光隔离阵列的制作方法

1.本公开涉及光隔离阵列(也可称为“光管”或“光管阵列”)，所述光隔离阵列能够使光从一个位置(例如透镜)到另一个位置(例如光电探测器二极管(每个光电探测器二极管称为“pd”)的阵列)的传输效率和隔离度提高。光隔离阵列可以提供输入光的光学隔离，并且能够消除串扰，从而通过提高进入信号的对比度来提高分辨率。当在户外设备中使用时，光隔离阵列还能够保护pd免受污染。


背景技术：

2.目前可用的光隔离阵列利用低数值孔径的光纤面板，由于每个光电二极管检测器具有太多的光纤，因此该光纤面板可能会出现超采样的情况。诸如开放的机械孔径的其他技术不允许使用光学涂层并且可能受到开口中碎片污染的影响。


技术实现要素：

3.本公开的光隔离阵列可以缓解当前光隔离阵列的许多问题。本公开的光隔离阵列可以收集并隔离从一个地方到另一个地方的光，同时对输入的光进行光学隔离并且消除或显著减少串扰，从而通过提高进入信号的对比度来提高分辨率。
4.在一些实施例中，光隔离阵列包括透明材料，该透明材料具有厚度、光入射面、光出射面、侧面、多个导光导管和多个光学隔离通道。多个导光导管可以具有：水平光入射表面，该水平光入射表面基本上平行于所述光入射面；水平光出射表面，该水平光出射表面基本上平行于所述光出射面；和竖直侧壁，该竖直侧壁基本上平行于所述侧面。所述多个光学隔离通道可以是导光导管之间的材料中的开口，并且可以从所述光入射面或所述光出射面延伸穿过所述材料的总厚度的约5％至所述材料的总厚度的100％以下。每个光学隔离通道都可以具有通道底部和通道侧壁(其中一个通道侧壁可以与导光导管的竖直侧壁为同一表面)。可以将光学隔离材料施加到所述通道底部和/或所述通道侧壁上。所述光隔离阵列可以将光穿过每个导光导管从所述水平光入射表面传输到所述水平光出射表面(或沿相反方向传输)，而所述光学隔离材料可以基本上防止光在各个导光导管之间传播。所述导光导管可以是单一的固体材料，例如为固体玻璃或固体聚合物，该固体材料可以高效率地将光传递通过所述材料。
附图说明
5.图1是根据本发明的一个实施例的光隔离阵列的立体图。
6.图2是根据本发明的一个实施例的光隔离阵列的侧视图。
7.图3a示出了根据本发明的一个实施例的单个导光管。
8.图3b示出了根据本发明的一个实施例的多个导光管。
9.图3c示出了根据本发明的一个实施例的多个导光管。
10.图4示出了根据本发明的一个实施例的单个导光管。
11.图5示出了根据本发明的一个实施例的光隔离阵列。
12.图6示出了根据本发明的一个实施例的光隔离阵列。
13.图7示出了根据本发明的一个实施例的光隔离阵列。
14.图8是根据本发明的一个实施例的光学隔离通道的侧视图。
15.图9示出了本发明的一个实施例，其中光学隔离通道呈不连续环的形状。
具体实施方式
16.光隔离阵列可以包括透明材料，该透明材料具有厚度、光入射面、光出射面、侧面、多个导光导管和多个光学隔离通道。包括导光导管的光隔离阵列可以由任何在发射器和pd/传感器性能感兴趣的波长下具有高透射率(例如大于90％)的材料制成，例如，它们可以由板状材料制成，该板状材料由单一玻璃材料或单一聚合物材料组成。pd所感兴趣的典型传输波长范围约为350至2500nm，非常适合于传输典型的905nm、1310nm和1550nm的激光发射波长。在可见光和近红外光谱中具有约97％至约99％透射率的光学玻璃是合适的例子。
17.图1和图2示出了由透明板状材料制成的光隔离阵列1，该透明板状材料具有厚度2、光入射面3、光出射面4、侧面5、多个导光导管6和多个光学隔离通道7。板状材料是长度和宽度显著大于其深度的材料，例如为平坦玻璃片。合适的透明材料包括大多数玻璃和聚合物材料，它们在所需的波长中能透射90％以上的光。尽管图1和图2仅仅示出了出射面4一侧上的导光导管和光学隔离通道7，然而，导光导管和光学隔离通道7也可以另外或替代地位于光入射面3的一侧上。此外，光学隔离通道7可以延伸穿过该材料的整个厚度。
18.在光隔离阵列1中可以形成多个光学隔离通道7，以产生导光导管6。形成光学隔离通道7的合适工艺包括激光成丝，然后进行蚀刻。在这种工艺中，激光被施加于没有任何光学隔离通道的前体材料，例如平坦玻璃片。激光处理和随后的蚀刻工艺以精确的方式去除玻璃前体材料的选择部分，以产生多个光学隔离通道。多个光学隔离通道基本上是空的空间，这些空的空间是通过去除部分前体材料而产生的并且其限定了导光导管6的侧面边界。换句话说，导光导管6是前体材料的以下部段：在前体材料的某些部段被移除以产生多个光学隔离通道7之后，这些部段仍然存在。
19.图2、图3a、图3b和图4示出了多个导光导管6，每个导光导管6均具有：水平光入射表面8，该水平光入射表面8基本上平行于透明板状材料的光入射面3；水平光出射表面9，该水平出射表面9基本上平行于光出射面4；以及竖直侧壁10，该竖直侧壁10基本上平行于侧面5。包括导光导管的板状材料可以由单个固体材料形成，并且能够高效率地将聚焦光束传输通过板状材料和导光导管。
20.各个导光导管可以在其表面或光学隔离通道上施加有光学隔离材料，以将各个导光导管与其邻近的导光导管隔离开，由此提供高对比度和高分辨率。光学隔离材料可以是例如不透明材料、吸收性材料和/或反射性材料。这些材料可以以一个或多个层组合施加和/或作为光学隔离通道的填料施加。通过导光导管传输的光可以被朝向传感器/检测器引导，而不会对由透镜或透镜阵列提供的光学波前产生明显的扭曲。光学隔离的程度可以通过光阻尼的大小来衡量。
21.激光成丝工艺可以控制在前体材料中形成的长丝的尺寸。可以形成多个连续布置的单独长丝，并且随后进行蚀刻以连接长丝，从而形成光学隔离通道。
22.在激光和蚀刻之后光隔离阵列和透明材料的厚度可以对应于激光和蚀刻之前前体材料的厚度。这是因为导光导管是前体材料的以下部段：在前体材料的部段被移除以形成光学隔离通道之后，这些部段仍然留在光隔离阵列中。在许多情况下，每个导光导管的水平光出射表面与在激光和蚀刻之前的前体材料的光出射面共面，并且在这些情况下，光隔离阵列的厚度是从导光导管的水平光出射表面(其与前体材料的光出射面共面)到光隔离阵列的光入射面测量的。在光学隔离通道没有延伸穿过光隔离阵列的整个厚度的实施例中，前体材料的一部分仍然保留在光学隔离通道的底部下面。从光隔离阵列的光入射面到光学隔离通道的底部将存在光隔离阵列的厚度的部段，并且从光隔离阵列的侧面观察，该部段可能看起来类似于导光导管的支撑件(例如，参见图2)。该部段的厚度是光隔离阵列的厚度减去光学隔离通道的深度。
23.光隔离阵列和前体材料可以具有任何适合于预期应用的厚度。在一些实施例中，该厚度可以是约0.1至约50mm、约0.1至约30mm、约0.1至约10mm、约0.1至约5mm、或约0.1至约1mm。
24.光学隔离通道没有必要完全延伸穿过光隔离阵列的整个厚度，但是在某些实施例中可能期望光学隔离通道能完全延伸穿过该厚度。为了使光学隔离通道完全延伸穿过该厚度，可以用光学隔离材料填充这些光学隔离通道，以将导光导管保持在一起，然后通过减少导光导管的材料的厚度(包括导光导管的高度)，来减薄导光导管的材料，使得光学隔离通道完全延伸穿过基底的整个厚度。在一些实施例中，光学隔离通道从光入射面或光出射面延伸光隔离阵列的厚度的约5％至100％以下、光隔离阵列的厚度的约50％至100％以下、或者光隔离阵列的厚度的约80％至100％以下。例如，图4中的光学隔离通道7从出射面4延伸穿过厚度的约80％。图3a和图5中的光学隔离通道7从出射面4完全延伸穿过整个厚度。
25.光学隔离通道没有必要从一个导光导管的竖直侧壁完全延伸到另一个导光导管的竖直侧壁。在这种情况下，光学隔离通道可以被视为“环”，该环围绕着各个导光导管，例如在图3a、图3b和图4中所示。如图3c所示，可以提供两个以上的同心环7和7b，并且在一些实施例中，每个同心环之间的径向距离为25μm至100μm。在这些实施例中，光学隔离通道的宽度应足够大，以达到预期应用的期望光阻尼，这取决于光学隔离通道中使用的光学隔离材料。另一方面，如果光学隔离通道的宽度太大，则光隔离阵列的结构完整性可能会被破坏，因为每个导光导管之间保留的材料会较少。
26.如图3a和3b所示，激光和蚀刻工艺没有去除每个光学隔离通道之间的光隔离阵列的部分。相反，产生图4中的光隔离阵列的激光和蚀刻工艺确实去除了存在于每个光学隔离通道之间的大部分前体材料，以留下导光导管6、呈例如围绕导光导管6的环的形状的光学隔离通道7、透明前体材料的围绕光学隔离通道7的部分20(在图4中也示出为环)、以及在部分20和相邻导光导管(在图4中未示出)之间的空的空间。
27.光学隔离通道没有必要是连续的，例如呈环形。图9示出了一个实施例，其中光学隔离通道7呈不连续环的形状。这些环具有不连续部段22，当沿着由通道7产生的周向进行测量时，不连续部段7可以在连续部段2之间交替出现。另外，图9示出了每个不连续但同心的光学隔离通道7可以由一个或多个不连续但同心的光学隔离通道7包围。连续部段和不连续部段使得从最初的起始材料中去除的玻璃的量最小化，这使得损失的玻璃强度的量最小化。
28.为了最大限度地减少可能通过不连续部段逸出的光的量，两个相邻的光学隔离通道7的部段可以彼此偏移，如图9所示，从而逸出光将可能被第一或第二光学隔离通道阻挡。
29.在一些实施例中，光学隔离通道的直径可以是约0.01至约10mm或约0.05至约5mm(通道直径是从光隔离阵列的一个侧面到相对的侧面测量的)，宽度可以是约0.001至约5mm、约0.001至约2mm或约0.015至约1mm(通道宽度被测量为通道侧壁之间的距离)，以及深度可以是约0.01至约30mm、或约0.01至约10mm、或约0.05至约30mm、或约0.05至约10mm、或约0.05至约5mm(通道深度被测量为导光导管的竖直侧壁10的长度)。每个单独的光学隔离通道与其他单独的光学隔离通道相比，可以具有不同的尺寸。此外，在其中光学隔离通道的宽度从一个导光导管延伸到另一个导光导管的实施例中，光学隔离通道的宽度是这些导光阵列的竖直侧壁之间的距离。
30.光学隔离通道的初始深度和宽度可以由激光器产生，并且随后通过蚀刻朝向其最终值扩大。图2、图3a和图7示出了具有光学隔离通道7的导光阵列，光学隔离通道7具有通道深度15、通道宽度16和通道直径17。
31.产生的光学隔离通道和相应的导光导管的总数量并不特别受限制。可能期望的是，将光学隔离通道和相应的导光导管的周期性和尺寸构造成与lidar传感器中的pd阵列的周期性和尺寸相匹配，从而通过每个导光导管传输的光被相应的pd接收。例如，如果pd阵列是由具有一定pd尺寸和间距的100
×
100个pd组成的网格，则本发明的光隔离阵列可以采用离散导光导管的100
×
100阵列的结构，每个导光导管均将光传输到离散的对应pd。光隔离阵列和pd阵列之间的这种数字和尺寸对应关系可以提供输入光的光学隔离，并且可以消除串扰，因此通过提高进入信号的对比度来提高分辨率。
32.在一些实施例中，形成适当数量的光学隔离通道，以使光隔离阵列的每平方毫米具有约0.25至约10,000个、约0.25至约100个、或约0.25至约5个导光导管。
33.在通过去除部分前体材料形成光学隔离通道之后保留下的导光导管的形状和大小不受限制。例如，当从导光导管的光出射表面观察时，导光导管可以是圆形的、方形的或六边形的，而且可以产生相应pd的形状所期望的任何形状。导光导管可以布置在材料的光入射面或光出射面的绝大部分上，或者布置在光入射面或光出射面的任何部分上。在一些实施例中，每个导光导管的高度可以是约100μm至约50mm、约100μm至约30mm、约100μm至约10mm、或约100μm至约5mm，并且其直径或其他类似尺寸为约10μm至约10mm或约10μm至约5mm。每个单独的导光导管与其他单独的导光导管相比，均可以具有不同的尺寸。图2和图3a示出了导光阵列，该导光阵列具有导光导管6，该导光导管6具有：竖直侧壁10，该竖直侧壁10的长度是导光导管的高度；以及水平光出射表面9，每个单独的导光导管在该光出射表面9处具有导管宽度21。
34.每个导光导管的纵横比(高度与直径之比)可以例如在约100:1至约1:1的范围内、或在约100:1至约10:1的范围内、或在约30:1至约10:1的范围内、或在约30:1至约5:1的范围内。高的纵横比对于产生光学隔离通道和随后的涂层来说更具挑战性，这意味着相对于光刻技术，激光成丝和蚀刻可能是更期望的工艺，因为光刻技术可能产生具有不期望锥度的导光导管。
35.本发明的光隔离阵列不需要具有与光出射面平行的光入射面。光隔离阵列可以是弯曲的，这对适应三维表面上的pd特别有用，例如，每个导光导管(以及相应的光入射面和/
或光出射面)可以倾斜，以朝向相应的pd以一定的角度(例如相对于pd在80至100
°
内)引导光。
36.激光器的操作和合适的激光器规格是本领域技术人员所已知的，并没有特别的限制。适合的波长是400-1600nm，优选是1064/532nm(nd:yag)或1030/515nm(er:yag)。脉冲持续时间可以是在1ns》t》50fs下的超短脉冲(ukp)，具有18个突发点。重复率可以是10khz到2mhz。功率可以是平均5200w。能量可以是50μj到40mj。原始光束可以是高斯光束、平顶光束、甜甜圈型光束或艾里(airy)光束。机器可以是xyz运动驱动器，其精度/重复性《5μm，具有双重(或多重)光束路径(1个固定光学器件+1个扫描器)，xy轴速度为100至2000mm/s，扫描器速度为500至5000mm/s。
37.形成本发明的光学隔离通道和相关导光导管的一种可行方法是使用激光器形成长丝阵列，然后蚀刻长丝以扩大并连接长丝，从而形成光学隔离通道。激光和蚀刻工艺甚至可以去除各个导光导管之间的所有材料，但是去除这么多的多余材料对于光隔离阵列的功能来说可能是不必要的，并且可能削弱光隔离阵列的结构完整性。合适的蚀刻工艺是本领域技术人员所已知的，并且不受特别的限制。例如，液体蚀刻可以使用或不使用碱液(lye)、酸和其他添加剂。也可以使用等离子体和蒸汽辅助的干法蚀刻。
38.可以将光学隔离材料(例如涂层或填料)施加到光学隔离通道的一个或多个表面上或施加到导光导管的一个或多个表面上，以光学隔离每个导光导管，例如如图6所示。该材料可以是不透明材料、吸收性材料和/或反射性材料。也可以施加光学材料。这些材料还可以通过提供扭曲和弯曲阻尼而作为光隔离阵列的机械稳定器。不透明、吸收性和反射性材料可以帮助在每个导光导管内容纳光，并且光学材料可以改变或增强光隔离阵列的功能。其他合适的材料包括抗反射(ar)涂层和带通(bp)涂层。这些材料可以通过已知技术施加。
39.光学隔离材料可以基本上防止光在各个导光导管之间传播。在一些实施例中，期望的是，光学隔离材料在由目标pd感测到的波长区域中具有高吸光度，从而光的相关波长不会污染相邻的导光导管和pd。在这方面，可能期望的是，从每个导光导管泄露光的阻尼在10至150db的范围内、优选在10至90db的范围内并且最优选在30至65db的范围内。合适的光学隔离材料可以是吸收性材料，诸如玻璃熔块(优选是黑色玻璃熔块)、石墨、碳黑、金属和/或其他吸收性材料，其他吸收性材料包括那些在相关波长中消光系数(k值)高于0.01的材料，诸如sic、tin和碳氧化硅。该材料可以包含吸收性颜料，诸如黑色尖晶石(诸如锰铁尖晶石)、碳黑和/或石墨。用于吸收性颜料的合适粘合剂包括硅酮、有机粘合剂(例如环氧树脂、聚氨酯或丙烯酸树脂)和/或无机有机混合粘合剂(例如有机改性陶瓷(ormocer))。
40.除了吸收材料之外或作为吸收材料的替代物，也可以将反射性材料施加到光学隔离通道和/或导光导管上。图8示出了一个实施例，该实施例具有：光入射面3；光出射面4；光学隔离通道7；反射性涂层11，该反射性涂层11施加到导光导管6的竖直侧壁10(其与通道侧壁19是同一表面)和通道底部18上；吸收性涂层12，该吸收性涂层12施加到反射性涂层11上并填充光学隔离通道7的大部分；带通滤波器涂层13，该带通滤波器涂层13施加到导光导管6的水平光出射表面9上；以及施加到带通滤波器涂层13上的抗反射涂层14。在其他实施例中，这些光学隔离材料中的一种或多种可以被施加到一个或多个不同的表面上。这些材料中的一些材料可以填充光学隔离通道，以将导光导管“粘接”在一起，这增强了稳定性并且
能够使水平光出射表面9易于抛光，以使其成为完美或接近完美的平面，而不会破损，同时保留整个阵列的机械强度。所有描述的材料都可以通过已知技术施加，这些技术包括液体涂层、气相沉积和诸如cvd、pe cvd、ald和pe ald的物理沉积技术。
41.合适的吸收性材料还包括吸收相关波长的光并同时支持整个光隔离阵列结构的稳定性的高介电常数材料(例如低熔点金属和焊膏；利用吸收相关波长的光的颜料支持光阵列的稳定性的粘结剂体系；以及填充光学隔离通道并包含有机基团的粘结剂体系，所述有机基团在填充之后可以通过快速激光加热或在惰性气氛中回火而碳化)。合适的粘合剂体系包括有机聚合物(诸如环氧树脂、聚氨酯和丙烯酸)、硅烷基聚合物(诸如硅氧烷和交联度较低的硅酮)、无机有机混合材料(诸如ormocers)和玻璃粉(glass frit)。
42.合适的反射性材料包括在相关波长中具有高反射率的材料(例如金属银、铝、铟掺杂的氧化锡和铝掺杂的氧化锌)；折射率比用于导光导管的材料低以传播全内反射的材料；以及具有特定层厚度的交替的低折射率材料层和高折射率材料层，这些材料层构建用于特定波长的布拉格(bragg)反射器以进行反射(例如交替的sio
2 tio
2 sio2层)。
43.本公开的光隔离阵列是有用的，例如，在汽车、卡车和诸如无人机的空中交通工具的人为操作或自主车辆防撞中以及在任何需要防撞的地方作为串扰抑制器。它们在(多)光谱相机中也很有用，用于选择性地分析多波长光学信号，例如，智能手机，以及在高分辨率的医疗应用以及空间和汽车应用中也很有用。光隔离阵列在lidar系统中很有用，并且也可作为x射线成像面板和x射线准直阵列以及生物识别传感器。
44.虽然本公开已参照一个或多个示例性实施例进行了描述，但是本领域技术人员将理解，在不背离本公开的范围的情况下，可以做出各种改变，并且可以用等同物替代其元件。此外，在不背离其范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，本公开旨在不局限于作为考虑到的最佳模式而公开的特定实施例，而是包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

技术特征：
1.一种光隔离阵列，该光隔离阵列包括：(a)透明材料，该透明材料具有厚度、光入射面、光出射面、侧面、多个导光导管和多个光学隔离通道，其中，(i)所述多个导光导管具有：水平光入射表面，该水平光入射表面基本上平行于所述光入射面；水平光出射表面，该水平光出射表面基本上平行于所述光出射面；以及竖直侧壁，该竖直侧壁基本上平行于所述侧面，和(ii)所述多个光学隔离通道是所述导光导管之间的材料中的开口，并且所述多个光学隔离通道从所述光出射面延伸穿过所述厚度的约5％至100％；以及(b)光学隔离材料，该光学隔离材料施加到所述多个导光导管的所述竖直侧壁上，其中，所述光隔离阵列将光穿过每个导光导管从所述水平光入射表面传输到所述水平光出射表面，而所述光学隔离材料基本上防止光在所述导光导管之间传播。2.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，所述透明材料由单一玻璃材料或单一聚合物材料组成。3.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，所述导光导管在350至2500nm的波长下传输至少90％的光。4.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，从每个导光导管泄露光的阻尼在10至150db的范围内。5.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，所述光隔离阵列在该光隔离阵列的每平方毫米中包括约0.25至约5个导光导管。6.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，所述导光导管的高度为约100μm至约50mm并且直径为约10μm至约10mm。7.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，所述导光导管的纵横比为约30:1至约5:1。8.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，所述光学隔离通道延伸穿过所述材料的厚度的100％。9.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，所述光学隔离通道延伸穿过所述材料的厚度的约80％至100％以下。10.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，每个导光导管的所述水平光出射表面与所述光出射面共面。11.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，所述光学隔离通道不完全从一个导光导管的竖直侧壁延伸到另一个导光管的竖直侧壁。12.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，所述光学隔离通道的直径为约0.01至约10mm，宽度为约0.001至约5mm，深度为约0.01至约30mm。13.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，所述光学隔离材料包括不透明材料、吸收性材料和/或反射性材料。14.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，所述光学隔离材料包括施加在光反射材料上的光吸收材料。15.根据权利要求1所述的透明阵列，其中，所述光学隔离材料还被施加到光学隔离通道的底部上。

技术总结
本公开涉及光隔离阵列(也可称为“光管”或“光管阵列”)，所述光隔离阵列能够使光从一个位置(例如透镜)到另一个位置(例如光电探测器二极管(每个光电探测器二极管称为“PD”)的阵列)的传输效率和隔离度提高。光隔离阵列可以提供输入光的光学隔离，并且能够消除串扰，从而通过提高进入信号的对比度来提高分辨率。当在户外设备中使用时，光隔离阵列还能够保护PD免受污染。免受污染。免受污染。


技术研发人员：O
受保护的技术使用者：肖特股份有限公司
技术研发日：2021.11.16
技术公布日：2023/8/9