CN216903719U - 垂直腔面发射激光器、发光阵列、投射装置及成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种垂直腔面发射激光器、发光阵列、投射装置及成像系统，其中，该垂直腔面发射激光器，包括：超表面纳米结构、衬底、布拉格反射层、有源层和电极层；超表面纳米结构设置在衬底的出光侧，布拉格反射层设置在衬底的入光侧；超表面纳米结构用于对透过的光线进行调制；有源层、N电极和P电极均位于布拉格反射层远离衬底的一侧，且有源层位于布拉格反射层与电极层之间。通过本实用新型实施例提供的一种垂直腔面发射激光器、发光阵列、投射装置及成像系统，超表面纳米结构可以直接加工到衬底上，不需要再考虑封装问题，易于量产；并且不再需要其它透镜调控光束，可以降低厚度，能够适用于对空间要求很严苛的光传感终端。

Description

垂直腔面发射激光器、发光阵列、投射装置及成像系统

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，具体而言，涉及一种垂直腔面发射激光器、发光阵列、投射装置及成像系统。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有体积小、功率大、运行稳定等优点，因此不仅可以减少三维投射装置的体积，还可以提高三维投射装置的成像精度。VCSEL芯片早期在光通信、光互连、激光引信、激光显示、光信号处理等领域已获广泛应用，并在近红外波段的军用领域起着主导作用；由于VCSEL激光采用脉冲光，不会对人眼造成伤害，随着技术逐渐成熟，近年来VCSEL与感测组件相结合，市场逐渐转向商业与消费者市场，例如3D传感摄像头，汽车激光雷达，VR/AR等领域。

目前一般需要在VCSEL的出光侧设置微透镜(或透镜组)来完成光线控制。但微透镜表面有凸起，厚度较厚，会占用较多的安装空间；微透镜集成的VCSEL与其它元件(如CCD等)封装难度大。安装空间问题导致的极其苛刻的封装条件、与CCD模块集成封装的特殊要求等是未来VCSEL亟需解决的技术难题。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种垂直腔面发射激光器、发光阵列、投射装置及成像系统。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种垂直腔面发射激光器，包括：超表面纳米结构、衬底、布拉格反射层、有源层、电极层和基板，所述电极层包括N电极和P电极，所述电极层设置在基板上；

所述超表面纳米结构设置在所述衬底的出光侧，所述布拉格反射层设置在所述衬底的入光侧；所述超表面纳米结构用于对透过的光线进行调制；

所述有源层、所述N电极和所述P电极均位于所述布拉格反射层远离所述衬底的一侧，且所述有源层位于所述布拉格反射层与所述电极层之间。

在一种可能的实现方式中，所述P电极设置在基板靠近所述布拉格反射层的一侧；所述N电极设置在所述P电极远离所述基板的一侧。

在一种可能的实现方式中，所述超表面纳米结构周围设有透明的填充物，所述填充物的折射率与所述超表面纳米结构的折射率之间的差值大于或等于0.5。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种发光阵列，包括：n×m个如上所述的垂直腔面发射激光器；n表示所述发光阵列的行数，m表示所述发光阵列的列数，且n×m≥2。

在一种可能的实现方式中，每个所述垂直腔面发射激光器的超表面纳米结构具有相同的调制作用。

第三方面，本实用新型实施例还提供了一种投射装置，包括：发光单元和衍射单元；所述发光单元包括如上所述的垂直腔面发射激光器，或者，如上所述的发光阵列；所述垂直腔面发射激光器或所述发光阵列中的超表面纳米结构用于对光线进行准直；

所述发光单元用于发出光线；

所述衍射单元设置在所述发光单元的出光侧，用于将射向所述衍射单元的光线投射为散斑。

在一种可能的实现方式中，投射装置还包括光线调整单元；

所述光线调整单元设置在所述发光单元与所述衍射单元之间，用于将所述发光单元发出的光线调整为射向所述衍射单元。

在一种可能的实现方式中，所述衍射单元为衍射光学元件或超透镜。

第四方面，本实用新型实施例还提供了一种成像系统，包括：如上所述的投射装置和接收装置；

所述投射装置用于向目标物体表面投射散斑结构光；

所述接收装置用于接收经所述目标物体反射的散斑结构光。

在一种可能的实现方式中，所述投射装置的数量为多个，和/或，所述接收装置的数量为多个。

本实用新型实施例提供的一种垂直腔面发射激光器、发光阵列、投射装置及成像系统，将N电极和P电极设置在布拉格反射层的同一侧，从而可以在衬底未设有布拉格反射层的另一侧生长超表面纳米结构，可以很方便地基于超表面技术对垂直腔面发射激光器发出的光线进行调制。超表面纳米结构可以直接加工到衬底上，不需要再考虑封装问题，易于量产；并且，垂直腔面发射激光器利用超表面纳米结构实现光线调制，不需要其它透镜调控光束，可以降低厚度，使得该垂直腔面发射激光器能够适用于对空间要求很严苛的光传感终端，如手机、AR/VR设备等；此外，超透镜对光束的调制作用可以定制，例如对光束准直、弥散等，更有利于下游产品的光学集成。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例所提供的垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供超表面纳米结构的一种分布示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的发光阵列的一种结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的投射装置的一种结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的投射装置的另一种结构示意图；

图6示出了本实用新型实施例所提供的成像系统的一种结构示意图。

图标：

100-超表面纳米结构、200-衬底、300-布拉格反射层、400-有源层和电极层、500-N电极、600-P电极、700-基板、800-填充物、10-发光单元、20-衍射单元、30-光线调整单元、1-投射装置、2-接收装置。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供了一种垂直腔面发射激光器，参见图1所示，该激光器包括：超表面纳米结构100、衬底200、布拉格反射层300、有源层400、电极层和基板700，该电极层包括N电极500和P电极600。

如图1所示，超表面纳米结构100设置在衬底200的出光侧，布拉格反射层300设置在衬底200的入光侧；超表面纳米结构100用于对透过的光线进行调制。图1中以衬底200的下侧为入光侧、上侧为出光侧为例示出。

并且，有源层400、N电极500和P电极600均位于布拉格反射层300远离衬底200的一侧，且有源层400位于布拉格反射层300与电极层之间。并且，该电极层设置在该基板700上。本实用新型实施例中，该基板700起到固定支撑作用，增加垂直腔面发射激光器的可靠性。并且，N电极500和P电极600可以直接贴在该基板700上，方便制造加工。该有源层400可选用双异质结结构的体材料，或者也可以采用量子阱结构，本实施例对此不做限定。

本实用新型实施例中，该垂直腔面发射激光器利用设置超表面结构实现对激光器发出光线的调制，从而可以控制光线的出射方向，例如，可以对光线进行准直等。超表面结构需要在衬底上生长纳米结构，为了方便制作该超表面结构，如图1所示，本实施例中将N电极500和P电极600设置在衬底200同一侧，使得衬底200的另一侧能够设置超表面纳米结构100，从而形成能够调制光线的超表面结构。具体地，该N电极500和P电极600设置在布拉格反射层300的同一侧。

本实用新型实施例提供的垂直腔面发射激光器的工作原理具体如下：N电极500和P电极600接入驱动电流后，该驱动电流被注入到有源层400，该有源层400能够发出光线；并且该有源层400与布拉格反射层300构成短腔激光器，从而发出光线。该光线能够透过衬底200射向超表面纳米结构100，超表面纳米结构100对该光线进行调制(例如准直)，从而使得该垂直腔面发射激光器射出的光线能够按照特定方向出射。具体地，当注入的驱动电流大于阈值电流时，有源层400将发出相干性极高的光束，该光束在布拉格反射层300进行多次反射后射出，并射向超表面纳米结构100。

本实用新型实施例提供的一种垂直腔面发射激光器，将N电极500和P电极600设置在布拉格反射层300的同一侧，从而可以在衬底200未设有布拉格反射层300的另一侧生长超表面纳米结构100，可以很方便地基于超表面技术对垂直腔面发射激光器发出的光线进行调制。超表面纳米结构100可以直接加工到衬底200上，不需要再考虑封装问题，易于量产；并且，垂直腔面发射激光器利用超表面纳米结构100实现光线调制，不需要其它透镜调控光束，可以降低厚度，使得该垂直腔面发射激光器能够适用于对空间要求很严苛的光传感终端，如手机、AR/VR设备等；此外，超透镜对光束的调制作用可以定制，例如对光束准直、弥散等，更有利于下游产品的光学集成。

可选地，如图1所示，P电极600设置在基板700靠近布拉格反射层300的一侧；N电极500设置在P电极600远离基板700的一侧。即，基板700上先设置P电极600，之后在该P电极600上设置N电极500；有源层400设置在N电极500与布拉格反射层300之间。

可选地，参见图2所示，该超表面纳米结构100周围设有透明的填充物800，填充物800的折射率与超表面纳米结构100的折射率之间的差值大于或等于0.5。

本实用新型实施例中，在该垂直腔面发射激光器的工作波段，衬底200是透明的，即对目标波段的光线具有高透过率；例如，若将该垂直腔面发射激光器用于成像系统，则该工作波段可以为可见光波段、近红外波段等。并且，超表面纳米结构100在工作波段也透明；该超表面纳米结构100所采用的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅中的至少一种。其中，衬底200与超表面纳米结构100采用不同的材料；该衬底200还可以采用石英玻璃、火石玻璃等。

并且，如图2所示，超表面纳米结构100之间是在工作波段透明的填充物800，以能够保护纳米级的超表面纳米结构100。该填充物800的折射率与超表面纳米结构100的折射率之间的差值大于或等于0.5，以避免填充物800影响光线调制效果。其中，衬底200、超表面纳米结构100、纳米结构100之间的填充物800均采用不同的材料。

本实用新型实施例中，超表面纳米结构100呈阵列排布，通过划分的方式分为多个超表面结构单元，该超表面结构单元可以为正六边形和/或正方形等，每个超表面结构单元的中心位置，或者每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置设有超表面纳米结构100。图2用虚线示意性表示了超表面结构单元的一种划分方式，图2中，超表面结构单元为正方形，其包含超表面纳米结构100以及一部分衬底200，且超表面纳米结构100位于该超表面结构单元的中心位置。此外，超表面纳米结构100可以为圆柱形、方柱形等形状，具体可基于实际情况而定。

本实用新型实施例还提供一种发光阵列，参见图3所示，该发光阵列包括：n×m个如上任意实施例提供的垂直腔面发射激光器；其中，n表示发光阵列的行数，m表示发光阵列的列数，形成n×m形式的阵列。并且，n≥1，m≥1；由于该发光阵列包含多个垂直腔面发射激光器，即n或m中至少一个不小于2，故n×m≥2。

其中，发光阵列中的每个垂直腔面发射激光器均设有超表面纳米结构100，对于不同的垂直腔面发射激光器，其超表面纳米结构100所起到的调制作用可以是相同的，也可以是不同的。例如，每个垂直腔面发射激光器的超表面纳米结构100具有相同的调制作用，以使得该发光阵列可以实现统一均匀地发光。

本实用新型实施例还提供一种投射装置，其用于发出结构光，参见图4所示，该投射装置包括：发光单元10和衍射单元20。该发光单元10用于发出光线，例如激光等；该衍射单元20设置在发光单元10的出光侧，用于将射向衍射单元20的光线投射为散斑。其中，该发光单元10包括如上任意实施例提供的垂直腔面发射激光器，或者发光阵列；并且，垂直腔面发射激光器或发光阵列中的超表面纳米结构100用于对光线进行准直。

结构光是指利用带有编码信息的激光光源投射到物体表面，再根据物体表面反射的散斑信息计算物体位置和深度，是三维成像中的研究热点。本实用新型实施例提供的能够发出结构光的投射装置，其发出的结构光可以投射到物体表面，以方便实现成像。其中，该投射装置中的超表面纳米结构100均用于对光线进行准直(不再需要传统的准直透镜组)，以调整光线的出射角度，之后利用衍射单元20对光线进行投射，从而能够向物体投射散斑，形成结构化的光线。其中，该衍射单元20可以为衍射光学元件(DOE)，也可以是超透镜。

可选地，为了使得该投射装置能够与不同的安装空间兼容，适应不同的安装空间，参见图6所示，该投射装置还包括光线调整单元30。该光线调整单元30设置在发光单元10与衍射单元20之间，用于将发光单元10发出的光线调整为射向衍射单元20。

本实用新型实施例中，在发光单元10与衍射单元20之间的传输光路中设置光线调整单元30，利用该光线调整单元30调整光线的传播方向，实现光线偏折，从而使得该投射装置的发光单元10与衍射单元20安装在不同的位置，实现不同的场景需求。其中，该光线调整单元30可以是反射镜、柱透镜、棱镜等。图5以该光线调整单元30是反射镜为例，将发光单元10发出的朝右光线反射至朝上传输，射向上方的衍射单元20。

本实用新型实施例还提供一种成像系统，参见图6所示，该成像系统包括：如上任意实施例所提供的投射装置1和接收装置2；投射装置1用于向目标物体表面投射散斑结构光；接收装置2用于接收经目标物体反射的散斑结构光。对于该成像系统，投射装置1的数量可以为多个，和/或，接收装置2的数量可以为多个。

本实用新型实施例中，该投射装置1向目标物体表面投射散斑结构光，形成散斑图案，接收装置2可以接收到该目标物体所反射的三板结构光，根据反射的散斑结构光生成目标物体的二维图像，根据散斑相对位置信息可以计算目标物体的深度，根据二维图像和目标物体的深度信息生成目标物体的三维图像。其中，根据散斑结构光等生成三维图像的过程为现有技术，此处不做详述。

本实用新型实施例提供的成像系统，投射装置1利用超表面技术可以方便地实现光线调制，实现光线投射。该成像系统更加轻薄化、小型化，整体重量下降，并能够减少安装空间，能够适用于对空间要求很严苛的光传感终端，如手机、AR/VR设备等；此外，超透镜对光束的调制作用可以定制，例如对光束准直、弥散等，更有利于下游产品的光学集成。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：超表面纳米结构(100)、衬底(200)、布拉格反射层(300)、有源层(400)、电极层和基板(700)，

所述电极层包括N电极(500)和P电极(600)，所述电极层设置在所述基板(700)上；

所述超表面纳米结构(100)设置在所述衬底(200)的出光侧，所述布拉格反射层(300)设置在所述衬底(200)的入光侧；所述超表面纳米结构(100)用于对透过的光线进行调制；

所述有源层(400)、所述N电极(500)和所述P电极(600)均位于所述布拉格反射层(300)远离所述衬底(200)的一侧，且所述有源层(400)位于所述布拉格反射层(300)与所述电极层之间。

2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述P电极(600)设置在基板(700)靠近所述布拉格反射层(300)的一侧；所述N电极(500)设置在所述P电极(600)远离所述基板(700)的一侧。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述超表面纳米结构(100)周围设有透明的填充物(800)，所述填充物(800)的折射率与所述超表面纳米结构(100)的折射率之间的差值大于或等于0.5。

4.一种发光阵列，其特征在于，包括：n×m个如权利要求1-3任意一项所述的垂直腔面发射激光器；n表示所述发光阵列的行数，m表示所述发光阵列的列数，且n×m≥2。

5.根据权利要求4所述的发光阵列，其特征在于，每个所述垂直腔面发射激光器的超表面纳米结构(100)具有相同的调制作用。

6.一种投射装置，其特征在于，包括：发光单元(10)和衍射单元(20)；所述发光单元(10)包括如权利要求1-3任意一项所述的垂直腔面发射激光器，或者，如权利要求4或5所述的发光阵列；所述垂直腔面发射激光器或所述发光阵列中的超表面纳米结构(100)用于对光线进行准直；

所述发光单元(10)用于发出光线；

所述衍射单元(20)设置在所述发光单元(10)的出光侧，用于将射向所述衍射单元(20)的光线投射为散斑。

7.根据权利要求6所述的投射装置，其特征在于，还包括光线调整单元(30)；

所述光线调整单元(30)设置在所述发光单元(10)与所述衍射单元(20)之间，用于将所述发光单元(10)发出的光线调整为射向所述衍射单元(20)。

8.根据权利要求6或7所述的投射装置，其特征在于，所述衍射单元(20)为衍射光学元件或超透镜。

9.一种成像系统，其特征在于，包括：如权利要求6-8任意一项所述的投射装置(1)和接收装置(2)；

所述投射装置(1)用于向目标物体表面投射散斑结构光；

所述接收装置(2)用于接收经所述目标物体反射的散斑结构光。

10.根据权利要求9所述的成像系统，其特征在于，所述投射装置(1)的数量为多个，和/或，所述接收装置(2)的数量为多个。

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