CN102914872B - 半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器椭圆光斑整形和准直装置，包括设置于半导体激光器所发射光束的传播路径上的至少一非旋转对称的透镜，其中，所述透镜包括：用于实现对在快轴方向传播的光束进行准直的第一面；以及，用于实现对在慢轴方向传播的光束进行扩束和准直的第二面。本发明的优点至少采用的光学元件少，且尺寸小，同时还能够实现椭圆光斑的整形和准直，充分满足了MEMS振镜微投影仪光学系统的应用需求。

Description

半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置

技术领域

本发明具体涉及一种半导体激光器椭圆光斑整形和准直装置，特别适用于要求光斑尺寸上限为几个mm的微光学系统中，以及适用于将半导体激光器输出的不对称椭圆光束整形为圆形光束，属于光学技术领域。

背景技术

投影仪小型化是投影机发展的一个必然趋势之一，决定投影仪小型化的关键是核心显示技术。刚刚起步的MEMS投影技术因其系统简单、尺寸小、光损失率低、解析度高等突出优点，成为备受期待打入嵌入式应用市场的新兴显示技术之一。MEMS投影技术采用激光光源和二维MEMS振镜两者组合的光学设计实现投影显示。

半导体激光器因其效率高、光谱覆盖范围宽、耗电少、体积小、重量轻、价格低、寿命长等优点，而被广泛应用于激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等领域。 正是由于这些优点，半导体激光器也成为微投影仪中选择使用的热门光源。

微型投影仪尺寸大小由其使用光源和核心技术决定。对于MEMS振镜微投影仪来说，MEMS振镜的尺寸一般在几百μm到几个mm，振镜的尺寸与其封装尺寸成正比，要实现投影仪的小型化，振镜尺寸越小越好，但是振镜尺寸越小，对投影仪中使用的光学元件提出了更高的要求。目前，仅有美国microvision公司实现了MEMS振镜微投影仪的产品化，其中适用的振镜直径约为1mm。半导体激光器应用于MEMS振镜微投影仪中，不仅大大减少了投影仪的尺寸、降低成本和耗电量，同时还能延长投影仪的使用寿命。但是，半导体激光器在投影仪中使用存在的唯一缺点是，半导体激光器在快慢轴上的发散角差异很大，一般情况下，快轴（垂直PN结）方向发散全角在15˚~40˚左右；慢轴（平行PN结）方向发散全角在6˚~ 10˚左右，其光斑形状为椭圆形。激光器从发光位置开始在自由空间经过很短的距离，其光斑就变很大，远远超过MEMS振镜的尺寸。因此，要使半导体激光器成功应用于MEMS振镜投影仪中，就需要经过光学元件的整形准直压缩到小于振镜尺寸，才能充分获取较高的光能利用率。

对半导体激光器光束整形的专利已经有多个，比如CN200956493Y、CN2754113Y、CN101609212A和CN102313995A等等，但其所涉及的光学系统要么只是把椭圆光斑整形为对称圆形，发散角较大，准直效果不好；要么是只是实现了准直而整形没有实现；要么是针对激光器阵列的整形方案，结构复杂，使用光学元件多，因此都难以满足MEMS振镜微投影仪光学系统的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置，以满足MEMS振镜微投影仪的设计要求。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种半导体激光器椭圆光斑整形和准直装置，包括设置于半导体激光器所发射光束的传播路径上的至少一非旋转对称的透镜，其中，所述透镜包括：

用于实现对快轴方向传播的光束进行准直的第一面，在近轴光学近似下，该第一面的曲率半径表达式为：

式中，z_y 是光束截面为ω _1y 时对应的传播距离，n₀ 是空气折射率，n是玻璃材料折射率，ω _1y 是快轴方向光束在第一个面上的光束截面半径及准直后的目标光束半径；

以及，用于实现对慢轴方向传播的光束进行扩束和准直的第二面。

作为较佳的实施方案之一，所述准直整形光学系统包括一个非旋转对称的透镜，所述透镜具有沿半导体激光器发射的光束传播方向依次设置的第一面和第二面，所述第一面和第二面采用互相垂直的两个柱面，所述第一面采用非旋转对称的柱面，并且，所述第一面在快轴方向是第一非球面，而在慢轴方向是第一平面，所述第二面在快轴方向是第二平面，而在慢轴方向是第二非球面，

所述第一面与第二面之间的距离及第二面的曲率半径近似表示为：

式中，ω _1x 和ω _2x 分别是慢轴方向光束在第一面和第二面上的光束截面半径，θ _x 是慢轴方向光束发散角。

作为较佳的实施方案之一，所述半导体激光器椭圆光斑整形和准直装置包括沿半导体激光器所发射光束的传播方向依次设置的两个以上非旋转对称的透镜，其中，

所述第一面包括第一个透镜的第一个面；

所述第二面包括第一个透镜的第二个面或第一透镜的第二个面与紧随其后的一个以上透镜的一个以上透镜面的组合。

进一步的，所述第二面是由第一透镜的第二个面与紧随其后的一个以上透镜的一个以上透镜面组合形成的扩束系统，所述扩束系统具有伽利略望远镜结构或开普勒望远镜结构。

作为较佳的实施方案之一，所述半导体激光器椭圆光斑整形和准直装置包括沿半导体激光器所发射光束的传播方向依次设置的两个非旋转对称的透镜，其中，

第一个透镜的第一个面采用旋转对称的非球面，即该第一个面在慢轴方向和快轴方向均为非球面，而其第二个面采用非旋转对称的柱面，其中该第二个面在慢轴方向是非球面，在快轴方向是平面；

第二个透镜的第一个面采用非旋转对称的柱面，且该第一个面在慢轴方向是非球面，在快轴方向是平面，而其第二个面在快轴方向和慢轴方向都是平面；

并且，第一个透镜的第二个面和第二个透镜的第一个面的焦点重合位置选定在第一个透镜的第二个面的一侧靠近光源的位置，且两者的旋转对称轴平行于快轴方向，并且，在慢轴方向，该第一个透镜的第二个面和第二个透镜的第一个面组成具有伽利略望远镜结构的扩束系统。

作为较佳的实施方案之一，所述半导体激光器椭圆光斑整形和准直装置包括沿半导体激光器所发射光束的传播方向依次设置的三个平凸结构的透镜，其中，

第一个透镜的第一个面为旋转对称非球面，且该第一个面在慢轴方向和快轴方向均为非球面，而其第二个面为平面；

第二透镜的第一个面为平面，其第二个面为柱面非球面，且该第二个面在快轴方向为平面，在慢轴方向为非球面；

第三个透镜的第一个面为柱面非球面，且该第一个面在快轴方向为平面，在慢轴方向为非球面，而其第二个面为平面；

并且，该第二透镜的第二个面和第三个透镜的第一个面的焦点重合在两者之间的选定位置，同时，该两者的旋转对称轴平行于快轴方向，并且，在慢轴方向，该第二透镜的第二个面和第三个透镜的第一个面组成具有开普勒远镜结构的扩束系统。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：所采用的光学元件少，且尺寸小，同时还能够实现椭圆光斑的整形和准直，充分满足了MEMS振镜微投影仪光学系统的应用需求。

附图说明

图1是本发明的半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置工作原理示意图；

图2是本发明实施例1中所涉及透镜的剖面图；

图3是本发明实施例2中所涉及透镜的剖面图；

图4是本发明实施例3中所涉及透镜的剖面图。

具体实施方式

鉴于半导体激光器输出光斑的不对称性，本发明提供了一种半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置，简要的讲，参阅图1，本发明分别对快轴y和慢轴x方向传播的光束进行了处理，而其采用的透镜是非旋转对称的，并且，所述透镜至少具有第一面lens1和第二面lens2，其中第一面lens1（视同包括面lens1x和面lens1y）实现快轴方向的准直，第二面lens2（视同包括面lens2x和面lens2y）实现慢轴的扩束和准直。

进一步的讲，前述第一面lens1可以为光束传播过程中遇到的第一个透镜的第一个玻璃面（即，透镜面，以下均简称为“面”），第二面lens2可以是光束传播过程中遇到的第一个透镜的第二个玻璃面，也可以是第一个透镜的第二个玻璃面与紧跟其后的一个或者多个透镜的玻璃面的组合面。

作为本发明的一个实施方案，参阅图2，其涉及的半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置系采用两个不规则透镜的四个面实现半导体激光器的准直和整形，四个面的编号依次为11、12、13、14。第一个透镜的第一个面11采用旋转非球面实现快轴和慢轴方向光束的准直，第一个透镜的面12和第二个透镜的面21都采用柱面，两者成一个扩束系统，且两者焦点重合位置在面12的左边靠近光源的位置，实现慢轴光束的扩束，扩束后的慢轴方向光束直径要有准直后的快轴方向光束直径相等，第二个透镜的面22是在快轴和慢轴方向都是平面，从面22上出射的光束为准直整形的圆形光斑。

更为具体的讲：

前述两个透镜，采用相同的玻璃材料，比如BK7、H-K9L或其他品牌的玻璃材料，且要求在激光器输出波长范围内具有很高的透过率；

前述第一个透镜的第一个面11（包括在慢轴和快轴方向上的面11x和面11y）采用旋转对称的非球面，目的是实现激光器慢轴和快轴方向的准直，其中快轴方向准直后的光束直径等于MEMS振镜的尺寸，慢轴方向准直后的光斑直径远小于MEMS振镜的尺寸。面11上出射的是准直的椭圆光斑。

前述第一个透镜的第二个面12采用非旋转对称的柱面，其中面12在慢轴方向12x是非球面，在快轴方向12y是平面，目的是实现激光器慢轴方向光束的扩束。

前述第二个透镜的第一个13采用与第一个透镜的第二个面12类似的面形结构，其中面13在慢轴方向13x是非球面，在快轴方向13y是平面，目的是实现激光器慢轴方向光束准直。

通过合适的选择第一个透镜的面12和第一个透镜的面13之间的距离，可以使慢轴方向在第二透镜的面21的光束直径与准直后的快轴方向光束直径相同。

前述透镜的第二个面14在快轴和慢轴两个方向都是平面（即，包括在慢轴和快轴方向上的面14x和面14y），光束经过面14后不改变方向，以圆形准直光束出射。

作为本发明的另一个实施方案，参阅图3，其涉及的半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置系采用单个不规则透镜实现椭圆光斑的准直和整形。透镜的第一个面21仅实现快轴光束准直，第二个面22仅实现慢轴光束准直。合适选择透镜的厚度，即合适面21和面22的距离，使准直后的快轴和慢轴方向光束直径相等。

具体而言，前述透镜的21面在快轴方向是非球面21y，在慢轴方向是平面21x；透镜的22面在快轴方向是平面22y，在慢轴方向是非球面22x。也就是说，面21和面22是互相垂直的两个柱面，只能实现快轴或慢轴一个方向光束的准直。

作为本发明的又一个实施方案，参阅图4，其涉及的半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置系采用三个平凸结构的透镜实现椭圆光斑的准直和整形，三个透镜两个面的编号依次为31、32、33、34、35和36。其中，第一个透镜的第一个面31与前述第一个实施方案中第一个透镜的第一个面11相同，仍然采用旋转对称非球面，第二透镜的第二个面34和第三个透镜的第一个面35采用柱面非球面，两者组成一个扩束系统，且两个面的焦点位置重合在两者之间的位置，实现对慢轴方向光束的扩束，因此，面34和面35的旋转对称轴平行于快轴方向。合适地选择三个透镜的厚度和间距，使准直后的快轴和慢轴方向光束直径相等。

进一步的讲：

第一个透镜的第一个透镜面31（以下简称面31）采用旋转对称的非球面（包括在慢轴和快轴方向上的面31x和面31y），即面31同时实现快轴和慢轴方向光束的准直，从面31上出射的光束仍然为椭圆光斑。

第二个透镜的第二个面34（包括在慢轴和快轴方向上的面34x和面34y）和第三个透镜的第一个面35（包括在慢轴和快轴方向上的面35x和面35y）都采用柱面，且柱面的旋转对称轴平行于快轴方向，因此面34和面35组成的扩束系统只能实现慢轴方向光束的扩束，对快轴方向没有影响。面34和面35的焦点在两者之间位置重合，因此经过面31准直的慢轴方向光束经过面34后先会聚，然后再发散后到达面35上，合适地选择面34和面35之间的距离，可以使入射到面35上的光束直径等于准直后的快轴方向光束的直径，经过面35准直后，得到准直的圆形光斑。

其余面32（包括在慢轴和快轴方向上的面32x和面32y）、面33（包括在慢轴和快轴方向上的面33x和面33y）和面36均为平面，不改变光束的传播方向。

以下结合若干实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。需要指出的是，在以下的实施例系以BK7等玻璃材质的透镜以及450nm 半导体激光器为例来说明本发明的具体实施过程，而其最终目标是使准直后的圆形光斑直径等于MEMS振镜尺寸的圆形光束，该MEMS振镜的尺寸参考美国Microvision MEMS振镜微投影仪中的尺寸，即MEMS振镜的直径约1mm。也就是说，450nm半导体激光器激光发射的光束经本发明的半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置处理后，所获圆形平行光束的直径约等于1mm。其中，450nm半导体激光器在快轴方向半发散角取12.5⁰，慢轴半发散角取5⁰。

实施例 1 本实施例系采用以上第一种实施方案及图2所示的透镜而实现。

因MEMS振镜直径为1mm，因此，快轴方向经过面11y准直后的光束截面半径ω _11y 为0.5mm。为了能够使用Zemax进行面11的非球面面形进行模拟，根据近轴光学传播规律，首先即确定面11的曲率半径及束腰到面顶点的距离，具体计算过程如下：

式中，ω是激光的光束截面半径，其下标数字（比如“11”）代表面的编号，下标“x(y)”代表的是慢轴（快轴）方向，即ω _11y 是面11上快轴方向光束截面半径大小。ω ₀ 是激光光束的束腰半径，z是光束截面为ω _11y 对应的传播距离，z_r 是瑞利长度，z、z_r 两者的下标“x(y)”代表的慢轴（快轴）方向对于物理量的大小，λ是波长，r是面的曲率半径，下标数字与前面所述含义相同，d₀ 是激光发光点到激光传播路径上遇到第一个玻璃镜面顶点的距离，n₀ 是空气折射率，n是玻璃材料折射率，θ是激光的半发散角，下标“x(y)”与前面所述含义相同。本实施例中ω _11y =0.5mm，θ _y =12.5⁰，n₀ =1，n=1.5，计算得到z_y =2.255mm，r₁₁ =0.715mm，d₀ =2.145mm。

经过面11准直后，慢轴光束在面11x上的光束截面半径为：

将相关参数代入，计算得到ω _11x =0.197mm。

其次，确定面12和面13的曲率半径及两个面之间的距离。根据近轴光学计算得到：

式中，d是面12和面13的轴上距离。若d=5mm，计算得到r_12x =1.625mm，r_13x =4.125mm。

将d₀ 、d、r₁₁ 、r_12x 、r_13x 作为初始参数输入Zemax中，采用afocal image space模式，采用angle radius作为评价函数，将玻璃镜面的曲率半径radius和圆锥系数conic设置为变量，分别对x和y方向进行优化，优化得到第一个透镜和第二个透镜四个表面的面形参数为：

采用POP分析优化结果，准直后的光束发散角及光束半径（1/e²）如下：

实施例 2 本实施例系采用以上第二种实施方案及图3所示的透镜而实现。

在本实施例中，快轴方向面21y的曲率半径计算方法与实施例1相同，即r_21y =r_11y =0.715mm，d ₀=2.145mm，慢轴方向面21x是平面。慢轴方向光束准直通过面22x来实现。透镜厚度及面22x的曲率半径确定的计算公式如下：

在本实施例中，ω _11x =0.197mm，ω _12x =0.5mm，θ _x =5⁰，n₀ =1，n=1.5，计算得到d_glass =5.206mm，r_22x =2.864mm。

将上述参数d₀ 、d_glass 、r_{21y 、} r_22x 作为初始参数，具体优化过程与实施例1类似，得到该透镜的两个表面的面形参数如下：

采用POP分析优化结果，准直后的光束发散角及光束半径（1/e²）如下：

实施例 3 本实施例系采用以上第三种实施方案及图4所示的透镜而实现。

在本实施例中，第一个透镜的第一个面31与实施例一中第一个透镜的第一个面11相同，即r₃₁ =r₁₁ =0.715mm，d ₀=2.145mm。慢轴方向第二个透镜的第二个面34和第三个透镜的第一个面35之间的距离计算公式如下：

式中，d_{34 -35} 为面34和面35之间焦点重合位置距面34的距离。第一个透镜的厚度d₁ =5mm，第二个透镜厚度d₁ =3mm，第一个透镜和第二个透镜之间距离为d_{32 -33} =2mm。具体优化过程与实施例1类似，得到的三个透镜面的参数如下：

采用POP分析优化结果，准直后的光束发散角及光束半径（1/e²）如下：

本发明所揭示的乃较佳实施例的一种或多种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。

Claims (6)

1.一种半导体激光器椭圆光斑整形和准直装置，包括设置于半导体激光器所发射光束的传播路径上的至少一非旋转对称的透镜，其特征在于，所述透镜包括：

用于实现对快轴方向与慢轴方向传播的光束进行准直的第一面，在近轴光学近似下，该第一面的曲率半径表达式为：

式中，z_y是光束截面为ω_1y时对应的传播距离，n₀是空气折射率，n是玻璃材料折射率，ω_1y是快轴方向光束在第一个面上的光束截面半径及准直后的目标光束半径；

以及，用于实现对慢轴方向传播的光束进行扩束和准直的第二面。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器椭圆光斑整形和准直装置，其特征在于，它包括沿半导体激光器所发射光束的传播方向依次设置的两个以上非旋转对称的透镜，其中，

所述第一面包括第一个透镜的第一个面；

所述第二面包括第一个透镜的第二个面或第一透镜的第二个面与紧随其后的一个以上透镜的一个以上透镜面的组合。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器椭圆光斑整形和准直装置，其特征在于，所述第二面是由第一透镜的第二个面与紧随其后的一个以上透镜的一个以上透镜面组合形成的扩束系统，所述扩束系统具有伽利略望远镜结构或开普勒望远镜结构。

4.根据权利要求2或3所述的半导体激光器椭圆光斑整形和准直装置，其特征在于，它包括沿半导体激光器所发射光束的传播方向依次设置的两个非旋转对称的透镜，其中，

第一个透镜的第一个面采用旋转对称的非球面，即该第一个面在慢轴方向和快轴方向均为非球面，而其第二个面采用非旋转对称的柱面，其中该第二个面在慢轴方向是非球面，在快轴方向是平面；

第二个透镜的第一个面采用非旋转对称的柱面，且该第一个面在慢轴方向是非球面，在快轴方向是平面，而其第二个面在快轴方向和慢轴方向都是平面；

并且，第一个透镜的第二个面和第二个透镜的第一个面的焦点重合位置选定在第一个透镜的第二个面的一侧靠近光源的位置，且两者的旋转对称轴平行于快轴方向，并且，在慢轴方向，该第一个透镜的第二个面和第二个透镜的第一个面组成具有伽利略望远镜结构的扩束系统。

5.根据权利要求2或3所述的半导体激光器椭圆光斑整形和准直装置，其特征在于，它包括沿半导体激光器所发射光束的传播方向依次设置的三个平凸结构的透镜，其中，

第一个透镜的第一个面为旋转对称非球面，且该第一个面在慢轴方向和快轴方向均为非球面，而其第二个面为平面；

第二透镜的第一个面为平面，其第二个面为柱面非球面，且该第二个面在快轴方向为平面，在慢轴方向为非球面；

第三个透镜的第一个面为柱面非球面，且该第一个面在快轴方向为平面，在慢轴方向为非球面，而其第二个面为平面；

并且，该第二透镜的第二个面和第三个透镜的第一个面的焦点重合在两者之间的选定位置，同时，该两者的旋转对称轴平行于快轴方向，并且，在慢轴方向，该第二透镜的第二个面和第三个透镜的第一个面组成具有开普勒远镜结构的扩束系统。

6.一种半导体激光器椭圆光斑整形和准直装置，包括设置于半导体激光器所发射光束的传播路径上的一个非旋转对称的透镜，其特征在于，所述透镜包括：

用于实现对快轴方向传播的光束进行准直的第一面，在近轴光学近似下，该第一面的曲率半径表达式为：

式中，z_y是光束截面为ω_1y时对应的传播距离，n₀是空气折射率，n是玻璃材料折射率，ω_1y是快轴方向光束在第一个面上的光束截面半径及准直后的目标光束半径；

以及，用于实现对慢轴方向传播的光束进行扩束和准直的第二面；

所述第一面和第二面沿半导体激光器发射的光束传播方向依次设置，所述第一面和第二面采用互相垂直的两个柱面，所述第一面采用非旋转对称的柱面，并且，所述第一面在快轴方向是第一非球面，而在慢轴方向是第一平面，所述第二面在快轴方向是第二平面，而在慢轴方向是第二非球面，

所述第一面与第二面之间的距离及第二面的曲率半径近似表示为：

式中，ω_1x和ω_2x分别是慢轴方向光束在第一面和第二面上的光束截面半径，θ_x是慢轴方向光束发散角。