[发明专利]半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置

说明书

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，