TW201408923A - 雷射發光裝置 - Google Patents

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Chung-I Chiang
Min-Ching Lin
Ching-Huan Liao
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Walsin Lihwa Corp
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Abstract

本發明為一種雷射發光裝置，包含一雷射光源及一光導管。雷射光源可產生一雷射光束，而該雷射光束具有不大於30度的一擴散角。光導管設置於雷射光束之光路上，且具有一入光面、一出光面及多個第一截面。入光面與雷射光源相對，且該些第一截面位於出光面與入光面之間。各第一截面皆垂直於光導管的長度方向，且各第一截面之面積皆小於出光面之面積，而皆大於入光面之面積。此外，各第一截面的面積沿著光導管的長度方向，連續地增加。藉此。雷射光束通過光導管後，可被光導管有效地準直化。

Description

雷射發光裝置
本發明有關一種發光裝置，特別關於一種雷射發光裝置。
隨著科技的進步，以往會佔據大量體積、重量較重、不便攜帶的投影機，現已變得可放入口袋、重量較輕且方便攜帶；此種方便攜帶的投影裝置又可稱為「微型投影機」。
微型投影機通常是利用固態光源(雷射二極體或發光二極體)產生的光線來投射出影像，而不像傳統的投影機是利用高壓汞燈等非固態光源。此外，微型投影機對於固態光源的光線的準直性及對稱性有較高的要求，但固態光源的光線本身的準直性及對稱性不足夠，因此需藉由一準直器(collimator)及一光束整型器(beam shaper)來分別補強之。
然而，準直器與光束整型器皆具有非球面的設計，而非球面的製造較為困難，故準直器與光束整型器的製造成本較為高，會增加微型投影機的整體成本。此外，固態光源與準直器在組裝時，兩者需準確地對位，固態光源的光線才可被有效地被準直；若有些對位的誤差存在時，會對光線的準直結果造成很大的影響。
有鑑於準直器與光束整型器的上述缺失，有業者提出了其他可準直化或對稱化光線的裝置，來取代投影機中的準直器或光束整型器。舉例而言，台灣專利公告號I282480(同美國專利公告號US 7,354,178)之專利所提出的發光照明結構，即使用具有多階反射面的材料層來準直發光二極體所發出的光線。
然而，該發光照明結構無法對稱化光線。此外，該發光照明結構還限制了發光二極體必需位於材料層中，而不得位於材料層外，否則發光二極體所發射出的具有較大擴散角的光線將無法被有效地準直。
有鑑於此，提供一種可改善至少一種上述缺失的發光裝置，乃為此業界亟待解決的問題。
本發明之一目的在於提供一種雷射發光裝置，其可有效地將雷射光線準直化。
本發明之另一目的在於提供另一種雷射發光裝置，其可有效地將雷射光線對稱化。
本發明之又一目的在於提供又一種雷射發光裝置，其可彈性地配置雷射光源。
為達上述該些目的的其中之一，本發明所揭露的雷射發光裝置，包含：一雷射光源，用以產生一雷射光束，該雷射光束具有不大於30度的一擴散角；以及一光導管，設置於該雷射光束之光路上，用以準直該雷射光束，該光導管具有一入光面、一出光面及多個第一截面，該入光面與該雷射光源相對，該些第一截面位於該出光面與該入光面之間，且各該第一截面皆垂直於該光導管的長度方向，各該第一截面之面積皆小於該出光面之面積，而皆大於該入光面之面積；其中，各該第一截面的面積沿著該光導管的長度方向，連續地增加。
為讓上述目的、技術特徵及優點能更明顯易懂，下文係以較佳之實施例配合所附圖式進行詳細說明。
請參閱第1圖所示，其為依據本發明的第一較佳實施例的雷射發光裝置的一示意圖。該雷射發光裝置1至少包含一雷射光源(laser light source)10及一光導管(light pipe)20，其技術內容及運作方式將說明如後。
該雷射光源10可為一雷射二極體，並可產生一雷射光束11。該雷射光束11具有一初始擴散角θ，而該擴散角θ不大於30度，換言之，擴散角θ的最大值可為30度。本實施例中，雷射光束11的擴散角θ約為18度。雷射光束11還具有一光路12，雷射光束11會沿著光路12前進，而光路12垂直於雷射光源10的出光面。
該光導管20則是設置於雷射光束11的光路12上，使得雷射光束11可進入至光導管20中；換言之，光導管20與雷射光源10為互相光耦合。此外，本實施例中，光導管20可為間隔地設置於雷射光源10之前；換言之，雷射光源10沒有與光導管20相接觸，兩者間將有一間距S(如第2圖所示)。
光導管20可為一實心結構，其折射率可不小於1.4，以利雷射光束11在光導管20中以全內反射方式前進。為了使光導管20的折射率不小於1.4，光導管20的製造材料可為：聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，或簡稱PMMA)、聚碳酸脂(Polycarbonates，或簡稱PC)、高折射率玻璃(BK7)或玻璃。
光導管20還定義有一長度L及一長度方向D，而該長度L與長 度方向D的關係為：沿著一特定方向上，光導管20的兩末端之間的距離值；此特定方向即為長度方向D，而距離值即為長度L。本實施例中，長度方向D可與光路12平行或重疊。
請參閱第2圖所示，為第1圖的雷射發光裝置的另一示意圖，顯示出光導管的第一截面。光導管20具有一入光面21、一出光面22及多個第一截面23。光導管20的入光面21與雷射光源10相對(也就是面對面)，而雷射光束11(如第1圖所示)通過該入光面21而進入至光導管20中。出光面22則是位於光導管20的另一側，雷射光束11通過該出光面22而離開光導管20。
該些第一截面23則是位於出光面22與入光面21之間，且各第一截面23皆垂直於光導管20的長度方向D。需說明的是，該些第一截面23的整體並無法從光導管20的外觀直接地觀察到，故第2圖僅顯示出第一截面23的側邊線。需將光導管20沿著垂直於長度方向D的方向切開後，才能觀察到整個第一截面23。
各第一截面23的面積皆小於出光面22的面積，但皆大於入光面21的面積。此外，各第一截面23的面積在沿著光導管20的長度方向D(即沿著光路12)上，會連續地增加。綜合上述，越靠近入光面21的第一截面23將會具有越小的面積，但至少會大於入光面21的面積；而越遠離入光面21的第一截面23將會具有越大的面積，但至少會小於出光面22的面積。
由入光面21、出光面22及該些第一截面23的面積關係可知，光導管20為一截錐體(frustum)。
請參閱第3圖所示，為第1圖的雷射發光裝置又一示意圖，顯示出光導管的第二截面。光導管20更具有一第二截面24，該第二截面24也是位於出光面22及入光面21之間，且還垂直於各第一截面23。與第一截面23相似，第二截面24的整體也無法從光導管20的外觀直接地觀察到(如第1圖所示)，需將光導管20沿著垂直於長度方向D切開後，才能觀察到整個第二截面24。第二截面24具有一側邊線241，且本實施例中，該側邊線241可為一直線式的側邊線。
請參閱第4圖所示，為雷射光束在第1圖的雷射發光裝置的光導管中前進的示意圖。光導管20可用以準直雷射光束11，使得通過光導管20的雷射光束11具有較小的擴散角。詳言之，當雷射光束11進入至光導管20後，具有較大角度的部分雷射光束11會碰撞到光導管20的外緣面，然後在光導管20內反射；反射後的雷射光束11與光路12的角度即會變小，達到準直之目的。
請參閱第5圖所示，為雷射光束在通過第1圖的雷射發光裝置的光導管後的光強度分佈圖；並請一併參閱第2圖。在光導管20的入光面21之直徑為0.5公釐、出光面22之直徑為1.45公釐、光導管20之長度L為4公釐、及光導管20與雷射光源10之間距S為0.1公釐的情況下，雷射光束11(如第1圖所示)通過光導管20後的光強度非常集中，而雷射光束11的擴散角由18度變成約為3度。
由此可知，本實施例的雷射發光裝置1可提供較為準直化的雷射光束11，使得雷射發光裝置1利於應用於微型投影機等裝置中。
請復參閱第1圖及第2圖，值得一提的是，光導管20與雷射光源10之間的間隔S可由該擴散角θ及該入光面21之面積來決定。也就是指，若擴散角θ較大時，間隔S可縮短，或入光面21之面積可增加。
請參閱第6圖所示，為第1圖的雷射發光裝置的光耦合效率與間距之關係圖。當間隔S由該擴散角θ及該入光面21之面積來決定時，雷射光源10與光導管20之間將具有較佳的光耦合效率。舉例而言，若初始擴散角θ為18度時，間隔S在0.5公釐內皆可有優良的光耦合效率。如此，使用者可依據其需求，在間隔S為0.5(在其他實施例可為其他數值)的限制下，彈性地安排雷射光源10相對於光導管20的位置。
另值得一提的是，「光導管20與雷射光源10之間的間隔S」與「光導管20的長度L」可保持一定值；較佳地，「光導管20與雷射光源10之間的間隔S」會小於「光導管20的長度L」。
舉例而言，間隔S與長度L的總和固定為4.5公釐時，間隔S與長度L可為以下之組合：間隔S為0.5公釐，長度L為4公釐；間隔S為0.3公釐，長度L為4.2公釐；間隔S為0.1公釐，長度L為4.4公釐。無論是何種組合，雷射光束11皆可有效地被光導管20準直化。
又值得一提的是，光導管20的入光面21可為平面，而非曲面。如此，雷射光源10在與光導管20在組裝時，兩者的對位公差可較大，但雷射光源10所產生的雷射光束11依然可被光導管20準直化。出光面22可為平面或曲面；當出光面22為曲面時，光導 管20的準直能力可進一步被提升。
當出光面22為平面時，出光面22還可為非對稱形狀的平面(例如第7A圖及第7B圖所示的長方形或橢圓形)，或是為對稱形狀的平面(例如第7C圖及第7D圖所示的正方形或圓形)。非對稱形狀的出光面22可使光導管20更具有對稱化雷射光束11的能力，使得具有非對稱擴散角的雷射光束11在經過光導管20後，其各方向的擴散角將較為一致。
以上為本發明的第一較佳實施例的雷射發光裝置的說明，接著為本發明的其他較佳實施例的雷射發光裝置的說明。為達簡潔說明之目的，其他較佳實施例與第一較佳實施例相似或相同之處，以及其他較佳實施例之間的相似或相同之處，皆將不再敘述之。
請參閱第8圖所示，其為依據本發明的第二較佳實施例的雷射發光裝置的一示意圖，顯示出光導管的第二截面。第二較佳實施例的雷射發光裝置2與第一較佳實施例的雷射發光裝置1的不同處在於：雷射發光裝置2的光導管20的第二截面24具有一曲線式的側邊線241，換言之，該側邊線241非直線式。
曲線式的側邊線241可依據一非球面公式來決定出，該非球面公式為：，其中c為二次曲線常數(conic constant)，而r為相對光軸的半徑(radius from optic axis)。
請參閱第9圖所示，為雷射光束在通過第8圖的雷射發光裝置的光導管後的光強度分佈圖。當雷射光束11穿過具有曲線式的側邊線241的光導管20時，雷射光束11的光強度更為集中(與第5 圖的光強度分佈相比)；換言之，曲線式的側邊線241可使光導管20有更好的準直能力。
需說明的是，第9圖的光強度分佈圖是在下列參數下得到：光導管20的入光面21之直徑為0.5公釐、出光面22之直徑為1.36公釐、光導管20之長度L為4公釐、光導管20與雷射光源10之間距S為0.1公釐、二次曲線常數(c)為1.008、及半徑(r)為0.025公釐。
請參閱第10圖及第11圖所示，其分別為依據本發明的第三較佳實施例的雷射發光裝置的兩示意圖。第三較佳實施例的雷射發光裝置3與雷射發光裝置1或2的不同處在於：雷射發光裝置3的光導管20為一空心結構，且光導管20的內緣面25(如第10圖所示)或外緣面26(如第11圖所示)上會設置有一反射層27。
當雷射光束11進入至第三較佳實施例中的空心光導管20中時，具有較大角度的部分雷射光束11會碰撞到光導管20的反射層27而被反射層27反射；反射後的雷射光束11與光路12的角度即會變小，達到準直之目的。需說明的是，反射層27較佳地具有不小於90百分比的反射率，以使撞擊到反射層27的雷射光束11只有小部分會被反射層27吸收，其餘皆被反射層27反射。
請參閱第12圖及第13圖所示，其分別為依據本發明的第四較佳實施例的雷射發光裝置的兩示意圖。第四較佳實施例的雷射發光裝置4與雷射發光裝置1、2或3的不同處在於：雷射發光裝置4更包含一光學透鏡(optical lens)30，且光學透鏡30設置於光導管20的出光面22之前；此外，光學透鏡30可與出光面22接觸(如 第11圖所示)或是間隔地設置在出光面22之前(如第12圖所示)。光學透鏡30可使離開光導管20的準直雷射光束(圖未示)進一步地被準直。
在這裡要進一步說明的是，根據集光率理論(Etendue theory)，入光面面積與光源擴散角的乘積會相等於出光面面積與出光擴散角的乘積，而面積又與半徑成正比(若入光面或出光面為圓形時)。 因此，在要使輸出光線準直的情況下(亦即出光擴散角趨近於零)，當光源的發散角越大，光導管的入光面的面積就要設計的很小，抑或是出光面的面積要很大。
然而，考量光源與光導管之間有間隙存在，若是入光面面積過小，則入光耦合的效率也隨之下降，因此當光源之擴散角越大時，則必須將光導管得出光面面積提高，才有辦法完成光的準直效果。
習知的發光二極體(LED)的擴散角大約是120度，而相對於本案的雷射光源(LD)的擴散角小於30度來說，是有著極大的差異的。
請參閱第14A圖及第14B圖，為雷射光束在通過本發明的光導管前後的光強度分佈圖。由圖可知，雷射光束的初始擴散角為20度，而經過光導管後，雷射光束可被良好地準直。
請參閱第15A圖及第15B圖，為發光二極體產生的光束在通過本發明的光導管前後的光強度分佈圖。由圖可發現，當本發明所揭露的光導管搭配傳統的發光二極體時，其光準直的效果非常不理想；也就是指，發光二極體產生的光束在經過光導管後，仍有 明顯的擴散角，並未被準直。
根據前述的集光率理論可知，要得到相同的光準直效果，就得要增加光導管的出光面面積。因此，以圖中擴散角達120度的LED為例，其搭配的光導管之出光面面積需要超過本發明的光導管的四倍以上，其體積相形之下是非常的龐大而不經濟。
承前所述，很顯然地，習知如台灣專利公告號I282480(同美國專利公告號US 7,354,178)所示之發光照明結構，實際上並無法將其發光二極體直接地置換成一雷射二極體。其原因在於，習知之照明結構為求收入所有發光二極體所射出之光線，光導管之體積勢必遷就發光二極體之光學特性而遠較本發明為大，因此很清楚地可以得知，即使直接將習知結構中之發光二極體置換為雷射二級體，該習知發光照明結構中材料層的大部分的多階反射面與雷射光線間將不會產生任何交互作用而無法發揮任何功用。總結地說，該習知發光照明結構無法以雷射二極體直接取代該發光二極體，抑或是本發明所屬技術領域具有通常知識者並無法直接將一般習知的發光二極體套用本發明之光導管，進而達成光準直的效果。
綜上所述，本發明的雷射發光裝置可克服先前技術的缺失，提供擴散角較為小的雷射光束，並可提供較為對稱的雷射光束。此外，雷射發光裝置的雷射光源與光導管的間距可調整，使得雷射光源的配合較為彈性。另外，由於雷射光源與光導管的間距可由擴散角及入光面之面積來決定，使得雷射光源與光導管的光耦合效率較佳；並且，光導管的大部分處皆可被雷射光線撞擊到而發 揮準直光線的功能，達到充分利用光導管的目的。
上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。
1、2、3、4‧‧‧雷射發光裝置
10‧‧‧雷射光源
11‧‧‧雷射光束
12‧‧‧光路
θ‧‧‧擴散角
20‧‧‧光導管
21‧‧‧入光面
22‧‧‧出光面
23‧‧‧第一截面
24‧‧‧第二截面
241‧‧‧側邊線
25‧‧‧內緣面
26‧‧‧外緣面
27‧‧‧反射層
D‧‧‧長度方向
L‧‧‧長度
30‧‧‧光學透鏡
S‧‧‧間隔
第1圖為依據本發明的第一較佳實施例的雷射發光裝置的一示意圖。
第2圖為第1圖的雷射發光裝置的另一示意圖。
第3圖為第1圖的雷射發光裝置又一示意圖。
第4圖為雷射光束在第1圖的雷射發光裝置的光導管中前進的示意圖。
第5圖為雷射光束在通過第1圖的光導管後的光強度分佈圖。
第6圖為第1圖的雷射光源與光導管之間的光耦合效率與間距之關係圖。
第7A圖為第1圖的光導管的出光面的一形狀示意圖。
第7B圖為第1圖的光導管的出光面的另一形狀示意圖。
第7C圖為第1圖的光導管的出光面的又一形狀示意圖。
第7D圖為第1圖的光導管的出光面的再一形狀示意圖。
第8圖為依據本發明的第二較佳實施例的雷射發光裝置的一示意圖。
第9圖為雷射光束在通過第8圖的光導管後的光強度分佈圖。
第10圖為依據本發明的第三較佳實施例的雷射發光裝置的一示意圖。
第11圖為依據本發明的第三較佳實施例的雷射發光裝置的另一示意圖。
第12圖為依據本發明的第四較佳實施例的雷射發光裝置的一示意圖。
第13圖為依據本發明的第四較佳實施例的雷射發光裝置的另一示意圖。
第14A圖為雷射光束在通過本發明的光導管前的光強度分佈圖。
第14B圖為雷射光束在通過本發明的光導管後的光強度分佈圖。
第15A圖為習知的發光二極體產生的光束在通過本發明的光導管前的光強度分佈圖。
第15B圖為習知的發光二極體產生的光束在通過本發明的光導管後的光強度分佈圖。
1‧‧‧雷射發光裝置
10‧‧‧雷射光源
11‧‧‧雷射光束
12‧‧‧光路
θ‧‧‧擴散角
20‧‧‧光導管
21‧‧‧入光面
22‧‧‧出光面
23‧‧‧第一截面
D‧‧‧長度方向
L‧‧‧長度

Claims (18)

  1. 一種雷射發光裝置，包含：一雷射光源，用以產生一雷射光束，該雷射光束具有不大於30度的一擴散角；以及一光導管，設置於該雷射光束之光路上，用以準直該雷射光束，該光導管具有一入光面、一出光面及多個第一截面，該入光面與該雷射光源相對，該些第一截面位於該出光面與該入光面之間，且各該第一截面皆垂直於該光導管的長度方向，各該第一截面之面積皆小於該出光面之面積，而皆大於該入光面之面積；其中，各該第一截面的面積沿著該光導管的長度方向，連續地增加。
  2. 如請求項1所述的雷射發光裝置，其中該光導管與該雷射光源之間的一間隔，小於該光導管的一長度。
  3. 如請求項2所述的雷射發光裝置，其中該光導管的該長度係大於零且小於4.5公釐。
  4. 如請求項1所述的雷射發光裝置，其中該光導管與該雷射光源之間的一間隔，係由該擴散角及該入光面之面積決定。
  5. 如請求項4所述的雷射發光裝置，其中該間隔係大於零且小於或等於0.5公釐。
  6. 如請求項1所述的雷射發光裝置，其中該光導管更具有一第二截面，該第二截面位於該出光面與該入光面之間，且垂直於各該第一截面，該第二截面具有一直線式的側邊線。
  7. 如請求項1所述的雷射發光裝置，其中該光導管更具一第二截面，該第二截面位於該出光面與該入光面之間，且垂直於各該第一截面，該第二截面具有一曲線式的側邊線。
  8. 如請求項7所述的雷射發光裝置，其中該曲線式的側邊線係依據一非球面公式來決定出。
  9. 如請求項1所述的雷射發光裝置，其中該入光面為平面。
  10. 如請求項1所述的雷射發光裝置，其中該出光面為平面或曲 面。
  11. 如請求項1所述的雷射發光裝置，其中該出光面為一非對稱形狀的平面。
  12. 如請求項11所述的雷射發光裝置，其中該出光面為一長方形或橢圓形的平面。
  13. 如請求項1所述的雷射發光裝置，其中該出光面為一對稱形狀的平面。
  14. 如請求項13所述的雷射發光裝置，其中該出光面為一正方形或圓形的平面。
  15. 如請求項1所述的雷射發光裝置，其中該光導管為一實心結構。
  16. 如請求項15所述的雷射發光裝置，其中該光導管的折射率不小於1.4。
  17. 如請求項1所述的雷射發光裝置，其中該光導管為一空心結構，且該光導管的一內緣面或一外緣面設置有一反射層。
  18. 如請求項17所述的雷射發光裝置，其中該反射層的反射率不小於90百分比。
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