CN219226882U - 一种vcsel光源器件及其vcsel光源器件组合 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及发光技术领域，公开了一种VCSEL光源器件及VCSEL光源器件组合。VCSEL光源器件包括基板、VCSEL芯片和透镜，以及透镜和基板形成容纳VCSEL芯片的空腔结构。透镜包含下光学界面和上光学界面，下光学界面至少包括与VCSEL芯片的发光面呈一定夹角的倾斜面，倾斜面覆盖VCSEL芯片的发光面，用于将VCSEL芯片发出的输入光线整体向VCSEL芯片的法线的同一侧偏折。本实用新型通过下光学界面的偏折和上光学界面的整形，改变了原始的光轴方向和形态分布。偏折后光斑的光轴与发光芯片的法线呈一定夹角，实现偏光；且更易于安装，使用成本低。VCSEL光源器件组合后混光效果好、能量连续均匀，光能利用率高。

Description

一种VCSEL光源器件及其VCSEL光源器件组合

技术领域

本实用新型属于发光技术领域，具体而言，涉及一种VCSEL光源器件及其VCSEL光源器件组合。

背景技术

VCSEL芯片发光区域由多个光锥孔组成，光线从光锥孔发出，远场光斑呈现类拉盖尔-高斯分布，角度一般在10-30°之间。远场光斑的光轴与芯片发光面的法线重合，相对于光轴旋转对称分布，无法满足特殊的偏光场景的使用。例如在车辆远程照明领域的应用，参照图1，镜头B两侧对称设置VCSEL光源器件A，两个VCSEL光源器件A发出的光在镜头B前方存在光交叉区域C，该区域交叉光在镜头B近距离前造成强光干扰问题。

为解决上述问题，需将光交叉区域C产生在镜头前更远处。现有技术方案参照图2，将VCSEL光源器件A简单地进行一定角度的偏转后进行装配，偏转角度设置后存在的问题：1.会增大两个光斑两侧的宽度，而车辆远程照明不需要照射到过宽的道路两侧，这样设置存在光能浪费；2.光偏转后的远场分布通常无法满足照射的行程和亮度需求，且整形难度高；3.增加了光源器件的安装难度和使用成本。基于上述痛点，现有的技术方案在应用上无法满足需求。

目前要解决的问题：如何改变光斑的中心光轴和相位，提高光能利用率，且易于整形；满足特定场景的能量和照度的分布，并易于安装、使用成本低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种VCSEL光源器件及其VCSEL光源器件组合，旨在解决现有技术中，如何改变光斑的中心光轴和相位，提高光能利用率，且易于整形；满足特定场景的能量和照度的分布，易于安装，且使用成本低。

本实用新型是这样实现的，一种VCSEL光源器件，包括：基板、设置在所述基板上的VCSEL芯片、设置于所述VCSEL芯片的输出光路上的透镜，以及所述透镜和所述基板形成容纳所述VCSEL芯片的空腔结构；

所述透镜包含输入光线的下光学界面和输出光线的上光学界面，所述下光学界面至少包括与所述VCSEL芯片的发光面呈一定夹角的倾斜面，所述倾斜面覆盖所述VCSEL芯片的发光面，所述倾斜面用于将所述VCSEL芯片发出的输入光线整体向所述VCSEL芯片的法线的同一侧偏折。

进一步的，所述倾斜面为平面和/或曲面，所述倾斜面的法线与VCSEL芯片的法线之间的夹角为10°～30°。

进一步的，所述倾斜面为平面，所述VCSEL芯片的多组平行入射光经所述倾斜面折射后与所述倾斜面分别形成夹角，各个夹角的度数相等。

进一步的，所述上光学界面包括第一界面；所述第一界面设于所述倾斜面上方，用于将经所述倾斜面偏折后的光进一步向所述VCSEL芯片的法线的同一侧偏折扩束。

进一步的，所述上光学界面还包括第二界面；所述第二界面设于第一界面远离光整体偏折方向的一侧，用于将经所述倾斜面偏折后的边缘光向整体偏折方向会聚。

进一步的，所述上光学界面为渐变式曲面；所述上光学界面沿所述第二界面到第一界面的曲率逐渐增大；所述下光学界面折射后形成的多组平行光经所述第一界面折射后与所述第一界面分别形成夹角，各个夹角的度数沿光偏折的方向逐渐增大。

进一步的，所述第一界面为凹曲面，所述第二界面为平面和/或凸曲面，所述第一界面与所述第二界面通过渐变式曲面连接。

进一步的，所述透镜的截面积从第一界面到所述第二界面逐渐缩小。

进一步的，所述VCSEL芯片上设置有多个光锥孔，所述光锥孔呈规则阵列分布。

进一步的，一种VCSEL光源器件组合，至少包括两个本实用新型中的任何一种VCSEL光源器件，两个所述VCSEL光源器件镜像设置，两个所述VCSEL光源器件的光偏折方向相反、发光朝向同侧。

与现有技术相比，本实用新型提供的VCSEL光源器件及VCSEL光源器件组合具有如下有益效果：

一、本实用新型的透镜分为下光学界面和上光学界面，下光学界面为偏折面，具有将光束整体向VCSEL芯片的法线的同一侧偏折的功能；上光学界面为整形面，整形面同时具有会聚和扩束的功能。通过透镜的下光学界面的偏折和上光学界面的整形，改变了VCSEL芯片原始的光轴方向和形态分布。

二、现有技术方案参照图2和图4，为了在正向7上实现偏光，将整个VCSEL光源器件进行倾斜安装，以此整体改变VCSEL光束的空间位置。VCSEL芯片的法线5仍与光轴6在空间上重合，并没有进行区域性调控光束。

本实用新型参照图3和图5，为了在正向7上实现偏光，将下光学界面设置至少包括与VCSEL芯片的发光面呈一定夹角、用于将VCSEL芯片发出的输入光线整体向VCSEL芯片的法线5的同一侧偏折的倾斜面。偏折后光斑的光轴6与VCSEL芯片的法线5呈一定夹角，实现偏光效果。上光学界面包括第一界面和第二界面，第一界面进一步加大光束折射角，实现偏光和整形的效果；第二界面设于第一界面远离光整体偏折方向的一侧，用于将到达第一界面的边缘光向整体偏折方向会聚，光斑效果参照图6。

综上，(一)本实用新型易于安装、整形，使用成本低；(二)现有技术的VCSEL光源器件组合的光斑参照图7，混光效果差、能量不连续；本实用新型的VCSEL光源器件组合的光斑参照图8，混光效果好、能量连续均匀，满足特定场景的能量和照度的分布，光能利用率高。

附图说明

图1是现有技术的VCSEL光源器件组合的出光示意图；

图2是现有技术的另一种VCSEL光源器件组合的出光示意图；

图3是本实用新型提供的VCSEL光源器件组件的出光示意图；

图4是现有技术的另一种VCSEL光源器件的剖面结构示意图；

图5是本实用新型提供的VCSEL光源器件的剖面结构示意图；

图6是本实用新型提供的VCSEL光源器件的光斑效果图；

图7是现有技术的另一种VCSEL光源器件组合的光斑效果图；

图8是本实用新型提供的VCSEL光源器件组合的光斑效果图；

图中:1-基板；2-VCSEL芯片；3-透镜；31-下光学界面；311-倾斜面；32-上光学界面；321-第一界面；322-第二界面；4-空腔结构；5-法线；6-光轴；7-正向；A-VCSEL光源器件；B-镜头；C-光交叉区域。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

以下结合具体实施例对本实用新型的实现进行详细的描述。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照图1-8所示，为本实用新型提供的较佳实施例。

参照图5，VCSEL光源器件包括基板1、设置在基板1上的VCSEL芯片2和覆盖VCSEL芯片2的透镜3。透镜3和基板1形成容述VCSEL芯片2的空腔结构4，空腔结构4分为芯片放置区域与光传播区域。空腔结构4内还可容纳导线和光敏芯片等其他功能芯片。透镜3包含输入光线的下光学界面31和输出光线的上光学界面32。下光学界面31至少包括与VCSEL芯片2的发光面呈一定夹角的倾斜面311。倾斜面311覆盖VCSEL芯片2的发光面，用于将VCSEL芯片2发出的输入光线整体向透镜3的同侧偏折，即整体向VCSEL芯片2的法线的同一侧偏折。偏折后光斑的光轴6与VCSEL芯片2的法线5呈一定夹角，实现偏光的效果。

具体实施例：倾斜面311为平面或者曲面，或者平面和曲面的结合，上述组合整体都存在一个倾斜的坡度。考虑到VCSEL光源器件光分布范围，倾斜面311的法线与VCSEL芯片2发光面的法线5之间的夹角α优选为1°-30°。

下光学界面31的优化实施例，倾斜面311为平面，从VCSEL芯片2发出的相互平行的入射光经倾斜面311折射后与倾斜面311分别形成夹角θ1、θ2、θ3，满足θ1＝θ2＝θ3。

上光学界面32的优化实施例，上光学界面32包括第一界面321，第一界面321设于倾斜面311上方，用于将经倾斜面311偏折后到达第一界面321的光进一步向透镜3的同侧偏折扩束。第一界面321进一步加大光束折射角，实现偏光和整形的效果。上光学界面32还包括第二界面322，第二界面322设于第一界面321远离光整体偏折方向的一侧，用于将经倾斜面311偏折后的到达第一界面321的边缘光向整体偏折方向会聚。

透镜3材料可选择硅树脂或者环氧树脂等热固性型材料。在制造工艺上，透镜3可通过注塑或者模压成型。可增加设置支架，透镜3直接与支架结合，完成封装体器件级别的整合。

本实用新型通过透镜3的设置使VCSEL芯片2出射光束的光轴6偏转，同时进行光斑整形。下光学界面31为偏折面，具有将光束整体向一侧偏折的功能；上光学界面32为整形面，且整形面同时具有汇聚和扩束的功能。VCSEL芯片2上设置有多个光锥孔，光锥孔呈规则阵列分布。VCSEL芯片2发出的光通过透镜3的下光学界面31的偏折和上光学界面32的整形，改变了VCSEL芯片2原始阵列的光轴方向和形态分布，参照图6，相对于现有技术，光斑沿其所在平面的Y轴整体平移，但在X轴方向仍对称。照射面上的光斑中心偏离初始的VCSEL芯片2发光面的法线5方向，使得VCSEL芯片2原始阵列出光的相位发生改变，满足特殊应用场景使用。

进一步优化，上光学界面32为渐变式曲面，第一界面321与第二界面322通过渐变式曲面连接。第二界面322到第一界面321的曲率逐渐增大，表现为从VCSEL芯片2发出的相互平行的光线，经下光学界面31折射到达上光学界面32，并经上光学界面32折射后，出射光线与透镜3的中心线(或者说VCSEL芯片2发光面的法线5)沿第二界面322到第一界面321方向形成夹角θ4、θ5、θ6，满足θ6＞θ5＞θ4。第一界面321优选为凹曲面，第二界面322优选为平面，或者凸曲面，或者平面和凸曲面的结合。进一步的，透镜3的截面积从第一界面321到第二界面322逐渐缩小，即透镜3的截面从第二界面322到第一界面321呈上下边不对称的喇叭状。透镜3折射率优选1.4-1.6。

在不同使用场景中，根据需要对本实用新型的VCSEL光源器件进行组合设置。例如，VCSEL光源器件组合包括本实用新型的任何一种VCSEL光源器件，数量至少包括两个。参照图3，两个VCSEL光源器件镜像设置，使两个VCSEL光源器件的光束偏折方向相反、发光朝向同侧。参照图7-8，本实用新型VCSEL光源器件组合易于安装、整形，使用成本低；混光效果好、能量连续均匀，满足特定场景的能量和照度的分布，光能利用率高。

不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种VCSEL光源器件，其特征在于，包括：基板（1）、设置在所述基板（1）上的VCSEL芯片（2）、设置于所述VCSEL芯片（2）的输出光路上的透镜（3），以及所述透镜（3）和所述基板（1）形成容纳所述VCSEL芯片（2）的空腔结构（4）；

所述透镜（3）包含输入光线的下光学界面（31）和输出光线的上光学界面（32），所述下光学界面（31）至少包括与所述VCSEL芯片（2）的发光面呈一定夹角的倾斜面（311），所述倾斜面（311）覆盖所述VCSEL芯片（2）的发光面，所述倾斜面（311）用于将所述VCSEL芯片（2）发出的输入光线整体向所述VCSEL芯片（2）的法线的同一侧偏折。

2.如权利要求1所述的VCSEL光源器件，其特征在于，所述倾斜面（311）为平面和/或曲面，所述倾斜面（311）的法线与所述VCSEL芯片（2）的法线之间的夹角为10°～30°。

3.如权利要求2所述的VCSEL光源器件，其特征在于，所述倾斜面（311）为平面，所述VCSEL芯片（2）的多组平行入射光经所述倾斜面（311）折射后与所述倾斜面（311）分别形成夹角，各个夹角的度数相等。

4.如权利要求1所述的VCSEL光源器件，其特征在于，所述上光学界面（32）包括第一界面（321）；所述第一界面（321）设于所述倾斜面（311）上方，用于将经所述倾斜面（311）偏折后的光进一步向所述VCSEL芯片（2）的法线的同一侧偏折扩束。

5.如权利要求4所述的VCSEL光源器件，其特征在于，所述上光学界面（32）还包括第二界面（322）；所述第二界面（322）设于第一界面（321）远离光整体偏折方向的一侧，用于将经所述倾斜面（311）偏折后到达所述第二界面（322）的边缘光向整体偏折方向会聚。

6.如权利要求5所述的VCSEL光源器件，其特征在于，所述上光学界面（32）为渐变式曲面；所述上光学界面（32）沿所述第二界面（322）到第一界面（321）的曲率逐渐增大；所述下光学界面（31）折射后形成的多组平行光经所述第一界面（321）折射后与所述第一界面（321）分别形成夹角，各个夹角的度数沿光偏折的方向逐渐增大。

7.如权利要求6所述的VCSEL光源器件，其特征在于，所述第一界面（321）为凹曲面，所述第二界面（322）为平面和/或凸曲面，所述第一界面（321）与所述第二界面（322）通过渐变式曲面连接。

8.如权利要求6所述的VCSEL光源器件，其特征在于，所述透镜（3）的截面积从第一界面（321）到所述第二界面（322）逐渐缩小。

9.如权利要求1所述的VCSEL光源器件，其特征在于，所述VCSEL芯片（2）上设置有多个光锥孔，所述光锥孔呈规则阵列分布。

10.一种VCSEL光源器件组合，其特征在于，至少包括两个权利要求1-9所述的任何一种VCSEL光源器件，两个所述VCSEL光源器件镜像设置，两个所述VCSEL光源器件的光偏折方向相反、发光朝向同侧。

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