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TWI844572B - 光導及相關之照明系統及成像系統 - Google Patents

光導及相關之照明系統及成像系統 Download PDF

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TWI844572B
TWI844572B TW108138841A TW108138841A TWI844572B TW I844572 B TWI844572 B TW I844572B TW 108138841 A TW108138841 A TW 108138841A TW 108138841 A TW108138841 A TW 108138841A TW I844572 B TWI844572 B TW I844572B
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羅伯 安傑倫
伊曼紐 史戴莎
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荷蘭商露明控股公司
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Abstract

本發明描述一種包括一半導體光源(2)及一光導(1)之照明模組(3)，該光導(1)包括具有基本上平行入射面(Fin)及出射面(Fex)及延伸在該入射面(Fin)與該出射面(Fex)之間之側面(10、11)的一實心本體；且其中該入射面(Fin)經配置以接收由該半導體光源(2)發射之光(L)；該出射面(Fex)自該入射面(Fin)偏移且該出射面(Fex)之面積超過該入射面(Fin)之面積；一第一側面(10)包括相對於該入射面(Fin)依一傾斜角度(α)對向的一均勻平面；與該第一側面(10)相對之一第二側面(11)包括複數個偏移子面(12)，其中各子面(12)相對於該入射面(Fin)依一傾斜角度(β)對向；且其中形成該等傾斜面(10、12)，使得光(L')離開該出射面(Fex)之方向基本上與光(L)進入該入射面(Fin)之方向相同。本發明進一步描述一種手持式裝置(5)及一種光導(1)。

Description

光導及相關之照明系統及成像系統
本發明描述一種照明模組、一種手持式裝置及一種光導。
垂直腔表面發射雷射(VCSEL)之開發進展已導致VCSEL陣列晶粒成為LED之一受關注替代品以用於各種照明目的。然而，與LED相比，用作一光源之一VCSEL陣列具有一些缺點。主要缺點之一者係斑點。一斑點圖案可能出現在藉由一VCSEL陣列光源照明之一物件之一影像中，且自由VCSEL陣列發射之光中之波前之相互干擾引起。波前可相互抵消，從而導致影像中之暗點。同樣地，波前可彼此增強，從而導致影像中之亮點。
當使用一VCSEL陣列作為一光源時，存在減少影像中之斑點的若干方式。舉例而言，一投射系統可能包含介於VCSEL陣列光源與投射螢幕之間的一移動漫射元件。然而，此等解決方案對於諸如行動電話之小裝置不可行，其中VCSEL陣列將用作一相機閃光燈、手電筒或虹膜掃描器。替代地，一VCSEL陣列驅動器可將經調變電流施加至VCSEL陣列。然而，此增加驅動器複雜性且因此亦增加裝置之總成本。亦已提議製造多波長VCSEL陣列以便減少斑點。然而，與其中陣列之全部VCSEL基本上相同之一單波長VCSEL陣列之製造成本相比，製造此一VCSEL陣列 之成本明顯更高。
一VCSEL光源之一特性係其極窄光束(通常具有約20° FWHM)及其高輻射率，其中一VCSEL之輻射率可被定義為每單位投射面積每單位立體角由發射表面發射之輻射通量。雖然高輻射率通常被認為係一VCSEL之一有利特性，但其在一VCSEL陣列之VCSEL將用於諸如虹膜掃描或面部辨識之一應用中時可能有問題。在無適當保護措施之情況下，源自一高功率VCSEL陣列之聚焦光束可能導致眼睛傷害，尤其若發射光處於人眼不可見之紅外範圍中。與將一VCSEL用於成像應用中相關聯之另一缺點係可由一VCSEL光束照明之角度範圍明顯小於相機之視域。
因此，本發明之一目標係提供使用此一半導體光源用於各種照明目的之一安全方式，其克服上文概述之問題。
US 2004/0175072揭示併入用於將一光束從一光學裝置耦合至一光纖之一透鏡之一光學總成。透鏡包含一彎曲反射表面及一聚焦表面。透鏡經定位以接收光束且將該光束從光學裝置內部反射朝向聚焦表面。
藉由技術方案1之照明模組；藉由技術方案12之成像配置；且藉由技術方案13之光導達成本發明之目標。
根據本發明，照明模組包括一半導體光源及一光導，該光導包括具有基本上平行入射面及出射面及延伸在入射面與出射面之間之若干傾斜側面的一實心、較佳地透明本體。入射面經配置以捕獲由半導體光源發射之基本上全部光。出射面自入射面偏移，且出射面之面積超過入射面之面積。形成光導使得光離開出射面之方向基本上與光進入入射面之方 向相同。光導經塑形使得從入射面延伸之一垂直線無法穿過出射面，即，離開入射面之一光射線自在入射面處進入光導以來已被重新導向至少一次。
由於光導作用以散佈光而不更改其發射方向，因此本發明照明模組特別適合搭配包括VCSEL之一半導體光源使用。舉例而言，半導體光源可包括一VCSEL陣列晶粒。此一VCSEL晶粒可包含配置成一適合組態(舉例而言，配置成一二維矩陣)的50或更多個VCSEL。較佳地，陣列晶粒之VCSEL係頂部發射的。替代地，若可容忍伴隨斑點效應，則代替使用頂部發射雷射，一半導體光源可為一邊緣發射雷射。
光導較佳地由諸如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或聚碳酸酯(PC)之一材料製成且可被可視化為具有平行但偏移入射面及出射面之一實心區塊。各側面從入射面之一邊緣延伸至出射面之一對應邊緣。由於出射面之面積超過入射面之面積，因此顯然至少兩個側面係傾斜的，在相同大致方向上傾斜，藉此一第二側面傾斜至比一相對第一側面整體更大的程度。光導之此等傾斜側面經塑形使得在一起工作的情況下其等以一特定方式將光重新導向離開光導。在本發明之背景內容中，術語「傾斜側面」可被理解為意謂側面依一傾斜角度對向入射面。一傾斜側面可被實現為一光滑或不間斷表面；可包括傾斜至比該側面之傾斜度更大或更小之一程度的子區；可包括若干彎曲區等。實心本體之剩餘側面可假定為垂直的，且可假定不參與重新導向光。在本發明之一較佳實施例中，製成光導之材料可包含阻擋可見光譜波長但透射紅外波長的一顏料。
雖然各種幾何形狀係可行的，但可假定光導之入射面及出射面係平坦的且係矩形形狀，此係因為諸如一VCSEL或VCSEL陣列之一 半導體光源之發射表面亦將大致為正方形或矩形形狀。矩形入射面將具有比矩形出射面更小之一面積，藉此入射面之兩個相對邊緣及出射面之兩個對應相對邊緣可在長度上相等。運用基本上矩形形狀，遵循入射/出射面之相對邊緣係平行的。
本發明照明模組之一優勢係操縱來自半導體光源之光，使得藉由將光散佈於一較大面積上方但無方向之任何淨變化而降低光之輻射率。以此方式，基本上保留光之一有利性質(諸如光方向上之極小散佈)，而可減少光之一不利性質(諸如過多輻射率)(舉例而言，藉由包含在光導之一適當表面處之一適合漫射體)。運用如上文描述之光導，照明模組可用於諸如具有一VCSEL光源之一面部辨識模組或虹膜掃描器之一應用中而未構成一安全風險。此外，當使用一VCSEL光源時，光導之效應係明顯減少斑點。此係因為本發明光導有效地呈現具有明顯大於實際半導體光源之尺寸之一尺寸的一光源。光導之形狀導致波前相互增強或彼此抵消之可能性的明顯降低。當用作一光源以照明待藉由一數位相機成像之一場景時，舉例而言，一漫射結構可應用於光導之出射面。連同光源之較大表觀尺寸一起，此一光導導致藉由相機感測器成像之較小斑點特徵。斑點特徵可能小於感測器像素之尺寸且因此在影像中無法辨別。本發明光導可有利地降低斑點對比度達超過50%。
根據本發明，一成像配置包括一數位相機及用以照明待藉由相機成像之一場景之本發明照明模組之一實施例。由於可以一非常緊湊尺寸製造本發明成像配置，因此其可被併入至諸如一行動電話之一手持式裝置中。
根據本發明，光導如上文描述般形成，即，形成為具有基 本上平行入射面及出射面及延伸在入射面與出射面之間之複數個側面的一實心本體；且其中入射面經配置以接收由一半導體光源發射之光。出射面自入射面偏移且出射面之面積超過入射面之面積。一第一側面包括相對於入射面依一傾斜角度對向的一均勻表面，且與第一側面相對之一第二側面包括複數個偏移子面，其中各子面相對於入射面依一傾斜角度對向。形成傾斜面，使得光離開出射面之方向基本上與光進入入射面之方向相同。
在本發明之一進一步較佳實施例中，可能期望加寬VCSEL光源之原本窄光束。為此，出射面及/或第二側面及/或入射面可以一適合方式紋理化以達成VCSEL光束之散佈。舉例而言，一適合微透鏡陣列可應用於該等光導面之一或多者。
本發明光導之一優勢係光出射面自光入射面偏移，使得如由一觀看者所見之光源之位置自實際光源之發射表面偏移。當用於諸如一行動電話之一緊湊裝置中時，此性質可給予設計者更多組件放置選項。
附屬技術方案及以下描述揭示本發明之特別有利實施例及特徵。可視情況組合實施例之特徵。一個技術方案類別之背景內容中描述之特徵可同樣應用於另一技術方案類別。
除生物測定識別應用(諸如上文提及之面部辨識或虹膜掃描)以外，本發明照明模組亦可用於各種應用中。舉例而言，本發明照明模組可用於諸如驅動器監測、機器視覺等之應用中。
在下文中，但不以任何方式限制本發明，可假定半導體光源係一VCSEL光源，舉例而言，一VCSEL陣列晶粒。術語「半導體光源」及「VCSEL陣列晶粒」可在下文中可交換地使用。一VCSEL陣列晶粒可包括任何數目個VCSEL，且可被認為具有包括複數個VCSEL之貢獻 之一集體發射表面。
在從上方觀看時，(半導體光源之)發射表面之基本上矩形形狀具有一寬度及一高度。本發明光導用以「拉伸」光源形狀，從而導致在位置上自實際光源偏移且具有一明顯更大寬度的一虛擬矩形光源。如從圖式將清楚，光源形狀被「拉伸」或「稀釋」之程度將取決於傾斜側面之形狀。
較佳地，選取光導之尺寸，使得出射面之面積超過入射面之面積達至少200%，更佳地達至少1,000%。此藉由虛擬矩形光源之明顯較大寬度而達成。虛擬光源之高度可基本上與發射表面之高度相同，或可高達發射表面之高度的兩倍大。
在本發明之一較佳實施例中，一第一側面包括相對於入射面依一第一傾斜角度對向的一均勻表面；且與第一側面相對之一第二側面包括複數個偏移子面或小面，其中各小面相對於入射面依一第二傾斜角度對向。第一側面具有一均勻表面，即，第一側面具有一光滑或不間斷表面。相比之下，第二側面係一「階梯狀」或有小面的側面。由於第二面之目的係將光向外引導穿過出射面，因此可假定第二側面之小面沿第二側面之寬度延伸。由於鄰近小面彼此偏移，因此此等有效地給予第二側面一鋸齒狀、鋸齒或齒形剖面。第二側面之子面藉由小步階偏移，該等小步階用於「拉伸」第二側面之長度而不更改小面之傾斜角度。對穿過光導之光之效應係減小其同調長度。雖然一長同調長度通常對於一雷射光源為較佳的，但此性質在諸如虹膜辨識之一應用中可能為非所要的。
在從側面觀看時，光導具有一特定高度或厚度。選取光導之厚度使得在從上方觀看時，光導之出射面不與光導之入射面重疊。較佳 地，選取光導之尺寸使得在從上方觀看時，出射面之一個短邊緣基本上位於入射面之對應邊緣之正上方。
為在離開出射面之光中達成一有利「散佈」，第二側面較佳地具有一相對較高密度之子面。可藉由將入射面之寬度(即，發射表面之寬度)除以n-1而達到n個子面之一最小偏移距離或節距。舉例而言，若光導之第二側面待包括11個子面，則藉由將入射面之寬度除以10而達成一適合值。
較佳地，光導經配置使得其入射面接收源自半導體光源之基本上全部光。考量諸如定位容限、光束散佈等之各個相關因素，光導之入射面應具有至少與VCSEL陣列晶粒之發射表面相同之尺寸及形狀。較佳地，入射面之尺寸超過VCSEL陣列晶粒之發射表面之尺寸達兩倍至十倍。
在本發明之一特別較佳實施例中，形成光導使得從光源接收之光在穿過出射面離開之前經受最小重新導向。為此，選取第一側面相對於入射面之傾斜角度以將一光射線重新引導朝向第二側面。類似地，第二側面之一子面之傾斜角度經配置以將一光射線向外重新引導穿過出射面。一光射線之反射可為鏡面的且可藉由用一反射材料(諸如一二向色塗層)或一適合金屬(諸如鋁、銀或金)之一薄層塗覆相關面而達成。然而，在本發明之一特別較佳實施例中，藉由選取將導致光射線之全內反射之一傾斜角度而達成此效應。
若一光射線未從入射面直接穿過光導行進至出射面，但經反射離開至少一個傾斜面，則顯然該光射線之最小反射數目係2。舉例而言，一光射線到達傾斜第一側面且第一次被反射。經反射光射線到達第二 側面之一傾斜子面且再次被反射。為確保光射線離開光導之方向與該光射線如其進入光導之方向相同，第一側面之傾斜角度較佳地與第二側面之各子面之傾斜角度相同。第二側面之各子面較佳地亦相對於入射面依相同傾斜角度對向。
可藉由選取第一側面及/或第二面之一子面之將導致進入入射面之各光射線之全內反射之一傾斜角度而達成光射線之所要最小重新導向。較佳地，一傾斜角度在40°至60°之範圍中。在第一側面及各子面之傾斜角度係45°時可獲取一有利簡單直觀的實施例。
將從結合隨附圖式考量之以下詳細描述變得明白本發明之其他目標及特徵。然而，應瞭解，僅出於圖解之目的而非作為本發明之限制之定義來設計圖式。
1:光導
2:半導體光源
3:照明模組
4:相機
5:手持式裝置
10:側面
11:側面
12:子面
13:偏移距離
Fin:入射面
Fex:出射面
L:光
L':光
R:光射線
P:垂直線
T:厚度
α:傾斜角度
β:傾斜角度
△:偏移距離
Win:入射面寬度
Wex:出射面寬度
圖1展示本發明光導之一實施例之一側視圖；圖2展示在從上方觀看時圖1之光導之一平面圖；圖3展示在從下方觀看時圖1之光導之一平面圖；圖4展示本發明照明模組之一實施例之一透視圖；圖5展示併入本發明照明模組之一實施例之一手持式裝置；圖6及圖7展示本發明光導之替代實施例。
在圖式中，相同元件符號貫穿全文指代相同物件。圖式中之物件不一定按比例繪製。
圖1展示如與一VCSEL陣列晶粒2一起用作一照明模組3中 之光源2之本發明光導1之一實施例之一側視圖。圖式展示光導1具有相對於光源2配置之一入射面Fin、一出射面Fex、及延伸在入射面Fin與出射面Fex之間的第一側面10及第二側面11。
入射面Fin基本上配置於VCSEL陣列2之發射表面之正上方，使得離開VCSEL陣列2之光L將穿過入射面Fin進入光導1之本體中。由於一VCSEL基本上從其發射表面垂直地發射，因此全部光射線R最初直接向上行進至光導1中(實際上光將展現一小散佈，但為了清楚起見，圖式展示離開發射表面之平行光射線)。在此實施例中，第一側面10之傾斜角度α係45°，使得在一光射線R到達傾斜(slanted或inclined)側面10時，其路徑經歷一90°重新導向。
第二面11包括彼此偏移達偏移距離△的傾斜子面12。選取偏移距離△之長度以獲取出射面Fex之一所要寬度Wex。舉例而言，選取偏移距離△之長度以獲取寬度為入射面寬度Win之數倍的一出射面Wex。在此實施例中，各子面12之傾斜角度β亦為45°，使得在一光射線R到達一傾斜(slanted或inclined)子面12時，其路徑經歷另一90°重新導向。光導1經塑形使得從入射面Fin延伸之一垂直線P無法穿過出射面Fex。換言之，任何光射線皆不可能離開出射面而未在於入射面處進入光導之後被重新導向至少一次。光導1之形狀係使得由VCSEL陣列發射之光L在其離開出射面Fex時被「稀釋」，但其行進方向未改變。光導1之厚度大體上由藉由側面10、11界定之部分之厚度T給定且取決於第一側面10之選取傾斜角度α。
在此例示性實施例中，VCSEL陣列可具有沿各側量測為約0.5mm之一發射表面。入射面可具有類似尺寸，使得入射面Fin之各邊緣具有至少0.5mm之一長度(以確保捕獲全部光)。光導1之第二面11可形成 為具有偏移達0.2mm至0.4mm的10個至15個傾斜子面12，使得出射面之寬度Wex比入射面Fin之寬度Win長3倍至5倍。
光導可由一適合聚合物(諸如PMMA)製成。當VCSEL陣列晶粒2包括發射紅外光VCSEL時，光導1可包含阻擋可見光譜波長但透射紅外波長的一顏料。為改良裝置之安全性且獲取一所要光分佈，一漫射元件可經配置於離開光導1之出射面Fex之光L'之路徑中。舉例而言，一微透鏡陣列可經配置於出射面Fex上方。
圖2展示在從上方觀看時圖1之光導1之一平面圖。圖式展示出射面Fex及傾斜第一側面10，其具有與入射面Fin之面積一致之一投射面積，使得出射面Fex呈現為位於入射面Fin旁邊。
圖3展示在從下方觀看時圖1之光導1之一平面圖。圖式展示入射面Fin及第二側面11，其包括彼此偏移達偏移13的傾斜子面12。第二面11之投射面積與出射面Fex之面積一致。
圖4展示本發明照明模組3之一實施例之一透視圖。此處，可穿過光導1之透明本體清晰地看見第二側11之傾斜子面12。圖式亦展示光導1之出射面Fex之水平「高度」對應於VCSEL陣列2之發射表面之水平「高度」。僅從發射表面發射之光之水平寬度被光導1「拉伸」，且虛擬光源將具有出射面Fex之矩形尺寸。
圖5展示具有併入本發明照明模組3之一實施例之一成像配置之一手持式裝置5(諸如一行動電話)。圖式之放大部分展示光導1之出射面Fex，且指示半導體光源2在光導1之入射面下方之位置。圖式亦指示手持式裝置之一相機4，其可擷取藉由照明模組3照明之一場景之一影像。手持式裝置可被製造為在裝置之前方及/或後方併入此一成像配置。成像配 置之一實施例可用於一虹膜掃描應用中，舉例而言，即使半導體光源包括紅外VCSEL，此仍可被安全地實行。
圖6展示本發明光導1之一進一步實施例之一側視圖。此處，第一側面10具有一較陡傾斜角度，使得進入光導1之光L在到達第二面11且藉由傾斜子面12重新導向以離開出射面Fex之前在第一面10處經歷TIR且接著在出射面Fex內部再次經歷TIR。同樣此處，光導1經塑形使得從入射面Fin延伸之一垂直線P無法穿過出射面Fex。為搭配一紅外光源2使用，光導可由包含用以阻擋可見光譜波長但透射紅外波長之一顏料的一適合材料製成。
圖7展示本發明光導1之一替代實施例。此處，已形成側面10、11而無小面或子面。代替地，側面10、11彎曲，使得光藉由TIR重新引導穿過光導1之本體，且使得從入射面Fin延伸之一垂直線P無法穿過出射面Fex。同樣在此情況中，出射面面積明顯大於入射面面積，從而導致光之所要「散佈」或「拉伸」以在使用光源2來照明待由一數位相機拍攝之一場景時減小光之同調長度及/或減小一影像中之斑點對比度。
儘管已依較佳實施例及其上之變動之形式揭示本發明，然將瞭解，可對其進行眾多額外修改及變動而不脫離本發明之範疇。
為了清楚起見，應瞭解，貫穿本申請案使用「一」或「一個」不排除複數個，且「包括」不排除其他步驟或元件。提及一「單元」或一「模組」不排除使用一個以上單元或模組。
1:光導
2:半導體光源
3:照明模組
10:側面
11:側面
12:子面
13:偏移距離
Fin:入射面
Fex:出射面
L':光
R:光射線
P:垂直線
T:厚度
α:傾斜角度
β:傾斜角度
△:偏移距離
Win:入射面寬度
Wex:出射面寬度

Claims (20)

  1. 一種光導，其包括：一實心本體，該實心本體具有：一入射面，一出射面，其平行於該入射面，該出射面具有一面積，其超過該入射面之面積，一第一傾斜側面，其自該入射面延伸至該出射面且包括相對於該入射面依一第一傾斜角度對向(subtend)的一均勻平面，及一第二傾斜側面，其自該入射面延伸至該出射面且包括複數個偏移子面，該複數個偏移子面之各子面相對於該入射面依一第二傾斜角度對向。
  2. 如請求項1之光導，其中該實心本體經塑形使得從該入射面延伸之一垂直線無法穿過該出射面，且光離開該出射面之一方向係基本上與光進入該入射面之一方向相同。
  3. 如請求項1之光導，其中該出射面之該面積超過該入射面之該面積達至少500%。
  4. 如請求項1之光導，其中該出射面之該面積超過該入射面之該面積達至少1000%。
  5. 如請求項1之光導，其中選取該第一傾斜角度以將一光射線重新引導朝向該第二傾斜側面。
  6. 如請求項1之光導，其中該複數個偏移子面包括至少5個子面。
  7. 如請求項1之光導，其中該複數個偏移子面包括至少10個子面。
  8. 如請求項1之光導，其中該第二傾斜角度經配置以將一光射線向外重新引導穿過該出射面。
  9. 如請求項1之光導，其中該第二傾斜角度對於該複數個偏移子面之各子面為相同。
  10. 如請求項1之光導，其中該第一傾斜角度與該第二傾斜角度相同。
  11. 如請求項1之光導，其中該第一傾斜角度及該第二傾斜角度係各介於45°與60°之間。
  12. 如請求項1之光導，其中該入射面及該出射面為矩形形狀。
  13. 一種照明系統，其包括：一半導體光源；及一光導，其包括一實心本體，該實心本體包括： 一入射面，其鄰近於該半導體光源，一出射面，其平行於該入射面，該出射面具有一面積，其超過該入射面之面積，一第一傾斜側面，其自該入射面延伸至該出射面且包括相對於該入射面依一第一傾斜角度對向的一均勻平面，及一第二傾斜側面，其自該入射面延伸至該出射面且包括複數個偏移子面，該複數個偏移子面之各子面相對於該入射面依一第二傾斜角度對向。
  14. 如請求項13之照明系統，其中該光導經配置使得該入射面接收源自該半導體光源之基本上全部光。
  15. 如請求項13之照明系統，其中該出射面之該面積超過該入射面之該面積達至少500%。
  16. 如請求項13之照明系統，其中該第一傾斜角度及該第二傾斜角度係各介於45°與60°之間。
  17. 如請求項13之照明系統，其中該半導體光源包括至少一垂直腔表面發射雷射(VCSEL)。
  18. 一種成像系統，其包括：一相機；及 一照明模組，該照明模組包括：一半導體光源；及一光導，其包括一實心本體，該實心本體包括：一入射面，其鄰近於該半導體光源，一出射面，其平行於該入射面，該出射面具有一面積，其超過該入射面之面積，一第一傾斜側面，其自該入射面延伸至該出射面且包括相對於該入射面依一第一傾斜角度對向的一均勻平面，及一第二傾斜側面，其自該入射面延伸至該出射面且包括複數個偏移子面，該複數個偏移子面之各子面相對於該入射面依一第二傾斜角度對向。
  19. 如請求項18之成像系統，其中該第一傾斜角度及該第二傾斜角度係各介於45°與60°之間。
  20. 如請求項18之成像系統，其中該半導體光源包括至少一垂直腔表面發射雷射(VCSEL)。
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