CN107591679A - 利用双远心镜头进行vcsel激光器发散角压缩的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置，包括设置在一端的VCSEL激光器，所述VCSEL激光器的发光面间隔设置有微透镜阵列，所述VCSEL激光器的发光面与微透镜阵列之间平行设置有双远心透镜组，所述双远心透镜组由二块平行放置的透镜组成。本发明具有能解决微透镜阵列和VCSEL激光器表面过近的难题、能在不改变光源像的面积的情况下对光源像的发散角进行压缩、能提高光源像亮度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学装置，尤其是涉及一种能解决微透镜阵列和VCSEL激光器表面过近的难题，能在不改变光源像的面积的情况下对光源像的发散角进行压缩，达到提高光源像亮度的目的的利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置。
背景技术
在边发射激光器中，VCSEL激光器具备较强的抗静电能力，出射的光斑成圆形，大功率VCSEL激光器往往由若干独立的发光点组成，其远场的光斑天生具备抑制激光散斑的效果，使得VCSEL激光器在夜视、照明等领域的用途越来越大。然而，vcsel激光器在远距离照明时，其光斑的发散角较大，目前市场上常见的大功率VCSEL激光器发散角往往达到了20°，加上VCSEL激光器需要达到一定的功率往往需要使用多个独立的发光点进行集成，使得VCSEL的激光器的发光面积往往较其它边发射激光器大很多倍，这个对于VCSEL后端的光学系统都是不利的，因此如何在现有的激光器上进行光束发散角的压缩，提高VCSEL激光灯的整体亮度就成了一个很现实的问题。有研究发现，用普通的透镜在对VCSEL激光灯进行光斑压缩时，往往不能够提升激光器的光学扩展量，对提升VCSEL激光器的整体亮度并无帮助，因此如何在不改变光源的面积情况下压缩VCSEL激光器的出射光斑发散角度就成了一个需要解决的难题。
有人使用市场上的微透镜阵列对VCSEL激光器的单个发光点进行压缩，如图2所示，微透镜阵列20a利用VCSEL激光器10a的发光点11a之间的非发光区域进行光斑压缩的示意图，如图2所示，微透镜阵列20a中的每个透镜单元21a利用了VCSEL激光器10a的发光点11a之间的非发光面，采用有正透镜阵列，对激光器的出射光束进行了角度压缩，同时每个发光点成像后单独发光点的像也变大，但扩大的面积不会超过VCSEL激光器发光点与发光点之间的非发光面积，这样就达到了不改变光源的面积情况下压缩VCSEL激光器的出射光斑发散角度；然而，上述的方法在实施的过程中，发现有很大的问题，最主要的问题是因为VCSEL激光器10a的发光点11a之间的间距太小，往往只有几十个微米，而发光角度又比较大，在极短的距离内VCSEL激光器10a相邻的发光点11a之间的光束会进行交汇，在这个距离之外使用微透镜阵列20a就会失去原有的效果，因此使得常规布局的VCSEL激光器10a用的微透镜阵列20a面临两个极端的难题。1、为了增加微透镜阵列20a的加工厚度(避免其因太薄而影响强度)，微透镜必须尽可能的贴近器件，在常规布局的VCSEL激光器10a使用的微透镜阵列20中，微透镜阵列20为了做到0.2～0.3mm的厚度，需要微透镜阵列20表面靠近到VCSEL激光器10a表面约0.05mm，而众所周知VCSEL激光器10a是正装芯片，表面需要打线工艺，因此这种方法非常可能造成微透镜阵列和激光器表面或者金线相接触，严重的会造成产品无法正常工作；2、即便微透镜做到了与VCSEL激光器10a发光表面0.05mm的间距，而0.2～0.3mm的微透镜阵列20a在实际的加工中也是非常难以做到的。以上的两点原因造成了现在的这种状况，虽然微透镜阵列大家都知道可以对VCSEL激光器的光束角度进行压缩并提升器件的亮度，但是在现在的市场上并没有相关实际的器件出现。
发明内容
为解决上述问题，本发明目的在于提供一种能解决微透镜阵列和VCSEL激光器表面过近的难题，能在不改变光源像的面积的情况下对光源像的发散角进行压缩，达到提高光源像亮度的目的的利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置。
本发明通过以下技术措施实现的，一种利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置，包括设置在一端的VCSEL激光器，所述VCSEL激光器的发光面间隔设置有微透镜阵列，所述VCSEL激光器的发光面与微透镜阵列之间平行设置有双远心透镜组，所述双远心透镜组由二块平行放置的透镜组成。
作为一种优选方式，所述微透镜阵列的每个微透镜都为平凸透镜，所述平凸透镜的凸面靠近且朝向VCSEL激光器的发光面，所述平凸透镜的平面远离VCSEL激光器。
作为一种优选方式，所述平凸透镜的凸面为球面、或自由曲面。
作为一种优选方式，所述VCSEL激光器的每个发光点位于相应平凸透镜的光轴上，所述VCSEL激光器的相邻发光点散射交汇于相应平凸透镜凸面的相邻界面。
作为一种优选方式，所述微透镜阵列的厚度等于或者大于VCSEL激光器相邻发光点边缘光线汇聚处到VCSEL激光器的发光芯片表面的距离。
作为一种优选方式，组成所述双远心透镜组的透镜为凸透镜。
本发明光源为VCSEL激光器，双远心透镜组由二个透镜组成，光源的像由双远心透镜组成像在像面处，在像面附近我们放置微透镜阵列组，在不改变光源像的面积的情况下对光源像的发散角进行压缩，达到提高光源像亮度的目的。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为背景技术中微透镜阵列对VCSEL激光器进行光斑压缩的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例的一种利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置，请参考附图1，包括设置在一端的VCSEL激光器10，所述VCSEL激光器10的发光面间隔设置有微透镜阵列20，所述VCSEL激光器10的发光面与微透镜阵列20之间平行设置有双远心透镜组30，所述双远心透镜组30由二块平行放置的凸透镜31、32组成。
在这个光学系统中，光源为VCSEL激光器，双远心透镜组30由凸透镜31、32组成，光源的像由双远心透镜组30成像在像面处，在像面附近我们放置微透镜阵列组，在不改变光源像的面积的情况下对光源像的发散角进行压缩，达到提高光源像亮度的目的。
这样的光路设计有以下的若干优势：
1、通过调节微透镜和光源像之间的间距时，可以达到连续调整光源发散角度的目的，同时也避免了微透镜直接安装到光源表面，调整角度可能会和光源或者光源的金线相触碰的难题，也不用担心芯片表面过高的温度对微透镜产生的有害的影响。
2、可以通过改变凸透镜31和凸透镜32的比值，来实现调整光源的面积和发散角，如果凸透镜31的焦距小于凸透镜32，则得到的像面小于光源本身，而发散角大于光源本身的发散角。如果凸透镜32的焦距大于凸透镜31，我们可以得到光源像的发散角小于光源本身，而光源像面积大于光源本身。利用光路的这种特点，我们可以灵活的调整光源像的发散角。例如，我们可以使凸透镜32的焦距是凸透镜31的若干倍，这样得到的光源像是一个大面积小发散角的像，在后端放置的微透镜阵列的阵元直径和厚度也可以放大若干倍，这样将大大减少微透镜阵列的加工和调整难度。微透镜表面上激光能量密度的降低也可以使得注射成型的微透镜阵列可以使用在光学系统中，而不用担心过高的光能量密度使得微透镜阵列变形甚至损坏。
通过这样的光路设计，我们将有可能在商用的设备中大规模的应用这种微透镜阵列的技术，通过稍微增加的成本,大大减少后端光学系统的体积，大大减低了微透镜的安装和调整难度，为大规模商用打下非常好的基础。
在一利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置的实施例，请参考附图1，在前面技术方案的基础上具体还可以是，微透镜阵列20的每个微透镜都为平凸透镜21，所述平凸透镜21的凸面靠近且朝向VCSEL激光器10的发光面，所述平凸透镜21的平面远离VCSEL激光器10。微透镜阵列10的每个微透镜都为平凸透镜21，其中平凸透镜21的凸面靠近且朝向VCSEL激光器10的发光面，平凸透镜21的平面远离VCSEL激光器10；这样的结构和安装方式相对于普通的微透镜阵列有如下的好处：1、尽可能地扩大了微透镜阵列20的微透镜阵元，增加微透镜阵列20的可制造性；2、只要微透镜阵列20的凸面处于VCSEL激光器10的发光点11的交汇区之外，平面部分无论是在交汇区内或者交汇区外对微透镜阵列压缩VCSEL激光器的光束角并没有影响，因此可以利用这点性质，对微透镜阵列的器件设计一个合理的加工厚度，完全能够解决之前微透镜的生产难题；3、在完全解决了微透镜阵列20的厚度必须要处于VCSEL激光器10的发光点11交汇区以外的难题后，可以尽可能的提高微透镜阵列20到VCSEL激光器10的表面距离，达到普通的微透镜阵列20距离的20倍以上，不但解决了微透镜阵列20和VCSEL激光器10表面过近的难题，还有效的降低了微透镜器件的安装难题，为器件的大规模商用铺平了道路。
在一利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置的实施例，请参考附图1，在前面技术方案的基础上具体还可以是，平凸透镜21的凸面可以是球面、非球面、自由曲面或者带有聚光功能的其他面型等。
在一利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置的实施例，请参考附图1，在前面技术方案的基础上具体还可以是，VCSEL激光器10的每个发光点11位于相应平凸透镜21的光轴上，所述VCSEL激光器10的相邻发光点11散射交汇于相应平凸透镜21凸面的相邻界面。
在一利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置的实施例，请参考附图1，在前面技术方案的基础上具体还可以是，微透镜阵列20的厚度可以等于功大于VCSEL相邻发光点边缘光线汇聚处到发光芯片表面的距离(这个距离往往小于0.3mm)，能有效的解决了微透镜加工的难题。
以上是对本发明利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置进行了阐述，用于帮助理解本发明，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围的内。
Claims (6)
1.一种利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置，其特征在于:包括设置在一端的VCSEL激光器，所述VCSEL激光器的发光面间隔设置有微透镜阵列，所述VCSEL激光器的发光面与微透镜阵列之间平行设置有双远心透镜组，所述双远心透镜组由二块平行放置的透镜组成。
2.根据权利要求1所述的利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置，其特征在于：所述微透镜阵列的每个微透镜都为平凸透镜，所述平凸透镜的凸面靠近且朝向VCSEL激光器的发光面，所述平凸透镜的平面远离VCSEL激光器。
3.根据权利要求2所述的利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置，其特征在于：所述平凸透镜的凸面为球面、或自由曲面。
4.根据权利要求2所述的利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置，其特征在于：所述VCSEL激光器的每个发光点位于相应平凸透镜的光轴上，所述VCSEL激光器的相邻发光点散射交汇于相应平凸透镜凸面的相邻界面。
5.根据权利要求2所述的利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置，其特征在于：所述微透镜阵列的厚度等于或者大于VCSEL激光器相邻发光点边缘光线汇聚处到VCSEL激光器的发光芯片表面的距离。
6.根据权利要求1所述的利用双远心镜头进行VCSEL激光器发散角压缩的装置，其特征在于：组成所述双远心透镜组的透镜为凸透镜。
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