CN114006259A - 一种一字线型激光光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一字线型激光光源，包括基板，设置在基板上的单个VCSEL芯片或多个沿和设定直线方向平行排布的VCSEL芯片，设置在VCSEL芯片的输出光路上的整形透镜；整形透镜用于对VCSEL芯片输出的激光光线沿平行于设定直线方向扩散。本申请中采用VCSEL芯片作为输出激光光线的光源芯片，VCSEL芯片为面光源可输出圆形光斑，相对于传统的EEL芯片而言，整形难度更小；在此基础上，利用整形透镜作为扩散VCSEL芯片的输出光线的光学元件，能够在一定程度上提升最终输出的线型光的发散角和亮度的均匀性。

Description

一种一字线型激光光源

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种一字线型激光光源。

背景技术

一字线型激光器也即是输出的激光光斑为一字型光斑的激光器。一字线型激光器是一种方便实用的定位工具，广泛应用于机器视觉、工业检测、自动驾驶等领域。随着应用场景愈发复杂，对一字线型激光器输出的线型光的参数规格需求也越来越高。通常来说，线型光的参数规格需求主要是对线型光的发散角、光功率以及亮度均匀性等方面的要求。应用的环境越复杂，往往对线型光的要求越高。

但目前常规的一字线型激光器输出的一字型光线在发散角、以及光斑亮度等方面难以满足应用需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种一字线型激光光源，能够在一定程度上提升一字线型激光器输出的线型光的发散角，并减少光损失。

为解决上述技术问题，本发明提供种一种一字线型激光光源，包括基板，设置在所述基板上的VCSEL芯片，设置在所述VCSEL芯片的输出光路上的整形透镜；所述VCSEL芯片包括为单个VCSEL芯片或多个沿和设定直线方向平行排布的VCSEL芯片；

其中，所述整形透镜用于对所述VCSEL芯片输出的激光光线在所述设定直线方向扩散。

在本申请的一种可选地实施例中，所述整形透镜为包括多个并列排布的柱形凸透镜形成的波浪结构的透镜；

其中，各个所述柱形凸透镜的排列方向和所述设定直线方向平行，且每个所述柱形凸透镜的表面为柱形曲面。

在本申请的一种可选地实施例中，所述整形透镜上背离所述波浪结构的表面为内凹面；所述VCSEL芯片输出的激光光线从所述整形透镜的内凹面入射，并从所述波浪结构的表面出射。

在本申请的一种可选地实施例中，所述整形透镜上背离所述波浪结构的表面为外凸面；所述VCSEL芯片输出的激光光线从所述波浪结构的表面入射，并从所述整形透镜的外凸面出射。

在本申请的一种可选地实施例中，所述整形透镜靠近所述VCSEL芯片的一侧和背离所述VCSEL芯片的一侧均为所述波浪结构的表面。

在本申请的一种可选地实施例中，所述整形透镜上背离所述波浪结构的表面为平面。

在本申请的一种可选地实施例中，在所述VCSEL芯片和所述整形透镜之间还设置有准直透镜。

在本申请的一种可选地实施例中，所述基板上设有用于连接支撑所述整形透镜和所述准直透镜的环形支撑架，所述VCSEL芯片设置于所述环形支撑架的内环中。

在本申请的一种可选地实施例中，所述环形支撑架和所述准直透镜一体成型；

或者，所述环形支撑架和所述准直透镜以及所述整形透镜之间粘接连接。

在本申请的一种可选地实施例中，所述VCSEL芯片通过COB封装技术固定封装于所述基板上。

本发明所提供的一种一字线型激光光源，包括基板，设置在基板上的VCSEL芯片，设置在VCSEL芯片的输出光路上的整形透镜；VCSEL芯片包括为单个VCSEL芯片或多个沿和设定直线方向平行排布的VCSEL芯片；其中，整形透镜用于对VCSEL芯片输出的激光光线在设定直线方向扩散。

本申请中采用VCSEL芯片作为输出激光光线的光源芯片，VCSEL芯片为面光源可输出圆形光斑，相对于传统的EEL芯片而言，整形难度更小；在此基础上，利用整形透镜作为扩散VCSEL芯片的输出光线的光学元件，能够在一定程度上提升最终输出的线型光的发散角和亮度的均匀性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一字线型激光光源的光路结构示意图；

图2为本申请实施例提供的整形透镜的结构示意图；

图3为图2中的整形透镜的局部光路结构示意图；

图4至图7为本申请实施例提供的整形透镜四种不同结构的示意图。

具体实施方式

在传统的线型光激光光源中，基本都是采用EEL芯片作为输出激光光线的光源芯片，但是EEL芯片属于侧边发光芯片，输出的激光光线属于椭圆光斑，使得激光光线的整形难度大；并且由于EEL芯片在性能测试时，需要逐个芯片依次测试，无法实现批量测试，这给EEL芯片的应用带来较大的不便。但是EEL芯片属于目前业内技术较为成熟的芯片，导致业内形成激光光源时，会更多的考虑EEL芯片，而忽略其所带来的不便利性。

此外，在传统的线型光激光光源中，激光光线的发散角扩散往往时通过DOE(光学衍射元件)对EEL芯片输出的光线进行衍射进而扩大其发散角，但是这种方式输出的线型光的发散角的大小存在一定的限制，仅仅只能做到120度以内，且光功率也存在较大的损失，使得光亮度不足。

为此，本申请中提出了一种能够在一定程度上提升输出的线型光的发散角的大小，同时能够减少光损失的一字线型激光光源。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1为本申请实施例提供的一字线型激光光源的光路结构示意图，该一字线型激光光源可以包括：

基板1；设置在基板上的VCSEL芯片2。

其中，该VCSEL芯片2可以是单个大功率的芯片，还可以是多个呈一字排布的VCSEL芯片2，多个VCSEL芯片2可以是独立固定在基板1上，也可以先共同呈条形相互固定后共同设置在基板1上，对此本申请中不做具体限制；该基板1可以采用PCB板。

设置在VCSEL芯片2的输出光路上的整形透镜3；

其中，整形透镜3用于对VCSEL芯片2输出的激光光线沿平行于设定直线方向扩散。

需要说明的是，该设定直线方向可以理解为一字线型激光光源输出的一字线型光的线型光斑所在直线的方向。此外，当VCSEL芯片2包括多个时，显然各个VCSEL芯片2的排布方向也显然和设定直线方向平行。

本实施例中采用VCSEL芯片2代替了传统的EEL芯片，VCSEL芯片2相对于EEL芯片而言，其属于面光源，输出的光斑为圆形光斑，相对于EEL芯片的光斑更容易调制。在此基础上VCSEL芯片2相对于EEL芯片而言，可以实现批量检测，为芯片的实际应用带来了较大的便利性。并且从封装结构的角度上而言，VCSEL芯片2可以采用COB封装技术固定封装于基板1上，封装难度上比EEL芯片的封装难度小。EEL芯片的封装在基板上需要采用金属支架作为支撑，这在一定程度上增大了激光光源的应用成本，由此可见，本实施例中采用VCSEL芯片2作为一字线型激光光源的发光芯片，无论从使用性能还是使用成本上都优于EEL芯片。

此外，各个VCSEL芯片2之间呈一字线型排布，那么各个VCSEL芯片2输出的光斑必然也是呈一字线型排布的。但对于VCSEL芯片2直接输出的激光光斑的发散角相对较小，显然，VCSEL芯片2直接输出的激光光线并不能满足一字线型光线的发散角的要求。

对于一字线型光线的发散角主要是指和一字线型光线的一字型光斑平行的方向上的发散角。为了满足一字线型的发散角的要求，本实施例中进一步的在各个VCSEL芯片2的输出光路上设置整形透镜3，通过该整形透镜实现在平行于各个VCSEL芯片2排布方向上对各个VCSEL芯片2输出的激光光线进行扩散，从而获得亮度更为均匀的一字线型光。

相对于常规的采用DOE元件实现光线的扩散的技术而言，整形透镜对光线起到折射作用，相对于DOE衍射扩散光线的发散角而言，整形透镜3对光线产生的光损失更少，进而保证了输出的一字线型光的光斑亮度。

对于整形透镜3的具体结构可以包含多种不同的结构形式，例如可以针对每个VCSEL芯片2设定对应的能够对该VCSEL芯片2输出的光线在特定方向进行扩散的微元透镜，例如微元凹透镜，各个微元透镜相互组合之后即可形成整形透镜3。

可选地，在本申请的另一可选地实施例中，还可以进一步地包括：

整形透镜3为包括多个并列排布的柱形凸透镜形成的波浪结构的透镜。

其中，各个柱形凸透镜的排列方向和设定直线方向平行，且每个柱形凸透镜的表面为柱形曲面。

参照图2和图3，图2为本申请实施例提供的整形透镜的结构示意图，图3为图2中的整形透镜的局部光路结构示意图。图3中是以一个柱形凸透镜的右边半透镜结构对VCSEL芯片2输出的激光光线折射的光路进行示意的；参照图3可以确定，对于入射到柱形凸透镜的右半边透镜的激光光线发生折射之后，在激光光线在透镜内部存在一定程度汇聚之后，即可朝偏左上的方向向外发散的输出。同理对于入射到柱形凸透镜的左半边透镜的激光光线的光路而言，左半边柱形透镜对光线的偏折效果相同，不同的是，光线整体应当向右上方的方向发散输出。由此可见，当VCSEL芯片2输出的光线入射到单个的柱形凸透镜结构时，该柱形凸透镜结构可以对激光光线进行散射，且因为柱形透镜的表面为柱形曲面，从而保证了从柱形凸透镜的不同位置入射的光线的折射方向各不相同，进而保证了从柱形凸透镜散射出射的光线对应光斑的均匀性。

基于上述单个柱形凸透镜的散射效果，当多个柱形凸透镜平行并列排布时，显然，各个柱形凸透镜对入射至其表面的光线的散射效果相同，进而实现对呈直线排布的多个VCSEL芯片2输出的激光光线进行散射。

另外，可以理解的是，因为单个柱形凸透镜是呈柱形结构，显然，柱形凸透镜在垂直于各个VCSEL芯片2排布方向上并不对VCSEL芯片2输出的光线进行扩散，而是保持这一方向上的光斑尺寸不变，由此即可获得具有较大发散角，且光斑均匀的一字线型光。

此外，还需要说明的是，对于整形透镜3中柱形凸透镜而言，其能够发散光线的关键在于经过其表面之后的激光光线发生折射而汇聚的区域在距离柱形透镜表面相对较近的位置，从而使得激光光线经过汇聚区域之后即可发生发散，而最终接收光线照射的承接面接收的光线也即是发散入射的光线。而要使得该汇聚区域尽可能的接近透镜表面，应当尽可能的使得每个柱形凸透镜凸起的尖锐程度达到一定的要求。一般情况下，柱形凸透镜越尖锐从其尖端部位到其底部的表面曲率变化越大，因此，在实际应用中其表面的曲率变化率大小应当不小于一定阈值，从而保证最终扩散输出的激光光线的扩散角。对于本申请中具有柱形凸透镜组成波浪结构的整形透镜3，可以将激光光线的发散角扩散到145度以上，相对于常规的采用DOE衍射实现光线扩散的方式仅仅能够将发散角扩散到120度以下，本申请在很大程度上增大了一字线型光的发散角。

当然，可以理解的是，对于单个柱形凸透镜表面的曲率变化率的具体大小，需要综合整个透镜的厚度、单个柱形凸透镜的周期宽度、单个柱形凸透镜的高度等等因素综合确定，对此本申请中不做详细说明。

基于上述具有多个柱形凸透镜组成的波浪结构的整形透镜3，在一字线型激光光源中，还可以存在多种不同的结构形式。

参照图2，在图2所示的实施例中，整形透镜3的一个表面为波浪结构的表面，而另一个表面则为平面。针对图2所示的整形透镜的实施例中，VCSEL芯片2输出的激光光线可以从整形透镜3平面表面入射，也可以从波浪结构的表面入射。

以整形透镜3正对VCSEL芯片2的表面为平面为例，那么VCSEL芯片2输出的光线基本可以垂直从该平面表面入射，入射后经过整形透镜3内部达到波浪结构的表面，从而发生扩散后输出。

当然，在实际应用中，也可以将整形透镜3的波浪结构的表面正对VCSEL芯片2的一侧，使得VCSEL芯片2的激光光线先经过波浪结构的表面扩散之后，又经过整形透镜3的另一侧平面表面折射出射，显然扩散的激光光线经过整形透镜3的平面表面时，可以再次发生折射，而这一折射过程能够进一步地增大输出的光线的发散角。

尽管以整形透镜3的波浪结构表面为VCSEL芯片2的激光光线的入射面，而以整形透镜3的平面表面为出射面，能够进一步地增大光线输出的发散角，但显然也存在部分的光线从该表面折射时出现全反射，进而造成一定的光损失。因此在实际应用过程中，可以基于实际应用对发散角的角度大小的需求，如果以整形透镜3的平面表面为激光光线的入射角能够满足光线发散角的应用需求，则应当有限考虑采用整形透镜的平面表面作为入射面。

可以理解的是，整形透镜3上背离波浪结构一侧的表面也并不必然为平面表面，还可以采用外凸面和内凹面。参考图4，在本申请的一种可选地实施例中，整形透镜3上背离波浪结构的表面为内凹面；VCSEL芯片2输出的激光光线从整形透镜3的内凹面入射，并从波浪结构的表面出射。

以图4中整形透镜3背离波浪结构一侧的表面为内凹曲面为例。当VCSEL芯片2从该内凹曲面入射，显然，该内凹曲面在一定程度上可以起到对VCSEL芯片2输出的激光光线进行扩散，之后再次经过波浪结构的表面进行二次扩散，从而获得发散角更大的线型光。

可以理解的是内凹曲面也应当是柱形内凹曲面。从而保证内凹曲面和波浪结构对光线扩散的方向一致。

参照于5和图6，在本申请的另一可选地实施例中，整形透镜3上背离波浪结构的表面可以为外凸面；VCSEL芯片2输出的激光光线从波浪结构的表面入射，并从整形透镜3的外凸面出射。

对于整形透镜3上背离波浪结构的表面可以是两个平面形成的外凸面，也可以是外凸曲面。当VCSEL芯片2输出的激光入射至整形透镜3的波浪结构表面发生折射而扩散之后，进一步地入射到外凸面，相对于平面表面而言，光线入射到外凸面界面的入射角更小，从而在一定程度上较少发生全反射的光线的比例。

参照图7，在本申请的又一可选地实施例中，该整形透镜3还可以在靠近VCSEL芯片2的一侧和背离VCSEL芯片2的一侧均为波浪结构的表面。

如图7所示，当整形透镜3的两个相对的表面均为波浪结构的表面，两个表面的柱形凸透镜可以一一正对设置，也可以相互错开设置，对此，本申请中不做具体限制。

当VCSEL芯片2从整形透镜3的一个波浪结构的表面入射进行一次扩散之后，可以在经过第二个波浪结构的界面时再次发生扩散，进而获得使得激光光线经过两次扩散之后输出，既能够获得较大的发散角，也能够在一定程度上增大输出的线型光的光斑亮度均匀性。

当然，在实际应用中，整形透镜3也并不仅限于上述实施例所述的结构形式，例如整形透镜的波浪结构整体并不排列在同一个平面上，而是排布在一个外凸曲面上等等，对此本申请中不一一列举说明。

综上所述，本申请中所提供的一字线型激光光源，采用了相对于传统的EEL芯片而言，封装难度更小，工作性能更好的VCSEL芯片2作为发光芯片；在此基础上还采用整形透镜3实现对VCSEL芯片2进行特定方向上的扩束，进而使得最终输出的线型光能够满足大发散角的基础上，减少光功率损失，提升线型光整体性能，有利于一字线型光的广泛应用。

基于上述任意实施例，在本申请的另一可选地实施例中，还可以进一步地将整形透镜3和VCSEL芯片2之间设置准直透镜4，通过准直透镜4能够将每个VCSEL芯片2输出的激光光线的发散角减小，进而使得经过整形透镜3在某一特定方向扩散后的一字线型光的线条光斑宽度减小，从而获得又细又长的线型光。

为了实现准直透镜4、整形透镜3和VCSEL芯片2以及基板1之间的组装，可以在基板1上设置环绕VCSEL芯片2的环形支撑架5。

因为相对于传统的EEL芯片的封装要求而言，本申请中的VCSEL芯片2封装在基板1上时，对环形支撑架5的支撑强度要求更低，因此本申请中的环形支撑架5可以采用成本更低的玻璃、塑料等材质的支撑架。在实际安装中环形支撑架5的一端贴合固定在基板1上，另一端和整形透镜3之间可以固定粘接连接；而准直透镜4可以设置在环形支撑架内部，和环形支撑架5的内壁固定连接。对于环形支撑架5和准直透镜4之间的连接可以通过光学胶相互粘接，还可以直接环形支撑架5和准直透镜4之间一体成型，都能实现本申请中的技术方案。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种一字线型激光光源，其特征在于，包括基板，设置在所述基板上的VCSEL芯片，设置在所述VCSEL芯片的输出光路上的整形透镜；所述VCSEL芯片包括为单个VCSEL芯片或多个沿和设定直线方向平行排布的VCSEL芯片；

其中，所述整形透镜用于对所述VCSEL芯片输出的激光光线在所述设定直线方向扩散。

2.如权利要求1所述的一字线型激光光源，其特征在于，所述整形透镜为包括多个并列排布的柱形凸透镜形成的波浪结构的透镜；

其中，各个所述柱形凸透镜的排列方向和所述设定直线方向平行，且每个所述柱形凸透镜的表面为柱形曲面。

3.如权利要求2所述的一字线型激光光源，其特征在于，所述整形透镜上背离所述波浪结构的表面为内凹面；所述VCSEL芯片输出的激光光线从所述整形透镜的内凹面入射，并从所述波浪结构的表面出射。

4.如权利要求2所述的一字线型激光光源，其特征在于，所述整形透镜上背离所述波浪结构的表面为外凸面；所述VCSEL芯片输出的激光光线从所述波浪结构的表面入射，并从所述整形透镜的外凸面出射。

5.如权利要求2所述的一字线型激光光源，其特征在于，所述整形透镜靠近所述VCSEL芯片的一侧和背离所述VCSEL芯片的一侧均为所述波浪结构的表面。

6.如权利要求2所述的一字线型激光光源，其特征在于，所述整形透镜上背离所述波浪结构的表面为平面。

7.如权利要求1至6任一项所述的一字线型激光光源，其特征在于，在所述VCSEL芯片和所述整形透镜之间还设置有准直透镜。

8.如权利要求7所述的一字线型激光光源，其特征在于，所述基板上设有用于连接支撑所述整形透镜和所述准直透镜的环形支撑架，所述VCSEL芯片设置于所述环形支撑架的内环中。

9.如权利要求8所述的一字线型激光光源，其特征在于，所述环形支撑架和所述准直透镜一体成型；

或者，所述环形支撑架和所述准直透镜以及所述整形透镜之间粘接连接。

10.如权利要求1所述的一字线型激光光源，其特征在于，所述VCSEL芯片通过COB封装技术固定封装于所述基板上。

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