一种方形光斑激光模组及其参数确定方法与流程

1.本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种方形光斑激光模组及其参数确定方法。


背景技术：

2.激光器在机器视觉、3d识别、激光雷达、室内导航等领域具有广泛的应用，为了匹配接收端(rx)的传感器(sensor)以及提高能量利用效率，通常需要将发散角较小的圆形光斑整形成发散角更大的方形光斑。
3.目前，常用的扩束整形手段包括高功率激光衍射光束整形器(diffractive optical element，doe)和工程散射体(diffuser)，doe得到的光斑质量较差，而工程散射体结构比较复杂，价格较高。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种方形光斑激光模组及其参数确定方法，以解决现有的方形光斑激光模组的结构设计复杂、成本高的问题。
5.根据本发明的一方面，提供了一种方形光斑激光模组，所述方形光斑激光模组包括：激光芯片和光型调整透镜；
6.所述激光芯片包括多个发光单元，多个所述发光单元形成方形发光区；多个所述发光单元用于出射初始激光信号；
7.所述光型调整透镜包括第一光型调整面和第二光型调整面；所述第一光型调整面和所述第二光型调整面均位于所述初始激光信号的传播路径上，所述第一光型调整面和所述第二光型调整面用于调整所述初始激光信号形成调整激光信号；沿第一方向，所述调整激光信号的延伸长度大于所述初始激光信号的延伸长度；沿第二方向，所述调整激光信号的延伸长度大于所述初始激光信号的延伸长度；所述第一方向与所述第二方向相交；
8.所述第一光型调整面包括自由曲面；所述第二光型调整面包括出射平面。
9.可选的，所述光型调整透镜的折射率大于所述初始激光信号的传输环境的折射率以及所述调整激光信号的传输环境的折射率。
10.可选的，所述第一光型调整面的中心与所述第二光型调整面的中心之间的间距d1的取值范围为0.5mm≤d1≤1mm。
11.可选的，所述方形发光区的轮廓沿所述第一方向的尺寸为l；所述方形发光区的轮廓沿所述第二方向的尺寸为w；其中，w＜l；
12.所述第一光型调整面的中心与所述激光芯片的中心之间的距离为d2；其中，l≤d2≤2l。
13.可选的，所述光型调整透镜为中心对称结构。
14.可选的，所述自由曲面的面型满足：
15.其中，x为第一方向的坐标值，y为第二方向的坐标值，z为第三方向的坐标值，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向均垂直；c为曲率半径；k为圆锥常数；a、b、c、d、e和f分别为所述自由曲面的常数系数。
16.可选的，所述圆锥常数k的取值范围为-2≤k≤-1。
17.可选的，所述光型调整透镜包括硅胶、树脂或模造玻璃。
18.可选的，所述方形光斑激光模组还包括：基板；所述激光芯片的背光面固定于所述基板的一侧；所述基板通过焊盘与所述激光芯片电连接。
19.根据本发明的另一方面，提供了一种方形光斑激光模组的参数确定方法，用于确定上述的方形光斑激光模组的参数；所述参数确定方法包括：
20.确定所述激光芯片出射的所述初始激光信号的第一尺寸信息；
21.确定所需激光信号的第二尺寸信息；
22.根据所述第一尺寸信息和所述第二尺寸信息，确定所述光型调整透镜的参数。
23.本发明实施例的技术方案，降低了光斑整形的难度，结构简单，无需使用复杂的工艺技术，使用传统的注塑及压膜工艺即可，有利于自动化生产。
24.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
26.图1为本发明实施例提供的一种方形光斑激光模组的正视结构示意图；
27.图2为本发明实施例提供的一种方形光斑激光模组的侧视结构示意图；
28.图3为本发明实施提供的一种激光芯片的俯视结构示意图；
29.图4为本发明实施例提供的一种初始激光信号的光斑示意图；
30.图5为本发明实施例提供的一种调整激光信号的光斑示意图；
31.图6为本发明实施提供的又一种激光芯片的俯视结构示意图；
32.图7为本发明实施例提供的又一种方形光斑激光模组的正视结构示意图；
33.图8为本发明实施例提供的一种方形光斑激光模组的参数确定方法的流程图。
具体实施方式
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
35.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用
的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
36.图1为本发明实施例提供的一种方形光斑激光模组的正视结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种方形光斑激光模组的侧视结构示意图，图3为本发明实施提供的一种激光芯片的俯视结构示意图。参考图1-图3，一种方形光斑激光模组，其特征在于，方形光斑激光模组包括激光芯片10和光型调整透镜20。激光芯片10包括多个发光单元11，多个发光单元11形成方形发光区12；多个发光单元11用于出射初始激光信号01。
37.继续参考图1-图3，光型调整透镜20包括第一光型调整面21和第二光型调整面22；第一光型调整面21和第二光型调整面22均位于初始激光信号01的传播路径上，第一光型调整面21和第二光型调整面22用于调整初始激光信号01形成调整激光信号02；沿第一方向x，调整激光信号02的延伸长度大于初始激光信号01的延伸长度；沿第二方向y，调整激光信号02的延伸长度大于初始激光信号01的延伸长度。第二方向y与第一方向x相交，第三方向z为光型调整透镜20的厚度方向，且第三方向z分别与第一方向x和第二方向y相交。为便于理解，本发明实施例均以第一方向x、第二方向y和第三方向z两两相互垂直为例进行说明。
38.其中，第一光型调整面21包括自由曲面，第二光型调整面22包括出射平面。激光芯片10是指微型发光芯片，包括但不限于vcsel芯片等芯片，其中，vcsel芯片具有可量产性高、成本低等优势，是较为理想的激光光源。发光单元11的形状可以是圆形、方形、三角形等形状，优选的，发光单元11为圆形。
39.示例性的，图4为本发明实施例提供的一种初始激光信号的光斑示意图，图5为本发明实施例提供的一种调整激光信号的光斑示意图。参考图1-图5，多个发光单元11出射的初始激光信号01为较小的圆形光斑，如图4所示，经光型调整透镜20整形后，初始激光信号01形成调整激光信号02，调整激光信号02为较大的方形光斑，如图5所示。第一光型调整面21可将初始激光信号01整形成过渡激光信号03，沿第一方向x和第二方向y，过渡激光信号03的延伸长度均大于初始激光信号01的延伸长度；第二光型调整面22可将过渡激光信号03整形成调整激光信号02，沿第一方向x和第二方向y，调整激光信号02的延伸长度均大于过渡激光信号03的延伸长度。即初始激光信号01经过第一光型调整面21后，分别沿第一方向x和第二方向y被拉伸，形成过渡激光信号03；过渡激光信号03经过第二光型调整面22后，分别沿第一方向x和第二方向y被进一步拉伸；初始激光信号01由发散角度较小的圆形光斑可被整形为发散角度较大的方形光斑。
40.本发明实施例提供的方形光斑激光模组，降低了光斑整形的难度，结构简单，无需使用复杂的工艺技术，使用传统的注塑及压膜工艺即可，有利于自动化生产。
41.可选的，光型调整透镜20的折射率大于初始激光信号01的传输环境的折射率以及调整激光信号02的传输环境的折射率，即过渡激光信号03的传输环境的折射率大于初始激光信号01的传输环境的折射率以及调整激光信号02的传输环境的折射率。
42.示例性的，继续参考图1和图2，图1和图2中的虚线分别是光线经过第一光型调整面21时的法线和光线经过第二光型调整面22的法线。初始激光信号01在第一光型调整面21
的入射角α和δ分别大于过渡激光信号03在第一光型调整面21的折射角β和ψ，初始激光信号01经过第一光型调整面21发生折射，折射后的光线为过渡激光信号03，且过渡光信号03相比初始激光信号01分别沿第一方向x和第二方向y被拉伸；过渡激光信号03在第二光型调整面22的入射角γ和λ分别小于调整激光信号02在第二光型调整面22的折射角θ和ω，过渡激光信号03经过第二光型调整面22发生折射，折射后的光线为调整激光信号02，且调整激光信号02相比过渡激光信号03分别沿第一方向x和第二方向y被拉伸。可选的，光型调整透镜包括硅胶、树脂或模造玻璃等透光材料。
43.可以理解的是，图3仅是示例的示出了激光芯片10的发光单元11的一种排列方式，激光芯片10的发光单元11的排列方式还可如图6所示，本发明实施例对多个发光单元11的排列方式不做具体限定。
44.可选的，参考图3和图6，多个发光单元11组成的方形发光区12的轮廓沿第一方向x的尺寸为l的取值范围为l，方形发光区12的轮廓沿第二方向y的尺寸为w；其中，w＜l；第一光型调整面21的中心与激光芯片10的中心之间的距离为d2；其中，l≤d2≤2l。通过合理设置第一光型调整面21的中心与激光芯片10的中心之间的距离为d2的大小，可以控制光型调整透镜20对初始激光信号01的整形精度，提高光学效果。
45.可选的，光型调整透镜20为中心对称结构。示例性的，第一光型调整面21包括第一对称面和第二对称面(图中未示出)，第一对称面与第一方向x和第三方向z所形成的平面平行，第二对称面与第二方向y和第三方向z所形成的平面平行，光型调整透镜20为中心对称轴与激光芯片10的中心相交。如此，可使得光型调整透镜20对激光芯片10的中心两侧的初始激光信号01的拉伸程度相同，对称拉伸，提高光学效果。
46.可选的，第一光型调整面21的自由曲面的面型满足：其中，x为第一方向的坐标值，y为第二方向的坐标值，z为第三方向的坐标值，第三方向与第一方向和第二方向均垂直；c为曲率半径；k为圆锥常数；a、b、c、d、e和f分别为自由曲面的常数系数。在一可选的实施例中，圆锥常数k的取值范围为-2≤k≤-1。设置不同数值的曲率半径c和/或不同数值的圆锥常数k，可以得到不同光斑面积的调整激光信号02；设置不同数值的常数系数a、不同数值的常数系数b、不同数值的常数系数c和不同数值的常数系数d中的一个或多个，可以得到不同光斑长宽比的调整激光信号02；设置不同数值的常数系数e和/或不同数值的常数系数f，可以得到不同圆角尺寸的方形光斑。如此，通过合理设置曲率半径c、圆锥常数k、常数系数a、常数系数b、常数系数c、常数系数d、常数系数e和常数系数f，可以控制光型调整透镜20对初始激光信号01沿第一方向x拉伸程度和对初始激光信号01沿第二方向y的拉伸程度，可以实现各种效果的光斑。
47.可选的，继续参考图1，第一光型调整面21的中心与第二光型调整面22的中心之间的间距d1的取值范围为0.5mm≤d1≤1mm。通过合理设置第一光型调整面21的中心与第二光型调整面22的中心之间的间距d1的大小，可以控制光型调整透镜20对初始激光信号01的整形程度。
48.可选的，图7为本发明实施例提供的又一种方形光斑激光模组的正视结构示意图。
参考图7，方形光斑激光模组还包括基板30，激光芯片10的背光面固定于基板30的一侧；基板30通过焊盘(图中未示出)与激光芯片10电连接。
49.示例性的，光型调整透镜20可为如图7所示的结构，光型调整透镜20与基板30之间可以使用热固胶水或uv胶固定，第一光型调整面21与基板30可形成空腔，空腔内可以是空气，也可以是胶体等其他具有透光性的物质。可以将胶水以密封形式点胶，防止水汽、氧气等进入空腔，降低方形光斑激光模组的可靠性。
50.继续参考图7，基板30的焊盘包括引线孔31和铜箔(图中未示出)，激光芯片10的引线13可插入引线孔31，实现基板30与激光芯片10电连接，基板30可以为激光芯片10提供电信号，还可以为方形光斑激光模组散热。基板30的焊盘可以位于激光芯片10沿第一方向x的一侧，也可以位于激光芯片10沿第二方向y的一侧，以降低方形光斑激光模组的长宽比。
51.图8为本发明实施例提供的一种方形光斑激光模组的参数确定方法的流程图，该参数确定方法可用于确定本发明实施例提供的方形光斑激光模组的参数。如图8所示，该方法包括：
52.s110、确定激光芯片出射的初始激光信号的第一尺寸信息。
53.示例性的，第一尺寸信息包括初始激光信号沿第一方向的发散角和初始激光信号沿第二方向的发散角。
54.s120、确定所需激光信号的第二尺寸信息。
55.示例性的，所需激光信号包括调整激光信号，第二尺寸信息包括第二调整激光信号沿第一方向的发散角和第二调整激光信号沿第二方向的发散角。
56.s130、根据第一尺寸信息和第二尺寸信息，确定光型调整透镜的参数。
57.示例性的，根据第一尺寸信息和第二尺寸信息，可以选择合适的光型调整透镜，使得该光型调整透镜可以将符合第一尺寸信息的初始激光信号整形为符合第二尺寸信息的调整激光信号。
58.可选的，根据第一尺寸信息和第二尺寸信息，确定光型调整透镜的参数，包括：根据第一尺寸信息和第二尺寸信息，确定光型调整透镜的折射率、第一光型调整面的面型信息。其中，面型信息包括第一光型调整面的面型公式。
59.示例性的，根据第一尺寸信息和第二尺寸信息，可以选择合适折射率的光型调整透镜，例如可以选择树脂、塑料或光学玻璃等折射率＞1.4的透光材料。根据据第一尺寸信息和第二尺寸信息，还可以选择合适面型的第一光型调整面和第二光型调整面，例如想将第二调整激光信号进一步沿第一方向拉伸，可选择与原来第二面型公式相同但系数不同的光型调整透镜。除此之外，还可以根据第一尺寸信息和第二尺寸信息，选择不同厚度的光型调整透镜，或调整第一光型调整面与激光芯片间的距离。
60.本发明实施例，根据第一尺寸信息和第二尺寸信息，可以选择合适的光型调整透镜，降低使用成本。
61.本发明实施例所提供的方形光斑激光模组的参数确定方法可确定本发明任意实施例所提供方形光斑激光模组的参数，具备方形光斑激光模组相应的功能模块和有益效果。
62.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只
要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
63.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。