CN217769071U - 一种vcsel发光器件 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种VCSEL发光器件，所述VCSEL发光器件包括有光学透镜，所述光学透镜的外表面或内表面上还设置有微透镜阵列，所述微透镜阵列由数个微透镜呈阵列排布而成，且所述微透镜阵列和所述光学透镜一体成型，可以减少生产成本。所述微透镜阵列可以调整所有单个VCSEL光源的出光角度，使得所有单个VCSEL光源的出光角度发生一定程度的偏转或收束或扩束，以使得减少所述暗区，进而提升光斑照度均匀性。

Description

一种VCSEL发光器件

技术领域

本申请涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种基于VCSEL阵列光源的VCSEL发光器件。

背景技术

VCSEL(垂直腔面发射激光器)发光器件是激光从垂直于半导体衬底表面的方向射出的一种半导体激光器光源阵列器件。VCSEL由于体积小、功率大、光束发散角小、运行稳定、连接效率高、输出功率灵活可调等诸多优势适用于3D成像、自动驾驶、激光雷达、TOF传感器各种应用场景。

当前的VCSEL发光器件的核心部件是VCSEL光源阵列，所述VCSEL光源阵列由数个VCSEL光源呈阵列排布而成，单个的VCSEL光源一般尺寸较小，且发光角度小，一般单个的VCSEL光源发光角度为20～30度，需要通过光束调控器件对VCSEL光源进行光束调控，以形成足够大的照射面积。

如图1所示，当前，通常采用扩束器11(Diffuser)进行扩束，该扩束器11在平板石英玻璃111的表面粘接高分子层112，利用高分子层112的微折射技术(包含折射和衍射)进行光线扩散，且该扩束器11放置在与基板1相连的支撑台12(Holder)上。平板石英玻璃111全反射较多，再加上高分子层112中具有大量的微结构，会造成极大的光损失；由于扩束器11设置于支撑台12上，粘接面小，采用UV胶粘接，极容易掉落。实际测试中，VCSEL光源阵列2经扩束器11扩束后，最多将出光角度提升至110～120度，且光学损失较大，出光效率比较低，以及照射区域的中央区域和边缘区域亮度差别较大，光学均匀性差。而且高分子层112容易高温熔融及脱落或者胶水浸润及污染物填充导致的失效或者工程扩束器11直接掉落，能量极强的激光光束直接照射出去存在人眼安全隐患。

如图2所示，当前，还有通过在每个VCSEL光源21上方设置光学透镜3的方式，以对VCSEL光源21光束进行扩束。此种方案对VCSEL光源扩束后，由于单个的VCSEL光源21一般尺寸较小，且发光角度小，即使设置曲率很大的光学透镜3，甚至设置两次透镜3对单个VCSEL光源21扩束，整体VCSEL发光器件的发光角度也最多被提升至110～120度,对发光角度提升幅度有限，难以形成足够大的照射面积，且设置曲率很大的尖锥形透镜生产工艺难度极大，不同透镜之间的曲率难以控制为一致，VCSEL发光器件的整体光学均匀性也不好控制。

为了形成足够大的照射面积,提升发光角度，同时使照射的区域照度均匀，则是目前需要解决的重要问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种VCSEL发光器件，可以克服现有技术存在的光损耗较大、出光效率较低以及扩束能力有限等缺陷，具有整个VCSEL发光器件的整体扩束角度大、光透过率高、光损小、光学均匀性好等优点。

本申请提供的VCSEL发光器件包括：该VCSEL发光器件包括：基板，设置在所述基板上的VCSEL光源阵列，设置在基板上的光学透镜，所述光学透镜在基板上的投影覆盖整个VCSEL光源阵列的上表面，所述光学透镜和所述基板之间形成一空腔结构。所述VCSEL光源阵列由数个VCSEL光源呈阵列排布而成，所述光学透镜具有靠近所述VCSEL光源阵列的内表面和背离所述VCSEL光源阵列的外表面，由于所述光学透镜在基板上的投影覆盖整个VCSEL光源阵列的上表面，即所述光学透镜为一个大透镜结构，且所述光学透镜和所述基板之间形成一空腔结构，因此，本申请的所述内表面可以设计为将所述VCSEL光源阵列的整体发光角度扩散至30～160度。

相比较于现有的VCSEL发光器件，本申请提供的VCSEL发光器件大大提升了发光角度的范围，即现有的VCSEL发光器件的发光角度的范围为20～110度，本申请可以提升为20～150度，甚至20～160度。

由于所述光学透镜对VCSEL光源阵列为整体进行光束扩散，实现大范围的扩散角度，但对单个的VCSEL光源的出光角度并没有产生明显的扩散作用，相邻的VCSEL光源之间具有一定间距，本申请提供的VCSEL发光器件的VCSEL光源照射区域和未被VCSEL光源照射区域之间形成明显的明暗相间的光学差异，光斑照度分布表现为明显的亮区和暗区，即每个VCSEL光源照射区域为亮区，亮区与亮区之间形成暗区，整体光斑照度分布显示光学均匀性差。如果要消除所有暗区，则需要增加VCSEL光源，缩减相邻VCSEL光源之间的间距，不但增加生产成本，而且提升工艺生产难度。

为了提升VCSEL发光器件整体光斑照度的均匀性，本申请提供的VCSEL发光器件的所述光学透镜的外表面或内表面上还设置有微透镜阵列，所述微透镜阵列由数个微透镜呈阵列排布而成，且所述微透镜阵列和所述光学透镜一体成型，可以减少生产成本。所述微透镜阵列可以调整所有单个VCSEL光源的出光角度，使得所有单个VCSEL光源的出光角度发生一定程度的偏转或收束或扩束，以使得减少所述暗区，进而提升光斑照度均匀性。

附图说明

为了更清楚的说明本申请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申请的一些实施例，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为现有的一种VCSEL发光器件的结构图；

图2为现有的另一种VCSEL发光器件的结构图；

图3为本申请的第一实施例提供的VCSEL发光器件的剖面结构图；

图4为本申请的第二实施例提供的VCSEL发光器件的剖面结构图；

图5为本申请的图3或图4提供的VCSEL发光器件的光斑照度分布图；

图6为本申请的第三实施例提供的VCSEL发光器件的剖面结构图；

图7为本申请的第四实施例提供的VCSEL发光器件的剖面结构图。

附图标记：

11、扩束器，111、平板石英玻璃，112、高分子层，12、支撑台，

1、基板，2、VCSEL光源阵列，21、VCSEL光源，3、光学透镜，4、空腔结构，31、内表面，32、外表面，33、微透镜阵列，330、微透镜。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为了形成足够大的照射面积,提升发光角度，同时使照射的区域照度均匀，本申请提供一种VCSEL发光器件。

如图3所示，图3为本申请第一实施例提供的VCSEL发光器件的剖面结构图，该VCSEL发光器件包括：基板1、设置在所述基板1上的VCSEL光源阵列2，设置在基板上的光学透镜3，所述光学透镜3在基板1上的投影覆盖整个VCSEL光源阵列2的上表面，所述光学透镜3和所述基板1之间形成一空腔结构4。所述VCSEL光源阵列2由数个VCSEL光源21呈阵列排布，所述光学透镜3具有靠近所述VCSEL光源阵列2的内表面31和背离所述VCSEL光源阵列2的外表面32，由于所述光学透镜3在基板1上的投影覆盖整个VCSEL光源阵列2的上表面，即所述光学透镜3为一个大透镜结构，且所述光学透镜3和所述基板1之间形成一空腔结构4，因此，本实施例的所述内表面31可以设计为将所述VCSEL光源阵列2的整体发光角度扩散至30～160度，相比较于图1和图2结构的VCSEL发光器件，本实施例提供的VCSEL发光器件大大提升了发光角度的范围，即现有的VCSEL发光器件的发光角度的范围为20～110度，本实施例可以提升为20～150度，甚至20～160度。本实施例的所述内表面31可以为内凹面，但是本申请的其它实施例中并不限制内表面31必须为内凹面结构，只要所述内表面31可以大大提升发光角度的范围即可。

如图4所示，图4为本申请的第二实施例提供的VCSEL发光器件的剖面结构图，与图3提供的VCSEL发光器件的区别在于所述内表面31为内凸面结构，提供所述内凸面将VCSEL光源阵列2发出的光线进行交错扩散，同样可以实现将所述VCSEL光源阵列2的整体发光角度扩散至30～160度。

如图5所示，图5为图3或图4提供的VCSEL发光器件的光斑照度分布图。由于所述光学透镜3对VCSEL光源阵列2为整体进行光束扩散，实现大范围的扩散角度，但对单个的VCSEL光源21的出光角度并没有产生明显的扩散作用，相邻的VCSEL光源之间具有一定间距，因此，上述图3或图4提供的VCSEL发光器件的VCSEL光源照射区域和未被VCSEL光源照射区域之间形成明显的明暗相间的光学差异，光斑照度分布表现为明显的亮区和暗区，即每个VCSEL光源21照射区域为亮区，亮区与亮区之间形成暗区，整体光斑照度分布显示光学均匀性差。如果要消除所有暗区，则需要增加VCSEL光源21，缩减相邻VCSEL光源21之间的间距，不但增加生产成本，而且提升工艺生产难度。

如图6和图7所示，图6为本申请的第三实施例提供的VCSEL发光器件的剖面结构图，图7为本申请的第四实施例提供的VCSEL发光器件的剖面结构图，图6和图7实施例提供的VCSEL发光器件分别对应图3和图4实施例提供的VCSEL发光器件，即在图3和图4实施例提供的VCSEL发光器件的基础上，所述光学透镜3的外表面32上还设置有微透镜阵列33，所述微透镜阵列33由数个微透镜330呈阵列排布而成，且所述微透镜阵列33和所述光学透镜3一体成型，可以减少生产成本。所述微透镜阵列33可以调整所有单个VCSEL光源21的出光角度，使得所有单个VCSEL光源21的出光角度发生一定程度的偏转或收束或扩束，以使得减少所述暗区，进而提升光斑照度均匀性。在上述实施例中，所述微透镜330为外凸面结构，但是本申请的其它实施例中并不限制微透镜330为外凸面结构，只要所述微透镜330可以减少暗区即可。即在其它的实施例中，所述微透镜330可为内凹面结构，或者部分为外凸面结构，部分为内凹面结构。

在上述实施例中，所述微透镜阵列33设置于外表面32上，在本申请的其它实施例中，所述微透镜阵列33设置于内表面31上，不限制必须设于外表面32上。同样，所述微透镜阵列33可由数个微透镜330呈阵列排布而成，且所述微透镜阵列33和所述光学透镜3一体成型，可以减少生产成本。

在可选的方案中，所述微透镜330的外边缘可为圆形、正方形、长方形、六边形、八边形以及其它规则或者不规则形状。

优选的方案中，所述微透镜330的外边缘为正方形、长方形、六边形、八边形等，多个所述微透镜330的外边缘之间形成紧密组合。

在可选的方案中，所述透镜3由折射率为1.4～1.7的材料制作而成。

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、物品或者器件所固有的要素。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、物品或者器件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申请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申请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，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，以及对本申请中的各个实施例进行组合，这些改进、修饰和组合也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种VCSEL发光器件，其特征在于，包括：基板(1)、设置在所述基板(1)上的VCSEL光源阵列(2)，设置在基板(1)上的光学透镜(3)，所述光学透镜(3)在基板(1)上的投影覆盖整个VCSEL光源阵列(2)的上表面，所述光学透镜(3)和所述基板(1)之间形成一空腔结构(4)；

所述VCSEL光源阵列(2)由数个VCSEL光源21呈阵列排布，所述光学透镜(3)具有靠近所述VCSEL光源阵列(2)的内表面(31)和背离所述VCSEL光源阵列(2)的外表面(32)，所述光学透镜(3)的外表面(32)或内表面(31)上还设置有微透镜阵列(33)，所述微透镜阵列(33)由数个微透镜(330)呈阵列排布而成，且所述微透镜阵列(33)和所述光学透镜(3)一体成型。

2.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述VCSEL发光器件的发光角度的范围为20～150度。

3.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述内表面(31)为内凸面结构。

4.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述内表面(31)可以为内凹面结构。

5.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述微透镜(330)为外凸面结构。

6.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述微透镜(330)为内凹面结构。

7.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述微透镜(330)部分为内凹面结构，部分为内凹面结构。

8.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述微透镜(330)的外边缘为圆形、正方形、长方形、六边形、八边形以及其它规则或者不规则形状。

9.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述微透镜(330)的外边缘为正方形、长方形、六边形、八边形中的一种或多种，多个所述微透镜(330)的外边缘之间形成紧密组合。

10.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述光学透镜(3)由折射率为1.4～1.7的材料制作而成。

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