具有定制垂度轮廓的微透镜阵列

技术领域

本发明整体涉及光电设备，具体地讲，涉及用于产生光束阵列的设备和方法。

背景技术

在光学中，术语“垂度”(sagitta(拱高)的简称)是光学元件形状的量度。(传统上，垂度表示为了形成给定球面或非球面透镜形式而要从透明坯料中移除的材料的量。)透镜的垂度轮廓以作为横向尺寸的函数的高度z来指定透镜的表面形状。其可相对于原点处的中心点以极坐标(r,θ)表示为z＝S(r，θ)＝f(r)+g(r，θ)。

因此，垂度指定透镜将如何通过确定在其表面折射的光线的方向(或者光束累积的相位)来修改光学辐射的透射光束。一般来讲，可制造任何垂度。垂度的轴对称球面分量f表示透镜的焦度；其他径向对称的分量可引起球面像差；并且非对称分量g可对应于光束的像散、彗形像差和倾斜、以及其他非径向贡献。在本说明书的上下文和权利要求书中，术语“光学”和“光”是指任何可见、红外和紫外光谱范围内的电磁辐射。术语“焦度”与术语“光焦度”可互换使用，用于指代光学元件会聚或发散光束的程度。对于透镜，焦度为焦距的倒数并且通常以屈光度表示。其对于会聚透镜具有正值，对于发散透镜具有负光焦度。

发明内容

下文所述的本发明的实施方案提供经改进的微透镜阵列和基于此类阵列的光学系统。

因此，根据本发明的一个实施方案，提供了一种光学设备，该光学设备包括第一发射器阵列，该发射器阵列设置在基板上并且被配置为在垂直于基板的方向上发射光学辐射的相应光束。第二微透镜阵列定位在基板上，与发射器的相应光束对准。微透镜具有在基板的区域上变化的相应垂度轮廓。第二阵列至少包括在基板的中心区域中的第一微透镜和在基板的周边区域中的第二微透镜，使得第一微透镜具有相应的第一焦度，而第二微透镜具有相应的第二焦度，第二焦度小于第一焦度。

在所公开的实施方案中，垂度轮廓被定义为使得微透镜具有相应的焦度，所述焦度在基板的区域上沿径向方向从第一焦度逐渐减小至第二焦度。除此之外或另选地，第一焦度为正，而第二焦度为负。

在一些实施方案中，垂度轮廓限定微透镜的相应倾斜角，并且倾斜角在基板的区域上变化。在一个实施方案中，基板的周边区域中的倾斜角大于中心区域中的倾斜角，由此微透镜将光束朝向中心轴折射。

在一些实施方案中，基板包括半导体芯片，该半导体芯片对于由发射器发射的光学辐射是透明的，并且发射器设置在半导体芯片的第一表面上并且发射相应光束穿过基板，而微透镜设置在半导体芯片的第二表面上与第一基板相对。在一个实施方案中，微透镜由蚀刻到半导体芯片的第二表面中的凹陷部的图案限定。另选地，发射器设置在半导体芯片的表面上并且在远离基板的方向上发射相应光束，而微透镜设置在发射器上方。在所公开的实施方案中，发射器包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

在一些实施方案中，选择垂度轮廓使得透射穿过微透镜的相应光束具有位于不平坦的几何表面上的相应焦点。在一个实施方案中，几何表面是弯曲的。除此之外或另选地，投影光学器件具有物平面，该物平面不平坦并且与弯曲的几何表面重合。在所公开的实施方案中，投影光学器件被配置为准直已透射穿过微透镜的光束。另选地，投影光学器件包括发散透镜。在一个实施方案中，投影光学器件包括塑料单片。

在所公开的实施方案中，该设备包括投影光学器件，所述投影光学器件被配置为准直已透射穿过微透镜的光束，并且相应垂度轮廓限定矫正投影光学器件的像差的微透镜的像散。

根据本发明的实施方案，还提供了一种用于制造光学设备的方法。该方法包括在基板上形成第一发射器阵列，使得发射器在垂直于基板的方向上发射光学辐射的相应光束。第二微透镜阵列定位在基板上，与发射器的相应光束对准。微透镜具有在基板的区域上变化的相应垂度轮廓。第二阵列至少包括在基板的中心区域中的第一微透镜和在基板的周边区域中的第二微透镜，使得第一微透镜具有相应的第一焦度，而第二微透镜具有相应的第二焦度，第二焦度小于第一焦度。

结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更全面地理解本发明，在附图中：

附图说明

图1A是根据本发明的实施方案的多束光学投影仪的示意性侧视图；

图1B是图1A的投影仪的一部分的光线迹线；

图2A是根据本发明的实施方案的微透镜阵列的示意性前视图；

图2B是图2A的阵列中的微透镜之一的示意性细部图；

图2C是根据本发明的实施方案的图2A的微透镜阵列的示意性剖视图；

图3A和图3B是根据本发明的实施方案的图2B所示微透镜沿切向轴和矢状轴的垂度的曲线图；并且

图4是根据本发明的另一实施方案的多束光学投影仪的示意性侧视图。

具体实施方式

半导体基板上的典型发射器阵列，诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)的一维或二维阵列，在垂直于基板表面的方向上发射光束。在一些应用中，诸如用于深度感测、光束调节或成像目的的结构化光图案的投影，透镜被定位在发射器阵列上方以便投影期望的远场照明图案。需要透镜捕获每个发射器的角发射，同时还在远场中实现良好的聚焦性能。为了实现所需的光束质量，可能需要昂贵且复杂的透镜系统。

集成的微透镜阵列可用于改善远场光束图案以及减少光学投影设备中投影光学器件上的负担。在这种情况下，微透镜阵列定位在基板上，与来自发射器的相应光束对准，使得每个微透镜接收并折射来自对应发射器的光束。例如，当基板对于由发射器发射的辐射透明时，发射器可形成在基板的一个表面上并且发射其相应光束穿过基板，而微透镜形成在相对的表面上。微透镜透射并聚焦光束朝向投影光学器件。然而，由于发射器阵列的小尺寸以及发射器与微透镜之间的短物距，因此微透镜在改善输出光束质量方面的有效性受到限制，特别是由于衍射，当微透镜直径较小时，衍射较高。

本文所述的本发明的实施方案通过提供具有在微透镜所形成于上面的基板的区域上变化的垂度轮廓的微透镜阵列解决了现有微透镜阵列和投影光学器件的局限性。这些垂度变化可结合投影光学器件设计，以便即使在简单的光学元件(例如塑料单片)用于投影时也提供投影光束的最佳总体质量。为此，可选择微透镜阵列上的垂度轮廓变化，使得微透镜的光学特性(例如焦度、倾斜、像散和/或其他像差)在微透镜之间变化。

在一些实施方案中，透镜的垂度轮廓被限定为使得基板的中心区域中的微透镜具有一定焦度，而基板的周边区域中的微透镜具有更低的焦度。具体地讲，垂度轮廓通常被限定为使得微透镜的焦度在微透镜阵列的区域上在径向方向上从中心区域向外到周边区域逐渐减小。在一个此类实施方案中，中心区域中的焦度为正(即，微透镜会聚中心区域中相应发射器的光束)，而周边区域中的焦度为负(发散周边区域中发射器的光束)。

除此之外或另选地，微透镜的垂度轮廓限定微透镜的相应倾斜角，该倾斜角在基板的区域上变化。例如，可选择周边区域中的倾斜角，使得微透镜朝向或远离投影设备的中心轴折射相应光束。

微透镜的变化的垂度轮廓可结合投影光学器件进行设计，以便优化设备的远场性能。在一个实施方案中，选择垂度轮廓，使得透射穿过微透镜的相应光束具有位于弯曲的或以其他方式不平坦的几何表面上的相应焦点，所述几何表面与投影光学器件的弯曲物平面重合。(术语“几何表面”在本说明书和权利要求中用来指代空间中的二维或三维轨迹，其可具有任意形状并且不需要与任何实际物理表面重合。)除此之外或另选地，垂度轮廓可被设计为补偿投影光学器件的像差，并且因此可限定(例如)在基板的区域上变化的像散。如前所述，垂度轮廓可结合投影光学器件的光学表面的优化进行优化，以提供高质量输出光束(或分别从发射器阵列发射的光束阵列)，即使当投影光学器件仅包括简单的模制塑料单片时也是如此。

现在参考图1A和图1B，其根据本发明的实施方案示意性地例示多束光学投影仪20。图1A是投影仪20的侧视图，而图1B是投影仪的一部分的光线迹线。这种投影仪尤其可用于将点的图案投影到目标场景上，例如用作深度标测系统中的结构光图案，如本领域中已知的。另选地，这种光学方案可用于需要投影一个或多个具有高光学质量的光束的其他应用中，诸如用于飞行时间感测的投影仪。

投影仪20包括发射器阵列，例如背面发射VCSEL 22，其使用本领域已知的VCSEL制造工艺形成在半导体基板26的前表面24上。(为方便起见，术语“前”和“后”在本说明书中随意使用，以区分基板的两个侧面。)VCSEL 22在垂直于基板的方向上发射相应光束穿过基板26，即，具有垂直于表面24的相应光轴。在该示例中，基板26包括GaAs芯片，其对VCSEL发射的辐射是透明的。

片上微透镜28的阵列形成在基板26的后表面30上与相应VCSEL 22对准。微透镜28可(例如)通过本领域已知的灰度光刻形成，由此微透镜由蚀刻到表面30中的凹陷部图案(诸如图2C所示的图案)限定。该方法是有利的，因为GaAs的高折射率(近红外中n＝3.55)使得微透镜28能够相对于其有限的尺寸和曲率具有相对强的焦度。另选地或除此之外，可通过加成工艺(诸如聚合物层的模制)将微透镜28沉积在表面30上。

在另选实施方案(图中未示出)中，VCSEL 22或其他发射器被配置为远离其所形成于上面或以其他方式安装在上面的基板的表面发射其相应光束。在这种情况下，微透镜28形成在发射器上方，而不是在基板的背表面上。

如下文进一步解释的，微透镜28具有在基板26的区域上变化的相应垂度轮廓，使得基板的中心区域中的微透镜具有比周边区域中的微透镜更大的焦度，其中微透镜的焦度在径向方向上从中心向外到周边逐渐减小。此外，垂度轮廓限定微透镜28的相应倾斜角，该倾斜角在基板的周边区域中比在中心区域中更大。因此，在基板26的中心区域之外，微透镜28将相应光束朝向投影仪20的中心轴线折射，从而使光束会聚。另选地，垂度轮廓的倾斜部分可反转，使得微透镜在发散方向上折射相应光束。

投影仪20还包括投影光学器件32，其准直已透射穿过微透镜的光束。在本示例中，投影光学器件32包括模制塑料单片，根据任何光学元件的设计和制造限制，该模制塑料单片具有任意弯曲或以其他方式不平坦的物平面。选择微透镜28的垂度轮廓，使得透射穿过微透镜的相应光束具有位于几何表面34上的相应焦点，如图1B所示，该几何表面34与单片的物平面重合。(焦点可为虚拟焦点，其可位于基板26的内部中。在图1B所示的示例中，表面34是弯曲的，但另选地，表面34可呈现基本上任何任意形状。)由于将微透镜阵列的焦平面的形状匹配到投影光学器件32的物平面的形状，所以尽管微透镜的焦度有限并且尽管有单片透镜的场曲率、畸变和像差，但投影仪20投影的光束具有良好的光学质量，且发散度低。

微透镜28的相应垂度轮廓还可限定矫正投影光学器件的像散和其他像差的像散(如图3B所示)。所有微透镜中的像散可以是相同的，或者另选地，其可在基板26的区域上变化。

现在参考图2A至图2C，其示意性地示出了根据本发明的实施方案的微透镜阵列38的细节。阵列38可用于代替投影仪20中的微透镜28的阵列(图1A)并且具有类似的特性。如在前述实施方案中那样，每个微透镜28与基板26的相对表面上的相应VCSEL(这里为了简单起见省略)对准。图2A为阵列38的正视图，而图2C为沿图2A所示的切向轴40截取的剖视图。尽管微透镜28在该实例中被布置成六边形阵列，但也可以这种方式形成微透镜的其他布置，包括直线和不规则阵列。图2B是图2A中的阵列38的左上角的微透镜28之一的细部图，示出了切向轴40和矢状轴42。(根据微透镜在阵列中的位置，每个微透镜将具有其自身的切向轴和矢状轴。)

如在图2C中可见，阵列38的中心区域中的微透镜28具有正焦度，即，它们的形状为凸形。焦度随着距阵列中心的径向距离而逐渐减小，并且在基板24的周边区域中变成负的。焦度在中心和周边之间的中间区域中接近零。此外，微透镜28的相应倾斜角随着距中心的径向距离而从阵列38的中心处的零增加到更大角度。(该剖视图与菲涅尔透镜的视觉相似性仅仅是巧合，并且与阵列中微透镜的光学性能无关。)

如前所述，在本发明的实施方案中，阵列38通过将凹陷部的图案灰度光刻蚀刻到GaAs晶片的表面30中而形成。晶片的厚度通常为约250μm，并且本示例中的凹陷部在阵列38的周边处的最大深度为约3μm。阵列38和对应的VCSEL阵列的间距为32μm。曲率半径的范围是从中心区域中的+580μm到周边处的-560μm，并且倾斜度的范围是从中心处的0°到周边处的5.8°。(为清楚起见，图2C中夸大了微透镜的深度、半径和倾斜。)尽管周边区域中的微透镜28与中心区域中的那些微透镜相比更深地被蚀刻到基板26中，并且因此略微更靠近对应VCSEL偏移，但这个小的偏移对光学性能的影响非常小。

图3A和图3B是根据本发明的实施方案的图2B中微透镜28沿切向轴40和矢状轴42的垂度的曲线图。在图3A的曲线图中，切向垂度包括倾斜，而在图3B的曲线图中减去该倾斜。因此可以看出，微透镜28是像散的，其曲率半径沿切向轴为-560μm，并且沿矢状轴为-530μm。该像散由垂度轮廓的非对称部分限定。微透镜28的像散在阵列38的区域上变化，并且因此可被特别设计以矫正投影光学器件32(图1A)的像散，该像散往往随着距光轴的径向距离而增加。除此之外或另选地，微透镜28的垂度轮廓可被限定为矫正投影光学器件的其他像差，诸如球面像差和彗形像差。所有此类矫正被视为在本发明的范围内。

图4是根据本发明的另一实施方案的多束光学投影仪50的示意性侧视图。投影仪50包括形成在基板26的相对表面上的VCSEL 22和微透镜28，如图1的实施方案所示(并且为了简单起见，这里省略)。然而，在这个示例中，限定微透镜的垂度轮廓，使得从基板26输出的光束发散。光束的角展度通过投影光学器件中的发散透镜52进一步增加。因此，投影仪50可用于需要在宽角度范围上投影光束图案的应用中。

应当理解，上文所描述的实施方案以示例的方式引用，并且本发明不限于上文已特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征，以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。