TWI576609B - 發光裝置 - Google Patents

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Description

發光裝置
本發明係關於一種發光結構，特別是一種發出結構光的裝置。
台灣新型專利號M490043提出一種可投影出複數圖形的投影裝置，其包括有一外框體、一安裝於該外框體內一側端的光源模組單元、一安裝於該外框體內並位於該光源單元成間隔的繞射光學單元，此可投影出複數圖形的投影裝置可投影出複數圖形，藉此可克服習用具投影裝置只能投射出單一需擬圖形之缺失。
雖然上述的投影裝置可克服單一投影圖形的單調，然其體積對於現代的穿戴裝置、可攜式通訊裝置、攝像裝置或偵測裝置而言，仍有改進的空間。
為了解決上述問題，本案提供一種發光裝置，光學部件直接固定覆蓋複數個光源晶片，降低整個發光裝置的高度和體積，適合應用於穿戴裝置上。
又，本案提供一種發光裝置，可作為雷射二極體模組，利用膜層狀的光學部件來準直複數道雷射光束以及轉換雷射光束形成特定樣式的結構光，可應用於攜帶和移動的攝像或偵測裝置。
又，本案提供一種雷射二極體模組，包括複數個雷射光源晶片，搭配具有繞射光學元件的光學部件，將點狀雷射光束準直化以及導光成白光或彩色的結構光樣式。
依據上述，一種發光裝置，包括：一基板，該基板包括一電路區塊；固定於該基板上的複數個光源晶片，該基板的該電路區塊和該些光源晶片運作有關；固定於該基板上的一蓋體，該蓋體覆蓋住該些光源晶片，該蓋體包括一表面；以及固定於該蓋體的該表面的一光學件，其中，該些光源晶片發出的複數道光束通過該光學件後形成一結構光樣式。
一實施例中，該些光源晶片發出的該些光束包括複數道雷射光束，該些雷射光束的波長包括紫外光、可見光、近紅外光、遠紅外光或熱輻射波段或上述波長的組合。
一實施例中，該些雷射光束的波長為紅光、綠光和藍光波長的組合。
一實施例中，該光學件以單層膜、多層膜或複合膜層的形式貼附於該蓋體的該表面上。
一實施例中，該表面是朝向該些光源晶片的一內表面、暴露於外的一外表面，或包括該內表面和該外表面兩者。
一實施例中，該外表面上的該光學件到該基板設置該些光源晶片的一表面的距離不超過3毫米(mm)。
一實施例中，該光學件包括設置於該外表面的一繞射光學元件(diffractive optical element)，該外表面提供光束一數值孔徑(numerical aperture)小於0.65的出光面。
一實施例中，該光學件包括一導光透鏡(guiding lens)、一繞射光學元件(diffractive optical element)，或包括該導光透鏡和該 繞射光學元件兩者。
一實施例中，該導光透鏡包括楔型彎曲導光元件(wedge-bending light guider)。
一實施例中，該些光源晶片之相鄰兩者的距離小於1.0毫米。
一實施例中，該蓋體的該表面為一平面或一曲面。
一實施例中，該電路區塊包括一驅動電路，該驅動電路同步或不同步地驅動該些光源晶片運作，藉以變動該結構光樣式的範圍和樣式。
一實施例中，該電路區塊包括一驅動電路以及一或多個感光部件或多個感光部件。該感光部件或該多個感光部件感應不同波長。
一實施例中，該些光源晶片排列為一圓形時，該圓形的直徑不大於5.0毫米。
依據上述，一種雷射二極體模組，包括：一基板；固定於該基板上的複數個光源晶片；以及覆蓋於該些光源晶片上的一光學部件，該光學部件具有一繞射結構，其中，該些光源晶片發出的複數道雷射光束通過該繞射結構後形成一結構光樣式。
一實施例中，該些光源晶片發出的該些雷射光束的波長包括紫外光、可見光、近紅外光、遠紅外光或熱輻射波段或上述波長的組合。
一實施例中，該些雷射光束的波長包括紅光、綠光和藍光波段的組合。
一實施例中，該光學部件包括一蓋體，該繞射結構以單層膜、多層膜或複合膜層的形式貼附於該蓋體朝向該些光源晶片的 一內表面、暴露於外的一外表面，或包括該內表面和該外表面兩者。
一實施例中，當該繞射結構貼附於該外表面時，該繞射結構的頂點到該基板固定該些光源晶片的一表面的距離不超過3毫米(mm)，或是當該繞射結構貼附於該內表面時，該外表面到該基板固定該些光源晶片的該表面的距離不超過3毫米(mm)。
一實施例中，該光學部件更包括一導光透鏡，該導光透鏡固定於該蓋體的該內表面或該外表面，該導光透鏡和該繞射結構位於不同表面。
一實施例中，該光學部件提供該些雷射光束一數值孔徑小於0.65的出光面。
一實施例中，該光學部件提供該些雷射光束一數值孔徑小於0.5的出光面。
一實施例中，該些光源晶片的複數個光軸彼此平行或差異小於5度。
一實施例中，該光學部件更包括一楔型彎曲導光元件，該繞射結構和該楔型彎曲導光元件貼附於該蓋體朝向該些光源晶片的一內表面或暴露於外的一外表面，該繞射結構和該楔型彎曲導光元件位於不同表面，該楔型彎曲導光元件的傾斜角小於15度。
一實施例中，任兩相鄰的該些光源晶片的距離小於1.0毫米，或是該些光源晶片排列為一圓形時，該圓形的直徑不大於5.0毫米。
一實施例中，該基板更包括驅動該些光源晶片的一驅動電路，該驅動電路同步或不同步地驅動該些光源晶片運作，藉以變 動該結構光樣式的範圍和樣式。
一實施例中，該結構光樣式為一亂點分布、一對稱非交錯條狀分布、一非對稱非交錯條狀分布、一對稱交錯條狀分布或一非對稱交錯條狀分布，當該驅動電路同時啟動該些光源晶片時，該亂點分布的亂點密度增加或範圍變大；該對稱非交錯條狀分布的密度或該非對稱非交錯條狀分布的光條密度增加或分布範圍變大；以及該對稱交錯條狀分布的密度或該非對稱交錯條狀分布的光條密度增加或分布範圍變大。
一實施例中，該結構光樣式為一亂點分布、一對稱非交錯條狀分布、一非對稱非交錯條狀分布、一對稱交錯條狀分布或一非對稱交錯條狀分布，當該驅動電路非同步地順序啟動該些光源晶片時，該結構光樣式掃描相關聯的一視角區塊的一部或全部。
根據上述，一種發光裝置，利用具有繞射光學元件結構的光學部件直接固定於具有複數光源晶片的基板上，應用於雷射二極體模組，可以減少整個模組的高度和體積，適合應用於小體積的裝置上。
1‧‧‧發光裝置
AA’‧‧‧剖線
17‧‧‧光二極體
O‧‧‧圓形
10‧‧‧基板
11‧‧‧電路區塊
12、14、16、18‧‧‧光源晶片
121、141、181‧‧‧光軸
P‧‧‧距離
20‧‧‧光學部件
22‧‧‧蓋體
221‧‧‧內表面
223‧‧‧外表面
24‧‧‧光學件
L‧‧‧距離
122、142、182‧‧‧光束
26‧‧‧結構光樣式
34‧‧‧光學件
32‧‧‧蓋體
321‧‧‧內表面
323‧‧‧外表面
30‧‧‧基板
40‧‧‧光學部件
42‧‧‧蓋體
423‧‧‧外表面
44‧‧‧繞射結構
48‧‧‧導光透鏡
52、54‧‧‧光源晶片
55‧‧‧反射鏡
62‧‧‧蓋體
64‧‧‧光學件
522、542‧‧‧光束
H‧‧‧高度
D‧‧‧距離
66‧‧‧視角區塊
圖1為本案之基板與光源晶片的俯視部分示意圖。
圖2為沿著圖1的線AA’的剖面示意圖。
圖3為圖1為本案之基板、光源晶片與光學部件的第一配置剖面示意圖。
圖3為圖1為本案之基板、光源晶片與光學部件的第二配置剖面示意圖。
圖4為圖1為本案之基板、光源晶片、感應部件與光學部件的第 三配置剖面示意圖。
圖5為圖1為本案之基板、光源晶片、感應部件與光學部件的第四配置剖面示意圖。
圖6為本案之基板、光源晶片、反射鏡與光學部件的第四配置剖面示意圖。
圖7為本案之發光裝置發出的結構光樣式和視角的立體示意圖。
本案以下所稱的基板，可以整個為一硬式印刷電路板(printed circuit board,PCB)，其上可以包括許多執行特定功能的電路區塊，或是更包括聯繫此些電路區塊的導線。可以選擇的，基板可以是硬式印刷電路板和軟板(flexible circuit board)的組合，或是硬式印刷電路板和其他非硬式印刷電路板的組合，例如金屬散熱板、藍寶石基板等。本案所稱的電路區塊，由若干導線、主被動元件，例如一或多個感光部件、光學元件，或是更包括積體電路等所組成，其中主要是包括可執行驅動晶片功能的驅動電路。基板上亦可包括其他的線路、主被動元件，例如一或多個感光部件、光學元件，或是更包括其他積體電路。
本案以下所稱的光源晶片(light chip)，可以是發出雷射光的晶片，例如半導體雷射晶片。進一步說，本案的光源晶片發出特定波長的雷射，例如紫外光、可見光、紅外光、近紅外光、中紅外光(Middle Infra-Red,MIR)等，可見光的部分，至少包括紅光、綠光以及藍光。可以選擇的，光源晶片可包括發出熱輻射波段(thermal band)的雷射，或是發出上述所有特定波長的組合的雷射。又，光源晶片的種類亦可依需所需配置為邊射型雷射(edge emitting laser,EEL)晶片或垂直共振腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)晶片。
本案以下所稱的光學部件(optical member)，是可以接收光、執行特定轉換功能後再輸出光的部件。除此之外，此光學部件可以覆蓋住固定於基板上的本案之全部或部分的光源晶片；其中，當光學部件覆蓋住光源晶片時，可以與光源晶片保持若干的間隙。又，光學部件可以包括一蓋體和一固定於蓋體上的光學件(optical component)；其中，光學件可以是直接在蓋體的結構上以物理或化學的方式製作出的光學結構，或是其他材料以貼附、黏貼或其他適當的方式固定於蓋體上。是以，蓋體、光學件或光學部件是可透光的，舉例但不限地，蓋體的材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(poly methyl meth acrylate,PMMA)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、K9、BK7、氟鈣化合物(CaF2)、氟化鈣晶體、藍寶石、矽石、石英玻璃、水晶、玻璃或樹脂等等。光學件則可以是由蓋體的材料直接做出，或是一鍍膜貼附於蓋體上；其中，鍍膜可以單層膜、多層膜或複合膜層。
又，本案的光學部件的形狀可以配合欲覆蓋的光源晶片的排列以及兼顧輸出入光的功能，其可以是圓柱型、多角柱體或其他適合的形狀。其次，光學部件可以以適當的方式固定於基板上，舉例但不限地，光學部件可以為一插件插入基板的插件孔中，或是透過黏著結構固定於基板上。
圖1為本案之基板與光源晶片的俯視部分示意圖，圖2為沿著圖1的線AA’的剖面示意圖。請參考圖1和圖2，發光裝置1的基板10包括一電路區塊11，並且四個光源晶片12、14、16和18固定於基板10上，其中，四個光源晶片12、14、16和18的光軸基本上是彼此平行的，例如圖2上所示的光軸121、141和 181彼此平行且垂直基板10，本案的光軸121、141和181倆倆之間的差異不大於5度；另外，本案不限於光源晶片的光軸垂直基板，可因設計或使用所需，將光源晶片的光軸與基板呈一夾角設置，即光源晶片的出光面與基板呈一傾斜角。再者，因四個光源晶片12、14、16和18可以是邊射型雷射晶片或垂直共振腔面射型雷射晶片，故由光源晶片12、14、16和18的發光面所定義的光軸亦可以是透過基板10上的其他光學元件，例如反射鏡(圖上未繪)，導引成垂直基板10的光軸121、141和181(光源晶片16的光軸未繪)。其次，於一實施例中，光源晶片12和16彼此的距離P小於1.0毫米(mm)，也就是說，被固定於基板10上的兩光源晶片的距離小於1.0毫米。可以選擇的定義是，此些光源晶片排列成圓形O，則此圓形O的直徑不超過5.0毫米，以達等效面積夠小進而達到小體積之作用。再者，電路區塊11和光源晶片12、14、16和18的運作有關，例如包括光源晶片12、14、16和18的驅動電路，驅使光源晶片12、14、16和18發出雷射點光束。除了電路區塊11外，基板10上尚可包括一或多個其他的光學元件固定於其上，例如一或多個光二極體17(photodiode)或其他感應部件或感應元件，其中，光二極體17、感應部件或感應元件可以感測不同波長的光。可以選擇的，光二極體17或其他感應元件若體積夠小的情況下，亦可以固定於光源晶片12、14、16或18上。
圖3為本案之基板、光源晶片與光學部件的配置剖面示意圖。請參考圖1和圖3，光學部件20固定於基板10上，其中，光學部件20包括覆蓋於光源晶片12、14、16和18上的一蓋體22。蓋體22具有朝向光源晶片12、14、16和18的一內表面221 以及暴露於外的一外表面223，其中，內表面221和外表面223可以為一平面或曲面，而蓋體22的內表面221與光源晶片12、14、16和18保持一間距。光學部件20更包括一光學件24，於一實施例中，光學件24，例如一以繞射光學元件(Diffractive Optical Elements,DOE)做為導光透鏡(guiding lens)的光學件，位於蓋體22的外表面223，光學件24的頂點到基板10設置光源晶片的表面的距離L不超過3毫米(mm)。
如前所述，為了降低光學部件20的高度，光學件24可以以膜狀或層狀的型式形成於蓋體22上，或是利用物理或化學的方式直接於蓋體22的外表面223上做出來。其次，光源晶片12、14和18(包括此視角未見的光源晶片16)發出的複數道光束122、142和182可通過光學部件20的光學件24後形成一結構光樣式26，隨著光學件24的繞射結構的不同，尤其是一種準直光束的繞射結構的不同，可以產生不同樣式的結構光樣式26。可以選擇的，如圖4所示，光學件34可以位於蓋體32的內表面321上，此時蓋體32的外表面323到基板10設置光源晶片的表面的距離L不超過3毫米(mm)。另外，基板10上的光二極體17亦可以被覆蓋於蓋體32中。依據上述，包括蓋體的光學部件覆蓋於光源晶片的上方；光學部件接收光源晶片所發出的雷射光束後，準直該些雷射光束並轉換該些雷射光束成特定樣式的結構光以及輸出該結構光。本案的光學部件的蓋體提供一出光面，光學部件的出光面的數值孔徑(numerical aperture)小於0.65，或再嚴格些可小於0.5，或謂光學部件的出光面有至少0.1毫米(mm)的有效大小以提供足夠的輸出面輸出結構光。
可以選擇的，如圖5所示，光學部件40包括形成於蓋體 42的外表面423的繞射結構44以及固定於蓋體42的內表面421的導光透鏡48。導光透鏡48亦可為鍍膜或直接製作於蓋體42上的結構，其可以導引光源晶片12、14和18(包括此視角未見的光源晶片16)發出的複數道光束122、142和182。再者，光二極體17或感應部件或感應元件可不被蓋體42覆蓋。可以理解的，本案的導光透鏡48不限於圖5的典型導光元件，亦可以是楔型彎曲導光元件(wedge-bending light guider)，並藉由楔型彎曲導光元件平移或導正光源晶片12、14和18(包括此視角未見的光源晶片16)發出的複數道光束122、142和182，舉例來說，利用傾斜角為15度的楔型彎曲導光元件導正從光源晶片發出時有光差異5度的光束122、142和182。
圖6為本案之基板、光源晶片、反射鏡與光學部件的第四配置剖面示意圖。參考圖6，基板10上固定的光源晶片52和54的發光面並非垂直於光源晶片固定基板10的表面，因此，兩反射鏡55亦被固定於基板10上並且分別對應光源晶片52和54。蓋體62則覆蓋住光源晶片52、54和兩反射鏡55，光學件64則位於蓋體62的外表面。於此實施例中，兩反射鏡55分別將光源晶片52、54所發出的光束導引成垂直於光源晶片固定基板10的表面的光束522、542。
圖7為本案之發光裝置發出的結構光樣式和視角的立體示意圖。請同時參考圖1、圖3和圖7，發光裝置1距離地面的高度H，與發光裝置1發出的結構光樣式26關聯的一視角區塊66和發光裝置1的距離為距離D。結構光樣式26可以是靜態或動態的，規則或是不規則的，其中動態的可以是樣式本身的移動、轉動、放大、縮小等變化，亦可以是樣式範圍的變動。透過驅動 電路(在電路區塊11中)的驅動方式的不同，可以調整結構光樣式26。於一實施例中，驅動電路注入電流以啟動光源晶片12、14、16和18的時間和運作方式可同步或非同步，此種情形可形成結構光樣式26的範圍及樣式本身的變動，或是掃描一部或全部的一關聯視角區塊66，其中，結構光樣式26的面積可大於，等於或小於視角區塊66。驅動電路方式改變結構光樣式的掃描，舉例來說，驅動電路以非同步地順序的方式依序啟動光源晶片12、14、16和18時，與本案形成的結構光樣式關聯的一關聯視角區塊66可被一部或全部掃描。
舉例來說，結構光樣式26為一亂點分布，若驅動電路同步驅動光源晶片12、14、16和18時，結構光樣式26的亂點密度可被增加，或是亂點分布的範圍可變大。類似的，若結構光樣式26為一對稱非交錯條狀分布或一非對稱非交錯條狀分布，則當驅動電路同步驅動光源晶片12、14、16和18時，可以增加結構光樣式26的光條密度或分布範圍；若結構光樣式26為一對稱交錯條狀分布或一非對稱交錯條狀分布，則當驅動電路同步驅動光源晶片12、14、16和18時，亦可以增加結構光樣式26的光條密度或分布範圍。又，若驅動電路以非同步地順序的方式依序啟動光源晶片12、14、16和18時，結構光樣式26掃描視角區塊66的全部或部分。
是以，本案的發光裝置具有以下的優點：(1).利用具有繞射光學元件結構的光學部件直接準直複數道雷射光束，降低整個裝置的高度和體積；(2).包括複數個光源晶片，組合複數道雷射光能夠產生白光或色彩豐富的彩色結構光；(3).光學部件直接固定於具有光源晶片的基板上，因此適合應用於穿戴裝置、攜帶和 移動的攝像或偵測裝置。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並非用以限定本發明的權利要求範圍，因此凡其他未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含于本發明的範圍內。
10‧‧‧基板
12、14、18‧‧‧光源晶片
20‧‧‧光學部件
22‧‧‧蓋體
221‧‧‧內表面
223‧‧‧外表面
24‧‧‧光學件
L‧‧‧距離
122、142、182‧‧‧光束
26‧‧‧結構光樣式

Claims (13)

  1. 一種雷射二極體模組，包括：一基板；固定於該基板上的複數個光源晶片；以及覆蓋於該些光源晶片上的一光學部件，該光學部件包括一繞射結構、一蓋體以及一導光透鏡，該導光透鏡固定於該蓋體的一內表面或一外表面，該導光透鏡和該繞射結構位於不同表面，其中，該些光源晶片發出的複數道雷射光束通過該繞射結構後形成一結構光樣式。
  2. 如請求項1所述的雷射二極體模組，其中，該些光源晶片發出的該些雷射光束的波長包括紫外光、可見光、近紅外光、遠紅外光或熱輻射波段或上述波長的組合。
  3. 如請求項1所述的雷射二極體模組，其中，該些雷射光束的波長包括紅光、綠光和藍光波段的組合。
  4. 如請求項1所述的雷射二極體模組，其中，該繞射結構以單層膜、多層膜或複合膜層的形式貼附於該蓋體朝向該些光源晶片的該內表面、暴露於外的該外表面，或包括該內表面和該外表面兩者。
  5. 如請求項4所述的雷射二極體模組，其中，當該繞射結構貼附於該外表面時，該繞射結構的頂點到該基板固定該些光源晶片的一表面的 距離不超過3毫米(mm)，或是當該繞射結構貼附於該內表面時，該外表面到該基板固定該些光源晶片的該表面的距離不超過3毫米(mm)。
  6. 如請求項1所述的雷射二極體模組，其中，該光學部件提供該些雷射光束一數值孔徑小於0.65的出光面。
  7. 如請求項1所述的雷射二極體模組，其中，該光學部件提供該些雷射光束一數值孔徑小於0.5的出光面。
  8. 如請求項1所述的雷射二極體模組，其中，該些光源晶片的複數個光軸彼此平行或差異小於5度。
  9. 如請求項8所述的雷射二極體模組，其中，該光學部件更包括一楔型彎曲導光元件，該繞射結構和該楔型彎曲導光元件貼附於該蓋體朝向該些光源晶片的一內表面或暴露於外的一外表面，該繞射結構和該楔型彎曲導光元件位於不同表面，該楔型彎曲導光元件的傾斜角小於15度。
  10. 如請求項1所述的雷射二極體模組，其中，任兩相鄰的該些光源晶片的距離小於1.0毫米，或是該些光源晶片排列為一圓形時，該圓形的直徑不大於5.0毫米。
  11. 如請求項1所述的雷射二極體模組，其中，該基板更包括驅動該些光源晶片的一驅動電路，該驅動電路同步或不同步地驅動該些光源晶片運作，藉以變動該結構光樣式的範圍和樣式。
  12. 如請求項11所述的雷射二極體模組，其中，該結構光樣式為一亂點分布、一對稱非交錯條狀分布、一非對稱非交錯條狀分布、一對稱交錯條狀分布或一非對稱交錯條狀分布，當該驅動電路同時啟動該些光源晶片時，該亂點分布的亂點密度增加或範圍變大；該對稱非交錯條狀分布的密度或該非對稱非交錯條狀分布的光條密度增加或分布範圍變大；以及該對稱交錯條狀分布的密度或該非對稱交錯條狀分布的光條密度增加或分布範圍變大。
  13. 如請求項11所述的雷射二極體模組，其中，該結構光樣式為一亂點分布、一對稱非交錯條狀分布、一非對稱非交錯條狀分布、一對稱交錯條狀分布或一非對稱交錯條狀分布，當該驅動電路非同步地順序啟動該些光源晶片時，該結構光樣式掃描相關聯的一視角區塊的一部或全部。
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