光束转向器件、包括其的光学装置及光束转向器件封装的制作方法

与示例性实施方式一致的装置和方法涉及光束转向器件及包括其的光学装置，更具体地，涉及能够调节入射光的反射角并朝着期望的位置反射入射光的光束转向器件(beamsteeringdevice)以及配置为感测从外部物体反射的光并提取关于该外部物体的信息的光学装置。

背景技术

近来，已经商业化了具有各种功能的先进驾驶辅助系统(adas)。例如，具有诸如自适应巡航控制(acc)或自动紧急制动(aeb)的功能的车辆已经增加。acc的特征在于识别其它车辆的位置和速度；当存在碰撞风险时，车辆的速度降低，并且当没有碰撞风险时，车辆在预设的速度范围内被驾驶。aeb的特征在于当前方车辆被识别并且存在碰撞风险但驾驶员对此情形不作出反应或者以不适当的方式作出反应时，执行自动制动以防止碰撞。此外，预计能够自动驾驶的车辆将在不久的将来被商业化。

因此，对用于提供关于车辆周围环境的信息的光学测量装置的兴趣已经增加。例如，车辆光检测和测距(lidar)装置可以通过朝车辆周围的选定区域发射激光束并检测反射的激光束而提供关于车辆与车辆附近的物体之间的距离、相对速度、方位角等的信息。为此，车辆lidar装置包括用于朝着期望的区域发射光的光束转向器件。

技术实现要素：

额外的示例性方面和优点将在下面的描述中被部分地陈述并部分将由该描述是明显的，或者可以通过本示例性实施方式的实践而被了解。

根据一示例性实施方式的一方面，一种光束转向器件包括基板、设置在基板上的天线层(antennalayer)、覆盖天线层的电介质层、设置在电介质层上的折射率改变层、以及设置在折射率改变层上的电极层。

折射率改变层可以包括具有根据电信号的施加而可变的折射率的材料。

折射率改变层可以包括电光材料。

折射率改变层可以包括透明导电氧化物。

天线层可以被配置为经由局域表面等离子体共振反射入射光，并且由天线层反射的光的反射角可以根据折射率改变层的折射率的改变而改变。

基板相对于将要由光束转向器件转向的入射光可以是透明的。

基板和天线层可以设置为使得入射光穿过基板并到达天线层并且由天线层反射的光穿过基板。

多个天线层、多个电介质层、多个折射率改变层和多个电极层可以设置在基板上从而形成二维矩阵阵列。

光束转向器件还可以包括电连接到电极层并向电极层提供电信号的电极焊盘。

电极焊盘可以设置在基板的边缘处。

根据另一示例性实施方式的一方面，一种光束转向器件封装包括光束转向器件以及其中安装光束转向器件的封装框架，其中光束转向器件包括基板、设置在基板上的天线层、覆盖天线层的电介质层、设置在电介质层上的折射率改变层、以及设置在折射率改变层上的电极层。

封装框架可以包括：凹入的安装槽，光束转向器件将要被安装在安装槽内；以及开口，其可以形成在安装槽的中央部分中使得光穿过开口。

基板和封装框架可以设置为使得入射光穿过开口和基板并到达天线层，并且从天线层反射的光穿过基板和开口。

基板可以具有与其上设置天线层的表面相反的光入射表面，并且光束转向器件封装还可以包括设置在基板的光入射表面上并将入射光集中在天线层上的透镜。

光束转向器件还可以包括热辐射构件，热辐射构件与光束转向器件一起设置在安装槽中并将从光束转向器件产生的热辐射到外部。

光束转向器件还可以包括：电极焊盘，其设置在基板上、电连接到电极层、并被配置为向电极层提供电信号；设置在封装框架的外表面上的外部电极；以及电连接外部电极和电极焊盘的接合线。

根据另一示例性实施方式的一方面，一种光学装置包括光源、配置为在期望的方向上反射从光源发射的光的光束转向器件、以及配置为检测从光源发射并从外部物体反射的光的光检测器，其中光束转向器件包括基板、设置在基板上的天线层、覆盖天线层的电介质层、设置在电介质层上的折射率改变层、以及设置在折射率改变层上的电极层。

光学装置可以是距离传感器或三维传感器。

基板可以相对于从光源发射的光是透明的，基板和天线层可以设置为使得从光源发射的光穿过基板并到达天线层，并且从天线层反射的光穿过基板。

光学装置还可以包括计算机，计算机被配置为基于光检测器的测量结果计算关于外部物体的信息。

附图说明

这些和/或另外的示例性方面及优点将由以下结合附图的对示例性实施方式的描述变得明显且更易理解，附图中：

图1是根据一示例性实施方式的光束转向器件的结构的示意剖视图；

图2是根据一示例性实施方式的光束转向器件阵列的结构的示意剖视图；

图3a至3c是根据一示例性实施方式的光束转向器件的天线层的各种图案结构的示例的透视图；

图4a至4e是用于描述制造图1中所示的光束转向器件的示例性方法的剖视图；

图5是根据一示例性实施方式的光束转向器件封装的结构的示意剖视图；

图6是图5中所示的光束转向器件封装在使用时的布置的剖视图；

图7是根据另一示例性实施方式的光束转向器件封装的结构的示意剖视图；

图8是根据另一示例性实施方式的光束转向器件封装的结构的示意剖视图；以及

图9是根据一示例性实施方式的光学装置的结构的示意剖视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述光束转向器件和包括其的光学装置。在附图中，相同的附图标记始终指相同的元件，并且为了说明的清楚和方便，部件的尺寸可以被夸大。此外，下文描述的实施方式仅是示例性的，并且可以对实施方式进行各种修改。此外，关于下面描述的分层结构，表述“在……之上”或“在……上”不仅可以表示从之上/下面/右方/左方直接接触，而且可以表示间接地在之上/下面/右方/左方而不接触。

图1是根据一实施方式的光束转向器件100的结构的示意剖视图。参照图1，光束转向器件100可以包括基板101、设置在基板101上的天线层102、设置在天线层102上的电介质层103、设置在电介质层103上的折射率改变层104、以及设置在折射率改变层104上的电极层105。如图1中所示，电介质层103可以设置在基板101的一区域上从而完全地覆盖天线层102。还如图所示，折射率改变层104可以不完全覆盖电介质层103，并且可以仅设置在电介质层103的一部分上，该部分对应于天线层102。图1示出了电极层105也设置在电介质层103的一部分上从而完全地覆盖折射率改变层104。然而，电极层105可以仅设置在折射率改变层104上。

执行用于光的天线的功能的天线层102可以通过相对于具有特定波长的光引起局域表面等离子体共振而获得和发射能量。表面等离子体共振是电场随着金属中的自由电子在光入射到金属上时集体共振而在局部金属表面上高度增强的现象。通常，表面等离子体共振发生在金属与非金属之间的界面处。为此，天线层102可以包括诸如au、ag、cu或al的金属材料。

电介质层103可以使天线层102与折射率改变层104和电极层105电绝缘，并保护天线层102。电介质层103可以包括例如sio2，或者可以包括具有高介电常数的材料，诸如al2o3、hfo2等。

折射率改变层104可以具有根据施加到电极层105的电压大小而改变的折射率。为此，折射率改变层104可以包括具有根据电信号的施加而改变的折射率的材料。例如，折射率改变层104可以包括具有电光特性的材料。具有电光特性的材料可以包括例如诸如钾钽铌酸盐(ktn)、linbo3、铅锆钛酸盐(pzt)等的晶体材料，或者可以包括具有电光特性的各种聚合物中的任何一种。此外，折射率改变层104可以包括透明导电氧化物(tco)。tco可以包括铟锡氧化物(ito)、或者诸如铟锌氧化物(izo)、铝锌氧化物(azo)、镓锌氧化物(gzo)等的zno基氧化物。tco可以具有根据电信号的施加而改变的折射率。

天线层102的等离子体共振特性可以取决于天线层102周围的非金属材料的介电常数。因此，当折射率改变层104的折射率改变时，天线层102的等离子体共振特性也可以改变。例如，当折射率改变层104的折射率改变时，等离子体共振的共振波长、共振波长宽度、偏振光特性、共振角、反射/吸收/透射特性等可以改变。通过利用该现象，入射到天线层102上的光反射的角度可以通过改变折射率改变层104的折射率而被调节。因此，光束转向器件100可以通过调节施加到电极层105的电压而以期望的角度使入射到其上的光转向。

为了方便，图1示出了一个光束转向器件100设置在基板101上。然而，多个光束转向器件100可以形成在基板101上。例如，图2是根据一示例性实施方式的光束转向器件阵列的结构的示意剖视图。参照图2，光束转向器件阵列可以包括形成在基板101上的多个光束转向器件100a、100b和100c。为了方便，图2示出了三个光束转向器件100a、100b和100c。然而，示例性实施方式不限于此。例如，多个光束转向器件100可以被设置以形成二维矩阵阵列。在这种情况下，光束转向器件阵列可以调节具有大光束直径或高功率的激光束的反射角。此外，如图2中所示，多个天线层102、多个电介质层103、多个折射率改变层104和多个电极层105可以设置在基板101上，从而形成二维矩阵阵列，其中所述多个天线层102彼此分开，所述多个电介质层103彼此分开，所述多个折射率改变层104彼此分开，并且所述多个电极层105彼此分开。然而，或者可以是以下布置：多个天线层102彼此分开并且二维地布置在基板101上，但是一个单一电介质层103、一个单一折射率改变层104和一个单一电极层105被形成从而覆盖所述多个天线层102。

天线层102的等离子体共振特性可以取决于所述多个天线层102的每个的结构形状或者取决于所述多个天线层102的具体布置。例如，图3a至3c是根据示例性实施方式的光束转向器件100的天线层102的各种结构形状的示例的透视图。如图3a至3c中所示，天线层102可以具有矩形形状(图3a)、圆盘形状(图3b)或十字形状(图3c)。此外，根据期望的功能，天线层102可以形成为具有各种另外的结构形状中的任何一种，诸如半球形、半圆形、三角形、椭圆形或诸如五边形的多边形等。基于天线层102的这些结构形状，等离子体共振的共振波长、共振波长宽度、偏振光特性、共振角度、反射/吸收/透射特性等可以被确定。因此，天线层102的结构形状可以通过考虑诸如折射率改变层104的折射率改变范围、光束转向器件100的光束转向角度的范围或驱动电压、由光束转向器件100调节的激光束的波长、偏振光特性或输出功率等的因素被选择。

图4a至4e是用于描述制造图1中所示的光束转向器件100的示例性方法的剖视图。

首先，参照图4a，天线层102可以形成在基板101上。这里，基板101可以包括相对于将要由光束转向器件100转向的入射光透明的材料。例如，基板101可以包括sio2、玻璃、蓝宝石或透明聚合物，并且当入射光是红外光时，基板101可以包括相对于红外线透明的材料。为了形成天线层102，天线层102的材料可以沉积在基板101的整个表面上，然后天线层102的材料可以经由蚀刻被图案化。例如，多个天线层102的每个可以被图案化从而具有图3a至3c中所示的形状。此外，如图2中所示，多个天线层102可以被图案化从而形成在基板101上。

接着，参照图4b，电介质层材料103'可以设置在基板101的整个表面上，使得其覆盖天线层102。然后，折射率改变层材料104'可以设置在电介质层材料103'的整个表面上。例如，sio2、al2o3或hfo2可以设置在基板101的整个表面上作为电介质层材料103'，然后ktn、linbo3、pzt、ito、izo、azo或gzo可以设置在电介质层材料103'上作为折射率改变层材料104'。

此后，参照图4c，折射率改变层材料104'可以经由蚀刻被图案化以形成折射率改变层104。接着，电介质层材料103'可以经由蚀刻被图案化以形成电介质层103。这里，电介质层材料103'中的一些未被去除并且留在基板101的围绕天线层102的部分上，使得电介质层103完全地覆盖天线层102。以这种方式，天线层102不被暴露于外部。

此后，参照图4d，电极层材料105'可以设置在已经形成的基板101、电介质层103和折射率改变层104的整个表面上。电极层材料105'可以例如通过溅射导电金属而被设置。

最后，参照图4e，电极层材料105'可以被图案化以在折射率改变层104上形成电极层105。这里，电极层材料105'中的一些可以不被去除并且可以留在电介质层103的围绕折射率改变层104的部分上，使得电极层105可以完全地覆盖折射率改变层104。此外，当电极层材料105'被图案化时，电极焊盘106可以同时被形成。电极焊盘106可以被设置在基板101的边缘处，并且可以经由引线接合电连接到稍后将描述的外部电极211(参照图5)。电极焊盘106可以被电连接到电极层105并且可以向电极层105提供外部电信号。虽然在图4e中看起来电极焊盘106和电极层105彼此断开，但是电极焊盘106和电极层105可以经由其间的导线(未示出)彼此电连接。例如，电极层105、电极焊盘106和导线可以每个包括电极层材料105'，并且可以通过图案化电极层材料105'被同时形成。图4a至4e示出了制造一个光束转向器件100的示例性方法。然而，图2中所示的多个光束转向器件100a、100b和100c的阵列可以通过使用相同的工艺被制造。

通过使用上述工艺制造的光束转向器件100可以被封装。例如，图5是根据一示例性实施方式的光束转向器件封装200的结构的示意剖视图。参照图5，根据一示例性实施方式的光束转向器件封装200可以包括其中安装光束转向器件100的封装框架210。封装框架210可以包括凹入的安装槽220，光束转向器件100将要被安装在安装槽220的中央。安装槽220的深度或者封装框架210的围绕安装槽220的外壁的上表面与安装槽220的底表面之间的距离可以大于光束转向器件100的总高度。在这种情况下，安装在安装槽220中的光束转向器件100不突出到封装框架210的外部。

光束转向器件100可以设置为使得基板101接触安装槽220的底表面。换言之，光束转向器件100可以设置为使得基板101的其上形成天线层102、电介质层103、折射率改变层104、电极层105和电极焊盘106的第一表面朝着安装槽220的外侧设置，在基板101的第一表面的相反侧处的基板101的第二表面接触安装槽220的底表面。此外，开口230可以进一步形成在安装槽220的中央部分中，使得光可以穿过安装槽220的中央。因此，光束转向器件100的基板101的第二表面可以经由开口230暴露于外部。开口230的宽度或直径可以小于安装槽220的宽度或直径。在这种情况下，基板101的第二表面的边缘部分可以接触安装槽220的底表面，基板101的第二表面的中央部分可以经由开口230暴露于外部。此外，光束转向器件100可以设置为使得设置在基板101的第一表面上的天线层102位于开口230的中心部分附近。在这种情况下，因为天线层102直接形成在基板101的第一表面上并且基板101是透明的，所以天线层102可以通过开口230和基板101从外部被看到。

此外，光束转向器件封装200还可以包括设置在封装框架210的外表面上的外部电极211以及将形成在光束转向器件100的基板101上的电极焊盘106与外部电极211电连接的接合线212。例如，外部电极211可以形成在封装框架210的外壁的上表面上。外部电极211可以连接到例如控制器件等，并且从控制器件接收到的电控制信号可以经由外部电极211、接合线212和电极焊盘106传输到光束转向器件100的电极层105。

光束转向器件封装200可以通过被倒置使得光束转向器件100的基板101的第二表面面对激光束入射的方向而被使用。例如，图6是用于图5中所示的光束转向器件封装200的布置的剖视图。如图6中所示，当图5的光束转向器件封装200通过被倒置而被使用时，从外部发射的激光束穿过开口230并且透射穿过基板101，然后入射到天线层102上。因此，光束转向器件100的基板101的第二表面可以变成光入射表面。此后，激光束从天线层102被反射，并通过透射穿过基板101并穿过开口230而被发射。这里，激光束被反射的角度可以基于施加到电极层105的电信号而被调节。

如上所述，在根据本示例性实施方式的光束转向器件100中，天线层102形成在透明的基板101上，因此光束转向器件100可以被设置为供使用使得仅基板101暴露于外部。因此，由于光束转向器件100，特别是天线层102，不直接暴露于外部，所以不需要用于保护光束转向器件100的额外部件。结果，可以简化光束转向器件100的结构，并且光束转向器件100的制造工艺可以较不复杂。

图7是根据另一示例性实施方式的光束转向器件封装200a的结构的示意剖视图。参照图7，光束转向器件封装200a可以额外包括设置在光束转向器件100的基板101的第二表面上的透镜240，第二表面是光入射到其上的光入射表面。透镜240可以将入射光集中到天线层102上。例如，透镜240的焦距可以等于透镜240与天线层102之间的距离或者等于基板101的厚度。通过使用透镜240，光束转向器件100可以具有提高的光学利用效率。

此外，图8是根据另一示例性实施方式的光束转向器件封装200b的结构的示意剖视图。参照图8，光束转向器件封装200b可以包括用于将由光束转向器件100产生的热辐射到外部的热辐射构件250。热辐射构件250可以与光束转向器件100一起设置在封装框架210的安装槽220中。例如，热辐射构件250可以填充安装槽220从而覆盖光束转向器件100。因此，因为热辐射构件250可以设置为直接接触光束转向器件100，所以可以改善其热辐射效果。

如上所述，通过使用图5和6中所示的光束转向器件封装200，可以容易地设置用于将光集中在天线层102上的透镜240，因而可以减少光损耗并且可以提高光利用效率。此外，因为不透明的热辐射构件250可以设置为直接接触光束转向器件100，所以由光束转向器件100产生的热可以被容易地辐射到外部。

上述光束转向器件100和光束转向器件封装200可以用在配置为主动地控制光发射的方向的各种光学装置中的任何光学装置中。例如，图9是根据一示例性实施方式的光学装置300的结构的示意剖视图。参照图9，光学装置300可以包括提供光的光源310、光束转向器件封装200、检测从光源310发射并从外部物体400反射的光的光学检测器320、以及基于光学检测器320的测量结果计算关于外部物体400的信息的计算机330。此外，计算机330可以控制光源310、光束转向器件封装200和光学检测器320的操作。例如，光束转向器件封装200可以在计算机330的控制下在特定方向上反射从光源310发射的光。

光学装置300可以是诸如车辆lidar装置的三维传感器、或用于三维照相机的距离传感器。当光学装置300是车辆lidar装置时，计算机330可以计算关于车辆与该车辆前端或后端处的物体之间的距离、相对速度、方位位置等的信息。此外，当光学装置300是三维照相机的距离传感器时，计算机330可以计算关于从车辆到照相机视场中的各种物体的距离的信息。为此，光学装置300可以通过使用光束转向器件封装200相对于其前端周期性地扫描光或者朝着其前端的特定区域发射光。

虽然已经参照附图中示出的示例性实施方式描述了光束转向器件和包括其的光学装置，但是本领域普通技术人员将理解，这些仅是示例，并且可以在此进行形式和细节上的各种改变而不背离由所附权利要求限定的精神和范围。因此，这里描述的示例性实施方式应仅在描述性的意义上被考虑并且不是为了限制的目的。