CN110836724A - 光学装置 - Google Patents

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J·陶宁
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Abstract

一种光学装置包括垂直腔表面发射激光器的阵列。每个垂直腔表面发射激光器被配置为光源。该装置还包括光学布置，其被配置为接收来自多个垂直腔表面发射激光器的光并输出多个光束。

Description

光学装置
技术领域
一些实施例涉及一种光学装置，并且具体但不排他地，涉及提供多个光束的光学装置。
背景技术
光敏设备被用于各种应用，例如确定光级、通信、范围检测等。
例如，单光子雪崩二极管(SPAD)可被用作来自光源的反射光的检测器。通常，包括SPAD感测元件的像素阵列被设置为传感器，以检测来自光源的反射光脉冲。光子可通过光电效应在SPAD中生成载流子。光生载流子可触发SPAD阵列中的一个或多个SPAD中的雪崩电流。雪崩电流可标志一事件，即，光的光子被检测到。
SPAD阵列用于测距是众所周知的。例如，SPAD阵列和SPAD传感器已被用于确定移动设备中的测距应用的飞行时间距离。
可通过一个或多个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)二极管提供光源的源。
发明内容
根据一个方面，提供了一种光学装置，其包括：垂直腔表面发射激光器的阵列，每个所述垂直腔表面发射激光器都被配置为光源；以及光学布置，被配置为接收来自多个所述垂直腔表面发射激光器的光，并且输出多个光束。
光学布置可包括被配置为提供光束成形功能的至少一个光学元件。
光束的形状可以是矩形的。
光学布置可包括共享光学元件，共享光学元件被配置为接收来自所述阵列的每个所述垂直腔表面发射激光器的光。
光学布置可包括多个光学元件，为每个光束提供光学元件。
光学布置可包括光学元件的阵列，为每个光束提供光学元件，一个或多个垂直腔表面发射激光器提供每个光束。
光学布置可包括设置在提供所述垂直腔表面发射激光器的阵列的衬底上的一个或多个微透镜。
光学布置可包括位于所述垂直腔表面发射激光器的阵列上的多个透镜，一个透镜对应于所述垂直腔表面发射激光器中的每个激光器。
垂直腔表面发射激光器的阵列可通过多个单片化的垂直腔表面发射激光器裸片提供。
光学布置可包括设置在提供所述垂直腔表面发射激光器的阵列的衬底上的多个微透镜以及被配置为接收来自所述阵列的每个所述垂直腔表面发射激光器的光的共享光学元件。
光学布置可包括设置在提供有所述垂直腔表面发射激光器的阵列的衬底上的多个微透镜以及多个其他光学部件，为每个光束提供一个其他光学部件。
垂直腔表面发射激光器的阵列可通过多个单片化的垂直腔表面发射激光器裸片提供，并且所述光学布置可包括多个光学部件，为每个光束提供一个光学部件。
该装置可包括控制电路装置，控制电路装置被配置为控制所述垂直腔表面发射激光器中的哪一个被激活。
控制电路装置可被配置为控制所述垂直腔表面发射激光器的阵列以顺序地提供所述光束。
根据另一方面，提供了一种检测器，其包括：先前描述的装置；以及光检测器，被配置为检测来自所述装置的从一个或多个对象反射的光。
光检测器可包括单光子雪崩二极管的阵列。
检测器可以是测距器。
检测器可使用飞行时间来确定与对象的距离。
附图说明
现在将仅通过示例并参考附图来描述一些实施例，其中：
图1示出了由光源提供的N个通道的示意图；
图2示出了用于提供N个光通道的第一布置；
图3示出了用于提供N个光通道的第二布置；
图4示出了用于提供N个光通道的第三布置；
图5a和图5b示出了VSCEL阵列和光学元件的潜在未对准的示意图；
图6示意性示出了使用飞行时间原理的布置；以及
图7示意性示出了一些实施例的检测器。
具体实施方式
下面详细讨论一些实施例。然而，应当理解，本公开提供了可在各种具体上下文中具体化的各种可应用发明概念。所讨论的具体实施例仅示出了制造和使用所公开主题的具体方法，并不限制不同实施例的范围。
一些实施例可在用于确定与对象的距离的设备中提供。一种方法被称为“飞行时间”(TOF)。该方法包括朝向对象发送光信号，并测量信号往返对象所花费的时间。通过测量从光源发出的信号与从对象反射并被光传感器检测到的信号之间的相移，可以得到信号在该行程中所花费的时间的计算。已知该相移和光速能够确定与对象的距离。
单光子雪崩二极管(SPAD)可被用作反射光的检测器。通常，为了检测反射光脉冲，提供SPAD的阵列作为传感器。光子可通过光电效应在SPAD中生成载流子。光生载流子可在SPAD阵列中的一个或多个SPAD中触发雪崩电流。雪崩电流可标志一事件，即光的光子被检测到。
应了解，其他实施例可使用其他类型的检测器。仅通过示例，一些实施例可使用基于快速光电二极管的ToF模块或LIDAR(光检测和测距)应用。LIDAR具有包括消费电子、汽车、机器人、勘测等的许多应用。
例如，LIDAR系统使用光源(例如，垂直腔表面发射激光器 (VCSEL))来生成光脉冲，这些光脉冲从表面被反射，然后在接收器或检测器(例如，光电二极管或单光子雪崩二极管(SPAD)阵列) 处被检测。
被发射和接收的光之间的时间差使用等式D＝S*T来提供距离或范围值，其中T是时间差，S是光速，以及D是发射器到反射对象并再次返回的距离。
图6示出了“飞行时间”方法的一般原理。在图6中，发生器10 (在图6中由框PULSE表示)提供周期性电信号(例如，方形)。该信号为光源12供电。例如，光源12的示例可以是激光二极管。从光源12发出的信号朝向对象16发射，并且被该对象反射。反射光信号被光传感器(在图6中示为框CAPT)18检测。因此，传感器18 上的信号通过与相距对象16的距离的两倍成比例的时间周期相对于由理想系统的发生器提供的信号相移(实际上，还存在来自光源的光电延迟时间)。计算块20(在图6中示为框DIFF)接收由发生器10 和传感器18生成的信号，并计算这些信号之间的相移来获得与对象 16的距离。
光源可由垂直腔表面发射激光器(VCSEL)提供。VCSEL是从其顶面“垂直地”发射光束的基于半导体的激光二极管。垂直腔表面发射激光器由驱动电路提供电流，该驱动电路通常被配置为能够控制通过激光器的电流以产生脉冲或其他波形输出。
一些实施例可提供相对紧凑的基于SPAD的ToF系统。例如，这可以具有移动消费市场的应用。其他实施例可使用其他类型的检测器。一些实施例可用于要求光源布置的任何应用。这些应用中的一些可以不具有光检测器。
已经提出了利用基于VCSEL的照射源阵列来照射整个视场，并且同时利用基于SPAD的传感器阵列读出全帧。
然而，可以存在一个或多个问题需要考虑。一个问题可以是当全部SPAD阵列被同时主动读出时的功耗。另一问题与同时驱动VCSEL 阵列的驱动电流有关。为此，可在扫描模式下操作阵列。在扫描模式中，可以依次扫描或激活一行或多行(但不是全部)。应该理解，相对于同等的非扫描实施方式，扫描允许更低的平均功率。
应了解，在一些实施例中，可以是光源阵列的扫描。在其他实施例中，可以同时激活整个光源阵列。
在SPAD或其他检测器阵列和/或VCSEL阵列的尺寸较大的情况下，可以考虑这些问题中的一个和/或两个。然而，应该理解，对于较小的VCSEL和/或检测器阵列，也可以考虑这些问题中的一个或两个。
在SPAD或其他检测器阵列和VCSEL阵列应用于期望将功耗最小化的系统的情况下，可以考虑这些问题中的一个和/或两个。例如，这可以在移动通信类型应用中。
在一些实施例中，上文讨论的问题中的一个和/或两个可通过以下一种或多种方式解决：通过VCSEL阵列在发射侧提供扫描照射，以及通过SPAD阵列在接收端提供扫描读出。
发射扫描可通过以下一种或多种方式实现：
1)可寻址VCSEL阵列，集成微光学元件直接蚀刻到GaAs衬底中，将VCSEL输出扇出至N个子光学元件(称为初级光学元件)。每个子光学元件在目标平面的期望部分中创建照射。每个通道可具有专用的光束成形功能。
2)可寻址VCSEL阵列，集成微光学元件直接蚀刻到GaAs衬底中，将VCSEL输出扇出到具有被设计为根据VCSEL阵列中的通道分离给出FoV(视场)的焦距的单个成像透镜。光学元件具有单个光束成形功能以在目标平面中生成期望输出。在N个通道之间共享一个光束成形功能。
3)N个VCSEL(可选地具有集成光学元件)被放置在N个光学元件下方。每个光学元件在目标平面的期望部分中创建照射。本实施例可利用可通过诸如转印的方法实现的高精度组件。
下文将详细介绍这些选项。
一些实施例可提供具有低功率VCSEL驱动器的扫描读出。
参考图1，其示出了投射到远场的N个可寻址通道或光束。在图 1所示的示例中，具有6个通道100、102、104、106、108和110。这些通道中的每一个都表示由一个或多个VCSEL源生成的光束。在本示例中，具有6个通道。然而，应该理解，这只是作为示例，并且可以具有比所示6个通道更多或更少的通道。在本示例中，每个通道被示为在X-Y方向上大体为矩形。然而，这只是示例，并且在不同的实施例中，通道在X-Y方向上可具有不同的配置。
因此，在一些实施例中，每个通道可通过多个VCSEL或单个 VCSEL提供。每个通道将对输出的每个部分作出贡献。在一些实施例中，在VCSEL阵列中的通道与输出中对应的照射补丁或区域之间存在一对一关系。
在一些实施例中，依次且以扫描顺序一个接一个地设置通道。在其他实施例中，一次可设置两个或更多个通道。在一些实施例中，可一次设置所有通道。在其他实施例中，任何顺序可用于设置通道。
现在将描述第一实施例。
参考图2，其示出了具有n个通道的可寻址VCSEL阵列112。该阵列设置在单个半导体裸片上。该阵列可提供图1所示的通道或任何其他合适的通道配置。
VCSEL阵列设置有微透镜。微透镜集成为提供VCSEL阵列的裸片的一部分。微透镜可直接蚀刻到VCSEL的衬底材料(例如，GaAs) 中。透镜的表面轮廓可以是任意形状。微透镜可包括扩散功能和透镜功能。
微透镜114被配置为将每个通道引向相关联的主光学部件。具体地，阵列由N个VCSEL源组成，并且N个VCSEL源中的每一个都设置有微透镜。微透镜被配置为减少由每个VCSEL源提供的光束的发散，从而允许容纳N个通道中的每一个。光束或通道120从微透镜输出。
在一个修改中，微透镜可以被两个或更多个VCSEL源共享。这可以是由多个VCSEL源提供通道的布置。
该布置还包括主光学布置118。主光学布置包括光学元件的阵列，其针对每个通道执行准直并提供光束成形功能。主光学布置118包括输入透镜116，一个通道对应于一个输入透镜。相应的输入透镜接收相应光束120并准直该光束。主光学布置118由N个子光学元件组成以通过输入透镜116提供准直，并且通过输出透镜122重新定向和光束成形，以提供相应的输出光束124。这可以通过衍射或折射光学布置来实现。
在一些实施例中，微透镜的数量和输入透镜的数量可以相同。在一些实施例中，微透镜的数量和输入透镜的数量可以不同。在一些实施例中，可以为每个VSEL提供微透镜并且为每个通道提供输入透镜，其中为每个通道设置一个或多个VCSEL。
由此，主光学布置118被配置为对相应的光束进行光束成形，并且提供输出光束124，其提供诸如图1所示的通道。光束形状可取决于应用。在一些实施例中，光束形状可以是矩形。然而，在其他实施例中，可提供不同形状的输出。
在一些实施例中，VCSEL阵列可相对紧凑。这可与降低的成本相关联。更小的模块可有利地与相对较小的通道设备等集成。由于通过集成微光学元件扩展VSCEL输出的事实，光可以分布给相关的子光学元件而不需要增加裸片尺寸，使得通道间距可以匹配大得多的子光学元件间距。
一些实施例可在提供的输出中提供灵活性。对于相同底层的 VCSEL集成电路或芯片，N个通道可被成形为各种通道形状和视场。可以用折射微透镜阵列或衍射扩散器或任何其他适当的布置来实现再成形。
一些实施例在装配误差方面是稳健的。根据装配误差，主光学元件中的子光学元件的间距可能是过大的。
一些实施例使得光学功率在VCSEL集成光学元件和主光学元件之间共享。这可以允许更宽的视场，但具有相对较低指数的主光学元件。
一些实施例可使用背侧发射VCSEL阵列。为了将光学元件直接集成在VCSEL衬底中，VCSEL可以是背侧发射器，光在期望方向上传播以允许微透镜集成。
现在将描述第二实施例。参考示出另一实施例的图3。
提供了可寻址VCSEL的阵列200。其可以类似于上文参照图2所讨论的。VCSEL的阵列可提供N个通道。
阵列200包括集成微透镜202。该微透镜可被配置为将通过VCSEL 阵列提供的每个通道或光束重新引导至主光学元件。微透镜可减少发散，以允许相对较高的f数(f/#)(f/#是有效焦距长度与有效孔径的比率)。f/#的值可取决于设计。在一些实施例中，f/#可以多达16。
在一些实施例中，每个VCSEL都具有微透镜。在其他实施例中，每个通道可具有微透镜。每个通道由一个或多个VCSEL提供。
在一些实施例中，微透镜可以是圆柱形微透镜。微透镜可具有用于将输出重新引导至适当的子光学元件的倾斜。
由微透镜202输出的光束204可被输出至主光学布置206。
通过利用共享方法准直所有通道的单个主光学元件208来提供主光学布置。主光学元件可以是具有集成光束成形功能的准直透镜。该透镜可以是具有相对较高半径的折射透镜以提供准直。主光学布置 206还包括共形微透镜阵列209，以产生扩散功能。在其他实施例中，可通过衍射光学元件布置来提供主光学布置206。
光束成形功能由主光学布置206提供。主光学布置206的输出包括N个通道或光束210。单个主光学元件208的使用可使用较小的透镜。
通过这种布置，可以减小发散。由于在VCSEL上集成了光学元件，它们起到汇聚VCSEL输出的作用。通过VCSEL微透镜光学元件的重新定向可允许相对较高的f/#主光源透镜设计。
该布置能够支持相对大量的通道。仅通过示例，可支持数上百个通道。这通过使用单个主光学元件来促进。这可以意味着主光学元件不需要根据通道数量进行明显的缩放。
在VCSEL输出在主光学元件之前高度发散的情况下，如前文描述的实施例，与VCSEL中没有集成光学元件且使得输出发散不能以相同方式进行控制的选项相比，当移除主光学元件时，光学功率密度的增加较低。
现在将描述第三实施例。在图4所示的另一实施例中，布置包括多个单片化的VCSEL裸片。每个裸片包括一个单片化的VCSEL源 300。每个单片化的VCSEL源提供光束302，光束302被提供给主光学布置。主光学布置具有多个光学元件304，一个光学元件对应于每个单片化的VCSEL源300。每个光学元件304包括准直透镜306(准直相应的通道)和光束成形透镜307(应用光束成形功能以提供相应一个输出光束306)。输出光束可提供图1所示的通道。光学元件304 的光束成形透镜307可将光束扇出以提供期望的覆盖区域。
在一些实施例中，可以在每个VCSEL裸片上设置透镜或其他光学部件。然而，其他实施例可以不要求光学部件与VCSEL集成。
通过图4的布置，期望确保每个VCSEL裸片300彼此对准，并与相对于相应光学元件304对准。关于这点，参考图5a和图5b。
图5a示出了VCSEL裸片正确对准但在VCSEL裸片和主光学布置之间存在未对准的情况。在图5a中，输出通道或光束表示为504、 506和508。这些是由主光学布置输出的光束。这些光束的目标位置表示为502，并且表示光束应该定位在哪里。从图5a可以看出，如果所有VCSEL裸片相对于主光学布置的未对准量相同，则所有输出通道将相对于目标502具有相等的角度偏移。在一些应用中，例如，对于1mm的未对准，未对准可近似为4度。
图5b示出了VCSEL裸片未对准但在VCSEL裸片和主光学布置之间没有未对准的情况。在图5b中，输出通道或光束表示为512、514 和516。这些是由主光学布置输出的光束。这些光束的目标位置表示为510，并且表示光束应该定位在哪里。从图5b可以看出，如果VCSEL裸片偏移不同的量，则输出光束之间会存在角度偏移或间隙。在一些应用中，例如，对于1mm的未对准，未对准可近似为4度。
甚至可能出现VCSEL裸片未对准且在VCSEL裸片和主光学布置之间存在未对准的情况。
一些实施例使用已知为“转印”的组装技术。通过此技术，可以实现相对较高的VCSEL-VCSEL裸片对准精度(+/-2μm)。转印是晶圆级工艺，其允许各个裸片相对彼此的对准与晶圆对准公差为相同等级。如上详细描述的，由于VCSEL裸片相对于彼此的对准，使得转印工艺能够有效地实施这些实施例。
一些实施例可具有该布置可根据需要扩散到多个通道的优点。主要限制可以是X/Y方向上模块的尺寸。
一些实施例可证明具有集成到VCSEL阵列中的微透镜和主光学布置的组合的相对高分辨率的系统。应了解，在一些实施例中，可以省略微透镜和主透镜系统中的一个或另一个。这可以用于期望具有较低分辨率的系统。
一些实施例可在主光学元件脱落的情况下提供更好的激光安全性。在VCSEL输出在主光学元件之前高度发散的情况下，与在VCSEL 中没有集成光学元件的实施例相比，当移除主光学元件时，光学功率密度的增加较低。
在上述实施例中，将衬底描述为GaAs。然而，应当理解，这只是示例，并且在不同实施例中，衬底可使用不同的材料。
应理解，已经描述了第一实施例、第二实施例和第三实施例。关于一个实施例描述的特征可被其他实施例使用。
参考示意性示出了检测器704的图7。检测器具有VCSEL阵列。 VCSEL阵列可以是任何前文描述的布置。检测器具有SPAD或其他合适的检测器阵列702，其被配置为接收从对象反射的光。
提供控制电路装置706，其被配置为控制VCSEL阵列和/或SPAD 阵列。控制电路装置可被配置为控制激活VSCEL阵列的哪一行或哪几行。控制电路装置可控制SPAD阵列。
应理解，上述布置可至少部分地通过集成电路、芯片集、封装在一起或不同封装中的一个或多个裸片、离散电路装置或这些选项的任何组合来实施。
上文描述了具有不同变型的各种实施例。应当注意，本领域技术人员可组合这些不同实施例和变型的各种元素。
这种修改、改进和更改作为本公开的一部分，并且包括在本公开的范围内。因此，上述描述仅作为示例而并不用于限制。
上述各种实施例可组合以提供另一实施例。可根据上述详细描述对实施例进行这些和其他更改。一般地，在下列权利要求中，所用术语不应解释为将权利要求限于说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而是应解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所涉及的等效物的全部范围。因此，权利要求不被本公开的限制。

Claims (20)

1.一种光学装置，包括：
垂直腔表面发射激光器的阵列，每个所述垂直腔表面发射激光器被配置为光源；以及
光学布置，被配置为接收来自多个所述垂直腔表面发射激光器的光，并且输出多个输出光束，所述光学布置包括：一个或多个准直器，被配置为通过准直来自多个所述垂直腔表面发射激光器的光来提供一个或多个准直光束；以及子光学元件，被配置为通过对所述一个或多个准直光束进行光束成形来产生所述多个输出光束。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述子光学元件包括被配置为产生所述多个输出光束的光学元件阵列。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述一个或多个准直器包括被配置为：接收来自所述阵列的每个所述垂直腔表面发射激光器的光的共享光学元件。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述一个或多个准直器包括多个准直透镜，所述多个准直透镜被配置为：根据从多个所述垂直腔表面发射激光器接收的光，产生所述一个或多个准直光束的多个准直光束。
5.根据权利要求4所述的光学装置，其中多个所述垂直腔表面发射激光器被配置为产生多个输入光束，并且所述一个或多个准直器包括分别用于每个输入光束的准直透镜的阵列，多个所述垂直腔表面发射激光器中的一个或多个激光器被配置为提供每个光束。
6.根据权利要求1所述的光学装置，还包括一个或多个微透镜，所述一个或多个微透镜被设置在提供有所述垂直腔表面发射激光器的阵列的衬底上。
7.根据权利要求1所述的光学装置，还包括多个透镜，所述多个透镜位于所述垂直腔表面发射激光器的阵列上，一个透镜对应于所述垂直腔表面发射激光器中的每个激光器。
8.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述垂直腔表面发射激光器的阵列包括多个单片化的垂直腔表面发射激光器裸片。
9.根据权利要求1所述的光学装置，还包括多个微透镜，所述多个微透镜被设置在提供有所述垂直腔表面发射激光器的阵列的衬底上，其中所述一个或多个准直器包括共享准直透镜，所述共享准直透镜被配置为接收来自所述阵列的每个所述垂直腔表面发射激光器的光。
10.根据权利要求1所述的光学装置，还包括多个微透镜，所述多个微透镜被设置在提供有所述垂直腔表面发射激光器的阵列的衬底上，所述微透镜被配置为提供多个输入光束，其中所述一个或多个准直器包括多个准直透镜，为每个输入光束提供一个准直透镜。
11.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述垂直腔表面发射激光器的阵列包括多个单片化的垂直腔表面发射激光器裸片，所述单片化的垂直腔表面发射激光器裸片被配置为提供多个输入光束，并且所述一个或多个准直器包括多个准直透镜，为每个输入光束提供一个准直透镜。
12.根据权利要求1所述的光学装置，包括控制电路装置，所述控制电路装置被配置为控制所述垂直腔表面发射激光器中的哪一个被激活。
13.根据权利要求12所述的光学装置，所述控制电路装置被配置为控制所述垂直腔表面发射激光器的阵列，以顺序地向所述光学布置提供输入光束。
14.一种检测器，包括：
被配置为朝向对象引导输出光的装置，所述装置包括：
垂直腔表面发射激光器的阵列，每个所述垂直腔表面发射激光器被配置为光源；和
光学布置，被配置为接收来自多个所述垂直腔表面发射激光器的光，并且输出多个输出光束，所述光学布置包括：一个或多个准直器，被配置为通过准直来自多个所述垂直腔表面发射激光器的光来提供一个或多个准直光束；以及子光学元件，被配置为通过对所述一个或多个准直光束进行光束成形来产生所述多个输出光束；以及
光检测器，被配置为检测从所述对象反射的光。
15.根据权利要求14所述的检测器，其中所述光检测器包括单光子雪崩二极管的阵列。
16.根据权利要求14所述的检测器，还包括被配置为计算所述检测器与所述对象之间的距离的处理器。
17.根据权利要求16所述的检测器，其中所述处理器被配置为计算由所述垂直腔表面发射激光器的阵列产生的光与从所述对象反射的光之间的相移。
18.一种光学装置，包括：
垂直腔表面发射激光器的阵列，每个所述垂直腔表面发射激光器被配置为光源；以及
光学布置，被配置为接收来自所述垂直腔表面发射激光器的阵列的光，并且输出多个输出光束，所述光学布置包括：一个或多个准直器，被配置为通过准直来自多个所述垂直腔表面发射激光器的光来提供一个或多个准直光束；以及微透镜阵列，被配置为通过对所述一个或多个准直光束进行光束成形来产生所述多个输出光束。
19.根据权利要求18所述的光学装置，其中所述一个或多个准直器包括被配置为：接收来自所述阵列的每个所述垂直腔表面发射激光器的光的共享光学元件。
20.根据权利要求19所述的光学装置，其中所述一个或多个准直器包括多个准直透镜，所述多个准直透镜被配置为：根据从多个所述垂直腔表面发射激光器接收的光，产生所述一个或多个准直光束的多个准直光束。
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