一种激光设备和电子设备的制作方法

1.本实用新型涉及激光器领域，特别涉及一种激光设备和电子设备。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vertical
‑
cavity surface
‑
emitting laser，vcsel)是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与一般由边缘射出的边射型激光有所不同，因为vcsel比边射型激光功能更先进，所以随着科技高速发展，vcsel的研究深入以及应用需求的拓展，vcsel不仅在手机，消费性电子等领域发挥越来越重要的作用，还被用于人脸识别，3d感测，手势侦测和vr(虚拟现实)/ar(增强现实)/mr(混合现实)等。
3.当vcsel应用在tof测距模组中时，激光光束照射在目标物体上，发生漫反射。漫反射光被感光阵列接收，从而进行测距工作。但是当测距模组中需要使用更大的视场角度(field of view)时，感光元件接收到的是光强中间高，两边低的光斑，从而影响整体的测距效果，且同时还会导致视场角度之外的发光强度较大，且能耗升高。


技术实现要素：

4.鉴于上述现有技术的缺陷，本实用新型提出一种激光设备和电子设备，该激光设备发射的激光光束照射在目标物体上时，折射光束或折射光斑的中心的照度小于折射光束或折射光斑边缘的照度，因此经过目标物体反射之后，可以形成能量均匀的反射光束，从而可以提高测距效果。
5.为实现上述目的及其他目的，本实用新型提出一种激光设备，包括：
6.基板；
7.支架，设置在所述基板上；
8.激光器，设置在所述基板上，位于所述支架内；
9.光学元件，设置在所述支架上，所述光学元件包括相对设置的第一表面和第二表面；
10.粘结层，设置在所述第二表面上；
11.平凸透镜，设置在所述粘结层上；
12.其中，所述第一表面朝向所述激光器，所述第一表面上设置有微透镜阵列，所述微透镜阵列中微透镜的曲率半径与孔径的比值小于0.5；
13.其中，所述激光器发射的激光光束依次经过所述光学元件和所述平凸透镜出射，形成折射光束；
14.其中，所述折射光束中心的照度小于所述折射光束边缘的照度。
15.进一步地，所述微透镜阵列中微透镜为旋转二次曲面，所述微透镜的剖面的函数为：
16.17.其中，c表示所述微透镜的曲率半径，k表示所述微透镜的圆锥常数。
18.进一步地，所述圆锥常数为
‑
1.5～
‑
0.5。
19.进一步地，所述平凸透镜的中心厚度为0.5～1.5毫米。
20.进一步地，所述平凸透镜的圆锥常数为为
‑
1.5～
‑
0.5。
21.进一步地，所述平凸透镜的曲率半径为
‑
10～
‑
30毫米。
22.进一步地，所述粘结层的厚度为100
‑
200微米。
23.进一步地，所述折射光束中心的角度为
‑
20
°
～20
°
。
24.进一步地，所述折射光束边缘的角度为20
°
～60
°
和
‑
20
°
～
‑
60
°
。
25.进一步地，本实用新型还提出一种电子设备，包括：
26.激光设备，用于发射激光光束，所述激光光束照射在物体上形成反射光束；
27.接收设备，用于接收所述反射光束；
28.其中，所述激光设备包括：
29.基板；
30.支架，设置在所述基板上；
31.激光器，设置在所述基板上，位于所述支架内；
32.光学元件，设置在所述支架上，所述光学元件包括相对设置的第一表面和第二表面；
33.粘结层，设置在所述第二表面上；
34.平凸透镜，设置在所述粘结层上；
35.其中，所述第一表面朝向所述激光器，所述第一表面上设置有微透镜阵列，所述微透镜阵列中微透镜的曲率半径与孔径的比值小于0.5；
36.其中，所述激光器发射的激光光束依次经过所述光学元件和所述平凸透镜出射，形成折射光束，所述折射光束经过所述物体反射后形成所述反射光束；
37.其中，所述折射光束中心的照度小于所述折射光束边缘的照度。
38.综上所述，本实用新型提出一种激光设备和电子设备，本实用新型将激光器设置在基板上，然后在激光器上方设置光学元件，光学元件靠近激光器的一面上设置微透镜阵列，光学元件远离激光器的一面为平面，然后在该平面上设置平凸透镜，因此当激光器发射的激光光束照射在光学元件上时，该光学元件可以起到匀光的作用，然后激光光束通过平凸透镜之后照射在目标物体上，由于平凸透镜可以调整激光光束的能量分布，因此当激光光束照射在目标物体上，可以形成中心照度小于边缘照度的折射光束(折射光斑)，该折射光束还可以具有更大的边坡(sideslope)，折射光束经过物体反射之后，形成照度均匀的反射光束，也就是获得能量均匀的反射光束，因此当接收设备接收该反射光束之后，可以使得视场角度之外的能量损失更小，从而可以提高测距效果。
附图说明
39.图1：本实用新型中激光设备出射折射光束的示意图。
40.图2：本实用新型激光设备的示意图。
41.图3：本实用新型中支架的俯视图。
42.图4：本实用新型中激光设备的另一示意图。
43.图5：本实用新型中图2和图4中的激光设备形成的折射光束的照度分布图。
44.图6：本实用新型中图2和图4中的激光设备形成的折射光束的照度分布在x方向的光束轮廓与拟合图
45.图7：本实用新型中电子设备的示意图。
具体实施方式
46.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
47.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
48.有人驾驶或无人驾驶交通工具都使用成像和图像识别来标识潜在的碰撞或障碍物。在一些实施例中，交通工具可以使用3d成像系统来计算用于碰撞避免和导航的潜在障碍物的距离和接近速度。具有更长有效范围和更大角分辨率的3d成像系统可以允许更多时间来响应潜在的碰撞和/或允许更高的导航精确度。
49.在一些实施例中，可以利用3d成像系统以其成像目标和/或环境的精确度可以至少部分地与反射光(从成像系统发射并反射回成像系统的光)和由成像系统捕获的环境光的比率相关。所捕获的反射光可以通过增加强度或通过更改所发射的光的照明场来增加。在其他实施例中，可以利用3d成像系统以其成像目标和/或环境的精确度可以至少部分地与用其收集反射光的角分辨率和用其可以识别视觉特征的位置的精确度相关。
50.如图1所示，本实施例提出一种激光设备100，该激光设备100可以用于发射激光光束，同时由于该激光设备100上设置有光学元件和平凸透镜，因此激光光束经过光学元件和平凸透镜之后出射，从而会形成折射光束1，折射光束1照射在目标物体300上时，可以形成折射光斑。本实施例中由于光学元件和平凸透镜的作用，因此折射光束1中心的照度小于折射光束1边缘的照度，因此当折射光束1经过目标物体300反射之后，可以形成照度均匀的反射光束，因此当该激光设备100应用于电子设备中时，反射光束被感测设备接收之后，从而可以提高测距的效果。
51.如图1
‑
图2所示，该激光设备100可以包括基板110，基板110上还设置有第一焊盘111和第二焊盘112，第一焊盘111设置在第二焊盘112的一侧。该基板110可以为氧化铝，氧化铍，碳化硅等高热导率的陶瓷类材料。第一焊盘111和第二焊盘112的材料可以为金属材料，例如铜或金。
52.如图2
‑
图3所示，图3显示支架120的俯视图。在基板110上设置有支架120，支架120用于支撑光学元件140。该支架120例如可以为方形结构，当然支架120还可以为圆形或椭圆形结构。该支架120例如垂直于基板110。该支架120的材料可以为树脂或氧化铝陶瓷材料。该支架120例如胶装在基板110上。在支架120上设置有光学元件140，在基板110上设置有激光器130，激光器130位于支架120内。激光器130可以为垂直腔面发射激光器，该激光器130
的波长可以为905纳米，940纳米，1350纳米或其他波长。当然，在一些实施例中，为缩小该激光设备100的体积，还可以在支架120的顶部设置台阶部，该台阶部可以用于放置光学元件140。
53.如图2所示，在本实施例中，该激光器130设置在第一焊盘111上，例如激光器130的负极通过银胶/金锡焊接在第一焊盘111上，激光器130的正极通过金线113连接第二焊盘112，当对第一焊盘111和第二焊盘112施加电压时，则激发该激光器130，从而使得该激光器130发射激光光束。由于基板110可以为氧化铝，氧化铍，碳化硅等高热导率的陶瓷类材料，陶瓷基板和砷化镓衬底的垂直腔面发射激光器的热膨胀系统接近，两者的热膨胀系统接近时可以减小应力，提高可靠性，并由于陶瓷基板的热导率高且具有良好的绝缘性，因此可以做到热电分离。
54.如图2所示，在本实施例中，在支架120的顶部设置有光学元件140，该光学元件140可以起到匀光的作用，即提高激光光束的能量均匀性，从而提高激光光束的能量利用率。该光学元件140可以包括第一表面和第二表面。第一表面和第二表面相对设置，第一表面例如朝向基板110，第二表面例如背离基板110。即光学元件140的背面为第一表面，光学元件140的正面为第二表面。在第一表面上还设置有微透镜阵列，微透镜阵列可以包括多个微透镜141。微透镜141同样朝向基板110或者激光器130。在本实施例中，该光学元件140可以为漫射体，该光学元件140同样可以对激光光束的形状/发散角/光强分布进行调整。
55.如图2所示，在本实施例中，该微透镜141可以为旋转二次曲面，该微透镜141的剖面的函数例如为：
[0056][0057]
其中，c表示所述微透镜的曲率半径，k表示所述微透镜的圆锥常数。
[0058]
如图2所示，在本实施例中，该微透镜141的圆锥常数例如为
‑
1.5～
‑
0.5，例如为
‑
1.0。该微透镜141的曲率半径与孔径的比值可以小于0.5，例如为0.2或0.25。例如当曲率半径为0.015mm时，微透镜141的孔径为0.08mm时，微透镜141的曲率半径与孔径的比值为0.18。通过设置这些参数的微透镜141，从而可以提高匀光作用，即通过改善激光光束的发散角/光照分布/光斑强度，从而可以起到匀光作用。本实施例通过将微透镜141的曲率半径与孔径的比值小于0.5，从而可以形成较大角度的光斑，同时还能够得到能量分布均匀的光斑。
[0059]
如图4所示，为进一步改善激光光束的能量分布，本实施例提出另一种激光设备100，该激光设备100与图2的区别在于，在光学元件140上设置有平凸透镜160。本实施例首先在光学元件140的第二表面上设置粘结层150，粘结层150的厚度可以为100
‑
200微米，例如为150微米或180微米。然后在粘结层150上设置平凸透镜160，平凸透镜160的平面与粘结层150接触。该平凸透镜160的圆锥常数可以为
‑
1.5～
‑
0.5，该平凸透镜160的曲率半径例如为
‑
10mm～
‑
30mm，例如为
‑
15mm，所述
“‑”
表示平凸透镜160的弯曲方向，不表示大小。该平凸透镜160的中心厚度可以为0.5～1.5mm，例如为1.0mm或1.2mm。该平凸透镜160可以再次调整激光光束的能量分布，且在获得更好的能量分布的同时，还可以提高能量的利用率。需要说明的是，该粘结层150例如为透明胶水，粘结层150可以对激光器130的波长具有很高的透过性。当然，光学元件140和平凸透镜160还可以为一体压延成型或者在两面刻蚀出微透镜
141或者凸透镜。通过这样设置，激光器130发射的激光光束可以依次通过光学元件140和平凸透镜160出射，形成折射光束，折射光束最终照射在目标物体上。
[0060]
如图1和图4所示，在本实施例中，当点亮激光器130后，激光器130发射激光光束，激光光束经过微透镜141和平凸透镜160之后，从而形成折射光束1，此时由于微透镜141和平凸透镜160的共同作用，从而使得折射光束1中心的照度小于折射光束1边缘的照度。本实施例为了使得平凸透镜160可以更好的调节激光光束的能量分布，因此本实施例将微透镜141的曲率半径与孔径的比值定义为a，则平凸透镜160的曲率半径与孔径的比值设置成25a
‑
75a，同时平凸透镜160的孔径与微透镜141的孔径的比值可以大于20，比值例如为20
‑
40。通过设计平凸透镜160与微透镜141的参数关系，从而当激光光束依次微透镜141和平凸透镜160时，可以调节激光光束的能量分布，从而可以获得中心照度小于边缘照度的折射光束。
[0061]
如图1和图5所示，图5显示为图2和图4中的激光设备100形成的折射光束的照度分布图。图5中的左图是通过激发图2中的激光设备100得到的，图5中的右图是激发图4中的激光设备100得到的。在本实施例中，激光器130为发散角为21
°
的10*10阵列，微透镜141与激光器130的距离为0.4mm，微透镜141的孔径为0.06*0.08mm(方形孔径阵列)，微透镜141的曲率半径为0.015mm，微透镜141的圆锥常数为
‑
1。平凸透镜160的孔径为3*3mm，平凸透镜160的曲率半径为
‑
10mm，平凸透镜160的圆锥常数为
‑
1，平凸透镜160的中心厚度为0.6mm，然后由接收器分别图2和图4中激光设备100形成的折射光斑。通过对比可知，左图中折射光束1的角度范围较大于右图中的折射光束1的角度范围，且左图中折射光束1中心的照度大于折射光束1边缘的照度，右图中折射光束1中心的照度小于折射光束1边缘的照度。因此可以得知，通过在光学元件140上设置平凸透镜160，平凸透镜160可以再次调整激光光束的能量分布，因此使得折射光束1的能量更加集中，弥散在外圈的光变少了，从而折射光束1的中心的照度小于折射光束1的边缘的照度。因此将图2和图4中的激光设备100分别设置在电子设备内时，图4中的激光设备100形成的折射光束1经过目标物体反射之后，可以形成照度均匀或能量均匀的反射光束，因此该反射光束可以更好的被接收设备接收到，从而可以提高测量效果，同时还可以提高能量的利用率。如图5
‑
图6所示，图6显示为图2和图4中的激光设备100形成的折射光束的照度分布在x方向的光束轮廓与拟合图。本实施例取图5中y＝0处的x方向的光束轮廓，以中心强度作归一化，从而得到图6中的曲线。
[0062]
图6中曲线l1表示图2中激光设备100形成的折射光束的照度分布在x方向的光束轮廓的拟合图，图6中曲线l2表示图4中激光设备100形成的折射光束的照度分布在x方向的光束轮廓的拟合图，图6中曲线l3表示对曲线l2的照度拟合图。从图6中可以看出，曲线l2相对于曲线l1更加贴合曲线l3，曲线l2的角度范围小于曲线l1的角度范围。从图6中可以看出，在0
°
～20
°
之间时，曲线l2在0
°
～20
°
之间的照度小于曲线l2在20
°
～60
°
之间的照度。由于折射光束为对称结构，因此曲线l2在0
°
～
‑
20
°
之间的照度小于曲线l2在
‑
20
°
～
‑
50
°
之间的照度，因此可以将
‑
20
°
～20
°
定义为折射光束的中心，则将
‑
20
°
～
‑
50
°
和20
°
～50
°
定义为折射光束的边缘。对比曲线l1和曲线l2，曲线l1在0
°
～20
°
之间的照度等于或基本等于曲线l2在0
°
～20
°
之间的照度，曲线l1在20
°
～60
°
之间的照度小于曲线l2在20
°
～60
°
之间的照度。且从图6中的可以看出，曲线l1的发散角大于曲线l2的发散角，但是曲线l2具有更大的边坡(sideslope)，因此当图4中激光设备100形成的折射光束在视场角度之外的能量损失
更小，因此可以更好的应用于电子设置中。当图4中的激光设备100应用电子设备中时，由于折射光束中心的照度小于折射光束边缘的照度，因此当折射光束被目标物体反射之后，从而可以形成照度均匀的反射光束，从而可以更容易被感测器接收到。
[0063]
如图7所示，本实施例提出一种电子设备10，该电子设备10可以包括激光设备100和接收设备200。激光设备100和接收设备200可以设置在邻近位置。该激光设备100用于出射折射光束1，折射光束1照射在目标物体300上形成反射光束2，需要说明的是，折射光束1照射在目标物体300上形成光斑，因此反射光束2被接收设备200接收到的是反射光斑。由于该接收设备200内设置有感光元件，因此反射光束2可以被接收设备200接收，感光元件可以将光信号转换成电信号；然后通过该电子设备10计算激光器设备100出射折射光束1的时间以及接收设备200接收反射光束2的时间差，并进一步获取该目标物体300的深度信息，该深度信息可以用于测距，用于生成深度图像或用于三维建模等。在一些实施例中，该激光设备100和接收设备200可以固定在相同的线路板上。线路板可以为硬式电路板，挠性电路板或软硬结合板。在本实施例中，由于该折射光束1中心的照度小于边缘的照度，当折射光束1被目标物体300反射之后，由于漫反射的原因，从而可以形成照度均匀的反射光束2，也就是获得能量均匀的反射光束2，因此当接收设备200采集到该反射光束2时，从而可以提高测距效果。
[0064]
如图7所示，在本实施例中，该电子设备10例如为tof(time of flight)摄像模组，该tof(time of flight)摄像模组可用于便携式电子设备，如智能手机、平板电脑、便携式电脑或其它便携式电子设备。
[0065]
如图7所示，在本实施例中，该电子设备10例如为tof(time of flight)摄像模组，该tof(time of flight)摄像模组可组装于一电子设备，以改变所述电子设备与人之间的交互方式，例如，手势控制，虹膜解锁等功能。
[0066]
如图7所示，在本实施例中，该电子设备10例如为tof(time of flight)摄像模组，该tof(time of flight)摄像模组被应用于影视图像采集仪器中，例如摄影机，照相机等，从而在后期的视频图像处理中，通过简单的后期处理，就能将特效道具插入视频图像中的任一位置，通过这样方式，一方面能加强特效的逼真程度，另一方面，使得拍摄不再受拍摄地点的限制，大大降低了制作成本。
[0067]
如图7所示，在本实施例中，该电子设备10例如为tof(time of flight)摄像模组，该tof(time of flight)摄像模组可配置于家居设备中，例如空调，冰箱，电视机等，以改变使用者与所述家居设备之间的交互模式，例如实现家居设备的手势控制等功能。
[0068]
如图7所示，在本实施例中，该电子设备10例如为tof(time of flight)摄像模组，该tof(time of flight)摄像模组可被组装于机器人设备中，为所述机器人设备提供三维视觉能力，从而所述机器人设备能够实现空间定位，路径规划，路障规避，手势操控等功能，以让机器人设备更好地服务于人类，其中所述机器人包括娱乐休闲机器人，医疗机器人，家庭机器人，场地机器人等。
[0069]
如图7所示，在本实施例中，该电子设备10例如为tof(time of flight)摄像模组，该tof(time of flight)摄像模组可被组装于一安防监控设备，例如监控设备中，以提高所述安防监控设备分析的精确度，增加行为分析等智能化应用。
[0070]
如图7所示，在本实施例中，该电子设备10例如为tof(time of flight)摄像模组，
该tof(time of flight)摄像模组可被组装于一物联网终端设备中，以通过所述tof摄像模组采集其他终端设备的深度信息，以加强物联网网络中不同终端之间通信的准确程度和全面程度，换言之，基于所述tof摄像模组，可进一步改变物与物之间的交互方式，而不仅仅是人机交互方式。
[0071]
如图7所示，在本实施例中，该电子设备10例如为tof(time of flight)摄像模组，该tof(time of flight)摄像模组可被应用于一无人驾驶设备中，例如无人驾驶汽车，无人机，无人驾驶轮船等，通过所述tof摄像模组为所述无人驾驶设备提供三维视觉基础，以为无人驾驶提供技术上的保障。
[0072]
如图7所示，在本实施例中，该电子设备10例如为tof(time of flight)摄像模组，该tof(time of flight)摄像模组可被组装于一医学设备，例如内窥镜，肠镜等，以使得所述医学设备能够对人体器官进行三维观测，以获取人体器官更为全面的信息。
[0073]
综上所述，本实用新型提出一种激光设备和电子设备，本实用新型将激光器设置在基板上，然后在激光器上方设置光学元件，光学元件靠近激光器的一面上设置微透镜阵列，光学元件远离激光器的一面为平面，然后在该平面上设置平凸透镜，因此当激光器发射的激光光束照射在光学元件上时，该光学元件可以起到匀光的作用，然后激光光束通过平凸透镜之后照射在目标物体上，由于平凸透镜可以调整激光光束的能量分布，因此当激光光束照射在目标物体上，可以形成中心照度小于边缘照度的折射光束(折射光斑)，该折射光束还可以具有更大的边坡(sideslope)，折射光束经过物体反射之后，形成照度均匀的反射光束，也就是获得能量均匀的反射光束，因此当接收设备接收该反射光束之后，可以使得视场角度之外的能量损失更小，从而可以提高测距效果。
[0074]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
[0075]
除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本实用新型的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。