专利名称：半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置的制作方法
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_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μ m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
权利要求
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
2.根据权利要求I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
3.根据权利要求I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。
4.根据权利要求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，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。
5.根据权利要求3或4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。
6.根据权利要求3或4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。
全文摘要
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。
文档编号G02B27/30GK102914872SQ20121047245
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者李敏, 吴东岷 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所