JP2017120364A - プロジェクタ、プロジェクタを有する電子機器及び関連する製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 改良されたプロジェクタを提供すること。【解決手段】 プロジェクタは、レーザービームを生成するためのレーザーモジュール及びウエハレベル光学系を含む。ウエハレベル光学系は、第一基板、第一コリメータレンズ及び回折光学素子を含む。第一コリメータレンズは、第一基板の第一表面上に製造されており、レーザーモジュールからレーザービームを受けて平行化レーザービームを生成するように構成されている。平行化レーザービームは、回折光学素子を直接的に通過してプロジェクタの投影画像を生成する。【選択図】 図１

Description

本発明はプロジェクタに関し、より具体的には回折光学素子を有するプロジェクタに関する。

従来のプロジェクタは概して、投影画像を生成するためにレーザー光源、コリメーター、回折光学素子及び反射器／プリズムを有することが必要であり、これらの４つの素子はプロジェクタ内の独立した部品である。しかしながら、スマートフォン又はパッドのような電子機器が更に薄くなるため、これらの素子を有するプロジェクタの寸法は、その電子機器の中に配置されるためには大き過ぎ、プロジェクタ設計に困難性を生じさせる。

加えて、電子器機が３Ｄ画像を記録（capture）しようとする場合は、立体情報を計算するために、異なる角度をもつ二つの画像を記録するために二つのカメラモジュールが要求される。しかしながら、二つのカメラモジュールは製造コストを増大させるかも知れず、立体情報の計算は電子機器内のプロセッサの負荷を著しく増大させるかも知れない。

したがって、本発明の一つの目的は、上述の課題を解決するために、プリズム又は反射素子を持たず厚さが小さい、内部の基板上にインプリントされた（imprinted）回折光学素子を有するプロジェクタを提供することである。

本発明の一つの実施形態によれば、プロジェクタは、レーザービームを生成するためのレーザーモジュール及びウエハレベル光学系（wafer-level optics）を有する。ウエハレベル光学系は、第一基板、第一コリメータレンズ及び回折光学素子を有する。第一コリメータレンズは、前記第一基板の第一表面上に製造されており、レーザーモジュールからレーザービームを受けて平行化レーザービーム（collimated laser beam）を生成するように構成されている。平行化レーザービームは、回折光学素子を直接的に通過してプロジェクタの投影画像を生成する。

本発明の他の実施形態によれば、電子器機は、プロジェクタ、カメラモジュール及びプロセッサを有する。プロジェクタは、レーザービームを生成するためのレーザーモジュール及びウエハレベル光学系を有する。ウエハレベル光学系は、第一基板、第一コリメータレンズ及び回折光学素子を有する。レーザービームは、第一コリメータレンズ及び回折光学素子を直接的に通過して、周囲環境の領域にプロジェクタの投影画像を生成する。カメラモジュールは、周囲環境の領域を記録して画像データを生成するように構成されている。プロセッサは、画像データを分析して画像データの立体情報（depth information）を取得するように構成されている。

本発明の他の実施形態によれば、プロジェクタを製造する方法は：第一基板を提供するステップ；第一基板上に第一コリメータレンズを製造するステップ；第二基板を提供するステップ；第二基板上に回折光学素子をインプリントするステップ；及びレーザーモジュールによって生成されたレーザービームに第一コリメータレンズ及び回折光学素子を直接的に通過させてプロジェクタの投影画像を生成するように、第一基板、第二基板及びレーザーモジュールを組み立てるステップ、を含む。

本発明のこれらの目的及び他の目的は、様々な図表及び図面に示される好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読んだ後に、疑いなく、当業者にとって明らかになるであろう。

本発明の第一の実施形態によるプロジェクタを示す図である。 本発明の第二の実施形態によるプロジェクタを示す図である。 本発明の第三の実施形態によるプロジェクタを示す図である。 本発明の第四の実施形態によるプロジェクタを示す図である。 本発明の一つの実施形態によるＤＯＥの部分の側面図及び上面図を示す。 本発明の一つの実施形態による、図１に示されるウエハレベル光学系の製造方法を示す。 本発明の一つの実施形態による、図１に示されるウエハレベル光学系の製造方法を示す。 本発明の一つの実施形態による、図１に示されるウエハレベル光学系の製造方法を示す。 本発明の一つの実施形態による電子機器を示す図である。

図１を参照されたい。図１は、本発明の第一の実施形態によるプロジェクタ１００を示す図である。図１に示されるように、プロジェクタ１００は、レーザーモジュール１１０及びウエハレベル光学系（又はウエハレベルオプティクス）を有する。ここで、ウエハレベル光学系は、基板１２０、基板１２０の表面上にインプリントされたコリメータレンズ１２２、基板１３０、基板１３０の表面上にインプリントされたコリメータレンズ１３２、基板１３０の他の表面上にインプリントされた回折光学素子（diffractive optical element）（ＤＯＥ）１４０、及びスペーサ１５０を有する。本実施形態において、プロジェクタ１００は特有のパターンの画像を投影する（project）するように構成されており、プロジェクタ１００はスマートフォン又はパッドのような電子機器内に配置されている。

図１に示されるプロジェクタ１００において、レーザーモジュール１１０はレーザービームを生成するように構成されており、具体的には、レーザービームは赤外光である。コリメータレンズ１２２及び１３２は、凸レンズであり、レーザーモジュール１１０からレーザービームを受けて平行化レーザービーム（平行光線（parallel rays））を生成するように構成されている。ここで、平行化レーザービームは、基板１３０及びＤＯＥ１４０の表面に対して実質的に垂直である。ＤＯＥ１４０はパターン生成装置として機能することができ、平行化レーザービームは、ＤＯＥ１４０を直接的に通過して投影画像（projected image）を生成する。ここで、投影画像は、ＤＯＥ１４０によって設定された特有のパターンを有し得る。

図１に示される実施形態において、レーザービームはコリメータレンズ１２２及び１３２並びにＤＯＥ１４０を直接的に通過して特有のパターンを有する投影画像になり、レーザービームは、如何なるプリズム又は反射／屈折素子によっても方向付けられない（not directed）。この構造を使用することによって、プロジェクタ１００は、厚さが小さく、より薄い電子機器の中に配置されることができる。

図２を参照されたい。図２は、本発明の第二の実施形態によるプロジェクタ２００を示す図である。図２に示されるように、プロジェクタ２００は、レーザーモジュール２１０及びウエハレベル光学系を有する。ここで、ウエハレベル光学系は、基板２２０、基板２２０の表面上にインプリントされた凹面コリメータレンズ２２２、基板２３０、基板２３０の表面上にインプリントされた凸面コリメータレンズ２３２、基板２３０の他の表面上にインプリントされたＤＯＥ２４０、及びスペーサ２５０を有する。プロジェクタ２００は、コリメータレンズ２２２が凹レンズであることを除いて、図１に示されるプロジェクタ１００と同様である。

一つの代替的な実施形態において、コリメータレンズ２２２が凸レンズであって、一方でコリメータレンズ２３２が凹レンズであってもよい。

図３を参照されたい。図３は、本発明の第三の実施形態によるプロジェクタ３００を示す図である。図３に示されるように、プロジェクタ３００は、レーザーモジュール３１０及びウエハレベル光学系を有する。ここで、ウエハレベル光学系は、基板３２０、基板３２０の表面上にインプリントされた凸面コリメータレンズ３２２、基板３３０、基板３３０の表面上にインプリントされたＤＯＥ３４０、及びスペーサ３５０を有する。プロジェクタ３００は、基板３３０の表面上にコリメータレンズが製造されていないことを除いて、図１に示されるプロジェクタ１００と同様である。

図４を参照されたい。図４は、本発明の第四の実施形態によるプロジェクタ４００を示す図である。図４に示されるように、プロジェクタ４００は、レーザーモジュール４１０及びウエハレベル光学系を有する。ここで、ウエハレベル光学系は、基板４２０、基板４２０の表面上にインプリントされた凸面コリメータレンズ４２２、基板４２０の他の表面上にインプリントされた他の凸面コリメータレンズ４２４、基板４３０、基板４３０の表面上にインプリントされたＤＯＥ４４０、及びスペーサ４５０を有する。プロジェクタ４００は、基板４３０の二つの反対側の表面上に二つのコリメータレンズ４２２及び４２４が製造されていることを除いて、図３に示されるプロジェクタ３００と同様である。

一つの代替的な実施形態において、コリメータレンズ４２２及び４２４のうちの一方が凸レンズであって、一方でコリメータレンズ４２２及び４２４のうちの他方が凹レンズであってもよい。

上記の複数の実施形態において、ＤＯＥ１４０／２４０／３４０／４４０は、ナノインプリント半導体リソグラフィーによって製造される。図５は、本発明の一つの実施形態によるＤＯＥ１４０／２４０／３４０／４４０の部分の側面図及び上面図を示す。

図６乃至図８は、本発明の一つの実施形態による、図１に示されるウエハレベル光学系の製造方法を示す。図６は、それぞれ基板１２０及び１３０へのコリメータレンズ１２２及び１３２のインプリンティングの詳細を示す。図６に示されるように、洗浄（cleaning）ステップにおいて、基板１２０／１３０は、更なる工程（process）のために洗浄される。成形（molding）ステップにおいて、紫外線（ＵＶ）硬化性ポリマーが基板１２０／１３０の表面上に注入又は分配され、ＵＶ硬化性ポリマーを形作るために加工用型（working stamp）が使用される。ＵＶ硬化（curing）ステップにおいて、ＵＶ硬化性ポリマーを硬化させるために紫外線が使用される。ここで、硬化した層は、コリメータレンズ１２２／１３２として機能する。脱成形（de-molding）ステップにおいて、加工用型が取り外される。続くステップにおいて、端部残留物除去及び洗浄ステップが実行される。検査ステップにおいて、突発故障（catastrophic failure）及び品質欠陥の両方に関して試験下の基板１２０／１３０をスキャンするために自動光学検査（automated optical inspection）（ＡＯＩ）が使用される。図６に示されるステップを使用することにより、図１に示されるコリメータレンズ１２２を備えた基板１２０及びコリメータレンズ１３２を備えた基板１３０が、作られる。

図７は、基板１２０及び１３０の組立ての詳細を示す。第一のステップにおいて、基板１３０は、スペーサ１５０と接合される（bonded）。続く積み重ね（stacking）ステップにおいて、電荷結合素子（charge-coupled device）（ＣＣＤ）整列システムを使用することによって、基板１２０は、スペーサ１５０を介して基板１３０と組み立てられる。続くステップにおいて、レンズの映写性能（image performance）を検査するために、変調伝達関数（modulation transfer function）（ＭＴＦ）試験が実行される。

図８は、ＤＯＥ１４０のインプリンティング及び続く組み立てステップの詳細を示す。図８に示されるように、第一のステップにおいて、ＵＶ硬化性ポリマーが基板１３０の表面上に注入又は分配され、ＣＣＤ整列システムを使用することによってＵＶ硬化性ポリマーを形作るためにＤＯＥ加工用型が使用される。第二のステップにおいて、ＵＶ硬化性ポリマーを硬化させるために紫外線が使用される。ここで、硬化した層は、ＤＯＥ１４０として機能する。第三のステップにおいて、ＤＯＥ加工用型が取り外される。第四のステップにおいて、組み立てられたデバイスは複数の四角形の片にさいの目に切られる（diced）。ここで、各四角形は、図１に示されるウエハレベル光学系として機能する。第五のステップにおいて、突発故障及び品質欠陥の両方に関して試験下の基板１２０／１３０をスキャンするためにＡＯＩが使用される。最後に、四角形の片（すなわち、複数のウエハレベル光学系）は、更なる工程のために仕分けられる（sorted）。

図２乃至図４に示される実施形態は、図６乃至図８に示されるステップと同様のステップによって製造され得る。当業者は、上述の開示を読んだ後に図２乃至図４に示される実施形態の製造ステップを理解するであろうから、更なる説明はここでは省略する。

図９は、本発明の一つの実施形態による電子機器９００を示す図である。図９に示されるように、電子機器９００はスマートフォンであり、電子機器９００はプロジェクタ９１０、カメラモジュール９２０及びプロセッサ９３０を有する。本実施形態において、プロジェクタ９１０は図１乃至図４に示されるプロジェクタのいずれかによって実施されてもよく、プロジェクタ９１０は、電子機器９００の背面に埋め込まれており、周囲環境の領域に特有のパターンを持つ赤外画像を投影するために使用される。次いで、カメラモジュール９２０は、周囲環境の領域を記録して画像データを生成する。最後に、プロセッサ９３０は、画像データを分析して画像データの立体情報を取得する。図９に示される実施形態において、電子機器９００は、プロジェクタ９２０及び一つのカメラモジュール９３０のみを使用することによって、３Ｄ画像を単純に生成してもよい。

簡単に要約すると、本発明のプロジェクタにおいて、プロジェクタの内部基板上へのＤＯＥのインプリンティングによって、プロジェクタの厚さは、より薄い電子機器の中に埋め込められるために十分に小さい。加えて、本発明のプロジェクタを電子機器に使用することによって、電子機器は、一つのカメラモジュールによって記録された画像をただ単に分析することにより、３Ｄ画像を構築することができる。故に、製造コスト及びプロセッサの負荷が、改善されることができる。

当業者は、本発明の教示を維持したまま、そのデバイス及び方法の多数の変更及び代替が成され得ることを容易に観察するであろう。したがって、上記の開示は、添付の特許請求の範囲の境界によってのみ限定されるものとして解釈されるべきである。

Claims (22)

1. プロジェクタであって、
   レーザービームを生成するためのレーザーモジュール、並びに
   ウエハレベル光学系であり、当該ウエハレベル光学系は、
   第一基板、
   前記レーザーモジュールから前記レーザービームを受けて平行化レーザービームを生成するための、前記第一基板の第一表面上に製造された第一コリメータレンズ、及び
   回折光学素子であり、前記平行化レーザービームは前記回折光学素子を直接的に通過して当該プロジェクタの投影画像を生成する、回折光学素子、
   を有する、ウエハレベル光学系、
   を有する、プロジェクタ。
2. 前記平行化レーザービームは、如何なるプリズム又は屈折素子若しくは反射素子によっても方向付けられない、請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記回折光学素子は前記第一基板の第二表面上にインプリントされており、前記第二表面は前記第一表面の反対側である、請求項１に記載のプロジェクタ。
4. 前記第一基板の前記第二表面は、前記平行化レーザービームに対して実質的に垂直である、請求項３に記載のプロジェクタ。
5. 前記ウエハレベル光学系は、
   第二基板であり、前記回折光学素子は前記第二基板の表面にインプリントされており、前記第二基板の前記表面は、前記平行化レーザービームに対して実質的に垂直である、第二基板、
   を更に有する、請求項１に記載のプロジェクタ。
6. 前記ウエハレベル光学系は、前記第二基板の他の表面上に製造された第二コリメータレンズを更に有し、
   前記第一コリメータレンズ及び前記第二コリメータレンズは、前記レーザーモジュールから前記レーザービームを受けて前記平行化レーザービームを生成する、
   請求項５に記載のプロジェクタ。
7. 前記第一コリメータレンズ及び前記第二コリメータレンズのうちの少なくとも一つは、凸レンズである、請求項６に記載のプロジェクタ。
8. 前記レーザービームは赤外光である、請求項１に記載のプロジェクタ。
9. 電子機器であって、
   プロジェクタであり、当該プロジェクタは、
   レーザービームを生成するためのレーザーモジュール、及び
   第一コリメータレンズ及び回折光学素子を有するウエハレベル光学系であり、レーザービームは前記第一コリメータレンズ及び前記回折光学素子を直接的に通過して、周囲環境の領域に当該プロジェクタの投影画像を生成する、ウエハレベル光学系、
   を有する、プロジェクタ、
   前記周囲環境の前記領域を記録して画像データを生成するための、カメラモジュール、並びに
   前記画像データを分析して前記画像データの立体情報を取得するための、プロセッサ、
   を有する、電子機器。
10. 前記ウエハレベル光学系は、
    第一基板であり、前記第一コリメータレンズは前記第一基板の第一表面上に製造されており、前記第一コリメータレンズは前記レーザーモジュールから前記レーザービームを受けて平行化レーザービームを生成するように構成されており、前記平行化レーザービームは前記回折光学素子を直接的に通過して前記プロジェクタの投影画像を生成する、第一基板、を有する、
    請求項９に記載の電子機器。
11. 前記平行化レーザービームは、如何なるプリズム又は屈折素子によっても方向付けられない、請求項１０に記載の電子機器。
12. 前記回折光学素子は前記第一基板の第二表面上にインプリントされており、前記第二表面は前記第一表面の反対側である、請求項１０に記載の電子機器。
13. 前記第一基板の前記第二表面は、前記平行化レーザービームに対して実質的に垂直である、請求項１２に記載の電子機器。
14. 前記ウエハレベル光学系は、
    第二基板であり、前記回折光学素子は前記第二基板の表面にインプリントされており、前記第二基板の前記表面は、前記平行化レーザービームに対して実質的に垂直である、第二基板、
    を更に有する、請求項１０に記載の電子機器。
15. 前記ウエハレベル光学系は、前記第二基板の他の表面上に製造された第二コリメータレンズを更に有し、
    前記第一コリメータレンズ及び前記第二コリメータレンズは、前記レーザーモジュールから前記レーザービームを受けて前記平行化レーザービームを生成する、
    請求項１４に記載の電子機器。
16. 前記第一コリメータレンズ及び前記第二コリメータレンズのうちの少なくとも一つは、凸レンズである、請求項１５に記載の電子機器。
17. 前記レーザービームは赤外光である、請求項９に記載の電子機器。
18. プロジェクタを製造する方法であって、
    第一基板を提供するステップ、
    前記第一基板上に第一コリメータレンズを製造するステップ、
    第二基板を提供するステップ、
    前記第二基板上に回折光学素子をインプリントするステップ、及び
    レーザーモジュールによって生成されたレーザービームに前記第一コリメータレンズ及び前記回折光学素子を直接的に通過させて前記プロジェクタの投影画像を生成するように、前記第一基板、前記第二基板及び前記レーザーモジュールを組み立てるステップ、
    を含む、方法。
19. 前記回折光学素子は前記第二基板の第一表面上にインプリントされており、当該方法は、
    前記第二基板の第二表面上に第二コリメータレンズを製造するステップであり、前記第二表面は前記第一表面の反対側である、ステップ、
    を更に含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第一基板の前記第二表面は、平行化レーザービームに対して実質的に垂直である、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第一コリメータレンズ及び前記第二コリメータレンズのうちの少なくとも一つは、凸レンズである、請求項１９に記載の方法。
22. 前記レーザービームは赤外光である、請求項１８に記載の方法。
    

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