DE112019004770T5

DE112019004770T5 - Verbesserte Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE112019004770T5
Application number: DE112019004770.1T
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Seurin; Baiming Guo; Markus Rossi; Anderson Singulani
Original assignee: Ams Sensors Asia Pte Ltd
Current assignee: Ams Sensors Asia Pte Ltd
Priority date: 2018-09-24
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2021-08-12
Also published as: WO2020067995A1; US20220037856A1; CN112753142A; DE112019004773T5; WO2020065391A1; US20220131345A1; CN112753146A

Abstract

Vorrichtung, umfassend: eine Beleuchtungsvorrichtung zum Emittieren eines Beleuchtungsstrahls, wobei die Beleuchtungsvorrichtung umfasst: ein Emitter-Array, das mehrere Lichtemitter umfasst, und eine Meta-Struktur oder ein Mikroprismen-Array, das mehrere Transmissionsbereiche umfasst, wobei die Meta-Struktur von Mikroprismen so positioniert ist, dass sie von dem Emitter-Array emittiertes Licht empfängt, wobei Licht von der Meta-Struktur von Mikroprismen den Beleuchtungsstrahl bildet, wobei ein erster der mehreren Transmissionsbereiche so angeordnet ist, dass er Licht in eine andere Richtung emittiert als ein zweiter der mehreren Transmissionsbereiche.

Description

Querverweis auf zugehörige Anwendung
Diese internationale PCT-Patentanmeldung beansprucht Priorität und Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung Seriennummer 62/735, 367 , die am 24. September 2018 eingereicht wurde. Der Inhalt der Offenbarung wird hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit für alle Zwecke aufgenommen
Hintergrund
Mikro-Strukturen oder Mikro-Prismen können in optischen Geräten verwendet werden.
Zusammenfassung
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein bildgebendes System gemäß den beigefügten Ansprüchen zur Verfügung.
Figurenliste

und sind Diagramme einer Beleuchtungseinrichtung.
ist ein Diagramm mit Profil- und Draufsicht von Trägern.
und sind Diagramme von Strahlen.
ist ein Diagramm der Strahlintensität gegen den Ablenkwinkel für verschiedene Offsets.
und sind Flussdiagramme.
ist eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung.
ist ein Flussdiagramm.
ist ein Diagramm eines Fahrzeugs.
und sind Diagramme von mobilen Computergeräten.
ist eine Illustration einer Beleuchtungseinrichtung.
ist eine Illustration einer Beleuchtungseinrichtung.

Detaillierte Beschreibung
Wir beschreiben hier eine kompakte Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahls mit breiter Divergenz und im Wesentlichen gleichmäßiger Intensität und geringer Leistungsschwankung über seine Breite. Die Beleuchtungsvorrichtung enthält ein Array von Lichtemittern, wie z. B. oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSELs), und ein Mikrolinsen-Array, um das von den Lichtemittern emittierte Licht zu empfangen und abzulenken. Bereiche des Mikrolinsen-Arrays sind relativ zum Array der Lichtemitter unterschiedlich versetzt, was zur Erzeugung mehrerer Teilstrahlen mit unterschiedlichen Ablenkungswinkeln führt. Die mehreren Teilstrahlen bilden zusammen den divergenten Beleuchtungsstrahl.
Bezug nehmend auf 1A enthält eine Beleuchtungsvorrichtung 100 zur Erzeugung eines divergenten Beleuchtungsstrahls 115 eine Emissionsschicht 104, die Lichtemitter 106 auf Halbleiterbasis enthält, wie z. B. Halbleiterlaser, z. B. VCSELs oder seitenemittierende Halbleiterlaser; oder Dioden, wie z. B. Laserdioden oder lichtemittierende Dioden (LEDs). Jeder Lichtemitter 106 emittiert Licht 105, wie z. B. einen Lichtstrahl, z. B. sichtbares Licht, infrarotes Licht oder ultraviolettes Licht. Die Emissionsschicht 104 kann auf einem Substrat 108 gebildet werden, wie z. B. einem Teil eines Halbleiterwafers, z. B. einem Siliziumwafer, Galliumarsenid (GaAs)-Wafer, Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), Indiumphosphid (InP) oder einer anderen Art von Wafer.
Eine optische Schicht 110 mit Linsen 112 oder anderen optischen Elementen ist auf der Emissionsschicht 104 angeordnet. Die optische Schicht 110 kann z. B. ein Dünnfilm sein, der auf der Emissionsschicht 104 abgeschieden oder aufgewachsen ist (z. B. epitaktisch aufgewachsen) (wie in 1 gezeigt), oder sie kann ein Teil des Substrats 108 sein, in dem die Linsen 112 ausgebildet sind. Der Dünnschichtcharakter der optischen Schicht ermöglicht eine kompakte Bauweise der Beleuchtungsvorrichtung 100. Die optische Schicht 110 ist aus einem Material gebildet, das für das von den Lichtsendern 106 emittierte Licht 105 zumindest teilweise transparent ist. Die optische Schicht 110 kann zum Beispiel ein transparentes Polymer sein, wie Benzocyclobuten (BCB, auch bekannt als Cyclopentan) (Dow Chemical) oder HD8910 (DuPont); oder ein transparenter Halbleiter, wie GaAs.
Die Linsen 112 sind so positioniert, dass sie zumindest einen Teil des von den Lichtsendern 106 emittierten Lichts 105 empfangen und ablenken, wodurch ein einzelner Beleuchtungsstrahl 115 von der Beleuchtungsvorrichtung 100 gebildet wird. Der Beleuchtungsstrahl 115 kann ein breitwinkliger Beleuchtungsstrahl sein, dessen Divergenz größer ist als die Divergenz des von den Lichtsendern 106 emittierten Lichts 105. Zum Beispiel kann die Divergenz bei voller Breite bei halbem Maximum (FWHM) des von den Lichtemittern 106 emittierten Lichts 105 etwa 10-20 Grad betragen, und die Divergenz bei FWHM des Beleuchtungsstrahls 115 kann etwa 20-180 Grad betragen, z.B. etwa 50-90 Grad, z.B. etwa 60-70 Grad. In einigen Beispielen kann die Divergenz des Beleuchtungsstrahls 115 je nach Richtung variieren. Zum Beispiel kann die Divergenz des Beleuchtungsstrahls 115 in einer ersten Richtung etwa 50-60 Grad, z. B. etwa 55 Grad, betragen und die Divergenz des Beleuchtungsstrahls 115 in einer zweiten Richtung (z. B. senkrecht zur ersten Richtung) kann etwa 60-70 Grad, z. B. etwa 65 Grad, betragen.
Die größere Divergenz des Beleuchtungsstrahls 115 kann erreicht werden, indem die Linsen 112 so angeordnet werden, dass die Positionierung der Linsen 112 relativ zu den Lichtsendern 106 über die Beleuchtungsvorrichtung 100 hinweg variiert. Wie weiter unten erläutert, führt die unterschiedliche relative Positionierung zwischen den Linsen 112 und den Lichtsendern 106 zur Erzeugung mehrerer Teilstrahlen 122, wobei jeder Teilstrahl einen anderen Ablenkwinkel hat. Die mehreren Teilstrahlen verbinden sich zu einem einzigen Beleuchtungsstrahl 115, wobei die breite Divergenz des Beleuchtungsstrahls 115 durch die unterschiedlichen Ablenkungswinkel der einzelnen Teilstrahlen ermöglicht wird.
In einigen Beispielen sind die Lichtemitter 106 in einem Array 114 angeordnet, wie z. B. einem eindimensionalen Array oder einem zweidimensionalen Array, wie z. B. einem quadratischen Array, einem rechteckigen Array, einem hexagonalen Array oder einem Array mit einer anderen Geometrie. Die Linsen 112 sind in einem Array 116 angeordnet, das manchmal auch als Mikrolinsen-Array (MLA) 116 bezeichnet wird. Das MLA 116 kann ein eindimensionales Array (wie in 1 gezeigt) oder ein zweidimensionales Array sein, wie ein quadratisches Array, ein rechteckiges Array, ein hexagonales Array oder ein Array mit einer anderen Geometrie. Im Beispiel von 1A ist das Array 114 der Lichtemitter 106 ein eindimensionales Array mit dem Abstand pLE und das MLA 116 ist ein eindimensionales Array mit dem Abstand pMLA (siehe 1B). Die Teilung pMLA des MLA 116 und die Teilung pLE des Arrays 114 von Lichtemittern kann gleich oder größer sein als ein Durchmesser der Linsen 112 im MLA 116.
1B ist eine kommentierte Ansicht der Beleuchtungsvorrichtung 100 von 1. Die MLA 116 hat mehrere Bereiche 118a, 118b, 118c (zusammenfassend als Bereiche 118 bezeichnet), wobei die Linsen 112 in jedem Bereich 118a, 118b, 118c so positioniert sind, dass sie Licht von einer entsprechenden Teilmenge 120a, 120b, 120c der Lichtsender 106 empfangen. Jeder der Bereiche 118a, 118b, 118c ist gegenüber der entsprechenden Teilmenge 120a, 120b, 120c der Lichtemitter 106 um einen Offset da, db, dc versetzt. Ein Offset zwischen einem Bereich 118 des MLA 116 und einer entsprechenden Teilmenge 120 der Lichtemitter ist der seitliche Abstand zwischen dem Zentrum einer Linse und dem Zentrum des entsprechenden Lichtemitters. Der Offset von mindestens einem der Bereiche 118 ist unterschiedlich zu den Offsets der anderen Bereiche. In einigen Beispielen sind alle Offsets da, db, dc unterschiedlich. In einigen Beispielen ist mindestens einer der Offsets Null, was bedeutet, dass es keinen Offset zwischen einem der Bereiche des MLA 116 (hier Bereich 118b) und der entsprechenden Teilmenge 120b der Lichtsender 106 gibt. Wir bezeichnen einen MLA 116, bei dem mindestens ein Bereich 118 gegenüber der entsprechenden Teilmenge 120 der Lichtemitter 106 versetzt ist, manchmal als einen MLA, der gegenüber der Anordnung der Lichtemitter versetzt ist. Der Versatz zwischen der MLA 116 und dem Array 114 von Lichtemittern kann so beschaffen sein, dass jede der Linsen 112 in der MLA 116 zumindest teilweise einen entsprechenden Lichtemitter 106 überlappt (wie in 1B gezeigt), oder zumindest teilweise mehrere entsprechende Lichtemitter 106 überlappt.
Die Linsen 112 im MLA 116 lenken das von den Lichtsendern 106 emittierte Licht 105 ab, um den Beleuchtungsstrahl 115 zu bilden. Der Ablenkwinkel θ jedes Teilstrahls hängt mindestens vom Versatz zwischen dem MLA 116 und der Anordnung 114 der Lichtsender 106 ab. Wenn verschiedene Bereiche 118 des MLA 116 unterschiedliche Offsets haben, lenkt jeder Bereich 118a, 118b, 118c das von der entsprechenden Untergruppe 120a, 120b, 120c der Lichtemitter 106 emittierte Licht 105 unterschiedlich ab und bildet Teilstrahlen 122a, 122b, 122c (zusammen als Teilstrahlen 122 bezeichnet), die jeweils unter einem anderen Ablenkungswinkel θa, θb, θc ausgerichtet sind. Jeder Teilstrahl 122 hat eine gleichmäßigere Intensität und eine geringere Leistungsvariation über die Breite des Teilstrahls als die von den Lichtsendern emittierten Teilstrahlen 105.
Die Teilstrahlen 122 bilden zusammen den Beleuchtungsstrahl 115. Die unterschiedlichen Ablenkwinkel der Teilstrahlen 122 erzeugen ein breit divergentes Beleuchtungsbündel 115 mit im Wesentlichen gleichmäßiger Intensität und mit geringen Leistungsschwankungen über seine Breite. Der Beleuchtungsstrahl 115 kann auch einen relativ steilen Überschlag an den Rändern des Strahls aufweisen.
Der Ablenkwinkel θ, auf den die Teilstrahlen 122 gerichtet sind, ist abhängig vom Versatz zwischen den Bereichen 118 der MLA 116 und den entsprechenden Teilmengen 120 der Lichtsender 106. Der Ablenkwinkel ist auch abhängig vom Brechungsindex der optischen Schicht 110. Mit einem höheren Brechungsindex kann ein größerer Ablenkungswinkel erreicht werden. In einigen Beispielen kann die optische Schicht 110 einen Brechungsindex von mindestens 1 haben, z.B. zwischen etwa 1 und etwa 1,8, z.B. zwischen etwa 1,5 und etwa 1,8.
In einigen Beispielen ist jeder Teilstrahl 122 individuell steuerbar, z. B. durch Adressierung der entsprechenden Teilmenge 120 der Lichtemitter 106, was die Kontrolle über die Konfiguration des resultierenden Beleuchtungsstrahls ermöglicht.
In einem konkreten Beispiel sind die Lichtemitter 106 VCSELs mit einem Durchmesser von 7,5 µm und in einem Array 114 mit einem Abstand von 28 µm angeordnet (z. B. beträgt der Mittenabstand benachbarter VCSELs 28 µm). Die Linsen 112 im MLA 116 haben einen Durchmesser von 25 µm und eine Höhe von 8 µm. Jede Linse 112 im MLA 116 ist um einen Versatz von 8,5 µm zu ihrem entsprechenden VCSEL versetzt. Im Allgemeinen kann der Versatz zwischen den Linsen 112 und den entsprechenden Lichtemittern weniger als etwa 10 µm betragen, z. B. etwa 5-10 µm. Ein größerer Versatz vergrößert den Ablenkwinkel des Teilstrahls.
Bezug nehmend auf 2 hat der von einem einzelnen Lichtemitter 106 der Beleuchtungsvorrichtung 100 emittierte Strahl 105 in einem Beispiel ein tophatquadratisches Strahlprofil 200, das auch in einer Draufsicht 202 gezeigt ist. Ein einzelner Bereich 118 der MLA 116 lenkt das Licht von seiner entsprechenden Teilmenge 120 der Lichtemitter 106 ab, um den Teilstrahl 122 zu bilden, der ein Profil 204 (auch von einer Draufsicht 206 gezeigt) mit im Wesentlichen gleichmäßiger Intensität und mit geringer Leistungsschwankung über die Breite des Strahls aufweist. Der Ablenkungswinkel des Teilstrahls 122a hängt zumindest vom Versatz d zwischen dem Bereich 118 des MLA 116 und der entsprechenden Teilmenge 120 der Lichtemitter 106 ab.
Der Beleuchtungsstrahl 115 wird durch die Kombination mehrerer Teilstrahlen 122a, 122b, 122c gebildet, die jeweils unter einem anderen Ablenkungswinkel ausgerichtet sind. Die Teilstrahlen 122 können z. B. so abgelenkt werden, dass sich benachbarte Teilstrahlen 122 an ihrem FWHM-Punkt 212 überlappen und den Beleuchtungsstrahl 115 bilden. Der Beleuchtungsstrahl 115 ist im Profil 208 und in einer Draufsicht 210 dargestellt. Die Bildung des Beleuchtungsstrahls 115 aus den mehreren, unterschiedlich abgelenkten Teilstrahlen 122 macht den Beleuchtungsstrahl 115 zu einem divergenten Strahl, z.B. mit einer Divergenz bei FWHM von etwa 20-180 Grad, z.B. etwa 50-90 Grad, z.B. etwa 60-70 Grad. Der Beleuchtungsstrahl kann eine im Wesentlichen gleichmäßige Intensität mit geringen Leistungsschwankungen über die Breite des Strahls haben und kann an den Kanten des Strahls einen relativ steilen Überschlag aufweisen.
Bezug nehmend auf 3A und 3B hat eine Beleuchtungsvorrichtung 300 in einem Beispiel einen zweidimensionalen MLA, der von einer zweidimensionalen Anordnung von Lichtemittern versetzt ist. Ein einzelner Bereich des zweidimensionalen MLA lenkt das Licht von seiner entsprechenden Untergruppe von Lichtemittern ab, um einen Teilstrahl 322a zu bilden. Der Teilstrahl 322a ist ein relativ divergenter Strahl mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Intensität und geringen Leistungsschwankungen über die Breite des Teilstrahls.
Mehrere Bereiche der zweidimensionalen MLA lenken das Licht jeweils in einem anderen Ablenkwinkel ab und bilden mehrere Teilstrahlen 322a-322f (gemeinsam als Teilstrahlen 322 bezeichnet). Die Teilstrahlen 322 bilden zusammen einen Beleuchtungsstrahl 315, der ein divergenter Strahl mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Intensität und geringen Leistungsschwankungen über die Breite des Strahls ist und einen relativ steilen Überschlag an den Kanten 324 des Strahls aufweist.
Im Beispiel von wird der Beleuchtungsstrahl 315 aus sechs Teilstrahlen 322 in einer 3x2 rechteckigen Anordnung gebildet. Um einen solchen Beleuchtungsstrahl 315 zu bilden, werden die Bereiche der zweidimensionalen MLA von ihren entsprechenden Teilmengen von Lichtemittern so versetzt, dass sich benachbarte Teilstrahlen an ihrem FWHM-Punkt überlappen. Insbesondere sind die Teilstrahlen 322 in y-Richtung um einen Winkel von entweder -θ/2 oder +θ/2 und in x-Richtung um einen Winkel von -θ,0 oder +θ versetzt, wobei θ die Divergenz jedes Teilstrahls 322 ist.
In ist in einem konkreten Beispiel die Intensität eines Beleuchtungsstrahls, der von einem mit einem MLA gekoppelten VCSEL-Array emittiert wird, relativ zum Biegewinkel (z. B. dem Ablenkungswinkel) des Strahls für verschiedene Offsets zwischen dem VCSEL-Array und dem MLA dargestellt. Wie aus ersichtlich ist, verschiebt sich die Spitzenintensität des Beleuchtungsstrahls mit zunehmendem Versatz zwischen dem VCSEL-Array und dem MLA zu größeren Beugungswinkeln, was die durch den Versatz verursachte Strahlablenkung anzeigt.
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung wie der Beleuchtungsvorrichtung 100 von 1, bei der die optische Schicht ein dünner Film ist, der auf die Oberfläche der Emissionsschicht aufgebracht wird.
Lichtemitter, wie z. B. VCSELs, seitenemittierende Halbleiterlaser, Laserdioden oder andere Arten von Lichtemittern, werden in einer Emissionsschicht eines Substrats gebildet, wie z. B. einem Halbleitersubstrat, z. B. einem GaAs-Wafer (500). Die Emissionsschicht kann z. B. eine Deckschicht des Substrats sein, und die Lichtemitter können durch Bearbeitung des Substrats unter Verwendung von Halbleiterherstellungstechniken, einschließlich Dünnschichtabscheidung, Lithografie, Oxidwachstum und Ätzprozessen, gebildet werden. In einigen Beispielen kann zumindest ein Teil der Emissionsschicht epitaktisch auf die Oberfläche des Substrats aufgewachsen werden.
Die optische Schicht der Beleuchtungseinrichtung wird durch Aufbringen eines dünnen Films aus einem transparenten Material auf die Oberfläche der Emissionsschicht (502) gebildet. Das transparente Material ist ein Material, das für die Wellenlänge des Lichts, bei der die Lichtemitter zum Emittieren von Licht konfiguriert sind, transparent ist. In einigen Beispielen kann der dünne Film ein Polymerfilm sein, der durch eine Polymer-Dünnfilm-Abscheidungstechnik abgeschieden wird, z. B. durch Schleuderbeschichtung, Walzenbeschichtung, Plasma- oder Dampfabscheidung oder eine andere dünne Polymerfilm-Abscheidungstechnik. Der Polymerfilm kann nach der Abscheidung ausgehärtet werden. In einigen Beispielen kann der Dünnfilm ein Oxidfilm sein, wie z. B. ein Siliziumoxidfilm, der durch eine Dünnfilmabscheidungstechnik wie Plasma- oder Dampfabscheidung abgeschieden wird. In einigen Beispielen kann der Dünnfilm nach der Abscheidung bearbeitet werden, um eine ebene Oberfläche zu erzeugen. Die Dünnschicht kann eine Dicke von weniger als 20 µm haben, z. B. weniger als 10 µm, z. B. zwischen etwa 3 µm und etwa 8 µm.
Die Linsen werden in der optischen Schicht (504) mit Hilfe von Dünnschicht-Musterungstechniken gebildet. Wenn es sich bei der Dünnschicht beispielsweise um eine Polymer-Dünnschicht handelt, kann eine Schicht aus Fotoresist auf die Polymer-Dünnschicht aufgebracht werden, die in einem Muster aus Quadraten oder Rechtecken belichtet wird, wobei Bereiche der Quadrate oder Rechtecke um einen gewünschten Betrag von den Lichtemittern in der darunter liegenden Emissionsschicht versetzt sind. Der belichtete Fotoresist kann erhitzt werden, um die Mesas in Kuppelformen zu schmelzen, und der Polymerfilm kann, z. B. durch reaktives Ionenätzen, durch den Fotoresist geätzt werden, um kuppelförmige Linsen zu bilden. Wenn es sich bei der Dünnschicht um eine Oxidschicht handelt, können die Linsen durch einen ähnlichen Lithografie- und Ätzprozess gebildet werden.
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung wie der Beleuchtungsvorrichtung 100 von 1, bei der die optische Schicht eine epitaktisch gewachsene Schicht ist, z.B. eine Schicht aus einem Halbleiter wie GaAs, AlGaAs oder einem anderen Halbleiter, die epitaktisch auf die Emissionsschicht aufgewachsen wird.
Lichtemitter, wie z. B. VCSELs, seitenemittierende Halbleiterlaser, Laserdioden oder andere Arten von Lichtemittern, werden in einer Emissionsschicht eines Substrats, wie z. B. eines Halbleitersubstrats, z. B. eines GaAs-Wafers (600), unter Verwendung von Halbleiterfertigungstechniken gebildet.
Die optische Schicht der Beleuchtungsvorrichtung wird durch epitaktisches Wachstum eines transparenten Materials auf der Oberfläche der Emissionsschicht (602) gebildet. Das transparente Material ist ein Material, das für die Wellenlänge des Lichts, bei der die Lichtemitter zum Emittieren von Licht konfiguriert sind, transparent ist. Das transparente Material kann z. B. eine epitaktische Schicht aus GaAs oder AlGaAs sein. Die Epitaxieschicht kann eine Dicke von weniger als etwa 25 µm haben, z. B. weniger als etwa 20 µm, z. B. zwischen etwa 10 µm und etwa 20 µm.
Linsen werden in der epitaktischen optischen Schicht (604) mit Halbleiterherstellungsprozessen einschließlich Lithografie und Ätzen gebildet, wie oben für Polymer- oder Oxidschichten beschrieben. Die Linsen können z. B. in gewünschten Versätzen zu den Lichtemittern der darunter liegenden Emissionsschicht positioniert werden.
Eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer epitaktisch gewachsenen optischen Schicht kann resistent gegen Feuchtigkeit oder chemische Beschädigungen sein, wodurch die Zuverlässigkeit der Beleuchtungsvorrichtung verbessert wird. In einigen Beispielen können epitaktisch gewachsene Schichten aus Materialien mit relativ hohen Brechungsindizes gebildet werden; ein in einer epitaktisch gewachsenen optischen Schicht gebildetes MLA kann einen großen Ablenkungswinkel bewirken und dadurch einen Beleuchtungsstrahl mit einer großen Divergenz erzeugen.
Wie in 7 gezeigt, ist in einer beispielhaften Beleuchtungsvorrichtung 700 ein Array 714 von Lichtemittern in einer Emissionsschicht 704 auf einer Vorderseite 730 eines Substrats 708 ausgebildet. Eine optische Schicht 710 enthält eine MLA 716. Die MLA 716 ist auf einer Rückseite 732 des Substrats 708 ausgebildet und ist gegenüber dem Array 714 von Lichtemittern versetzt, wie in Bezug auf die Beleuchtungsvorrichtung von 1 beschrieben.
In der Beleuchtungseinrichtung 700 bildet das Substrat 708 selbst einen Teil der optischen Schicht 710. Das Substrat 708 wird aus einem Material gebildet, das für das von den Lichtemittern emittierte Licht 705 transparent ist. Für Lichtemitter, die Licht bei einer Wellenlänge von mindestens etwa 950 nm emittieren, kann das Substrat 708 beispielsweise aus GaAs bestehen. Das von den Lichtemittern emittierte Licht 705 wird durch das Substrat 708 zum MLA 716 übertragen, und ein Beleuchtungsstrahl 715, der sich aus mehreren Teilstrahlen 722 zusammensetzt, von denen jeder einen anderen Ablenkungswinkel hat, tritt an der Rückseite 732 des Substrats 708 aus.
Eine Beleuchtungsvorrichtung wie die Beleuchtungsvorrichtung 700, bei der die Lichtemitter und die MLA auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats ausgebildet sind, kann resistent gegen Feuchtigkeit oder chemische Schäden sein, was die Zuverlässigkeit der Beleuchtungsvorrichtung verbessert. In einigen Beispielen können Halbleitersubstrate relativ hohe Brechungsindizes aufweisen; ein MLA, der auf der Rückseite eines solchen Substrats ausgebildet ist, kann einen großen Ablenkungswinkel bewirken, wodurch ein Beleuchtungsstrahl mit einer großen Divergenz erzeugt wird.
8 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung wie der Beleuchtungsvorrichtung 700 von 7, bei der die Lichtemitter und MLA auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats ausgebildet sind.
Lichtemitter, wie z. B. VCSELs, seitenemittierende Halbleiterlaser, Laserdioden oder andere Arten von Lichtemittern, werden in einer Emissionsschicht auf einer vorderen Oberfläche eines Substrats, wie z. B. einem Halbleitersubstrat, z. B. einem GaAs-Substrat (800), unter Verwendung von Halbleiterfertigungstechniken gebildet.
Linsen werden auf einer Rückseite des Substrats (802) gebildet. In einigen Beispielen können die Linsen durch Abscheiden und Strukturieren einer Polymer-Dünnschicht oder einer Oxid-Dünnschicht gebildet werden. In einigen Beispielen können die Linsen in einer epitaktisch gewachsenen Dünnschicht auf der Rückseite des Substrats gebildet werden. In einigen Beispielen können die Linsen direkt auf der Rückseite des Substrats gebildet werden, ohne Wachstum oder Abscheidung einer zusätzlichen Schicht. Die Linsen können in gewünschten Abständen zu den Lichtemittern der darunter liegenden Emissionsschicht positioniert werden.
Bezug nehmend auf 9 kann in einigen Beispielen eine Beleuchtungsvorrichtung 900, wie sie oben beschrieben wurde, an einem Fahrzeug 902, wie einem teilautonomen oder vollautonomen Fahrzeug, montiert werden. Das Fahrzeug kann ein landgestütztes Fahrzeug (wie gezeigt) sein, wie z. B. ein PKW oder LKW; ein Luftfahrzeug, wie z. B. ein unbemanntes Luftfahrzeug, oder ein wassergestütztes Fahrzeug, wie z. B. ein Schiff oder U-Boot. Die Beleuchtungseinrichtung 900 kann ein Flutlichtstrahler sein. Im Zusammenhang mit dem teil- oder vollautonomen Fahrzeug 902 kann die Beleuchtungseinrichtung 900 Teil eines ferngesteuerten Bildgebungssystems 904 sein, wie z. B. eines LIDAR-Systems (Light Detection and Ranging), das bildgebende Komponenten wie einen Sensor 906, z. B. eine Kamera, einen Spiegel oder einen Scanner, enthält. Das abbildende System 904 einschließlich der Beleuchtungseinrichtung 900 kann z. B. zur dreidimensionalen (3D) Kartierung der Umgebung des Fahrzeugs 902 verwendet werden. Beispielsweise kann die Beleuchtungseinrichtung 900 verwendet werden, um ein Objekt 908 zu beleuchten, z. B. ein Objekt auf oder in der Nähe einer Fahrbahn, auf der das Fahrzeug 902 fährt, und der Sensor 906 kann verwendet werden, um das von dem beleuchteten Objekt 908 reflektierte Licht zu erfassen. Ein Signal, das auf dem reflektierten Licht basiert (z. B. ein Signal, das von einem Fotodetektor wie einer Fotodiode erzeugt wird), kann einer Rechenvorrichtung 910, z. B. mit einem oder mehreren Prozessoren, zur Verfügung gestellt werden, die eine 3D-Form des Objekts basierend auf dem reflektierten Licht bestimmt. Durch die Bestimmung der 3-D-Formen verschiedener Objekte kann ein Mapping einer Umgebung des Fahrzeugs bestimmt und zur Steuerung des teil- oder vollautonomen Betriebs des Fahrzeugs 902 verwendet werden.
Bezug nehmend auf 10A kann in einigen Beispielen eine Beleuchtungsvorrichtung 150, wie sie oben beschrieben wurde, an der Vorderseite eines mobilen Computergeräts 152, wie z. B. eines Mobiltelefons, eines Tablets oder eines tragbaren Computergeräts, angebracht oder darin integriert werden. Die Vorderseite des mobilen Geräts 152 ist die Seite des Geräts, die einen Bildschirm 156 enthält. Die Beleuchtungsvorrichtung 150 kann eine Flutlichtbeleuchtung sein. Die Beleuchtungsvorrichtung 150 kann in ein frontseitiges Bildgebungssystem 158 integriert werden, das Bildgebungskomponenten wie einen Sensor 160, z. B. eine Kamera, einen Spiegel oder einen Scanner, enthält. Das frontseitige Bildgebungssystem 158 mit der Beleuchtungseinrichtung 150 kann für 3D-Bildgebungsanwendungen, z. B. zur Gesichtserkennung, verwendet werden. Zum Beispiel kann die Beleuchtungsvorrichtung 150 für strukturiertes Licht verwendet werden, um ein Gesicht 162 einer Person zu beleuchten, und der Sensor 160 kann verwendet werden, um das vom Gesicht 162 reflektierte Licht zu erfassen. Ein Signal, das auf dem reflektierten Licht basiert (z. B. ein Signal, das von einem Fotodetektor wie einer Fotodiode erzeugt wird), kann einem oder mehreren Prozessoren 164 zur Verfügung gestellt werden, z. B. in dem mobilen Gerät 152 oder an einem entfernten Ort, z. B. einem cloudbasierten Prozessor. Der eine oder die mehreren Prozessoren 164 können eine Gesichtserkennungsverarbeitung basierend auf dem vom Gesicht 162 reflektierten Licht durchführen.
Bezug nehmend auf 10B kann in einigen Beispielen eine Beleuchtungsvorrichtung 250, wie sie oben beschrieben wurde, an einer Rückseite eines mobilen Computergeräts 252 angebracht werden. Die Rückseite ist die Seite des Geräts, die der Vorderseite gegenüberliegt, z. B. die Seite, die keinen Bildschirm enthält. Die Beleuchtungseinrichtung 250 kann eine Flutlichtbeleuchtung sein. Die Beleuchtungseinrichtung 250 kann in ein rückseitiges Bildgebungssystem 258 integriert werden, das Bildgebungskomponenten wie einen Sensor 260, z. B. eine Kamera, einen Spiegel oder einen Scanner, enthält. Das rückseitige Bildgebungssystem 258 mit der Beleuchtungseinrichtung 250 kann z. B. für 3D-Bildgebungsanwendungen verwendet werden, z. B. zur Objekterkennung oder zur Umgebungskartierung, z. B. zur Kartierung eines Raums. Die Beleuchtungseinrichtung 250 kann z. B. dazu verwendet werden, ein Objekt 262 in einem Raum oder einer anderen Umgebung zu beleuchten, und der Sensor 260 kann dazu verwendet werden, das von dem Objekt 262 reflektierte Licht zu erfassen. Ein auf dem reflektierten Licht basierendes Signal (z. B. ein Signal, das von einem Fotodetektor wie einer Fotodiode erzeugt wird) kann einem oder mehreren Prozessoren 264 zur Verfügung gestellt werden, z. B. in dem mobilen Gerät 252 oder an einem entfernten Ort, z. B. einem cloudbasierten Prozessor. Der eine oder die mehreren Prozessoren 264 können anhand des reflektierten Lichts eine 3-D-Form des Objekts bestimmen. Die ermittelte 3D-Form kann von dem einen oder den mehreren Prozessoren 264 verwendet werden, um eine Objekterkennungsverarbeitung durchzuführen, oder sie kann in Kombination mit ermittelten 3D-Formen eines oder mehrerer anderer Objekte verwendet werden, um eine 3D-Kartierung des Raums zu erstellen.
Eine Beleuchtungseinrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, kann weiterhin zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahls zur Generierung von Flugzeitdaten verwendet werden. In diesem Beispiel ist die MLA so angeordnet, dass der Beleuchtungsstrahl um den Rand des beleuchteten Bereichs eine größere Intensität aufweist. Die größere Intensität kann dadurch erreicht werden, dass die Linsen, die das Licht zur Peripherie lenken, eine größere Anzahl von Lichtemittern abdecken als die Lichtemitter, die von Linsen abgedeckt werden, die das Licht zum Zentrum des beleuchteten Bereichs lenken. Statt oder zusätzlich zur Verwendung einer größeren Anzahl von Emittern, um eine höhere Intensität zu erreichen, können auch einzelne Emitter mit einer höheren Intensität des abgestrahlten Lichts verwendet werden. Andere ungleichmäßige Strahlungsintensitätsprofile können durch entsprechende Anordnung der MLA erreicht werden.
Die Beleuchtungseinrichtung, wie oben beschrieben, besteht aus einer Vielzahl von Lichtsendern, die unabhängig voneinander gesteuert werden können. Verschiedene Teile des Arrays oder auch einzelne Lichtstrahler können selektiv und unabhängig von anderen Teilen des Arrays oder unabhängig von anderen einzelnen Lichtstrahlern ein- oder ausgeschaltet werden. Dadurch können verschiedene Teile eines Zielbeleuchtungsbereichs selektiv beleuchtet werden.
Die in den 1A und 1B dargestellte Vorrichtung umfasst verschiedene Untergruppen von Mikrolinsenanordnungen. Der Versatz zwischen den Mikrolinsen in Bezug auf die zentrale Lichtemissionsachse der Lichtemitter ist innerhalb jeder Teilmenge gleich, z. B. innerhalb der Teilmengen 120a, 120b und 120c, aber unterschiedlich zwischen diesen verschiedenen Teilmengen. In einer alternativen Vorrichtung wird ein bestimmter Versatz mindestens einmal über das gesamte Substrat außerhalb der anfänglichen Teilmenge dupliziert. Zum Beispiel kann das Substrat aus 1A mit drei Teilmengen stattdessen als ein Substrat mit sechs Teilmengen angeordnet werden, das durch Duplizieren der anfänglichen drei Teilmengen neben einer ersten Gruppe von drei Teilmengen gebildet wird. Alternativ können die drei in dargestellten Arten von Offsets zufällig, quasi-zufällig oder periodisch verteilt werden. Der Vorteil der Verteilung bestimmter Offsets außerhalb einer einzelnen Teilmenge ist, dass die Gesamtlichtleistung robuster gegen Beschädigungen wie Kratzer oder Schmutz ist. Wenn ein Stück Staub eine der MLA-Teilmengen in der Vorrichtung in verdeckt, wird der Teil des Beleuchtungsstrahls, der dieser MLA-Teilmenge entspricht, behindert, was zu einer ungleichmäßigen Verringerung der Beleuchtungsstrahlintensität führt. In der alternativen Vorrichtung, in der die Offsets gleichmäßiger verteilt sind, würde ein Staubkorn jedoch nur eine gleichmäßige Verringerung der Intensität verursachen, oder zumindest gleichmäßiger als in der Vorrichtung aus 1A.
Die zuvor besprochenen Geräte bestehen aus einem Emitter-Array, wie z. B. Array 114, wobei der Abstand zwischen den Emittern im Emitter-Array konstant ist und die Mikrolinsen in Bezug auf die zentrale Lichtaustrittsachse der Emitter versetzt sind. Alternativ können die Mikrolinsen gleichmäßig verteilt sein, während die Emitter in Bezug auf die zentrale optische Achse der Mikrolinsen versetzt sind. Alternativ haben sowohl das Emitter-Array als auch das Mikrolinsen-Array einen Array-Abstand, der nicht konstant ist, während der relative Versatz zwischen der zentralen Lichtemissionsachse jedes Emitters relativ zur optischen Achse jeder Mikrolinse so gewählt wird, dass das gewünschte Strahlprofil erreicht wird.
In ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein Array von Mikrolinsen verwendet. In der Ausführungsform wird anstelle des Arrays von Mikrolinsen ein Array von Mikroprismen verwendet. Der Ausdruck „Mikroprismen“ wird verwendet, um darauf hinzuweisen, dass die Prismen ähnliche Abmessungen haben wie die Emitter, wie z. B. VCSELs. Das von den Emittern emittierte Licht tritt durch eine erste Fläche der Prismen in die Mikroprismen ein und verlässt die Prismen durch eine gegenüberliegende Fläche in einem Winkel größer 0 bezüglich der Emissionsrichtung der Emitter. Das Licht wird an den Grenzflächen, die von der ersten und zweiten Oberfläche gebildet werden, gebrochen. Die Brechung wird durch die relativen Brechungsindizes des Prismenmaterials und des angrenzenden Materials sowie durch den Winkel zwischen den Prismenflächen bestimmt. In einer Ausführungsform haben verschiedene Prismen unterschiedliche Winkel zwischen den Oberflächen, so dass das Licht in unterschiedliche Richtungen gebrochen wird. Ein Vorteil der Verwendung von Prismen ist, dass die Position der Prismen in der Ebene senkrecht zur Hauptemissionsachse der Lichtsender nicht kritisch ist, solange das Licht in das Prisma eintritt. Die Prismen können auch groß genug sein, um mehrere benachbarte Emitter abzudecken, wobei das Licht von jedem der mehreren benachbarten Emitter in dieselbe Richtung gebrochen wird. zeigt eine Ausführungsform mit einem einzelnen Prisma 1401, das für jeden Emitter angeordnet ist. Jedes der zuvor im Zusammenhang mit Mikrolinsen diskutierten Beispiele für die Strahlformung kann auch mit den Mikroprismen realisiert werden. Diese Ausführungsform wird vorzugsweise mit rückseitenbeleuchteten VSCEL-Arrays realisiert.
Abb, 12 zeigt eine ähnliche Anordnung wie in , jedoch sind die Prismen durch Meta-Strukturen, auch Meta-Flächen genannt, ersetzt, die den gleichen optischen Effekt wie die Prismen erzielen. Die Meta-Flächen können in einem GaAs-Substrat oder einer aSi-Schicht auf dem GaAs-Substrat gebildet werden. Die Phasenfunktion kann in der Meta-Oberfläche mit hoher Genauigkeit kodiert werden. Meta-Oberflächen sind nanostrukturierte Grenzflächen mit einer Dicke, die kleiner ist als die Wellenlänge des emittierten Lichts, wobei durch eine räumliche Anordnung von Meta-Strukturen der Prismeneffekt erreicht wird. Es ist dem Fachmann bekannt, wie man eine Meta-Oberfläche herstellt, die die optischen Eigenschaften einer Linse oder eines Prismas hat.
Die Erfindung kann auch durch die folgenden nummerierten Klauseln beschrieben werden:

Klausel 1: Eine Vorrichtung, die folgendes umfasst: eine Beleuchtungsvorrichtung zum Emittieren eines Beleuchtungsstrahls, wobei die Beleuchtungsvorrichtung folgendes umfasst: ein Emitterarray, das mehrere Lichtemitter umfasst; und ein Mikrolinsenarray (MLA), das mehrere Mikrolinsen umfasst, wobei das MLA so positioniert ist, dass es Licht empfängt, das von dem Emitterarray emittiert wird, wobei Licht von dem MLA den Beleuchtungsstrahl bildet, wobei ein erster Bereich des MLA von dem Emitterarray um einen ersten Versatzbetrag versetzt ist und ein zweiter Bereich des MLA von dem Emitterarray um einen zweiten Versatzbetrag versetzt ist, der sich von dem ersten Versatzbetrag unterscheidet.
Klausel 2. Die Vorrichtung nach Satz 1, bei der die Lichtemitter oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSELs) umfassen.
Klausel 3. Die Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Klauseln, umfassend: ein Substrat, wobei die Emitteranordnung in einer Emissionsschicht des Substrats ausgebildet ist; und eine optische Schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die MLA in der optischen Schicht ausgebildet ist.
Klausel 4. Die Vorrichtung nach Satz 3, bei der die optische Schicht auf der Emissionsschicht des Substrats angeordnet ist.
Klausel 5. Die Vorrichtung nach Klausel 3 oder 4, bei der die optische Schicht einen epitaktischen Halbleiter umfasst.
Klausel 6. Die Vorrichtung nach einem der Paragraphen 3 bis 5, bei der die optische Schicht einen Polymerfilm umfasst.
Klausel 7. Die Vorrichtung nach einer der Klauseln 3 bis 6, bei der sich die Emissionsschicht auf einer ersten Oberfläche des Substrats befindet, und bei der die optische Schicht auf einer zweiten Oberfläche des Substrats gegenüber der ersten Oberfläche angeordnet ist.
Klausel 8. Die Vorrichtung nach Klausel 7, bei der das Substrat zumindest teilweise transparent für das von der Emitteranordnung emittierte Licht ist.
Klausel 9. Die Vorrichtung nach einem der Paragraphen 3 bis 8, bei der die optische Schicht einen Brechungsindex von mindestens 1,5 aufweist.
Klausel 10. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Paragraphen, bei der jeder Lichtsender einen einzelnen Lichtstrahl aussendet und bei der eine Divergenz des Beleuchtungsstrahls größer ist als eine Divergenz jedes der einzelnen von den Lichtsendern ausgesendeten Lichtstrahlen.
Klausel 11. Die Vorrichtung nach Klausel 10, bei der die Divergenz des Beleuchtungsstrahls zwischen etwa 20° und etwa 180° liegt.
Klausel 12. Die Vorrichtung nach Klausel 11, bei der die Divergenz des Beleuchtungsstrahls zwischen etwa 60° und etwa 70° liegt.
Klausel 13. Die Vorrichtung nach einem der Paragraphen 10 bis 12, bei der die Divergenz des Beleuchtungsstrahls in einer ersten Richtung anders ist als die Divergenz des Beleuchtungsstrahls in einer zweiten Richtung.
Klausel 14. Die Vorrichtung nach Klausel 13, bei der die Divergenz des Beleuchtungsstrahls in der ersten Richtung zwischen etwa 50° und etwa 60° und die Divergenz des Beleuchtungsstrahls in der zweiten Richtung zwischen etwa 60° und etwa 70° liegt.
Klausel 15. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Paragraphen, bei der jede der Mikrolinsen einen entsprechenden der Lichtemitter zumindest teilweise überlappt.
Klausel 16. Die Vorrichtung nach Klausel 15, bei der jede der Mikrolinsen mehrere entsprechende Lichtemitter zumindest teilweise überlappt.
Klausel 17. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Paragraphen, bei der mindestens eine der Mikrolinsen so konfiguriert ist, dass sie das von einem entsprechenden Lichtsender empfangene Licht ablenkt.
Klausel 18. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Paragraphen, bei der jeder Bereich des MLA so positioniert ist, dass er Licht von einer entsprechenden Untergruppe der Lichtemitter empfängt und einen entsprechenden Teilstrahl ausgibt, wobei ein erster Teilstrahl, der von dem ersten Bereich des MLA ausgegeben wird, einen anderen Ablenkungswinkel hat als ein zweiter Teilstrahl, der von dem zweiten Bereich des MLA ausgegeben wird.
Klausel 19. Vorrichtung nach Klausel 18, bei der der erste und der zweite Bereich des MLA so positioniert sind, dass sich der erste Teilstrahl mit dem zweiten Teilstrahl an den Punkten der vollen Breite bei halbem Maximum (FWHM) des ersten und des zweiten Teilstrahls überlappt.
Klausel 20. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Paragraphen, bei der die Beleuchtungsvorrichtung eine Beleuchtungsvorrichtung eines mobilen Computergeräts umfasst.
Klausel 21. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Paragraphen, bei der die Beleuchtungsvorrichtung eine LIDAR-Vorrichtung umfasst.
Klausel 22. Die Vorrichtung nach Klausel 21, bei der die Vorrichtung ein Fahrzeug umfasst und die Beleuchtungsvorrichtung eine LIDAR-Vorrichtung für das Fahrzeug umfasst.
Klausel 23. Die Vorrichtung nach Klausel 21 oder 22, bei der die LIDAR-Vorrichtung eine Komponente eines dreidimensionalen Kartierungssystems umfasst.
Klausel 24. Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung, umfassend: Ausbilden einer Emitteranordnung in einer Emissionsschicht eines Substrats, wobei die Emitteranordnung mehrere Lichtemitter umfasst; und Ausbilden einer optischen Schicht auf dem Substrat, einschließlich des Ausbildens einer MLA, die mehrere Mikrolinsen in der optischen Schicht umfasst, wobei das Ausbilden der MLA das Ausbilden der MLA derart umfasst, dass ein erster Bereich der MLA von der Emitteranordnung um einen ersten Versatzbetrag versetzt ist und ein zweiter Bereich der MLA von der Emitteranordnung um einen zweiten Versatzbetrag versetzt ist, der sich von dem ersten Versatzbetrag unterscheidet.
Klausel 25. Verfahren nach Klausel 24, bei dem das Ausbilden der optischen Schicht auf dem Substrat umfasst: Abscheiden der optischen Schicht auf dem Substrat; und Ausbilden des MLA in der abgeschiedenen optischen Schicht.
Klausel 26. Verfahren nach Klausel 25, bei dem das Aufbringen der optischen Schicht auf das Substrat das Aufbringen eines Polymerfilms auf das Substrat umfasst.
Klausel 27. Verfahren nach Klausel 26, bei dem das Aufbringen eines Polymerfilms auf das Substrat das Aufbringen eines Polymerfilms mit einem Brechungsindex von mindestens 1,5 umfasst.
Klausel 28. Verfahren nach einer der Klauseln 24 bis 27, bei dem das Ausbilden der optischen Schicht auf dem Substrat folgendes umfasst: epitaktisches Aufwachsen der optischen Schicht auf dem Substrat; und Ausbilden des MLA in der epitaktisch aufgewachsenen optischen Schicht.
Klausel 29. Das Verfahren nach einer der Klauseln 24 bis 28, bei dem das Bilden der optischen Schicht auf dem Substrat das Bilden der optischen Schicht auf der Emissionsschicht des Substrats umfasst.
Klausel 30. Verfahren nach einer der Klauseln 24 bis 29, bei dem sich die Emissionsschicht auf einer ersten Oberfläche des Substrats befindet und bei dem das Bilden der optischen Schicht auf dem Substrat das Bilden der optischen Schicht auf einer zweiten Oberfläche des Substrats gegenüber der ersten Oberfläche umfasst.
Klausel 31. Verfahren nach einem der Paragraphen 24 bis 30, bei dem das Ausbilden des MLA das Ausbilden des MLA derart umfasst, dass jede der Mikrolinsen einen entsprechenden der Lichtemitter zumindest teilweise überlappt.
Klausel 32. Das Verfahren nach einer der Klauseln 24 bis 31, bei dem das Bilden des Emitterarrays und des MLA das Bilden des Emitterarrays und des MLA unter Verwendung von Halbleiterherstellungsprozessen umfasst.
Klausel 33. Verfahren zum Erzeugen eines Beleuchtungsstrahls, umfassend: Emittieren von Licht von jedem von mehreren Lichtemittern in einem Emitterarray; Empfangen von Licht von einer ersten Teilmenge der Lichtemitter in einem ersten Bereich eines MLA, der mehrere Mikrolinsen umfasst, und Ausgeben eines ersten Teilstrahls mit einem ersten Ablenkungswinkel; Empfangen von Licht von einer zweiten Teilmenge der Lichtemitter in einem zweiten Bereich des MLA und Ausgeben eines zweiten Teilstrahls mit einem zweiten Ablenkungswinkel, der sich von dem ersten Ablenkungswinkel unterscheidet; und Kombinieren des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls zum Erzeugen des Beleuchtungsstrahls.
Klausel 34. Verfahren nach Klausel 33, bei dem jeder Lichtemitter einen einzelnen Lichtstrahl aussendet, und bei dem eine Divergenz des Beleuchtungsstrahls größer ist als eine Divergenz jedes der einzelnen von den Lichtemittern ausgesandten Lichtstrahlen.
Klausel 35. Verfahren nach Klausel 34, bei dem die Divergenz des Beleuchtungsstrahls zwischen etwa 20° und etwa 180° liegt.
Klausel 36. Die Vorrichtung nach Klausel 34 oder 35, bei der die Divergenz des Beleuchtungsstrahls in einer ersten Richtung anders ist als die Divergenz des Beleuchtungsstrahls in einer zweiten Richtung.
Klausel 37. Das Verfahren nach einem der Paragraphen 33 bis 36, bei dem der Beleuchtungsstrahl einen Beleuchtungsstrahl eines mobilen Computergeräts umfasst.
Klausel 38. Das Verfahren nach einem der Paragraphen 33 bis 37, bei dem der Beleuchtungsstrahl einen Beleuchtungsstrahl einer LIDAR-Vorrichtung umfasst. Klausel 39. 3-D-Abbildungssystem, umfassend: eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei die Beleuchtungsvorrichtung so konfiguriert ist, dass sie ein Objekt mit einem Lichtmuster beleuchtet; einen Sensor, der so konfiguriert ist, dass er von dem beleuchteten Objekt reflektiertes Licht empfängt; und eine oder mehrere Rechenvorrichtungen, die so konfiguriert sind, dass sie eine 3-D-Form des Objekts auf der Grundlage des reflektierten Lichts bestimmen.
Klausel 40. Das 3-D-Abbildungssystem nach Klausel 39, bei dem der Sensor eine Kamera umfasst.
Klausel 41. Das 3-D-Bildgebungssystem nach Klausel 39 oder 40, bei dem die eine oder mehrere Rechenvorrichtungen so konfiguriert sind, dass sie eine 3-D-Abbildung eines Bereichs auf der Grundlage des reflektierten Lichts bestimmen.
Klausel 42. Das 3D-Bildgebungssystem nach einem der Paragraphen 39 bis 41, bei dem die eine oder mehrere Rechenvorrichtungen so konfiguriert sind, dass sie einen Gesichtserkennungsprozess auf der Grundlage der ermittelten 3D-Form des Objekts durchführen.

Es wurde eine Reihe von Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu sprengen. Zum Beispiel können einige der oben beschriebenen Schritte unabhängig von der Reihenfolge sein und können daher in einer anderen Reihenfolge als der beschriebenen durchgeführt werden.
Andere Implementierungen liegen ebenfalls im Rahmen der folgenden Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/735367 [0001]

Claims

Eine Vorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Beleuchtungsvorrichtung zum Emittieren eines Beleuchtungsstrahls, wobei die Beleuchtungsvorrichtung umfasst: ein Emitter-Array mit mehreren Lichtemittern; und ein Meta-Struktur- oder Mikroprismen-Array, das mehrere Transmissionsbereiche umfasst, wobei die Meta-Struktur aus Mikroprismen so positioniert ist, dass sie von dem Emitter-Array emittiertes Licht empfängt, wobei das Licht von der Meta-Struktur aus Mikroprismen den Beleuchtungsstrahl bildet, bei dem ein erster der mehreren Übertragungsbereiche so angeordnet ist, dass er Licht in eine andere Richtung emittiert als ein zweiter der mehreren Übertragungsbereiche.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Lichtemitter Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser (VCSEL) umfassen.
Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: einem Substrat, wobei die Emitteranordnung in einer Emissionsschicht des Substrats ausgebildet ist; und eine optische Schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die Meta-Struktur oder das Mikro-Prismen-Array in der optischen Schicht ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die optische Schicht auf der Emissionsschicht des Substrats angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die optische Schicht einen epitaktischen Halbleiter umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der die optische Schicht eine Polymerfolie umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der sich die Emissionsschicht auf einer ersten Oberfläche des Substrats befindet, und bei der die optische Schicht auf einer zweiten Oberfläche des Substrats gegenüber der ersten Oberfläche angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der das Substrat für das von dem Emitter-Array emittierte Licht zumindest teilweise transparent ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei der die optische Schicht einen Brechungsindex von mindestens 1,5 aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder Lichtsender einen einzelnen Lichtstrahl aussendet und bei der eine Divergenz des Beleuchtungsstrahls größer ist als eine Divergenz jedes der von den Lichtsendern ausgesandten einzelnen Lichtstrahlen.
Die Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Divergenz des Beleuchtungsstrahls zwischen etwa 20° und etwa 180° liegt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Divergenz des Beleuchtungsstrahls zwischen etwa 60° und etwa 70° liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die Divergenz des Beleuchtungsstrahls in einer ersten Richtung anders ist als die Divergenz des Beleuchtungsstrahls in einer zweiten Richtung.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Divergenz des Beleuchtungsstrahls in der ersten Richtung zwischen etwa 50° und etwa 60° liegt und die Divergenz des Beleuchtungsstrahls in der zweiten Richtung zwischen etwa 60° und etwa 70° liegt.
Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedes der Mikroprismen oder Metastrukturen einen entsprechenden der Lichtemitter zumindest teilweise überlappt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der jedes der Mikroprismen oder Metastrukturen mehrere entsprechende Lichtemitter zumindest teilweise überlappt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eines der Mikroprismen oder Metastrukturen so konfiguriert ist, dass es das von einem entsprechenden Lichtsender empfangene Licht ablenkt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder Bereich der Mikroprismen oder Metastrukturen so positioniert ist, dass er Licht von einer entsprechenden Untergruppe der Lichtemitter empfängt und einen entsprechenden Teilstrahl ausgibt, wobei ein erster Teilstrahl, der von dem ersten Bereich der Mikroprismen oder Metastrukturen ausgegeben wird, einen anderen Ablenkungswinkel hat als ein zweiter Teilstrahl, der von dem zweiten Bereich der Mikroprismen oder Metastrukturen MLA ausgegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die ersten und zweiten Bereiche der Mikroprismen oder Metastrukturen so positioniert sind, dass sich der erste Teilstrahl mit dem zweiten Teilstrahl an den FWHM-Punkten (Full Width at Half Maximum) des ersten und zweiten Teilstrahls überlappt.
Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Beleuchtungseinrichtung eine Beleuchtungseinrichtung eines mobilen Computergeräts umfasst.
Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Beleuchtungseinrichtung eine LIDAR-Einrichtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Vorrichtung ein Fahrzeug umfasst und die Beleuchtungseinrichtung eine LIDAR-Einrichtung für das Fahrzeug umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, bei der die LIDAR-Vorrichtung eine Komponente eines dreidimensionalen Kartierungssystems umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung, umfassend: Bilden einer Emitteranordnung in einer Emissionsschicht eines Substrats, wobei die Emitteranordnung mehrere Lichtemitter umfasst; und Ausbilden einer optischen Schicht auf dem Substrat, einschließlich des Ausbildens einer Mikroprismenanordnung oder von Metastrukturen in der optischen Schicht, bei dem ein erster der mehreren Übertragungsbereiche so angeordnet ist, dass er Licht in eine andere Richtung emittiert als ein zweiter der mehreren Übertragungs bereiche.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das Ausbilden der optischen Schicht auf dem Substrat umfasst: Ablagerung der optischen Schicht auf dem Substrat; und Ausbilden des Mikroprismenfeldes oder von Metastrukturen in der abgeschiedenen optischen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem das Abscheiden der optischen Schicht auf dem Substrat das Abscheiden eines Polymerfilms auf dem Substrat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem das Aufbringen eines Polymerfilms auf das Substrat das Aufbringen eines Polymerfilms mit einem Brechungsindex von mindestens 1,5 umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem das Ausbilden der optischen Schicht auf dem Substrat umfasst: epitaktisches Aufwachsen der optischen Schicht auf dem Substrat; und Bildung der Mikrostrukturen oder Mikroprismen in der epitaktisch gewachsenen optischen Schicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, bei dem das Bilden der optischen Schicht auf dem Substrat das Bilden der optischen Schicht auf der Emissionsschicht des Substrats umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, bei dem sich die Emissionsschicht auf einer ersten Oberfläche des Substrats befindet, und bei dem das Bilden der optischen Schicht auf dem Substrat das Bilden der optischen Schicht auf einer zweiten Oberfläche des Substrats gegenüber der ersten Oberfläche umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, bei dem das Ausbilden der Mikrostrukturen oder Mikroprismen das Ausbilden der MLA derart umfasst, dass jede der Mikrostrukturen oder Mikroprismen einen entsprechenden der Lichtemitter zumindest teilweise überlappt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31, bei dem das Ausbilden des Emitterarrays und der Mikrostrukturen oder Mikroprismen das Ausbilden des Emitterarrays und der Mikrostrukturen oder Mikroprismen unter Verwendung von Halbleiterherstellungsprozessen umfasst.
Verfahren zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahls, umfassend: Emittieren von Licht von jedem von mehreren Lichtemittern in einem Emitter-Array; in einem ersten Bereich eines Arrays von Mikrostrukturen oder Mikroprismen , Empfangen von Licht von einer ersten Teilmenge der Lichtsender und Ausgeben eines ersten Teilstrahls mit einem ersten Ablenkwinkel; in einem zweiten Bereich der Mikrostrukturen oder Mikroprismen, Empfangen von Licht von einer zweiten Untergruppe der Lichtemitter und Ausgeben eines zweiten Teilstrahls mit einem zweiten Ablenkwinkel, der sich von dem ersten Ablenkwinkel unterscheidet; und Kombinieren des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls zur Erzeugung des Beleuchtungsstrahls.
Verfahren nach Anspruch 33, bei dem jeder Lichtemitter einen einzelnen Lichtstrahl aussendet, und bei dem eine Divergenz des Beleuchtungsstrahls größer ist als eine Divergenz jedes der einzelnen von den Lichtemittern ausgesandten Lichtstrahlen.
Verfahren nach Anspruch 34, bei dem die Divergenz des Beleuchtungsstrahls zwischen etwa 20° und etwa 180° liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 34 oder 35, bei der die Divergenz des Beleuchtungsstrahls in einer ersten Richtung anders ist als die Divergenz des Beleuchtungsstrahls in einer zweiten Richtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, bei dem der Beleuchtungsstrahl einen Beleuchtungsstrahl eines mobilen Computergeräts umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 37, bei dem der Beleuchtungsstrahl einen Beleuchtungsstrahl eines LIDAR-Geräts umfasst.
Ein 3-D-Abbildungssystem, das Folgendes umfasst: eine Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei die Beleuchtungsvorrichtung so konfiguriert ist, dass sie ein Objekt mit einem Lichtmuster beleuchtet; einen Sensor, der so konfiguriert ist, dass er vom beleuchteten Objekt reflektiertes Licht empfängt; und eine oder mehrere Rechenvorrichtungen, die so konfiguriert sind, dass sie eine 3-D-Form des Objekts basierend auf dem reflektierten Licht bestimmen.
Das 3-D-Bildgebungssystem nach Anspruch 39, bei dem der Sensor eine Kamera umfasst.
3-D-Bildgebungssystem nach Anspruch 39 oder 40, bei dem die eine oder mehrere Rechenvorrichtungen so konfiguriert sind, dass sie auf der Grundlage des reflektierten Lichts eine 3-D-Abbildung eines Bereichs bestimmen.
3-D-Bildgebungssystem nach einem der Ansprüche 39 bis 41, bei dem die eine oder mehrere Rechenvorrichtungen so konfiguriert sind, dass sie einen Gesichtserkennungsprozess auf der Grundlage der ermittelten 3-D-Form des Objekts durchführen.