包括窄光束发散半导体源的结构化光投射系统技术方案

包括窄光束发散半导体源的结构化光投射系统。结构化光投射器系统包括：窄光束发散半导体源阵列；以及投射透镜，其可操作以产生窄光束发散半导体源阵列的图像。窄光束发散半导体源中的每个可包括延伸长度镜，其有助于抑制或多个纵向模式和/或横向模式，以使得光束发散和/或发射光谱宽度大体上减小。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括窄光束发散半导体源的结构化光投射系统相关申请的交叉引用本申请要求于2017年12月28日提交的美国临时专利申请号62/611,159的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本公开涉及窄光束发散半导体源及它们到结构化光投射系统中的合并。
技术介绍
结构化光投射系统可用于例如获得场景中物体的深度及表面信息。这种系统有时使用诸如垂直腔面射型激光器(VCSEL)的发光装置。垂直腔面射型激光器(VCSEL)是可以例如从其顶面垂直发射高效率光束的基于半导体的激光器二极管。在VCSEL中，通常需要高反射率镜。高反射率镜可实施为例如由半导体或介电材料制成的分布式布拉格反射器(DBR)(例如交替高折射率及低折射率的四分之一的波厚层)。为了使用合理的层数来实现高反射率，提供了高对比折射率(例如高对比度DBR)。然而，使用高对比度DBR可能会产生宽阻带且在具有长内部单体腔的VCSEL的情况下，这会允许多个纵向模式产生激光。在一些应用中，纵向模式可能会引起不期望或不稳定的操作(例如，在功率-电流曲线图中的“弯折”；模式跳跃)。
技术实现思路
本公开描述了窄光束发散半导体源及它们到结构化光投射系统中的合并。例如，在一个方面中，一种结构化光投射器包括窄光束发散半导体源阵列，阵列内的每个窄光束发散半导体源可操作以产生具有大体上窄的光束发散及大体上均匀的光束强度的光束。多个电接点可操作以将电流引导至窄光束发散半导体源阵列。投射透镜可操作以产生窄光束发散半导体源阵列的图像。每个窄光束发散半导体源可包括延伸长度镜(有时亦指称混合镜)，其可有助于抑制一个或多个纵向模式和/或横向模式，使得光束发散和/或发射光谱宽度大体上减小。一些实施方式包括以下特征的一个或多个。例如，每个窄光束发散半导体源可包括光学谐振腔，其包括具有第一侧及第二侧的高反射镜、具有第一侧及第二侧的延伸长度镜及有源区域。高反射镜及延伸长度镜可设置在有源区域的远端侧上，使得高反射镜的第一侧耦合至有源区域的第一侧且延伸长度镜的第一侧耦合至有源区域的第二侧，有源区域的第二侧与有源区域的第一侧相对。电接点可操作以将电流引导至有源区域。延伸长度镜及高反射镜可操作以抑制一个或多个纵向模式和/或横向模式。在一些实施方式中，仅一个纵向模式产生激光。阵列可包括窄光束发散半导体源的各种类型中的任何一个，其包括例如VCSEL、VECSEL、LED及RC-LED及边射型激光器，诸如下文将更详细描述的。通过以下详细描述、附图及权利要求，其他方面、特征及各种优点将变得显而易见。附图说明图1示出了顶部发射VCSEL结构的一个示例。图2示出了顶部发射VCSEL结构的另一示例。图3示出了底部发射VCSEL结构的一个示例。图4示出了VECSEL结构的一个示例。图5示出了LED结构的一个示例。图6示出了RC-LED结构的一个示例。图7示出了边射型激光器的一个示例。图8示出了结构化光投射系统的一个示例。具体实施方式本公开描述了具有低发散和/或在一些情况下可操作用于高单模式功率的VCSEL。具体地，通过组合窄频宽镜与高反射率镜来提供混合镜，使得窄频宽镜放置于激光器腔内(即，在两个高反射率镜之间)。优选地，窄频宽镜具有足够大的穿透深度以实现高阶横向模式的所需的绕射损耗，且具有足以滤除不需要的模式的窄阻带。高反射率镜的反射率本身应该不足以使激光器实现产生激光。两个镜之间应存在用于相长干涉的适当相位匹配层。设计的波长处的组合反射率(峰值反射率)足以使激光器实现产生激光s。如图1所示，顶部发射VCSEL装置100包括基板101(例如N-GaAs基板)，VCSEL结构的外延层通过例如有机金属化学气相沈积(MOCVD)或其他沈积过程在基板101上生长。VCSEL的光学谐振激光器腔由混合镜110及分布式布拉格光栅(DBR)部分反射率顶镜104形成以允许发射VCSEL光束109。可通过组合窄频宽镜112(例如低对比度N-DBR)与高反射率(例如100％)底镜102来实现混合镜110，使得窄频宽镜112放置于激光器腔内(即，在两个相对高反射率镜102、104之间)。底镜102可实施为例如高对比度N-DBR。一个或多个相位匹配层114可提供在底镜102与窄频宽镜112之间。顶镜104可实施为例如高对比度P-DBR。增益区段103(其可指代有源区段且可包括量子阱)设置在混合反射器110与顶部反射器104之间。电流孔隙106使电流受限于VCSEL装置100的中心区域中以启动量子阱来产生光学增益及产生VCSEL激光器腔中的激光器腔模式。在图1所示的顶部发射VCSEL装置中，从部分反射率顶镜104射出输出光束109。通过透过阳极电连接件107及阴极电连接件108(其可实施为例如金属接点)施加电流来启动VCSEL装置100。在混合镜110中存在的低对比度DBR增加光学谐振腔的有效长度，使得存在多个纵向模式。因此，混合镜110亦可指称延伸长度镜。由于混合镜110的有效较窄频宽，额外的、不需要的纵向模式具有比主模式高很多的往返损耗，并且因此纵向模式无法实现产生激光。因此，混合镜110及高反射镜104可操作以通过抑制一个或多个纵向模式和/或横向模式来提供模式滤波。优选地，在一些实施方式中，仅一个纵向模式产生激光。混合镜110的各种细节可取决于实施方式而变化。然而，在一个具体示例中，混合镜110可由以下层构成：低对比度N-DBR层112，其具有4μm至15μm的范围内的厚度及1％至7％的范围内的折射率差Δn/n；N-相位匹配层114，其具有四分之一的波长光学厚度及约3.5的折射率n；以及高对比度N-DBR镜102，其具有2μm至4μm的范围内的厚度及10％至20％的范围内的折射率差Δn/n。其他实施方式的一些或所有上述值可以不同。在一些情况下，延伸长度镜具有从延伸长度镜的第一侧延伸多个发射波长距离的有效穿透深度。例如，在一些情况下，延伸长度镜的有效穿透深度在46个发射波长距离至116个发射波长距离之间延伸。在一些情况下，延伸长度镜的穿透深度是在6μm至15μm之间，发射波长是在700nm至1064nm之间，且相对折射率差是在1％至7％之间。在一些情况下，高反射镜的穿透深度是在2μm至4μm之间，发射波长是在700nm至1064nm之间，且相对折射率差是在10％至20％之间。在一些情况下，高反射镜具有从高反射镜的第一侧延伸多个发射波长距离的有效穿透深度。在一些情况中，高反射镜的有效穿透深度在15个发射波长距离至30个发射波长距离之间延伸。在一些实施方式中，半峰全宽(FWHM)强度发散角小于10°。一些实施方式包括附加特征来增强操作。例如，如图2中所示，VCSEL装置包括相位匹配层122及低对比度镜112的顶部上的高对比度介电镜涂层120。上文所描述的混合镜亦可集成在底部发射VCSEL200中，如图3的示例中所示。VCSEL装置200包括基板201(例如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构化光投射器，包括：/n窄光束发散半导体源阵列，所述阵列内的每个窄光束发散半导体源可操作以产生具有大体上窄的光束发散及大体上均匀的光束强度的光束；/n多个电接点，其可操作以将电流引导至所述窄光束发散半导体源阵列；以及/n投射透镜，其可操作以产生所述窄光束发散半导体源阵列的图像。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171228 US 62/611,1591.一种结构化光投射器，包括：
窄光束发散半导体源阵列，所述阵列内的每个窄光束发散半导体源可操作以产生具有大体上窄的光束发散及大体上均匀的光束强度的光束；
多个电接点，其可操作以将电流引导至所述窄光束发散半导体源阵列；以及
投射透镜，其可操作以产生所述窄光束发散半导体源阵列的图像。


2.根据权利要求1所述的结构化光投射器，其中，所述源阵列内的每个窄光束发散半导体源包括：
光学谐振腔，其包括具有第一侧及第二侧的高反射镜、具有第一侧及第二侧的延伸长度镜，以及有源区域；
所述高反射镜及所述延伸长度镜设置在所述有源区域的远端侧上，使得所述高反射镜的所述第一侧耦合至所述有源区域的第一侧，且所述延伸长度镜的所述第一侧耦合至所述有源区域的第二侧，所述有源区域的所述第二侧与所述有源区域的所述第一侧相对；
所述光束具有发射波长；以及
所述多个电接点可操作以将电流引导至所述有源区域。


3.根据权利要求2所述的结构化光投射器，其中，每个窄光束发散半导体源内的所述延伸长度镜及所述高反射镜可操作以抑制一个或多个纵向模式和/或横向模式，以使得一个或多个纵向模式和/或横向模式产生激光。


4.根据权利要求3所述的结构化光投射器，其中，每个窄光束发散半导体源内的所述延伸长度镜及所述高反射镜可操作以使得仅一个纵向模式产生激光。


5.根据权利要求2至4中任一项所述的结构化光投射器，其中，每个窄光束发散半导体源内的所述延伸长度镜具有：
有效穿透深度，所述有效穿透深度从所述延伸长度镜的所述第一侧延伸多个发射波长距离；以及
相对的折射率差。


6.根据权利要求5所述的结构化光投射器，其中，每个窄光束发散半导体源内的所述高反射镜具有：
有效穿透深度，其从所述高反射镜的所述第一侧延伸多个发射波长距离；以及
相对的折射率差及相对的折射率差。


7.根据权利要求5所述的结构化光投射器，其中，所述延伸长度镜的所述有效穿透深度在46个发射波长距离至116个波长距离之间延伸。


8.根据权利要求6所述的结构化光投射器，其中，所述高反射镜的所述有效穿透深度在15个发射波长距离至30个发射波长距离之间延伸。


9.根据前述权利要求中任一项所述的结构化光投射器，其中，半峰全宽强度发散角小于10°。


10.根据权利要求5所述的结构化光投射器，其中，所述延伸长度镜的所述穿透深度是在6微米和15微米之间，所述发射波长是在700nm和1064nm之间，且所述相对的折射率差是在1％和7％之间。


11.根据权利要求6所述的结构化光投射器，其中，所述高反射镜的所述穿透深度是在2微米和4微米之间，所述发射波长是在700nm和1064nm之间，且所述相对的折射率差是在10％和20％之间。


12.根据前述权利要求中任一项所述的结构化光投射器，其中，所述窄光束发散半导体源中的任何一个可操作为VCSEL。


13.根据权利要求1至11中任一项所述的结构化光投射器，其中，所述窄光束发散半导体源中的任何一个可操作为RC-LED。


14.根据权利要求1至11中任一项所述的结构化光投射器，其中，所述窄光束发散半导体源中的任何一个可操作为LED。


15.根据权利要求2至14中任一项所述的结构化光投射器，其中，所述窄光束发散半导体源中的任何一个的所述高反射镜还包括补充延伸长度镜，所述补充延伸长度镜具有大体上与所述高反射镜的所述第一侧重合的第一侧，所述补充延伸长度镜具有有效穿透深度，所述有效穿透深度从所述补充延伸长度镜的所述第一侧延伸多个发射波长距离，所述补充延伸长度镜具有相对的折射率差。


16.根据前述权利要求中任一项所述的结构化光投射器，其中，所述窄光束发散半导体源相对于彼此被布置在非规则布局中。


17.根据权利要求15所述的结构化光投射器，其中，所述窄光束发散半导体源中的任何一个的所述补充延伸长度镜的所述有效穿透深度延伸至少46个发射波长距离。


18.根据权利要求15所述的结构化光投射器，其中，所述窄光束发散半导体源中的任何一个的所述补充延伸长度镜的所述有效穿透深度延伸少于116个发射波长距离。


19.根据权利要求14所述的结构化光投射器，其中，所述窄光束发散半导体源中的任何一个的所述补充延...

【专利技术属性】
技术研发人员：让弗朗西斯·苏仁，C·高希，罗伯特·万·莱文，
申请(专利权)人：普林斯顿光电子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US