CN204422873U - 一种用于同调光源应用的光束塑形透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于同调光源应用的光束塑形透镜，其结合于一光源使用，其包括一框架以及多个微阵列透镜。该框架为中空的柱体。多个微阵列透镜结合于该框架的一中空处，每一该微阵列透镜分别具有对称性的一入光面与一出光面，且每一该微阵列透镜的该入光面皆位于该光源所投射的一光路路径上，再通过该出光面将多个微阵列透镜的各光源修正后再互相叠加，进而达成特定形状的光场与良好的均匀性。

Description

一种用于同调光源应用的光束塑形透镜

技术领域

本实用新型涉及一种用于同调光源应用的光束塑形透镜，尤指一种多个微阵列透镜将光源加以修正，以达到特定形状光场与良好的均匀性光束塑形透镜。

背景技术

随着安防监控市场的不断发展，为了实现24小时连续监控，且需要在夜间监控隐蔽性高与夜视效果佳，因此在夜间会采用红外线光源进行照明辅助，其中又可分为现有的IR-LED红外线发光二极管、IR-Laser红外线激光、卤素灯泡。而面射型激光具有相似于LED发光二极管的垂直面发光特性，因此在封装制程上能直接沿用LED的封装体，如此一来终端应用上能在工序变化最少的状况下将LED发光二极管替换为面射型激光光源。

面射型激光光源具有准直性佳、发光角度小(<40度)及频谱半宽窄的光学特性，因此能仅用一次的光学结构调整成不同态样的光场分布，即二次光学元件的设计上能用较少的光学结构来达成不同照明应用需求的光场特性，但面射型激光方案也有一些问题需要克服，例如光形的不均匀性及激光光斑的形成等，这两种特性都会严重直接影响照明的质量，特别是会影响光场的均匀性并导致出现光斑问题，因此若要保持面射型激光在红外线照明应用的优势，前述的问题势必需要同时获得解决。

请参阅图1A、图1B、图1C所示，图1A为现有的光学透镜剖面示意图。图1B为现有的光学透镜的输入面射型激光光场示意图。图1C为现有的光学透镜的辅助光源范围与监视器成向范围的示意图。

为了解决这些问题，会在元件封装体的出光面上或二次光学透镜加上扩散结构，如图1A所示，现有的解决方案为在一光学透镜10的一入光面11上雾化喷砂来调整面射型激光存在的缺陷。如图1B所示，但经过扩散结构的光场能量分布仍与IR-LED红外线发光二极管一样为相似的高斯分布，应用在监视器夜间画面时中心亮度12会比边缘亮度13高，使得监视器曝光的均匀性较差，可能会让成像画面中心存在过曝现象，导致监视的辨识度降低。如图1C所示，此外，现有的光学透镜10所投射的一辅助光源14为了满足一监视器15的一影像感知器151透过一影像镜头152的成像角度，会将该辅助光源14的发散角大于监视器成像的斜边张角，以避免成像画面边缘产生暗角，但是，这样画面的四边会存在光场能量无效的分布区域A。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种用于同调光源应用的光束塑形透镜，利用多个微阵列透镜将光源加以修正以达到特定形状光场与良好的均匀性的目的。

为达上述目的，本实用新型提供了一种用于同调光源应用的光束塑形透镜，其结合于一光源上，其包括一框架以及多个微阵列透镜。该框架为中空的柱体。多个微阵列透镜结合于该框架的一中空处，每一该微阵列透镜分别具有对称的一入光面与一出光面，且每一微阵列透镜的该入光面皆位于该光源所投射的一光路路径上，再通过该出光面将多个微阵列透镜的各光源修正后再互相叠加，进而达成特定形状的光场与良好的均匀性。

本实用新型提供的光束塑形透镜的主要优点在于能重整垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又称垂直共振腔面射型激光)的甜甜圈状的光形分布，即使是光形不漂亮的光场分布的VCSEL元件，皆可利用本实用新型中的光束塑形透镜重整成均匀光场，并进一步将其光场加以塑形达到配合一般监视器成像视角的照明需求。

附图说明

图1A为现有的光学透镜剖面示意图；

图1B为现有的光学透镜的输入面射型激光光场示意图；

图1C为现有的光学透镜的辅助光源范围与监视器成像范围的示意图；

图2A为本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块的立体分解图；

图2B为本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块的立体组合图；

图2C为本实用新型提供的用于同调光源应用的光束塑形透镜的剖面示意图；

图3A为本实用新型提供的用于同调光源应用的光束塑形透镜的微阵列透镜四边形长、短轴比例为4：3的立体示意图；

图3B为本实用新型提供的用于同调光源应用的光束塑形透镜的微阵列透镜四边形长、短轴比例为1：1的立体示意图；

图3C为本实用新型提供的用于同调光源应用的光束塑形透镜的微阵列透镜为六边形态样示意图；

图4A为本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块的俯视图；

图4B为本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块的A-A剖面示意图；

图4C为本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块的B-B剖面示意图；

图5A为本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块的输出塑形光场示意图；

图5B为本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块的辅助光源范围与监视器成像范围的示意图；

图6为本实用新型提供的用于同调光源应用的光束塑形透镜的球面透镜结构差异分析图。

附图标记说明：10～现有的光学透镜；11～入光面；12～中心亮度；13～边缘亮度；14～辅助光源；15～监视器；151～影像感知器；152～影像镜头；2～光束塑形模块；20～光束塑形透镜；21～框架；211～中空处；212～电极脚位凹槽；213～光场方向标记；22、22a～微阵列透镜；221、221a～入光面；222、222a～出光面；30～光源；31～电极脚；32～基板；40～监视器；41～影像感知器；42～影像镜头；8～方形亮区；9～光路路径。

具体实施方式

为了能更清楚地描述本实用新型提出的一种用于同调光源应用的光束塑形透镜，以下将配合图式详细说明。

请参阅图2A、图2B、图2C所示，图2A为本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块的立体分解图。图2B为本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块的立体组合图。图2C为本实用新型提供的一种用于同调光源应用的光束塑形透镜的剖面示意图。其中，本实用新型中的该光束塑形模块2由一种用于同调光源应用的光束塑形透镜20结合于一光源30之上。该光束塑形透镜20包括一框架21以及多个微阵列透镜22。多个微阵列透镜22结合于该框架21的一中空处211；其中，每一该微阵列透镜22分别具有对称的一入光面221与一出光面222，且每一该微阵列透镜22的该入光面221皆位于该光源30所投射的一光路路径9上。该光源30为一面射型激光光源，且该面射型激光光源30具有两个相对应的电极脚31，该面射型激光光源30设置于一基板32上。

于该框架21靠近于该微阵列透镜22的该入光面221的侧端周缘处设置有多个电极脚位凹槽212，用以结合于面射型激光的该光源30的对应的该电极脚31上；此外，于该框架21靠近于多个微阵列透镜22的该出光面222的侧端上设置有一光场方向标记213，该光场方向标记213用于辨识塑形的光场长、短轴的方向。

请参阅图3A、图3B、图3C所示，图3A为本实用新型提供的一种用于同调光源应用的光束塑形透镜的微阵列透镜四边形长、短轴比例(H：V)为4：3的立体示意图。图3B为本实用新型提供的一种用于同调光源应用的光束塑形透镜的微阵列透镜四边形长、短轴比例(H：V)为1：1的立体示意图。图3C为本实用新型提供的一种用于同调光源应用的光束塑形透镜的微阵列透镜六边形态样示意图。其中，每一该微阵列透镜22的该入光面221与该出光面222分别于该光路路径9上相互对应且对称，且该微阵列透镜22的该入光面221以及该出光面222分别为球面弧形表面；换言之，该微阵列透镜22的该入光面221的球面弧形表面与该出光面222的球面弧形表面的位置相对应(对准)而且形状相对称。于本实施例中，该入光面221以及该出光面222的球面弧形表面的曲率半径RR可以是1.2mm。

于图3A以及图3B中，多个微阵列透镜22的该入光面221以及该出光面222分别为四边形，其分别具有对应的一长轴(H)以及对应的一短轴(V)，且每一微阵列透镜22均具有一透镜厚度(D)。该微阵列透镜22的该入光面221以及该出光面222的该长轴(H)与短轴(V)的比例(H：V)可以是4：3、1：1或16：9(图中未示)。此外，于图3C中，该微阵列透镜22a的该入光面221a以及该出光面222a均为六边形。同样地，如图3B及图3C所示，多个微阵列透镜22、22a的该入光面221、221a的球面弧形表面以及该出光面222、222a的球面弧形表面两者不仅位置相对应(对准)而且形状相对称。

请参阅图4A、图4B、图4C所示，图4A为本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块的俯视图。图4B为本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块的A-A剖视示意图。图4C为本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块的B-B剖视示意图。其中，本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块2的光束塑形透镜20依据实验的结果，调整多个微阵列透镜22结构能改变面射型激光光源塑形调整后的特性，亦即调整该入光面221与该出光面222的矩形球面的长、短轴比例(H:V)、球面弧形表面的曲率半径RR、以及该入光面221与该出光面222对称的厚度D(微阵列透镜的透镜厚度)、紧密排列形成的球面微阵列透镜22的数量来达到不同监视器视角的应用(5～90°)角度。如图4A、图4B、图4C所示，即以该入光面221与该出光面222的长、短轴宽比H:V＝4:3以及曲率半径RR＝1.2mm的矩形做为本实用新型该光束塑形模块2的较佳实施例。

请参阅图5A、图5B所示，图5A为本实用新型面射型提供的激光同调光源应用的光束塑形模块的输出塑形光场示意图。图5B为本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块的辅助光源范围与监视器成像范围的示意图。其中，如图5A所示，本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块2可将输出的光场大致塑形成长方形状态，不仅光场均匀且集中分布于中央一方形亮区8，改善了现有的重整垂直腔面发射激光器VCSEL的甜甜圈状的光形分布，即便是光形不漂亮的光场分布的VCSEL元件，也可透过本实用新型光束塑形透镜20重整成均匀光场以达照明需求。

如图5B所示，本实用新型提供的面射型激光同调光源应用的光束塑形模块2的面射型激光的该光源30具有准直性佳及频谱半宽窄的光学特性，因此能仅用一次的光学结构调整成不同态样的光场分布，并保有良好的出光效率，可通过该光束塑形透镜20将光场调整为长、短轴长度之比为4:3或16:9的长方形，且光场强度的分布均匀，此光场特性搭配一监视器40，可完全符合一影像感知器41透过一影像镜头42所呈现的成像视野，提升光能量的利用效率，也不会产生如同现有技术般光场能量无效的分布区域。

也就是说，利用多个微阵列透镜22的每一该入光面221与该出光面222对称性的球面微阵列透镜22，将面射型激光阵列的该光源30分别由该入光面221微阵列透镜将光源分割聚焦为特定形状，再由每一该出光面222微阵列透镜22将分割的各光源修正光路互相叠加，从而达成具有特定发散角、特定形状的光场、光均匀性的特性，且更能搭配该监视器40的成像视野，达到充分利用光场能量的目的。

请参阅图6所示，图6为本实用新型提供的一种用于同调光源应用的光束塑形透镜的球面透镜结构差异分析图。其中，通过固定球面为透镜曲率RR，变更长轴H的尺寸、透镜厚度D的尺寸会产生不同的塑形光场的长轴角度H_angle。于图6的实验数据中，以该微阵列透镜20较佳实施例的数据为该长轴(H)长度为1.2mm、该短轴(V)长度为1mm、该透镜厚度(D)为3.2mm，将原面射型激光光源甜甜圈状的光场分布调整为符合一般监视器的长宽比的矩形态样。

综上所述，本实用新型提供的一种用于同调光源应用的光束塑形透镜20结合于一光源30上，以达到构成本实用新型面射型激光同调光源应用的光束塑形模块2的目的。该光束塑形透镜20包括一框架21以及多个微阵列透镜22。该框架21为中空的柱体。多个微阵列透镜22结合于该框架21的一中空处211。每一该微阵列透镜22分别具有对称的一入光面221与一出光面222，且每一该微阵列透镜22的该入光面221皆位于面射型激光阵列的该光源30所投射的一光路路径9上，分别由该入光面221微阵列透镜将所投射的光源分割聚焦为特定形状，再通过该出光面222将多个微阵列透镜22的各光源修正后再互相叠加，进而达成特定形状的光场与良好的均匀性。

以上所述实施例不应用于限制本实用新型的可应用范围，本实用新型的保护范围应以本实用新型的权利要求范围内容所界定的技术精神及其均等变化所含括的范围为主。即大凡依本实用新型的权利要求范围所做的均等变化及修饰，仍将不失本实用新型的要义所在，亦不脱离本实用新型的精神和范围，故都应视为本实用新型的进一步实施状况。

Claims (10)

1.一种用于同调光源应用的光束塑形透镜，其结合于一光源上，其特征在于，其包括：

一框架，其为中空的柱体；以及

多个微阵列透镜，多个微阵列透镜结合于该框架的一中空处；

其中，每一该微阵列透镜分别具有对称的一入光面与一出光面，且每一该微阵列透镜的该入光面皆位于该光源所投射的一光路路径上。

2.如权利要求1所述的用于同调光源应用的光束塑形透镜，该入光面以及该出光面均为球面弧形表面；并且，该微阵列透镜的该入光面的球面弧形表面与该出光面的球面弧形表面的位置相对应而且形状相对称。

3.如权利要求2所述的用于同调光源应用的光束塑形透镜，其中，该入光面以及该出光面的球面弧形表面的曲率半径为1.2mm。

4.如权利要求3所述的用于同调光源应用的光束塑形透镜，其中，多个微阵列透镜的该入光面以及该出光面均为四边形，该入光面和该出光面均具有对应的一长轴以及对应的一短轴，且每一微阵列透镜均具有一透镜厚度。

5.如权利要求4所述的用于同调光源应用的光束塑形透镜，其中，该微阵列透镜的该入光面以及该出光面的该长轴与短轴的长度比例为4：3、1：1或16：9。

6.如权利要求3所述的用于同调光源应用的光束塑形透镜，其中，多个微阵列透镜的该入光面以及该出光面均为六边形。

7.如权利要求1所述的用于同调光源应用的光束塑形透镜，其中，该光源为一面射型激光光源，且该面射型激光光源具有两个相对应的电极脚，该面射型激光光源设置于一基板上。

8.如权利要求4所述的用于同调光源应用的光束塑形透镜，其中，该微阵列透镜的该长轴的长度为1.2mm，该短轴的长度为1mm，该微阵列透镜的厚度为3.2mm。

9.如权利要求7所述的用于同调光源应用的光束塑形透镜，其中，于该框架靠近于该微阵列透镜的该入光面的侧端周缘处设置有多个用以结合于该面射型激光光源的对应的该电极脚上的电极脚位凹槽。

10.如权利要求4所述的用于同调光源应用的光束塑形透镜，其中，于该框架靠近于该微阵列透镜的该出光面的侧端上设置有一用于辨识塑形的光场长轴方向和短轴方向的光场方向标记。