CN114365004A - 用于集成光子设备的焦平面光学调节 - Google Patents

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Abstract

光学设备(20A、20B、100、200、800)包括设置在半导体基板(218)上并且被配置为发射相应的光辐射束的发射器(28A、28B)的第一阵列。微光学器件(34A、34B、226、802)的第二阵列(36A、36B、224、808)定位成与光发射器的相应的光束对准，并且被布置成调节光束的相位，使得光束中的不同光束以不同的相位质量进行传输。

Description

用于集成光子设备的焦平面光学调节
技术领域
本发明整体涉及集成光子设备，具体地讲，涉及用于产生光束阵列的设备和方法。
背景技术
集成光子设备是将光电、光学和电子部件组合在一起的设备，通常位于半导体基板上。(如本说明书和权利要求中所用，术语“光学”和“光”是指光谱的任何可见光、红外和紫外范围内的电磁辐射。)
发明内容
本文描述的本发明的实施方案提供改进了光学质量的集成光子设备。
因此，根据本发明的一个实施方案，提供了一种光学设备，该光学设备包括发射器的第一阵列，该发射器的第一阵列设置在半导体基板上并被配置为发射相应的光辐射束。微光学器件的第二阵列被定位成与光发射器的相应光束对准，并且被布置成调节光束的相位，使得不同光束以不同的相位质量进行传输。
在一些实施方案中，发射器和微光学器件被配置为使得光束中的不同光束聚焦在距半导体基板边缘的不同相应距离处。在这些实施方案中的一些实施方案中，光束聚焦到沿着具有预定曲率的轨迹的相应点上。在所公开的实施方案中，该设备包括准直光学器件，该准直光学器件具有与轨迹重合的弯曲物平面。
附加地或另选地，第一阵列中的发射器包括相应的光斑尺寸转换器。在一些实施方案中，光斑尺寸转换器包括锥形波导。在所公开的实施方案中，光斑尺寸转换器中的不同光斑尺寸转换器选择具有不同的相应锥形，以便形成具有不同的相应光斑尺寸的光斑。附加地或另选地，锥形波导具有相应的输出端，该输出端相对于所选择的半导体基板的输出面偏移，使得输出端沿着曲线设置。在一个实施方案中，光斑尺寸转换器彼此不平行，以便在相应的非平行方向上发射相应光束。
在一些实施方案中，第二阵列中的微光学器件包括相应的微透镜。在公开的实施方案中，微透镜中的至少一些微透镜相对于相应光束偏移，以便以不同的相应角度引导光束。附加地或另选地，微透镜中的至少一些微透镜具有不同的相应焦距。
在公开的实施方案中，该设备包括一个或多个折叠镜，该折叠镜设置在半导体基板上，以便引导光束远离半导体基板的平面。
根据本发明的一个实施方案，还提供了一种光探测和测距(LiDAR)***，其包括：发射器，该发射器包括设置在半导体基板上并且被配置为发射相应的光辐射束；和微光学器件的第二阵列，该微光学器件的第二阵列被定位成与光发射器的相应光束对准并且被布置成调节光束的相位，使得不同光束以不同的相位质量进行传输。准直光学器件被配置为将微光学器件传输的光束在不同的相应方向上朝LiDAR***的视场的不同的相应部分导向。接收器被配置为从视场的不同部分接收光束的反射，并且处理反射以便找到到视场中对象的距离。
在所公开的实施方案中，第一阵列中的发射器被配置为输出具有不同的相应光斑尺寸的相应光束，选择这些光斑尺寸使得朝向视场的不同部分的光束具有不同的相应发散度。
根据本发明的实施方案，另外提供了一种用于制造光学设备的方法。该方法包括在半导体基板上布置发射器的第一阵列，以便发射相应的光辐射束。微光学器件的第二阵列被定位成与光发射器的相应光束对准，以便调节光束的相位，使得不同光束以不同的相位质量进行传输。
在一些实施方案中，定位第二阵列包括布置微光学器件以便将光束中的不同的光束聚焦在距半导体基板边缘的不同相应距离处，其中布置微光学器件包括将光束聚焦到沿着具有预定曲率的轨迹的相应点上。提供了准直光学器件，该准直光学器件具有与轨迹重合的弯曲物平面，并且该方法包括利用发射器和微光学器件的光学特性联合优化准直光学器件的光学设计。
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和图1B是根据本发明的两个实施方案的边缘耦合光子集成电路和相应微透镜阵列的相应示意性俯视图；
图2是根据本发明的另一实施方案的光子集成电路的示意性俯视图；
图3A是根据本发明的另一实施方案的具有垂直耦合的光子集成电路的示意性俯视图；
图3B和3C是图3A的光子集成电路的示意性截面图；
图4A、图4B和图4C是根据本发明的实施方案的准直光学器件的示意性侧视图；
图5A、5B、5C、5D、5E、5F、5G、5H和5I是根据本发明的实施方案的各种设计的光斑尺寸转换器发射的红外光辐射的远场角曲线的示意图表；
图6是根据本发明的一个实施方案的光子集成电路和相关联的微透镜阵列的示意性俯视图；
图7A和7B分别是根据本发明的一个实施方案的在使用微透镜成像之前和之后的光束输出的辐射率的图形表示；
图8是根据本发明的一个实施方案的安装在车辆中的LiDAR***的示意性侧视图；并且
图9是根据本发明的一个实施方案的用于图8的***中的光子集成电路和微透镜阵列的示意性俯视图。
具体实施方式
概述
半导体基板上的典型激光发射器阵列，诸如一维或二维VCSEL阵列，在垂直于阵列的基板表面的方向上发射光束。光束调节或成像透镜的设计，例如用作准直光学器件以实现所需的远场照明模式，必须捕获所有阵列元件发射的每个阵列元件(NA，数值孔径)的角发射，同时还执行用于远场光斑位置的成像功能。此类设计通常需要从以远心配置布置在物体空间中的源发射的光束。在这种情况下，透镜被设计用于垂直于表面的阵列元件发射，随后是焦点或无焦图像空间，其中透镜被设计成将每个激光源准直到无穷大(无焦)或有限的工作距离。为了实现所需的光束质量，可能需要昂贵且复杂的透镜***。边缘发射激光器或光子集成电路结构的线性(1D)阵列也遇到了类似的限制。
在本发明的实施方案中，集成光子设备通过集成光子元件和准直光子器件的共同设计为光学设计者提供额外的优化。这些实施方案提供了一种光学设备，该光学设备包括设置在半导体基板上并且被配置为发射相应光辐射束的发射器阵列。微光学器件的阵列(诸如微透镜)被定位成与光发射器的相应光束对准。该微光学器件调节光束的相位，使得不同光束以不同的相位质量进行传输。在本说明书的上下文和权利要求中使用的术语“相位质量”是指光束的焦点和方向质量，诸如光斑尺寸、发散度、数值孔径和主光线方向。
在下面描述的实施方案中，光子集成电路包括在半导体基板上形成的发射孔径阵列，该基板上具有波导阵列以将光导向其他光子电路元件中或者从其他光子电路元件中导出。发射孔径形成在光子集成电路的输入/输出表面处，并且可以是双向的，例如使用偏振来分离、传输和接收光。这些输出光束的光斑尺寸可以由各种类型的微光学和光子部件控制，诸如光子集成电路上的光斑尺寸转换器或被定位与相应输出光束对准的微透镜阵列，或光斑尺寸转换器和微透镜阵列的组合。然而，在本领域已知的***中，当需要良好的光束质量时，跟随光斑尺寸转换器和/或微透镜阵列的光学器件的设计和生产通常是复杂且昂贵的。
本文描述的本发明的实施方案通过使用与光发射器的相应光束对准定位的微光学器件阵列来解决这些问题，以便聚焦光束，使得不同的光束以不同的相位量进行传输。根据***要求，发射器和微光学器件的阵列可以是一维或二维阵列。包含发射器和微光学器件的光子集成电路还可包含其他部件，诸如光接收器，例如与发射器一起处于单站配置中。
在一些实施方案中，发射器和微透镜被配置为使得光束聚焦在距半导体基板边缘不同的相应距离处，例如聚焦到空间中具有预定曲率半径的轨迹上的相应点上。如此创建的弯曲物平面可与成像或准直光学器件共同优化，以便降低光学设计的复杂性。
在一些实施方案中，微光学器件被布置为提供垂直发射(垂直或接近垂直于光子波导的平面)。
附加地或另选地，发射器和微光学器件被配置为使得不同的光束聚焦以形成具有不同的相应光斑尺寸的光斑。例如，这种方法在LiDAR***中很有用，在该***中，优化不同的光束以检测***视场内不同距离范围内的对象。
***描述
图1A和1B是根据本发明的两个实施方案的边缘耦合光子集成电路20A和20B和相应微透镜阵列36A和36B的相应示意性俯视图。来自光子集成电路20A和20B的每个输出光束的空间模式(即光束尺寸、发散度和方向)是使用微光学器件设置的，包括在光子集成电路内实现的集成光斑尺寸转换器24A和24B以及与光子集成电路外部对准的微透镜阵列36A和36B。
光子集成电路20A和20B包括相应的阵列波导22A和22B，其中引导的光信号从左到右传播，如相应箭头23A和23B所示。为了简单起见，描述中省略了分别通向阵列波导22A和22B的光子集成电路20A和20B的电路。这些电路可包括例如半导体激光器，其将相应的光束发射到波导中。
在图1A所示的实施方案中，光子集成电路20A包括光斑尺寸转换器24A，其中每个光斑尺寸转换器通过其输入端26A光学地耦合到相应波导22A并且接收来自波导的光辐射。通过光刻制造工艺，光斑尺寸转化器24A被配置为将光辐射引导到它们的相应输出端28A并且以预定空间和角分布发射光辐射。因此，每个输出端28A可被视为光辐射的发射器或来自光子集成电路20A的发射孔径。(类似的考虑可应用于以下实施方案中的光子集成电路。)光斑尺寸转换器24A的示例性实施方案是锥形耦合器，类似于以下图2中具有锥形波导122的光斑尺寸耦合器106。
此外，光斑尺寸转化器24A彼此不平行，以便在非平行方向上发射它们的相应光束。在图示的示例中，转化器24A是成角度的，使得可通过波导的光刻定义来控制每个光斑尺寸转换器发射的光辐射的“主光线”30A的方向(峰值发射角)。具体地，光斑尺寸转化器24A的成角度设计允许选择光束参数，而角度不限于垂直于光子集成电路20A的输出面32A。
从每个输出端28A发射的辐射由微透镜阵列36A的相应微透镜34A接收，其中微透镜被定位成不会引起主光线30A的任何附加偏差。另选地，每个微透镜34A可引起相应主光线30A的额外角度偏差。每个微透镜34A被进一步定位成使得其将输出端28A中的一个输出端成像到空间中的弯曲轨迹40A上的相应点38A，其中该轨迹可包括圆的一部分、抛物线的一部分或更一般的曲线。微透镜34A具有不同的相应有效焦距，因此将光子集成电路20A的平坦输出面32A重新成像到轨迹40A处的弯曲焦平面上。
从轨迹40A上的点38A发射的辐射将被准直光学器件接收以产生所需的远场照明模式(准直光学器件未在图1A中示出)。因为不需要远心和平场光学设计，主光线30A的角度取向以及轨迹40A的弯曲形状被用来简化准直光学器件的设计和构造。例如，准直光学器件可与光子集成电路20A的设计一起共同设计，以获得主光线30A的最佳角度取向和轨迹40A的形状。
在图1B所示的实施方案中，光子集成电路20B包括光斑尺寸转换器24B，类似于光子集成电路20B中的光斑尺寸转换器24A，通过它们的输入端26B耦合到相应波导22B并且接收来自波导的光辐射。进一步类似于光斑尺寸转换器24A，光斑尺寸转换器24B将光辐射导向到它们的相应输出端28B，并且以预定的空间和角度分布发射光辐射。然而，光斑尺寸转换器24B不相对于波导22B成角度，而是与波导同轴地对准。因此，来自每个输出端28B的峰值发射方向垂直于(垂直于)输出面32B。
从每个输出端28B发射的辐射被微透镜阵列36B的相应微透镜34B接收。输出端28B中的至少一些输出端的微透镜34B的中心相对于输出端的中心偏移(平移)，使得从相应微透镜34B出射的每条主光线30B由于微透镜的特定偏移而成角度(而不是如同在光子集成电路20A中一样通过光斑尺寸转换器的方向而成角度)。类似于光子集成电路20A，输出端28B聚焦在弯曲轨迹40B上的点38B上。微透镜34B具有不同的相应有效焦距，因此将光子集成电路20B的平坦输出面32B重新成像到轨迹40B处的弯曲焦平面上。如同在光子集成电路20A中一样，主光线30B的角度取向以及轨迹40B的弯曲形状可用于简化准直光学器件的光学设计和构造。
图2是根据本发明的另一实施方案的光子集成电路100的示意性俯视图。
类似于光子集成电路20A和20B，光子集成电路100包括阵列波导102，其中引导的光信号从左到右传播，如箭头104所示。类似于光子集成电路20A，光子集成电路100还包括成角度的光斑尺寸转换器106，通过它们的输入端108光学地耦合到阵列波导102。斑点尺寸转化器106将光辐射导向到它们的相应输出端110，并且以预定的空间和角度分布发射光辐射。如插图112中详细所示，在光子集成电路100的制造中有意引入相对于输出面116的偏移114，使得光斑尺寸转换器106的输出端110沿曲线118设置。根据材料平台通过光斑尺寸转换器106及它们的输出端110相对于面116的相应偏移114的共同设计，实现如下定义的光学凹陷120。
在图示的实施方案中，输出端110包括合适的锥形波导122，其将辐射发射到由围绕主光线126的光线124描绘的锥形中。在另选实施方案中可使用其它形状的输出端110。每个主光线126的方向由相应光斑尺寸转换器106的角度方向限定，并且光线124的角度范围由锥形波导122的几何形状确定。光线124和主光线126在面116处被分别折射成光线128和主光线130。发射辐射的对向半角131由光线128中的一条光线和主光线130限定。
光线128延伸返回到光子集成电路100中，如虚线129所示，限定了一个明显的源点132，其与面116的距离限定了光学垂度120。由所有光斑尺寸转换器106形成的明显的源点132形成弯曲轨迹134(如此接近曲线118以致于在图2中未将其视为单独的曲线)。类似于光子集成电路20A和20B，其辐射围绕折射的主光线130传播的轨迹134上的明显的源点132形成后续准直光学器件的源，轨迹134的弯曲形状和主光线130的角度方向放宽了对光学器件的光学设计考虑。
图3A-3C示意性地示出了根据本发明的另一实施方案的具有垂直耦合的光子集成电路200。为了清楚起见，在图3A-3C中的每一个图旁边示出了笛卡尔(Cartesian)坐标系202，其方向适合于每个图。图3A是从Y方向观看的朝向XZ平面的俯视图，图3B是沿XY平面截取的穿过微透镜阵列224的截面图，并且图3C是沿着YZ平面截取的穿过波导204和光斑尺寸转换器208的截面图。“垂直耦合”是指从光子集成电路200耦合出的辐射的传播方向与光子集成电路的顶面201形成法线或近似法线角。
类似于光子集成电路20A和20B，光子集成电路200包括阵列波导204，其中引导的光信号从左到右传播，如箭头206所示。类似于光子集成电路20B，光子集成电路200还包括与阵列波导204共线的光斑尺寸转换器208。光斑尺寸转换器通过它们的输入端210光学地耦合到阵列波导204，将光辐射导向到它们的相应输出端212，并且以预定的空间和角度分布发射光辐射。进一步类似于光子集成电路20B，输出端212位于输出面214处。
为了配置用于垂直发射的光子集成电路200，折叠镜216被设置在与输出端212相对的电路的基板218上，并且引导来自输出端212的光束远离基板的平面。例如通过劈开或蚀刻硅波导层220，然后在所得斜表面上涂覆反射层222而在基板218上形成折叠镜216，如图3C所示。
微透镜226的阵列224被定位在折叠镜216上方，每个输出端212有一个微透镜。类似于光子集成电路20B中的微透镜34B，微透镜226相对于输出端212偏移，以便使从每个微透镜出射的主光线228成角度，并且使得输出端212聚焦到弯曲轨迹230上的相应点232上。类似于光子集成电路20A、20B和100，它们的辐射围绕主光线228传播，轨迹230上明显的源点232形成后续准直光学器件的源，轨迹230的弯曲形状和主光线228放宽了光学器件的设计考虑。
折叠镜216的配置可以以类似的方式与光子集成电路20A和100的架构中的任一个架构一起使用，以实现电路的垂直发射。
光学设计
光子集成电路的光学器件和准直光学器件的共同设计使得可以减少准直光学器件的透镜数量并降低准直光学器件的复杂性。设计者拥有大量的自由度，可用于设计光子集成电路和微透镜。对于光子集成电路的设计，自由度包括，例如：
·光斑尺寸和数值孔径(两种规格尺寸)。
·光斑尺寸转换器输出端相对于阵列中心的位置，以补偿光学器件失真。
·发射角。
·垂度。
对于微透镜的设计，自由度包括，例如：
·从孔径质心或主光线偏移。
·焦距和形状(球形、非球面或变形的)。
·聚焦(重新成像孔径与准直)。
图4A-4C是根据本发明的实施方案的分别示出了准直光学器件300、320和340的三个光学器件设计的示意性侧视图。这三种光学设计利用了弯曲的源平面(源点图像的弯曲轨迹)和由前述实施方案中的光子集成电路和微透镜的设计提供的成角度的主光线。弯曲的源平面和成角度的主光线使得准直光学器件的设计具有更少的元件，同时保持光束源(M2～1)的近衍射限制准直。
图4A中的光学器件300包括三个透镜302、304和306。如上文参考图1-图3所描述的，光子集成电路(图4A中未示出)在弯曲轨迹310上形成光辐射的源点308，该光辐射沿着成角度的主光线312传播。(在图4A-4C中仅示出了主光线。为了清楚起见，省略了其它光线，例如边缘光线。)光学器件300接收的光辐射的上述特性使得光学设计能够实现近衍射极限性能，对于轨迹310上的所有源点308，M2≈1.0。
图4B中的光学器件320包括两个透镜322和324。光子集成电路(图4B中未示出)在弯曲轨迹328上形成光辐射的源点326，该光辐射沿成角度的主光线330传播。由光学器件320接收的光辐射的这些特性使得光学设计能够实现近衍射极限性能，对于位于轨迹328边缘的源点326，M2≈1.2。
图4C中所示的光学器件340仅包括单个透镜342。光子集成电路(图4C中未示出)在弯曲轨迹346上形成光辐射的源点344，该光辐射沿成角度的主光线348传播。孔径光阑350位于透镜342的第二光学表面354的曲率中心352处，从而使透镜引入的彗形像差最小化。保留了一些残留的像散。由光学器件340接收的光辐射的特性以及光阑350的位置使得光学设计能够实现近衍射极限性能，对于位于轨迹346边缘的源点344，M2≈1.4。
可分别优化三个光学设计300、320和340以分别适应二次轨迹230、328或346，或者更高阶的轨迹，例如4次、6次或甚至更高。
图5A-5I包含根据本发明的实施方案的各种设计的光斑尺寸转换器发射的红外光辐射的计算远场角曲线的图表410-492。
以图2的光斑尺寸转换器106为例，可通过将锥形122末端的宽度设置为适当值来控制输出光斑尺寸。光束发散通常随着输出光斑尺寸的增加而减小。例如，假设光斑尺寸转换器106基于厚度为220nm的硅波导层，那么通过光斑尺寸转换器引导和输出的红外光束的光斑尺寸将随着锥形宽度减小到160nm以下而增加，而光束发散角随着光斑尺寸的增加而减小。
对于1.55μm的波长，远场角度曲线的图表410-492是通过锥形宽度的函数计算的，从图5A中的最小值60nm到图5I中的最大值200nm。该图表将垂直方向的远场角度曲线显示为实线，将水平方向的远场角度分布显示为虚线。水平轴是光束的角度范围，以度为单位，并且垂直轴线是任意单位的光束强度。下面表1中示出了图的编号以及锥形宽度。
表1：远场角曲线的图表
Figure BDA0003498305680000101
从图表中可以看出，水平角度范围从60nm锥形宽度的约±5度(FWHM)变化到200nm锥形宽度的约±40度，并且垂直角度范围从60nm锥形宽度的约±20度变化到200nm锥形宽度的约±40度。
图6是根据本发明的实施方案的来自光子集成电路的输出光束504和用于修改输出光束的数值孔径(NA)的相关联微透镜阵列502的示意性俯视图。
微透镜阵列502中的微透镜500接收由光子集成电路(在该图中未示出)的输出506发射的输出光束504，类似于图1B中的微透镜阵列36B(不同之处在于微透镜的中心与输出对准。)如插图508和图7A-7B中更详细地所示，微透镜500对输出506重新成像以形成具有有效光斑尺寸更大、NA减小(从用于输出光束504的NA＝0.4减小到用于成像输出光束510的NA＝0.25)的输出图像512。当与有效焦距为20mm的准直透镜结合使用时，该设计可实现低远场发散度，具有衍射极限性能(M2＝1.015)。
图7A和7B分别是根据本发明的一个实施方案的输出506(在使用微透镜500成像之前)和输出图像512(在使用微透镜成像之后)的辐射率的图形表示610和620。表示610和620中的x坐标和y坐标以毫米显示。输出506在最大辐射率的10％处的宽度约为2.7μm，而输出图像512在最大辐射率的10％处的宽度为大约5.7μm。
LIDAR应用
如前所述，本发明的原理可用于优化在LiDAR应用中使用的激光束的特性，尤其是在相干LiDAR中。例如，在单站相干LiDAR设备中，可能需要权衡光束尺寸与信噪比(SNR)作为范围的函数。使用一组给定波束参数的最大范围是可以可靠地检测对象的范围。SNR大约是从目标接收到的光子数(对于相干LiDAR)。然后，最大范围可以量化为最远对象距离，使SNR大于用于可靠检测的最小阈值SNRmin。假设接近衍射极限性能，光束尺寸和波长决定了角远场分辨率。对于给定的发射功率和高斯光束，光束直径较小将导致近距离内的SNR更高，但在远距离时降低更快。光束参数降低(M2>1)会降低范围和分辨率。
在此基础上，可为任何所需距离定义最佳光束尺寸。例如，所需距离约为40m的LiDAR通道将在所需距离使用10mm光束(M2＝1)来实现最佳SNR，而所需距离为200m的通道需要直径20mm的光束(M2～1)来实现最佳SNR。
图8为根据本发明的实施方案的安装在车辆702中的LiDAR***700的示意性侧视图。使用先前实施方案的原理来设置LiDAR***700的光束参数，以提供LiDAR***，其中分辨率和距离在***的视场上变化。例如，汽车LiDAR应用可在整个垂直视场中具有可变的范围和分辨率要求：
a)可以针对近距离和低分辨率优化范围706中在道路704上对象检测，从而有利于近距离的小光束直径。
b)应针对远距离和高分辨率优化范围708中在高速公路上的车辆和其它对象检测，从而在远距离时调用更大的光束直径。
c)在范围710中远高于地平线的对象检测的重要性较低，因此仅需要降低的分辨率和范围。
这些目标可以使用基于集成光子学的多通道(阵列)实施方式来实现，并且每个输出都有优化。这种多通道阵列可集成在例如于2019年5月5日提交的美国临时专利申请62/843,464描述的多光束LiDAR***中，该申请以引用方式并入本文。多通道实施方式在本临时申请的图2-图4中具体示出。
图9是根据本发明的实施方案的光子集成电路800和微透镜阵列808的示意性俯视图，该光子集成电路和微透镜阵列被设计成提供不同直径的光束以满足LiDAR***700(图8)的距离要求。光子集成电路800和微透镜阵列808用作LiDAR***700的发射器，发射具有不同直径的多个光束。接收器(未示出)从图8所示的视场的不同部分接收光束的反射，并且处理反射以便检测对象并找到它们与车辆702的相应距离。
类似于例如光子集成电路20B(图1B)，光子集成电路800包括波导阵列804和每个波导的光斑尺寸转换器806。阵列808中的微透镜802被定位成使它们的中心与光斑尺寸转换器806的相应输出端对准。由光斑尺寸转换器806发射的光辐射被相应的微透镜802重新聚焦以形成光斑810A、810B、810C、810D、810E、810F、810G和810H。如上所述，光斑810A-810H中的每个光斑的直径可通过适当地选择光斑尺寸转换器806和微透镜802(或其他类型的微光学元件)的设计参数来配置。
因此，每个光斑尺寸转换器806的光束直径和数值孔径可与对应的微透镜802一起优化，以给出将具有不同光斑尺寸的光束，即使与针对所有光束具有固定焦距的准直光学器件结合使用时也是如此。准直透镜将在微透镜802之后的近场光斑尺寸(即光斑810A-810H中的每个光斑的直径)转换为对应的远场光束发散度：
·微透镜之后的小光斑转换为远场中发散度小、强度高的光束。
·微透镜之后的大光斑转换为远场中发散度大、强度低的光束。
·微透镜之后的中等光斑转化为远场中发散度中等、强度中等的光束。
假设光学器件被设计为在垂直维度上保持通道之间的间隔，那么每个通道都可以以这种方式针对短距离、中距离或长距离进行优化。在本示例中，光斑810D、810E和810D是小光斑，由准直光学器件投射成远场中发散度小、强度高的光束，并且因此适用于图8中的照明范围708。光斑810H是大光斑，由准直光学器件投射成远场中发散度大、强度低的光束，并且因此适合照射范围706。光斑810A、810B、810C和810G是中等尺寸的光斑，因此由准直光学器件从这些光斑投射的光束满足范围710的照明要求。
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。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种光学设备，所述光学设备包括：
发射器的第一阵列，所述发射器的第一阵列设置在半导体基板上并且被配置为发射相应的光辐射束；
微光学器件的第二阵列，所述微光学器件的第二阵列定位成与光发射器的相应的光束对准并且被布置成调节所述光束的相位，使得所述光束聚焦到沿着具有预定曲率的轨迹的相应点上；以及
准直光学器件，所述准直光学器件具有与所述轨迹重合的弯曲物平面。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第一阵列中的所述发射器包括相应的光斑尺寸转换器。
3.根据权利要求2所述的光学设备，其中所述光斑尺寸转化器包括锥形波导。
4.根据权利要求3所述的光学设备，其中所述光斑尺寸转换器中的不同光斑尺寸转换器具有不同的相应锥形，所述不同的相应锥形被选择以便形成具有不同的相应光斑尺寸的光斑。
5.根据权利要求3所述的光学设备，其中所述锥形波导具有相应的输出端，所述相应的输出端相对于所选择的所述半导体基板的输出面偏移，使得所述输出端沿曲线设置。
6.根据权利要求2所述的光学设备，其中所述光斑尺寸转换器彼此不平行，以便在相应的非平行方向上发射所述相应的光束。
7.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第二阵列中的所述微光学器件包括相应的微透镜。
8.根据权利要求7所述的光学设备，其中所述微透镜中的至少一些微透镜相对于所述相应的光束偏移，以便以不同的相应角度引导所述光束。
9.根据权利要求7所述的光学设备，其中所述微透镜中的至少一些微透镜具有不同的相应焦距。
10.根据权利要求1所述的光学设备，所述光学设备包括一个或多个折叠镜，所述一个或多个折叠镜设置在所述半导体基板上，以便引导所述光束远离所述半导体基板的平面。
11.一种光检测和测距(LiDAR)***，所述光检测和测距***包括：
发射器，所述发射器包括：
发射器的第一阵列，所述发射器的第一阵列设置在半导体基板上并且被配置为发射相应的光辐射束；
微光学器件的第二阵列，所述微光学器件的第二阵列定位成与光学发射器的相应的光束对准并且被布置成调节所述光束的相位，使得所述光束中的不同光束以不同的相位质量进行传输；以及
准直光学器件，所述准直光学器件被配置为将所述微光学器件传输的光束在不同的相应方向上朝向所述LiDAR***的视场的不同的相应部分引导；以及
接收器，所述接收器被配置为从所述视场的不同部分接收所述光束的反射，并且处理所述反射以便获得与所述视场中的对象的距离。
12.根据权利要求11所述的LiDAR***，其中所述第一阵列中的所述发射器被配置为输出具有不同的相应光斑尺寸的所述相应的光束，选择所述不同的相应光斑尺寸使得被引导朝向所述视场的所述不同部分的所述光束具有不同的相应发散度。
13.一种用于制造光学设备的方法，所述方法包括：
将发射器的第一阵列布置在半导体基板上，以便发射相应的光辐射束；
将微光学器件的第二阵列布置成与光发射器的相应的光束对准，以便将所述光束聚焦到沿着具有预定曲率的轨迹的相应点上；以及
提供准直光学器件，所述准直光学器件具有与所述轨迹重合的弯曲物平面。
14.根据权利要求13所述的方法，其中提供所述准直光学器件包括用所述发射器和所述微光学器件的光学特性联合地优化所述准直光学器件的光学设计。

Claims (20)

1.一种光学设备，所述光学设备包括：
发射器的第一阵列，所述发射器的第一阵列设置在半导体基板上并且被配置为发射相应的光辐射束；以及
微光学器件的第二阵列，所述微光学器件的第二阵列定位成与光发射器的相应的光束对准并且被布置成调节所述光束的相位，使得所述光束中的不同光束以不同的相位质量进行传输。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述发射器和所述微光学器件被配置为使得所述光束中的所述不同光束聚焦在距所述半导体基板的边缘的不同的相应距离处。
3.根据权利要求2所述的光学设备，其中所述光束聚焦到沿着具有预定曲率的轨迹的相应点上。
4.根据权利要求3所述的光学设备，所述光学设备包括准直光学器件，所述准直光学器件具有与所述轨迹重合的弯曲物平面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学设备，其中所述第一阵列中的所述发射器包括相应的光斑尺寸转换器。
6.根据权利要求5所述的光学设备，其中所述光斑尺寸转化器包括锥形波导。
7.根据权利要求6所述的光学设备，其中所述光斑尺寸转换器中的不同光斑尺寸转换器具有不同的相应锥形，所述不同的相应锥形被选择以便形成具有不同的相应光斑尺寸的光斑。
8.根据权利要求6所述的光学设备，其中所述锥形波导具有相应的输出端，所述相应的输出端相对于所选择的所述半导体基板的输出面偏移，使得所述输出端沿曲线设置。
9.根据权利要求5所述的光学设备，其中所述光斑尺寸转换器彼此不平行，以便在相应的非平行方向上发射所述相应的光束。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的光学设备，其中所述第二阵列中的所述微光学器件包括相应的微透镜。
11.根据权利要求10所述的光学设备，其中所述微透镜中的至少一些微透镜相对于所述相应的光束偏移，以便以不同的相应角度引导所述光束。
12.根据权利要求10所述的光学设备，其中所述微透镜中的至少一些微透镜具有不同的相应焦距。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的光学设备，所述光学设备包括一个或多个折叠镜，所述一个或多个折叠镜设置在所述半导体基板上，以便引导所述光束远离所述半导体基板的平面。
14.一种光检测和测距(LiDAR)***，所述光检测和测距***包括：
发射器，所述发射器包括：
发射器的第一阵列，所述发射器的第一阵列设置在半导体基板上并且被配置为发射相应的光辐射束；
微光学器件的第二阵列，所述微光学器件的第二阵列定位成与光学发射器的相应的光束对准并且被布置成调节所述光束的相位，使得所述光束中的不同光束以不同的相位质量进行传输；以及
准直光学器件，所述准直光学器件被配置为将所述微光学器件传输的光束在不同的相应方向上朝向所述LiDAR***的视场的不同的相应部分引导；以及
接收器，所述接收器被配置为从所述视场的不同部分接收所述光束的反射，并且处理所述反射以便获得与所述视场中的对象的距离。
15.根据权利要求14所述的LiDAR***，其中所述第一阵列中的所述发射器被配置为输出具有不同的相应光斑尺寸的所述相应的光束，选择所述不同的相应光斑尺寸使得被引导朝向所述视场的所述不同部分的所述光束具有不同的相应发散度。
16.一种用于制造光学设备的方法，所述方法包括：
将发射器的第一阵列布置在半导体基板上，以便发射相应的光辐射束；以及
将微光学器件的第二阵列定位成与光学发射器的相应的光束对准，以便调节所述光束的相位，使得所述光束中的不同光束以不同的相位质量进行传输。
17.根据权利要求16所述的方法，其中将所述第二阵列定位包括布置所述微光学器件，以便将所述光束中的不同光束聚焦在距所述半导体基板的边缘的不同的相应距离处。
18.根据权利要求17所述的方法，其中布置所述微光学器件包括将所述光束聚焦到沿着具有预定曲率的轨迹的相应点上。
19.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括提供准直光学器件，所述准直光学器件具有与所述轨迹重合的弯曲物平面。
20.根据权利要求19所述的方法，其中提供所述准直光学器件包括用所述发射器和所述微光学器件的光学特性联合地优化所述准直光学器件的光学设计。
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