CN112514179A - 具有减小的构建高度的激光器布置结构 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了激光器布置结构(100)，所述激光器布置结构包括激光器阵列和光学布置结构，其中，激光器阵列包括以第一规则图案布置的多个激光器(130)，其中，每个激光器(130)被布置为能够发射在垂直于第一光轴的至少一个方向上围绕第一光轴相对于第一光轴具有发散角θ/2的相同的激光发射轮廓，其中，光学布置结构包括扩散器(140)，其中，扩散器(140)包括以第二规则图案布置的光学元件(21)的阵列，其中，每个光学元件(21)包括第二光轴，其中，每个光学元件(21)被布置为如果通过相应的光学元件(21)的每个表面元件在限定的角度范围内接收到激光(10)，则能够提供在限定的视场(160)中的参考平面中沿着至少一个第一照明轴线(33)的限定照明图案，其中，所述限定的角度范围小于或等于相对于第二光轴在‑θ至+θ之间的角度范围、优选地在‑θ/2至+θ/2之间的角度范围，其中，激光器(130)和光学元件(21)相对于彼此布置为使得扩散器(140)将从激光器(130)接收的激光(10)变换为变换的光(150)，其中，变换的光(150)在所述限定的视场(160)中的所述参考平面中沿着第一照明轴线(33)的发射特性的特征在于具有与所述限定照明图案相同的特性。本发明进一步描述了一种包括这样的激光器布置结构(100)的照明装置以及包括这样的激光器布置结构(100)或照明装置的飞行时间相机(200)。本发明最后描述了一种制造激光器布置结构(100)的方法。

Description

具有减小的构建高度的激光器布置结构
技术领域
本发明涉及一种包括激光器阵列、特别是垂直腔面发射激光器(VCSEL：VerticalCavity Surface Emitting Laser)阵列和扩散器的激光器布置结构、包括这样的激光器或VCSEL阵列的发光装置、包括这样的激光器布置结构或照明装置的飞行时间相机以及制造激光器布置结构的方法。
背景技术
包括激光器、特别是VCSEL阵列的激光器布置结构可以用于红外照明装置。VCSEL阵列例如应用在使用短脉冲的飞行时间应用中。这样的应用包括例如用于便携式装置的近距离手势识别以及3D空间识别。对于这样的应用，讨论输出功率在1-10W范围内的面积约1mm2的VCSEL阵列。特定的照明视场或视野根据应用来限定(例如，飞行时间相机观察70°×50°)。使用特定的扩散器结构，以根据应用的要求来调整发射图案。大多数基于VCSEL的照明模块使用折射扩散器。
在这方面，US2004/130790A1公开了一种微透镜阵列，所述微透镜阵列被限定具有微透镜元件，所述微透镜元件根据用于在期望的远场散射图案内成形具有规定的强度轮廓的光束的概率分布而彼此不同。差异包括与微透镜的表面形状相对应的下凹轮廓的随机变化、与微透镜的边界相对应的边界轮廓以及与阵列内的微透镜的相对位置相对应的空间分布。
US2008/0273557A1公开了一种用于修改通过激光器的阵列发射的光束的相位板和透镜。
WO2011/021140A8公开了一种激光器装置，所述激光器装置包括若干个大面积VCSEL的阵列以及用于将VCSEL的有源层成像到工作平面的一个或若干个光学器件。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有减小的构建高度的激光器布置结构。
本发明在独立权利要求中描述。优选的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，提供了一种激光器布置结构。所述激光器布置结构包括激光器阵列和光学布置结构。激光器阵列包括以第一规则图案(例如，线性图案、矩形图案等)布置的多个激光器。每个激光器被布置为能够发射在垂直于第一光轴的至少一个方向上围绕第一光轴相对于第一光轴具有发散角θ/2(其中，θ为激光发射轮廓在所述至少一个方向上的全宽半最大-FWHM给出的全发散角)的相同的激光发射轮廓。激光发射轮廓的特征可以在于具有在例如两个垂直的方向上的两个不同的全发散角(例如，椭圆光束)。光学布置结构包括扩散器。扩散器包括以第二规则图案布置的光学元件的阵列。每个光学元件包括第二光轴。每个光学元件被布置为如果通过相应的光学元件的每个表面元件在限定的角度范围内接收到激光，则能够提供在限定的视场中的参考平面中沿着至少一个第一照明轴线的限定照明图案，其中，所述限定的角度范围小于或等于相对于第二光轴在-θ至+θ之间的角度范围、优选地在-θ/2至+θ/2之间的角度范围。根据一个特定实施例，每个光学元件可以被布置为如果接收到准直的激光(θ＝0)，则能够提供在限定的视场中的参考平面中沿着至少一个第一照明轴线的限定照明图案，其中，激光平行于第二光轴。激光器和光学元件相对于彼此布置为使得扩散器将从激光器接收的激光变换为变换的光。变换的光在所述限定的视场中的所述参考平面中沿着第一照明轴线的发射特性的特征在于具有与所述限定照明图案相同的特性。在所述限定的视场中的参考平面被布置为与激光布置结构相距限定的距离并且平行于激光器的光发射表面的平面。被光学元件的阵列所包括的光学元件可以例如是满足上面或下面给出的条件的单个圆锥透镜或结构不规则的光学器件(例如，包括两个透镜元件)。
如上面引用的US2004/130790A1中所描述的现有技术的扩散器使用微透镜的随机排列(直径、偏心和位置上的随机)，以从相干、准直光束实现期望的光束图案(例如，均匀照明100°×80°的矩形)。光束必须照明扩散器的最小区域，以照明足够的微透镜，以具有足够的随机化。光束太小将导致不均匀，这是因为只有具有某些形状的透镜被照明，而具有其他形状的透镜不被照明。如果扩散器安装在非常靠近激光器阵列(例如，VCSEL)的位置，则不均匀性也会发生，这是因为每个透镜在某些特定角度下被一个或几个激光器照明，或者在极端情况下，透镜的某些部分完全未被照明。对于应用、诸如以在智能手机中的应用为例，激光器布置结构的低的构建高度是关键的边界条件，因此激光器与扩散器之间的大距离可能是不可能的。
所提出的激光器和光学元件的规则图案、光学元件的特定形状以及规则图案相对于彼此的相对放置具有不必照明大量不同结构的扩散器的效果，以在预期的视场中获得均匀的照明轮廓。因此，可以将扩散器放置在非常靠近激光器阵列的位置，以使通过激光器发射的激光的发射锥(其特征在于具有通过发射的激光的强度分布的全宽半最大-FWHM给出的全发散角θ)之间在激光开始与扩散器相互作用的平面上仅存在微小的重叠甚至没有重叠。单个激光器的发射锥例如可以仅与下一激光器和下下一激光器的发射锥重叠、仅与下一激光器的发射锥重叠、或者甚至不与相邻激光器的发射锥重叠。激光器阵列和扩散器之间的相应距离取决于两个相邻激光器之间的间距和全发散角。例如，在VCSEL阵列的情况下，间距可以在30μm至50μm之间、优选地为40μm，并且在空气中的全发散角可以为约20°。激光器的光发射表面与光学元件的与光学元件的接收激光的一侧相反的表面之间的距离可以例如小于300μm、优选地小于200μm、最优选地小于100μm。
与所述限定照明图案相比，取决于全发散角的尺寸，发射特性可能会被抹去。所述限定照明图案由于以下事实引起：光学元件或更具体地一个光学元件的表面元件接收以全发散角限制的不同角度下的激光。如果全发散角等于视场角的一半，例如视场角的特征可以在于具有角度为70°×50°、100°×80°等，则在变换的光的发射特性中不再可见所述限定照明图案的特征。因此，在这种情况下，全发散角可以小于30°、更优选地小于25°、最优选地小于21°，以使得将通过与单个激光器对正的单个光学元件发射的所述限定照明图案的特征不改变(例如，在限定的角度范围内在所述限定的视场中沿着一个轴线基本上平坦的强度分布)。如果扩散器接收准直的激光，则发射特性可以基本相同。光学元件设计为使得光学元件的孔径例如可以被选择为使得激光器的其他圆形输出可以借助于扩散器裁切为具有期望的水平-垂直视场的纵横比的矩形光束。
激光器布置结构可以优选地被布置为使得变换的光的发射特性相对于激光器和光学元件之间的横向偏移是基本不变的。横向偏移平行于第一照明轴线。横向偏移受扩散器的横向延伸的限制。通过激光器阵列发射的所有激光必须通过扩散器进行转换。激光器布置结构优选地被布置为使得只要发射的激光基本上被扩散器完全变换，则变换的激光的发射特性相对于平行于参考平面的横向偏移是不变的。因为可以简化激光器和光学元件的规则图案的横向对正，所以激光器布置结构可以简化扩散器的安装。根据扩散器的横向尺寸，能接受几微米(例如，5μm或10μm)的横向偏移。
激光器布置结构被布置为使得包括至少n个激光器的至少一个第一行激光器沿着平行于第一照明轴线的第一轴线以间距p布置。包括至少m个光学元件的至少一个第一行光学元件平行于第一轴线布置。每个光学元件的特征在于具有平行于第一轴线的直径L。每个光学元件在与相邻光学元件物理接触的生产公差范围内，使得平行于第一轴线的第一行光学元件的总长度通过光学元件的数量乘以直径L给出。第一行光学元件布置为能够在第一行激光器的操作期间从第一行激光器接收激光。通过激光器发射的激光在光学元件的参考平面中沿着第一轴线的直径通过Ф给出。所述n个激光器和所述m个光学元件满足条件n*p＝m*L(“间距匹配条件”)，其中，偏差小于+/-5％、更优选地小于+/-2％、最优选地小于+/-1％。如果第一光轴与第二光轴共线，则光学元件的参考平面通过包括光学元件的被激光器的激光的圆锥体照明的点的平面限定。因此，光学元件的参考平面平行于参考平面以及视场和激光器阵列的平面。参考平面限定激光器的光发射表面与扩散器之间的距离d。
条件n*p＝m*L的效果是，对于横向位移，如果扩散器相对于激光器布置在距离d处，使得激光束(优选地，在两个方向上)照明整个光学元件或光学元件的整数倍，则光的恰好例如在光学元件(光学元件1)的左侧部分上损失的一部分在恰好同一部分上碰撞相邻的光学元件m+1。
在这种情况下，直径Ф可以满足条件k*Ф＝L，其中，k为正整数。因此，在一侧(未碰撞光学元件1)上损失的激光在另一侧(碰撞光学元件m+1)上进入。
例如，直径Ф可以在准直的激光(θ＝0)的情况下通过相应激光器的孔径(发光面积)给出或者通过相应激光器的孔径结合距离d和激光器的全发散角θ根据Ф＝2*d*tan(θ/2)给出。对于小角度θ，该式可以用Ф＝d*θ替换。如果与距离d相比，激光器的光发射表面的延伸是小的，则该式有效，否则直径Ф必须通过高斯光束传播来计算。优选地，n和m不相等，但相差整数，则扩散器较小依赖于激光器的全发散角。
如果每个间距使相应得激光器的位置相对于相应的光学元件的边缘沿着第一轴线偏移距离Δ≠0μm(k*Ф≠L)，则第一行激光器的激光器和第一行光学元件的光学元件可以替代地满足条件L＝Ф/j+p，其中，j为正整数或负整数。对于L>p(小光束)，参数j是正整数(j＝1，2，3…)，对于L<p(大光束)，参数j是负整数(j＝-1，-2，-3…)。所谓的“重复条件”L＝Ф/j+p基于Ф＝j*Δ，其中，Δ＝L-p，其中，偏差小于+/-5％、更优选地小于+/-2％、最优选地小于+/-1％。
光学元件直径L可以在2μm至100μm之间、优选地在4μm至70μm之间、最优选地在6μm至50μm之间。如果形状被保持，则光学元件的直径几乎可以任意缩放。然而，在特定直径以下，衍射效应将开始占主导地位，因此应避免使用直径小于2μm的结构。
激光发射轮廓可以围绕第一光轴圆形对称(激光发射轮廓的特征在于具有仅一个全发散角θ)。圆形对称发射轮廓可以简化用于二维激光器阵列的扩散器的设计。激光器可以是例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)。VCSEL布置在公共基体上。公共基体可以例如是在其上加工VCSEL的砷化镓生长基体。
激光器可以是被布置为能够将激光发射穿过基体的底部发射VCSEL。在该实施例中，扩散器设置在(半导体)基体的与基体的其上设置(例如沉积)VCSEL的一侧相反的表面上。扩散器可以设置在结合到基体上的玻璃晶片上。例如，扩散器可以在结合到包括VCSEL阵列的(半导体)基体的晶片之前或之后蚀刻在玻璃晶片中。玻璃晶片可以例如胶粘到基体。
根据一个替代的实施例，扩散器可以被集成在VCSEL阵列的半导体结构、特别是基体中。半导体基体的高折射率(砷化镓n～3.5)使光学元件的轮廓相对平坦。此外，GaAs基体内的全发散角小于3°。小的发散角可以实现与所述限定照明图案几乎相同的发射特性。在将扩散器集成在半导体基体中之后，可以设置平坦化层。在这种情况下，VCSEL的发射波长大于900nm、优选地大于950nm，以限制砷化镓基体内的吸收损耗。
激光器可以替代地是被布置为能够在远离基体的方向上发射激光的顶部发射VCSEL。扩散器包括设置在基体的在其上设置VCSEL的一侧的顶部上的材料。该材料在激光的波长范围内(例如，在750nm至1200nm之间的波长范围内)是透明的。透明材料可以是如下所述的可UV或蓝光固化的光学聚合物。透明材料可以设置在VCSEL的台面的顶部上。替代地，可以设置平坦化层，以在例如单个VCSEL的发光区域的水平处设置基本平坦的表面。扩散器的透明材料可以沉积在平坦化层的顶部上。
光学布置结构还可以包括布置在激光器和扩散器之间的光学准直结构。光学准直结构被布置为能够使激光准直，以使扩散器将准直的激光变换为变换的激光。借助于光学元件阵列的激光的准直还可以改善变换的激光的发射特性，所述光学元件阵列例如被集成在基体(底部发射器)中或设置在VCSEL的半导体层的顶部上。
根据第二方面，提供一种发光装置。发光装置包括至少一个如上所述的激光器布置结构和用于电驱动激光器阵列的激光器的电驱动器。发光装置还可以包括用于提供用于控制电驱动器的控制信号的控制器。控制器可以例如包括用于存储数据的存储装置和用于执行被存储的数据所包括的指令的处理装置。存储的数据可以例如包括向被激光器阵列所包括的激光器或激光器组提供电驱动电流的顺序。
激光器布置结构或照明装置可以用于消费类装置(例如，智能手机)、车辆以及大功率工业应用中，以支持：
消费类和便携式应用，例如智能手机、膝上型电脑、平板电脑……中的手势界面或3D扫描仪
用户界面或室内导航，适用于机器人、体育、工业、照明、……
汽车中程检测(停车辅助、安全城市驾驶)的高端产品，
大功率工业应用。
根据第三方面，提供一种飞行时间相机。飞行时间相机包括根据上述任意实施例的激光器布置结构或发光装置、光检测器以及分析评估器。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的激光来确定到物体的距离。
根据第四方面，提供一种制造根据上述任意实施例的激光器布置结构的方法。所述方法包括以下步骤：
设置激光器阵列，其中，激光器阵列包括以第一规则图案布置的多个激光器，其中，每个激光器被布置为能够发射在垂直于第一光轴的至少一个方向上围绕第一光轴相对于第一光轴具有发散角θ/2的相同的激光发射轮廓，
设置光学布置结构，其中，光学布置结构包括扩散器，其中，扩散器包括以第二规则图案布置的光学元件的阵列，其中，每个光学元件包括第二光轴，
将每个光学元件布置为如果通过相应的光学元件的每个表面元件在限定的角度范围内接收到激光，则能够提供在限定的视场中的参考平面中沿着至少一个第一照明轴线的限定照明图案，其中，所述限定的角度范围小于或等于相对于第二光轴在-θ至+θ之间的角度范围、优选地在-θ/2至+θ/2之间的角度范围，
将激光器和光学元件相对于彼此布置为使得扩散器将从激光器接收的激光变换为变换的光，其中，变换的光在所述限定的视场中的所述参考平面中沿着第一照明轴线的发射特性的特征在于具有与所述限定照明图案相同的特性。
设置激光器阵列的步骤可以包括设置基体的步骤和在基体上设置多个VCSEL的后续步骤。可以在加工激光器之后去除基体。
这些步骤不一定按照上面给出的顺序执行。所述方法可以包括制造上述任意激光器布置结构的步骤。
扩散器可以通过若干方法来设置，所述若干方法中包括蚀刻、柔性垫压印光刻、随后进行蚀刻、晶片上的主结构的UV复制、然后进行半导体基体中复制结构的蚀刻转移等。此外，可以使用包括多个扩散器的玻璃晶片到例如包括多个基体的半导体晶片的晶片结合。替代地，可以设置可固化的聚合物，然后借助于加工光(例如，UV或蓝光)进行加工。例如，在WO2017/055160A1的第2页第2行至第5页第19行中描述了这样的处理的细节。此外，图2-10和第9页第20行至第11页第20行的相应描述提供了这样的过程的具体示例。WO2017/055160A1的公开内容通过引用并入。
扩散器可以被平坦化层覆盖。平坦化层的特征在于具有比扩散器的材料低的折射率。可以相对于平坦化层的折射率来设计扩散器，以提供期望的照明图案。平坦化层可用于平滑通过扩散器引起的表面不规则。平坦化层可以包括诸如硅树脂、环氧树脂、聚酰亚胺、SiN等的材料。扩散器的折射率与平坦化层的折射率之间的差必须足以为多个应用提供照明图案。平坦化层可以保护扩散器并且可以简化进一步的加工步骤。
应当理解，权利要求1-12的激光器布置结构、权利要求13的发光装置和权利要求15的方法具有相似和/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。
应当理解，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。
下面限定其他有利的实施例。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得显而易见并得到阐明。
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示出了被扩散器所包括的光学元件的原理简图。
图2示出了图1中所示的光学元件的辐照度。
图3示出了第一激光器布置结构的原理简图。
图4示出了第二激光器布置结构的一部分的原理简图。
图5示出了第三激光器布置结构的原理简图。
图6示出了第三激光器布置结构的辐照度。
图7示出了第四激光器布置结构的原理简图。
图8示出了不符合本发明的第五激光器布置结构的原理简图。
图9示出了第四激光器布置结构和第五激光器布置结构之间的比较。
图10示出了第五激光器布置结构的辐照度。
图11示出了第六激光器布置结构的原理简图。
图12示出了第七激光器布置结构的原理简图。
图13示出了飞行时间相机的原理简图。
图14示出了制造激光器布置结构的方法的原理简图。
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种实施例。
图1示出了被扩散器140所包括的光学元件21的原理简图。光学元件的直径L为0.042mm。圆柱形的光学元件21被布置为能够将准直激光10变换为变换的光150。特别地，圆柱形的光学元件21被优化为能够产生具有128°的FWHM的角度分布。图2示出了图1中所示的光学元件的对应的辐照度41。视场中的参考平面160上的空间分布(辐照度)被优化为使得强度35对于沿着第一照明轴线33平行或准直的激光束是平坦的。该光学元件21或缩放版本(改变光学元件的直径L但保持形状)针对准直激光10而优化，并且可以用在所有激光器布置结构100的扩散器140中，以将激光10变换为变换的激光150，使得变换的光150的在限定的视场中的参考平面160中沿着第一照明轴线33的发射特性(例如，参见图6，辐照度42)的特征在于具有与单个光学元件21的辐照度41相同的特性。针对准直激光10而优化的光学元件21可以在具有以最大发散角θ≠0为特征的激光发射轮廓的激光10引起发射特性的轻微扩展的情况下使用。因此，光学元件21可以稍微适应于被一个光学元件21的表面元件所接收的角度范围。光学元件21的设计特别是可以适应于在第一光轴和第二光轴的平行布置结构中在最大角度下接收激光的外部区域中。后者可以是特别有用的，其中，例如针对准直激光的优化会引起全内反射(例如，光学元件包括具有高折射率的基体)，这可能导致高的光学损失。
与图6中给出的示例相比，单个光学元件21可以适应于提供不同的照明图案(例如，在照明图案的边缘处的强度有所增大)。于是，这种形状不同的光学元件21可以在应提供变换的光150的所有激光器布置结构100中使用，所述变换的光150的特征在于具有与光学元件21的限定照明图案基本相同的特性(例如，在视场的边缘处的强度有所增大)。
图3示出了包括激光器130的阵列和扩散器140的第一激光器布置结构的原理简图，所述扩散器140包括光学元件21的阵列。第一激光器布置结构被示出，以说明所谓的间距匹配条件。第一激光器布置结构包括布置在与图3的平面垂直的XY平面中的二维激光器阵列。第一激光器布置结构被布置为使得在X方向和Y方向二者上，选择的设计必须满足以下条件：
n*p＝m*L， (1)
其中，p是激光器130之间的间距，n是在该方向上的激光器130的数量，而L是光学元件直径或间距的尺寸。在当前情况下，光学元件间距等于光学元件孔径。光学元件21的数量以m表示。换句话说，如果激光器阵列的尺寸为X＝n_x*p_x，则光学元件的直径L和数量应选择为使得整数个光学元件21具有基本相同的长度L_X(+/-5％、优选地+/-2％、更优选地+/-1％)。对于另一尺寸Y，应满足相同的条件，但是激光器130的数量和间距可以不同。在L_X固定后，L_Y通过期望的光束轮廓的水平竖直纵横比来确定。优选地，n和m不相等，而是偏差一个整数，则扩散器140较少地依赖于激光器130的全发散角。Ф是激光10的直径或通过激光器130发射的光束尺寸。在该实施例中，激光器130发射平行的激光束(准直激光)。因此，直径Ф与激光器130的光发射表面的横向延伸相同。
图4示出了第二激光器布置结构的一部分的原理简图，其中，激光器(例如，VCSEL)发射具有全发散角θ的激光。距光学元件21的参考平面的距离为d处的光束尺寸或直径近似地通过Ф＝d*θ给定。光学元件21的参考平面或更具体地说是激光器阵列的参考平面通过激光器130的点限定，发射的激光的呈图4中描绘的对称布置结构(激光器130的光轴与光学元件21的光轴对正)的发射锥在所述点处进入光学元件。如果扩散器140布置在距激光器的距离d处，则条件n*p＝m*L是足够的，激光束(在两个方向上)照明整个光学元件或光学元件的整数倍，Ф＝k*L(+/-5％、优选地+/-2％、更优选地+/-1％)，其中，k是正整数。如果不满足后一个条件，则除了间距匹配条件之外，还必须满足所谓的“重复条件”。每个激光器间距使激光相对于光学元件的边缘的位置偏移所谓的样品间距Δ(参见图3)。
Δ＝L-p (2)
假设在n个激光器之后，激光器相对于光学元件的边缘的位置相同。这意味着位置偏移的距离等于(n-m)倍的光学元件直径的绝对值。
n·Δ＝L(n-m) (3)
光学元件。在达到此条件后，图案重复。
如果光束直径Ф使得其例如比样品间距Δ稍大，则填充满但是不均匀(Ф≠k*L)。将具有光为一等级的区域，而在重叠区域，其为两倍。这样将产生一致的背景，其中，顶部有尖峰。在这种情况下，变换的光的发射特性将不同于例如图2中所示的限定照明图案的特性。
为了获得均匀的填充，光束直径Ф需要使得光束直径Ф等于样品间距Δ的整数j倍(+/-5％、优选地+/-2％、更优选地+/-1％)
Ф＝j·Δ (4)
对于L>p(小光束)，j是正整数(j＝1，2，3...)，对于L<p(大光束)，j是负整数(j＝-1，-2，-3...)。j的值可以取决于激光器的数量n和光学元件的数量m，特别是取决于n和m之间的差。
因为光束直径Ф通过光束发散角以及光学元件阵列与VCSEL阵列之间的最小安装距离来确定，所以光束直径Ф是固定的。此外，如上所讨论的，p和n是固定的。因此，Ф、p和n是已知且固定的。对于光学元件，直径L通过使用(2)和(4)保持，从而得到“重复条件”：
Figure BDA0002899895780000111
一般地，数量m和j越大，在任意的横向对正以及距离d和激光散度θ的公差下实现均匀的强度轮廓越容易和可靠。
只要满足两个条件，则可以使激光器130和光学元件21具有非矩形布置结构。
只要在每个子阵列中满足条件，则也可以改变不同子阵列中的参数。如果希望具有强度朝向大角度增大的径向轮廓，则这是感兴趣的。
此外，图1中所示的光学元件21可以可选地被具有较小下凹的两个透镜(自由形式的光学器件)来代替，一个透镜具有非常高的圆锥常数(使得其几乎像锥透镜一样)，而另一个透镜可以是平面镜。在这种情况下，自由形式的光学器件的总延伸长度限定直径L。
关于图5至图10示出和讨论了本发明的借助于光学模拟的条件的示例。模拟通过光线追迹程序Zemax执行。
图5示出了第三激光器布置结构100的原理简图。被激光器阵列(未示出)所包括的激光器130的特征在于间距p＝0.04mm、在扩散器140的参考平面处的激光束的直径Ф＝0.04mm以及n＝10个激光器130。扩散器140包括具有光学元件直径L＝0.04mm的m＝10个光学元件21。满足间距匹配条件n*p＝m*L＝0.4mm。样品间距为Δ＝0。光束直径为Ф＝L＝0.04mm，从而不需要满足重复条件。每个光学元件21的特征在于具有关于图1和图2讨论的优化形状。在激光器130和扩散器140之间没有横向偏移。图6示出了第三激光器布置结构100的辐照度。如关于图2所讨论的，在视场160中的参考平面上的空间分布(辐照度)42使得强度35对于视场中的沿着第一照明轴线33的平行或准直的激光束是平坦的。显然地，第三激光器布置结构100的辐照度42的特征在于具有与关于图1和图2讨论的单个光学元件21的辐照度41相同的特性(平顶轮廓)。图7示出了第四激光器布置结构100的原理简图。被激光器阵列(未示出)所包括的激光器130的特征在于间距p＝0.03636mm、在扩散器140的参考平面处的激光束的直径Ф＝0.03636mm以及n＝11个激光器130。扩散器140包括具有光学元件直径L＝0.04mm的m＝10个光学元件21。满足间距匹配条件n*p＝m*L＝0.4mm。样品间距为Δ＝0.00364。参数j为10，使得满足重复条件。光束直径Ф小于光学元件直径L，使得j为正整数。每个光学元件21的特征在于具有相对于图1和图2讨论的优化形状。激光器阵列和扩散器相对于彼此横向偏移0.002mm。间距匹配条件n*p＝m*L＝0.4mm，并且满足重复条件，使得辐照度与关于图6所讨论的基本上相同。
图8示出了不符合本发明的第五激光器布置结构的原理简图。被激光器阵列(未示出)所包括的激光器130的特征在于具有间距p＝0.03636mm、在扩散器140的参考平面处的激光束的直径为Ф＝0.03636mm以及n＝10个激光器130。扩散器140包括具有光学元件直径L＝0.04mm的m＝10个光学元件21。样品间距为Δ＝0.00364。参数j为10，使得满足重复条件。光束直径Ф小于光学元件直径L，使得j为正整数。每个光学元件21的特征在于具有关于图1和图2讨论的优化形状。激光器阵列和扩散器相对于彼此横向偏移-0.003mm。图9示出了第四激光器布置结构100和第五激光器布置结构之间的比较。被第五激光器布置结构所包括的激光器阵列包括比被第四激光器布置结构100所包括的激光器阵列少一个的激光器130，使得不满足间距匹配条件n*p＝m*L而满足重复条件。因此，图10中所示的辐照度43的特性不同于图2中所示的单个光学元件21的辐照度。辐照度43在右侧示出增大的强度35，因此受到干扰。借助于进一步的仿真可以表明，只要不满足条件中的一个，则辐照度会受到干扰。干扰的种类取决于不满足哪一个条件，例如取决于光学元件直径和光束直径之间的关系(更大或更小)。
图11示出了第六激光器布置结构100的原理简图。剖面示出了具有九个VCSEL的一个示例。VCSEL将激光10发射通过半导体基体101(底部发射器)。扩散器140的特征在于具有半导体基体101的一个表面。n＝3.5的GaAs半导体基体101的高折射率使得被扩散器140所包括的光学元件21的轮廓相当低。
图12示出了第七激光器布置结构100的原理简图。剖面横跨被激光器布置结构100所包括的VCSEL阵列中的VCSEL的线截取。示出了设置在半导体基体101的顶部上的九个顶部发射VCSEL的台面。每个VCSEL发射在空气中的全发散角为约20°的激光10。例如，如关于图5所述相似的，光学准直结构135被布置在激光器130和扩散器140之间。光学准直结构135包括微透镜阵列，所述微透镜阵列被布置为能够使激光10准直，使得扩散器140接收准直的激光。扩散器140使准直的激光变换，使得如关于图6所讨论的基本完美的平顶轮廓在视场160中的参考平面中沿着第一照明轴线33设置。
图13示出了飞行时间相机200的原理简图。飞行时间相机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还包括检测器221，所述检测器被布置为能够检测非常短的光脉冲。这样短的激光脉冲可以由通过被激光器布置结构100所包括的激光器或VCSEL阵列发射的变换的激光150碰撞物体300引起。变换的激光150的一部分被物体300反射，使得反射的激光202被光学装置240(例如，光学元件或光学元件布置结构)接收，所述光学装置将接收的激光成像或聚焦到检测器221。反射的激光202在检测器221中引起相应的电信号。电驱动器230可以被布置为能够电驱动激光器布置结构100的VCSEL阵列或可选地分开驱动每个VCSEL或VCSEL的子组。控制器250连接到电驱动器230，以控制例如通过VCSEL阵列发射的激光脉冲的开始时间和停止时间。控制器250还与检测器221连接，以接收通过被检测器221检测的反射的激光202所引起的电信号。飞行时间相机200还包括可选的接口235，以传输通过相应的VCSEL或VCSEL的组发射的变换的激光150的开始时间和停止时间以及通过反射的激光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的飞行时间以及由此的飞行时间相机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)(或者分析评估器可以包括控制器250或被控制器250包括)，以确定到物体的距离。若干个距离测量可以用于确定物体300的速度或甚至加速度。借助于激光器布置结构100提供的照明图案可以适合于光学装置240。例如，强度可以在照明图案的边缘处增大，以补偿光学装置240的光学损失。
图14示出了制造激光器布置结构100的方法的原理简图。在步骤410中，设置激光器阵列110。激光器阵列包括以第一规则图案布置的多个激光器130。每个激光器130被布置为能够在垂直于第一光轴的至少一个方向上相对于第一光轴以发散角θ/2围绕第一光轴发射相同的激光发射轮廓。在步骤420中，设置包括扩散器140的光学布置结构。扩散器140包括以第二规则图案布置的光学元件21的阵列。每个光学元件21包括第二光轴。在步骤430中，布置扩散器，使得如果通过相应光学元件21的每个表面元件在限定的角度范围内接收激光10，则每个光学元件21在限定的视场中的参考平面中沿着至少一个第一照明轴线提供限定照明图案，其中，限定的角度范围小于或等于相对于第二光轴的在-θ和+θ之间、优选地在-θ/2和+θ/2之间的角度范围。在步骤440中，布置激光器阵列和/或扩散器，使得激光器130和光学元件21相对于彼此定位为使得扩散器140将从激光器130接收的激光10变换为变换的光150。在限定的视场中的参考平面中沿着第一照明轴线的变换的光150的发射特性的特征在于具有与限定照明图案相同的特性。
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的或示例性的，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 光学元件
33 第一照明轴线(任意单位)
35 强度(任意单位)
41 单个光学元件的辐照度(空间分布)
42 激光器布置结构的辐照度(空间分布)
43 失真的辐照度
100 激光器布置结构
101 基体
130 激光器
135 光学准直结构
140 扩散器
150 变换的激光
200 飞行时间相机
202 反射的激光
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 设置激光器阵列的步骤
420 设置光学布置结构的步骤
430 布置扩散器的步骤
440 布置激光阵列的步骤
p 激光器间距
L 光学元件直径
Ф 激光锥的直径
d 激光器与扩散器之间的距离
Δ 样品间距

Claims (15)

1.一种激光器布置结构(100)，所述激光器布置结构包括激光器阵列和光学布置结构，其中，激光器阵列包括以第一规则图案布置的多个激光器(130)，其中，每个激光器(130)被布置为能够发射在垂直于第一光轴的至少一个方向上围绕第一光轴相对于第一光轴具有发散角θ/2的相同的激光发射轮廓，其中，光学布置结构包括扩散器(140)，其中，扩散器(140)包括以第二规则图案布置的光学元件(21)的阵列，其中，每个光学元件(21)包括第二光轴，其中，每个光学元件(21)被布置为如果通过相应的光学元件(21)的每个表面元件在限定的角度范围内接收到激光(10)，则能够提供在限定的视场(160)中的参考平面中沿着至少一个第一照明轴线(33)的限定照明图案，其中，所述限定的角度范围小于或等于相对于第二光轴在-θ至+θ之间的角度范围、优选地在-θ/2至+θ/2之间的角度范围，其中，激光器(130)和光学元件(21)相对于彼此布置为使得扩散器(140)将从激光器(130)接收的激光(10)变换为变换的光(150)，其中，变换的光(150)在所述限定的视场(160)中的所述参考平面中沿着第一照明轴线(33)的发射特性的特征在于具有与所述限定照明图案相同的特性，其中，包括至少n个激光器(130)的至少一个第一行激光器(130)沿着平行于第一照明轴线的第一轴线以激光器间距p布置，其中，包括至少m个光学元件(21)的至少一个第一行光学元件(21)平行于第一轴线布置，其中，每个光学元件(21)的特征在于具有平行于第一轴线的直径L，其中，每个光学元件(21)与相邻的光学元件(21)物理接触，使得平行于第一轴线的第一行光学元件(21)的总长度通过光学元件(21)的数量乘以直径L给出，其中，第一行光学元件(21)布置为能够在第一行激光器(130)操作期间从第一行激光器(130)接收激光(10)，其中，通过激光器(130)发射的激光(10)在光学元件的参考平面中沿着第一轴线的直径通过Ф给出，其中，所述n个激光器(130)和所述m个光学元件(21)满足条件n*p＝m*L，其中，偏差小于+/-5％。
2.根据权利要求1所述的激光器布置结构(100)，其中，变换的光(150)的发射特性相对于激光器(130)和光学元件(21)之间的横向偏移是不变的，其中，所述横向偏移平行于第一照明轴线。
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，激光器(130)的光发射表面与光学元件(21)的与光学元件(21)的接收激光(10)的一侧相反的表面之间的距离小于300μm、优选地小于200μm、最优选地小于100μm。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的激光器布置结构，其中，所述n个激光器(130)和所述m个光学元件(21)满足条件n*p＝m*L，其中，偏差小于+/-2％、更优选地小于+/-1％。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的激光器布置结构，其中，第一行激光器(130)的激光器(130)和第一行光学元件(21)的光学元件(21)满足条件k*Ф＝L，其中，k为正整数，其中，偏差小于+/-5％、更优选地小于+/-2％、最优选地小于+/-1％。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的激光器布置结构，其中，如果每个间距使相应的激光器(130)的位置相对于相应的光学元件(21)的边缘沿着第一轴线偏移距离Δ≠0μm，则第一行激光器(130)的激光器(130)和第一行光学元件(21)的光学元件(21)满足条件L＝Ф/j+p，其中，j为正整数或负整数，其中，偏差小于+/-5％、更优选地小于+/-2％、最优选地小于+/-1％。
7.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，激光发射轮廓围绕第一光轴圆形对称。
8.根据权利要求7所述的激光器布置结构(100)，其中，激光器是垂直腔面发射激光器，其中，垂直腔面发射激光器布置在公共基体(101)上。
9.根据权利要求8所述的激光器布置结构(100)，其中，垂直腔面发射激光器是底部发射的垂直腔面发射激光器，垂直腔面发射激光器被布置为能够穿过基体(101)发射激光(10)，其中，扩散器(140)设置在基体(101)的与基体的设置有垂直腔面发射激光器的一侧相反的表面上。
10.根据权利要求9所述的激光器布置结构(100)，其中，扩散器(140)被集成在基体(101)中。
11.根据权利要求8所述的激光器布置结构(100)，其中，垂直腔面发射激光器是顶部发射的垂直腔面发射激光器，垂直腔面发射激光器被布置为能够在远离基体(101)的方向上发射激光(10)，其中，扩散器(140)包括设置在基体的设置有垂直腔面发射激光器的一侧的顶部上的材料，其中，所述材料在激光(10)的波长范围内是透明的。
12.根据权利要求1至9中的任一项所述的激光器布置结构(100)，其中，光学布置结构包括布置在激光器(130)和扩散器(140)之间的光学准直结构(135)，其中，光学准直结构(135)被布置为能够使激光(10)准直，以使扩散器将准直的激光(10)变换为变换的激光(150)。
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)和用于向激光器(130)提供电驱动电流的电驱动器(230)。
14.一种飞行时间相机(200)，所述飞行时间相机包括根据权利要求13所述的发光装置或根据权利要求1-12中的任一项所述的激光器布置结构(100)、用于检测通过物体(300)反射的变换的激光(150)的光检测器(221)和分析评估器，其中，分析评估器被布置为能够借助于通过光检测器(221)检测的变换的激光(150)来确定到物体(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：
设置激光器阵列，其中，激光器阵列包括以第一规则图案布置的多个激光器(130)，其中，每个激光器(130)被布置为能够发射在垂直于第一光轴的至少一个方向上围绕第一光轴相对于第一光轴具有发散角θ/2的相同的激光发射轮廓，
设置光学布置结构，其中，光学布置结构包括扩散器(140)，其中，扩散器(140)包括以第二规则图案布置的光学元件(21)的阵列，其中，每个光学元件(21)包括第二光轴，
将每个光学元件(21)布置为如果通过相应的光学元件(21)的每个表面元件在限定的角度范围内接收到激光(10)，则能够提供在限定的视场(160)中的参考平面中沿着至少一个第一照明轴线(33)的限定照明图案，其中，所述限定的角度范围小于或等于相对于第二光轴在-θ至+θ之间的角度范围、优选地在-θ/2至+θ/2之间的角度范围，
将激光器(130)和光学元件(21)相对于彼此布置为使得扩散器(140)将从激光器(130)接收的激光(10)变换为变换的光(150)，其中，变换的光(150)在所述限定的视场(160)中的所述参考平面中沿着第一照明轴线(33)的发射特性的特征在于具有与所述限定照明图案相同的特性，
沿着平行于第一照明轴线的第一轴线以激光器间距p布置包括至少n个激光器(130)的至少一个第一行激光器(130)，平行于第一轴线布置包括至少m个光学元件(21)的至少一个第一行光学元件(21)，其中，每个光学元件(21)的特征在于具有平行于第一轴线的直径L，其中，每个光学元件(21)与相邻的光学元件(21)物理接触，使得平行于第一轴线的第一行光学元件(21)的总长度通过光学元件(21)的数量乘以直径L给出，并且，将第一行光学元件(21)布置为能够在第一行激光器(130)操作期间从第一行激光器(130)接收激光(10)，其中，通过激光器(130)发射的激光(10)在光学元件的参考平面中沿着第一轴线的直径通过Ф给出，其中，所述n个激光器(130)和所述m个光学元件(21)满足条件n*p＝m*L，其中，偏差小于+/-5％。
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