[发明专利]光学设备和成像系统

说明书

技术领域

本发明大体涉及光电装置，并具体涉及集成投影装置。

背景技术

缩微光学投影仪被用于各种应用。例如，这种投影仪可以用于将经编码的或结构化的光的图案投射到目标上以用于3D绘图(同样称为深度绘图)。在这方面，美国专利申请公开文本2008/0240502——其公开内容以引证方式在此纳入——描述了一种照明组件，其中光源(诸如激光二极管或LED)用光学射线透射透明体，以将图案投影至目标。(这里使用的术语“光学”或“光”大体指代任何可见的、红外的以及紫外的射线。)图像捕获组件捕获被投影至该目标的图案的图像，并且处理器处理该图像以重建该目标的三维(3D)图。

PCT国际公开文本WO2008/120217——其公开内容以引证方式在此纳入——描述了上述US2008/0240502示出的那些类照明组件的又一些方面。在一个实施方案中，透明体包括布置为非均匀图案的微透镜的一个阵列。这些微透镜生成了对应的焦斑(focal spots)图案，该焦斑图案被投影至目标。

在一些应用中，光学投影仪可以将光投射穿过一个或多个衍射光学元件(DOE)。例如，美国专利申请公开文本2009/0185274——其公开内容以引证方式在此纳入——描述了用于投影图案的设备，该设备包括两个DOE，它们一起被配置为对入射光束进行衍射，以至少部分地覆盖一个表面。该DOE组合降低了零阶(未衍射)光束的能量。在一个实施方案中，第一DOE生成了一个多光束图案，并且第二DOE充当了一个图案生成器，用于在每一光束上形成一个衍射图案。

发明内容

下文描述的本发明的实施方案提供了如下的光子学模块，所述光子学模块在单个集成封装中包括了光电部件和光学元件。虽然所公开的实施方案具体涉及用于投影图案化光的模块，但这些实施方案的原理可以类似地被应用至其他类型的系统。

因此，根据本发明的一个实施方案，提供了一种光学设备，包括：半导体衬底；以及边缘发射辐射源，其安装在所述衬底的表面上，以沿平行于所述表面的轴线发射光学射线。反射器，其被安装至所述衬底，位于所述轴线上的一个位置处，并被配置为将所述光学射线反射至成角远离所述表面的方向。一个或多个光学元件，其被安装在所述衬底上，以接收和传输所述反射器反射的光学射线。

在一些实施方案中，所述辐射源包括激光二极管，所述激光二极管具有前表面和后表面，光学射线穿过所述前表面射向所述反射器。所述设备可以包括射线传感器，其安装在所述衬底上，位于所述激光二极管的后表面附近，用于监测所述激光二极管的输出。

在一个实施方案中，所述设备包括一个帽，所述帽罩住所述辐射源、所述反射器和所述光学元件，并包括透明窗，所述射线穿过所述窗射出所述设备。所述射线传感器在所述窗附近安装在所述帽中，用于监测所述设备的输出。

所述反射器可以包括蚀刻进所述衬底的反射表面。替代地，当所述衬底包括单晶时，所述反射器可以包括通过沿所述晶体的轴线劈开所述衬底而形成的反射表面。

在一些实施方案中，所述反射器包括光学表面，所述光学表面的轮廓被选择以为所述射线赋予期望的会聚性或发散性。所述光学表面可以包括凹反射表面，以增加所述射线的成角分散。所述凹反射表面可以相对于所述轴线倾斜，并且其中所述轮廓具有锥形形状。替代地，所述反射器可以包括棱镜，所述棱镜具有内反射表面，并具有入射面和出射面，使得入射面和出射面中的至少一个是弯曲的。

所述一个或多个光学元件可以包括透镜，替代地或附加地，所述一个或多个光学元件可以包括图案化的元件，诸如衍射光学元件。

在一个实施方案中，所述反射器包括扫描镜，所述扫描镜被配置为在预定角度范围内扫描所反射的光学射线。所述扫描镜可以包括微机电系统(MEMS)驱动器，其相对于安装有所述辐射源的表面成对角关系地安装在所述衬底上。通常，来自所述辐射源的光学射线作用在所述扫描镜上，且所述辐射源和所述扫描镜面之间不存在其他光学干扰。

在另一实施方案中，所述辐射源包括多个边缘发射辐射源，它们一起布置在所述衬底上，以分别沿多个轴线发射光学射线。

根据本发明的另一实施方案，也提供了一种光学设备，包括：半导体衬底；以及表面发射辐射源的第一阵列，其被安装在所述衬底的表面上，以沿各个垂直于所述表面的轴线发射光学射线。光学元件的第二阵列被安装在所述第一阵列上方，并对准各个轴线，以使每一光学元件接收和传输由各个辐射源发射的光学射线。