TWM500899U

TWM500899U - 一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡

Info

Publication number: TWM500899U
Application number: TW104200009U
Authority: TW
Inventors: Feng-Pin Liu; Chih-Cheng Chen; Jin-Shan Pan
Original assignee: Truelight Corp
Priority date: 2015-01-05
Filing date: 2015-01-05
Publication date: 2015-05-11

Description

一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡

本創作是關於一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡，尤指一種複數個微陣列透鏡將光源加以修正達到特定形狀光場與良好的均勻性。

隨著安防監控市場的不斷發展，為了實現24小時連續監控，且需要在夜間監控隱蔽性高與夜視效果佳，因此在夜間會採用紅外線光源進行照明輔助，其中又可分為習知的IR-LED紅外線發光二極體、IR-Laser紅外線雷射、鹵素燈泡。而面射型雷射具有相似於LED發光二極體的垂直面發光特性，因此在封裝製程上能直接沿用LED的封裝體，如此一來終端應用上能在工序變化最少的狀況下將LED發光二極體替換為面射型雷射光源。

面射型雷射光源具有準直性佳、發光角度小(<40度)及頻譜半寬窄之光學特性，因此能僅用一次的光學結構調整成不同態樣的光場分佈，即二次光學元件的設計上能用較少的光學結構來達成不同照明應用需求的光場特性，但面射型雷射方案也有一些問題需要克服；例如光形的不均勻性及雷射光斑的形成等，這兩種特性都會嚴重直接影響照明的品質，特別是在光場均勻性及光斑的問題，因此若要保持面射型雷射在紅外線照明應用的優勢，前述的問題勢必需要同時獲得解決。

請參閱圖一A、圖一B、圖一C所示，圖一A係為習知光學透鏡剖面示意圖。圖一B係為習知光學透鏡之輸入面射型雷射光場示意圖。圖一C係為習知光學透鏡之輔助光源範圍與監視器成向範圍之示意圖。

為了解決這些問題，會在元件封裝體的出光面上或二次光學透鏡加上擴散結構，如圖一A所示，現有習知的解決方案係為在一習知光學透鏡10之一入光面11上霧化噴砂來調整面射型雷射存在的缺陷。如圖一B所示，但經過擴散結構的光場能量分佈仍與IR-LED紅外線發光二極體為相似的高斯分佈，應用在監視器夜間畫面中心亮度12會比邊緣亮度13來的高，使得監視器曝光的均勻性較差，可能會讓成像畫面中心存在過曝現象，導致監視的辨識度降低。如圖一C所示，此外，習知光學透鏡10所投射之一輔助光源14為了滿足一監視器15的一影像感知器151透過一影像鏡頭152之成像角度，會將該輔助光源14的發散角大於監視器成像的斜邊張角避免成像畫面邊緣產生暗角，這樣畫面的四邊會存在光場能量無效的分佈區域A。

本創作的主要目的是在於提供一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡，利用複數個微陣列透鏡將光源加以修正達到特定形狀光場與良好的均勻性之目的。

為達上述之目的，本創作之一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡，係結合於一光源之上，其包括有：一框架、以及複數個微陣列透鏡。該框架係為中空之柱體。複數個微陣列透鏡係結合於該框架之一中空處，各別該微陣列透鏡係分別具有對稱性的一入光面與一出光面，且各別微陣列透鏡之該入光面皆位於該光源所投射之一光路徑之上，再藉由該出光面將複數個微陣列透鏡的各光源修正後再互相疊加，進而達成特定形狀的光場與良好的均勻性。

本創作光束塑形透鏡主要的優點在於能重整垂直腔面發射雷射器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，簡稱VCSEL，又稱垂直共振腔面射型雷射)的甜甜圈狀的光形分佈，即使是光形不漂亮的光場分佈的VCSEL元件，皆可利用本創作光束塑形透鏡重整成均勻光場，並進一步將其光場加以塑形達到配合一般監視器成像視角的照明需求。

10‧‧‧習知光學透鏡

11‧‧‧入光面

12‧‧‧中心亮度

13‧‧‧邊緣亮度

14‧‧‧輔助光源

15‧‧‧監視器

151‧‧‧影像感知器

152‧‧‧影像鏡頭

2‧‧‧光束塑形模組

20‧‧‧光束塑形透鏡

21‧‧‧框架

211‧‧‧中空處

212‧‧‧電極腳位凹槽

213‧‧‧光場方向標記

22、22a‧‧‧微陣列透鏡

221、221a‧‧‧入光面

222、222a‧‧‧出光面

30‧‧‧光源

31‧‧‧電極腳

32‧‧‧基板

40‧‧‧監視器

41‧‧‧影像感知器

42‧‧‧影像鏡頭

8‧‧‧方形亮區

9‧‧‧光路徑

圖一A 為習知光學透鏡剖面示意圖。

圖一B 為習知光學透鏡之輸入面射型雷射光場示意圖。

圖一C 為習知光學透鏡之輔助光源範圍與監視器成像範圍之示意圖。

圖二A 為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之立體分解圖。

圖二B 為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之立體組合圖。

圖二C 為本創作一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡之剖面示意圖。

圖三A 為本創作一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡之微陣列透鏡四邊形長、短軸比例H：V態樣為4：3之立體示意圖。

圖三B 為本創作一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡之微陣列透鏡四邊形長、短軸比例H：V態樣為1：1之立體示意圖。

圖三C 為本創作一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡之微陣列透鏡六邊形態樣示意圖。

圖四A 為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之俯視圖。

圖四B 為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之A-A剖面示意圖。

圖四C 為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之B-B剖面示意圖。

圖五A 為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之輸出塑形光場示意圖。

圖五B 為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之輔助光源範圍與監視器成像範圍之示意圖。

圖六為本創作一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡之球面透鏡結構差異分析圖。

為了能更清楚地描述本創作所提出之一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡，以下將配合圖式詳細說明之。

請參閱圖二A、圖二B、圖二C所示，圖二A係為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之立體分解圖。圖二B係為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之立體組合圖。圖二C係為本創作一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡之剖面示意圖。其中，本創作之該光束塑形模組2係由一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡20結合於一光源30之上。該光束塑形透鏡20其包括有：一框架21、以及複數個微陣列透鏡22。複數個微陣列透鏡22係結合於該框架21之一中空處211；其中，各別該微陣列透鏡22係分別具有對稱性的一入光面221與一出光面222，且各別該微陣列透鏡22之該入光面221皆位於該光源30所投射之一光路徑9之上。該光源30係為一面射型雷射光源，且面射型雷射之該光源30係具有兩相對應之電極腳31，並設置於一基板32之上。

於該框架21靠近於該微陣列透鏡22之該入光面221的側端週緣處設置有複數個電極腳位凹槽212，用以結合於面射型雷射之該光源30的對應之該電極腳31上；此外，於該框架21靠近於複數個微陣列透鏡22之該出光面222的側端上設置有一光場方向標記213，該光場方向標記213係用於辨識塑形的光場長、短軸之方向。

請參閱圖三A、圖三B、圖三C所示，圖三A係為本創作一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡之微陣列透鏡四邊形長、短軸比例H：V態樣為4：3之立體示意圖。圖三B係為本創作一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡之微陣列透鏡四邊形長、短軸比例H：V態樣為1：1之立體示意圖。圖三C係為本創作一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡之微陣列透鏡六邊形態樣示意圖。其中，各別之該微陣列透鏡22之該入光面221係與該出光面222分別於該光路徑9上相互對應且對稱，且該微陣列透鏡22之該入光面221以及該出光面222係分別為球面弧形表面；換言之，該微陣列透鏡22之該入光面221的球面弧形表面是和該出光面222的球面弧形表面兩者位置相對應(對準)而且形狀相對稱。於本實施例中，該入光面221以及該出光面222之球面弧形表面的曲率半徑RR係可以是1.2mm。

於圖三A以及圖三B中，複數個微陣列透鏡22之該入光面221以及該出光面222係分別為四邊形，其各別具有對應之一長軸(H)以及對應之一短軸(V)所構成，且各別微陣列透鏡22均具有一透鏡厚度(D)。該微陣列透鏡22之該入光面221以及該出光面222的該長軸(H)與短軸(V)之比例(H：V)係可以是4：3、1：1、16：9(圖中未示)其中之一。此外，於圖三C中，該微陣列透鏡22a之該入光面221a以及該出光面222a係分別為六邊形。同樣地，如圖三B及圖三C所示，複數個微陣列透鏡22、22a之該入光面221、221a的球面弧形表面以及該出光面222、222a的球面弧形表面兩者不僅位置相對應(對準)而且形狀相對稱。

請參閱圖四A、圖四B、圖四C所示，圖四A為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之俯視圖。圖四B為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之A-A剖視示意圖。圖四C為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之B-B剖視示意圖。其中，本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組2之光束塑形透鏡20依據實驗的結果，調整複數個微陣列透鏡22結構能改變面射型雷射光源塑形調整後的特性，亦即調整該入光面221與該出光面222的矩形球面之長、短軸比例(H：V)、球面弧形表面的曲率半徑RR、以及該入光面221與該出光面222對稱之厚度D(微陣列透鏡之透鏡厚度)、緊密排列形成的球面微陣列透鏡22之數量來達到不同監視器視角的應用(5~90°)角度。如圖四A、圖四B、圖四C所示，即以該入光面221與該出光面222的長、短軸寬比H：V=4：3以及曲率半徑RR=1.2mm之矩形做為本創作該光束塑形模組2之較佳實施例。

請參閱圖五A、圖五B所示，圖五A為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之輸出塑形光場示意圖。圖五B為本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組之輔助光源範圍與監視器成像範圍之示意圖。其中，如圖五A所示，本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組2可將輸出的光場大致塑形成長方形狀態，不僅光場均勻且集中分佈於中央一方形亮區8，改善了習知重整垂直腔面發射雷射器VCSEL的甜甜圈狀的光形分佈，即便是光形不漂亮的光場分佈的VCSEL元件，可透過本創作光束塑形透鏡20重整成均勻光場以達照明需求。

如圖五B所示，本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組2之面射型雷射之該光源30具有準直性佳及頻譜半寬窄之光學特性，因此能僅用一次的光學結構調整成不同態樣的光場分布，並保有良好的出光效率，可藉由該光束塑形透鏡20將光場調整為長、短軸4：3或16：9的長方形，且光場強度的分布均勻，此光場特性搭配一監視器40，可完全符合一影像感知器41透過一影像鏡頭42所呈現的成像視野，提升光能量的利用效率，也不會產生如同習知技術般光場能量無效的分佈區域。

也就是說，利用複數個微陣列透鏡22之各別該入光面221與該出光面222對稱性的球面微陣列透鏡22，將面射型雷射陣列之該光源30分別由該入光面221微陣列透鏡將光源分割聚焦為特定形狀，再由各別之該出光面222微陣列透鏡22將分割的各光源修正光路互相疊加，而達成具有特定發散角、特定形狀的光場、光均勻性的特性，且更能搭配該監視器40的成像視野，達到充分利用光場能量之目的。

請參閱圖六所示，圖六為本創作一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡之球面透鏡結構差異分析圖。其中，藉由固定球面為透鏡曲率RR，變更長軸H_尺寸、透鏡厚度D_尺寸會產生不同的塑形光場之長軸角度H_angle。於圖六實驗之數據中，以該微陣列透鏡20較佳實施例之數據係為該長軸(H)為1.2mm、該短軸(V)為1mm、該透鏡厚度(D)為3.2mm為設計尺寸，將原面射型雷射光源甜甜圈狀的光場分佈調整為符合一般監視器的長寬比之矩形態樣。

綜上所述，本創作一種用於同調光源應用的光束塑形透鏡 20，係結合於一光源30之上，達到構成本創作面射型雷射同調光源應用的光束塑形模組2。該光束塑形透鏡20係包括有：一框架21、以及複數個微陣列透鏡22。該框架21係為中空之柱體。複數個微陣列透鏡22係結合於該框架21之一中空處211。各別該微陣列透鏡22係分別具有對稱性的一入光面221與一出光面222，且各別該微陣列透鏡22之該入光面221皆位於面射型雷射陣列之該光源30所投射之一光路徑9之上，分別由該入光面221微陣列透鏡將所投射之光源分割聚焦為特定形狀，再藉由該出光面222將複數個微陣列透鏡22的各光源修正後再互相疊加，進而達成特定形狀的光場與良好的均勻性。

唯以上所述之實施例不應用於限制本創作之可應用範圍，本創作之保護範圍應以本創作之申請專利範圍內容所界定技術精神及其均等變化所含括之範圍為主者。即大凡依本創作申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本創作之要義所在，亦不脫離本創作之精神和範圍，故都應視為本創作的進一步實施狀況。