CN112361235A - 一种vcsel激光照明装置 - Google Patents
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Abstract
一种VCSEL激光照明装置，其特征在于，包括：底座、隔板、盖板、匀化器、VCSEL激光组件；VCSEL激光组件固定于底座的内腔中；匀化器包括用于将VCSEL激光组件的出射角度扩大的双凸透镜；双凸透镜的主光轴与VCSEL激光组件的出射光束方向重合；隔板固定于底座上表面，围出用于安装匀化器的空间；盖板固定设置在隔板上。本发明使用光源为VCSEL激光器，对比LED、EEL等其他光源具有较明显优势，光照效果更好，且可靠性高、批量生产成本低。匀化器使用经光学设计的高性能光学透镜材料双凸透镜，对比常用的半球结构匀化器或塑料、玻璃、树脂材料匀化器，可获得更均匀的照明效果和更远的照明距离。本发明具备体积小、功耗低、可靠性高等特点，兼顾出射角度和匀化效果两个方面。
Description
技术领域
本发明涉及照明技术领域，特别涉及一种VCSEL激光照明装置。
背景技术
在照明领域，光照效果与光源和匀化技术密切相关，根据不同光源、不同匀化技术，匀化效果也会有不同。
现有的光源种类中，垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface EmittingLaser，VCSEL)在高端照明应用方面有巨大前景，其出射光束垂直于衬底，可发出高亮度激光。由于激光的光谱非常窄，在照明领域，VCSEL的照射距离与成像质量远远超过LED光源。同时，与边缘发射激光器(Edge Emitting Laser，EEL)相比，VCSEL的优势也非常明显，VCSEL激光器具有更高的发光效率，且适用于直接贴装在驱动电路表面，并可以实现大规模的二维面阵集成，光斑形貌为圆形对称结构，照明效果更好。
现有的照明光源的匀化技术中，存在选材和匀化器结构两方面的局限。一般选材为塑料、玻璃、树脂等，很大程度限制了匀化器的匀化效果。常用的匀化器结构为半球结构，通常表现为光束中心强、边缘弱，匀化效果不是很理想。
发明内容
本发明为解决VCSEL光源采用现有照明匀化封装结构时匀化效果不理想的问题，提供一种VCSEL激光照明装置。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
一种VCSEL激光照明装置，包括：底座、隔板、盖板、匀化器、VCSEL激光组件；VCSEL激光组件固定于底座的内腔中；匀化器包括用于将VCSEL激光组件的出射角度扩大的双凸透镜；双凸透镜的主光轴与VCSEL激光组件的出射光束方向重合；隔板固定于底座上表面，围出用于安装匀化器的空间；盖板固定设置在隔板上。
优选地，VCSEL激光组件的出射光束垂直于所底座。
优选地，匀化器包括：镜座、双凸透镜、压圈；镜座置于底座上表面对应凹槽内；双凸透镜置于镜座对应凹槽内；压圈置于镜座上；镜座、双凸透镜和压圈表面互相抵接。
优选地，双凸透镜经光学设计，制备材料为微晶玻璃等高性能光学透镜材料。
优选地，镜座、压圈和盖板在双凸透镜主光轴位置有同轴同内径通光孔。
优选地，隔板上表面有螺纹孔，盖板在对应位置有通孔；镜座上表面有螺纹孔，压圈和盖板在对应位置有通孔。
优选地，匀化器和盖板通过一号螺钉连接；盖板和隔板通过二号螺钉连接。
优选地，VCSEL激光组件包括：VCSEL激光器、用于提供VCSEL激光器所需环境温度的加热器和用于监测环境温度的测温电阻。
优选地，底座材料为陶瓷。
优选地，隔板材料为铜。
本发明能够取得以下技术效果：
(1)使用光源为VCSEL激光器，对比LED、EEL等其他光源具有较明显优势，光照效果更好，且可靠性高、批量生产成本低。
(2)匀化器使用经光学设计的高性能光学透镜材料双凸透镜，对比常用的半球结构匀化器或塑料、玻璃、树脂材料匀化器，可获得更均匀的照明效果，更远的照明距离和更大的照明范围。
(3)本发明具备体积小、功耗低、可靠性高等特点，兼顾出射角度和匀化效果两个方面，尤其适合高端照明场合上的应用。
附图说明
图1是根据本发明实施例的VCSEL激光照明装置的简易结构示意图；
图2是根据本发明实施例的VCSEL激光照明装置的具体结构示意图；
图3是根据本发明实施例的VCSEL激光照明装置的具体结构示意图的俯视图；
图4是根据本发明实施例的VCSEL双芯片光学匀化方案。
其中的附图标记包括：螺钉10，一号螺钉11、12、13、14，二号螺钉15、16，盖板20，隔板30，底座40，VCSEL激光组件50，加热器51，VCSEL激光器52、54，测温电阻53，匀化器60，镜座61，双凸透镜62、64，压圈63。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
下面以具体实施例对本发明提供的VCSEL激光照明装置的结构进行详细说明。如图1所示，本发明实施例提供的VCSEL激光照明装置，包括盖板20、隔板30、底座40、VCSEL激光组件50和匀化器60。盖板20、隔板30、底座40为VCSEL激光照明装置的封装结构，VCSEL激光组件50和匀化器60置于该封装结构内部。
在本实施例中，VCSEL激光组件50产生用于照明的光束，匀化器60用于将所述VCSEL激光组件50射出的光束进行匀化处理并将出射光角度扩大。匀化器60包括双凸透镜62和64，双凸透镜62和64的中央较厚、边缘较薄，光在透镜的两面经过两次折射后，集中在主光轴上的焦点处，如果出光位置远离该焦点，双凸透镜62和64就起到匀化和扩大出射光角度的作用；所述双凸透镜62和64的主光轴与所述VCSEL激光组件50的出射光束方向重合。
在本实施例中，VCSEL激光组件50固定于所述底座40的内腔中；所述隔板30固定于所述底座40上表面，围出用于安装所述匀化器60的空间，优选地，隔板30下表面通过焊接方式与底座40上表面连接。所述盖板20固定设置在所述隔板30上，形成底座40在底部、盖板20在上部、隔板30在侧边的合围结构，封装VCSEL激光照明装置。
在本发明的一个实施例中，VCSEL激光组件50的出射光束垂直于所述底座40。
如图1和图2所示，匀化器60包括镜座61、2个相同双凸透镜62和64、压圈63，镜座61置于底座40上表面对应凹槽内，双凸透镜62和64置于镜座61对应凹槽内，压圈63置于镜座61上，并与双凸透镜62和64抵接，将其固定在镜座61中，镜座61、压圈63和盖板20在双凸透镜62和64主光轴位置开有同轴同内径通光孔。VCSEL激光组件50包括加热器51、2个相同VCSEL激光器52和54、测温电阻53，4个元件都焊接在底座40内腔中，VCSEL激光器52和54的光束射出路径垂直于底座，并且分别与双凸透镜62和64的主光轴重合。
应该说明的是，本实施例关于VCSEL激光组件50和匀化器60的数量，只是示意性的，一个、三个或者更多个的VCSEL激光组件50和匀化器60的组合设置，并使用盖板20、隔板30、底座40将其封装的结构，均在本发明的保护范围之内。
如图3所示，螺钉10分为两种，螺钉11、螺钉12、螺钉13和螺钉14为一号螺钉，螺钉15和螺钉16为二号螺钉。
如图1、图2和图3所示，螺钉15和螺钉16穿过盖板20和压圈63对应位置的通孔与镜座61上表面的螺纹孔配合固定，并保证这3个元件的通光孔轴线与双凸透镜62和64的主光轴重合；螺钉11、螺钉12、螺钉13和螺钉14穿过盖板20对应位置的通孔与隔板30上表面的螺纹孔配合固定。
在本发明的一个优选实施例中，所述双凸透镜62和64为光学设计微晶玻璃双凸透镜，光学设计微晶玻璃双凸透镜具有更好的匀化效果。
在本发明的一个优选实施例中，所述隔板30材料为铜，铜隔板具有散热能力强的特点。
在本发明的一个优选实施例中，所述底座40选用陶瓷材料，陶瓷底座具有硬度较高，耐高温，光泽度好等特点，其上端面与所述铜隔板下端面焊接，以此获得机械连接性能。
本发明的设计工作原理为：
在外围电路驱动下，VCSEL激光组件50开始工作，即加热器51开始加热，待达到合适环境温度后，VCSEL激光器52和54开始发光，测温电阻53持续监测温度，并通过监测温度控制加热器51加热功率，共同维持稳定发光。同时，为了避免温度过高损坏器件，隔板30进行散热。
VCSEL激光器52和54的出射光垂直于底座40通过镜座61通光孔射向双凸透镜62和64，并在匀化处理后继续射出，如图4所示。
经匀化器60匀化后的出射光，通过压圈63和盖板20的通光孔射出，如图3所示。
下面结合图4的VCSEL双芯匀化设计方案进行实验数据说明，实验中选用的双凸透镜距离VCSEL芯片0.6mm，双凸透镜厚度为1.5mm，直径为2.6mm，2个VCSEL激光器的出射光分别经过2个双凸透镜匀化后在4m处交叠，在4m处的30°×30°的视场范围内的光斑辐照度集中了70％的能量，15°半角照度为轴上照度的50％，照明效果远超单个VCSEL激光器经双凸透镜匀化后的照明效果。所以本发明设计的匀化封装结构可以满足30°的大出射角，并且匀化效果较好，照明效果更佳。调整双凸透镜与VCSEL距离，并选择不同型号的双凸透镜，可以根据实际使用需要调整匀化封装结构的出射角。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种VCSEL激光照明装置，其特征在于，包括：底座、隔板、盖板、匀化器、VCSEL激光组件；所述VCSEL激光组件固定于所述底座的内腔中；所述匀化器包括用于将所述VCSEL激光组件的出射角度扩大的双凸透镜；所述双凸透镜的主光轴与所述VCSEL激光组件的出射光束方向重合；所述隔板固定于所述底座上表面，围出用于安装所述匀化器的空间；所述盖板固定设置在所述隔板上。
2.如权利要求1所述的VCSEL激光照明装置，其特征在于，所述VCSEL激光组件的出射光束垂直于所述底座。
3.如权利要求1所述的VCSEL激光照明装置，其特征在于，所述匀化器包括：镜座、所述双凸透镜、压圈；所述镜座置于所述底座上表面对应凹槽内；所述双凸透镜置于所述镜座对应凹槽内；所述压圈置于所述镜座上；所述镜座、所述双凸透镜和所述压圈表面互相抵接。
4.如权利要求3所述的VCSEL激光照明装置，其特征在于，所述双凸透镜经光学设计，制备材料为微晶玻璃等高性能光学透镜材料。
5.如权利要求3所述的VCSEL激光照明装置，其特征在于，所述镜座、所述压圈和所述盖板在所述双凸透镜主光轴位置有同轴同内径通光孔。
6.如权利要求3所述的VCSEL激光照明装置，其特征在于，所述隔板上表面有螺纹孔，所述盖板在对应位置有通孔；所述镜座上表面有螺纹孔，所述压圈和所述盖板在对应位置有通孔。
7.如权利要求1所述的VCSEL激光照明装置，其特征在于，所述匀化器和所述盖板通过一号螺钉连接；所述盖板和所述隔板通过二号螺钉连接。
8.如权利要求1所述的VCSEL激光照明装置，其特征在于，所述VCSEL激光组件包括：VCSEL激光器、用于提供VCSEL激光器所需环境温度的加热器和用于监测环境温度的测温电阻。
9.如权利要求1所述的VCSEL激光照明装置，其特征在于，所述底座材料为陶瓷。
10.如权利要求1所述的VCSEL激光照明装置，其特征在于，所述隔板材料为铜。
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