方便清洁的微透镜阵列的集成化半导体激光成像装置的制作方法

1.本实用新型属于激光直接成像领域，尤其涉及到一种方便清洁的微透镜阵列的集成化半导体激光成像装置。


背景技术：

2.参考图1，现有激光直写技术(laser direct，也即激光直接成像技术)采用的在基座10上安装若干组成像模块20，简化版的每一组成像模块20均包括激光光源41，成像透镜22以及镜筒23。激光光源41封装在透明外壳24内，然后连同成像透镜22安装在镜筒23内。激光光源41发出的光束25先穿过透明外壳24，经成像透镜22透射后，最后在成像面30上的感光涂层31上得到像点(曝光点)26。可以理解的是，在每一组成像模块20中，激光光源41和成像透镜22均安装在镜筒23内。上述结构具有如下缺点：第一、每一个成像透镜22的上端都是中间高边缘处低的凸出的球面结构，在成像透镜22和镜筒23的交界处，成像透镜22不易清洗。第二、由于镜筒23具有一定的外直径d,占用了激光光源41在基座10上的排布空间，使得基座10上可安装的激光光源41的数量减少，造成基座10上的激光光源41的分布的密度比较小，这浪费了基座10的空间。第三、每一个激光光源41及与之对应的成像透镜22，均需要装设在镜筒23内，以至于多个激光光源41及成像透镜22，就需要相应数量的镜筒23，若要将所有组成像模块20装配在基座10上，需要大量的时间，因此降低了工作效率。第四，激光光源41封装在透明外壳24内，由于透明外壳24具有一定厚度k,导致由激光光源41到像点26的光程变长，从而造成像点26的能量降低，激光功率因此而被浪费掉一部分。


技术实现要素：

3.本实用新型公开了一种方便清洁的微透镜阵列的集成化半导体激光成像装置，其主要目的在于解决现有技术中激光直接成像装置中的若干聚焦透镜清洗不方便的问题。
4.本实用新型的方案如下：
5.一种方便清洁的微透镜阵列的集成化半导体激光成像装置，包括：
6.基板，在基板内集成有控制若干个激光光源亮灭的控制电路以及在基板上贴装有呈阵列分布的若干激光光源；
7.微透镜阵列组件,包括平板，以及设置在平板上且和平板一体成型的若干聚焦透镜，若干聚焦透镜和激光光源的数量及阵列方式均相对应，每一聚焦透镜的上端为水平面且与平板齐平，下端为光滑凸球面，每一激光光源发出的光束入射至光滑凸球面后，经上端的水平面射出，聚焦在共同的成像面上对应的像点处，对成像面上的感光涂层曝光；
8.筒体，筒体上、下两端贯通，周围封闭，筒体的下端压在基板周侧边缘上，上端被平板的周侧盖合；
9.其中，每一个激光光源均处于与其对应的聚焦透镜的主光轴上。
10.进一步地，还包括冷却模块，冷却模块设置在基板的和筒体相对的一侧。
11.进一步地，若干激光光源阵列的图像为矩形、圆形、菱形或正多边形的任意一种。
12.进一步地，每相邻两个激光光源之间的距离与微透镜阵列组件中对应的每相邻两个聚焦透镜中心之间的距离相等；
13.进一步地，聚焦透镜的材质为玻璃或者透光塑料。
14.进一步地，冷却模块为铜块，铜块可拆卸连接在基板上和若干激光光源相对的平面。
15.进一步地，在铜块的和基板相对的端面上开设有若干凹槽。
16.进一步地，激光光源为晶体二极管。
17.本实用新型的有益技术效果：
18.1、由于微透镜阵列组件的上端面为水平结构，下端面为若干光滑凸球面结构，且微透镜阵列组件倒扣在筒体上(即若干聚焦透镜的光滑凸球面均朝下)，微透镜阵列组件、筒体和基板组成封闭的腔体，聚焦透镜的光滑凸球面不会接触到灰尘，因此在清洗时，只需要清洗微透镜阵列组件的上端平面即可，不用再清洗聚焦透镜的光滑凸球面以及两相邻聚焦透镜之间的间隙，避免了清洗聚焦透镜清洗不方便的问题。
19.2、提高了激光光源的密度。由于所有聚焦透镜集成微透镜阵列，每一个聚焦透镜不再需要单独的镜筒，节约了镜筒所占的空间，从而使得两个聚焦透镜之间的距离d1可以设计成比背景技术中提到的两个聚焦透镜之间的距离d3更小，因此在同样面积大小的安装座上可以放置更多的聚焦透镜，使得聚焦透镜的分布更为密集，从而提高激光光源的出光密度，单位时间内提高了本装置的曝光功率。
20.3、降低了光路损失，提高了激光的利用率。本技术中，由于若干激光光源集成在激光光源组件上，每一个激光光源不再需要透明外壳，由于透明外壳具有一定的厚度k，去掉透明外壳后，激光光源到成像面的光路变短，从而减少了激光光源光能量的损失，提高了激光光源的利用率。
21.4、曝光精度更高。本技术中，由于若干激光光源集成在激光光源阵列组件上，若干微透镜集成在微透镜阵列组件上，只要将基板和微透镜阵列组件准却对位安装在一起，以保证每一个激光光源均处于与它对应的聚焦透镜的主光轴上，从而使得像点在成像面上成像位置更准确。而在背景技术中，每一个激光光源和对应的聚焦透镜先装在镜筒中，再装在安装座上，由于镜筒存在加工误差以及激光光源和聚焦透镜在镜筒上的安装误差不可避免，从而导致每个激光光源在成像面上的成像焦点和理论设计位置存在一定偏差。
22.5、成本低。本技术中，由于不再需要镜筒及透明外壳，大大节约了成本。
23.6、装配简单且效率高。本技术中，只需要将微透镜阵列组件和基板(若干阵列的激光光源已经通过bonding工艺和基板贴装在一起)准确对位安装好即可，省去了背景技术中提到的需要将激光光源、聚焦透镜先安装在镜筒上后再将镜筒安装在安装座上的麻烦。
附图说明
24.图1为现有激光直接成像技术中激光光光源、聚焦透镜的安装示意图；
25.图2为本实用新型的结构分解示意图；
26.图3为本实用新型的基板40上阵列有若干发光光源41的立体示意图；
27.图4为筒体的结构示意图；
28.图5为微透镜阵列组件的立体结构示意图；
29.图6为图5的正视图；
30.图7为在图2的基础上增加了冷却模块的光学成像示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述区别，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.参考图2，本实用新型公开了一种方便清洁的微透镜阵列的集成化半导体激光成像装置，包括：基板40、微透镜阵列组件50以及筒体60。基板40内集成有控制若干个激光光源亮灭的控制电路(未图示)，在基板40的端面上，贴装有呈阵列分布的若干激光光源41(见图2和图3)。本技术所说的激光光源41呈阵列分布，例如可以是若干激光光源41呈矩形阵列(如图3所示)、圆形阵列、菱形阵列、正多边形阵列的任意一种阵列分布，还可以根据需要设计成其它阵列形状分布，例如三角形阵列分布、椭圆球状分布，在此不做穷举和限制。控制若干个激光光源41的亮灭是由计算机根据待曝光图像的图形特征编写的程序来实现的，如在待曝光图像的某些部分，有些需要曝光，控制电路就控制对应的激光光源点亮，而某些部分不需要曝光，则控制电路就控制对应的激光光源不点亮(处于熄灭状态)，某些部分需要曝光强度较大，则控制电路控制对应的激光光源以较大功率发光，而某些部分需要的曝光强度弱，则控制电路控制对应的激光光源以较小功率发光。本技术中，每一个激光光源41将不再封装在透明外壳24内。
34.参考图3，微透镜阵列组件50包括平板51,以及设置在平板51上而且和基板一体成型的若干聚焦透镜52，聚焦透镜52的数量和激光光源41的数量相同，若干聚焦透镜52构成的阵列方式和同样数量的激光光源41构成的阵列方式相同。另外，从图2、图5和图6中可以看出，每一个聚焦透镜52上端为平面结构、下端为光滑凸球面，光滑凸球面和激光光源41相对设置；另外，每个聚焦透镜52的水平面和平板51齐平，即每个聚焦透镜52的水平面和平板51共面。参考图2，每个聚焦透镜52的光滑凸球面和激光光源41相对设置，因此，当其中一个(例如最左边的一个)激光光源41发光后，发出的光束25经对应的聚焦透镜52的光滑凸球面入射，再从上端水平面出射后，聚焦在共同的成像面30上对应像点(例如像点26)处，对成像面30上的感光涂层31曝光。同样的，对于其他激光光源的光路也是如此，即每一个激光光源发出的光束经与其对应的聚焦透镜聚焦后，在共同的成像面30上对应的像点处聚焦，并对
感光涂层31进行曝光。由于所有的聚焦透镜的焦距都是相同的，且每一个激光光源到对应的聚焦透镜的物距也是相同的，因此每一个激光光源经对应的聚焦透镜聚焦后，像距也相同，故它们能聚焦于共同的成像面30。可以理解的是，为保证每一个激光光源能聚焦成像，则每一个激光光源均需要处于与它对应的聚焦透镜的主光轴上。
35.参考图2和图4，筒体60为上、下两端贯通、周围封闭的结构，筒体60下端压在基板40周侧边缘上，上端与微透镜阵列组件50的外周侧盖合，即筒体60、基板40、和微透镜阵列组件50围合成一个封闭空间，微透镜阵列组件50的平板51的周侧盖合在筒体60上。若干激光光源以及若干聚焦透镜均处于这个封闭空间内。当基板40示例性的为矩形结构时，筒体60也示例性的为矩形结构，如果若干激光光源阵列的图像为圆形，则基板40、微透镜阵列组件50的外形也为圆形，筒体60就为上、下贯通的圆柱形。
36.由图2可以看出，微透镜阵列组件50中的若干聚焦透镜52的光滑凸球面均朝下，这样设计的好处在于：
37.1、由于微透镜阵列组件50的上端面为水平结构，下端面为若干光滑凸球面结构，且微透镜阵列组件倒扣在筒体60上(即若干聚焦透镜52的光滑凸球面均朝下)，微透镜阵列组件、筒体和基板组成封闭的腔体，聚焦透镜52的光滑凸球面不会接触到灰尘，因此在清洗时，只需要清洗微透镜阵列组件的上端平面即可，不用再清洗聚焦透镜的光滑凸球面以及两相邻聚焦透镜之间的间隙，避免了清洗聚焦透镜清洗不方便的问题。
38.2、保证每一个激光光源以预设的出光功率发出的光束经与其对应的聚焦透镜聚焦后，汇聚在共同的成像面上并对成像面上的感光涂层曝光。此处所说的阵列方式相同，是指微透镜的阵列形状与激光光源的阵列形状相同，以及每相邻两个聚焦透镜中心之间的距离与对应的每相邻两个激光光源之间的距离相等，只有这样，才能保证每一个激光光源发出的光束经与该激光光源对应的聚焦透镜透射后，在共同的成像面上聚焦，并且对成像面上涂镀的感光涂层曝光。具体而言，参考图2和图3，例如，当若干激光光源41构成的阵列为矩形阵列时，则微透镜阵列组件50上的若干聚焦透镜52构成的阵列和若干激光光源41构成的矩形阵列完全相同，且每相邻两个激光光源41之间的距离d1与对应的每相邻两个聚焦透镜52中心之间的距离d2完全相等(见图2)。而且，每一个激光光源41均处于与它对应的聚焦透镜52主光轴上。只有这样，才能保证每一个激光光源41发出的光束25均能通过与之对应的聚焦透镜52透射后，聚焦到像点26。可以理解的是，由于构成矩阵的所有激光光源41规格均相同且均处于同一平面内，且构成同样矩阵的所有聚焦透镜52的规格均相同且均处于同一平面内，因此，所有激光光源41经与之对应的聚焦透镜52透射后汇聚得到像点均处于同一成像面30上。需要说明的是，图2和图3中的若干激光光源41是通过bonding工艺阵列贴装在基板40上的。由于基板内集成有控制若干个激光光源亮灭的控制电路，因此本带微透镜阵列的集成半导体激光直接成像装置能根据待曝光图像的特点用预设程序控制每一个激光光源的亮灭以及出光功率的大小。
39.参考图7，为了将激光光源阵列组件50中若干集成在一起的激光光源41产生的热量带走，在基板40的和激光光源41相对的另一面，连接有冷却模块70。冷却模块可以是风冷、水冷或者自然冷却的任意一种实现方式的装置，例如风扇、通有冷水的腔体或者是金属冷却块。作为本技术的一个实施例，冷却模块70优选为铜块，因为铜块散热较快，能及时将激光光源41产生的热量带走。铜块可拆卸连接在基板40上。作为进一步优化，在图7中，当冷
却模块70选为铜块时，在铜块的和基板相对的一侧(即铜块的下端面)开设有若干凹槽71，设计凹槽的目的在于，增加铜块的散热面积，加快激光光源41产生的热量的挥发。
40.本技术中，聚焦透镜52优选为非球面透镜、自聚焦透镜和锥面镜的任意一种。选用非球面透镜、自聚焦透镜和锥面镜，能减少它们自身所占空间外，进而提高了激光光源的分布密度。需要说明的是，图2、图5和图6中的微透镜阵列50(包括平板51及若干聚焦透镜52)，由模具注塑而成，注塑的材料例如可以是透光塑料或玻璃，透光塑料例如可以是透光性能优良的pmma(亚克力)和pc(聚碳酸酯)。
41.本技术中，激光光源优选为易采购、出光性能良好的晶体二极管。该晶体二极管运用于本带微透镜阵列的集成半导体激光直接成像装置时，不需要装设在背景技术中提到的图1中的透明外壳24内。
42.说明：本技术中背景技术中提到的成像透镜22和权利要求书的聚焦透镜、说明书的实施例中提到的聚焦透镜52本质上相同，仅仅是为了区分而将它们的名字命名为不一样。本技术中的微透镜阵列本质上就是由若干聚焦透镜构成的阵列。微透镜意指小型化的聚焦透镜。本技术中，基板优选为pcb印刷电路板。
43.本实用新型公开的带微透镜阵列的集成半导体激光直接成像装置，具有如下技术效果：
44.1、由于微透镜阵列组件50的上端面为水平结构，下端面为若干光滑凸球面结构，且微透镜阵列组件倒扣在筒体60上(即若干聚焦透镜52的光滑凸球面均朝下)，微透镜阵列组件、筒体和基板组成封闭的腔体，聚焦透镜52的光滑凸球面不会接触到灰尘，因此在清洗时，只需要清洗微透镜阵列组件的上端平面即可，不用再清洗聚焦透镜的光滑凸球面以及两相邻聚焦透镜之间的间隙，避免了清洗聚焦透镜清洗不方便的问题。
45.2、提高了激光光源的密度。由于所有聚焦透镜集成微透镜阵列，每一个聚焦透镜不再需要单独的镜筒，节约了镜筒所占的空间，从而使得如图2所示的两个聚焦透镜之间的距离d1可以设计成比图1中的两个聚焦透镜之间的距离d3更小，因此在同样面积大小的安装座上可以放置更多的聚焦透镜，使得聚焦透镜的分布更为密集，从而提高激光光源的出光密度，单位时间内提高了本装置的曝光功率。
46.3、降低了光路损失，提高了激光的利用率。本技术中，由于若干激光光源阵列在基板上，每一个激光光源不再需要图1中的透明外壳，由于透明外壳具有一定的厚度k，去掉透明外壳后，激光光源到成像面的光路变短，从而减少了激光光源光能量的损失，提高了激光光源的利用率。
47.4、曝光精度更高。本技术中，由于若干激光光源阵列在基板上，若干聚焦透镜阵列设置在微透镜阵列组件上，只要将基板和微透镜阵列组件准却对位安装在一起，以保证每一个激光光源均处于与它对应的聚焦透镜的主光轴上，从而使得像点在成像面上成像位置更准确。而在背景技术中，每一个激光光源和对应的聚焦透镜先装在镜筒中，再装在安装座上，由于镜筒存在加工误差以及激光光源和聚焦透镜在镜筒上的安装误差不可避免，从而导致每个激光光源在成像面上的成像焦点和理论设计位置存在一定偏差。
48.5、成本低。本技术中，由于不再需要镜筒及透明外壳，大大节约了成本。
49.6、装配简单且效率高。本技术中，只需要将微透镜阵列组件和基板(若干激光光源已经通过bonding工艺和基板贴装在一起)准确对位安装好即可，省去了背景技术中提到的
需要将激光光源、聚焦透镜先安装在镜筒上后再将镜筒安装在安装座上的麻烦。
50.最后应说明的是：以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。