[发明专利]对眼睛安全的光学模块

说明书

本公开涉及一种用于确保结合VCSEL和VCSEL阵列的高功率光学模块保持对眼睛安全的封装方法。本公开的VCSEL装置或VCSEL封装体通常可以被配置成证明光学装置是对眼睛安全的，使得所述装置能够经受住单个故障模式。在其它实施例中，多透镜阵列被布置在VCSEL上方，其将光散射成大范围的角度，使得更高百分比的光将到达位于VCSEL旁边的光电检测器。在根据本公开的其它实施例中，提供了一种或多种方法和电路来检测和校正由一种或多种不安全条件引起的错误或故障。

相关申请的交叉引用

本公开要求于2018年3月20日提交的标题为“对眼睛安全的光学模块(Eye SafeOptical Modules)”美国临时申请第62/647,406号的优先权，所述美国临时申请的内容特此通过引用以其全文并入本文。

技术领域

本公开涉及如LED、RCLED(共振腔LED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和VCSEL阵列等光学装置及其封装。特别地，本公开涉及一种用于确保结合这些装置的高功率光学模块保持对眼睛安全的封装方法。

背景技术

本文提供的背景描述是为了总体上呈现本公开的上下文。当前提及的发明人在本背景技术部分描述的范围内的工作以及在提交时可能未取得现有技术资格的描述的各方面既不明确地也不暗示地承认是相对于本公开的现有技术。

VCSEL和VCSEL阵列是在各种市场(包含但不限于消费性、工业、汽车和医疗产业)中应用的重要技术。示例应用包含但不限于安全相机的照明、传感器的照明，如三维(3D)相机或者手势识别系统、医学成像系统、光疗系统或医学感测系统，如需要深度穿透组织的那些系统。在这种光学感测和照明应用以及其它应用中，VCSEL和VCSEL阵列提供了多种好处，如将在本文中进一步详细描述的，包含但不限于功率效率、窄光谱宽度、窄光束发散和显著的封装灵活性。

实际上，对于VCSEL和VCSEL阵列，在660-1000nm范围内的波长下，可以实现大于30％的功率转换效率(PCE)。PCE可以定义为从如VCSEL或VCSEL阵列等一个或多个激光器发射的光学功率除以驱动所述一个或多个激光器的电功率之比。尽管仅VCSEL PCE与当前可用的某些最高效发光二极管(LED)相当，但考虑到光谱宽度和光束发散度，VCSEL相对于LED而言具有明显的效率优势。

例如，VCSEL阵列的光谱宽度通常为约1nm。这允许将过滤器用于光电检测器或相机，以减少与本底辐射相关联的噪声。作为对比，LED通常具有20-50nm的光谱线宽，从而导致大部分光被这种过滤器隔绝并且因此降低了LED的有效PCE。另外，VCSEL的波长对温度不太敏感，从而在温度每增加1摄氏度时仅增加约0.06nm。波长随温度的变化的VCSEL速率比LED中小四倍。

另外，VCSEL的角光束发散度通常为10-30度半高全宽(FWHM)，而LED的输出光束为朗伯型(Lambertian)，从而充满整个半球。这意味着通常可以使用各种光学元件来收集VCSEL的全部光(即便不是全部)，各种光学元件例如用于准直或聚焦的光束轮廓的透镜、用于宽光束(40-90度或更高)轮廓的漫射器或用于生成光点或直线图案的衍射光学元件。由于LED的光束角较宽，因此可能难以收集所有或几乎所有光(从而导致有效PCE进一步降低)，并且也难以像VCSEL那样可能精确地引导光。

VCSEL的垂直发射性还使其具有比常规激光器更高的封装灵活性并且提供了使用LED或半导体集成电路(IC)可用的广泛范围的封装体。除了将多个VCSEL集成在同一芯片上之外，还可以用光电检测器或光学元件来封装VCSEL或VCSEL阵列。塑料或陶瓷表面安装封装选项或板上芯片选项同样可用于VCSEL。