相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2013年6月19日提交的美国临时专利申请61/836,682的权益，该专利申请以引用方式并入本文。
本发明整体涉及光电装置，并且更具体地涉及集成投影设备。
背景技术：
微型光学投影仪用于多种应用。例如，此类投影仪可用于将经编码的光或结构化光的图案投射到对象上，以用于3d测绘(也称为深度测绘)目的。就这一点而言，美国专利申请公开2008/0240502(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种照明组件，其中光源诸如激光器二极管或led利用光学辐射来透射照明透明物，以便将图案投射到对象上。(如本文所使用的，术语“光学”和“光”一般是指可见辐射、红外辐射和紫外辐射中的任一者。)图像捕获组件捕获被投射到对象上的图案的图像，并且处理器处理该图像，以便重建对象的三维(3d)地图。
pct国际专利申请wo2008/120217(其公开内容以引用方式并入本文)描述了上述us2008/0240502中所示的照明组件的种类的更多方面。在一个实施例中，透明物包括被布置成不均匀图案的微透镜阵列。微透镜生成焦点的被投射到对象上的对应图案。
在一些应用中，光学投影仪可通过一个或多个衍射光学元件(doe)来投射光。例如，美国专利申请公开2009/0185274(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种用于投射图案的装置，该装置包括被共同配置为衍射输入光束以便至少部分地覆盖表面的两个doe。doe的组合减小了零级(未衍射的)光束的能量。在一个实施例中，第一doe生成多个光束的图案，并且第二doe用作图案生成器，以在光束中的每个光束上形成衍射图案。
作为另一个实例，美国专利申请公开2011/0188054(其公开内容以引用方式并入本文)描述了包括单个集成封装中的光电部件和光学元件的光子模块。在一个实施例中，集成光子模块(pim)包括光电元件的二维矩阵形式的辐射源，其被布置在衬底上并在垂直于衬底的方向上发射辐射。此类pim通常包括在x-y平面中形成网格的多个平行行的发射器，诸如发光二极管(led)或垂直腔面发射激光器(vcsel)二极管。来自发射器的辐射被引导到光学模块中，该光学模块包括适当图案化的元件和将所得图案投射到场景上的投影透镜。
美国专利申请公开2013/038881(其公开内容以引用方式并入本文)描述了集成图案生成器，其中以不是规则网格的图案来布置激光器二极管(诸如vcsel)。光学器件可被耦接以将由激光器二极管阵列的元件发射的光的图案作为对应点的图案投射到空间中，其中每个点包含由阵列中的对应激光器二极管发射的光。在一些实施例中，doe产生通过扩展的角范围扇出的图案的多个复制品。
技术实现要素：
本发明的实施例提供了尤其可用于投射图案化辐射的集成光学投影仪设备。
因此，根据本发明的实施例，提供了一种光电装置，该光电装置包括半导体模片和以包括多个列的网格图案而形成于半导体模片上的发光元件的单片式阵列。在模片上形成导体，以便限定用于驱动发光元件的每列的相应公共接触。
在所公开的实施例中，发光元件包括垂直腔面发射激光器(vcsel)。
在一些实施例中，装置包括光学器件，该光学器件被配置为投射由发光元件发射的光，以便生成条纹图案，每个条纹对应于列中的相应一个列。光学器件可包括衍射光学元件(doe)，该doe被配置为产生由发光元件生成的条纹图案的多个复制品。另选地或替代地，该光学器件包括圆柱形投影透镜。
在一些实施例中，该装置包括衬底，其中所述光学器件和所述半导体模片被共同安装在衬底上。该光学器件可包括被安装在衬底上的折叠式反射镜。
另选地或替代地，装置包括控制器，该控制器被配置为通过交替致动不同组的列来驱动发光元件。
根据本发明的实施例，还提供了一种光电装置，该光电装置包括半导体模片和以包括多个列的网格图案而形成于半导体模片上的发光元件的单片式阵列。光学器件包括被安装在衬底上的并且被配置为投射由元件发射的光的衍射光学元件(doe)，以便生成与网格图案的列对应的条纹图案。
在所公开的实施例中，该doe被配置为产生图案的多个复制品。
在一些实施例中，该装置包括控制器，该控制器被配置为通过交替致动不同组的列来驱动发光元件以产生条纹图案的时间序列。
在一些实施例中，该光学器件包括圆柱形透镜，该圆柱形透镜可具有相对于发光元件的网格图案的列成角度的圆柱形轴。
根据本发明的实施例，还提供了一种光电装置，该光电装置包括具有穿过其的开口的衬底，以及被布置在该衬底上的发光元件阵列。折叠式反射镜被安装在衬底上并被定位成使由发光元件发射的光朝衬底转向。光学器件被安装在衬底上并被配置为通过开口来投射由折叠式反射镜转向的光。
在一些实施例中，发光元件和光学器件被配置为生成并投射图案，该图案可包括分别与发光元件阵列中的列对应的多个条纹。
在一个实施例中，折叠式反射镜包括棱镜。
根据本发明的实施例，还提供了一种光电装置，该光学装置包括衬底和在衬底上被布置成包括多个列的网格图案的发光元件阵列。光学器件被配置为投射由发光元件发射的光以便生成条纹图案，每个条纹对应于列中的相应一个列。控制器被配置为通过交替致动不同组的列来驱动发光元件，以便生成条纹图案。
在一些实施例中，控制器被配置为驱动不同组中的发光元件，以便生成变化的空间周期的条纹图案的时间序列。
根据本发明的实施例，还提供了一种光学方法，该光学方法包括提供在衬底上被布置成包括多个列的网格图案的发光元件阵列。驱动发光元件以发射光。在衬底上安装光学器件，以投射由元件发射的光，以便生成与网格图案的列对应的条纹图案。
结合附图由下文中对本发明的实施例的详细描述将更加完全地理解本发明，其中：
附图说明
图1是根据本发明的实施例的设备的示意性顶视图，该设备包括半导体模片，在该半导体模片上已形成发射器的单片式阵列；
图2a-2c是根据本发明的实施例的集成光学投影模块的示意性侧视图；
图3是根据本发明的实施例的由集成光学投影模块产生的条纹图案的示意性前视图；
图4是示意性示出了根据本发明的实施例的变化的周期的条纹图案的时间序列的图示；
图5a和5b是根据本发明的实施例的半导体模片的示意性顶视图，在该半导体模片上已形成发射器的单片式阵列；
图6a是根据本发明的实施例的光学投影模块中的发射器阵列和圆柱形透镜的示意顶视图；
图6b是示意性示出了根据本发明的实施例由图6a的光学投影模块投射的图案中的条纹密度的时间变化的图示；以及
图7a-7c是根据本发明的替代实施例的包括集成光学投影模块的投影仪的示意侧视图。
具体实施方式
在生产紧凑、高密度光源和投影仪时可有利地使用vcsel阵列。下文所述的本发明的实施例使用vcsel网格阵列来直接将光的多个条纹的图案投射到空间中。这种方式提供能够生成具有致密覆盖的条纹图案的廉价设备。当在3d测绘应用中用于将图案投射到场景上时，这些图案简化了场景的图像沿外极线与对应参考图像的匹配。
然而，在3d测绘中使用这种均匀条纹图案时，图像中的任何给定位置处的图案并非局部唯一的(与投射不均匀图案的投影仪对比)，这种唯一性的缺失可能导致匹配的歧义。在本发明的一些实施例中，这种图案歧义通过投射具有不同空间周期的一系列条纹图案来解决。这些实施例提供了一种发射器阵列，该发射器阵列利用对条纹周期的动态控制能够简单而经济地产生此类条纹图案。
尽管下文所述的实施例将vcsel用于该目的，但也可使用边缘发射激光器二极管(例如，上述us2011/0188054中所述的种类的激光器二极管)的阵列。此类实施例可使用具有合适的折叠式反射镜以使光束转向偏离衬底的寻址激光器阵列，然后可使用下文所述的光学部件。例如，加以必要的修改，us2011/0188054的图8中所示的阵列的种类可适用于该目的。
如本文所述，本发明的一些实施例提供了使用上述种类的发射器阵列的集成图案投影模块。与现有技术中已知的投影设备相比，此类模块具有设计简单以及生产简单的优点，并且可实现成本和尺寸减小以及更好的性能。可在上述公开中所述的该种类的3d测绘系统中有利地使用该种类的图案投影模块。
图1是根据本发明的实施例的集成光电装置20的示意性顶视图，该光电装置包括半导体模片22，在该半导体模片上已形成单片vcsel阵列。该阵列包括六边形网格图案的vcsel发射器24，该六边形网格图案就每个单位面积的发射器而言是高效的。该阵列包括n个列，每列具有m个发射器24。列之间的距离为
图1所示种类的单片vcsel阵列具有高功率缩放性的优点。例如，使用当前的技术，具有1mm2有效区域的模片可包含600个发射器，其中总光学功率输出约为3w或更多。vcsel二极管发射圆形光束。如果使用其焦点处的具有vcsel模片的球形透镜来投射由vcsel阵列发射的光，则在空间中获得的光斑图案将与vcsel图案具有相同的形状。
另一方面，如果使用圆柱形透镜投射，则圆柱形轴平行于vcsel列轴、将被投射的线的图案，其中每条线包含来自列中的m个发射器的集成功率。线的投射角直接由vcsel光束发散性(通常约15°)限定，而角线距由arctan(dx/f)给出，其中f是透镜的焦距。下文描述的一些实施例以这种方式使用圆柱形投影。
然后，沿x轴的图案的视场(fov)将是线距的约n倍。该fov可能对于一些应用而言不够大，但可使用附加光学元件来在预定义的角范围内产生条纹图案的多个复制品，如以下附图中所示的。
图2a是根据本发明的实施例的集成光学投影模块30的示意性侧视图，该光学投影模块包含vcsel阵列，诸如图1中所示的设备20中的阵列。vcsel模片22通常在晶片级别进行测试，然后被切成块并被安装到合适的衬底上，该衬底被称为具有合适的电连接件34,36,38的底座32。包括圆柱形投影透镜46的光学器件40被安装在合适的隔离部42上的模片上方。透镜46收集并投射vcsel发射器的输出光束50。为了实现温度稳定性，可使用玻璃透镜。由薄隔离部48支撑的衍射光学元件(doe)44产生在预定义的角范围内扇出的vcsel阵列线图案的多个复制品52,54,56。例如，doe可包括damman光栅或类似的元件，如上述美国专利申请公开2009/0185274中所述的。
图2b是根据本发明的实施例的包含vcsel阵列的集成光学投影模块60的示意性侧视图。在本实施例中，图2a的衍射投影透镜被衍射透镜64替代，该衍射透镜64可被形成在光学衬底66的一侧上，而扇出doe62被形成在同一光学衬底66的相对侧上。尽管衍射透镜对波长变化敏感，但vcsel波长的相对稳定性使得这种方式成为可行的。可添加覆盖玻璃68以保护doe。
图2c是根据本发明的替代实施例的包含vcsel阵列的集成光学投影模块70的示意性侧视图。在这种情况下，衍射透镜74和扇出doe72两者作为单侧衍射元件而产生。这一实施例是尤其有利的，因为可形成并安装光学元件，使得在模块内保护敏感有源层，同时外表面具有平坦表面。
图3是根据本发明的实施例的通过模块30中的光学器件40输出光束50产生的条纹图案的示意前视图。如前所述，光束50包括vcsel线图案的复制品52,54,56，但图案中的条纹由于枕形失真而具有扭曲正方形的形状。设计doe，使得图案的投射的复制品堆砌在空间的表面或区域上，例如如美国专利申请公开2010/0284082(其公开内容以引用方式并入本文)中所述的。
在组装图2a-图2c所示的模块期间，通常相对于vcsel模片在四个维度(x、y、z和旋转)中对准doe。2b和2c的实施例在对准方面可能是有利的，因为用于产生vcsel阵列和doe/衍射透镜结构两者的光刻工艺精确到约1μm，从而允许通过简单地匹配基准标记来在x方向、y方向和旋转方向被动对准。z对准(即，vcsel模片和doe与透镜之间的距离)仅需要小范围的运动，因为产生精确度很高。因此，可主动实现z对准，同时vcsel阵列处于该功率下或可能是无源地，使用高度测量设备诸如共焦微透镜来例如测量vcsel表面和doe表面之间的距离。
图2a-图2c的模块可用作利用结构化光的深度测绘系统中的图案投影。平铺的图案(例如，如图3中所示的)被投射到感兴趣对象上，并且合适的相机捕获对象上的图案的图像。处理器测量图案在图像中的每个点处相对于已知参照系的局部横向偏移，从而通过基于局部偏移使用现有技术中已知的图像处理方法来进行三角测量以找到该点的深度坐标。
然而，如前所述，由于图案中的条纹不是唯一的，所以深度测绘的范围被限于与两条线之间的偏移对应的深度。如下所述，为了解决这种歧义性，可控制激光器二极管阵列以便投射具有不同条纹周期的图案的序列。
图4是示意性地示出了根据本发明的实施例的变化的空间周期的条纹图案84的时间序列80的图示。每个列82对应于vcsel发射器24的十六个条纹中的一个条纹，并且图中的每行中的条纹的状态(亮或暗)指示在给定时间处条纹被打开还是关闭。在本实例中，时间序列80包括相继被投射的四个条纹图案。该序列在十六个垂直列的每个垂直列中产生唯一的二元照明代码。通常，可使用log2n个图案的序列来对n个列的整个测量范围进行覆盖和编码。例如，在pct国际公布wo2012/066501(其公开内容以引用方式并入本文)中进一步描述了这种时间编码的照明图案及其在深度测绘中的用途。
可将图4中示出的编码方案视为简单种类的gray代码。然而，在替代实施例中，可驱动后面的图中所示的vcsel阵列以生成其他唯一的代码，这可能比图4的gray代码更有效率。
图5a是根据本发明的实施例的被形成在模片22的半导体衬底上的vcsel24的单片式阵列90的示意性顶视图。阵列90类似于图1的阵列，只是在图5a的实施例中存在被布置在独立的列中的十六组vcsel24，它们被独立的相应导体驱动，该导体被形成在针对每列具有单个公共接触92的衬底上。控制器96选择列以通过向相应接触92应用合适的驱动信号来致动。尽管图5a中所示的vcsel列是垂直的，但在本专利申请和权利要求的上下文中，应当将术语“列”理解为表示布置成线的任何发射器组，而无论该线在衬底的参考系中是垂直的、水平的或对角的，发射器在该衬底上进行布置。
控制器96可驱动图5a中所示的vcsel24的十六个列，以便通过交替致动不同组的列来产生图4中所示的图案序列。因此，通过致动阵列右侧的八个列来产生图4中的最上方的图案，通过致动阵列左侧和右侧中的每侧的最右方的四个列来产生下一个图案，以产生两个条纹，等等。利用阵列90的每列的对应导体对公共接触92的布置在简化用于生成这种图案序列所需的控制器96的操作和连接时尤其有利。然而，在替代实施例中，也可驱动包括具有其他种类寻址方案的发射器网格阵列的光学投影模块，以生成此类图案序列。
图5b是根据本发明的另一个实施例的已形成在半导体模片22上的vcsel24的单片式阵列94的示意性顶视图。图5a和图5b中所示种类的单片vcsel阵列具有功率缩放性高的优点，从而使其能够缩放功率和阵列中的列的数量两者。图5b示出了将图5a的单片vcsel阵列扩展到三十二列，其中总功率增大了四倍。
图5a-图5b的vcsel模片可被安装在标准引线框架封装件诸如薄收缩型小外形封装件(tssop)中并附接于其引线。此类封装件通常在附接模片并进行丝焊之后被密封(例如，利用环氧树脂)。然而，在本实施例中，可通过隔离部和doe来在vcsel模片上方闭合封装件，例如，如图2b-图2c所示的。
另选地，可将vcsel模片组装在其他衬底诸如硅晶片上。此类晶片衬底可以是无源的，仅用于vcsel接触的扇出。另选地，硅晶片衬底可包括有源芯片，其还包括驱动器电路和控制器电路。该后一种方法使我们能够实现更好的集成和更小的外形，因为它省去了对附加驱动器芯片的需要。它还减少了组件中的管脚的数量，因为并非vcsel的每列均具有管脚，而是仅输入功率、选通/闪烁信号以及i2c或其他串行接口需要管脚，以用于将发光代码编写到控制器中。
图2a-图2c和图5a-图5b中所示的实施例假设光是从vcsel的顶表面发射的，并且阳极是经由丝焊连接的。另选地，对于一些波长范围(例如，对于gaas发射器而言，高于900nm)而言，vcsel可被配置为通过衬底发光。在这种情况下，可针对bsi(后侧照明)设计vcsel，并且可将模片组装为底座或驱动器芯片上的倒装芯片。
图4中所示的上方三个图案需要将两个或更多个相邻列中的vcsel发射的光组合到单个宽条纹中，而不是组合到如图3所示看起来是独立、分立的条纹中。换言之，由于来自相邻vcsel列的发射而投射的亮条纹应当足够宽以在其相应边缘处汇合，所以相邻条纹之间没有明显的缝隙或重叠。如下所述，可通过相对于圆柱形透镜旋转vcsel阵列来实现这个目标。
图6a是根据本发明的实施例的光学投影模块中的具有圆柱形透镜98的发射器阵列90的示意顶视图。相对于透镜98的圆柱形轴，将阵列90旋转通常小于10°的小角度。可有利地将旋转角设置为
图6b是示意性示出了根据本发明的实施例的由图6a的光学投影模块投射的图案中的条纹密度的时间变化的图示。图中的迹线100和102分别示出了模块在两个交替时间投射的图案的沿x轴的强度：在迹线100中，致动阵列90的偶数个列，而在迹线102中，致动奇数个列。所得的图案具有50％的占空比，并且通过致动奇数个列(底部接触)产生的图案与通过致动偶数个列(顶部接触)产生的图案相反。
图6a中所示的布置提供了产生任何期望互补代码的能力，诸如由图6b中的两条迹线示出的代码。这种布置促进使用连续的差分代码来在所捕获的图像中进行简单条纹检测。通过减去互补代码的两个连续图像，可消除由场景和环境光导致的任何强度变化。
上文所述的集成投影仪的图案密度是由投影透镜的列间距和焦距之间的比率来限定的，而条纹宽度限定能够被检测的最小对象宽度。因此，为了实现更致密的图案，希望透镜具有长焦距，因此，距发射器阵列相对较远放置。然而，在很多情况下，适应长焦距并由此实现期望图案密度的透镜所需的大投影仪高度是对设计者减小待嵌入投影仪中的产品的厚度的能力的关键性限制。可通过缩小阵列间距来减小图案密度，但这个维度被vcsel生产和丝焊的物理限制界定。(典型地，列间距至少为30μm。)因此，在产品厚度和系统分辨率要求之间可能会有艰难的权衡。可使用根据下文所述的本发明的实施例的投影仪来放宽对厚度的要求。
图7a是根据本发明的实施例的包括具有vcsel阵列的集成光学投影模块70的投影仪110的示意性侧视图。本实施例示出了上文解释的最小厚度限制。在投影仪110中，模块70附接于集成有投影仪110的产品的主底盘112或印刷电路板上方，其中产品覆盖件114和116(通常包括塑料或玻璃)附接于主底盘或印刷电路板下方和上方。从设备20发射的光束118在距设备20一定距离处入射到透镜74和doe72上，选择该距离以便给出期望的图案密度。在图7a中所示的投影仪配置中，该距离是产品的总体厚度(在z方向上)中的关键因素。
图7b是根据本发明另一个实施例的包括集成光学投影模块的投影仪120的示意性侧视图。投影仪120的结构使得能够减小产品的厚度，同时实现与图7a所示的投影仪110相同的图案分辨率。在投影仪120中，包含vcsel阵列和透镜74及doe72的设备20全部并排附接于单个衬底122。折叠式反射镜126粘附到同一衬底，从而替代隔离部42(图7a中所示)，同时在vcsel和doe之间产生相等的光学距离。
为了组装投影仪120，首先将设备20安装并丝焊到衬底122，将折叠式反射镜126粘附到适当的位置，并且最后对准doe72和透镜74并粘附到衬底。在接近前盖116的位置(而非像前一实施例中的后方)中，将投影仪120附接于产品底盘124(利用doe上方的孔)。在操作过程中，折叠式反射镜将由设备20发射的光朝衬底122转向，使得光入射到透镜74和doe72上，它们如图所示通过衬底中的开口引导光。
图7c是根据本发明替代实施例的包括集成光学投影模块的投影仪130的示意性侧视图。投影仪130的配置类似于图7b的集成投影仪，除了折叠式反射镜的功能是由光学棱镜132来执行的。doe72和透镜74粘附到棱镜132(例如，通过光学uv固化的黏胶)，以产生一个光学元件。然后将这个元件与设备20对准并粘附到衬底122。尽管棱镜的成本比反射镜高，但其能够实现更简单且更稳定的投影仪组装。棱镜的附加优点是因为其折射率大于空气并且可将其用于增大vcsel和doe之间的物理距离以用于实现相等的光学距离，所以放宽机械约束。
尽管上文所述的一些实施例特别涉及生成条纹图案，但加以适当修改，可在使用发光元件的单片式阵列来生成和投射其他种类的图案的过程中类似地应用本发明的原理。此类图案可不仅包括规则几何图形，而且还包括可变形状，甚至包括点的伪随机布置。
因此，应当理解，上述实施例是以举例的方式引用的，并且本发明不限于上文特别示出和描述的内容。相反地，本发明的范围包括上文所述的各种特征的组合和子组合两者，以及本领域技术人员在阅读前述描述时将想到的且在现有技术中未公开的各种特征的变型和修改。