TWI312600B - Method and apparatus for modifying the spread of a laser beam - Google Patents

Description

1312600 玖、發明說明：

【發明戶斤屬之技術領域J 發明領域 本發明有關於變更雷射光束展幅之方法與裝置。 5 【先前技術】 發明背景 在今曰許多裝置使用雷射以執行各種功能。例如，光 學滑鼠或雷射指示器在其各別操作中使用雷射。此外，許 多光纖通信裝置使用雷射作為信號產生來源。 10 此等雷射產生光學射束，其有時會產生光線足夠強大 而傷害人類眼睛。例如，雷射光學指示裝置典型地包括與 雷射光學對準之光線改變裝置，其被設計將雷射光線聚焦 或瞄準而用於其所想要之用途。因此，如果有人對著雷射 光線觀看，它會損害到無助的眼睛，並且即使雷射光線不 15 夠強大造成損害，但有人會以放大透鏡或其他裝置將雷射 光線進一步聚焦，以致於此進一步聚焦之光線能夠對眼睛 造成損害。 因為包含雷射裝置之製品對眼睛潛在地損害，因此它 們藉由其潛在損害位準而分類。一個此種分類設計是”雷射 20 製品安全之國際標準”(ISSLR)。由此ISSLP所分類之最不有 害雷射為分類/雷射裝置。在此種類中之雷射在合理可預期 之操作情況下被界定為安全，包括使用例如為放大透鏡之 光學儀器用於光線之間之觀看。此用於雷射與雷射製品之 下一個最不有害種類之分類為分類/M。此分類是由合理可 5 1312600 預期操作情況下為安全之雷射所構成，但如果使用者使用 光學裝置（即放大透鏡）用於光線之間之觀看則會有害。 當根據ISSLP所界定之標準測量時，根據ISSLP，此用 於通常使用之單一模式850nm波長分類/雷射之最大允許功 5 率，即可接受發射光線(AEL)位準為0.78毫瓦(milliwatt)。 此所界定之標準為距離雷射光線離開此裝置之點14mm之 徑向平面中經由7mm孔徑之光通量之數量（單位面積之功 率）。因此，如果通過此7mm孔徑洞之雷射光線之通量少於 0.78毫瓦，則此雷射被認為是分類/而為安全。 10 一種可以使用於光學滑鼠中以斑點為基礎之移動感測 器，是一種使用雷射用於其操作之裝置。在以斑點為基礎 之移動感測器中，此雷射光線朝向一表面，並且此雷射光 線之反射造成稱為斑點圖案之複雜繞射圖案。如果此雷射 光線相對於此表面移動，則此斑點圖案改變。然後，此用 15 於接收所反射班點圖案之偵測器可以決定此斑點圖案中之 相對改變，並且將此等改變轉換以確定此雷射光源之相對 橫向移動。然而，對於可接受之表現，此在以斑點為基礎 之移動感測器中之雷射，典型地是在超過用於分類1之最大 可允許AEL額定功率之功率位準操作。這即是，如果將功 20 率降低至分類1之要求，則此以斑點為基礎之移動感測器可 能無法以可接受之位準操作。 【發明内容】 發明概要 本發明之實施例包括：雷射源可操作以產生雷射光線 6 1312600 其通量超過預先設定值；以及光學整套設備可操作以修正 此光線，以致於此經由預先設定孔徑之光線通量不超過此 預設值。此光學整套設備可以包括：聚焦透鏡、繞射聚焦 旋渦透鏡、分光裝置、或二維繞射光柵。 5 藉由將在雷射光線中之一些通量擴散或繞射，可以在 此設備中使用更大功率之雷射，而仍然符合ISSLP分類/之 額定功率。可以將此種設備與方法使用於須要更大功率雷 射但仍須在分類/額定切率内之裝置中，其例如為光學滑 鼠。 10 本發明上述之觀點與許多附帶之優點，將由參考以下 詳細說明以及所附之圖式而獲得更佳瞭解。 圖式簡單說明 第1圖為使用根據本發明實施例之聚焦透鏡之雷射光 線修正裝置之圖式； 15 第2圖為使用於根據本發明實施例之第1圖裝置中之繞 射聚焦旋渦透鏡之俯視圖； 第3圖為環形照射分佈圖案之正視圖，此圖案是以根據 本發明實施例之第2圖之繞射聚焦旋渦透鏡修正雷射光線 而產生； 20 第4圖為當使用根據本發明實施例第2圖之繞射聚焦旋 渦透鏡時，相對於孔徑位移而通過孔徑之通量百分比圖式； 第5圖為根據本發明實施例使用分光裝置之雷射光線 修正。設備之圖式； 第6A圖為使用於根據本發明實施例第1圖設備中二維 7 1312600 繞射光柵之俯視圖；以及 第6B圖為根據本發明實施例通過祕圖之二維繞射 光柵之雷射光線所產生擴散雷射光線之陣列之圖式；以及 第7圖為根據本發明實施例包括光學滑鼠之一般用途 5電腦系統之方塊圖，此電腦系統包括第丨圖之設備。 I：實施方式3 較佳實施例之詳細說明 此技術人士能夠製造與 理可以應用至以下詳細

以下所提供之討論是使得熟習 使用本發明。在此所說明之一般原 10 說明之實施例與應用以外者，而不會偏離本發明之精神與 範圍。本發明之用意並不在於受限於所示之實施例，而是 給予與在此所揭示或建議之原理與特性符合—致之最廣之 範圍。

第1圖為使用於根據本發明實施例之光學滑鼠中用於 15修正雷射光線之設備之圖式。在此實施例中，一，，垂直腔表 面發射雷射” (VC卿㈣著光軸102發射850nm波長之雷 射光線。典型的VCSEL 101具有相關擴散角度125，其為由 VCSEL 101所發射雷射光線之個別光線最寬角度之測量。 此擴散角度125典型地界定為此角度，在此角度雷射光線之 20光學強度(每單位面積之功率）降低至袖上尖峰值之一半。典 型的雷射光線可以具有一直至大約20。之擴散角度125。這 即是’雷射光線之個別光線是以距離光轴102 —直至1 〇。之 角度以擴散全方位的方式發射。然而，為了雷射眼睛安全 之目的則考慮此擴散角度125為12。之最不利之情況。 8 1312600 此CSEL 101之光學轴1〇2是與位於距離vcsel⑻ 大約^麵之距離12G_準透鏡奶配合對齊。此晦準透 鏡105將此擴散雷射光線103折射，以產生與光軸_齊之 經猫準之f射光線1G6。在此擴散雷射光線⑽進人聪準透 5鏡105刚之給定擴散角度125為12。，則此經目苗準雷射光線 106之直徑為〇.62mm。因此，若無其他之調整，此整伽 準之雷射光線106可輕易地通過測試孔徑115。這因此將由 VCSEL1G1所發射功率關於〇.78讀狐，其無法產生使 用於以斑點為基礎之移動感測器中之足夠信號位準。因 10此，以經瞄準之雷射光線106通過另一個光線修正媒體 10 7，其例如為如同以下所討論之根據本發明各種實施例之 透鏡、稜鏡或光栅。 在第2圖中所示之實施例中，此光線修正媒體1〇7為折 射聚焦透鏡107。此經瞄準之雷射光線丨〇6通過聚焦透鏡 15 107，其位於沿著光軸距離瞄準透鏡1〇5大約imm距離 121之處。此在瞄準透鏡1〇5與聚焦透鏡1〇7之間之imm距離 典型地等於被使用將透鏡105與107保持在定位之光學基板 之厚度。此聚焦透鏡107將此經瞄準雷射光線1〇6聚焦而會 聚在點108 ’其位置是在沿著光軸102距離聚焦透鏡127大約 20 1mm之距離122之處。如果此經會聚之雷射光線1〇9擊中物 體例如靶110，則其反射將產生斑點圖案而可以由偵測裝置 111偵測。由於此光學滑鼠典型地設置在滑鼠墊或其他的平 坦平面上，此滑鼠墊或表面作用為適當之靶110，並且可由 在光學滑鼠中之偵測裝置111所偵測。 9 1312600 如果將靶110移動’即將光學滑鼠指示裝置從反射表面 移除，則此會聚雷射光線129會橫向通過焦點108並且然後 進行擴散。如果有人在距離聚焦透鏡107大約I4mm之距離 123之點（此為由ISSPL所界定人類可接近之最近點，用於決 5定雷射人眼安全標準之AEL位準）測量目前擴散之雷射光線 113之通量，則可以發現此擴散雷射光射113只有一部份通 過7mm孔徑115。 在第1圖之實施例中，此擴散雷射光線113只有大約 25%通過孔徑115 ^即使將孔徑115移至相對於光軸1〇2之不 10同角度（其類似於從不同的角度在聚焦透鏡1〇7觀看），則此 擴散雷射光線113之25%典型地為通過孔徑115之最大數 量。因此’在此特殊例子中，此VCSEL 101之AEL位準可 高至3.0毫瓦’但經由此7mm孔徑115乃僅產生0.75毫瓦之通 量（其低於分類1之額定功率）。 15 亦可設想其他的實施例，其中之修正媒體可以為不 同。例如，可以不使用如同在第1圖實施例中之情況中之聚 焦透鏡107，此修正媒體1〇7可以為繞射聚焦旋渦透鏡(在第 1圖中未顯示）。第2圖顯示根據本發明實施例之繞射聚焦旋 渦透鏡200之俯視圖。有數種為人所熟知之方式使用繞射聚 20 焦旋渦透鏡200以產生繞射光線。此第2圖之繞射聚焦旋渦 透鏡200是藉由將同心邊緣微結構透鏡201與徑向邊緣微結 構透鏡202重疊而製成。此對光線造成之效應，即，此經瞄 準之雷射光線106通過經重疊之透鏡201與202，而造成光線 沿著光軸102從繞射聚焦旋渦透鏡200”扭轉”而去。 10 1312600 此通過繞射聚焦旋渦透鏡200之光線之扭轉本質，造成 垂直光軸102之平面3 15令形成甜甜圈或環形之幅射通量密 度分佈圖案300。此現象在第3圖中顯示為，，圓錐，，。如果適 當地設計，即，記得以分類之額定功率設計，此在對應於 5孔徑丨15之14mm點之環形照射通量密度分佈圖案3〇〇將稍 為大於孔徑115之7mm直徑。因此，如果孔徑115之中央是 在光軸102上’則很少或沒有光線通過它。 然而，人們不可能一直選擇直接看入光軸1〇2中。如 此，則此環形照射通量密度分佈圖案300之一部份會進入眼 10睛。取決於所觀看之角度(其測量為距離光軸1〇2之位移）； 此通量之數量將會改變。第4圖顯示圖形，其將通過孔徑115 之通量之百分比401作為對以mm為單位距光軸1〇2徑向位 移402之函數而繪製。當此孔徑115設置在距離垂直於光軸 102之方向5mm時，則產生最不利之情況點41〇。然而，在 15 任何給疋點通過孔徑之最大通量為20%。因此，在分類1之 額定功率中，VCSEL 101可以具有一直至4毫瓦之aEL位 準。 在第5圖中所示之另一實施例中，此修正媒體是分光元 件500。使用此可括一或多個稜鏡之分光元件5〇〇，在任何 20 給定之觀看角度藉由將此雷射光線之一部份折射於不同的 方向中’而減少通過此7mm孔徑115之通量之數量。當此徑 瞄準之雷射光線106進入分光元件500時，此經瞄準之雷射 光線106被分成第一組瞄準雷射光線501與第二組瞄準雷射 光線502。此在此實施例中之適當設計，此兩組經瞄準之雷 11 1312600 射光線501與502以足夠大之角度510分歧，以致於只有一組 經對準之雷射光線501或502可以通過距離任何給定視角 14mm處之7mm之孔徑。因此，在任何兩組瞄準雷射光線501 與502之間之最小角度510大約為242度。此有效地將用於 5 VCSEL 101戶斤允許之AEL位準力口倍，而仍然保持分類1之額 定功率中。 此分光元件500可將此經瞄準雷射光線1 〇6分成兩組以 上之瞄準雷射光線。如果此經瞄準之雷射光線106被分解成 η個各別的瞄準雷射光線，則此最大所允許AEL位準將被乘 10 以η。在第5圖中所顯示之例中，將此AEL位準計算為等於 2x0.78毫瓦或1.56毫瓦之最大VCSEL功率。其他可能的分光 裝置500包括繞射或全息攝影(holographic)元件或多個折射 透鏡。 在還有另一實施例中，此修正媒體可以為如同在第6 a 15 圖中所示之繞射光栅600此繞射光栅600為二維繞射元件， 其包括覆蓋在玻璃基板上光阻層之雙曝光：X方向曝光與y 方向曝光602。使用為人所熟知之全息攝影曝光方法其中兩 個經瞄準之UV雷射光線以已知角水度撞擊光阻表面，以產 生一維繞射光栅600。在此方法中，上兩個相等功率瞒準紫 20外線(UV)雷射光線之互相干涉產生正弦波形之強度圖案， 其週期取決於光射之間之角度。角度愈大則週期愈小。此 第—曝光601沿X方向產生正弦波相位光栅之潛在影像。在 將基板旋轉90度後，第二曝光602沿y方向產生光柵。此最 後的結果為二維繞射光栅6〇〇，其中此光阻層圖案是表面緩 12 1312600 和光柵，而具有在乂與}^方向中之幾乎正弦波槽之形狀。 §此經瞄準之雷射光線106通過此種二維繞射光柵600 時，此經瞄準之雷射光線1〇6被繞射成分歧雷射光線615之 陣列，其以各種角度從二維繞射光栅6〇〇發射。如果將此等 5刀歧的光線615顯示於遠方牆壁上觀看，則可看到例如在第 6b圖中所顯示之光點陣列616。為了此項討論之目的，將此 等光點616在簡單的χ-y轴上標示，而以在(〇,〇)之未繞射雷 射光線620之點開始。此從第一擴散雷射光線621向右之點 為（1.0)等等。當此顯示壁與雷射源之間的距離變得較大 10 時，則光點之間之距離亦變得較大。 此擴散雷射光線615之間的角度是由二維繞射光柵6 〇 〇 之週期決定。此對於X方向之角度分離大約為；，而八χ 為X光栅601之週期，並且；I為雷射波長。對於y-光柵602之 繞射角適用於相同的表達方式。 15 在一例中，如果/V為15微米，而此經瞄準雷射光線1〇6 之波長為850nm，則此等光柵等級之間之角度大約為56.7 毫徑或大約3.25度。第6B圖顯示用於相同X-光栅601與y光 柵602週期之繞射圖案。在較高等級650中之通量隨著光柵 等級逐漸減少，並且較高等級650延伸至距離正常二維繞射 2〇 光栅600之幾乎90度。此繞射至(p,q)等級中之功率部份(根 據 Introduction to Fourier Optics，J.W. Goodman,McGraw Hill, 1968)可以顯示為：

13 1312600 而J為第顯P或q專級之Bessel函數，以及!^為二維繞 射光柵600之尖峰一至一尖峰相位延遲而與溝清深度成比 例。在此實施例+，χ_光柵6〇1與^光柵6〇2之溝槽深度相 同，但在其它實施例中它們可以不同。如果㈣徑，則此 5零等級雷射光線(未經繞射之雷射光線62〇)中最大通量，大 約為經瞄準雷射光線1〇6通量之2 5%。在等級(〇1)、（丨，〇)、 (0，-1)，以及(-1，0)621中之通量為此瞄準雷射光線1〇6之通量 之大約0.07%。在等級（u)、（^)、Η，ιμχ及㈠，」）中之 通里為經瞄準雷射光線126之通量之大約〇.0019%。此等 10深溝構將通量擴散至許多較高等級650雷射光線中。如果 將此二維繞射光柵6〇〇製得較淺，即，減少m，則在較低 等級中之通量會上升。例如，將m減少至2 ,則在零等級 中雷射光線620中之通量會增加至經瞄準雷射光線1〇6光 線之34%。 15 使用二維繞射光柵600作為在第1圖之系統中之修正 媒體之優點為，藉由設計此空間頻率，其中此在擴散雷 射光線615之間之角度是足夠的高，所以典型地只有此等 繞射之一可以通過此7mm孔徑115。因此，對於此距離二 維繞射光柵600 14mm之7mm孔徑Π5而言，此在擴散雷 20射光線615之間的角度典型會大於大約24.2度。即使此在 擴散雷射光線615之間之角度小於24.2度，以致於多個擴 散雷射光線615可以進入此7mm孔徑115，但此等擴散雷 射光線615對人眼仍不會造成損害。此原因為此等擴散之 雷射光線615並不會在網膜上聚焦至單一點，而是點之陣 14 1312600 J 16由於眼目月之損害典型是由網膜之局部加熱所造 成’將光線擴散成點之陣列616中可減少對眼睛損害之可 能性’因此增加用於VCSELl〇1之最大可允許狐位準。 口為/、有個擴散雷射光線615可以任一入射角通 5過孔徑115,因此對於眼睛安全標準只須考慮最強之擴 月欠田射光線615(此未經繞射之雷射光線62〇(〇,〇》，因為 所有其他之擴散雷射光線615具有較低之大小。因此， $於m=8之光栅調變，此未經繞射之雷射光線62〇之通 罝為以上所討論之聪準雷射光線通量之大約。因 10此，在此實施例中用於VCSEL 1〇1之可接受AEL位準可 以為勿類/額定功率之4〇倍。即使m=2，此用於VCSE[ 101之AEL位準可以為分類/額定功率之大約3倍。 第7圖為包括光學滑鼠742之一般用途電腦系統72〇 之方塊圖’此滑鼠包括根據本發明實施例第1圖之裝 15置。電腦系統720(例如：個人電腦或伺服器）包括：一或 多個處理單元721，系統記憶體7S2，以及系統滙流排 723。此系統滙流排723將包括系統記憶體722之各種系 統元件連接至處理單元72丨。此系統滙流排723可以為使 用任何種類滙流排結構之數種型式滙流排之任一種，包 20括：記憶體滙流排，週邊匯流排，以及區域匯流排。系 統s己憶體722典型地包括：唯讀記憶體（r〇m)724，以及 隨機存取記憶體（RAM)725。此包括基本常式（rontine) 以協助在電腦系統72〇中元件之間傳送資訊之韌體 726’亦包括於此系統記憶體722中。此電腦系統72〇可 15 1312600 以更包括：硬碟驅動系統其亦連接至系統匯流排723。 此外，光學驅動器（未圖示），CD-ROM機（未圖式），軟 碟機（未圖示），亦可經由各別驅動控制器（未圖式）而連 接至系統匯流排723。 5 使用者可以經由輸入裝置例如鍵盤74 0與光學滑鼠7 4 2 將指令與資訊輸入於電腦系統720中。此等輸入裝置與其他 未顯示之裝置典型地經由串聯埠介面746而連接至系統匯 流排723。其他的介面（未圖示）包括通用串聯匯流排(USB) 與並聯埠740。亦可將監視器747或其他形式之顯示裝置經 10 由例如圖卡789之介面而連接至系統匯流排723。 C圖式簡單說明3 第1圖為使用根據本發明實施例之聚焦透鏡之雷射光 線修正裝置之圖式； 第2圖為使用於根據本發明實施例之第1圖裝置中之繞 15 射聚焦旋渦透鏡之俯視圖； 第3圖為環形照射分佈圖案之正視圖，此圖案是以根據 本發明實施例之第2圖之繞射聚焦旋渦透鏡修正雷射光線 而產生； 第4圖為當使用根據本發明實施例第2圖之繞射聚焦旋 20 渦透鏡時，相對於孔徑位移而通過孔徑之通量百分比圖式； 第5圖為根據本發明實施例使用分光裝置之雷射光線 修正設備之圖式； 第6A圖為使用於根據本發明實施例第1圖設備中二維 繞射光柵之俯視圖；以及 16 1312600 第6B圖為根據本發明實施例通過第6A圖之二維繞射 光柵之雷射光線所產生擴散雷射光線之陣列之圖式；以及 第7圖為根據本發明實施例包括光學滑鼠之一般用途 電腦系統之方塊圖，此電腦系統包括第1圖之設備。 5 【圖式之主要元件代表符號表】 101···垂直腔表面發光雷射 402···位移 102…光轴 410···點 103···雷射光線 500…分光元件 105…瞄準透鏡 501,502…雷射光線 106···雷射光線 510…角度 107…修正媒體 600…繞行光拇 108···點 601…X-光桐· 109··.雷射光線 602…y-光桃 110".革巴 621···等級 111···偵測裝置 615…雷射光線 113···雷射光線 616…光點陣列 115…測試孔徑 620…雷射光線 120，121,122,123···距離 650…較高等級 125···擴散角度 720…電腦系統 200···繞射聚焦旋渦透鏡 721…處理單元 201,202…透鏡 722…系統記憶體 300…照射分佈圖案 723…系統匯流排 315···平面 724…唯讀記憶體 401…通量百分比 725…隨機存取記憶體

17 1312600 726…軔體 727···硬體機系統 740…鍵盤 742···光學滑鼠 747…監視器 746···串聯埠介面 748···並聯埠介面 789…圖卡

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Claims (1)

1. ΪΉ 〇92126701號專利申請案 H i joizuuu中文申請專利範圍替換本(98年3月）： ) 拾、申請專利範圍： 1. 一種裝置，包括： 一雷射源，可操作以產生具有超過一預先設定值之 一通量之一雷射光線，該預先設定值與一等級級別相 關；以及 一光學整套設備，可操作以修正該光線，以致於經 由一預先設定孔徑之該光線之一部份之該通量不超過 該預先設定值，該光學整套設備包含一繞射聚焦旋渦透 鏡，可操作以將該雷射光線繞射成一環形照射分佈圖 案。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該雷射源包括一垂 直腔發射雷射。 3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該預先設定值等於 0.78毫瓦。 4. 如申請專利範圍第1項之裝置，進一步包括一殼體，於 其中設置該雷射源與該光學整套設備，該殼體設有一窗 口，經由該窗口傳送經修正之該雷射光線；以及 其中該預先設定之孔徑具有7mm之直徑，並且位於 距該窗口 14mm之一徑向距離。 5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該光學整套設備更 包括可操作以瞄準該雷射光線之一瞄準透鏡。 6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該繞射聚焦旋渦透 鏡包括重疊在一徑向邊緣微結構透鏡上之一同心邊緣 微結構。 125981-980327.doc 1312600 7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該環形照射分佈圖 案具有大於該預先設定孔徑之一直徑。 8. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該孔徑是設置於一 徑向平面中，其入射角垂直於該雷射光線之光轴。 9. 一種方法，包括： 產生具有一通量超過一預先設定值之一雷射光 線，該預先設定值與一雷射等級級別相關；以及 修正該光線，以致於通過該預先設定孔徑之該光線 之一部份之該通量不超過該預先設定值，其中修正該光 線包含將該光線繞射成一環形照射圖案，以致於穿過該 預先設定孔徑之該環形照射圖案之部份所具有之一合 成通量不超過該預先設定值。 10. 一種方法，包含： 產生具有超過一預先設定值之一通量之一雷射光線，該 預先設定值與一雷射等級級別相關；以及 修正該光線，以致於穿過一預先設定孔徑之該光線之一 部份的該通量不超過該預先設定值，其中修正光線包括 將該光線分成至少兩個光線，以致於只有一個光線可以 穿過該預先設定孔徑。 11. 一種方法，包含： 產生具有超過一預先設定值之一通量之一雷射光線，該 預先設定值與一雷射等級級別相關；以及 修正該光線，以致於穿過一預先設定孔徑之該光線之一 部份的該通量不超過該預先設定值，其中修正該光線包 125981-980327.doc -2- 1312600 括將該光線繞射成光線陣列，以致於穿過該預先設定孔 徑之光線組所具有之一合成通量不超過該預先設定值。 125981-980327.doc