具有定制垂度轮廓的微透镜阵列制造技术

一种光学设备包括第一发射器阵列，其设置在基板上并且被配置为在垂直于基板的方向上发射光学辐射的相应光束。第二微透镜阵列被定位在基板上与发射器的相应光束对准，具有在基板的区域上变化的相应垂度轮廓。第二阵列至少包括在基板的中心区域中的第一微透镜和在基板的周边区域中的第二微透镜，使得第一微透镜具有相应的第一焦度，而第二微透镜具有相应的第二焦度，第二焦度小于第一焦度。第二焦度小于第一焦度。第二焦度小于第一焦度。

Microlens array with customized sag profile

【技术实现步骤摘要】
具有定制垂度轮廓的微透镜阵列


[0001]本专利技术整体涉及光电设备，具体地讲，涉及用于产生光束阵列的设备和方法。

技术介绍

[0002]在光学中，术语“垂度”(sagitta(拱高)的简称)是光学元件形状的量度。(传统上，垂度表示为了形成给定球面或非球面透镜形式而要从透明坯料中移除的材料的量。)透镜的垂度轮廓以作为横向尺寸的函数的高度z来指定透镜的表面形状。其可相对于原点处的中心点以极坐标(r,θ)表示为z＝S(r，θ)＝f(r)+g(r，θ)。
[0003]因此，垂度指定透镜将如何通过确定在其表面折射的光线的方向(或者光束累积的相位)来修改光学辐射的透射光束。一般来讲，可制造任何垂度。垂度的轴对称球面分量f表示透镜的焦度；其他径向对称的分量可引起球面像差；并且非对称分量g可对应于光束的像散、彗形像差和倾斜、以及其他非径向贡献。在本说明书的上下文和权利要求书中，术语“光学”和“光”是指任何可见、红外和紫外光谱范围内的电磁辐射。术语“焦度”与术语“光焦度”可互换使用，用于指代光学元件会聚或发散光束的程度。对于透镜，焦度为焦距的倒数并且通常以屈光度表示。其对于会聚透镜具有正值，对于发散透镜具有负光焦度。

技术实现思路

[0004]下文所述的本专利技术的实施方案提供经改进的微透镜阵列和基于此类阵列的光学系统。
[0005]因此，根据本专利技术的一个实施方案，提供了一种光学设备，该光学设备包括第一发射器阵列，该发射器阵列设置在基板上并且被配置为在垂直于基板的方向上发射光学辐射的相应光束。第二微透镜阵列定位在基板上，与发射器的相应光束对准。微透镜具有在基板的区域上变化的相应垂度轮廓。第二阵列至少包括在基板的中心区域中的第一微透镜和在基板的周边区域中的第二微透镜，使得第一微透镜具有相应的第一焦度，而第二微透镜具有相应的第二焦度，第二焦度小于第一焦度。
[0006]在所公开的实施方案中，垂度轮廓被定义为使得微透镜具有相应的焦度，所述焦度在基板的区域上沿径向方向从第一焦度逐渐减小至第二焦度。除此之外或另选地，第一焦度为正，而第二焦度为负。
[0007]在一些实施方案中，垂度轮廓限定微透镜的相应倾斜角，并且倾斜角在基板的区域上变化。在一个实施方案中，基板的周边区域中的倾斜角大于中心区域中的倾斜角，由此微透镜将光束朝向中心轴折射。
[0008]在一些实施方案中，基板包括半导体芯片，该半导体芯片对于由发射器发射的光学辐射是透明的，并且发射器设置在半导体芯片的第一表面上并且发射相应光束穿过基板，而微透镜设置在半导体芯片的第二表面上与第一基板相对。在一个实施方案中，微透镜由蚀刻到半导体芯片的第二表面中的凹陷部的图案限定。另选地，发射器设置在半导体芯片的表面上并且在远离基板的方向上发射相应光束，而微透镜设置在发射器上方。在所公
开的实施方案中，发射器包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
[0009]在一些实施方案中，选择垂度轮廓使得透射穿过微透镜的相应光束具有位于不平坦的几何表面上的相应焦点。在一个实施方案中，几何表面是弯曲的。除此之外或另选地，投影光学器件具有物平面，该物平面不平坦并且与弯曲的几何表面重合。在所公开的实施方案中，投影光学器件被配置为准直已透射穿过微透镜的光束。另选地，投影光学器件包括发散透镜。在一个实施方案中，投影光学器件包括塑料单片。
[0010]在所公开的实施方案中，该设备包括投影光学器件，所述投影光学器件被配置为准直已透射穿过微透镜的光束，并且相应垂度轮廓限定矫正投影光学器件的像差的微透镜的像散。
[0011]根据本专利技术的实施方案，还提供了一种用于制造光学设备的方法。该方法包括在基板上形成第一发射器阵列，使得发射器在垂直于基板的方向上发射光学辐射的相应光束。第二微透镜阵列定位在基板上，与发射器的相应光束对准。微透镜具有在基板的区域上变化的相应垂度轮廓。第二阵列至少包括在基板的中心区域中的第一微透镜和在基板的周边区域中的第二微透镜，使得第一微透镜具有相应的第一焦度，而第二微透镜具有相应的第二焦度，第二焦度小于第一焦度。
[0012]结合附图，从下文中对本专利技术的实施方案的详细描述将更全面地理解本专利技术，在附图中：
附图说明
[0013]图1A是根据本专利技术的实施方案的多束光学投影仪的示意性侧视图；
[0014]图1B是图1A的投影仪的一部分的光线迹线；
[0015]图2A是根据本专利技术的实施方案的微透镜阵列的示意性前视图；
[0016]图2B是图2A的阵列中的微透镜之一的示意性细部图；
[0017]图2C是根据本专利技术的实施方案的图2A的微透镜阵列的示意性剖视图；
[0018]图3A和图3B是根据本专利技术的实施方案的图2B所示微透镜沿切向轴和矢状轴的垂度的曲线图；并且
[0019]图4是根据本专利技术的另一实施方案的多束光学投影仪的示意性侧视图。
具体实施方式
[0020]半导体基板上的典型发射器阵列，诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)的一维或二维阵列，在垂直于基板表面的方向上发射光束。在一些应用中，诸如用于深度感测、光束调节或成像目的的结构化光图案的投影，透镜被定位在发射器阵列上方以便投影期望的远场照明图案。需要透镜捕获每个发射器的角发射，同时还在远场中实现良好的聚焦性能。为了实现所需的光束质量，可能需要昂贵且复杂的透镜系统。
[0021]集成的微透镜阵列可用于改善远场光束图案以及减少光学投影设备中投影光学器件上的负担。在这种情况下，微透镜阵列定位在基板上，与来自发射器的相应光束对准，使得每个微透镜接收并折射来自对应发射器的光束。例如，当基板对于由发射器发射的辐射透明时，发射器可形成在基板的一个表面上并且发射其相应光束穿过基板，而微透镜形成在相对的表面上。微透镜透射并聚焦光束朝向投影光学器件。然而，由于发射器阵列的小
尺寸以及发射器与微透镜之间的短物距，因此微透镜在改善输出光束质量方面的有效性受到限制，特别是由于衍射，当微透镜直径较小时，衍射较高。
[0022]本文所述的本专利技术的实施方案通过提供具有在微透镜所形成于上面的基板的区域上变化的垂度轮廓的微透镜阵列解决了现有微透镜阵列和投影光学器件的局限性。这些垂度变化可结合投影光学器件设计，以便即使在简单的光学元件(例如塑料单片)用于投影时也提供投影光束的最佳总体质量。为此，可选择微透镜阵列上的垂度轮廓变化，使得微透镜的光学特性(例如焦度、倾斜、像散和/或其他像差)在微透镜之间变化。
[0023]在一些实施方案中，透镜的垂度轮廓被限定为使得基板的中心区域中的微透镜具有一定焦度，而基板的周边区域中的微透镜具有更低的焦度。具体地讲，垂度轮廓通常被限定为使得微透镜的焦度在微透镜阵列的区域上在径向方向上从中心区域向外到周边区域逐渐减小。在一个此类实施方案中，中心区域中的焦度为正(即，微透镜会聚中心区域中相应发射器的光束)，而周边区域中的焦度为负(发散周边区域中发射器的光束)。
[0024]除此之外或另选地，微透镜的垂度轮廓限本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学设备，所述光学设备包括：第一发射器阵列，所述第一发射器阵列设置在基板上并且被配置为在垂直于所述基板的方向上发射光学辐射的相应光束；以及第二微透镜阵列，所述第二微透镜阵列定位在所述基板上与所述发射器的所述相应光束对准并且具有在所述基板的区域上变化的相应垂度轮廓，所述第二阵列至少包括在所述基板的中心区域中的第一微透镜和在所述基板的周边区域中的第二微透镜，使得所述第一微透镜具有相应的第一焦度，而所述第二微透镜具有相应的第二焦度，所述第二焦度小于所述第一焦度。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述垂度轮廓被限定为使得所述微透镜具有在所述基板的所述区域上沿径向方向从所述第一焦度逐渐减小至所述第二焦度的相应焦度。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一焦度为正，而所述第二焦度为负。4.根据权利要求1所述的设备，其中所述垂度轮廓限定所述微透镜的相应倾斜角，并且所述倾斜角在所述基板的所述区域上变化。5.根据权利要求4所述的设备，其中所述倾斜角在所述基板的所述周边区域中比在所述中心区域中大，由此所述微透镜将所述光束朝向中心轴折射。6.根据权利要求1所述的设备，其中所述基板包括半导体芯片，所述半导体芯片对于由所述发射器发射的所述光学辐射是透明的，并且其中所述发射器设置在所述半导体芯片的第一表面上并且发射所述相应光束穿过所述基板，而所述微透镜设置在所述半导体芯片的第二表面上与所述第一基板相对。7.根据权利要求6所述的设备，其中所述微透镜由蚀刻到所述半导体芯片的所述第二表面中的凹陷部的图案限定。8.根据权利要求1所述的设备，其中所述基板包括半导体芯片，并且其中所述发射器设置在所述半导体芯片的表面上并且在远离所述基板的方向上发射所述相应光束，而所述微透镜设置在所述发射器上方。9.根据权利要求1所述的设备，其中所述发射器包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：