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2024年12月30日

）‌紧凑型结构光投影仪可以使用超表面光学元件（metasurface optical elements/MOE）来将光源阵列发出的每个光束分成多个子光束，并将光束投射到目标以形成点图案。为了探测从图案中具有足够信噪比的点返辐射，阵列中的发射器发射需要具有高光功率的光束。

然而，高功率光束集中在MOE的一小块区域或其上的任何后续层，这可能会损坏MOE或其中任何一层，以及传输相关光束的任何其他相邻元件。所以在结构光投影仪中，需要降低MOE的辐照度，同时继续保持较高的总体信噪比。

在一份专利申请中，
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提出使用包含多个光学孔径和多个发射器阵列的MOE来解决这一问题。其中，每个发射器阵列向MOE各自的光学孔径发射光束，从而将其分散到较大的表面积之上。

在一个实施例中，专利描述的光电设备包括半导体衬底、设置在半导体衬底之上并发射光辐射光束的多个发射器阵列、安装在半导体衬底之上的光学衬底和包含设置在光学衬底之上的多个光学孔径的MOE。

每个光学孔径接收、准直并将由各自的发射器阵列发射的光束分成各自的准直子光束组。MOE将准直的子光束以不同的角度指向目标，在目标上形成点图案。发射光束的power分布在MOE的多个光学孔径，从而减少MOE的辐照度。这防止了对MOE及其上任何后续层的损坏。

在一个实施例中，所述装置同时包括多个微透镜。每个微透镜阵列与各自的发射器阵列对齐，并将阵列发射的光束投射到MOE的各自光学孔径之上。微透镜的使用通过将半导体表面之上的发射极阵列设计与MOE设计解耦。这减轻了设备设计的限制，从而允许设计尺寸更小且成本更低的发射极阵列。

在另外的实施例中，类似的布置用于将泛光照明投射到目标。

图1A示出光电设备100，图1B是由远场点图案的正面示意图。

设备100包括点投影仪106和控制器108。投影仪106包括半导体衬底110，其上安装有六角形III-V半导体die 116a、116b、116c、116d、116e、116f和116g。die 116a-116c包括光辐射发射器的各自阵列112a、112b和112c，例如垂直腔表面发射激光器VCSEL 114。

在实施例中，半导体衬底110包括硅（Si）衬底，III-V半导体die 116a-116g包括GaAs（砷化镓）。GaAs die116a-116g以VCSEL-on-silicon （VoS）结构安装在Si衬底110之上，其中硅衬底包括用于VCSEL的驱动和控制电路。每个GaAs die 116a-116g的宽度为260 μm，厚度为110 μm，相邻die之间的间距为1mm。

投影仪106同时包括MOE 120， MOE 120包括设置在光学衬底124之上的光学超表面122。光学超表面122包括光学孔126a-126g，其与各自的GaAs die 116a-116g对齐。所以，光学孔径将具有孔径内MOE的光学特性。

126a-126g的光学孔径直径为1mm，从而为VCSEL 114的光辐射入射光束提供足够的表面积，以避免MOE 120的潜在高破坏性辐照度。

为了在目标104上投射光点102的图案（如图1B所示），控制器108驱动阵列112a-112c中的VCSEL 114发射光辐射光束，分别由各自的主射线130a、130b和130c表示。

光束通过微透镜折射并撞击到各自的光学孔126a-126c，而光学孔将光束分裂、倾斜和准直为子光束132a、132b和132c，并将其指向目标104，使得GaAs die 116a-116g的投影图像以交错的方式平铺在目标之上，如图1B所示。

紧凑和高效的平铺是由die 116a-116g的六角形实现。在可选实施例中，其他形状可用于die和VCSEL阵列，从而实现具有不同程度紧凑性和效率的平铺。

图2A是光电设备200的示意图侧面视图，图2B是由远场图案的示意图，图2C是泛光照明206的示意图。

设备200包括组合的点投影仪和泛光投影仪208和控制器210。投影仪208包括硅衬底212，其上安装了两组六角形GaAs die。第一组包括7个die 214a、214b、214c、214d、214e、214f、214g。第二组同样包括七个die 216a、216b、216c、216d、216e、216f和216g。

投影仪208同时包括与MOE 120类似的MOE 228（图1A）， MOE 228包括设置在光学衬底232之上的光学超表面230，并具有焦平面233。光学超表面230包括光学孔234a、234b、234c、234d、234e、234f和234g，它们与各自的GaAs die214a-214g对齐，并以与插图128中所示的光学孔126a-126g相似的配置布置。

本例中光学孔径234a-234g的直径为1mm，所以提供了足够的表面积来避免由VCSEL 220和224发射的光辐射光束对MOE 228或MOE以上的后续层产生潜在的高破坏性辐照。

本实施例中的GaAs die 214a-214g减薄，例如厚度为90 μm，并且die的顶表面位于MOE 228的焦平面233。所以，VCSEL 220发射的光辐射光束，以VCSEL阵列218a中的VCSEL从顶面238a发射的主射线236a为代表，经MOE 228的孔径234a倾斜、分裂并准直为子光束240a，并在目标204形成离散点202。

然而，216a-216g GaAs die的厚度更大，例如250 μm，从而取代了它们各自的顶面与焦平面233的距离。例如，222a阵列的VCSELs 224从顶面242a发射的以主射线244a为代表的光束，经MOE 228的孔径234a分裂、倾斜和离焦为发散的子光束246a，在目标204形成的点248模糊。这种模糊与VCSEL阵列222a中密集的VCSEL 224相结合，使得目标由均匀的泛光照明206照亮。

图3A是光电设备300的示意性侧面视图，图3B是远场图案的示意性。

设备300包括点投影仪306和类似于控制器108的控制器308（图1A）。投影仪306同时包括MOE 316，其包括设置在光学衬底320之上的光学超表面318。光学超表面318包括光学孔322a、322b、322c和322d，其与各自的GaAs die 312a-312d对齐。

光学孔径322a-322d的直径为1.66 mm，从而为来自VCSEL 313的光辐射光束的撞击提供了足够的表面积，从而避免了MOE 316或MOE以上后续层的潜在高破坏性辐照度。

在控制器308的驱动下，VCSEL 314a-314d阵列中的VCSEL 313发射光辐射光束。阵列314a和314c发射的光束由它们各自的主射线326a和326c示意。以主射线326a和326c为代表的光束分别照射在各自的光学孔径322a和322c之上，经光学孔径322a和322c准直、倾斜并分裂成各自的子光束332a和332c，并将其指向目标304，以各自的点图案328a和328c照射目标。

分别由VCSELs 313a和313c发射的边缘射线330a和330c表示光束的准直。由VCSEL阵列314b和314d发射的光束在目标304形成各自的点图案328b和328d。

图3B示出点图案328a-328d，它们各自的边缘接触但重叠最小。根据目标304与投影仪306的距离，点图案328a-328d可能完全分开或在其边缘重叠。由来自各自的、不同的发射器阵列的光束形成的点图328a-328d因而照亮目标304的基本分开区域。

图4A是光电设备400的侧面视图，图4B是远场图案的示意图。

设备400包括点投影仪406和类似于控制器108的控制器408（图1A）。GaAs die411包括7个六边形截面412a、412b、412c、412d、412e、412f和412g。VCSEL阵列414a-414c全部配置在单个小型GaAs die 411之上，而不是配置在多个die之上。使用单个GaAs die通常需要比使用多个die更明显的光束转向（比较图4和图1A中的光束路径可以看出）。

微透镜阵列422蚀刻在GaAs die 411的上侧面420。微透镜阵列422包括微透镜424，其中每个微透镜包括倾斜的环形面，并与各自的VCSEL阵列对齐。微透镜424设计用于折射VCSELS 416发射的光辐射光束，以满足单die实现的光束导向要求。典型的微透镜垂度约为1 μm，最大垂度为5 μm，每个微透镜的直径通常为15 μm。

投影仪406同时包括MOE 426， MOE 426包括设置在光学衬底430之上的光学超表面428。光学超表面428包括光学孔径432a、432b、432c、432d、432e、432f和432g。

在控制器408的驱动下，VCSEL阵列414a-414c中的VCSEL 416分别通过GaAs die 411发射出各自的光辐射光束，其主射线分别为436a、436b和436c。以主射线436a-436c为代表的光束经微透镜阵列422折射后，从GaAs die 411的小区域向各自的光学孔432a-432c投射为发散光束。

发散光束撞击各自的光学孔径432a-432c，光学孔径对光束进行准直、倾斜并将光束分裂成子光束440a、440b和440c，并将其指向目标404。

设计微透镜阵列422和MOE 426，使得VCSELs 416发射的光辐射光束以412a-412g部分图像的重复和交错图案照射目标404。

图5A是光电设备500的侧面视图，图5B是远场图案的示意图，图5C是泛光照明506的示意图

设备500包括一个点投影仪508和一个泛光投影仪510，它们共享一个公共硅衬底512和一个控制器514。

点投影仪508包括安装在硅衬底512之上的GaAs die 516。die 516类似于die 411（图4A），由七个六边形截面组成。点投影仪508同时包括MOE 522， MOE 522包括设置在光学衬底526之上的光学超表面524。

530a-530g光学孔用于准直GaAs die 516中VCSEL 517发射的光辐射光束，并由微透镜阵列520引导。当控制器514驱动GaAs die 516中的VCSEL 517时，发射的光束裂开、倾斜并准直为各自的子光束531a、531b和531c，指向目标504，同时以光斑502照射目标。

泛光投影仪510包括安装在硅衬底512上的GaAs die 532。die 532包括534a、534b、534c、534d、534e、534f和534g七个六边形截面。

泛光投影仪510同时包括MOE 544， MOE 544包括光学衬底548之上的光学超表面546。如图528所示，MOE 544包括光学超表面546内的光学孔径550a-550g。光学孔550a-550g的设计不是为了准直VCSELs 538发射的光束，而是令它们发散。

光束经微透镜阵列542折射成发散光束，以主射线552a-552c为代表，分别指向各自的光学孔550a-550c。光学孔径550a-550c将光束分开并倾斜，作为分别发散的子光束556a、556b和556c指向目标504，从而以密集模糊重叠的点554照射目标，以形成泛光照明506。

在本例中，光学孔径550a-550g以及光学孔径550a-550c的直径通常为1mm，从而为入射光束提供足够大的区域，以避免对MOE造成损坏。

图6是光电设备600的示意图侧视图。设备600包括点投影仪602和泛光投影仪604，以及控制器610。

MOE 608包括设置在光学衬底614之上的光学超表面612。MOE 608的所有12个光学孔径616a-6161具有相同的焦距，所以有一个共同的焦平面619。

当控制器610驱动VCSEL 622时，发射光束经微透镜阵列626折射成主射线627a、627b和627c表示的光束。微透镜阵列626将光束指向各自的光学孔径616a-孔径616a、616b和616c。与图4A中的436a-436c光束类似，616c对入射光束进行准直、倾斜并将其分裂为各自的子光束621a、621b、621c，将其指向目标，以光斑图案照射目标（图中未示出）。

泛光投影仪604包括GaAs die 628。当控制器610驱动VCSEL 632时，发射光束经微透镜阵列636折射成主射线638d、638h和638l表示的光束。微透镜阵列636将光束指向各自的光学孔616d、616h和616i。光学孔径616d， 616h，和616i将光束倾斜和分裂成各自的子光束642d， 642h，和642i，但不准直。

这样，通过光学孔径616d、616h和616i射向目标的光束就会发散，并以散焦（模糊）斑点照射目标。由于除了模糊之外，斑点来自VCSEL 632的密集阵列，所以目标受到均匀而广泛的泛光照明，类似于泛光照明506（图5C）。

相关专利

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Apple Patent | Pattern projector

名为“Pattern projector”的苹果专利申请最初在2023年5月提交，并在日前由美国专利商标局公布。