[发明专利]显示器的VCSEL的新型图案化、感测和成像

说明书

本公开涉及新型且有利的VCSEL和VCSEL阵列。具体地说，本公开涉及具有或图案化成独特形状的新型且有利的VCSEL和VCSEL阵列，所述独特形状包含矩形形状、线性形状、具有两个或更多个分段的形状以及其它非圆形形状。另外，本公开的VCSEL和VCSEL阵列可以与光学元件组合。在一些实施例中，光学元件可以单片集成在VCSEL管芯上，或者可以单片集成在布置在所述VCSEL管芯上的支架基座上。

相关申请的交叉引用

本公开要求于2017年4月5日提交的题为Novel Patterning of VCSELs forDisplays,Sensing,and Imaging(显示器的VCSEL的新型图案化、感测和成像)的临时申请第62/481,980号的优先权，所述临时申请通过全文引用的方式结合在此。

技术领域

本公开涉及垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和VCSEL阵列。具体地说，本公开涉及用独特形状图案化的VCSEL管芯。

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。实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探测器或相机，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。

同样，例如，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。除了将多个VCSEL集成在同一芯片上之外，如下文将进一步详细描述的，还可以用光电探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或板上芯片选项同样可用于VCSEL。