CN112970157A - 用于眼睛近场照明的垂直腔面发射激光器 - Google Patents

用于眼睛近场照明的垂直腔面发射激光器 Download PDF

Info

Publication number
CN112970157A
CN112970157A CN201980074040.1A CN201980074040A CN112970157A CN 112970157 A CN112970157 A CN 112970157A CN 201980074040 A CN201980074040 A CN 201980074040A CN 112970157 A CN112970157 A CN 112970157A
Authority
CN
China
Prior art keywords
vcsel
reflector
electrical contact
eye
disposed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201980074040.1A
Other languages
English (en)
Inventor
卡罗尔·康斯坦丁·哈奇利亚斯
克里斯托弗·元庭·廖
格雷戈里·欧雷格维奇·安德烈耶夫
保罗·阿门·切尔特基安
罗宾·夏尔马
安德鲁·约翰·欧德柯克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meta Platforms Technologies LLC
Original Assignee
Facebook Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Facebook Technologies LLC filed Critical Facebook Technologies LLC
Publication of CN112970157A publication Critical patent/CN112970157A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18344—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] characterized by the mesa, e.g. dimensions or shape of the mesa
    • H01S5/18347—Mesa comprising active layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
    • H01S5/18394—Apertures, e.g. defined by the shape of the upper electrode
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0179—Display position adjusting means not related to the information to be displayed
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/013—Eye tracking input arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04256—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration
    • H01S5/04257—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration having positive and negative electrodes on the same side of the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18344—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] characterized by the mesa, e.g. dimensions or shape of the mesa
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
    • H01S5/18388—Lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0179—Display position adjusting means not related to the information to be displayed
    • G02B2027/0187—Display position adjusting means not related to the information to be displayed slaved to motion of at least a part of the body of the user, e.g. head, eye
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/17—Semiconductor lasers comprising special layers
    • H01S2301/176—Specific passivation layers on surfaces other than the emission facet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

一种用于眼睛近场照明的垂直腔面发射激光器包括半导体衬底、第一反射器、台面区、第一电触点和第二电触点。第一反射器设置在半导体衬底的第一侧上，台面区设置在第一反射器上。台面区包括第二反射器和有源区，其中台面区被配置成产生发散的红外光束。第一电触点设置在半导体衬底的与第一侧相对的第二侧上，用于电耦合到第一反射器。第二电触点也设置在半导体衬底的第二侧上，用于电耦合到第二反射器。

Description

用于眼睛近场照明的垂直腔面发射激光器
背景
头戴式设备是一种可佩戴的电子设备，通常佩戴在用户的头部。头戴式设备可以包括一个或更多个电子组件，用于各种应用，例如游戏、航空、工程、医学、娱乐、活动跟踪等。一些头戴式设备可以执行眼睛跟踪，这可以增强用户的观看体验。在某些情况下，可以通过照亮用户的眼睛来辅助眼睛跟踪。因此，一些传统的头戴式设备可以包括眼睛跟踪系统，该系统包括照明源以及用于跟踪用户眼睛运动的照相机。
在某些情况下，垂直腔面发射激光器(VCSEL)可以用作眼睛跟踪系统的照明源。然而，传统的VCSEL结构通常是为眼睛跟踪以外的应用(例如光纤通信和激光打印机)而设计的。这些其他应用的设计要求通常导致VCSEL结构当并入到眼睛跟踪系统中时不是最佳的或者效率较低。
本发明涉及根据权利要求1所述的用于头戴式设备的用户的眼睛的近场照明的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，以及根据权利要求11和12所述的头戴式设备的眼睛跟踪系统。有利的实施例可以包括从属权利要求的特征。
因此，用于头戴式设备的用户眼睛的近场照明的垂直腔面发射激光器(VCSEL)包括半导体衬底和设置在半导体衬底的第一侧上的第一反射器。台面区设置在第一反射器上方，并被配置成产生发散的红外光束，其中台面区包括第二反射器和设置在第一反射器和第二反射器之间的有源区。第一电触点设置在半导体衬底的与第一侧相对的第二侧上，用于电耦合到第一反射器。此外，第二电触点设置在半导体衬底的第二侧上，用于电耦合到第二反射器。
在特定实施例中，VCSEL还可以包括用于将第二电触点电连接到第一反射器的贯穿通孔(through-hole via)，其中贯穿通孔延伸穿过半导体衬底、第一反射器和有源区。VCSL还可以包括设置在半导体衬底和第二电触点之间的隔离层，用于将第二电触点与第一反射器电绝缘，其中贯穿通孔也延伸穿过隔离层。
根据一些实施例，VCSEL具有小于125微米×125微米的覆盖区。
在进一步的实施例中，VCSEL被配置成产生红外光，用于在距离眼睛小于25mm的距离处照亮用户的眼睛。
在进一步的实施例中，半导体衬底是变薄的半导体衬底，使得VCSEL的总厚度小于100微米。
在进一步的实施例中，VCSEL被配置为单模发射器或多模发射器。
在进一步的实施例中，台面区还包括孔口限定层，该孔口限定层被配置为将由台面区产生的红外光束整形为发散的红外光束。
在进一步的实施例中，第一反射器包括第一分布式布拉格反射器(DBR)，第二反射器包括第二DBR。在这种情况下，第一DBR可以包括N掺杂的DBR，第二DBR可以包括P掺杂的DBR。
在进一步的实施例中，VCSEL还包括设置在台面区上的晶片级光学器件，以引导发散的红外光束来照亮用户的眼睛。晶片级光学器件可以由高折射率砷化镓(GaAs)形成。
在进一步的实施例中，VCSEL还包括用于将第二电触点电连接到第一反射器的导电迹线，以及设置在半导体衬底和第二电触点之间的用于将第二电触点与第一反射器电绝缘的隔离层，其中隔离层还设置在导电迹线和半导体衬底的侧边缘、第一反射器和有源区之间。
根据另一方面，本发明涉及头戴式设备的眼睛跟踪系统。眼睛跟踪系统包括透明衬底和垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，VCSEL阵列设置在透明衬底上，位于头戴式设备的用户的视野内。每个VCSEL包括半导体衬底和设置在半导体衬底的第一侧上的第一反射器。台面区设置在第一反射器上方，并被配置为产生发散的红外光束，用于用户的眼睛的近场照明。台面区包括第二反射器；以及设置在第一反射器和第二反射器之间的有源区。第一电触点设置在半导体衬底的与第一侧相对的第二侧上，用于将第一反射器电耦合到透明衬底。此外，第二电触点设置在半导体衬底的第二侧上，用于将第二反射器电耦合到透明衬底。
在一些实施例中，每个VCSEL还包括用于将第二电触点电连接到第一反射器的贯穿通孔，其中贯穿通孔延伸穿过半导体衬底、第一反射器和有源区。每个VCSEL还可以包括设置在半导体衬底和第二电触点之间的隔离层，用于将第二电触点与第一反射器电绝缘，其中贯穿通孔也延伸穿过隔离层。
在进一步的实施例中，每个VCSEL具有小于125微米×125微米的覆盖区。
根据又一方面，本发明涉及头戴式设备的另一种眼睛跟踪系统。眼睛跟踪系统包括近眼光学元件的透明衬底，该透明衬底具有发射侧和非发射侧。垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列在头戴式设备的用户视野内设置在透明衬底的非发射侧上。每个VCSEL包括：半导体结构，其被配置为产生发散的红外光束，该发散的红外光束通过透明衬底到达透明衬底的发射侧，用于对用户的眼睛的近场照明；第一电触点，其设置在半导体结构上，用于将半导体结构电耦合到透明衬底的非发射侧；以及第二电触点，其设置在半导体结构上，用于将半导体结构电耦合到透明衬底的非发射侧。
在一些实施例中，每个VCSEL的总厚度小于100微米。
在进一步的实施例中，每个VCSEL具有小于125微米×125微米的覆盖区。
附图简述
参考以下附图描述了本公开的非限制性和非穷尽性方面，其中除非另有说明，否则在各个视图中相同的附图标记指代相同的部件。
图1A示出了根据本公开的方面的头戴式显示器(HMD)。
图1B示出了根据本公开的方面的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的覆盖区。
图2示出了根据本公开的方面的眼睛跟踪系统。
图3示出了根据本公开的方面的VCSEL结构的示例框图。
图4示出了根据本公开的方面的VCSEL结构的示例框图。
图5示出了根据本公开的方面的VCSEL结构的示例框图。
详细描述
在以下描述和相关附图中公开了各种方面和实施例，以示出与用于头戴式设备的用户的眼睛的近场照明的垂直腔面发射激光器(VCSEL)相关的具体示例。相关领域的技术人员在阅读本公开后，可替换的方面和实施例将是显而易见的，并且可以在不脱离本公开的范围或精神的情况下被构建和实践。另外，众所周知的元素将不被详细描述或者可以被省略，以便不模糊本文公开的方面和实施例的相关细节。
在整个这个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及意指结合实施例所描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在整个这个说明书的各种地方中的出现不一定都指同一实施例。此外，特定特征、结构、或特性可以以任何适当的方式在一个或更多个实施例中组合。
图1A示出了根据本公开的实施例的示例头戴式显示器(HMD)100，其包括沿视窗方向发射红外光的VCSEL 150的阵列。HMD 100包括连接到臂111A和111B的框架114。透镜121A和121B安装在框架114上。透镜121A和121B可以是与HMD的特定佩戴者匹配的处方透镜或非处方透镜。
诸如HMD 100的HMD是一种头戴式设备，通常戴在用户的头上，以向用户提供人工现实内容。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式调整过的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生。
在图1A中，每个透镜121A/121B包括波导160A/160B，以将显示器130A/130B产生的图像光引导到视窗区域，供HMD 100的佩戴者观看。显示器130A/130B可以包括LCD、有机发光二极管(OLED)显示器、微型LED显示器、量子点显示器、微型投影仪或硅上液晶(LCOS)显示器，用于将图像光导向HMD 100的佩戴者。
HMD的框架114和臂111A/111B可以包括HMD 100的支撑硬件。HMD 100可以包括处理逻辑、用于发送和接收数据的有线和/或无线数据接口、图形处理器以及用于存储数据和计算机可执行指令的一个或更多个存储器中的任一种。在一个实施例中，HMD 100可以被配置成接收有线电力。在一个实施例中，HMD 100被配置成由一个或更多个电池供电。在一个实施例中，HMD 100可以被配置成经由有线通信信道接收包括视频数据的有线数据。在一个实施例中，HMD 100被配置成经由无线通信信道接收包括视频数据的无线数据。
透镜121A/121B对用户来说可以看起来是透明的，以促成增强现实或混合现实，其中用户可以观看来自她周围环境的场景光，同时还接收由波导160引导到她的眼睛的图像光。透镜121A/121B可以包括光学组合器170，用于将反射的红外光(由VCSEL 150发射的红外光)导向眼睛跟踪照相机(例如照相机190)。VCSEL 150的阵列可以设置在透明衬底上，并且也可以有利地包括在VR头戴设备中，其中光学结构的透明性质允许用户观看VR头戴设备中的显示器。在图1A的一些实施例中，图像光仅被引导到HMD 100的佩戴者的一只眼睛中。在实施例中，显示器130A和130B都被包括来分别将图像光引导到波导160A和160B中。
透镜121B包括排列成示例5×5阵列的VCSEL 150的阵列。在一些实施例中，阵列中的VCSEL 150可以是不均匀间隔的。VCSEL 150可以是红外光源，将它们的发射光沿朝向眼睛的方向(eyeward direction)导向HMD 100的佩戴者的视窗区域。例如，VCSEL 150可以发射波长为850nm或940nm的红外光。非常小的金属迹线或透明导电层(例如氧化铟锡)可以延伸穿过透镜121B，以促成每个VCSEL 150的选择性照明。透镜121A可以类似于所示的透镜121B来配置。
虽然VCSEL 150可能将遮挡引入HMD 100中包括的光学系统，但是VCSEL 150和相应的路由可以小到对于HMD的佩戴者来说不引人注意或者在光学上不明显。此外，来自VCSEL 150的任何遮挡都将被放置得离眼睛如此之近，以至于人眼无法聚焦，因此有助于VCSEL 150不被注意到。除了HMD 100的佩戴者注意到VCSEL 150之外，HMD 100的外部观察者最好不要注意到VCSEL 150。
图1B示出了根据本公开的实施例的VCSEL的覆盖区。在一些实施例中，每个VCSEL150具有“x”尺寸小于125微米且“y”尺寸小于125微米的覆盖区。在一些实施例中，每个VCSEL 150具有“x”尺寸小于75微米且“y”尺寸小于75微米的覆盖区。在这些尺寸，VCSEL150不仅对于HMD 100的佩戴者来说是不明显的，而且对于在用户个人空间之外的距离(0.45米)的HMD 100的外部观察者来说，VCSEL 150也是不明显的。
图2示出了根据本公开的实施例的眼睛跟踪系统200，其包括照亮视窗区域的VCSEL 250A-E的阵列的侧视图。在所示实施例中，VCSEL阵列包括VCSEL 250A、250B、250C、250D和250E。如图2所示，VCSEL 250A-250C的阵列设置在包括发射侧205和非发射侧207的透明衬底204上。在图示的示例中，发射侧205与非发射侧207相对，其中发射侧是VCSEL250A-250C发射红外光的一侧。例如，VCSEL 250C用红外光束261照亮眼睛202。在一些示例中，红外光束261是发散的红外光束。VCSEL 250A、250B、250D和250E也可以用各自的红外光束(未示出)照亮眼睛202。由VCSEL 250C发射的红外光沿光路271传播，并被眼睛202反射，沿光路272传播。沿着光路272传播的红外光行进穿过透明衬底204并遇到光学组合器230。光学组合器230沿着光路273将红外光导向照相机210。光学组合器230可以是全息组合器或菲涅耳组合器。光学组合器230可以透射可见光，同时反射或衍射红外光。因此，眼睛跟踪系统200示出了VCSEL 250A-E如何通过用红外光照亮眼睛202来执行近眼照明，以及照相机210如何通过捕获红外光来捕获眼睛202的红外图像。在一些方面，每个VCSEL 250A-E被配置成产生红外光，用于在距眼睛202小于25mm的距离处照亮眼睛202。
在一些实施例中，照相机210可以配置有带通滤波器，该带通滤波器接受与VCSEL250A-E发射的窄带相同的窄带红外光，而该滤波器拒绝其他波长。例如，VCSEL 250A-E可以发射以940nm为中心的窄带红外光，同时照相机210可以包括接受940nm左右的红外光而拒绝其他光波长的滤波器。
图3示出了具有半导体衬底310、N掺杂的分布式布拉格反射器(DBR)320和台面区380的VCSEL结构300的示例框图，台面区380包括有源区330、孔口限定层340和P掺杂的DBR360。VCSEL结构300可以用作VCSEL 150/250。结构300还可以可选地包括偏振层390和晶片级光学器件372。例如，偏振层390可以包括圆形或线性偏振器。晶片级光学器件372可以是折射元件或衍射元件(未示出)。在一些示例中，晶片级光学器件372可以由高折射率材料例如砷化镓(GaAs)形成。晶片级光学器件372可以被配置成散射、倾斜和/或聚焦(例如会聚或发散)由VCSEL结构300产生的红外光束359。在图示的实施例中，红外光束359是发散的红外光束，其中晶片级光学器件372被配置成引导发散的红外光束359以照亮用户的眼睛(例如，图2的眼睛202)。在图3中，半导体衬底310已经被减薄以进一步减小VCSEL结构300的尺寸，从而具有小于125微米的总厚度388。在一个实施例中，VCSEL结构300具有小于100微米的总厚度388。在常规应用中，常规尺寸的VCSEL对于该应用可以具有足够小的结构。然而，在其中VCSEL位于用户的视野中的眼睛跟踪应用中，使用已知的衬底减薄技术来减薄半导体衬底310可以进一步减小VCSEL结构300的尺寸，以降低HMD的佩戴者和外部观察者对结构300的注意。
在图3中，电触点382有助于通过半导体衬底310与N掺杂的DBR 320的电连接。在一些实施例中，半导体衬底310可以是砷化镓(GaAs)。电触点381有助于与P掺磷的DBR 360的电连接。在一些示例中，隔离层384设置在电触点381和半导体衬底310之间，以使电触点381绝缘而防止与N掺杂的DBR 320电连接。在所示实施例中，贯穿通孔386将P掺杂的DBR 360与电触点381电耦合。贯穿通孔386可以包括围绕导电圆柱体(例如金属)的介电层，使得介电层将导电圆柱体与层320、330和340隔离。
在(图4中所示的)另一个实施例中，可以通过在VCSEL结构400的外部设置导电迹线486来建立电触点381和P掺杂的DBR 360之间的电连接，其中导电迹线486通过隔离层484(例如电介质)与层310、320、330和340隔离。具体而言，图4示出了包括导电迹线486(例如，沉积金属)的VCSEL结构400的示例，导电迹线486用于将电触点381电连接到P掺杂的DBR360。图4还示出了设置在半导体衬底310和电触点381之间的隔离层484，用于将电触点381与N掺杂的DBR 320电绝缘。隔离层484被示为进一步设置在导电迹线486和层310、320和330的侧边缘402之间。
在一些示例中，图3和图4的电触点381和382被配置为设置(例如，安装)在透明衬底(例如图2的透明衬底204)上。
传统的VCSEL结构被配置成倒装芯片布置，其中两个触点可以与发射光束在同一侧。或者，一个触点可以设置在常规VCSEL结构的底部，而第二个顶部触点允许引线键合(wire bond)来建立第二电连接。值得注意的是，在图3和图4所示的实施例中，两个触点布置在VCSEL结构300/400的一侧，该侧与光束359的发射侧相对。例如，N掺杂的DBR 320被示为设置在半导体衬底310的第一侧305上，而电触点381和382都设置在半导体衬底310的第二侧307上(例如，第二侧307与第一侧305相对)。
在不同的实施例中，VCSEL 300和/或VCSEL 400可以被配置成产生发散的红外光束359。在VCSEL的常规应用中，窄光束是理想的。例如，在电信应用中，会聚的窄光束有助于提高光纤传播的光学效率，其中VCSEL耦合到光纤。因此，在一些传统的应用中，光学元件(例如，晶片级透镜)可以结合到传统的VCSEL中，以产生窄的或会聚的光束。然而，在眼睛跟踪应用中，发散光束可以有利地广泛照亮近场中(例如，在VCSEL的50mm内)的眼睛。例如，可以定制VCSEL结构300/400的外延层，以获得宽的发射锥。在一些实施例中，可以改变P掺杂的DBR 360相对于N掺杂的DBR 320的间距，以操纵光束359的光束形状。在一个实施例中，孔口限定层340可以被调整以缩小或扩大孔口370，从而将发散的红外光束359的光束形状操纵为期望的发散光束。此外，所示的VCSEL结构300/400的示例被示为包括晶片级光学器件372，其可以被配置为引导发散的红外光束359以照亮用户的眼睛。也就是说，即使使用晶片级光学器件372，由VCSEL结构300/400产生的作为结果的光也是发散的。
VCSEL结构300/400可以配置为单模发射器或多模发射器。在一个实施例中，台面区380的宽度392大约为20微米，以产生多模发射器。在一个实施例中，台面区380的宽度392窄得多，以产生单模发射器。在一些示例中，VCSEL 300/400的宽度394小于75微米，这提供了小于75微米×75微米的覆盖区。
图5示出了具有半导体结构504和电触点506和508的VCSEL结构500的示例框图。VCSEL结构500可以用作VCSEL 150/250。半导体结构504可以光学地包括偏振层、晶片级光学器件、分布式布拉格反射器(DBR)、孔口限定层、台面区、有源区、通孔、隔离层、导电迹线等中的一个或更多个。在一些示例中，半导体结构504被配置成产生发散的红外光束510。
如图5所示，VCSEL结构500设置在透明衬底204的非发射侧207上。在一些方面，透明衬底204是诸如图1A的透镜121A/121B和/或光学组合器170的近眼光学元件的一部分。因此，在一些示例中，半导体结构504被配置成产生发散的红外光束510，该发散的红外光束510穿过透明衬底204到达透明衬底的发射侧205，用于用户的眼睛的近场照明。在一些实施方式中，近场照明包括VCSEL结构500在距眼睛小于25mm的距离处照亮用户的眼睛。
图5进一步示出了包括设置在半导体结构504和透明衬底204之间的电触点506/508的VCSEL结构500。电触点506/508被设置成将半导体结构504电耦合到透明衬底204的非发射侧207。
在一些方面，VCSEL结构500具有小于125微米的总厚度388。在另一个实施例中，VCSEL结构300具有小于100微米的总厚度388。在一些实施例中，VCSEL结构500具有小于125微米的宽度394，以提供小于125微米×125微米的覆盖区。在另一个实施例中，每个VCSEL结构500具有小于75微米的宽度394，以提供小于75微米×75微米的覆盖区。
本发明的实施例可以包括人工现实系统或者结合人工现实系统来实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与捕获的(例如，真实世界的)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合，并且它们中的任何一个都可以在单个通道或多个通道中呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式使用(例如在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
包括摘要中描述的内容在内的本发明的所示实施例的上述描述并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文出于说明的目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是相关领域的技术人员将会认识到，在本发明的范围内各种修改是可能的。
根据以上详细描述，可以对本发明进行这些修改。在所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的特定实施例。更确切地，本发明的范围完全由所附权利要求来确定，这些权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。

Claims (14)

1.一种用于头戴式设备的用户的眼睛的近场照明的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，所述VCSEL包括：
半导体衬底；
第一反射器，其设置在所述半导体衬底的第一侧上；
台面区，其设置在所述第一反射器上方，并被配置成产生发散的红外光束，其中所述台面区包括：
第二反射器；和
有源区，其设置在所述第一反射器和所述第二反射器之间；
第一电触点，其设置在所述半导体衬底的与所述第一侧相对的第二侧上，用于电耦合到所述第一反射器；和
第二电触点，其设置在所述半导体衬底的所述第二侧上，用于电耦合到所述第二反射器。
2.根据权利要求1所述的VCSEL，还包括用于将所述第二电触点电连接到所述第一反射器的贯穿通孔，其中所述贯穿通孔延伸穿过所述半导体衬底、所述第一反射器和所述有源区，
其中所述VCSEL可选地包括设置在所述半导体衬底和所述第二电触点之间的隔离层，用于将所述第二电触点与所述第一反射器电绝缘，其中所述贯穿通孔也延伸穿过所述隔离层。
3.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述VCSEL具有小于125微米×125微米的覆盖区。
4.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述VCSEL被配置成产生红外光，用于在距眼睛小于25mm的距离处照亮用户的眼睛。
5.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，所述半导体衬底是变薄的半导体衬底，使得所述VCSEL的总厚度小于100微米。
6.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述VCSEL被配置为单模发射器或多模发射器。
7.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述台面区还包括孔口限定层，所述孔口限定层被配置为将由所述台面区产生的红外光束整形为所述发散的红外光束。
8.根据权利要求1所述的VCSEL，其中
所述第一反射器包括第一分布式布拉格反射器(DBR)；和
所述第二反射器包括第二DBR，其中可选地
所述第一DBR包括N掺杂的DBR；和
所述第二DBR包括P掺杂的DBR。
9.根据权利要求1所述的VCSEL，还包括设置在所述台面区上的晶片级光学器件，用于引导所述发散的红外光束以照亮用户的眼睛，
其中可选地，所述晶片级光学器件由高折射率砷化镓(GaAs)形成。
10.根据权利要求1所述的VCSEL，还包括：
导电迹线，其用于将所述第二电触点电连接到所述第一反射器；和
隔离层，其设置在所述半导体衬底和所述第二电触点之间，用于将所述第二电触点与所述第一反射器电绝缘，其中所述隔离层还设置在所述导电迹线和所述半导体衬底的侧边缘、所述第一反射器和所述有源区之间。
11.一种头戴式设备的眼睛跟踪系统，所述眼睛跟踪系统包括：
透明衬底；和
根据权利要求1-4中任一项所述的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列，其在所述头戴式设备的用户的视野内设置在所述透明衬底上，其中
所产生的发散的红外光束用于用户的眼睛的近场照明，
所述第一电触点用于将所述第一反射器电耦合到所述透明衬底；和
所述第二电触点用于将所述第二反射器电耦合到所述透明衬底。
12.一种头戴式设备的眼睛跟踪系统，所述眼睛跟踪系统包括：
近眼光学元件的透明衬底，所述透明衬底具有发射侧和非发射侧；
垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列，其在所述头戴式设备的用户的视野内设置在所述透明衬底的非发射侧上，其中每个VCSEL包括：
半导体结构，其被配置为产生发散的红外光束，所述发散的红外光束穿过所述透明衬底到达所述透明衬底的发射侧，用于用户的眼睛的近场照明；
第一电触点，其设置在所述半导体结构上，用于将所述半导体结构电耦合到所述透明衬底的非发射侧；和
第二电触点，其设置在所述半导体结构上，用于将所述半导体结构电耦合到所述透明衬底的非发射侧。
13.根据权利要求12所述的眼睛跟踪系统，其中每个VCSEL的总厚度小于100微米。
14.根据权利要求13所述的眼睛跟踪系统，其中每个VCSEL具有小于125微米×125微米的覆盖区。
CN201980074040.1A 2018-11-09 2019-10-31 用于眼睛近场照明的垂直腔面发射激光器 Pending CN112970157A (zh)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862758459P 2018-11-09 2018-11-09
US62/758,459 2018-11-09
US201962858858P 2019-06-07 2019-06-07
US62/858,858 2019-06-07
US16/517,186 2019-07-19
US16/517,186 US10886702B2 (en) 2018-11-09 2019-07-19 Vertical-cavity surface-emitting laser for near-field illumination of an eye
PCT/US2019/059060 WO2020096851A2 (en) 2018-11-09 2019-10-31 Vertical-cavity surface-emitting laser for near-field illumination of an eye

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112970157A true CN112970157A (zh) 2021-06-15

Family

ID=70549989

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980074040.1A Pending CN112970157A (zh) 2018-11-09 2019-10-31 用于眼睛近场照明的垂直腔面发射激光器

Country Status (4)

Country Link
US (2) US10886702B2 (zh)
EP (1) EP3878068A2 (zh)
CN (1) CN112970157A (zh)
WO (1) WO2020096851A2 (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11415808B1 (en) 2019-02-08 2022-08-16 Facebook Technologies, Llc Illumination device with encapsulated lens
US11650403B2 (en) 2019-02-08 2023-05-16 Meta Platforms Technologies, Llc Optical elements for beam-shaping and illumination
EP4121813A4 (en) * 2020-03-20 2024-01-17 Magic Leap, Inc. SYSTEMS AND METHODS FOR RETINA IMAGING AND TRACKING
US12025771B2 (en) 2021-03-30 2024-07-02 Meta Platforms Technologies, Llc Dynamic beam steering with metasurface
US11937478B2 (en) * 2021-07-16 2024-03-19 Avalon Holographics Inc. Multi-colored microcavity OLED array having DBR for high aperture display and method of fabricating the same
DE102021128135A1 (de) 2021-10-28 2023-05-04 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Laservorrichtung, Scanvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Laservorrichtung
CN116053928A (zh) * 2021-10-28 2023-05-02 鸿海精密工业股份有限公司 光子晶体面射型激光装置及光学系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010050934A1 (en) * 2000-05-31 2001-12-13 Choquette Kent D. Long wavelength vertical cavity surface emitting laser
US20110164645A1 (en) * 2010-01-07 2011-07-07 National Central University Optoelectronic Device Having Light Source Emitter and Receiver Integrated
CN102955255A (zh) * 2011-09-26 2013-03-06 微软公司 集成眼睛追踪和显示系统
CN206412341U (zh) * 2017-01-19 2017-08-15 深圳奥比中光科技有限公司 芯片嵌入装置
CN107546573A (zh) * 2016-06-23 2018-01-05 苹果公司 具有集成散射体的顶发射vcsel阵列
CN110178044A (zh) * 2017-01-23 2019-08-27 深圳源光科技有限公司 激光雷达

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6014400A (en) * 1996-09-02 2000-01-11 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd Surface-emitting laser and a fabrication method thereof
US6542530B1 (en) * 2000-10-27 2003-04-01 Chan-Long Shieh Electrically pumped long-wavelength VCSEL and methods of fabrication
JP4062983B2 (ja) * 2002-06-20 2008-03-19 富士ゼロックス株式会社 表面発光型半導体レーザおよびその製造方法
US10231614B2 (en) * 2014-07-08 2019-03-19 Wesley W. O. Krueger Systems and methods for using virtual reality, augmented reality, and/or a synthetic 3-dimensional information for the measurement of human ocular performance
US20150311673A1 (en) * 2014-04-29 2015-10-29 Princeton Optronics Inc. Polarization Control in High Peak Power, High Brightness VCSEL
US9995857B2 (en) * 2015-04-03 2018-06-12 Avegant Corp. System, apparatus, and method for displaying an image using focal modulation
US10013055B2 (en) * 2015-11-06 2018-07-03 Oculus Vr, Llc Eye tracking using optical flow
CN110537301B (zh) 2017-02-08 2022-03-01 普林斯顿光电子股份有限公司 包括集成于包封物中的光学结构的vcsel照明器封装
CN114326128A (zh) * 2017-02-21 2022-04-12 脸谱科技有限责任公司 聚焦调整多平面头戴式显示器
EP3602178B1 (en) * 2017-03-21 2023-05-10 Magic Leap, Inc. Method and system for tracking eye movement in conjunction with a light scanning projector
US20190018485A1 (en) * 2017-07-17 2019-01-17 Thalmic Labs Inc. Dynamic calibration systems and methods for wearable heads-up displays
US10394034B2 (en) * 2017-08-15 2019-08-27 Microsoft Technology Licensing, Llc Eye-tracking with MEMS scanning and optical relay
US10725537B2 (en) * 2017-10-02 2020-07-28 Facebook Technologies, Llc Eye tracking system using dense structured light patterns

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010050934A1 (en) * 2000-05-31 2001-12-13 Choquette Kent D. Long wavelength vertical cavity surface emitting laser
US20110164645A1 (en) * 2010-01-07 2011-07-07 National Central University Optoelectronic Device Having Light Source Emitter and Receiver Integrated
CN102955255A (zh) * 2011-09-26 2013-03-06 微软公司 集成眼睛追踪和显示系统
CN107546573A (zh) * 2016-06-23 2018-01-05 苹果公司 具有集成散射体的顶发射vcsel阵列
CN206412341U (zh) * 2017-01-19 2017-08-15 深圳奥比中光科技有限公司 芯片嵌入装置
CN110178044A (zh) * 2017-01-23 2019-08-27 深圳源光科技有限公司 激光雷达

Also Published As

Publication number Publication date
US20200153204A1 (en) 2020-05-14
EP3878068A2 (en) 2021-09-15
WO2020096851A3 (en) 2020-07-30
US10886702B2 (en) 2021-01-05
US20210083455A1 (en) 2021-03-18
WO2020096851A2 (en) 2020-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10886702B2 (en) Vertical-cavity surface-emitting laser for near-field illumination of an eye
US20230135756A1 (en) Components with wafer level optics
US20230051353A1 (en) Beam shaping optical structures
US11467535B2 (en) Multi-image display apparatus providing holographic image
US11561336B2 (en) Transparent illumination layer with transparent waveguide structure
US20210132384A1 (en) Tilted In-Field Light Sources
US11164995B2 (en) 3-D structure for increasing contact surface area for LEDs
US11782276B2 (en) Systems and methods to reduce bounce spacing and double-bounce in waveguides
US20230352437A1 (en) Hybrid interconnect for laser bonding using nanoporous metal tips
US11649935B2 (en) Coupling light source to photonic integrated circuit
US11349053B1 (en) Flexible interconnect using conductive adhesive
WO2023129585A1 (en) Light emitting diode with angle-dependent optical filter
EP4314933A1 (en) Dynamic beam steering with metasurface
US20240019646A1 (en) Vertical cavity surface emitting laser (vcsel) integration on a photonic integrated circuit (pic)
US20240230988A9 (en) Waveguide coupler for coupling laser beam into photonic integrated circuit
WO2023177672A1 (en) Miniature fringe projectors and method for depth sensing

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: California, USA

Applicant after: Yuan Platform Technology Co.,Ltd.

Address before: California, USA

Applicant before: Facebook Technologies, LLC

CB02 Change of applicant information
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20210615

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication