CN113725722A - 图案化和泛光照明的投射 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及图案化和泛光照明的投射。一种光电子装置，其包括散热器，该散热器被成形为限定：基部；在该基部上方的第一高度处的第一平台；以及在该基部上方的不同于该第一高度的第二高度处的位于该第一平台旁边的第二平台。第一单片发射器阵列安装在第一平台上并被配置为发射第一光束。第二单片发射器阵列安装在第二平台上并被配置为发射第二光束。光学元件被配置为将第一光束和第二光束两者导向目标区域。

Description

图案化和泛光照明的投射
技术领域
本发明整体涉及光电子设备，尤其涉及光学辐射源。
背景技术
各种各样的便携式计算设备(在说明书中统称为“便携式设备”)，诸如智能电话、增强现实(AR)设备、虚拟现实(VR)设备、智能手表和智能眼镜，包括紧凑的光学辐射源。(如本说明书和权利要求书中所用的术语“光学射线”、“光学辐射”和“光”通常是指可见辐射、红外辐射和紫外辐射中的任一种和全部。)例如，一个源可发射泛光辐射，出于特征照明和识别的目的，从而用宽而均匀的照明对目标区域进行照明。例如，另一个源可投射图案化辐射，以便用点图案照明目标区域以用于该区域的三维(3D)映射。设计高功率光电子发射器诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)的主要挑战之一是有效的热耗散。此类设备在发射器活动区域中产生大量热，从而导致高发射器结温，这往往会降低VCSEL效率并导致在给定驱动电流下的光功率输出降低，使发射波长偏移，降低激光模式的质量，以及缩短工作寿命和可靠性。在VCSEL阵列设备中，低效热耗散导致发射器之间的温度不均匀性，从而导致发射器光学功率和阵列上的波长的变化。
响应于该问题，美国专利9735539(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种光电子设备，该光电子设备包括半导体基板，该半导体基板具有前侧和后侧并且具有至少一个腔，该至少一个腔从后侧延伸穿过半导体基板而接近前侧。至少一个光电子发射器形成于该半导体基板的前侧上，邻近该至少一个腔。导热材料至少部分地填充该至少一个腔并被配置为用作该至少一个光电子发射器的散热器。
发明内容
下文描述的本发明的实施方案提供了制造光学辐射源的改进设计和方法。
因此，根据本发明的一个实施方案，提供了光电子装置，该光电子装置包括散热器，该散热器被成形为限定：基部；在该基部上方的第一高度处的第一平台；以及在该基部上方的不同于第一高度的第二高度处的位于第一平台旁边的第二平台。第一单片发射器阵列安装在第一平台上并被配置为发射第一光束。第二单片发射器阵列安装在第二平台上并被配置为发射第二光束。光学元件被配置为将第一光束和第二光束两者导向目标区域。
在一个实施方案中，散热器包括金属。除此之外或另选地，散热器包括陶瓷材料。在所公开的实施方案中，散热器包括中心部分，该中心部分具有比围绕该中心部分的周边部分更大的热导率。
在一些实施方案中，散热器包括一体式材料件，该一体式材料件被成形用于限定该基部以及该第一平台和该第二平台。另选地，该散热器包括第一散热器材料件和第二散热器材料件，该第一散热器材料件被成形用于限定该基部，该第二散热器材料件安装在该第一散热器材料件上并限定该第二平台。
在本发明所公开的实施方案中，该第一单片发射器阵列和第二单片发射器阵列分别包括第一半导体基板和第二半导体基板以及分别设置在第一半导体基板和第二半导体基板上的第一多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)和第二多个VCSEL。
在一些实施方案中，该散热器相对于光学元件定位，使得第一单片发射器阵列位于该光学元件的后焦平面处，而第二单片发射器阵列从后焦平面轴向移位。在一个实施方案中，该光学元件被配置为聚焦第一光束以便将图案化辐射投射到目标区域上，并且使第二光束散焦以便将泛光辐射投射到目标区域上。另选地，该光学元件被配置为聚焦第一光束以便以第一聚焦质量将第一图案化辐射投射到目标区域上，并且使第二光束散焦以便以不同于第一聚焦质量的第二聚焦质量将第二图案化辐射投射到目标区域上。在所公开的实施方案中，第一光束以第一散度朝向目标区域投射，并且第二光束以大于第一散度的第二散度朝向目标区域投射。
根据本发明的一个实施方案，还提供了一种用于深度映射的方法，该方法包括以第一散度将第一辐射图案投射到目标区域上，以及以不同于第一散度的第二散度将第二辐射图案投射到目标区域上。捕获投射到目标区域上的第一图案和第二图案的相应的第一图像和第二图像。响应于第一图像和第二图像中的第一图案和第二图案的相应位移以及响应于第一图像和第二图像中的第二图案相对于第一图案的散焦来计算目标区域中的点的深度坐标。
在所公开的实施方案中，投射该第一图案和该第二图案包括施加光学元件以将分别由第一发射器阵列和第二发射器阵列发射的辐射的光束导向该目标区域，该第一发射器阵列和该第二发射器阵列安装在相对于该光学元件的后焦平面的不同位置处。除此之外或另选地，第一图案和第二图案包括辐射光点，并且计算深度坐标包括比较第一图案和第二图案中的光点的相应尺寸以便计算散焦。
根据本发明的实施方案，还提供了一种用于制造光电子装置的方法。该方法包括将散热器成形为限定：基部；在该基部上方的第一高度处的第一平台；以及在该基部上方的不同于第一高度的第二高度处的位于第一平台旁边的第二平台。被配置为发射第一光束的第一单片发射器阵列安装在第一平台上，并且被配置为发射第二光束的第二单片发射器阵列安装在第二平台上。光学元件被定位成将第一光束和第二光束两者导向目标区域。
结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更全面地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1是根据本发明的实施方案的光电子装置的示意性横截面视图；
图2a和图2b是根据本发明的实施方案的分别用图案化辐射和泛光辐射对目标区域进行照明的光电子装置的示意性侧视图；
图2c和图2d是根据本发明的另选实施方案的通过具有不同聚焦特性的图案化辐射来照明目标区域的光电子装置的示意性侧视图；
图3是根据本发明的另一个实施方案的其上安装有发射器阵列的散热器的示意性截面视图；
图4是根据本发明的又一个实施方案的其上安装有发射器阵列的散热器的示意性截面视图；
图5是根据本发明的实施方案的安装在陶瓷安装件上的散热器和发射器阵列的示意性截面；
图6是根据本发明的另一个实施方案的安装在陶瓷安装件上的散热器和发射器阵列的示意性截面视图；
图7a和图7b是根据本发明的实施方案的散热器的示意性截面视图；
图8a和图8b是根据本发明的另一个实施方案的散热器的示意性截面视图；并且
图9是根据本发明的实施方案的示意性地示出使用不同聚焦质量的图案化辐射进行深度映射的方法的流程图。
具体实施方式
概述
在本发明的实施方案中，将不同聚焦质量的辐射源组合成单个光电子装置，该光电子装置包括光学元件(诸如透镜)和两个单片发射器阵列，该两个单片发射器阵列均通过该光学元件发射光束。该阵列中的一个阵列定位在光学元件的后焦平面处，而另一个阵列从后焦平面移位例如100μm或更大的轴向偏移。由阵列在后焦平面处发射的光束被元件投射为准直光束，从而将图案化辐射以对应于阵列中发射器的布局的图案投射在目标区域上。由从后焦平面移位的阵列发射的光束是散焦的。在所公开的实施方案中，单片阵列包括设置在半导体基板(诸如砷化镓(GaAs)基板)上的垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列；但是另选地，可以使用其他类型的发射器。
根据所需的散焦程度来选择散焦阵列的位置。在一些实施方案中，散焦是足够的，使得投射的光束产生广泛且大体上均匀的泛光照明场。在另选的实施方案中，散焦被选择为使得从散焦阵列投射的光束也产生图案化辐射。因此，该装置投射具有图案元素(诸如光点)的两种不同的图案，该图案元素的尺寸随着与该装置的距离的变化而不同。
将两个阵列精确地定位在距光学元件的所需距离范围内可能是困难的。由于需要散除由发射器产生的大量热，这一困难更加严重。
本文所述的本发明的实施方案通过提供散热器来解决这些问题，该散热器被成形为在散热器的基部上方的不同高度处限定两个平台。两个单片发射器阵列分别安装在该两个平台上，从而将两个阵列定位在不同高度处。
在所公开的实施方案中，将两个单片阵列安装在两个平台上为两个阵列提供所需的差分焦距(距光学元件的距离)。该散热器可由金属(诸如铜(Cu)或铜-钨合金(CuW))制成，或者由陶瓷材料(诸如氮化铝(AlN)或具有高热导率的其他合适材料制成。
可在散热器中通过由复合材料(诸如Cu/CuW)制造该散热器来补偿VCSEL阵列的热梯度，或者通过打开散热器中的通孔来补偿，例如，如上述美国专利9735539中所述。
系统描述
图1是根据本发明的实施方案的光电子装置20的示意性横截面视图。光电子装置20包括散热器22，该散热器22包括一体式材料件，该一体式材料件被成形为分别限定基部24以及第一平台26和第二平台28，其中第一平台在基部上方高度E1处，并且第二平台在基部上方高度E2处，并且其中E1≠E2。散热器22可由金属诸如铜(Cu)或铜-钨合金(CuW)制成，或者由陶瓷材料诸如氮化铝(AlN)制成，因为这些材料具有高热导率。VCSEL阵列30和32安装在相应的平台26和28上。装置20还包括具有后焦平面36的光学元件34。散热器22相对于光学元件34定位，使得VCSEL阵列30位于后焦平面36，而阵列32从后焦平面轴向移位距离Δ。Δ的典型值根据光学元件34的焦距而变化，例如从50μm至500μm，但Δ也可以假设为该范围之外的值。
图2a和图2b是根据本发明的实施方案的分别用图案化辐射42和泛光辐射44对目标区域40进行照明的光电子装置20的示意性侧视图。在适用的情况下，图1中的标签用于图2a和图2b中类似的项目。
在图2a中，VCSEL阵列30被驱动以朝光学元件34发射第一光束46。当VCSEL阵列30位于光学元件34的后焦平面36时，光束46被准直并被光学元件朝向目标区域40投射为准直光束48。光束48以例如由阵列30中的VCSEL的布局确定的图案利用图案化辐射42来照明目标区域40，该图案化辐射包括辐射的离散光点50(其中以放大比例示出该图案)。虽然光点50出现在图中以规则图案排列，但是出于深度映射的目的，有利的是阵列30中的VCSEL的布置以及因此光点50的布置是不规则的，例如以伪随机图案排列。
在图2b中，VCSEL阵列32被驱动以朝光学元件34发射第二光束52。当VCSEL阵列32从后焦平面36轴向移位时，光束52被光学元件散焦并作为发散光束54朝向目标区域40投射。光束54用泛光辐射44对目标区域40照明，该泛光辐射包括模糊的重叠光点56，从而导致目标区域的广泛且基本上均匀的照明。
图2c和图2d是根据本发明的另选实施方案的分别用不同聚焦特性的图案化辐射42和59对目标区域40进行照明的光电子装置57的示意性侧视图。装置57的部件类似于装置20的部件，并且相同的指示符编号用于指代图2c至图2d中的与图2a至图2b相同的部件。然而，在装置57中，选择VCSEL阵列32从后焦平面36的位移，使得光束54在目标区域40上形成不同光点58。通常，在该实施方案中，VCSEL阵列32从后焦平面36的位移相对小于在装置20中的位移。
由于光束52的散焦，光点58通常大于光点50并且具有更大的散度，即，光点58根据距装置57的距离的增大而比光点50更快地增大。可通过适当选择VCSEL阵列32距后焦平面36的位移以及调整装置57的其他光学参数来设置光点尺寸和发散度的差异。例如，在短焦距的微型化设备中，VCSEL阵列32距后焦平面36的位移仅仅20μm可导致光点58的远场尺寸相对于光点50差异为50％。具有不同散度的辐射42和59的两种不同图案的组合可以有助于增强使用装置57进行的深度映射的准确性。下文参考图9进一步描述该装置的该特征。
散热器设计
图3是根据本发明的另一个实施方案的散热器60的示意性横截面视图。在适用的情况下，图1至图2中的标签用于图3中类似的项目。
散热器60类似于图1至图2中的散热器22，但散热器22包括一体件，散热器60包括第一散热器材料件62和第二散热器材料件64，该第一散热器材料件62被成形为限定基部24和第一平台26，该第二散热器材料件64安装在第一件上并限定第二平台28。第一件62和第二件64可如上文所述由相同材料或由两种不同材料制成。例如，第一件62可由AlN制成，并且第二件64可由Cu制成。
图4是根据本发明的又一个实施方案的散热器70的示意性横截面视图。在适用的情况下，图1至图2中的标签用于图4中类似的项目。散热器70类似于散热器22，但是在散热器22中，第二平台28构建在基部24上方，而在散热器70中，第一平台26包含在腔内，该腔例如可能是被加工或蚀刻到散热器的材料中的。
图5是根据本发明的实施方案的安装在陶瓷安装件80上的散热器22和VSEL阵列30和32(图1)的示意性截面。在适用的情况下，图1至图2中的标签用于图5中类似的项目。散热器22安装在陶瓷安装件80上并通过例如合适的粘固剂附接到该陶瓷安装件。陶瓷安装件80包括由例如金(Au)制成的电导体82。VCSEL阵列30和32通过引线键合84耦接到导体82。
图6是根据本发明的另一个实施方案的安装在陶瓷安装件90上的散热器70(图4)以及VCSEL阵列30和32的示意性截面视图。在适用的情况下，图1至图4中的标签用于图6中类似的项目。类似于图5，散热器,70安装在陶瓷安装件90上并通过例如合适的粘固剂附接到该陶瓷安装件。与陶瓷安装件80类似，陶瓷安装件90包括由Au制成的电导体92。VCSEL阵列30和32通过引线键合94耦接到导体92。
图7a和图7b是根据本发明的实施方案的散热器100的示意性截面视图。散热器100的特征可并入在散热器22中或并入在上述其他散热器中。
在图7a中，VCSEL阵列102安装在散热器100上，并且它们一起形成类似于装置20的光电子装置的一部分。例如，散热器100和VCSEL阵列102可替换图3中的第二件64和VCSEL阵列32。散热器100由金属或陶瓷材料制成，类似于散热器22(图1)。
散热器100包括通孔104，该通孔被配置为修改散热器的热导率，以便补偿VCSEL阵列102的热梯度。具体地讲，由于来自相邻VCSEL的热耗散，阵列102的中心区域中的VCSEL往往在比外围区域中的那些VCSEL更重的热负载下工作。通孔104用于优先地从中心区域散除热，使得工作温度大致均衡。
图7b是沿着图7a的截面A-A的散热器100的示意性截面视图。通孔104被布置成同心构型，其中中心通孔的直径大于周边通孔的直径，从而有助于补偿VCSEL阵列102的热梯度。可修改通孔104的布置和尺寸，以便适应VCSEL阵列102的不同设计和热梯度。
图8a和图8b是根据本发明的另一个实施方案的散热器120的示意性截面视图。同样在这种情况下，散热器120的特征可并入在散热器22中或并入在上述其他散热器中。
在图8a中，VCSEL阵列122安装在散热器120上，并且它们一起形成类似于装置20的光电子装置的一部分。例如，散热器120和VCSEL阵列122可替换图3中的第二件64和VCSEL阵列32。散热器120被制造为包括中心Cu芯124和CuW覆盖物126的复合材料，其中该芯具有比覆盖物更高的热导率，从而补偿VCSEL阵列122的热梯度。
图8b是沿着图8a的截面B-B的散热器120的示意性截面视图。可修改芯124和覆盖物126的布置、尺寸和材料，以便适应VCSEL阵列122的不同设计和热梯度。
使用双结构光图案的深度映射
图9是根据本发明的实施方案的示意性地示出使用不同聚焦质量的辐射图案进行深度映射的方法的流程图。下文将描述该方法，为了清楚和简洁起见，特别地参考了图案化辐射42和59，如图2c至图2d所示。可另选地使用具有合适能力的其他类型的图案投射仪来应用该实施方案的原理。下文的描述假设图像捕获组件(图中未示出)从相对于投射图案化辐射的装置57偏移的位置捕获投射到目标区域40上的光点50和58的图案的图像，如在使用结构光的深度映射领域中已知的。例如，在美国专利8050461(其公开内容以引用方式并入本文)中描述了这种布置，其中光点位置和形状特征均由图像捕获组件检测并由处理器分析以便创建3D映射图(也称为深度映射图)。
通过向对应VCSEL阵列30和32施加驱动电流，装置57被致动以交替地投射图案化辐射42与图案化辐射59。图案化辐射42和59分别限定目标区域40上的不同图案，在图9中称为“图案A”和“图案B”。图像捕获组件捕获两个图案的图像。处理器将图像中的光点50和58的位置与光点的对应参考图案进行比较，并且基于图像中的光点与它们的参考位置之间的位移来计算目标区域中的光点的两组深度坐标(在图9中示为“深度A”和“深度B”)。因此，相对于仅使用单个投射图案可实现的分辨率，使用两种不同的图案使得处理器能够获得具有改善的空间分辨率的深度坐标。
该处理器还可通过计算并应用光点58相对于光点50的相对散焦Δ来进一步改善深度分辨率。为此，处理器可提取并使用光点50和58的绝对尺寸或相对尺寸或绝对尺寸和相对尺寸两者，以基于光束48和54的不同的已知发散度来估计到图像中的每个点的距离。散焦给出了深度的附加独立量度，其可用于细化和解决基于位移的深度坐标深度A和深度B中的模糊度。
应当理解，上文所描述的实施方案以示例的方式引用，并且本发明不限于上文已特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征，以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。

Claims (20)

1.一种光电子装置，包括：
散热器，所述散热器被成形为限定：基部；在所述基部上方的第一高度处的第一平台；以及在所述基部上方的不同于所述第一高度的第二高度处的位于所述第一平台旁边的第二平台；
第一单片发射器阵列，所述第一单片发射器阵列安装在所述第一平台上并被配置为发射第一光束；
第二单片发射器阵列，所述第二单片发射器阵列安装在所述第二平台上并被配置为发射第二光束；以及
光学元件，所述光学元件被配置为将所述第一光束和所述第二光束两者导向目标区域。
2.根据权利要求1所述的光电子装置，其中所述散热器包括金属。
3.根据权利要求1所述的光电子装置，其中所述散热器包括陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的光电子装置，其中所述散热器包括中心部分，所述中心部分的热导率比围绕所述中心部分的周边部分的热导率大。
5.根据权利要求1所述的光电子装置，其中所述散热器包括一体式材料件，所述一体式材料件被成形用于限定所述基部以及所述第一平台和所述第二平台。
6.根据权利要求1所述的光电子装置，其中所述散热器包括第一散热器材料件和第二散热器材料件，所述第一散热器材料件被成形用于限定所述基部，所述第二散热器材料件安装在所述第一散热器材料件上并限定所述第二平台。
7.根据权利要求1所述的光电子装置，其中所述第一单片发射器阵列和所述第二单片发射器阵列分别包括第一半导体基板和第二半导体基板以及分别设置在所述第一半导体基板和所述第二半导体基板上的第一多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)和第二多个VCSEL。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光电子装置，其中所述散热器相对于所述光学元件定位，使得所述第一单片发射器阵列位于所述光学元件的后焦平面处，而所述第二单片发射器阵列从所述后焦平面轴向移位。
9.根据权利要求8所述的光电子装置，其中所述光学元件被配置为聚焦所述第一光束以便将图案化辐射投射到所述目标区域上，并且使所述第二光束散焦以便将泛光辐射投射到所述目标区域上。
10.根据权利要求8所述的光电子装置，其中所述光学元件被配置为聚焦所述第一光束以便以第一聚焦质量将第一图案化辐射投射到所述目标区域上，并且使所述第二光束散焦以便以不同于所述第一聚焦质量的第二聚焦质量将第二图案化辐射投射到所述目标区域上。
11.根据权利要求10所述的光电子装置，其中所述第一光束以第一散度朝向所述目标区域投射，并且所述第二光束以大于所述第一散度的第二散度朝向所述目标区域投射。
12.一种用于深度映射的方法，包括：
以第一散度将第一辐射图案投射到目标区域上；
以不同于所述第一散度的第二散度将第二辐射图案投射到所述目标区域上；
捕获投射到所述目标区域上的所述第一图案和所述第二图案的相应的第一图像和第二图像；以及
响应于所述第一图像和所述第二图像中的所述第一图案和所述第二图案的相应位移以及响应于所述第一图像和所述第二图像中的所述第二图案相对于所述第一图案的散焦来计算所述目标区域中的点的深度坐标。
13.根据权利要求12所述的方法，其中投射所述第一图案和所述第二图案包括施加光学元件以将分别由第一发射器阵列和第二发射器阵列发射的辐射的光束导向所述目标区域，所述第一发射器阵列和所述第二发射器阵列安装在相对于所述光学元件的后焦平面的不同位置处。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述第一图案和所述第二图案包括所述辐射的光点，并且其中计算所述深度坐标包括比较所述第一图案和所述第二图案中的所述光点的相应尺寸以便计算所述散焦。
15.一种用于制造光电子装置的方法，包括：
将散热器成形为限定：基部；在所述基部上方的第一高度处的第一平台；以及在所述基部上方的不同于所述第一高度的第二高度处的位于所述第一平台旁边的第二平台；
将第一单片发射器阵列安装在所述第一平台上，所述第一单片发射器阵列被配置为发射第一光束；
将第二单片发射器阵列安装在所述第二平台上，所述第二单片发射器阵列被配置为发射第二光束；以及
定位光学元件，以将所述第一光束和所述第二光束两者导向目标区域。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述散热器包括中心部分，所述中心部分的热导率比围绕所述中心部分的周边部分的热导率大。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一单片发射器阵列和所述第二单片发射器阵列分别包括第一半导体基板和第二半导体基板以及分别设置在所述第一半导体基板和所述第二半导体基板上的第一多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)和第二多个VCSEL。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中定位所述光学元件包括相对于所述散热器放置所述光学元件，使得所述第一单片发射器阵列位于所述光学元件的后焦平面处，而所述第二单片发射器阵列从所述后焦平面轴向移位。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述光学元件被配置为聚焦所述第一光束以便将图案化辐射投射到所述目标区域上，并且使所述第二光束散焦以便将泛光辐射投射到所述目标区域上。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述光学元件被配置为聚焦所述第一光束以便以第一聚焦质量将第一图案化辐射投射到所述目标区域上，并且使所述第二光束散焦以便以不同于所述第一聚焦质量的第二聚焦质量将第二图案化辐射投射到所述目标区域上。
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