KR101926321B1 - 통합 구조화된 광 프로젝터 - Google Patents

통합 구조화된 광 프로젝터 Download PDF

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Abstract

광전자 장치는 반도체 다이(22) 및 다수의 열들을 포함하는 그리드 패턴으로 반도체 다이 상에 형성된 발광 요소들의 모놀리식 어레이(24)를 포함한다. 다이 상에 형성된 컨덕터들은 발광 요소들의 각 열을 구동하도록 개별 공통 콘택트(92)를 정의한다.

Description

통합 구조화된 광 프로젝터{INTEGRATED STRUCTURED-LIGHT PROJECTOR}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2013년 6월 19일 출원된 미국 임시 특허 출원 제61/836,682호의 우선권을 주장하며, 이는 참조로서 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 일반적으로 광전자 디바이스들에 관한 것으로, 구체적으로는 통합 투영 디바이스들에 관한 것이다.
소형 광학 프로젝터들이 다양한 애플리케이션에서 사용된다. 예를 들어, 이러한 프로젝터들은 (깊이 맵핑(depth mapping)으로도 알려진) 3D 맵핑을 위한 목적으로 물체 상에 코드화된 또는 구조화된 광의 패턴을 발하도록 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 미국 특허 출원 공개번호 제2008/0240502호는 레이저 다이오드 또는 LED와 같은 광원이 물체 상에 패턴을 투영하도록 광학 방사를 이용하여 트랜스페어런시(transparency)에 강한 광선을 투과하는 조명 어셈블리를 기술하며, 이것의 개시내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다. ("본 명세서에 사용된 바와 같은 용어들 "광학(optical)" 및 "광(light)"은 일반적으로 가시광선, 적외선 및 자외선 중 임의의 것을 지칭한다.) 이미지 캡처 어셈블리는 물체 상에 투영되는 패턴의 이미지를 캡처하고, 프로세서는 물체의 3차원(3D) 맵을 재구성하도록 이미지를 프로세싱한다.
PCT 국제 출원 공개번호 WO 2008/120217은 전술된 US 2008/0240502에서 나타내어진 다양한 조명 어셈블리들의 다른 양태들을 기술하며, 이것의 개시내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다. 일 실시예에서, 트랜스페어런시는 비균일 패턴으로 배치된 미세렌즈들의 어레이를 포함한다. 미세렌즈들은 물체 상에 투영되는 초점들의 대응하는 패턴을 생성한다.
광학 프로젝터들은, 일부 애플리케이션들에서, 하나 이상의 회절 광학 요소(DOE)들을 통해 광을 투영한다. 예를 들어, 미국 특허 출원 공개번호 제2009/0185274호는 적어도 부분적으로 표면을 커버하도록 입력 빔을 회절시키기 위해 함께 구성된 두 DOE들을 포함하는 패턴을 투영하기 위한 장치를 개시하며, 이것의 개시내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다. DOE들의 조합은 0차(회절되지 않은) 빔 내의 에너지를 감소시킨다. 일 실시예에서, 제1 DOE는 다수의 빔들의 패턴을 생성하고, 제2 DOE는 빔들 각각에 대한 회절 패턴을 형성하도록 패턴 생성기로서의 역할을 한다.
다른 예로서, 미국 특허 출원 공개번호 제2011/0188054호는 단일 통합 패키지 내에 광전자 구성요소들 및 광학 요소들을 포함하는 포토닉 모듈(photonics module)을 기술하며, 이것의 개시내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다. 일 실시예에서, 통합 포토닉 모듈(IPM)은 기판 상에 배치되어 기판에 대해 수직인 방향으로 방사선을 방출하는 광전자 요소들의 2차원 행렬의 형태로 방사선원들을 포함한다. 이러한 IPM은 전형적으로 X-Y 평면 내에 그리드(grid)를 형성하는 발광 다이오드(LED) 또는 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL) 다이오드와 같은 이미터들의 다수의 평행한 행(row)들을 포함한다. 이미터들로부터의 방사선은 적절한 패턴화된 요소 및 결과적인 패턴을 장면 상에 투영하는 투영 렌즈를 포함하는 광학 모듈로 인도된다.
미국 특허 출원 공개번호 제2013/038881호는 (VCSEL과 같은) 레이저 다이오드들이 규칙적인 격자가 아닌 패턴으로 배치된 통합 패턴 생성기를 기술하며, 이것의 개시내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다. 광학 장치들은 대응하는 점들의 패턴으로서 레이저 다이오드 어레이의 요소들에 의해 공간 내로 방출된 광의 패턴을 투영하도록 연결될 수 있으며, 이때 각 점은 어레이 내의 대응하는 레이저 다이오드에 의해 방출된 광을 포함한다. 일부 실시예들에서, DOE는 확대된 각도 범위에 걸쳐 팬-아웃(fan-out) 하는 다수의 패턴의 레플리카(replica)들을 생성한다.
본 발명의 실시예들은 특히 패턴화된 방사선의 투영에서 사용될 수 있는 통합 광학 투영 디바이스들을 제공한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 다이 및 다수의 열들을 포함하는 그리드 패턴으로 반도체 다이 상에 형성되는 발광 요소들의 모놀리식 어레이를 포함하는 광전자 장치가 제공된다. 컨덕터들은 발광 요소들의 각 열을 구동하기 위해 개별 공통 콘택트(contact)를 정의하도록 다이 상에 형성된다.
개시된 실시예들에서, 발광 요소들은 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL; vertical-cavity surface-emitting laser)들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 이 장치는 각각이 열들의 개별 열에 대응하는 스트라이프들의 패턴을 생성하기 위해 발광 요소들에 의해 방출된 광을 투영하도록 구성된 광학 장치들을 포함한다. 광학 장치들은 발광 요소들에 의해 생성된 스트라이프들의 패턴의 다수의 레플리카(replica)들을 생성하도록 구성된 회절 광학 요소(DOE)를 포함할 수 있다. 이에 더하여 또는 대안적으로, 광학 장치들은 원통형 투영 렌즈를 포함한다.
일부 실시예들에서, 이 장치는 광학 장치 및 반도체 다이가 기판 상에 함께 실장되는 기판을 포함한다. 광학 장치들은 기판 상에 실장된 폴딩 미러를 포함할 수 있다.
이에 더하여 또는 대안적으로, 이 장치는 열들의 서로 다른 그룹들을 교대로 활성화함으로써 발광 요소들을 구동하도록 구성된 컨트롤러를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 다이 및 다수의 열들을 포함하는 그리드 패턴으로 반도체 다이 상에 형성되는 발광 요소들의 모놀리식 어레이를 포함하는 광전자 장치 또한 제공된다. 회절 광학 요소(DOE)를 포함하는 광학 장치들은 기판 상에 실장되고 그리드 패턴의 열들에 대응하는 스트라이프들의 패턴을 생성하기 위해 요소들에 의해 방출된 광을 투영하도록 구성된다.
개시된 실시예들에서, DOE는 패턴의 다수의 레플리카들을 생성하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 이 장치는 열들의 서로 다른 그룹들을 교대로 활성화함으로써 스트라이프 패턴들의 시간 시퀀스를 생성하기 위해 발광 요소들을 구동하도록 구성된 컨트롤러를 포함한다.
일부 실시예들에서, 광학 장치들은 발광 요소들의 그리드 패턴의 열들에 대해 각이 진 원통 축을 구비할 수 있는 원통형 렌즈를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 자신을 통과하는 개구부를 구비하는 기판 및 기판 상에 배치된 발광 요소들의 어레이를 포함하는 광전자 장치가 추가로 제공된다. 폴딩 미러는 기판 상에 실장되어 발광 요소들에 의해 방출된 광을 기판을 향해 돌리도록 위치된다. 기판 상에 실장된 광학 장치들은 폴딩 미러에 의해서 돌려진 광을 개구부를 통해 투영하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 발광 요소들 및 광학 장치들이 발광 요소들의 어레이 내의 열들에 대해 개별적으로 대응하는 다수의 스트라이프들을 포함할 수 있는 패턴을 생성하고 투영하도록 구성된다.
일 실시예에서, 폴딩 미러는 프리즘을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판 및 다수의 열들을 포함하는 그리드 패턴으로 기판 상에 배치되는 발광 요소들의 어레이를 포함하는 광전자 장치가 추가로 제공된다. 광학 장치들은 각각이 열들의 개별 열에 대응하는 스트라이프들의 패턴을 생성하기 위해 발광 요소들에 의해 방출된 광을 투영하도록 구성된다. 컨트롤러는 스트라이프들의 패턴을 생성하기 위해 열들의 서로 다른 그룹들을 교대로 활성화함으로써 발광 요소들을 구동하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 컨트롤러가 다양한 공간 주기의 스트라이프 패턴들의 시간 시퀀스를 생성하기 위해 서로 다른 그룹들 내의 발광 요소들을 구동하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다수의 열들을 포함하는 그리드 패턴으로 기판 상에 배치되는 발광 요소들의 어레이를 제공하는 단계를 포함하는 광학 방법이 또한 제공된다. 발광 요소들이 광을 방출하도록 구동된다. 광학 장치들은 그리드 패턴의 열들에 대응하는 스트라이프들의 패턴을 생성하기 위해 요소들에 의해 방출된 광을 투영하도록 기판 상에 실장된다.
본 발명은 도면들과 함께 취해진, 본 발명의 실시예들의 다음의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 이미터들의 모놀리식 어레이가 위에 형성된 반도체 다이를 포함하는 디바이스의 개략적인 상면도;
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예들에 따른, 통합 광학 투영 모듈들의 개략적인 측면도;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 통합 광학 투영 모듈에 의해 생성된 스트라이프들의 패턴의 개략적인 전면도;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 다양한 주기의 스트라이프 패턴들의 시간 시퀀스를 개략적으로 도시한 도면;
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른, 이미터들의 모놀리식 어레이들이 위에 형성된 반도체 다이들의 개략적인 상면도;
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른, 광학 투영 모듈 내의 이미터 어레이 및 원통형 렌즈의 개략적인 상면도;
도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 6a의 광학 투영 모듈에 의해 투영되는 패턴 내의 스트라이프들의 강도(intensity)의 시간적 변화를 개략적으로 도시한 도면; 및
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 다른 실시예들에 따른, 통합 광학 투영 모듈들을 포함하는 프로젝터들의 개략적인 측면도.
VCSEL 어레이들은 소형의 고강도 광원들 및 프로젝터들을 생산하는 데에 있어서 바람직하게 사용될 수 있다. 아래에서 기술되는 본 발명의 실시예들은 광의 다수의 스트라이프들의 패턴을 공간으로 직접 투영하기 위해 VCSEL 그리드 어레이들을 사용한다. 이러한 종류의 접근법은 조밀한 커버리지를 갖는 스트라이프 패턴들을 생성할 수 있는 비용이 높지 않은 디바이스들을 제공한다. 패턴들을 3D 맵핑 애플리케이션 내의 장면 상에 투영하도록 사용될 때, 이러한 패턴들은 등극선을 따라 대응하는 기준 이미지로의 장면의 이미지들의 단순화된 정합을 가능하게 한다.
그러나, 이러한 종류의 균일한 스트라이프 패턴이 3D 맵핑에서 사용될 때, 이미지 내의 임의의 주어진 위치에서의 패턴은 (비균일한 패턴들을 투영하는 프로젝터들에 대조하여) 국부적으로 고유하지 않고, 이러한 고유성의 부재는 정합에서의 모호성을 야기할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 이러한 패턴 모호성은 서로 다른 공간 주기들을 갖는 스트라이프 패턴들의 시퀀스를 투영함으로써 해결된다. 이러한 실시예들은 스트라이프 주기의 동적 제어를 이용하여 이러한 스트라이프 패턴들을 단순하고 경제적으로 생성할 수 있는 이미터 어레이들을 제공한다.
아래에 기술된 실시예들은 이러한 목적을 위해 VCSEL들을 사용하지만, (예를 들어, 전술된 US 2011/0188054에서 기술된 종류의) 에지 방출 레이저 다이오드들의 어레이들이 대안적으로 사용될 수 있다. 이러한 실시예들은 빔을 아래에 기술된 바와 같은 광학 구성요소들로 이어지는 기판으로부터 멀어지게 돌리기에 적합한 폴딩 미러를 구비한 어드레스가능한 레이저 어레이를 사용할 수 있다. 예를 들어, US 2011/0188054의 도 8에 도시된 어레이의 종류가 필요한 부분만 약간 수정하여 이러한 목적을 위해 적응될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은, 아래에 기술된 바와 같이, 위에서 언급된 종류들의 이미터 어레이들을 이용하는 통합 패턴 투영 모듈들을 제공한다. 이러한 모듈들은 당업계에서 알려진 투영 디바이스들과 비교하여 더 나은 성능뿐만 아니라 설계 및 생산을 단순화하는 장점을 가지며 비용 및 크기 감소를 달성할 수 있다. 이러한 종류의 패턴 투영 모듈들은 위에서 언급된 공개문서들에서 기술된 3D 맵핑 시스템들의 종류에서 바람직하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 모놀리식 VCSEL 어레이가 형성되어 있는 반도체 다이(22)를 포함하는 통합 광전자 디바이스(20)의 개략적인 상면도이다. 이러한 어레이는 단위 면적당 이미터들의 관점에서 효율적인 6각형 격자 패턴으로 VCSEL 이미터들(24)을 포함한다. 어레이는 열마다 M개의 이미터들(24)을 구비하는 N열들을 포함한다. 열들 사이의 거리는
Figure 112018010959535-pat00001
이며, 이때 d는 각 열 내의 이미터 피치이다.
도 1에 도시된 종류의 모놀리식 VCSEL 어레이들은 고출력 스케일가능성의 장점을 가진다. 예를 들어, 현재 기술을 이용하여, 1 ㎟의 활성 영역을 갖는 다이는 약 3W 이상의 총 광출력을 갖는 600개의 이미터들을 포함할 수 있다. VCSEL 다이오드들은 원형 빔을 방출한다. 만약 자신의 포커스에서 VCSEL 다이를 갖는 원형 렌즈가 VCSEL 어레이에 의해 방출된 광을 투영하도록 사용되면, 공간 내의 결과적인 점 패턴이 VCSEL 패턴과 동일한 형태를 가질 것이다.
다른 한편으로, 만약 VCSEL 열들의 축에 평행한 원통 축을 갖는 원통형 렌즈가 투영을 위해 사용되면, 라인들의 패턴이 투영될 것이며, 이때 각 라인은 열 내의 M개의 이미터들로부터 통합된 파워를 포함한다. 라인들의 투영 각도는 VCSEL 빔 발산에 의해 직접 정의되고(전형적으로 대략 15°), 반면에 각도 라인 피치는 arctan(dx/f)에 의해 주어지며, 이때 f는 렌즈의 초점 길이이다. 아래에 기술된 실시예들 중 일부는 이러한 방식으로 원통형 투영 렌즈를 사용한다.
X-축에 따르는 패턴 시야(FOV; field of view)는 그 다음 라인 피치의 대략 N배일 것이다. 이러한 FOV는 일부 애플리케이션들에 있어서는 충분하지 않을 수 있지만, 추가적인 광학 요소가 이어지는 도면들에서 도시된 바와 같이 사전정의된 각도 범위에 걸쳐 스트라이프 패턴의 다수의 레플리카들을 생성하도록 사용될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른, 도 1에 도시된 디바이스(20) 내의 어레이와 같은 VCSEL 어레이를 포함하는 통합 광학 투영 모듈(30)의 개략적인 측면도이다. VCSEL 다이(22)는 전형적으로 웨이퍼 레벨에서 테스트되며, 그 다음 적절한 전기 접속들(34, 36, 38)을 갖는 하위-마운트(32)로 지칭되는 적절한 기판 상에 다이싱되고 실장된다. 원통형 투영 렌즈(46)를 포함하는 광학 장치들(40)은 적절한 스페이서들(42) 상의 다이 위에 실장된다. 렌즈(46)는 VCSEL 이미터들의 출력 빔(50)을 수집하여 투영한다. 온도 안정성을 위해서, 유리 렌즈가 사용될 수 있다. 얇은 스페이서들(48)에 의해 지지되는 회절 광학 요소(DOE)(44)는 사전정의된 각도 범위에 걸쳐 팬-아웃 하는 VCSEL 어레이의 라인들의 패턴의 다수의 레플리카들(52, 54, 56)을 생성한다. DOE는, 예를 들어, 다만 그레이팅(Damman grating) 또는 위에서 언급된 미국 특허 출원 공개번호 제2009/0185274호에 기술된 것과 유사한 요소를 포함한다.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른, VCSEL 어레이를 포함하는 통합 광학 투영 모듈(60)의 개략적인 측면도이다. 이 실시예에서, 도 2a의 굴절 투영 렌즈는 광학 기판(66)의 일 측면 상에 형성될 수 있는 회절 렌즈(64)에 의해 대체되는 반면, 팬-아웃 DOE(62)는 동일한 광학 기판(66)의 반대 측면에 형성된다. 회절 렌즈가 파장 변화에 민감하지만, VCSEL 요소들의 상대적인 파장 안정성은 이러한 접근법을 실현가능하게 한다. 커버 유리(68)는 DOE를 보호하도록 추가될 수 있다.
도 2c는 본 발명의 대안적인 실시예에 따른, VCSEL 어레이를 포함하는 통합 광학 투영 모듈(70)의 개략적인 측면도이다. 이러한 경우에서, 회절 렌즈(74) 및 팬-아웃 DOE(72)가 단일-측면 회절 요소들로서 생산된다. 이 실시예는 특히 민감한 활성 층들이 모듈 내에서 보호되는 반면 외부 파셋은 편평한 표면을 갖도록 광학 요소들이 형성되고 실장될 수 있다는 점에서 특히 바람직하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 모듈(30) 내의 광학 장치들(40)에 의해 출력 빔(50) 내에 생성된 스트라이프들의 패턴의 개략적인 전면도이다. 위에서 주목된 바와 같이, 빔(50)은 VCSEL 라인들의 패턴의 레플리카들(52, 54, 56)을 포함하지만, 패턴 내의 스트라이프들은 핀쿠션(pincushion) 왜곡으로 인해 왜곡된 사각형의 형태를 가진다. DOE는 예를 들어 미국 특허 출원 공개번호 제2010/0284082호에 기술된 바와 같이, 패턴의 투영된 레플리카들이 표면 또는 공간의 영역을 타일화하도록 설계되며, 이 개시내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다.
도 2a 내지 도 2c에 도시된 모듈들의 조립 동안, DOE는 전형적으로 VCSEL 다이에 대해 4개의 차원들(X, Y, Z 및 회전)으로 정렬된다. 도 2b 및 도 2c의 실시예들은 VCSEL 어레이 및 DOE/회절 렌즈 구조 모두를 생산하도록 사용되는 광리소그래픽 프로세스들이 약 1 μm까지 정확하며, 따라서 단순히 피덕셜 마크(fiducial mark)를 정합시킴으로써 X, Y 및 회전에서의 수동 정렬을 허용하기 때문에, 정렬의 관점에서 바람직할 수 있다. Z-정렬(즉, VCSEL 다이와 DOE 및 렌즈 사이의 거리)은 생산의 높은 정확도로 인해 작은 범위의 동작만을 요구한다. Z-정렬은 따라서 VCSEL 어레이가 부족 전력인 동안에 능동적으로 달성될 수 있거나, 또는 예를 들어 VCSEL 표면과 DOE 표면 사이의 거리를 측정하도록 공초점(confocal) 마이크로스코프와 같은 높이-측정 디바이스를 이용하여 가능하게는 수동으로 달성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c의 모듈들은 구조화된 광을 사용하는 깊이 맵핑 시스템들 내의 패턴 프로젝터들로서 사용될 수 있다. 구조화된 광을 사용하는 깊이 맵핑 시스템들 내의 패턴 프로젝터들로서 사용될 수 있다. (예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은) 타일화된 패턴은 관심 물체 상에 투영되고, 적합한 카메라가 물체 상의 패턴의 이미지를 캡처한다. 프로세서는 이미지 내의 각 포인트에서 알려진 기준에 대해 패턴의 국부적인 가로 시프트를 측정하고 따라서 당업계에서 알려진 이미지 프로세싱 방법들을 이용해 국부적인 시프트에 기초하여 삼각형에 의한 해당 포인트의 깊이 좌표를 찾는다.
그러나, 앞서 주목된 바와 같이, 패턴 내의 스트라이프들이 고유하지 않기 때문에, 깊이 맵핑의 범위는 두 라인들 사이의 시프트에 대응하는 깊이로 제한되지 않는다. 이러한 모호성을 해결하기 위해서, 레이저 다이오드 어레이는 아래에서 설명되는 바와 같이 서로 다른 스트라이프 주기들을 갖는 패턴들의 시퀀스를 투영하도록 제어될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 다양한 공간 주기들의 스트라이프 패턴들(84)의 시간 시퀀스(80)를 개략적으로 도시하는 도면이다. 각 열(82)은 VCSEL 이미터들(24)의 16개의 스트라이프들 중 하나에 대응하고, 도면의 각 행 내의 스트라이프의 상태(밝음 또는 어두움)는 주어진 시간에서 스트라이프가 턴-온 또는 턴-오프되었는지 여부를 나타낸다. 이러한 예에서, 시간 시퀀스(80)는 연속으로 투영되는 4개의 스트라이프 패턴들을 포함한다. 이러한 시퀀스는 16개의 수직 열들의 각각의 열 내에 고유한 이진 조명 코드를 생산한다. 일반적으로, log2N 패턴들의 시퀀스는 N개의 열들의 전체 측정 범위를 커버하고 인코딩하도록 사용될 수 있다. 이러한 종류의 시간-코딩된 조명 패턴들 및 깊이 맵핑에서의 이들의 사용은, 예를 들어, PCT 국제 출원 공개번호 WO 2012/066501에 추가로 기술되었으며, 이것의 개시내용은 참조로서 본 명세서에 포함되었다.
도 4에 도시된 코딩 방안은 그레이 코드(Gray code)로서 보여질 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 이어지는 도면들에 도시된 VCSEL 어레이들은 도 4의 그레이 코드보다 더욱 효율적일 수 있는 다른 고유 코드들을 생성하도록 구동될 수 있다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른, 다이(22)의 반도체 기판 상에 형성된 VCSEL들(24)의 모놀리식 어레이(90)의 개략적인 상면도이다. 어레이(90)는, 각 열에 대해 단일의 공통 콘택트(92)를 갖는 기판 상에 형성된 분리된 개별 컨덕터들에 의해 구동되는 개별 열들 내에 배치된 16개의 VCSEL들(24)의 그룹들이 존재한다는 점을 제외하면, 도 5a의 실시예에서 도 1의 어레이와 유사하다. 컨트롤러(96)는 개별 콘택트들(92)에 적절한 구동 신호들을 인가함으로써 활성화하도록 열들을 선택한다. 도 5a에 도시된 VCSEL들의 열들이 수직이지만, 본 특허 출원 및 청구범위의 맥락에서, "열"이라는 용어는 해당 선이 이미터들이 배치되는 기판의 기준 프레임 내의 수직, 수평 또는 대각선인지 여부와 무관하게, 선으로 배치되는 이미터들의 임의의 그룹을 표기하는 것으로 이해되어야만 한다.
컨트롤러(96)는 열들의 서로 다른 그룹들을 교대로 활성화함으로써 도 4에 도시된 패턴 시퀀스를 생성하기 위해 도 5a에 도시된 VCSEL들(24)의 16개의 열들을 구동할 수 있다. 따라서, 도 4의 최상위 패턴은 단일의 넓은 스트라이프를 생성하도록 어레이의 우측에서 8개의 열들을 활성화함으로써 생성되고, 다음 패턴은 두 개의 스트라이프들을 생성하도록 어레이의 좌측 및 우측 각각의 최우측 4개의 열들을 활성화함으로써 생성되는, 등이다. 어레이(90)의 각 열에 대해 대응하는 컨덕터를 구비하는 공통 콘택트들(92)의 배치는 특히 이러한 종류의 패턴 시퀀스들을 생성하기 위해 필요한 컨트롤러(96)의 동작 및 접속들을 단순화하는 데에 있어서 바람직하다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 다른 종류의 어드레싱 방안들을 갖는 이미터들의 그리드 어레이들을 포함하는 광학 투영 모듈들 또한 이러한 패턴 시퀀스들을 생성하도록 구동될 수 있다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 반도체 다이(22) 상에 형성된 VCSEL들(24)의 모놀리식 어레이(94)의 개략적인 상면도이다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 종류의 모놀리식 VCSEL 어레이들은 높은 파워의 스케일가능성의 장점을 가지며, 따라서 어레이 내의 열들의 파워 및 개수 모두를 스케일-업 하는 것을 가능하게 한다. 도 5b는 도 5a의 모놀리식 VCSEL 어레이의 32개의 열들로의 연장을 도시하며, 이는 총 파워에서 4배의 증가를 갖는다.
도 5a 및 도 5b의 VCSEL 다이들은 TSSOP(Thin Shrink Small Outline Package)와 같은 표준 리드-프레임 패키지의 리드 내에 실장되고 그에 부착될 수 있다. 이러한 패키지들은 전형적으로 다이의 부착 및 와이어 본딩 후에 (예를 들어, 에폭시를 이용하여) 밀봉된다. 그러나, 본 실시예들에서, 패키지는 예를 들어 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 스페이서 및 DOE에 의해 VCSEL 다이 위에서 폐쇄될 수 있다.
대안적으로, VCSEL 다이는 실리콘 웨이퍼와 같은 다른 기판 상에 조립될 수 있다. 이러한 웨이퍼 기판은, VCSEL 콘택트들의 팬-아웃만을 위해 사용되는 수동식일 수 있다. 대안적으로, 실리콘 웨이퍼 기판은 드라이버 및 컨트롤러 회로들도 포함하는 활성 칩을 포함할 수 있다. 이러한 후자의 접근법은 이것이 추가적인 드라이버 칩에 대한 필요성을 제거하기 때문에, 더 우수한 통합 및 더 작은 폼 팩터를 획득할 수 있다. 또한 VCSEL들의 열마다 하나의 핀이 필요한 대신, 핀들이 입력 파워, 스트로브/플래쉬 신호 및 발광 코드를 컨트롤러로 프로그래밍하기 위한 I2C 또는 다른 직렬 인터페이스에 대해서만 필요하기 때문에, 이것은 어셈블리 내의 핀들의 수를 감소시킨다.
도 2a 내지 도 2c 및 도 5a 및 도 5b에 도시된 실시예들은 광이 VCSEL들의 상단 표면으로부터 방출되고, 어노드들이 와이어-본드를 통해 접속된다고 가정한다. 대안적으로, 일부 파장 범위들에 있어서(예를 들어, GaAs 이미터들에 있어서 900nm 초과), VCSEL들은 기판을 통해 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우에서, VCSEL들은 BSI(Back-Side Illumination)에 대해 설계될 수 있으며, 다이는 서브마운트 또는 드라이버 칩 상에 플립-칩으로서 조립될 수 있다.
도 4에 도시된 상위 세 개의 패턴들은 도 3에 도시된 바와 같은 별개의 분리된 스트라이프들로서 나타나기보다는, 둘 이상의 이웃하는 열들 내의 VCSEL들에 의해 방출된 광이 단일의 넓은 스트라이프로 결합될 것을 요구한다. 다시 말하면, 인접하는 VCSEL 열들로부터의 방출로 인해 투영된 밝은 스트라이프들은 인접하는 스트라이프들 사이의 실질적인 갭 또는 오버랩 없이 자신들의 개별 에지들에서 만나기에 충분해야만 한다. 이러한 목적은, 아래에서 설명되는 바와 같이 원통형 렌즈에 대한 VCSEL 어레이의 회전에 의해 획득될 수 있다.
도 6a는 본 발명의 실시예들에 따른, 광학 투영 모듈 내의 원통형 렌즈(98)를 갖는 이미터 어레이(90)의 개략적인 상면도이다. 어레이(90)는 렌즈(98)의 원통형 축에 대해 전형적으로 10° 미만인, 작은 각도만큼 회전된다. 회전각은 바람직하게는
Figure 112018010959535-pat00002
으로 설정될 수 있으며, 이때 M은 어레이(90)의 열 내의 이미터들의 개수이다. 이러한 배치에서, 각 이미터는 자신의 이웃들에 대해 미세하게 오프셋된 스트라이프를 생성하며, 이러한 개별적인 스트라이프들은 VCSEL 열들의 각각에 걸쳐 더 넓은 스트라이프를 형성하도록 결합한다. 하나의 열의 바닥 이미터와 다음 열 내의 상단 이미터 사이의 X-축(도면에서 수평 방향)에 따른 거리는 이웃하는 이미터들 사이의 거리와 동일하다.
도 6b는 본 발명의 실시예에 따른, 도 6a의 광학 투영 모듈에 의해 투영된 패턴 내의 스트라이프들의 강도의 시간적 변화를 개략적으로 도시한 도면이다. 도면 내의 트레이스들(100, 102)은 각각 두 교대 시간에서 모듈에 의해 투영되는 패턴의 X-축에 따른 강도들을 개별적으로 나타낸다: 트레이스(100)에서, 어레이(90)의 짝수 열들이 활성화되는 반면, 트레이스(102)에서, 홀수 열들이 활성화된다. 결과적인 패턴은 50%의 듀티 사이클을 가지며, 홀수 열들(바닥 콘택트들)의 활성화에 의해 생성된 패턴은 짝수 열들(상단 콘택트들)의 활성화에 의해 생성된 패턴에 대해 역이다.
도 6a에 도시된 배치는 도 6b의 두 트레이스들에 의해 도시된 코드와 같은 임의의 바람직한 상호보완적인 코드를 생성하는 능력을 제공한다. 이러한 배치는 순차적인 차동 코드를 이용하여 캡처된 이미지들 내의 단순한 스트라이프 검출을 가능하게 한다. 상호보완적인 코드의 두 순차적인 이미지들을 추출함으로써, 장면 및 주변 광에 의해 발생되는 임의의 강도 변화가 제거될 수 있다.
위에서 기술된 바와 같은 통합된 프로젝터의 패턴 밀도는 투영 렌즈의 초점 길이와 열 피치 사이의 비율에 의해 정의되는 반면, 스트라이프 폭은 검출될 수 있는 최소 물체 폭을 정의한다. 따라서, 더 조미한 패턴을 획득하기 위해서, 렌즈가 긴 초점 길이를 가지는 것이 바람직하며, 따라서 이미터 어레이로부터 비교적 멀리 배치되는 것이 바람직하다. 그러나, 다수의 경우들에서, 긴 초점 길이의 렌즈를 수용하고 그에 따라 원하는 패턴 밀도를 획득하기 위해 요구되는 큰 프로젝터 높이는, 프로젝터가 내장될 제품의 두께를 감소시키는 설계자의 능력에 대한 중요한 제한이다. 패턴 밀도는 어레이의 피치를 축소함으로써 증가될 수 있지만, 이러한 치수는 VCSEL 생산 및 와이어-본딩의 물리적인 제한들에 의해 한정된다. (전형적으로 열 피치는 적어도 30㎛이다). 따라서, 제품 두께와 시스템 해상도 요구 사이의 절충이 어려울 수 있다. 아래에 기술된 본 발명의 실시예들에 따른 프로젝터들은 두께 요구들을 완화하도록 사용될 수 있다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른, VCSEL 어레이를 포함하는 통합 광학 투영 모듈(70)을 포함하는 프로젝터(110)의 개략적인 측면도이다. 이 실시예는 위에 설명된 최소 두께 제한을 나타낸다. 프로젝터(110)에서, 모듈(70)은 위와 아래에 (전형적으로 플라스틱 또는 유리를 포함하는) 제품 커버들(114, 116)을 구비하는 프로젝터(110)가 통합되는 제품의 인쇄 회로 보드 또는 메인 섀시(chassis)(112) 위에 부착된다. 디바이스(20)로부터 방출된 빔(118)은 원하는 패턴 밀도를 부여하도록 선택된 디바이스(20)로부터의 거리에서 렌즈(74) 및 DOE(72) 상에 충돌한다. 도 7a에 도시된 프로젝터 구성에서, 이러한 거리는 제품의 (Z-방향에서의) 전체 두께에 있어서의 중요 인자이다.
도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 통합 광학 투영 모듈을 포함하는 프로젝터(120)의 개략적인 측면도이다. 프로젝터(120)의 구조는 도 7a에 도시된 프로젝터(110)와 동일한 패턴 해상도를 획득하는 동시에 감소된 제품 두께를 가능하게 한다. 프로젝터(120)에서, VCSEL 어레이와 렌즈(74) 및 DOE(72)를 포함하는 디바이스(20)는 모두 단일 기판(122)에 나란히 부착된다. 폴딩 미러(126)는 VCSEL들과 DOE 사이의 동일한 광학적 거리를 생성하는 동안, (도 7a에 도시된) 스페이서들(42)이 배치되는 동일한 기판에 접착된다.
프로젝터(120)를 조립하기 위해서, 디바이스(20)는 먼저 기판(122)에 실장되고 와이어-본딩되고, 폴딩 미러(126)는 제자리에 접착되며, 마지막으로 DOE(72) 및 렌즈(74)는 기판에 정렬되고 접착된다. 프로젝터(120)는 (이전 실시예에서와 같은 후면 대신) 전면 커버(116)에 가까운 위치에 있는 (DOE 위에 홀을 구비하는) 제품 섀시(124)에 부착된다. 동작 시에, 폴딩 미러는 디바이스(20)에 의해 방출된 광을 기판(122)을 향해 돌리며, 그에 따라 도면에 도시된 바와 같이 기판 내의 개구부를 통해 광을 안내하는 렌즈(74) 및 DOE(72) 상에 광이 입사한다.
도 7c는 본 발명의 대안적인 실시예에 따른, 통합 광학 투영 모듈을 포함하는 프로젝터(130)의 개략적인 측면도이다. 프로젝터(130)의 구성은, 폴딩 미러의 기능이 광학 프리즘(132)에 의해 수행된다는 점을 제외하면 도 7b의 통합 프로젝터와 유사하다. DOE(72) 및 렌즈(74)는 하나의 광학 요소를 생성하기 위해서 (예를 들어, 광학 UV-경화된 글루에 의해) 프리즘(132)에 접착된다. 이러한 요소는 그 다음 디바이스(20)를 갖는 기판(122)에 정렬되고 접착된다. 프리즘이 전형적으로 미러보다 더욱 비용이 높지만, 더욱 단순하고 더욱 안정적인 프로젝터 어셈블리로 이끌 수 있다. 프리즘의 추가적인 장점은 이것의 굴절률이 공기보다 크고 동일한 광학적 거리에 대해서 이것이 VCSEL과 DOE 사이의 물리적 거리를 증가시키도록 사용될 수 있기 때문에, 따라서 기계적인 제한을 완화한다는 점이다.
위에서 기술된 실시예들 중 일부가 특히 스트라이프 패턴들의 생성과 관련되었지만, 본 발명의 원리들은 발광 요소들의 모놀리식 어레이들을 이용하는 다른 종류의 패턴들을 생성 및 투영하는 데에도 필요한 부분만 약간 수정하여 유사하게 적용될 수 있다. 이러한 패턴들은 오직 규칙적인 기하학적 피규어뿐만 아니라, 가변적인 형태들 및 점들의 의사-랜덤 배치조차도 포함할 수 있다.
따라서 전술된 실시예들이 예시로서 인용되며, 본 발명이 구체적으로 도시되고 전술된 것으로 제한되지 않는다는 점이 이해될 것이다. 오히려, 본 발명의 범주는 전술된 다양한 특성들의 조합들 및 하위조합들뿐 아니라, 전술된 설명을 읽음에 따라 당업자에게 발생할 수 있고 종래기술에 개시되지 않은 본 발명의 변화들 및 수정들도 포함한다.

Claims (16)

  1. 광전자 장치로서,
    기판;
    반도체 다이 상에 형성되고 상기 기판 상에 실장된 발광 요소들의 어레이(array) - 상기 어레이는 적어도 상기 발광 요소들의 제1 집합 및 제2 집합을 포함함 -;
    상기 발광 요소들의 제1 집합을 상기 발광 요소들의 제2 집합과 독립적으로 구동하도록 결합된 컨트롤러;
    제1 및 제2 광학 요소들 - 상기 제1 광학 요소는 상기 발광 요소들의 어레이로부터 방출되는 광을 수광하고 상기 수광된 광을 상기 제2 광학 요소를 향해 인도하도록 상기 기판 상에 실장되고, 상기 제2 광학 요소는 패턴을 생성하도록 상기 제1 광학 요소로부터 수광된 광을 투영함 -;
    상기 패턴이 투영되는 물체의 이미지를 캡처하도록 구성된 카메라; 및
    상기 물체의 3차원(3D) 맵을 생성하기 위하여 상기 캡처된 이미지를 프로세싱하도록 구성된 프로세서
    를 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 이미지 내의 각 포인트에서 알려진 기준에 대해 상기 투영된 패턴의 국부적인 가로 시프트를 측정하고 상기 국부적인 시프트에 기초하여 삼각 측량에 의해 상기 포인트의 깊이 좌표를 찾음으로써, 상기 3D 맵을 생성하도록 구성되는, 광전자 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광학 요소는 회절 광학 요소(DOE)를 포함하는, 광전자 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 패턴은 상기 발광 요소들의 집합에 대응하는 패턴 구성요소들을 포함하고, 상기 DOE는 사전정의된 각도 범위에 걸쳐 팬-아웃(fan-out) 하는 상기 패턴 구성요소들의 다수의 레플리카들을 포함하는 확대된 패턴을 생성하도록 구성되는, 광전자 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 DOE는 상기 확대된 패턴이 표면 또는 공간의 영역을 타일화하도록 광 패턴의 상기 다수의 레플리카들을 투영하도록 구성되며, 이에 의해 상기 표면 또는 영역은 상기 광 패턴의 다수의 인접한 레플리카들에 의해 상기 레플리카들 사이의 실질적인 갭 또는 오버랩 없이 커버되는, 광전자 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 패턴은 의사-랜덤 패턴인, 광전자 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 발광 요소들은 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)들을 포함하는, 광전자 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광학 요소는 상기 기판 상에 실장된 폴딩 미러를 포함하는, 광전자 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 광학 요소는 상기 기판 상에 실장된 투영 렌즈를 포함하는, 광전자 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 폴딩 미러는 상기 발광 요소들의 어레이로부터 방출되는 광을, 상기 광이 상기 기판 내의 개구부를 통과하도록, 상기 기판을 향해 돌리도록 구성되는, 광전자 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 폴딩 미러는 프리즘을 포함하는, 광전자 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 서로 다른 제1 시간 및 제2 시간에서 상기 발광 요소들의 제1 집합 및 제2 집합을 활성화하도록 구성되는, 광전자 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 발광 요소들의 집합들을 교대로 활성화함으로써 패턴들의 시간 시퀀스를 생성하기 위해 상기 발광 요소들을 구동하도록 구성되는, 광전자 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광학 요소는 원통형 렌즈를 포함하는, 광전자 장치.
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