[發明專利]一種晶圓級光學系統及應用其的激光微型投影設備

有效

• 申請號: 201911256481.1
• 申請日: 2019-12-09
• 公開（公告）號: CN113031127B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 馬宏
• 申請（專利權）人: 覺芯電子（無錫）有限公司
• 主分類號: G02B3/00
• 分類號: G02B3/00;G02B26/08;G02B27/09
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫;賈允

本發明提供一種晶圓級光學系統及應用其的激光微型投影設備，所述光學系統包括空間晶圓構成的光學框架結構和光學晶圓結構；所述空間晶圓構成的光學框架結構為多個半導體晶圓通過半導體加工技術堆疊形成的支撐結構，用于支撐所述光學晶圓結構；所述光學晶圓結構與所述空間晶圓構成的光學框架結構鍵合；所述光學晶圓結構包括與所述空間晶圓鍵合的光學晶圓本體，以及在所述光學晶圓表面形成的光學結構。

技術領域

本發明涉及微納制造與加工技術領域，具體涉及一種晶圓級光學系統及應用其的激光微型投影設備。

背景技術

散斑是相干光源，如激光光源，照射光學粗糙表面或通過不均勻媒質時出現的強度隨機分布的顆粒狀斑紋。相干光束，如激光，在光學粗糙表面發生漫反射，在空間內形成隨機分布的具有相位差的光。漫反射產生的光與入射光頻率相同，在空間相遇后發生干涉，導致光強在空間內隨機分布，形成散斑。

在不同的應用和領域中，散斑具有不同的意義。在相干光的顯示系統中，如激光顯示系統，散斑會導致顯示的圖像信息部分缺少，降低顯示的分辨率，因而散斑對相干光的顯示系統是有害的。根據相關研究，對于激光顯示系統所投影的圖像，當散斑對比度被抑制到4%以下時，人類的視覺系統便無法在投影的圖像中識別散斑。

從散斑的成因分析，形成散斑的根本原因是照射光束具有極好的相干性。因此，散斑抑制的根本方法在于降低照射光束的相干性。現有的眾多散斑抑制技術大體可分為三類：通過驅動多激光器形成低相干激光光源或平均形成的散斑的亮度、通過振動的投影屏幕在人類視覺上進行彌補、通過在光路中添加具有特定功能的光學元件從時間和/或空間上影響激光光束的光學性質。其中，由于激光器的發光特性，總輸出光功率一定，驅動多激光器的功耗大于驅動單一激光器的功耗。同時，激光器增多，生產成本也隨之增加。而通過使投影屏幕振動實現散斑抑制的技術在實際應用時存在過多制約。因此，進行散斑抑制時，通過在光路中添加具有特定功能的光學元件，在現階段具有最廣闊的應用前景。

在散斑抑制技術中，現階段主要使用的光學元件包括各類散射片、衍射光學元件，微透鏡陣列以及表面粗糙化的MEMS微鏡。其中，散射片在靜止狀態下散斑抑制效果相當有限，需要通過驅動系統進行驅動，光束透過旋轉和/或振動的散射片后形成具有時變性隨機相位的子光束。子光束形成的散斑效果小且相互重合后使整體效果降低。然而，在激光顯示系統中增加額外的驅動系統，既有可能對精密光學系統的可靠性造成不利影響，又有可能產生如噪聲之類的負面效果，同時也不利于系統模組集成化、小型化，制約了系統模組的商業應用價值。衍射光學元件在靜止狀態下即可對透過的光束進行分束，由于衍射光學元件的微/納結構，分束后的子光束具有隨機的相位，且子光束形成的散斑效果小且相互重合后使整體效果降低。但是，特定的衍射光學元件只能對特定波長的相干光光束進行分束，所以使用時存在一定的限制。微透鏡陣列也可以在靜止狀態下對光束進行分束，且相較于衍射光學元件具有更好的分束與勻束效果。通常，微透鏡陣列通常需要二個陣列一起組合使用。因為單個微透鏡陣列的勻束效果不如微透鏡陣列組的勻束效果，所以勻束后光斑內亮度分布不均，散斑抑制效果不佳。然而，使用多個微透鏡陣列會增加模組尺寸。同時，使用微透鏡陣列對時需兩個微透鏡陣列需要相互對應，對于尺寸和位置的精度要求很高。另外，由于制作工藝的原因，使用透鏡陣列（不止是微透鏡陣列）時不可避免的會出現散射現象，造成能量損耗，光斑亮度降低，對于激光顯示較為不利。表面粗糙化的MEMS微鏡通過在一個或多個維度內振動，使反射光束獲得具有時變性的相位。但是，現有的技術仍存在一定的不足，例如工藝復雜、成品穩定性差、成本高、產率低等。同時，根據若干文獻，粗糙化形成的凸起高度或深度需為入射波長的1/4~2倍。故對粗糙化MEMS微鏡的表面微/納結構的精度要求較高，所以實際使用時存在一定的限制。

太赫茲成像技術是利用太赫茲光線照射被測物體，通過在焦平面收集物體的透射或反射信息，進而成像的技術。太赫茲成像目前廣泛應用于無損檢測，安檢，生物醫學領域。