CN220822185U - 一种全反射光学器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体发光技术领域，公开了全反射光学器件，包括EEL发光芯片和透镜。透镜包括第一光学界面、第二光学界面和第三光学界面。入射光的第一光轴与第一光学界面之间的夹角为α，180°>α>90°。入射光的第一光轴与第二光学界面之间的夹角为β，90°>β>0°。EEL发光芯片的光束经第一光学界面的折射、第二光学界面的全反射和第三光学界面的折射作用后出射，第一光轴与第二光轴所呈夹角为γ，180°>γ>0°。本实用新型的第一光学界面可将光向上偏折，增大入射至第二光学界面的入射角，提高光发生全反射的可能，进而实现将EEL发光芯片的侧面出光改为正面出光，且出光精准度高、光能利用率高。整体结构简单合理、体积小、稳定性好。

Description

一种全反射光学器件

技术领域

本实用新型属于半导体发光技术领域，具体而言，涉及一种全反射光学器件。

背景技术

半导体光源因为具有体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度等各方面的优点，被广泛的应用于各种照明设备、探测设备、激光雷达系统和各种电子设备等领域。目前常见的几种光源主要包括边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、固体激光器以及光纤激光器等。

谐振器与半导体基板平行地形成，并且光从劈开的侧面发射，具有这种结构的半导体激光器通常被称为边缘发射激光器（EEL激光器），例如DFB、DBR、FB激光器都属于EEL激光器。另一方面，具有垂直于半导体基板表面发射光的结构的激光器被称为表面发射激光器（SEL），例如 VCSEL激光器。EEL激光器与VCSEL激光器相比，具有工艺简单，发射功率高，使用范围更广泛的优点。EEL激光器在垂直出光的应用场景中使用时，现有技术通常是通过改变EEL激光器的安装方向来改变出光方向的。具体说来，固定有EEL发光芯片的基板固定于用于封装的铜管的侧壁，安装时将铜管竖向安装，以满足垂直出光的要求。存在的问题，竖向安装占用空间较大，且稳固性不好，精准度不高。

基于上述，目前要解决的问题：通过光学透镜改变EEL发光芯片的出光方向，同时增加整体结构的稳定性和精准度，提高光能利用率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种全反射光学器件，旨在解决现有技术中， 光学器件体积大、不易集成，稳定性差，光能利用率低，出光效果不好的问题。

本实用新型是这样实现的一种全反射光学器件，包括：EEL发光芯片和设于所述EEL发光芯片的发光侧的透镜；

所述透镜包括用于输入光线的第一光学界面、用于全反射光线的第二光学界面和用于输出光线的第三光学界面；

所述EEL发光芯片的入射光的第一光轴与所述第一光学界面之间的夹角为α，180°>α>90°；

所述EEL发光芯片的入射光的第一光轴与所述第二光学界面之间的夹角为β，90°>β>0°；

EEL发光芯片的光束经所述第一光学界面的折射、第二光学界面的全反射和第三光学界面的折射作用后出射，入射光的第一光轴与出射光的第二光轴所呈夹角为γ，180°>γ>0°。

进一步的，所述EEL发光芯片的出射光在所述第三光学界面的一定距离处会聚有焦点区。

进一步的，所述第二光学界面设置为中部向背离所述第一光学界面方向外凸的微弧面，所述第二光学界面呈中部曲率大、两侧曲率逐渐减小。

进一步的，第一光学界面、所述第二光学界面满足入射光经所述第一光学界面折射后到达所述第二光学界面的入射角相等或者相近似。

进一步的，所述第三光学界面与所述第二光学界面的夹角为θ，90°≥θ>0。

进一步的，还包括热沉，所述EEL发光芯片设于所述热沉上，所述热沉用于为所述EEL发光芯片散热及调整所述EEL发光芯片的安装高度。

进一步的，所述第一光学界面、第二光学界面和第三光学界面分别为平面或者自由曲面。

进一步的，透镜还设有用于与支架连接的承接部；所述承接部设于所第三光学界面的底部、所述第一光学界面、所述第二光学界面的外周；所述承接部连接所述第三光学界面和所述第一光学界面、所述第三光学界面和所述第二光学界面的边缘。

与现有技术相比，本实用新型提供的全反射光学器件具有如下有益效果：

一、本实用新型的第一光学界面设置与EEL发光芯片的入射光的第一光轴的夹角α满足180°>α>90°，使入射光经第一光学界面作用后向上偏折，进而增大入射至第二光学界面的入射角，增大入射光发生全反射的可能，实现单个透镜结构光能利用率高。

二、第二光学界面与EEL发光芯片的入射光的第一光轴之间的夹角为β，满足90°>β>0°。夹角β满足入射至第二光学界面的光发生全反射。EEL发光芯片的光束经第一光学界面的折射、第二光学界面的全反射和第三光学界面的折射作用后出射，出射光的第二光轴与入射光的第一光轴所呈夹角为γ，180°>γ>0°。本实用新型通过设置第一光学界面、第二光学界面和第三光学界面，将EEL发光芯片的侧面出光改为正面出光。通过对第一光学界面、第二光学界面的面型和倾斜角度的设置，充分保证了到达第二光学界面的光发生全反射，出光精准度高且光能利用率高。本实用新型的光能利用率可达到现有技术多组透镜多次作用后的利用效果。同时，根据出光角度和效果的需要，可在本实用新型的预设角度范围内做适应性调整，能满足个性化场景的需求。本实用新型的整体结构简单合理、体积小、稳定性好、且易于制造。

附图说明

图1、图2是本实用新型提供的全反射光学器件的剖视图；

图3是本实用新型提供的全反射光学器件的光路图；

图4是本实用新型提供的透镜的剖视图；

图中:1- EEL发光芯片；2-透镜；21-第一光学界面；22-第二光学界面；23-第三光学界面；24-承接部； 3-热沉；X-第一光轴；Y-第二光轴。

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1-4所示，为本实用新型提供的较佳实施例。

全反射光学器件包括侧面出光的EEL发光芯片1和设于EEL发光芯片1的发光侧的透镜2。参照图1-2，透镜2用于对EEL发光芯片1进行封装和光学整形。

透镜2包括用于输入光线的第一光学界面21、用于全反射光线的第二光学界面22和用于输出光线的第三光学界面23。第一光学界面21、第二光学界面22和第三光学界面23为平面或者自由曲面。EEL发光芯片1的入射光的第一光轴X与第一光学界面21之间的夹角为α，满足180°>α>90°。EEL发光芯片1的入射光的第一光轴X与第二光学界面22之间的夹角为β，90°>β>0°。透镜2的横截面沿远离第三光学界面23的方向减缩。

EEL发光芯片1的光入射至第一光学界面21，即光由光疏介质向光密介质传播，发生折射。第一光学界面21与第一光轴X之间的夹角为α，满足180°>α>90°，故光束整体向上偏折，即向靠近EEL发光芯片1的正面的方向偏折。入射光经第一光学界面21折射后到达第二光学界面22，第二光学界面22与EEL发光芯片1的入射光的第一光轴X之间的夹角β满足入射光发生全反射，即光由光密介质向光疏介质传播，入射角大于或者等于临界角，发生全反射。第一光学界面21与第一光轴X之间呈α夹角的设置，使入射光向上偏折，增大入射至第二光学界面22的入射角，保证入射至第二光学界面22的光尽可能地发生全反射，提高光能利用率。

参照图2-3，EEL发光芯片1发出的光经第一光学界面21的折射、第二光学界面22的全反射和第三光学界面23的折射作用后出射。入射光的第一光轴X与出射光的第二光轴Y所呈夹角为γ，180°>γ>0°。本实用新型通过设置第一光学界面21、第二光学界面22，将EEL发光芯片1的侧面出光改为正面出光，且通过角度的优化，充分保证了到达第二光学界面22的光发生全反射，出光精准度高且光能利用率高。现有技术多采用在光束折射路线上设置多组透镜，通过多次折射实现出射光方向的改变和光能的充分利用，而本实用新型通过1个透镜即可实现多组透镜的作用效果，光能利用率高，结构简单，生产成本低。根据出光角度和效果的需要，可在本实用新型的预设角度范围内做适应性调整，能满足个性化场景的需求。本实用新型的整体结构简单合理、体积小、稳定性好、且易于制造。

优选方案，EEL发光芯片1的位置设置、第一光学界面21和第二光学界面22的角度设置，满足出射光在第三光学界面23的一定距离处会聚成焦点区。焦点区为光线传播会聚的区域，这样的设置会使光斑形态规则，符合应用场景需要。进一步的，第二光学界面22设置为中部向背离第一光学界面21方向外凸的微弧面，第二光学界面22呈中部曲率大、两侧曲率逐渐减小。第二光学界面22的面型和曲率满足入射光经第一光学界面21折射后到达第二光学界面22的入射角角度相等或者角度相近。第三光学界面23与第二光学界面22的夹角为θ，优选：90°≥θ>0。

优选实施方式：在 EEL发光芯片1的底部设置有热沉3。热沉3一方面用于为EEL发光芯片1散热，另一方面可调整EEL发光芯片1的安装高度。透镜2还设有承接部24，参照图4，承接部24设于第三光学界面23的底部、第一光学界面21、第二光学界面22的外周。承接部24与支架连接，将 EEL发光芯片1和热沉3封装在承接部24和支架之间。承接部24连接第三光学界面23和第一光学界面21、第三光学界面23和第二光学界面22的边缘。

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 (8)

1.一种全反射光学器件，其特征在于，包括：EEL发光芯片（1）和设于所述EEL发光芯片（1）的发光侧的透镜（2）；

所述透镜（2）包括用于输入光线的第一光学界面（21）、用于全反射光线的第二光学界面（22）和用于输出光线的第三光学界面（23）；

所述EEL发光芯片（1）的入射光的第一光轴（X）与所述第一光学界面（21）之间的夹角为α，180°>α>90°；

所述EEL发光芯片（1）的入射光的第一光轴（X）与所述第二光学界面（22）之间的夹角为β，90°>β>0°；

EEL发光芯片（1）的光束经所述第一光学界面（21）的折射、第二光学界面（22）的全反射和第三光学界面（23）的折射作用后出射，入射光的第一光轴（X）与出射光的第二光轴（Y）所呈夹角为γ，180°>γ>0°。

2.如权利要求1所述的全反射光学器件，其特征在于，所述EEL发光芯片（1）的出射光在所述第三光学界面（23）的一定距离处会聚有焦点区。

3.如权利要求1所述的全反射光学器件，其特征在于，所述第二光学界面（22）设置为中部向背离所述第一光学界面（21）方向外凸的微弧面，所述第二光学界面（22）呈中部曲率大、两侧曲率逐渐减小。

4.如权利要求1或2或3所述的全反射光学器件，其特征在于，第一光学界面（21）、所述第二光学界面（22）满足入射光经所述第一光学界面（21）折射后到达所述第二光学界面（22）的入射角相等或者相近似。

5.如权利要求1所述的全反射光学器件，其特征在于，所述第三光学界面（23）与所述第二光学界面（22）的夹角为θ，90°≥θ>0。

6.如权利要求1所述的全反射光学器件，其特征在于，还包括热沉（3），所述EEL发光芯片（1）设于所述热沉（3）上，所述热沉（3）用于为所述EEL发光芯片（1）散热及调整所述EEL发光芯片（1）的安装高度。

7.如权利要求1所述的全反射光学器件，其特征在于，所述第一光学界面（21）、第二光学界面（22）和第三光学界面（23）分别为平面或者自由曲面。

8.如权利要求1所述的全反射光学器件，其特征在于，所述透镜（2）还设有用于与支架连接的承接部（24）；所述承接部（24）设于所第三光学界面（23）的底部、所述第一光学界面（21）、所述第二光学界面（22）的外周；所述承接部（24）连接所述第三光学界面（23）和所述第一光学界面（21）、所述第三光学界面（23）和所述第二光学界面（22）的边缘。