光電器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型一般設(shè)及光學(xué)投影，并且尤其設(shè)及集成光學(xué)投影儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 微型光學(xué)投影儀在各種應(yīng)用中使用。例如，為了 3D映射（也稱為深度映射）， 運(yùn)種投影儀可W用來將編碼或結(jié)構(gòu)化的光圖案投射到物體上。在運(yùn)一點(diǎn)上，美國(guó)專利 8, 150, 142,其公開內(nèi)容在此包含作為參考，描述了一種用于映射物體的裝置。該裝置包括 照明組件，其包括包含固定點(diǎn)圖案的單個(gè)透明片（transparency)。光源使用光學(xué)福射透照 該單個(gè)透明片W便將圖案投影到物體上。圖像捕捉組件捕捉投影到物體上的圖案的圖像， 并且處理器處理圖像W便重建物體的Ξ維（3D)映像。
[0003]PCT國(guó)際公開W0 2008/120217,其公開內(nèi)容在此包含作為參考，描述了在上述美 國(guó)專利8, 150, 142中示出的多種種類的照明組件的更多方面。在一種實(shí)施方案中，透明片 包括W非均勻圖案排列的微透鏡陣列。微透鏡產(chǎn)生被投影到物體上的相應(yīng)焦點(diǎn)圖案。
[0004] 美國(guó)專利8, 749, 796,其公開內(nèi)容在此包含作為參考，描述了集成圖案發(fā)生器，其 中激光二極管（例如VCSEL)W并不是規(guī)則格子的圖案排列。光學(xué)器件可W結(jié)合W將由激 光二極管陣列的元件發(fā)出的光圖案投影到空間中作為相應(yīng)點(diǎn)的圖案，其中每個(gè)點(diǎn)包含由陣 列中相應(yīng)的激光二極管發(fā)出的光。在一些實(shí)施方案中，衍射光學(xué)元件值犯）產(chǎn)生在擴(kuò)展的 角度范圍上扇形展開的圖案的多個(gè)復(fù)本。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本公開的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)目的是提供具有改進(jìn)圖案密度的光學(xué)投影儀。
[0006] 根據(jù)在運(yùn)里描述的本實(shí)用新型的實(shí)施方案，提供了一種光電器件。所述光電器件 包括：半導(dǎo)體襯底，W二維圖案在襯底上排列的光學(xué)發(fā)射器陣列，投影透鏡W及衍射光學(xué)元 件值0E)。所述投影透鏡安裝在半導(dǎo)體襯底上并且被配置W收集并聚焦由光學(xué)發(fā)射器發(fā)出 的光，W便在襯底上投影包含與光學(xué)發(fā)射器的二維圖案相對(duì)應(yīng)的光圖案的光束。所述衍射 光學(xué)元件安裝在襯底上并且被配置W產(chǎn)生并投影圖案的多個(gè)重疊復(fù)本。
[0007] 在一些實(shí)施方案中，所述圖案具有給定間距，并且所述多個(gè)重疊復(fù)本具有比給定 間距更精細(xì)的組合間距。在一種實(shí)施方案中，所述光學(xué)發(fā)射器包括垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)器件。在公開的實(shí)施方案中，所述衍射光學(xué)元件被配置W產(chǎn)生所述多個(gè)復(fù)本W(wǎng)便在 一維上重疊。在可供選擇的實(shí)施方案中，所述衍射光學(xué)元件被配置W產(chǎn)生所述多個(gè)復(fù)本W(wǎng) 便在二維上重疊。
[0008] 在一種實(shí)施方案中，所述光學(xué)發(fā)射器的二維圖案不位于規(guī)則格子上。在另一種實(shí) 施方案中，所述光學(xué)發(fā)射器的二維圖案是不相關(guān)圖案。在又一種實(shí)施方案中，所述光學(xué)發(fā)射 器的二維圖案是規(guī)則網(wǎng)格圖案。在再一種實(shí)施方案中，所述投影透鏡和所述衍射光學(xué)元件 形成在單個(gè)光學(xué)襯底上。
[0009] 在一些實(shí)施方案中，所述光學(xué)發(fā)射器的二維圖案被分成可單獨(dú)尋址的兩個(gè)或更多 個(gè)子集，并且所述光電器件包括控制電路，所述控制電路被配置w尋址所述子集的一個(gè)或 多個(gè)的組合W便控制重疊復(fù)本用于產(chǎn)生多個(gè)不同的圖案密度。在一些實(shí)施方案中，所述衍 射光學(xué)元件被配置W在投影光束的相鄰列中的復(fù)制之間產(chǎn)生橫向偏移，W便減少基于測(cè)量 投影光束中沿著列的橫向位移的深度估計(jì)的模糊度。
[0010] 根據(jù)本實(shí)用新型的一種實(shí)施方案，另外提供一種用于生產(chǎn)光電器件的方法。該方 法包括：提供半導(dǎo)體襯底，W及在襯底上W二維圖案形成光學(xué)發(fā)射器陣列。將投影透鏡安 裝在半導(dǎo)體襯底上W便收集并聚焦由光學(xué)發(fā)射器發(fā)出的光，從而在襯底上投影包含與光學(xué) 發(fā)射器的二維圖案相對(duì)應(yīng)的光圖案的光束。將衍射光學(xué)元件值犯）安裝在襯底上W便產(chǎn)生 并投影圖案的多個(gè)重疊復(fù)本。
[0011] 根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)技術(shù)效果是通過產(chǎn)生彼此重疊的圖案的多個(gè)復(fù) 本，提供了能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)的間距，也就是高圖案密度的投影儀。
【附圖說明】
[0012] 本實(shí)用新型將從與附圖一起進(jìn)行的下面其實(shí)施方案的詳述中更充分地理解，其 中：
[0013] 圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的一種實(shí)施方案的集成光學(xué)投影儀的原理圖；
[0014] 圖2-5是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方案的圖解例示投影的重疊圖案的圖；
[0015] 圖6是根據(jù)本實(shí)用新型的一種實(shí)施方案的例示投影圖案密度的動(dòng)態(tài)控制的圖；W 及
[0016] 圖7和8是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方案的例示具有減少模糊度的扇出級(jí)圖案的 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 概述
[0018] 在下文描述的本實(shí)用新型的實(shí)施方案提供具有改進(jìn)圖案密度的光學(xué)投影儀W及 相關(guān)方法。在一些實(shí)施方案中，光學(xué)投影儀包括光學(xué)發(fā)射器，例如垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)的陣列，W及投影透鏡。光學(xué)發(fā)射器與透鏡結(jié)合產(chǎn)生具有一定間距或密度的光點(diǎn)圖 案。該間距受陣列中發(fā)射器之間的物理距離，W及投影透鏡的焦距所限制。發(fā)射器之間的 物理距離因?qū)崿F(xiàn)原因而不能減小到某個(gè)最小距離之下。另一方面，增加透鏡的焦距將增加 投影儀的高度并減小它的景深。在運(yùn)里描述的實(shí)施方案中，通過產(chǎn)生彼此重疊的圖案的多 個(gè)復(fù)本，投影儀能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)的間距，也就是高圖案密度。
[0019] 在一些實(shí)施方案中，投影儀進(jìn)一步包括圖案復(fù)制元件，例如由衍射光學(xué)元件 值犯）產(chǎn)生的扇出分束器。分束器產(chǎn)生并投影由VCS化陣列和透鏡產(chǎn)生的圖案的多個(gè)復(fù)本。 多個(gè)復(fù)本彼此重疊，使得作為結(jié)果的分離光點(diǎn)的組合圖案具有比由光學(xué)發(fā)射器陣列和透鏡 單獨(dú)獲得的密度更大的密度。幾個(gè)運(yùn)種實(shí)現(xiàn)在運(yùn)里描述。
[0020] 在一些實(shí)施方案中，投影圖案的密度由陣列中發(fā)射器的批量的可尋址操作動(dòng)態(tài)地 控制。其他公開的實(shí)施方案減輕深度估計(jì)的可能模糊度，其可能由復(fù)本的圖案相似性引起。
[0021] 公開的技術(shù)對(duì)于產(chǎn)生具有高角密度的光點(diǎn)圖案非常有效。點(diǎn)之間的角距不再受陣 列中發(fā)射器之間的物理距離與投影透鏡的焦距的比例所約束。
[0022] 系統(tǒng)描述
[0023] 圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的一種實(shí)施方案，集成光學(xué)投影儀30的原理圖。在典型的 應(yīng)用中，投影儀30產(chǎn)生并投影光點(diǎn)圖案到物體或景物上，W便使得成像和處理系統(tǒng)（沒有 顯示）能夠分析投影的圖案并估計(jì)物體或景物的Ξ維（3-D)映像。3-D映像，也稱作深度映 像，可W用于各種目的，例如作為人機(jī)界面（MMI)的一部分用于用戶手勢(shì)識(shí)別。投影儀30 可W集成到各種宿主系統(tǒng)，例如移動(dòng)通信或計(jì)算設(shè)備中。
[0024] 在圖1的示例中，投影儀30包括半導(dǎo)體壓模120,具有置于其上的光學(xué)發(fā)射器陣 列。在運(yùn)里描述的實(shí)施方案中，發(fā)射器包括垂直腔面發(fā)射激光器（VCS化）。但是，在可供選 擇的實(shí)施方案中，可W使用任何其他適當(dāng)類型的激光二極管或其他光學(xué)發(fā)射器。VCS化W某 種幾何布局，例如規(guī)則網(wǎng)格或不相關(guān)（例如準(zhǔn)隨機(jī)）布局構(gòu)造在壓模120上。運(yùn)種幾何圖 案的幾個(gè)示例在下面進(jìn)一步討論。
[00巧]在圖1的實(shí)施方案中，壓模120安裝在次安裝襯底132上，并且使用絲焊138電連 接到襯底132。外部互連端子，例如陽極觸點(diǎn)134和陰極觸點(diǎn)136,形成在襯底132的相對(duì) 表面上。投影透鏡146安裝在墊層142上，典型地使得壓模120位于透鏡的焦平面上。扇 出衍射光學(xué)元件（F0-D0E) 144使用薄的墊層148安裝在投影透鏡146上面。
[0026] 投影透鏡146收集并瞄準(zhǔn)由壓模120上的各個(gè)VCS化發(fā)射的光。VCS化和投影透 鏡的組合根據(jù)壓模120上VCS化的幾何布局產(chǎn)生光點(diǎn)圖案（例如網(wǎng)格或準(zhǔn)隨機(jī)）。特別是， 投影圖案的間距或密度，也就是光點(diǎn)之間的角距，由壓模120上VCS化之間的物理距離和投 影透鏡146的焦距確定。光點(diǎn)的該圖案在運(yùn)里稱作基線圖案。
[0027]DOE144用作分束器，其產(chǎn)生并投影基線圖案的多個(gè)復(fù)本到物體或景物上。多個(gè)復(fù) 本相對(duì)于彼此有角度地偏移并且彼此重疊。作為結(jié)果的光點(diǎn)圖案，其包括基線圖案的多個(gè) 復(fù)本的疊加，在運(yùn)里稱作合成圖案。因?yàn)槎鄠€(gè)復(fù)本之間的重疊，合成圖案的間距或密度比基 線圖案的高。而且，合成圖案的間距或密度不再受VCS化之間的物理距離W及受投影透鏡 的焦距所限制。
[0028] 圖1的頂部顯示基線圖案的Ξ個(gè)復(fù)本的示例，它們之間具有50%的重疊，表示為 152,154和156。如圖中可W看到的，合成圖案的間距是基線圖案的間距（單個(gè)復(fù)本的間 距）的兩倍精細(xì)。圖1的示例為了清晰而高度簡(jiǎn)化。幾個(gè)實(shí)際生活的示例在下面的附圖中 描述。例如，圖1顯示一維的圖案復(fù)本。在可供選擇的實(shí)施方案中，DOE144可W產(chǎn)生在二 維上有角度地偏移并重疊的復(fù)本。
[0029] 圖1中投影儀30的結(jié)構(gòu)是示例結(jié)構(gòu)，其被選擇僅僅為了概念清晰。在可供選擇的 實(shí)施方案中，可W使用任何其他適當(dāng)?shù)耐队皟x結(jié)構(gòu)。F0DOE144可W包括例如達(dá)曼光柵或 類似元件，如美國(guó)專利申請(qǐng)公開2009/0185274中描述的，其公開內(nèi)容在此包含作為參考。
[0030] 在一些實(shí)施方案中，投影透鏡146和DOE144可W制造成單個(gè)一體化元件。進(jìn)一 步作為選擇，透鏡可W由一堆透鏡構(gòu)造，與照相機(jī)鏡頭類似。在本專利申請(qǐng)的上下文中W及 在權(quán)利要求書中，透鏡146和DOE144共同地稱作"光學(xué)器件"，其投影發(fā)射器陣列的2-D布 局并產(chǎn)生基線圖案的多個(gè)重疊復(fù)本。在可供選擇的實(shí)施方案中，光學(xué)器件可W任何其他適 當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。
[0031] 投影重疊圖案示例
[0032] 圖2-5是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方案的圖解例示重疊圖案結(jié)構(gòu)的圖。在每個(gè)圖 中，左手邊顯示投影圖案的單個(gè)復(fù)本158,光點(diǎn)顯示為圓圈，透鏡的中屯、使用十字標(biāo)記，并且 圖案的周期（如果復(fù)制且沒有重疊）由長(zhǎng)方形框架標(biāo)記。該布局也與基線圖案相對(duì)應(yīng)，其 隨后由F0DOE144復(fù)制。
[003引每個(gè)圖的中間顯示由F0DOE144執(zhí)行的復(fù)制方案160,每個(gè)副本的中屯、位置由 "X"標(biāo)記。每個(gè)圖的右手邊顯示從DOE144投影的相對(duì)應(yīng)的合成圖案164。在圖案164中， 光點(diǎn)使用圓圈標(biāo)記，每個(gè)副本的中屯、位置使用"X"標(biāo)記，并且透鏡中屯、使用十字標(biāo)記。
[0034]為了便于比較，每個(gè)圖中合成圖案164的中屯、（對(duì)應(yīng)于DOE144的零級(jí)）使用長(zhǎng) 方形標(biāo)記。如圖中可W清楚看到的，復(fù)本重疊的圖案164的區(qū)域中圓圈的密度（也就是，合 成圖案的密度）高于基線圖案158中圓圈的密度。
[003引在圖2的示例中，VCS化陣列120具有不相關(guān)的準(zhǔn)隨機(jī)布局。陣列被設(shè)計(jì)成具有陣 列的物理最小距離限制，但是也考慮y軸上50%的重疊將仍然保留點(diǎn)之間的最小距離。F0 DOE144執(zhí)行3X5復(fù)制，也就是沿著一個(gè)軸復(fù)制基線圖案Ξ次（根據(jù)圖的方向任意地稱作 水平的），W及沿著正交的軸（稱作垂直的）復(fù)制五次。在水平軸上，F(xiàn)0周期（結(jié)構(gòu)160中 標(biāo)記"X"之間的距離）與基線圖案158的寬度相同。在垂直軸上，F(xiàn)0周期是基線圖案尺寸