[发明专利]高速垂直腔表面发射激光器的表面封装

说明书

技术领域

本发明涉及可用于如3D成像和姿势识别照明器系统之类的各种应用的高速垂直腔表面发射激光器（VCSEL）和垂直腔表面发射激光器阵列照明器系统的领域。

背景技术

取决于不同的操作模式，激光照明光源具有不同的应用，例如：连续波（CW），准连续波（QCW）或脉冲模式。仅举几例，激光照明被广泛应用的领域有监控成像、高速运动的物体图像记录、姿势识别、三维（3D）成像的飞行照明时间等。目前，工作在可见光及红外光（IR）电磁波谱的激光设备都很成熟。然而，目前的设备成本相当高，特别是在消费电子、光学或便携式设备等新兴应用领域。有几个重要的发展，使激光照明光源拥有更有吸引力并且使新兴应用负担得起，其包括：大区域无干涉散斑照明，短和/或快速脉冲照明器系统，高速和/或低阻抗外围设备和连接器，如，驱动电路，高速连接器，光束成形用光学部件，以及小的体积。

光学短脉冲的具体应用包括但不仅限于，用于诸如利用诸如结构光之类的技术跟踪移动物体以及进行三维测量的许多其他传感应用的短照明脉冲序列。另一个例子是照明脉冲的编码，用于提供在编码序列照明和其它附近源的照明效果之间进行鉴别的方法。光学短脉冲也用于源和物体之间的飞行时间测量，以确定物体的深度或者距离。

对于这些类型的应用，一个基本的要求是辐射源在特定的波长（可见光，红外线，远红外线等），该特定的波长可以被迅速接通和关断以产生辐射的短脉冲或短脉冲序列。对于大场景照明，例如在监视应用中，需要高能量的辐射脉冲均匀地分布在大的照明区域。光学泵浦的Q-开关或锁模固态激光器可以产生具有高脉冲能量的光学短脉冲。然而，Q-开关或锁模激光器具有大的体积，需要用于操作的高电能并且需要复杂的制冷外围设备。

可替换地，半导体二极管激光器光源，例如，边缘发射激光器（EEL）和垂直空腔表面发射激光器（VCSEL）可以被制造以工作在不同的波长下，并且可以生成高能量的短输出脉冲，同时拥有体积小的优点。与Q-开关或锁模固态激光器相比，二极管激光器可以操作在相对较小的驱动电流下。边缘发射激光器目前用于多种应用，包括用于光通信的短脉冲产生。跟边缘发射激光器相比，垂直空腔表面发射激光器有几个明显的优势，使它更适合于光学照明器应用。

垂直表面发射激光器的一个优点是，发射的光的发散角非常小。因此，即使从源头到很远的距离，垂直表面发射激光器的发射光也具有极强的方向性。垂直表面发射激光器发射的可见光和红外光的波长可以在很窄的波长带获得，因而允许有效的光学背景噪声的滤波。垂直腔表面发射激光器也可以产生短脉冲，从而使这些源适合激光雷达类型应用，以及时域距离区分应用，如透雾观看以及动作和姿势检测等。

在一般情况下，垂直腔表面发射激光器有更快的上升和下降时间，因此，能够产生非常短的脉冲。垂直腔表面发射激光器的短脉冲的一个优点是波长啁啾小，这有助于波长滤波和高速检测。垂直腔表面发射激光器也有对称的输出辐射图案，这使得它更加适应用简单的光学方法产生或修改用于形成理想的照明图案的输出光。例如，不同的波束形状，包括但不限于，高斯光束、平坦光束或环形状图案，均可以通过适当设计垂直腔表面发射激光器的窗孔（aperture），或者通过使用外部光束成形设备，如透镜，扩散片，等等，这些均可用于单个垂直腔表面发射激光器或布置在垂直腔表面发射激光器阵列使用的阵列中。

垂直腔表面发射激光器的另一个优点是，它们中的许多可以被布置成紧密排列的一维或二维阵列。垂直腔表面发射激光器阵列，尤其是单模的垂直腔表面发射激光器阵列，通常是非常高速的设备，而且其可以操作的脉冲持续时间为纳秒或更短的量级、上升时间短于纳秒。一起运行时，垂直腔表面发射激光器阵列可以产生高能量脉冲。非常紧凑的高功率垂直腔表面发射激光器阵列有利于最大限度地减小电导体的长度和降低电感。因此，它更适合应用快速上升时间的高驱动电流脉冲，从而有利于从垂直腔表面发射激光器阵列产生高能量的光学短脉冲。它们可以在高达约100摄氏度的封闭的环境中操作。可以使用简单的光学方法，如提供合适的窗孔，从整个阵列成形单个光束或集体发射以产生所期望的照明图案。有众多个量发射器的垂直腔表面发射激光器阵列不表现出散斑效应，该效应普遍存在于边缘发射激光器或其他类型的激光器的输出中。消除散斑极大地增加了被照射的图像的分辨率。