TWI744911B

TWI744911B - 光源模組

Info

Publication number: TWI744911B
Application number: TW109117275A
Authority: TW
Inventors: 李孝文; 童義興
Original assignee: 立碁電子工業股份有限公司
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2020-05-21
Publication date: 2021-11-01
Also published as: JP3228293U; TW202045985A; TWM610112U; CN212626512U

Abstract

一種光源模組，包括一基板、至少一半導體雷射晶片、一擴散層以及一光學透鏡構成，其中，半導體雷射晶片電性連接於基板上，用以產生複數個光束，又，擴散層係配置於半導體雷射晶片的傳遞路徑上，光學透鏡以一次光學封裝方式配置於基板上並覆蓋半導體雷射晶片及擴散層，且該光學透鏡具有一出光面，故，當複數個光束依序經過擴散層散射形成單一光束並經光學透鏡折射後，由出光面投射出一特定光型。

Description

光源模組

本發明是有關於一種光源模組，尤指是有關於一種用於三維感測技術的發光模組。

隨著技術的蓬勃發展，三維感測(3D Sensing)技術逐漸導入自駕車及先進駕駛輔助系統、虛擬實境(virtual reality,VR)、擴增實境(augmented reality，AR)、無人商店和人臉辨識等應用，其中，飛時測距(Time-of-Fight,ToF)的技術原理為一發光源發射的光線經被測物體反射後，由一接收器接收該反射光，並根據光線由發出至接收的時間差或相位差來計算被測物體的距離，以產生深度資訊，然而，现有技術中，飛時測距的發光源大都使用發光二極體或半導體雷射等，其中，垂直共振腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)大都採用晶圓級光學鏡頭封裝WLP(Wafer lens Packaging)製成，即為一種直接建立在「III-V三五族化合物半導體」基板上的封裝製程，其製造成本昂貴且設計不易，易導致終端產品易出現穩定度問題，再者，現有的面射型雷射光源的光型大都為圓形，如要運用在鏡頭機構(例如：監控系統、顯示屏幕)中，則易造成部分影像失真的問題，或需搭配二次光射透鏡，故有必要改良之。

有鑑於上述的問題，本發明人針對光學領域與封裝技術進行研究及分析，期能設計出符合上述需求的實體產品；緣此，本發明提供一種藉由一擴散層與一次光學透鏡之設計，達到可投射特定光型之光源模組。

本發明之一實施例提出一種光源模組，包括一基板、至少一半導體雷射晶片、一擴散層以及一光學透鏡構成，其中，基板具有一安裝面，至少有一半導體雷射晶片電性連接於該基板之安裝面上，用以產生輸出複數個光束，且各光束具有一光軸，又，一擴散層係配置於半導體雷射晶片上，一光學透鏡以模塑方式配置於該擴散層上，使光學透鏡與半導體雷射晶片之間無空氣間隙，又，光學透鏡具有一出光面，故，當半導體雷射晶片產生複數個光束，其依序經過擴散層與光學透鏡散射與折射後，形成一單一光束並朝一照明接收面傳遞投射出一特定光型。

進一步地，該基板材質為半導體或非半導體材質所製成。

進一步地，該半導體雷射晶片用於產生波長落在750至1000奈米的範圍內之紅外光，較佳地，可用於產生波長落在790至830奈米的範圍內、波長落在830至870奈米的範圍內或波長落在900至1000奈米的範圍內之紅外光。

進一步地，該擴散層係由一膠體與複數個光擴散粒子相互均勻或非均勻混合所形成。

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。

10:光源模組

101:基板

102:半導體雷射晶片

1011:安裝面

1012:擋牆

103:擴散膠層

104:光學透鏡

1031:膠體

1041:出光面

1032:光擴散粒子

1042:發散面

1043:聚光面

A:光軸

B:光束

A1:第一光軸

B1:第一光束

L1:晶片寬度

L2:晶片長度

H:高度

S:接收照明面

P:特定光型

W:寬度

圖1為本發明之光源模組的剖面示意圖(一)。

圖2為本發明之光源模組的剖面示意圖(二)。

圖3為本發明之光源模組的剖面示意圖(三)。

圖4為本發明之光源模組的剖面示意圖(四)。

圖5為本發明之光源模組的剖面示意圖(五)。

圖6為本發明另一實施例之光源模組的剖面示意圖。

圖7為本發明之光源模組的配光曲線圖(一)。

圖8為本發明之光源模組的配光曲線圖(二)。

圖1至圖5為本發明之光源模組的剖面示意圖(一)~(五)，請參閱圖1至圖5，如圖所示，光源模組10包含一基板101、至少一半導體雷射晶片102、一擴散層103以及一光學透鏡104，其中，基板101可為一非半導體材料或半導體材料製成，所述之非半導體材料可為金屬基板、陶瓷基板或玻纖基板(FR4、FR5、G10)等，該金屬基板的材料包括銅、銅合金、鋁、鋁合金、鎂合金、鋁矽碳化物、碳化合物或其組合，該陶瓷基板的材料包括氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、碳化矽、六方氮化硼、氟化鈣或其組合，但不局限於此，該非半導體材料可為非III-V三五族化合物半導體之材質，該基板101具有一安裝面1011，半導體雷射晶片102係電性組設於該基板101之安裝面1011上，半導體雷射晶片102是用以產生一可見或不可見光，例如：雷射二極體(laser diode，LD)、邊射型雷射(Edge Emitting Laser，EEL)、垂直腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)晶片等，但不以此為限，該半導體雷射晶片102可產生一波長落在約700至1000奈米(nanometer,nm)的範圍內的紅外線不可見光或產生一波長落在約380至780nm的範圍內的可見光(例如：波長落在450-480nm的範圍內的藍光、波長落在500-560nm的範圍內的綠光或波長落在600-700nm的範圍內的紅光)，又，擴散層103佈設於半導體雷射晶片102上，具體而言，半導體雷射晶片102具有複數個發光點(圖未繪製)，擴散層103係直接佈設於半導體雷射晶片102的光線傳遞路徑上，光學透鏡104係以模塑(molding)方式設置於安裝面1011上，且該光學透鏡104具有一出光面1041，該光學透鏡104的材料可為環氧樹脂、壓克力樹脂、矽樹脂、玻璃或矽膠等，且折射率是落在1.4至1.6的範圍內，較佳地，折射率係落在1.4至1.43的範圍內或落在1.5至1.53的範圍內，但不以此為限，出光面1041設計可為球面、非球面、弧形面、拋物面、雙曲面及自由曲面中任一種，進一步地，該非球面之方程式為：

其中，r為非球面曲線上的點與光軸的距離；z為非球面深度，即非球面上距離光軸為r的點，與相切於非球面光軸上頂點之切面，兩者間的垂直距離；c為密切球面(osculating sphere)的半徑之倒數，也就是接近光軸處的曲率半徑；k為圓錐係數(conic constant)；a_i為第i階非球面係數。c=1/R，其中R為接近光軸處的曲率半徑。在一實施例中，k<0且1.0毫米≦R≦5毫米。

光學透鏡104係直接封裝覆蓋在半導體雷射晶片102上，且與半導體雷射晶片102及擴散層103緊密貼合，使得光學透鏡104、擴散層103和半導體雷射晶片102，三者之間無任何空氣間隙(air gap)，藉此降低光損耗，所述模塑方式係先將一模具的腔內注入光學透鏡1041之材料，接著插入已佈設擴散層103並電性連接於安裝面1011上的半導體雷射晶片102，直接加溫讓光學透鏡104之材料固化，再將其從模腔中脫出即成型，或者將半導體雷射晶片102固接於安裝面1011上後設置於模具中，並將上下兩副模具用液壓機合模並抽真空，再將光學透鏡104之材料放入注膠道的入口，並施加一壓力使該材料順著膠道進入各個成型槽中並加熱固化，再將其從模腔中脫出即成型，透過上述方式可使光學透鏡104直接一體成型設置於半導體雷射晶片102及擴散層103之上，又，透過光學透鏡104之出光面1041可調整改變半導體雷射晶片102的輸出光型，進而使其投射出一特定光型P。

請再參閱圖2及圖5，首先，半導體雷射晶片102經一電力導通後各發光點會輸出複數個光束B，且各光束B具有一光軸A，擴散層103係佈設於複數個光束B的傳遞路徑上，較佳地，該擴散層103係以網版印刷、塗佈、噴塗、或刷塗等方式佈設於半導體雷射晶片102上，且所成型的厚度可為0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.5mm、1mm、或落在0.05至1mm的範圍，其透光率介於50~90%之間，其霧度介於5~80%之間，較佳地，透光率可為70%以上，霧度為10%以上，折射率可為1.5~2.4，且擴散層與光學透鏡之光折射率的差值可介於0.01到0.3之間，較佳地，所述的擴散層103是由一膠體1031與複數個光擴散粒子1032相互均勻或非均勻混合所形成，其中，膠體1031可包含熱塑性樹脂材料、熱硬化樹脂材料、光硬化性樹脂材料、或前述之組合，例如：環氧樹脂(epoxy)、矽氧樹脂(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)、聚對苯二甲酸二乙酯(polethylen eterephthalate，PET)等，又，光擴散粒子1032可為一球狀或非球狀之有機材料或無機材料或其組合，其中，有機材料包括：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、聚三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、矽氧樹脂或前述之共聚物、聚碳酸酯或前述之組合，而無機材料其包括：氧化鋅、二氧化矽、二氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、硫化鋅、硫酸鋇或前述之組合，其光擴散粒子1032粒徑介於0.01至20μm之間，較佳地，粒徑介於0.01至0.1μm之間或者粒徑可為0.02μm、0.05μm、0.1μm、0.2μm、0.5μm、0.8μm、1μm、5μm、10μm、15μm、20μm，又，於本實施例中，光擴散粒子1032與膠體1031重量比例介於1：30~1：5，較佳地係介於1：30~1：20、1：20~1：15、1：14~1：10、1：10~1：5，但不依此為限，此外，擴散層103中亦可另外添加溶劑、硬化劑及添加劑來調整擴散層103材料之均勻度、分散度等，具體而言，當半導體雷射晶片102輸出複數個光束B時，即會具有複數個光軸A(即每一光束B即會產生一光軸A)，當複數個光束B經過擴散層103散射後，會混合形成一單一的第一光束B1其，而複數個光軸A則會混合形成單一的一第一光軸A1，換言之，即將複數個發光點(光斑)經散射後形成為一面光源，又，光學透鏡104之出光面能夠導引第一光束B1，使其沿第一光軸A1方向行進，進而投射至一接收照明面S上，同時形成一特定光型P，值得注意的是，所述之特定光型P為非對稱光型，其形狀略呈矩形或略呈橢圓形，且所述的非對稱光型長寬比值可能為1.25、1.33、1.67、1.78、1.85、2、2.22、2.33或落在1.25至2.33的範圍內。

在本實施例中，出光面1041為一光滑的折射曲面，且係由至少兩個不同曲率之曲面所形成，具體而言，出光面1041係由一發散面1042與一聚光面1043所形成，又，出光面1041之表面中心可為發散面1042，而發散面1042兩端外側為聚光面1043，舉例而言，發散面1042係用來發散集中於第一光軸A1附近的第一光束B1，故為負屈光度設計之凹面的曲面較佳，而聚光面1043係用來聚集第一光束B1，故以正屈光度設計之凸面的曲面較佳，此外，光學透鏡104還可以滿足以下條件式1：

0.65<D1/D2≦1.5 [條件式1]其中，D1是安裝面1011至發散面1042的最低表面沿第一光軸A1方向的距離；D2是安裝面1011至聚光面1043的最高上表面沿第一光軸A1方向的距離；該光學透鏡104還可以再滿足以下條件式2：

0.3<D3/D4≦3 [條件式2]其中，D3是出光面1041沿Y軸相對最外圍兩側寬度的距離，D4是出光面1041沿X軸相對兩端的長度距離。該光學透鏡104還可以再滿足以下條件式3：

0.1≦L1/D3≦0.5；0.1≦L2/D4≦0.5 [條件式3]其中，D3是該出光面1041沿該Y軸之相對最外圍兩側寬度的距離；D4是該出光面沿該X軸之相對兩端的長度距離；L1是半導體雷射晶片102沿Y軸的寬度距離；L2該半導體雷射晶片102沿X軸的長度距離。

在本實施例中，L1及L2的距離小於1.6mm，當光學透鏡104藉由滿足上述條件式的光學設計，可有效將第一光束B1投射在接收照明面S上，並形成一高均勻性的非對稱光型，其均勻度可高於60%，藉此改變半導體雷射晶片102初始輸出之光型，且與習知技術相比，該非對稱光型的光能量相較於現有二次光學設計之透鏡的光能量增加10%~20%，此外，因基板101採用非半導體材料時(即非III-V三五族化合物半導體)，可以不必使用成本較高的晶圓級光學(wafer level optics)製程來製作，因此相較於晶圓級光學製程，可以有效降低光源模組10的製作成本，又，因本發明的發光源為半導體雷射晶片102其具有共振腔，所以相較於習知的發光二極體發散角較小，換言之，即在某段波長中其能量集中、光純度較高(發光波長範圍小/窄)，故可維持一道光束發射到較遠處，舉例而言，若使用波長850奈米之半導體雷射晶片，其光譜範圍約為正負2奈米，反觀，倘若使用習知發光二極體其光譜範圍約為正負20奈米，而本實施例利用模塑製程所製作之光學透鏡104的出光面1041可以較為精準，且設計自由度較高(即設計成球面、非球面或自由曲面皆可)，因此可大幅有效提升光源模組10的光學品質，較佳地，本發明之射程可約10、20、30、40、50公尺或介於10~50公尺之間。

請接續參閱圖6，圖6為本發明另一實施例之光源模組的剖面示意圖，如圖，光源模組10包含一基板101、一半導體雷射晶片102、一擴散層103以及一光學透鏡104，其中，本實施例與上述實施例的不同之處在於：基板101之安裝面1011上具有一圍牆1012，半導體雷射晶片102係設置於圍牆1012內，具體而言，圍牆1012可一體成型或設置於基板101上且呈一迴圈狀，並與半導體雷射晶片102之間的間隔距離低於2mm，又，擴散層103係以點膠方式佈設於半導體雷射晶片102上，且擴散層103之表面高度可高於或等於該圍牆1012高度，如此，可避免光學透鏡104設置於基板101上時產生氣泡，具體而言，擴散層103的橫向截面積大於半導體雷射晶片102的橫向截面積，於本實施例中，擴散層103的總高度H相對於寬度W的比例值(H/W)約為0.2~2.5之間，較佳地，比例值可約為0.5、0.8、1、1.2、1.5、1.7、2，透過擴散層103改變半導體雷射晶片102輸出光束B的傳遞特性，當半導體雷射晶片102輸出複數個光束B時，即會具有複數個光軸A(即每一光束B即會產生一光軸A)，經過擴散層103散射後，該複數個光軸A則會混合為單一光軸A1(第一光束B1)，又，光學透鏡104之出光面1041能夠導引第一光束B1，使其沿光軸A方向行進，進而投射至一接收照明面S上，同時形成一特定光型P，且該特定光型P為非對稱光型，其形狀略呈矩形或略呈橢圓形，且所述的非對稱光型長寬比值可能為1.25、1.33、1.67、1.78、1.85、2、2.22、2.33或落在1.25至2.33的範圍內。

請參閱圖7及圖8，圖7及圖8為本發明之光源模組的配光曲線圖(一)~(二)，並搭配參考圖1至6，圖7係通過第一光軸A1且在X軸的配光曲線圖，當光學透鏡104的出光面1041為自由曲面，且光學透鏡104滿足條件式1至條件式3，且發散面1042之屈光度為負、聚光面1043之屈光度為正時，其半功率全角(發光強度值為軸向強度值一半時的光線角度)介於60度至150度之間，較佳值約為100度；圖8係通過第一光軸A1正交垂直於Y軸向的配光曲線圖，其半功率全角介於30度至90度，較佳值約為60度，且均勻度高於60%，但不局限於此，是以，在X軸向與Y軸向的光型在疊加之後確實有利於提升光亮分佈的均勻度，故本發明透過上述的光學設計可使半導體雷射晶片102產生較均勻分布的非對稱光型，該非對稱光型的形狀略呈矩形或略呈橢圓形，且該非對稱光型的寬高比值約為1.67，符合前述範圍。

由上所述可知，光源模組包含一基板、至少一半導體雷射晶片、一擴散層以及一光學透鏡所組成，其中，半導體雷射晶片電性連接於基板上，又，擴散層係佈設於半導體雷射晶片的傳遞路徑上，使得半導體雷射晶片輸出之複數個光軸經由擴散層散射後形成單一光軸，又，光學透鏡具有一出光面，其係以模塑方式設置於基板上，並覆蓋半導體雷射晶片與擴散層，使得光學透鏡與半導體雷射晶片及擴散層之間無空氣間隙(即一次光學設計)，並藉由出光面導引，使得光源模組投射至一接收照明面上，形成一非對稱光型。

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。