[发明专利]VCSEL窄发散度接近度传感器

说明书

本发明公开一种接近度传感器，所述接近度传感器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。可达成在0.5度到10度的范围内的窄发散光束以在小占据面积组件中提供高接近度感测准确度。一种减小光束发散度的方法是使用外部第三镜增加VCSEL谐振腔的长度。第二实施方式通过修改DBR镜和增益区域来延长VCSEL腔的长度。光学微透镜可与所述VCSEL耦合以准直输出光束并且减小所述光束发散度。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所述VCEL集成在一起。这些光束发散度减小方法并入到各种实施方式配置中以产生适用于移动电话和平板计算机的微型接近度传感器。

相关申请的交叉引用

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。

技术领域

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(Vertical Cavity Surface Emitting Laser；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。

发明内容

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。