光偏转装置及测距装置 |
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| 申请号 | CN202280067506.7 | 申请日 | 2022-08-30 | 公开(公告)号 | CN118056139A | 公开(公告)日 | 2024-05-17 |
| 申请人 | 索尼半导体解决方案公司; | 发明人 | 安井利文; 安住航平; 安阳太郎; 蛯子芳树; | ||||
| 摘要 | [问题]为了提供一种光学偏转装置以及一种测距装置，在该光学偏转装置中抑制发射光的扩散并且扩大光接收的有效孔径。[解决方案]一种光学偏转装置，包括：多个 波导 ，该多个波导被设置到 半导体 层以在第一方向上彼此平行地延伸，并且能够将光发射到所述半导体层的外部空间并且从外部空间接收光；以及光学系统，设置在包括半导体层的 基板 上，并且将由多个波导发射并且在第一方向上被偏转的光转换成基本上平行于与第一方向 正交 的第二方向的光束。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种光偏转装置，包括： |
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| 说明书全文 | 光偏转装置及测距装置技术领域[0001] 本公开涉及一种光偏转装置和测距装置。 背景技术[0002] 作为用于获取与周围物体的距离的技术，已知光检测和测距(LiDAR)装置。 [0003] LiDAR装置用光束照射物体并且检测照射光束的反射光，使得可以根据照射光束和反射光之间的时间差或频率差计算到物体的距离。此外，LiDAR装置可以通过利用光束二维地扫描物体来获取宽视场的距离信息。 [0005] 引用列表 [0006] 专利文献 [0007] 专利文献1：日本专利第6811862号发明内容 [0008] 本发明要解决的问题 [0009] 近年来，在LiDAR装置中，已经研究了使用光束照射物体并且使用相同的元件接收由物体反射的反射光。因此，希望通过同一元件实现具有小发散角的光束的发射和在较大的有效开口处的反射光的接收。 [0010] 因此，本公开提出了一种能够抑制发射光的扩散并扩大光接收的有效开度的新颖且改进的光偏转装置和测距装置。 [0011] 问题的解决方案 [0012] 根据本公开，提供了一种光偏转装置，该光偏转装置包括多个波导和光学系统，该多个波导彼此平行地沿第一方向延伸并且设置在半导体层中，并且该多个波导能够将光发射到半导体层的外部空间并且从外部空间接收光，该光学系统设置在包括半导体层的基板上，该光学系统将从多个波导向第一方向偏转并发射的光转换为大致平行于第二方向的光束，该第二方向与该第一方向正交。 [0013] 此外，根据本公开，提供了一种测距装置，该测距装置包括多个波导和光学系统，该多个波导彼此平行地沿第一方向延伸并且设置在半导体层中，并且该多个波导能够将光发射到半导体层的外部空间并且从外部空间接收光，该光学系统设置在包括半导体层的基板上，该光学系统将从多个波导向第一方向偏转并发射的光转换为大致平行于第二方向的光束，该第二方向与该第一方向正交。附图说明 [0014] 图1是示意性地示出测距装置的配置的框图。 [0015] 图2是示出测距装置的配置示例的纵截面图。 [0016] 图3是示出光子晶体波导的配置示例的透视图。 [0017] 图4是示出根据第一形状示例的模块透镜的形状的透视图。 [0018] 图5是示出图4中所示的模块透镜的截面形状的纵截面图。 [0019] 图6是示出设置在光天线上的衍射光栅的结构的纵截面图。 [0020] 图7是示出通过图4至图6中所示的衍射光栅和模块透镜发射的发射光的光点形状的图像。 [0021] 图8是示出在具有图7中所示的光点形状的发射光在θ方向上进一步会聚的情况下的发射光的光点形状的图像。 [0022] 图9是示出在具有图7中所示的光点形状的发射光在θ方向上进一步会聚的情况下的发射光的光点形状的图像。 [0023] 图10是示出根据第二形状示例的模块透镜的形状的透视图。 [0024] 图11是示出根据第三形状示例的模块透镜的形状的透视图。 [0025] 图12是示出根据第四形状示例的模块透镜的形状的透视图。 [0026] 图13是示出图12中所示的模块透镜的截面形状的纵截面图。 [0027] 图14是示出通过图12和图13中所示的衍射光栅和模块透镜发射的发射光的光点形状的图像。 [0028] 图15是示出根据第五形状示例的模块透镜的形状的透视图。 [0029] 图16是示出图15中所示的模块透镜的截面形状的纵截面图。 [0030] 图17是示出通过图15和图16中所示的衍射光栅和模块透镜发射的发射光的光点形状的图像。 [0031] 图18是示出根据第六形状示例的模块透镜的形状的透视图。 [0032] 图19是示出图18中所示的模块透镜的截面形状的纵截面图。 [0033] 图20是示出通过图18和图19中示出的模块透镜发射的发射光的光点形状的图像。 [0034] 图21是示出根据第七形状示例的模块透镜的形状的透视图。 [0035] 图22是示出图21中示出的模块透镜的截面形状的纵截面图。 [0036] 图23是示出通过图21和图22中示出的模块透镜发射的发射光的光点形状的图像。 [0037] 图24是示出根据第八形状示例的模块透镜的形状的透视图。 [0038] 图25是示出图24中所示的模块透镜的截面形状的纵截面图。 [0039] 图26是示出通过图24和图25中示出的模块透镜和衍射光栅发射的发射光的光点形状的图像。 [0040] 图27是示出根据第一配置示例的片上透镜和模块透镜的配置的纵截面图。 [0041] 图28是示出根据第一配置示例的片上透镜和模块透镜的配置的纵截面图。 [0042] 图29是示出根据第二配置示例的片上透镜和模块透镜的配置的纵截面图。 [0043] 图30是示出根据第三配置示例的片上透镜和模块透镜的配置的纵截面图。 [0044] 图31是描述了根据第三配置示例的片上透镜和模块透镜的效果的说明图。 [0045] 图32是示出根据第四配置示例的聚光透镜和模块透镜的配置的纵截面图。 [0046] 图33是描述了根据第四配置示例的聚光透镜和模块透镜的效果的说明图。 [0047] 图34是示出根据第五配置示例的片上透镜与光发射/接收单元之间的位置关系的示意性说明图。 [0048] 图35是示出根据第五配置示例的片上透镜与光发射/接收单元之间的位置关系的示意性说明图。 [0049] 图36是示出根据第五配置示例的片上透镜与光发射/接收单元之间的位置关系的示意性说明图。 具体实施方式[0051] 注意，将按照以下顺序给出描述。 [0052] 1.测距装置 [0053] 1.1.概要 [0054] 1.2.配置 [0055] 1.3.光天线 [0056] 2.第一实施方式 [0057] 2.1.第一形状示例 [0058] 2.2.第二形状示例 [0059] 2.3.第三形状示例 [0060] 2.4.第四形状示例 [0061] 2.5.第五形状示例 [0062] 2.6.第六形状示例 [0063] 2.7.第七形状示例 [0064] 2.8.第八形状示例 [0065] 2.9.附录 [0066] 3.第二实施方式 [0067] 3.1.第一配置示例 [0068] 3.2.第二配置示例 [0069] 3.3.第三配置示例 [0070] 3.4.第四配置示例 [0071] 3.5.第五配置示例 [0072] <1.测距装置> [0073] (1.1.概述) [0074] 首先，将参考图1描述应用了根据本公开的技术的测距装置的概要。图1是示意性地示出测距装置1的配置的框图。 [0076] 光源10例如是发射属于近红外区域的光的激光光源。从光源10发出的激光被调制器20频率调制，以变成频率顺序改变的频率啁啾光(frequency‑chirped light)。经过频率调制的频率啁啾光经过分光器等解复用后，通过光循环器30从光传输接收单元40发射到对象2。发射到对象2的发射光Tx(发射器)由对象2反射以由光传输接收单元40接收为反射光Rx(接收器)。接收到的反射光Rx与混频器50发射前解复用的频率啁啾光混频，以生成节拍信号。 [0077] 反射光Rx由于在光传输接收单元40与对象2之间的往复运动而相对于发射光Tx延迟。因此，由于频率啁啾，发射光Tx和反射光Rx之间发生频率差。由此，混合器50可通过将接收到的反射光Rx和在发射之前被解复用的频率啁啾光混合，来产生具有与发射光Tx和反射光Rx之间的延迟时间对应的频率差的节拍信号。测距装置1可以通过由包括光电二极管等的检测器60检测节拍信号并通过处理单元70执行快速傅里叶变换(FFT)分析等来获取从光传输接收单元40到对象2的距离信息。 [0079] (1.2.配置) [0080] 接下来，将参照图2描述测距装置1的配置示例。图2是示出测距装置1的配置示例的纵截面图。 [0081] 如图2所示，测距装置1使用诸如Si的半导体构成。例如，测距装置1包括：第一基板100，其中第一多层配线层120堆叠在第一半导体基板110上；第二基板200，其中第二多层配线层220堆叠在第二半导体基板210上；平坦化膜310；以及模块透镜300。通过使第一多层配线层120和第二多层配线层220彼此面对来将第一基板100和第二基板200接合在一起。 [0082] 第一半导体基板110例如是Si基板或绝缘体上硅(silicon on insulator，SOI)基板。第一半导体基板110设置有发射发射光Tx的光天线111和偏转来自光天线111的发射光Tx的发射角的加热器112。 [0083] 如后所述，光天线111是设置在形成有光子晶体结构的半导体层中的波导。光天线111用作所谓的慢光波导，并且可以通过使从半导体激光器(未示出)发射的激光(例如，属于近红外区域的光)进入波导中来从波导向模块透镜300发射入射光。此外，光天线111可接收通过模块透镜300入射在第一基板100上的光。即，光天线111对应于图1的光传输接收单元40。 [0084] 例如，加热器112通过电阻加热来产生热，以加热构成光天线111的半导体层。构成光天线111的半导体层的折射率根据温度而变化。因此，加热器112可以通过改变构成光天线111的半导体层的折射率来改变从光天线111发射的发射光Tx的偏转角度。 [0085] 第一多层布线层120包括布线层122、层间绝缘膜121和接合电极123。布线层122例如包括诸如Cu、Al、Ti或W的导电材料，并且将诸如光天线111和加热器112的元件电连接到接合电极123。层间绝缘膜121包含诸如SiOx、SiNx或SiON的绝缘材料，并且将设置在不同层中的配线层122电分离。被层间绝缘膜121电隔离的配线层122通过例如穿透层间绝缘膜121的通孔电连接。 [0086] 例如，接合电极123由诸如Cu等导电性材料构成，并且被设置为在第一多层布线层120与第二多层布线层220的接合面露出。通过形成其中电极被接合在第一多层配线层120和第二多层配线层220之间的电极接合结构(Cu‑Cu连接)，接合电极123可在第一多层配线层120和第二多层配线层220之间形成电连接。 [0087] 第二半导体基板210例如是Si基板或绝缘体上硅(SOI)基板。第二半导体基板210设置有例如构成发射光Tx的控制电路、加热器112的控制电路、反射光Rx的处理电路等的各种晶体管Tr。 [0088] 第二多层布线层220包括布线层222、层间绝缘膜221和接合电极223。例如，布线层222包括诸如Cu、Al、Ti或W的导电材料，并且与形成在第二半导体基板210上的各种晶体管Tr和接合电极223电连接。层间绝缘膜221包括SiOx、SiNx、SiON等，并且将设置在不同层中的布线层222彼此电隔离。被层间绝缘膜221电隔离的每个布线层222通过例如穿透层间绝缘膜221的通孔电连接。 [0089] 例如，接合电极223包括诸如Cu的导电材料，并且被设置为在第一多层配线层120与第二多层配线层220之间的接合表面上暴露。通过形成电极被接合在第一多层布线层120与第二多层布线层220之间的电极接合结构(Cu‑Cu连接)，接合电极223可在第一多层布线层120与第二多层布线层220之间形成电连接。 [0090] 平坦化膜310包括诸如SiOx、SiNx或SiON的透明材料，并且被设置在第一基板100的第一半导体基板110上。模块透镜300包括(诸如SiOx、SiNx、SiON的)透明材料、玻璃材料或者丙烯酸树脂，并且设置在平坦化膜310上。模块透镜300将从光天线111发射的发射光Tx成形为基本上平行的光束，并且会聚入射在光天线111上的反射光Rx。模块透镜300可被设置为凸透镜。 [0091] (1.3.光天线) [0092] 接下来，将参照图3描述构成光天线111的光子晶体波导。图3是示出光子晶体波导1110的配置示例的透视图。 [0093] 如图3所示，光子晶体波导1110包括衍射光栅1112和波导1111。通过在包括Si等的高折射率区域之间周期性地布置具有低于Si的折射率的低折射率区域来配置衍射光栅1112。波导1111具有光子晶体结构并且被设置为在一个方向上延伸。具体地，多个波导1111被设置为彼此平行，同时在未设置衍射光栅1112的区域中在第一方向(X轴方向)上延伸。 [0094] 在光子晶体波导1110中，入射在波导1111上的光在波导1111中在第一方向上传播并且在波导1111的上方(Z轴方向)辐射。辐射到波导1111的上侧的光变成在与第一方向正交的第二方向(Y轴方向)上以扇形扩展的光束，并且在相对于Z轴方向在光的传播方向上倾斜的同时被发射。通过诸如模块透镜300的光学系统，在波导1111上方辐射的光被成形为基本上平行于第二方向的光束。要注意的是，术语“大致平行”允许从完全平行扩展大约0.01°至0.1°。 [0095] 在光子晶体波导1110中，通过根据温度改变衍射光栅1112的折射率，在波导1111之上发射的光可以在θ方向(围绕Y轴的旋转方向)上偏转。此外，在光子晶体波导1110中，通过切换发射光的波导1111，光可以在φ方向(围绕X轴的旋转方向)上偏转。据此，包括光子晶体波导1110的光天线111可以通过利用折射率控制在θ方向上的偏转和通过切换发射光的波导1111在φ方向上的偏转来二维地扫描发射光Tx。 [0096] 在根据本公开的技术中，测距装置1从设置在Si等的半导体层中的光天线111向对象2发射发射光Tx，并且通过相同的光天线111接收来自对象2的反射光Rx。因此，希望测距装置1的光学系统抑制发射光Tx的扩散并扩大光接收的有效开口。在下文中，将在第一实施方式和第二实施方式中分开描述基于上述情况构思的根据本公开的技术。这种光天线111和设置在光天线111上的光学系统也被统称为光偏转装置。 [0097] <2.第一实施方式> [0098] 首先，将参照图4至图26描述根据本公开的第一实施方式的技术。本公开内容的第一实施方式是通过控制设置在光天线111上的多个波导上的模块透镜的形状等来抑制从测距装置1发射的发射光Tx的扩散并且扩大光接收的有效开口的实施方式。 [0099] (2.1.第一形状示例) [0100] 图4是示出根据第一形状示例的模块透镜300A的形状的透视图。图5是示出图4中示出的模块透镜300A的截面形状的纵截面图。图6是示出设置在光天线111上的衍射光栅113的结构的纵截面图。 [0101] 如图4所示，根据第一形状示例的模块透镜300A是具有环形形状的圆环形棱镜，在该环形形状中，圆周体通过在与光天线111的波导延伸的第一方向正交的第二方向上延伸的旋转轴旋转。根据第一形状示例的模块透镜300A可以将发射光Tx成形为基本上平行于φ方向的光束。 [0102] 具体地，模块透镜300A的形状为图5中所示的截面形状通过在第二方向上延伸的旋转轴旋转。图5中所示的截面形状的形状是例如其中面向光天线111的下表面S1的非球面表面系数由以下表1表示、并且面向模块透镜300A的外部的上表面S2的非球面表面系数由以下表2表示，从而从光天线111发射的发射光Tx可以形成为基本上平行于φ方向的光束。模块透镜300A的环形形状可以通过使用表1和表2中所示的系数、根据以下数学表达式1绘制的图形、以(X，Y，Z)＝(0，0，0)为中心围绕Y轴旋转来形成。注意，模块透镜300A的折射率是1.5。 [0103] [表1] [0104] (表1) [0105]Y曲率半径 ‑11.82131444 圆锥常数(k) 0.00E+00 四阶系数(A) 5.43E–04 六阶系数(B) 5.50E–06 八阶系数(C) ‑2.77E–07 十阶系数(D) 4.91E‑09 [0106] [表2] [0107] (表2) [0108]Y曲率半径 9.039775277 圆锥常数(k) ‑0.280484803 四阶系数(A) ‑8.24E–05 六阶系数(B) 3.30E–07 八阶系数(C) ‑4.22E–09 十阶系数(D) 5.06E–11 [0109] [数学表达式1] [0110] [0111] 此外，衍射光栅113设置在模块透镜300A与光天线111之间。衍射光栅113是能够在第一方向(θ方向)上扭曲从光天线111发射的发射光Tx的线性衍射光栅。例如，衍射光栅113被设置为：距发光点的Z距离为0.3mm、厚度为0.7mm、折射率为1.5、并且截面形状为图6中所示，使得在θ方向上入射角为10度的发射光Tx可以衍射并且在θ方向上以0度的发射角发射。即，衍射光栅113可以在θ方向上将入射光衍射10度。由于从光子晶体波导1110发射的发射光Tx在光的传播方向(第一方向)上倾斜时发射到光子晶体波导1110，所以衍射光栅113可通过校正发射光Tx在θ方向上的倾斜从光天线111直接向上辐射发射光Tx。 [0112] 如图6所示，衍射光栅113的截面结构可以是θ方向上的衍射节距d为8.92μm并且锯齿的高度h为3.1μm的闪耀结构1131。此外，衍射光栅113的截面形状可以是使用电介质柱1133的超透镜结构1132，电介质柱1133在θ方向上的衍射节距d为8.92μm。电介质柱1133包括例如非晶硅、TiO2等，并且可以通过改变直径的尺寸给予发射光Tx相位。 [0113] 注意，如图6所示，衍射光栅113可被设置使得衍射发射光Tx的凹凸表面面向光天线111侧，或者可被设置为使得衍射发射光Tx的凹凸表面面向模块透镜300A侧。 [0114] 光天线111包括在第一方向(θ方向)上延伸的宽度为5μm并且长度为1mm的多个波导。包括在光天线111中的多个波导在第二方向(φ方向)上以255μm的间距彼此平行提供。光天线111可从每个波导发射发射光Tx。 [0115] 图7示出通过参考图4至图6描述的衍射光栅113和模块透镜300A发射的发射光Tx的光点形状。如图7所示，根据第一形状示例的模块透镜300A可获得净光点形状，其中，来自每个波导的发射光Tx在θ方向上从光天线111分别以10度、25度和40度的发射角彼此分离。此外，根据第一形状示例的模块透镜300A有效开口为7.8mm，并且因此可获得较大的有效开口。 [0116] 在此，在图8和图9中示出在从光天线111发射的发射光Tx在θ方向上进一步会聚的情况下的发射光Tx的光点形状。在图8中示出的光点形状中，从光天线111发射的发射光Tx被会聚，使得在θ方向上的焦距是33.3mm。此外，在图9中示出的光点形状中，从光天线111发射的发射光Tx被会聚，使得在θ方向上的焦距变成33.3mm，并且发射发射光Tx的波导的θ方向上的宽度进一步减小到一半(0.5mm)。 [0117] 注意，例如，通过在光天线111与模块透镜300A之间在θ方向上布置圆柱形透镜、在θ方向上布置超透镜(metalens)、或在θ方向上布置衍射透镜，可执行在θ方向上会聚发射光Tx。 [0118] 如图8中所示，通过在θ方向上会聚发射光Tx，根据第一形状示例的模块透镜300A可获得更干净的光点形状。在图8所示的光点形状中，光点形状中的最大光密度得到改善，因而可以改善由光天线111接收的反射光Rx的SN比。 [0119] 如图9中所示，通过进一步减小发射发射光Tx的波导的θ方向宽度，根据第一形状示例的模块透镜300A可获得更清晰的光点形状。在图9中所示的光点形状中，进一步改善光点形状中的最大光密度，因此可进一步改善由光天线111接收的反射光Rx的SN比。 [0120] (2.2.第二形状示例) [0121] 图10是示出根据第二形状示例的模块透镜300B的形状的透视图。 [0122] 如图10所示，根据第二形状示例的模块透镜300B是具有曲率会聚特性的超透镜，并且将从光天线111通过衍射光栅113发射的发射光Tx形成为基本上平行于φ方向的光束。具体地，在根据第二形状示例的模块透镜300B中，具有比发射光Tx的波长小的周期的平面结构的超透镜被设置在圆柱体的外周表面上，该圆柱体在与光天线111的波导延伸的第一方向正交的第二方向上延伸。超透镜是通过具有比发射光Tx的波长小的周期的平面结构将相位赋予入射光的平面透镜。模块透镜300B可以通过由设置在与圆柱体的外周表面相对应的弯曲表面上的超透镜给予发射光Tx相位来将发射光Tx成形为基本上平行于φ方向的光束。 [0123] (2.3.第三形状示例) [0124] 图11是示出根据第三形状示例的模块透镜300C的形状的透视图。 [0125] 如图11所示，根据第三形状示例的模块透镜300C是具有斜坡会聚特性的超透镜，并且将从光天线111发射的发射光Tx成形为基本上平行于φ方向的光束。具体地，在根据第三形状示例的模块透镜300C中，具有小于发射光Tx的波长的周期的平面结构的超透镜设置在沿光天线111的波导延伸的第一方向倾斜的斜面上。如上所述，超透镜元是通过具有比发射光Tx的波长小的周期的平面结构将相位赋予入射光的平面透镜。模块透镜300C可以通过由设置在倾斜表面上的超透镜给予发射光Tx相位来将发射光Tx成形为基本上平行于φ方向的光束。 [0126] (2.4.第四形状示例) [0127] 图12是示出根据第四形状示例的模块透镜300D的形状的透视图。图13是示出图12所示的模块透镜300D的截面形状的纵截面图。 [0128] 如图12所示，在根据第四形状示例的模块透镜300D中，具有小于发射光Tx的波长的周期的平面结构的超透镜设置在长方体形状的上表面上。模块透镜300D可以将通过衍射光栅113从光天线111发射的发射光Tx成形为基本上平行于φ方向的光束。 [0129] 具体地，如图13所示，模块透镜300D为高度为18mm的长方体形状，并且设置有距衍射光栅113的0.1mm的空间。在下表3中表示在模块透镜300D中形成的超透镜的相位差函数的系数。在模块透镜300D中形成的超透镜被设置成通过使用表3中所示的系数、向发射光Tx赋予由下面的数学表达式2表示的要赋予的相位差量Φ。注意，模块透镜300D的折射率为1.5。 [0130] [表3] [0131] (表3) [0132] [0133] [0134] [数学式2] [0135] [0136] 从光天线111发射的发射光Tx的条件和衍射光栅113的规格与第一形状示例的那些相似，并且因此在此省略其描述。 [0137] 图14示出通过参考图12和图13描述的衍射光栅113和模块透镜300D发射的发射光Tx的光点形状。如图14所示，根据第四形状示例的模块透镜300D可获得更会聚的光点形状，其中，来自每个波导的发射光Tx沿θ方向与光天线111分别以10度、25度和40度的发射角彼此分离。另外，由于第四形状例所涉及的模块透镜300D的有效开口为8mm，因此能够得到较大的有效开口。因此，根据第四形状示例的模块透镜300D可以提高发射光Tx的会聚特性，同时进一步简化透镜的形状。 [0138] (2.5.第五形状示例) [0139] 图15是示出根据第五形状示例的模块透镜300E的形状的透视图。图16是示出图15中所示的模块透镜300E的截面形状的纵截面图。 [0140] 如图15所示，在根据第五形状示例的模块透镜300E中，具有小于发射光Tx的波长的周期的平面结构的超透镜设置在长方体形状的倾斜上表面上。模块透镜300E可以将从光天线111通过衍射光栅113发射的发射光Tx成形为基本上平行于φ方向的光束。 [0141] 具体地，如图15所示，模块透镜300E为高度为18mm的长方体形状，并且被设置为与衍射光栅113相距0.1mm的空间。此外，模块透镜300E设置成使得长方体形状的上表面朝向第一方向上的两侧向下倾斜11度。在下表4中表示在模块透镜300E中形成的超透镜的相位差函数的系数。在模块透镜300E中形成的超透镜被设置为使用在表4中示出的系数、将由以下数学表达式3表示的要给予的相位差量Φ给予发射光Tx。注意，模块透镜300E的折射率是1.5。 [0142] [表4] [0143] (表4) [0144] 值参考波长λ0[nm] 1550 C(X2) 3.8760E–02 C(X4) 3.8760E–04 C(X6) ‑2.8750E–06 C(X8) ‑8.6249E–08 C(X10) ‑8.6250E–10 [0145] [数学式3] [0146] [0147] 从光天线111发射的发射光Tx的条件类似于第一形状示例的条件，因此这里省略其描述。在衍射光栅113中，通过将θ方向上的衍射节距d设定为26.7μm，θ方向上的入射光的衍射角被设定为3.3度。 [0148] 图17示出通过参考图15和图16描述的衍射光栅113和模块透镜300E发射的发射光Tx的光点形状。如图17中所示，根据第五形状示例的模块透镜300E可获得更会聚的光点形状，其中，来自每个波导的发射光Tx在θ方向上从光天线111分别以10度、25度和40度的发射角彼此分离。此外，根据第五形状示例的模块透镜300E的有效开口为7.6mm，并且因此可获得较大的有效开口。因此，根据第五形状示例的模块透镜300E可改善发射光Tx的会聚特性，同时进一步简化透镜的形状。 [0149] (2.6.第六形状示例) [0150] 图18是示出根据第六形状示例的模块透镜300F的形状的透视图。图19为示出在图18中所示的模块透镜300F的截面形状的纵截面图。 [0151] 如图18所示，在根据第六形状示例的模块透镜300F中，具有小于发射光Tx的波长的周期的平面结构的超透镜设置在长方体形状的倾斜上表面上。模块透镜300F可以将从光天线111穿过虚拟基板(dummy substrate)115发射的发射光Tx成形为基本上平行于φ方向的光束。在根据第六形状示例的模块透镜300F中，通过使包括在光天线111中的波导的φ方向上的间距变窄，发射光Tx可以由具有较小尺寸的光学系统形成为基本上平行于φ方向的光束。 [0152] 具体地，如图18所示，模块透镜300F为高度为5.3mm的长方体形状，并且被设置为与虚拟基板115相距0.1mm的空间。虚拟基板115是透射发射光Tx的透明基板。此外，模块透镜300F被设置成使得长方体形状的上表面朝向第一方向上的两侧向下倾斜15度。在下表5中表示在模块透镜300F中形成的超透镜的相位差函数的系数。在模块透镜300F中形成的超透镜被设置为使用在表5中示出的系数、将由以上数学表达式3表示的要给予的相位差量Φ给予发射光Tx。注意，模块透镜300F的折射率是1.5。 [0153] [表5] [0154] (表5) [0155] 值 参考波长λ0[nm] 1550 C(X2) 1.16279E–01 C(X4) 3.51564E–06 C(X6) ‑2.53811E–06 C(X8) ‑1.15389E–06 C(X10) 8.87881E–36 [0156] 与第一形状示例相比，光天线111设置为75μm，其中，包括在光天线111中的波导的φ方向上的节距变窄到1/3。由于光天线111的其他条件与第一形状例相同，所以省略其说明。 [0157] 图20示出通过参考图18和图19描述的模块透镜300F发射的发射光Tx的光点形状。如图20所示，根据第六形状示例的模块透镜300F可获得其中来自每个波导的发射光Tx在从光天线111的θ方向上分别以10度、25度和40度的发射角会聚的点形状。此外，虽然根据第六形状示例的模块透镜300F的有效开口为2.6mm，但是光学系统的高度可大大减小。因此，根据第六形状示例的模块透镜300F可进一步使测距装置1小型化。 [0158] (2.7.第七形状示例) [0159] 图21是示出根据第七形状示例的模块透镜300G的形状的透视图。图22是示出图21中所示的模块透镜300G的截面形状的纵截面图。 [0160] 如图21所示，在根据第七形状示例的模块透镜300G中，具有比发射光Tx的波长小的周期的平面结构的超透镜设置在长方体形状的倾斜上表面和下表面两者上。模块透镜300G可以将从光天线111通过衍射光栅113发射的发射光Tx成形为基本上平行于φ方向的光束。在根据第七形状示例的模块透镜300G中，通过使包括在光天线111中的波导的φ方向上的间距变窄，发射光Tx可以由较小尺寸的光学系统形成为基本上平行于φ方向的光束。 [0161] 具体地，如图21所示，模块透镜300G为高度为9.0mm的长方体形状，并且被设置为与衍射光栅113相距5.0mm的空间。此外，模块透镜300G被设置成使得长方体形状的上表面和下表面朝向第一方向上的两侧向下倾斜13度。在下表6中表示在模块透镜300G中形成的超透镜的相位差函数的系数。在模块透镜300G中形成的超透镜被设置为使用在表6中示出的系数、将由以上数学表达式3表示的要给予的相位差量Φ给予发射光Tx。注意，模块透镜300F的折射率是1.5。 [0162] [表6] [0163] (表6) [0164] 上表面 下表面参考波长λ0[nm] 1550 1550 C(X2) 9.0508E–03 7.68110E–02 C(X4) ‑4.4813E–04 ‑7.95429E–05 C(X6) ‑1.0756E–05 1.76103E–05 C(X8) 4.2196E–07 ‑7.58293E–07 C(X10) ‑1.4357E–08 5.53432E–09 [0165] 与第一形状示例相比，光天线111为112.5μm，其中，包括在光天线111中的波导的φ方向上的节距变窄到1/2。此外，从光天线111所包含的波导起φ方向的发光角度为±30度。 [0166] 图23示出通过参考图21和图22所描述的衍射光栅113和模块透镜300G发射的发射光Tx的光点形状。如图23中所示，根据第七形状示例的模块透镜300G可获得光点形状，其中，来自每个波导的发射光Tx在光天线111的θ方向上分别以10度、25度以及40度的发射角会聚。此外，根据第七形状示例的模块透镜300G的有效开口为7.4mm，并且因此可获得较大的有效开口。因此，根据第七形状示例的模块透镜300G可显著减小光学系统的高度，同时保持较大的有效开口，并且因此测距装置1可进一步减小。 [0167] (2.8.第八形状示例) [0168] 图24是示出根据第八形状示例的模块透镜300H的形状的透视图。图25是示出图24中所示的模块透镜300H的截面形状的纵截面图。 [0169] 如图24所示，在根据第八形状示例的模块透镜300H中，在三个分割的长方体形状的上表面中的每一个上设置具有比发射光Tx的波长小的周期的平面结构的超透镜。模块透镜300H可以将从通过衍射光栅113将波导分成三组而获得的光天线111发射的发射光Tx成形为基本上平行于φ方向的光束。由模块透镜300H成形的发射光Tx进一步由三分割衍射光栅114衍射以均匀地分散。在根据第八形状示例的模块透镜300H中，包括在光天线111中的波导在φ方向上被分成三组，并且从属于相应组的波导发射的发射光Tx可以由不同的超透镜形成为基本上平行于φ方向的光束。 [0170] 具体地，如图25所示，模块透镜300H为被分为高度为4.5mm的三个的长方体形状，并且被设置为与衍射光栅113相距0.26mm的空间。此外，在模块透镜300H上，划分成厚度为0.7mm的三个的衍射光栅114设置有0.25mm的空间。通过将模块透镜300H分成三个而形成的超透镜的相位差函数的系数在下表7中表示。在模块透镜300H中形成的超透镜被设置为使用在表7中示出的系数、将由以上数学表达式3表示的要给予的相位差量Φ给予发射光Tx。 注意，模块透镜300H的折射率是1.5。 [0171] [表7] [0172] (表7) [0173] 中心 +侧 ‑侧 参考波长λ0[nm] 1550 1550 1550 X偏移量[mm] 0 2.5 ‑2.5 C(X2) 1.5504E–01 1.5504E–01 1.5504E–01 C(X4) 6.2016E–03 6.2016E–03 6.2016E–03 C(X6) ‑1.8400E–04 ‑1.8400E–04 ‑1.8400E–04 C(X8) ‑2.2080E–05 ‑2.2080E–05 ‑2.2080E–05 C(X10) ‑8.8320E–07 ‑8.8320E–07 ‑8.8320E–07 [0174] 与第一形状示例相比，光天线111被设置成在φ方向上被分成三组，其中在光天线111中所包括的波导的φ方向上的节距为56μm。这三组各自以2.5mm的距离设置。 [0175] 类似地，衍射光栅114被分成三个部分。中心衍射光栅114在没有衍射的情况下透射来自中心模块透镜300H的发射光Tx。衍射光栅114在+(正)侧上的衍射节距d为8.92μm，并且来自+侧上的模块透镜300H的发射光Tx可以在φ方向上进一步衍射到+侧。衍射光栅114在‑(负)侧上的衍射节距d为8.92μm，并且来自‑侧上的模块透镜300H的发射光Tx可以在φ方向上进一步衍射到‑侧。 [0176] 图26示出通过参考图24和图25所描述的衍射光栅113、模块透镜300H以及衍射光栅114发射的发射光Tx的光点形状。如图26中所示，根据第八形状示例的模块透镜300H可获得其中来自每个波导的发射光Tx在从光天线111的θ方向上分别以发射角10度、25度和40度会聚的点形状。此外，根据第八形状示例的模块透镜300H的有效开口为2.1mm×3，并且因此可获得较大的有效开口。因此，根据第八形状示例的模块透镜300H可显著减小光学系统的高度，同时保持较大的有效开口，并且因此测距装置1可进一步减小。 [0177] (2.9.附录) [0178] 在上述第二形状示例至第八形状示例中，超透镜设置在模块透镜300B至300H的上表面上，但是根据本公开的技术不限于以上实施例。例如，可以代替超透镜在模块透镜300B至300H上设置衍射透镜。此外，在上述第二形状示例至第八形状示例中，还可以通过在θ方向上稍微会聚入射在模块透镜300B至300H上的发射光Tx来获得更有利的光点形状。 [0179] 此外，在以上描述中，衍射光栅113用于使发射光Tx在θ方向上弯曲，但是根据本公开的技术不限于以上实施例。例如，可以使用棱镜代替衍射光栅113在θ方向上弯曲发射光Tx。 [0180] <3.第二实施方式> [0181] 接下来，将参照图27至图36描述根据本公开的第二实施方式的技术。本公开的第二实施方式是除了模块透镜之外，还在光天线111上设置片上透镜以抑制从测距装置1发射的发射光Tx扩散的实施方式。 [0182] (3.1.第一配置示例) [0183] 图27和图28是示出根据第一配置示例的片上透镜302A和模块透镜301的配置的纵截面图。 [0184] 如图27和图28所示，片上透镜302A设置在平坦化膜310上，并且为包括在光天线111中的每个波导或为每多个波导设置。例如，片上透镜302A可以设置为柱面透镜阵列。此外，在衍射光栅113设置在光天线111上的情况下，可以针对衍射光栅113的衍射光从其发射的每个狭缝或每多个狭缝设置片上透镜302A。 [0185] 模块透镜301设置在片上透镜302A上并且设置为在包括在光天线111中的所有波导之上的凸透镜。注意，平坦化膜310及其后续层的配置如参考图2所述，因此这里省略其描述。 [0186] 在第一配置示例中，来自光天线111的发射光Tx可以由片上透镜302A和模块透镜301的两个透镜分阶段地成形为基本上平行于φ方向的光束。根据第一配置示例，即使在片上透镜302A和模块透镜301中的每一个的透镜屈光力小的情况下，测距装置1也可以将发射光Tx成形为基本上平行于φ方向的光束。 [0187] (3.2.第二配置示例) [0188] 图29是示出根据第二配置示例的片上透镜302B和模块透镜301的配置的纵截面图。 [0189] 如图29中所示，片上透镜302B被设置在平坦化膜310上，并且被设置用于包括在光天线111中的每个波导或者用于多个波导中的每一个。例如，片上透镜302B被设置为其中形成具有比发射光Tx的波长小的周期的平面结构的超透镜。 [0190] 模块透镜301设置在片上透镜302B上，并且设置为在包括在光天线111中的所有波导之上的凸透镜。注意，平坦化膜310及其后续层的配置如参考图2所述，因此这里省略其描述。 [0191] 在第二配置示例中，来自光天线111的发射光Tx可以通过片上透镜302B的两个透镜和模块透镜301分阶段成形为基本上平行于φ方向的光束。根据第二配置示例，即使在片上透镜302B和模块透镜301中的每一个的透镜屈光力小的情况下，测距装置1也可以将发射光Tx成形为基本上平行于φ方向的光束。此外，在将片上透镜302B设置为超透镜的情况下，可以进一步减小片上透镜302B的高度，并且因此可以更容易使测距装置1小型化。 [0192] (3.3.第三配置示例) [0193] 图30是示出根据第三配置示例的片上透镜302C和模块透镜301的配置的纵截面图。图31是说明片上透镜302C和模块透镜301的效果的说明图。 [0194] 如图30所示，片上透镜302C作为凹透镜设置在平坦化膜310上，并且被设置用于包括在光天线111中的每个波导或者用于多个波导中的每一个。模块透镜301设置在片上透镜302C上并且设置为在包括在光天线111中的所有波导之上的凸透镜。注意，平坦化膜310及其后续层的配置如参考图2所述，因此这里省略其描述。 [0195] 如图31所示，通过由作为凹透镜的片上透镜302C进一步加宽光束开口角，从片上透镜302C发射来自光天线111的发射光Tx。因此，为了使具有与在不穿过片上透镜302C的情况下的发射光TxA相同的光束开口角的发射光Tx入射，模块透镜301更接近片上透镜302C。 [0196] 在第三配置示例中，通过由作为凹透镜的片上透镜302C加宽来自光天线111的发射光Tx的光束开口角，可以进一步缩短片上透镜302C与模块透镜301之间的距离。因此，包括片上透镜302C和模块透镜301的光学系统的高度可进一步减小，并且因此测距装置1可进一步减小。 [0197] (3.4.第四配置示例) [0198] 图32是示出根据第四配置示例的聚光透镜303和模块透镜301的配置的纵截面图。图33是描述聚光透镜303和模块透镜301的效果的说明图。 [0199] 如图32所示，聚光透镜303设置在平坦化膜310上，并且设置在包括在光天线111中的每个波导的两侧。例如，聚光透镜303可被设置为普通棱镜透镜，或者可被设置为超透镜。此外，聚光透镜303可包括具有比包括模块透镜301的其他光学系统部件更高的折射率的材料。 [0200] 模块透镜301设置在聚光透镜303上，并且设置为在包括在光天线111中的所有波导之上的凸透镜。注意，平坦化膜310及其后续层的配置如参考图2所述，因此这里省略其描述。 [0201] 如图33所示，聚光透镜303设置在不影响从光天线111发射的发射光Tx的位置处。这里，由对象2反射的反射光Rx比发射光Tx更多地漫射并且入射在光天线111上。此时，比发射光Tx漫射更多的反射光Rx入射在设置在光天线111的波导的两侧的聚光透镜303上，以会聚在光天线111的波导上。因此，聚光透镜303能够进一步提高对光天线111的会聚效率。 [0202] 在第四配置示例中，反射光Rx可以通过设置在光天线111的波导附近的聚光透镜303更多地收集并由光天线111接收。因此，测距装置1可以进一步提高反射光Rx的光接收灵敏度。 [0203] (3.5.第五配置示例) [0204] 图34至图36是示出根据第五配置示例的片上透镜302与光发射/接收单元111A之间的位置关系的示意性说明图。 [0205] 光发射/接收单元111A是从光天线111发射的发射光Tx的每个发射单元，并且也是反射光Rx的接收单元。例如，光发射/接收单元111A是包括在光天线111中的多个波导中的每个。此外，作为另一个实施例，光发射/接收单元111A是发射设置在光天线111上的衍射光栅113的衍射光的每个狭缝。 [0206] 如图34至图36所示，片上透镜302可设置用于每个光发射/接收单元111A或每个狭缝，光发射/接收单元111A是包括在光天线111中的每个波导或从其发射衍射光栅113的衍射光的每个狭缝。 [0207] 如图34所示，片上透镜302和光发射/接收单元111A可均匀地设置在整个光天线111上。此外，片上透镜302可设置在光发射/接收单元111A的紧上方。 [0208] 另一方面，如图35所示，片上透镜302和光发射/接收单元111A可非均匀地设置在整个光天线111中。具体地，片上透镜302和光发射/接收单元111A可被设置成使得片上透镜302和光发射/接收单元111A的密度在中心部分高于在周边部分。在测距装置1中，视野的中心部分(可能是注视点)的重要性趋向于较高，并且视野的外围部分的重要性趋向于较低。 因此，通过将片上透镜302和光发射/接收单元111A以更高的密度布置在中心部分中，测距装置1可以进一步提高视野中心部分中的距离测量精度。 [0209] 此外，如图36所示，片上透镜302可设置在从光发射/接收单元111A偏移的位置处。具体地，在光发射/接收单元111A以更高密度被布置在视野的中心部分的情况下，反射光Rx在光发射/接收单元111A上的入射趋于在视野的外围部分倾斜。因此，通过将片上透镜302设置为相对于光发射/接收单元111A朝向外围部侧偏移，可以使反射光Rx入射在光发射/接收单元111A的中心上。 [0210] 在第五配置示例中，测距装置1可以通过改变片上透镜302和光发射/接收单元111A的位置来改变在视野中获取的距离测量信息的密度。此外，测距装置1可以通过改变片上透镜302与光发射/接收单元111A之间的位置关系进一步提高反射光Rx的光接收灵敏度。 [0211] 上面已经参考附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是本公开的技术范围不限于这种实施例。很明显，在本公开的技术领域中具有通常知识的人员可以在权利要求中记载的技术思想的范围内实现各种变形或修改，并且将自然地理解，这些变形或修改也属于本公开的技术范围。 [0212] 此外，本说明书中描述的效果仅是示例性或者说明性的，而不是限制性的。即，除了上述效果之外，或者代替上述效果，根据本公开的技术可以从本说明书的描述中表现出对本领域技术人员显而易见的其他效果。 [0213] 注意，以下配置也属于本公开的技术范围。 [0214] (1)一种光偏转装置，包括： [0215] 多个波导，彼此平行地沿第一方向延伸并且设置在半导体层中，并且多个波导能够将光发射到半导体层的外部空间并且从外部空间接收光；以及 [0216] 光学系统，设置在包括半导体层的基板上，光学系统将从多个波导向第一方向偏转并发射的光转换为大致平行于第二方向的光束，第二方向与第一方向正交。 [0217] (2)根据上述(1)所述的光偏转装置，其中，光学系统包括跨多个波导设置的模块透镜。 [0218] (3)根据上述(2)所述的光偏转装置，其中，模块透镜是环形透镜，在环形透镜中，通过沿第二方向延伸的旋转轴使圆周体旋转。 [0219] (4)根据以上(2)所述的光偏转装置，其中，模块透镜是具有小于从多个波导发射的光的波长的周期的平面结构的超透镜。 [0220] (5)根据上述(4)所述的光偏转装置，其中，超透镜具有曲率会聚特性。 [0221] (6)根据以上(4)所述的光偏转装置，其中，超透镜具有斜率会聚特性。 [0222] (7)根据上述(2)至(6)中任一项所述的光偏转装置，其中，光学系统还包括设置在模块透镜与基板之间的线性衍射光栅。 [0223] (8)根据上述(7)所述的光偏转装置，其中，线性衍射光栅将从多个波导发射的光衍射至与多个波导的光行进方向相反的一侧。 [0224] (9)根据上述(1)所述的光偏转装置，其中，光学系统包括为每个波导或者为每个多个波导设置的片上透镜，以及跨多个波导设置模块透镜。 [0225] (10)根据上述(9)所述的光偏转装置，其中，片上透镜是圆柱透镜。 [0226] (11)根据以上(9)所述的光偏转装置，其中，片上透镜是具有小于从多个波导发射的光的波长的周期的平面结构的超透镜。 [0227] (12)根据上述(9)所述的光偏转装置，其中，片上透镜为凹透镜。 [0228] (13)根据上述(9)所述的光偏转装置，还包括聚光透镜，聚光透镜设置在每个波导附近并且会聚入射在波导上的光。 [0229] (14)根据上述(13)所述的光偏转装置，其中，聚光透镜是具有小于入射在波导上的光的波长的周期的平面结构的超透镜。 [0230] (15)根据上述(13)所述的光偏转装置，其中，聚光透镜由具有比形成光学系统的构件的折射率更高的折射率的构件形成。 [0231] (16)根据上述(9)至(15)中任一项所述的光偏转装置，其中，多个波导以在中心部分中比在外围部分中具有更高的密度的方式布置在第二方向上。 [0232] (17)根据上述(16)所述的光偏转装置，其中，在外围部分中，波导和与波导对应的片上透镜的位置在第二方向上偏移。 [0233] (18)根据上述(1)至(17)中任一项所述的光偏转装置，其中，从多个波导发射的光是频率调制的。 [0234] (19)根据上述(1)至(18)中任一项所述的光偏转装置，其中，从多个波导发射的光是属于近红外区的光。 [0235] (20)一种测距装置，包括： [0236] 多个波导，彼此平行地沿第一方向延伸并且设置在半导体层中，并且能够将光发射到半导体层的外部空间并且从外部空间接收光；以及 [0237] 光学系统，设置在包括半导体层的基板上，光学系统将从多个波导向第一方向偏转并发射的光转换为大致平行于第二方向的光束，第二方向与第一方向正交。 [0238] 参考符号列表 [0239] 1 测距装置 [0240] 2 对象 [0241] 10 光源 [0242] 20 调制器 [0243] 30 光循环器 [0244] 40 光传输接收单元 [0245] 50 混合器 [0246] 60 检测器 [0247] 70 处理单元 [0248] 100 第一基板 [0249] 110 第一半导体基板 [0250] 111 光天线 [0251] 112 加热器 [0252] 113 衍射光栅 [0253] 120 第一多层布线层 [0254] 121、221 层间绝缘膜 [0255] 122、222 布线层 [0256] 123、223 接合电极 [0257] 200 第二基板 [0258] 210 第二半导体基板 [0259] 220 第二多层配线层 [0260] 300、301 模块透镜 [0261] 302 片上透镜 [0262] 303 聚光透镜 [0263] 310 平坦化膜。 |
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