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使用微透镜阵列产生照明光束的制作方法

文档序号:24942074发布日期:2021-05-04 11:35
使用微透镜阵列产生照明光束的制作方法



背景技术:

微透镜阵列是可以与例如基于半导体的光发射器的光发射器结合使用以形成紧凑的成像设备的小透镜阵列。



技术实现要素:

一方面,一种设备包括用于发射照明光束的照明设备。照明设备包括:包括多个光发射器的发射器阵列;以及包括多个微透镜的微透镜阵列(micro-lensarray,mla)。mla被定位为接收从发射器阵列发射的光。来自mla的光形成照明光束。mla的第一区域相对于发射器阵列偏移第一偏移量,mla的第二区域相对于发射器阵列偏移不同于第一偏移量的第二偏移量。

实施例可以包括以下一个或多个特征。

光发射器包括一些垂直腔面发射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser,vcsel)。

该设备包括基板。发射器阵列在基板的发射层中形成。该设备包括放置在基板上的光学层。mla形成在光学层中。

光学层放置在基板的发射层上。

光学层包括外延半导体。

光学层包括聚合物膜。

发射层在基板的第一表面上。光学层放置在基板的与第一表面相对的第二表面上。

基板对于从发射器阵列发射的光至少是部分透明的。

光学层具有至少1.5的折射率。

每个光发射器发射单个光束。照明光束的发散度大于从光发射器发射的每个单个光束的发散度。

照明光束的发散度在大约20°和大约180°之间,例如在大约60°和大约70°之间。

照明光束在第一方向上的发散度不同于照明光束在第二方向上的发散度。例如,照明光束在第一方向上的发散度在大约50°和大约60°之间,照明光束在第二方向上的发散度在大约60°和大约70°之间。

每个微透镜至少部分地与光发射器(例如多个相应的光发射器)中的相应的一个重叠。

至少一个微透镜被配置为将从相应的光发射器接收的光偏转。

mla的每个区域被定位成接收来自光发射器的相应子集的光并输出相应的子光束。从mla的第一区域输出的第一子光束与从mla的第二区域输出的第二子光束具有不同的偏转角。

定位mla的第一和第二区域使得第一子光束与第二子光束在第一和第二子光束的半峰全宽(fullwidthathalfmaximum,fwhm)点处重叠。

照明设备包括移动计算设备的照明设备。

照明设备包括lidar设备。

该设备包括车辆,并且照明设备包括用于车辆的lidar设备。

lidar设备包括三维映射系统的组件。

一方面,一种制造照明设备的方法包括在基板的发射层中形成发射器阵列。发射器阵列包括多个光发射器。该方法包括在基板上形成光学层,包括在光学层中形成包括多个微透镜的mla。形成mla包括形成mla以使得mla的第一区域相对于发射器阵列偏移第一偏移量,并且mla的第二区域相对于发射器阵列偏移不同于第一偏移量的第二偏移量。

实施例可以包括以下一个或多个特征。

在基板上形成光学层包括在基板上沉积光学层;以及在沉积的光学层中形成mla。

在基板上沉积光学层包括在基板上沉积聚合物膜。

在基板上沉积聚合物膜包括沉积折射率至少为1.5的聚合物膜。

在基板上形成光学层包括在基板上使光学层外延生长;以及在外延生长的光学层中形成mla。

在基板上形成光学层包括在基板的发射层上形成光学层。

发射层在基板的第一表面上。在基板上形成光学层包括在基板的与第一表面相对的第二表面上形成光学层。

形成mla包括形成mla以使得每个微透镜至少部分地与相应的一个光发射器重叠。

形成发射器阵列和mla包括使用半导体制造工艺形成发射器阵列和mla。

一方面,一种用于产生照明光束的方法包括从发射器阵列中的多个光发射器中的每一个发射光。该方法包括在包括多个微透镜的mla的第一区域接收来自光发射器的第一子集的光以及输出具有第一偏转角的第一子光束。该方法包括在mla的第二区域接收来自光发射器的第二子集的光以及输出具有不同于第一偏转角的第二偏转角的第二子光束。该方法包括组合第一子光束和第二子光束以产生照明光束。

实施例可以包括以下一个或多个特征。

每个光发射器发射单个光束。照明光束的发散度大于从光发射器发射的每个单个光束的发散度。

照明光束的发散度在大约20°和大约180°之间。

照明光束在第一方向上的发散度不同于照明光束在第二方向上的发散度。

照明光束包括移动计算设备的照明光束。

照明光束包括lidar设备的照明光束。

一方面,一种3-d成像系统包括根据权利要求1至30中任一项所述的照明设备,照明设备被配置为以光的图案照射对象。3-d成像系统包括被配置为接收来自被照射对象的反射光的传感器;以及一个或多个计算设备,其被配置为基于反射光来确定对象的3-d形状。

实施例可以包括以下一个或多个特征。

传感器包括相机。

一个或多个计算设备被配置为基于反射光来确定区域的3-d映射。

一个或多个计算设备被配置为基于所确定的对象的3-d形状来实行面部识别过程。

这里描述的照明设备可以具有以下一个或多个优点。可以在紧凑的照明设备中,例如与薄的封装(例如,厚度小于0.5毫米的封装)兼容的照明设备中产生发散的、基本均匀的照明光束。例如可以使用半导体和薄膜处理技术以单组制造工艺来制造照明设备,从而能够简单且低价地制造照明设备。

附图说明

图1a和1b是照明设备的示意图。

图2是光束的轮廓图和顶视图。

图3a和3b是光束的示意图。

图4是各种偏移下光束强度对偏转角的曲线图。

图5和图6是流程图。

图7是照明设备的示意图。

图8是流程图。

图9是车辆的示意图。

图10a和10b是移动计算设备的示意图。

具体实施方式

大家在此描述了紧凑的照明设备,其用于产生具有宽发散度和基本均匀的强度以及在其宽度上具有低功率变化的照明光束。照明设备包括光发射器(例如垂直腔面发射激光器(vcsel))阵列,以及接收和偏转光发射器发射的光的微透镜阵列。微透镜阵列的区域相对于光发射器阵列具有不同的偏移,导致产生具有不同偏转角的多个子光束。多个子光束组合形成发散照明光束。

参考图1a,用于产生发散照明光束115的照明设备100包括发射层104,发射层104包括基于半导体的光发射器106,例如半导体激光器(诸如vcsel或侧面发射半导体激光器);或二极管,例如激光二极管或发光二极管(lightemittingdiode,led)。每个光发射器106发射光105,例如光束(诸如可见光、红外光或紫外光)。发射层104可以形成在例如半导体晶片的一部分的基板108上,半导体晶片是诸如硅晶片、砷化镓(gaas)晶片、砷化铝镓(algaas)、磷化铟(inp)或其他类型的晶片。

包括透镜112或其他光学元件的光学层110放置在发射层104上。例如,光学层110可以是沉积或生长(例如外延生长)在发射层104上的薄膜(如图1所示),或者可以是其中形成透镜112的基板108的一部分。光学层的薄膜性质使得照明设备100紧凑。光学层110由对光发射器106发射的光105至少部分透明的材料形成。例如,光学层110可以是透明聚合物,例如苯并环丁烯(bcb,也称为环戊烷)(陶氏化学)或hd8910(杜邦);或者透明半导体,例如gaas。

透镜112被定位成接收和偏转由光发射器106发射的光105的至少一些,以形成来自照明设备100的单个照明光束115。照明光束115可以是发散度大于光发射器106发射的光105的发散度的广角照明光束。例如,由光发射器106发射的光105在半峰全宽(fullwidthathalfmaximum,fwhm)处的发散度可以是大约10-20度,并且照明光束115在fwhm处的发散度可以是大约20-180度,例如大约50-90度,例如大约60-70度。在一些示例中,照明光束115的发散度可以随着方向而变化。例如,照明光束115在第一方向上的发散度可以是大约50-60度,例如,大约55度,并且照明光束115在第二方向(例如,垂直于第一方向)上的发散度可以是大约60-70度,例如,大约65度。

通过布置透镜112以使得透镜112相对于光发射器106的定位在整个照明设备100上变化,可以实现照明光束115的较大发散度。如下文进一步讨论的,透镜112和光发射器106之间的不同相对定位导致多个子光束122的产生,每个子光束具有不同的偏转角。多个子光束组合成单个照明光束115,照明光束115的宽的发散度由组成的子光束的不同偏转角实现。

在一些示例中,光发射器106布置成阵列114,例如一维阵列或二维阵列,诸如正方形阵列、矩形阵列、六边形阵列或其他几何形状的阵列。透镜112布置成阵列116,有时被称为微透镜阵列(mla)116。mla116可以是一维阵列(如图1所示)或二维阵列,诸如正方形阵列、矩形阵列、六边形阵列或其他几何形状的阵列。在图1a的示例中,光发射器106的阵列114是间距为ple的一维阵列,而mla116是间距为pmla的一维阵列(见图1b)。mla116的间距pmla和光发射器阵列114的间距ple可以等于或大于mla116中透镜112的直径。

图1b是图1的照明设备100的注释图。mla116具有多个区域118a、118b、118c(统称为区域118),每个区域118a、118b、118c中的透镜112被定位成接收来自光发射器106的相应子集120a、120b、120c的光。每个区域118a、118b、118c从光发射器106的相应的子集120a、120b、120c偏移了偏移量da、db、dc。mla116的区域118和光发射器的相应子集120之间的偏移量是透镜中心和相应光发射器中心之间的横向距离。至少一个区域118的偏移量不同于其他区域的偏移量。在一些示例中,所有的偏移量da、db、dc都是不同的。在一些示例中,偏移量中的至少一个为零,这意味着在mla116的一个区域(这里是区域118b)和光发射器106的相应子集120b之间没有偏移。有时将其中至少一个区域118相对于光发射器106的相应子集120偏移的mla116称为相对于光发射器阵列偏移的mla。mla116和光发射器阵列114之间的偏移可以使得mla116中的每个透镜112至少部分地与对应的光发射器106重叠(如图1b所示),或者至少部分地与多个对应的光发射器106重叠。

mla116中的透镜112将由光发射器106发射的光105偏转,以形成照明光束115。每个子光束的偏转角θ至少取决于mla116和光发射器106的阵列114之间的偏移。当mla116的不同区域118具有不同的偏移时,每个区域118a、118b、118c不同地将由光发射器106的相应子集120a、120b、120c发射的光105偏转,形成子光束122a、122b、122c(统称为子光束122),每个子光束以不同的偏转角θa、θb、θc定向。与由光发射器发射的组成光束105相比,每个子光束122在子光束的宽度上具有更均匀的强度和更小的功率变化。

子光束122组合形成照明光束115。子光束122的不同偏转角产生了宽发散的照明光束115,照明光束115具有基本均匀的强度,并且其宽度上的功率变化很小。照明光束115也可以在光束边缘具有相对陡峭的翻转。

子光束122被定向的偏转角θ取决于mla116的区域118和光发射器106的相应子集120之间的偏移。偏转角也取决于光学层110的折射率。更高的折射率能够实现更大的偏转角。在一些示例中,光学层110可以具有至少为1的折射率,例如在大约1和大约1.8之间,例如在大约1.5和大约1.8之间。

在一些示例中,每个子光束122例如通过寻址光发射器106的相应子集120而是可单独控制的,从而能够控制所得照明光束的配置。

在具体的示例中,光发射器106是直径为7.5微米的vcsel,并以28微米的间距布置成阵列114(例如,相邻vcsel的中心到中心的距离为28微米)。mla116中的透镜112具有25微米的直径和8微米的高度。mla116中的每个透镜112相对于其对应的vcsel偏移8.5微米。通常,透镜112和相应的光发射器之间的偏移可以小于约10微米,例如,约5-10微米。较大的偏移会增加子光束的偏转角。

还参考图2,在示例中,由照明设备100的单个光发射器106发射的光束105具有顶帽方形光束轮廓200,也从顶视图202示出。mla116的单个区域118将来自其相应的光发射器106的子集120的光偏转,以形成子光束122,子光束122具有轮廓204(也从顶视图206示出),该轮廓204具有基本均匀的强度并且在光束宽度上功率变化很小。子光束122a的偏转角至少取决于mla116的区域118和光发射器106的相应子集120之间的偏移量d。

照明光束115由多个子光束122a、122b、122c的组合形成,每个子光束以不同的偏转角定向。例如,子光束122可以偏转,使得相邻的子光束122在其fwhm点212处重叠,形成照明光束115。照明光束115在轮廓208中示出,并从顶视图210示出。从多个不同偏转的子光束122形成照明光束115使得照明光束115成为发散光束,例如在fwhm具有大约20-180度的发散度,例如大约50-90度,例如大约60-70度。照明光束可以具有基本均匀的强度,在光束宽度上几乎没有功率变化,并且在光束边缘可以具有相对陡峭的翻转。

参照图3a和3b,在示例中,照明设备300具有从光发射器的二维阵列偏移的二维mla。二维mla的单个区域将来自其对应的光发射器子集的光偏转,以形成子光束322a。子光束322a是相对发散的光束,具有基本均匀的强度,并且在子光束的宽度上功率变化很小。

二维mla的多个区域各自以不同的偏转角将光偏转,形成多个子光束322a-322f(统称为子光束322)。子光束322组合形成照明光束315,该照明光束315是具有基本均匀的强度并且在光束宽度上功率变化很小的发散光束,并且在光束的边缘324处具有相对陡峭的翻转。

在图3b的示例中,照明光束315以3×2的矩形布置形成六个子光束322。为了形成这样的照明光束315,二维mla的区域相对于它们相应的光发射器子集偏移,使得相邻的子光束在其fwhm点处重叠。具体而言,子光束322在y方向偏移角度-θ/2或+θ/2,在x方向偏移角度-θ、0或+θ,其中θ是每个子光束322的发散度。

参考图4,在具体的示例中,从耦合到mla的vcsel阵列发射的照明光束的强度是相对于vcsel阵列和mla之间的各种偏移的光束的弯曲角(例如,偏转角)示出的。从图4中可以看出,随着vcsel阵列和mla之间的偏移增加,照明光束的峰值强度移动到更大的弯曲角,其表示由偏移引起的光束偏转。

图5是制造诸如图1的照明设备100的照明设备的过程的流程图,其中光学层是沉积在发射层表面上的薄膜。

将诸如vcsel、侧面发射半导体激光器、激光二极管或其他类型的光发射器的光发射器形成在基板的发射层中,所述基板例如是半导体基板,诸如gaas晶片(500)。例如,发射层可以是基板的顶层,并且光发射器可以通过使用半导体制造技术处理基板来形成,半导体制造技术包括薄膜沉积、光刻、氧化物生长和蚀刻工艺。在一些示例中,发射层的至少一部分可以外延生长在基板的表面上。

通过在发射层的表面上沉积透明材料的薄膜形成照明设备的光学层(502)。透明材料是对在光发射器被配置为以其发射光的光的波长透明的材料。在一些示例中,薄膜可以是通过聚合物薄膜沉积技术,例如通过旋涂、辊涂、等离子体或气相沉积或其他聚合物薄膜沉积技术沉积的聚合物膜。聚合物膜可以在沉积之后固化(cure)。在一些示例中,薄膜可以是通过薄膜沉积技术(例如等离子体或气相沉积)沉积的氧化物膜,例如氧化硅膜。在一些示例中,薄膜可以在沉积之后被处理以产生平坦的表面。薄膜可以具有小于20微米的厚度,例如小于10微米,例如在大约3微米和大约8微米之间。

使用薄膜图案化技术在光学层中形成透镜(504)。例如,当薄膜是聚合物薄膜时,光致抗蚀剂层可以沉积在以正方形或矩形图案曝光的聚合物薄膜上,正方形或矩形的区域相对于下面的发射层中的光发射器偏移希望的量。曝光的光致抗蚀剂可以被加热以将台面熔化成圆顶形状,并且聚合物膜可以通过光致抗蚀剂(例如通过反应离子蚀刻)被蚀刻,以形成圆顶形状的透镜。当薄膜是氧化膜时,透镜可以通过类似的光刻和蚀刻工艺形成。

图6是用于制造诸如图1的照明设备100的照明设备的过程的流程图,其中光学层是外延生长层,例如外延生长在发射层上的诸如gaas、algaas或其他半导体的半导体的层。

使用半导体制造技术,将诸如vcsel、侧面发射半导体激光器、激光二极管或其他类型的光发射器的光发射器形成在基板的发射层中,基板例如是半导体基板,诸如gaas晶片(600)。

通过在发射层的表面上外延生长透明材料形成照明设备的光学层(602)。透明材料是对光发射器被配置为以其发射光的光的波长透明的材料。例如,透明材料可以是gaas或algaas的外延层。外延层可以具有小于约25微米的厚度,例如小于约20微米,例如在约10微米和约20微米之间。

使用半导体制造工艺在外延光学层中形成透镜(604),半导体制造工艺包括如上所述的用于聚合物或氧化物层的光刻和蚀刻。例如,透镜可以定位在相对于下面发射层的光发射器的希望的偏移处。

具有外延生长的光学层的照明设备可以抵抗湿气或化学损害,从而提高照明设备的可靠性。在一些示例中,外延生长层可以由具有相对高折射率的材料形成;在外延生长的光学层中形成的mla可以实现大的偏转角,从而产生具有宽发散度的照明光束。

参考图7,在示例性的照明设备700中,光发射器阵列714形成在基板708的正面730上的发射层704中。光学层710包括mla716。mla716形成在基板708的背面732上,并且如关于图1的照明设备所述,相对于光发射器阵列714偏移。

在照明设备700中,基板708本身形成光学层710的一部分。基板708由对从光发射器发射的光705透明的材料形成。例如,对于发射至少约950纳米波长的光的光发射器,基板708可以是gaas。光发射器发射的光705通过基板708传输到mla716,并且由多个子光束722组成的照明光束715从基板708的背面732射出,每个子光束722具有不同的偏转角。

诸如照明设备700的照明设备(其中光发射器和mla形成在基板的相对面上)可以抵抗湿气或化学损害,从而提高照明设备的可靠性。在一些示例中,半导体基板可以具有相对高的折射率;在这种基板的背面上形成的mla可以实现大的偏转角,从而产生具有宽发散度的照明光束。

图8是用于制造诸如图7的照明设备700的照明设备的过程的流程图,其中光发射器和mla形成在基板的相对面上。

使用半导体制造技术,将诸如vcsel、侧面发射半导体激光器、激光二极管或其他类型的光发射器的光发射器形成在基板的前表面上,基板例如是半导体基板,诸如gaas晶片(800)。

在基板的后表面上形成透镜(802)。在一些示例中,透镜可以通过沉积和图案化聚合物薄膜或氧化物薄膜来形成。在一些示例中,透镜可以在基板后表面上的外延生长的薄膜中形成。在一些示例中,透镜可以直接形成在基板的后表面上,而不需要生长或沉积附加层。透镜可以定位在相对于下面发射层的光发射器的希望的偏移处。

参考图9,在一些示例中,诸如上述的照明设备900可以安装在车辆902上,例如部分自动或完全自动的车辆上。车辆可以是陆基车辆(如图所示),例如汽车或卡车;飞行器,例如无人驾驶飞行器;或水基交通工具,例如船或潜艇。照明设备900可以是泛光照明器。在部分或完全自动的车辆902的背景下,照明设备900可以形成例如lidar(光检测和测距)系统的远程成像系统904的一部分,其包括成像组件,例如传感器906,诸如相机、镜子或扫描仪。包括照明设备900的成像系统904可以用于例如车辆902的环境的三维(3-d)映射。例如,照明设备900可用于照射对象908,例如车辆902行驶的道路中或附近的对象,并且传感器906可用于捕获被照射对象908所反射的光。可以将基于反射光的信号(例如,由诸如光电二极管的光电探测器产生的信号)提供给计算设备910,例如,包括一个或多个处理器的计算设备910,其基于反射光确定对象的3-d形状。通过确定各种对象的3-d形状,可以确定车辆环境的映射,并将其用于控制车辆902的部分或完全自动的运行。

参考图10a,在一些示例中,诸如上面描述的照明设备150可以安装或结合到移动计算设备152(例如移动电话、平板电脑或可穿戴计算设备)的正面上。移动设备152的正面是包括屏幕156的设备的面。照明设备150可以是泛光照明器。照明设备150可以结合到正面成像系统158中,正面成像系统158包括成像组件,例如传感器160,诸如相机、镜子或扫描仪。包括照明设备150的正面成像系统158可以用于3-d成像应用,例如面部识别。例如,结构光照明设备150可以用于照射人的面部162,并且传感器160可以用于捕获由面部162反射的光。可以将基于反射光的信号(例如,由诸如光电二极管的光电探测器产生的信号)提供给例如移动设备152中的一个或多个处理器164,或例如基于云的处理器的远程处理器。一个或多个处理器164可以基于面部162反射的光来实行面部识别处理。

参考图10b,在一些示例中,诸如上述的照明设备250可以安装在移动计算设备252的背面。背面是设备的与正面相对的面,例如不包括屏幕的面。照明设备250可以是泛光照明器。照明设备250可以结合到背面成像系统258中,背面成像系统258包括成像组件,例如传感器260,诸如相机、镜子或扫描仪。包括照明设备250的背面成像系统258可以用于例如3-d成像应用,例如对象识别或环境映射,诸如房间映射。例如,照明设备250可以用于照射房间或其他环境中的对象262,并且传感器260可以用于捕获由对象262反射的光。可以将基于反射光的信号(例如由诸如光电二极管的光电探测器产生的信号)提供给例如移动设备252中的一个或多个处理器264,或例如基于云的处理器的远程处理器。一个或多个处理器264可以基于反射光确定对象的3-d形状。所确定的3-d形状可以由一个或多个处理器264用来实行对象识别处理,或者可以与所确定的一个或多个其他对象的3-d形状结合使用来开发房间的3-d映射。

如上所述的照明设备还可以用于产生用于生成飞行时间数据的照明光束。在这个示例中,布置mla使得照明光束在照明区域的外围具有更大的强度。相比于由将光引导到照明区域中心的透镜覆盖的光发射器,通过由将光引导到外围的那些透镜覆盖更多数量的光发射器,可以获得更大的强度。代替或除了使用更大数量的发射器来实现更高的强度,还可以使用具有更高发射光强度的单独发射器。通过相应地布置mla可以获得其它不均匀的光束强度轮廓。

如上所述的照明设备包括多个可以独立控制的光发射器。阵列的不同部分,或者甚至单独的光发射器可以被选择性地、并且独立于阵列的其他部分或者独立于其他单个光发射器地打开或关闭。因此,可以选择性地照射目标照明区域的不同部分。

图1a和1b中所示的实施例包括微透镜阵列的不同子集。微透镜之间相对于光发射器的中心光发射轴的偏移在每个子集内是相同的,例如在子集120a、120b和120c内是相同的,但是在那些不同的子集之间是不同的。在替代的实施例中,具体偏移在初始子集外侧的基板上复制至少一次。例如,具有三个子集的图1a的基板可以替代地被布置为具有六个子集的基板,这六个子集是通过复制与第一组三个子集相邻的初始三个子集而形成。替代地,图1a所示的三种类型的偏移可以随机、准随机或周期性地分布。将特定的偏移分布在单个子集之外的优点在于,整体光输出对诸如刮擦或灰尘等损害更鲁棒。如果一片灰尘遮挡了图1a实施例中的一个mla子集,则对应于该mla子集的照明光束部分将被遮挡,从而导致照明光束强度的非均匀降低。然而,在偏移分布更均匀的替代实施例中,一片灰尘只会导致强度的均匀降低,或者至少比图1a实施例更均匀。

前面讨论的实施例包括发射器阵列,例如阵列114,其中发射器阵列中的发射器之间的距离对于相对于发射器的中心光发射轴偏移的微透镜是恒定的。替代地,微透镜可以均匀分布,而发射器相对于微透镜的中心光轴偏移。替代地,发射器阵列和微透镜阵列都具有不恒定的阵列间距,而选择每个发射器的中心光发射轴相对于每个微透镜的光轴之间的相对偏移,以实现希望的光束轮廓。

已经描述了许多实施例。然而,应当理解,在不脱离本发明的范围的情况下,可以进行各种修改。例如,上面描述的一些步骤可以是与顺序无关的,因此可以以不同于所描述的顺序来实行。

其他实施方式也在以下权利要求的范围内。

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