TWI564506B - 光學模組 - Google Patents

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TWI564506B
TWI564506B TW103146536A TW103146536A TWI564506B TW I564506 B TWI564506 B TW I564506B TW 103146536 A TW103146536 A TW 103146536A TW 103146536 A TW103146536 A TW 103146536A TW I564506 B TWI564506 B TW I564506B
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    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Description

光學模組
本發明是有關於一種光學模組，且特別是有關於一種具有較佳的光利用率的光學模組。
隨著全球環保的意識抬頭，節能省電的電子產品已成為當今的趨勢。以照明產業為例，由於發光二極體(light-emitting diode,LED)與雷射二極體(laser diode,LD)具有節能、省電、高效率、反應時間快、壽命長且不含汞等優點，因此逐漸在市場上占有一席之地。
以雷射二極體為例，由於多個雷射二極體所發出的雷射光需要輔以例如是透鏡的聚光功能，才能整合使前述的雷射二極體光源形成準直的一平行光束。詳細而言，現有的作法通常是將多個雷射二極體設置於凸透鏡的焦點，以讓自凸透鏡的焦點所發出的光線在經由凸透鏡的折射後轉換成平行光束，但礙於凸透鏡尺寸大小以及凸透鏡與雷射二極體相對配置關係等限制，以至於雷射二極體的光利用率無法有效地獲得提升。
本發明提供一種光學模組，其具有較佳的光利用率。
本發明提出一種光學模組，包括反射元件、多個第一光源以及波長轉換體。反射元件具有主軸以及位於主軸上的焦點。這些第一光源位於反射元件的一側，並各自朝向反射元件發出一平行主軸的第一光線。波長轉換體設置於焦點上，其中第一光線經由反射元件反射至焦點，且部分的第一光線由波長轉換體轉換成第二光線。第二光線與另一部分的第一光線射向反射元件，並經由反射元件的反射以形成平行於主軸的光束。
在本發明的一實施例中，上述的焦點位於第一光源與反射元件之間。
在本發明的一實施例中，上述的光學模組更包括第二光源，位於焦點上，其中波長轉換體配置第二光源上。
在本發明的一實施例中，上述的第一光源為多個雷射二極體，第二光源為一發光二極體。
在本發明的一實施例中，上述的反射元件包括一球面反射鏡、一拋物面反射鏡或一橢圓面反射鏡。
本發明提出另一種光學模組，包括第一反射元件、第二反射元件、多個第一光源以及波長轉換體。第一反射元件具有主軸以及位於主軸上的第一焦點。第二反射元件相對於第一反射元件配置，其中第二反射元件具有第二焦點，且第二焦點與第一焦 點位於同一共點上。這些第一光源位於第二反射元件的一側，並各自朝向第二反射元件發出一平行於主軸的第一光線。波長轉換體設置於共點上，其中第一光線經由第二反射元件反射至共點上，且部分的第一光線由波長轉換體轉換成第二光線。第二光線與另一部分的第一光線射向第一反射元件，並經由第一反射元件的反射以形成平行於主軸的光束。
在本發明的一實施例中，上述的共點位於第一反射元件與第二反射元件之間。
在本發明的一實施例中，上述的光學模組更包括第二光源，位於共點上，其中波長轉換體配置於第二光源上。
基於上述，本發明的光學模組可藉由反射元件將多個光源所發出的第一光線反射至位於反射元件的焦點上的波長轉換體，其中波長轉換體會將部分第一光線轉換成第二光線，並回射至反射元件。由於第二光線與未被轉換的第一光線從反射元件的焦點發出後會進行充分地混光，因此可經由反射元件的反射以形成平行光束以利後續光學應用。因此，本發明的光學模組在無需設置透鏡的情況下，即可將多個光源有效地集中並與波長轉換體作用，藉以提高光利用率。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、100A~100D‧‧‧光學模組
110、110a‧‧‧反射元件
111、111a‧‧‧主軸
112、112a、151‧‧‧焦點
113、113a、152‧‧‧曲面
120、120a‧‧‧第一光源
121、121a、141、141a、161‧‧‧第一光線
122、122a、142、142a‧‧‧第二光線
123、123a、143、143a‧‧‧光束
130‧‧‧波長轉換體
140、140a‧‧‧第二光源
160‧‧‧第三光源
150‧‧‧反射元件
圖1A是本發明第一實施例的光學模組的側視示意圖。
圖1B是圖1A的光學模組的局部俯視示意圖。
圖2是本發明第二實施例的光學模組的側視示意圖。
圖3是本發明第三實施例的光學模組的側視示意圖。
圖4是本發明第四實施例的光學模組的側視示意圖。
圖5是本發明第五實施例的光學模組的側視示意圖。
圖1A是本發明第一實施例的光學模組的側視示意圖。圖1B是圖1A的光學模組的局部俯視示意圖，其中為求清楚表示，圖1B省略繪示第二光線122與光束123。請參考圖1A與圖1B，在本實施例中，光學模組100可應用於閃光燈、車燈或手電筒等，其包括反射元件110、多個第一光源120以及波長轉換體130。反射元件110為一曲面反射鏡，例如是球面反射鏡、拋物面反射鏡或橢圓面反射鏡，其中較佳為一拋物面反射鏡，其具有主軸111以及位於主軸111上的焦點112。
舉例來說，這些第一光源120可以是多個雷射二極體所組成、由多個發光二極體所組成或雷射二極體與發光二極體的組合，本發明對此不加以限制。其中，由多個雷射二極體、多個發光二極體或雷射二極體與發光二極體的組合所構成的第一光源120的排列方式，可為線性排列、矩陣排列或隨機排列，如圖1B 所示，本實例是以線性排列的多個第一光源120輔以說明，但本發明不以此為限。較佳地，這些第一光源120是由多個雷射二極體所組成，故具有較佳的準直性，產生的光線能集中經反射元件110反射，以利於後續光學應用的設計，但本發明不以此為限。
這些第一光源120位於反射元件110的一側，其中焦點112位於第一光源120與反射元件110之間，且反射元件110的一端部實質上延伸至焦點112的上方，以利於收集各個第一光源120所發出的光線。各個第一光源120適於朝向反射元件110的曲面113各自發出第一光線121。具體而言，各個第一光線121在投射至反射元件110的曲面113後會反射至焦點112。更具體而言，前述的第一光線121實質上是以平行主軸111的方向投射至反射元件110的曲面113，故基於曲面反射鏡的反射原理，前述各個第一光源120發出的第一光線121便能全部自反射元件110反射後以匯聚於焦點112上。在本實施例中，這些第一光源120例如是由多個雷射二極體所組成，而採用雷射二極體的原因是在於：雷射二極體具有較佳的準直性。換句話說，第一光源120將更趨於點光源的形式，使得各個第一光源120所發出的第一光線121能更有效地經由反射元件110匯聚於焦點112上，不致於產生偏焦而有光線逸失。
波長轉換體130設置於焦點112上，因此波長轉換體130亦位於第一光源120與反射元件110之間，且反射元件110的一端部亦實質上延伸至波長轉換體130的上方，以利於收集經由波 長轉換體130轉換後所得的光線。此處，波長轉換體130可選用單晶結構的螢光體，但本發明不以此為限。在其他實施例中，波長轉換體130也可為非單晶螢光材料、磷光材料或染料混雜於透明膠體固化而成，以螢光粉材料混雜於透明膠體而言，透明膠體可以是環氧材脂、丙烯酸樹脂、矽酮樹脂或是矽膠等。透明膠體內可混雜有單色或多色之螢光粉材料，例如，包含有Sr、Ga、S、P、Si、O、Gd、Ce、Lu、Ba、Ca、N、Si、Eu、Y、Cd、Zn、Se、Al等成分的黃色螢光粉材料或綠色螢光粉材料。舉例來說，螢光粉可以是石榴石螢光粉、矽酸鹽螢光粉、氮化合物螢光粉或氧氮化合物螢光粉。螢光粉也可以是釔鋁石榴石螢光粉(YAG)、鋱鋁石榴石螢光粉(TAG)、銪活化鹼土族矽酸鹽螢光粉(Eu-activated alkaline earth silicate phosphor)或矽鋁氧氮化合物螢光粉(Sialon)。又，在其他實施例中，波長轉換體130也可以是透過將具有螢光粉的粉末經壓合後燒結成塊而形成。
在第一光線121自反射元件110反射至位於焦點112上的波長轉換體130後，波長轉換體130會將部分第一光線121的波長轉換成其他波長的第二光線122，並與未由波長轉換體130轉換的另一部分第一光線121混光而發出所需色光，再投射至反射元件110。舉例來說，假設第一光線121為藍光，且波長轉換體130可將藍光轉換成黃光的話，藉由波長轉換體130轉換而得的第二光線122(亦即，黃光)與未由波長轉換體130轉換的另一部分第一光線121(亦即，藍光)便能夠混合成白光。需說明的是，上述第 一光線121的波長以及第一光線121投射至波長轉換體130後轉換所得的第二光線122的波長僅用以舉例說明，本發明並不以此為限。而透過在例如是相對波長轉換體130配置一反射體(圖未示)或是於波長轉換體130摻入反射粒子(圖未示)，使混光後的第一光線121與第二光線122可以再投射至反射元件110，於此並不為限。特別說明的是，此處波長轉換體130是沿主軸111的方向配置而，呈現例如是平面狀。但亦可搭配反射元件110曲率或是實際應用需求，而成例如是具有曲面的形狀或是具有傾角等不同形狀，可節省成本與增加轉換效率。
由於第二光線122與未被波長轉換體130轉換的另一部分第一光線121是從反射元件110的焦點112發出，因此投射至反射元件110後可經由反射元件110的曲面113的反射以形成平行於主軸111的光束123(或稱平行光束)以利後續光學應用。換言之，本實施例的光學模組100無需再配置例如是透鏡等其他光學元件，即可將多個光源有效地集中(或稱，匯聚)作用，藉以提高光利用率。
以下將列舉其他實施例以作為說明。在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。
圖2是本發明第二實施例的光學模組的側視示意圖。請 參考圖2，圖2的光學模組100A與圖1的光學模組100相似，惟二者主要差異處在於：光學模組100A更包括第二光源140，位於焦點112上，其中波長轉換體130配置第二光源140上。此處，第二光源140所發出的第一光線141可直接經由波長轉換體130轉換成第二光線142，由於第二光源140是位於反射元件110的焦點112上，因此混光後的第二光線142與未被轉換的第一光線141可投射至反射元件110，並經由反射元件110的曲面113的反射以形成平行於主軸111的光束143(或稱平行光束)，再搭配第一光源120所形成的光束123，即可在無需額外配置光學組件(例如透鏡)的情況下，有效地集中多個光源所發出的光線。也就是說，本實施例同時設置有第一光源120與第二光源140的光學模組100A不僅可具高光利用率，亦可具有較高的光強度。需特別說明地是，第一光源120與第二光源140可為不同出光色，例如第一光源120可為藍光且第二光源140可為紅光，因此可具有較佳的演色性。
圖3是本發明第三實施例的光學模組的側視示意圖。請參考圖3，圖3的光學模組100B與圖1的光學模組100相似，惟二者主要差異處在於：光學模組100B更包括相對於反射元件110a配置的另一反射元件150，其中反射元件150的焦點151與反射元件110a的焦點112a位於同一共點上，且反射元件150的一端部實質上延伸至前述共點的上方，以利於收集各個第一光源120a所發出的光線。
另一方面，多個第一光源120a設置於反射元件150的一 側，以使各個第一光源120a所發出的第一光線121a射向反射元件150的曲面152，其中以平行主軸111a的方向投射至反射元件150的曲面152的第一光線121a可經由反射元件150反射至共點上，且部分第一光線121a由波長轉換體130轉換成第二光線122a。因此第二光線122a與未被轉換的第一光線121a混光後可投射至反射元件110a，並經由反射元件110a的曲面113a的反射以形成平行於主軸111a的光束123a(或稱平行光束)而投射向遠方。也就是說，本實施例的光學模組100B亦可具有高光利用率。
此處，由於共點位於反射元件110a與反射元件150之間，且反射元件110a與反射元件150實質上具有相同的焦距，因此反射元件110a與反射元件150例如是具有相同曲率且相對設置的兩個曲面反射鏡所組成。較佳地，兩個曲面反射鏡為兩個拋物面反射鏡。特別說明的是，在其他實施例中，反射元件110a與反射元件150亦可具有不同的焦距和不同的曲率，以調配反射元件110a與反射元件150與共點的距離，減少光學模組110B的體積。換言之，只要是基於使反射元件110a與反射元件150的焦點共點的設計原則下，即可視實際需求來選用具有相同焦距且相同曲率或不同焦距且不同曲率的反射元件110a與反射元件150，在此並不為限。
圖4是本發明第四實施例的光學模組的側視示意圖。請參考圖4，圖4的光學模組100C與圖3的光學模組100B相似，惟二者主要差異處在於：光學模組100C更包括第二光源140a， 位於第一焦點112a(或第二焦點151)，亦即共點上，其中波長轉換體130配置於第二光源140a上。此處，第二光源140a所發出的第一光線141a可直接經由波長轉換體130轉換成第二光線142a，由於第二光線142a與未經轉換的第一光線141a是從反射元件110的共點發出，因此投射至反射元件110a後可經由反射元件110a的曲面113a的反射以形成平行於主軸111a的光束143a(或稱平行光束)以利後續光學應用。除此之外，再輔以第一光源120a的第一光線121a與第二光線122a，即可在無需額外配置光學組件(例如透鏡)的情況下，有效地集中多個光源。也就是說，本實施例同時設置有第一光源120a與第二光源140a的光學模組100C不僅可具有高光利用率，亦可具有較高的光強度。
圖5是本發明第四實施例的光學模組的側視示意圖。請參考圖5，圖5的光學模組100D與圖4的光學模組100C相似，惟二者主要差異處在於：光學模組100D更包括第三光源160，位於反射元件110a的一側，其中第一焦點112a(或第二焦點151)，亦即共點，位於第三光源160與反射元件110a之間。詳細而言，由於第三光源160的配置方式與圖1A所示的第一光源120大致相同，因此第三光源160所發出的第一光線161的傳遞方式與反射機制與第一實施例所述的第一光源120所發出的第一光線121亦大致相同，於此便不再贅述。也就是說，本實施例同時設置有第一光源120a、第二光源140a與第三光源160的光學模組100D，可藉由反射元件將多個光源同時集中匯聚以利後續光學的使用， 不僅可提高光利用率，亦可具有較高的光強度。需補充說明的是，在未繪示的實施例中，光學模組亦可僅採用如圖5所示的第一光源120a與第三光源160的配置方式，而不具有第二光源140a，本發明對此並不加以限制。
綜上所述，本發明的光學模組可藉由反射元件將多個光源所發出的第一光線反射至位於反射元件的焦點上的波長轉換體，其中波長轉換體會將部分第一光線轉換成第二光線，並回射至反射元件。由於第二光線與未被轉換的第一光線從反射元件的焦點發出後會進行充分地混光，因此可經由反射元件的反射以形成平行光束以利後續光學應用。因此，本發明的光學模組在無需設置透鏡的情況下，即可將多個光源有效地集中並與波長轉換體作用，藉以提高光利用率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧光學模組
110‧‧‧反射元件
111‧‧‧主軸
112‧‧‧焦點
113‧‧‧曲面
120‧‧‧第一光源
121‧‧‧第一光線
122‧‧‧第二光線
123‧‧‧光束
130‧‧‧波長轉換體

Claims (10)

  1. 一種光學模組，包括：一反射元件，具有一主軸以及位於主軸上的一焦點；多個第一光源，位於該反射元件的一側，並各自朝向該反射元件發出一平行於該主軸的第一光線；以及一波長轉換體，設置於該焦點上，其中該第一光線經由該反射元件反射至該焦點，且部分的該第一光線由該波長轉換體轉換成一第二光線，該第二光線與另一部分的該第一光線射向該反射元件，並經由該反射元件的反射以形成平行於該主軸的一光束。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光學模組，其中該焦點位於該些第一光源與該反射元件之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光學模組，更包括：一第二光源，位於該焦點上，其中該波長轉換體配置於該第二光源上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的光學模組，其中該些第一光源為多個雷射二極體，該第二光源為一發光二極體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的光學模組，其中該反射元件包括一球面反射鏡、一拋物面反射鏡或一橢圓面反射鏡。
  6. 一種光學模組，包括：一第一反射元件，具有一主軸以及位於主軸上的一第一焦點；一第二反射元件，相對於該第一反射元件配置，其中該第二反射元件具有一第二焦點，且該第二焦點與該第一焦點位於同一 共點上；多個第一光源，位於該第二反射元件的一側，並各自朝向該第二反射元件發出一平行於該主軸第一光線；以及一波長轉換體，設置於該共點上，其中該第一光線經由該第二反射元件反射至該共點上，且部分的該第一光線由該波長轉換體轉換成一第二光線，該第二光線與另一部分的該第一光線射向該第一反射元件，並經由該第一反射元件的反射以形成平行於該主軸的一光束。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的光學模組，其中該共點位於該第一反射元件與該第二反射元件之間。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的光學模組，更包括：一第二光源，位於該共點上，其中該波長轉換體配置於該第二光源上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的光學模組，其中該些第一光源為多個雷射二極體，該第二光源為一發光二極體。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的光學模組，其中該反射元件包括一球面反射鏡、一拋物面反射鏡或一橢圓面反射鏡。
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