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CN112285812A - 一种透镜及采用该透镜的vcsel器件 - Google Patents

一种透镜及采用该透镜的vcsel器件 Download PDF

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CN112285812A CN201910661381.0A CN201910661381A CN112285812A CN 112285812 A CN112285812 A CN 112285812A CN 201910661381 A CN201910661381 A CN 201910661381A CN 112285812 A CN112285812 A CN 112285812A
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Abstract

本发明适用于光电技术领域，提供了一种透镜及采用该透镜的VCSEL器件，所述透镜为具有一功能区的发散透镜，用于对VCSEL芯片发出的光束进行扩束。所述功能区包括位于透镜底部的第一光学界面和位于透镜上部的第二光学界面，所述VCSEL芯片发出的光束投射至功能区的第一光学界面，经所述第一光学界面折射，光束角度变大，接近预设的出光角度；所述光束从第一光学界面进入透镜，从所述功能区的第二光学界面出射，经所述第二光学界面折射，对光束进行优化和整型，达到预设的出光角度和光斑要求；其中预设的出光角度范围为20‑120°。如此使所述采用该透镜的VCSEL器件的出光角度变大，这样有效照射范围也大，且匀化出光，经本透镜出射的光斑均匀，可满足各种应用需求。

Description

一种透镜及采用该透镜的VCSEL器件
技术领域
本发明属于光电技术领域，尤其涉及一种透镜及采用该透镜的VCSEL器件。
背景技术
目前，VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)芯片采用工程扩束器4(Diffuser)进行扩束，该工程扩束器4是在平板玻璃41表面粘接一高分子层42，利用微折射技术(包含折射和衍射)进行光线扩散，如图15所示。因平板玻璃41全反射较多，再加上高分子层42微结构会造成光损失，实际测试中，VCSEL芯片经工程扩束器扩束后的光学损失在10％以上，所以出光效率比较低。而且高分子层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，极强能量的激光光束直接照射出去，使用时存在人眼安全隐患。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种透镜，旨在解决现有工程扩束器(Diffuser)可靠性不高、出光效率低的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种透镜，其为具有一功能区的发散透镜，所述透镜用于对VCSEL芯片发出的光束进行扩束，所述功能区包括位于透镜底部的第一光学界面和位于透镜上部的第二光学界面，所述VCSEL芯片发出的光束投射至功能区的第一光学界面，经所述第一光学界面折射，光束角度变大，接近预设的出光角度；所述光束从第一光学界面进入透镜，从所述功能区的第二光学界面出射，经所述第二光学界面折射，对光束进行优化和整型，达到预设的出光角度和光斑要求；其中预设的出光角度范围为20-120°。
本发明另一实施例是这样实现的，一种VCSEL器件，包括VCSEL芯片、用以固设所述VCSEL芯片的支架以及对所述VCSEL芯片发出的光束进行扩束的透镜，所述透镜为具有一功能区的发散透镜，所述功能区包括位于透镜底部的第一光学界面和位于透镜上部的第二光学界面，所述VCSEL芯片发出的光束投射至功能区的第一光学界面，经所述第一光学界面折射，光束角度变大，接近预设的出光角度；所述光束从第一光学界面进入透镜，从所述功能区的第二光学界面出射，经所述第二光学界面折射，对光束进行优化和整型，达到预设的出光角度和光斑要求；其中预设的出光角度范围为20-120°。
本实施例提供的透镜未设高分子层，不存在因高分子层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造成的人眼安全隐患问题，而且出光效率高。所述透镜为具有一功能区的发散透镜，用于对VCSEL芯片发出的光束进行扩束。所述功能区包括位于透镜底部的第一光学界面和位于透镜上部的第二光学界面，所述VCSEL芯片发出的光束投射至功能区的第一光学界面，经所述第一光学界面折射，光束角度变大，接近预设的出光角度；所述光束从第一光学界面进入透镜，从所述功能区的第二光学界面出射，经所述第二光学界面折射，对光束进行优化和整型，达到预设的出光角度和光斑要求；其中预设的出光角度范围为20-120°。如此使所述采用该透镜的VCSEL器件的出光角度变大，这样有效照射范围也大，且匀化出光，经本透镜出射的光斑均匀，可满足各种应用需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的透镜与VCSEL芯片的结构图(示出其中一部分关系，此处第一光学界面由旋转对称曲线绕透镜的光轴旋转而成)；
图2是本发明实施例提供的透镜与VCSEL芯片的结构图(示出另一部分关系，此处第一光学界面由旋转对称曲线绕透镜的光轴旋转而成)；
图3是本发明实施例提供的VCSEL芯片发光的光路图(未添加透镜)；
图4是本发明实施例提供的VCSEL芯片发光的光路图(添加透镜，此处第一光学界面由旋转对称曲线绕透镜的光轴旋转而成)；
图5是本发明实施例提供的透镜与VCSEL芯片的结构图(此处第一光学界面为椭球面，短轴方向)；
图6是本发明实施例提供的透镜与VCSEL芯片的结构图(此处第一光学界面为椭球面，长轴方向)；
图7是本发明实施例提供的透镜的结构图(双凹透镜)；
图8是本发明实施例提供的透镜的结构图(凹凸透镜)；
图9是本发明实施例提供的透镜阵列的结构图；
图10是切割透镜阵列的示意图；
图11是本发明实施例提供的VCSEL器件的结构示意图(透镜通过粘接介质固设于支架)；
图12是本发明实施例提供的VCSEL器件的结构示意图(透镜同时通过粘接介质和卡扣方式固设于支架)；
图13是本发明实施例提供的VCSEL器件的结构示意图(旁设防护装置)；
图14是切割VCSEL器件阵列的示意图；
图15是现有技术提供的工程扩束器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供的透镜未设高分子层，不存在因高分子层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造成的人眼安全隐患问题，而且出光效率高。所述透镜为具有一功能区的发散透镜，用于对VCSEL芯片发出的光束进行扩束。所述功能区包括位于透镜底部的第一光学界面和位于透镜上部的第二光学界面，所述VCSEL芯片发出的光束投射至功能区的第一光学界面，经所述第一光学界面折射，光束角度变大，接近预设的出光角度；所述光束从第一光学界面进入透镜，从所述功能区的第二光学界面出射，经所述第二光学界面折射，对光束进行优化和整型，达到预设的出光角度和光斑要求；其中预设的出光角度范围为20-120°。如此使所述采用该透镜的VCSEL器件的出光角度变大，这样有效照射范围也大，且匀化出光，经本透镜出射的光斑均匀，可满足各种应用需求。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述。
如图1～6所示，本发明实施例提供的透镜1为具有一功能区10的发散透镜，所述透镜1用于对VCSEL芯片2发出的光束进行扩束，所述功能区10包括位于透镜底部的第一光学界面18和位于透镜上部的第二光学界面19，所述VCSEL芯片2发出的光束投射至功能区的第一光学界面18，经所述第一光学界面18折射，光束角度变大，接近预设的出光角度；所述光束从第一光学界面18进入透镜1，从所述功能区的第二光学界面19出射，经所述第二光学界面19折射，对光束进行优化和整型，达到预设的出光角度和光斑要求；其中预设的出光角度范围为20-120°。如此使所述采用本透镜的VCSEL器件的出光角度变大，这样有效照射范围也大，且匀化出光，经本透镜1出射的光斑均匀，可满足各种应用需求。因本透镜1未设高分子层，不存在因高分子层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造成的人眼安全隐患问题，而且出光效率高。
如图1、2、4所示，作为本发明一个实施例，所述第一光学界面18由旋转对称曲线绕透镜的光轴旋转而成，所述VCSEL芯片2发出的光束经透镜1出射形成的光斑呈圆形或者方形。如图5、6所示，作为本发明另一个实施例，所述第一光学界面18为椭球面或者柱面，所述VCSEL芯片2发出的光束经透镜1出射形成的光斑呈椭圆形或者矩形。具体地，图5示出了第一光学界面为椭球面，在其短轴方向的光路；图6示出了第一光学界面为椭球面，在其长轴方向的光路。这样基本满足各种场合对光斑形状的要求。
作为优选，所述透镜1与VCSEL芯片2间的关系满足以下数学式：B≥A+H*Tan(θ)，Wz＝W0[1+(Z/f)^2]^(1/2)，W1＝λF1/{πW0[1+(Z/f)^2]^(1/2)}，其中，f＝πW0^2/λ为瑞利长度，λ为波长，F1为所述透镜1的焦距，Z为所述光斑到VCSEL芯片2的距离，W0为所述VCSEL芯片2发出光的束腰半径，Wz为所述光斑的半径，W1为所述VCSEL芯片2发出光经过透镜1后的束腰半径，A为所述VCSEL芯片2发光区的有效长度，B为所述透镜功能区10的长度，H为所述透镜1到VCSEL芯片2的距离，θ为所述VCSEL芯片2发出光的发散角度的一半。应当说明的是，以上各参数的值根据实际需求而定。
如图1、2、4、5、6所示，本发明实施例中所述透镜1为平凹透镜，其功能区10的第一光学界面18为内凹表面；所述透镜与第一光学界面18相对的顶面11为平面，该平面的长度小于功能区10的长度B、大于所述VCSEL芯片2发光区的有效长度A。本透镜1的功能区较小，通过很小的面积就可以将所述VCSEL芯片2发出的光进行扩束，有利于光源产品小型化，在应用中有更大的设计空间，同时物料成本会更加节约。
如图7所示，作为本发明其中一个实施例，所述透镜1为双凹透镜，其功能区10的第一光学界面18为内凹表面；所述透镜与第一光学界面18相对的顶面11为内凹面。如图8所示，作为本发明又一实施例，所述透镜1为凹凸透镜，其功能区10的第一光学界面18为内凹表面；所述透镜与第一光学界面18相对的顶面11为外凸面。这样透镜的外形灵活多变，只要设计的透镜焦距合适，装配后满足出光要求即可。
进一步地，所述透镜的侧面12及底面13皆为平面，所述侧面12与顶面11通过第一曲面14相连接，所述侧面12的高度较顶面11的高度小；其中，所述第二光学界面19包括顶面11及部分靠近所述顶面11的第一曲面14。这样本透镜1利于加工制作，生产成本低。
应当说明的是，所述功能区的第一光学界面与第二光学界面均为旋转对称或轴向对称的曲面或自由曲面，它们的曲率范围较大，但是它们有个共同的特点就是可以通过曲率调节透镜的焦距。
如图9、10所示，为提高生产效率，单个透镜1从透镜阵列6切割出来，所述透镜阵列6由透光率大于90％的透光胶注塑或者模压而成；所述透光胶的材质为PC、PMMA、环氧、硅树脂或硅胶，其折射率大于1.4。
如图1～14所示，本发明实施例还提供一种VCSEL器件7，其包括VCSEL芯片2、用以固设所述VCSEL芯片2的支架3以及对VCSEL芯片2发出的光束进行扩束的透镜1，所述透镜1为具有一功能区10的发散透镜，所述功能区10包括位于透镜底部的第一光学界面18和位于透镜上部的第二光学界面19，所述VCSEL芯片2发出的光束投射至功能区的第一光学界面18，经所述第一光学界面18折射，光束角度变大，接近预设的出光角度；所述光束从第一光学界面18进入透镜1，从所述功能区的第二光学界面19出射，经所述第二光学界面19折射，对光束进行优化和整型，达到预设的出光角度和光斑要求；其中预设的出光角度范围为20-120°。如此使所述VCSEL器件的出光角度变大，这样有效照射范围也大，且匀化出光，经本透镜1出射的光斑均匀，可满足各种应用需求。因本透镜1未设高分子层，不存在因高分子层容易脱落或者失效造成的安全隐患问题，而且出光效率高。
作为优选，所述透镜1与VCSEL芯片2间的关系满足以下数学式：B≥A+H*Tan(θ)，Wz＝W0[1+(Z/f)^2]^(1/2)，W1＝λF1/{πW0[1+(Z/f)^2]^(1/2)}，其中，f＝πW0^2/λ为瑞利长度，λ为波长，F1为所述透镜1的焦距，Z为所述光斑到VCSEL芯片2的距离，W0为所述VCSEL芯片2发出光的束腰半径，Wz为所述光斑的半径，W1为所述VCSEL芯片2发出光经过透镜1后的束腰半径，A为所述VCSEL芯片2发光区的有效长度，B为所述透镜功能区10的长度，H为所述透镜1到VCSEL芯片2的距离，θ为所述VCSEL芯片2发出光的发散角度的一半。应当说明的是，以上各参数的值均可根据实际需求而定。
如图3所示，所述VCSEL芯片2系可发出多束激光光锥的VCSEL阵列，其中三个光锥代表VCSEL阵列不同位置的出光。未添加前述透镜1时，所述VCSEL芯片2出光角为20°左右。添加前述透镜2后，所述VCSEL芯片2出光角为110°左右，如图4所示。
其中，所述VCSEL芯片2发出光的发散角一般为20-24°；θ为所述VCSEL芯片2发出光的发散角度的一半，即为10-12度。
如图11所示，所述透镜1可通过粘接介质或以卡扣方式固定在支架上。当然，也可同时通过粘接介质和卡扣方式固设于所述支架，如图12所示。所述VCSEL器件旁设有在所述透镜脱落时，切断所述VCSEL芯片的电源的防护装置5，如图13所示。这样，本VCSEL器件的安全系数更高，真正做到万无一失。
如图14所示，为提高生产效率，单个VCSEL器件7从VCSEL器件阵列8切割出来，所述VCSEL器件阵列由透镜阵列与对应的支架阵列压合而成。这里的切割可以只切割透镜，支架是预先切割好的，直接劈裂将器件分离即可。也可一次性同步切割支架与透镜。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种透镜，其为具有一功能区的发散透镜，其特征在于：所述透镜用于对VCSEL芯片发出的光束进行扩束，所述功能区包括位于透镜底部的第一光学界面和位于透镜上部的第二光学界面，所述VCSEL芯片发出的光束投射至功能区的第一光学界面，经所述第一光学界面折射，光束角度变大，接近预设的出光角度；所述光束从第一光学界面进入透镜，从所述功能区的第二光学界面出射，经所述第二光学界面折射，对光束进行优化和整型，达到预设的出光角度和光斑要求；其中预设的出光角度范围为20-120°。
2.如权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述第一光学界面由旋转对称曲线绕透镜的光轴旋转而成，所述VCSEL芯片发出的光束经透镜出射形成的光斑呈圆形或者方形。
3.如权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述第一光学界面为椭球面或者柱面，所述VCSEL芯片发出的光束经透镜出射形成的光斑呈椭圆形或者矩形。
4.如权利要求1、2或3所述的透镜，其特征在于：所述透镜为平凹透镜，其功能区的第一光学界面为内凹表面；所述透镜与第一光学界面相对的顶面为平面。
5.如权利要求1、2或3所述的透镜，其特征在于：所述透镜为双凹透镜，其功能区的第一光学界面为内凹表面；所述透镜与第一光学界面相对的顶面为内凹面。
6.如权利要求1、2或3所述的透镜，其特征在于：所述透镜为凹凸透镜，其功能区的第一光学界面为内凹表面；所述透镜与第一光学界面相对的顶面为外凸面。
7.如权利要求1、2或3所述的透镜，其特征在于：所述功能区的第一光学界面与第二光学界面均为旋转对称或轴向对称的曲面或自由曲面。
8.如权利要求1、2或3所述的透镜，其特征在于：所述透镜的侧面及底面皆为平面，所述侧面与顶面通过第一曲面相连接，所述侧面的高度较顶面的高度小；其中，所述第二光学界面包括顶面及部分靠近所述顶面的第一曲面。
9.如权利要求1、2或3所述的透镜，其特征在于：所述透镜从透镜阵列切割出来，所述透镜阵列由透光率大于90％的透光胶注塑或者模压而成；所述透光胶的材质为PC、PMMA、环氧、硅树脂或硅胶，其折射率大于1.4。
10.一种VCSEL器件，包括VCSEL芯片和用以固设所述VCSEL芯片的支架，其特征在于：所述VCSEL器件还包括对VCSEL芯片发出的光束进行扩束的透镜，所述透镜为具有一功能区的发散透镜，所述功能区包括位于透镜底部的第一光学界面和位于透镜上部的第二光学界面，所述VCSEL芯片发出的光束投射至功能区的第一光学界面，经所述第一光学界面折射，光束角度变大，接近预设的出光角度；所述光束从第一光学界面进入透镜，从所述功能区的第二光学界面出射，经所述第二光学界面折射，对光束进行优化和整型，达到预设的出光角度和光斑要求；其中预设的出光角度范围为20-120°。
11.如权利要求10所述的VCSEL器件，其特征在于：所述VCSEL芯片是可发出多束激光光锥的阵列。
12.如权利要求10所述的透镜，其特征在于：所述第一光学界面由旋转对称曲线绕透镜的光轴旋转而成，所述VCSEL芯片发出的光束经透镜出射形成的光斑呈圆形或者方形。
13.如权利要求10所述的透镜，其特征在于：所述第一光学界面为椭球面或者柱面，所述VCSEL芯片发出的光束经透镜出射形成的光斑呈椭圆形或者矩形。
14.如权利要求12或13所述的透镜，其特征在于：所述透镜为平凹透镜，其功能区的第一光学界面为内凹表面；所述透镜与第一光学界面相对的顶面为平面。
15.如权利要求12或13所述的透镜，其特征在于：所述透镜为双凹透镜，其功能区的第一光学界面为内凹表面；所述透镜与第一光学界面相对的顶面为内凹面。
16.如权利要求12或13所述的透镜，其特征在于：所述透镜为凹凸透镜，其功能区的第一光学界面为内凹表面；所述透镜与第一光学界面相对的顶面为外凸面。
17.如权利要求12或13所述的透镜，其特征在于：所述功能区的第一光学界面与第二光学界面均为旋转对称或轴向对称的曲面或自由曲面。
18.如权利要求12或13所述的透镜，其特征在于：所述透镜的侧面及底面皆为平面，所述侧面与顶面通过第一曲面相连接，所述侧面的高度较顶面的高度小；所述第二光学界面包括顶面及部分靠近所述顶面的第一曲面。
19.如权利要求12或13所述的VCSEL器件，其特征在于：所述透镜通过粘接介质或以卡扣方式固定在支架上。
20.如权利要求12或13所述的VCSEL器件，其特征在于：所述VCSEL器件从VCSEL器件阵列切割出来，所述VCSEL器件阵列由透镜阵列与对应的支架阵列压合而成。
21.如权利要求12或13所述的VCSEL器件，其特征在于：所述VCSEL器件旁设有在所述透镜脱落时，切断所述VCSEL芯片的电源的防护装置。
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