TWI741661B

TWI741661B - 垂直腔表面發射雷射陣列中之斑點減少

Info

Publication number: TWI741661B
Application number: TW109121930A
Authority: TW
Inventors: 凡卡塔亞南斯泰瑪; 東尼洛培茲; 瓦倫戴維卡卡爾
Original assignee: 美商亮銳公司
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-10-01
Also published as: TW202110016A; US11714293B2; US20200409165A1; WO2020264262A1

Abstract

本發明提供一種發光裝置，其包括複數個同調光源及複數個光散射結構。各光散射結構定位於自該等同調光源之一不同對應同調光源輸出之光之一光學路徑中。各光散射結構包括嵌入於一電回應材料中之一奈米天線配置及藉由其等將一電壓施加至該電回應材料之電接觸件。一時變電信號之施加引起一光散射結構中之該電回應材料之折射率變化，且藉此改變藉由該光散射結構中之該等奈米天線之光散射。此效應可用於減少因該等同調光源所輸出之光之干涉引起之斑點。

Description

垂直腔表面發射雷射陣列中之斑點減少

本發明大體上係關於用於來自同調光源之照明中之斑點減少、特定言之用於VCSEL陣列之結構。

斑點可為導致相同頻率之許多波之干涉之來自粗糙表面之同調輻射之漫反射的一結果，該等波各自具有不同相位及振幅，該等波加在一起以產生具有以一斑點圖案隨機變化之一強度之一合成波。

在其中使用一相機拍攝一圖像/圖框之成像應用(例如面部辨識、駕駛員監控等)中，影像之照明中之一斑點圖案被感知為雜訊。若斑點對比度過高，則資訊信號可能在影像圖框中之斑點照明之暗區中丟失。

歸因於小源大小及相當準直之光輸出，垂直腔表面發射雷射(VCSEL)在光束整形方面係有效率的，此藉由將來自源(VCSEL)之大多數光重定向至相機視場(FOV)內而提高成像應用中之光利用率。此與其他照明技術(例如，LED)相比係一優點，因為運用一VCSEL源，相機FOV內之照明可藉由源以高度均勻性及最小能量使用來最佳化。將一VCSEL源用於成像應用之一缺點係歸因於由一或多個VCSEL源發射之光之同調性之斑點圖案形成。為了將VCSEL用作成像之照明源，必須減少斑點圖案。

根本上，一給定點處之斑點歸因於來自不同方向之具有一固定相位關係之許多波之干涉而產生。因此，用於減少斑點之許多方法依賴於若干統計上獨立、不相關、無干擾波(或在於成像系統中使用時，影像/圖案)之時間平均。例如，在波長、偏振、入射角及/或時間中引入分集皆可減少或消除斑點。

同調源、光學器件或斑點目標之機械移動亦可用於減少斑點，因為經受時變光學性質之波或圖案可減少斑點。例如，機械旋轉漫射玻璃係減少斑點之一常見實驗室方法。替代地，旋轉漫射體、振動繞射光學元件或振動封裝或其他組件可減少斑點。然而，針對可攜式、低功率手持裝置中之應用，需要使用緊湊、固態且無機械振動方法之斑點減少方法。

本說明書揭示使用光散射結構之同調光源之斑點減少，其中將複數個奈米天線嵌入於一液晶、電光介質或其他電回應材料中，為此一時變電信號(例如，一時變電壓)之施加可改變折射率。

如本文中所使用，一奈米天線指代一單一光散射體，或指代彼此緊靠之兩個或更多個光散射體之一配置，例如彼此在相同於或小於由同調光源發射之光之波長之距離處。

此一光散射結構定位於自一同調光源輸出之光之光學路徑中。來自奈米天線之光散射取決於其等嵌入於其中之材料之折射率。因此，奈米天線嵌入於其中之材料之折射率之一電驅動時變動態地改變來自同調光源之由奈米天線散射之光之方向、相位、偏振及/或振幅。

同調光源可為例如一VCSEL陣列中之VCSEL。

為了減少來自兩個或更多個同調光源之間之干涉的斑點，配置複數個此等光散射結構，其中各光散射結構對應於一不同同調光源(例如，一VCSEL陣列中之一不同VCSEL)且定位於其之光學路徑中。各光散射結構包括嵌入於電回應材料中之一奈米天線配置。可單獨地電驅動各光散射結構以改變其電回應材料之折射率，藉此改變來自對應同調光源之光藉由光散射結構中之奈米天線配置之散射。光散射之變化可為例如散射光之方向、相位及振幅之變化。

各光散射結構可包括不同於其他光散射結構中之配置之一獨有奈米天線配置。替代地，各光散射結構可包括一相同奈米天線配置，或數個不同配置可與使用相同配置之多個光散射結構一起使用。

若所有光散射結構中之奈米天線配置係相同的，則為了達成所期望之斑點減少，藉由例如在相位或時間延遲方面不同於至其他光散射結構之電信號之一不同電信號來驅動各光散射結構。若各光散射結構中之奈米天線配置係獨有的，則光散射結構可用相同電信號或替代地各自由一不同電信號驅動。例如，可隨機地驅動各光散射結構(無論配置是否為獨有)，此可例如導致自不同光散射結構散射之光之間的時變隨機相移。此等情況之各者導致來自各光散射結構之時變光散射不同於其他光散射結構中之時變光散射，此減少斑點。

時變信號可具有例如約10千赫至數百千赫(例如高達約1百萬赫)之一頻率。若合適，則可使用更高或更低頻率。

一光散射結構中之電回應材料可為例如一向列或扭曲向列液晶，在該情況中，其可例如具有由經施加電信號引發之約1.5之一折射率及約0.2至0.4之雙折射率。替代地，電回應材料可為一固體電光材料，諸如(舉例而言)鈮酸鋰、磷酸鈦氧鉀(KTP)或β相硼酸鋇(BBO)。若電回應材料係一液晶，則其可例如與奈米天線一起或與奈米天線接觸容置於具有頂部及底部透光(例如，氧化銦錫塗佈玻璃)電導體之一單元中。在導體之間施加一時變電壓引起液晶分子之配向之變化，藉此引起液晶之折射率之變化。此引起奈米天線之散射及偏振狀態之一時變變化。

各光散射結構中之奈米天線配置可形成在光學路徑中具有一亞波長厚度(例如，幾百奈米)之一表面光學元件，在該情況中，其可被視為一超穎表面。(一超穎表面係奈米天線之一集合，其經配置使得該配置之光學性質係由個別天線之性質及其等與鄰近天線之耦合判定。一超穎表面之厚度可為約一個波長或更小。)在此一情況中，在電回應材料與超穎表面實體接觸之意義上，將奈米天線嵌入於電回應材料中。替代地，各光散射結構中之奈米天線配置可實施為塊體材料(例如，在光學路徑中具有幾百奈米至幾微米之一厚度)，其中奈米天線以一有序或無序(例如，隨機)配置分佈於電回應材料中，在該情況中，電回應材料可被視為一超穎材料。

無論是實施為一表面(超穎表面)還是塊體(超穎材料)光學元件，各光散射結構中之奈米天線皆可配置成週期性、非週期性或偽隨機配置。相鄰奈米天線之間之間隔可為例如數十奈米至數百奈米。此等裝置之基本原理係使用超穎表面或超穎材料隨機化同調光之散射。此可例如藉由憑藉在空間上改變奈米天線之間之大小、形狀及/或間隔來產生在形狀及位置方面具有偽隨機性之奈米天線陣列而達成。即使未使用一電回應材料來調變奈米天線周圍之折射率，超穎表面或超穎材料仍可經設計以隨機化其散射光之方向、相位及偏振。

通常，與由光源發射之光之波長相比，各奈米天線具有亞波長尺寸。例如，針對940奈米之一近IR操作波長，各奈米天線可具有例如約一半波長(例如，約500奈米)之一最長尺寸及一較小橫向尺寸。一光散射結構中之奈米天線可在大小、形狀、材料及空間佈局方面不同。奈米天線可具有使其等與由光源發射之光諧振之尺寸、結構及形狀(例如，約一半波長之最長尺寸)。使奈米天線諧振增加針對周圍介質之一給定折射率變化達成之散射之變化幅度。

奈米天線可包含例如具有球形、橢球形、圓柱狀、錐形實心、對稱實心錐體、六面體、八面體、立方體或圓錐形之一或多個光散射體。光散射體及因此奈米天線可由金屬(例如，金、鋁)、介電質(例如，矽、二氧化鈦)或半導體(例如，氮化鎵)製成。

與非惠更斯結構(non-Huygen’s structure)相比，使用惠更斯原理(Huygen’s principle) (電磁對偶性)操作之諧振奈米天線可具有高效率。因此，惠更斯超穎表面及超穎材料可為較佳的，但不要求使用其等。一惠更斯超穎表面或超穎材料係其中各奈米天線係遵循惠更斯原理之一諧振系統之一超穎表面或超穎材料。可選擇奈米天線以僅在選定方向上輻射，例如僅在前向方向上且非在一反向方向上輻射。

用於一光散射結構中之一惠更斯超穎表面/超穎材料可包括例如配置成一六邊形或矩形晶格之奈米柱、奈米錐或奈米立方體。與同調光源之發射波長相比，晶格週期可為亞波長或大於波長。可選擇此等奈米結構以滿足第一科克條件(first Kerker’s condition)使得磁及電偶極輻射在反向方向上抵消，而產生一大的前向散射，在該情況中，其等可稱為惠更斯間-原子(meta-atom)。奈米柱二聚體(例如，一大直徑圓柱體及一較小直徑圓柱體之二聚體)可具有將有助於使用結構參數更好地控制散射模式之干涉模式。

光散射結構可用於傳輸，其中來自光源之光入射於光散射結構上且穿過光散射結構。替代地，光散射結構可用於反射，其中來自光源之光入射於光散射結構上且由光散射結構散射，但未透射穿過光散射結構。

光散射結構可附接至光源(例如，附接至VCSEL)，或以其他方式定位於來自光源之光學路徑中。

光散射結構可包含例如與一液晶組合且容許偏振隨時間變化之偏振器。光散射結構可在其等光輸出表面處或上包括光漫射體。

如上文所描述，光散射結構可包括呈一堆疊配置之兩個或更多個超穎表面。

本發明容許高度緊湊、固態及低功率操作，而使其非常適於整合至手持可攜式電子裝置中。例如，本發明可應用於基於面部或虹膜辨識之安全系統、駕駛員監控系統、安全相機及類似者之領域中。

當結合首先簡要描述之隨附圖式參考本發明之以下更詳細描述時，本發明之此等及其他實施例、特徵及優點對於熟習此項技術者而言將變得更加顯而易見。

相關申請案之交叉參考

本申請案主張2020年6月24日申請之美國專利申請案第16/910,823號及2019年6月27日申請之美國臨時專利申請案第62/867,572號之優先權利，該等申請案之各者之全文以引用的方式併入本文中。

應參考圖式來理解以下[實施方式]，其中在不同圖各處，相同元件符號指代相同元件。不一定按比例之圖式描繪選擇性實施例且並不意欲限制本發明之範疇。[實施方式]以實例且非限制之方式繪示本發明之原理。如本說明書及隨附發明申請專利範圍中所使用，單數形式「一」、「一個」及「該」包含複數指涉物，除非上下文另有清楚指示。

圖1展示包括形成於一基板110上之VCSEL 112之一發光裝置100。各VCSEL經組態以垂直地(垂直於基板)產生及發射同調雷射光116，如所展示。一單獨光散射結構114定位成鄰近於各VCSEL之頂部上之一發光表面115 (且視情況與其接觸)。如放大視圖120中所見，各光散射結構114包括嵌入於一電回應材料117中之複數個奈米天線122，如上文所概述。

基板110及下文所提及之類似基板可為一圖案化藍寶石基板、碳化矽、玻璃或其他適合薄膜支撐件。VCSEL 112及下文所提及之類似VCSEL可由任何適合材料系統形成，包含但不限於III-V族半導體，特定言之鎵、鋁、銦與氮之二元、三元及四元合金，亦稱為III族氮化物材料。

奈米天線122及下文所提及之類似奈米天線可以各種組態生長或沈積，且可具有任何適合形狀、任何適合尺寸，且可由任何適合導電或介電材料形成，包含上述摘要中所描述之形狀、尺寸及材料。

電回應材料117及下文所提及之類似電回應材料可為例如任何適合液晶或電光材料。在圖1中所繪示之實例中，奈米天線經配置以形成一表面光學元件。在此等情況中，奈米天線可視情況附接至下伏VCSEL，但不要求此。例如，奈米天線可形成於一VCSEL之III-N光輸出表面上。如上文所概述及下文進一步描述，奈米天線可經配置以形成一塊體光學元件。

各光散射結構114包括至電回應材料之電接觸件(圖1中未展示)，該等電接觸件經配置以將一時變電信號施加至電回應材料以改變其折射率且藉此改變下伏VCSEL所發射之光被藉由奈米天線之散射。電接觸件可為例如安置於光散射結構114與VCSEL 112之間的一透明導電接觸件，及安置於與VCSEL 112相對之光散射結構114上之另一透明導電接觸件。在圖3中展示且下文參考該圖描述此等接觸件之實例。

圖2示意性地繪示一例示性表面光學光散射結構214之操作，表面光學光散射結構214定位成鄰近於VCSEL 212之一發光表面215且與其接觸，且包括嵌入於電回應材料217中之奈米天線222。一時變電壓自電壓源230至電回應材料217之施加改變材料之折射率，此改變奈米天線對自VCSEL 212入射於光散射結構上之光線216之光散射效應。藉由奈米天線在一個經施加電壓散射之虛線光線218'及奈米天線在一不同經施加電壓散射之實線光線218示意性地指示光散射之變化。如上文所說明，單獨地且不同地改變來自不同VCSEL (更一般而言，來自不同同調光源)之光散射減少因不同VCSEL所發射之光之干涉引起之斑點。

圖3示意性地繪示定位成鄰近於一VCSEL 312之一光散射結構314之操作。光散射結構314包括分佈於一電回應材料317之一塊體內之奈米天線322。一透光導電層313 (例如，由氧化銦錫形成)安置於VCSEL 312與光散射結構314之間。另一類似透光導電層319安置於光散射結構314上而與VCSEL 312相對。在導電層319與313之間施加來自電壓源330之一時變電壓改變電回應材料317之折射率，此改變奈米天線對自VCSEL 312入射於斑點減少結構上之光線316之光散射效應。藉由奈米天線在一個經施加電壓散射之虛線光線318及奈米天線在一不同經施加電壓散射之實線光線320示意性地指示光散射之變化。

圖1至圖3中所展示之例示性裝置可包括未展示之額外層或結構。例如，可採用黏著層將此等裝置中之各種組件彼此附接。

圖4以一俯視圖示意性地繪示一光散射結構414中之奈米天線422之一例示性空間配置。

受益於前述描述及相關聯圖式中所呈現之教示，熟習此項技術者將想到本發明之許多修改及其他實施例。因此，應理解，本發明不限於所揭示之特定實施例，且修改及實施例意欲包含於隨附發明申請專利範圍之範疇內。亦應理解，可在缺乏本文中未明確揭示之一元件/步驟之情況下實踐本發明之其他實施例。

100:發光裝置 110:基板 112:垂直腔表面發射雷射(VCSEL) 114:光散射結構 115:發光表面 116:同調雷射光 117:電回應材料 120:放大視圖 122:奈米天線 212:垂直腔表面發射雷射(VCSEL) 214:表面光學光散射結構 215:發光表面 216:光線 217:電回應材料 218:實線光線 222:奈米天線 230:電壓源 312:垂直腔表面發射雷射(VCSEL) 313:透光導電層 314:光散射結構 316:光線 317:電回應材料 318:虛線光線 319:透光導電層 320:實線光線 322:奈米天線 330:電壓源 414:光散射結構 422:奈米天線

圖1示意性地繪示包括VCSEL及包含奈米天線之光散射結構之一例示性發光裝置。

圖2示意性地繪示實施為一表面光學元件之一例示性光散射結構之操作。

圖3示意性地繪示包括分佈於一電回應材料之一塊體內之奈米天線之一例示性光散射結構之操作。

圖4以一俯視圖示意性地繪示一光散射結構中之奈米天線之一例示性空間配置。

212:垂直腔表面發射雷射(VCSEL)

214:表面光學光散射結構

215:發光表面

216:光線

217:電回應材料

218:實線光線

222:奈米天線

230:電壓源

Claims

一種發光裝置，其包括：複數個同調光源；及複數個光散射結構，各光散射結構定位於自該等同調光源之一不同對應同調光源輸出之光之一光學路徑中，且包括嵌入於一電回應材料中之一奈米天線配置及可藉由其等將一電壓施加至該電回應材料之電接觸件。
如請求項1之發光裝置，其中各光散射結構中之該奈米天線配置不同於所有其他光散射結構中之該奈米天線配置。
如請求項1之發光裝置，其中各光散射結構中之該奈米天線配置相同於所有其他光散射結構中之該奈米天線配置。
如請求項1之發光裝置，其中該等光散射結構之一者中之該奈米天線配置不同於該等光散射結構之至少另一者中之該奈米天線配置。
如請求項1至4中任一項之發光裝置，其中該複數個同調光源之各者係一VCSEL陣列中之一VCSEL。
如請求項1至4中任一項之發光裝置，其中在各光散射結構中，該電回應材料係或包括一液晶。
如請求項1至4中任一項之發光裝置，其中在各光散射結構中，該電回應材料係或包括一電光材料。
如請求項1至4中任一項之發光裝置，其中在各光散射結構中，該等奈米天線在以下之一或多者方面變化：大小、形狀及彼此之間隔。
如請求項1至4中任一項之發光裝置，其中在各光散射結構中，該等奈米天線各自具有小於或等於由該等同調光源發射之光之一波長之一最長尺寸。
如請求項1至4中任一項之發光裝置，其中在各光散射結構中，該等奈米天線在由該等同調光源發射之一波長下諧振。
如請求項1至4中任一項之發光裝置，其中各光散射結構實施為一表面光學元件，其具有平行於由其對應同調光源發射之光之該光學路徑之小於或等於由該等同調光源發射之光之一波長的一厚度。
如請求項1至4中任一項之發光裝置，其中各光散射結構實施為一塊體光學元件，其具有平行於由其對應同調光源發射之光之該光學路徑之大於由該等同調光源發射之光之一波長的一厚度。
如請求項1至4中任一項之發光裝置，其中：該複數個同調光源之各者係一VCSEL陣列中之一VCSEL；在各光散射結構中，該等奈米天線各自具有小於或等於由該等同調光源發射之光之一波長之一最長尺寸；及在各光散射結構中，該等奈米天線在由該等同調光源發射之該波長下諧振。
如請求項13之發光裝置，其中在各光散射結構中，該電回應材料係或包括一液晶。
一種用於減少由自複數個同調光源輸出之光之干涉引起之斑點之方法，該方法包括：將時變電壓施加至複數個光散射結構，該複數個光散射結構之各者定位於自該等同調光源之一對應不同同調光源輸出之光之一光學路徑中，該等光散射結構各自包括一電回應材料中之一奈米天線配置，該電回應材料具有隨著施加至該光散射結構之該變化電壓而變化之一折射率。
如請求項15之方法，其包括將一相同時變電壓施加至各光散射結構。
如請求項16之方法，其中各光散射結構中之該奈米天線配置不同於所有其他光散射結構中之該奈米天線配置。
如請求項15之方法，其包括將一不同時變電壓施加至各光散射結構。
如請求項18之方法，其中各光散射結構中之該奈米天線配置相同於所有其他光散射結構中之該奈米天線配置。
如請求項15之方法，其中該等同調光源係一VCSEL陣列中之VCSEL。