CN113490880A - 基于垂直腔面发射激光器(vcsel)阵列的图案投影仪 - Google Patents

Abstract

一种基于VCSEL阵列(1201)的图案投影仪(1100)。所述VCSEL阵列(1201)具有在VCSEL芯片(1101)配置成规则图案的多个VCSEL。选择两组包括一定数量但非全部的VCSEL。在一个运行模式中，通电一组VCSEL形成低密度不规则图案。透镜系统(1102)将低密度不规则图案的图像投影到DOE(1103)上。DOE(1103)倍增图像副本并在目标曲面上生成副本矩阵。在另一运行模式中，同时通电两组VCSEL或单独通电第二组形成高密度不规则图案。高密度不规则图案的图像投影在DOE(1103)上。因此，图案投影仪(1100)可以为低分辨率和高分辨率3D感测提供不规则光图案。

Description

基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的图案投影仪

技术领域

本发明涉及图案投影仪(pattern projector)，更具体地说，涉及基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的图案投影仪。

背景技术

三维(Three-dimensional，3D)传感代表了智能手机的未来发展趋势。3D传感技术也有望增强机器人、无人机和自动驾驶车辆的功能。与提供二维信息的传统相机相比，三维传感除了捕获平面图像外还能捕获深度数据，从而实现精确的面部识别、对象识别、手势感测和环境感测。此外，它还增强了增强现实(augmented reality，AR)和虚拟现实(virtualreality，VR)的功能。三维传感包括飞行时间法(Time-of-Flight，TOF)和结构光法。在TOF方法中，深度数据是通过测量从光源发射、从物体反射并最终由传感器检测的光的传播时间来获得的。在结构光法中，将预定的点状图案投影到物体上。在图案由物体的三维形状反射后会发生扭曲。通过分析图案的变化来计算物体的深度数据。VCSEL阵列可用作TOF和结构光法的光源。例如，TOF方法可以使用具有规则图案(regular pattern)的VCSEL阵列，其中VCSEL以矩阵格式(format)配置的。结构光法可以使用图案化VCSEL阵列，其中VCSEL形成预定的不规则点图案。

VCSEL在垂直于其顶面和底面的方向上产生输出光束。为了成为VCSEL阵列，VCSEL芯片可以包含产生多个输出光束的多个VCSEL。例如，可以在一个芯片上形成数千个VCSEL。由于其表面发射特性，晶圆级加工和表面贴装技术在半导体工业中得到了很好的发展，它们可以被用来廉价地大批量生产VCSEL阵列器件。VCSEL阵列具有光谱窄、温度稳定性好、成本低、体积小等优点，因此正成为三维传感领域的主流光源。

在照明应用中，VCSEL阵列中的VCSEL发射器以规则图案排列。一种常用的规则图案是矩阵。在矩阵的行和列中，任意两个相邻VCSEL发射器之间的间距是相同的。例如，30*30VCSEL阵列在每行和每列中有30个发射器，并且任何两个相邻发射器的中心之间的距离可以是恒定值，例如40微米。

然而，在三维传感的结构光方法中，VCSEL阵列的VCSEL发射器以预定的不规则(irregular)图案排列，这由结构光方法使用的特定算法确定。不规则图案示例包括随机图案和伪随机图案，其具体取决于设计需要。

规则图案的VCSEL阵列和不规则图案的VCSEL阵列可以采用相同的制造方法来制造。以顶面发射(top-emitting)VCSEL阵列为例。当制造规则图案的VCSEL阵列时，VCSEL在基片上形成规则图案。这些VCSEL共用公共阴极端，并通过隔离沟槽(isolation trench)相互隔离。在每个VCSEL的顶部都形成触点。在最后的制造步骤中，在VCSEL上方沉积金属层以连接全部这些顶部触点。当制造不规则图案的VCSEL阵列时，在VCSEL基片上形成预定的不规则图案。这些VCSEL共用公共阴极端，并通过隔离沟槽相互隔离。类似地，在每个VCSEL的顶部都形成触点。在最后制造步骤中，沉积金属层以连接VCSEL的全部顶部触点。规则图案的VCSEL阵列的制造和不规则图案的VCSEL阵列制造的主要区别在于它们使用不同的掩模集。虽然制造工艺充分利用了当前的制造技术和工艺，但其仅限于一种图案阵列设计，规则图案或者预定的不规则图案。因此为了满足不同需求，需要单独设计和制造规则图案化VCSEL阵列(regular-patterned VCSEL array)和不规则图案化阵列(irregular-patterned VCSEL array)。VCSEL阵列要么是规则图案化VCSEL阵列，要么是不规则图案化阵列。

基于VCSEL阵列的图案投影仪，包括VCSEL芯片、透镜系统和衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)。所述VCSEL芯片包括VCSEL阵列。当所述VCSEL阵列通电时，其发射按照阵列限定的图案(例如规则图案或不规则图案)配置的激光束。透镜系统在DOE上产生激光束的图像(image)。DOE将大量的图像副本(replicas of the image)投影到目标表面。当VCSEL阵列是规则图案时，投影规则图案的多个副本。当VCSEL阵列是不规则图案时，投影规则图案的多个副本。图案投影仪要么包括用于产生规则图案的副本的规则图案化VCSEL阵列，要么包括用于产生不规则图案的副本的不规则图案化VCSEL阵列。目前，最流行的具有VCSEL阵列的图案投影仪设计成将单一图案的光束投影到目标上。因此，处于照明应用和3D传感应用，需要两个或多个图案投影仪来产生多个图案。

发明内容

本发明公开了一种基于VCSEL阵列的投影仪。所述VCSEL阵列包括在VCSEL芯片上配置成规则图案的VCSEL。在一个模式(mode)中，通电一些VCSEL，所述VCSEL阵列提供低密度不规则图案。在另一模式中，通电更多的VCSEL，所述VCSEL阵列提供高密度不规则图案。在再一模式中，所述芯片上的全部VCSEL通电，所述VCSEL阵列提供规则图案。所述图案投影仪利用多模式VCSEL阵列来支持低分辨率和高分辨率的三维传感或渲染照明光源。本发明显著地增加了图案投影仪的多功能性，并且拓宽了其在各个领域的适用性。这两种或两种以上的图案，无论是不规则的还是规则的，都可以根据不同的应用场景交替或同时激活。例如，在深度计算精度要求不高的场景中，仅点亮形成所述低密度不规则图案的VCSEL。当计算精度要求较高时，点亮形成高密度不规则图形的VCSEL。这种配置可以在降低功耗的同时保留一些使用的准确性。

在一个实施例中，图案投影仪包括VCSEL芯片、透镜系统和DOE。VCSEL芯片包括具有多种运行模式的VCSEL阵列。在一个模式中，所述VCSEL阵列产生低密度不规则图案化激光束。在另一模式中，所述VCSEL阵列产生高密度不规则图案化激光束。在再一模式中，所述VCSEL阵列产生规则图案化激光束。因此，所述图案投影仪具有多个运行模式。在一个模式中，所述投影仪生成低密度不规则图案的副本。在另一模式中，所述投影仪生成高密度不规则图案的副本。在再一模式中，所述投影仪生成规则图案的副本。因此，根据选定的运行模式，一个投影仪可以产生低密度不规则图案、高密度不规则图案或规则图案。所述低密度不规则图案、高密度不规则图案和规则图案可分别用于低分辨率3D传感、高分辨率3D传感和照明应用。

在另一实施例中，所述图案投影仪包括VCSEL芯片，所述VCSEL芯片具有基片(substrate)和在所述基板上形成规则图案的多个VCSEL结构。所述VCSEL结构共用一个电极(例如，阴极端)，并且每个VCSEL结构都具有用作另一电极(例如，阳极端)的触点。在所述多个VCSEL结构的上方沉积第一定制金属层(first customized metal layer)以电连接所述多个VCSEL结构的选定数量而非全部的触点。选定的VCSEL结构形成预定第一不规则图案的阵列。在所述多个VCSEL结构的上方沉积第二定制金属层以电连接剩余的所述多个VCSEL结构的选定数量而非全部的触点，且所述第二定制金属层与所述第一定制金属层彼此电绝缘。在一个实施例中，由第一金属层连接的VCSEL结构和由第二金属层连接的VCSEL结构在所述基片上交错(interleave)。在一个运行模式中，通电所述预定第一不规则图案的VCSEL结构以产生低密度不规则图案化激光束。通过透镜系统将所述预定第一不规则图案的图像投影到DOE。接下来，DOE在目标表面上生成所述图像的副本。在另一运行模式中，同时通电电连接所述第一金属层和所述第二金属层的VCSEL结构以形成具有高密度的预定第二不规则图案。生成具有所述预定第二不规则图案的高密度激光束。在DOE上投影所述预定第二不规则图案的图像并在目标表面上生成所述图像的副本。或者，电连接所述第二金属层的VCSEL结构可以形成具有高密度的预定第三不规则图案的阵列。因此，在再一模式中，当通电所述预定第三不规则图案的VCSEL结构时，产生具有所述预定第三不规则图案的高密度激光束。

此外，所述第二金属层可配置成连接未连接所述第一金属层的全部VCSEL结构。因此，在又一运行模式中，经由所述第一金属层和所述第二金属层通电全部的所述多个VCSEL结构以形成规则图案。另外，作为另一替代方案，所述第二金属层可以保持不变并且仍然仅连接剩余的VCSEL结构的一部分。然后，在所述多个VCSEL结构之上沉积第三定制金属层以电连接未连接所述第一金属层和所述第二金属层的VCSEL结构的触点。因此，在又一运行模式中，由第一、第二和第三金属层通电全部的所述多个VCSEL结构以形成规则图案。

在本发明的另一实施例中，所述图案投影仪包括具有基片的VCSEL芯片、在所述基片上形成规则图案的多个VCSEL结构，以及安装在所述多个VCSEL结构上方的光学组件。所述多个VCSEL结构共用一个电极(例如，阴极端)，并且每个VCSEL结构都具有用作另一电极(例如，阳极端)的触点。所述光学组件具有在其底面形成接触区(contact pad)的第一定制金属层和第二定制金属层。所述第一定制金属层的所述接触区按照预定第一不规则图案的镜像(mirror image)设置。所述第一定制金属层和所述第二定制金属层的所述接触区一起形成所述规则图案的镜像。在所述光学组件安装到所述多个VCSEL结构的上方之后，每个接触区与VCSEL结构的对应触点电接合(bond)。因此，所述多个VCSEL结构的选定数量而非全部的VCSEL结构通过所述第一定制金属层的所述接触区电连接。连接所述第一定制金属层的所述接触区的VCSEL结构形成所述预定第一不规则图案的阵列。在一个工作模式中，通电连接所述第一定制金属层的所述接触区的所述VCSEL结构以用作不规则图案化阵列。通过透镜系统在DOE上创建所述预定第一不规则图案的图像。然后，DOE在目标表面生成所述图像的副本。在另一运行模式下，通电全部VCSEL结构以用作规则图案化阵列。通过透镜系统将所述规则图案的图像投影到DOE上，然后DOE在目标表面生成所述图像的副本。或者，所述第一金属层和第二金属层的接触区一起可以形成具有高密度的预定第二不规则图案的镜像。连接所述第一金属层和所述第二金属层的接触区的VCSEL结构形成具有高密度的所述预定第二不规则图案的阵列。因此，可以分别生成具有不同密度值的两个不规则图案。另外，所述第二金属层的所述接触区可以形成具有高密度的预定第三不规则图案的镜像。连接所述第二金属层的所述接触区的VCSEL结构形成具有高密度的所述预定第三不规则图案的阵列。因此，在另一模式中，当通电所述预定第三不规则图案的VCSEL结构，产生所述预定第三不规则图案的高密度激光束。

在另一实施例中，图案投影仪包括VCSEL芯片，所述VCSEL芯片包括通过倒装芯片方法(flip-chip method)安装在基板(submount)上的多个VCSEL结构。所述多个VCSEL结构以规则图案排列并且共用一个电极(例如，阴极端)。每个VCSEL结构都具有用作另一电极(例如，阳极端)的触点。所述基板具有在其顶面形成接触区第一定制金属层和第二定制金属层。所述第一定制金属层的所述接触区按照预定第一不规则图案的镜像设置。所述第一定制金属层和所述第二定制金属层的所述接触区一起形成所述规则图案的镜像。在将所述多个VCSEL结构安装到所述基板上之后，每个接触区与VCSEL结构的对应触点电接合(bond)。因此，所述多个VCSEL结构的选定数量而非全部的VCSEL结构通过所述第一定制金属层的所述接触区电连接。连接所述第一定制金属层的所述接触区的VCSEL结构形成所述预定第一不规则图案的阵列。在一个工作模式中，通电连接所述第一定制金属层的所述接触区的所述VCSEL结构以用作不规则图案化阵列。因此，通过透镜系统在DOE上创建所述预定第一不规则图案的图像。然后，DOE在目标表面生成所述图像的副本。在另一运行模式下，通电全部VCSEL结构以用作规则图案化阵列。通过透镜系统将所述规则图案的图像投影到DOE上，然后DOE在目标表面生成所述图像的副本。或者，所述第一金属层和第二金属层的接触区一起可以形成具有高密度的预定第二不规则图案的镜像。连接所述第一金属层和所述第二金属层的接触区的VCSEL结构形成具有高密度的所述预定第二不规则图案的阵列。所述预定第二不规则图案具有比所述第一不规则图案更高的密度。因此，可以生成具有不同密度值的两个不规则图案。另外，作为替代方案，所述第二金属层的所述接触区可以按照具有高密度的预定第三不规则图案的镜像设置。连接所述第二金属层的所述接触区的VCSEL结构形成具有高密度的所述预定第三不规则图案的阵列。因此，在另一模式中，当通电所述预定第三不规则图案的VCSEL结构，产生具有所述预定第三不规则图案的高密度激光束。

在本发明的另一实施例中，在先前实施例中讨论的两个或以上的定制金属层可作为单个金属层的通过非导电材料(例如氮化硅)电绝缘的不同部分(part)或部位(portion)制造。

与现有技术的图案投影仪相比，本发明具有以下优势。它具有多种运行模式来提供低密度不规则图案、高密度不规则图案或规则图案的副本。因此，图案投影仪可以用作低分辨率和高分辨率3D传感应用的结构光源，或者用作照明应用的光源。

附图说明

在本发明的说明书后附的权利要求书中，特别指出并明确要求保护被视为发明的主题。通过结合附图进行的以下详细描述，本发明的上述和其他特征以及优点将是显而易见的。此外，附图标记最左边的数字表示了该附图标记首次出现附图号。

图1示出了现有技术的具有规则图案的VCSEL阵列的截面图；

图2示出了现有技术的具有规则图案的VCSEL阵列的截面图；

图3示出了现有技术的具有预定图案的VCSEL阵列的截面图；

图4.1示出了根据本发明一个实施例的示例性VCSEL阵列的截面图；

图4.2示出了根据本发明一个实施例的示例性VCSEL阵列的截面图；

图5示出了根据本发明一个实施例的示例性VCSEL阵列芯片的俯视图；

图6示出了根据本发明两个实施例的示例性光学组件的截面图；

图7示出了根据本发明一个实施例的示例性VCSEL阵列的截面图；

图8示出了根据本发明一个实施例的示例性基板的截面图；

图9示出了根据本发明一个实施例的示例性VCSEL阵列的截面图；

图10示出了根据本发明的示例性基板的俯视图；

图11.1示出了根据本发明一个实施例的图案投影仪的示例性结构的截面图；

图11.2示出了根据本发明一个实施例的图案投影仪组件的示例性结构的截面图；

图12.1、12.2和12.3示出了根据本发明一个实施例的VCSEL芯片的三个示例性VCSEL图案的俯视图；

图13示出了通过透镜系统的图案投影的图示结果；

图14示出了通过DOE的图案投影的图示结果；

图15示出了根据本发明一个实施例的通过DOE的图案投影的图示结果；

图16示出了根据本发明一个实施例的通过DOE的图案投影的图示结果；

图17示出了根据本发明一个实施例的VCSEL阵列控制的示例性框图。

具体实施方式

图1示出了现有技术的VCSEL阵列100的截面图。阵列100包括位于基片106上的VCSEL 1、2和3。应当注意的是，阵列100可以包括数千个VCSEL。在此为了简化，仅示出三个VCSEL。类似地，在以下的其他附图和描述中，为了简化，仅示出了一些VCSEL或一部分阵列。VCSEL 1、2或3表示供电时发射激光光束的VCSEL结构或VCSEL发射器。在此使用的VCSEL、VCSEL结构和VCSEL发射器具有相同的含义并且可以互换地使用。如图所示，每个VCSEL包括有源区域101以及反射器区域102和103。对于典型的VCSEL来说，有源区域101可以包含多量子阱(multiple-quantum-well，MQW)，反射器区域102可以包含n型分布布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)，并且反射器区域103可以包含p型DBR。量子阱和DBR通过外延工艺在基片106上生长。基片106具有n型掺杂。反射器区域102和103以及基片106是导电的。金属触点104沉积在p型DBR区域上，金属层105沉积在基片106的底面上。金属触点104和105分别用作阳极端和阴极端。需要注意的是，金属层可以具有二维或三维的各种形状和结构。因此，金属层也可称为金属结构。“金属层”和“金属结构”具有相同的含义，可在下文讨论中互换使用。此外，不同的金属结构或层是电绝缘的。

如图1所示，多个VCSEL共用公共阴极，但被隔离沟道隔开。当阵列运行或带电时，每个VCSEL发射器产生激光光束。这些VCSEL发射器以规则图案排列。出于说明目的，规则图案的VCSEL阵列也可以称为规则图案化VCSEL阵列(regular-patterned VCSEL array)，而不规则图案的VCSEL阵列也可以称为不规则图案化VCSEL阵列。

在此使用的规则图案，意指遵循某些规则的各种配置。规则图案的示例包括在一个或多个行中具有等间距的元素、在行和列中具有等间距的元素、在同心圆中具有等间距的元素等。在此使用的不规则图案可以表示不遵循任何规则的各种配置。不规则图案包括随机图案或伪随机图案。

除了使用不同的光刻掩模外，现有技术的规则图案化VCSEL阵列和不规则图案化VCSEL阵列可以用相同的制造工艺制造。两种类型的阵列都具有公共阴极端和连接的阳极端。在这两种情况下，全部阳极端都通过金属层电连接。例如，如图2所示，现有技术的规则图案VCSEL阵列200包含从VCSEL 1到VCSEL 5的五个发射器。在基片底面沉积金属层202以用作公共阴极。绝缘层(例如氮化硅)沉积在p型反射器区域的顶面。在绝缘层上蚀刻多个过孔203。沉积金属层201以通过所述过孔203电连接全部的VCSEL。阵列200表示规则图案化VCSEL阵列，其发射器以规则图案配置，并且当阵列工作时，开启全部VCSEL。

在图3中示出了现有技术的VCSEL阵列300。阵列300包含VCSEL 1、2和3，其中VCSEL以预定图案式配置。与图2的阵列200类似，VCSEL 1、2和3具有公共阴极302。金属层301通过过孔303电连接VCSEL。当阵列300通电时，形成预定图案的VCSEL发射器。因此，当使用现有技术方法来制造VCSEL阵列时，该阵列具有固定图案，可以是规则图案或者是不规则图案。在VCSEL阵列制造完成后，其图案是固定的并且不能改变。

图4.1示出了根据本发明一个实施例的示例性VCSEL阵列400的截面图。如图所示，阵列400包括从VCSEL 1到VCSEL 5的五个VCSEL发射器。金属层405沉积在基片的底面上，并且用作VCSEL的公共阴极端。两个金属层401和402例如顺序沉积在外延区域上方。金属层401设置成通过过孔403电连接VCSEL 1、2和5。金属层402配置成通过过孔404电连接VCSEL3和4。金属层401和402的节段(section)分别通过图中未示出的连接进行连接。

金属层401和402电连接不同的VCSEL，从而创建具有不同图案的VCSEL阵列。例如，可以沉积金属层401以连接选定数量而非全部的VCSEL。选定的VCSEL可以形成预定第一不规则图案。另一方面，可以沉积金属层402以连接未与金属层401连接的剩余VCSEL中的选定数量而非全部的VCSEL。在一个实施例中，金属层401连接的VCSEL和金属层402连接的VCSEL在VCSEL上交错。连接金属层401和402的VCSEL可以形成预定第二不规则图案。由于第二不规则图案包括第一不规则图案，因此可以设计为所述第一不规则图案具有相对较低的密度，而所述第二不规则图案具有相对较高的密度。因此，通过沉积两个金属层来连接从规则阵列中选定数量但不是全部的元素，可以生成两个不规则的图案。在某些情况下，可以使用一个金属层的不同部分生成两个不规则图案。因此，当通过金属层401供给电流时，VCSEL阵列400用作低密度不规则图案化阵列，因为只有第一不规则图案的VCSEL点亮。另一方面，当通过金属层401和402供给电流时，第二不规则图案的VCSEL点亮。因此，阵列400成为高密度不规则图案VCSEL阵列。不规则阵列的密度与三维传感的分辨率有关。当密度变高时，目标表面上配置更多的测量点，从而提高测量分辨率。由于VCSEL阵列400可以在低密度或高密度模式下工作，基于VCSEL阵列的图案投影仪可以具有相应的低分辨率和高分辨率模式以用于3D传感应用。

另外，电连接金属层402的VCSEL结构可以形成具有高密度的预定第三不规则图案阵列。因此，在另一模式中，当通电所述预定第三不规则图案的VCSEL结构时，生成所述预定第三不规则图案的高密度激光束。

或者，金属层402可以配置为连接全部剩余的VCSEL，而不是仅连接未连接金属层401的剩余VCSEL的一部分。因此，通过金属层401供电时，VCSEL阵列400用作不规则阵列。当通过金属层401和402供电时，全部的VCSEL都通电。因此，阵列400成为规则图案化CSEL阵列。因此，VCSEL阵列400可以在两种不同模式中工作，从而分别实现不规则图案或规则图案。可选地，可以引入另一金属层以提供额外的工作模式。例如，如图4.2中示例性地示出的金属层408可以沉积在金属层401和402之上。在图中，VCSEL阵列406是更改阵列(modifiedarray)400。金属层408配置为通过过孔407电连接VCSEL 2。在一个实施例中，金属层408可配置为连接未连接金属层401和402的全部VCSEL。因此，通过金属层401供电时，VCSEL阵列406用作低密度不规则图案化阵列；当通过金属层401和402供电时，阵列406成为高密度不规则图案化VCSEL阵列。并且当通过金属层401、402和408供电时，全部VCSEL通电，并且阵列406成为规则图案化VCSEL阵列。因此，VCSEL阵列406可以分别提供低密度不规则图案、高密度不规则图案和规则图案。因此，基于VCSEL阵列的图案投影仪可以支持低分辨率和高分辨率的模式用于三维传感，并且还可以提供用于照明应用的光源。

需要注意的是，作为另一替代方案，金属层401、402和408可制造成同一金属层或两个金属层的三个电绝缘部分以实现上述功能。

在下面的讨论中，介绍了用于构建具有规则图案的多模式VCSEL阵列的附加实施例和方法。为了简化，给出了具有以下布置的示例：在芯片上形成第一不规则图案的选定数量的VCSEL连接第一金属层，并且剩余的VCSEL连接第二金属层。所述金属层可以沉积在VCSEL芯片、基片或阵列组件的部件上。因此，由此获得的VCSEL阵列具有两种模式，分别提供第一不规则图案或规则图案。然而，可以修改示例中讨论的VCSEL阵列以使得其具有不同的或附加的模式。例如，第二金属层可以连接芯片上剩余的VCSEL的一部分而非全部。因此，连接第一金属层的VCSEL可以形成具有低密度的第一不规则图案。连接第一和第二金属层的VCSEL可以一起形成具有高密度的第二不规则图案。此外，连接第二金属层的VCSEL可以形成具有高密度的第三不规则图案。由此获得的VCSEL阵列可具有多个版本以提供低密度不规则图案和高密度不规则图案。

此外，可以在芯片上沉积额外的金属层，以便产生三个金属层。因此，选定数量的VCSEL可以连接第一金属层，选定数量的剩余VCSEL可以连接第二金属层，并且余下(rest)的VCSEL可以连接第三金属层。连接第一金属层的VCSEL形成低密度不规则图案。连接第一和第二金属层的VCSEL一起形成高密度不规则图案。连接全部三个金属层的VCSEL形成规则图案。因此，作为提供不规则图案和规则图案的技术方案的替代，下面讨论的VCSEL阵列可以提供低密度不规则图案、高密度不规则图案和可选的规则图案。

图5示出了根据本发明一个实施例的示例性VCSEL阵列芯片500的俯视图。需要注意的是，这不是阵列500的截面图，而是金属设计图。环形客体(ring shaped object)表示位于VCSEL芯片的顶面的金属圆环。所述圆环可以是VCSEL的金属触点或阳极端。每个圆环围绕VCSEL的激光束输出窗口。短条和长条可分别表示电连接选定的VCSEL的表面上的两个金属层。接触区(bond pad)501和502设置成用于接线。可以接合接线(bond wire)以连接某些VCSEL的阳极端和承载所述芯片的基板上的接触区。所述圆环的配置示出了具有4*4矩阵(即示例性规则图案)的VCSEL阵列。接触区501连接选定以形成预定图案(比如不规则图案)的5个VCSEL。因此，当经由接触区501和公共阴极端(图中未示出)供给电流时，VCSEL阵列500显示预定的图案，例如预定的不规则图案。当两个接触区501和502都用于供给电流时，全部VCSEL通电，从而形成规则图案(4*4矩阵)的VCSEL阵列。因此，图5所示的实施例可以实现为创建具有预定的不规则图案或规则图案的VCSEL阵列。应注意，上述两个金属层以制作为同一金属层的两个电绝缘部以实现相同的上述功能。

除了在VCSEL阵列的制造过程中形成的金属层之外，还可以通过外部物体(例如光学组件或基板)来选定规则图案化VCSEL阵列中的VCSEL以形成预定图案。图6示出了示例性光学组件600的截面图，其可用于创建具有不规则图案或规则图案的VCSEL阵列。光学组件600可以使用底板(base plate)603制造。底板603可以由在感兴趣的波长处透明或基本透明的材料制成。其顶面和底面可涂有抗反射层以减少反射。两个金属层604和605使用电镀和光刻工艺顺序沉积在底板603上。或者，金属层604和605也可以是由同一金属层的两个部分形成。该金属可以是铝或铜。金属层604和605的多个节段可以是分别连接的(图中未示出)，使得它们电连接两个不同的金属层。在两个金属层之间是绝缘层606。绝缘层606可通过沉积工艺设置。

与图4.1的金属层401和402一样，金属层604和605用于创建两个图案。它们分别具有接触区601和602。接触区602可设置成形成预定的不规则图案的镜像的配置。在将光学组件600安装到规则图案化VCSEL阵列芯片上之后，接触区601和602连接芯片上的VCSEL的金属触点。电连接接触区601的VCSEL形成预定的不规则图案。此外，芯片上的全部VCSEL可经由接触区601和602同时供电以产生规则图案。

在图7中示出了示例性VCSEL阵列700的截面图，其包括VCSEL阵列芯片和连接芯片的光学组件。所述VCSEL阵列芯片包含多个VCSEL，包括以规则图案配置的VCSEL1、2和3。VCSEL阵列芯片可以通过使用规则图案化VCSEL阵列的制造工艺来制造，但不需要完成全部的VCSEL连接的金属化。该光学组件具有顺序沉积在向下表面(downward facing surface)上的两个金属层704和705。或者，金属层704和705也可以是同一金属层的两个部分。连接金属层704的光学组件的接触区设置在预定图案的镜像中。如图所示，VCSEL 1和2具有金属触点701。VCSEL 3具有金属触点702。金属触点701和702作为VCSEL的阳极端沉积在p型DBR反射器区域上。光学组件安装在VCSEL芯片上，使得所述光学组件的接触区分别与金属触点701和702接合。接触区由导电粘合材料703粘合在芯片上。材料703可在高温下固化。如示例所示，VCSEL 1和2的阳极端电连接金属层704，而VCSEL 3的阳极端电连接金属层705。VCSEL具有公共阴极端704。因此，当通过金属层704提供电流给VCSEL阵列700时，连接导向所述金属层704的接触区的VCSEL 1和2通电。VCSEL 1和2形成所述预定图案。另外，当将金属层704和705均用于提供电流时，全部的VCSEL通电，因此形成规则图案化VCSEL阵列。因此，光学组件可用于使VCSEL阵列具有预定的不规则图案或规则图案。由于封装工艺不如电镀和光刻工艺复杂，VCSEL阵列700在成本和周转时间方面可能比阵列400更具有优势。

此外，除了呈现两种模式之外，所述光学组件还可以提供其他功能。例如，可以在光学部件的朝上表面上创建光学结构。所述光学结构可包括通过模制或蚀刻工艺产生的透镜状物体。所述透镜状物体可以对齐每个VCSEL，并使输出光束具有更大或者更小发散。此外，光学系统可以连接光学部件以创建子组件或升级的光学部件。所述光学系统可以包含某些光学组件甚至复杂的透镜系统。因此，除了创建预定的不规则图案和规则图案之外，光学部件还可以提供某些功能。由于子组件可以预先制造或外包，因此可以提高生产效率，降低成本和周转时间。

图8示出了根据本发明一个实施例的示例性基板800的截面图。如前讨论，VCSEL是顶面发射类型(top-emitting type)，这意味着激光束以与基片相反的方向通过p型DBR区域发射。在某些情况下，使用背面发射(back-side-emitting)VCSEL。采用倒装芯片方法将VCSEL芯片翻转并进行封装。对于具有倒装接合(flip-chip bonding)的VCSEL芯片，输出激光束穿过所述基片，并且所述芯片的阳极端和阴极端向下朝向基板。在该情况下，基板可以用于从规则阵列创建具有不规则图案的VCSEL阵列。基板的工作方式与上述示例中所示的光学组件类似。

基板800具有底板801，在此分别通过金属层807、808和809电连接接触区802、803、804和805。例如接触区802通过金属层807电连接，接触区804通过金属层808电连接，接触区803和805通过金属层809电连接。金属层807和808沉积在基板的顶面上。金属层809嵌入绝缘层806中。金属层807和808可以是相同金属层或不同金属层的两个部分。金属层809可以是与金属层807和808电绝缘的金属层的一部分。接触区可以使用电镀、蚀刻和光刻技术来制造。分别连接接触区802或803的配置可以表示预定图案的图像(image)，例如不规则图案。该图像可用于创建具有预定图案的VCSEL阵列。

图9示出了根据本发明的示例性VCSEL阵列900的截面图。将VCSEL阵列晶粒(die)倒装接合在基板上。在安装晶粒之前，蚀刻其基片部分并且沉积抗反射层910以减少输出激光束的反射。晶粒包括配置成规则图案的VCSEL 1、2和3。金属触点902和903分别是连接VCSEL 1和2的p型DBR和n型DBR的阳极端和阴极端。金属触点904和905分别是连接VCSEL 3的p型DBR和n型DBR的阳极端和阴极端。基板具有底板901和沉积在底板上的接触区906、907、911和912。接触区906和907设置用于VCSEL 1和2。接触区911和912用于VCSEL 3。VCSEL1和2的金属触点902和903分别通过导电粘合材料908与接触区906和907粘合，而类似地，VCSEL 3的金属触点904和905分别与接触区911和912粘合。

金属层914和915可以是相同金属层或不同金属层的两个部分。金属层913可以是与金属层914和915电绝缘的金属层的一部分。与金属触点902对齐的接触区906通过金属层914电连接。与金属触点904对齐的接触区911通过金属层915电连接。分别与金属触点903和905对齐的接触区907和912通过金属层913电连接。例如，如图所示，金属层914和915可以沉积在基板的顶面上，并且金属层913可以嵌入绝缘层909中。因此VCSEL 1和2的阳极端电连接金属层914，VCSEL 3的阳极端电连接金属层915，并且全部的VCSEL的阴极端电连接金属层913。因此，当接触区906或907的配置表示预定图案的图像时，连接接触区906和907的VCSEL 1和2形成预定图案。当通过接触区906和907向VCSEL供给电流时，仅VCSEL 1和2开启，其形成通过基板上的接触区906和907限定的预定图案。因此，阵列900形成具有预定图案(例如预定不规则图案)的VCSEL阵列。

VCSEL 1和2与VCSEL 3电绝缘，金属层914和915也电绝缘。因此，当VCSEL 1和2开启时，VCSEL 3不受影响。但是，当通过基板上的全部接触区906、907、911和912向VCSEL供给电流时，全部的VCSEL都开启。阵列900成为具有规则图案的VCSEL阵列。因此，与光学组件一样，可以使用基板来制造可以呈现不规则图案或规则图案的VCSEL阵列。与光学组件方法一样，与现有技术的规则图案或不规则图案VCSEL阵列相比，基板法具有相同的优点和优势，例如减少了成本和周转时间。

图10示出了根据本发明的示例性基板1000的俯视图。同心环可以表示沉积在基板上的金属接触区对。内环可以表示连接VCSEL的阳极端的接触区。外环可以表示连接VCSEL的阴极端的接触区。如上所述，将要连接VCSEL的阴极端的外环通过位于表面下方的金属层(在图中未示出)电连接，其可以嵌入到所述基板的底板上的绝缘层中。嵌入的金属层具有接触区域1003，所述接触区域1003可用作接线的接线区。基板使得VCSEL阵列晶粒的VCSEL具有公共阴极。金属层1001和1002可以是金属层的两个不同部分。内环可以分别电连接对应的金属层。例如，在图10中，用字母A标记的内环电连接金属层1001，用字母B标记的内环电连接金属层1002。

因此，在将具有4*4矩阵配置(即规则图案)的VCSEL晶粒倒装在基板1000上之后，每对内环和外环连接VCSEL的阳极端和阴极端。当通过金属层1001向VCSEL供给电流时，仅开启与用字母A标记的一对环对应的VCSEL，这可以形成预定图案。因此可以生成具有预定图案的VCSEL阵列。当电流同时通过金属层1001和1002供给VCSEL时，全部的VCSEL开启，生成具有4*4矩阵配置(规则图案)的VCSEL阵列。因此，可以使用基板法将具有规则图案的VCSEL阵列在不规则图案模式和规则图案模式之间切换。

如上所述，将规则图案化VCSEL阵列划分为两个或三个子阵列(subarray)，第一子阵列是通过使用第一金属层(例如，图4.1中的金属层401和图6中的金属层604)连接多个VCSEL中的选定数量而非全部形成的，第二子阵列是通过使用第二金属层(例如，图4中的金属层402和图6中的金属层605)连接未连接第一金属层的剩余VCSEL形成的。第一子阵列可以处于预定的不规则图案。在本发明的另一实施例中，使用第一金属层(例如，图4.2中的金属层401)连接多个VCSEL中的选定数量而非全部形成第一子阵列，使用第二金属层(例如，图4.2中的金属层402)连接未连接第一金属层的剩余VCSEL中的选定数量形成第二子阵列。第一子阵列可以处于预定第一不规则图案。且第一和第二子阵列的组合可以处于预定第二不规则图案。另外，可以沉积第三金属层以连接未连接所述第一和第二金属层的全部VCSEL。这样，VCSEL阵列可以具有多个运行模式，其中阵列被划分为两个或三个子阵列。所述子阵列可以单独供电，或者两个或多个子阵列可以同时通电。需要注意的是，可以在VCSEL芯片上沉积超过三个金属层，从而生成产生期望图案的多个子阵列，并且生成的子阵列可以单独驱动或者某些子阵列可以同时驱动以形成给定图案。如上所述，所述金属层可以顺序沉积。或者，所述金属层可以是单个金属层的部分，具体取决于给定的情况和考虑。

当VCSEL阵列生成低密度不规则图案化、高密度不规则图案化或规则图案化激光束时，基于所述阵列的图案投影仪可以生成低密度不规则图案、高密度不规则图案或规则图案的副本。图11.1示出了根据本发明的图案投影仪的示例性结构。本实施例包括VCSEL芯片1101、透镜系统1102和DOE 1103。VCSEL芯片1101包括如上讨论的阵列400、500、700或900等VCSEL阵列。因此，芯片1101可以分别提供配置为低密度不规则图案、高密度不规则图案和规则图案的激光束。透镜系统1102可包括如图所示的透镜组。透镜系统1102还可以包含单个透镜。透镜系统1102处理从芯片1101发射的激光束，并将图像投影到DOE 1103的表面区域。投影在DOE 1103上的图像对应于从VCSEL芯片1101发射的激光束。该图像是所述VCSEL阵列图案的放大或缩小副本或所述VCSEL阵列图案沿给定轴反转后(inverted)的放大或缩小副本。

衍射光学元件或DOE是根据光学衍射和光学干涉原理产生任意光分布(arbitrarydistributions of light)的各种光学元件的通用术语。DOE可以使用薄微结构图案(thinmicro-structured pattern)来操纵通过它传播的光的相位。该图案可以通过在半导体工业中得到了很好的发展的光刻和刻蚀技术来制作，这些技术。通过完全相位控制，DOE可以处理光，并将其转换为几乎任何期望的强度分布(intensity profile)。对于图案投影的应用，可以在光学透明基板上制造DOE，例如DOE 1103。例如，DOE 1103可以构建在熔融二氧化硅基片上。DOE 1103的设计可以使其作为将输入光束分解(split)成以特定角度间隔的多个光束的分光器。衍射产生了分解效应。DOE接收到输入光束后会将其衍射，从而使得所述输入光束成为多个衍射光束。衍射光束投影到目标表面。当由透镜系统1102在DOE 1103的表面区域上生成图像时，DOE可以对图像进行倍增(multiply)，并在目标1104的表面上生成图像副本矩阵。

当VCSEL芯片1101以低密度图案发射激光束时，所述矩阵包含低密度测量点，并且图案投影仪工作在低分辨率模式。当芯片1101以高密度图案发射激光束时，所述矩阵包含高密度测量点，因此图案投影仪工作在高分辨率模式。芯片1101在以低密度图案发射激光束时功耗相对较低，而在以高密度图案发射激光束时功耗相对较高，因为前者中通电的VCSEL较少。因此，当VCSEL阵列以低密度图案发射激光束或发射低密度激光束时，功耗降低。在实际应用中，只有在测量需要高分辨率时才需要产生高密度激光束。

图11.2示出了根据本发明一个实施例的图案投影仪组件1100的示例性结构的截面图。与图11.1所述的一样，投影仪1100具有VCSEL芯片1101、透镜系统(如透镜系统1102)以及DOE 1103。芯片1101安装在基板1105上，而基板1105连接底板1106。底板1106固定在壳体1109的内表面上。基板1105可具有高导热性，并可作为散热器。例如，它可以是合成金刚石基板或氮化铝(AlN)基板。基板1105还可以是柔性印刷电路(flexible printedcircuits，FPC)板，其可包括用于驱动VCSEL芯片1101的控制电路。底板1106也可以具有高导热系数，也可以用作散热器。透镜系统具有固定件(holder)1007，其连接壳体1109上。DOE1103固定在固定板(holder plate)1108上。固定板1108具有用于安装DOE的方形或矩形开口。DOE 1103的中心部分配置为接收由透镜系统投影的图案的图像。然后，DOE在目标表面上生成图像的副本。

图12.1示出了根据本发明的示例性VCSEL芯片1201的俯视图。阵列1201具有规则图案，包括由菱形和黑白圆形图案表示的VCSEL。菱形、白色圆和黑色圆表示的VCSEL分别形成三个初始图案(preliminary pattern)。三个初始图案或任意两个初始图案在相应的VCSEL芯片上交错。当三个初始图案组合起来，即菱形、白色圆和黑色圆组合起来，他们形成规则图案。如图12.2中所示，如果选定或挑出(singled out)黑色圆，创建VCSEL阵列1202。假设阵列1202具有低密度第一不规则图案，即由黑色圆表示的VCSEL形成第一低密度不规则图案。此外，如图12.3所示，当挑出菱形和黑色圆时，创建VCSEL阵列1203。假设阵列1203具有高密度第二不规则图案，即由菱形和黑色圆表示的VCSEL形成高密度第二不规则图案。

如上所述，阵列1201的VCSEL可以共用一个电极(例如阴极端)，并且每个电极都可以具有作为另一电极(例如阳极端)的触点。第一定制金属层可以沉积在VCSEL之上，以电连接由黑色圆表示的VCSEL的触点。第二定制金属层可以沉积在VCSEL上方，以电连接由菱形表示的VCSEL的触点。可选地，可以在VCSEL上方沉积第三定制金属层，以电连接由白色圆表示的VCSEL的触点。在第一运行模式中，通过第一金属层通电由黑色圆表示的VCSEL，即阵列1202。因而可以产生第一不规则图案(即低密度图案)的激光束，以用于三维传感，如低分辨率三维传感。在第二运行模式中，通过第一和第二金属层通电由黑色圆和菱形表示的VCSEL，即阵列1203。因而可以产生第二不规则图案(即高密度图案)的激光束，以用于三维传感，如高分辨率三维传感。可选地，在第三运行模式中，通过三个金属层通电阵列1201的全部VCSEL。因而产生规则图案的激光束以用于照明应用。

或者，由菱形或白色圆表示的VCSEL可以形成具有高密度的第三不规则图案。可以通过第二或第三金属层通电VCSEL以产生第三不规则图案的高密度激光束。因此，也可经由一个金属层产生高密度不规则图案。

在产生不规则图案或规则图案的激光束后，通过透镜系统对光束进行处理，并且可以投影图像到DOE的表面上。图13以图示方式显示了该过程。图案1301表示VCSEL阵列的不规则图案。当通电VCSEL阵列时，产生不规则图案的激光束。透镜系统接收激光束并在DOE的表面(图中未示出)上创建光图案1302。图案1302可以是没有翻转的(inversion)图案1302的图像，或者是围绕给定轴反转的图案1302的图像。根据系统设计，与图案1301相比，图像可以放大或缩小。如果图案1301是不规则的，则图像呈现不规则图案。如果模式1301是规则的，则图像呈现规则图案。

当在DOE上创建光图案时，DOE将其倍增(multiply)并生成图案副本矩阵，如图14所示。在图中，假设VCSEL芯片具有单个VCSEL，因此表示投影到DOE上的图像的图案1401包含单个点。假设DOE设计成能够分解光束并倍增图案1401，且在目标表面上创建图案1402。图案1402包括图案1401的多个副本。副本不是图案1401的完全复制。与图案1401相比，每个副本的尺寸可以放大或缩小。此外，副本可以是图案1401的变形图像。例如，如果图像是正方形，则图像的副本可能不是正方形。副本可以具有不规则形状，例如表示正方形的四个角向外拉后的图案。即使副本可以显示变形的图像，图像中的不规则图案仍然可以保持不规则，并且在3D感测应用中仍然有用。如图所示，副本可以形成10*10矩阵。副本也可以形成其他类型的矩阵，具体取决于DOE的设计。

类似地，当镜头系统将规则图案1501投影到DOE上时，DOE可以将图案1501的副本倍增，并在目标表面上创建图案1502，如图15所示。图案1502包括图案1501的副本矩阵。与图案1501相比，每个副本的尺寸可以放大或缩小，并且一些副本可以变形。图案1501对应于VCSEL阵列，在此每个黑色或白色圆专门(exclusively)表示VCSEL芯片上的VCSEL结构。当全部黑色和白色圆的VCSEL通电时，创建规则图案1501。假设只有对应于黑色圆的VCSEL通电时，在DOE表面上创建不规则图案1601，如图16所示。因此，DOE可以将不规则图案1601的副本倍增，并将副本矩阵投影为目标表面上的图案1602。

因此，图案投影仪可以利用具有多个运行模式的VCSEL阵列来创建规则图案或不规则图案矩阵。在一个运行模式中，选定数量的VCSEL形成低密度不规则阵列。这些选定的VCSEL产生低密度不规则图案的激光束。在另一运行模式中，选定数量的VCSEL形成高密度不规则阵列。这些选定的VCSEL产生高密度不规则图案的激光束。在另一运行模式中，可以通电阵列的全部VCSEL以产生规则图案的激光束。不规则或规则图案可由透镜系统处理以在DOE上创建图像。然后，DOE生成大量与不规则或规则图案对应的图像副本。因此，基于VCSEL阵列的图案投影仪可用于产生不规则图案或规则图案(例如，低密度不规则图案、高密度不规则图案或规则图案)的副本。因此，图案投影仪可支持3D感测应用中的低分辨率和高分辨率测量，或用作照明源。

图17示出了根据本发明一个实施例的VCSEL阵列控制的示例性框图。至少存在分别向形成在VCSEL芯片1701上的VCSEL提供电流的驱动电路1703和1704。驱动电路由控制器1705控制。控制器1705可以包括数据处理模块、通信模块和存储器模块。处理模块可以运行存储在存储器模块中的程序，并向驱动器电路1703和1704发送信号，以控制供给VCSEL的电流。通信模块可以与其他设备通信，并且在接收到信号之后将信号传递给处理模块。处理模块和通信模块可以与特定的存储器容量一起集成在单个芯片上。另外，驱动电路1703和1704以及控制器1705也可以集成在芯片上。此外，驱动电路1703和1704以及控制器1705可以集成在芯片1701上。因此，VCSEL和组件可以构建在单个芯片上。

VCSEL芯片1701安装在基板1702上。芯片1701包括规则图案阵列的VCSEL。如上所述，VCSEL可以共用阴极端，并且每个VCSEL可以具有用作阳极端的触点。可以选择多个VCSEL以形成第一组。第一组中的VCSEL形成低密度不规则图案。可选择多个剩余VCSEL以在芯片上形成第二组。当第一组和第二组的VCSEL组合时，它们形成高密度的不规则图案。第一组和第二组的VCSEL可以同时或分别通电。例如，第一组VCSEL的触点可以电连接驱动电路1703。第二组VCSEL的触点可以电连接驱动电路1704。在一个运行模式中，控制器1705开启驱动电路1703，驱动电路1703接着开启第一组VCSEL以形成低密度不规则图案，从而产生低密度不规则图案的激光束。在另一运行模式中，控制器1705同时开启驱动器电路1703和1704。然后，开启第一组和第二组VCSEL，从而产生高密度不规则图案的激光束。在如上所述的图案投影器情况下，低密度不规则图案或高密度不规则图案中的激光束可以由透镜系统处理，并且图像可以投影到DOE上。然后，DOE生成目标表面上的图像副本矩阵。图像副本可用于低分辨率或高分辨率3D感测应用。

此外，芯片1701的VCSEL可以形成三个或三个以上的组，并且可以配置三个或三个以上的驱动电路来控制这些组的VCSEL。假设VCSEL分为三组，每组的VCSEL电连接相应的金属层。第一组VCSEL可形成低密度不规则图案；第二组VCSEL可形成高密度不规则图案；三组的VCSEL共同形成规则图案。对于这三个组，可以配置三个驱动电路分别向它们供电。控制器1705可以配置成分别控制三个驱动电路。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例。此外，本发明的后附权利要求应理解为覆盖落入本发明范围的任何和全部应用，变换和实现方式。

Claims (18)

1.一种图案投影仪，其特征在于，包括：

在VCSEL芯片上形成的多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构，所述多个VCSEL结构配置成预定规则图案；

电连接选定数量而非全部的所述VCSEL结构的第一金属结构；

电连接未与所述第一金属结构电连接的所述VCSEL结构中的至少某些VCSEL结构的第二金属结构，其中所述第一金属结构和所述第二金属结构彼此电绝缘；

透镜系统，所述透镜系统处理从所述VCSEL芯片的至少某些所述VCSEL结构发射的激光束；以及

衍射光学元件(DOE)，所述DOE接收所述透镜系统处理的所述激光束，生成衍射光束并将所述衍射光束投影到目标表面。

2.根据权利要求1所述的图案投影仪，其特征在于，进一步包括用于驱动所述第一金属结构电连接的所述VSCEL结构的第一控制电路和用于驱动所述第二金属结构电连接的所述VCSEL结构的第二控制电路。

3.根据权利要求2所述的图案投影仪，其特征在于，所述第一金属结构连接的所述VCSEL结构形成第一不规则图案。

4.根据权利要求3所述的图案投影仪，其特征在于，所述第二金属结构连接的所述VCSEL结构形成第二不规则图案。

5.根据权利要求3所述的图案投影仪，其特征在于，所述第一金属结构连接的所述VCSEL结构和所述第二金属结构连接的所述VCSEL结构形成第二不规则图案。

6.根据权利要求1所述的图案投影仪，其特征在于，未电连接所述第一金属结构或所述第二金属结构的VCSEL结构电连接第三金属结构，所述第一、第二和第三金属结构彼此电绝缘。

7.根据权利要求6所述的图案投影仪，其特征在于，进一步包括用于驱动所述第一金属结构电连接的所述VSCEL结构的第一控制电路、用于驱动所述第二金属结构电连接的所述VCSEL结构的第二控制电路，以及用于驱动第三金属结构电连接的所述VCSEL结构的第三控制电路。

8.根据权利要求1所述的图案投影仪，其特征在于，进一步包括光学组件，在封装过程中，在将所述光学组件固定到所述VCSEL结构上之前，将所述第一金属结构和所述第二金属结构沉积到所述光学组件上。

9.根据权利要求1所述的图案投影仪，其特征在于，进一步包括基板，在封装过程中，在将所述VCSEL结构装配到所述基板上之前，将所述第一金属结构和所述第二金属结构沉积到所述基板上。

10.根据权利要求1所述的图案投影仪，其特征在于，所述第一金属结构连接的所述VCSEL结构与所述第二金属结构连接的所述VCSEL结构交错。

11.一种图案投影仪，其特征在于，包括：

在VCSEL芯片上形成的多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构，所述多个VCSEL结构配置成预定规则图案；

电连接选定数量而非全部的所述VCSEL结构以形成第一图案的第一金属层，所述第一图案是不规则图案；

电连接未与所述第一金属层电连接的所述VCSEL结构中的至少某些VCSEL结构以形成第二图案的第二金属层，其中所述第一金属层和所述第二金属层彼此电绝缘；

透镜系统，所述透镜系统处理从所述第一图案和所述第二图案的至少一个的VCSEL结构发射的激光束；以及

衍射光学元件(DOE)，所述DOE衍射从所述透镜系统接收的处理后的所述激光束。

12.根据权利要求11所述的图案投影仪，其特征在于，进一步包括多个控制电路，所述多个控制电路分别驱动所述第一图案和所述第二图案的VSCEL结构。

13.根据权利要求12所述的图案投影仪，其特征在于，至少一些未在所述第一图案和所述第二图案中的所述VCSEL结构电连接第三金属层以形成第三图案，所述第一金属层、所述第二金属层和所述第三金属层彼此电绝缘。

14.根据权利要求12所述的图案投影仪，其特征在于，所述第一图案和第二图案的组合是不规则图案。

15.根据权利要求12所述的图案投影仪，其特征在于，所述第二图案是不规则的。

16.根据权利要求12所述的图案投影仪，其特征在于，所述DOE在目标表面生成多个预先排列的图案，并且其中所述预先排列的图案对应于所述第一和第二图案中的至少一个。

17.根据权利要求12所述的图案投影仪，其特征在于，其特征在于，进一步包括光学组件，在封装过程中，在将所述光学组件固定到所述VCSEL结构上之前，将所述第一金属层和所述第二金属层沉积到所述光学组件上。

18.根据权利要求12所述的图案投影仪，其特征在于，进一步包括基板，在封装过程中，在将所述VCSEL结构装配到所述基板上之前，将所述第一金属层和所述第二金属层沉积到所述基板上。

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