包括集成于包封物中的光学结构的VCSEL照明器封装的制作方法

本公开涉及微型vcsel照明器模块和封装，其中vcsel装置结合有一个或多个光学功能元件的光学透明材料包封，所述光学功能元件形成于包封物中以用于修改vcsel输出束的特性。

背景技术：

蜂窝电话和平板计算机正在增加包括记录三维图像、感测动作和手势等技术的新特征。给汽车和其他交通车辆装配许多激光雷达(lidar)类型的传感器和用于车辆自主操作的其他类型的传感器。数字记录方法使用各种类型的与相机交互以记录三维区域中的动态事件的微型照明器。这些照明器可呈各种形式并且提供不同类型的功能。一些照明器用极短脉冲照明广大面积以用于记录飞行时间信息的激光雷达类型测量。其他照明器是脉冲或cw并且将结构光图案投射到场景上。数码相机记录结构光图案的图像，且接着，使用软件算法从图案图像中的修改确定3维场景信息。

照明器必须具有较小的大小，通常为3mm或更小的高度和数毫米侧向尺寸。对于车辆应用，所述照明器必须是稳固的以能承受恶劣的环境条件。这些照明器必须被设计成能高容量低成本制造并且还能低成本组装到将要用于的装置中。这意味着照明器应与高容量电子表面安装组件实践兼容。

一种适用于微型照明器的技术是高功率vcsel装置和阵列装置。这些装置可以适用于飞行时间应用的极快速上升时间呈脉冲式。其较小但在高效电光转换下产生高功率激束。输出束通常经充分准直，但可将各个光学部件置于束中以为专门应用而修改束性质。

当前用于微型照明器的封装技术可能相当复杂并且使用例如间隔物等额外部件将光学部件安装于具体设计工作位置。本发明公开用于为这类应用生产基于高光功率vcsel的微型照明器的较简单封装技术。这些微型照明器可低成本大批量制造。将模块包封以为vcsel提供对抗恶劣环境的保护。

技术实现要素：

本公开描述vcsel照明器封装，所述vcsel照明器封装包括集成于覆盖vcsel装置的包封物中的光学结构。

例如，一个方面描述一种vcsel照明器封装，所述vcsel照明器封装在衬底中包括一个或多个vcsel。所述一个或多个vcsel可操作以产生vcsel输出辐射束。包封物覆盖所述一个或多个vcsel，并且光学结构集成于所述包封物中。所述光学结构设置于所述vcsel输出辐射束的路径中并且可操作以改变离开所述包封物的所述vcsel输出辐射束的传播特性或强度分布中的至少一个。

另一方面描述一种制造vcsel照明器封装的方法。所述方法包括在衬底中提供一个或多个vcsel，其中所述一个或多个vcsel可操作以产生vcsel输出辐射束。提供覆盖所述一个或多个vcsel的包封物，并且使光学结构与所述包封物集成在一起。所述光学结构设置于所述vcsel输出辐射束的路径中并且可操作以改变离开所述包封物的所述vcsel输出辐射束的传播特性或强度分布中的至少一个。

一些实施方式可使用包封物保护vcsel装置或装置阵列来解决当前照明器模块的复杂性和缺少稳健性问题。代替使用单独光学元件形成用于专门应用的所要光学输出束，在包封材料中制造光学功能。例如，在包封物的表面上形成光学元件舱，vcsel束在所述表面传播到包封物之外。然而，这不具限制性，且光学功能可形成于包封材料的表面内部。以此方式，可制造包括vcsel和光学功能以形成所需照明束的单片模块。

包括但不限于正或负透镜、非球面透镜、微透镜、镜和形状不规则的结构的各个光学元件功能可形成于包封物中。光学功能可为这些元件的组合，例如块体透镜与微透镜组合以形成分散束，从而减小斑点效应。所述结构可以不同组合具折射性或衍射性以达成所要照明图案。本发明的另一优点是避免从单独光学部件的后向反射，所述后向反射原本会使vcsel操作不稳定或在vcsel操作中产生噪声。单独光学部件通常需要抗反射涂层，这会增加成本。

包封物可使用一系列透明材料，例如光级硅酮、uv固化环氧化物或其他光学聚合物。可单独使用这些材料或可并入和形成材料组合物。包封物可模制到vcsel或vcsel阵列的顶部上。在此实施方式中，表面安装vcsel将为优选而非必须的，使得电触点都在vcsel的底侧且包封物在顶侧。此配置产生小且简单的可表面安装的经包封照明封装。

vcsel也可安装于适用于组装成单片完整模块的基座或印刷电路板上。在此情境下，包封物将完全封围vcsel但可能部分地或完全封围基座或pcb。vcsel可为两个电触点都在非发射侧的表面安装vcsel。在基座模块上的vcsel中，基座或印刷电路板将为可表面安装的，其中触点在两侧上，一侧用于vcsel且另一侧用于表面安装到封装中。

本发明的各种实施方式使得能够制造低成本且更可靠的照明模块，这是由于所述模块是单片封装。所述模块制造成小的形状因数以用于具有简化设计的移动装置。所述模块为可表面安装的，这与低成本高容量电子制造工艺一致。包封物为vcsel提供稳健保护，从而产生可在恶劣环境中使用的照明模块。

因此，在一些实施中，稳健的经包封vcsel照明封装包括用于修改输出辐射束的强度或其他光学特性的集成式元件。来源可为例如单个vcsel装置或处于共同衬底中的vcsel装置阵列。透明包封物形成于vcsel上，且包封物的其中排出输出束的表面形成为光学漫射结构。光学漫射体的位置处的包封物的表面可为平坦或弯曲的以添加用于进一步控制束传播特性的光能。另一实施方式包括处于包封物表面上的用于改变照明束的方向的镜。vcsel也可包括基座以使得包封物封围vcsel和基座。一个实施方式涉及配置所有电触点在底部表面上的vcsel或基座以提供稳健的单个组件表面安装照明模块。

将从以下详细描述、附图和权利要求书显而易见其他方面、特征和优点。

附图说明

本说明书所附的图式是说明书的一部分并且示出本发明的一个或多个实施方式，但不被视为限制性的。当结合附图阅读以下详细描述时将更清楚地理解所述实施方式。

图1(a)-1(d)示出现有技术vcsel装置和vcsel阵列的示例。现有技术vcsel装置和vcsel阵列包括简单vcsel装置、外部镜vcsel装置、多量子阱堆叠高增益vcsel和整体式vcsel阵列。

图2示出vcsel装置或vcsel阵列的包封。包封物的顶部具有制造于其中以修改vcsel输出束的性质的光学功能。

图3(a)和3(b)示出经包封vcsel阵列的两个实施方式。图3(a)的配置是顶部发射式且图3(b)的配置是底部发射式。在这两种情况下，vcsel是可表面安装的，其中在非发射侧具有电触点且在发射侧是具有光学部件的包封物。

图4示出安装于基座上的vcsel模块，其中包封物完全覆盖vcsel并且部分覆盖基座。光学结构形成于包封物中以用于修改vcsel输出束。

图5(a)和5(b)示出在包封物表面上使用镜以在包封物内的不同方向上重定向vcsel输出束的实施方式。输出束穿过所述表面的不同区域离开包封物。图5(a)使用平镜表面维持vcsel束发散度且图5(b)使用弯曲反射器改变束发散度。

图6(a)和6(b)示出更复杂包封物配置的示例。图6(a)示出用平镜表面重定向vcsel束且接着在输出表面上用漫射结构修改束的发散度和强度分布的包封物。图6(b)描述其中反射器表面包括镜表面以及漫射体结构的配置。穿过包封表面的不同区域输出束，其中通过漫射结构引入修改的发散度和强度分布。

图7(a)和7(b)示出描述使用在包封的表面中制造的微透镜增加vcsel束的发散度的两种不同形式的漫射体光学元件的图示。

图8示出形成于包封物的表面中的衍射光学元件的典型结构。衍射元件示出为增加vcsel束的发散度，但衍射结构可用以执行包括聚焦、成像和从vcsel束形成多光斑结构图案的多种不同的光学功能。

图9示出形成到包封物中的漫射结构。在此结构中，将散射矩阵模制到包封物中以散射vcsel束，因此增加发散度。

图10(a)和10(b)示出可如何将多个光学功能制造于包封物中。图10(a)将正凸透镜轮廓与例如微透镜的微结构组合，这两者都准直vcsel束并且局部散射或分散束。图10(b)将负凹透镜轮廓与微结构组合以产生也被分散的更发散束。分散束将具有减小使相干激束射在表面上的斑点效应的益处。

具体实施方式

在不同实施方式中描述经包封vcsel模块的各个方面。这些实施方式可照原样实践，或可改编来自不同实施方式的呈组合和子组合形式的方面以适应专门应用或满足其他要求，例如，照明器模块的大小、光学功能的组合、照明图案要求、环境条件、并入有所述模块的最终完整组件的配置等。

图1描述各种类型的可用以构造经包封照明模块的vcsel和vcsel阵列100。1(a)示出其中vcsel结构101制造于衬底102的顶部且输出束109传输到装置顶部之外的顶部发射式vcsel。vcsel结构101包括底部dbr高反射镜103和传输输出束109的顶部dbr部分反射镜106。这两种镜形成激光谐振腔并且在其之间是增益区域104。增益区域104由多量子阱群组或堆叠组成并且这些多量子阱通常被在电极108和107之间流动的电流激活。在一些设计中，通过在量子阱发出激束以光学泵激载流子来激活所述量子阱。

在更新进的vcsel设计中，使用多个量子阱堆叠获得更高的增益、增加的功率和更高的效率。在堆叠之间使用隧道结以将所述堆叠隔开。在被电流激活的vcsel中，使用孔口105将电流集结于中心区域中。此孔口通常通过氧化作用形成，不过可使用例如离子植入的其他技术形成围绕所述孔口的电绝缘区域。

图1(b)示出其中vcsel结构110制造于衬底102的底侧上的替代性底部发射式vcsel，其中使底部dbr镜113为部分反射的并且使顶部镜106为高度反射的以使得输出束109传输穿过衬底102。这具有vcsel结构可粘合成与散热器直接接触以获得更高效冷却的优点。

图1(c)描述三个镜扩展腔vcsel100。第三镜112形成于衬底表面上以使得激光谐振腔111的长度增加。这具有形成具有较少横向模式的较低发散度输出束以产生较高亮度束的优点。也可制造此vcsel的外部腔型式，其中第三镜是允许使用长得多的腔长的单独部件。可使用顶部发射式或底部发射式vcsel配置制造外部腔vcsel。

所有这些各种类型的vcsel可配置成如图1(d)中所示的整体式vcsel阵列。vcsel装置114制造于共同衬底115中。可制造多个不同阵列配置，其包括规则装置阵列或其中间距不均匀即随机或具有特定结构的不规则阵列。可使所述阵列非常密集，在整体式阵列中具有大于5000个vcsel元件。所述装置可并联连接在一起以全部同时操作，或可沉积单独电极以各个或成群地激活每一vcsel装置。所有这些各种类型和配置的vcsel100都可用于经包封照明模块中。使用哪个具体vcsel配置将取决于照明应用。

图2是其中包封物221形成于芯片的发光侧上的vcsel装置或vcsel阵列200的示意图。图2中示出的vcsel示例是顶部发射式vcsel，但同样可使用图1中描述的其他类型中的一种类型。包封物覆盖作用区域201以包括vcsel的输出束，但使芯片的边缘的一部分暴露以使得顶部触点208可用于连接到激活源。用于激活vcsel的第二触点207处于vcsel的相对侧。具有包封物的vcsel是可以正常方式安装于基座或印刷电路板上的独立模块。

包封物具有制造于表面区域222中并处于vcsel输出束209的路径中的光学漫射结构223。此特定结构是许多各个大小的微透镜，其引起具有经界定强度分布例如平坦顶部强度轮廓的vcsel束的发散度224增加。取决于微透镜的大小，与来自vcsel的束相比，漫射微透镜结构也可分散束225，致使束方向的局部化变化。对于vcsel阵列，这可通过使来自阵列中的不同vcsel的束分量混合成总束因此减小相干性，减小斑点效应。

通过使用如图3中所示的表面安装类型vcsel来达成经包封vcsel的改进的实施方式。通过以下步骤来制造表面安装vcsel：制造适合的通孔332以用于引导vcsel的发射侧上的电触点与其他电触点307并排地穿通到非发射侧。图3(a)是可表面安装的顶部发射式vcsel301的vcsel阵列的示例，其中两个触点307、335都位于衬底302的底侧。此配置可同样适用于单个顶部发射式vcsel装置。通孔332制造于衬底中以用于将导线334从顶部触点308穿过衬底302引导到底侧上的触点335。使用隔离和/或钝化材料331使顶部衬垫与衬底电隔离以防止到衬底和底部衬垫307的电短路。此绝缘材料还在触点335之间沉积333于通孔中和衬底的底侧上。

现在可以沉积包封物321以完全覆盖vcsel芯片的发射侧，这是因为所有电触点处于非发射侧上。光学结构323形成于包封物的表面中并且处于来自vcsel阵列的所有束的路径中。经修改输出束324发射到照明模块的顶部之外。这因为包封物完全覆盖vcsel的作用侧并且甚至还可以覆盖芯片的边缘周围而产生更稳健的芯片照明模块。此模块由于两个电触点都在vcsel的一侧而与低成本高容量表面安装电路组装工艺兼容。

图3(b)描述底部发射式vcsel310的阵列的等效型式。在此配置中，vcsel输出通过底部触点308中的孔口314而传输穿过衬底。如果衬底302导电，那么就不需要衬底中的通孔。使用衬底的非发射侧上的触点335获得到底部触点308的电连接且此连接到接触衬垫337。隔离和/或钝化材料331用以使底部触点307与衬底302电隔离。

以类似方式，现在可以沉积包封物321以完全覆盖vcsel芯片的发射侧，这是由于所有电触点都在非发射侧。光学结构323形成于包封物的表面中并且处于来自vcsel阵列的所有束的路径中。vcsel输出束由于传播穿过衬底并且传播穿过包封物而具有不同性质，因此光学结构设计将不同。被光学结构修改的输出束324发射到照明模块的顶部之外。这由于包封物完全覆盖vcsel衬底和触点并且甚至还可以覆盖芯片的边缘周围而产生更稳健芯片模块。这与低成本高容量表面安装电路组装工艺兼容。本领域技术人员将了解，类似布置可用于包括三个镜扩展和外部腔单个vcsel和阵列的其他类型的表面安装vcsel。

表面安装vcsel的更多信息和描述公开于2014年7月22日发行的seurin等人的美国专利第8,783,893号、2014年3月18日发行的seurin等人的美国专利第8,675,706号和2016年2月23日发行的ghosh等人的美国专利第9,268,012号中。上述专利的内容由本申请案的发明人中的一些发明人共同著作并且与新泽西州梅瑟韦尔的普林斯顿光学公司(princetonoptronicsinc.mercerville,nj)共同拥有。

图4示出安装于基座420上的vcsel或vcsel阵列400，其中包封物421完全覆盖vcsel并且部分覆盖vcsel侧上的基座。vcsel可包括到基座的引线接合电连接429，或可为所有触点处于底侧的表面安装vcsel，因此不需要到基座的顶侧的引线接合连接。基座具有衬垫427、428以用于通过从这些衬垫到其他衬垫的导线连接到vcsel，所述其他衬垫用于连接到最终模块中的其他部件。其他衬垫必须在包封物外部但可为基座的侧面。为与表面安装组件工艺兼容，所有其他衬垫应在基座的底侧。这可使用导电通孔430将上部衬垫连接到相对侧上的衬垫来实现。

包封物421具有形成于表面区域422上并且在vcsel输出束409的路径中的光学漫射结构423。这可被设计成取决于预期应用而增加发散度424或减小vcsel束的发散度。可获得多个不同束特性，且在以下段落中更详细论述这些束特性中的一些束特性。

到目前为止的论述内容已描述可如何使用包封物的输出表面处的光学结构修改vcsel输出束特性。在这些实施方式中，输出束方向与来自vcsel的束输出方向大致相同。虽然可使用表面结构修改束方向，但可在达成大的方向改变上存在局限性。在图5中示出实现大的束方向改变的额外功能。在本发明的此实施方式中，形成镜表面551以截取束509。这可通过倾斜表面522实现，其中入射角足够大到使得在表面处存在全内反射。作为另外一种选择，反射层可沉积或制造于包封物表面551上。

在反射之后，保持在包封物521内部的输出束552传播到包封物表面的不同区域554以传输到包封物之外553。图5(a)中的此配置引起大的vcsel束偏转且在此示例中，束平行于vcsel表面。应了解，图5中的示例示出经重定向束平行于vcsel表面，然而，可通过改变镜551、555的倾斜角将束重定向于其他方向上。

在图5(b)中示出此情况的另一实施方式，其中在包封物上使用曲面镜表面555。如所示的凸面将引起vcsel输出束509聚合以减小其发散度556。这在需要经准直照明束557照明远距离的对象的应用中是有益的。对于本领域技术人员将显而易见的是，可替代地使用凹面，其使束扩展并且产生具有大的发散度的出射束557。如图5(a)和5(b)中所示，可在如图2和4中所描述的其中包封物制造于vcsel衬底上或安装于基座上的vcsel上的布置中使用镜表面。

可并入具有镜表面实施方式的光学漫射结构。在图6中示出用于获得此的两种方法。图6(a)描述其中镜表面651用以重定向652vcsel输出束609方向的实施方式。束接着入射于输出表面660上，所述输出表面660并入有漫射结构660以修改束的发散度和强度分布。此束661传输到包封物之外。

图6(b)示出用于组合镜功能和光学漫射结构的替代性实施方式。在此布置中，光学漫射结构与镜663组合。vcsel输出束609入射于此表面上并且两个都经重定向，且其发散度和强度分布经修改664以形成所要vcsel束特性。此束接着传输穿过输出表面654。对于本领域技术人员将显而易见的是，可做出其他组合，包括制造具有镜663并且在输出表面654中的光学漫射结构。这些实施方式提供很大灵活性和使用多个光学结构从照明模块获得所要vcsel束特性的能力。

下一部分的描述提供关于可用于包封物表面中以获得不同vcsel输出束发散度和强度分布的各种形式的光学漫射结构的更多信息。用于制造这些光学结构的方法包括模制包封物，其中模具包括光学结构或使用多个模制步骤，一个模制步骤用于基本包封物结构且后续模制步骤用于额外的结构元件。在包封物已沉积或模制到vcsel上或基座上的vcsel之后，可将光学结构蚀刻到表面中。所述制造也可包括在包封物表面上的一个或多个膜沉积。

图7描述使用微透镜阵列的光学漫射体的两个变体。图7(a)示出凸微透镜771阵列，其通过将输出束709的单独部分聚焦到靠近透镜的焦点，此后束以与入射束相比较大的角度发散724。混合不同大小和焦距微透镜，且此混合被具体设计成使得束可扩展以形成具有被设计成用于所需照明应用的强度分布的束724。

图7(b)描述其中微透镜772具凹轮廓的替代性设计。这些微透镜各自直接增加入射束709的部分的发散度而无需经过焦点。以相同方式，微透镜的大小与形状被设计和配置成获得用于所需照明应用的具体照明束强度分布。对本领域技术人员应显而易见的是，凸微透镜与凹微透镜的组合也可用以获得所要照明图案。

获得所要照明图案或辐射分布的替代性光学结构是如图8中所示的衍射元件883。此替代性光学结构可形成于包封物的表面822中vcsel输出束809的位置处。此衍射结构843包括二维矩形凹痕阵列。此结构将入射的vcsel束分裂成具有不同光学相位的细小束。由于所述细小束是相干束，因此发生干扰以形成具有界定的强度分布的发散束。通过布置成提供适用于预期应用的照明图案的衍射结构的设计来确定强度分布824。此照明图案可具有增加的或减小的发散度或组合形成更复杂强度图案824。此结构还可用以形成通常用于结构光3d图像感测的各种光斑图案配置。

本发明的另一实施方式使用散射表面或矩阵994增加vcsel束的发散度。在图9中描述此情况的示例。粗糙的非镜面区域994形成于包封物922的表面上。vcsel输出束909通过此束散射并且作为发散束924远离包封物传播。替代形式的散射结构994可为沉积或以其他方式并入到表面中的透明材料膜，其包括混合到其中以散射入射束的小散射粒子。

包封物1022的表面可制造成弯曲而非平坦表面。这将提供修改vcsel束的正或负光学透镜能力。在图10中的两个图示中描述这些实施方式。图10(a)示出形成为凸球面或非球面表面1091的表面。所述表面也可为圆筒形形状或其他不对称的曲线。漫射结构1093接着形成于此非平坦表面上。凸面将用于聚合束以及更改束1096的特性。此情况可为有益的示例是对于vcsel阵列。漫射结构1093在不同方向上散射散射来自vcsel阵列装置的个别束1095，使得个别束重叠。凸面用于聚合束，使得可调整总束发散度以适应专门应用。束重叠的益处是极大地减小总束流的相干性，从而减小当束入射于照明对象上时的斑点效应。

图10(b)描述使用凹面轮廓1092的效应。凹透镜增加入射vcsel束1009的发散度1097。漫射结构1098接着修改扩展束1097内的强度分布。当使用vcsel阵列时将发生相同的减小束相干性和斑点效应的益处。

将显而易见的是，可设计和制造经包封照明器封装的多种不同配置，这取决于将使用所述经包封照明器封装的产品的应用和组装要求。虽然参考数个优选实施方式描述本发明的宽泛框架，但可取决于照明器应用所需的特定vcsel或vcsel阵列，通过应用本文中描述的元件的组合和子组合来配置其他实施方式。对于本领域技术人员将显而易见的具有或不具有不同光学结构和镜的不同实施方式的变化和修改是在本发明的范围内并且被所附权利要求书涵盖。