TW201941510A - 作為半導體雷射模組上之互鎖之透鏡上之透明導電膜或塗層 - Google Patents
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Abstract
本文描述用於在半導體雷射模組中提供雷射安全性之方法及設備。例如，一半導體雷射模組可包括一半導體雷射及一光學元件。與該半導體雷射可操作地耦合之該光學元件可分散自該半導體雷射發射之雷射光。該光學元件可塗覆有作為該半導體雷射上之一互鎖之一透明導電材料。該透明導電材料可在該光學元件上以一跡線之形狀放置，其中該跡線與該半導體雷射電串聯。在跡線損壞之條件下，可中斷自該半導體雷射發射之雷射光。
Description
所揭示之實施例大體上係關於一半導體雷射模組，且更特定言之係關於使用作為一互鎖之一透鏡上之透明導電膜或塗層的半導體雷射安全性。
諸如垂直腔面發射雷射(VCSEL)之半導體雷射廣泛用於面部或虹膜辨識。特定言之，雷射輻射藉由一透明光學元件或透鏡分散成一大立體角，接著指向虹膜或面部。相機模組可偵測反射之輻射，且接著影像處理演算法可執行生物識別。為了使此等雷射模組被認為係安全的，其需要符合雷射安全標準，例如國際電工委員會(IEC) 60825。在習知雷射模組中，一金屬片(或金屬帽)用於提供雷射安全性並滿足此等安全標準。例如，若金屬片被損壞、移除或斷裂，則與雷射之電連接中斷且雷射關閉。然而，此等習知雷射模組體積龐大且不完整，因為其需要一單獨金屬片來偵測雷射模組中之損壞。此外，金屬片需要包含雷射光發射通過之一孔。若在通過孔暴露之透鏡部分上發生損壞，則習知雷射模組不能關閉雷射光，因為該部分不受金屬片之保護。因此，期望具有藉由作為一互鎖之透鏡上之透明導電膜或塗層來提供具有減小尺寸之完整雷射安全性之方法及設備。
本文描述用於在半導體雷射模組中提供雷射安全性之方法及設備。例如，一半導體雷射模組可包括一半導體雷射及一透明光學元件。該半導體雷射可發射雷射光通過該透明光學元件。可操作地耦合及定位以接收來自該半導體雷射之所發射雷射光之該透明光學元件可在一增大立體角上擴散該發射之光，從而有效地用於分散或漫射自該半導體雷射發射之雷射光。由於該光學元件係透明的，因此散射保持最小且所發射之光大部分保持於比最初發射之雷射光更大之一預定義立體角內。該光學元件可塗覆有一透明導電材料，該材料藉由提供與該半導體雷射之串聯連接之一部分而作為該半導體雷射上之一互鎖。另外，該透明導電材料可在該光學元件上以一跡線之形狀放置，其中該跡線與該半導體雷射電串聯。在該跡線損壞、破裂或斷裂之條件下，可中斷自該半導體雷射發射之雷射光。該透明導電材料可包括氧化銦錫(ITO)、摻雜鋁之氧化鋅(AZO)、摻雜鎵之氧化鋅(GZO)或摻雜銦之氧化鋅(IZO)之至少一者。
應當理解，用於作為一半導體雷射模組上之一互鎖之一透鏡上之透明導電膜或塗層之一方法及設備之圖及描述已為清楚理解起見經簡化以繪示相關之元件，同時為清楚目的消除典型裝置處理中發現之許多其他元件。熟習技術者可認識到在實施本發明時期望及/或需要之其他元件及/或步驟。然而，因為此等元件及步驟在本領域中係熟知的，且因為其等不促進更好地理解本發明，所以本文不提供對此等元件及步驟之討論。
本文描述一種用於一半導體雷射模組之一方法及設備，該半導體雷射模組具有在作為一互鎖之一光學元件(或透鏡)上之透明導電膜或塗層。例如，一半導體雷射模組可包括一半導體雷射及透明光學元件(或一透鏡)。經可操作地耦合及定位以接收來自該半導體雷射之經發射雷射光之該透明光學元件可將在一增大立體角上擴散該發射之光，從而有效地用於分散或漫射自該半導體雷射發射之該雷射光。由於該光學元件係透明的，因此散射保持最小且經發射之光大部分保持於比最初經發射之雷射光更大之一預定義立體角內。該光學元件可塗覆有一透明導電材料，該材料藉由提供與該半導體雷射之一串聯連接之部分而作為該半導體雷射上之一互鎖。該透明導電膜或塗層可為一跡線之形狀，其中該跡線與該半導體雷射電串聯。若該跡線藉由外力損壞、破裂或斷裂，則可關閉自該半導體雷射發射之該雷射光。該透明導電膜或塗層可由例如氧化銦錫(ITO)、摻雜鋁之氧化鋅(AZO)、摻雜鎵之氧化鋅(GZO)、摻雜銦之氧化鋅(IZO)或其任何組合製成。
圖1A繪示一實例半導體雷射模組100，其包含用一透明導電層130成膜或塗覆之一光學元件120。透明導電層130可用作一半導體雷射110上之一互鎖。例如，半導體雷射模組100包含一半導體雷射110、一透明光學元件120、一透明導電層130及一印刷電路板(PCB) 140。
半導體雷射110係藉由使一電流流至半導體而引起雷射振蕩之一裝置。特定言之，藉由使正向電流流至p-n接面而產生光。在正向偏壓操作中，p型層與正極端子連接，n型層與負極端子連接，電子自n型層進入，且電洞自p型層進入。當兩者在接面處相遇時，一電子落入一電洞中且此時會發射光。半導體雷射110之類型包含(但不限於)雷射二極體(LD)、雙異質結構雷射(DH)、分離限制異質結構雷射(SCH)、分佈式布拉格反射器雷射(DBR)、分佈式回饋雷射(DFB)、量子井雷射、量子點雷射、量子級聯雷射(QCL)、外腔雷射(ECL)、擴展腔二極體雷射、體布拉格(Bragg)閘雷射、垂直腔面發射雷射(VCSEL)、垂直外腔面發射雷射(VECSEL)、混合矽雷射、帶間級聯雷射(ICL)及半導體環形雷射。如本文所使用，術語半導體雷射、雷射二極體(LD)、注入雷射二極體(ILD)或二極體雷射器及其變體在本揭示中可互換使用。
在一實施例中，半導體雷射110可為紅外紅色雷射，例如垂直腔面發射雷射(VCSEL)。VCSEL可用於面部及虹膜辨識。當將一VCSEL實施至諸如虹膜或面部識別之一應用中時，半導體雷射模組100需要符合雷射安全規則，諸如國際電工委員會(IEC) 60825。此可需要半導體雷射模組100中之一特徵，其在系統變得不安全時關閉雷射。例如，當一半導體雷射模組100中之光學元件120 (或透鏡)斷裂、移除或斷裂時，會發生此情況。
光學元件120係一透明透鏡、稜鏡或其他元件，其以一較大立體角在散射最小之情況下擴散或分散雷射輻射，使得其使用起來安全。在無光學元件120 (或透鏡)之情況下，系統使用起來會不安全。當系統用於一行動應用中之虹膜辨識時，此尤其令人擔憂。光學元件120可為任何類型之光學透鏡。光學元件120之實例包含(但不限於)一凸透鏡、一雙凸透鏡、一等凸透鏡、一凹透鏡、一雙凹透鏡、一平凸透鏡、一平凹透鏡、一凸凹(或彎月)透鏡、一正彎月形透鏡、一負彎月透鏡及一正(或會聚)透鏡。儘管在圖1A及圖1B中將光學元件120繪示為一矩形稜鏡，然光學元件120可不限於此一形狀且可為任何類型之二維或三維形狀。例如，光學元件120可為圓形、橢圓形、卵形、正方形、矩形、三角形、五邊形、六邊形、八邊形、三角形、圓柱形、球形、圓盤形、立方體形、圓錐形、金字塔形、三角形棱柱形、五角形棱柱形、六角形棱柱形或類似者。
如圖1A中所繪示，光學元件120可用透明導電層130成膜或塗覆，透明導電層130用作用於雷射安全之一互鎖。特定言之，透明導電層130可成形為與半導體雷射110電串聯之一跡線。當光學元件120 (或透鏡)破壞、破裂或斷裂時，透明導電層130 (即跡線)電中斷，其致使半導體雷射110停止工作。此可防止半導體模組100變得不安全。
透明導電層130可由任何光學透明之導電材料製成。此等透明導電材料之實例包含(但不限於)氧化銦錫(ITO)、摻雜鋁之氧化鋅(AZO)、摻雜鎵之氧化鋅(GZO)、摻雜銦之氧化鋅(IZO)、摻雜銦之氧化鎘(CdO：In)、碳納米管、石墨烯、固有導電聚合物(ICP)、無定形氧化銦鋅及銀納米顆粒-ITO雜化物。
半導體雷射110及透明導電層130 (即跡線)與印刷電路板(PCB) 140電串聯，其中提供一電流。當半導體雷射模組100正常操作時(即，沒有損壞該跡線)，電流可使半導體雷射110、透明導電層130及PCB 140循環。圖1B係圖1A中所繪示之半導體雷射模組100之三維圖。
圖2A及2B繪示光學元件220、240上之跡線230、250之實例形狀，其可與本文中所描述之任何實施例組合使用。如圖2A中所繪示，跡線230可為一彎曲(或散熱器)形狀。如圖2B中所繪示，跡線240可為一螺旋形狀。跡線230、250可具有任何類型之形狀。跡線230、250之實例形狀包含(但不限於)一彎曲形狀、一盤繞形狀、一條紋形狀、一盒形狀、一圓形形狀、一螺旋形狀及一三角形形狀。跡線230、250可部分或完全覆蓋光學元件220、240之表面。然而，跡線230、250可能需要密集地放置於光學元件220、240之表面上，達到若發生事件則其等可偵測到光學元件220、240上之任何損壞的程度。例如，若光學元件220、240破裂或斷裂，則跡線230、250上之電流中斷。由於半導體雷射經電連接至PCB及跡線230、250，所以當光學元件220、240上之跡線230、250損壞時，可關閉該半導體雷射。跡線230、250之端點232、234、252、254可經連接至該PCB。電流可流入端點232、252且通過端點234、254流出，反之亦然。
圖3A繪示當ITO跡線310未被損壞時一電流320流動通過一垂直腔表面發射雷射(VCSEL) 340之一實例連接。儘管跡線310可不在其上包含一開關，然作為一實例VCSEL 340之操作可藉由表示ITO跡線330之一開關來說明。例如，當ITO跡線310上沒有損壞時，電流320流動通過VCSEL 340，好像控制VCSEL之開關(即代表ITO跡線330之開關)連接或閉合一樣。當表示ITO跡線330之開關連接或閉合時(即，在ITO跡線310上沒有損壞)，電流320流入VCSEL 340，且藉此VCSEL 340可發射雷射光350。應當注意，VCSEL 340可用任何類型之半導體雷射替換，諸如雷射二極體(LD)、雙異質結構雷射(DH)、分離限制異質結構雷射(SCH)、分佈式布拉格反射器雷射(DBR)、分佈式回饋雷射(DFB)、量子井雷射、量子點雷射、量子級聯雷射(QCL)、外腔雷射(ECL)、擴展腔二極體雷射、體布拉格閘雷射、垂直外腔表面發射雷射(VECSEL)、混合矽雷射、帶間級聯雷射(ICL)、半導體環形雷射或類似者。
圖3B繪示當一ITO跡線310被損壞時一電流320被中斷之一實例連接。類似於圖3A，儘管跡線310可不在其上包含一開關，然作為一實例VCSEL 340之操作可藉由表示ITO跡線330之一開關來說明。例如，當ITO跡線310破壞、斷裂或斷裂時，電流320可能不會流動通過VCSEL 340，好像控制VCSEL之開關(即代表ITO跡線330之開關)斷開連接或斷開一樣。當表示ITO跡線330之開關斷開連接或斷開(即，在ITO跡線310上有損壞)時，VCSEL 340關閉雷射光350，藉此防止不安全之情況。
圖4A繪示當一場效電晶體(FET) 460之閘極中之一ITO跡線410未被損壞時一電流420流動通過一VCSEL 440之一實例連接。儘管跡線410可不在其上包含一開關，然作為一實例VCSEL 440之操作可藉由表示ITO跡線430之一開關來說明。例如，當ITO跡線410上沒有損壞時，電流420流入VCSEL 440及FET，好像控制VCSEL之開關(即代表ITO跡線430之開關)連接或閉合一樣。
在其中ITO跡線410可能不良好地傳導電流420之情況下，FET 460及暫存器470可用以放大電流420。FET 460可經定位於VCSEL模組中之任何位置，諸如一PCB。然而，需要將其連接至跡線410以確保電流420流動通過VCSEL 440。儘管未在圖4A中繪示，然任何類型之電晶體或開關可用於FET 460。
類似於圖3A，當表示ITO跡線430之開關經連接(即，在ITO跡線410上沒有損壞)時，電流420流入VCSEL 440及FET 460，且藉此VCSEL 440發射雷射光450。應注意，VCSEL 440可由任何類型之半導體雷射替換，例如雷射二極體(LD)、雙異質結構雷射(DH)、分離限制異質結構雷射(SCH)、分佈式布拉格反射器雷射(DBR)、分佈式回饋雷射(DFB)、量子井雷射、量子點雷射器、量子級聯雷射(QCL)、外腔雷射(ECL)、擴展腔二極體雷射、體布拉格光柵雷射、垂直外腔表面發射雷射器(VECSEL)、混合矽雷射、帶間級聯雷射(ICL)、半導體環形雷射器或類似者。
圖4B繪示其中當一FET 460之閘極中之一ITO跡線410被損壞時一電流420被中斷之一實例連接。類似於圖4A，儘管跡線410可不在其上包含一開關，然作為一實例VCSEL 440之操作可藉由表示ITO跡線430之一開關來說明。例如，當ITO跡線410損壞、斷裂或斷裂時，電流420無法流動通過VCSEL 440及FET 460，好像控制VCSEL 440之開關(即代表ITO跡線430之開關)斷開連接或斷開一樣。當表示ITO跡線430之開關斷開連接或斷開(即，在ITO跡線410上有損壞)時，VCSEL 440關閉雷射光450，藉此防止不安全之情況。
圖5繪示用於使用一光學元件提供雷射安全性之一實例程序，該光學元件由一透明導電材料成膜或塗覆，該透明導電材料作為一半導體雷射模組上之一互鎖。此實例程序可與本文中所描述之任何實施例組合使用。例如，在步驟510處，一半導體雷射模組中之一半導體雷射通過一光學元件或透鏡發射雷射光。與該半導體雷射耦合之光學元件可分散或漫射自該半導體雷射發射之雷射光。該光學元件可由一透明導電材料成膜或塗覆，該透明導電材料作為該半導體雷射上之一互鎖。該透明導電材料之實例包含氧化銦錫(ITO)、摻雜鋁之氧化鋅(AZO)、摻雜鎵之氧化鋅(GZO)、摻雜銦之氧化鋅(IZO)、摻雜銦之氧化鎘(CdO:In)、碳納米管、石墨烯、固有導電聚合物(ICP)、無定形氧化銦鋅、銀納米顆粒-ITO雜化物、或其等之任何組合。
該透明導電材料可放置成可偵測該光學元件上之損壞之任何形狀。例如，其可為一跡線之形狀。該透明導電材料之形狀之實例包含一彎曲形狀、一散熱器形狀、一螺旋形狀、一圓形形狀、一多邊形形狀、一三角形形狀、一正方形形狀、一矩形形狀、一梯形形狀或類似者。該跡線可與該半導體雷射電串聯，以使該電流自一PCB流動至該半導體雷射。在該跡線損壞、破裂或斷裂之情況下，該跡線被電中斷，其致使該半導體雷射在步驟530處停止操作或關閉。
本文中所描述之實施例可併入一透鏡上之任何合適透明導電膜或塗層中，該透明導電膜或塗層作為一半導體雷射模組上之一互鎖。本發明之實施例不限於所繪示之特定結構。應當注意，上述一光學元件上之跡線之形狀僅為許多其他可能性之一個實例或情況。
本文中所描述之用於作為一半導體雷射模組上之一互鎖之透鏡上之一透明導電膜或塗層之一方法及設備之非限制性方法可經修改用於各種應用及用途，同時保持在申請專利範圍之精神及範圍內。本文中所描述及/或附圖中所展示之實施方式及變型僅作為實例呈現，且不限制於範圍及精神。本文中之描述可適於用於作為一半導體雷射模組上之一互鎖之一透鏡上之一透明導電膜或塗層之方法及設備之所有實施方案，然其可關於一特定實方案進行描述。
如本文中所描述，本文中所描述之方法不限於執行任何特定功能之任何特定元件，且所呈現之方法之一些步驟不一定以所示順序發生。例如，在一些情況下，兩個或更多個方法步驟可以一不同順序或同時發生。另外，所描述之方法之一些步驟可為可選的(即使沒有明確說明為可選的)，因此可省略。本文中所揭示之方法之此等及其他變化將為顯而易見的，尤其係鑑於本文中所描述之一方法及設備之描述，且被認為在本發明之全部範疇內。
可省略一些實施方案之一些特徵與其他實施方案一起實施。本文中所描述之裝置元件及方法元件為可互換，且可在本文中所描述之任何實例或實施方案中使用或自其省略。
儘管以上以特定組合描述特徵及元件，然各特徵或元件可在沒有其他特徵及元件之情況下單獨使用，或在具有或沒有其他特徵及元件之情況下以各種組合使用。
100‧‧‧半導體雷射模組
110‧‧‧半導體雷射
120‧‧‧光學元件
130‧‧‧透明導電層
140‧‧‧印刷電路板(PCB)
220‧‧‧光學元件
230‧‧‧跡線
232‧‧‧端點
234‧‧‧端點
240‧‧‧光學元件
250‧‧‧跡線
252‧‧‧端點
254‧‧‧端點
310‧‧‧ITO跡線
320‧‧‧電流
330‧‧‧ITO跡線
340‧‧‧垂直腔表面發射雷射(VCSEL)
350‧‧‧雷射光
410‧‧‧ITO跡線
420‧‧‧電流
430‧‧‧ITO跡線
440‧‧‧垂直腔表面發射雷射(VCSEL)
450‧‧‧雷射光
460‧‧‧場效電晶體(FET)
470‧‧‧暫存器
510‧‧‧步驟
530‧‧‧步驟
可自以下結合附圖之實例給出之描述中獲得更詳細之理解，其中圖式中相同元件符號表示相同元件，且其中：
圖1A係繪示一實例半導體雷射模組之一系統圖，該半導體雷射模組包含塗覆有一透明導電材料之一透明光學元件，該透明導電材料作為一互鎖；
圖1B係圖1A中所繪示之實例半導體雷射模組之三維圖；
圖2A係繪示可在圖1A及圖1B中所繪示之半導體雷射模組內使用之跡線之一實例形狀之一圖；
圖2B係繪示可在圖1A及圖1B中繪示之半導體雷射模組內使用之跡線之另一實例形狀之一圖；
圖3A係繪示當一ITO跡線未被損壞時一電流流動通過一垂直腔表面發射雷射(VCSEL)之一實例連接之一圖；
圖3B係繪示當一ITO跡線損壞時一電流中斷之一實例連接之一圖；
圖4A係繪示當一場效電晶體(FET)之閘極中之一ITO跡線沒有損壞時一電流流動通過一VCSEL之一實例連接之一圖；
圖4B係繪示當閘極中之一ITO跡線至一FET損壞時一電流中斷之一實例連接之一圖；
圖5係繪示用於使用一光學元件提供雷射安全性之一實例製程之一圖，該光學元件塗覆有一透明導電材料。
Claims (15)
- 一種半導體雷射模組，其包括： 一半導體雷射，其經配置以發射雷射光； 一透明光學元件，其經定位以接收及漫射該雷射光；及 一透明導電材料，其與該半導體雷射串聯電連接且經塗覆於該透明光學元件上。
- 如請求項1之半導體雷射模組，其中該透明導電材料包含氧化銦錫(ITO)、摻雜鋁之氧化鋅(AZO)、摻雜鎵之氧化鋅(GZO)或摻雜銦之氧化鋅(IZO)之至少一者。
- 如請求項1之半導體雷射模組，其中該透明光學元件包含一凸透鏡、一雙凸透鏡、一等凸透鏡、一凹透鏡、一雙凹面鏡、一平凸透鏡、一平凹透鏡、一凸凹透鏡、一正彎月透鏡、一負彎月透鏡、一會聚透鏡及一矩形稜鏡之至少一者。
- 如請求項1之半導體雷射模組，其中該透明導電材料形成為形成一彎曲形狀、一盤繞形狀、一條紋形狀、一盒形狀、一圓形形狀、一螺旋形狀及一三角形形狀之至少一者的一連續跡線之至少一者。
- 如請求項1之半導體雷射模組，其中該半導體雷射係適於虹膜或面部辨識之至少一者的一VCSEL雷射。
- 一種當一透鏡及一稜鏡元件之至少一者被損壞時中斷雷射光之方法，其包括以下步驟： 提供一透明導電材料，其經塗覆於一透鏡及一稜鏡元件之該至少一者上且與一半導體雷射串聯電連接，及 當一透鏡及一稜鏡元件之該至少一者上的該透明導電材料被損壞時，回應於斷開該電串聯連接而中斷該雷射光。
- 如請求項6之方法，其中該透明導電材料包含氧化銦錫(ITO)、摻雜鋁之氧化鋅(AZO)、摻雜鎵之氧化鋅(GZO)或摻雜銦之氧化鋅(IZO)之至少一者。
- 如請求項6之方法，其中該至少一透鏡及稜鏡元件係一凸透鏡、一雙凸透鏡、一等凸透鏡、一凹透鏡、一雙凹面鏡、一平凸透鏡、一平凹透鏡、一凸凹透鏡、一正彎月透鏡、一負彎月透鏡、一會聚透鏡及一矩形稜鏡之至少一者。
- 如請求項6之方法，其中該透明導電材料形成為形成一彎曲形狀、一盤繞形狀、一條紋形狀、一盒形狀、一圓形形狀、一螺旋形狀及一三角形形狀之至少一者的一連續跡線之至少一者。
- 如請求項6之方法，其中該半導體雷射係適於虹膜或面部辨識之至少一者的一VCSEL雷射。
- 一種半導體雷射模組，其包括： 一半導體雷射，其經配置以發射雷射光； 一透鏡及一稜鏡元件之至少一者，其經定位以接收及漫射該雷射光；及 一透明導電材料，其與該半導體雷射串聯電連接且經塗覆於一透鏡及一稜鏡元件之該至少一者上。
- 如請求項11之半導體雷射模組，其中該透明導電材料包含氧化銦錫(ITO)、摻雜鋁之氧化鋅(AZO)、摻雜鎵之氧化鋅(GZO)或摻雜銦之氧化鋅(IZO)之至少一者。
- 如請求項11之半導體雷射模組，其中該至少一個透鏡及稜鏡元件係一凸透鏡、一雙凸透鏡、一等凸透鏡、一凹透鏡、一雙凹面鏡、一平凸透鏡、一平凹透鏡、一凸凹透鏡、一正彎月透鏡、一負彎月透鏡、一會聚透鏡及一矩形稜鏡之至少一者。
- 如請求項11之半導體雷射模組，其中該透明導電材料形成為形成一彎曲形狀、一盤繞形狀、一條紋形狀、一盒形狀、一圓形形狀、一螺旋形狀及一三角形形狀之至少一者的一連續跡線之至少一者。
- 如請求項11之半導體雷射模組，其中該半導體雷射係適於虹膜或面部辨識之至少一者的一VCSEL雷射。
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