TWI431878B - 一種製造雷射裝置的方法 - Google Patents

Description

一種製造雷射裝置的方法

本發明係有關於一種製造雷射裝置的方法，該雷射裝置具有為發射雷射光束所裝設之一半導體雷射與相對於半導體調整位置之一透鏡。此外，本發明係有關於一種雷射裝置與此雷射裝置在投影應用之使用。

於半導體雷射中，一般經由p型與n型摻雜區介面間的電子電洞重合過程產生光，其中可藉由選擇半導體材料決定發射波長，一般在近紅外光到紫外光的範圍內。

於習知雷射裝置技術中，半導體雷射裝設於一金屬外罩中，且外罩中設有一透鏡以聚焦雷射光束。此透鏡位於一外罩蓋中之一穿透開口內，且以夾具固定於此位置。

本發明之目的在於提供一種方法，以製造含可相對於半導體雷射調整位置的透鏡之雷射裝置。

為達到此目的，本發明中使透鏡首先垂直於雷射光束傳播方向移動，讓雷射光束穿透，其中透鏡光軸平行於雷射光束傳播方向，且使透鏡隨後藉由利用流質性材料固化之一接合連結，以將透鏡固定於一透鏡座，使透鏡垂直於雷射光束傳播方向之可移動性受阻。

將此透鏡校準，使其光軸平行於雷射光束傳播方向。於此，平行意謂朝兩側仍有至多15°的偏差角度範圍，較佳者為至多5°的偏差，尤佳者為至多2°。此處雷射光束亦可為收聚或發散，使傳播方向可為許多方向之一平均效果。

然後，使光學軸平行於雷射光束傳播方向校準後的透鏡垂直於雷射光束傳播方向移動，以讓雷射光束穿透。所謂垂直亦含上述角度公差。亦可視需求在垂直於光學軸的移動前、移動時或移動後，使透鏡沿光軸移動。一方面，此時，透鏡座可以相對於透鏡固定的整體相對位置移動，並僅沿傳播方向或其垂直方向移動。另一方面，透鏡座亦可獨立於透鏡移動，例如使透鏡先移動至目標位置，再移動透鏡座，或者透鏡座先沿傳播方向移動，再使透鏡朝對應的橫向沿透鏡座移動。

隨後，在垂直於傳播方向移動後，藉由一接合連結，將透鏡固定於透鏡座，以使透鏡的可移動性受阻。於此，所謂可移動性意指透鏡相對於半導體雷射的位置可以改變，例如藉由一導動裝置的導動工具限制透鏡，且藉此相對於半導體雷射移動。當透鏡因束固工具的固定無法移動，即使僅能經由推移裝置移動，可移動性仍存在。因此，可藉由經流質性材料固化之一接合連結，如銲接、錫焊或黏著，使透鏡與透鏡座間的可移動性持久受阻。

於本發明中，一接合連結係經元件間或元件上用於固化接合連結的流質性材料，俾兩元件持久地彼此相對位置固定。此材料原先為流質性，亦即具有相當黏滯性的流體狀態，且較佳者亦在此狀態下舖設。藉由例如與空氣或其他氣體接觸，或者藉由添加化學反應劑，藉由例如與光的交互作用或冷卻，此材料將從流質變成固態。其中該材料形體固定，大致保有其形態，然而仍可視需要，在外力作用下求表現彈性或黏滯塑性；亦即無須為完全僵化。該連結係為持久性的，意即僅經由例如尤為劇烈外力之力學作用、加熱或化學處理使接合連結脫離後，元件始可再度相對彼此移動。

於本發明中，透鏡先垂直於傳播方向移動，然後才固定位置，俾透鏡以高精確度相對於半導體雷射個別調整其位置。藉由透鏡位置調整，可補償例如因裝設所致半導體雷射位置的偏移。

本發明之較佳實施態樣陳述於申請專利範圍附屬項中。以下描述不再個別區分製造雷射裝置的方法與本發明之應用，所載技術內容應理解為包含所有範疇。

於本發明之一第一實施態樣中，沿傳播方向移動該透鏡，直到透鏡的可移動性垂直於傳播方向受阻立即停止。於此較佳者係將透鏡座裝設成可沿雷射光束傳播方向推移，更佳者係透鏡位置於此方向經透鏡與透鏡座間之配置固定，尤佳者為經由一平坦的配置面固定。

較佳者，沿傳播方向可推移的配置方式可提供透鏡座(因此即透鏡的配置面)與半導體雷射間的複數個相對位置，尤佳者為經由直線式運動。可推移的配置方式亦可能藉由例如螺旋連結達成，其旋轉軸係朝向傳播方向。

透鏡的配置面與半導體雷射間之相對位置可經由例如光學、力學或電學的距離量測調控設定。然而較佳者，配置面與半導體雷射間的相對位置可根據穿透透鏡的雷射光束設定，尤可根據其直徑設定。

重要的是，當透鏡的可移動性在垂直於傳播方向受阻時，透鏡的位置在雷射光束傳播方向的方向上已被固定(即使尚未必然完全受阻)。

於其他實施態樣的設置中，透鏡垂直於傳播方向的可移動性與沿傳播方向的可移動性同時受阻。一方面，透鏡座沿傳播方向的可移動性已然受阻，俾透鏡座與透鏡間的接合連結阻止其沿垂直於傳播方向的可移動性。於此，可例如兩次調整透鏡位置，俾第一次位置調整後據此阻止透鏡座的可移動性，且於第二位置調整後形成透鏡座與透鏡間的接合連結。

另一方面，透鏡與透鏡座間的接合連結與阻止其沿傳播方向的可移動性亦可同時完成。較佳者，可先使透鏡移動，以達到預設的偏移量與雷射光束直徑，因此將透鏡移至最終調整位置。其間可使透鏡座同時或甚至同步隨同透鏡移動，或者獨立移動。透鏡移至調整位置後，可同時阻止透鏡與透鏡座的可移動性。

於另一實施態樣中，透鏡垂直於傳播方向移動時，係沿透鏡座之一正面上的平台裝置導動，其中透鏡除此限制外並無受限。其僅藉用於組裝之一導動裝置，與透鏡座連接，且將於沿平台裝置的可移動性受阻後去除。較佳者，透鏡座因此包含對準垂直傳播方向之一平坦配置面，其上為例如平凸或平凹透鏡之平坦面設有一平台裝置。因為此平台裝置，當透鏡垂直於傳播方向移動時，不會改變透鏡沿傳播方向的位置。

此時透鏡無須接觸透鏡座。另一可能是，導動工具接觸透鏡座，或者導動工具與透鏡不接觸透鏡座，移動時與其保持大致固定距離。重要的是，可依據雷射光束偏移進行例如垂直於傳播方向的透鏡位置調整，而避免因此改變雷射光束的直徑。除了具有一平坦端面的透鏡，亦可設置例如具有垂直於光學軸環繞突出的突緣之一透鏡，其中在透鏡座於此突緣朝向半導體雷射之一側設有一平台裝置。

若透鏡於組裝時平放於透鏡座且視需求甚至接觸透鏡座，則透鏡僅經由用於組裝且於組裝後去除的導動裝置，與透鏡座連接。所謂「連接」即表示對於導動目的充分的實體連結，然其無需劇烈外力亦可再脫離，尤其去除接合連結。因此，當透鏡沿透鏡座的平台裝置移動，透鏡座與透鏡將可藉由例如導動裝置的導動工具經由夾扣、螺旋或負壓機制束固。

於另一實施態樣中，透鏡在垂直於與沿著雷射光束傳播方向移動後，再將透鏡座朝向相對自由的透鏡導動(且此時僅經由用於組裝並於透鏡座與透鏡間的接合連結形成後去除之一導動裝置，與其連接)。因此，透鏡可藉由例如導動裝置的導動工具移動至相對於半導體雷射調整的位置。同樣可用導動裝置的導動工具固定之透鏡座係於透鏡已達調整位置且不再移動後才朝向透鏡導動。較佳者，透鏡、 透鏡座以及半導體雷射連同可選用的裝設裝置因固定於其導動工具上，故在調整中僅經由導動裝置彼此連接。

若透鏡座不隨著移動，即更容易達成透鏡的移動，因為此情況下在調整中僅須移動一件導動工具。在定位後才使透鏡座朝向透鏡導動，其可藉由例如兩導動工具間的配合進行，亦可視需求藉依距離決定的速度調制進行。

較佳者，使透鏡與透鏡座在區域(其一般可預期的彼此間相對移動)具有一平坦配置面，除了沿傳播方向將透鏡座朝向透鏡移動外，無需其他配合調整。透鏡座與導動裝置或半導體雷射的裝設裝置間的接合連結，例如一外罩，可阻止透鏡座沿傳播方向的可移動性，而透鏡與透鏡座間的第二接合連結可阻止透鏡垂直於傳播方向(以及沿傳播方向)的可移動性；透鏡藉由此兩接合連結相對於半導體雷射固定其位置。

於另一實施態樣中，透鏡與透鏡座係經由負壓於導動裝置導動工具而固定。如此，透鏡座與透鏡一方面可於定位時確保固定與導動，只要可移動性尚未受阻即可。另一方面，透鏡座與透鏡可隨後簡單地藉由去除負壓再度自由釋放，無須解除任何力學連結，因此可避免已調整位置的破壞。

在此，導動工具與透鏡或透鏡座可相互配合，例如導動工具可具有與透鏡座或透鏡之對應外表面上拱形結構配合的吸引開口。另一方面，透鏡或透鏡座亦可具有平坦平面，其上對應導動工具之平坦的吸引開口設有平坦配置面。

於另一實施態樣中，半導體雷射可裝設於一外罩，且藉由外罩與透鏡座間的接合連結，阻止透鏡沿傳播方向的可移動性。此處，外罩可於垂直傳播方向之一平面具有例如圓形或方形之一截面。

於另一實施態樣中，透鏡座為具有如此通道開口的管狀體，使透鏡座在透鏡移動前可推上外罩，且於移動前推移至外罩上。於此，通道開口可配合外罩，具有由傳播方向視之大致呈圓形亦或方形之一截面，且構成在較佳者中，使得沿傳播方向移動時，管狀體的內壁於外罩上與其位置相對的外側具有一平坦配置面。就沿傳播方向移動必要的運動空間而言，此平坦的配置面阻止透鏡座在垂直傳播方向的可移動性。於此較佳實施態樣中，透鏡座(大致)僅可沿傳播方向推移(不改變重心距離的旋轉運動並非此處所謂的移動)。

於另一實施態樣中，使第二透鏡沿傳播方向與其垂直方向移動，隨後使用可使接合連結固化的流質性材料，以藉由接合連結，固定於第二透鏡座。此處第二透鏡座以及第二透鏡可如前述方式推移，且可以接合連結阻止可移動性。第二透鏡座的可移動性可藉由與第一透鏡座或與例如外罩之半導體雷射組裝裝置的接合連結阻止。利用兩透鏡的設置，可藉例如一圓柱型透鏡調整在傳播方向具有橢圓截面強度分佈的雷射光束，以產生大致為正圓形的截面強度分佈。橢圓截面強度分佈可因波導幾何形成，例如在具有方形且尤其非正方形強度分佈的半導體雷射中。藉由從傳播方向看來具有旋轉對稱的第二透鏡，可依前述方式改變(已成正圓形)雷射光束的偏移與直徑。

於另一實施態樣中，透鏡移動時可將雷射光束偏折至一光學感應器。雷射光束可經透鏡直接到感應器，或亦可再經另一光學光路偏折至此。感應器可以例如二極體組成，其中可根據所設兩二極體得到的訊號差異測量雷射光束在某一方向的偏移。在類似方式中，可藉四個二極體或一個具有四相的二極體(四相二極體)，決定雷射光束在一平面上的偏移或其直徑。這也可以藉由以光敏單元陣列組成的CCD感應器(電荷耦合元件)達成。

因此，光學感應器可依雷射光束的偏移或直徑提供電性訊號，其隨後可例如送達自動控制或調制單元，或提供人員可以視覺讀取的顯示。較佳者，電性訊號可於移動透鏡時作為控制或調整參數，亦可視需求轉換成電子式。

於另一實施態樣中，接合連結係以黏著劑形成。對於例如透鏡座與透鏡間的黏著連結，一方面因為黏著劑與透鏡座以及與透鏡的黏著，另一方面因為黏著劑的內在硬度，可形成透鏡座與透鏡間的固定(即使非無法分離的)連結。

此處可用例如含溶劑的黏著劑、散延式黏著劑亦或化學硬化黏著劑，作為黏著劑。除了合成材料，黏著劑亦可含有例如金屬或玻璃的成分，且可進一步最佳化其組成，以使硬化時的收縮最小化。

較佳者，黏著劑的空間分佈可為對稱的，使當黏著劑收縮時，各部分所受的力量大致互相抵消(適用所有接合連結)。當透鏡在傳播方向看來是圓形時，可例如於其整個圓周上連續鋪設黏著劑，或在圓周上等距離地形成黏著劑佈置點。

黏著劑尤可為以紫外線硬化的黏著劑。例如丙烯酸酯類的以紫外線硬化之黏著劑，可先行初硬化。較佳者，透鏡與透鏡座於初硬化後即可取用導動工具，讓導動裝置可再度用於調整下一個雷射裝置。然後可使初硬化的元件完全硬化，此亦可藉由使用另一波長或燈具功率完成。

另一實施態樣中，透鏡座包含一紫外光可穿透之材料，且外罩與透鏡座間的黏著連結係以照射紫外光硬化。透鏡座不同於接合連結材料，在透鏡移動前已呈定形狀態，其較佳者為使用紫外光可穿透的合成材料或石英玻璃。在紫外光照射時，可減少因透鏡座形成的陰影。較佳者為，可因此根據外罩與透鏡座的幾何，使用單一方向的照射讓黏著劑初硬化或完全硬化。尤佳者為，外罩與透鏡座間以及透鏡座與透鏡間的黏著連結同時初硬化或完全硬化。

於另一實施態樣中，流質性材料可經透鏡座的附加開口送達外罩上。當例如流質性材料不易送達與透鏡配置面對立的透鏡座外表面時，亦可如此完成外罩與透鏡座間的接合連結。附加開口的延伸方向與通道開口斜交，然而不必為90°，而可為0°與180°間任何角度。

本發明亦有關於一種雷射裝置，其具有一半導體雷射、一透鏡與一透鏡座，其中依上述任一方法，調整該透鏡相對於半導體雷射的位置，且利用原為流質性而後固化的材料作為接合連結，固定於透鏡座。

此外，本發明亦有關於依本發明製造的雷射裝置在雷射-RGB-模組中的一種應用使用方式。此種模組可用來作為例如投影裝置的組成構件，尤可為可攜式投影裝置的組成構件。此處亦可達到解析度的最高要求，例如視訊圖型陣列(VGA)或擴展視訊圖型陣列(EVGA)。紅、綠與藍三種基本色分別由雷射光束源產生，且藉由對應的光學設置疊加，以形成單一光束或光點。為於此達成相當高的解析度，較佳光束偏移依此次序增加者不得超過100微米、10微米、50微米與25微米。因具有相對於半導體雷射調整位置的透鏡，其可根據雷射光束偏移亦或直徑調整，故依本發明製造的雷射裝置尤其適於例如此類應用。

以下藉由實施例進一步說明本發明，其中個別特徵亦可為關於本發明的其他組合，且隱含本發明的所有範疇。

第1圖顯示一雷射裝置，其具有發射雷射光束2的半導體雷射1。其中雷射光束2經由藉接合連結4固定於透鏡座之透鏡3聚焦。透鏡座5藉另一接合連結6固定於半導體雷射的外罩7，且藉此固定其相對於半導體雷射1的位置。

透鏡座5具有一通道開口8，可讓外罩7推入一小段，其中在放上接合連結6前，透鏡座係可推移直到外罩7上一組裝基座9的配置面。藉由掏空部8定位於外罩7的外表面，可在垂直於雷射光束2傳播方向的方向上固定透鏡座。沿雷射光束傳播方向與其垂直方向調整透鏡的位置後，可使原先推至外罩7上的透鏡座5朝向透鏡3導動。因為透鏡3在透鏡座5上有一平台裝置，透鏡座5可沿雷射光束2的傳播方向移動，且不受透鏡3在垂直於雷射光束2傳播方向上的位置影響。透鏡座5導動至調整過位置的透鏡3後，可用須經由紫外光硬化的黏著劑，在透鏡座5與透鏡3間以及透鏡座5與外罩7間形成接合連結4。

因為透鏡座5係以紫外光可穿透之材料形成，透鏡座與外罩間的接合連結可藉從雷射光束2傳播方向之逆向照射紫外光硬化。

第2圖顯示一導動裝置10，具有三個導動工具11，其中固定具有外罩7的半導體雷射1、透鏡座5與透鏡3，其中後兩者藉由負壓於導動工具11而固定。雷射光束2穿過透鏡3，然後抵達感應器12，其可用於測量雷射光束2的偏移與直徑。感應器12將對應的電性訊號傳至分析單元13，其可經由導動裝置10控制透鏡3的定位。

第3圖顯示不同透鏡座5的截面，其中截面平面包含雷射光束2傳播方向(上排)，且對準與此垂直的方向(下排)。透鏡座5可具有一平直通透的通道開口8，或一適當內縮的通道開口8，以形成抵阻處15。將接合連結6置於 透鏡座5與外罩7間之前，此抵阻處15可位於外罩7上。於右上方的截面形態中，另外具有附加斜向傳播方向而朝向通道開口8延展的通道開口16。當透鏡座5上與透鏡3的配置面對立的端面難以接觸時，亦可經此將黏著劑傳送至外罩7與透鏡座5間。透鏡座5可具有一圓形外表面，其上對應配置一負壓工具，或亦可具有平切的外表面或呈現全平面的外表面形式，使產生負壓力的導動工具11可以平放。掏空部8可配合外罩幾何，即製作成圓形，尤可為正圓形，或方形，尤可為正方形。

如第4圖所示，根據本發明製造的雷射裝置分別具有兩透鏡座以及兩透鏡。在以上圖中，第二透鏡座25經由接合連結26固定於第一透鏡座5，其又經由接合連結6固定於半導體雷射1的外罩7。第一透鏡3的直徑可適當地小於第一透鏡座5的外直徑，使得接合連結4在調整時一般的定位下於垂直傳播的方向上不突出透鏡座5。因此，將第一透鏡3組裝至第一透鏡座5外側之平坦配置面後，第二透鏡座仍可在沿傳播的方向上推移。

在以下圖中，兩透鏡座形成彼此互補的半部。第一透鏡座5不完全圍繞外罩7，第二透鏡座25同樣經由接合連結6固定於外罩7。如此，具有兩透鏡座的雷射裝置可在相對於垂直傳播方向的方向上尤其節省空間地設置，使兩雷射裝置可以彼此間較短距離置入一模組中。

第5圖顯示沿傳播方向所見第4圖下圖中第一透鏡座5之平坦配置面30。第一透鏡3可沿平坦配置處30垂直於傳播方向移動，且因環繞的接合連結4使其可移動性受阻(未圖示)。因為平坦配置面30在垂直於傳播方向上僅部分突出外罩7，第二透鏡座25可於平坦配置面30適當地導動，使第二透鏡座可在傳播方向上推移，直到其可移動性因與外罩7形成接合連結6而受阻。

1．．．半導體雷射

2．．．雷射光束

3．．．透鏡

4．．．接合連結

5．．．第一透鏡座

6．．．另一接合連結

7．．．外罩

8．．．通道開口/掏空部

9．．．組裝基座

10．．．導動裝置

11．．．導動工具

12．．．感應器

13．．．分析單元

15．．．抵阻處

16．．．通道開口

25．．．第二透鏡座

26．．．接合連結

30．．．配置面

第1圖顯示以黏著劑連結固定於透鏡座的透鏡；

第2圖顯示透鏡依雷射光束偏移的移動；

第3圖顯示不同透鏡座的截面形態；

第4圖顯示具有兩個透鏡座的雷射裝置；

第5圖顯示第4圖中的細節。

1．．．半導體雷射

2．．．雷射光束

3．．．透鏡

4．．．接合連結

5．．．第一透鏡座

6．．．另一接合連結

7．．．外罩

8．．．通道開口/掏空部

9．．．組裝基座

Claims (14)

1. 一種製造雷射裝置的方法，該雷射裝置包括為發射一雷射光束(2)而裝設之一半導體雷射(1)，與可相對於該半導體雷射(1)調整位置之一透鏡(3)，使該透鏡(3)首先垂直於該雷射光束(2)傳播方向移動並讓該雷射光束(2)穿透，其中該透鏡(3)的光軸平行於該雷射光束(2)的傳播方向，且隨後藉由利用流質性材料固化之一接合連結(4)，將該透鏡(3)固定於一透鏡座(5)，使該透鏡(3)垂直於該雷射光束(2)傳播方向之可移動性受阻，並且該透鏡(3)與該透鏡座(5)藉由負壓固定於導動裝置(10)之導動工具(11)處。
2. 如申請專利範圍第1項所載之方法，其中使該透鏡(3)沿傳播方向移動，直到該透鏡(3)垂直於傳播方向之可移動性受阻為止。
3. 如申請專利範圍第2項所載之方法，其中使該透鏡(3)垂直於傳播方向之可移動性與沿傳播方向之可移動性同時受阻。
4. 如申請專利範圍第1項所載之方法，其中該透鏡(3)垂直於傳播方向移動時係沿該透鏡座(5)額面之一平台裝置導動，使該透鏡(3)僅連接於用於組裝之一該導動裝置(10)，其於沿該平台裝置之可移動性受阻後去除。
5. 如申請專利範圍第1項所載之方法，其中在該透鏡(3)垂直於與沿傳播方向移動後，將該透鏡座(5)導送至該透鏡(3)，且僅藉用於組裝之該一導動裝置(10)與其連 接，其於該透鏡座(5)與該透鏡(3)間之該接合連結(4)形成後去除。
6. 如申請專利範圍第1項所載之方法，其中該半導體雷射(1)裝設於一外罩(7)內，且藉由該外罩(7)與該透鏡座(5)間經流質性材料固化之一接合連結(6)，使該透鏡(3)沿傳播方向之可移動性受阻。
7. 如申請專利範圍第6項所載之方法，其中該透鏡座(5)為一管狀體，其具有一通道開口(8)，以便該透鏡座(5)可推上該外罩(7)，且使其先於該透鏡(3)之移動推上該外罩(7)。
8. 如申請專利範圍第1項所載之方法，其中使一第二透鏡(23)沿傳播方向與垂直方向移動，然後藉由一接合連結(24)經由用於固化之流質性材料固定於一第二透鏡座(25)。
9. 如申請專利範圍第1項所載之方法，其中使該雷射光束(2)於該透鏡(3)移動時偏折至一光學感應器(12)。
10. 如申請專利範圍第1項所載之方法，其中該接合連結藉由尤可經由紫外光硬化之一黏著劑製成。
11. 如申請專利範圍第6項所載之方法，其中該透鏡座(5)以一紫外光可穿透之材料製成，且該外罩(7)與該透鏡座(5)間的黏著連結係經由照射紫外光硬化，該接合連結係藉由一黏著劑製成。
12. 如申請專利範圍第7項所載之方法，其中流質性材料經由該透鏡座(5)之一附加開口(16)舖設至該外罩(7)，該接合連結係藉由一黏著劑製成。
13. 一種雷射裝置，包括一半導體雷射(1)、一透鏡(3)與一透鏡座(5)，其中依申請專利範圍第1至13項中任一項所載之方法，相對於該半導體雷射(1)調整該透鏡(3)之位置，且藉經由原為流質性材料固化之一接合連結(4)固定於該透鏡座(5)。
14. 一種依申請專利範圍第13項所載雷射裝置於雷射-RGB-模組之應用，尤其作為一可攜式投影裝置的一部份。