TW202008067A - 結構光投影機及其製造方法 - Google Patents

結構光投影機及其製造方法 Download PDF

Info

Publication number
TW202008067A
TW202008067A TW108125521A TW108125521A TW202008067A TW 202008067 A TW202008067 A TW 202008067A TW 108125521 A TW108125521 A TW 108125521A TW 108125521 A TW108125521 A TW 108125521A TW 202008067 A TW202008067 A TW 202008067A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
optical element
dedicated
diffractive optical
structured light
light projector
Prior art date
Application number
TW108125521A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI705291B (zh
Inventor
珍 艾斯歐 愛得蒙得 特斯爾
朱立恩 波卡爾特
Original Assignee
美商貳陸德拉瓦股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商貳陸德拉瓦股份有限公司 filed Critical 美商貳陸德拉瓦股份有限公司
Publication of TW202008067A publication Critical patent/TW202008067A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI705291B publication Critical patent/TWI705291B/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1842—Gratings for image generation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0944—Diffractive optical elements, e.g. gratings, holograms
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/18—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical projection, e.g. combination of mirror and condenser and objective
    • G02B27/20—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical projection, e.g. combination of mirror and condenser and objective for imaging minute objects, e.g. light-pointer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/44—Grating systems; Zone plate systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1828—Diffraction gratings having means for producing variable diffraction
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1847—Manufacturing methods
    • G02B5/1857—Manufacturing methods using exposure or etching means, e.g. holography, photolithography, exposure to electron or ion beams
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0225—Out-coupling of light
    • H01S5/02257—Out-coupling of light using windows, e.g. specially adapted for back-reflecting light to a detector inside the housing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0233—Mounting configuration of laser chips
    • H01S5/0234—Up-side down mountings, e.g. Flip-chip, epi-side down mountings or junction down mountings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/20—Lasers with a special output beam profile or cross-section, e.g. non-Gaussian

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Projection Apparatus (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

提出一種用於在預定圖案中建立光點遠場影像的結構光投影機，其中結構光投影機包括用於提供作為輸出的非準直光束的光源以及被設置用於截取非準直光束的專用繞射光學元件。專用繞射光學元件被形成用於呈現出光柵特徵的不均勻圖案，且不均勻圖案被配置用於補償非準直輸出光束的非平面波前及相位延遲。提供作為投影機的輸出的光點干涉圖案，而此光點干涉圖案呈現出所需的配置。

Description

單體結構光投影機
本發明是有關一種結構光投影機，尤其是一種不需要單獨的準直器來提供光束整形的單體結構光投影機。
結構光投影機正被發展用於使用特定光「點」圖案來投影編碼光或資訊的圖案之應用。例如3D感測、製圖及諸如此類的應用依賴於此類光源的使用。圖1為典型先前技術的結構光投影機的簡圖，此結構光投影機包括雷射二極體1，此雷射二極體1發射光束B。如圖所示，當光束從雷射二極體1離開時為發散的。發散光束接著被引導進入準直透鏡2，準直透鏡2作用為將發散光束集中(整形)呈現平面波前的一組平行射線(例如，準直光束)。準直光束接著被引導進入繞射光學元件(diffractive optical element, DOE)3，繞射光學元件3作用為重新引導一些射線以便建立如圖2所示的光點干涉圖案。當準直光束通過繞射光學元件的光柵時，光點圖案透過一組引進至準直光束波前的相位延遲而被形成。用於此目的的各種類型之繞射元件在此技術領域中是習知的，且其中包括折射曲面、菲涅耳透鏡等。
雖然對提供結構光輸出是有益的，但準直器及繞射光學元件的組合需要被仔細地對準(不但需要彼此互相對準而且也需要與光源對準)，以便建立所需的圖案。對準公差必然增加投影機的費用，還有製造組件所需的時間及功夫。嚴格的對準公差也對封裝要求造成影響。個別且分離的構件的使用對投影機本身的尺寸造成影響，特別是對那些需要使用這樣的投影機的陣列以建立更廣泛和/或更複雜的光點圖案的應用上。
本發明解決了本技術領域中仍存在的需求。本發明關於一種結構光投影機，尤其是一種單體集成結構光投影機，其不需要單獨的準直器構件，且在示例性實施例中可被直接製造於雷射二極體光源本身上。
根據本發明，專用繞射光學元件(specialized DOE)與光源結合使用以建立所需的點圖案輸出。特別地，專用繞射光學元件形成以呈現用於補償離開雷射的非準直光束的可變的繞射圖案，使得與雷射輸出相關聯的光束整形及相位延遲可以藉由專用繞射光學元件的繞射圖案而匹配。更具體地，形成於專用繞射光學元件的繞射圖案被配置為包括所包括特徵的不均勻間隔和/或不均勻厚度，以抵消非準直光束波前的固有相位延遲。就需要建立光點陣列的應用而言(如圖2所示)，形成專用繞射光學元件的特徵之不均勻性往遠離光束中心的方向發展，且當非準直光束抵達專用繞射光學元件時與非準直光束的相位延遲相匹配。其他不均勻性的配置被視為包括在本發明的範圍內，且可被使用於為特定應用建立專用點圖案。點圖案可採用固定陣列或隨機圖案(於大部分情況中為偽隨機(pseudo-random))的形式，如圖2所示。
本發明的一示例性實施例利用垂直腔表面發射雷射(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)，其在支撐基體上被定向，使得其發射通過基體的厚度。在一情況下，專用繞射光學元件被直接製造在基體表面上。此集成化的配置從而提供非常緊湊且可靠的單體結構光投影機。
本發明的各種實施例可利用集成化的光源陣列，其被設置成使得它們的發散光束不重疊。繞射圖案被建立以對光束陣列的發散提供適當補償。陣列可為一維或二維的。
本發明的其他實施例可以使用分離的光源結合分離的專用繞射光學元件 (與單體集成化的配置相反)而形成。由於專用繞射光學元件不需要單獨的準直器，即使這些利用分離的專用繞射光學元件的實施例也將比先前技術的應體更緊湊(且也除去了準直器—繞射光學元件的對準過程)。
本發明的一示例性實施例採用結構光投影機的形式，以在預定圖案中建立光點遠場影像。此投影機包括用於提供作為輸出的非準直光束的光源以及被放置用於截取非準直光束的專用繞射光學元件。專用繞射光學元件本身被形成為包括多個光柵特徵的不均勻圖案，此不均勻圖案被配置用於補償非準直光束的波前及相位延遲兩者，並且繞射補償後的光束以建立作為輸出的光點干涉圖案，此光點干涉圖案呈現出該預定圖案。
經由以下討論過程並藉由參考所附圖式，本發明的其他及進一步的實施例將更清楚。
圖3為根據本發明的原理所形成的示例性結構光投影機10的簡化方塊圖。與上述先前技術配置相似，光源12用於發射光束。此光束離開光源12時發散，且此光束沿著輸出路徑傳播時持續發散為非準直光束。根據本發明，專用繞射光學元件14被配置為用於與非準直光束互相作用且建立實質上與圖2所示相同的光點圖案。
如同下面將詳細討論的，專用繞射光學元件14被形成用於呈現出光柵特徵18的不均勻圖案16，其與典型的繞射光學元件相反，典型的繞射光學元件呈現出均勻配置以建立所需的干涉圖案。特別地，不均勻圖案16在跨越專用繞射光學元件14表面的相鄰的兩個光柵特徵18之間的間隔方面可為不均勻的，或是在形成專用繞射光學元件14的材料層中的光柵特徵18的厚度方面可為不均勻的，或為不均勻間隔以及不均勻厚度兩者的組合。在任何情況下，不均勻圖案16被具體地形成以補償離開光源的非準直光束不同部分的到達時間之延遲，從而形成所需的光點圖案投影。在此背景下，本發明的各種實施例現在將在下面被詳細討論。
藉由控制在形成光柵圖案的相鄰的兩個光柵特徵之間的間隔，本發明的一示例性實施例提供了在專用繞射光學元件圖案中所需的不均勻性，如圖4所示。特別地，圖4示出了一種單體集成結構光投影機，其中本發明的專用繞射光學元件40形成於基體32的背面30，垂直腔表面發射雷射(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)裝置34安裝在基體32上且被作為投影機光源使用。圖4中還示出垂直腔表面發射雷射裝置34的金屬接觸層38，其形成在基體32的背面30上。在此特定實施例中，垂直腔表面發射雷射裝置34被上下顛倒(例如上面在下)安裝，以便發射通過基體32的厚度(而非通常過程的發射出頂部表面且進入自由空間)。圖4中的虛線示出了發射光束隨著通過基體32傳播而發散，這也示出了從垂直腔表面發射雷射裝置34朝向專用繞射光學元件40的非平面波前的移動。根據本發明的此特定實施例，專用繞射光學元件40形成用以呈現出在相鄰的光柵特徵44之間的不均勻間隔的圖案42。在此特定例子中，專用繞射光學元件40的圖案42被具體地形成以調整在相鄰的光柵特徵44之間的間隔，以匹配由垂直腔表面發射雷射裝置34所發射的光線的光束輪廓。亦即，控制間隔以補償在波前的外側區域相對於波前中心之間的相位延遲。藉由在根據本發明的教示所形成的專用繞射光學元件中提供此補償，準直及繞射皆由單一構件所提供，從而建立緊湊結構光投影機的配置。
在此實施例的一特定配置中，可藉由在金屬接觸層38上沉積材料層46(例如TiO2 )，並接著圖案化且蝕刻材料層46以在所需的圖案42中配置光柵特徵44而形成專用繞射光學元件40。或者，可藉由直接地將光柵特徵44蝕刻進金屬接觸層38以形成圖案42。使用習知且眾所周知的積體電路製程直接地在接觸層之內/之上建立繞射圖案的專業技能以及將此圖案對準由垂直腔表面發射雷射所發射的光束能導致非常緊湊的結構光投影機。在任何配置中，只要專用繞射光學元件40建立具有不同折射率值的各個光柵特徵44的光柵圖案，則通過這些區域的光束將會經受不同程度的繞射，從而在遠場中建立所需的點光束圖案。藉由利用某些類型的不均勻光柵特徵(不均勻尺寸、形狀、間隔等等)，專用繞射光學元件40可提供來自垂直腔表面發射雷射裝置34的發散輸出光束的準直，從而除去了對單獨的準直透鏡的需要。
圖5為專用繞射光學元件40的放大視圖，其示出了在圖案42中的不均勻性，其中圖案42被具體地配置用於匹配來自垂直腔表面發射雷射裝置34的非準直光束輸出的波前。如圖所示，在專用繞射光學元件40中心區域的光柵特徵44A相對靠近彼此地隔開(以間隔SA 表示)，而相對的在光柵特徵44A及光柵特徵44B之間間隔增加(間隔被表示為SB ) ，這使得光柵特徵44C的間隔(SC )從專用繞射光學元件40的中心光柵特徵44A於+x方向及-x方向的增加。根據本發明的此特定實施例，控制間隔以匹配波前外側部分的相位延遲，此相位延遲在圖5中以Δϕ 示出。
如上所述，本發明的專用繞射光學元件可與光源陣列(而非僅是單一光源) 一起使用而配置為結構光投影機。圖6示出了一示例性配置，包括垂直腔表面發射雷射裝置34-1至34-N的陣列，其被上面向下地配置於基體60上，使得它們的發射光束能傳播通過基體60的厚度且經由n型接觸層62而離開。根據本發明的此陣列實施例的此特定配置，垂直腔表面發射雷射裝置的陣列形成為在單一基體上的集成陣列，以及配置在基體60的n型接觸層62上的多個個別的專用繞射光學元件70-1至70-N，且每個專用繞射光學元件70-1至70-N形成為與其相關聯的垂直腔表面發射雷射裝置34-1至34-N對準，如圖所示。
在此情況下，專用繞射光學元件70-1至70-N形成在具有適當的材料的層72中且配置為呈現出所期望的不均勻圖案74-1至74-N(間隔的不均勻、厚度的不均勻、或兩者的不均勻)。每個圖案形成以與其自身個別的光束互相作用，以從該發射光束建立所期望的點圖案。根據本發明的此實施例，垂直腔表面發射雷射裝置34-1至34-N以預定距離d隔開，使得它們的發散光束於通過基體60時不重疊。特別地，此實施例的條件為將距離d定義為大於2*T*sin(θ)，其中T 為基體60的厚度且θ被定義為光束的橫向發散，如圖5所示。在此方式，形成於專用繞射光學元件70-1至70-N的特定不均勻圖案74-1、74-2、……74-N被獨立地配置，以僅基於其相關聯光束的發散特性來提供最佳的圖案，而不須擔心重疊光束造成的干涉。實際上應當理解的是，每個專用繞射光學元件可呈現出不同的不均勻繞射圖案，使得所需的點圖案結果能由各種圖案的組合所提供。有利的，標準集成電路製程的使用容許以直接方式來形成結構光投影機陣列。
另外應當理解的是，垂直腔表面發射雷射裝置的較大陣列可作為本發明的集成結構光投影機的光源，此光源包括此類垂直腔表面發射雷射裝置的二維陣列。在每個情況下，建立個別的繞射圖案以用於從每個光束產生點圖案。
圖7示出了本發明的另一實施例，其中，在本實施例中控制專用繞射光學元件的光柵特徵厚度(而非光柵特徵間隔)以提供補償光束發散所需的不均勻性。特別地，圖7示出了專用繞射光學元件80，其形成在沉積於n型(金屬)接觸層38上的材料層中(與上述實施例一樣)。具有不同厚度的個別的光柵特徵82可經由依序處理材料而建立。在此，光柵特徵82的厚度顯示為從專用繞射光學元件80中心的兩個方向上作為x的函數而變化。最厚的光柵特徵82A顯示在專用繞射光學元件80的中心區域，且有一對稍微較不厚的光柵特徵82B設置在光柵特徵82A的兩側(其中tA >tB )。向外延伸的隨後一對光柵特徵82C較光柵特徵82稍短(tB >tC )，依此類推。
經由控制每一蝕刻步驟所去除的材料量，厚度可藉由使用一系列的圖案及蝕刻而被改變。或者，可以使用受控反應離子蝕刻(reactive ion etch, RIE)過程來定制光柵特徵82的厚度且建立所需的圖案。也可使用其他調整光柵特徵82厚度的方法，且在所有情況下，調整厚度以便控制與通過局部光柵特徵82的光束部分相關聯的相位延遲。特別地，光柵特徵越厚，則相位延遲越長。因此，藉由瞭解與用於形成光柵特徵82的特定材料層相關聯的相位延遲(作為通過材料層光線的波長函數)，能夠根據本發明開發出適當的厚度不均勻性配置以提供非準直輸出光束的補償。
圖8示出了本發明的又一實施例。在此，專用繞射光學元件90形成以呈現元件的不均勻間隔以及元件的不均勻厚度兩者的組合。在此特定配置中，專用繞射光學元件90包括一組光柵特徵92，此組光柵特徵92由第一厚度t1 或第二厚度t2 所形成(在相鄰的光柵特徵之間具有間隔，如圖所示)。在此特定實施例中的厚度可與尺寸相關，以便為行進通過較厚光柵特徵的光波的部分提供2π相位位移(然而，此處的配置應理解為僅為一種可能，而t1 及t2 的其他值亦可被使用)。此組光柵特徵92也形成有兩個不同的寬度W1 及W2 。此光柵特徵厚度及寬度的組合因此形成閃耀專用繞射光學元件(blazed diffractive optical element)，其也補償來自垂直腔表面發射雷射裝置34的非準直輸出光束。特別地，此配置運作以幫助消耗零階模式(zeroth-order mode)(即，未繞射模式)。
雖然上述實施例示出了單體結構光投影機的建立，然而應當理解的是專用繞射光學元件可被形成為單獨、分離的元件且與光源對準配置，如圖3的方塊圖所示。
回想一下，結構光投影機的先前技術配置需要將準直透鏡與標準繞射光學元件對準，然後將此對準的組合封裝到模組中。接下來，模組還需要與相關聯的光源對準。如上所述，本發明藉由將準直及繞射功結合於單一元件中而不需要這些各種對準及封裝步驟，此單一元件能夠與雷射光源集成以建立單體結構光投影機。本發明的結構光投影機是堅固耐用且非常緊湊的。在不需額外的分離構件情況下，製程被大大的簡化且使其容許非常緊湊的投影產品，此為行動產業上之應用的關鍵要素(例如安裝於智慧型手機中的投影機)。
因此，應當理解的是，上述實施例是以示例方式引用的，且本發明不限於在上文具體示出或描述的內容。更確切地說，本發明的範圍包括各種所述特徵的組合以及子組合，以及本技術領域人員在閱讀前面的描述時將想到且未於先前技術中揭露的變化及修改。
1‧‧‧雷射二極體 2‧‧‧準直透鏡 3‧‧‧繞射光學元件 10‧‧‧結構光投影機 12‧‧‧光源 14‧‧‧專用繞射光學元件 16‧‧‧不均勻圖案 18‧‧‧光柵特徵 30‧‧‧背面 32‧‧‧基體 34、34-1、34-2、34-N‧‧‧垂直腔表面發射雷射裝置 38‧‧‧金屬接觸層 40‧‧‧專用繞射光學元件 42‧‧‧不均勻圖案 44、44A、44B、44C‧‧‧光柵特徵 46‧‧‧材料層 60‧‧‧基體 62‧‧‧n型接觸層 70-1、70-2、70(N-1)、70-N‧‧‧專用繞射光學元件 72‧‧‧材料層 74-1、74-2、74(N-1)、74-N‧‧‧不均勻圖案 80‧‧‧專用繞射光學元件 82、82A、82B、82C‧‧‧光柵特徵 90‧‧‧專用繞射光學元件 92‧‧‧光柵特徵 B‧‧‧光束 d‧‧‧距離 SA、SB、SC‧‧‧間隔T、tA、tB、tC、t1、t2‧‧‧厚度 W1、W2‧‧‧寬度 +x、-x‧‧‧方向 Δϕ‧‧‧相位延遲 θ‧‧‧橫向發散
現在參考附圖： 圖1為一先前技術的點投影機的簡圖。 圖2示出了由通過繞射光學元件的射線的干涉所建立的示例性點圖案。 圖3為根據本發明所形成的結構光投影機的簡圖。 圖4示出了本發明的一具體實施例，在此情況下包括垂直腔表面發射雷射光源及專用繞射光學元件的組合，且專用繞射光學元件形成為呈現出用於補償發散光束元件的不均勻間隔。 圖5為圖4的專用繞射光學元件的放大視圖，其示出了接近的發散光束的波前及在專用繞射光學元件中元件的不均勻間隔。 圖6示出了本發明的另一實施例，在此情況下，示出了根據本發明的原理使用具有相關聯的專用繞射光學元件的光源陣列以形成結構光投影機。 圖7示出了本發明的另一實施例，在此情況下，利用形成專用繞射光學元件的材料層中的不均勻厚度，其中此變化的厚度配置成用於補償發散光束。 圖8示出了本發明的又一實施例，其中專用繞射光學元件形成為包括不均勻間隔以及不均勻厚度兩者以補償光束發散。

Claims (20)

  1. 一種結構光投影機，用於在一預定圖案中建立一光點遠場影像，包括： 一光源，用於提供作為輸出的一非準直光束；以及 一專用繞射光學元件，被配置用於截取該非準直光束，該專用繞射光學元件包括多個光柵特徵的一不均勻圖案，該不均勻圖案被配置用於補償該非準直光束的波前及相位延遲，並且繞射該補償後光束以建立作為輸出的一光點干涉圖案，該光點干涉圖案呈現出該預定圖案。
  2. 如請求項1所述之結構光投影機，其中該多個光柵特徵的該不均勻圖案包括在相鄰的兩個該光柵特徵之間的一不均勻間隔。
  3. 如請求項2所述之結構光投影機，其中該不均勻間隔隨著從該專用繞射光學元件的一中心區域向外測量而增加尺寸。
  4. 如請求項1所述之結構光投影機，其中該多個光柵特徵的該不均勻圖案包括形成該多個光柵特徵的各個光柵特徵的一不均勻厚度。
  5. 如請求項4所述之結構光投影機，其中該各個光柵特徵的該不均匀厚度隨著從該專用繞射光學元件的一中心區域向外測量而減少。
  6. 如請求項1所述之結構光投影機，其中該多個光柵特徵的該不均勻圖案包括該多個光柵特徵的一不均勻厚度以及在相鄰的兩個該光柵特徵之間的一不均勻間隔。
  7. 如請求項6所述之結構光投影機，其中各個該光柵特徵呈現出一第一厚度t1 以及一第二厚度t2 兩者中的任一個，且相鄰的兩個該光柵特徵由一第一間隔W1 以及一第二間隔W2 兩者中的任一個而隔開，以形成一補償後且較高階的專用繞射光學元件。
  8. 如請求項1所述之結構光投影機，其中該光源包括一單模光源。
  9. 如請求項1所述之結構光投影機，其中該光源包括一多模光源。
  10. 如請求項1所述之結構光投影機，其中該光源包括一雷射光源。
  11. 如請求項10所述之結構光投影機，其中該光源包括一垂直腔表面發射雷射(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)。
  12. 如請求項11所述之結構光投影機，其中該垂直腔表面發射雷射被上下顛倒放置以引導該非準直光束通過一支撐基體的一厚度，且經由該支撐基體的一主要表面而離開。
  13. 如請求項12所述之結構光投影機，其中該專用繞射光學元件被配置在該支撐基體的該主要表面上。
  14. 如請求項13所述之結構光投影機，其中該專用繞射光學元件包括該多個光柵特徵的一不均勻排列，該多個光柵特徵蝕刻於形成在該支撐基體的該主要表面上的一表面層中。
  15. 如請求項1所述之結構光投影機，其中該光源包括一包含多個個別雷射二極體的陣列，該個別雷射二極體的陣列具有單一個被放置在該包含多個個別雷射二極體的陣列上並與該包含多個個別雷射二極體的陣列對準的該專用繞射光學元件。
  16. 一種製造一結構光投影機的方法，包括下列步驟： (a)提供用於發射一非準直輸出光束的一光源； (b)分析該非準直輸出光束以確定與該非準直輸出光束相關的一特定非平面波前及相位延遲；以及 (c)配置一專用繞射光學元件的多個光柵特徵以呈現出足夠補償該特定非平面波前及相位延遲的一不均勻性，其中該多個光柵特徵的一圖案建立作為輸出的一光點干涉圖案，且該光點干涉圖案呈現出一預定圖案。
  17. 如請求項16所述之方法，其中在執行步驟(a)時，提供一垂直腔表面發射雷射於一支撐基體上並定向以發射該非準直輸出光束，使得該非準直輸出光束通過該支撐基體的一厚度且於該支撐基體的一主要表面而離開。
  18. 如請求項17所述之方法，其中在執行步驟(c)時，將該專用繞射光學元件配置在該支撐基體的該主要表面上以形成一單體結構光投影機。
  19. 如請求項18所述之方法，其中該專用繞射光學元件被直接蝕刻至該支撐基體的該主要表面之內。
  20. 如請求項18所述之方法，其中該專用繞射光學元件透過下列步驟而形成： 沉積一半導體材料層於該支撐基體的該主要表面； 圖案化該半導體材料層以呈現出該不均勻圖案；以及 蝕刻該圖案化的層以建立該專用繞射光學元件的該多個不均勻光柵特徵。
TW108125521A 2018-07-23 2019-07-19 結構光投影機及其製造方法 TWI705291B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/042,319 2018-07-23
US16/042,319 US11675114B2 (en) 2018-07-23 2018-07-23 Monolithic structured light projector

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202008067A true TW202008067A (zh) 2020-02-16
TWI705291B TWI705291B (zh) 2020-09-21

Family

ID=69148431

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW108125521A TWI705291B (zh) 2018-07-23 2019-07-19 結構光投影機及其製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11675114B2 (zh)
KR (1) KR102226884B1 (zh)
DE (1) DE102019118010B4 (zh)
TW (1) TWI705291B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI791148B (zh) * 2020-04-28 2023-02-01 迪鵬光電科技股份有限公司 陣列式結構光圖案投射裝置

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11262644B1 (en) * 2019-05-10 2022-03-01 Facebook Technologies, Llc Structured light projector with solid optical spacer element
EP4214081A1 (en) 2020-09-18 2023-07-26 Nubis Communications, Inc. Data processing systems including optical communication modules
EP4356175A1 (en) * 2021-06-17 2024-04-24 Nubis Communications, Inc. Communication systems having pluggable modules
CN114002768B (zh) * 2021-10-28 2023-01-13 江西欧迈斯微电子有限公司 光学元件、投影模组及电子设备
GB202206055D0 (en) * 2022-04-26 2022-06-08 Ams Int Ag Illumination apparatus
US20230375747A1 (en) * 2022-05-17 2023-11-23 Hong Kong Applied Science And Technology Research Institute Co., Ltd. Single nanostructure-integrated metalens

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2197706A1 (en) * 1997-02-14 1998-08-14 Peter Ehbets Method of fabricating apodized phase mask
EP0990927A3 (en) * 1998-09-28 2000-12-13 Sharp Kabushiki Kaisha Diffraction grating having multiple gratings with different cycles for generating multiple beams and optical pickup using such diffraction grating
US6859326B2 (en) * 2002-09-20 2005-02-22 Corning Incorporated Random microlens array for optical beam shaping and homogenization
NO318360B1 (no) * 2002-12-30 2005-03-07 Sinvent As Konfigurerbart diffraktiv optisk element
KR20070065439A (ko) * 2004-10-15 2007-06-22 트리코 프로덕츠 코포레이션 오브 테네시 Ｖｃｓｅｌ 다이오드 어레이를 갖는 물체 검출 시스템
US8390821B2 (en) 2005-10-11 2013-03-05 Primesense Ltd. Three-dimensional sensing using speckle patterns
US8493496B2 (en) 2007-04-02 2013-07-23 Primesense Ltd. Depth mapping using projected patterns
FR2922325B1 (fr) * 2007-10-12 2010-06-11 Ecole Polytech Homogeneiseur a lame de phase
US8384997B2 (en) 2008-01-21 2013-02-26 Primesense Ltd Optical pattern projection
US9825425B2 (en) 2013-06-19 2017-11-21 Apple Inc. Integrated structured-light projector comprising light-emitting elements on a substrate
US20110188054A1 (en) 2010-02-02 2011-08-04 Primesense Ltd Integrated photonics module for optical projection
JP5849954B2 (ja) 2010-08-06 2016-02-03 旭硝子株式会社 回折光学素子及び計測装置
JP5834602B2 (ja) 2010-08-10 2015-12-24 旭硝子株式会社 回折光学素子及び計測装置
US9036158B2 (en) 2010-08-11 2015-05-19 Apple Inc. Pattern projector
US9052512B2 (en) 2011-03-03 2015-06-09 Asahi Glass Company, Limited Diffractive optical element and measuring apparatus
US8749796B2 (en) * 2011-08-09 2014-06-10 Primesense Ltd. Projectors of structured light
WO2013109265A1 (en) * 2012-01-18 2013-07-25 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Integrated sub-wavelength grating element
US9606237B2 (en) 2012-03-01 2017-03-28 Iee International Electronics & Engineering S.A. Spatially coded structured light generator
US9366877B2 (en) 2013-03-13 2016-06-14 Maxim Integrated Proeducts, Inc. Planar diffractive optical element lens and method for producing same
WO2015054797A1 (en) * 2013-10-20 2015-04-23 Mtt Innovation Incorporated Light field projectors and methods
WO2015059705A1 (en) * 2013-10-23 2015-04-30 Pebbles Ltd. Three dimensional depth mapping using dynamic structured light
US20170131560A1 (en) 2014-11-14 2017-05-11 Ahead Optoelectronics, Inc. Diffractive optical element and laser diode-doe module
US20160377414A1 (en) 2015-06-23 2016-12-29 Hand Held Products, Inc. Optical pattern projector
CN108779905B (zh) * 2016-01-26 2021-08-20 新加坡恒立私人有限公司 多模式照明模块和相关方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI791148B (zh) * 2020-04-28 2023-02-01 迪鵬光電科技股份有限公司 陣列式結構光圖案投射裝置

Also Published As

Publication number Publication date
TWI705291B (zh) 2020-09-21
KR20200011012A (ko) 2020-01-31
DE102019118010B4 (de) 2024-02-15
DE102019118010A1 (de) 2020-01-23
US20200025985A1 (en) 2020-01-23
KR102226884B1 (ko) 2021-03-15
US11675114B2 (en) 2023-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI705291B (zh) 結構光投影機及其製造方法
US7755822B2 (en) Multibeam optical scanning device and image forming apparatus
US9417366B2 (en) Hybrid diffractive optical element and spectral beam combination grating
US9905993B2 (en) Wavelength selective external resonator and beam combining system for dense wavelength beam combining laser
US20170351110A1 (en) Laser Diode Collimator and a Pattern Projecting Device Using Same
KR20210031920A (ko) 가간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 장치, 레이저 시스템 및 방법
CN112051581B (zh) 光分束器和光投射器
JP2008276231A5 (zh)
JP2014215457A (ja) 波長選択スイッチ
US20140321495A1 (en) Integrated sub-wavelength grating element
JP2015032658A (ja) 波長多重伝送装置の製造方法、波長多重伝送装置
TWI689752B (zh) 光源模組、感測裝置以及產生疊加結構圖案的方法
JP2017194547A (ja) ホログラフィック光学素子の製造方法及び露光光学装置
JP7377253B2 (ja) ハイブリッド・コヒーレント及びスペクトルビーム結合のための回折光学素子
JPH04361584A (ja) 位相同期型半導体レーザ
CN110543029B (zh) 单片结构光投影仪
JP6577492B2 (ja) 回折素子により超短レーザーパルスを空間再結合するシステム
KR100485212B1 (ko) 파장가변 반도체 레이저 다이오드
JP3189922B2 (ja) 回折光学素子
CN108646429B (zh) 一种结构光投影仪
KR20220116555A (ko) 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 장치, 레이저 시스템 및 방법
JP2020106771A (ja) 回折光学素子およびこれを用いた光学系装置
KR20210042217A (ko) 평판형 광결합기를 포함하는 증강 현실 장치 및 이를 포함하는 전자 장치
JP7159763B2 (ja) 光学装置及びレーザレーダ装置
US11752577B2 (en) Laser apparatus and substrate etching method using the same