CN112930490A - 结构化照明装置 - Google Patents

Abstract

一种照明装置，包括：包含基于半导体的光发射器的发射层；以及设置在发射层上的光学层。光学层包括光学元件，例如透镜，其与基于半导体的光发射器至少部分地对准。光学层由具有负热膨胀系数(CTE)的材料形成。例如，基于半导体的光发射器被配置成发射波长为λ的光，其中MLA的间距p、光学层的厚度z和波长λ满足预定义关系。

Description

结构化照明装置

背景技术

结构光是具有特定图案的光。产生结构光的照明装置可以用于三维(3-D)成像，其在例如自动车辆和面部识别的不同的领域具有应用。

发明内容

在一个方面，一种照明装置包括发射层，该发射层包括基于半导体的光发射器；以及设置在发射层上的光学层。光学层包括与基于半导体的光发射器至少部分地对准的光学元件。光学层由具有负热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，CTE)的材料形成。

实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。

光学元件和光学层可以是整体的(monolithic)。例如，它们是整体层的形式。

光学元件包括透镜。

光学层包括包含多个透镜的微透镜阵列(micro-lens array，MLA)。

MLA和光学层可以是整体的。例如，它们是整体层的形式。

发射层包括多个基于半导体的光发射器，MLA的一个或多个透镜中的每一个与相应的基于半导体的光发射器至少部分地对准。

基于半导体的光发射器被配置为发射波长为λ的光，并且其中MLA的间距p、光学层的厚度z和波长λ满足预定义关系。

间距p、厚度z和波长λ满足预定义关系z＝p^2/λ。

响应于温度的变化，基于半导体的光发射器被配置成发射第二波长λ2的光，并且光学层被配置成具有厚度z2，并且其中间距p、第二厚度z2和波长λ2满足预定义关系。

基于半导体的光发射器包括半导体激光器，例如垂直腔表面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)。

在某些情况下，MLA和光学层的整体结构可以防止MLA从光学层脱离。例如，这可以防止人直接暴露在激光下。

光学层包括玻璃、聚合物或具有负CTE的复合材料。

光学层包括结合(bond)到发射层的晶圆，该晶圆由具有负CTE的材料形成，并且该晶圆包括光学元件。

光学层包括设置在发射层上的膜，该膜由具有负CTE的材料形成，并且光学元件形成在膜中。

光学层的材料具有在-1×10^-7和-1×10^-5℃^-1之间的CTE。

光学层的材料在垂直于光学层的平面的方向上具有负CTE。

照明装置形成三维(3-D)成像***的一部分，例如用于车辆或用于移动计算装置的3-D成像***。

在一个方面，一种制造照明装置的方法包括在包括基于半导体的光发射器的发射层上设置光学层，包括将光学层的光学元件与基于半导体的光发射器至少部分地对准，光学层由具有负CTE的材料形成。

实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。

在发射层上设置光学层包括将晶圆结合到发射层，晶圆由具有负CTE的材料形成，并且晶圆包括光学元件。

将晶圆结合到发射层包括将具有负CTE的玻璃晶圆结合到发射层。

在发射层上设置光学层包括将具有负CTE的材料的层沉积到发射层上；以及在沉积层中形成光学元件。

将光学元件与光学层整体整合(incorporate)。例如，将光学元件和光学层形成为整体层。

使用诸如光刻的微细加工技术形成光学元件，例如，通过这种微细加工技术在光学层的一侧上形成光学元件。

将具有负CTE的材料的层沉积到发射层上包括将具有负CTE的聚合物沉积到发射层上。

该方法包括形成发射层。

发射层包括VCSEL。

光学元件包括透镜。

光学层包括包含多个透镜的MLA，并且其中在发射层上设置光学层包括将MLA的一个或多个透镜中的每一个与相应的基于半导体的光发射器至少部分地对准。

基于半导体的光发射器被配置成发射波长为λ的光。在发射层上设置光学层包括以满足厚度z、MLA的间距p和波长λ之间的预定义关系的厚度z设置光学层。

在发射层上设置光学层包括以满足预定义关系z＝p^2/λ的厚度z设置光学层。

在一个方面，一种3-D成像***包括被配置为用光的图案照射对象的照明装置，该照明装置包括包含基于半导体的光发射器的发射层；以及设置在发射层上的光学层。光学层包括与基于半导体的光发射器至少部分地对准的光学元件。光学层由具有负CTE的材料形成；

传感器，被配置为捕获被照射对象的图像。该3-D成像***还包括一个或多个计算装置，其被配置为基于所捕获的图像来确定对象的3-D形状。

实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。

传感器包括相机。

一个或多个计算装置被配置成基于所捕获的图像来确定区域的3-D映射。

一个或多个计算装置被配置成基于所确定的对象的3-D形状来执行面部识别过程。

这里描述的结构化照明装置可以具有以下优点的一个或多个。由具有负热膨胀系数的材料形成的光学层可以随着温度的升高而收缩，抵消由温度升高引起的波长偏移，并且能够保持高质量的结构光输出。

附图说明

图1是结构光照明装置的图。

图2A和2B是结构光照明装置的图。

图3是流程图。

图4是车辆的图。

图5A和5B是移动计算装置的图。

具体实施方式

在此描述了一种能够产生结构光的照明装置，例如，用于诸如映射或面部识别的三维(3-D)成像应用。这里描述的照明装置包括光发射器和一个或多个光学元件(例如微透镜阵列)，光学元件中的至少一个与光发射器至少部分地对准。光发射器通过由具有负热膨胀系数(CTE)的材料形成的光学层与光学元件分开。

参考图1，结构光照明装置100发射光的图案，有时称为结构光。结构光可以用于3-D成像。例如，结构光照明装置100可以形成例如部分自主或完全自主的车辆的车辆的3-D成像***的一部分。结构光照明装置100可以形成诸如移动电话的移动计算装置的3-D成像***的一部分，例如用于面部识别或环境映射。

结构光照明装置100包括发射层102，发射层102包括基于半导体的光发射器104，例如半导体激光器，例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或侧面发射半导体激光器；或二极管，例如激光二极管或发光二极管(light emitting diode，LED)。例如，发射层102可以是其中制造有光发射器104的晶圆，例如硅晶圆。光发射器104从发射层102的发射表面106发射光105。光可以是可见光、红外光或紫外光。在一些示例中，发射层102可以包括多个光发射器104，例如光发射器104的一维或二维阵列。

光学层108设置在发射层102上。光学层108对于从光发射器104发射的光的波长可以是透明的。在一些示例中，光学层可以是通过晶圆附着技术(例如晶圆结合)附着到发射层102的晶圆。在一些示例中，光学层可以是通过薄膜沉积技术沉积在发射层102上的薄膜。

光学层108包括一个或多个光学元件110，例如透镜。例如，如图1所示，光学层108可以包括多个光学元件110(例如，多个透镜)的阵列112，其有时被称为微透镜阵列(MLA)。来自照明装置100的结构光发射源于由从MLA 112中的光学元件110中的不同光学元件传播的光的干涉产生的干涉图案，使得结构光的对比度在MLA 112的远场上保持大致恒定，例如，至少远至5厘米、10厘米、50厘米、100厘米或更远。

一个或多个光学元件110和光学层108可以是整体的，其中一个或多个光学元件110通过例如微细加工工艺形成在光学层108的一侧上。这种微细加工工艺的示例是光刻。在光发射器104是激光器的情况下，这种整体布置具有提高眼睛安全性的好处。例如，在一些情况下，一个或多个光学元件110和光学层108的整体结构防止一个或多个光学元件110从光学层108脱离，从而例如防止人直接暴露在光105下。换句话说，这里讨论的整体布置提供了改进的眼睛安全性，因为MLA 112不太可能从VCSEL组件移开，从而防止用户直接暴露于激光束。应当理解，参照图1描述的这种整体或集成布置可以应用于后续附图。

MLA 112可以是透镜110的一维阵列或透镜110的二维阵列。MLA 112的透镜110可以是透射微透镜或反射微透镜。透射微透镜对于从光发射器104发射的光的至少一部分是透明的，使得光传播通过微透镜。透射微透镜可以是衍射微透镜或折射微透镜。例如，透射微透镜可以是无热化(athermalized)微透镜或其他混合透镜。反射微透镜反射从光发射器104发射的光的至少一部分。反射微透镜可以具有平滑的曲面，或者可以用衍射结构来构造。微透镜可以是凸透镜或凹透镜。

光学元件110中的至少一个与光发射器104至少部分地对准。与光发射器104至少部分地对准的光学元件被定位成接收由光发射器104发射的光的至少一些。在图1的示例中，三个光学元件10a、10b、10c与光发射器104至少部分地对准。

光学层108的厚度z、MLA 112的间距p以及从光发射器104发射的光的波长λ影响从照明装置100发射的光的特性。例如，当厚度z、间距p和波长λ满足目标关系时，在发射光中产生高对比度光斑，这意味着从照明装置100发射结构光。当厚度z、间距p和波长λ不满足关系时，发射光的结构质量会降低，例如，光斑的尺寸会增大或对比度会降低，并且发射光可能不适用于结构光应用。

厚度z、间距p和波长λ之间的目标关系可以由公式(1)表征，称为Lau公式：

当厚度z、间距p和波长λ满足公式(1)时，产生高对比度光斑，并且从照明装置发射可用的结构光。当不满足公式(1)时，发射光的质量会下降。

通过满足公式(1)，我们的意思是z、p和λ的值使得在阈值X内满足公式(1)，即

例如，对于X值在0.95和1.05之间，例如，在0.98和1.02之间或在0.99和1.01之间，可以认为满足公式(1)。阈值X的值可以取决于各种因素，例如可接受的对比度损失量或适合于照明装置100的预期应用发射光的光斑尺寸。

在一些示例中，例如当光发射器104产生单波长的光时(例如当光发射器104是激光器时)，公式(1)中提到的波长λ是由光发射器104产生的单波长。在一些示例中，例如当光发射器104产生多个波长时，公式(1)的波长λ可以是任何发射波长，例如发射波长光谱中的峰值波长。

MLA 112的间距p可以在大约5微米和大约250微米之间，例如在大约10微米和大约150微米之间。

在WO 2016/122404中可以找到对从光发射器和MLA产生结构光的进一步描述，其内容通过引用整体合并于此。

在结构光照明装置100的操作期间，光发射器104的温度会升高。例如，如果光学层108是不良的热导体，则由光发射产生的热量不容易消散，导致光发射器104的温度升高。光发射器104的温度升高导致从光发射器104发射的波长增加。在具体的示例中，从VCSEL发射的波长可以增加大约0.07纳米/℃。在另一个具体的示例中，从边缘发射装置发射的波长可以增加大约0.35纳米/℃。

为了使照明装置100即使在波长λ增加时也能继续满足公式(1)，光学层108可以由具有负热膨胀系数(CTE)的材料形成。负CTE材料是一种随着温度升高而收缩的材料。这意味着导致波长λ增加的温度增加也将导致光学层108的厚度z减小，从而相对于光发射器102动态地重新定位光学元件110，使得保持满足公式(1)。

参考图2A，在具体的示例中，结构光照明装置100包括在初始温度T₁下以850纳米的初始波长λ₁操作的VCSEL 104。VCSEL 104的特征在于0.07纳米/℃的波长偏移。光学层108具有2.94毫米的初始厚度z₁，并且MLA 112具有50微米的间距p。光学层108由CTE为-1×10^-5的材料形成。

还参考图2B，在操作期间，VCSEL和光学层108在操作期间经历71℃的温度升高，达到温度T₂，导致+5纳米的波长偏移，达到855纳米的偏移波长λ₂。温度升高导致光学层108的厚度收缩2.09微米，达到收缩厚度z₂为2.9379纳米(比初始厚度z₁小差值Δz)。收缩厚度z₂和偏移波长λ₂满足公式(1)，这意味着尽管热引起发射波长增加，从照明装置100发射的照明的结构化性质仍得以保持。

与之相对比，如果上述示例中的光学层108由具有正热膨胀系数的材料形成，则光学层的厚度将随着温度的升高而增加。例如，由蓝宝石(正CTE材料)形成的光学层108将响应于71℃的温度升高而增加多达1微米的厚度。+5纳米波长偏移和光学层厚度108增加的组合将导致加热的照明装置100不能满足公式(1)，这意味着从照明装置产生的光斑尺寸或光斑对比度对于结构光应用来说是不够的。

光学层108可以由对光发射器102发射的波长基本透明的任何负CTE材料形成。例如，光学层108可以由负CTE玻璃材料(例如玻璃陶瓷材料)、负CTE聚合物或具有负CTE的复合材料(例如聚合物和无机材料的复合材料)制成。在一些示例中，光学层108可以具有在大约-1×10^-7和大约-1×10^-5之间的CTE。

具有负CTE的示例材料包括：包括Li₂O—Al₂O₃—SiO₂的玻璃陶瓷、包括ZnO—Al₂O₃—SiO₂的玻璃陶瓷、包括Li₂O和BaO的玻璃陶瓷、包括Al₂O₃和BaO的玻璃陶瓷或包括Li₂O—Al₂O₃—SiO₂—BaO的玻璃陶瓷。例如，示例负CTE材料在美国专利第6，521，556号中有所描述，其内容通过引用整体合并于此。

在一些示例中，光学层108可以具有各向同性CTE。在一些实施例中，光学层108可以具有各向异性CTE，其中在垂直于发射层102的发射表面106的方向上的CTE是负的，并且在平行于发射层102的发射表面106的方向上的CTE可以是正的或负的。例如，由单晶材料形成的光学层可以具有各向异性CTE。

参考图3，为了制造结构光照明装置，在基板(例如硅晶圆)的发射层中形成一个或多个光发射器，例如VCSEL、侧面发射半导体激光器、激光二极管或其他类型的光发射器(300)。由具有负CTE的材料形成的光学层设置在发射层上(302)。光学层的光学元件与光发射器至少部分地对准(304)。在一些示例中，光学层是其中已经预先形成光学元件的晶圆，并且该晶圆通过晶圆结合技术结合到发射层。在一些示例中，光学层作为薄膜沉积在发射层上，并且例如使用诸如光刻和蚀刻的集成电路处理技术在光学层中形成光学元件。

参考图4，在一些示例中，诸如图1的照明装置100的结构光照明装置400可以安装在诸如部分自主或完全自主的车辆的车辆402上。车辆可以是陆基车辆(如图所示)，例如汽车或卡车；飞行器，例如无人机；或水基交通工具，例如船或潜艇。在部分或完全自主的车辆402的情况下，结构光照明装置400可以形成3-D成像***404的一部分，该3-D成像***404包括例如传感器406(例如相机)的成像组件，。包括结构光照明装置400的3-D成像***404可以用于例如车辆402的环境的3-D映射。例如，结构光照明装置400可用于照射对象408，例如车辆402正在其上行驶的道路中或道路附近的对象，并且传感器406可用于捕获被照射对象408的图像。捕获的图像可以被提供给例如包括一个或多个处理器的计算装置410，计算装置410基于捕获的图像确定该对象的3-D形状。通过确定各种对象的3-D形状，可以确定车辆环境的映射，并将其用于控制车辆402的部分或完全自主操作。

参考图5A，在一些示例中，诸如图1的照明装置100的结构光照明装置500可以安装在诸如手机、平板电脑或可穿戴计算装置的移动计算装置502的正侧上或并入其中。移动装置502的正侧是该装置的包括屏幕506的一侧。结构光照明装置500可以整合到正侧成像***508中，正侧成像***508包括例如传感器510(例如相机)的成像组件。包括结构光照明装置500的正面成像***508可以用于3-D成像应用，例如用于面部识别。例如，结构光照明装置500可用于照射人的面部512，并且传感器510可用于捕获面部512的图像。捕获的图像可以被提供给一个或多个处理器514，一个或多个处理器514例如在移动装置502中或是远程的(例如基于云的处理器)。一个或多个处理器514可以对面部512的图像执行面部识别处理。

参考图5B，在一些示例中，诸如图1的照明装置100的结构光照明装置550可以安装移动计算装置552的背侧。背侧是该装置的与正侧相对的一侧，例如不包括屏幕的一侧。结构光照明装置550可以整合到背侧成像***558中，背面成像***508包括例如传感器560(例如相机)的成像组件。包括结构光照明装置550的背侧成像***558可以例如用于3-D成像应用，例如用于对象识别或用于环境映射，例如房间的映射。例如，结构光照明装置550可用于照射房间或其他环境中的对象562，并且传感器560可用于捕获对象562的图像。捕获的图像可以被提供给一个或多个处理器564，一个或多个处理器564例如在移动装置552中或是远程的(例如基于云的处理器)。一个或多个处理器564可以基于所捕获的图像来确定该对象的3-D形状。所确定的3-D形状可以由一个或多个处理器564用来执行对象识别处理，或者可以与一个或多个其他对象的所确定的3-D形状组合使用来开发房间的3-D映射。

诸如这里描述的结构光照明装置可以整合到其他装置中，包括游戏控制台、距离测量装置、监视装置和其他装置。

已经被描述了多个实施例。然而，应当理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。例如，上面描述的一些步骤可以与顺序无关，因此可以以不同于所描述的顺序来执行。

其它实施方式也在所附权利要求的范围内。

Claims (39)

1.一种照明装置，包括：

发射层，包括基于半导体的光发射器；以及

光学层，设置在所述发射层上，所述光学层包括与所述基于半导体的光发射器至少部分地对准的光学元件，所述光学层由具有负热膨胀系数(CTE)的材料形成。

2.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述光学元件和所述光学层是整体的。

3.根据权利要求1或2所述的照明装置，其中所述光学元件包括透镜。

4.根据权利要求3所述的照明装置，其中所述光学层包括包含多个透镜的微透镜阵列(MLA)。

5.根据权利要求4所述的照明装置，其中所述发射层包括多个基于半导体的光发射器，所述MLA的一个或多个透镜中的每一个与相应的基于半导体的光发射器至少部分地对准。

6.根据权利要求4或5所述的照明装置，其中所述基于半导体的光发射器被配置成发射波长为λ的光，并且其中所述MLA的间距p、所述光学层的厚度z和所述波长λ满足预定义关系。

7.根据权利要求6所述的照明装置，其中所述间距p、所述厚度z和所述波长λ满足预定义关系

8.根据权利要求6或7所述的照明装置，其中响应于温度的变化，所述基于半导体的光发射器被配置为发射第二波长λ₂的光，并且所述光学层被配置为具有厚度z₂，并且其中所述间距p、所述第二厚度z₂，所述波长λ₂满足所述预定义关系。

9.根据权利要求5至8中任一权利要求所述的照明装置，其中所述MLA和所述光学层是整体的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中所述基于半导体的光发射器包括半导体激光器。

11.根据权利要求10所述的照明装置，其中所述半导体激光器包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中所述光学层包括具有负CTE的玻璃。

13.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中所述光学层包括具有负CTE的聚合物。

14.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中所述光学层包括复合材料，所述复合材料具有负CTE。

15.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中所述光学层包括与发射层结合的晶圆，所述晶圆由具有负CTE的材料形成，并且所述晶圆包括所述光学元件。

16.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中所述光学层包括设置在所述发射层上的膜，所述膜由具有负CTE的材料形成，并且所述光学元件形成在所述膜中。

17.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中所述光学层的材料具有在-1×10^-7和-1×10^-5℃^-1之间的CTE。

18.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中所述光学层的材料在垂直于所述光学层的平面的方向上具有负CTE。

19.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中所述照明装置形成三维(3-D)成像***的一部分。

20.根据权利要求19所述的照明装置，其中所述照明装置形成用于车辆的3-D成像***的一部分。

21.根据权利要求19或20所述的照明装置，其中所述照明装置形成用于移动计算装置的3-D成像***的一部分。

22.一种制造照明装置的方法，包括：

在包括基于半导体的光发射器的发射层上设置光学层，包括将所述光学层的光学元件与所述基于半导体的光发射器至少部分地对准，所述光学层由具有负CTE的材料形成。

23.根据权利要求22所述的方法，其中在所述发射层上设置所述光学层包括将晶圆结合到所述发射层，所述晶圆由具有负CTE的材料形成，并且所述晶圆包括所述光学元件。

24.根据权利要求23所述的方法，其中将晶圆结合到所述发射层包括将具有负CTE的玻璃晶圆结合到所述发射层。

25.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，其中在所述发射层上设置所述光学层包括：

将具有负CTE的材料的层沉积到所述发射层上；以及

在所述沉积层中形成所述光学元件。

26.根据权利要求22至25中任一项所述的方法，进一步包括将所述光学元件与所述光学层整体整合。

27.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述光学元件通过微细加工技术与光学层整合。

28.根据权利要求26或27所述的照明装置，其中所述光学元件通过光刻形成。

29.根据权利要求25至28中任一项所述的方法，其中将具有负CTE的材料的层沉积到所述发射层上包括将具有负CTE的聚合物沉积到所述发射层上。

30.根据权利要求22至29中任一项所述的方法，包括形成所述发射层。

31.根据权利要求22至30中任一项所述的方法，其中所述发射层包括VCSEL。

32.根据权利要求22至31中任一项所述的方法，其中所述光学元件包括透镜。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述光学层包括包含多个透镜的MLA，并且其中在所述发射层上设置所述光学层包括将所述MLA的一个或多个透镜中的每一个与相应的基于半导体的光发射器至少部分地对准。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述基于半导体的光发射器被配置为发射波长为λ的光，并且其中在所述发射层上设置所述光学层包括以满足厚度z、所述MLA的间距p和所述波长λ之间的预定义关系的厚度z设置所述光学层。

35.根据权利要求34所述的方法，其中在所述发射层上设置所述光学层包括以满足预定义关系

的厚度z设置所述光学层。

36.一种3-D成像***，包括：

照明装置，被配置为用光的图案照射对象，所述照明装置包括：

发射层，包括基于半导体的光发射器；以及

光学层，设置在所述发射层上，所述光学层包括与所述基于半导体的光发射器至少部分地对准的光学元件，所述光学层由具有负CTE的材料形成；

传感器，被配置为捕获被照射对象的图像；以及

一个或多个计算装置，被配置为基于所捕获的图像来确定所述对象的3-D形状。

37.根据权利要求36所述的3-D成像***，其中所述传感器包括相机。

38.根据权利要求36或37所述的3-D成像***，其中所述一个或多个计算装置被配置成基于所捕获的图像来确定区域的3-D映射。

39.根据权利要求36至38中任一项所述的3-D成像***，其中所述一个或多个计算装置被配置为基于所确定的所述对象的3-D形状来执行面部识别处理。

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