(57)【要約】  本発明は、共通の半導体基板（１０１）上に配置された２つ、３つ、４つ、またはそれ以上のＶＣＳＥＬ（１３０）を含む少なくとも１つのＶＣＳＥＬアレイを含むレーザー装置（１００）であって、レーザー装置（１００）が少なくとも１つの光学機構（１４０）とディフューザー機構（１４５）とをさらに含み、光学機構（１４０）が、各ＶＣＳＥＬ（１３０）により各ＶＣＳＥＬ（１３０）に割り当てられたディフューザー機構（１４５）のセクション（１４７）に向けて放射されたレーザー光（１０）の発散角を減少させるように構成され、ディフューザー機構（１４５）が、光学機構（１４０）から受け取ったレーザー光を変換レーザー光（１５０）に変換して、規定された視野内の基準面に連続照明パターン（２０）を提供できるように構成され、ディフューザー機構（１４５）が、ディフューザー機構（１４５）なく提供できる非変換照明パターンと比較して、照明パターン（２０）のサイズを大きくするように構成される、レーザー装置（１００）を記載する。  本発明は、このようなレーザー装置を含む照明装置、このような照明装置を含むタイムオブフライトカメラ（２００）、およびレーザー装置（１００）の製造方法をさらに記載する。【選択図】図２
2020532141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の半導体基板（１０１）上に配置された２つ、３つ、４つ、またはそれ以上のＶＣＳＥＬ（１３０）を含む少なくとも１つのＶＣＳＥＬアレイを含むレーザー装置（１００）であって、前記レーザー装置（１００）が少なくとも１つの光学機構（１４０）とディフューザー機構（１４５）をさらに含み、前記光学機構（１４０）が、各ＶＣＳＥＬ（１３０）により前記各ＶＣＳＥＬ（１３０）に割り当てられたディフューザー機構（１４５）のセクション（１４７）に向けて放射されたレーザー光（１０）の発散角を減少させるように構成され、前記ディフューザー機構（１４５）が、前記光学機構（１４０）から受け取ったレーザー光を変換レーザー光（１５０）に変換して、規定された視野内の基準面に連続照明パターン（２０）を提供できるように構成され、前記ディフューザー機構（１４５）が、前記ディフューザー機構（１４５）なしに提供できる非変換照明パターンと比較して、前記照明パターン（２０）のサイズを大きくするように構成され、異なるＶＣＳＥＬに割り当てられた前記ディフューザー機構（１４５）の前記セクションが重複しないように、前記ＶＣＳＥＬアレイ、光学機構（１４０）およびディフューザー機構（１４５）が構成され、前記ディフューザー機構（１４５）が、前記ディフューザー機構（１４５）にわたってディフューザーの特性を変化させることを特徴とし、前記ディフューザーの特性の変化が、規定された視野に前記照明パターン（２０）を集中させるように構成される、レーザー装置（１００）。
【請求項２】
前記ディフューザー機構（１４５）が、発散角が減少したレーザー光を受け取るセクション（１４７）と位置合わせされるディフューザーの特性を変化させるディフューザー下部構造を含み、前記ディフューザー下部構造が、異なる表面構造により、ＶＣＳＥＬアレイ内の各ＶＣＳＥＬ（１３０）の位置に応じて、光学機構（１４０）から受け取ったレーザー光（１０）を異なるように拡散する異なる表面構造を特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置（１００）。
【請求項３】
前記光学機構（１４０）が、ウエハレベルで一体化される、請求項１または２に記載のレーザー装置（１００）。
【請求項４】
前記光学機構（１４０）が、前記レーザー光（１０）をコリメートすることにより発散角を減少させるためのコリメートマイクロレンズを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザー装置（１００）。
【請求項５】
前記コリメートマイクロレンズが、チャープマイクロレンズである、請求項４に記載のレーザー装置（１００）。
【請求項６】
各ＶＣＳＥＬ（１３０）が、前記半導体基板（１０１）から離れる方向に前記レーザー光（１０）を放射するように構成されるトップエミッタであり、前記光学機構（１４０）が、前記ＶＣＳＥＬアレイの半導体層構造の上部に提供された材料を含み、前記材料が前記レーザー光（１０）の波長範囲で透明である、請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザー装置（１００）。
【請求項７】
各ＶＣＳＥＬ（１３０）が、前記半導体基板（１０１）を通して前記レーザー光（１０）を放射するように構成されるボトムエミッタであり、前記光学機構が、前記ＶＣＳＥＬ（１３０）に対して反対側に配置される前記半導体基板（１０１）の表面上に設けられる、請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザー装置（１００）。
【請求項８】
前記コリメート光学機構（１４０）が、前記ＶＣＳＥＬアレイ（１００）の半導体構造に一体化される、請求項７に記載のレーザー装置（１００）。
【請求項９】
前記光学機構（１４０）が、前記ＶＣＳＥＬアレイの前記半導体層構造の上部に提供された材料を含み、前記材料が、前記レーザー光（１０）の波長範囲で透明である、請求項７に記載のレーザー装置（１００）。
【請求項１０】
前記ＶＣＳＥＬ（１３０）の少なくとも一部が、前記レーザー光（１０）を放射するように個々に制御されるように構成される、請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザー装置（１００）。
【請求項１１】
前記ディフューザー機構（１４５）の前記セクション（１４７）が、各ＶＣＳＥＬ（１３０）が前記照明パターン（２０）のセクター（２１）を照明するように配置されるように構成され、各セクター（２１）が、少なくとも１つの他のセクター（２１）と重複する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のレーザー装置（１００）。
【請求項１２】
前記光学機構（１４０）が、部分反射ミラー構造を含み、前記部分反射ミラー構造が、前記ＶＣＳＥＬの発散角を減少させるように構成される、請求項１から１１のいずれか１項に記載のレーザー装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の少なくとも１つのレーザー装置（１００）アレイと、前記ＶＣＳＥＬ（１３０）に駆動電流を供給するための電気ドライバー（２３０）とを含む発光装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の前記発光装置と、対象（３００）により反射された変換レーザー光（１５０）を検出するための光検出器（２２１）とを含むタイムオブフライトカメラであって、評価器が、前記光検出器（２２１）により検出された変換レーザー光（１５０）により対象（３００）への距離を決定するように構成される、タイムオブフライトカメラ。
【請求項１５】
レーザー装置（１００）の製造方法であって、
半導体基板（１０１）を提供するステップと、
前記半導体基板（１０１）上に少なくとも２つのＶＣＳＥＬ（１３０）を提供するステップと、
光学機構（１４０）を提供するステップと、
ディフューザー機構（１４５）を提供するステップと、
各ＶＣＳＥＬ（１３０）により前記各ＶＣＳＥＬ（１３０）に割り当てられたディフューザー機構（１４５）のセクション（１４７）に向けて放射されたレーザー光（１０）の発散角を減少させるように前記光学機構（１４０）を構成するステップであって、前記ディフューザー機構（１４５）の前記セクション（１４７）が、前記光学機構（１４０）から受け取ったレーザー光を変換レーザー光（１５０）に変換して、規定された視野内の基準面に連続照明パターン（２０）を提供でき、前記ディフューザー機構なく提供できる非変換照明パターンと比較して、前記照明パターン（２０）のサイズを大きくするように構成され、異なるＶＣＳＥＬに割り当てられた前記ディフューザー機構（１４５）の前記セクションが重複しないように、前記ＶＣＳＥＬアレイ、光学機構（１４０）およびディフューザー機構（１４５）が構成され、前記ディフューザー機構（１４５）が、前記ディフューザー機構（１４５）にわたってディフューザーの特性を変化させることを特徴とし、前記ディフューザーの特性の変化が、規定された視野に前記照明パターン（２０）を集中させるように構成されるステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＶＣＳＥＬアレイを含むレーザー装置、このようなレーザー装置を含む照明装置、このような照明装置を含むタイムオブフライトカメラおよびレーザー装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＶＣＳＥＬアレイを含むレーザー装置は、赤外線照明装置に使用できる。短パルスＶＣＳＥＬアレイの使用は、例えば、タイムオブフライト用途に適用される。このような用途には、例えば、ポータブルデバイス用の短距離ジェスチャ認識および３Ｄ空間認識が含まれる。１Ｗ−１０Ｗの範囲の出力電力を有する約１ｍｍ2の面積のＶＣＳＥＬアレイは、このような用途のために議論されている。照明または観察の特定の分野は、用途（例えば、７０°×５０°を観察するタイムオブフライトカメラなど）により定義される。
【０００３】
米国特許出願第２０１６／０１６４２６１号明細書は、視野の異なるゾーンをマルチゾーン照明装置により選択的に照明するための方法、装置およびシステムを開示している。マルチゾーン照明器は、複数の垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）と、個々のＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬ群（画像センサーの視野の異なるゾーンに調整可能な照明を提供するために個々に起動されるように構成される）の開口部と位置合わせされた複数のマイクロ光学デバイスとを含むことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第２０１６／０１６４２６１号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明の目的は、レーザー装置により照明できる視野内の基準面における、照明パターンが改善したＶＣＳＥＬアレイを含むレーザー装置を提供することである。
【０００６】
本発明は、独立請求項に記載されている。好ましい実施形態は、従属請求項に記載されているか、本説明の後続部分に記載されている。
【０００７】
第１の態様によれば、少なくとも１つのＶＣＳＥＬアレイを含むレーザー装置が提供される。ＶＣＳＥＬアレイは、共通の半導体基板上に配置された２つ、３つ、４つ、またはそれ以上のＶＣＳＥＬを含む。レーザー装置は、少なくとも１つの光学機構とディフューザー機構とをさらに含む。光学機構は、各ＶＣＳＥＬに割り当てられたディフューザー機構のセクションに向け各ＶＣＳＥＬにより放射されたレーザー光の発散角を、減少させるように構成される。ディフューザー機構は、光学機構から受け取ったレーザー光を変換レーザー光に変換して、規定された視野内の基準面に連続した照明パターンを提供できるように構成される。ディフューザー機構は、ディフューザー機構なく提供できる非変換照明パターンと比較して、照明パターンのサイズを大きくするようにさらに構成される。ディフューザー機構により視野内の照明パターンの調整を可能にするため、異なるＶＣＳＥＬに割り当てられたディフューザー機構のセクションが重複しないように、ＶＣＳＥＬアレイ、光学機構およびディフューザー機構が構成されうる（特に、ＶＣＳＥＬアレイと、光学機構と、ディフューザー機構との間の距離、及び光学機構の前後の発散角）。これは、分布の外側部分にいくらかの重複がある可能性があることを除外しない。ＶＣＳＥＬ放射が、滑らかな境界の円錐内にあるからである。
【０００８】
光学機構による第１のステップでＶＣＳＥＬにより放射されたレーザー光のビームプロファイルを集中させ、または狭め、その後、ディフューザー機構のないＶＣＳＥＬアレイで構成されるＶＣＳＥＬにより提供できる生の照明パターンと比較して、ディフューザー機構によって照明パターンを広げることは、レーザー装置の規定された視野内でのシーンの連続した照明パターンを可能にする。さらに、意図または規定された視野外の変換レーザー光による損失が低減されるように、基準面に変換レーザー光を集中させる。集中は、変換レーザー光の少なくとも７０％、好ましくは少なくとも８０％、より好ましくは少なくとも９０％が意図または規定された視野の基準面を照明するという効果を有し得る。さらに、特に大きな視野（１００°×８０°など）の隅の照明が改善される場合がある。照明パターンは、段差がないという意味で連続している。基準面の照明パターンを表す強度分布関数は微分可能である。このような強度分布の例は、例えば、規定された視野内の基準面内で本質的に一定の強度でもよく、または各視野により規定された立体角に対して本質的に一定の強度（これは、基準面とＶＣＳＥＬアレイの中心とを結ぶ光軸に対する角度についてのコサインの三乗により変化する基準面の強度分布をもたらす）でもよい。ＶＣＳＥＬアレイの単一のＶＣＳＥＬで照明されるセクターは、視野内の基準面で重複する場合がある。単一のＶＣＳＥＬで照明されるセクターは、冗長性を最大化するために、基準面で完全に重複してもよい。したがって、レーザー装置により提供できる変換レーザー光は、レーザーの安全性と合わせて、システムの効率を上げることができる。
【０００９】
ＶＣＳＥＬは、３μｍ2から１００００μｍ2の間の面積を有する有効なレーザー光放射領域を特徴とする。ＶＣＳＥＬアレイで構成されるＶＣＳＥＬ間のピッチまたは距離は、２０μｍから２５０μｍの間であり得る。ＶＣＳＥＬの密度および／または発光領域のサイズは、照明パターンの強度分布が適応できるようにＶＣＳＥＬアレイ内の位置および／または各ＶＣＳＥＬにより照明される光学機構およびディフューザー機構の形状に応じて異なる場合がある。
【００１０】
光学機構は、ウエハレベルで一体化されてもよい。光学機構は、単一のＶＣＳＥＬアレイを分離する前に、共通の光学機構を多数のＶＣＳＥＬアレイおよび対応する半導体基板を含む半導体ウエハの表面に接合することで、ウエハレベルで一体化される。光学機構は、半導体ウエハの表面に永久に接合される。光学機構は、好ましくは、各ＶＣＳＥＬアレイを損傷することなく取り外すことができないように、半導体ウエハの表面に接合される。光学機構は、ＶＣＳＥＬを処理した後ではなく、ダイシングなどにより単一のＶＣＳＥＬアレイを分離する前に、ＶＣＳＥＬアレイで構成されるＶＣＳＥＬの半導体層構造の上部に堆積した透明な（赤外線レーザー光などに対して）光学ポリマー（例えば、ＵＶ硬化性ポリマーまたは青色光硬化性ポリマー）からなり得る。光学機構は、代替的に、ウエハの半導体基板にエッチングされてもよい。代替的または追加的に、光学機構を含むガラスウエハは、例えば、透明な接着剤または他の任意の適切な接合技術により、多数のＶＣＳＥＬアレイを含む半導体ウエハに接合されてもよい。
【００１１】
光学機構は、ＶＣＳＥＬの発光面上に配置された連続構造であってもよい。連続構造は、例えば、ポリマーの連続「ブロック」または半導体基板あるいはガラスウエハにエッチングされた連続表面構造であってもよい。
【００１２】
光学機構は、レーザー光をコリメートすることにより発散角を減少させるためのコリメートマイクロレンズを含んでもよい。ＶＣＳＥＬアレイの各ＶＣＳＥＬは、ＶＣＳＥＬごとに１つのマイクロレンズがあるように、１つの特定のコリメートマイクロレンズに割り当てられてもよい。マイクロレンズは、照明パターンを改善し、特に規定された視野に照明パターンを集中させるために、ディフューザー機構にわたってディフューザーの特性（異なるディフューザープロファイル）を変化させることで特徴付けされる、調整されたディフューザー機構と組み合わせることができる。特にこのような調整されたディフューザー機構と組み合わせたマイクロレンズは、より多くの光が視野内で利用できるように、三次元強度分布の外縁で非常に急な減衰があるという利点を有し得る。そのため、効率が上がりうる。
【００１３】
コリメートマイクロレンズは、例えば、半導体基板に平行な表面に対して傾斜が変化する光軸を特徴とするチャープマイクロレンズであってもよい。光軸の傾斜は、光学機構全体にわたって変化する場合がある。チャープマイクロレンズは、ディフューザー機構が光学機構を備えたＶＣＳＥＬアレイに対して少し離れて配置されている場合に、効率性の利点を維持しながら、レーザーの安全性と、最終的な配光または照明パターンの形状とを改善できる。これにより、ディフューザー機構の種々の部分で、光学機構により提供される光の入射角は、輪郭がはっきりし、レーザー光の通常の発散角よりも小さくなることが可能になる。ディフューザー機構の各部分は、光学機構から受け取ったレーザー光の各入射角に適応する種々のディフューザープロファイルを有してもよい。光軸の傾斜は、代替的または追加的に、マイクロレンズの調整された位置決めと組み合わされてもよい。調整された位置決め（例えば、規則的なパターンがない）は、調整されたディフューザーと組み合わせて、変換レーザー光を意図された視野に集中させることで効率を上げることができる。
【００１４】
光学機構は、代替的または追加的に、部分反射ミラー構造を含んでもよい。部分反射ミラー構造は、ＶＣＳＥＬの発散角を小さくするように構成される。部分反射ミラー構造を使用して、より小さな発散角とより少ないモードダイナミクスにＶＣＳＥＬ放射を安定させることができる。ディフューザー機構は、変換レーザー光を所望の視野に集中させるために調整されたディフューザーであってもよい。利点は、上記の通り、強度分布の勾配の非常に急な減衰であり、規定された視野に変換レーザー光が集中するため、より高い効率が得られる。さらに、ＶＣＳＥＬアレイのＶＣＳＥＬに供給される駆動電流の変化およびＶＣＳＥＬアレイのＶＣＳＥＬの温度に関するディフューザー機構後のビームプロファイルの依存性が低減され得る。
【００１５】
ＶＣＳＥＬアレイの各ＶＣＳＥＬは、半導体基板から離れる方向にレーザー光を放射するように構成されるトップエミッタであってもよい。光学機構は、ＶＣＳＥＬアレイの半導体層構造の上部に提供された材料を含むことができる。材料は、レーザー光の波長範囲（例えば、７５０ｎｍから１２００ｎｍの波長範囲）で透明である。透明材料は、上記のように、ＵＶ硬化性光学ポリマーまたは青色光硬化性光学ポリマーであってもよい。透明材料は、ＶＣＳＥＬのメサの上部に提供されてもよい。代替的に、単一のＶＣＳＥＬの発光領域のレベルで本質的に平坦な表面を設けるために、平坦化層が設けられてもよい。光学機構の透明材料は、平坦化層上に堆積されてもよい。
【００１６】
代替的に、ＶＣＳＥＬアレイのＶＣＳＥＬは、半導体基板を通してレーザー光を放射するように構成されるボトムエミッタであってもよい。この場合、光学機構は、ＶＣＳＥＬが提供される処理表面に対して反対側に配置される半導体基板の表面上に設けられてもよい。
【００１７】
光学機構は、特にＶＣＳＥＬアレイの半導体基板に一体化されてエッチングされてもよい。半導体基板（ガリウム砒素ｎ〜３．５）の高屈折率は、光学機構の比較的平坦なプロファイルを可能にする。半導体基板に光学機構を一体化した後に、平坦化層が設けられてもよい。
【００１８】
代替的に、光学機構は、半導体基板に接合されるガラスウエハ上に設けられてもよい。光学機構は、例えば、ＶＣＳＥＬアレイの半導体基板を含むウエハに接合する前または後にガラスウエハにエッチングされてもよい。ガラスウエハは、例えば接着されてもよい。
【００１９】
ディフューザー機構は、接合層により光学機構に結合されてもよい。ディフューザー機構は、ガラス基板のような透明なキャリアに一体化されてもよい。透明なキャリアは、半導体基板に機械的に結合される。透明なキャリアは、例えば、（半導体基板の屈折率と比較して）低い屈折率の接着剤により光学機構の表面に接着されてもよい。光学機構の上部に平坦化層を設けてもよい。平坦化層は、半導体基板の屈折率と比較して、比較的低い屈折率を特徴としてもよい。したがって、光学機構の光学特性に関する影響は、制限されうるか、および／または、光学機構の設計で考慮されうる。ディフューザー機構は、平坦化層の中または上に設けてもよい。例えば、１つ以上のさらなる材料層が、平坦化層上に提供されてもよい。ディフューザー機構は、例えば、１つ以上のさらなる材料層をエッチングまたは構造化することにより設けてもよい。
【００２０】
ＶＣＳＥＬの少なくとも一部は、レーザー光を放射するように個々に制御されるように構成されてもよい。ＶＣＳＥＬアレイの各ＶＣＳＥＬまたは２つ、３つ、４つ、またはそれ以上のＶＣＳＥＬ群は、照明パターンの１つ以上のセクターを規定された順に照明するために、個々にオンまたはオフに切り替えられるように構成されてもよい。ＶＣＳＥＬアレイは、ＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬ群の個々の制御を可能にするために、各電極を含む。ＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬ群（サブアレイ）の個々の制御は、照明パターン（例えば、セクター内のより多くの光と、その他の暗い隅を含む）または規定された照明順の電子調整を可能にし得る。
【００２１】
ディフューザー機構のセクションは、各ＶＣＳＥＬが照明パターンのセクターを照明するように配置されるように構成されてもよい。各セクターは照明の一部をカバーする場合がある。セクターは、好ましくは、冗長性を高め、極端な場合には照明パターン全体をカバーするために、重複してもよい。ディフューザー機構のセクションは、ディフューザーサブセクションを含んでもよい。ここでディフューザーサブセクションは、ＶＣＳＥＬアレイ内の各ＶＣＳＥＬの位置に応じて、光学機構から受け取ったレーザー光を異なるように拡散するように構成される。ディフューザーの下部構造は、異なる表面構造により実現されうる、異なる拡散特性（上記）により特徴付けられる。このような構成は、例えば、視野の中心に向けられたビームの中心と、大きな角度との間のより高いコントラストを可能にし得る。ここでは、カメラの対物レンズの損失（カメラの対物レンズのコサイン４乗則、大きな視野を有する対物レンズ用のＣＣＤでの信号の減衰につながる）を補償するために、しばしばより大きな強度が必要とされる。
【００２２】
第２の態様によれば、発光装置が提供される。発光装置は、上記の少なくとも１つのレーザー装置と、ＶＣＳＥＬアレイのＶＣＳＥＬを電気的に駆動するための電気ドライバーとを含む。発光装置は、電気ドライバーを制御するための制御信号を供給するためのコントローラをさらに含んでもよい。コントローラは、例えば、データを記憶するための記憶装置と、記憶されたデータに含まれる命令を実行するための処理装置とを含んでもよい。記憶されたデータは、例えば、ＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬ群に駆動電流を供給するシーケンスを含んでもよい。
【００２３】
レーザー装置または発光装置は、スマートフォン、ラップトップ、タブレットのジェスチャインタフェースまたは３Ｄスキャナーとして消費者用途およびポータブル用途・・・ユーザーインターフェース、またはロボット工学、スポーツ、産業、照明・・・自動車のミッドレンジ検出（駐車支援、安全な都市走行）のハイエンド、および高出力の産業用途向けの屋内ナビゲーションをサポートするために、消費者向け装置（スマートフォンなど）、車両、ならびに高出力産業用途で使用できる。
【００２４】
第３の態様によれば、タイムオブフライトカメラが提供される。タイムオブフライトカメラは、上記の任意の実施形態による発光装置、光検出器、光学撮像構造、および評価器を含む。光学撮像構造は、対象により反射された変換レーザー光を光検出器に撮像するように構成される。評価器は、光検出器により検出された変換レーザー光の画像により対象までの距離を決定するように構成される。
【００２５】
第４の態様によれば、上記の任意の実施形態によるＶＣＳＥＬアレイの製造方法が提供される。本方法は、
半導体基板を提供するステップと、
半導体基板上に少なくとも２つのＶＣＳＥＬを提供するステップと、
光学機構を提供するステップと、
ディフューザー機構を提供するステップと、
各ＶＣＳＥＬにより各ＶＣＳＥＬに割り当てられたディフューザー機構のセクションに向けて放射されたレーザー光の発散角を減少させるように光学機構を構成するステップであって、ディフューザー機構のセクションが、コリメートされたレーザー光を変換レーザー光に変換して、規定された視野内の基準面に連続照明パターンを提供でき、ディフューザー機構なく提供できる非変換照明パターンと比較して、照明パターンのサイズを大きくするように構成されるステップと
を含む。
【００２６】
本ステップは、必ずしも上記の順序で実行する必要はない。
【００２７】
光学機構は、研削、ラッピング、エッチング、ソフトクッションインプリントリソグラフィーに続くエッチング、ウエハ上のマスター構造のＵＶ複製に続く半導体基板などの複製構造のエッチング転写などの中でも、いくつかの方法により、提供でき、および特にウエハレベルで一体化できる。さらに、例えば、多数の光学機構を含むガラスウエハの、半導体ウエハへのウエハ接合を使用してもよい。代替的に、硬化性ポリマーが提供され、その後、処理光（ＵＶまたは青色光など）により処理されてもよい。このようなプロセスの詳細は、例えば、国際公開第２０１７／０５５１６０号、２頁２行目から５頁１９行目に記載されている。さらに、図２から図１０および９頁２０行目から１１頁２０行目の対応する説明は、このようなプロセスの特別な例を示す。国際公開第２０１７／０５５１６０号の開示は、参照により組み込まれる。
【００２８】
光学機構は、上記の平坦化層で覆われてもよい。平坦化層は、光学機構の材料よりも低い屈折率を特徴とする。光学機構は、所望の照明パターンを提供するために、平坦化層の屈折率に対応して設計されてもよい。平坦化層は、光学機構により引き起こされる表面の不規則性を滑らかにするために使用されてもよい。平坦化層は、シリコーン、エポキシ、ポリイミド、ＳｉＮなどのような材料を含んでもよい。光学機構の製造に使用される半導体層構造（半導体基板または１つ以上の半導体層）の屈折率と平坦化層の屈折率との差は、多くの用途に照明パターンを提供するのに十分である。平坦化層は、上記のディフューザー機構を提供するために、光学機構を保護し、さらなる処理ステップを簡素化させる場合がある。
【００２９】
請求項１から１２のレーザー装置、請求項１３の照明装置、および請求項１５の方法は、特に、従属請求項で定義されるように、類似および／または同一の実施形態を有することを理解されたい。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態は、従属請求項と各独立請求項との任意の組合せでもあり得ることを理解されたい。
【００３１】
さらなる有利な実施形態を以下に定義する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に説明する実施形態を参照して明らかになり、解明されるであろう。
【００３３】
ここで、添付の図面を参照して、実施形態に基づいて例として本発明を説明する。
【図１】第１のレーザー装置の断面の主要な略図を示す図である。
【図２】第２のレーザー装置の断面の主要な略図を示す図である。
【図３】第３のレーザー装置の断面の主要な略図を示す図である。
【図４】１つの規定された視野内の強度分布の例を示す図である。
【図５】照明パターンの主要な略図を示す図である。
【図６】タイムオブフライトセンサーモジュールの主要な略図を示す図である。
【図７】ＶＣＳＥＬアレイの製造方法のプロセスフローの主要な略図を示す図である。
【００３４】
図では、同様の番号は全体を通して同様の対象を指す。図の対象は必ずしも正寸ではない。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
次に、本発明の種々の実施形態を、図面により説明する。
【００３６】
図１は、第１のレーザー装置１００の断面の主要な略図を示す。この断面図は、レーザー装置１００に含まれるＶＣＳＥＬアレイのＶＣＳＥＬ１３０の線に沿って切られている。半導体基板の上部に設けられた上面発光型ＶＣＳＥＬ１３０の５つのメサが示されている。各ＶＣＳＥＬ１３０は、空気中で約２０°の発散角を有するレーザー光を放射する。光学機構１４０は、各ＶＣＳＥＬ１３０が光学機構１４０のそれぞれの領域の一つを照明するようにＶＣＳＥＬ１３０の上に配置される。光学機構は、空気中で約２０°の発散角を空気中で約５°の発散角に減少させるように構成される。発散角が減少したレーザー光１０は、後続のディフューザー機構１４５のセクションに到達する。ディフューザー機構１４５は、ディフューザー機構１４５を用いずに基準面に投影される、変換がされていない照明パターンと比較して、レーザー装置１００の視野内の基準面のサイズが大きくなった照明パターン２０（図６参照）を提供するために、変換レーザー光１５０が拡散するように、光学機構１４０から受け取ったレーザー光を変換する。ディフューザー機構１４５は、好ましくは、変換レーザー光１５０を大きな角度にわたって分配しつつ、同時にあらかじめ決められた視野外のレーザー光による損失を避けることを目的に照明パターンをこの視野に制限するために、光学機構１４０から受け取ったレーザー光のビームプロファイルを変更するように構成されてもよい（図４参照）。
【００３７】
図２は、第２のレーザー装置１００の断面の主要な略図を示す。ＶＣＳＥＬ１３０および半導体基板１０１の構成は、図１に関して説明したのと本質的に同じである。光学機構１４０は、半導体基板１０１の処理表面の上部に設けられ、ＶＣＳＥＬ１３０のメサを囲む硬化性光学ポリマーからなる。光学機構１４０はチャープマイクロレンズのアレイを含み、ここで、ＶＣＳＥＬアレイの中心のＶＣＳＥＬ１３０に対する各ＶＣＳＥＬ１３０の距離が大きくなるほど発散角が減少したレーザー光が外側に傾くように、チャープマイクロレンズの光軸の半導体基板１０１に平行な表面に対する傾斜は、中心から小さくなる。その後、発散角が減少したレーザー光は、異なるディフューザー下部構造を含む調整された構造化表面により特徴付けられるディフューザー機構１４５により、変換レーザー光１５０に変換される。異なるディフューザー下部構造は、発散角が減少したレーザー光を受け取るセクション１４７（図３参照）と位置合わせされる。異なるまたは調整されたディフューザー下部構造は、所定の視野内の変換レーザー光のより明確な集中を可能にすることにより、視野内の照明パターン２０のさらなる改善を可能にし得る。
【００３８】
図３は、第３のレーザー装置１００の断面の主要な略図を示す。断面図は、半導体基板１０１（ボトムエミッタ）を通してレーザー光１０を放射する５つのＶＣＳＥＬ１３０を有する例を再び示す。光学機構１４０は、図２に関して説明したのと同様のチャープマイクロレンズのアレイを含む。チャープマイクロレンズのアレイは、半導体基板１０１の底面（ＶＣＳＥＬ１３０が処理される表面と反対の表面）にエッチングされる。ｎ＝３．５のＧａＡｓ半導体基板１０１の高屈折率は、光学機構１４０のかなり低いプロファイルを可能にする。高屈折率（例えば、ＶＣＳＥＬ１３０の発光波長でｎ＝２）を有するガラスからなるガラスウエハは、実質的に低い屈折率（例えば、ＶＣＳＥＬ１３０の発光波長でｎ＝１．５）を有する接合層１４２により、ＶＣＳＥＬアレイ１００を含む半導体ウエハに接合される。例えば、接合層は、光吸収が低いポリマー材料や、軟化温度が低いガラス材料であり得る。ガラスウエハは、ＶＣＳＥＬアレイとの接合プロセスの前にＶＣＳＥＬアレイと位置合わせされるディフューザー機構１４５を含む。ディフューザー機構１４５は、図２に関して説明したのと同様である。ディフューザー下部構造を含む構造化表面は、ディフューザー機構１４５の接合側に配置される。したがって、構造化表面の設計は接合層１４２の屈折率を考慮している。接合側の構造化表面の配置は、（例えば、構造化表面に油滴を提供することにより）ディフューザー機構１４５の構造化表面を操作できないという利点を有する。代替的に、ディフューザー機構１４５は、高屈折率を有する半導体材料（例えば、ＧａＡｓ）からなっていてもよい。ディフューザー機構１４５の構造化表面（例えば、ガラスまたは半導体材料からなる）は、代替的に、接合層１４２と接触する接合側の反対側に配置されてもよい。高屈折率材料は、レーザー装置１００のレーザーの安全性を高めるために、ディフューザー機構１４５を操作することがより困難であるという利点を有し得る。
【００３９】
図４は、１つの決められた視野内の強度分布の３つの例を示す。縦座標は強度５１に割り当てられ、横座標は視野内の照明パターンの表面に平行な１つの断面に沿った（例えば、図５に示す照明パターンの水平中心線に沿った）角度５３に割り当てられる。実線６１は、望ましい基準強度分布を示す。強度分布６１は、視野の角度範囲５５に厳しく制限される。視野外では光は失われない。実際には、ＶＣＳＥＬの発散角が有限であるため、このような所望の分布を実現できない。第２の強度分布６３は、ディフューザーを有する空気中で２０°の発散角を有する典型的なＶＣＳＥＬの強度分布を示す。レーザー光１０の発散は、調整されたディフューザーのプロファイルをすっかり傷つけて、視野の角度範囲５５内の光が少なくなる。この強度分布６３は、特に所望の強度分布が端の近くで高い強度を要求する場合に、２０％以上の光損失を引き起こす。光学機構１４０とディフューザー機構１４５とを含むレーザー装置により提供できる改善された強度分布６５は、理想的な基準強度分布６１と同様の視野の角度範囲５５に変換光を本質的に集中させることにより損失を低減させ、視野の角度範囲５５にわたってよりよく定義された強度プロファイルを与える。強度分布６５の中心の強度が増加し、視野外で失われる光が少なくなる。視野の角度範囲５５にわたる（および全３次元視野にわたる）強度分布６５は、上記のように光学機構１４０およびディフューザー機構１４５により調整できる。したがって、調整された強度分布６５は、タイムオブフライトカメラのカメラ光学系への適応を可能にし得る。
【００４０】
ディフューザー機構１４５と組み合わせた光学機構１４０は、各ＶＣＳＥＬ１３０のレーザー光が、図５に示す規定された視野内の照明パターン２０の１つの関連セクター２１に向けられ得るように、レーザー光１０を変換レーザー光１５０に変換し得る。どのＶＣＳＥＬ１３０が各セクター２１の一つに関連付けられるかは、例えば、レーザー光１０が向けられる光学機構１４０のチャープマイクロレンズの光軸の傾斜およびディフューザー機構１４５の対応する下部構造またはセクション１４７に依存する。関連セクター２１は、好ましくは、規定された視野と重複するか、さらには同一であり得る。ディフューザー機構１４５と組み合わせた光学機構１４０は、視野内の変換レーザー光１４５の集中（コリメーションなし）が改善されるようにレーザー光１０を変換し、特に視野にわたる調整された強度分布６５は、照明パターン２０が規定された視野に本質的に制限され、さらに視野の縁に十分な光が提供されるように提供されてもよい（調整された強度分布６５参照）。
【００４１】
図６は、タイムオブフライトカメラに含まれ得るタイムオブフライトセンサーモジュール２００の主要な略図を示す。タイムオブフライトセンサーモジュール２００は、上記実施形態の１つによるレーザー装置１００を含む。タイムオブフライトセンサーモジュール２００は、非常に短い光パルスを検出するように構成される検出器２２１をさらに含む。このような短いレーザーパルスは、対象３００に衝突するレーザー装置１００により放射される変換レーザー光１５０により引き起こされる可能性がある。変換レーザー光１５０の一部は、対象３００により反射されて、反射レーザー光２０２が光学デバイス２４０（例えば、受け取ったレーザー光を検出器２２１（例えば、単一光子アバランシェダイオードのアレイ）に撮像するレンズまたはレンズ装置を含むカメラ光学系）により受け取る。反射レーザー光２０２は、検出器２２１に対応する電気信号または信号を発生させる。電気ドライバー２３０は、ＶＣＳＥＬアレイまたはオプションで各ＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬアレイのＶＣＳＥＬのサブグループを個々に電気的に駆動するように構成され得る。コントローラ２５０は、例えば、ＶＣＳＥＬアレイにより放射されるレーザーパルスの開始および停止時間を制御するために、電気ドライバー２３０と接続される。コントローラ２５０は、検出器２２１により検出された反射レーザー光２０２により引き起こされる電気信号または信号を受信するために検出器２２１とさらに接続される。タイムオブフライトセンサーモジュール２００は、対応するＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬ群により放射される変換レーザー光１５０の開始および停止時間、視野内の照明パターン２０に関する情報、ならびに反射レーザー光２０２により引き起こされる電気信号または信号の受け取り時間を転送するオプションのインターフェース２３５をさらに含む。転送されたデータは、レーザー光のタイムオブフライト、したがってタイムオブフライトセンサーモジュール２００と対象３００との間の距離を計算するために使用できる。タイムオブフライトセンサーモジュール２００は、代替的に、対象までの距離を決定するために、コントローラ２５０（またはコントローラ２５０を含むか、またはコントローラ２５０に含まれ得る）と電気的に接続された評価器（図示せず）を含み得る。対象３００の速度または、さらに加速度を決定するために、いくつかの距離測定値が使用され得る。ＶＣＳＥＬアレイにより提供された照明パターンは、光学デバイス２４０に適応され得る。強度は、例えば、光学デバイス２４０（調整された強度分布６５参照）の光損失を補償するために照明パターン２０の縁で増加し得る。
【００４２】
図７は、ＶＣＳＥＬアレイ１００の製造方法のプロセスフローの主要な略図を示す。ステップ４１０では、半導体基板１０１が提供される。半導体基板１０１は、半導体ウエハの一部である。後続のステップ４２０では、少なくとも２つのＶＣＳＥＬ１３０が半導体基板１０１の処理側に提供される。ステップ４３０では、光学機構１４０が提供されて、１つの光学機構１４０が１つの対応するＶＣＳＥＬアレイに関連付けられる。ステップ４４０では、ディフューザー機構１４５が提供される。ステップ４５０では、光学機構１４０が、各ＶＣＳＥＬ１３０により各ＶＣＳＥＬ１３０に割り当てられたディフューザー機構１４５のセクション１４７に向けて放射されたレーザー光１０の発散角を減少させるように構成される。ディフューザー機構１４５のセクション１４７は、連続照明パターン２０が基準面に提供され得るようにコリメートされたレーザー光を変換レーザー光１５０に変換し、ディフューザー機構なく提供できる非変換照明パターンと比較して、照明パターン２０のサイズを大きくするように構成される。
【００４３】
図面および前述の説明において本発明を詳細に例示および説明してきたが、このような例示および説明は説明的または例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。
【００４４】
本開示を読むことにより、他の修正が当業者に明らかになるであろう。このような修正は、当該技術分野で既に知られており、本明細書で既に説明した特徴の代わりに、またはそれに加えて使用できる他の特徴を含む場合がある。
【００４５】
開示された実施形態の変形は、本図面、本開示、および添付の特許請求の範囲の検討から、当業者により理解および実施され得る。請求項において、「含む」という語は他の要素またはステップを除外せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数の要素またはステップを除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用できないことを示すものではない。
【００４６】
請求項中の任意の参照符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００４７】
符号の説明
１０  レーザー光
２０  照明パターン
２１  照明パターンのセクター
５１  強度
５３  角度
５５  視野の角度範囲
６１  理想的な基準強度分布
６３  ディフューザーを備えた典型的なＶＣＳＥＬの強度分布
６５  改善された強度分布
１００  レーザー装置
１０１  半導体基板
１３０  ＶＣＳＥＬ
１４０  光学機構
１４３  接合層
１４５  ディフューザー機構
１４７  ディフューザー機構のセクション
１５０  変換レーザー光
２００  タイムオブフライトセンサーモジュール
２０２  反射レーザー光
２２１  光検出器
２３０  電気ドライバー
２３５  インターフェース
２４０  光学デバイス
２５０  コントローラ
３００  対象
４１０  半導体基板を提供するステップ
４２０  少なくとも２つのＶＣＳＥＬを提供するステップ
４３０  光学機構を提供するステップ
４４０  ディフューザー機構を提供するステップ
４５０  光学機構とディフューザー機構とを構成するステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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