專利名稱：用于對半導(dǎo)體激光光束整形的勻光異形透鏡、勻光激光光源及光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光光學(xué)，尤其涉及一種用于對半導(dǎo)體激光光束整形的勻光異形透鏡、勻光激光光源及光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，半導(dǎo)體激光器LD作為光源所輸出的光束，其截面光斑在水平和豎直兩個方向上形成不同發(fā)散角，即水平方向上的水平發(fā)散角Θ //和垂直方向上的垂直發(fā)散角Θ丄，在使用時通常只是截取中心光斑，光能量損耗比較大。由于半導(dǎo)體激光呈高斯曲線分布，經(jīng)過一般光學(xué)準(zhǔn)直或擴(kuò)束，其光斑光能量分布不均勻，影響了對半導(dǎo)體激光勻光場要求的領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是光電檢測等產(chǎn)品對勻光場的要求。
針對現(xiàn)有半導(dǎo)體激光光源，通常采用通用球面透鏡或透鏡組進(jìn)行光學(xué)處理，其缺陷在于:1)普通球面透鏡對半導(dǎo)體激光光源的處理，用于擴(kuò)束，其光場勻均性差；用于準(zhǔn)直，點光源成像質(zhì)量只適用于一般標(biāo)識性應(yīng)用產(chǎn)品，達(dá)不到精密測量類儀器的應(yīng)用要求。2)為了達(dá)到一定的成像效果，采用多片球面透鏡組合使用，不僅光功率損耗比較大，而且難于消除像差。3)傳統(tǒng)的球面玻璃鏡片雖易于批量加工，但加工工序長，如粗磨、細(xì)磨、拋光等，工序多、材料多，成本高，且組裝積累誤差大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性也較差。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的一是調(diào)整半導(dǎo)體激光器LD的輸出激光光束的發(fā)散角(即對其輸出激光的光斑進(jìn)行整形，這里的光斑是指激光的截面形狀，也可以理解為激光束的投影)，使其發(fā)散角接近一致，為后續(xù)光學(xué)處理提供一個較高質(zhì)量的激光光源，并提高光能量的利用率。
目的二是提供具有勻光和消象差性能的激光光源或模組。
目的三是提供具有勻光和消象差性能的光路系統(tǒng)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于對半導(dǎo)體激光光束整形的勻光異形透鏡，包括具有相對設(shè)置的接收所述激光射入的入射面和該激光射出的出射面，其特殊之處在于，所述入射面是半柱形曲面，出射面為非球面；且該非球面的母線兩端距離大于所述半柱形曲面母線的兩端距離，以確保經(jīng)所述入射面射入的激光全部入射到所述出射面上。
上述入射面為向外拱起的凸面，所述出射面為向內(nèi)凹陷的凹面。
上述入射面為向外拱起的凸面，所述出射面為向外拱起的凸面。
上述入射面為向內(nèi)凹陷的凹面，所述出射面為向內(nèi)凹陷的凹面。
上述入射面為向內(nèi)凹陷的凹面,所述出射面為向外拱起的凸面。
上述的勻光異形透鏡，由第一透鏡和第二透鏡組合而成，該第一透鏡具有半柱形曲面和與該半柱形曲面相對的第一平面；該第二透鏡具有非球面和與該非球面相對的第二平面，該第一平面與第二平面相對設(shè)置，該半柱形曲面與該非球面分別構(gòu)成所述入射面和出射面。
上述第一透鏡和第二透鏡分別包含一相對的平面。
上述相對的平面彼此粘合在一起或間距不超過50mm。
一種含有上述的勻光異形透鏡的勻光激光光源，包括透鏡座、設(shè)置在透鏡座內(nèi)一端的固定用于產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體激光器LD芯片的激光器座，其特殊之處在于，所述勻光異形透鏡設(shè)置在所述半導(dǎo)體激光器LD芯片的光軸上，其入射面與該半導(dǎo)體激光器LD芯片的激光輸出面之間的間距在O IOOmm范圍內(nèi)，該入射面的半柱形曲面的柱形直徑在0.005 IOmm內(nèi)，入射面的軸線與所述半導(dǎo)體激光器LD芯片的出射激光的水平截面或垂直截面垂直。
一種含有上述的勻光激光光源的激光擴(kuò)束光路系統(tǒng)，包括置于激光光源與透鏡或透鏡組之間的擴(kuò)束透鏡或擴(kuò)束透鏡組，其特殊之處在于，所述激光光源是所述勻光激光光源；所述擴(kuò)束透鏡是球面或非球面擴(kuò)束透鏡；所述擴(kuò)束透鏡組是球面或非球面擴(kuò)束透鏡組。
一種含有上述的勻光激光光源的激光準(zhǔn)直光路系統(tǒng)，包括激光光源和設(shè)置在該激光光源的出射光路上的準(zhǔn)直透鏡或準(zhǔn)直透鏡組，其特殊之處在于，所述激光光源是所述勻光激光光源，所述準(zhǔn)直透鏡是球面或非球面準(zhǔn)直透鏡；所述準(zhǔn)直透鏡組是球面或非球面準(zhǔn)直透鏡組。
一種含有上述的勻光激光光源的調(diào)焦式激光擴(kuò)束模組，包括擴(kuò)束模組殼體、設(shè)置在擴(kuò)束模組殼體內(nèi)的激光光源、滑座與變焦擴(kuò)束透鏡、勻光準(zhǔn)直透鏡，激光光源設(shè)置在滑座上，勻光準(zhǔn)直透鏡設(shè)置在擴(kuò)束模組殼體的出光孔處，變焦擴(kuò)束透鏡設(shè)置在激光光源與勻光準(zhǔn)直透鏡之間，該擴(kuò)束模組殼體的一側(cè)設(shè)置有調(diào)焦輪，該調(diào)焦輪通過設(shè)置在滑座外的滑銷與該滑座通過齒輪嚙合，其特殊之處在于，所述激光光源是勻光激光光源，所述變焦擴(kuò)束透鏡為球面或非球面透鏡；所述勻光準(zhǔn)直透鏡為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
一種含有上述的勻光激光光源的激光準(zhǔn)直模組，包括準(zhǔn)直模組殼體、設(shè)置于準(zhǔn)直模組殼體內(nèi)的激光光源和設(shè)置在該激光光源的出射光路上的長焦準(zhǔn)直透鏡，其特殊之處在于，所述激光光源是所述勻光激光光源；所述長焦準(zhǔn)直透鏡為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
一種含有上述的勻光激光光源的錐鏡反射式線狀光束光路系統(tǒng)，包括激光光源、依次設(shè)置在該激光光源的出射光路上的準(zhǔn)直光學(xué)元器件和錐面反射鏡，其特殊之處在于，所述激光光源是所述勻光激光光源；所述準(zhǔn)直光學(xué)元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
一種含有上述的勻光激光光源的五棱鏡光路系統(tǒng)，包括激光光源、依次設(shè)置在該激光光源的出射光路上的準(zhǔn)直光學(xué)元器件和五棱鏡，其特殊之處在于，所述激光光源是所述勻光激光光源，所述的準(zhǔn)直光學(xué)元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組；所述五棱鏡是反射式或透反式五棱鏡，該反射式五棱透鏡為單體五棱鏡，透反式五棱透鏡為膠合五棱透鏡。
一種含有上述的勻光激光光源的傳導(dǎo)式聚焦光路系統(tǒng)，包括激光光源、依次設(shè)置在該激光光源的出射光路上的準(zhǔn)直光學(xué)元器件和光束傳導(dǎo)介質(zhì)，其特殊之處在于，所述激光光源是勻光激光光源；所述準(zhǔn)直光學(xué)元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組；所述光束傳導(dǎo)介質(zhì)為光纖或自聚焦透鏡。
—種含有上述的勻光激光光源的高速掃描振鏡光路系統(tǒng),包括激光光源、依次設(shè)置在該激光光源的出射光路上的準(zhǔn)直光學(xué)元器件和振鏡，其特殊之處在于，所述激光光源是勻光激光光源；所述準(zhǔn)直光學(xué)元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
本發(fā)明的優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，成本低廉。尤其是提供了一個對半導(dǎo)體激光器輸出激光光束的水平發(fā)散Θ //和垂直發(fā)散角Θ丄，進(jìn)行整形、勻光和消除像差處理的勻光激光光源。對激光精密測量、掃描等半導(dǎo)體激光應(yīng)用提供了一個充分利用激光光能的、光束能量分布均勻的基礎(chǔ)光源。適用于各種場合的激光照明探測、測量測繪、建筑裝修、大地測量、光電掃描及激光醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用產(chǎn)品的基礎(chǔ)光源。能很好的實現(xiàn)對各種波長的半導(dǎo)體激光器輸出激光光束發(fā)散角的調(diào)整和激光輸出光能量高斯曲線分布進(jìn)行均勻化調(diào)整，提高激光光能量的利用率的同時，具有很好的勻光和消象差性能。


圖1是入射面為凸面，出射面為凹面的勻光異形透鏡的剖面示意圖。
圖2是圖1的立體示意圖。
圖3是入射面為凸面，出射面為凸面的勻光異形透鏡的剖面示意圖。。
圖4是圖3的立體示意圖。
圖5是入射面為凹面，出射面為凹面的勻光異形透鏡的剖面示意圖。圖6是圖5的立體示意圖。
圖7是入射面為凹面，出射面為凸面的勻光異形透鏡的剖面示意圖。
圖8是圖7的立體示意圖。
圖9是入射面為凸面的半柱形曲面、出射面為第一平面的第一透鏡的剖面示意圖。
圖10是圖9的立體示意圖。
圖11是入射面為凹面的半柱形曲面、出射面為第一平面的第一透鏡的剖面示意圖。
圖12是圖11的立體示意圖。
圖13是入射面為凸面的半柱形曲面且該半柱形曲面為半圓、出射面為第一平面的第一透鏡的剖面示意圖。
圖14是圖13的立體示意圖。
圖15是入射面為第二平面、出射面為非球面(凸面)的第二透鏡的剖面示意圖。
圖16是圖15的立體示意圖。
圖17是入射面為第二平面、出射面為非球面(凹面)的第二透鏡的剖面示意圖。
圖18是圖17的立體示意圖。
圖19是圖13所示第一透鏡與圖17所示第二透鏡膠合而成的組合式勻光異形透鏡的剖面示意圖。
圖20是圖19的立體示意圖。
圖21是圖13所示第一透鏡與圖15所示第二透鏡膠合而成的組合式勻光異形透鏡的剖面示意圖。
圖22是圖21的立體示意圖。
圖23是勻光激光光源的示意圖。
圖24是未經(jīng)調(diào)整的半導(dǎo)體激光器LD的出射激光的發(fā)散角示意圖。
圖25是整形后的半導(dǎo)體激光器LD的出射激光的發(fā)散角示意圖。
圖26是沿Z方向傳播的基膜高斯光束的電矢量示意圖。
圖27是未經(jīng)調(diào)整的半導(dǎo)體激光器LD輸出激光的垂直發(fā)散角的高斯分布曲線圖。
圖28是未經(jīng)調(diào)整的半導(dǎo)體激光器LD輸出激光的水平發(fā)散角的高斯分布曲線圖。
圖29是半導(dǎo)體激光光束經(jīng)第一曲面或第一透鏡整形后輸出激光的水平發(fā)散角高斯分布示意圖。
圖30是半導(dǎo)體激光光束經(jīng)第一曲面或第一透鏡整形后輸出激光的垂直發(fā)散角高斯分布示意圖。
圖31是勻光激光光源的水平發(fā)散角高斯分布曲線圖。
圖32是勻光激光光源的垂直發(fā)散角高斯分布曲線圖。
圖33是勻光激光光源的光束截面高斯分布曲線圖。
圖34是含有勻光激光光源的組合透鏡準(zhǔn)直的激光擴(kuò)束光路系統(tǒng)示意圖。
圖35是含有勻光激光光源的單透鏡準(zhǔn)直的激光擴(kuò)束光路系統(tǒng)示意圖。
圖36是含有勻光激光光源的組合透鏡準(zhǔn)直的激光準(zhǔn)直光路系統(tǒng)不意圖。
圖37是含有勻光激光光源的單透鏡準(zhǔn)直的激光準(zhǔn)直光路系統(tǒng)示意圖。
圖38是含有勻光激光光源的調(diào)焦式激光擴(kuò)束模組示意圖。
圖39是含有勻光激光光源的激光準(zhǔn)直模組示意圖。
圖40是含有勻光激光光源的錐鏡反射式線狀光束光路系統(tǒng)示意圖。
圖41是含有勻光激光光源的五棱鏡反射式光路系統(tǒng)不意圖。
圖42是含有勻光激光光源的五棱鏡透反式光路系統(tǒng)不意圖。
圖43是含有勻光激光光源的傳導(dǎo)式聚焦光路系統(tǒng)意圖。
圖44是含有勻光激光光源的高速掃描振鏡光路系統(tǒng)不意圖。
圖中:1、入射面；2、出射面；3、勻光激光光源；4、激光器座；5、半導(dǎo)體激光器LD芯片；6、勻光異形透鏡或組合式勻光異形透鏡；7、透鏡座；8、半柱形曲面；9、第一平面；10、非球面；11、第二平面；12、激光輸出面；13、擴(kuò)束透鏡；14、擴(kuò)束組合透鏡；15、擴(kuò)束單透鏡；16匯聚組合或膠合透鏡；17、匯聚單透鏡；18、勻光準(zhǔn)直透鏡；19、變焦擴(kuò)束透鏡；20、滑座；21、滑銷；22擴(kuò)束模組殼體；23、調(diào)焦輪；24、準(zhǔn)直模組殼體；25、長焦準(zhǔn)直透鏡；26、準(zhǔn)直透鏡；27、錐面反射鏡；28、反射式五棱鏡；29、透反式五棱鏡；30、光束傳導(dǎo)介質(zhì)；31、振鏡。
具體實施方式
為了克服半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光的垂直發(fā)散角Θ丄與水平發(fā)散角Θ //的比值過大，光能量利用率低及高斯分布所形成的光場能量分布不均勻的現(xiàn)象，以提高光功率利用率和提供一個相對均勻的光源光場，本實施例提供了一種圖1至圖22所示的用于對半導(dǎo)體激光器輸出激光光斑整形的勻光異形透鏡，包括具有相對設(shè)置的接收所述激光射入的入射面I和該激光射出的出射面2，且該入射面I是半柱形曲面，出射面2為非球面，該非球面的母線兩端距離大于該半柱形曲面的母線的兩端距離，以確保經(jīng)入射面I射入的激光全部入射到出射面2上，如此可極大程度的減少激光的浪費，從而有利于提高激光的利用率。
其中，圖1至圖8所示，為同一種介質(zhì)材料制作的單體勻光異形透鏡，而圖1、2所示的勻光異形透鏡的具體結(jié)構(gòu)形式是其入射面I為向外拱起的凸面，出射面2為向內(nèi)凹陷的凹面。
圖3、4所示的勻光異形透鏡的具體結(jié)構(gòu)形式是，其入射面I為向外拱起的凸面，出射面2也為向外拱起的凸面。
圖5、6所示的勻光異形透鏡的具體結(jié)構(gòu)形式是其入射面I和出射面2均為內(nèi)向內(nèi)凹陷的凹面。
圖7、8所示的勻光異形透鏡的具體結(jié)構(gòu)形式是其入射面I為向內(nèi)凹陷的凹面，出射面2為向外拱起的凸面。
考慮到由于激光波長不同、調(diào)整發(fā)散角和勻光對介質(zhì)的折射率等技術(shù)參數(shù)的要求不同等因素，還提供了由同一介質(zhì)材料或不同介質(zhì)材料制作的組合式勻光異形透鏡，即上述的勻光異形透鏡可以由不同的單體透鏡組合而成，本實施例提供的組合式勻光異形透鏡可以由圖9至圖14所示的單體透鏡即第一透鏡(具有一半柱形曲面8及與該半柱形曲面8相對的第一平面9作為入射面I的承載鏡體及圖15至圖18所示的單體透鏡即第二透鏡(具有非球面10和與該非球面10相對的第二平面11)作為出射面2的承載鏡體構(gòu)成，具體構(gòu)成方式可采用彼此具有的第一平面9和第二平面11相對并間距不超過50mm的方式相對排列在一起，也可以采用圖19至圖22所示的方式即通過粘合第一平面9和第二平面11形成由第一透鏡和第二透鏡組成的勻光異形透鏡。
以上所述的勻光異形透鏡均為光學(xué)玻璃透鏡，組合式勻光異形透鏡由相同或不同介質(zhì)材料的光學(xué)玻璃透鏡組合而成。
本實施例還提供了一種圖23所示的勻光激光光源3，包括透鏡座7、設(shè)置在透鏡座7內(nèi)一端的固定用于產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體激光器LD芯片5的激光器座4，勻光異形透鏡6設(shè)置在半導(dǎo)體激光器LD芯片5的光軸上,其入射面I與該半導(dǎo)體激光器LD芯片5的激光輸出面12之間的間距在O IOOmm范圍內(nèi)，該入射面I的半柱形曲面的柱形直徑在0.005 10mm 內(nèi)。
圖25所示為半導(dǎo)體激光器LD芯片5輸出激光光束的水平截面的水平發(fā)散為Θ //，豎直方向的垂直發(fā)散角為Θ丄的原始光斑形狀及發(fā)散角。
結(jié)合圖26， 可見沿Z方向傳播的基膜高斯光束的電矢量表達(dá)式如下: E (x, y, z) =A0/ff (z) exp [- (x2+y2) /w2 (z) ] gexp {-1k [z+ (x2+y2)/2R(z) ]+i Φ (z) } (I) 其中: E一電場強度 A0-Z=O時的振幅 W(Z) — z點的光斑尺寸 R(Z) — z點波陣面的曲率半徑 Φ (Z) — Z點的相位A0/W (z) exp [- (x2+y2)/w2 (z)]—振幅部分exp {-1k [z+ (x2+y2)/2R(z) ]+i Φ (z) } 一位相部分 當(dāng)z=0時電矢量表達(dá)式:E (x, y) =A0/ff0exp [- (x2+y2) /W20] (2 ) (2)式的圖形見圖34，由(2)式可以看出:1)與x、y有關(guān)的位相部分消失，即Z=O的平面是等相面，它與平面波的波陣面一樣。2)振幅部分是一指數(shù)表達(dá)式，這種指數(shù)函數(shù)叫高斯函數(shù)，通常稱振幅的這種分布為高斯分布。
以上內(nèi)容可參見:《激光在精密計量中的應(yīng)用》天津大學(xué)葉聲華主編機(jī)械工業(yè)出版社第一版。
為了調(diào)整激光光束在截面X軸和Y軸方向的發(fā)散角基本一致，如圖25所示，通過勻光激光光源的勻光異形透鏡或組合式勻光異形透鏡6的入射面I (半柱形曲面)縮小Y軸發(fā)散角Θ丄，或擴(kuò)大X軸發(fā)散角Θ //。其中，勻光異形透鏡或組合式勻光異形透鏡6的入射面I為半柱形曲面的柱形軸線與輸出激光的截面Y軸垂直，以達(dá)到縮小Y軸發(fā)散角Θ丄的目的。調(diào)整激光發(fā)散角Θ //和Θ丄，預(yù)期的激光光束截面的水平發(fā)散角與其垂直發(fā)散角基本相等。
由圖25可見，本實施例通過勻光異形透鏡或組合式勻光異形透鏡6的入射面I的半柱形曲面的柱形軸線與輸出激光截面Y軸垂直設(shè)置，入射面I半柱形曲面縮小Y軸發(fā)散角Θ丄，由圖29、30可以明顯看到，經(jīng)整形的后的激光光束截面的邊緣激光光能量增加。使圖27、28所示的半導(dǎo)體激光器LD輸出激光的高斯分布曲線，經(jīng)整形后，其激光能量即高斯分布曲線如圖29、30所示，可以看出:1)振幅部分不再是從中心向外平滑地降落，而是在邊緣部分有一突起。2)當(dāng)孔徑光闌為圓形或?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)時，邊緣突起部分也是對稱分布。
如圖33、圖34所不,上述的勻光激光光源3,為了達(dá)到輸出激光在截面光場光能量分布均勻的目的，其設(shè)置于半導(dǎo)體激光器LD芯片5的輸出激光光路上的勻光異形透鏡或組合式勻光異形透鏡6的出射面2為非球面，調(diào)整圖27所示的半導(dǎo)體激光器LD輸出激光的高斯分布曲線和調(diào)整發(fā)散角Θ丄形成邊緣光能量 ，以達(dá)到圖31、32所示的勻光激光光源能量分布曲線圖和圖33所示的勻光激光光源截面能量分布圖，進(jìn)而實現(xiàn)預(yù)期的輸出激光截面光場光能量勻均分布，可以看出:1)振幅部分成為近似矩形或中間稍微凹兩邊凸。2)能量分布比較均勻。
同時，本實施例還提供了圖34至圖37所示的幾種以勻光激光光源3為基礎(chǔ)的典型擴(kuò)束和準(zhǔn)直光路系統(tǒng)。
圖34所示是含有勻光激光光源3的一種激光擴(kuò)束光路系統(tǒng)，包括勻光激光光源3、擴(kuò)束透鏡13、擴(kuò)束組合透鏡14，其中，擴(kuò)束透鏡13設(shè)置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；擴(kuò)束組合透鏡14設(shè)置于擴(kuò)束透鏡13的輸出光路上，擴(kuò)束透鏡13為球面或非球面透鏡；擴(kuò)束組合透鏡14為球面或非球面的膠合透鏡或透鏡組。
圖35所示是含有勻光激光光源3的激光擴(kuò)束光路系統(tǒng)，包括勻光激光光源3、擴(kuò)束透鏡13和擴(kuò)束單透鏡15。其中:擴(kuò)束透鏡13設(shè)置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；擴(kuò)束單透鏡15設(shè)置于擴(kuò)束透鏡13的輸出光路上。擴(kuò)束透鏡13為球面或非球面透鏡；擴(kuò)束單透鏡15為非球面或球面透鏡。
圖36所示是含有勻光激光光源3的激光準(zhǔn)直光路系統(tǒng)，包括勻光激光光源3、匯聚組合或膠合透鏡16，匯聚組合或膠合透鏡16設(shè)置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；匯聚組合或膠合透鏡16為球面或非球面的組合或膠合透鏡。
圖37所示是含有勻光激光光源3的激光準(zhǔn)直光路系統(tǒng)，包括勻光激光光源3、匯聚單透鏡17，匯聚單透鏡17設(shè)置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；匯聚單透鏡17為非球面或非球面的單透鏡。
圖38、圖39所示，是本實施例提供的兩種以勻光激光光源3為基礎(chǔ)的典型的擴(kuò)束和準(zhǔn)直激光模組。
圖38所示是以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的調(diào)焦式激光擴(kuò)束模組，為激光輸出在不同距離上可調(diào)節(jié)為相同大小光斑的均勻光場。該調(diào)焦式激光擴(kuò)束模組主要包括擴(kuò)束模組殼體22、調(diào)焦輪23、滑銷21和設(shè)置在擴(kuò)束模組殼體22內(nèi)的勻光激光光源3、滑座20與變焦擴(kuò)束透鏡19、勻光準(zhǔn)直透鏡18。該調(diào)焦式激光擴(kuò)束模組還包括有驅(qū)動電路、供電電源及操作控制等支持系統(tǒng)。其中:變焦擴(kuò)束透鏡19設(shè)置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；勻光準(zhǔn)直透鏡18設(shè)置于變焦擴(kuò)束透鏡19的輸出光路上具體是設(shè)置在擴(kuò)束模組殼體23內(nèi)的出光孔處。這里的變焦擴(kuò)束透鏡19為球面或非球面透鏡；勻光準(zhǔn)直透鏡18為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
調(diào)焦式激光擴(kuò)束模組的工作原理是安裝在置于擴(kuò)束模組殼體22內(nèi)的滑座20內(nèi)的變焦擴(kuò)束透鏡10，通過滑座20外部設(shè)置的滑銷21，與模組殼體22外部設(shè)置的調(diào)焦輪23的內(nèi)側(cè)導(dǎo)槽相嚙合。轉(zhuǎn)動調(diào)焦輪23，通過滑銷21帶動滑座20及滑座20內(nèi)的變焦擴(kuò)束透鏡19沿光軸往復(fù)移動，以改變變焦擴(kuò)束透鏡20的位置，從而使輸出激光在不同工作距離保持相同的勻光場光斑。調(diào)焦輪23的驅(qū)動為手動驅(qū)動或電動驅(qū)動。
圖39所示是以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的激光準(zhǔn)直模組，包括準(zhǔn)直模組殼體24和設(shè)置于準(zhǔn)直模組殼體24內(nèi)的勻光激光光源3和長焦準(zhǔn)直透鏡25。該激光準(zhǔn)直模組還包括有驅(qū)動電路、供電電源及操作控制等支持系統(tǒng)。其中，長焦準(zhǔn)直透鏡25設(shè)置于勻光激光光源3的激光輸出光路上。一般情況下，勻光激光光源3設(shè)置于準(zhǔn)直模組殼體25的一端，而長焦準(zhǔn)直透鏡25相對設(shè)置于準(zhǔn)直模組殼體24的另一端(即出光孔處)，其間隔距離取決于長焦準(zhǔn)直透鏡25的焦距長度。以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的激光準(zhǔn)直模組，可以通過一般的準(zhǔn)直透鏡輸出光形比較好的圓形光斑，或通過長焦準(zhǔn)直透鏡25形成在一定距離范圍內(nèi)直徑尺寸基本一致的圓形光斑。這里的長焦準(zhǔn)直透鏡25為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
同時，本實施例還提供了圖36、圖37、圖38、圖39、圖40所示的幾種以勻光激光光源3為基礎(chǔ)的應(yīng)用實例的典型光路系統(tǒng)。
圖40所示是以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的錐鏡反射式線狀光束光路系統(tǒng)，包括勻光激光光源3、準(zhǔn)直透鏡26和錐面反射鏡27。其中，準(zhǔn)直透鏡26設(shè)置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；錐面反射鏡27設(shè)置于準(zhǔn)直透鏡26的輸出光路上。勻光激光光源3的輸出激光，通過準(zhǔn)直透鏡26形成準(zhǔn)直激光，經(jīng)過錐面反射鏡27反射，形成與光軸垂直的360°的線狀光束。這里涉及的準(zhǔn)直透鏡26為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
圖41、42所不是以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的五棱鏡光路系統(tǒng),包括勻光激光光源3、準(zhǔn)直透鏡26和反射式五棱鏡28或透反式五棱鏡29。其中，準(zhǔn)直透鏡26設(shè)置于勻光激光光源3的激光輸出光路上。如圖41所不，反射式五棱鏡28設(shè)置于準(zhǔn)直透鏡26的輸出光路上。勻光激光光源3的輸出激光,通過準(zhǔn)直透鏡26形成準(zhǔn)直激光,經(jīng)過反射式五棱鏡28將準(zhǔn)直激光改變90°方向輸出。在圖42中，透反式五棱鏡29同樣設(shè)置于準(zhǔn)直透鏡26的輸出光路上。勻光激光光源3的輸出激光,通過準(zhǔn)直透鏡26形成準(zhǔn)直激光,經(jīng)過透反式五棱鏡29將一部分準(zhǔn)直激光沿輸出光軸透射輸出，一部分準(zhǔn)直激光改變90°方向輸出。
這里涉及的準(zhǔn)直透鏡26為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。反射式五棱透鏡28為單體五棱鏡；透反式五棱透鏡29為膠合五棱透鏡。
圖43所示是以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的傳導(dǎo)式聚焦光路系統(tǒng)，包括勻光激光光源3、準(zhǔn)直透鏡26和光束傳導(dǎo)介質(zhì)30(這里實際為光纖)。其中，準(zhǔn)直透鏡26設(shè)置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；光束傳導(dǎo)介質(zhì)30設(shè)置于準(zhǔn)直透鏡26的輸出光路上。勻光激光光源3的輸出激光，通過準(zhǔn)直透鏡26形成準(zhǔn)直激光聚焦后，進(jìn)入光束傳導(dǎo)介質(zhì)30進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳導(dǎo)(如光纖)或其他變焦應(yīng)用。該光路系統(tǒng)中涉及的準(zhǔn)直透鏡26也為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。光束傳導(dǎo)介質(zhì)30可以為光纖、自聚焦透鏡等光束傳導(dǎo)物質(zhì)。
圖44所示是以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的高速掃描振鏡光路系統(tǒng)，包括勻光激光光源3、準(zhǔn)直透鏡26和振鏡31。其中，準(zhǔn)直透鏡26設(shè)置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；振鏡31設(shè)置于準(zhǔn)直透鏡26的輸出光路上。勻光激光光源3的輸出激光,通過準(zhǔn)直透鏡26形成準(zhǔn)直激光，經(jīng)過振鏡31適用于激光掃描。該光路系統(tǒng)中涉及的準(zhǔn)直透鏡26為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組；振鏡31為適用于高速掃描的振鏡。
綜上所述，本實施例提供的適用于半導(dǎo)體激光器的異形透鏡或異形組合透鏡結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，使用方式多樣靈活，可以應(yīng)用于多種光路系統(tǒng)中，克服了普通球面透鏡無法調(diào)整激光發(fā)散角的光能量損耗，并針對不同波長通過專門的非球面設(shè)計，不僅有利于消除像差，而且可將光能量分布均勻化處理。以異形透鏡或異形組合透鏡與半導(dǎo)體激光器封裝的勻光激光光源可以作為半導(dǎo)體激光的基礎(chǔ)光源，適用于各類半導(dǎo)體激光的準(zhǔn)直、擴(kuò)束、調(diào)制光路系統(tǒng)的應(yīng)用，也適用于激光指示、標(biāo)識、探測、測量、照明、醫(yī)療、掃描等各領(lǐng)域相關(guān)激光儀器的應(yīng)用。
以上例舉僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于對半導(dǎo)體激光光束整形的勻光異形透鏡，包括具有相對設(shè)置的接收所述激光射入的入射面和該激光射出的出射面，其特征在于:所述入射面是半柱形曲面，出射面為非球面；且該非球面的母線兩端距離大于所述半柱形曲面母線的兩端距離，以確保經(jīng)所述入射面射入的激光全部入射到所述出射面上。
2.如權(quán)利要求1所述的勻光異形透鏡，其特征在于:所述入射面為向外拱起的凸面，所述出射面為內(nèi)向內(nèi)凹陷的凹面。
3.如權(quán)利要求1所述的勻光異形透鏡，其特征在于:所述入射面為向外拱起的凸面，所述出射面為向外拱起的凸面。
4.如權(quán)利要求1所述的勻光異形透鏡，其特征在于:所述入射面為向內(nèi)凹陷的凹面，所述出射面為內(nèi)凹陷的凹面。
5.如權(quán)利要求1所述的勻光異形透鏡，其特征在于:所述入射面為向內(nèi)凹陷的凹面，所述出射面為向外拱起的凸面。
6.如權(quán)利要求1所述的勻光異形透鏡，其特征在于:由第一透鏡和第二透鏡組合而成，該第一透鏡具有半柱形曲面和與該半柱形曲面相對的第一平面；該第二透鏡具有非球面和與該非球面相對的第二平面，該第一平面與第二平面相對設(shè)置，該半柱形曲面與該非球面分別構(gòu)成所述入射面和出射面。
7.如權(quán)利要求6所述的勻光異形透鏡，其特征在于:所述第一透鏡和第二透鏡分別包含一相對的平面。
8.如權(quán)利要求7所述的勻光異形透鏡，其特征在于:所述相對的平面彼此粘合在一起或間距不超過50mm。
9.一種含有權(quán)利要 求1至8中任一權(quán)利要求所述的勻光異形透鏡的勻光激光光源，包括透鏡座、設(shè)置在透鏡座內(nèi)一端的固定用于產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體激光器LD芯片的激光器座，其特征在于:所述勻光異形透鏡設(shè)置在所述半導(dǎo)體激光器LD芯片的光軸上，其入射面與該半導(dǎo)體激光器LD芯片的激光輸出面之間的間距在O IOOmm范圍內(nèi)，該入射面的半柱形曲面的柱形直徑在0.005 10_內(nèi)，入射面的軸線與所述半導(dǎo)體激光器LD芯片的出射激光的水平截面或垂直截面垂直。
10.一種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的激光擴(kuò)束光路系統(tǒng)，包括置于激光光源與透鏡或透鏡組之間的擴(kuò)束透鏡或擴(kuò)束透鏡組，其特征在于:所述激光光源是所述勻光激光光源；所述擴(kuò)束透鏡是球面或非球面擴(kuò)束透鏡；所述擴(kuò)束透鏡組是球面或非球面擴(kuò)束透鏡組。
11.一種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的激光準(zhǔn)直光路系統(tǒng)，包括激光光源和設(shè)置在該激光光源的出射光路上的準(zhǔn)直透鏡或準(zhǔn)直透鏡組，其特征在于:所述激光光源是所述勻光激光光源，所述準(zhǔn)直透鏡是球面或非球面準(zhǔn)直透鏡；所述準(zhǔn)直透鏡組是球面或非球面準(zhǔn)直透鏡組。
12.—種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的調(diào)焦式激光擴(kuò)束模組，包括擴(kuò)束模組殼體、設(shè)置在擴(kuò)束模組殼體內(nèi)的激光光源、滑座與變焦擴(kuò)束透鏡、勻光準(zhǔn)直透鏡，激光光源設(shè)置在滑座上，勻光準(zhǔn)直透鏡設(shè)置在擴(kuò)束模組殼體的出光孔處，變焦擴(kuò)束透鏡設(shè)置在激光光源與勻光準(zhǔn)直透鏡之間，該擴(kuò)束模組殼體的一側(cè)設(shè)置有調(diào)焦輪，該調(diào)焦輪通過設(shè)置在滑座外的滑銷與該滑座通過齒輪嚙合，其特征在于:所述激光光源是勻光激光光源，所述變焦擴(kuò)束透鏡為球面或非球面透鏡；所述勻光準(zhǔn)直透鏡為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
13.一種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的激光準(zhǔn)直模組，包括準(zhǔn)直模組殼體、設(shè)置于準(zhǔn)直模組殼體內(nèi)的激光光源和設(shè)置在該激光光源的出射光路上的長焦準(zhǔn)直透鏡，其特征在于:所述激光光源是所述勻光激光光源；所述長焦準(zhǔn)直透鏡為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
14.一種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的錐鏡反射式線狀光束光路系統(tǒng)，包括激光光源、依次設(shè)置在該激光光源的出射光路上的準(zhǔn)直光學(xué)元器件和錐面反射鏡，其特征在于:所述激光光源是所述勻光激光光源；所述準(zhǔn)直光學(xué)元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
15.一種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的五棱鏡光路系統(tǒng)，包括激光光源、依次設(shè)置在該激光光源的出射光路上的準(zhǔn)直光學(xué)元器件和五棱鏡，其特征在于:所述激光光源是所述勻光激光光源，所述的準(zhǔn)直光學(xué)元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組；所述五棱鏡是反射式或透反式五棱鏡，該反射式五棱透鏡為單體五棱鏡，透反式五棱透鏡為膠合五棱透鏡。
16.一種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的傳導(dǎo)式聚焦光路系統(tǒng)，包括激光光源、依次設(shè)置在該激光光源的出射光路上的準(zhǔn)直光學(xué)元器件和光束傳導(dǎo)介質(zhì)，其特征在于:所述激光光源是勻光激光光源；所述準(zhǔn)直光學(xué)元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組；所述光束傳導(dǎo)介質(zhì)為光纖或自聚焦透鏡。
17.—種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的高速掃描振鏡光路系統(tǒng),包括激光光源、依次設(shè)置在該激光光源的出射光路上的準(zhǔn)直光學(xué)元器件和振鏡，其特征在于:所述激光光源是勻光激光光源；所述準(zhǔn)直光 學(xué)元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
全文摘要
本發(fā)明提供的用于對半導(dǎo)體激光光束整形的勻光異形透鏡，包括具有相對設(shè)置的接收激光射入的入射面和該激光射出的出射面，入射面是半柱形曲面，出射面為非球面；且該非球面的母線兩端距離大于所述半柱形曲面母線的兩端距離，以確保經(jīng)入射面射入的激光全部入射到所述出射面上。該勻光異形透鏡結(jié)構(gòu)簡單，易于批量加工，成本低廉，尤其是能很好的實現(xiàn)對各種波長的半導(dǎo)體激光器輸出激光光束發(fā)散角的調(diào)整和激光輸出光能量高斯曲線分布進(jìn)行均勻化調(diào)整，提高激光光能量的利用率的同時，具有很好的勻光和消象差性能。
文檔編號G02B27/00GK103176226SQ20131005866
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月3日
發(fā)明者孫建華, 盧長信, 張哲子, 楊英姿 申請人:西安華科光電有限公司