VCSEL窄发散度接近度传感器的制作方法

本申请要求2017年1月6日提交的美国临时专利申请号62,443,402的权益，所述美国临时专利申请的内容以全文引用的方式并入本文中。

本发明涉及使用包括与一个或多个光学检测器耦合的极低发散度垂直腔面发射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser；vcsel)的光照源，改进和小型化接近度感测和元件识别装置。

背景技术：

用于对象的接近度或距离检测的典型方法涉及用例如led的光源照亮对象，并且测量反射回到位于所述光源附近的检测器的光的强度。检测器处的反射光强度随着物体移动远离光源和检测器而减小。所述方法依赖于来自强准直光源的良好对象照明以及对象的已知反射率。对象的反射率以及甚至形状的差异往往会改变检测到的光，从而产生距离测量值误差。现用的具合理成本的源具有低强度和/或高发散度，这由于反射强度在较大距离下为低并且变得低于检测器的检测极限或无法与环境光级区别开而限制可准确测量的距离。

已通过使用复杂光学系统实现改进的灵敏度，所述复杂光学系统使用多个透镜或多个源波长和滤光片。另一方法使用脉冲源以便可在脉冲之间的居间时段期间测量环境噪声级。这显著限制传感器的时间响应。这些改进给接近度传感器带来主要的成本和复杂性。

移动电话和类似的平板计算机的出现引起对相机自动聚焦应用和其他类似系统的准确距离感测的需求。传感器必须小型化以符合移动电话的紧凑性。这因为将光学检测器置于靠近光源处而产生问题。对于发散源，来自保护窗的反射可传播回到检测器，这严重限制传感器的对象距离检测极限。移动电话相机系统的增加的复杂性需要更准确的接近度传感器，同时需维持或甚至进一步减小微型占据面积。

技术实现要素：

本公开描述接近度传感器，其将来自垂直腔面发射激光器(vcsel)的极窄发散光束用于照明源。vcsel与发光二极管或其他非相干源相比产生较低发散光束。已开发改进的接近度传感器，其利用vcsel输出光束的减小的发散度。然而，标准vcsel的发散度通常是15度半最大值全宽，且这可限制这类接近度传感器的灵敏度。

根据一个方面，本公开描述一种光学传感器模块，其包括光源，其包括可操作以产生穿过窗朝向对象引导的窄发散度源光束的vcsel装置，所述窄发散度源光束具有不大于10度的半最大值全宽光束发散度。所述模块另外包括光学检测器，其用以感测从被所述窄发散度源光束照亮的所述对象反射回的光；和计算装置，其可操作以至少部分地基于来自所述光学检测器的信号确定到所述对象的距离或所述对象的物理特性。

本发明的实施方式提供在0.5度到10度的范围内的窄得多的发散光束以在较小占据面积组件中提供高得多的接近度感测准确度。一些实施方式使用外部第三镜获得vcsel谐振腔的延长。增加的腔长在较少的较大直径横向模式中产生较高功率，从而显著减小输出光束发散度。第三镜可为单独元件或与vcsel装置基板集成在一起。

其他实施方式描述通过修改dbr镜和增益区域延长vcsel腔的长度的其他方法。光学微透镜可与vcsel耦合以准直输出光束，因此减小光束发散度。这些光学微透镜可为单独光学元件或通过修改基板输出表面轮廓或添加透明层以与vcel集成在一起。

这些光束发散度减小方法并入到接近度传感器的各个配置中。这些方法中的一种是vcsel与检测器定位成紧密相邻以使得来自上方的保护窗的任何反射归因于极低光束发散度而不会落在检测器上。使检测器定位成靠近vcsel光束的轴与检测器远离vcsel光束的轴的情况相比产生较高反射强度，这是由于来自对象的最高反射强度往往是直接往回反射(和遵循朗伯定律的往回散射光)。

其他实施方式使得检测器能够置于甚至更靠近vcsel处，并入竖直挡板以阻挡从窗往回反射到检测器上的任何光。

虽然已进行关于用于例如相机的自动聚焦和其他运动检测的应用的对象接近度感测的详细描述，但存在所述技术的其他应用。极低发散度vcsel源光束也可通过测量血液和组织的血流量、心脉率和化学成分等用于健康监测。在这些应用中，将源光束引导于样本或对象处，且检测器测量一个或多个波长下的反射光的量或与脉动效应有关的反射光的波动。

本公开还描述一种包括窗和光学传感器模块的手持型计算装置(例如，智能手机或平板计算机)。所述模块包括光源，其包括vcsel装置，所述vcsel装置可操作以产生穿过所述窗朝向在所述手持型计算装置外部的对象引导的窄发散度源光束，所述窄发散度源光束具有不大于10度的半最大值全宽光束发散度。所述模块还包括光学检测器，其用以感测从被所述窄发散度源光束照亮的所述对象反射回的光；和计算装置，其可操作以至少部分地基于来自所述光学检测器的信号确定到所述对象的距离或所述对象的物理特性。

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

图1示出使用具有标准发散性质的光源的最新技术接近度传感器。

图2描述从对象散射和反射的光的光学特性，其指示最大强度通常是在靠近针对镜面反射率的入射光的法线的往回方向(backdirection)上。来自漫散射或粗糙表面的反射光遵循朗伯(lambertian)定律，其规定光强度与距入射光的法线的角度的余弦成比例。

图3描述两种主要类型的vcsel结构，即其中vcsel结构处于基板的顶部的顶部发射，以及vcsel结构处于底部且输出光束传输穿过基板的底部发射。

图4示出用于通过增加增益区域的长度来增加vcsel中的腔长的方法。

图5描述用于使用外部或延伸配置中的第三镜来增加vcsel腔长的技术。

图6是使用窄光束发散vcsel源的接近度传感器的光学示意图。其示出检测器靠近vcsel并且不受来自vcsel光束的窗反射影响。

图7示出其中使用挡板进一步改进检测器隔离从而允许检测器移动到甚至更靠近vcsel源处的接近度传感器。

图8描述使用具有vcsel的微透镜准直输出光束，从而获得极低发散度。

图9示出集成并制造于同一基板上的vcsel和检测器。

图10描述使检测器与vcsel源一起组合或集成到单个模块中的四个实施方式，(a)示出vcsel和检测器安装于共同基座上，(b)示出底部发射vcsel和检测器制造于同一共同基板中，(c)给出制造于共同基板中的顶部发射vcsel和检测器的布局。(b)和(d)中的检测器制造于基板的底侧且光传输穿过基板，(c)示出顶部发射vcsel和制造于共同基板的底侧的检测器的布局，其中蚀刻穿过基板的通孔或沟槽以用于将原本会被基板吸收的辐射传输到检测器。

图11描述如何将集成式vcsel和检测器制造成可安装于陶瓷基座或印刷电路板上的单个表面安装芯片。

具体实施方式

将使用在不同图形中表示的示例性实施方式描述本公开的表示原则的宽泛框架的各个方面。为了清楚和便于描述起见，每一实施方式仅包括数个方面。然而，可单独地或以不同组合方式实践每一实施方式中呈现的不同方面。在本说明书中呈现的广泛框架内的代表性实施方式的多种不同组合和子组合对于本领域技术人员可为显而易见的但不进行明确展示或描述，且不应视为被排除在外。

图1中的图式示出使用标准vcsel源101或其他发光元件的接近度传感器的光学布局。输出光束104具有15度或更大的典型半最大值全宽(fullwidthhalfmaximum)发散度105。输出光束行进到场景中且特定距离处的对象反射108光。此光可取决于对象的表面性质而多个方向上散射。此光108的一部分反射回到与源一起安装于共同基座103上的光学检测器102上。检测器信号发送给计算装置，所述计算装置基于反射光的强度来确定对象距传感器的距离。计算机还监测源参数以使得可用源功率校准来自检测器的信号，从而提供最大传感器准确度。应注意，源可取决于特定应用而以连续波(cw)操作或呈脉冲式。

窗107置于vcsel和检测器上方以保护部件免受环境影响。传感器通常在室内或室外环境中使用且所述窗保护部件免受来自对象和液体等的损坏。通常将抗反射涂层施涂到所述窗，然而，所述涂层并非完美的，且将从所述涂层镜面反射106vcsel光束的某一部分。此反射光束将落到检测器上，从而产生信号。此信号将加入由反射光束108产生的信号并且在距离确定中产生误差。可通过使检测器移动远离vcsel并且提供单独窗来缓解此问题。然而，这将在很大程度上增加接近度传感器的大小和复杂性。

使检测器与传感器分离通常还将减小来自对象的往回反射光的强度，因此减小接近度传感器的灵敏度。在图2中对此进行解释。对象具有不确定的表面211，其可取决于特定对象而在高度反射到漫反射之间变化并且包括高度反射与漫反射之间的所有组合和变化。入射光束212将入射于对象上并且通常大到足以覆盖面向传感器的对象表面的大部分。将在不同方向上以不同强度发生光束从所述表面的反射。通常，对于大部分表面，在往回方向213上的反射具有最高强度。在其他方向上的反射214、215通常具有较低强度。因此，为了获得最高灵敏度和准确度，需要将检测器定位成捕获大部分往回散射光。

在图3a中示出典型标准顶部发射vcsel333的设计。vcsel结构322在基板321上以外延方式生长。vcsel谐振腔形成于两个dbr镜323与324之间。包括多量子阱群组的激光增益区段位于325dbr镜之间。通过将电流应用于电极327和328来激活所述增益区段。孔口形成于增益区域中以将电流局限在中心区域，从而增加电流密度以获得高增益。这造成镜之间的激光振荡，且使顶部dbr镜在为部分透射的，从而产生沿向上方向上的输出光束329。

在图3b中描述vcsel334的底部发射版本的设计。在此布局中，vcsel结构在基板上生长，其中部分反射dbr331位于基板侧面。在此情况下，通过基板329传输输出光束。在任一配置中，腔长为短，且仅数个波长为长，并且由通常为半波长的dbr镜与dbr结构之间的距离来确定所述腔长。因此，在给定通常为15度fwhm的相对大发散度光束的情况下，激光发射模式直径为小。可通过增加孔径来增加光束直径并且产生更多功率，然而这引起多模工作且发散度不会变低。

存在数种通过修改vcsel配置或者通过添加光学元件以修改光束特性来减小vcsel输出光束的发散度的方法。在图4中示出一种修改vcel配置并增加其腔长的方法。在此vcsel结构422中，通过使用多个增益区段437而非多量子阱的仅一个增益区段群组来增加增益区段435的长度。每一增益区段通过隧道结二极管436与彼此隔开。每一增益区段置于谐振腔驻波的最大强度点处，使得腔长在半波长上增加达所添加增益区段的数目。可在美国专利申请号20150311673a1中获悉关于使用多个增益区段的更多细节，所述美国专利申请由q.wang等人创作并且在2015年10月29日发表，且为njmercerville的princetonoptronicsinc.所共同拥有。所述描述以引用方式并入本文中。使用此结构所得的vcsel装置由于较长腔而具有较低发散光束，并且由于来自多个增益区段的较高增益而具有较高强度。

在一种方法中，可通过减小制成dbr镜的两种材料的带隙差异而使用镜447之间的较低对比度，增加dbr堆叠424中的dbr镜446的数目，从而延长腔长422。例如在gaas/gaalasdbr中，减小al浓度将需要较大数目的镜对(mirrorpair)447来获得所要反射率，且因此将增加腔长。腔长的增加将减小高阶模的数目并且因此减小发散角。在一些实施方式中，vcsel装置包括具有在6-15μm的范围内的长度的dbr镜堆叠。另外，在一些情况下，dbr镜堆叠包括多个dbr镜对，所述dbr镜对由具有在1％-7％的范围内的折射率差异的不同材料的交替层组成。

在图5a和b中描述通过增加vcsel腔长来减小光束发散度的其他方法。图5a示出在vcsel顶部发射结构522外部使用第三镜543。减小vcsel输出dbr镜反射率，使得vcsel当被激活时不发射激光。使具有部分反射涂层540的第三镜543与vcsel腔对齐，并且通过与输出dbr镜的此额外组合式反射率，vcsel开始发射激光。现在由vcsel底部镜与外部镜涂层540之间的腔长来限定vcsel激光腔。此方法可使光束发散度542显著地减小为0.5度或更小的fwhm值。

在图5b中描述第三镜腔的更集成版本。在此布置中，通过在基板521的相对侧上沉积第三镜涂层545来使第三镜距离延伸到vcsel结构530。在此底部发射vcsel结构530中，减小基板侧面的底部镜的反射率，以使得在没有第三镜的情况下，所述底部镜不发射激光。借助于增加有效vcsel谐振腔长度来获得光束发散度544的再次显著减小。可通过使用上面生长外延晶片的较厚半导体材料例如gaas来增加基板的厚度或通过粘合另一透明材料例如玻璃等来增加基板的厚度。

在图6中示出为接近度传感器应用低光束发散度vcsel源。使vcsel650与检测器651紧靠在一起安装于610共同基板653上。vcsel光束通过窗607传播出并且从对象反射和散射。往回散射辐射608通过窗返回并且被检测器651捕获。使用来自检测器的信号强度确定对象距传感器的距离。vcsel光束发散度小到足以使来自窗607的镜面反射652在靠近vcsel处返回并且不落在检测器上。因此，此反射不添加会修改被检测器接收的往回散射信号的噪声信号且因此不会使距离确定降级。

使用来自vcsel的低发散度光束获得额外益处。照射在对象的光束较小，因此产生高得多的入射功率密度。因而，散射和反射功率成比例地较高。这通过较短脉冲以及测量较长距离的能力产生改进的距离测量分辨率。这全部是在小占据面积中实现的，原因是可维持vcsel与检测器之间的小距离。

存在需要接近度传感器具有甚至更小的占据面积的应用。一种达成此的方法是在vcsel与检测器之间添加挡板部件以阻挡来自检测器的vcsel光束的任何镜面反射。图7给出为此目的使用挡板760的实例。挡板760安装在vcsel750与检测器751之间。来自窗707的镜面反射752被阻挡并且不会到达检测器751。现在可将vcsel与检测器放置成更加靠近710在一起，以获得较小占据面积。挡板不干扰从对象到达检测器的往回散射辐射708并且因此不会折损传感器分辨率和距离测量能力。

用于减小来自vcsel850的光束的发散度的另一方法是如图8中所示在前面安装会聚微透镜。微透镜870会聚来自vcsel的发散光束829并且将其准直为极低发散度872准直束871。微透镜可为单独元件或如图中所示可与vcsel集成在一起。一种方法是在vcsel上沉积透明层并且在其中形成以vcsel轴为中心的球形凸面轮廓形状或衍射元件。更适于底部发射vcsel的另一方法是在基板中形成与vcsel输出光束对齐的凸透镜轮廓或衍射结构。可在美国专利#_6,888,871中获悉关于在vcsel基板中使用集成式透镜的更多细节，所述美国专利由kaiyanzhang等人创作并且在2005年5月3日发表，且为njmercerville的princetonoptronicsinc.所共同拥有。所述描述以引用方式并入本文中。使用此方法，可形成充分准直vcsel光束，且来自窗的镜面反射保持极为靠近vcsel。检测器可安装在极为靠近vcsel处且不会遇到窗反射，从而产生极为紧凑的接近度传感器模块

开发这些用于产生紧凑传感器的各种方法使得能够考虑将vcsel和检测器集成在同一基板中。这在图9中进行描述。在共同基板980中制造vcsel结构981和检测器结构982。由于vcsel和检测器可定位成靠近在一起，因此实现小的低成本半导体芯片。此半导体芯片接着可安装在陶瓷基座上或甚至直接安装在印刷电路板983上。使两个部件集成为单个部件简化传感器模块组件，甚至进一步减小占据面积并且产生主要成本节约。

在图10中示出用于集成vcsel和检测器的若干方法。在一种方法(a)中，vcsel可为安装于基板1053上的底部发射vcsel1034并且发射穿过其基板的窄光束1029。检测器1051可安装于基板1053上以检测返回辐射1008。在另一配置(b)中，检测器1082可以单片方式制造于vcsel基板1080的底部。在此配置中，窄vcsel光束通过基板1080输出1029并且在穿过基板1080之后检测到返回辐射1008。

在第三配置(c)中，vcsel1033可为顶部发射的，但检测器1082可制造在基板1080的另一侧，且可通过钻取贯通孔1038来使返回辐射1008穿过基板传输到检测器。作为另外一种选择，选择波长以使得返回辐射1008通过基板传输到检测器1082，如(d)中所示。在此情况下，可通过将vcsel和检测器保持在不同高度来阻挡来自窗的镜面反射。

使接近度传感器的组件更简单并且减小制造成本的另一实施方式是制造使所有电触点处于同一底侧的vcsel和检测器芯片。在此配置中，可使用标准表面安装制造过程将芯片以表面安装方式焊接到印刷电路板上。在图10中描述以此方式制造的集成式vcsel和检测器芯片的设计。应注意，已在美国专利8675706b2中公开用于设计和制造表面安装vcsel和vcsel阵列的方法，所述美国专利由jeanfseurin等人创作并且在2014年3月18日发行，且为njmercerville的princetonoptronicsinc.所共同拥有。所述描述以引用方式并入本文中。

在图11中详细示出用于并入集成式vcsel和检测器芯片的此表面安装技术的扩展。在共同基板1185中制造vcsel1186和检测器1187。在基板中形成槽孔1190并且通过穿过沟槽到达基板的底侧的触点垫1201的导电引线为vcsel的顶部触点1188选定路线。在触点引线与基板之间沉积钝化层1189以提供所述触点引线与基板之间的电绝缘。这在基板的同一底侧提供vcsel触点1201和1191两者。这些vcsel触点可用以使用表面安装过程粘结到pcb1192上的电衬垫1193和1194。

以类似方式，在基板中在检测器1187旁边形成槽孔1196，并且通过穿过沟槽到达基板的底侧的触点垫1202的导电引线来为检测器1194的顶部触点选定路线。在触点引线与基板之间沉积钝化层1195以提供所述触点引线与基板之间的电绝缘。这在基板的同一底侧提供检测器触点1202和1197两者。这些检测器触点可用以使用表面安装过程粘结到pcb1192上的电衬垫1198和1199。

已在此部分进行关于用于例如相机的自动聚焦的应用和其他运动检测应用的对象接近度感测的详细描述，然而存在所述技术的其他应用。极低发散度vcsel源光束也可通过测量血流量、心脉率和化学成分等用于健康监测。在这些应用中，将源光束引导于样本或对象处，且检测器测量一个或多个波长下的反射光的量或与心跳的脉动效应有关的反射光的波动。在这些其他应用中同样重要的是，vcsel同样具有已在前述段落的各图和描述中详述的极低发散性质。同样地通过并入本公开的特征和元件来改进这些应用的灵敏度。

虽然参考数个优选实施方式描述本公开的宽泛框架，但可取决于特定接近度检测或图像应用而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。不同实施方式的变化和修改对本领域技术人员将是显而易见。因此，其他实施方式在权利要求书的范围内。