CN112382928A - 基于vcsel成像和同轴可视化设计的激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于VCSEL成像和同轴可视化设计的激光器，包括设置于外壳中的VCSEL平面阵列光源、热沉、成像透镜、平面反射镜；VCSEL平面阵列光源设置在热沉上且用于发射出VCSEL激光；成像透镜与VCSEL平面阵列光源的主光轴同轴设置；平面反射镜与VCSEL平面阵列光源的主光轴成α角设置，以使激光发生偏折，并在偏折后的VCSEL激光的主光轴上形成实像；光学窗口设置在偏折后的VCSEL激光的像点位置；观测位置，设置在平面反射镜远离成像透镜的一侧，与偏折后的激光的光心轴同轴设置。上述激光器，利用成像原理对VCSEL激光的传输过程进行控制，通过在成像透镜后方设置平面反射镜，使得VCSEL激光发生偏折，从而在平面反射镜远离实像像点的一侧形成了一个观测位置，实现同轴观测。

Description

基于VCSEL成像和同轴可视化设计的激光器
技术领域
本发明涉及一种基于VCSEL成像和同轴可视化设计的激光器。
背景技术
激光在工业激光加工领域和医疗激光领域具有广泛的用途。在利用激光进行作业的过程中，尤其是使用激光进行医学治疗时，需要设置CCD相机来进行视场观测和辅助视觉定位，以便于观察和调整激光。
目前，视场观测和视觉定位设备通常与激光治疗仪手具分开设置，成像光线与激光光束不同轴，无法对治疗的视场进行直接的观察，并且，在激光的控制方面，需要进行复杂的坐标转换。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于VCSEL成像和同轴可视化设计的激光器。
为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于VCSEL成像和同轴可视化设计的激光器，包括：
外壳，限定中空的容纳腔；
VCSEL平面阵列光源和热沉，设置于外壳中，VCSEL平面阵列光源设置在热沉上且用于发射出VCSEL激光；
成像透镜，设置于外壳中，且成像透镜与VCSEL平面阵列光源的主光轴同轴设置，用于对VCSEL激光进行成像；VCSEL平面阵列光源和成像透镜之间的距离大于成像透镜的焦距；
平面反射镜，设置于外壳中；平面反射镜位于成像透镜的后方并与VCSEL平面阵列光源的主光轴成α角设置，以使经过成像透镜的激光发生偏折，并在偏折后的VCSEL激光的主光轴上形成实像，0°<α<90°；所述平面反射镜用于对VCSEL激光进行全反射并允许其他波长光线透过；
光学窗口，设置在外壳上，并设置在偏折后的VCSEL激光的实像像点位置；
观测位置，设置在平面反射镜远离成像透镜和光学窗口的一侧，所述观测位置与偏折后的VCSEL激光的光心轴同轴设置。
其中较优地，VCSEL平面阵列光源和成像透镜之间的距离c，成像透镜和平面反射镜之间的距离a，以及平面反射镜与光学窗口之间的距离b，满足以下公式：1/(a+b)+1/c=1/f；
其中，f表示成像透镜的焦距。
其中较优地，所述成像透镜的直径D应满足以下公式：D≥m+2c×tan(θ/2)；其中，m为VCSEL平面阵列光源的光斑直径，θ为VCSEL平面阵列光源的发散角全角。
其中较优地，所述成像透镜是双凸透镜。
其中较优地，所述平面反射镜面向所述成像透镜的一侧表面设置有用于对VCSEL激光进行反射的高反膜。
其中较优地，所述平面反射镜和所述VCSEL平面阵列光源的主光轴成45度角设置。
其中较优地，所述观测位置设置有CCD成像设备。
其中较优地，所述观测位置设置有观测窗口，或者所述观测位置设置有观测窗口和放大镜的组合。
其中较优地，所述激光器还包括半导体制冷片和热管，其中，半导体制冷片的冷端通过外壳对光学窗口进行制冷，所述半导体制冷片的热端通过热管与所述热沉进行散热。
其中较优地，所述激光器还包括风扇和控制单元，所述风扇设置在所述热沉下方，用于对所述热沉进行散热；所述半导体制冷片、所述VCSEL平面阵列光源和所述风扇分别与所述控制单元电连接。
本发明所提供的激光器，利用成像原理对VCSEL激光的传输过程进行控制，通过在成像透镜和未经偏折的激光的像点之间设置平面反射镜，使得VCSEL激光发生偏折，从而在平面反射镜远离实像像点的一侧形成了一个观测位置，实现同轴观测。上述激光器可以作为激光治疗仪使用，也可以应用于激光加工领域。
附图说明
图1是本发明所提供的激光器的结构示意图；
图2是本发明所提供的激光器的成像原理示意图；
图3是本发明所提供的激光器中，光学系统中各部件的位置关系示意图；
图4是本发明所提供的激光器中，成像透镜、平面反射镜及虚像之间的尺寸关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细描述。
如图1所示，本发明所提供的基于VCSEL（垂直腔面发射半导体激光器）成像和同轴可视化设计的激光器，包括外壳1，限定中空的容纳腔；还包括设置于外壳1中的VCSEL平面阵列光源2、成像透镜3、平面反射镜4。
其中，外壳1呈细长型。外壳1用于对内部各器件进行连接固定，并采用人体工学设计，增加握持舒适度的同时，对产品内部精密部件起到一定的保护作用。
VCSEL平面阵列光源2设置于外壳1中靠近下部的位置（参见图1所示的方位）。VCSEL平面阵列光源2设置在热沉11上，且用于向上发射出VCSEL激光。VCSEL平面阵列光源2由多个VCSEL激光芯片实现。VCSEL激光芯片具有寿命长、封装结构灵活、长期可靠性高等特点。VCSEL激光芯片可选用一片或者多片，波长可以进行选择或者多种波长芯片混合使用。发光管芯规则密排的VCSEL平面阵列光源是一种具有均匀发光特质的平面光源。VCSEL各向发散角相同，且发散角不大（全角约12～20度），因此便于利用凸透镜进行成像，可以在像点位置得到均匀性极佳的平顶光斑，进而应用于各类工业、医疗与科研应用。
在VCSEL激光的主光轴20上设置有成像透镜3和平面反射镜4。成像透镜3与VCSEL平面阵列光源2的主光轴同轴设置，用于对VCSEL激光进行聚焦成像。成像透镜3使用双凸透镜，成像透镜3通过固定支架设置在外壳1中。成像透镜3采用双凸透镜成像。平面反射镜4位于成像透镜3的后方（即图1所示的上方），并与VCSEL平面阵列光源2的主光轴20成α角设置，以使经过成像透镜3的激光发生偏折（图1所示为向左侧偏折），并在偏折后的VCSEL激光的主光轴20’上形成实像2B，0°<α<90°。平面反射镜4用于对VCSEL激光进行全反射并允许其他波长光线透过。平面反射镜4的表面可根据激光芯片波长镀高反膜，用于增强平面反射镜4对预设波长范围的激光的反射率。
在外壳1上设置有光学窗口5，光学窗口5设置在VCSEL激光偏折后的像点位置（即实像2B所在的位置）。激光光束透过光学窗口5后在与光学窗口5接触的物体表面（即治疗面或工作面）成像。光学窗口5可以使用蓝宝石等具有透光性且具有冷却作用的光学器件。
如图2和图3所示，成像透镜3的焦距f、物距c、像距a+b符合成像原理：1/(a+b)+1/c=1/f。其中，c为VCSEL平面阵列光源2和成像透镜3之间的距离，a为成像透镜3和平面反射镜4之间的距离，b为平面反射镜4与光学窗口5之间的距离。
为了得到VCSEL激光的实像，VCSEL平面阵列光源2和成像透镜3之间的距离c应大于成像透镜3的焦距f。较优地，VCSEL平面阵列光源2设置在成像透镜3的2倍焦距位置。
VCSEL平面阵列光源2的成像可以通过调节物距c和像距a+b进行放大或者缩小，成像倍率=m’/m=(a+b)/c。在典型的1：1成像倍率下，a+b=c=2f。以m表示VCSEL平面阵列光源2的光斑直径，m’表示实像2的直径。
成像透镜3的尺寸要求覆盖VCSEL激光光束的整个范围，以避免光学能量泄露。即，成像透镜3的直径D应满足以下公式：D≥m+2c×tan(θ/2)；其中，θ为VCSEL平面阵列光源2的发散角全角。
如图2所示，平面反射镜4可以插入成像透镜3和未经偏折的激光的虚像像点2A位置之间的任意位置，虚像像点2A位置是指在VCSEL激光光束不发生偏折时的成像位置。经偏折的激光在实像像点2B位置处（即，光学窗口5所在的位置）形成实像，实像相对于虚像发生旋转，且实像和虚像等大小。平面反射镜4的尺寸要求覆盖VCSEL光束的整个范围，以避免光学能量泄露。
下面以成像透镜3成等大的实像时，对平面反射镜4的直径D’的计算过程进行示例性的介绍。当成像透镜3成等大的实像时，m’=m，a+b=c=2f。
如图4所示，平面反射镜4的直径D’应满足以下公式：
D’≥x+y+z+z’ （1）
其中，z=z’=m/2cos(α)； （2）
x和y的计算公式如下：
由图4可知，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
； （3）
l=b-m*tan(α)/2； （4）
n=x*cos(α)+x*sin(α)/tan(θ)； （5）
Figure DEST_PATH_IMAGE002
； （6）
由式（6）计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
； （7）
s=b+s1+s2； （8）
s1=m*tan(α)/2； （9）
s2=y*sin(α)； （10）
r=y*cos(α)； （11）
Figure DEST_PATH_IMAGE004
； （12）
由式（12）计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
； （13）
由式（1）、式（2）、式（7）和式（13），可以得出D’的最小值。
优选地，平面反射镜4与VCSEL平面阵列光源2的主光轴20成45度设置，从而将VCSEL激光偏折90o，使得偏折后的激光的主光轴20’与VCSEL平面阵列光源2的主光轴20相垂直，从而给VCSEL成像和同轴观测提供了合理的空间。当然，平面反射镜4与VCSEL平面阵列光源2的主光轴20还可以成其他角度设置，此时，使观测位置6与像点沿偏折后的激光的主光轴20’同轴设置即可。
为了便于实时观测，在成像透镜3和虚像像点2A之间，沿主光轴45度插入平面反射镜4，平面反射镜4是激光反射透镜（仅对激光波长反射，对可见光透射），实现90度的激光光路偏折，进而能够在45度设置的平面反射镜4背后进行同轴的实时观测。观测方式可以采用多种方案，如人眼直接观测、人眼加放大镜观测、CCD成像器件成像等不同方式。
为了增强平面反射镜4对VCSEL激光的反射效果，在平面反射镜4面向成像透镜3的一侧表面设置有对激光具有高反射率的高反膜。由于平面反射镜4的表面镀有高反膜，因此人眼进行同轴观测是安全的。
在外壳1中设置有观测位置6，观测位置6设置在平面反射镜4远离成像透镜3和光学窗口5的一侧（如图1所示的右侧），观测位置6与偏折后的VCSEL激光的光心轴20’同轴设置。
在观测位置6设置有观测单元，例如CCD成像设备，图像可实时传输在显示屏进行观测；还可以通过观测窗口进行人眼观测；较优地，在观测窗口设置放大镜60，人眼通过放大镜60可以对治疗面进行放大观测。通过上述观测途径，进行治疗过程及治疗结果的观测。另外，在观测设备四周设置有环状照明光源，便于更好的进行观测。
为了实现激光的及时散热，上述激光器还包括半导体制冷片（未图示）和热管12。其中，半导体制冷片的冷端通过外壳2，实现光学窗口5的热传导和制冷，降低光学窗口5的温度；半导体制冷片的热端通过热管12与热沉11实现热传导；从而将光学窗口5吸收的热能，通过半导体制冷片和热管，从热沉11传导出去。半导体制冷片利用半导体材料的帕尔贴效应制成。
在激光器中设置有控制单元21，控制单元21通过读取检测单元22中温度传感器（参见下文）的温度数据控制半导体制冷片工作，以实现舒适的治疗温度。
为了增强激光的散热效果，上述激光器还包括风扇13，风扇13设置在热沉11下方，用于对热沉11进行散热。在外壳1上设置有与风扇13所在的区域相通的进风口和出风口。通过风扇13将外壳1内部产生的热量散发出去。控制单元21控制风扇13的启停。
半导体制冷片、VCSEL平面阵列光源2和风扇13均与控制单元21电连接。控制单元21采用单片机实现。控制单元21包括主控板组件与多个接口，并通过多个接口与半导体制冷片、VCSEL平面阵列光源2、风扇13、检测单元22、控制按键23电连接。
该激光器在光学窗口5附近设置有检测单元22。检测单元22包括皮肤接触检测元件和温度检测元件。皮肤接触检测元件用于对光学窗口5（即激光治疗仪的治疗头）是否与物体表面（例如，皮肤表面，即治疗面）接触进行检测。治疗头未接触皮肤时，按下出光按键不会发射激光，当治疗头与皮肤接触好后，按下出光按键才会有激光发射。温度检测元件用于对光学窗口5（例如，蓝宝石）的温度进行测量。上述皮肤接触检测元件和温度检测元件分别与控制单元21电连接。
并且，该激光器还设置有与控制单元21连接的控制按键23，用于对激光器进行按键控制。在外壳1上同时设置有多个LED指示灯，多个指示灯与控制单元21连接，用于指示开关机及档位设置。具体来说，控制按键23分为触摸按键和出光按键。触摸按键的功能为长按三秒开机、长按三秒关机及单按档位调节。触摸按键通过LED灯进行档位指示，不同的档位可应用于不同的肤色或者不同的部位。出光按键控制激光的发射。控制单元21在检测到脱毛仪开机、与皮肤接触良好，并按下出光按键时才允许激光发射，保证激光发射安全。
综上所述，本发明提供的基于VCSEL成像和同轴可视化设计的激光器基于VCSEL光源实现，并通过成像透镜进行成像；利用双凸透镜进行成像，可以在像点位置得到均匀性极佳的平顶光斑，进而应用于各类工业、医疗与科研应用。为了便于实时观测，在成像透镜和未偏折的激光的像点之间，沿主光轴45度插入激光反射透镜（仅对激光波长反射，对可见光透射），实现90度的激光光路偏折，进而在45度反射镜背后，可以进行同轴的实时观测。观测方式可以采用多种方案，如人眼直接观测、人眼加放大镜观测、CCD成像器件成像等不同方式。
上述激光器，可以作为激光治疗仪使用，利用均匀光斑进行皮肤外科治疗，如脱毛、祛色斑、皮肤病灶灼烧、红血丝治疗等。上述激光器还可以作为工业激光器使用，利用均匀光斑进行塑料穿透焊接、屏幕边框焊接、屏幕边框加热解胶灯等。
以上对本发明所提供的基于VCSEL成像和同轴可视化设计的激光器进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种基于VCSEL成像和同轴可视化设计的激光器，其特征在于，包括：
外壳，限定中空的容纳腔；
VCSEL平面阵列光源和热沉，设置于外壳中；VCSEL平面阵列光源设置在热沉上且用于发射出VCSEL激光；
成像透镜，设置于外壳中；且成像透镜与VCSEL平面阵列光源的主光轴同轴设置，用于对VCSEL激光进行成像；VCSEL平面阵列光源和成像透镜之间的距离大于成像透镜的焦距；
平面反射镜，设置于外壳中；平面反射镜位于成像透镜的后方并与VCSEL平面阵列光源的主光轴成α角设置，以使经过成像透镜的激光发生偏折，并在偏折后的VCSEL激光的主光轴上形成实像，0°<α<90°；所述平面反射镜用于对VCSEL激光进行全反射并允许其他波长光线透过；
光学窗口，设置在外壳上，并设置在偏折后的VCSEL激光的实像像点位置；
观测位置，设置在平面反射镜远离成像透镜和光学窗口的一侧，所述观测位置与偏折后的VCSEL激光的光心轴同轴设置。
2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于：
VCSEL平面阵列光源和成像透镜之间的距离c，成像透镜和平面反射镜之间的距离a，以及平面反射镜与光学窗口之间的距离b，满足以下公式：1/(a+b)+1/c=1/f；
其中，f表示成像透镜的焦距。
3.如权利要求2所述的激光器，其特征在于：
所述成像透镜的直径D应满足以下公式：D≥m+2c×tan(θ/2)；其中，m为VCSEL平面阵列光源的光斑直径，θ为VCSEL平面阵列光源的发散角全角。
4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于：
所述成像透镜是双凸透镜。
5.如权利要求1所述的激光器，其特征在于：
所述平面反射镜面向所述成像透镜的一侧表面设置有用于对VCSEL激光进行反射的高反膜。
6.如权利要求1所述的激光器，其特征在于：
平面反射镜和VCSEL平面阵列光源的主光轴成45度角设置。
7.如权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述观测位置设置有CCD成像设备。
8.如权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述观测位置设置有观测窗口，或者所述观测位置设置有观测窗口和放大镜的组合。
9.如权利要求1所述的激光器，其特征在于：还包括半导体制冷片和热管，其中，半导体制冷片的冷端用于对光学窗口进行制冷，所述半导体制冷片的热端通过所述热管与所述热沉进行散热。
10.如权利要求9所述的激光器，其特征在于：还包括风扇和控制单元，所述风扇设置在所述热沉下方，用于对所述热沉进行散热；所述半导体制冷片、所述VCSEL平面阵列光源和所述风扇分别与所述控制单元电连接。
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