CN212626512U - 光源模块 - Google Patents

Abstract

一种光源模块，包括一基板、至少一半导体雷射晶片、一扩散层以及一光学透镜构成，其中，半导体雷射晶片电性连接于基板上，用以产生多个光束，又，扩散层配置于半导体雷射晶片的传递路径上，光学透镜以一次光学封装方式配置于基板上并覆盖半导体雷射晶片及扩散层，且该光学透镜具有一出光面，故，当多个光束依序经过扩散层散射形成单一光束并经光学透镜折射后，由出光面投射出一特定光型。

Description

光源模块

技术领域

本实用新型是有关于一种光源模块，尤指是有关于一种用于三维感测技术的发光模块。

背景技术

随着技术的蓬勃发展，三维感测(3D Sensing)技术逐渐导入自驾车及先进驾驶辅助系统、虚拟实境(virtual reality，VR)、扩增实境(augmented reality，AR)、无人商店和人脸辨识等应用，其中，飞时测距(Time-of-Fight， ToF)的技术原理为一发光源发射的光线经被测物体反射后，由一接收器接收该反射光，并根据光线由发出至接收的时间差或相位差来计算被测物体的距离，以产生深度资讯，然而，现有技术中，飞时测距的发光源大都使用发光二极体或半导体雷射等，其中，垂直共振腔面射型雷射 (vertical-cavitysurface-emitting laser，VCSEL)大都采用晶圆级光学镜头封装WLP(Wafer lensPackaging)制成，即为一种直接建立在“III-V三五族化合物半导体”基板上的封装制程，其制造成本昂贵且设计不易，易导致终端产品易出现稳定度问题，再者，现有的面射型雷射光源的光型大都为圆形，如要运用在镜头机构(例如：监控系统、显示屏幕)中，则易造成部分影像失真的问题，或需搭配二次光射透镜，故有必要对其进行改良。

实用新型内容

有鉴于上述问题，本发明人针对光学领域与封装技术进行研究及分析，期待能设计出符合上述需求的实体产品；因此，本实用新型提供一种通过一扩散层与一次光学透镜的设计，达到可投射特定光型的光源模块。

本实用新型的一实施例提出一种光源模块，包括一基板、至少一半导体雷射晶片、一扩散层以及一光学透镜构成，其中，基板具有一安装面，至少有一半导体雷射晶片电性连接于该基板的安装面上，用以产生输出多个光束，且各光束具有一光轴，又，一扩散层配置于半导体雷射晶片上，一光学透镜以模塑方式配置于该扩散层上，使光学透镜与半导体雷射晶片之间无空气间隙，又，光学透镜具有一出光面，故，当半导体雷射晶片产生多个光束，其依序经过扩散层与光学透镜散射与折射后，形成一单一光束并朝一照明接收面传递投射出一特定光型。

进一步地，该基板材质为半导体或非半导体材质所制成。

进一步地，该半导体雷射晶片用于产生波长落在750至1000奈米的范围内的红外光，较佳地，可用于产生波长落在790至830奈米的范围内、波长落在830至870奈米的范围内或波长落在900至1000奈米的范围内的红外光。

进一步地，该扩散层由一胶体与多个光扩散粒子相互均匀或非均匀混合所形成。

为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为本实用新型的光源模块的剖面示意图(一)；

图2为本实用新型的光源模块的剖面示意图(二)；

图3为本实用新型的光源模块的剖面示意图(三)；

图4为本实用新型的光源模块的剖面示意图(四)；

图5为本实用新型的光源模块的剖面示意图(五)；

图6为本实用新型另一实施例的光源模块的剖面示意图；

图7为本实用新型的光源模块的配光曲线图(一)；

图8为本实用新型的光源模块的配光曲线图(二)。

上图中，附图标记含义如下：

10 光源模块

101 基板 102 半导体雷射晶片

1011 安装面

1012 挡墙

103 扩散胶层 104 光学透镜

1031 胶体 1041 出光面

1032 光扩散粒子 1042 发散面

1043 聚光面

A 光轴 B 光束

A1 第一光轴 B1 第一光束

L1 晶片宽度

L2 晶片长度

H 高度

S 接收照明面

P 特定光型

W 宽度

具体实施方式

图1至图5为本实用新型的光源模块的剖面示意图(一)～(五)，请参阅图1至图5，如图所示，光源模块10包含一基板101、至少一半导体雷射晶片102、一扩散层103以及一光学透镜104，其中，基板101可为一非半导体材料或半导体材料制成，所述的非半导体材料可为金属基板、陶瓷基板或玻纤基板(FR4、FR5、G10)等，该金属基板的材料包括铜、铜合金、铝、铝合金、镁合金、铝硅碳化物、碳化合物或其组合，该陶瓷基板的材料包括氧化铝、氮化铝、氧化锆、碳化硅、六方氮化硼、氟化钙或其组合，但不局限于此，该非半导体材料可为非III-V三五族化合物半导体的材质，该基板101具有一安装面1011，半导体雷射晶片102电性组设于该基板101的安装面1011上，半导体雷射晶片102是用以产生一可见或不可见光，例如：雷射二极体(laser diode，LD)、垂直腔面射型雷射 (vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)晶片等，但不以此为限，该半导体雷射晶片102可产生一波长落在约700至1000奈米(nanometer，nm) 的范围内的红外线不可见光或产生一波长落在约380至780nm的范围内的可见光(例如：波长落在450-480nm的范围内的蓝光、波长落在500-560 nm的范围内的绿光或波长落在600-700nm的范围内的红光)，又，扩散层103布设于半导体雷射晶片102上，具体而言，扩散层103直接布设于半导体雷射晶片102的光线传递路径上，光学透镜104以模塑(molding) 方式设置于安装面1011上，且该光学透镜104具有一出光面1041，该光学透镜104的材料可为环氧树脂、压克力树脂、硅树脂、玻璃或硅胶等，且折射率是落在1.4至1.6的范围内，优选地，折射率落在1.4至1.43的范围内或落在1.5至1.53的范围内，但不以此为限，出光面1041设计可为球面、非球面、弧形面、抛物面、双曲面及自由曲面中任一种，进一步地，该非球面的方程式为：

其中，r为非球面曲线上的点与光轴的距离；z为非球面深度，即非球面上距离光轴为r的点，与相切于非球面光轴上顶点的切面，两者间的垂直距离；c为密切球面(osculating sphere)的半径的倒数，也就是接近光轴处的曲率半径；k为圆锥系数(conicconstant)；a_i为第i阶非球面系数。 c＝1/R，其中R为接近光轴处的曲率半径。在一实施例中，k＜0且1.0毫米≤R≤5毫米。

光学透镜104直接封装覆盖在半导体雷射晶片102上，且与半导体雷射晶片102及扩散层103紧密贴合，使得光学透镜104、扩散层103和半导体雷射晶片102，三者之间无任何空气间隙(air gap)，由此降低光损耗，所述模塑方式先将一模具的腔内注入光学透镜1041的材料，接着插入已布设扩散层103并电性连接于安装面1011上的半导体雷射晶片102，直接加温让光学透镜104的材料固化，再将其从模腔中脱出即成型，或者将半导体雷射晶片102固接于安装面1011上后设置于模具中，并将上下两副模具用液压机合模并抽真空，再将光学透镜104的材料放入注胶道的入口，并施加一压力使该材料顺着胶道进入各个成型槽中并加热固化，再将其从模腔中脱出即成型，透过上述方式可使光学透镜104直接一体成型设置于半导体雷射晶片102及扩散层103之上，又，透过光学透镜104的出光面 1041可调整改变半导体雷射晶片102的输出光型，进而使其投射出一特定光型P。

请再参阅图2及图5，首先，半导体雷射晶片102经一电力导通后会输出多个光束B，且各光束B具有一光轴A，扩散层103布设于多个光束 B的传递路径上，优选地，该扩散层103以网版印刷、涂布、喷涂、或刷涂等方式布设于半导体雷射晶片102上，且所成型的厚度可为0.05mm、 0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.5mm、1mm、或落在0.1至1mm的范围，其透光率介于50～99％之间，其雾度介于5～80％，优选地，透光率可为70％以上，雾度可为8％以上，折射率可为1.5～2.4，所述的扩散层103是由一胶体1031与多个光扩散粒子1032相互均匀或非均匀混合所形成，其中，胶体1031可包含热塑性树脂材料、热硬化树脂材料、光硬化性树脂材料、或前述的组合，例如：环氧树脂(epoxy)、硅氧树脂(silicone)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate， PMMA)、丙烯酸酯-苯乙烯共聚物(methacrylate-styrene copolymer，MS)、聚苯乙烯(polystyrene，PS)、聚对苯二甲酸二乙酯(polethylen eterephthalate， PET)等，又，光扩散粒子1032可为一球状或非球状的有机材料或无机材料或其组合，其中，有机材料包括：聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酯、聚二乙烯基苯、聚乙二醇二甲基丙烯酸、聚三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、硅氧树脂或前述的共聚物、聚碳酸酯或前述的组合，而无机材料其包括：氧化锌、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、氧化铝、硫化锌、硫酸钡或前述的组合，其光扩散粒子1032粒径介于0.01至20μm之间，优选地，粒径介于0.01至0.1μm之间或者粒径可为0.02、0.05、0.2、0.5μm、 1μm、10μm、15μm、20μm，又，于本实施例中，光扩散粒子1032与胶体1031重量比例介于1∶30～1∶5，优选地是介于1∶30～1∶20、1∶20～1∶15、 1∶15～1∶10、1∶10～1∶5，但不依此为限，此外，扩散层103中亦可另外添加溶剂、硬化剂及添加剂来调整扩散层103材料的均匀度、分散度等，具体而言，当半导体雷射晶片102输出多个光束B时，即会具有多个光轴A(即每一光束B即会产生一光轴A)，当多个光束B经过扩散层103散射后，会混合形成一单一的第一光束B1，而多个光轴A则会混合形成单一的一第一光轴A1，换言之，即将多个发光点(光斑)经散射后形成为一面光源，又，光学透镜104的出光面能够导引第一光束B1，使其沿第一光轴 A1方向行进，进而投射至一接收照明面S上，同时形成一特定光型P，值得注意的是，所述的特定光型P为非对称光型，其形状略呈矩形或略呈椭圆形，且所述的非对称光型长宽比值可能为1.25、1.33、1.67、1.78、1.85、 2、2.22、2.33或落在1.25至2.33的范围内。

在本实施例中，出光面1041为一光滑的折射曲面，且由至少两个不同曲率的曲面所形成，具体而言，出光面1041由一发散面1042与一聚光面1043所形成，又，出光面1041的表面中心可为发散面1042，而发散面 1042两端外侧为聚光面1043，举例而言，发散面1042用来发散集中于第一光轴A1附近的第一光束B1，故为负屈光度设计的凹面的曲面较佳，而聚光面1043用来聚集第一光束B1，故以正屈光度设计的凸面的曲面较佳，此外，光学透镜104还可以满足以下条件式1：

0.65＜D1/D2≤1.5 [条件式1]

其中，D1是安装面1011至发散面1042的最低表面沿第一光轴A1方向的距离；D2是安装面1011至聚光面1043的最高上表面沿第一光轴A1 方向的距离；

该光学透镜104还可以再满足以下条件式2：

0.3＜D3/D4≤3 [条件式2]

其中，D3是出光面1041沿Y轴相对最外围两侧宽度的距离，D4是出光面1041沿X轴相对两端的长度距离。

该光学透镜104还可以再满足以下条件式3：

0.1≤L1/D3≤0.5；0.1≤L2/D4≤0.5 [条件式3]

其中，D3是该出光面1041沿该Y轴的相对最外围两侧宽度的距离； D4是该出光面沿该X轴的相对两端的长度距离；L1是半导体雷射晶片102 沿Y轴的宽度距离；L2该半导体雷射晶片102沿X轴的长度距离。

在本实施例中，L1及L2的距离小于1.6mm，当光学透镜104通过满足上述条件式的光学设计，可有效将第一光束B1投射在接收照明面S上，并形成一高均匀性的非对称光型，其均匀度可高于60％，由此改变半导体雷射晶片102初始输出的光型，且与公知技术相比，该非对称光型的光能量相较于现有二次光学设计的透镜的光能量增加10％～20％，此外，因基板101采用非半导体材料时(即非III-V三五族化合物半导体)，可以不必使用成本较高的晶圆级光学(wafer level optics)工艺来制作。因此相较于晶圆级光学工艺，可以有效降低光源模块10的制作成本，又，因本案发光源为半导体雷射晶片102其具有共振腔，所以相较于发光二极体发散角较小，换言之，即在某段波长中其能量集中、光纯度较高(发光波长范围小/窄)，故可维持一道光束发射到较远处，举例而言，若使用波长850奈米的半导体雷射晶片，其光谱范围约为正负2奈米，反观，倘若使用习知发光二极体其光谱范围约为正负20奈米，而本实施例利用模塑工艺所制作的光学透镜104的出光面1041可以较为精准，且设计自由度较高(即设计成球面、非球面或自由曲面皆可)，因此可有效提升光源模块10的光学品质。

请接续参阅图6，图6为本实用新型另一实施例的光源模块的剖面示意图，如图，光源模块10包含一基板101、一半导体雷射晶片102、一扩散层103以及一光学透镜104，其中，本实施例与上述实施例的不同之处在于：基板101的安装面1011上具有一围墙1012，半导体雷射晶片102 设置于围墙1012内，具体而言，围墙1012可一体成型或设置于基板101 上且呈一回圈状，并与半导体雷射晶片102之间的间隔距离低于2mm，又，扩散层103以点胶方式布设于半导体雷射晶片102上，且扩散层103的高度可高于或等于该围墙1012高度，如此，可避免光学透镜104设置于基板101上时产生气泡，具体而言，扩散层103的横向截面积大于半导体雷射晶片102的横向截面积，于本实施例中，扩散层103的高度H相对于宽度W的比例值约为0.2～2.5之间，优选地，比例值可约为0.5、0.8、1、 1.5、1.8、2，透过扩散层103改变半导体雷射晶片102输出光束B的传递特性，当半导体雷射晶片102输出多个光束B时，即会具有多个光轴A (即每一光束B即会产生一光轴A)，经过扩散层103散射后，该多个光轴A则会混合为单一光轴A1(第一光束B1)，又，光学透镜104的出光面1041能够导引第一光束B1，使其沿光轴A方向行进，进而投射至一接收照明面S上，同时形成一特定光型P，且该特定光型P为非对称光型，其形状略呈矩形或略呈椭圆形，且所述的非对称光型长宽比值可能为1.25、1.33、1.67、1.78、1.85、2、2.22、2.33或落在1.25至2.33的范围内。

请参阅图7及图8，图7及图8为本实用新型的光源模块的配光曲线图(一)～(二)，并搭配参考图1至5，图7是通过第一光轴A1且在X 轴的配光曲线图，当光学透镜104的出光面1041为自由曲面，且光学透镜104满足条件式1至条件式3，且发散面1042的屈光度为负、聚光面 1043的屈光度为正时，其半功率全角(发光强度值为轴向强度值一半时的光线角度)介于60度至150度之间，较佳值约为100度；图8是通过第一光轴A1正交垂直于Y轴向的配光曲线图，其半功率全角介于30度至 90度，较佳值约为60度，且均匀度高于60％，但不局限于此，是以，在 X轴向与Y轴向的光型在迭加之后确实有利于提升光亮分布的均匀度，故本实用新型通过上述的光学设计可使半导体雷射晶片102产生较均匀分布的非对称光型，该非对称光型的形状略呈矩形或略呈椭圆形，且该非对称光型的宽高比值约为1.67，符合前述范围。

由上所述可知，光源模块包含一基板、至少一半导体雷射晶片、一扩散层以及一光学透镜所组成，其中，半导体雷射晶片电性连接于基板上，又，扩散层布设于半导体雷射晶片的传递路径上，使得半导体雷射晶片输出的多个光轴经由扩散层散射后形成单一光轴，又，光学透镜具有一出光面，其以模塑方式设置于基板上，并覆盖半导体雷射晶片与扩散层，使得光学透镜与半导体雷射晶片及扩散层之间无空气间隙(即一次光学设计)，并通过出光面导引，使得光源模块投射至一接收照明面上，形成一非对称光型。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种光源模块，其特征在于，包括：

一非半导体材料的基板，具有一安装面；

一半导体雷射晶片，用以产生多个光束，组设于该安装面上；

一扩散层，布设于该半导体雷射晶片上，且配置于多个该光束的传递路径上；以及

一光学透镜，具有一出光面，该光学透镜配置于该扩散层上，且该光学透镜与该半导体雷射晶片之间无空气间隙；

其中，多个该光束依序经过该扩散层散射形成一第一光束并经过该光学透镜折射后由该出光面投射出一特定光型。

2.如权利要求1所述的光源模块，其特征在于，该光学透镜以模塑方式设置于该安装面上，并覆盖封装于该半导体雷射晶片。

3.如权利要求1所述的光源模块，其特征在于，该出光面由至少两个不同曲率的曲面所形成，该出光面的表面中央朝该单一光束凹入定义为一发散面，而该发散面外侧并朝该安装面延伸定义为一聚光面。

4.如权利要求3所述的光源模块，其特征在于，该光学透镜满足以下条件式：

0.65＜D1/D2≤1.5；

0.3＜D3/D4≤3；

0.1≤L1/D3≤0.5；0.1≤L2/D4≤0.5；

其中，D1是该安装面至该发散面的最低表面沿该光束方向的距离；D2是该安装面至该聚光面的最高上表面沿该光束方向的距离；D3是该出光面最外围两侧宽度的距离，D4是该出光面相对两端的长度距离L1是该半导体雷射晶片的宽度距离；L2该半导体雷射晶片的长度距离。

5.如权利要求4所述的光源模块，其特征在于，该特定光型为一矩形光型，且长宽比值介于1.25～2.33之间。

6.如权利要求1所述的光源模块，其特征在于，该扩散层以网版印刷、涂布、喷涂、点胶或刷涂方式布设于该半导体雷射晶片上。

7.如权利要求6所述的光源模块，其特征在于，该扩散层所成型的厚度落在0.05至1mm之间。

8.如权利要求2所述的光源模块，其特征在于，该安装面成型有一围墙，且该半导体雷射晶片配置于该围墙内，且该围墙被该光学透镜所覆盖，使该光学透镜与该围墙之间无空气间隙的产生。

9.如权利要求8所述的光源模块，其特征在于，该扩散层高度高于或等于该围墙高度。

10.如权利要求8所述的光源模块，其特征在于，该围墙与该半导体雷射晶片之间具有一距离。

11.如权利要求7所述的光源模块，其特征在于，该扩散层的透光率高于50％。

12.如权利要求8所述的光源模块，其特征在于，该扩散层的高度相对于宽度的比例值约为0.2至2.5之间。

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