一种小型化TOF电路模块及TOF模组的制作方法

本发明属于tof技术领域，尤其涉及一种小型化tof电路模块及tof模组。

背景技术：

随着光学测量以及计算机视觉的发展，光学三维测量技术逐渐成熟，已逐渐出现在手机等消费类电子行业，安防和监控，机器人，医疗和生物等领域中，也成为当前测量领域中的热点，而这些应用过程都离不开3d摄像模组。

tof（time-of-flight，飞行时间）技术是众多三维光学测量技术中较为突出的一种。tof技术的基本原理是，主动光源发射的光线经被测物体反射后被tof设备捕获，而后tof设备根据光线由发出至捕获的时间差或相位差来计算被测物体的距离，以产生深度信息。此外再结合传统的相机拍摄，就可以将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的图形方式呈现出来。

tof深度相机是近些年发展起来的基于tof技术的应用设备，其不仅能向传统的2d相机那样获得光线强度信息，还能实时获得感光器件上每个像素点到目标物体对应的距离。可是，随着智能设备的飞速发展，tof深度相机在3d摄像等方面无法跟上智能设备的发展脚步，无法满足智能设备的需求。

现有的tof深度相机的集成度低、功能单一，是存在的一个明显问题。以深度相机在识别检测中的应用为例，在检测识别过程中，tof深度相加需要与扫描仪、信息处理设备等相配合，测量过程与成像相互分离，处理流程复杂，相应的硬件设备较多、完全不适于应用于现有的智能设备，尤其不能满足现有技术中智能设备的轻薄化发展，如手机、平板电脑等，不能满足用于安防监控、机器人、医疗生物领域需要配置体积较小的3d摄像模组。

实用新型专利cn206532072u公开了一种光学投影装置及其深度相机，其具体公开了光学投影装置包括光源，光源包括半导体衬底以及设置在所述半导体衬底上的光源阵列，用于发射光束；电路板，安装在所述半导体衬底上并开有通孔，所述通孔使得所述光束通过；光束生成器，安装在所述电路板上并用于接收所述光束后向外投射出图案光束。该实用新型专利通过将光源中的半导体衬底作为支撑底座来减小装置的厚度，进而满足智能设备体积小的需求。但仅仅是减少底座的厚度来达成光学投影装置厚度缩小的目的，对内部信号处理的稳定性及可靠性未有改进。

发明专利申请cn106817794a公开了一种tof电路模块及其应用。该申请通过将主动光源的驱动与控制电路与tof电路相融合来解决额外采用驱动电路的问题。该申请通过改善电路结构的方式，主要对设备兼容性进行优化，并未对tof电路模块基于体积小型化而进行电路可靠性的优化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电气性能可靠性高、尺寸小型化的tof电路模块及tof模组。。

根据上述目的，本发明提供一种小型化tof电路模块，包括：

光源单元，用于提供主动光源给目标物；

感光单元，用于接收目标物的反射信号，以获得目标物距离所述电路模块的距离信息；

其中，所述光源单元中的tof光源裸封装于所述电路模块上。

作为本发明优选，所述tof光源以晶圆方式封装于所述电路模块上。

作为本发明优选，所述tof光源外设有用于提供不同发射角度的主动光源所需的光学元件。

作为本发明优选，所述光学元件为光学玻璃。

作为本发明优选，所述tof光源为vcsel。

作为本发明优选，所述光源单元包括光源驱动电路，所述光源驱动电路用于驱动所述tof光源工作。

作为本发明优选，所述光源驱动电路包括缓冲器、开关器件或具有开关器件的开关电路；所述感光单元连接所述缓冲器，所述缓冲器连接所述开关器件或所述开关电路。

作为本发明优选，所述开关器件为mosfet晶体管。

作为本发明优选，所述缓冲器、所述开关器件或具有开关器件的开关电路，邻近所述tof光源设置。

作为本发明优选，所述光源单元包括温度检测电路，所述温度检测电路用于检测tof光源温度。

作为本发明优选，所述温度检测电路连接于所述感光单元。

作为本发明优选，所述温度检测电路包括热敏电阻。

作为本发明优选，所述热敏电阻邻近所述tof光源设置。

作为本发明优选，所述光源单元包括保护电路，所述保护电路提供所述tof光源预定的限制功率。

作为本发明优选，所述保护电路包括采样电路、比较电路、电流检测开关电路；所述采样电路经所述比较电路连接所述电流检测开关电路。

作为本发明优选，所述采样电路包括电流检测放大器。

作为本发明优选，所述比较电路包括比较器。

作为本发明优选，所述电流检测开关电路包括限流负载开关。

作为本发明优选，所述光源单元还包括供电电路，所述供电电路为所述感光单元中的感光芯片供电。

作为本发明优选，所述供电电路包括稳压器，所述稳压器连接外部电源。

作为本发明优选，所述感光单元包括感光芯片。

作为本发明优选，所述感光芯片为cmos感光芯片。

作为本发明优选，所述感光单元还包括与所述感光芯片连接的热敏电阻。

作为本发明优选，所述感光单元还包括滤波电路，所述滤波电路连接于所述感光芯片的电源端。

作为本发明优选，所述电路模块还包括稳压单元，用于与外部电源连接以为所述光源单元、所述感光单元分别提供可靠电源。

作为本发明优选，所述稳压单元包括ldo稳压器。

作为本发明优选，所述电路模块还包括存储单元，用于保存所述tof光源的标定数据。

作为本发明优选，所述存储单元包括存储器。

作为本发明优选，所述存储器为eeprom存储芯片。

作为本发明优选，所述存储单元连接于所述感光单元。

作为本发明优选，所述电路模块还包括接口单元，所述接口单元用于输出信息。

作为本发明优选，所述光源单元和所述感光单元设置于至少一电路板上。

作为本发明优选，所述光源单元和所述感光单元设置于堆叠排布的电路板上，且至少由两块电路板构成堆叠排布结构。

作为本发明优选，堆叠排布的电路板为2层堆叠排布或3层堆叠排布的电路板。

作为本发明优选，所述光源单元内的驱动电路和/或温度检测电路设于堆叠排布的电路板靠近tof光源的位置。

作为本发明优选，堆叠排布的电路板中相邻层电路板之间通过连体堆叠方式或分体堆叠方式堆叠。本发明还提供一种小型化tof模组，包括镜头组件，以及如上所述的tof电路模块；所述镜头组件将光线投射至所述tof电路模块，以通过所述tof电路模块获得距离信息。

本发明具有以下有益效果:

本发明一种小型化tof电路模块以及tof模组，封装尺寸小，确保电气性能可靠性的前提下，节省电气元器件数量并简化布线，进一步使模块或模组尺寸小型化。

附图说明

图1为本发明小型化tof电路模块内光源单元的结构图；

图2为本发明小型化tof电路模块内光源驱动电路的电路图；

图3为本发明小型化tof电路模块内感光子单元及其外围电路的电路图；

图4为本发明小型化tof电路模块内稳压单元的电路图；

图5为本发明小型化tof电路模块内眼球保护电路的电路图；

图6为本发明小型化tof电路模块内存储电路的电路图；

图7为本发明小型化tof模组的结构示意图；

图8为图7中tof模组去除封装壳后的内部结构示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变型方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

tof是目前3d深度相机采用的主要技术方案之一，具有延迟小、成本低的优势。tof技术具有丰富的应用场景，在汽车、工业、人脸识别、健康、游戏、娱乐、电影特效、3d打印机和机器人等诸多领域都有应用。在一些具体的领域内，如手机等消费类电子行业，通过tof模组迅速获得深度信息，结合相应app进行动作姿势探测、表情识别、娱乐互动；又如安防监控的机器视觉，敏感地区的检测对象监视应用；又如机器人在自动驾驶领域避障；又如医疗和生物方面的面部3d识别等方面，3d探测的图像分辨率、精度、探测距离都有较高要求，且对应用尺寸的小型化要求相对较高。

目前，vcsel（verticalcavitysurfaceemittinglaser，垂直腔表面发射激光器）因具有较小的远场发散角，发射光束窄且圆，耦合效率高，可实现高封装密度和低阈值电流；有源区尺寸小，稳定好，寿命长等有点，作为光电子应用中的关键器件，与感光元件结合实现tof技术。

现有的tof电路模块包括两部分，一部分为用于提供主动光源给目标物的光源单元，另一部分为用于接收目标物的反射信号，以获得目标物距离电路模块的距离信息的感光单元。所述tof电路模块与镜头组件封装构成tof模组。光源单元中的tof光源采用vcsel,根据其规格进行cob封装。一般原始封装后的尺寸为4.1mm*4.1mm，原始封装的vcsel在tof模组上占据一定空间，尤其是模组长*宽所在位置空间。在未密闭封装时，裸die形式的vcsel的尺寸大约为0.557mm*0.673mm，可见die封装的vcsel的尺寸至少比原始封装vcsel尺寸小一半以上。参照附图7可见，裸封装的tof光源50，由于省掉了外部封装壳，使得模组内的器件排布更紧凑，tof模组的整体尺寸大大缩小了。为此，本发明提出了一种小型化tof电路模块，将光源单元内的tof光源裸封装于电路模块上。优选的，所述tof光源以vcsel晶圆方式封装（参照图1），可节省大量空间。裸封装的tof光源无法满足不停发射角度的要求，为此，在tof光源外通过不同doe设计出不同发射角度的vcsel，也就是在tof光源外设有用于提供不同发射角度的主动光源所需的光学元件，如光学玻璃，为此可适合不同场景开发使用需求，选配不同类型的光学元件，tof模组使用更灵活。

所述光源单元，用于提供主动光源给目标物。目标物将反射信号投射到所述感光单元，所述感光单元接收反射信号并进行处理，进而结合光信号以及反射信号分析、计算得到目标物距离电路模块的距离信息，进而获得带有深度信息的图像信息。

所述光源单元包括光源驱动电路，用于驱动光源产生调制光。图2示出了光源驱动电路的一实施方式，所述光源驱动电路包括缓冲器、开关器件。所述感光单元连接所述缓冲器，所述缓冲器连接所述开关器件。如图2，所述缓冲器为一缓冲逻辑芯片u3，所述开关器件为mosfet晶体管u4，所述缓冲逻辑芯片u3的输出端连接所述mosfet晶体管u4的栅极，所述mosfet晶体管u4的漏极与发光二极管d1的阴极连接，所述mosfet晶体管u4的源极接地。所述缓冲逻辑芯片u3的电源端经第二十五电容c25接地，所述缓冲逻辑芯片u3的输入端与所述感光单元连接且输入端经第二电阻r2接地。。为了确保vcsel工作时的峰值功率，提高探测深度信息时的环境光亮，vcsel连接电源的供电线上并联有第十九电容c19，第二十电容c20。其中，所述开关器件可替换为具有开关器件的开关电路。为提高电气性能的可靠性和准确性，所述缓冲器、所述开关器件或具有开关器件的开关电路，邻近所述tof光源设置。

所述光源单元还包括调制器，调制所述led驱动电路中led缓冲器的驱动频率，使得led被驱动产生的光纤信号频率变化，从而改变所述tof电路模组的可测量的工作距离。

所述光源单元还包括温度检测电路，所述温度检测电路用于检测tof光源温度。以为温度检测电路是采用具有温感芯片的温度检测电路来检测tof光源。温感芯片具有一定尺寸，且需要通过i2c接口读取温感芯片检测到的温度值，继而判断光源是否处于正常工作状态，若是则处理当前图像，否则不处理。这种间接测温的方式，需要用到较多的元器件，不利于电路排布优化，且信号读取处理需要中转，效率较低。为此，本发明温度检测电路包括热敏电阻。所述温度检测电路连接于所述感光单元，具体地，所述热敏电阻连接于感光单元内的感光芯片。这样直接采用热敏电阻ntc检测tof光源温度，能直接得到vcsel周边的温度，测量更准确，不仅节省了器件数量、电路板上排布空间及模组内的空间，还节省了i2c上的数据。为提高电气性能的可靠性和检测准确性，所述热敏电阻邻近所述tof光源设置。

所述光源单元还包括保护电路，所述保护电路提供所述tof光源预定的限制功率。如图5，所述保护电路包括采样电路、比较电路、电流检测开关电路。所述采样电路经所述比较电路连接所述电流检测开关电路。所述采样电路包括电流检测放大器。所述比较电路包括比较器。所述电流检测开关电路包括限流负载开关。如图5，所述电流检测放大器u5将检测到的电流放大后经比较器u6比较判断，判断vcse光源的电流值是否超过人眼可接收的电流安全阈值范围，并根据判断结果控制限流负载开关u7输出，以限制发射功率达到保护眼球的目的。所述保护电路还包括分流电路，所述分流电路包括第八电阻r8，所述第八电阻与所述电流检测放大器u5并列电连接，以进行分流采样。所述保护电路还包括平均低通电路，所述平均低通电路包括连接于所述电流检测放大器u5输出端与所述比较器u6输入端之间的第十电阻r10，以及连接于所述电流检测放大器u5接地端与所述比较器u6输入端之间的第十七电容c17。当电流检测放大器u5输出电流信息至所述平均低通电路，所述平均低通电路处理所述电流信息得到电流平均值。所述保护电路还包括错误锁存电路，所述错误锁存电路包括两串联连接于所述分流电路和所述电流检测开关电路之间的第九电阻r9、第十一电阻r11。所述分流电路输出至所述错误锁存电路，所述错误锁存电路输出所述tof光源的状态信息至所述电流检测开关电路。所述电流检测开关电路根据所述错误锁存电路和所述比较电路的信息控制tof光源工作。所述保护电路包括峰值电流限制电路，所述峰值电流限制电路包括连接于所述限流负载开关u7的第十二电阻r12，所述峰值电流限制电路可限制电路工作峰值功率。所述保护电路还在所述电流检测开关电路与所述分流电路之间设有接地电容。在上述电路配合下，为了得到预定的不同等级输出功率，所述保护电路通过调节阻容值改变限制功率。

所述光源单元还包括供电电路，所述供电电路为所述感光单元中的感光芯片供电。所述供电电路包括第一供电子电路和第二供电子电路。所述第一供电子电路包括第一稳压器，所述第一稳压器连接外部电源。具体地，所述第一稳压器为ldo稳压器u8,所述第一稳压器u8的输入端经第二十一电容c21接地，其输出端经第二十二电容c22接地。所述第二供电子电路包括第二稳压器，所述第二稳压器与外部电源连接。具体地，所述第二稳压器为ldo稳压器u9。所述第二稳压器u9的输入端经第二十三电容c23接地，其输出端经第二十四电容c24接地。ldo稳压器能调整输出电压，将波动较大和达不到电器要求的电源电压稳定在电器的设定范围内，使各种电路或电器设备能够在额定工作电压下正常工作。

如图3，所述感光单元包括感光芯片，如cd传感器或cmos传感器。所述感光芯片负责图像采集，包括光电转换、像素帧读出与转移、电荷电压转换信号放大输出等操作过程。

所述感光单元还包括滤波电路，所述滤波电路连接于所述感光芯片的电源端。通过设置ldo稳压器，优化了供电电源的可靠性，继而增加模组的可靠性。在此优化设计的电路下进一步节省了与感光芯片连接的滤波电路数量。在外部电源可靠性差的情况下，需要用到多条滤波电路，或者滤波电路需要更多并联电容来过滤杂波。例如，图3中3v3电源原先需要两条滤波电路，且一条需要由5个并联电容构成的滤波电路，另一条为由3个并联电容构成的滤波电路。而现在，在增加ldo稳压器后，可省略一条滤波电路。可见，在对供电电源优化下，不仅提高电源可靠性，同时可省略部分滤波电容，进而节省器件数量、电路板上排布空间及模组内的空间。所述tof电路模块还包括存储单元。所述存储单元包括存储器。所述存储单元连接于所述感光单元。所述存储单元用于保存所述tof光源的标定数据，如感光元件曝光时间，以便进行快门控制电平转换和嵌位电平控制，并精确控制ccd曝光时间。所述存储电路包括flash芯片及其外围电路（参照附图6）。以往存储电路采用eeprom芯片及其外围电路，而eeprom芯片是i2c接口的，该eeprom芯片本身尺寸相当大，且数据烧录的时间和数据可靠性不及flash芯片。为此，将eeprom芯片改为spi接口的flash芯片，减小了芯片大小，节省了布置空间，并提升了数据的烧录速率和数据可靠性。

所述tof电路模块还包括控制单元（图中未示出）。所述控制单元控制所述光源单元和所述感光单元工作。所述光源单元中的光源驱动电路通信连接于所述控制单元，通过所述控制单元协调控制光源驱动电路与设备之间的交互工作。

所述tof电路模块还包括接口单元。接口单元用于tof电路模块内部设备与各种外围设备以串行方式通信以交换信息。外围设备可以是flashram、网络控制器、mcu等。所述接口单元包括spi接口，使得tof电路模块方便地传输数据，易与外部的控制主机建立通信。所述接口单元还包括电源接口，用于连接外部电源设备。

另外，集成上述电路的pcb板在tof电路模块，乃至tof模组的空间排布上也做了进一步改进。以往，tof电路模块内的电路是集成于一层pcb上，例如一块设于tof模组底部的pcb板，或两块设于tof模组底部不同位置的pcb板。这样布置下，因tof模组所需的电路元件较多，在底部所在平面的一层上需要布置所有电路元件，如需对tof电路模块或tof模组在长*宽的范围内缩小尺寸，变得尤为困难。为此，本发明提出了电路板堆叠排布的结构，所述光源单元和所述感光单元设置于堆叠排布的电路板上，且至少由两块电路板构成堆叠排布结构。所述堆叠排布的电路板可以为2层堆叠排布或3层堆叠排布的电路板。如图8，所述光源单元和所述感光单元集成在2层堆叠排布的电路板上。基于电气性能可靠性和准确性考虑，将所述光源单元内的驱动电路和/或温度检测电路设于堆叠排布的电路板靠近tof光源的位置，即图8中的上层电路板上放置驱动电路和/或温度检测电路。

当有多层堆叠时，本文将相邻两层堆叠结构分为上层和下层，并以此在下文继续描述。一般tof模组的厚度可做到6毫米以内，甚至更薄。为此，在进行堆叠排布时，需要考虑将pcb板堆叠设置并将其封装后的高度不超过tof模组的厚度。图中可知，tof模组的左侧感光部分在tof模组厚度方向上已占据较大空间，则左侧感光部分上堆叠设计较为困难，且难以布置超过两层的pcb；为此优选在右侧光源部分上进行堆叠设计。

如图8，以两层为例，包括上层电路板10、下层电路板20、以及连接上层电路板10和下层电路板20的连接板30。堆叠排布的电路板中相邻层电路板之间通过连体堆叠方式或分体堆叠方式堆叠。连体堆叠方式，所述上层电路板板10、下层电路板板20、连接板30三者一体成型，这样以便于将tof电路模块装配于tof模组内，且便于tof模组封装。分体堆叠方式，所述上层电路板板10与连接板30一体成型，当需要堆叠排布时，可以选配的方式，将其与下层电路板板20连接。所述连接板30固定于相邻层电路板的下层电路板的方式为焊接、铆接、螺接、粘接中的任意一种。一实施方式下，所述连接板30由软硬结合板构成，包括连接于相邻电路板的下层电路板的硬板301，一端连接所述硬板301且另一端连接于相邻电路板的上层电路板的软板302。另一实施方式下，所述连接板由软板和补强板构成，包括连接于相邻电路板的下层电路板的补强板，一端连接所述补强板且另一端连接相邻电路板的上层电路板的软板。其中，所述补强板可以是钢板，在连接相邻电路板的同时还能有助于散热。所述软板302连接于相邻电路板的上层电路板10的连接处呈弧状连接。

在分层堆叠下，所述tof模组也做了适应性封装改进。对下层电路板20与上层电路板10之间空间通过下封装壳11结合连接板30封装而成；对上层电路板10以上空间通过上封装壳21封装而成。堆叠排布的电路板中的最底层电路板的封装壳体尺寸大于其他层电路板外的封装壳体尺寸，如所述下封装壳21的尺寸大于所述上封装壳22的尺寸。由于分层堆叠，封装壳体不是原先的一体封装，使得相邻壳体之间的封装存在密封、散热等问题，为此，本发明还在电路板上设置定位孔，并在封装壳上设置定位柱，将定位柱定位固定于定位孔中；并利用胶水进行封装固定；另外，在封装时增加导热硅脂等散热材料进一步辅助散热；封装后将壳体与电路板焊接固定，焊点处增加防护胶防止焊点氧化并增强封装连接强度。本发明进行分体封装后，每层电路板上的器件能够完全密封在封装壳塑件中。相较于一体封装而言，分体封装对于器件的保护及密封性能更好，受粉尘等的影响进一步减小；进一步缩小现有tof模组的尺寸需求，实现小型化；还隔绝了器件之间，如多层电路板之间器件相互传导热量的可能性。本发明采用上述堆叠方式，可以大大节省模组空间，提高空间的利用率。更进一步，不仅裸封装tof光源，且采用上述堆叠方式下，tof电路模块和tof模组的尺寸大大缩小，并且还满足了配置多样化的需求。

本发明tof模组将上述tof电路模块与光学器件相结合形成模组化的tof设备。所述tof模组包括镜头组件40和tof电路模块。所述镜头组件40安装于所述tof电路模块上方，用于将入射于tof模组的光线进行调制，使得经过目标物反射的光线射于tof模组内，从而由光线信息得到目标的图像以及深度、距离的信息。所述tof模组在实现被拍摄目标的图像摄取的同时能够得到目标的深度信息，从而实现3d摄像功能，而且所述tof模组的电路模块的高度集成以及与光学器件的结构紧凑的布置，使得tof模组得以实现模组化，适宜安装于不同尺寸以及功能需求的智能设备。

所述tof模组在摄取所述目标的3d图像的具体原理如下：所述tof电路模块的光源单元中的光源驱动电路驱动光源产生预定调制频率的光信号，并使其投射至目标物；投射至目标物的光信号经过目标物反射后得到反射信号；反射信号被tof模组接收，通过所述镜头组件进入所述tof模组内部；所述tof电路模块的感光单元接收光线而感光，将光信号转变为电子信号并对投射至目标物的入射光和反射光信号进行分析、处理，进而得到目标物的3d图像以及距离信息。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。