CN111742455A - 节能激光器布置结构 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种激光器布置结构(100)，所述激光器布置结构(100)包括激光器阵列(110)和用于在限定视场中提供限定照射图案的光学结构(140)，其中，光学结构(140)包括扩散器(144)，扩散器(144)被布置为能够改变通过被激光器阵列(110)所包括的激光器(130)发射的激光(10)的分布，其中，每个激光器(130)的特征在于具有发射锥体，其中，光学结构(140)被布置为能够将激光(10)变换为变换后激光(150)，使得与被布置为能够将完全准直激光扩散为视场中的平顶强度轮廓的扩散器相比，被激光器(130)中的至少一组激光器(130)的发射锥体所包括的激光(10)的重叠在视场中增大；其中，光学结构(140)被布置为能够将在发射锥体的大角度处发射的激光(10)重新定向到视场。本发明还描述一种包括这样的激光器布置结构(100)的发光装置、一种包括这样的发光装置的飞行时间相机(200)以及一种制造激光器布置结构(100)的方法。

Description

节能激光器布置结构
技术领域
本发明涉及一种激光器布置结构、一种包括这样的激光器布置结构的照明装置、一种包括这样的照明装置的飞行时间相机以及一种制造激光器布置结构的方法。
背景技术
包括例如垂直腔面发射激光器(VCSEL：Vertical Cavity Surface EmittingLaser)阵列的激光器布置结构可以用于红外照明装置。使用短脉冲，VCSEL阵列例如应用于飞行时间应用中。这样的应用包括例如用于便携式装置的近距离手势识别和3D空间识别。对于这样的应用，讨论面积为约1mm2且具有在1-10W范围内的输出功率的VCSEL阵列。具体的照明场或视场通过应用来限定(例如，飞行时间相机观察例如70°×50°)。
US20016/0197452A1公开了一种示例性结构化光投影仪。
在激光打印的不同技术领域中，US2016/0311230A1公开了一种激光打印系统，所述激光打印系统用于照射相对于激光打印系统的激光器模块移动的物体。
EP0488722A1公开了一种高密度的辐射发射的半导体阵列，所述半导体阵列包括无序区域，所述无序区域延伸穿过限制层、有源层并且部分地延伸到另一限制层中，以限定无序区域之间的发光区域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光器布置结构，所述激光器布置结构能够更有效地利用通过被激光器布置结构所包括的激光器阵列、特别是VCSEL阵列发射的激光。
要求保护的主题在独立权利要求中限定。优选实施例在从属权利要求中描述或在说明书的后续部分中描述。
根据第一方面，提供一种激光器布置结构。提供的激光器布置结构包括激光器阵列和用于在限定视场中提供限定照射图案的光学结构。光学结构包括扩散器，扩散器被布置为能够改变通过被激光器阵列所包括的激光器发射的激光的分布。每个激光器在操作期间的特征在于具有基本上包括通过相应激光器发射的所有激光的发射锥体。发射锥体通过立体角给定，在所述立体角中，相对于最大强度的半全角最大值，发射的激光的强度更大。光学结构被布置为能够将激光变换为变换后激光，使得与被布置为能够将完全准直激光扩散为视场中的平顶强度轮廓的扩散器相比，被激光器阵列所包括的激光器中的至少一组激光器的发射锥体所包括的激光的重叠由于向变换后激光的变换而在视场中增大。光学结构可以被布置为能够将在发射锥体的大角度处发射的激光重新定向到视场。激光器可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)或侧面发射器。光学结构还可以被布置为能够增大发射的激光在视场中的重叠，使得限定照射图案的强度在视场中的变化相对于视场中的参考强度图案小于20％、更优选地小于10％并且最优选地小于5％。光学结构被布置为能够在视场中提供通过VCSEL阵列发射的激光的至少80％、更优选地至少90％并且最优选地至少95％。总体的改善取决于视场的相对于激光器发散角的角度延展。
现有技术的相机、特别是飞行时间(TOF：time-of-flight)具有宽的视角并且使用扩散器来实现对场景的均匀辐照。在最佳的情况下，扩散器产生与相机的视场完全匹配的理想平顶轮廓。然而，VCSEL的发散角(通常为20°全角)变宽并且抹去扩散器轮廓，导致在照射轮廓或图案的边缘处出现斜坡。照射轮廓的边缘处的斜坡角度与VCSEL的发散角相同(见图2和图3)。斜坡在视场外部并且损耗能量(取决于VCSEL的发散角与扩散角的比而为10％至50％)，或者它们导致相机图像的具有低信号的较暗边缘，从而降低测量精度。例如，借助于微透镜对每个VCSEL聚焦的替代方法可以是更节能的，但是对于单个VCSEL的故障可能会非常敏感。
特别地，所提出的激光器布置结构可以借助于在视场中的多个VCSEL(在极端情况下为所有VCSEL)的改善的重叠来使得光分布能够均匀且可靠。光学结构调整发射图案的角度依赖性，以提供接近预期参考强度图案的强度分布，并且减少视场的边缘处的损耗。光学结构被布置为能够将以给定发射锥体(发射锥体的特征在于在圆形对称(例如，VCSEL)的情况下具有一个发散角)发射的激光变换为变换后激光，使得视场中的强度分布的斜坡角度小于激光器的发散角。光学结构可以被布置为能够将在发射锥体的大角度处发射的激光重新定向到视场。光学结构可以特别地被布置为能够使激光重新定向，使得到视场的重新定向的程度随着激光器的发射锥体内的角度增大而增大。
参考强度图案可以从以下项中选择：视场中的参考平面中的组恒定强度；相对于通过视场限定的立体角的恒定强度；以及在视场的边沿中的增大强度，所述增大强度用于补偿被布置为能够将限定照射图案成像到图像区域的光学装置的光损耗，使得图像区域中的强度分布恒定。实际上，在视场的边沿中的具有增大强度的参考强度图案是恒定强度分布的特殊情况，这是因为将附加成像光学器件的光学损耗考虑在内的在视场中的预期强度分布是恒定强度分布。关于图4讨论这样的参考强度图案的沿着二维视场的一维的剖面。参考强度图案的角度延展沿着第二维可以不同。光学结构被布置为能够改善以大角度发射的光向限定视场的投影，以提供限定照射图案。
根据一个实施例，扩散器可以被布置为能够将激光变换为变换后激光。每个VCSEL的特征在于具有最大发散角θ2的发射锥体。最大发散角θ2在旋转对称发射锥体的情况下为如上所讨论的全角(通常为20°)。在该实施例中，扩散器可以被布置为能够将在发射锥体的大角度处(特别是在发射锥体的包括通过激光器在可以例如在发散角与发散角-10％之间的角度下发射的激光的外边沿处)发射的激光重新定向到视场。
在一个实施例中，扩散器可以被布置在距VCSEL的发光表面以下距离处：所述距离使得VCSEL的发射锥体在扩散器的平面中不重叠。扩散器针对每个VCSEL包括至少两个不同区段。所述至少两个不同区段的特征在于不同的扩散器结构。每个区段被布置为能够将通过相应区段接收的激光重新定向到视场。可以布置两个、三个、四个或更多个区段，以增大变换后光的在视场中的重叠，以获得限定照射图案。扩散器结构可以跨各个VCSEL的发射锥体连续改变，以增大发射的激光的重叠。
扩散器的每个区段可以特别地被布置为能够根据在相应发射锥体内的激光相对于扩散器的光出射区域的表面法线的角度而将通过相应区段接收的激光重新定向在表面法线(在平面扩散器的情况下，与VCSEL阵列的平面的表面法线相同)的方向上，使得变换后激光在视场中的重叠增大。扩散器的每个区段可以特别地被布置为使得重新定向的程度随着相应的发射锥体内的发射的激光相对于表面法线的角度增大而增大。
VCSEL的发光表面之间的距离确定在与扩散器的一个区段相关的一个VCSEL的发射锥体的最大发散角θ2内的角度范围。该角度范围限定相应VCSEL相对于扩散器的相关区段的主发射方向或平均发射方向。扩散器的每个区段的特征在于具有区段的主发射方向的相应发射锥体。通过各个VCSEL发射的激光通过扩散器或更具体地通过扩散器的各个区段变换，使得通过扩散器的各个区段接收的激光的主发射方向在方向上向扩散器的光出射区域的表面法线倾斜。通过扩散器的区段接收的激光的主发射方向可以优选地倾斜为使得区段的相应发射锥体的特征在于具有与表面法线基本上平行的主发射方向。以大角度(在通过最大发散角θ2给定的边界条件内)发射的激光被变换为使得相应区段的主发射方向基本上定向到视场。
替代地，扩散器可以被布置在距VCSEL的发光表面以下距离处：所述距离使得多个VCSEL的发射锥体重叠。扩散器包括至少两个不同区段。每个区段被布置为能够将通过相应区段接收的激光定向到视场。在这种情况下，扩散器也被布置为使得以大角度发射的激光被重新定向到视场。在该实施例中，在限定角度范围中发射的激光包括通过两个、三个、四个或更多个VCSEL发射的激光。
距VCSEL的发光表面的距离可以使得扩散器的每个区段接收在相对于扩散器的光出射区域的表面法线的预定角度范围内的来自VCSEL阵列的激光。因此，VCSEL阵列的横向延伸相对于距扩散器的光入射表面的距离而言必须是小的。在具有1mm×1mm的尺寸的VCSEL阵列的情况下，该距离可以例如为约1cm。
光学结构可以替代地或另外地包括光学装置。扩散器被布置为能够对从VCSEL接收的激光进行扩散。扩散器具有光出射区域，扩散的激光通过所述光出射区域离开扩散器。光学装置包括用于接收扩散的激光的光入射窗。光学装置被布置为能够将扩散的激光重新定向到视场，使得激光被变换为变换后激光。光入射窗优选地具有与光出射区域相同的尺寸。光入射窗和光出射区域的尺寸的适配使光学损耗最小化，并且使得光学装置的重新定向性能能够优化适配。
光学装置可以包括倾斜反射镜。倾斜反射镜的倾斜角相对于扩散器的光出射区域的表面法线限定。倾斜角被布置为能够提供限定照射图案的强度。倾斜角可以取决于扩散器的扩散器轮廓(扩散器的发射轮廓)。在例如矩形扩散器轮廓的情况下，可以存在两个不同的倾斜角。如上所述，每个发射锥体的特征可以在于具有最大发散角θ2。视场的在一个方向上的延展的角度可以通过θ1给定。倾斜角在最大发散角θ2的方向上通过θG＝θ1/2+/-5°、更优选地通过θ1/2+/-3°并且最优选地通过θ1/2+/-1°给定。如果倾斜反射镜在光轴的方向(与扩散器的光出射区域的表面法线平行)上足够长，则具有大于θG的角度的所有光将被反射为小于θG的角度，并且因此返回到视场。
VCSEL阵列的VCSEL可以是被布置为能够通过半导体基体发射激光的底部发射器。在这种情况下，扩散器可以设置在半导体基体的发光表面上。扩散器可以例如集成在VCSEL阵列的半导体结构中。替代地，包括扩散器的结构化透明层可以安装在半导体基体的发光表面上。
根据另一方面，提供一种发光装置。发光装置包括至少一个根据上面描述的任何实施例的激光器布置结构以及用于向激光器布置结构提供驱动电流的电驱动器。
根据另一方面，提供一种飞行时间相机。飞行时间相机包括上面描述的发光装置、分析评估器以及用于检测被物体反射的变换后激光的光检测器。分析评估器被布置为能够借助于通过光检测器检测的变换后激光确定距物体的距离。
根据另一方面，提供一种制造激光器布置结构的方法。所述方法包括以下步骤：
设置半导体基体，
在半导体基体的第一表面上设置包括多个激光器的激光器阵列，其中，每个激光器的特征在于具有发射锥体，
设置光学结构，
布置光学结构，以将通过激光器发射的激光变换为变换后激光，使得与被布置为能够将完全准直激光扩散为视场中的平顶强度轮廓的扩散器相比，被激光器阵列所包括的激光器中的至少一组激光器的发射锥体所包括的激光的重叠在限定视场中增大。
根据另一方面，提供一种照射视场的方法。所述方法包括以下步骤：
发射激光，
借助于光学结构将激光变换为变换后激光，其中，光学结构包括扩散器，其中，激光被变换，使得与被布置为能够将完全准直激光扩散为视场中的平顶强度轮廓的扩散器相比，被VCSEL阵列所包括的VCSEL中的至少一组VCSEL的发射锥体所包括的激光的重叠在限定视场中增大。光学结构可以被布置为能够将在发射锥体的大角度处发射的激光重新定向到视场。
应理解的是，上面描述的激光器布置结构和制造方法具有相似和/或相同的实施例、特别是如从属权利要求中所限定的实施例。
应理解的是，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应的独立权利要求的任意组合。
下面限定另外的有利实施例。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得清楚并且得到阐明。
现将参考附图，基于实施例，以示例的方式描述本发明。
在附图中：
图1示出了第一激光器布置结构的剖面的原理简图；
图2示出了取决于可以由现有技术的扩散器提供的发射角的视场中的强度分布的示例；
图3示出了在限定的视场中的强度分布的示例；
图4是参考图案的示例；
图5示出了现有技术的激光器布置结构的剖面的原理简图；
图6示出了第二激光器布置结构的剖面的原理简图；
图7示出了第三激光器布置结构的剖面的原理简图；
图8示出了第四激光器布置结构的剖面的原理简图；
图9示出了第五激光器布置结构的剖面的原理简图；
图10示出了飞行时间传感器模块的原理简图；
图11示出了制造VCSEL阵列的方法的工艺流程的原理简图。
在附图中，相似的附图标记始终指代相似的对象。附图中的对象不必然按比例绘制。
具体实施方式
现将借助于附图描述本发明的各实施例。
图1示出了第一激光器布置结构100的剖面的原理简图。第一激光器布置结构包括二维VCSEL阵列110。VCSEL阵列110包括多个VCSEL 130。VCSEL布置在公共的基体101上。每个VCSEL 130将具有限定的发射锥体的激光10发射到光学结构140(也见关于图5和图6的讨论)。光学结构包括扩散器(未明确示出)。光学结构140将激光10的至少部分(特别是在每个发射锥体内以大角度发射的激光10)在方向上重新定向(变换后激光150)，使得变换后激光150以提高的效率照射限定视场。关于图5和图6更详细地描述根据本发明的激光器布置结构所提供的技术优点。
图2示出了取决于可以由现有技术扩散器提供的激光器的发射锥体内的发射角的视场中的强度分布的示例。纵坐标被分配给强度51，横坐标被分配给沿着视场的一个方向的角度53。线41示出了现有技术扩散器对相对于现有技术扩散器的表面法线在0°的角度下接收的完全准直激光进行扩散的强度分布(也见图5)。强度分布41是在视场的在一个方向55上的角度延展(θ1)内的理想平顶的强度分布。线43示出了现有技术扩散器对相对于现有技术扩散器的表面法线在10°的角度下接收的完全准直激光进行扩散的强度分布。强度分布43也是理想平顶的强度分布，但是偏移了10°的接收角，使得激光的一部分在如在一个方向上的角度延展55所示的视场之外。
图3示出了沿着一个限定视场的一个方向(例如，x轴)的强度分布的两个示例。虚线61示出了可以通过现有技术扩散器提供的现有技术的强度分布。强度分布从左到右缓慢上升，达到平坦，并且缓慢下降。现有技术的强度分布由关于图2所讨论的通过各个激光器或激光器阵列发射的激光的发散所导致的多个平顶轮廓的重叠而导致。因此，照射图案包括具有变化的强度分布的宽边沿。边沿通过激光器的发散角θ2给定，其中，边沿的一半在选择的方向上布置在视场的角度延展55(θ1)外部。因此，强度分布在边缘处严重偏离预期的平坦参考强度图案(见图4中的第一参考图案21)。因此，在角度延展55外部发射的光和约20％的相应能量被浪费。实线63示出了可以特别地例如借助于上面和下面讨论的激光器布置结构100的实施例来提供的改善的强度分布。边沿收缩到角度59(α/2——斜坡角度减半)。因此，激光器布置结构100的光学结构140被布置为能够减小强度分布的在视场中的斜坡角度，使得斜坡角度小于激光器在相应方向上的发散角。因此，激光器布置结构100针对在视场的角度延展55内的预期参考强度图案改善了强度分布。此外，在视场的角度延展55外部的光强度减小，激光器布置结构100的效率提高。
图4示出了参考强度图案的示例。纵坐标被分配给强度51，横坐标被分配给沿着与如关于图3讨论的视场中的照射图案的表面平行的一个剖面的角度53。第一参考强度图案21在视场中的参考平面中是恒定强度。第二参考强度图案23通过相对于由视场限定的立体角的恒定强度限定。实际上，第三参考强度图案25是第一参考强度图案21的特殊情况。第三参考强度图案25的特征在于靠近视场的边缘的强度增加，以用于补偿被布置为能够将限定的照射图案成像到视场的光学装置的光学损耗。与视场中的光学成像装置结合的激光器布置结构的最终强度分布是恒定的。
图5示出了现有技术的激光器布置结构的剖面的原理简图。激光器布置结构包括如关于图1描述的VCSEL阵列110。每个VCSEL 130发射具有发射锥体的激光，所述发射锥体的特征在于具有相对于扩散器144’的光出射区域的表面法线145的锥角θ2/2(半发散角θ2)。激光10被发射到现有技术扩散器144’。现有技术扩散器144’使激光10重新定向，使得在发射锥体内以大角度发射的激光10被扩散到甚至更大的角度。例如，在一个发射锥体的边缘处接收的激光10被扩散使得在各个位置处离开现有技术扩散器144’的扩散光的主发射方向(由箭头指示)基本上与在发射锥体的边缘处的激光方向相同。主发射方向被包围在发射锥体135中，发射锥体135的特征在于具有现有技术扩散器144’的扩散角。VCSEL的发散角θ2与现有技术扩散器144’的扩散特性相结合产生关于图3所讨论的现有技术的强度分布61的平坦斜率。
图6示出了第二激光器布置结构100的剖面的原理简图。激光器布置结构包括如关于图1所描述的VCSEL阵列110。每个VCSEL 130发射具有发射锥体的激光，所述发射锥体的特征在于具有相对于扩散器144的光出射区域的表面法线145的锥角θ2/2(半发散角θ2)。包括扩散器144的光学结构140在晶片级集成。在VCSEL 130的发光表面和扩散器144的发光表面之间的距离被布置为使得VCSEL 130的发射锥体在通过扩散器144限定的平面中不重叠。扩散器144的结构跨每个VCSEL 130的发射锥体地改变。扩散器144包括不同的区段，在连续改变的扩散器结构的情况下，所述区段可以近似无限小。通过相应VCSEL 130发射的激光10通过扩散器144或更具体地通过扩散器的相应区段进行变换，使得通过扩散器144的相应区段接收的激光10的主发射方向由于与扩散器144的相互作用而在朝向扩散器144的光出射区域的表面法线145的方向上倾斜。通过扩散器144的相应区段接收的激光10的主发射方向倾斜为使得区段的变换后光的相应发射锥体135的特征在于具有基本上平行于表面法线145的变换后光150的主发射方向(由箭头指示)。变换后光150的倾斜角随着通过扩散器144接收的激光10的角度(由发散角θ2的边界条件给定)的增大而增大。因此，与关于图5所讨论的现有技术扩散器144’相比，光学结构140减小在视场中的强度分布图案的斜坡区域内的光强度。扩散器144的包括在VCSEL阵列110的每个VCSEL 130前面的不同区段的部分的特征在于具有约为VCSEL 130之间的间距的尺寸。在各个VCSEL的发射锥体重叠之前的距离d为通常在100μm至500μm之间，其取决于VCSEL之间的间距。如果激光器布置结构100包括底部发射VCSEL 130，则扩散器144的扩散器结构可以根据替代的激光器布置结构100(未示出)而在(GaAs)基体101的背表面中蚀刻。
图7示出了第三激光器布置结构100的剖面的原理简图。总体原理与关于图6所讨论的相似。激光器阵列110安装在构建光学结构140的透明块的第一侧上，光学结构140包括在透明块的与第一侧相对的第二侧上的扩散器144。不同之处在于，与到扩散器144的距离相比，激光器阵列110是小的。被VCSEL阵列110所包括的VCSEL的多个发射锥体在扩散器144的平面中重叠。VCSEL阵列110与扩散器144之间的距离被选择为使得通过VCSEL阵列110发射并通过扩散器144在限定的角度范围内接收的激光10不能分配给单个VCSEL 130。在极端情况下，VCSEL阵列110相对于扩散器144像是具有最大发散角2φ的单个光源(近似点状光源)，所述最大发散角2φ基本上与单个VCSEL 130的发散角θ2相同。扩散器也被布置为使得在特定角度范围内(例如，相对于扩散器144的光出射区域的表面法线145在φ与φ-2°之间)接收的激光10被重新定向在向前的方向上(倾斜在表面法线145的方向上)，从而增大在变换后光150内的激光10的重叠。
图8示出了第四激光器布置结构100的剖面的原理简图，其描述了关于图7所讨论的实施例的特殊情况。图8与其他附图相似，未按比例绘制。在该实施例中，扩散器144包括相当粗糙结构的两个区段。第一区段144a是覆盖一定角度范围、例如在-50°与+50°之间的角度范围的透镜状结构。第二区段144b是布置在第一区段144a周围的透镜状结构，并且覆盖、例如在左侧上覆盖针对与扩散器144的光出射区域的表面法线145平行的光的在-45°与55°之间的角度范围。这意味着所述左侧覆盖在-50°与50°之间的角度范围内在-5°的角度下接收的激光10。为此目的，第二区段144b相对于穿过VCSEL阵列110的中央的轴线偏心，并且在靠近第一区段144a的一侧包括角度减小部143并在第二区段144b的远离第一区段144a的外边沿处包括角度延展部141。变换后光150也被重新定向到视场的方向上。扩散器144可以通过提供覆盖较小角度范围的三个、四个、五个或更多个区段而被进一步改善，以增大激光10的在视场中的重叠。
图9示出了第五激光器布置结构100的剖面的原理简图。第五激光器布置结构100包括布置在公共基体101的第一侧上的底部发射VCSEL 130的阵列110。第五激光器布置结构100还包括光学结构140，光学结构140包括扩散器144和光学装置146，扩散器144可以是如针对图5所讨论的现有技术扩散器144’。扩散器144附接到公共基体101的与第一侧相对布置的第二侧。通过VCSEL发射的激光10借助于扩散器144如针对图5所讨论的扩散，使得扩散光离开扩散器144的光出射区域149。光学装置146包括布置在光学装置146的具有与扩散器144的光出射区域基本相同尺寸的光入射窗周围的倾斜反射镜。倾斜反射镜的特征在于具有相对于扩散器144的光出射区域的表面法线145的倾斜角θG148。如果θ1也是沿着视场的一个方向的期望的全视角55，则扩散器144的半全宽最大角度也必须为θ1。VCSEL的发散θ2会抹去照射轮廓，导致具有θ2的宽度的斜坡(见图3和图5)。强度将在相对于光轴(平行于表面法线145)的(θ1-θ2)/2的角度开始减小，并在(θ1-θ2)/2的角度衰减到零强度(见图3)。倾斜反射镜具有θG＝θ1/2的角度。如果倾斜反射镜在光轴的方向上足够长，则具有大于θG的角度的所有光将被反射到小于θG的角度，从而返回到视场中。为了将斜坡的宽度从θ2减小到角度α(见图3中的改善的强度分布63)，扩散器147的高度h必须为h＝a/(tan(θG+α/2)-tan(θG))，其中，“a”是两个反射镜之间的开口尺寸(光出射区域149在该方向上的延展)。光学装置146的效果通过扩散的激光的发射锥体135指示。由以一定角度、例如10°的角度发射的激光10产生的扩散激光的倾斜发射锥体135被右侧的倾斜反射镜部分地反射。发射锥体135的反射部分被重新定向到视场。因此，与没有光学装置146的现有技术扩散器相比，激光10的变换后光150所包括的发射锥体的重叠增大。
借助于下面的示例来说明关于图9讨论的实施例。光出射区域149可以具有a＝1mm的边长，并且在一个方向上的期望视角55可以为θ1＝90°。VCSEL 130具有典型的20°的全发散角θ2。在没有倾斜反射镜的情况下，扩散器之后的光束轮廓将具有等于θ1＝90°的半全宽最大值，但是具有在两侧上的20°斜坡。因此，轮廓的均匀部分比半全宽最大值小20°，如果扩散角变得足够大以均匀地照射视场，则也导致相机图像的暗边缘或视场外的损耗能量＞20％。通过添加具有角度θG＝45°的倾斜反射镜，如果倾斜反射镜具有约13.8mm的高度h＝1mm/(tan(45°+4°/2)-tan(45°))，则斜坡可以从20°减小到4°。因此，包括扩散器144和光学装置146的光学结构10避免了暗边缘，或者20％的损耗能量中的大部分可以被重新定向在视场中。因此，在预期的应用(例如，相机)中，对于相同的信号强度，所需的激光功率减少20％。θ1/θ2的比越小并且光学装置146的高度h可以越大，益处则越大。在视场中的第二方向上的条件可以根据扩散器144(例如，具有矩形发射轮廓的扩散器)的性能而不同，使得倾斜角在第二方向上可以不同。
倾斜反射镜可以替代地通过具有在底侧上的扩散器结构的透明材料、例如玻璃、PMMA、PC、硅树脂……的实心块和通过平坦侧壁实现、例如使用全内反射实现的四个倾斜(侧)反射镜来代替。光学结构140的剖面将在两个方向上为梯形，其中，入射侧具有扩散器结构，并且边长“a”等于或略大于光源尺寸，并且侧壁具有通过Snell方程sin(θG’)＝sin(θG)/n从期望角度θG计算出的角度θG’，其中，“n”是构建光学结构140的块的材料的折射率。上面描述的实心块可以包括两部分：小的扩散器144(通常很昂贵)以及构建光学装置146的大的梯形反射镜块(由廉价的注射成型聚合物制成)。
图10示出了飞行时间相机200的原理简图。飞行时间传感器模块200包括根据上面讨论的实施例中的一者的激光器布置结构100。飞行时间相机200还包括被布置为能够检测非常短的光脉冲的检测器221。这样的短的激光脉冲可以是由通过激光器布置结构100发射的变换后激光150撞击物体300引起的。变换后激光150的一部分被物体300反射，使得反射激光202通过将接收激光成像到检测器221的光学装置240(例如，透镜或透镜布置结构)接收。反射激光202在检测器221中产生相应的电信号。电驱动器230可以被布置为能够电驱动VCSEL阵列110或可选地分开地电驱动每个VCSEL 130或可选地分开地电驱动激光器布置结构100的VCSEL 130的子组。控制器250与电驱动器230连接，以控制例如通过VCSEL阵列110发射的激光脉冲的开始和停止时间。控制器250还与检测器221连接，以接收通过被检测器221检测的反射激光202引起的电信号。飞行时间相机200还包括可选接口235，以传输通过相应VCSEL 130或成组的VCSEL发射的变换后激光150的开始和停止时间以及通过反射激光202引起的电信号的接收时间。传输的数据可以用于计算激光10的飞行时间，因此可以计算飞行时间相机200与物体300之间的距离。飞行时间相机200可以替代地包括与控制器250电连接的分析评估器(未示出)(或可以包括控制器250或可以被控制器250所包括)，以确定到物体的距离。若干距离测量可以用于确定物体300的速度或甚至加速度。
图11示出了制造VCSEL阵列100的方法的工艺流程的原理简图。在步骤410中，设置半导体基体101。半导体基体101是半导体晶片的一部分。在随后的步骤420中，设置VCSEL阵列。VCSEL阵列110包括在半导体基体101的第一侧上的多个VCSEL 130。每个VCSEL 130的特征在于在相应VCSEL 130的操作期间具有发射锥体。在步骤430中，设置光学结构140。在步骤440中，将光学结构140适配或布置为能够将通过VCSEL 130发射的激光变换为变换后激光150，使得被至少一组VCSEL 130的发射锥体所包括的激光10的重叠在限定视场中增大。
限定的照射图案的强度的％变化可以指的是视场中的强度的标准偏差或方差与视场中的平均强度的比。限定的照射图案的强度的％变化可以指的是在视场中照射图案的最大强度和最小强度之间的相对差。相对差可以被确定为最大值与最小值之差除以最大值或最小值。
尽管已经在附图和前述描述中详细示出和描述了本发明，但是这样的示出和描述应被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的。
通过阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这样的修改可以包括本领域中已知的并且可以代替或附加于已经在此描述的特征使用的其他特征。
通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，而单数形式不排除多个元件或步骤。特定措施被记载在相互不同的从属权利要求中的这个事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。
附图标记列表：
10 激光
21 第一参考图案
23 第二参考图案
25 第三参考图案
41 现有技术扩散器对相对于现有技术扩散器的表面法线在0°的角度下的完全准直激光进行扩散的强度分布
43 现有技术扩散器对相对于现有技术扩散器的表面法线在10°的角度下的完全准直激光进行扩散的强度分布
51 强度
53 角度
55 视场的在一个方向上的角度延展(θ1)
57 θ2/2(激光的半发散角)
59 α/2(斜坡角度减半)
61 现有技术的强度分布
63 改善的强度分布
100 激光器布置结构
110 激光器(例如，VCSEL)阵列
101 半导体基体
130 激光器(例如，VCSEL)
135 扩散激光的发射锥体
140 光学结构
141 角度延伸部
143 角度减小部
144 扩散器
144a 第一区段
144b 第二区段
144’ 现有技术扩散器
145 扩散器的光出射区域的表面法线
146 光学装置
147 h(光学装置的高度)
148 倾斜角(θG)
149 光出射区域
150 变换后激光
200 飞行时间相机
202 反射激光
221 光检测器
230 电驱动器
235 接口
240 光学装置
250 控制器
300 物体
410 设置基体的步骤
420 设置VCSEL阵列的步骤
430 设置光学结构的步骤
440 布置光学结构的步骤
θ 发散角

Claims (15)

1.一种激光器布置结构(100)，所述激光器布置结构(100)包括激光器阵列(110)和用于在限定视场中提供限定照射图案的光学结构(140)，其中，光学结构(140)包括扩散器(144)，扩散器(144)被布置为能够改变通过被激光器阵列(110)所包括的垂直腔面发射激光器(130)发射的激光(10)的分布，其中，每个激光器(130)的特征在于具有发射锥体，其中，光学结构(140)被布置为能够将激光(10)变换为变换后激光(150)，使得与被布置为能够将完全准直激光扩散为视场中的平顶强度轮廓的扩散器相比，被激光器(130)中的至少一组激光器(130)的发射锥体所包括的激光(10)的重叠在视场中增大，其中，光学结构(140)被布置为能够将在发射锥体的大角度处发射的激光(10)重新定向到视场。
2.根据权利要求1所述的激光器布置结构(100)，其中，光学结构(140)被布置为能够增大发射的激光在视场中的重叠，使得所述限定照射图案的强度在视场中变化小于20％、特别是小于10％、特别是小于5％。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的激光器布置结构(100)，其中，光学结构(140)被布置为能够沿着视场的方向提供强度轮廓的斜坡角度α，其中，斜坡角度α小于激光在视场的方向上的发散角。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的激光器布置结构(100)，其中，扩散器(144)被布置为能够将激光(10)变换为变换后激光(150)。
5.根据权利要求4所述的激光器布置结构(100)，其中，每个发射锥体的特征在于最大发散角，其中，扩散器(144)被布置在距激光器(130)的发光表面以下距离处：所述距离使得激光器(130)的发射锥体在扩散器(144)的平面中不重叠，其中，扩散器(144)针对每个激光器(130)包括至少两个不同区段，其中，所述至少两个不同区段的特征在于不同的扩散器结构，其中，每个区段被布置为能够将通过相应激光器(130)区段接收的激光(10)定向到视场。
6.根据权利要求5所述的激光器布置结构(100)，其中，扩散器(144)的每个区段被布置为能够根据在相应发射锥体内的激光(10)的相对于扩散器(144)的光出射区域(149)的表面法线(145)的角度将通过相应区段接收的激光(10)重新定向在所述表面法线(145)的方向上，使得变换后激光(150)在视场中的重叠增大。
7.根据权利要求6所述的激光器布置结构(100)，其中，扩散器(144)的每个区段被布置为使得重新定向的程度随着在相应发射锥体内的发射的激光(10)相对于所述表面法线(145)的角度增大而增大。
8.根据权利要求4所述的激光器布置结构(100)，其中，扩散器(144)被布置在距激光器(130)的发光表面以下距离处：所述距离使得多个激光器(130)的发射锥体重叠，其中，扩散器(144)包括至少两个不同区段，其中，每个区段被布置为能够将通过相应区段接收的激光(10)重新定向到视场。
9.根据权利要求8所述的激光器布置结构(100)，其中，距激光器(130)的发光表面的距离使得扩散器(144)的每个区段接收来自激光器阵列(10)的在相对于扩散器(144)的光出射区域的表面法线(145)的预定角度范围内的激光(10)。
10.根据权利要求1、2和3中的任一项所述的激光器布置结构(100)，其中，光学结构(140)还包括光学装置(146)，其中，扩散器(144)被布置为能够对从激光器(130)接收的激光(10)进行扩散，其中，扩散器(144)具有光出射区域(149)，扩散的激光通过光出射区域(149)离开扩散器(144)，其中，光学装置(146)包括用于接收扩散激光的光入射窗，其中，光学装置(146)被布置为能够将扩散的激光重新定向到视场，使得激光(10)被变换为变换后激光(150)。
11.根据权利要求10所述的激光器布置结构(100)，其中，光学装置(146)包括倾斜反射镜，其中，倾斜反射镜的倾斜角相对于所述表面法线(145)来限定，其中，倾斜角被布置为能够提供所述限定照射图案的强度。
12.根据权利要求11所述的激光器布置结构(100)，其中，每个发射锥体的特征在于具有最大发散角θ2，其中，视场的在最大发散角θ2的方向上的延展的角度通过θ1给定，其中，倾斜角在最大发散角θ2的方向上通过θG＝θ1/2+/-5°给定。
13.一种发光装置，所述发光装置包括至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的激光器布置结构(100)以及用于向激光器布置结构提供驱动电流的电驱动器(230)。
14.一种飞行时间相机，所述飞行时间相机包括根据权利要求13所述的发光装置以及用于检测被物体(300)反射的变换后激光(150)的光检测器(221)，其中，分析评估器被布置为能够借助于通过光检测器(221)检测的变换后激光(150)确定距物体(300)的距离。
15.一种制造激光器布置结构(100)的方法，所述方法包括以下步骤：
设置半导体基体(101)，
在半导体基体(101)的第一表面上设置包括多个激光器(130)的激光器阵列(110)，其中，每个激光器(130)的特征在于具有发射锥体，
设置光学结构(140)，
布置光学结构(140)，以将通过激光器(130)发射的激光(10)变换为变换后激光(150)，使得与被布置为能够将完全准直激光扩散为视场中的平顶强度轮廓的扩散器相比，被激光器(130)中的至少一组激光器的发射锥体所包括的激光(10)的重叠在限定视场中增大，其中，光学结构(140)被布置为能够将在发射锥体的大角度处发射的激光(10)重新定向到视场。
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