具体实施方式

由背景技术可知，现有技术中的半导体激光器的快轴准直透镜存在准直效果差的问题。

为解决所述技术问题，本发明提供一种用于半导体激光器的快轴准直透镜，包括：基部，所述基部具有背向所述半导体激光器的第一面；第一快轴准直部，所述第一快轴准直部位于所述第一面上，所述第一快轴准直部的折射率与所述基部的折射率不同；所述第一快轴准直部适宜于透射所述半导体激光器所产生的光束并压缩所述光束在第一方向上的发散角。

本发明技术方案，可以根据具体光路设计选择合适的第一快轴准直部和所述基部的材料，能够有效提高设置的灵活性，突破快轴准直透镜对光路设计的限制，进而有利于装配难度的降低和准直效果的改善。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图2和图3，示出了本发明用于半导体激光器的快轴准直透镜第一实施例的结构示意图，其中图2是快轴准直透镜实施例的立体结构示意图，图3是图2所示快轴准直透镜实施例沿A1-A2线的剖面结构示意图。

所述快轴准直透镜包括：基部110，所述基部110具有背向所述半导体激光器的第一面111；第一快轴准直部120，所述第一快轴准直部120位于所述第一面111上，所述第一快轴准直部120的折射率与所述基部110的折射率不同；所述第一快轴准直部120适宜于透射所述半导体激光器所产生的光束并压缩所述光束在第一方向Y上的发散角。

结合参考图4，示出了所述快轴准直透镜实施例应用于激光雷达的光路结构示意图。所述基部110具有相背设置的第一面111和第二面(图中未标示)，光束沿第二面指向第一面111的方向传播，即光束从第二面入射所述基部110，自所述第一面111出射所述基部110。所以所述第一面111背向所述半导体激光器。

如图2所示，所述快轴准直透镜为沿第二方向延伸的长条状，即所述快轴准直透镜沿第二方向的尺寸大于沿第一方向的尺寸。具体的，在平行所述第一面111的平面内，所述快轴准直透镜的截面为沿第二方向X延伸的长方形，其中，所述第二方向X垂直于所述第一方向Y。

其中，所述基部110用以提供工艺操作平台，并在所述快轴准直透镜中起到支撑作用。本发明一些实施例中，所述基部110的材料可以为玻璃、有机玻璃等透明材料，具体的，在一些实施例中，所述基部110的厚度在0.1mm～1mm范围内。

所述第一快轴准直部120用以压缩光束在第一方向Y上的发散角。所述第一快轴准直部120的材料的折射率与所述基部110的材料的折射率不相等。本发明一些实施例中，所述第一快轴准直部120的材料为压印胶，如紫外固化胶或热固化胶等。

如前所述，一些种类的半导体激光器，例如边缘发射激光器，所形成光束垂直激光传播方向的截面形状并不是圆形，从而存在快轴方向和慢轴方向，所述快轴准直透镜用以压缩半导体激光器所形成的光束在快轴方向的发散角；因此，所述第一方向Y平行所述半导体激光器的快轴方向。

所以，所述快轴准直透镜设置为包括快轴准直部和基部在内的叠层结构，有效提高设置的灵活性，在突破光路设计限制、降低装配难度的同时，还能够获得更好的光束整形效果，从而达到改善激光雷达性能的目的。

本发明一些实施例中，所述快轴准直透镜适用于边缘发射半导体激光器(如图1所示)，所述边缘发射半导体激光器可以作为激光雷达光源以产生用以探测的激光。

如图4所示，所述快轴准直透镜200通过胶黏等方式固定于驱动电路板130上；所述半导体激光器140与所述快轴准直透镜200沿光路依次设置，且所述半导体激光器140设置于所述第一快轴准直部120的焦平面处，即所述半导体激光器140与所述第一快轴准直部120之间的距离等于第一快轴准直部120的焦距f。由于所述快轴准直透镜200为叠层结构，因此所述焦平面的位置会随着叠层结构中各层材料折射率的变化而变化，从而能够根据光路中所述半导体激光器140与所述快轴准直透镜200之间的距离需求选择合适的材料以使所述快轴准直透镜200的焦距满足需求。

具体的，所述半导体激光器140位于所述基部110远离所述第一快轴准直部120的一侧，即所述基部110位于所述半导体激光器140和所述第一快轴准直部120之间。所述半导体激光器140所产生的光束依次透射所述基部110和所述第一快轴准直部120。

所以本发明一些实施例中，所述第一快轴准直部120与所述第一面111相背设置的表面为凸面，以实现对光束在第一方向Y上发散角的压缩。具体的，所述第一快轴准直部120与所述第一面111相背设置的表面为柱面。本发明一些实施例中，所述第一快轴准直部120与所述第一面111相背设置的凸面的曲率半径在0.1mm～0.5mm范围内。本发明另一些实施例中，所述第一快轴准直部与所述第一面相背设置的凸面也可以是非球面。

需要说明的是，为了实现光束整形，使所述快轴准直透镜压缩半导体激光器所产生光束的快轴方向发散角，所述第一方向Y平行所述半导体激光器的快轴方向，因此所述快轴准直透镜延伸的第二方向X平行所述半导体激光器的慢轴方向。

与第一实施例的平凸结构不同，本发明另一些实施例中，所述快轴准直透镜也可以为双凸结构，以获得更好的准直效果。

如图5和图6所示，一些实施例中，所述快轴准直透镜的基部210的第一面211上具有第一快轴准直部220；所述基部210还具有与所述第一面211相背设置的第二面212，所述快轴准直透镜还包括：第二快轴准直部230，所述第二快轴准直部230位于所述第二面212上，所述第二快轴准直部230的折射率与所述基部210的折射率不同。

需要说明的是，图5是与图3所对应的剖面结构示意图；图6是与图4所对应的光路结构示意图。

所述第二快轴准直部230与所述第一快轴准直部220相配合以实现光束准直。由于任意光学透镜都存在球差、彗差、色差等多种像差，而通过基部的两个表面上的两个快轴准直部220和230实现准直，能够在一定程度上校正像差，从而达到提升准直效果的目的。

而且与平凸结构相比，双凸结构中的每一个快轴准直部的厚度可以更小，具体的，在准直效果相当的前提下，所述第一快轴准直部220和所述第二快轴准直部230中至少一个的厚度范围在0.02mm～0.1mm范围内。所述第一快轴准直部220背向所述基部210的表面和所述第二快轴准直部230背向所述基部210的表面中至少一个的曲率半径范围在0.1mm～0.3mm范围内。

还需要说明的是，所述第一面211和所述第二面212相背设置，所述第一面211背向半导体激光器240，因此所述第二面212朝向半导体激光器240。所以所述第二快轴准直部230、所述基部210和所述第一快轴准直部220沿光路依次设置。与所述第一快轴准直部220相比，所述第二快轴准直部230更靠近半导体激光器240，即光束从所述第二快轴准直部230入射所述快轴准直透镜。

如图5和图6所示，本发明一些实施例中，所述第二快轴准直部230背向所述基部210的表面为凸面，光束入射的所述第二快轴准直部230的凸面的曲率半径R1大于所述第一快轴准直部220的凸面的曲率半径R2，从而进一步提高改善像差的效果。具体的，一些实施例中，所述第二快轴准直部230的凸面的曲率半径R1在0.2mm～0.3mm范围内；所述第一快轴准直部220的凸面的曲率半径R2在0.1mm～0.2mm范围内。

另一些实施例中，所述快轴准直透镜也可以为凹凸结构，即所述快轴准直透镜整体呈现弯月形。具体的，参考图7，所述第二快轴准直部330背向所述基部310的表面为凹面，且所述第二快轴准直部330的折射率大于所述第一快轴准直部320的折射率。

凹凸结构的快轴准直透镜，等效于一个负透镜和一个正透镜的组合，在焦距不变的前提下，凹面与焦平面之间的距离更小，从而能够减小所述快轴准直透镜与半导体激光器之间的距离，甚至可以直接将所述快轴准直透镜与所述半导体激光器集成于同一衬底上；而且凹面与焦平面之间的距离更小，光束的发散程度越小，相应的准直效果也能进一步改善。

另一方面，弯月形的正负透镜组合，而且所述第二快轴准直部330的折射率大于所述第一快轴准直部320的折射率，从而能够相互补偿色差，以减小色差。

具体的，所述第一快轴准直部320为凸面，所述第一快轴准直部320的材料的折射率低，阿贝数大；所述第二快轴准直部330为凹面，而且所述第二快轴准直部330的材料的折射率较高，阿贝数小。

本发明一些实施例中，所述第一快轴准直部320背向所述基部310的表面为凸面。所述第一快轴准直部320的厚度在0.02mm～0.1mm范围。凸面的曲率半径在0.1mm～1mm范围内。所述第一快轴准直部320的材料可以为紫外固化压印胶。所述第一快轴准直部320的材料的折射率在1.5～1.55范围内。

所述第一快轴准直部320的材料的阿贝数大于50。

本发明一些实施例中，所述第二快轴准直部330背向所述基部310的表面为凹面。所述第二快轴准直部330的厚度在0.02mm～0.1mm范围。凹面的曲率半径在0.1mm～1mm范围内。所述第二快轴准直部330的材料可以为紫外固化压印胶。所述第一快轴准直部320的材料的折射率在1.55～1.6范围内。

所述第一快轴准直部320的材料的阿贝数小于50。

本发明一些实施例中，所述基部310的材料可以设置为玻璃，所述基部310的厚度在0.1mm～0.3mm范围内。

需要说明的是，本发明另一些实施例中，所述基部、所述第一快轴准直部以及所述第二快轴准直部中至少一个可以为叠层结构。

参考图9，示出了本发明用于半导体激光器的快轴准直透镜再一实施例的剖面结构示意图。其中图9是与图3所对应的剖面结构示意图。

本发明一些实施例中，所述基部410为叠层结构。如图9所示，所述基部包括支撑层411和至少一个光学功能层。具体的，所述基部410包括支撑层411和3个光学功能层。

需要说明的是，所述至少一个光学功能层的厚度可以是相同的，可以是不同的。本发明一些实施例中，可以基于所述快轴准直透镜的功能和效果选择合适的厚度。

本发明一些实施例中，所述光学功能层包括：调距层414、光阑层413和滤波层412中的至少一种。

其中，所述调距层414适宜于控制所述快轴准直透镜与半导体激光器之间的距离。本发明一些实施例中，所述调距层414的折射率大于1.7或小于1.5。具体的，所述快轴准直透镜与半导体激光器之间的距离过小，则所述快轴准直透镜可能与半导体激光器的有源区相接触，容易损坏半导体激光器；所述快轴准直透镜与半导体激光器之间的距离过大，则所述快轴准直透镜难以直接集成于半导体激光器的衬底上，容易造成集成度低下的问题。所以所述调距层414的折射率大于1.7，以减小所述快轴准直透镜与半导体激光器之间的距离；所述调距层414的折射率小于1.5，以增加所述快轴准直透镜与半导体激光器之间的距离。

所述光阑层413用以遮挡杂散光、限制入射光发散角。本发明一些实施例中，所述光阑层413包括：油墨层(图中未示出)和贯穿所述油墨层(图中未示出)的通光孔。具体的，可以在所述支撑层411的一侧压印油墨层，并在油墨层中开设贯穿厚度的通光孔以形成所述光阑层413。为了保证遮挡和限制作用，所述光阑层413的厚度在0.1mm～0.3mm范围内，即所述油墨层的厚度0.1mm～0.3mm范围内。

所述滤波层412用以使特定波长范围的光透射，滤除其他波长的光，以使所述快轴准直透镜具有滤光特性，进而抑制半导体激光器温漂引起的波长偏移。具体的，所述滤波层412的材料为滤光片材料。

需要说明的是，如图9所示，所述调距层414位于所述支撑层411朝向所述第一快轴准直部420的表面上；所述滤波层412和所述光阑层413依次位于所述支撑层411背向所述第一快轴准直部420的表面上。但是这种设置方式仅为一示例，所述至少一个光学功能层设置于所述支撑层411的表面上即可，本发明对所述至少一个光学功能层的具体位置并不限制。

还需要说明的是，所述支撑层411也可以是叠层结构。具体的，可以将所述第一快轴准直部和不同的光学功能层分别设置于不同的支撑层上，再将不同支撑层未设置光学功能层的表面用胶粘合以形成叠层结构的支撑层，进而得到所述快轴准直透镜。例如，在一个支撑层的一个表面上设置滤光层；在另一个支撑层的一个表面上设置第一快轴准直部；通过两个支撑层用胶粘合即可得到具有滤光特性的快轴准直透镜。

本发明另一些实施例中，所述第一快轴准直部也可以是叠层结构，也就是说，所述第一快轴准直部包括：多个准直层，多个准直层形成叠层结构，相邻准直层的折射率不同，即所述第一快轴准直部可以是多层，例如2层(如图10所示)或3层(如图11所示)，以实现多片透镜的效果。

任何光学透镜都会存在球差、彗差、色差等各种像差；而叠层结构的第一快轴准直部相当于多片透镜。较之于单片透镜，多片透镜能够在一定程度上校正像差，从而达到提升准直效果的作用。

本发明一些实施例中，任一所述准直层的材料的折射率在1.5～1.6范围内；任一所述准直层的厚度在0.02mm～0.05mm范围内；任一所述准直层的表面的曲率半径在0.1mm～0.3mm范围内。

具体的，如图10所示，所述第一快轴准直部520包括依次层叠于所述基部510的第一面511上的第一准直层521和第二准直层522；如图11所示，所述第一快轴准直部620包括依次层叠于所述基部610的第一面611上的第一准直层621、第二准直层622和第三准直层623。

需要说明的是，本发明一些实施例，叠层结构的所述第一快轴准直部也可以相当于凹凸透镜组。如图12所示，所述第一快轴准直部720包括：依次位于所述第一面711上的负准直层721和正准直层722，所述负准直层721朝向所述正准直层722的表面为凹面，所述正准直层722朝向所述负准直层721的表面以及背向所述负准直层721的表面均为凸面。

本发明一些实施例中，所述负准直层721的折射率大于所述正准直层722的折射率，以减小色差。具体的，所述正准直层722的材料的折射率较小，其材料的折射率在1.5～1.55范围；所述负准直层721的材料的折射率较大，其材料的折射率在1.55～1.6范围，色差相互补偿以减小色差。

需要说明的是，前述实施例中，所述快轴准直透镜中，所述基部的第一面上均只设置有一个所述第一快轴准直部。但是这个做法仅为一示例，本发明其他实施例中，所述基部的第一面上也可以设置有多个所述第一快轴准直部。

参考图13和图14，示出了本发明用于半导体激光器的快轴准直透镜又一个实施例的结构示意图。其中图13是所述快轴准直透镜实施例的立体结构示意图；图14是图13所示所述快轴准直透镜实施例中沿B1-B2线的剖面结构示意图。

所述快轴准直透镜中，所述第一快轴准直部820的数量为多个，多个所述第一快轴准直部820均位于所述基部810的第一面811上。如图13和图14所示，多个所述第一快轴准直部820沿第一方向Y排列，所述第一快轴准直部820沿第二方向X延伸，所述第二方向X垂直于所述第一方向Y。

具体的，多个第一快轴准直部820紧密排列，即相邻所述第一快轴准直部820相互接触。本发明另一些实施例中，所述第一快轴准直部间隔设置，即相邻第一快轴准直部之间具有间隙，相邻第一快轴准直部之间的间隙大小与激光器阵列中相邻半导体激光器之间的间隔相关。在一些实施例中，相邻第一快轴准直部之间的间隙在1mm～10mm范围内。

所述快轴准直透镜适用于同时压缩多个半导体激光器所产生的光束的发散角。具体的，所述多个半导体激光器呈阵列排布构成激光器阵列，其中所述激光器阵列以平行慢轴方向为行方向，所述激光器阵列以平行快轴方向为列方向。所述快轴准直透镜设置于第一方向Y平行所述激光器阵列列方向的位置以压缩半导体激光器的快轴方向发散角。

本发明另一些实施例中，如图15和图16所示，其中图16是图15中沿C方向的视图。多个所述第一快轴准直部920以所述第一方向Y为列方向、所述第二方向X为行方向呈阵列排布，所述第二方向X垂直于所述第一方向Y。沿所述第二方向X，相邻所述第一快轴准直部920之间具有间隔，以避免干扰。

需要说明的是，呈阵列排布的多个所述第一快轴准直部920沿第二方向X的尺寸大于沿第一方向Y的尺寸，以实现其压缩第一方向的发散角的作用。

还需要说明的是，所述基部的第一表面上设置有多个第一快轴准直部时，不同第一快轴准直部下方的基部相连，为一体结构，即多个所述第一快轴准直部均设置于同一基部上。

本发明还提供一种用于激光雷达的光发射系统。

参考图4，示出了本发明用于激光雷达的光发射系统一实施例的结构示意图。

所述光发射系统包括：半导体激光器140；快轴准直透镜200。

本发明一些实施例中，所述半导体激光器140所形成光束垂直激光传播方向的截面形状并不是圆形，从而存在快轴方向和慢轴方向，所述快轴准直透镜200用以压缩半导体激光器所形成的光束在快轴方向的发散角；因此，所述第一方向Y方向平行所述半导体激光器140的快轴方向。

需要说明的是，所述半导体激光器140和快轴准直透镜200之间的距离d与所述第一快轴准直部120和所述基部110的折射率相关。所述半导体激光器140设置于所述第一快轴准直部120的焦平面处，即所述半导体激光器140与所述第一快轴准直部120之间的距离等于第一快轴准直部120的焦距f。所述第一快轴准直部和所述基部的折射率与所述快轴准直透镜200的焦距f相关，因此所述半导体激光器140和快轴准直透镜200之间的距离d与所述第一快轴准直部120和所述基部110的折射率相关，即根据所述第一快轴准直部120和所述基部110的折射率，设置所述半导体激光器140和快轴准直透镜200之间的距离d。

所述光发射系统作为激光雷达的光源，所述快轴准直透镜通过压缩快轴方向发散角，使光束的快轴方向发散角和慢轴发散角相接近，实现对光束的整形，以获得圆形截面的光束，即在垂直激光传输方向平面内，使所出射光束的光斑为圆形，从而使光束的形状接近光路中透镜孔径的形状，以充分利用发射口径、避免口径浪费，有利于提高出光功率，有利于延长测量距离；而且，光学孔径的充分利用，对于相同出光功率，所形成光斑的面积更大，能够有效减小光束截面内的能量密度，有利于激光雷达安全性的提高；此外，激光雷达中，光斑的宽度与发散角的乘积为定值，所述快轴准直透镜压缩快轴方向发散角以获得圆形截面的光束时，平行快轴方向上，发散角更小、光斑宽度更大，相邻光束之间的距离更大，因此相邻通道的光斑更不易重叠，从而有利于提高激光雷达分辨率。

如图13和图14所示，本发明一些实施例中，多个所述第一快轴准直部820沿第一方向Y排列，所述第一快轴准直部820沿第二方向X延伸，所述第二方向X垂直于所述第一方向Y；多个所述半导体激光器840以所述第一方向Y为列方向、以所述第二方向X为行方向排布；每个所述第一快轴准直部820与一行所述半导体激光器840(即沿行方向排列的多个半导体激光器)相对应。

如图15和图16，本发明另一些实施例中，多个所述第一快轴准直部920以所述第一方向Y为列方向、所述第二方向X为行方向呈阵列排布，所述第二方向X垂直于所述第一方向Y；多个所述半导体激光器(图中未示出)以所述第一方向Y为列方向、以所述第二方向X为行方向排布；所述第一快轴准直部920和所述半导体激光器一一对应。

此外，本发明还提供一种用于半导体激光器的快轴准直透镜的形成方法。

所述形成方法包括：提供基部，所述基部具有第一面；进行压印步骤，以至少在所述基部的第一面上形成所述第一快轴准直部；所述压印步骤包括：在所述基部的表面形成压印材料层；利用母版对所述压印材料层进行压印处理。

提供基部，所述基部具有第一面。具体的，所述基部为切割后的基板，所以提供基部的步骤包括，提供基板，所述基板具有第一面。本发明一些实施例中，所述基板为玻璃基板。所述基板的厚度在0.1mm～1mm范围内。

结合参考图17，示出了所述压印步骤的具体过程。

所述压印步骤包括：

步骤S121A，制备母版1500。所述母版1500为纳米级精度的母版。所述母版1500的一个表面内具有与所述第一快轴准直部相对应的特征形状。本发明一些实施例中，所述母版1500的表面内的特征形状为非球面或球面的凹陷。所述凹陷的曲率半径一般为0.1mm～0.5mm范围内。

步骤S121，在所述基部的表面形成压印材料层1101。具体的，步骤S121包括：在所述基板1101的第一面形成压印材料层1201。本发明一些实施例中，所述压印材料层1201为压印胶。所述压印胶的厚度在0.2mm～0.5mm范围内。本发明一些实施例中，所述压印胶可以是紫外固化胶或者热固化胶。所述压印胶的折射率与所述基板的折射率相当，所述压印胶的折射率在1.4～1.9范围内。

步骤S122，利用母版1500对所述压印材料层1201进行压印处理。向母版1500施加压力，从而使所述母版1500一个表面内的特征形状转移至所述压印材料层以形成第一快轴准直部1202。

步骤S123，固化处理并脱模。基于所述压印胶的类型采用相对应的方式进行所述固化处理：当所述压印材料层1201为紫外固化胶时，采用紫外照射的方式进行所述固化处理；当所述压印材料层1201为热固化胶时，采用加热的方式进行所述固化处理。固化处理之后，移除所述母版1500，以获得第一面上具有多个第一快轴准直部的基板。

步骤S124，切割所述基板以获得所述快轴准直透镜。具体的，通过刀片或者激光切割所述基板1101以使不同第一快轴准直部1202下方的基部1102分开，进而获得单个快轴准直透镜。每个所述快轴准直透镜的基部1102为玻璃材料，第一快轴准直部1202为压印胶材料。

需要说明的是，本发明其他实施例中，所述形成方法还包括：多次进行所述压印步骤，每次压印步骤中，所形成压印材料的折射率不同。多次进行压印步骤以形成多个准直层，从而是所述第一快轴准直部具有叠层结构，以实现多片透镜的效果(如图10和图11所示)。

还需要说明的是，本发明一些实施例中，所述基部具有与所述第一面相背设置的第二面，进行压印步骤，形成位于所述基部的第一面上的第一快轴准直部和位于所述基部第二面上的第二快轴准直部。具体的，进行压印步骤的过程中，在所述基部的第一面上形成所述第一快轴准直部的同时，在所述基部的第二面上形成第二快轴准直部，也就是说，如图18所示，通过第一母版2501和第二母板2502同时对所述基板2101相背的两个表面上的压印材料层进行压印，形成位于所述基板2101一个表面上的第一快轴准直部2202和位于所述基板2101另一个表面上的第二快轴准直部2201。

综上，本发明技术方案中，所述第一快轴准直部的折射率与所述基部的折射率不同，因此可以根据具体光路设计选择合适的第一快轴准直部和所述基部的材料，从而能够有效提高设置的灵活性，突破快轴准直透镜对光路设计的限制，进而有利于装配难度的降低和准直效果的改善。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。