形，以便能与位于下方的焊盘202进行打金线连接。本实施例的优点是避免了焊盘并排带来的双打线(业界也叫做并排高低打线)，简化了激光光源的封装制造工艺，提升产品良率。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。