DE102019118010B4

DE102019118010B4 - Strukturierter lichtprojektor und verfahren zum herstellen eines solchen

Info

Publication number: DE102019118010B4
Application number: DE102019118010.4A
Authority: DE
Inventors: Jean Axel Edmond Teissier; Julien Boucart
Original assignee: II VI Delaware Inc
Current assignee: II VI Delaware Inc
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2024-02-15
Anticipated expiration: 2039-07-04
Also published as: TWI705291B; KR20200011012A; DE102019118010A1; US20200025985A1; KR102226884B1; TW202008067A; US11675114B2

Abstract

Strukturierter Lichtprojektor (10) zum Erzeugen eines Fernfeldbildes von Lichtpunkten in einem definierten Muster, umfassend:eine Lichtquelle (12), die als Ausgabe einen nicht kollimierten Lichtstrahl (B) bereitstellt; undein spezialisiertes diffraktives optisches Element (14), das zum Abfangen des nicht kollimierten Lichtstrahls (B) angeordnet ist, wobei das spezialisierte diffraktive optische Element (14) ein ungleichmäßiges Muster (16) einer Vielzahl von Gittermerkmalen (18) umfasst, die konfiguriert sind, um sowohl die Wellenfront- als auch die Phasenverzögerung des nicht kollimierten Strahls zu kompensieren und den kompensierten Strahl zu beugen, um als Ausgabe ein Interferenzmuster von Lichtpunkten zu erzeugen, die das definierte Muster aufweisen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen strukturierten Lichtprojektor und insbesondere einen monolithisch strukturierten Lichtprojektor, der die Notwendigkeit eines separaten Kollimators zur Strahlformung überflüssig macht.
Hintergrund der Erfindung
Strukturierte Lichtprojektoren werden für Anwendungen entwickelt, bei denen spezifische Muster von „Lichtpunkten“ verwendet werden, um ein Muster aus codiertem Licht oder Informationen zu erzeugen. Anwendungen wie 3D-Sensorik, Mapping und dergleichen sind von der Verwendung dieser Art einer optischen Quelle abhängig. 1 ist ein vereinfachtes Diagramm eines typischen strukturierten Lichtprojektors nach dem Stand der Technik, einschließlich einer Laserdiode 1, die einen Strahl B aussendet. Wie gezeigt, ist der Strahl beim Austritt aus der Laserdiode 1 divergent. Der divergierende Strahl wird dann in eine Kollimatorlinse 2 gerichtet, die dazu dient, den divergierenden Strahl in eine Reihe von parallelen Strahlen (d. h. einen kollimierten Strahl) zu fokussieren (formen), die eine planare Wellenfront darstellen. Der kollimierte Strahl wird dann in ein diffraktives optisches Element (DOE) 3 gerichtet, das dazu dient, einen Teil der Strahlen umzuleiten, um ein Interferenzmuster von Lichtpunkten zu erzeugen, wie in 2 gezeigt. Das Muster der Lichtpunkte wird durch die Einführung einer Reihe von Phasenverzögerungen über die Wellenfront des kollimierten Strahls beim Durchgang durch die Gitter des DOE gebildet. Verschiedene Arten von diffraktiven Elementen, die zu diesem Zweck verwendet werden, sind in der Technik bekannt und schließen unter anderem refraktiv gekrümmte Oberflächen, Fresnellinsen und dergleichen ein.
US 2012 / 0 223 218 A1 offenbart ein diffraktives optisches Element, das ein erstes und ein zweites diffraktives optisches Teil umfasst, um zweidimensional gebeugtes Licht zu erzeugen.
US 2016 / 0 377 414 A1 offenbart einen optischen Musterprojektor, der zum Projizieren eines strukturierten Lichtmusters auf ein Objekt zur Bemaßung verwendet wird.
DE 11 2013 001 228 T5 offenbart räumlich codiertes strukturiertes Licht generiert durch ein Array von Laserdioden, um eine Triangulation von strukturiertem Licht auszuführen.
Obwohl es für die Bereitstellung der strukturierten Lichtleistung nützlich ist, muss die Kombination aus Kollimator und DOE sorgfältig (aufeinander und auf die Lichtquelle) ausgerichtet werden, sodass das gewünschte Muster erzeugt wird. Die Ausrichtungstoleranzen erhöhen zwangsläufig die Kosten für den Projektor sowie den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Herstellung der Anordnung. Die engen Ausrichtungstoleranzen wirken sich auch auf die Verpackungsanforderungen aus. Die Verwendung einzelner, diskreter Komponenten wirkt sich auf die Größe des Projektors selbst aus, insbesondere in Anwendungen, in denen es gewünscht wird, eine Reihe solcher Projektoren zu verwenden, um umfangreichere und/oder komplexere Muster von Lichtpunkten zu erzeugen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die in der Technik verbleibenden Anforderungen werden durch die vorliegende Erfindung abgedeckt, die sich auf einen strukturierten Lichtprojektor und insbesondere auf einen monolithischen, integrierten strukturierten Lichtprojektor bezieht, der auf eine separate Kollimatorkomponente verzichtet und in einer exemplarischen Ausführungsform direkt auf eine Laserdioden-Lichtquelle selbst aufgebracht werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein spezielles diffraktives optisches Element („spezialisiertes DOE“) in Kombination mit einer Lichtquelle verwendet, um das gewünschte Punktmuster zu erzeugen. Insbesondere wird das spezialisierte DOE gebildet, um ein variables Beugungsmuster zu zeigen, das den nicht kollimierten Strahl, der aus dem Laser austritt, kompensiert, sodass die mit der Laserleistung verbundene Strahlform und Phasenverzögerung durch das Beugungsmuster des spezialisierten DOE angepasst werden kann. Insbesondere ist das in der spezialisierten DOE gebildete Beugungsmuster dazu konfiguriert, einen ungleichmäßigen Abstand und/oder eine Dicke der eingeschlossenen Merkmale einzuschließen, um der Phasenverzögerung entgegenzuwirken, die über die Wellenfront des nicht kollimierten Strahls hinausgeht. Für Anwendungen, bei denen es gewünscht ist, ein Array von Lichtpunkten zu erzeugen (wie in 2 gezeigt), entwickelt sich die Ungleichmäßigkeit der Merkmale, die das spezialisierte DOE bilden, in Richtungen weg von der Mitte des Strahls, wobei sie der Phasenverzögerung des nicht-kollimierten Strahls entspricht, sobald er das spezialisierte DOE erreicht. Andere Konfigurationen der Ungleichförmigkeit werden als im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten betrachtet und können verwendet werden, um spezielle Punktmuster für bestimmte Anwendungen zu erzeugen. Das Muster von Punkten kann die Form einem regelmäßigen Array oder eines zufälligen Musters (in den meisten Fällen pseudozufällig) annehmen, wie in 2 gezeigt.
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL), der auf einem Trägersubstrat so ausgerichtet ist, dass seine Emission durch die Dicke des Substrats hindurchgeht, wobei in einem Fall das spezialisierte DOE direkt auf der Oberfläche des Substrats hergestellt wird. Diese integrierte Konfiguration bietet somit einen monolithisch strukturierten Lichtprojektor, der äußerst kompakt und zuverlässig ist.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können integrierte Arrays von Lichtquellen verwenden, die so angeordnet sind, dass sich ihre unterschiedlichen Strahlen nicht überlappen. Das Beugungsmuster wird erzeugt, um eine angemessene Kompensation für die Divergenz des Arrays von Strahlen bereitzustellen. Die Arrays können eindimensional oder zweidimensional sein.
Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter Verwendung einer diskreten Lichtquelle in Kombination mit einer diskreten spezialisierten DOE (im Gegensatz zur monolithischen, integrierten Konfiguration) gebildet werden. Da das spezialisierte DOE die Notwendigkeit eines separaten Kollimators überflüssig macht, sind selbst diese Ausführungsformen mit einem diskreten spezialisierten DOE kompakter als ihre bisherigen Pendants nach dem Stand der Technik (und beseitigen auch den Kollimator-DOE-Ausrichtungsprozess).
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein strukturierter Lichtprojektor zum Erzeugen eines Fernfeldbildes von Lichtpunkten in einem definierten Muster, wobei der Projektor eine Lichtquelle umfasst, die als Ausgabe einen nicht kollimierten Lichtstrahl bereitstellt, und ein spezielles diffraktives optisches Element, das zum Abfangen des nicht kollimierten Lichtstrahls angeordnet ist. Das spezialisierte diffraktive optische Element selbst ist so ausgebildet, dass es ein ungleichmäßiges Muster einer Vielzahl von Gittermerkmalen umfasst, die dazu konfiguriert sind, sowohl die Wellenfront- als auch die Phasenverzögerung des nicht kollimierten Strahls zu kompensieren und den kompensierten Strahl zu beugen, um als Ausgabe ein Interferenzmuster von Lichtpunkten zu erzeugen, die das definierte Muster aufweisen.
Andere und weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Verlauf der folgenden Beschreibung sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen,

ist 1 ein vereinfachtes Diagramm eines Punktprojektors nach dem Stand der Technik;
veranschaulicht 2 ein beispielhaftes Punktmuster, das durch die Interferenz von Strahlen erzeugt wird, die durch ein DOE hindurchgehen;
ist 3 ein vereinfachtes Diagramm eines strukturierten Lichtprojektors, der gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wurde;
veranschaulicht 4 eine spezifische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in diesem Fall bestehend aus der Kombination einer VCSEL-Lichtquelle und einer spezialisierten DOE, wobei die spezialisierte DOE so ausgebildet ist, dass sie einen ungleichmäßigen Abstand der Elemente zum Kompensieren des divergierenden Strahls aufweist;
ist 5 eine vergrößerte Ansicht des spezialisierten DOE von 4, das die Wellenfront des sich nähernden divergenten Strahls und den ungleichmäßigen Abstand der Elemente im DOE veranschaulicht;
veranschaulicht 6 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in diesem Fall die Verwendung eines Arrays von Lichtquellen mit zugehörigen speziellen DOEs zum Bilden eines strukturierten Lichtprojektors gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
zeigt 7 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in diesem Fall unter Verwendung einer ungleichmäßigen Dicke in der Materialschicht, die das spezielle DOE bildet, wobei die sich ändernde Dicke dazu konfiguriert ist, den divergierenden Strahl zu kompensieren; und
veranschaulicht 8 noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die spezialisierte DOE so ausgebildet ist, dass sie sowohl einen ungleichmäßigen Abstand als auch eine ungleichmäßige Dicke einschließt, um die Strahldivergenz zu kompensieren.

Detaillierte Beschreibung
3 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines beispielhaften strukturierten Lichtprojektors 10, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gebildet wurde. Ähnlich wie bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration nach dem Stand der Technik wird eine Lichtquelle 12 verwendet, um einen Strahl auszusenden, der beim Verlassen der Quelle 12 divergiert und beim Ausbreiten entlang eines Ausgabepfads als nicht kollimierter Strahl weiter divergiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein spezialisiertes DOE 14 so konfiguriert, dass es mit dem nicht kollimierten Strahl zusammenwirkt und ein Muster von Lichtpunkten erzeugt, das im Wesentlichen das gleiche sein kann wie das in 2 gezeigte.
Wie im Folgenden näher erläutert wird, ist das spezialisierte DOE 14 so ausgebildet, dass es ein ungleichmäßiges Muster 16 von Gittermerkmalen 18 aufweist, im Gegensatz zu typischen DOEs, die eine einheitliche Konfiguration aufweisen, um das gewünschte Interferenzmuster zu erzeugen. Insbesondere kann das Muster 16 in Bezug auf den Abstand zwischen benachbarten Merkmalen 18 über die Oberfläche des Elements 14 ungleichmäßig oder in Bezug auf die Dicke der Merkmale 18 innerhalb der Schicht des Materials zum Bilden des spezialisierten DOE 14 oder eine Kombination aus einem ungleichmäßigen Abstand und einer ungleichmäßigen Dicke ungleichmäßig sein. In jedem Fall ist das Muster 16 speziell ausgebildet, um die Verzögerung der Einfallszeiten verschiedener Abschnitte des nicht kollimierten Strahls, die aus der Lichtquelle austreten, zu kompensieren, sodass eine gewünschte Punktmusterprojektion von Licht entsteht. Vor diesem Hintergrund werden nun verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Folgenden ausführlich erläutert.
Eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die gewünschte Ungleichmäßigkeit im spezialisierten DOE-Muster durch Steuerung des Abstands zwischen benachbarten Merkmalen, die das Gittermuster bilden, bereitstellt, ist in 4 gezeigt. Insbesondere veranschaulicht 4 einen monolithisch, integrierten strukturierten Lichtprojektor, wobei ein spezialisiertes DOE 40 der vorliegenden Erfindung auf einer Rückseite 30 eines Substrats 32 gebildet wird, auf dem eine VCSEL-Vorrichtung 34 angebracht und als Lichtquelle für den Projektor verwendet wird. Ebenfalls in 4 gezeigt ist eine Metallkontaktschicht 38 von VCSEL 34, die über der Rückseite 30 des Substrats 32 ausgebildet ist. In dieser speziellen Ausführungsform ist VCSEL 34 „kopfüber“ (d. h. epi-seitig nach unten) so angebracht, dass sie durch die Dicke des Substrats 32 emittiert wird (anstelle des normalen Prozesses zum Emittieren aus einer oberen Oberfläche in den freien Raum). Die Divergenz des emittierten Strahls, wie er sich durch das Substrat 32 ausbreitet, wird durch die gestrichelten Linien in 4 dargestellt, die auch die Bewegung der nicht-planaren Wellenfront von der VCSEL-Vorrichtung 34 zum spezialisierten DOE 40 veranschaulichen. In Übereinstimmung mit dieser speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein spezialisiertes DOE 40 so ausgebildet, dass es ein Muster 42 mit einem ungleichmäßigen Abstand zwischen benachbarten Gittermerkmalen 44 aufweist. In diesem speziellen Beispiel ist das Muster 42 des spezialisierten DOE 40 eigens so ausgebildet, dass der Abstand zwischen benachbarten Gittermerkmalen 44 so angepasst wird, dass er dem Strahlprofil des von VCSEL 34 emittierten Lichts entspricht. Das heißt, der Abstand wird so gesteuert, dass er die Phasenverschiebung zwischen den äußeren Bereichen der Wellenfront in Bezug auf die Mitte der Wellenfront kompensiert. Durch die Bereitstellung dieser Kompensation in einem spezialisierten diffraktiven Element, das gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung gebildet wird, werden sowohl die Kollimation als auch die Beugung durch eine einzelne Komponente bereitgestellt, wodurch eine kompakte strukturierte Lichtprojektoranordnung erzeugt wird.
In einer spezifischen Konfiguration dieser Ausführungsform kann ein spezialisiertes DOE 40 gebildet werden, indem eine Materialschicht 46 (wie beispielsweise TiO₂) auf die Metallkontaktschicht 38 aufgebracht und anschließend die Strukturierungs- und Ätzschicht 46 aufgebracht wird, um Gittermerkmale 44 in dem gewünschten Muster 42 zu konfigurieren. Alternativ kann das Muster 42 auch durch direktes Ätzen der Merkmale 44 in die Metallkontaktschicht 38 gebildet werden. Die Möglichkeit, das Beugungsmuster direkt in/auf der Kontaktschicht mit herkömmlichen, bekannten Fertigungsprozessen für integrierte Schaltungen zu erzeugen, führt zu einem äußerst kompakten strukturierten Lichtprojektor, bei dem das Muster auf den von der VCSEL emittierten Strahl ausgerichtet ist. Bei allen Konfigurationen, solange das DOE 40 ein Gittermuster aus einzelnen Merkmalen 44 mit unterschiedlichen Brechungsindexwerten erzeugt, erfährt der durch diese Bereiche hindurchgehende Strahl unterschiedliche Beugungsgrade und erzeugt so das gewünschte Punktstrahlmuster im Fernfeld. Durch die Verwendung von ungleichmäßigen Merkmalen einer beliebigen Art (ungleiche Größe, Form, Abstand usw.) wird die Kollimation des divergierenden Ausgabestrahls von der VCSEL 34 durch das DOE 40 bereitgestellt, wodurch die Notwendigkeit einer separaten Kollimationslinse entfällt.
5 ist eine vergrößerte Ansicht des spezialisierten DOE 40, das die Ungleichförmigkeit im Muster 42 veranschaulicht, das insbesondere konfiguriert ist, um die Wellenfront des von der VCSEL 34 ausgegebenen nicht kollimierten Strahls anzupassen. Wie gezeigt, sind die Merkmale 44A in dem zentralen Bereich des spezialisierten DOE 40 relativ eng beieinander angeordnet (bezeichnet durch die Trennung SA), wobei der Abstand zwischen den Merkmalen 44A und 44B zunimmt (zu einer als SB bezeichneten Trennung). Dies erhöht den Abstand (SC) mit dem Merkmal 44C, und so weiter, in die Richtungen +x und -x vom zentralen Merkmal 44A des spezialisierten DOE 40. Gemäß dieser besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Abstand so gesteuert, dass er der Phasenverzögerung der äußeren Abschnitte der Wellenfront entspricht, wobei die Phasenverzögerung wie Δϕ in 5 gezeigt ist.
Wie oben erwähnt, kann das spezialisierte DOE der vorliegenden Erfindung mit einem Array von Lichtquellen verwendet werden, das als strukturierter Lichtprojektor und nicht nur als eine einzelne Lichtquelle konfiguriert ist. 6 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration, einschließlich eines Arrays von VCSELs 34-1 bis 34-N, die epi-seitig nach unten auf einem Substrat 60 angeordnet sind, sodass sich ihre emittierten Strahlen durch die Dicke des Substrats 60 ausbreiten und durch eine n-artige Kontaktschicht 62 austreten. Gemäß dieser besonderen Konfiguration dieser Array-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Array von VCSELs als integriertes Array auf einem einzelnen Substrat gebildet, wobei eine Vielzahl von separaten spezialisierten DOEs 70-1 bis 70-N über einer n-artigen Kontaktschicht 62 des Substrats 60 angeordnet sind, die jeweils in Übereinstimmung mit der zugehörigen VCSEL 34-1 bis 34-N, wie gezeigt, ausgebildet sind.
In diesem Fall werden die DOEs 70-1 bis 70-N innerhalb einer Schicht 72 aus einem geeigneten Material gebildet und so konfiguriert, dass sie die gewünschten ungleichmäßigen Muster 74-1 bis 74-N (ungleicher Abstand, ungleiche Dicke oder beides) aufweisen. Jedes Muster ist so ausgebildet, dass es mit seinem eigenen, separaten Strahl zusammenwirkt, um aus diesem emittierten Strahl das gewünschte Punktmuster zu erzeugen. Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die VCSELs 34-1 bis 34-N durch einen vorgegebenen Abstand d so getrennt, dass sich ihre divergierenden Strahlen beim Durchlaufen des Substrats 60 nicht überlappen. Insbesondere ist die Bedingung, d als größer als 2 ∗T∗ sin(θ) zu definieren, wobei T die Dicke des Substrats 60 ist und θ als die seitliche Divergenz des Strahls definiert ist, wie in 5 gezeigt. Auf diese Weise können die spezifischen Muster 74-1, 74-2, ... und 74-N, die in den DOEs 70-1 bis 70-N gebildet werden, unabhängig voneinander konfiguriert werden, um das optimale Muster bereitzustellen, das ausschließlich auf den divergierenden Eigenschaften der zugehörigen Strahlen basiert, ohne Bedenken hinsichtlich der Interferenz durch überlappende Strahlen. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass jedes DOE ein anderes ungleichmäßiges Beugungsmuster aufweisen kann, sodass die Kombination verschiedener Muster das gewünschte Ergebnis von Punktmustern bereitstellt. Vorteilhafterweise ermöglicht die Verwendung von standardmäßigen integrierten Fertigungsprozessen die Bildung eines Arrays von strukturierten Lichtprojekten auf einfache Weise.
Weiterhin ist zu verstehen, dass eine größere Anzahl von VCSELs als Lichtquelle für den integrierten strukturierten Lichtprojektor der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, einschließlich einer zweidimensionalen Anzahl solcher Vorrichtungen. In jedem Fall wird ein separates Beugungsmuster zur Verwendung beim Erzeugen eines Punktmusters aus jedem Strahl erstellt.
7 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei in diesem Fall die Merkmalsdicke der spezialisierten DOE-Komponente gesteuert wird (anstelle des Merkmalsabstands), um die Ungleichmäßigkeit bereitzustellen, die zum Kompensieren der Strahldivergenz erforderlich ist. Insbesondere veranschaulicht 7 ein spezialisiertes DOE 80, das in einer Materialschicht gebildet wird, die über einer n-artigen (Metall-) Kontaktschicht 38 (wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform) abgeschieden wird. Das Material kann sequentiell verarbeitet werden, um separate Gittermerkmale 82 mit unterschiedlichen Dicken zu erzeugen. Hier werden die Dicken der Gittermerkmale 82 in Abhängigkeit von x in beide Richtungen vom Zentrum des spezialisierten DOE 80 gezeigt. Ein dickstes Merkmal 82A wird im zentralen Bereich von DOE 80 gezeigt, wobei ein Paar von geringfügig weniger dicken Merkmalen 82 B auf beiden Seiten des Merkmals 82A angeordnet ist (wobei t_A > t_B). Das nächste Paar von Merkmalen 82C, das sich nach außen erstreckt, ist etwas kürzer als die Merkmale 82 (t_B > t_C), und so weiter.
Die Dicke kann durch die Verwendung einer Reihe von Mustern und Ätzungen variiert werden, um die Menge des bei jedem Ätzschritt abgetragenen Materials zu steuern. Alternativ kann ein gesteuerter reaktiver Ionenätzprozess (RIE) verwendet werden, um die Dicke der Merkmale 82 anzupassen und das gewünschte Muster zu erzeugen. Andere Verfahren zum Anpassen der Dicke der Merkmale 82 können verwendet werden, und in allen Fällen wird die Dicke so modifiziert, um die Phasenverzögerung zu steuern, die dem Abschnitt des Strahls zugeordnet ist, der durch ein lokales Merkmal 82 hindurchgeht. Insbesondere gilt, je dicker das Merkmal, desto länger die Phasenverzögerung. Ausgehend von der Kenntnis der Phasenverzögerung des jeweiligen Materials, das zur Bildung der Merkmale 82 verwendet wird (in Abhängigkeit von der Wellenlänge des durch das Material fließenden Lichts), kann so eine geeignete Konfiguration der Dickenungleichmäßigkeit entwickelt werden, die eine Kompensation eines nicht kollimierten Ausgangsstrahls gemäß der vorliegenden Erfindung vorsieht.
Noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 8 dargestellt. Hier ist ein spezialisiertes DOE 90 so gebildet, dass es eine Kombination aus einem ungleichmäßigen Abstand der Elemente und einer ungleichmäßigen Dicke der Elemente aufweist. In dieser besonderen Konfiguration umfasst das DOE 90 einen Satz von Merkmalen 92, die entweder aus einer ersten Dicke t₁ oder einer zweiten Dicke t₂ gebildet sind (mit Abständen zwischen benachbarten Merkmalen, wie gezeigt). Die Dicken in dieser besonderen Ausführungsform können in ihrer Größe zueinander in Beziehung gesetzt werden, um eine 2π Phasenverschiebung zu den Abschnitten der Welle zu bewirken, die durch das dickere Merkmal wandern (dies sollte jedoch als nur eine mögliche Konfiguration betrachtet werden und andere Werte von t₁ und t₂ können verwendet werden). Die Merkmale 92 sind ebenfalls so ausgebildet, dass sie zwei verschiedene Breiten aufweisen, die als W₁ und W₂ dargestellt sind. Diese Kombination aus Merkmalsdicke und -breite bildet somit ein geflammtes diffraktives optisches Element, das auch den nicht kollimierten Ausgangsstrahl von der VCSEL 34 kompensiert. Diese Konfiguration dient insbesondere dazu, den Modus der nullten Ordnung (d. h. den nicht abgelenkten Modus) zu verringern.
Obwohl die obigen Ausführungsformen das Erstellen eines monolithisch strukturierten Lichtprojektors veranschaulichen, ist zu verstehen, dass das spezialisierte DOE als separates, diskretes Element gebildet und in Ausrichtung mit einer Lichtquelle angeordnet werden kann, wie im Blockdiagramm von 3 gezeigt wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Konfiguration eines strukturierten Lichtprojektors nach dem Stand der Technik die Ausrichtung einer Kollimatorlinse mit einer Standard-DOE und dann die Verpackung der ausgerichteten Kombination in ein Modul erfordert. Anschließend muss das Modul mit einer zugehörigen Lichtquelle ausgerichtet werden. Wie oben erwähnt, erübrigt die vorliegende Erfindung die Notwendigkeit dieser verschiedenen Ausrichtungs- und Verpackungsschritte, indem sie die Kollimations- und Beugungsfunktionen in einem einzelnen Element kombiniert, das mit einer Laserlichtquelle integriert werden kann, um einen monolithisch, strukturierten Lichtprojektor zu erzeugen. Der strukturierte Lichtprojektor der vorliegenden Erfindung ist robust und äußerst kompakt. Ohne die Notwendigkeit zusätzlicher diskreter Komponenten wird der Fertigungsprozess deutlich vereinfacht und ermöglicht ein äußerst kompaktes Projektionsprodukt, das für Anwendungen in der Mobilfunkindustrie (z. B. Projektoren, die in Smartphones untergebracht sind) ein entscheidender Faktor ist.
Es ist daher zu beachten, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen als Beispiel genannt werden und dass die vorliegende Erfindung nicht auf das vorstehend Gezeigte und Beschriebene beschränkt ist. Vielmehr erstreckt sich der Umfang der vorliegenden Erfindung sowohl auf Kombinationen und Teilkombinationen der verschiedenen beschriebenen Merkmale als auch auf Abweichungen und Modifikationen, die für den Fachmann beim Lesen der vorstehenden Beschreibung auftreten würden und die im Stand der Technik nicht offenbart werden.

Claims

Strukturierter Lichtprojektor (10) zum Erzeugen eines Fernfeldbildes von Lichtpunkten in einem definierten Muster, umfassend: eine Lichtquelle (12), die als Ausgabe einen nicht kollimierten Lichtstrahl (B) bereitstellt; und ein spezialisiertes diffraktives optisches Element (14), das zum Abfangen des nicht kollimierten Lichtstrahls (B) angeordnet ist, wobei das spezialisierte diffraktive optische Element (14) ein ungleichmäßiges Muster (16) einer Vielzahl von Gittermerkmalen (18) umfasst, die konfiguriert sind, um sowohl die Wellenfront- als auch die Phasenverzögerung des nicht kollimierten Strahls zu kompensieren und den kompensierten Strahl zu beugen, um als Ausgabe ein Interferenzmuster von Lichtpunkten zu erzeugen, die das definierte Muster aufweisen.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 1, wobei das ungleichmäßige Muster (16, 42) der Vielzahl von Gitterelementen (18, 44) einen ungleichmäßigen Abstand zwischen benachbarten Gitterelementen umfasst.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 2, wobei der ungleichmäßige Abstand, gemessen von einem zentralen Bereich des spezialisierten diffraktiven optischen Elements (14, 40) nach außen hin, zunimmt.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 1, wobei das ungleichmäßige Muster (16) der Vielzahl von Gitterelementen (18, 82) eine ungleichmäßige Dicke einzelner Gittermerkmale umfasst, die die Vielzahl von Gittermerkmalen (18, 82) bilden.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 4, wobei die Dicke der Gittermerkmale (18, 82), gemessen von einem zentralen Bereich des spezialisierten diffraktiven optischen Elements (14, 80) nach außen hin, abnimmt.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 1, wobei das ungleichmäßige Muster (16) der Vielzahl von Gitterelementen (18, 92) sowohl eine ungleichmäßige Dicke der Vielzahl von Gitterelementen als auch einen ungleichmäßigen Abstand zwischen benachbarten Gitterelementen umfasst.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 6, wobei einzelne Gittermerkmale (18, 92) entweder eine von sowohl einer ersten Dicke t₁ als auch einer zweiten Dicke t₂ aufweisen, wobei benachbarte Gittermerkmale durch einen ersten Abstand W₁ und einen zweiten Abstand W₂ beabstandet sind und ein kompensiertes, spezialisiertes diffraktives optisches Element (14, 90) höherer Ordnung bilden.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (12) eine Monomode-Lichtquelle umfasst.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (12) eine multimodale Lichtquelle umfasst.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (12) eine Laserquelle umfasst.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 10, wobei die Lichtquelle (12) einen oberflächenemittierenden Laser (VCSEL) mit vertikalem Hohlraum (34) umfasst.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 11, wobei der VCSEL (34) kopfüber angeordnet ist, um den nicht kollimierten Strahl durch eine Dicke eines Trägersubstrats (32) zu leiten, das durch eine Hauptoberfläche des Trägersubstrats (32) austritt.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 12, wobei das spezialisierte diffraktive optische Element (14, 40) auf der Hauptoberfläche des Trägersubstrats (32) angeordnet ist.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 13, wobei das spezialisierte diffraktive optische Element (14, 40) eine ungleichmäßige Anordnung (16, 42) der Vielzahl von Gittermerkmalen (18, 44) umfasst, die in eine Oberflächenschicht eingeätzt sind, die auf der Hauptoberfläche des Trägersubstrats (32) gebildet ist.
Strukturierter Lichtprojektor (10) nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (12) eine Anordnung von einzelnen Laserdioden umfasst, mit einem einzelnen speziellen diffraktiven optischen Element (14), das über und in Ausrichtung mit dem Array von einzelnen Laserdioden angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines strukturierten Lichtprojektors (10), umfassend die Schritte des a) Bereitstellens einer Lichtquelle (12), die einen nicht kollimierten Ausgangsstrahl (B) aussendet; b) Analysierens des nicht kollimierten Ausgangsstrahls (B), um eine spezielle nicht planare Wellenfront und Phasenverzögerung zu bestimmen, die dem nicht kollimierten Ausgangsstrahl (B) zugeordnet ist; und c) Konfigurierens einer Vielzahl von Gittermerkmalen (18) eines spezialisierten diffraktiven optischen Elements (14) zum Aufzeigen einer Ungleichförmigkeit, die ausreichend ist, um die spezifische nicht-planare Wellenfront und Phasenverzögerung zu kompensieren, wobei ein Muster (16) der Vielzahl von Gittermerkmalen (18) als Ausgabe ein Interferenzmuster von Lichtpunkten erzeugt, die ein vordefiniertes Muster aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei beim Durchführen von Schritt a) ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (34) auf einem Trägersubstrat bereitgestellt und so ausgerichtet wird, dass er den nicht kollimierten Ausgangsstrahl (B) durch eine Dicke des Trägersubstrats (32) emittiert, das an einer Hauptoberfläche des Trägersubstrats (32) austritt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei beim Durchführen von Schritt c) das spezialisierte diffraktive optische Element (14, 40) auf der Hauptoberfläche des Trägersubstrats (32) angeordnet ist, um einen monolithisch strukturierten Lichtprojektor (10) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das spezialisierte diffraktive optische Element (14, 40) direkt in die Hauptoberfläche des Trägersubstrats (32) eingeätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das spezialisierte diffraktive optische Element (14) gebildet wird durch Abscheiden einer Schicht eines Halbleitermaterials auf der Hauptoberfläche des Trägersubstrats (32); Strukturieren der Schicht eines Halbleitermaterials, um das ungleichmäßige Muster (16) zu zeigen; und Ätzen der strukturierten Schicht, um die Vielzahl von ungleichmäßigen Gittermerkmalen (18, 44) des spezialisierten diffraktiven optischen Elements (14, 40) zu erzeugen.