CN114384613A - 漫射透镜、光源、制造光源的方法和照射场景的方法 - Google Patents

漫射透镜、光源、制造光源的方法和照射场景的方法 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种漫射透镜(1)，包括环形的第一透镜段(2)和环形的第二透镜段(4)。第一和第二透镜段(2，4)是同心的，第一和第二透镜段在沿着包括漫射透镜的光轴的平面的截面中的折射率由折射率轮廓(5)描述，折射率轮廓在垂直于光轴的方向上变化并且包括描述第一透镜段(2)的折射率轮廓的第一子轮廓(12)和描述第二透镜段(4)的折射率轮廓的第二子轮廓(14)。第一子轮廓(12)在界面(10)处转变到第二子轮廓(14)，第一和第二子轮廓(12，14)具有符号相反的斜率。本发明进一步描述了一种包括VCSEL(70)和这种漫射透镜(1)的光源(50)、一种制造这种光源(50)的方法以及一种照射场景的方法。

Description

漫射透镜、光源、制造光源的方法和照射场景的方法
技术领域
本发明涉及一种漫射透镜。本发明进一步涉及一种光源，其包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和用于漫射VCSEL发射的光的这种漫射透镜。本发明还进一步涉及一种制造这种光源的方法。本发明还进一步涉及一种照亮场景的方法，特别是用于传感应用。
背景技术
VCSEL、特别是具有工程漫射器以在相机的视野(FOV)中形成矩形束轮廓的VCSEL阵列，如今常常被用作2D和3D相机的照明源。关于如何在VCSEL芯片中集成漫射器进行了广泛的研究，因为这种集成典型地会产生一些需要克服的问题。
为了在相机的FOV中实现优选矩形束轮廓的良好均匀性，漫射器需要很小。例如，漫射器可以是漫射透镜阵列。然而，这些漫射透镜的小尺寸会导致衍射损失，因为透镜阵列典型地被均匀照射，这导致一些入射束不能理想地进入每个透镜的中心。这些衍射损失导致所期望束轮廓的不均匀性并降低所期望传感应用的质量。
克服这些问题的一种可能性是使用更大的透镜。使用一个或多个更大的透镜可以避免所讨论的衍射损失，但是透镜的大孔径会自动地导致透镜沿着光轴的高度差大，即透镜矢高大。在表面轮廓中具有如此大高度差的大透镜很难用比如灰度光刻等制造技术被集成到半导体芯片中。
菲涅耳透镜允许构建大孔径的透镜，并通过将透镜划分成一组同心环形区段而与常规透镜相比减小透镜矢高。因此与等同的标准透镜相比，高度差被有效地减小。然而，菲涅耳透镜出现的一个问题是，菲涅耳透镜的设计典型地是通过将标准透镜的连续表面划分成一组弯曲表面来实现的，弯曲表面之间具有阶梯式不连续。这些不连续会导致所期望束轮廓的损失和不均匀性。
因此，仍然需要改进的漫射透镜，特别是用于2D和3D相机的照明源。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的平面漫射透镜，用于漫射入射光，使得在目标区域中实现均匀的矩形轮廓。此所形成的均匀束轮廓可以与例如相机的视野相匹配，从而允许可靠的传感应用，比如飞行时间(TOF)测量。
本发明的另一目的是提供一种具有这种改进的漫射透镜的光源。
本发明的另一目的是提供一种具有改进的漫射透镜的这种光源的制造方法。
本发明的另一目的是提供一种照射场景的方法。
在独立权利要求中描述了本发明。优选实施例在从属权利要求中被描述或在说明书的后续部分中被描述。
根据本发明的第一方面，提供了一种漫射透镜，该漫射透镜包括环形的第一透镜段和环形的第二透镜段。第一和第二透镜段相对于彼此是同心的。第一和第二透镜段在沿着包括漫射透镜的光轴的平面的截面中的折射率由折射率轮廓描述，该折射率轮廓在垂直于光轴的方向上变化。此折射率轮廓包括描述第一透镜段的折射率轮廓的第一子轮廓和描述第二透镜段的折射率轮廓的第二子轮廓。进一步，第一子轮廓在界面处转变到第二子轮廓并且第一和第二子轮廓具有符号相反的斜率。
本发明基于提供一种平面漫射透镜的想法，该平面漫射透镜可以优选地用于VCSEL阵列中以变换入射光从而均匀地照射场景，比如相机的视野。为此目的，漫射透镜包括至少两个环形透镜段，其中，第一透镜段相对于第二透镜段同心地布置。这是指第一透镜段和第二透镜段共享同一中心，即漫射透镜的中心。
表述“环形”是指第一透镜段和第二透镜段是环状的。环的形状可以优选地是圆形的，但是也可以包括像环一样形成的其他形状，比如椭圆形形状。
应当注意，表述“第一和第二透镜段”不应被理解为两个独立的透镜或透镜部分，而是应理解为单个漫射透镜的区段。进一步，第一子轮廓和第二子轮廓是折射率轮廓的一部分，其描述了第一和第二透镜段在沿着包括漫射透镜的光轴的平面的截面中的折射率。换言之，折射率轮廓描述了共用轮廓，该共用轮廓描述了漫射透镜的至少一部分的漫射透镜折射率。
被划分成两个或更多区段或元件的透镜的构思已经从菲涅耳透镜已知。理想的菲涅耳透镜包括无数这种透镜段，这种透镜段具有弯曲表面并且它们之间具有阶梯式不连续。在这些阶梯式不连续处，菲涅耳透镜的表面被定向为平行于菲涅耳透镜的光轴。因此，标准菲涅耳透镜包括(至少)两个在界面处邻接的透镜段，其中，这些透镜段之一具有弯曲表面，而另一个透镜段被定向为平行于菲涅耳透镜的光轴，即，如沿着光轴定向的高度台阶。
B.Kim等人：“Elimination of flux loss by optimizing the groove angleinmodified Fresnellens to increase illuminance uniformity,color uniformity,andfluxefficiency [通过优化改良型菲涅耳透镜中的凹槽角度以提高照度均匀性、颜色均匀性和通量效率来消除通量损失]”，《光学快报》，17(20)，第17916-17927页(2009)解决了以下问题：菲涅耳透镜通常可能由于表面不连续的、尤其是沿着凹槽面、即沿着高度台阶的二次折射而引起通量效率损失和照度分布不均匀。披露了一种改良型菲涅耳透镜，其凹槽角度被优化以最大化照明的均匀性。
与B.Kim等人的所述改良型透镜不同并且与标准菲涅耳透镜不同，根据本发明的漫射透镜优选地不包括在透镜的表面处的一系列环形高度台阶，因为根据本发明的漫射透镜的漫射特性取而代之的是由具有不同折射率的不同透镜段引起的。换言之，根据本发明的漫射透镜的漫射特性是由沿着漫射透镜的宽度具有不同折射率引起的。
根据本发明的漫射透镜包括相邻的透镜段，这些透镜段的光学特性是由在沿着包括漫射透镜的光轴的平面的截面中不同折射率轮廓引起的。具有不同折射率轮廓的平面菲涅耳透镜在本领域中是已知的，例如参见T.Suhara等人的“Graded-indexFresnellensesfor integrated optics[用于集成光学器件的梯度折射率型菲涅耳透镜]”，《应用光学》，21(11)，第1966-1971页(1982)。与Suhara等人披露的梯度折射率(GRIN)型菲涅耳透镜不同，根据本发明的漫射透镜的不同折射率轮廓包括具有符号相反的斜率的相邻子轮廓。这是指折射率轮廓从具有正有限斜率的折射率轮廓转变到具有负有限斜率的折射率轮廓，反之亦然。子轮廓可以是弯曲的。在这种情况下，这也是指折射率轮廓从凸弯曲折射率轮廓转变到凹弯曲折射率轮廓，反之亦然。因此，根据本发明的漫射透镜的折射率轮廓不包括如从迄今披露的GRIN型菲涅耳透镜已知的有问题的高度台阶。
根据本发明的漫射透镜可以是单个光学元件，其可以是一体式的或整体的，并且其结合了将由任何种类的发光元件发射的光变换为目标区域中的均匀漫射束轮廓的能力。此措施提供了简单、不笨重且成本低的光学器件。优选地，单个一体式光学元件可以被集成在VCSEL阵列芯片上，但是也可以被布置在距VCSEL阵列一定距离处。
应当理解，表述“漫射透镜”是指此透镜被配置为在平行于漫射透镜的光轴或相对于漫射透镜的光轴倾斜的一个或多个方向上漫射光。
进一步，表述“透镜”应理解为被配置为影响穿过透镜的光的任何种类的物体。
下面将描述漫射透镜的优选实施例。优选的实施例不仅是从属权利要求中所指示的实施例，而且还是本文整个披露中所指示的实施例。
在一个实施例中，描述第一透镜段的折射率轮廓的第一子轮廓的斜率和描述第二透镜段的折射率轮廓的第二子轮廓的斜率可以由相同的函数描述，但斜率的符号相反。如本领域中已知的，函数的斜率是所述函数的一阶导数函数。根据本实施例，描述第一子轮廓的斜率和第二子轮廓的斜率的所述一阶导数函数(斜率函数)是相同的，但符号相反。换言之，除了斜率的符号相反之外，第一子轮廓的斜率和第二子轮廓的斜率由相同的函数描述。这是指第一子轮廓的斜率是例如正斜率，而第二子轮廓的斜率是负斜率。例如，当第一子轮廓和第二子轮廓为球形时，这是指这些子轮廓的曲率半径可以具有相同的绝对值，但是符号不同。如果子轮廓是非球面的，则相同的构思可以适用，其中非球面折射率轮廓可以是圆锥形轮廓或任何其他非球面轮廓。因此，第一和第二透镜段的不同折射率适于变换入射光束，使得生成相同的漫射束轮廓。
描述第一子轮廓的斜率和第二子轮廓的斜率的斜率函数(一阶导数函数)可以与rn成比例，其中，r是漫射透镜的半径，并且n≥0。因此，斜率函数(一阶导数函数)可以与n＝0的常数成比例。例如，如果第一子轮廓和第二子轮廓在沿着包括漫射透镜的光轴的平面的截面中具有线性函数的形状，则是这种情况。例如，圆锥形折射率轮廓是种这情况，其中在沿着包括光轴的平面的截面中，圆锥形折射率轮廓由圆锥体的直表面线形成。针对n >0，斜率函数也可以是多项式函数。斜率不是无限的。当第一和第二子轮廓是弯曲的时，还可以通过它们的曲率函数来描述第一子轮廓和第二子轮廓，该曲率函数是子轮廓的二阶导数函数。在这种情况下，第一和第二子轮廓的曲率对于第一和第二子轮廓而言可以相同，但是相对于彼此具有不同的符号，例如一个是凸弯曲的，而另一个是凹弯曲的。
漫射透镜可以是梯度折射率(GRIN)型透镜或超透镜。在这两种情况下，漫射透镜沿着其光轴的高度优选地在漫射透镜的宽度上是恒定的。
如果根据本发明的漫射透镜是GRIN型透镜，则漫射透镜的不同折射率(即，折射率的梯度)是通过沿着漫射透镜的宽度或径向距离改变制造GRIN型透镜的材料的成分而引起的。例如，这可能是由改变材料的掺杂引起的。本领域已知的一些技术(比如中子辐射、化学气相沉积、部分聚合、离子交换、离子填充或直接激光写入)适用于制造这种GRIN型透镜。
GRIN型透镜的简单几何形状允许非常成本有效的生产并且实质上简化了漫射透镜的组装。进一步，改变透镜高度意味着改变或适应光学特性的高度灵活性。
如果根据本发明的漫射透镜是超透镜，则漫射透镜的不同折射率是由建立在衬底材料表面上的一些纳米结构引起的。纳米结构可以通过其间的气隙在空间上分开。亚波长级的纳米结构由高折射率材料制成，这些高折射率材料与入射光相互作用以塑造光的振幅和相位。这种超透镜提供了宽广的平台，用于以用常规透镜不可能的方式控制光。
根据本发明的漫射透镜可以是由一些纳米结构形成的超透镜，这些纳米结构被布置成使得相对于彼此同心的环形的第一透镜段和环形的第二透镜段形成在衬底的表面上(如本领域已知的菲涅耳超透镜)。与本领域已知的菲涅耳超透镜不同，纳米结构被成形和布置为使得描述第一透镜段的折射率轮廓的第一子轮廓和描述第二透镜段的折射率轮廓的第二子轮廓具有符号相反的斜率或曲率。
换言之，纳米结构被成形和布置为使得整个第一透镜段在沿着包括漫射透镜光轴的平面的截面中的折射率由第一子轮廓描述，该第一子轮廓具有例如负斜率，例如凸形状。在第二透镜段中，纳米结构被成形和布置为使得整个第二透镜段在沿着包括漫射透镜的光轴的平面的截面中的折射率由第二子轮廓描述，第二子轮廓继而具有正斜率，例如凹形状。
在这种情况下，描述第一透镜段的折射率轮廓的第一子轮廓和描述第二透镜段的折射率轮廓的第二子轮廓都描述了纳米结构在第一透镜段和第二透镜段中的不同形状和布置如何引起漫射透镜在垂直于光轴的方向上的整体变化的折射率。
这种超透镜方法的主要优点是漫射透镜可以非常薄(纳米级)，这显著地减小了色差。进一步，可以在现有的CMOS半导体代工厂中批量生产超透镜或超表面，从而实现光学系统的大规模平行晶圆级集成。
两种方法、GRIN型透镜方法以及超透镜方法的共同点是，漫射透镜沿着其光轴的高度可以优选地在漫射透镜的宽度上是恒定的。然而，应当理解，不一定是这种情况，并且超透镜的高度可以例如在纳米级上变化。
优选地，在界面处从第一子轮廓到第二子轮廓的转变是连续的并且不是连续可微的。根据本发明的漫射透镜的折射率轮廓不具有引起光学损失和不均匀性的有问题的高度台阶。这提供了优于标准菲涅耳透镜方法的优点，在标准菲涅耳透镜方法中，透镜段在它们之间具有阶梯式不连续。由于第一透镜段的子轮廓和第二透镜段的第二子轮廓具有符号相反的斜率或曲率，因此在那些界面处从第一子轮廓到第二子轮廓的交叉或转变在此实施例中不是连续可微的。
根据本发明的漫射透镜可以包括由第一透镜段和第二透镜段以及例如另外的透镜段形成的一系列同心透镜段。
在一个实施例中，漫射透镜不仅可以包括第一和第二透镜段，而且可以包括第三、第四或甚至更多透镜段。与具有无限数量的区段或透镜段的理想菲涅耳透镜相比，本漫射元件的透镜段的数量不受最大数量的限制。漫射透镜可以具有圆形几何孔径以形成圆形光束。在其他配置中，漫射透镜的几何孔径可以是矩形的，例如二次的，以形成矩形，例如二次光束。
根据本发明的第二方面，提供了一种光源，该光源包括布置在半导体衬底上并被配置为发射激光的VCSEL以及根据第一方面的漫射透镜，其中，漫射透镜被配置为将由VCSEL发射的激光漫射到目标区域中。
优选地，漫射透镜与VCSEL集成为一个装置。
典型地，VCSEL可以被认为是准点状发光元件，其发射略微发散的光锥。VCSEL的发射的光锥穿过透射式漫射透镜，漫射透镜将由VCSEL发射的光变换为目标区域中的强度分布均匀的束轮廓。
在一个实施例中，漫射透镜可以被集成在其上布置有VCSEL的半导体衬底中。如上所述，根据本发明的漫射透镜可以是GRIN型透镜或超透镜。在超透镜的情况下，一些纳米结构被形成在衬底的表面上。在GRIN型透镜的情况下，漫射透镜的不同折射率(即，折射率的梯度)可以通过改变可以集成有漫射透镜的衬底的成分(即掺杂)而引起。
VCSEL可以是被布置为发射激光通过半导体衬底的底部发射器。在这种情况下，漫射透镜可以设置在半导体衬底的表面上或集成到半导体衬底中，该表面相对于其上布置有VCSEL的衬底表面相反布置。
VCSEL还可以是被布置为在该背离半导体衬底的方向上发射激光的顶部发射器。在此实施例中，漫射透镜可以包括设置在VCSEL的半导体层结构的顶部上的透明材料。该材料在激光的波长范围内(例如，在750nm-1200nm之间的波长范围内)是透明的。该透明材料可以设置在VCSEL的台面的顶部上。
光源可以进一步包括布置在共用半导体衬底上的VCSEL阵列。该阵列中的VCSEL被配置为发射激光并与一个或多个漫射透镜相关联。一个或多个漫射透镜被配置为漫射由VCSEL发射的激光。
VCSEL的特征可以在于具有在3μm2与10000μm2之间的面积的有源激光发射面积。VCSEL阵列所包括的VCSEL之间的间距或距离可以在20μm与250μm之间。VCSEL的密度和/或发光面积的大小可以取决于VCSEL阵列中的位置和/或由相应VCSEL照射的共用光学结构的形状而不同，使得可以适配照明图案的强度。
VCSEL的至少一部分可以被布置为被单独控制以发射激光。VCSEL阵列中的每个VCSEL或两组、三组、四组或更多组VCSEL可以被布置为单独打开或关闭，以便以定义的顺序照射照明图案的一个或多个区。VCSEL阵列包括相应的电极，以便能够单独控制VCSEL或VCSEL组。VCSEL或VCSEL组(子阵列)的单独控制可以允许对照明图案进行电子调整。
根据本发明的第三方面，提供了一种制造这种光源的方法。该方法包括提供布置在半导体衬底上的VCSEL以及将根据第一方面的漫射透镜与VCSEL集成的步骤。
这些步骤不一定按以上给出的顺序执行。
根据本发明的第四方面，提供了一种照射场景的方法。此方法包括以下步骤：提供VCSEL、提供根据第一方面的漫射透镜、使VCSEL发射激光、以及通过漫射透镜将由VCSEL发射的激光漫射到目标区域中。
同样，这些步骤不一定必须按照上面给出的顺序执行。
应当理解，本发明的优选实施例还可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任意组合。
应当进一步理解，所要求保护的漫射透镜、光源和方法具有相似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所定义和如本文所披露的优选实施例。
另外的有利实施例在下文定义。
附图说明
本发明的这些和其他方面将通过参考下文中参见附图描述的实施例而变得明显并被阐明。图中：
图1示出了沿着包括本领域已知的菲涅耳透镜的光轴的平面的截面的示意图；
图2示出了与图1所示相同的菲涅耳透镜和入射光线穿过漫射菲涅耳透镜的光路的示意图；
图3示出了沿着包括本领域已知的梯度折射率(GRIN)型菲涅耳透镜的光轴的平面的截面的示意图；
图4示出了沿着包括根据本发明的漫射透镜的光轴的平面的截面的示意图；
图5示出了根据本发明的具有二次透镜孔径的漫射透镜的3D表示的示意图；
图6示出了现有技术中使用的标准漫射透镜的示意图；
图7示出了根据本发明的漫射透镜的折射率轮廓的示意图；
图8示出了模拟的由根据本发明的漫射透镜变换的光线的示意图；
图9示意性示出了展示根据本发明的漫射透镜(项部)和标准漫射透镜(底部)在平面目标屏幕上的辐照度的图；
图10示出了根据本发明的光源的示意图；
图11示出了根据本发明的制造光源的方法的原理流程图；以及
图12示出了根据本发明的照射场景的方法的原理流程图。
具体实施方式
图1示出了沿着包括本领域已知的菲涅耳透镜100的光轴的平面的截面的示意图。图中示出了菲涅耳透镜100的高度与其半径的依赖关系。
与标准透镜的连续表面不同，菲涅耳透镜100的表面被划分成一组弯曲表面，弯曲表面之间具有阶梯式不连续。这在图1中进行了展示，其中至少第一透镜段112、第二透镜段114、第三透镜段116和第四透镜段118形成菲涅耳透镜100的整体结构。
图1中的插图示出了相同菲涅耳透镜100的俯视图，并展示了公知的菲涅耳透镜100典型地由蚀刻到形成菲涅耳透镜100的材料中的一系列同心凹槽组成。菲涅耳透镜100通常由玻璃或塑料制成，但是现代菲涅耳透镜也可以由所有折射材料组成。
第一透镜段112和第三透镜段116的表面轮廓是凸弯曲的，而布置在第一径向距离124处的第二透镜段114和布置在第二径向距离128处的第四透镜段118形成凸弯曲透镜段之间的高度台阶或不连续。第一透镜段112的表面轮廓122的曲率与其他弯曲透镜段、比如第三透镜段116的表面轮廓的曲率相同。因此，其他弯曲透镜段、比如第三透镜116的表面形状可以通过沿着平行于菲涅耳透镜100的光轴的方向投射第一透镜段112的表面轮廓122来实现。换言之，传统光学器件的连续折射表面被划分并折叠到底部平面上以获得如图1所示的菲涅耳透镜100。这由从表示第一透镜段112的表面轮廓122的虚曲线到达其他弯曲透镜段的表面的箭头130指示。
通过对称性清楚的是，菲涅耳透镜100的其余部分是图1中所示的镜像。这也从图1中的入口变得明显。
菲涅耳透镜100与常规透镜相比减小了透镜矢高，并且理想地包括无限数量的区段或透镜段。因此，该结构不限于如图1示例性所示的四个透镜段112、114、116、118。它们薄、轻的构造和多种尺寸的可获得性使得菲涅耳透镜可用于各种应用。
通过使用如图1所示的常用漫射菲涅耳透镜100出现的问题是，由第二透镜段114和第四透镜段118形成的高度台阶导致漫射束轮廓的不均匀性和此区域中的能量损失。这在随后的图2中进行了示意性展示。
图2示出了与图1所示相同的菲涅耳透镜100和入射光线150穿过菲涅耳透镜100的光路的示意图。入射光线150由图2中的一些箭头表示，展示了本领域已知的菲涅耳透镜100如何漫射入射光。菲涅耳透镜100对入射光线150的、由这些箭头指示的衍射是通过应用斯涅尔定律来计算的。圈140指示高度差的区域，即具有相同曲率的凸形表面被不连续中断的区段。
透射通过每个不连续表面的一些光线由于二次折射而偏离，这在目标区域中的外部区域处导致大部分光学损失。这由图2中的虚线箭头示例性地展示。因此，目标区域中束轮廓的光学效率和均匀性因高度台阶而显著降低。
图3示出了沿着包括本领域已知的梯度折射率(GRIN)型菲涅耳透镜100'的光轴的平面的截面的示意图。图3中的下图示出了GRIN型菲涅耳透镜100'的所述截面中的折射率差Δn与其半径的依赖关系。上图示出了GRIN型菲涅耳透镜100'的恒定高度与其半径的依赖关系。
如在T.Suhara等人，“Graded-index Fresnel lenses for integrated optics[用于集成光学器件的梯度折射率型菲涅耳透镜]”，《应用光学》，21(11)，第1966-1971页(1982)中所披露的，本领域中已知的是GRIN型菲涅耳透镜100'也可以通过梯度折射率(GRIN)分布制造，其中组成GRIN型菲涅耳透镜100'的材料的折射率n根据菲涅耳透镜的半径而变化。这在图3的下图中进行了展示，其中折射率轮廓105描述了不同透镜段112、114、116的折射率(参见图3中的上图和下图)。
参见图1针对经典菲涅耳透镜100的变化高度的说明经过必要的修改适用于如图3所示的GRIN型菲涅耳透镜100'的变化折射率轮廓105，因此不再重复。
然而，从图3的上图变得明显的是，与图1所示的菲涅耳透镜100不同的是，GRIN型菲涅耳透镜100'是平坦的并且不包括任何高度差。因此，这种GRIN型菲涅耳透镜100'的光学特性仅由于沿着其半径的不同折射率引起。
图4示出了沿着包括根据本发明的漫射透镜1的光轴的平面的截面的示意图。图4中的下图示出了所述截面中的折射率差Δn。上图示出了根据本发明的漫射透镜的优选恒定高度。
描述了在沿着包括漫射透镜1的光轴的平面的截面中漫射透镜1的折射率并且在垂直于光轴的方向上(即，沿着半径)变化的折射率轮廓5至少包括第一子轮廓12和第二子轮廓14。图4中进一步示出了第三子轮廓16。第一、第二和第三子轮廓12、14、16描述了第一透镜段2、第二透镜段4和第三透镜段6的折射率轮廓，这些透镜段在图4的上图中被示例性展示为平面漫射透镜1的段或区段。所示的三个透镜段2、4、6仅是示例性的，并且根据本发明的漫射透镜1可以包括更多的透镜段。
在图4的下图中进一步示出了，第一子轮廓12在界面10处转变到第二轮廓14。本领域技术人员清楚，所有透镜段的所有子轮廓都在各自的界面处邻接，并且不同透镜段之间的转变或交叉是连续的。进一步，本领域技术人员清楚，通过对称性，漫射透镜1的其余部分是图4所示的镜像。
在此实施例中，描述透镜段的折射率轮廓的子轮廓都是弯曲的。这与如图3所示的公知的GRIN型菲涅耳透镜100'本质上不同，在GRIN型菲涅耳透镜100'中，弯曲子轮廓由其间的垂直台阶划分(参见图3中的下图)。代替是弯曲的，透镜1的透镜段的折射率轮廓12、14、16可以不是弯曲的，而是在沿着包括透镜1的光轴的平面的截面中是直的。例如，透镜段的折射率轮廓12、14、16可以当三维观看时是圆锥形的，使得在沿着包括透镜1的光轴的平面的截面中的折射率子轮廓由相应圆锥的表面线形成。
为简单起见，将主要针对具有如图所示的弯曲折射率轮廓的透镜段的情况给出以下描述。
第一子轮廓12可以例如由函数
Figure BDA0003289809870000111
描述，其中n1是第一子轮廓12的折射率，n0是偏移折射率以及Δn是折射率差，为简化起见，这在图4中进行了展示并且示例性地与漫射透镜的半径r的平方成比例。
Figure BDA0003289809870000121
是用于归一化的常数。
第二子轮廓14可以由函数
Figure BDA0003289809870000122
来描述。第一子轮廓12和第二子轮廓14的曲率针对此示例是±n0A(二阶导数)。因此，第一子轮廓12和第二子轮廓14的曲率由相同的曲率函数(n″1，2＝±n0A)描述，但符号相反。图4中示出了可以通过沿着纵坐标投射函数
Figure BDA0003289809870000123
来获得第二子轮廓14。这由箭头30b指示。
第三子轮廓16可以通过与描述第一子轮廓12相同的函数来描述。如图4所示，仅需要函数
Figure BDA0003289809870000124
沿着纵坐标的投射。这由箭头30a指示。
更一般地，描述第一子轮廓12和第二子轮廓14的斜率的函数可以例如与rn成比例，其中r是漫射透镜的半径并且n≥0。因此，斜率函数(一阶导数函数)可以与n＝0的常数成比例。例如，如果第一子轮廓和第二子轮廓在沿着包括光轴的平面的截面中都具有线性函数的形状，则是这种情况，例如圆锥形折射率轮廓的情况也是如此。针对n>0，斜率函数可以是多项式函数。
如图4所示的漫射透镜1提供了与公知的菲涅耳透镜相同的优点，但是附加地克服了如图1、图2和图3所示的公知的菲涅耳透镜在高度台阶处的二次反射所引起的问题。
除了沿着如图4所示的漫射透镜1的半径改变折射率之外，还可以在方位角方向上改变折射率。
图5示出了根据本发明的具有二次透镜孔径20的漫射透镜1的3D表示的示意图。除了二次孔径20之外，漫射透镜1可以与图4中所示的相同。漫射透镜1由四个平面透镜段2、4、6、8组成，这些平面透镜段具有光通过其射出的平面表面。每个透镜段可以例如具有50μm的径向宽度，使得内部段，即第一透镜段2，从r＝0μm到r＝50μm，第二透镜段4从r＝50μm到r＝100μm，等等。由于透镜段2、4、6、8优选地是平坦的并且不明显，因为它们仅在它们的折射率轮廓方面不同，因此从不同透镜段2、4、6、8的转变由图5中的虚线圈示出。
图6示出了现有技术中使用的标准漫射透镜的示意图。漫射透镜200被平行入射光线150照射，并且漫射透镜200的每个部分将光线改向到某个角度。不同的角度由-X3、-X2、-X1、X1、X2和X3表示。所有正角度、即X1至X3，都在漫射透镜200的透镜中心的右侧，并且可以在漫射透镜200的透镜中心的左侧找到相同的角度但符号相反。针对大的漫射角，表面斜率在透镜的侧边处变得非常大，并且透镜的总高度差或矢高太大而无法通过常用方法、比如灰度光刻在半导体衬底中实现。
图7示出了根据本发明的漫射透镜的折射率轮廓5的示意图，以展示平行入射光线150如何被根据本发明的漫射透镜改向。从图6和图7的比较中变得明显的是，在根据本发明的漫射透镜的每个段中，与图6所示的现有技术透镜200相比，改向后的光线150的发射角度的符号交替。这是指，例如，在针对现有技术透镜200生成+X3角度的位置处，针对根据本发明的漫射透镜生成-X3角度。在针对现有技术透镜200生成-X3角度的位置处，针对根据本发明的漫射透镜生成+X3角度。
图8示出了模拟的由根据本发明的漫射透镜1变换的光线150的示意图。根据本发明的漫射透镜1同样被示出为具有二次透镜孔径20。通过光线追踪示例性模拟大量光线，其中通过考虑光与根据本发明的漫射透镜1的相互作用来模拟光路。该模拟示出了，第一透镜段2和第三透镜段6正在使光线150聚焦，而第二透镜段4和第四透镜段8正在使光线150散焦。总的来说，这通过由不同透镜段不同变换的光线的重叠而产生了远场中的均匀束轮廓。
与图4和图7所示的漫射透镜1不同，如图8所示的漫射透镜1具有不同顺序的透镜段，这些透镜段具有描述透镜段的折射率的凸形和凹形子轮廓。图8所示的漫射透镜1的第一透镜段2具有凸形形状的第一子轮廓，而第二透镜段4具有凹形形状的第二子轮廓，等等。与此不同的是，如图4和图7所示的漫射透镜1的第一透镜段2具有凹形形状的第一子轮廓，而第二透镜段具有凸形形状的第二子轮廓。此差异展示了根据本发明的漫射透镜1不限于凸形和凹形子轮廓的特定交替顺序。
图9示意性示出了展示根据本发明的漫射透镜1(顶部)和标准漫射透镜(底部)、比如图6所示的漫射透镜200在平面目标屏幕上的辐照度的图。两个辐照度轮廓提供相同的功能和均匀性，但是根据本发明的漫射透镜具有小得多的高度。在根据本发明的漫射透镜是超透镜的情况下，高度可以在纳米级。因此，能够使用更薄的漫射透镜实现相同的功能和均匀性。
图10示出了根据本发明的光源50的示意图。衬底60可以包括半导体材料，特别是III-V化合物半导体，特别是砷化镓(GaAs)。在衬底60的一侧上，布置了VCSEL 70，其可以包括光学谐振器，该光学谐振器包括比如分布式布拉格反射器(DBR)74的第一反射镜、有源层76和比如DBR78等第二反射镜。第一DBR74、有源层76和第二DBR78可以包括形成VCSEL70的层结构的多个层。第一DBR74被布置在衬底60上，并且有源层76夹在第一DBR 74与第二DBR78之间。第一DBR74和第二DBR78可以包括具有不同折射率的多对层以提供反射率。有源层76可以包括一个或多个量子阱层。由DBR74和78以及有源层76形成的光学谐振器的特征在于台面结构，该台面结构被向下蚀刻到第一DBR 74的中间层。第二DBR78被电触体80覆盖以接触VCSEL 70。另一个触体92提供了与衬底60的电接触。电触体92通过电隔离件94与第一DBR 74分离。电键合件96导电地连接到电触体92。
如图10所示，根据本发明的漫射透镜1可以被集成在衬底60中。换言之，通过例如如图4所示地改变衬底材料60的折射率，将漫射透镜1“埋入”衬底60中。
如图10所示的VCSEL70是所谓的底部发射器，即在光学谐振器74、76、78中生成的激光发射透射通过衬底60并通过集成在衬底60中的漫射透镜1。
应当理解，这仅是示例性的。VCSEL例如也可以是顶部发射器，并且漫射透镜可以设置在VCSEL 70的半导体层结构的顶部上，比如在第二DBR 78的顶部上。
进一步，应当理解，本发明不限于具有一个VCSEL70和一个漫射透镜1的光源50。本发明还涉及布置在共用半导体衬底60上的VCSEL 70阵列以及至少一个漫射透镜1，每个VCSEL 70被配置为发射激光，该至少一个漫射透镜与VCSEL阵列中的VCSEL 70相关联并且被配置为漫射由VCSEL 70(未示出)发射的激光。
图11示出了根据本发明的制造光源的方法的原理流程图。
在S2，提供布置在半导体衬底60上的VCSEL70。半导体衬底60具有优选地为平面的初始表面。半导体衬底60可以包括GaAs。
在S4，提供与VCSEL70集成的漫射透镜1。漫射透镜1被布置为变换由VCSEL 70发射的激光，使得在目标区域中实现均匀的束轮廓。如图10所示，漫射透镜1可以被集成在衬底60的材料内。
图12示出了根据本发明的照射场景的方法的原理流程图。
在S12，提供VCSEL 70。在S14，提供根据本发明的漫射透镜1。在S16，使VCSEL 70发射激光，并且在S18，由VCSEL 70发射的激光被漫射透镜1漫射到目标区域中。
虽然已经在附图和前述说明中详细展示和描述了本发明，但是这种展示和说明被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所披露的实施例。从对附图、披露内容和所附权利要求的研究中，本领域技术人员在实施要求保护的发明时可以理解和实现对所披露的实施例的其他变化。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，并且单数形式并不排除多个。单个元件或其他单元可以实现权利要求中记载的多个项的功能。在彼此不同的从属权利要求中陈述的某些措施的简单事实并不表明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范围。

Claims (15)

1.一种漫射透镜(1)，所述漫射透镜(1)包括：
环形的第一透镜段(2)和环形的第二透镜段(4)，第一透镜段(2)和第二透镜段(4)是同心的，
其中，第一透镜段(2)和第二透镜段(4)在沿着包括所述漫射透镜的光轴的平面的截面中的折射率由折射率轮廓(5)描述，所述折射率轮廓在垂直于所述光轴的方向上变化并且包括：
描述第一透镜段(2)的折射率轮廓的第一子轮廓(12)和描述第二透镜段(4)的折射率轮廓的第二子轮廓(14)，
其中，第一子轮廓(12)在界面(10)处转变到第二子轮廓(14)，并且
其中，第一子轮廓(12)和第二子轮廓(14)具有符号相反的斜率。
2.根据权利要求1所述的漫射透镜，
其中，第一子轮廓(12)的斜率和第二子轮廓(14)的斜率由相同的斜率函数描述，但斜率的符号相反。
3.根据权利要求2所述的漫射透镜，
其中，描述第一子轮廓(12)的斜率和第二子轮廓(14)的斜率的斜率函数与rn成比例，其中，r是所述漫射透镜(1)的半径，并且n≥0。
4.根据前述权利要求中任一项所述的漫射透镜，
其中，所述漫射透镜是梯度折射率GRIN型透镜或超透镜。
5.根据前述权利要求中任一项所述的漫射透镜，
其中，在所述界面(10)处从第一子轮廓(12)到第二子轮廓(14)的转变是连续的并且不是连续可微的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的漫射透镜，所述漫射透镜进一步包括第三透镜段、第四透镜段或更多个透镜段，其中，这些透镜段是圆形同心的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的漫射透镜，其中，所述漫射透镜的几何孔径(20)是矩形的。
8.一种光源(50)，所述光源(50)包括布置在半导体衬底(60)上并被配置为发射激光的垂直腔表面发射激光器(70)VCSEL和根据前述权利要求中任一项所述的漫射透镜(1)，其中，所述漫射透镜(1)被配置为漫射由VCSEL(70)发射的激光。
9.根据权利要求8所述的光源，其中，所述漫射透镜(1)与VCSEL(70)集成地形成。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的光源，
其中，所述漫射透镜(1)被集成在其上布置有VCSEL(70)的半导体衬底(60)中。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的光源，
其中，VCSEL(70)是被布置为发射激光通过半导体衬底(60)的底部发射器，其中，所述漫射透镜(1)被布置在半导体衬底(60)的相对于VCSEL(70)相反布置的表面上或集成到半导体衬底(60)中。
12.根据权利要求8至10中任一项所述的光源，
其中，VCSEL(70)是被布置为在背离半导体衬底(60)的方向上发射激光的顶部发射器，其中，所述漫射透镜(1)被布置在VCSEL(70)的半导体层结构的顶部上。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的光源，所述光源包括布置在共用半导体衬底(60)上的VCSEL(70)的阵列以及一个或多个漫射透镜(1)，VCSEL(70)被配置为发射激光，所述一个或多个漫射透镜与VCSEL的阵列中的VCSEL相关联并被配置为漫射由相关联的VCSEL发射的激光。
14.一种制造光源的方法，所述方法包括以下步骤：
提供布置在半导体衬底(60)上的垂直腔表面发射激光器(70)VCSEL；
将漫射透镜(1)与VCSEL(70)集成，所述漫射透镜(1)包括：
环形的第一透镜段(2)和环形的第二透镜段(4)，第一透镜段(2)和第二透镜段(4)是同心的，
其中，第一透镜段(2)和第二透镜段(4)在沿着包括所述漫射透镜的光轴的平面的截面中的折射率由折射率轮廓(5)描述，所述折射率轮廓在垂直于所述光轴的方向上变化并且包括：
描述第一透镜段(2)的折射率轮廓的第一子轮廓(12)和描述第二透镜段(4)的折射率轮廓的第二子轮廓(14)，
其中，第一子轮廓(12)在界面(10)处转变到第二子轮廓(14)，并且
其中，第一子轮廓(12)和第二子轮廓(14)具有符号相反的斜率。
15.一种照射场景的方法，所述方法包括以下步骤：
提供垂直腔表面发射激光器(70)VCSEL；
提供漫射透镜(1)，所述漫射透镜(1)包括：
环形的第一透镜段(2)和环形的第二透镜段(4)，第一透镜段(2)和第二透镜段(4)是同心的，
其中，第一透镜段(2)和第二透镜段(4)在沿着包括所述漫射透镜的光轴的平面的截面中的折射率由折射率轮廓(5)描述，所述折射率轮廓在垂直于所述光轴的方向上变化并且包括：
描述第一透镜段(2)的折射率轮廓的第一子轮廓(12)和描述第二透镜段(4)的折射率轮廓的第二子轮廓(14)，
其中，第一子轮廓(12)在界面(10)处转变到第二子轮廓(14)，并且
其中，第一子轮廓(12)和第二子轮廓(14)具有符号相反的斜率；
使VCSEL(70)发射激光；以及
通过所述漫射透镜(1)将由VCSEL(70)发射的激光漫射到目标区域中。
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