CN113039691A - 晶片级光学器件和分区带晶片 - Google Patents

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罗宾·夏尔马
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格雷戈里·欧雷格维奇·安德烈耶夫
保罗·阿门·切尔特基安
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Abstract

诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)的多个光源被配置成将不可见光发射通过发射孔。光学器件形成在多个光源的发射孔上。光学器件可以为多个光源中的光源发射的不可见光提供不同的倾斜角或发散角。

Description

晶片级光学器件和分区带晶片
技术领域
本公开大体上涉及光学器件，尤其涉及诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)的光源。
背景信息
存在其中诸如VCSEL的光源被用作光源的各种应用。例如，VCSEL用于光纤通信情况和激光打印机。在一个特定的情况中，为了对对象成像的目的，可以利用光源来照射对象。
附图简述
参考以下附图描述了本发明的非限制性和非穷尽性实施例，其中除非另有说明，否则相同的附图标记在各个视图中指代相同的部件。
图1A-1B示出了根据本公开的各方面的示例头戴式显示器(HMD)，其包括沿视窗(eyebox)方向发射红外光的光源阵列，例如VCSEL。
图2示出了根据本公开的各方面的***，该***包括照亮视窗区域的VCSEL阵列的侧视图。
图3A示出了根据本公开的各方面的包括多个VCSEL的示例结构。
图3B示出了根据本公开的各方面的包括透明衬底的透镜，该透明衬底具有示例5×5VCSEL阵列。
图4A-4E示出了根据本公开的各方面的在同一晶片(wafer)上的VCSEL上放置具有不同倾斜角和/或不同光束发散角的晶片级光学器件(wafer level optics，“WLO”)的示例晶片级制造方法。
图5A-5B示出了根据本公开的各方面的在同一晶片上的VCSEL上放置具有不同倾斜角和/或不同光束发散角的WLO的示例晶片级制造方法。
图6是示出根据本公开的各方面的示例近眼显示器中用于眼睛跟踪的示例照明器的简化图。
图7是示出根据本公开的各方面的示例近眼显示器中用于眼睛跟踪的示例照明器的简化图。
图8A-8F示出了根据本公开的各方面的示例光束发散架构。
图9A-9B示出了根据本公开的各方面的具有晶片级光学器件的示例晶片。
详细描述
在整个这个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及意指结合实施例所描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在整个这个说明书的各种地方中的出现不一定都指同一实施例。此外，特定特征、结构、或特性可以以任何适当的方式在一个或更多个实施例中组合。
图1A示出了根据本公开的实施例的示例头戴式显示器(HMD)100，其包括沿视窗方向发射红外光的光源阵列，例如VCSEL。HMD 100包括耦合到臂111A和111B的框架114。透镜121A和121B安装在框架114上。透镜121可以是与HMD特定佩戴者匹配的处方透镜或非处方透镜。图示的HMD 100被配置成佩戴在HMD用户的头部上或围绕头部佩戴。
在图1A中，每个透镜121包括波导160，用于将显示器130产生的图像光引导到视窗区域，以供HMD 100的佩戴者观看。显示器130可以包括LCD、有机发光二极管(OLED)显示器、微型LED显示器、量子点显示器、微型投影仪或硅上液晶(LCOS)显示器，用于将图像光导向HMD 100的佩戴者。
HMD的框架114和臂111可以包括HMD 100的支撑硬件。HMD 100可以包括处理逻辑、用于发送和接收数据的有线和/或无线数据接口、图形处理器以及用于存储数据和计算机可执行指令的一个或更多个存储器中的任一个。在一个实施例中，HMD 100可以被配置成接收有线电力。在一个实施例中，HMD 100被配置成由一个或更多个电池供电。在一个实施例中，HMD 100可以被配置成经由有线通信信道接收包括视频数据的有线数据。在一个实施例中，HMD 100被配置成经由无线通信信道接收包括视频数据的无线数据。
透镜121对用户来说可以看起来是透明的，以促进增强现实或混合现实，其中用户可以观看来自她周围环境的场景光，同时还接收由波导160引导到她的眼睛的图像光。透镜121可以包括光学组合器170，用于将反射的红外光(由光源150发射的红外光)导向眼睛跟踪照相机(例如照相机190)。本领域技术人员理解，透明衬底上的光源阵列150也可以有利地包括在VR头戴式装置中，其中光学结构的透明性质允许用户观看VR头戴式装置中的显示器。在图1A的一些实施例中，图像光仅被引导到HMD 100的佩戴者的一只眼睛中。在实施例中，显示器130A和130B都被包括来分别将图像光引导到波导160A和160B中。在整个本公开中，术语VCSEL通常用作光源的示例，然而本领域技术人员理解在一些实施例中，可以使用其他光源来代替具体描述的VCSEL。出于本公开的目的，术语“光源”可以包括发光二极管(“LED”)、VCSEL或谐振腔LED。
透镜121B包括排列成示例5×5阵列的VCSEL 150的阵列。在一些实施例中，阵列中的VCSEL 150可以不均匀间隔。VCSEL 150可以是红外光源，将它们的发射光沿朝向眼睛的方向(eyeward direction)导向HMD 100的佩戴者的视窗区域。例如，VCSEL 150可以发射波长为850nm或940nm的近红外光。非常小的金属迹线或透明导电层(例如氧化铟锡)可以延伸穿过透镜121B，以促成每个VCSEL 150的选择性照明。透镜121A可以类似于所示的透镜121B来配置。
虽然VCSEL 150可能将遮挡引入HMD 100中包括的光学***，但是VCSEL 150和相应的路由可以小到对于HMD的佩戴者来说不引人注意或者在光学上不明显。此外，来自VCSEL 150的任何遮挡都将被放置得离眼睛如此之近，以至于人眼无法聚焦，因此有助于VCSEL 150不被注意到。除了HMD 100的佩戴者注意到VCSEL 150之外，HMD 100的外部观察者最好不要注意VCSEL 150。
图1B示出了根据本公开的实施例的VCSEL的覆盖区。在一些实施例中，每个VCSEL150具有“x”尺寸小于100微米且“y”尺寸小于100微米的覆盖区。在一些实施例中，每个VCSEL 150具有“x”尺寸小于75微米且“y”尺寸小于75微米的覆盖区。在这些尺寸，VCSEL150不仅对HMD 100的佩戴者不引人注意，而且VCSEL 150对HMD 100的外部观察者也不引人注意。可以使用“x”和“y”尺寸在5微米和500微米之间的VCSEL。
图2示出了根据本公开的实施例的***200，该***200包括照亮视窗区域的VCSEL250的阵列的侧视图。在所示实施例中，VCSEL 250的阵列包括VCSEL 250A、250B、250C、250D和250E。当然，VCSEL 250A、250B、250C、250D和250E可以是VCSEL的更大阵列例如图1所示的25个VCSEL 150的一部分。VCSEL 250C用红外光束261照亮眼睛202。VCSEL 250A、250B、250D和250E也可以用红外光束(未示出)照亮眼睛202。由VCSEL 250C发射的红外光沿着光路271传播，并被眼睛202反射，沿着光路272传播。沿着光路272传播的红外光穿过容纳VCSEL 250的透明衬底，并遇到组合器230。组合器230沿着光路273将红外光导向照相机210。在一些实施例中，组合器230可以包括偏振体全息图(polarized volume hologram，PVH)、体布拉格光栅(volume Bragg grating)、全息图、波长选择反射光栅和/或超构透镜(metalens)。在一些实施例中，组合器230可以包括菲涅耳结构或反射镜的分布式阵列，其基于波长或偏振选择性地仅反射光的一些部分。
因此，***200示出了VCSEL 250可如何用红外光照亮眼睛202，并示出了照相机210可如何通过捕获红外光来捕获眼睛202的红外图像。在一些实施例中，照相机210可以配置有带通滤波器，该带通滤波器接受与VCSEL 250发射的窄带相同的窄带红外光，而该滤波器拒绝其他波长。例如，VCSEL 250可以发射以940nm为中心的窄带红外光，同时照相机210可以包括接受/透射以940nm为中心的红外光同时拒绝/阻挡其他光波长的滤光器。
图6是示出根据某些实施例的用于示例近眼显示器中的眼睛跟踪的示例照明器600的简化图。图6仅仅是说明性的，没有按比例绘制。照明器600可以包括位于用户眼睛640前方(例如，在距离用户眼睛640大约10-35mm的距离处)并且在用户眼睛640的视野内的衬底605。衬底605可以包括一种或更多种类型的介电材料，例如玻璃、石英、蓝宝石、塑料、聚合物、PMMA、晶体或陶瓷，并且可以对例如可见光和近红外(NIR)光都是透明的。在一些实施方式中，衬底605可以是上述近眼显示器的眼镜的一部分或者显示光学器件的一部分。衬底605可以具有小于大约10mm的厚度，并且可以具有任何合适的形状，例如立方形，或者可以具有曲面。例如，衬底605的表面670可以是平的或弯曲的。此外，衬底605的一部分或全部可以涂有导电材料，该导电材料对于可见光可以是透明的，也可以是不透明的。导电材料可以包括任何合适的导体，例如石墨烯或透明导电氧化物，例如氧化铟锡(ITO)。
如图6所示，多个VCSEL 610可以安装在衬底605上。VCSEL 610可以以任何合适的方式(例如键合、胶合或焊接)附着到衬底605。例如，VCSEL 610可以使用负载金属的导电粘合剂来被晶粒键合(die-bonded)到衬底605。此外，VCSEL 610可以通过引线660引线键合(wire-bonded)到衬底605的表面670上的导电涂层。尽管图6示出了引线键合配置，但是本公开的实施方式也可以包括倒装芯片(flip chip)配置。此外，VCSEL 610的电极可以电连接到衬底605内的导电电路迹线650。导电电路迹线650可用于控制VCSEL 610的活动。尽管图6中示出了多个VCSEL 610，但是照明器600的其他实施例可以具有单个VCSEL 610。此外，多个VCSEL 610可以排列成一维线或二维阵列。
在图6中，每个VCSEL 610发射具有发射锥620的光，发射锥620的轴垂直于VCSEL610的顶表面。例如，每个VCSEL 610可以是具有发射锥620的VCSEL，发射锥620具有大至50°的角度680。VCSEL 610可以被作为折射率匹配层的封装层630包围或浸入其中，使得封装层630的折射率与衬底605的折射率匹配。在一些实施例中，封装层630不必与衬底605折射率匹配。封装层630可以保护VCSEL 610免受损坏。
如图6所示，每个发射锥620的轴615垂直于VCSEL 610和衬底605的顶表面。结果，来自一些VCSEL 610的光可不直接朝向眼睛640倾斜。这可能导致来自VCSEL 610的部分或全部光由于没有到达眼睛640而被浪费。由于发射锥620的角度680相对较窄，这对于位于衬底605的外边缘附近的VCSEL 610来说尤其成问题。一些实施例可以通过使衬底605的表面670弯曲来解决这个问题。然而，可能难以将VCSEL 610结合在曲面上。
图7是示出根据某些实施例的用于示例近眼显示器中的眼睛跟踪的示例照明器700的简化图。图7仅仅是说明性的，没有按比例绘制。图7中所示的元件类似于图6中所示的元件，除了每个VCSEL 710设置有将来自VCSEL 710的光导向眼睛740的光束转向部件(图7中未示出)。衬底705的外边缘附近的VCSEL 710的光束转向部件可以被配置成以更大的倾斜角使光弯折，以便将光导向眼睛740。可选地，一些或所有光束转向部件可以以相同的角度弯折光，例如排列成中心与眼睛740的中心对齐的圆的光源阵列。下面参照图8A-8E进一步描述光束转向部件。
从VCSEL 710发射并由光束转向部件导向眼睛740的光的分布可以由光束转向部件控制。例如，根据VCSEL 710的位置和光束转向部件弯折光的角度，每个光束转向部件可以将来自相应VCSEL 710的光导向不同的方向，并且可以照亮眼睛740上的不同区域。例如，如上所述，靠近衬底705的外边缘的VCSEL 710(例如，VCSEL 710A和710D)的光束转向部件可以被配置成以较大角度弯折光，因此靠近外边缘的发射的倾斜角较大，而靠近衬底705的中部(即，最靠近眼睛740的法线矢量)的VCSEL 710(例如，VCSEL 710B和710C)的光束转向部件可以被配置成以较小的倾斜角弯折光。此外，眼睛740的每个区域可以被VCSEL 710近似均匀地照亮。使用多个VCSEL 710可以允许产生多个闪光(glint)，这可以提高眼睛跟踪精度。图7示出了发射锥720的倾斜角可以被定义为给定发射锥720的正交轴790和主发射轴791之间的角度793。在一些示例中，正交轴790可以与封装层730的表面735正交。在一些示例中，对于给定的发射锥720，主发射轴791穿过峰值光强的角度。在一个示例中，主发射轴791由穿过给定发射锥720的几何中心的光线限定。在图7的示例中，发射锥720D具有比发射锥720C的倾斜角793C更大的倾斜角793D，因为主发射轴791D与正交轴790的偏移比主发射轴791C与正交轴790的偏移更大。因此，VCSEL 710D的发射锥720D被引导以适当的倾斜角793D照亮眼睛740，VCSEL 710C的发射锥720C被引导以适当的倾斜角793C照亮眼睛740。
图8A-8E是示出根据某些实施例的用于眼睛跟踪的示例照明器的简图，该照明器具有各种光束转向部件。图8A-8E仅仅是说明性的，没有按比例绘制。如图8A-8E所示，具有发射区域815的VCSEL 810安装在衬底805上。光束转向部件880、885、890、896、897和898可以改变来自发射区域815的光的方向。另外，光束转向部件可以为不同的VCSEL产生不同的发散角。VCSEL 810可以被配置成使得发射区域815发射垂直于衬底805的光。然而，光束转向部件可以改变光的方向，使得光被导向用户的眼睛。例如，光束转向部件880、885、890、896、897和898可以使光弯折，使得至少一部分光以相对于垂直于眼睛表面的平面(例如平面203)的角度入射到眼睛上。如上所述，可以选择角度，使得至少一些光被眼睛反射，并通过例如光路272和273入射到照相机上。可选地，光束转向部件880、885、890、896、897和898可以使光弯折，使得更多的光入射到眼睛的表面上。
图8A示出了根据某些实施例的用于眼睛跟踪的示例照明器，其具有作为微棱镜的光束转向部件880。可以调整微棱镜的形状和定位，以定制来自发射区域815的光弯折的倾斜角。微棱镜可以通过任何合适的方法结合到照明器中并与VCSEL 810对准。例如，微棱镜或微棱镜阵列可以由衬底模制而成，然后微棱镜可以放置在VCSEL 810上并与发射区域815对准。此外，微棱镜可以通过灰度光刻或光刻或复制或压印或模制或金刚石车削或某种其他方法被图案化到衬底中。微棱镜或折射透镜也可以蚀刻到高折射率材料中，例如砷化镓(“GaAs”)。蚀刻到微棱镜或透镜中的砷化镓层可能已经生长在VCSEL的顶部，或者在倒装芯片配置的情况下，透镜可以蚀刻到VCSEL衬底中。微棱镜也可以通过取放沉积法(pick-and-place deposition)沉积在VCSEL 810上。
图8B示出了根据某些实施例的用于眼睛跟踪的示例照明器，其具有作为离轴微透镜的光束转向部件885。可以调整微透镜的形状和定位，以定制来自发射区域815的光弯折的倾斜角。微透镜可以通过任何合适的方法结合到照明器中并与VCSEL 810对准。例如，微透镜或微透镜阵列可以由衬底模制而成，然后微透镜可以放置在VCSEL 810上，使得微透镜的光轴偏离发射区域815的光轴。此外，微透镜可以通过三维(3D)直写光刻、注射成型、或喷墨印刷或成型或压印或铸造或复制或3D印刷或金刚石车削来形成。平面超构透镜可以通过纳米压印或光刻形成。此外，微透镜可以通过喷墨印刷沉积在VCSEL 810上。微透镜也可以通过取放沉积法沉积在VCSEL 810上。
图8C示出了根据某些实施例的用于眼睛跟踪的示例照明器，其具有作为反向微棱镜(inverse micro-prism)的光束转向部件890。可以调整反向微棱镜的形状和定位，以定制来自发射区域815的光弯折的倾斜角。反向微棱镜可以通过任何合适的方法结合到照明器中并与VCSEL 810对准。例如，反向微棱镜可以通过灰度光刻或光刻被图案化到衬底中，然后可以被放置在VCSEL 810上并与发射区域815对准。此外，反向微棱镜可以通过注射成型来形成。此外，反向微棱镜可以通过在围绕VCSEL 810的封装层中进行金刚石车削来形成。反向微棱镜也可以通过取放沉积法沉积在VCSEL 810上。对于图8A、图8B和图8C所示的照明器，VCSEL 810和光束转向部件880、885和890可以浸入密封剂(未示出)中，其中密封剂可以具有与光束转向部件880、885和890不同的折射率。
图8D和图8E示出了根据某些实施例的用于眼睛跟踪的示例照明器，其分别具有作为光栅的光束转向部件896和897。可以调整光栅的周期、倾角、材料、形状和/或定位，以定制来自发射区域815的光弯折的倾斜角。例如，较短的光栅周期以较大的倾斜角衍射光，并且可以用于光栅的外边缘。倾斜光栅增加了-1或+1衍射级的衍射光量。光栅可以通过任何合适的方法结合到照明器中并与VCSEL 810对准。例如，可以通过蚀刻和纳米压印，或者通过全息术或复制，来在衬底中形成光栅。此外，如图8D所示，光栅可以是通过在VCSEL 810的表面上直接压印形成的表面浮雕光栅(SRG)896。此外，光栅可以被制造成在VCSEL 810上形成封装层的卷(roll)。如图8E所示，光栅也可以是厚体布拉格光栅897的稀相(thin phase)位全息图。
图8F示出了根据某些实施例的用于眼睛跟踪的示例照明器，其具有斜面的光束转向部件898。可以调整斜面的形状和定位，以定制来自发射区域815的光弯折的倾斜角。斜面可以通过任何合适的方法结合到照明器中并与VCSEL 810对准。例如，灰度光刻可用于在VCSEL 810的底表面上图案化小凸起，使得摩擦系数足以防止VCSEL 810从斜面上滑落。可选地，VCSEL 810可以安装有焊料凸块(solder bump)，其中焊盘具有不同的厚度，使用不同量的焊料，和/或VCSEL 810保持在不平行于衬底805的被键合表面807的预定角度。
图3A示出了包括多个VCSEL 350的示例结构300。多个VCSEL 350被配置成将窄带红外光发射通过它们的发射孔。VCSEL光学器件370形成在多个VCSEL的发射孔上，并且VCSEL光学器件370可以为VCSEL 350发射的窄带红外光提供不同的发散角。VCSEL光学器件370也可以为发射的红外光提供不同的倾斜角。在一个实施例中，给定VCSEL的倾斜角被定义为发射的红外光束相对于在给定VCSEL处垂直于衬底的矢量的平均发射角。在一个实施例中，给定VCSEL的倾斜角定义为发射的红外光束相对于垂直于指定VCSEL衬底的矢量的平均发射角。例如，光束359C的倾斜角可以近似为零，其中矢量357C(矢量357C在VCSEL 350C处垂直于衬底310)说明光束359C的平均发射角近似为零。由矢量357E示出的光束359E的倾斜角可以相对于矢量357C倾斜20度。或者由矢量357E示出的光束359E的倾斜角可以相对于在VCSEL 350E位置处垂直于衬底310的矢量(未示出)倾斜20度。例如，当衬底310不是平面时，这些倾斜角可以不同。
结构300示出了VCSEL 350设置在衬底310上。在一些实施例中，例如，衬底310是光学透明的衬底，例如玻璃或塑料，并结合到透镜121中。结构300示出了可以设置在VCSEL350之间的封闭层388。
例如，VCSEL光学器件370可以包括光束转向部件880、885、890、896、897和898的实施例的特征。随着VCSEL光学器件370越来越靠近衬底的边界，VCSEL光学器件370可以减小它们的发散角。例如，与光束359A相关联的发散角可以小于与光束359B相关联的发散角，与光束359B相关联的该发散角可以小于与光束359C相关联的发散角。并且，与光束359E相关联的发散角可以小于与光束359D相关联的发散角，与光束359D相关联的该发散角可以小于与光束359C相关联的发散角。在一些实施例中，光束359C的发散角可以是60度。在一个实施例中，随着VCSEL光学器件370越来越靠近衬底的边界，VCSEL光学器件370可以增加它们的发散角。
随着VCSEL光学器件越来越靠近衬底的边界，VCSEL光学器件370可以增加VCSEL光学器件的倾斜角。例如，与光束359A的矢量357A相关联的倾斜角可以大于与光束359B的矢量357B相关联的倾斜角，与光束359B的矢量357B相关联的倾斜角可以大于与光束359C的矢量357C相关联的倾斜角。并且，与光束359E的矢量357E相关联的倾斜角可以大于与光束359D的矢量357D相关联的倾斜角，与光束359D的矢量357D相关联的该倾斜角可以大于与光束359C的矢量357C相关联的倾斜角。光束359C的倾斜角可以大约为零度。
图3B示出了包括透明衬底310的透镜321，透明衬底310具有含有VCSEL光学器件370A-Y的示例5×5VCSEL阵列。VCSEL光学器件370J-Y可以被配置为向它们设置在其上的VCSEL提供更大的倾斜角，因为它们可能离眼睛中心更远。VCSEL光学器件370B-I可以被配置为向它们设置在其上的VCSEL提供小于VCSEL光学器件370J-Y的倾斜角的倾斜角。VCSEL光学器件370A可以被配置为向它设置在其上的VCSEL提供零度的倾斜角或者小于VCSEL光学器件370B-I所提供的倾斜角的倾斜角。
制造具有提供不同倾斜角和/或不同发散角(以提供不同光束形状)的不同VCSEL光学器件的VCSEL可以通过制造包括多个VCSEL的VCSEL晶片来实现，该多个VCSEL在VCSEL晶片的不同区带(zone)中具有不同的VCSEL光学器件370。图9A示出了VCSEL晶片900，其具有位于VCSEL台面(mesa)的第一区带921上的第一晶片级光学器件(WLO)、位于VCSEL台面的第二区带922上的第二WLO、以及位于VCSEL台面的第三区带923上的第三WLO。图9B示出了另一个示例VCSEL晶片950，其在VCSEL台面的第一区带971上具有第一晶片级光学器件(WLO)，在VCSEL台面的第二区带972上具有第二WLO，在VCSEL台面的第三区带973上具有第三WLO，在VCSEL台面的第四区带974上具有第四WLO。不同区带上的WLO可以被配置成提供不同的倾斜角和不同的光束整形(例如发散角)。然后，在VCSEL生长在同一晶片上的情况下，取放机可以选择具有不同的倾斜角和发散角的VCSEL，其中其相应的WLO附着在VCSEL上。尽管图9A示出了三个区带921、922和923，并且图9B示出了四个区带971、972、973和974，但是本领域技术人员应该理解，可以使用对应于不同VCSEL光学器件的任意数量的VCSEL区带。在一个实施例中，例如，VCSEL晶片可以具有16个区带或24个区带。
一旦VCSEL在半导体衬底(例如GaAs)上生长，可利用复制或铸造技术来铸造晶片级光学器件，该光学器件包括折射光学器件、表面浮雕光栅、折反射式(catadioptric)透镜、反射透镜和/或经设计的漫射器(engineered diffuser)，例如VCSEL光学器件370。制造具有VCSEL光学器件370的VCSEL 350还可以包括光刻(灰度或二元)，该光刻包括在VCSEL350的顶部上施加涂层/层。制造具有VCSEL光学器件370的VCSEL还可以包括使用光刻(灰度或二元)改变照明器窗口。此外，在本公开的一些实施方式中，微棱镜或折射透镜也可以被蚀刻到砷化镓或另一种高折射率材料中。被蚀刻到微棱镜或透镜中的砷化镓层或其他高折射率材料可以生长在VCSEL的顶部，或者在倒装芯片配置的情况下，可以将透镜蚀刻到VCSEL衬底中。
图4A-4E示出了在同一晶片上的VCSEL上放置具有不同倾斜角和/或不同光束发散角的WLO的示例晶片级制造方法。在图4A中，提供了包括设置在半导体衬底411上的VCSEL台面453A-E的结构400。在一些实施例中，半导体衬底可以是GaAs。图4B示出了将光学密封剂层413形成到多个VCSEL台面453上。图4C和图4D示出了将印模444压入密封剂层413中。印模444包括与VCSEL台面对准的晶片级光学器件(WLO)的负模部(negatives)447。在不同区带中，负模部447可以不同，并且与VCSEL对准。例如，负模部447A和447E可以与第一区带中的VCSEL对准，负模部447B和447D可以与第二区带中的VCSEL对准，负模部447C与第三区带中的VCSEL对准。不同的负模部可以具有不同的特性，从而形成具有不同发散角和倾斜角的VCSEL光学器件，如图3A所示。在层413固化之后(或在层413固化期间)，可以移除印模以留下VCSEL光学器件434，正如图4E。当晶片被切割时，结构450提供具有WLO的VCSEL，其具有光学结构434B的特征。
图5A-5B示出了在同一晶片上的VCSEL上放置具有不同倾斜角和/或不同光束发散角的WLO的示例晶片级制造方法。图5A示出了与VCSEL台面453对准的晶片级光学层544，图5B示出了设置在它们各自的VCSEL台面453上的VCSEL光学器件534。晶片级光学层544可以是刚性材料，并用光学级粘合剂结合到VCSEL 350。当晶片被切割时，结构550提供具有WLO的VCSEL，其具有光学结构534B的特征。
本发明的实施例可以包括人工现实***或者结合人工现实***来实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与捕获的(例如，真实世界的)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合，并且它们中的任何一个都可以在单个通道或多个通道中呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式使用(例如在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实***可以在各种平台上实现，这些平台包括连接到主计算机***的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算***、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
本公开中的术语“处理逻辑”可以包括一个或更多个处理器、微处理器、多核处理器、专用集成电路(ASIC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)，以执行本文公开的操作。在一些实施例中，存储器(未示出)被集成到处理逻辑中，以存储指令来执行操作和/或存储数据。根据本公开的实施例，处理逻辑还可以包括模拟或数字电路来执行操作。
本公开中描述的“存储器”可以包括一个或更多个易失性或非易失性存储器架构。“存储器”可以是以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的可移动和不可移动介质。示例存储器技术可以包括RAM、ROM、EEPROM、闪存、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)、高清晰度多媒体/数据存储盘或其他光存储设备、盒式磁带、磁带、磁盘存储设备或其他磁存储设备，或者可以用于存储信息以供计算设备访问的任何其他非传输介质。
包括摘要中描述的内容在内的本发明的所示实施例的上述描述并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文出于说明的目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是相关领域的技术人员将会认识到，在本发明的范围内各种修改是可能的。
根据以上详细描述，可以对本发明进行这些修改。在所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的特定实施例。更确切地，本发明的范围完全由所附权利要求来确定，这些权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。

Claims (20)

1.一种制造具有晶片级光学器件(WLO)的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的方法，所述方法包括：
提供具有多个VCSEL台面的晶片；
在所述多个VCSEL台面中的VCSEL台面的第一区带上形成第一WLO，其中所述第一WLO被配置成发散VCSEL台面的所述第一区带的激光发射；和
在所述多个VCSEL台面中的VCSEL台面的第二区带上形成第二WLO，其中所述第二WLO被配置成发散VCSEL台面的所述第二区带的激光发射。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一WLO被配置为向VCSEL台面的所述第一区带的激光发射提供第一倾斜角，并且其中所述第二WLO被配置为向VCSEL台面的所述第二区带的激光发射提供第二倾斜角，所述第一倾斜角不同于所述第二倾斜角。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一WLO被配置为向VCSEL台面的所述第一区带的激光发射提供用于光束扩展的第一发散角，并且其中所述第二WLO被配置为向VCSEL台面的所述第二区带的激光发射提供第二发散角，所述第一发散角不同于所述第二发散角。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述多个VCSEL台面中的VCSEL台面的第三区带上形成第三WLO，其中所述第三WLO被配置成以不同于所述第一区带的第一倾斜角和所述第二区带的第二倾斜角的第三倾斜角发散VCSEL台面的所述第三区带的激光发射。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述VCSEL台面中的每一个被配置成发射近红外光。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述晶片包括砷化镓衬底层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一WLO和形成所述第二WLO包括：
使用取放机将所述第一WLO耦合到所述第一区带中的VCSEL台面；和
使用取放机将所述第二WLO耦合到所述第二区带中的VCSEL台面。
8.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一WLO包括：
在VCSEL台面的所述第一区带中在所述多个VCSEL台面上生长高折射率材料；和
从所述高折射率材料蚀刻所述第一WLO以使所述第一WLO成形。
9.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一WLO和形成所述第二WLO包括：
将光学密封剂层形成到所述多个VCSEL台面上；
将WLO印模压入所述光学密封剂层，其中所述WLO印模包括与所述第一区带中的VCSEL台面对准的所述第一WLO的第一负模部，并且其中所述WLO印模包括与所述第二区带中的VCSEL台面对准的所述第二WLO的第二负模部；
固化所述密封剂层；和
移除所述WLO印模。
10.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一WLO和形成所述第二WLO包括：
跨VCSEL台面的所述第一区带和所述第二区带涂覆涂层；和
通过使用光刻技术图案化所述涂层来形成所述第一WLO和所述第二WLO。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一WLO包括折射光学器件、表面浮雕光栅、闪耀光栅、啁啾光栅、折反射式透镜或棱镜、超构透镜、反射光学器件或经设计的漫射器中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括：
切割所述晶片以从所述VCSEL台面中形成单独的VCSEL照明器，其中所述单独的VCSEL照明器包括所述第一WLO或所述第二WLO。
13.一种制品，包括：
光学透明衬底；
与所述光学透明衬底一起设置的多个光源，其中所述多个光源被配置为将窄带不可见光发射通过发射孔；和
在所述多个光源的发射孔上形成的光学器件，其中所述光学器件为所述多个光源中的光源发射的窄带不可见光提供不同的发散角。
14.根据权利要求13所述的制品，其中随着所述光学器件越来越靠近所述光学透明衬底的边界，所述光学器件增加它们的发散角。
15.根据权利要求13所述的制品，其中所述光源是垂直腔面发射激光器(VCSEL)，并且所述光学器件是VCSEL光学器件，并且其中当给定的VCSEL越来越靠近所述光学透明衬底的边界时，所述VCSEL光学器件增加所述窄带不可见光的VCSEL光束的倾斜角。
16.根据权利要求13所述的制品，窄带不可见光是近红外光。
17.一种晶片，包括：
半导体衬底；
形成在所述半导体衬底上的光源，其中所述光源被配置为发射不可见激光；和
设置在VCSEL的发射孔上的晶片级光学器件(WLO)，其中所述WLO被配置成发散从所述发射孔发射出来的激光发射。
18.根据权利要求17所述的晶片，其中所述WLO被配置为提供大约50度的发散度。
19.根据权利要求17所述的晶片，其中所述半导体衬底包括砷化镓，并且所述不可见激光是近红外激光，并且其中所述光源是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
20.根据权利要求17所述的晶片，其中所述WLO包括第一区带、第二区带和第三区带，其中所述WLO的第一区带为所述激光发射提供第一倾斜角，所述WLO的第二区带为所述激光发射提供第二倾斜角，并且所述WLO的第三区带为所述激光发射提供第三倾斜角，所述第三倾斜角大于所述第二倾斜角，并且所述第二倾斜角大于所述第一倾斜角。
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