DE112019005258T5

DE112019005258T5 - Strukturierte Beleuchtungseinrichtungen

Info

Publication number: DE112019005258T5
Application number: DE112019005258.6T
Authority: DE
Inventors: James Eilertsen
Original assignee: Ams Sensors Asia Pte Ltd
Current assignee: Ams Sensors Asia Pte Ltd
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2021-07-15
Also published as: WO2020085999A1; US20210391693A1; WO2020085999A8; CN112930490A

Abstract

Eine Beleuchtungsvorrichtung enthält eine Emissionsschicht, die einen Lichtemitter auf Halbleiterbasis enthält; und eine optische Schicht, die auf der Emissionsschicht angeordnet ist. Die optische Schicht enthält ein optisches Element, wie z. B. eine Linse, die zumindest teilweise mit dem halbleiterbasierten Lichtemitter ausgerichtet ist. Die optische Schicht ist aus einem Material mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) gebildet. Der halbleiterbasierte Lichtemitter ist beispielsweise so konfiguriert, dass er Licht mit einer Wellenlänge λ emittiert, und bei dem ein Abstand p der MLA, eine Dicke z der optischen Schicht und die Wellenlänge λ eine vordefinierte Beziehung erfüllen.

Description

Hintergrund
Strukturiertes Licht ist Licht, das ein bestimmtes Muster aufweist. Beleuchtungsgeräte, die strukturiertes Licht erzeugen, können für die dreidimensionale (3-D) Bildgebung verwendet werden, die in verschiedenen Bereichen wie autonomen Fahrzeugen und der Gesichtserkennung Anwendung findet.
Zusammenfassung
In einem Aspekt enthält eine Beleuchtungsvorrichtung eine Emissionsschicht, die einen Lichtemitter auf Halbleiterbasis enthält; und eine optische Schicht, die auf der Emissionsschicht angeordnet ist. Die optische Schicht enthält ein optisches Element, das zumindest teilweise mit dem halbleiterbasierten Lichtemitter ausgerichtet ist. Die optische Schicht ist aus einem Material mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) gebildet.
Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten.
Das optische Element und die optische Schicht können monolithisch sein. Sie liegen z. B. in Form einer monolithischen Schicht vor.
Das optische Element umfasst eine Linse.
Die optische Schicht enthält ein Mikrolinsen-Array (MLA) mit mehreren Linsen.
Die MLA und die optische Schicht können monolithisch sein. Sie liegen z. B. in Form einer monolithischen Schicht vor.
Die Emissionsschicht enthält mehrere halbleiterbasierte Lichtemitter, wobei jede von einer oder mehreren Linsen der MLA zumindest teilweise auf einen entsprechenden halbleiterbasierten Lichtemitter ausgerichtet ist.
Der halbleiterbasierte Lichtemitter ist so konfiguriert, dass er Licht mit einer Wellenlänge λ emittiert, und bei dem ein Abstand p der MLA, eine Dicke z der optischen Schicht und die Wellenlänge λ eine vordefinierte Beziehung erfüllen.
Die Teilung p, die Dicke z und die Wellenlänge λ erfüllen die vorgegebene Beziehung z=p^2/λ.
In Reaktion auf eine Temperaturänderung ist der halbleiterbasierte Lichtemitter so konfiguriert, dass er Licht mit einer zweiten Wellenlänge λ2 emittiert, und die optische Schicht ist so konfiguriert, dass sie eine Dicke z2 aufweist, und bei der der Abstand p, die zweite Dicke z2 und die Wellenlänge λ2 die vordefinierte Beziehung erfüllen.
Der halbleiterbasierte Lichtemitter umfasst einen Halbleiterlaser, z. B. einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL).
Der monolithische Aufbau von MLA und optischer Schicht kann in manchen Fällen verhindern, dass sich die MLA von der optischen Schicht ablöst. Dies kann z. B. verhindern, dass eine Person direkt dem Laserlicht ausgesetzt wird.
Die optische Schicht umfasst ein Glas, ein Polymer oder ein Verbundmaterial mit einem negativen WAK.
Die optische Schicht enthält einen Wafer, der mit der Emissionsschicht verbunden ist, wobei der Wafer aus dem Material mit einem negativen WAK gebildet ist und der Wafer das optische Element enthält.
Die optische Schicht enthält einen Film, der auf der Emissionsschicht angeordnet ist, wobei der Film aus dem Material mit einem negativen WAK gebildet ist und das optische Element in dem Film gebildet ist.
Das Material der optischen Schicht hat einen WAK von -1×10-7 bis -1×10-5 °C-1.
Das Material der optischen Schicht hat einen negativen WAK in einer Richtung senkrecht zur Ebene der optischen Schicht.
Die Beleuchtungseinrichtung ist Teil eines dreidimensionalen (3-D) Bildgebungssystems, z. B. eines 3-D-Bildgebungssystems für ein Fahrzeug oder für ein mobiles Computergerät.
In einem Aspekt umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung das Anordnen einer optischen Schicht auf einer Emissionsschicht, die einen Lichtemitter auf Halbleiterbasis enthält, einschließlich des zumindest teilweisen Ausrichtens eines optischen Elements der optischen Schicht mit dem Lichtemitter auf Halbleiterbasis, wobei die optische Schicht aus einem Material mit einem negativen WAK gebildet ist.
Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten.
Das Anordnen der optischen Schicht auf der Emissionsschicht umfasst das Bonden eines Wafers auf die Emissionsschicht, wobei der Wafer aus dem Material mit einem negativen WAK gebildet ist und der Wafer das optische Element enthält.
Das Verbinden eines Wafers mit der Emissionsschicht umfasst das Verbinden eines Glaswafers mit einem negativen WAK mit der Emissionsschicht.
Das Anordnen der optischen Schicht auf der Emissionsschicht umfasst das Abscheiden einer Schicht des Materials mit einem negativen WAK auf der Emissionsschicht und das Bilden des optischen Elements in der abgeschiedenen Schicht.
Monolithisches Einbringen des optischen Elements mit der optischen Schicht. Zum Beispiel, indem das optische Element und die optische Schicht als monolithische Schicht ausgebildet werden.
Formung des optischen Elements unter Verwendung einer Mikrofabrikationstechnik, wie z. B. Photolithographie, z. B. Formung des optischen Elements auf einer Seite der optischen Schicht durch eine solche Mikrofabrikationstechnik.
Das Aufbringen einer Schicht aus dem Material mit einem negativen WAK auf die Emissionsschicht schließt das Aufbringen eines Polymers mit einem negativen WAK auf die Emissionsschicht ein.
Das Verfahren umfasst die Bildung der Emissionsschicht.
Die Emissionsschicht enthält einen VCSEL.
Das optische Element umfasst eine Linse.
Die optische Schicht umfasst eine MLA, die mehrere Linsen enthält, und bei der das Anordnen der optischen Schicht auf der Emissionsschicht das zumindest teilweise Ausrichten jeder von einer oder mehreren der Linsen der MLA mit einem entsprechenden Lichtemitter auf Halbleiterbasis umfasst.
Der halbleiterbasierte Lichtemitter ist so konfiguriert, dass er Licht mit einer Wellenlänge λ emittiert. Das Anordnen der optischen Schicht auf der Emissionsschicht umfasst das Anordnen der optischen Schicht in einer Dicke z, die eine vordefinierte Beziehung zwischen der Dicke z, einem Abstand p der MLA und der Wellenlänge λ erfüllt.
Das Anordnen der optischen Schicht auf der Emissionsschicht beinhaltet das Anordnen der optischen Schicht in einer Dicke z, die die vordefinierte Beziehung z=p^2/λ erfüllt.
In einem Aspekt enthält ein 3D-Bilderzeugungssystem eine Beleuchtungsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Objekt mit einem Lichtmuster beleuchtet, wobei die Beleuchtungsvorrichtung eine Emissionsschicht mit einem Lichtemitter auf Halbleiterbasis und eine auf der Emissionsschicht angeordnete optische Schicht enthält. Die optische Schicht enthält ein optisches Element, das zumindest teilweise mit dem halbleiterbasierten Lichtemitter ausgerichtet ist. Die optische Schicht ist aus einem Material mit einem negativen WAK gebildet;

einen Sensor, der so konfiguriert ist, dass er ein Bild des beleuchteten Objekts erfasst. Das 3D-Bildgebungssystem umfasst auch eine oder mehrere Rechenvorrichtungen, die so konfiguriert sind, dass sie eine 3D-Form des Objekts auf der Grundlage des erfassten Bildes bestimmen.

Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten.
Der Sensor enthält eine Kamera.
Die eine oder mehrere Rechenvorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie auf der Grundlage des aufgenommenen Bildes eine 3-D-Kartierung eines Bereichs bestimmen.
Die eine oder mehrere Rechenvorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie einen Gesichtserkennungsprozess basierend auf der ermittelten 3-D-Form des Objekts durchführen.
Die hier beschriebenen strukturierten Beleuchtungsvorrichtungen können einen oder mehrere der folgenden Vorteile haben. Eine optische Schicht, die aus einem Material mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet wird, kann sich mit steigender Temperatur zusammenziehen, wodurch eine durch den Temperaturanstieg induzierte Wellenlängenverschiebung ausgeglichen wird und eine qualitativ hochwertige strukturierte Lichtausgabe beibehalten werden kann.
Figurenliste

ist eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung mit strukturiertem Licht.
und sind Diagramme einer Beleuchtungseinrichtung mit strukturiertem Licht.
ist ein Flussdiagramm.
ist ein Diagramm eines Fahrzeugs.
und sind Diagramme eines mobilen Computergeräts.

Detaillierte Beschreibung
Wir beschreiben hier eine Beleuchtungsvorrichtung, die in der Lage ist, strukturiertes Licht zu erzeugen, z. B. für dreidimensionale (3-D) Bildgebungsanwendungen wie Kartierung oder Gesichtserkennung. Die hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtung umfasst einen Lichtemitter und ein oder mehrere optische Elemente, wie z. B. eine Anordnung von Mikrolinsen, von denen mindestens eine zumindest teilweise auf den Lichtemitter ausgerichtet ist. Der Lichtemitter ist von den optischen Elementen durch eine optische Schicht getrennt, die aus einem Material mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) gebildet ist.
Bezug nehmend auf emittiert eine Beleuchtungseinrichtung mit strukturiertem Licht 100 ein Lichtmuster, das manchmal als strukturiertes Licht bezeichnet wird. Strukturiertes Licht kann für die 3-D-Bildgebung verwendet werden. Beispielsweise kann die Beleuchtungseinrichtung 100 mit strukturiertem Licht Teil eines 3D-Bildgebungssystems für ein Fahrzeug sein, wie z. B. ein teilautonomes oder vollautonomes Fahrzeug. Die Strukturlicht-Beleuchtungsvorrichtung 100 kann Teil eines 3-D-Bildgebungssystems für ein mobiles Computergerät, wie z. B. ein Mobiltelefon, sein, z. B. zur Gesichtserkennung oder zur Kartierung einer Umgebung.
Die Beleuchtungsvorrichtung mit strukturiertem Licht 100 umfasst eine Emissionsschicht 102, die einen Lichtemitter 104 auf Halbleiterbasis enthält, wie z. B. einen Halbleiterlaser, z. B. einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) oder einen seitenemittierenden Halbleiterlaser, oder eine Diode, wie z. B. eine Laserdiode oder eine lichtemittierende Diode (LED). Die Emissionsschicht 102 kann z. B. ein Wafer sein, z. B. ein Silizium-Wafer, in dem der Lichtemitter 104 hergestellt wird. Der Lichtemitter 104 emittiert Licht 105 von einer Emissionsfläche 106 der Emissionsschicht 102. Das Licht kann sichtbares Licht, infrarotes Licht oder ultraviolettes Licht sein. In einigen Beispielen kann die Emissionsschicht 102 mehrere Lichtemitter 104 enthalten, z. B. eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Lichtemittern 104.
Auf der Emissionsschicht 102 ist eine optische Schicht 108 angeordnet. Die optische Schicht 108 kann für die Wellenlänge des vom Lichtemitter 104 emittierten Lichts transparent sein. In einigen Beispielen kann die optische Schicht ein Wafer sein, der durch eine Wafer-Befestigungstechnik, wie z. B. Wafer-Bonden, an der Emissionsschicht 102 befestigt ist. In einigen Beispielen kann die optische Schicht ein Dünnfilm sein, der durch eine Dünnfilmabscheidungstechnik auf die Emissionsschicht 102 aufgebracht wird.
Die optische Schicht 108 enthält ein oder mehrere optische Elemente 110, wie z. B. Linsen. Wie in gezeigt, kann die optische Schicht 108 beispielsweise ein Array 112 aus mehreren optischen Elementen 110 (z. B. mehrere Linsen) enthalten, was manchmal als Mikrolinsen-Array (MLA) bezeichnet wird. Die strukturierte Lichtemission der Beleuchtungsvorrichtung 100 stammt aus einem Interferenzmuster, das durch die Interferenz von Licht erzeugt wird, das sich von verschiedenen der optischen Elemente 110 in der MLA 112 ausbreitet, wodurch der Kontrast des strukturierten Lichts im Allgemeinen über das Fernfeld der MLA 112 konstant bleibt, z. B. mindestens bis zu einer Entfernung von 5 cm, 10 cm, 50 cm, 100 cm oder darüber hinaus.
Das eine oder die mehreren optischen Elemente 110 und die optische Schicht 108 können monolithisch sein, wobei das eine oder die mehreren optischen Elemente 110 auf einer Seite der optischen Schicht 108 gebildet werden, z. B. durch einen Mikrofabrikationsprozess. Ein Beispiel für ein solches Mikrofabrikationsverfahren ist die Photolithographie. Eine solche monolithische Anordnung hat den Vorteil einer verbesserten Augensicherheit für den Fall, dass der Lichtsender 104 ein Laser ist. So wird in einigen Fällen durch den monolithischen Aufbau des einen oder der mehreren optischen Elemente 110 und der optischen Schicht 108 verhindert, dass sich das eine oder die mehreren optischen Elemente 110 von der optischen Schicht 108 lösen und somit z. B. eine Person vor direkter Einwirkung des Lichts 105 bewahrt wird. Mit anderen Worten, die hier besprochene monolithische Anordnung bietet eine verbesserte Augensicherheit, da es weniger wahrscheinlich ist, dass sich die MLA 112 von einer VCSEL-Baugruppe löst, wodurch verhindert wird, dass ein Benutzer direkt einem Laserstrahl ausgesetzt wird. Es wird deutlich, dass diese monolithische oder integrierte Anordnung, die mit Bezug auf beschrieben wird, auch auf die nachfolgenden Abbildungn angewendet werden kann.
Die MLA 112 kann eine eindimensionale Anordnung von Linsen 110 oder eine zweidimensionale Anordnung von Linsen 110 sein. Die Linsen 110 der MLA 112 können transmissive Mikrolinsen oder reflektierende Mikrolinsen sein. Transmissive Mikrolinsen sind für mindestens einen Teil des vom Lichtsender 104 emittierten Lichts transparent, so dass sich das Licht durch die Mikrolinsen ausbreitet. Die transmissiven Mikrolinsen können diffraktive Mikrolinsen oder refraktive Mikrolinsen sein. Beispielsweise können die transmissiven Mikrolinsen athermalisierte Mikrolinsen oder andere Hybridlinsen sein. Reflektierende Mikrolinsen reflektieren zumindest einen Teil des vom Lichtsender 104 emittierten Lichts. Reflektierende Mikrolinsen können eine glatte, gekrümmte Oberfläche haben oder mit diffraktiven Strukturen versehen sein. Die Mikrolinsen können konvexe Linsen oder konkave Linsen sein.
Mindestens eines der optischen Elemente 110 ist zumindest teilweise auf den Lichtemitter 104 ausgerichtet. Ein optisches Element, das zumindest teilweise mit dem Lichtemitter 104 ausgerichtet ist, ist so positioniert, dass es zumindest einen Teil des von dem Lichtemitter 104 emittierten Lichts empfängt. Im Beispiel von sind drei optische Elemente 10a, 10b, 10c zumindest teilweise auf den Lichtemitter 104 ausgerichtet.
Die Dicke z der optischen Schicht 108, der Abstandp der MLA 112 und die Wellenlänge λ des vom Lichtemitter 104 emittierten Lichts beeinflussen die Eigenschaften des von der Beleuchtungseinrichtung 100 emittierten Lichts. Wenn z. B. die Dicke z, der Abstandp und die Wellenlänge λ eine Soll-Beziehung erfüllen, werden in dem emittierten Licht kontrastreiche Flecken erzeugt, was bedeutet, dass strukturiertes Licht von der Beleuchtungseinrichtung 100 emittiert wird. Wenn die Dicke z, die Teilung p und die Wellenlänge λ die Beziehung nicht erfüllen, kann die strukturierte Qualität des emittierten Lichts reduziert werden, z. B. können die Flecken an Größe zunehmen oder der Kontrast abnehmen, und das emittierte Licht kann für strukturierte Lichtanwendungen ungeeignet sein.
Die Zielbeziehung zwischen der Dicke z, der Teilung p und der Wellenlänge λ kann durch Gleichung (1), die so genannte Lau-Gleichung, charakterisiert werden: $Z = \frac{p^{2}}{λ} .$
Wenn die Dicke z, der Abstand p und die Wellenlänge λ Gleichung (1) erfüllen, werden kontrastreiche Flecken erzeugt und brauchbares strukturiertes Licht von der Beleuchtungseinrichtung emittiert. Wenn Gleichung (1) nicht erfüllt ist, kann die Qualität des emittierten Lichts abnehmen.
Mit der Erfüllung von Gleichung (1) ist gemeint, dass die Werte von z,p und λ so sind, dass Gleichung (1) innerhalb eines Schwellenwertes X erfüllt ist, d. h., $Z = X \frac{p^{2}}{λ} .$
Beispielsweise kann Gleichung (1) als erfüllt angesehen werden für Werte von X zwischen 0,95 und 1,05, z. B. zwischen 0,98 und 1,02 oder zwischen 0,99 und 1,01. Der Wert des Schwellenwerts X kann von verschiedenen Faktoren abhängen, z. B. von einem akzeptablen Verlust an Kontrast oder Spotgröße des emittierten Lichts, der für eine beabsichtigte Anwendung der Beleuchtungsvorrichtung 100 angemessen ist.
In einigen Beispielen, z. B. wenn der Lichtemitter 104 eine einzelne Lichtwellenlänge erzeugt, z. B. wenn der Lichtemitter 104 ein Laser ist, ist die Wellenlänge λ, auf die in Gleichung (1) Bezug genommen wird, diese einzelne Wellenlänge, die von dem Lichtemitter 104 erzeugt wird. In einigen Beispielen, z. B. wenn der Lichtemitter 104 mehrere Wellenlängen erzeugt, kann die Wellenlänge λ der Gleichung (1) jede der emittierten Wellenlängen sein, z. B. eine Spitzenwellenlänge in einem Spektrum von emittierten Wellenlängen.
Die Teilung p der MLA 112 kann zwischen ca. 5 µm und ca. 250 µm liegen, z. B. zwischen ca. 10 µm und ca. 150 µm.
Eine weitere Beschreibung der Erzeugung von strukturiertem Licht aus einem Lichtemitter und MLA findet sich in der WO 2016/122404 , deren Inhalt hier durch Verweis vollständig übernommen wird.
Während des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung für strukturiertes Licht 100 kann die Temperatur des Lichtemitters 104 ansteigen. Wenn z. B. die optische Schicht 108 ein schlechter Wärmeleiter ist, kann die durch die Lichtemission erzeugte Wärme nicht leicht abgeführt werden, wodurch die Temperatur des Lichtemitters 104 ansteigt. Ein Temperaturanstieg des Lichtemitters 104 bewirkt, dass sich die vom Lichtemitter 104 emittierte Wellenlänge erhöht. In einem spezifischen Beispiel kann die von einem VCSEL emittierte Wellenlänge um etwa 0,07 nm/°C zunehmen. In einem anderen spezifischen Beispiel kann die von einer Kantenemissionsvorrichtung emittierte Wellenlänge um ca. 0,35 nm/°C zunehmen.
Damit die Beleuchtungseinrichtung 100 auch bei zunehmender Wellenlänge λ weiterhin die Gleichung (1) erfüllt, kann die optische Schicht 108 aus einem Material mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) gebildet werden. Ein Material mit negativem WAK ist ein Material, das sich bei steigender Temperatur zusammenzieht. Das bedeutet, dass eine Temperaturerhöhung, die eine Vergrößerung der Wellenlänge λ bewirkt, auch eine Verringerung der Dicke z der optischen Schicht 108 bewirkt, wodurch das/die optische(n) Element(e) 110 relativ zum Lichtemitter 102 dynamisch neu positioniert werden, so dass Gleichung (1) erfüllt bleibt.
Bezug nehmend auf enthält die Beleuchtungsvorrichtung mit strukturiertem Licht 100 in einem spezifischen Beispiel einen VCSEL 104, der bei einer Anfangswellenlänge λ1 von 850 nm bei einer Anfangstemperatur von T1 arbeitet. Der VCSEL 104 ist durch eine Wellenlängenverschiebung von 0,07 nm/°C gekennzeichnet. Die optische Schicht 108 hat eine Anfangsdicke z1 von 2,94 mm und die MLA 112 hat einen Abstand p von 50 µm. Die optische Schicht 108 ist aus einem Material mit einem WAK von -1×10-5 gebildet.
Siehe auch . Der VCSEL und die optische Schicht 108 erfahren während des Betriebs eine Temperaturerhöhung von 71 °C auf eine Temperatur T2, was eine Wellenlängenverschiebung von +5 nm auf eine verschobene Wellenlänge λ2 von 855 nm bewirkt. Die Temperaturerhöhung bewirkt eine Dickenverringerung der optischen Schicht 108 um 2,09 µm, auf eine verringerte Dicke z2 von 2,9379 nm (um eine Differenz Δz kleiner als die Ausgangsdicke z1). Die kontrahierte Dicke z2 und die verschobene Wellenlänge λ2 erfüllen Gleichung (1), was bedeutet, dass die strukturierte Beschaffenheit der von der Beleuchtungsvorrichtung 100 emittierten Beleuchtung trotz der wärmebedingten Zunahme der Emissionswellenlänge erhalten bleibt.
Würde die optische Schicht 108 im obigen Beispiel dagegen aus einem Material mit positivem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, würde die Dicke der optischen Schicht mit steigender Temperatur zunehmen. Zum Beispiel würde eine optische Schicht 108 aus Saphir (ein Material mit positivem WAK) als Reaktion auf den Temperaturanstieg von 71 °C um bis zu 1µm an Dicke zunehmen. Die Kombination aus einer Wellenlängenverschiebung von + 5 nm und einer Zunahme der Dicke der optischen Schicht 108 würde dazu führen, dass die beheizte Beleuchtungsvorrichtung 100 die Gleichung (1) nicht erfüllt, was bedeutet, dass die von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugte Spotgröße oder der Spotkontrast für Anwendungen mit strukturiertem Licht unzureichend wäre.
Die optische Schicht 108 kann aus einem beliebigen negativen WAK-Material gebildet werden, das für die vom Lichtemitter 102 emittierte Wellenlänge im Wesentlichen transparent ist. Beispielsweise kann die optische Schicht 108 aus einem Glasmaterial mit negativem WAK, z. B. einem Glaskeramikmaterial, einem Polymer mit negativem WAK oder einem Verbundmaterial (z. B. einem Verbundmaterial aus einem Polymer und einem anorganischen Material) mit negativem WAK hergestellt werden. In einigen Beispielen kann die optische Schicht 108 einen WAK zwischen etwa -1×10-7 und etwa -1×10-5 haben.
Beispielmaterialien mit einem negativen WAK umfassen Glaskeramik, die Li2O-Al2O3-SiO2 enthält, Glaskeramik, die ZnO-Al2O3-SiO2 enthält, Glaskeramik, die Li2O und BaO enthält, Glaskeramik, die Al2O3 und BaO enthält, oder Glaskeramik, die Li2O-Al2O3-SiO2-BaO enthält. Beispiele für negative WAK-Materialien sind im US-Patent Nr. 6,521,556 beschrieben, dessen Inhalt hier durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen wird.
In einigen Beispielen kann die optische Schicht 108 einen isotropen WAK aufweisen. In einigen Beispielen kann die optische Schicht 108 einen anisotropen WAK aufweisen, bei dem der WAK in der Richtung senkrecht zur Emissionsfläche 106 der Emissionsschicht 102 negativ ist und der WAK in der Richtung parallel zur Emissionsfläche 106 der Emissionsschicht 102 positiv oder negativ sein kann. Beispielsweise kann eine optische Schicht, die aus einem Einkristallmaterial gebildet wird, einen anisotropen WAK aufweisen.
Bezug nehmend auf werden zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung mit strukturiertem Licht ein oder mehrere Lichtemitter, wie z. B. VCSELs, seitenemittierende Halbleiterlaser, Laserdioden oder andere Arten von Lichtemittern, in einer Emissionsschicht eines Substrats, wie z. B. eines Siliziumwafers (300), ausgebildet. Eine optische Schicht aus einem Material mit negativem WAK ist auf der Emissionsschicht (302) angeordnet. Ein optisches Element der optischen Schicht ist zumindest teilweise auf den Lichtemitter (304) ausgerichtet. In einigen Beispielen ist die optische Schicht ein Wafer, in dem das optische Element zuvor ausgebildet wurde, und der Wafer wird durch ein Wafer-Bonding-Verfahren mit der Emissionsschicht verbunden. In einigen Beispielen wird die optische Schicht als Dünnfilm auf der Emissionsschicht abgeschieden, und das optische Element wird in der optischen Schicht ausgebildet, z. B. unter Verwendung von Verarbeitungstechniken für integrierte Schaltungen wie Lithografie und Ätzen.
Bezug nehmend auf kann in einigen Beispielen eine Beleuchtungsvorrichtung mit strukturiertem Licht (400), wie die Beleuchtungsvorrichtung 100 von , auf einem Fahrzeug (402) montiert werden, wie z. B. einem teilautonomen oder vollautonomen Fahrzeug. Das Fahrzeug kann ein landgestütztes Fahrzeug (wie gezeigt) sein, wie z. B. ein PKW oder LKW; ein Luftfahrzeug, wie z. B. ein unbemanntes Luftfahrzeug, oder ein wassergestütztes Fahrzeug, wie z. B. ein Schiff oder U-Boot. Im Zusammenhang mit dem teil- oder vollautonomen Fahrzeug 402 kann die Beleuchtungseinrichtung 400 mit strukturiertem Licht Teil eines 3-D-Bildgebungssystems 404 sein, das bildgebende Komponenten wie einen Sensor 406, z. B. eine Kamera, enthält. Das 3D-Abbildungssystem 404 mit der Strukturlicht-Beleuchtungsvorrichtung 400 kann z. B. für die 3D-Kartierung der Umgebung des Fahrzeugs 402 verwendet werden. Beispielsweise kann die Strukturlicht-Beleuchtungsvorrichtung 400 verwendet werden, um ein Objekt 408 zu beleuchten, z. B. ein Objekt auf oder in der Nähe einer Fahrbahn, auf der das Fahrzeug 402 fährt, und der Sensor 406 kann verwendet werden, um ein Bild des beleuchteten Objekts 408 aufzunehmen. Das erfasste Bild kann einer Rechenvorrichtung 410, z. B. mit einem oder mehreren Prozessoren, zur Verfügung gestellt werden, die auf der Grundlage des erfassten Bildes eine 3-D-Form des Objekts bestimmt. Durch die Bestimmung der 3-D-Formen verschiedener Objekte kann eine Abbildung einer Umgebung des Fahrzeugs bestimmt und zur Steuerung des teil- oder vollautonomen Betriebs des Fahrzeugs 402 verwendet werden.
Bezug nehmend auf kann in einigen Beispielen eine Beleuchtungsvorrichtung mit strukturiertem Licht 500, wie die Beleuchtungsvorrichtung 100 von , an der Vorderseite eines mobilen Computergeräts 502, wie z. B. eines Mobiltelefons, eines Tablets oder eines tragbaren Computergeräts, angebracht oder darin integriert werden. Die Vorderseite des mobilen Geräts 502 ist die Seite des Geräts, die einen Bildschirm 506 enthält. Die Beleuchtungsvorrichtung mit strukturiertem Licht 500 kann in ein frontseitiges Bildgebungssystem 508 integriert werden, das Bildgebungskomponenten wie einen Sensor 510, z. B. eine Kamera, enthält. Das frontseitige Bildgebungssystem 508 mit der Strukturlicht-Beleuchtungseinrichtung 500 kann für 3D-Bildgebungsanwendungen, z. B. zur Gesichtserkennung, verwendet werden. Beispielsweise kann die Strukturlicht-Beleuchtungsvorrichtung 500 verwendet werden, um ein Gesicht 512 einer Person zu beleuchten, und der Sensor 510 kann verwendet werden, um ein Bild des Gesichts 512 zu erfassen. Das erfasste Bild kann einem oder mehreren Prozessoren 514 zur Verfügung gestellt werden, z. B. in dem mobilen Gerät 502 oder an einem entfernten Ort, wie z. B. einem Cloud-basierten Prozessor. Der eine oder die mehreren Prozessoren 514 können eine Gesichtserkennungsverarbeitung an dem Bild des Gesichts 512 durchführen.
Bezug nehmend auf kann in einigen Beispielen eine Beleuchtungsvorrichtung mit strukturiertem Licht 550, wie die Beleuchtungsvorrichtung 100 von , auf einer Rückseite eines mobilen Computergeräts 552 angebracht werden. Die Rückseite ist die Seite des Geräts, die der Vorderseite gegenüberliegt, z. B. die Seite, die keinen Bildschirm enthält. Die Beleuchtungseinrichtung mit strukturiertem Licht 550 kann in ein rückseitiges Bildgebungssystem 558 integriert werden, das Bildgebungskomponenten wie einen Sensor 560, z. B. eine Kamera, enthält. Das rückseitige Bildgebungssystem 558 mit der Beleuchtungseinrichtung mit strukturiertem Licht 550 kann z. B. für 3D-Bildgebungsanwendungen verwendet werden, z. B. zur Objekterkennung oder zur Umgebungskartierung, wie z. B. der Kartierung eines Raums. Beispielsweise kann die Beleuchtungseinrichtung 550 mit strukturiertem Licht verwendet werden, um ein Objekt 562 in einem Raum oder einer anderen Umgebung zu beleuchten, und der Sensor 560 kann verwendet werden, um ein Bild des Objekts 562 zu erfassen. Das erfasste Bild kann einem oder mehreren Prozessoren 564 zur Verfügung gestellt werden, z. B. in dem mobilen Gerät 552 oder an einem entfernten Ort, wie z. B. einem Cloud-basierten Prozessor. Der eine oder die mehreren Prozessoren 564 können auf der Grundlage des erfassten Bildes eine 3D-Form des Objekts bestimmen. Die ermittelte 3D-Form kann von dem einen oder mehreren Prozessoren 564 verwendet werden, um eine Objekterkennungsverarbeitung durchzuführen, oder sie kann in Kombination mit ermittelten 3D-Formen eines oder mehrerer anderer Objekte verwendet werden, um eine 3D-Kartierung des Raums zu erstellen.
Beleuchtungsgeräte mit strukturiertem Licht, wie sie hier beschrieben sind, können in andere Geräte eingebaut werden, z. B. in Spielkonsolen, Abstandsmessgeräte, Überwachungsgeräte und andere Geräte.
Es wurde eine Reihe von Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können einige der oben beschriebenen Schritte unabhängig von der Reihenfolge sein und können daher in einer anderen Reihenfolge als der beschriebenen durchgeführt werden.
Andere Implementierungen liegen ebenfalls im Rahmen der folgenden Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/122404 [0054]
US 6521556 [0061]

Claims

Eine Beleuchtungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Emissionsschicht, die einen Lichtemitter auf Halbleiterbasis enthält; und eine optische Schicht, die auf der Emissionsschicht angeordnet ist, wobei die optische Schicht ein optisches Element enthält, das zumindest teilweise mit dem Lichtemitter auf Halbleiterbasis ausgerichtet ist, wobei die optische Schicht aus einem Material mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) gebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das optische Element und die optische Schicht monolithisch sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das optische Element eine Linse umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die optische Schicht ein Mikrolinsen-Array (MLA) mit mehreren Linsen enthält.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Emissionsschicht mehrere halbleiterbasierte Lichtemitter umfasst, wobei jede von einer oder mehreren Linsen der MLA zumindest teilweise auf einen entsprechenden halbleiterbasierten Lichtemitter ausgerichtet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der der halbleiterbasierte Lichtemitter so konfiguriert ist, dass er Licht mit einer Wellenlänge λ emittiert, und bei der ein Abstand p der MLA, eine Dicke z der optischen Schicht und die Wellenlänge λ eine vordefinierte Beziehung erfüllen.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Abstand p, die Dicke z und die Wellenlänge λ die vorgegebene Beziehung erfüllen $Z = \frac{p^{2}}{λ} .$
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der in Reaktion auf eine Temperaturänderung der halbleiterbasierte Lichtemitter so konfiguriert ist, dass er Licht mit einer zweiten Wellenlänge λ2 emittiert und die optische Schicht so konfiguriert ist, dass sie eine Dicke z2 aufweist, und bei der der Abstand p, die zweite Dicke z2 und die Wellenlänge λ2 die vorgegebene Beziehung erfüllen.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der die MLA und die optische Schicht monolithisch sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der halbleiterbasierte Lichtsender einen Halbleiterlaser umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Halbleiterlaser einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die optische Schicht ein Glas mit einem negativen WAK umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die optische Schicht ein Polymer mit einem negativen WAK umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die optische Schicht ein Verbundmaterial umfasst, wobei das Verbundmaterial einen negativen WAK aufweist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die optische Schicht einen Wafer umfasst, der mit der Emissionsschicht verbunden ist, wobei der Wafer aus dem Material mit einem negativen WAK gebildet ist und der Wafer das optische Element enthält.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die optische Schicht einen auf der Emissionsschicht angeordneten Film umfasst, wobei der Film aus dem Material mit einem negativen WAK gebildet ist und das optische Element in dem Film gebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Material der optischen Schicht einen WAK zwischen -1×10-7 und -1×10-5°C-1 aufweist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Material der optischen Schicht einen negativen WAK in einer Richtung senkrecht zur Ebene der optischen Schicht aufweist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung Teil eines dreidimensionalen (3-D) Abbildungssystems ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Beleuchtungseinrichtung Teil eines 3-D-Bildgebungssystems für ein Fahrzeug ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, bei der die Beleuchtungsvorrichtung Teil eines 3D-Bildgebungssystems für ein mobiles Computergerät ist.
Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung, umfassend: Anordnen einer optischen Schicht auf einer Emissionsschicht, die einen Lichtemitter auf Halbleiterbasis enthält, einschließlich des zumindest teilweisen Ausrichtens eines optischen Elements der optischen Schicht mit dem Lichtemitter auf Halbleiterbasis, wobei die optische Schicht aus einem Material mit einem negativen WAK gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das Anordnen der optischen Schicht auf der Emissionsschicht das Verbinden eines Wafers mit der Emissionsschicht umfasst, wobei der Wafer aus dem Material mit einem negativen WAK gebildet ist und der Wafer das optische Element enthält.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem das Verbinden eines Wafers mit der Emissionsschicht das Verbinden eines Glaswafers mit einem negativen WAK mit der Emissionsschicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, bei dem das Anordnen der optischen Schicht auf der Emissionsschicht umfasst: Abscheiden einer Schicht des Materials mit einem negativen WAK auf der Emissionsschicht; und Bildung des optischen Elements in der abgeschiedenen Schicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, ferner umfassend das monolithische Einarbeiten des optischen Elements in die optische Schicht.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, bei dem das optische Element durch eine Mikrofabrikationstechnik in die optische Schicht eingearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, bei dem das optische Element durch Photolithographie gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, bei dem das Abscheiden einer Schicht des Materials mit einem negativen WAK auf der Emissionsschicht das Abscheiden eines Polymers mit einem negativen WAK auf der Emissionsschicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 29, umfassend das Ausbilden der Emissionsschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 30, bei dem die Emissionsschicht einen VCSEL umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 31, bei dem das optische Element eine Linse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem die optische Schicht eine MLA mit mehreren Linsen enthält, und bei dem das Anordnen der optischen Schicht auf der Emissionsschicht das zumindest teilweise Ausrichten jeder von einer oder mehreren der Linsen der MLA mit einem entsprechenden Lichtemitter auf Halbleiterbasis umfasst.
Verfahren nach Anspruch 33, bei dem der halbleiterbasierte Lichtemitter so konfiguriert ist, dass er Licht mit einer Wellenlänge λ emittiert, und bei dem das Anordnen der optischen Schicht auf der Emissionsschicht das Anordnen der optischen Schicht in einer Dicke z umfasst, die eine vordefinierte Beziehung zwischen der Dicke z, einem Abstand p der MLA und der Wellenlänge λ erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 34, bei dem das Anordnen der optischen Schicht auf der Emissionsschicht das Anordnen der optischen Schicht in einer Dicke z umfasst, die die vordefinierte Beziehung erfüllt $Z = \frac{p^{2}}{λ} .$
Ein 3-D-Abbildungssystem, das Folgendes umfasst: eine Beleuchtungsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Objekt mit einem Lichtmuster beleuchtet, wobei die Beleuchtungsvorrichtung umfasst: eine Emissionsschicht, die einen Lichtemitter auf Halbleiterbasis enthält; und eine optische Schicht, die auf der Emissionsschicht angeordnet ist, wobei die optische Schicht ein optisches Element enthält, das zumindest teilweise mit dem Lichtemitter auf Halbleiterbasis ausgerichtet ist, wobei die optische Schicht aus einem Material mit einem negativen WAK gebildet ist; einen Sensor, der so konfiguriert ist, dass er ein Bild des beleuchteten Objekts erfasst; und eine oder mehrere Rechenvorrichtungen, die so konfiguriert sind, dass sie eine 3-D-Form des Objekts basierend auf dem erfassten Bild bestimmen.
Das 3-D- Abbildungssystem nach Anspruch 36, bei dem der Sensor eine Kamera umfasst.
3-D- Abbildungssystem nach Anspruch 36 oder 37, bei dem die eine oder mehrere Rechenvorrichtungen so konfiguriert sind, dass sie eine 3-D-Abbildung eines Bereichs auf der Grundlage des aufgenommenen Bildes bestimmen.
3-D-Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 36 bis 38, bei dem die eine oder mehrere Rechenvorrichtungen so konfiguriert sind, dass sie einen Gesichtserkennungsprozess auf der Grundlage der ermittelten 3-D-Form des Objekts durchführen.