TWI811204B - 垂直腔表面發射雷射（ｖｃｓｅｌ）照明器封裝結構以及製造ｖｃｓｅｌ照明器封裝之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種VCSEL照明器封裝，其包括在一基板中之一或多個VCSEL。該一或多個VCSEL係可操作以產生一VCSEL輸出輻射光束。一密封劑覆蓋該一或多個VCSEL，且一光學結構被整合在該密封劑中。該光學結構被安置在該VCSEL輸出輻射光束之一路徑中，且係可操作以改變離開該密封劑之該VCSEL輸出輻射光束之一傳播特性或強度分佈之至少一者。
Description
本發明係關於微型垂直腔表面發射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)照明器模組及封裝，其中VCSEL裝置由一光學透明材料密封，該光學透明材料結合形成在密封劑中之一或多個光學功能元件用於修改VCSEL輸出光束之特性。
蜂巢式電話及平板電腦增加新特徵，該等蜂巢式電話及平板電腦包括記錄三維影像、感測運動及手勢等技術。汽車及其他運輸車輛配備多種LIDAR型感測器及其他類型的感測器用於車輛之自主操作。數位記錄方法使用與相機互動之各種類型的微型照明器來記錄三維區域中之動態事件。此等照明器可具有各種形式，且實現不同類型的功能。一些照明器以極短脈衝照明一寬闊區域用於記錄飛行時間資訊之LIDAR型量測。其他照明器係脈衝式或CW式照明器，且將結構化光圖案投影至場景上。數位相機記錄結構化光圖案之一影像，且接著使用軟體演算法以自圖案影像中之修改來判定三維場景資訊。
照明器的大小需要為小，通常為3mm或更小，且具有幾毫米橫向尺
寸。對於車輛應用，照明器需要堅固耐用以承受惡劣的環境條件。此等照明器必須經設計用於大容量低成本製造，且亦經設計用於低成本組裝至將要使用其等之裝置中。這意味著照明器應與大容量電子表面基座組裝實踐相容。
適用於微型照明器之一種技術係大功率VCSEL裝置及陣列裝置。此等裝置可以適合於飛行時間應用之極快上升時間進行脈動。該等上升時間為小，但是以有效電光轉換產生大功率雷射光束。輸出光束通常經充分準直，然而各種光學組件可被放置在該光束中以按照特定應用來修改光束性質修改。
目前用於微型照明器之封裝技術可能相當複雜，且在特定設計操作位置使用額外組件(諸如間隔器)來安裝光學組件。本發明揭示一種用於生產用於此等應用之基於高光功率VCSEL之微型照明器之更簡單封裝技術。該等照明器可以低成本被製造為具有大容量。該模組被密封，從而針對惡劣環境對VCSEL提供保護。
本發明描述VCSEL照明器封裝，其等包括整合在覆蓋該(該等)VCSEL裝置之密封劑中之一光學結構。
例如，一態樣描述一種VCSEL照明器封裝，其在一基板中包括一或多個VCSEL。該一或多個VCSEL可操作以產生一VCSEL輸出輻射光束。一密封劑覆蓋該一或多個VCSEL，且一光學結構被整合在該密封劑中。該光學結構被安置在該VCSEL輸出輻射光束之一路徑中，且可操作以改變離開該密封劑之該VCSEL輸出輻射光束之一傳播特性或強度分佈之至少一者。
另一態樣描述一種製造一VCSEL照明器封裝之方法。該方法包括在一基板中提供一或多個VCSEL，其中該一或多個VCSEL可操作以產生一VCSEL輸出輻射光束。一密封劑經提供以覆蓋該一或多個VCSEL，且一光學結構與該密封劑整合。該光學結構被安置在該VCSEL輸出輻射光束之一路徑中，且可操作以改變離開該密封劑之該VCSEL輸出輻射光束之一傳播特性或強度分佈之至少一者。
一些實施例可使用一密封劑來保護VCSEL裝置或裝置陣列來克服當前照明器模組之複雜性及缺乏強固性。光學功能被製造在密封材料中，而非使用分開的光學元件來形成用於特定應用之所需光學輸出光束。例如，在密封劑之表面上形成光學元件室，該VCSEL光束在該表面自該密封劑中傳播出去。然而，這不係限制性的，且可在密封材料之表面內部形成光學功能。以此方式，可製造一單件式模組，其包括該VCSEL及用於形成所需照明光束之光學功能。
可在密封劑中形成各種光學元件功能，包括但不限於正透鏡或負透鏡、非球面透鏡、微透鏡、鏡及自由外觀結構。光學功能可為此等元件之一組合，諸如具有微透鏡之一體透鏡以形成一擾亂光束來減少散斑效應。該等結構可為各種組合之折射或繞射結構以達成所需照明圖案。本發明之另一優點係避免來自分開的光學元件之背光反射，否則該等光學元件可能在VCSEL操作中不穩定或引起雜訊。分開的光學元件通常需要抗反射塗層，這增加成本。
密封劑可使用一系列透明材料，諸如光學級聚矽氧、UV固化環氧樹脂或其他光學聚合物。此等透明材料可單獨使用或可結合及形成一材料組合。密封劑可被模製在一VCSEL或VCSEL陣列之頂部上。在此實施例
中，一表面安裝式VCSEL將係較佳的但並非必需的，使得電觸點皆在VCSEL之底側上且密封劑在頂側上。此組態產生一小的簡單可表面安裝式密封照明封裝。
VCSEL亦可被安裝在適合於組裝成一單件式完整模組之一基台(submount)或印刷電路板上。在此情形中，密封劑將完全圍封VCSEL，但是可能部分或完全圍封該基台或PCB。VCSEL可為電觸點皆在非發射側上之一表面安裝式VCSEL。在基台模組上之VCSEL上，該基台或印刷電路板將為觸點在兩側上之可表面安裝式基台或印刷電路板，一側用於VCSEL且另一側用於使表面安裝至一封裝中。
本發明之各種實施例使得能夠製造低成本且更可靠的照明模組，此係因為該模組係一單件式封裝。對於簡化設計之行動裝置，該模組可製造為具有一小的外觀尺寸。該模組係可表面安裝式模組，符合低成本大容量電子製造程序。該密封劑為VCSEL提供一強大保護，從而導致可在惡劣環境中使用的一單件式照明模組。
因此，在一些實施方案中，一強固密封VCSEL照明封裝包括一整合式光學漫射器元件，以修改輸出輻射束之強度或其他光學特性。例如，來源可為一單個VCSEL裝置或一共同基板中之一VCSEL裝置陣列。在VCSEL上形成一透明密封劑，且在其處輸出光束出射之密封劑之表面形成至光漫射結構中。該密封劑之表面在光漫射器之位置處可為平坦的或彎曲的，以增加光學功率以進一步控制光束傳播特性。另一實施例在該密封劑表面上包括一鏡以改變照明光束之方向。該VCSEL亦可包括一基台，使得該密封劑圍封該VCSEL及基台。一實施例涉及組態該VCSEL或基台使得所有電觸點皆在底面上，以提供一強固單個組件表面安裝式照明模
組。
自下列細節描述、附圖及申請專利範圍將容易明白其他態樣、特徵及優點。
100:VCSEL陣列
101:VCSEL結構
102:基板
103:底部DBR高反射鏡
104:增益區域
105:孔隙
106:頂部DBR部分反射鏡
107:電極
108:電極
109:輸出光束
110:VCSEL結構
111:雷射諧振腔
112:第三鏡
113:底部DBR鏡
114:VCSEL裝置
115:共同基板
200:VCSEL陣列
201:作用區域
207:第二觸點
208:頂部接觸件
209:VCSEL輸出光束
221:密封劑
222:表面區域
223:光學漫射結構
224:發散度
225:光束
301:頂部發射VCSEL
302:基板
307:電觸點
308:觸點
310:底部發射VCSEL
314:孔隙
321:密封劑
323:光學結構
324:輸出光束
331:隔離/鈍化材料
332:通孔
333:沈積
334:引線
335:電觸點
336:觸點
337:觸點焊盤
400:VCSEL陣列
409:VCSEL輸出光束
420:基台
421:密封劑
421:密封劑
422:表面區域
423:光學漫射結構
424:發散度
427:焊盤
428:焊盤
429:電引線接合連接件
430:導電通孔
509:光束/VCSEL輸出光束
521:密封劑
522:斜面
551:鏡面
552:輸出光束
554:區域
555:鏡/彎曲鏡面
556:發散度
557:準直照明光束/透射光束
609:VCSEL輸出光束
651:鏡面
652:重定向
654:輸出表面
660:輸出表面
661:光束
663:鏡
664:修改
709:輸出光束/入射光束
722:微透鏡
724:光束
771:凸微透鏡陣列
809:VCSEL輸出光束
822:密封劑表面
824:強度分佈/強度分佈
883:繞射元件
909:VCSEL輸出光束
922:密封劑
924:發散光束
994:散射表面或基質
1009:入射VCSEL光束
1022:密封劑
1091:凸球面/非球面
1092:凹面輪廓
1093:漫射結構
1095:光束
1096:光束
1097:發散度/擴展光束
1098:漫射結構
伴隨本說明書之圖式係說明書之一部分，且圖解說明本發明之一或多個實施例，而不應被解釋為限制性的。在結合隨附圖式讀取以下詳細描述時將更清楚地理解該等實施例。
包含圖1(a)、1(b)、1(c)及1(d)之圖1展示先前技術VCSEL裝置及VCSEL陣列之實例。該等裝置及陣列包括簡單的VCSEL裝置、外部鏡像VCSEL裝置、多量子井堆疊高增益VCSEL及單片VCSEL陣列。
圖2圖解說明一VCSEL裝置或VCSEL陣列之密封。密封劑之頂部中製造有一光學功能，其修改VCSEL輸出光束之性質。
圖3展示一經密封VCSEL陣列之兩個實施例。圖3(a)之組態係頂部發射，且圖3(b)之組態係底部發射。在該兩種情況下，VCSEL係可表面安裝式的，其中電觸點皆在非發射側上，且具有光學組件之密封劑在發射側上。
圖4圖解說明安裝在一基台上之一VCSEL模組，其中密封劑完全覆蓋VCSEL且部分地覆蓋基台。在密封劑中形成用於修改VCSEL輸出光束之一光學結構。
圖5(a)及5(b)展示在密封劑表面上使用一鏡以將VCSEL輸出光束在密封劑內以一不同方向重定向之實施例。輸出光束透過該表面之一不同區域離開該密封劑。圖5(a)使用一平面鏡面來保持VCSEL光束發散度，且圖5(b)使用一曲面反射器來改變光束發散度。
圖6(a)及6(b)圖解說明更複雜的密封劑組態之實例。圖6(a)展示具有一平面鏡面之一密封劑，該平面鏡面用於將VCSEL光束重定向，接著在輸出表面上具有一漫射結構以改變光束之發散度及強度分佈。圖6(b)描述其中反射器表面包含一鏡面以及一漫射器結構之一組態。光束透過密封表面之一不同區域輸出，該不同區域具有由漫射結構引入之一經修改發散度及強度分佈。
包含圖7(a)及7(b)之圖7展示描述使用在密封劑表面中製造之微透鏡以增加VCSEL光束之發散度之兩種不同形式之一漫射器光學元件之圖式。
圖8圖解說明在密封劑表面中形成之一繞射光學元件之一典型結構。繞射元件被展示為增加VCSEL光束之發散度，然而繞射結構可用於執行許多不同的光學功能，其等包括聚焦、成像及由VCSEL光束形成多點結構圖案。
圖9展示形成在密封劑中之一漫射結構。在此結構中，將一散射基質模製至密封劑中以散射VCSEL光束，因此增加發散度。
圖10(a)及10(b)圖解說明可如何在密封劑中製造多個光學功能。圖10(a)將一正凸透鏡輪廓與諸如微透鏡之一微結構組合，這兩者皆準直VCSEL光束且局部散射或擾亂光束。圖10(b)將一負凹透鏡輪廓與微結構組合以產生亦被擾亂之一更發散光束。擾亂光束將有利於減少相干雷射光束撞擊在表面上之散斑效應。
在不同實施例中描述經密封VCSEL模組之各個態樣。此等實施例可按原樣實踐，或來自組合及子組合中之不同實施例的態樣可適用於適合一
特定應用或滿足其他要求，例如照明器模組之大小、光學功能之組合、照明圖案要求、環境條件、結合模組之最終完成總成之組態等。
圖1描述可用於建置一經密封照明模組之各種類型的VCSEL及VCSEL陣列100。圖1(a)展示一頂部發射VCSEL，其中VCSEL結構101係製造於基板102之頂部上，且輸出光束109自該裝置之頂部透射出去。VCSEL結構101包含底部DBR高反射鏡103，及透射輸出光束109之頂部DBR部分反射鏡106。兩個鏡形成雷射諧振腔，且在兩個鏡之間具有增益區域104。增益區域104由多個量子井之一群組或堆疊組成，且此等量子井通常係藉由在電極108及107之間流動之一電流而啟動。在一些設計中，藉由在量子井上照射一雷射光束來啟動量子井以光學泵送載流子。
在一最近VCSEL設計中，使用量子井之多個堆疊來獲得更高增益、增加的功率，及更高效率。堆疊之間使用穿隧接面來分隔該等堆疊。在由電流啟動之VCSEL中，使用一孔隙105來將電流集中在中心區域中。此孔隙通常係藉由氧化形成，但是可使用諸如離子注入之其他技術來在孔隙周圍形成電絕緣區域。
圖1(b)展示一替代底部發射VCSEL，其中VCSEL結構110係製造於基板102之底側上，其中底部DBR鏡113被製造為部分地反射，且頂部鏡106被製造為高反射，使得輸出光束109透射通過基板102。這具有以下優點：VCSEL結構可與一散熱片直接接觸以更有效地冷卻。
圖1(c)描述三鏡延伸腔VCSEL 100。在基板表面上形成一第三鏡112，使得雷射諧振腔111之長度增加。這有利於以較少橫向模式形成較低發散度輸出光束以產生一較高亮度光束。亦可製造此VCSEL之一外腔版本，其中第三鏡係一獨立組件，其允許使用一更長腔長度。外腔
VCSEL可係使用頂部發射或底部發射VCSEL組態來製造。
如圖1(d)中所示，所有此等各種類型的VCSEL皆可被組態為單片VCSEL陣列。VCSEL裝置114被製造在一共同基板115中。可製造許多不同的陣列組態，其等包括規則的裝置陣列或非規則陣列，其中間距係不均勻的，無論係隨機的或一特定結構。陣列可被製造成非常密集，其中一單片陣列中具有超過5000個VCSEL元件。該等裝置可並聯連接在一起以便全部同時操作，或可沈積分開之電極以個別地或成組地啟動每一VCSEL裝置。所有此等不同類型及組態的VCSEL 100皆可在經密封照明模組中使用。使用哪種特定VCSEL組態將取決於照明應用。
圖2係在晶片之發光側上形成密封劑221之VCSEL裝置或VCSEL陣列200之一示意圖。圖2中展示之VCSEL實例係一頂部發射VCSEL，但是可同樣使用一底部發射VCSEL或圖1中描述之其他類型之一者。密封劑覆蓋作用區域201以包括VCSEL之輸出光束，但是使晶片之邊緣之一部分曝露，使得頂部接觸件208可用於連接至啟動源。用於啟動VCSEL之第二觸點207位於VCSEL之相對側上。具有密封劑之VCSEL係一獨立模組，其可以正常方式安裝在一基台或印刷電路板上。
密封劑具有在VCSEL輸出光束209之路徑中之表面區域222中製造之一光學漫射結構223。此特定結構係各種大小的微透鏡之一集合，該等微透鏡導致具有一經界定強度分佈(例如一平頂強度曲線)之VCSEL光束之發散度224之一增加。與來自VCSEL之光束相比，取決於微透鏡之大小，漫射微透鏡結構亦可擾亂光束225，從而導致光束方向上之局部變動。對於VCSEL陣列，這可藉由將來自陣列中之不同VCSEL之光束分量混合至總光束中來減少散斑效應，從而降低相干性。
如圖3中所示，藉由使用表面安裝型VCSEL來達成經密封VCSEL之一改良實施例。表面安裝式VCSEL藉由製造一合適通孔332來製造，該通孔332用於將VCSEL之發射側上之電觸點佈線至另一電觸點307旁邊之非發射側。圖3(a)係頂部發射VCSEL 301之一VCSEL陣列之一實例，其係可表面安裝式的，其中兩個電觸點307、335皆在基板302之底側上。此組態可同樣適用於一單個頂部發射VCSEL裝置。在基板中製造一通孔332，其用於將一引線334自觸點308穿過基板302佈線至底部側上之一觸點335。使用隔離及/或鈍化材料331將觸點308與基板電隔離以防止與基板及電觸點307之一電短路。此絕緣材料亦被沈積333在通孔中且在基板之介於觸點335之間之底側上。
密封劑321現在可經沈積以完全覆蓋VCSEL晶片之發射側，此係因為所有電觸點皆在非發射側上。光學結構323形成在來自VCSEL陣列之所有光束之路徑中之密封劑之表面中。經修改輸出光束324自照明模組之頂部發射出去。此產生一更強固的晶片照明模組，此係因為密封劑完全覆蓋VCSEL之作用側，且亦可覆蓋晶片之邊緣周圍。此模組與低成本大容量表面安裝式電子組裝程序相容，此係因為兩個電觸點皆位於VCSEL之一側上。
圖3(b)描述一底部發射VCSEL 310陣列之等效版本。在此組態中，VCSEL輸出透過電觸點307中之孔隙314透射通過基板。若基板302正在導電，則基板中不需要一通孔。使用基板之非發射側上之一觸點336獲得與觸點308之電連接件，且該電連接件連接至觸點焊盤337。使用隔離及/或鈍化材料331將觸點308與基板302電隔離。
以一類似方式，密封劑321現在可經沈積以完全覆蓋VCSEL晶片之
發射側，此係因為所有電觸點皆在非發射側上。光學結構323形成在來自VCSEL陣列之所有光束之路徑中之密封劑表面中。光學結構設計將係不同的，此係因為VCSEL輸出光束由於其等已經傳播通過基板以及傳播通過密封劑而具有不同性質。由光學結構修改之輸出光束324自照明模組之頂部發射出去。此產生一更強固的晶片模組，此係因為密封劑完全覆蓋VCSEL基板，且亦可覆蓋晶片之邊緣周圍。這與低成本大容量表面安裝式電子組裝程序相容。所屬領域技術人員將明白的是，一類似佈置可用於其他類型的表面安裝式VCSEL，其等包括三鏡延伸及外腔單個VCSEL及陣列。
表面安裝式VCSEL之更多資訊及描述在Seurin等人於2014年7月22日發佈之美國專利8,783,893號、Seurin等人於2014年3月18日發佈之美國專利8,675,706號及Ghosh等人於2016年2月23日發佈之美國專利9,268,012號中揭示。上述專利之內容由本申請之一些發明人共同撰寫，且由Princeton Optronics Inc.Mercerville，NJ共同擁有。
圖4展示安裝在一基台420上之VCSEL或VCSEL陣列400，其中密封劑421完全覆蓋VCSEL且部分地覆蓋VCSEL側上之基台。VCSEL可包括接至基台之電引線接合連接件429，或可為全部觸點在其底側上之一表面安裝式VCSEL，因此不需要接至基台之頂側的引線接合連接件。基台將具有用於用引線連接至VCSEL之焊盤427、428，該等引線自此等焊盤至其他焊盤以連接至最終模組中之其他組件。其他焊盤需要在密封劑外部，但是可為基台之任一側。為了與表面安裝式組裝程序相容，所有其他焊盤皆應當位於基台之底部上。這可使用導電通孔430來實現以將上部焊盤連接至相對側上之焊盤。
密封劑421具有在VCSEL輸出光束409之路徑中之表面區域422上形成之一光學漫射結構423。這可經設計以取決於預期應用來增加發散度424或減小VCSEL光束之發散度。存在可獲得的許多不同的光束特性，且一些此等特性將在下文段落中進一步論述。
迄今為止的論述已經描述了如何使用密封劑之輸出表面處之一光學結構來修改VCSEL輸出光束特性。在此等實施例中，輸出光束方向與來自VCSEL之光束輸出方向大致相同。雖然可使用表面結構來修改光束方向，但是在實現方向之大幅改變方面可能存在限制。在圖5中展示將在光束方向上實現大幅改變之一額外功能。在本發明之此實施例中，一鏡面551經形成以攔截光束509。這可由具有足夠大使得在表面處存在全內反射之入射角之一斜面522來實現。替代地，可在密封劑表面上沈積或製造一反射層。
在被反射之後，保留在密封劑521內部之輸出光束552傳播至密封劑表面之一不同區域554，以自密封劑中透射出去553。圖5(a)中之此組態導致VCSEL光束之一大幅偏轉，且在此實例中，光束平行於VCSEL表面。應當明白的是，圖5中之實例展示重定向光束平行於VCSEL表面，然而，藉由改變鏡面551、555之斜角，光束可在其他方向上重定向。
在圖5(b)中展示在密封劑上使用一彎曲鏡面555之此另一實施例。如所示之凸面將導致會聚VCSEL輸出光束509以減小其發散度556。這在需要準直照明光束557來照射遠處物體之應用中將係有益的。對於所屬領域技術人員顯而易見的係，可替代地使用凹面，這將使光束擴大並導致具有大發散度之一透射光束557。如圖5(a)及5(b)中所示，可在一VCSEL基板上或在如圖2及圖4中描述之安裝在一基台上之一VCSEL上製造密封劑之
佈置中使用鏡面。
光學漫射結構可與鏡面實施例合併。在圖6中展示用於獲得這合併之兩種方法。圖6(a)描述使用一鏡面651來重定向652 VCSEL輸出光束609的方向之一實施例。接著該光束入射在併入一漫射結構之輸出表面660上，以修改光束之發散度及強度分佈。此光束661自密封劑中透射出去。
圖6(b)展示用於組合鏡功能及光學漫射結構之一替代實施例。在此佈置中，光學漫射結構係與鏡663組合。VCSEL輸出光束609入射於此表面上，且被重定向，且其發散度及強度分佈被修改664，以形成所需VCSEL光束特性。此光束665接著透射通過輸出表面654。對於所屬領域技術人員顯而易見的是，可進行其他組合，其等包括製造具有鏡663且在輸出表面654中之光學漫射結構。此等實施例提供很大的靈活性，及使用多個光學結構來自照明模組獲得所需VCSEL光束特性的能力。
本說明書之下一部分提供關於各種形式之光學漫射結構的更多資訊，該等光學漫射結構可用於密封劑表面中，以獲得不同的VCSEL輸出光束發散度及強度分佈。用於製造此等光學結構之方法包括在模具包括光學結構的情況下模製密封劑，或使用多個模製步驟，一個模製步驟用於基本密封劑結構，且後續模製步驟用於額外結構元件。在將密封劑沈積或模製至VCSEL或基台上之VCSEL上之後，可將光學結構蝕刻至表面中。該製造亦可包括在密封劑表面上之一或多個膜沈積。
圖7描述使用微透鏡陣列之一光學漫射器之兩個變體。圖7(a)展示一凸微透鏡陣列771，其藉由將輸出光束709之分開的部分聚焦至靠近透鏡的焦點來增大發散度，之後光束以比入射光束更大之角度發散724。存在不同大小及焦距微透鏡之一混合物，且此混合物經具體設計使得光束可被
擴展，以形成具有針對所需照明應用設計之強度分佈之一光束724。
圖7(b)描述微透鏡772係凹形輪廓之一替代設計。此等微透鏡在不經過一焦點的情況下，各自直接增加入射光束709之部分的發散度。以相同方式，微透鏡之大小及形狀經設計且經組態以針對所需照明應用獲得一特定照明光束強度分佈。對於所屬領域技術人員顯而易見的是，亦可使用凸面及凹面微透鏡之一組合來獲得一所需照明圖案。
用於獲得一所需照明圖案或輻射分佈之一替代光學結構係如圖8中所示之一繞射元件883。這可在VCSEL輸出光束809之位置處形成在密封劑表面822中。此繞射元件883包含呈二維之一矩形凹口陣列。此結構將入射VCSEL光束分成具有不同光學相位之小光束。因為其等係相干光束，所以其等相互干涉以形成具有一經界定強度分佈之一發散光束。強度分佈824由繞射結構之設計判定，該繞射結構經佈置以提供適合於預期應用之一照明圖案。此照明圖案可具有增加或減小的發散度或一組合以形成一更複雜的強度圖案824。同樣，此結構可用於形成通常用於結構光3D影像感測之點圖案之各種組態。
本發明之另一實施例係使用一散射表面或基質994來增加VCSEL光束之散度度。在圖9中描述此一實例。在密封劑922之表面上形成一粗糙非鏡面區域作為散射表面或基質994。VCSEL輸出光束909由此散射表面或基質994散射並作為一發散光束924自密封劑中傳播出去。散射表面或基質994之一替代形式可為經沈積或以其他方式結合至表面中之一透明材料膜，其包括混入其中以散射入射光束之小散射粒子。
密封劑1022之表面可被製造成一曲面而並非平坦的。這將提供正或負光學透鏡功率來修改VCSEL光束。此等實施例在圖10中之兩個圖式中
進行描述。圖10(a)展示形成為一凸球面或非球面1091之表面。表面亦可為圓柱形或其他不對稱曲線。接著在此非平坦表面上形成漫射結構1093。凸面將用於會聚光束以及更改光束1096之特性。這將有利之一實例係具有VCSEL陣列。漫射結構1093以不同方向散射來自VCSEL陣列裝置之個別光束1095，使得個別光束重疊。凸面用於會聚光束，使得可調整總體光束發散度以適應特定應用。光束重疊之益處係大幅降低光束入射至被照明物體時減少散斑效應之總體光束之相干性。
圖10(b)描述使用一凹面輪廓1092之效果。凹透鏡增加入射VCSEL光束1009之發散度1097。漫射結構1098接著修改擴展光束1097內之強度分佈。當使用一VCSEL陣列時，將會發生減小光束相干及散斑效應之相同益處。
將顯而易見的是，取決於將使用經密封照明器封裝之產品之應用及組裝要求，可設計及製造經密封照明器封裝之許多不同組態。雖然參考一些較佳實施例描述本發明之一廣泛框架，但是取決於照明器應用所需之特定VCSEL或VCSEL陣列，可藉由應用在本文中描述之元件之組合及子組來組態其他實施例。對於所屬領域技術人員而言顯而易見的具有或不具有不同光學結構及鏡之不同實施例之變動及修改皆在本發明之範疇內，且由隨附申請專利範圍涵蓋。
200:VCSEL陣列
201:作用區域
207:第二觸點
208:頂部接觸件
209:VCSEL輸出光束
221:密封劑
222:表面區域
223:光學漫射結構
224:發散度
225:光束
Claims (18)
- 一種垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝結構，其包含：一基板中之一或多個VCSEL，該一或多個VCSEL係可操作以產生一VCSEL輸出輻射光束；一密封劑，其完整地密封該一或多個VCSEL的一輸出輻射光束發射區域；經整合於該密封劑中之一光學結構，該光學結構被安置在該VCSEL輸出輻射光束之一路徑中，且係可操作以改變離開該密封劑之該VCSEL輸出輻射光束之一傳播特性或強度分佈之至少一者；該密封劑之一表面處的一光學反射器，該光學反射器係可操作以將由該一或多個VCSEL產生之該VCSEL輸出輻射光束在該密封劑內以一不同方向朝該光學結構重定向，或者該光學結構及該光學反射器形成一組合的光學組件，該組合的光學組件係可操作以將由該一或多個VCSEL產生之該VCSEL輸出輻射光束在該密封劑內以一不同方向重定向；以及其中該光學反射器包括該密封劑之一彎曲反射表面，其經組態以修改該VCSEL輸出輻射光束之一發散度。
- 如請求項1之垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝結構，其中該一或多個VCSEL之各者在一非發射側上具有觸點，且其中該照明器封裝係可表面安裝式的。
- 如請求項1之垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝結構，其在該基板之一發光側表面上包括一電觸點，其中該電觸點之至少一部分未被該密封劑覆蓋。
- 如請求項1之垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝，其中該基板係安裝在一基台上，該基台在與上面經安裝有該基板之一表面相對之一表面上具有電觸點，且其中該照明器封裝係可表面安裝式的。
- 如請求項4之垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝結構，其在上面經安裝有該基板之該基台之該表面上包括一電觸點，其中該基台之該表面上之該電觸點之至少一部分未被該密封劑覆蓋。
- 如請求項1之垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝結構，其中該光學反射器係該密封劑之一斜面，該斜面係以一定角度傾斜以提供經入射於該斜面上之該VCSEL輸出輻射光束之全內反射。
- 如請求項1之垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝結構，其中該光學反射器被安置在該密封劑之一斜面上，且在該斜面上包括一反射層。
- 如請求項1項之垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝結構，其中該光學結構包含一微透鏡陣列。
- 如請求項1之垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝結構，其中該光學結構包含一光學漫射結構。
- 如請求項1之垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝結構，其中該光學結構包含一光學散射結構。
- 如請求項1之垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝結構，其中該光學結構包含一光學繞射結構。
- 如請求項11之垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝結構，其中該光學繞射結構在該密封劑之一表面中包括凹口。
- 如請求項12之垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝結構，其中該等凹口為矩形。
- 如請求項1之垂直腔表面發射雷射(VCSEL)照明器封裝，其中該光學結構係該密封劑之一表面處之一蝕刻結構。
- 一種製造VCSEL照明器封裝之方法，該方法包含：在一基板中提供一或多個VCSEL，該一或多個VCSEL係可操作以產生一VCSEL輸出輻射光束；提供一密封劑，其完整地密封該一或多個VCSEL的一輸出輻射光束發射區域； 提供與該密封劑整合之一光學結構，該光學結構被安置在該VCSEL輸出輻射光束之一路徑中，且係可操作以改變離開該密封劑之該VCSEL輸出輻射光束之一傳播特性或強度分佈之至少一者；提供該密封劑之一表面處的一光學反射器，該光學反射器係可操作以將由該一或多個VCSEL產生之該VCSEL輸出輻射光束在該密封劑內以一不同方向朝該光學結構重定向，或者提供包含該光學結構及該光學反射器的一組合的光學組件，其中該組合的光學組件係可操作以將由該一或多個VCSEL產生之該VCSEL輸出輻射光束在該密封劑內以一不同方向重定向；以及其中該光學反射器包括該密封劑之一彎曲反射表面，其經組態以修改該VCSEL輸出輻射光束之一發散度。
- 如請求項15之方法，其包括使用包括形成該光學結構之特徵之一模具來模製該密封劑。
- 如請求項15之方法，其包括：使用一第一模製程序來提供該密封劑；及使用一第二模製程序來提供該光學結構。
- 如請求項15之方法，其中提供該光學結構包括：將該光學結構蝕刻至該密封劑之一表面中。
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