TWI583991B - 繞射光學元件以及半導體雷射－繞射光學元件模組 - Google Patents

Description

繞射光學元件以及半導體雷射-繞射光學元件模組

本案是關於一種有關半導體雷射-繞射光學元件模組的領域，特別是一種有關整合半導體雷射及繞射光學元件模組的領域。

智慧手機等行動裝置是現代人生活中不可缺少的配備，在大尺寸觸控板的設計趨勢下，行動裝置可以有足夠的空間容納所需的元件。然而，除了大尺寸觸控板，輕且薄型化的外觀也是行動裝置的主流設計。因此，當行動裝置中的若干元件因功能等因素而必須以特定方式設置於行動裝置中時，此些元件的厚度或尺寸大小和行動裝置的薄度將有直接的關係，例如目前市售的智慧手機，其鏡頭模組的厚度大於智慧手機的厚度，故容置於智慧手機中的鏡頭模組，其所在之位置通常會凸出於智慧手機的蓋體，影響智慧手機的美觀。

除了鏡頭模組外，愈來愈多的跡象顯示，投影功能的元件整合入智慧手機是設計趨勢之一。圖1為一般投影所需的光源設計的側面示意圖。請參考圖1，一般的半導體雷射12發出點光束13，準直鏡14接收點光束13並將點光束13準直化成為準直光束15，再由繞射光學元件16接收準直光束15將之繞射後輸出所需的繞射光17。上述的光源架構中，半導體雷射12和準直鏡14間的工作距離特定且需要高準確度，因此增加了組裝成本。此 外，需要上述三種元件的光源，其整體長度或厚度亦可觀，恐難以容置於輕薄化的行動裝置上。

為解決上述問題，本案提供一種繞射光學元件和整合該繞射光學元件的半導體雷射-繞射光學元件模組，該繞射光學元件可接收並處理非準直化光束，故應用於投影光源時，可以減少原本所需準直鏡的透鏡和組裝成本。

為解決上述問題，本案提供一種繞射光學元件和整合該繞射光學元件的半導體雷射-繞射光學元件模組，該繞射光學元件和半導體雷射之間無需設置一般的準直鏡，因此減少了架構整體的長度，適合應用於如智慧手機的行動裝置。

為解決上述問題，本案提供一種繞射光學元件和整合該繞射光學元件的半導體雷射-繞射光學元件模組，其包括製作於繞射光學元件上的一凹面鏡結構，具擴束的功能，使得光束能於短距離內到達繞射光學元件面時，有足夠的光束面積打在繞射光學元件面上。

為解決上述問題，本案提供一種繞射光學元件和整合該繞射光學元件的半導體雷射-繞射光學元件模組，利用不需具準直的光源的繞射光學元件，可以產生所需的繞射出光配置。

依據上述，一種半導體雷射-繞射光學元件模組，包括：一雷射光源模組，其輸出一非準直點光束；以及一繞射光學元件，其接收來自該雷射光源模組的該非準直點光束以及將該非準直點光束調制輸出成為一帶有光資訊的光。

較佳地，該半導體雷射-繞射光學元件模組更包括容置該雷射光源模組和該繞射光學元件的一殼體。

較佳地，該繞射光學元件包括一透明基板以及形成於該透光基板之一第一面的一微結構，該微結構繞射該非準直點光束。

較佳地，具有該微結構的該第一面為一平面或一曲面。

較佳地，該微結構分布於一部分或全部該第一面上。

較佳地，該微結構位於該第一面的外側以暴露於該第一面外，或是位於該第一面的內側。

較佳地，該第一面朝向該雷射光源模組，或是朝向該半導體雷射-繞射光學元件模組外。

較佳地，該繞射光學元件更包括一可擴束的功能結構形成或設置於該透光基板之一第二面，並且該非準直點光束通過該可擴束的功能結構。

較佳地，該可擴束的功能結構包括以半導體製程加工成或以精密加工成一幾何光學面的一凹透鏡。

較佳地，該第一面介於該雷射光源模組和該第二面之間，或是該第二面介於該雷射光源模組和該第一面之間。

較佳地，該雷射光源模組和該繞射光學元件保持一間距，該間距為0或不為0。

依據上述，一種繞射光學元件，包括一透光基板以及接收非準直雷射點光束的一微結構，其中，該微結構形成於該透光基板上。

較佳地，該繞射光學元件的該微結構位於該透光基板的一第 一面，該繞射光學元件更包括一可擴束的功能結構位於該透光基板的一第二面。

較佳地，該繞射光學元件的該微結構分布於一部分或全部該第一面上。

較佳地，該繞射光學元件的該可擴束的功能結構包括分布於一部分或全部該第二面上的一凹透鏡。

為了能進一步了解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明的詳細說明及附圖。本發明的目的、特徵或特點，當可由此得到一深入且具體的瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用以對本發明加以限制者。

12‧‧‧半導體雷射

13‧‧‧點光束

14‧‧‧準直鏡

15‧‧‧準直光束

16‧‧‧繞射光學元件

17‧‧‧繞射光

2‧‧‧半導體雷射-繞射光學元件模組

22‧‧‧雷射光源模組

24‧‧‧繞射光學元件

23‧‧‧殼體

25‧‧‧非準直點光束

221‧‧‧窗口

27‧‧‧帶有光資訊的光

L‧‧‧間距

T‧‧‧總長度

U‧‧‧厚度

34、44、54‧‧‧繞射光學元件

28‧‧‧透光基板

341、441、541‧‧‧第一面

343、443、543‧‧‧第二面

64‧‧‧繞射光學元件

641‧‧‧第一面

643‧‧‧第二面

642‧‧‧可擴束的結構或形狀

36、46、56、66‧‧‧微結構

圖1為一般投影所需的光源設計的側面示意圖。

圖2為本案之一雷射光源模組設計實施例的側面示意圖。

圖3為本案之繞射光學元件不同實施例的放大側面示意圖。

圖4為本案之繞射光學元件不同實施例的放大側面示意圖。

圖5為本案之繞射光學元件不同實施例的放大側面示意圖。

圖6為本案之繞射光學元件不同實施例的放大側面示意圖。

本案之繞射光學元件和整合該繞射光學元件的半導體雷射-繞射光學元件模組，適合應用於智慧手機等行動裝置上作為雷射光源。以目前而言，利用TO-CAN封裝的雷射，適合於智慧手機的半導體雷射模組的尺寸為6x6x7毫米(長x寬x厚)，將來更演進至4x6x4毫米。因此，本案之整合 該繞射光學元件的半導體雷射-繞射光學元件模組的厚度將可以壓縮至4毫米以下。如果進一步使用表面固定型元件(Surface Mount Device,SMD)封裝的雷射，雷射模組厚度更可降到2毫米，足夠手持裝置使用，並且雷射模組也可直接於印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)板上，利用傳統打件方式生產。

其次，由一般雷射光源發出的雷射光束為一非準直的點光束，習知多利用一準直鏡將此非準直的點光束準直化後為平行光後才會入射其他光學元件。本案以下所述的非準直光，係指由一般雷射光源發出的雷射光束，在入射本案之繞射光學元件前未經過任何的準直化，其一般具有不等於0度的光束發散角(beam divergence)。本案可應用的發出非準直的點光束的雷射光源，舉例但不限地，例如常見半導體端射型雷射(edge emitting laser)、垂直共振腔面射雷射(VCSEL)或其他種類的雷射光源。

圖2為本案之一半導體雷射-繞射光學元件模組設計實施例的側面示意圖。請參考圖1，半導體雷射-繞射光學元件模組2包括一雷射光源模組22以及一繞射光學元件24，半導體雷射-繞射光學元件模組2可更包括容置雷射光源模組22以及繞射光學元件24的一殼體23。於本實施例中，雷射光源模組22的非準直點光束25由雷射光源模組22的一窗口221射出，其中窗口221可以為雷射光源模組22的一開口，或是在開口有其他不具準直功能的元件(圖上未繪)，例如防塵用的一透明保護片或灌膠。可以理解的，雷射光源模組22亦可提供一表面，或如垂直共振腔面射雷射(VCSEL)的光源陣列，以發出複數個非準直點光束25。

其次，繞射光學元件24設置於雷射光源模組22上以使非準直 點光束25入射繞射光學元件24，其中，雷射光源模組22本身或和繞射光學元件24之間並未有任何具準直化功能的光學元件或結構介入。又，繞射光學元件24和雷射光源模組22之間可具有一間距L，其中間距L可以是0或不為0，亦謂繞射光學元件24可以完全貼附於雷射光源模組22上，或是與雷射光源模組22保持一距離。是以，本案的繞射光學元件24可以完全貼附於雷射光源模組22上，故使得繞射光學元件24和雷射光源模組22的總長度T(平行非準直點光束25方向上的長度)可以縮短到很小，進而使得殼體23的厚度U亦可以縮短以達到上述的4毫米以下。

再者，非準直點光束25入射並經過繞射光學元件24的繞射處理後便成為具有二或二以上維度的帶有光資訊的光27，帶有光資訊的光27射出半導體雷射-繞射光學元件模組2外後便可以投影至任何適當的著光面或空間上。可以理解的，由於帶有光資訊的光27是經過繞射光學元件24的調制，因此光資訊的亮度可以依設計需求很均勻或有灰度的變化，不會出現設計條件外的突兀亮點。除了帶有較大亮度的光資訊外，帶有光資訊的光27亦可以帶有亮度較弱的背景光，並且即使是背景光的亮度也是均勻或緩變的。

圖3、4、5為本案之繞射光學元件不同實施例的放大側面示意圖。請參考圖3、4、5，本案的繞射光學元件34、44、54可以以適當的透光材料為透光基板28，在透光基板28的至少任一表面製作或形成繞射紋路或圖樣的微結構。以圖3來看，透光基板28的第一面341朝向雷射光源模組，帶有光資訊的光則由透光基板28的第二面343射出，則具有接收非準直點光束的繞射紋路或圖樣的微結構36製作於透光基板28的第一面341上，第二面 343則可為無微結構，其中微結構36可以是UV固化膠層製作暴露於第一面341上或蝕刻製作紋路於第一面341外側。圖4則和圖3相反，朝向雷射光源模組的第一面441不具繞射功能，第二面443則包括可接收非準直點光束的繞射紋路或圖樣的微結構46並產生繞射圖像。圖5中的第一面541和第二面543則皆包括接收非準直點光束的繞射紋路或圖樣的微結構56。此外，要說明的是，繞射光學元件34、44、54的第一面或第二面皆可以分別為平面或是有弧度或曲率的面。另外，非準直點光束的繞射紋路或圖樣的微結構可以分布或形成於透光基板的一部分或全部表面。

除了製作繞射紋路或圖樣的微結構外，本案之繞射光學元件仍可包括其他功能的功能面。圖6為本案之繞射光學元件另一實施例的放大側面示意圖。請參考圖6，繞射光學元件64亦以透光材料為透光基板28，其朝向雷射光源模組的第一面641具有或包括一可擴束的結構或形狀642，例如以半導體製程DOE製作或精密加工製作的幾何光學面的一凹透鏡結構，帶有光資訊的光則由包括繞射紋路或圖樣的微結構66的第二面643射出，其作用在於擴大入射的非準直點光束大小，使得經過微結構66的光束可以有較大著光面積，才能接受較多的波前調製資訊，進而投射出較細膩的圖樣。可以理解的，如此的可擴束的結構或形狀亦可以分布於透光基板的一部分或整個表面。

依據上述，對於整個半導體雷射-繞射光學元件模組而言，省略習知的繞射光學元件和雷射光源模組之間需放置準直光學元件，甚至將繞射光學元件貼附於雷射光源模組上，本案的半導體雷射-繞射光學元件模組可縮短整個模組於平行光軸上的長度，同時降低整個模組的材料和組 裝成本，是適合應用於薄型化的行動或穿戴裝置上。

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。

2‧‧‧半導體雷射-繞射光學元件模組

22‧‧‧雷射光源模組

24‧‧‧繞射光學元件

23‧‧‧殼體

25‧‧‧非準直點光束

221‧‧‧窗口

27‧‧‧帶有光資訊的光

L‧‧‧間距

T‧‧‧總長度

U‧‧‧厚度

Claims (10)

1. 一種半導體雷射-繞射光學元件模組，包括：一雷射光源模組，其輸出一非準直點光束；以及一繞射光學元件，包括一透光基板以及形成於該透光基板之一第一面並包括有繞射紋路或圖樣的一微結構，該微結構係繞射由該繞射光學元件所接收之來自該雷射光源模組的該非準直點光束以及將該非準直點光束調制輸出成為一具有至少二維度並帶有光資訊的光。
2. 如請求項1所述的半導體雷射-繞射光學元件模組，更包括容置該雷射光源模組和該繞射光學元件的一殼體。
3. 如請求項1所述的半導體雷射-繞射光學元件模組，其中，具有該微結構的該第一面為一平面或一曲面。
4. 如請求項3所述的半導體雷射-繞射光學元件模組，其中，該微結構分布於一部分或全部該第一面上。
5. 如請求項3所述的半導體雷射-繞射光學元件模組，其中，該微結構位於該透光基板之該第一面，且該第一面介於該雷射光源模組和該透光基板之一第二面之間，抑或是該透光基板之該第二面介於該雷射光源模組和該透光基板之該第一面之間。
6. 如請求項1所述的半導體雷射-繞射光學元件模組，其中，該第一面朝向該雷射光源模組，或是朝向該半導體雷射-繞射光學元件模組外。
7. 如請求項1所述的半導體雷射-繞射光學元件模組，其中，該繞射光學元件更包括一可擴束的功能結構形成或設置於該透光基板之一第二面，並且該非準直點光束通過該可擴束的功能結構。
8. 如請求項7所述的半導體雷射-繞射光學元件模組，其中，該可擴束的功能結構包括以半導體製程加工成或以精密加工成一幾何光學面的一凹透鏡。
9. 如請求項6所述的半導體雷射-繞射光學元件模組，其中，該透光基板之該第一面介於該雷射光源模組和該透光基板之一第二面之間，或是該透光基板之一第二面介於該雷射光源模組和該透光基板之該第一面之間。
10. 如請求項1所述的半導體雷射-繞射光學元件模組，其中，該雷射光源模組和該繞射光學元件保持一間距，該間距為0或不為0。