一种透镜及其采用该透镜的VCSEL发光器件的制作方法

一种透镜及其采用该透镜的vcsel发光器件
技术领域
1.本实用新型属于半导体发光技术领域，具体而言，涉及一种透镜及其采用该透镜的vcsel发光器件。


背景技术：

2.vcsel全名为垂直共振腔表面放射激光。相对于led、ld、dfb激光器等其他光源，vcsel光源有诸多优良的特性，包括：发光效率高、功耗极低，光束质量好，易于光纤耦合，超窄的线宽，极高的光束质量等。vcsel光源超窄的线宽可满足某些应用场景对较小光斑或者聚焦光斑的需求，但要实现理想的出光效果对vcsel发光芯片封装的精准度提出了更高的要求。现有的vcsel光源多采用制作成型的透镜和发光芯片进行对焦、封装，存在工艺复杂、制作成本高、结构不稳定且出光效果不好。
3.目前要解决的问题：提供一种封装结构、封装工艺简单，生产成本低，且出光效果好的透镜及其采用该透镜的vcsel发光器件。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种透镜及其采用该透镜的vcsel发光器件，旨在解决现有技术中，vcsel发光器件的结构复杂且不稳定，装配工艺复杂，制作成本高且出光效果不好。
5.本实用新型是这样实现的，一种透镜，包括光学界面，所述光学界面设置为凸曲面，所述凸曲面的曲率沿中心向两侧逐渐减小；
6.平行光平行所述光学界面的光轴照射所述光学界面，在所述光学界面的光轴上依次形成n个焦点，所述n≧2；
7.第一焦点至第n焦点分别由所述光学界面的中部至边缘依次在所述光轴上聚焦而成，所述第一焦点至所述第n焦点的焦距逐渐增大。
8.进一步的，n≧3，所述第一焦点至所述第n焦点的焦距的增量逐渐增大。
9.进一步的，n≧4，所述第一焦点至所述第n焦点的焦距的增量先增大后减小。
10.一种透镜，还包括与所述透镜紧密贴合的vcsel发光芯片，所述透镜包覆所述vcsel发光芯片，所述光学界面设置在所述vcsel发光芯片发光面的上方。
11.进一步的，所述vcsel发光芯片设置在所述第一焦点与所述第n焦点之间。
12.进一步的，所述vcsel发光芯片设置在所述第n焦点远离所述第一焦点的一侧。
13.进一步的，还包括引线支架，所述引线支架一部分设于所述透镜内部用于放置所述vcsel发光芯片，所述引线支架的另一部分延伸至所述透镜外部。
14.进一步的，所述vcsel发光芯片上阵列有光锥孔，所述光锥孔的数量小于10；所述vcsel发光芯片的波长为500-1100nm。
15.进一步的，所述引线支架上还设置有pd芯片，所述pd芯片与所述vcsel发光芯片共用电路或者所述pd芯片使用单独的电路。
16.进一步的，所述引线支架包括至少2个延伸至所述透镜外部的连接端，所述连接端包括长端和短端。
17.与现有技术相比，本实用新型提供的透镜及其采用该透镜的vcsel发光器件具有如下有益效果：
18.一、本实用新型的透镜的光学界面设置为曲率沿中心向两侧逐渐减小的凸曲面，且平行光平行光学界面的光轴照射光学界面，会在透镜内、光轴上自近由远依次形成n个焦点。第一焦点至第n焦点形成的整个焦区设置在透镜内部，根据需要将发光芯片对应放置在焦区的不同位置可实现平行光、会聚光和发散光不同的发光效果。通过光学界面面形的设置及vcsel发光芯片位置的设置，可分别形成不同的出射光，总体呈现光斑微小且光强集中，出光效果好，满足应用场景需要。本透镜与发光芯片配合使用时，本透镜可通过模具注塑成型并将发光芯片完全包覆在其内部预设位置，制作、封装工艺简单，结构稳定，对焦精准度高，且生产成本低。
19.二、采用本实用新型透镜的vcsel发光器件，透镜包覆vcsel发光芯片。制作工艺：先将vcsel发光芯片先定位在透镜模具内，再进行注塑成型。制作方法简单、精准度高；且整体结构稳定。vcsel发光芯片设置在第一焦点与第n焦点之间，会形成近似平行出射光。vcsel发光芯片设置在第n焦点远离第一焦点的一侧，会形成会聚光。上述vcsel发光芯片位置的设置，光斑微小且光强集中，出光效果能满足应用场景需要。
20.三、还设置有引线支架，引线支架一部分设于透镜内部用于放置vcsel发光芯片，另一部分延伸至透镜外部的连接端。连接端包括长端和短端，便于识别正负极。该引线支架结构合理、简单，集容纳、支撑、插接于一体。
附图说明
21.图1是本实用新型提供的透镜的剖面结构示意图及光路图；
22.图2是本实用新型提供的透镜的局部i放大图；
23.图3是本实用新型提供的光学界面的剖面结构示意图；
24.图4是本实用新型提供的实施例3的vcsel发光器件的剖面结构示意图及光路图；
25.图5是本实用新型提供的实施例4的vcsel发光器件的剖面结构示意图及光路图；
26.图6是本实用新型提供的vcsel发光芯片、pd芯片、引线支架及金线组合的俯视图；
27.图中：11-光学界面；12-连接面；2-vcsel发光芯片；3-引线支架；31-第一引线支架；311-梯形槽；32-第二引线支架；33-连接端；4-pd芯片；5-金线；p1-第一焦点；p2-第二焦点；p3-第三焦点；p4-第四焦点；pn-第n焦点；m1-第一曲面；m2-第二曲面；m3-第三曲面；m4-第四曲面；mn-第n曲面；x-光轴。
具体实施方式
28.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
29.以下结合具体实施例对本实用新型的实现进行详细的描述。
30.本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描
述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
31.参照图1-3所示，为本实用新型提供的较佳实施例。
32.透镜包括上表面和下表面，参照图1，上表面为光学界面11，下表面为连接面12。光学界面11优选为凸曲面，凸曲面的曲率沿中心向两侧逐渐减小。连接面12优选为易于连接的平面。平行光平行光学界面11的光轴x照射光学界面11，经光学界面11的折射，平行光在光学界面11和连接面12之间、光轴x上依次形成n个焦点，n≧2，即焦点的个数至少2个。
33.参照图2-3，第一焦点p1、第二焦点p2、第三焦点p3、第四焦点p4、第n焦点pn分别由平行光照射光学界面11的中部曲面m1、两侧曲面m2、m3、m4、mn依次在光轴x上聚焦而成。其中，第一曲面m1、第二曲面m2、第三曲面m3、第四曲面m4、第n曲面mn沿光学界面11中部向两侧依次顺序连接。第一焦点p1、第二焦点p2、第三焦点p3、第四焦点p4，至第n焦点pn的焦距逐渐增大，即第一焦点p1至第n焦点逐渐远离光学界面11。具体来说，第一焦点p1、第二焦点p2、第三焦点p3、第四焦点p4、第n焦点pn的焦距分别为l1、l2、l3、l4、ln，满足l1《l2《l3《l4《ln。第n焦点pn泛指焦距最大的焦点，即距离光学界面11最远的焦点，n≧2。
34.第一焦点p1至第n焦点pn形成在透镜内部，根据需要将发光芯片对应放置在第一焦点p1远离第n焦点pn的一侧、第一焦点p1与第n焦点pn之间、以及第n焦点pn远离第一焦点p1的一侧，可实现发散光、近似平行光和发散光不同的效果。通过光学界面11面形的设置及vcsel发光芯片位置的设置，可分别形成不同的出射光，总体呈现光斑微小且光强集中，出光效果好，满足应用场景需要。本透镜可通过模具注塑成型并将发光芯片完全包覆在其内部预设位置，制作、封装工艺简单，结构稳定，对焦精准度高，且生产成本低。
35.实施例1，第一焦点p1至第n焦点pn的焦距的增量逐渐增大。第一焦点p1至第n焦点pn的焦距的增量
∆
1、
∆
2、
∆
3、
∆
n-1分别为
∆
1=l2-l1、
∆
2=l3-l2、
∆
3=l4-l3、
∆
n-1=ln-ln-1，满足
∆
1《
∆
2《
∆
3《
∆
n-1，n≧2。
36.实施例2，第一焦点p1至第n焦点pn的焦距的增量先增大后减小，n≧4。
37.vcsel发光器件包括本实用新型所述的任意一种透镜，还包括与透镜紧密贴合的vcsel发光芯片2，透镜包覆vcsel发光芯片2，光学界面11设置在vcsel发光芯片2发光面的上方。连接面12设置在背离vcsel发光芯片2发光面的一侧。制作工艺：先将vcsel发光芯片先定位在透镜模具内，再进行注塑成型。制作方法简单、精准度高；且整体结构稳定。vcsel发光芯片设置在第一焦点与第n焦点之间，会形成近似平行出射光。vcsel发光芯片设置在第n焦点远离第一焦点的一侧，会形成会聚光。上述vcsel发光芯片位置的设置，光斑微小且光强集中，出光效果能满足应用场景需要。
38.实施方式3:vcsel发光芯片2设置在第一焦点p1与第n焦点pn之间，参照图4。此时第一焦点p1至第n焦点pn的焦距增量优选满足
∆
1《
∆
2《
∆
3《
∆
n-1，n≧2。经光学界面11折射后出射光为近似的平行出射光。
39.实施方式4：vcsel发光芯片2设置在第n焦点pn远离第一焦点p1的一侧，且比较靠近第n焦点pn，参照图5。此时第一焦点p1至第n焦点pn的焦距增量
∆
1、
∆
2、
∆
3、
∆
n-1优选
满足先增大后减小。经光学界面11折射后出射光为会聚光。
40.实施方式5：vcsel发光器件还包括用于支撑、容纳功能芯片及电连接的引线支架3。引线支架3一部分设于透镜内部用于放置vcsel发光芯片2，引线支架3的另一部分延伸至透镜外部用于电连接。进一步的，参照图6，引线支架3上还设置有用于检测透镜是否脱落的pd芯片4，pd芯片4与vcsel发光芯片2共用电路，亦可pd芯片4使用单独的电路。vcsel发光芯片2上阵列有光锥孔，光锥孔的数量优选小于10。vcsel发光芯片2的波长优选为500-1100nm。
41.透镜内还包覆有用于电连接vcsel发光芯片2与引线支架3、pd芯片与引线支架3的金线5。引线支架3包括至少2个延伸至透镜外部的便于插接的连接端33。为了方便识别连接端33的正负极，连接端33包括长端和短端。进一步的，引线支架3包括间隔设置的第一引线支架31、第二引线支架32，第一引线支架31、第二引线支架32的截面呈倒置的l形。第一引线支架31上设置有容纳vcsel发光芯片2的梯形槽311。第一引线支架31、第二引线支架32均至少包括1个连接端33。
42.不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种透镜，其特征在于，包括光学界面（11），所述光学界面（11）设置为凸曲面，所述凸曲面的曲率沿中心向两侧逐渐减小；平行光平行所述光学界面（11）的光轴（x）照射所述光学界面（11），在所述光学界面（11）的光轴（x）上依次形成n个焦点，所述n≧2；第一焦点（p1）至第n焦点（pn）分别由所述光学界面（11）的中部至边缘依次在所述光轴（x）上聚焦而成，所述第一焦点（p1）至所述第n焦点（pn）的焦距逐渐增大。2.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，n≧3，所述第一焦点（p1）至所述第n焦点（pn）的焦距的增量逐渐增大。3.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，n≧4，所述第一焦点（p1）至所述第n焦点（pn）的焦距的增量先增大后减小。4.一种vcsel发光器件，其特征在于，包括权利要求1-3中任意一种透镜，还包括与所述透镜紧密贴合的vcsel发光芯片（2），所述透镜包覆所述vcsel发光芯片（2），所述光学界面（11）设置在所述vcsel发光芯片（2）发光面的上方。5.如权利要求4所述的vcsel发光器件，其特征在于，所述vcsel发光芯片（2）设置在所述第一焦点（p1）与所述第n焦点（pn）之间。6.如权利要求4所述的vcsel发光器件，其特征在于，所述vcsel发光芯片（2）设置在所述第n焦点（pn）远离所述第一焦点（p1）的一侧。7.如权利要求4所述的vcsel发光器件，其特征在于，还包括引线支架（3），所述引线支架（3）一部分设于所述透镜内部用于放置所述vcsel发光芯片（2），所述引线支架（3）的另一部分延伸至所述透镜外部。8.如权利要求4所述的vcsel发光器件，其特征在于，所述vcsel发光芯片（2）上阵列有光锥孔，所述光锥孔的数量小于10；所述vcsel发光芯片（2）的波长为500-1100nm。9.如权利要求7所述的vcsel发光器件，其特征在于，所述引线支架（3）上还设置有pd芯片（4），所述pd芯片（4）与所述vcsel发光芯片（2）共用电路或者所述pd芯片（4）使用单独的电路。10.如权利要求7所述的vcsel发光器件，其特征在于，所述引线支架（3）包括至少2个延伸至所述透镜外部的连接端（33），所述连接端（33）包括长端和短端。

技术总结
本实用新型涉及半导体发光技术领域，公开了一种透镜及其采用该透镜的VCSEL发光器件，包括光学界面，光学界面设置为凸曲面，凸曲面的曲率沿中心向两侧逐渐减小。平行光平行光学界面的光轴照射光学界面，在光学界面的光轴上依次形成N个焦点，N≧2。第一焦点至第N焦点分别由光学界面的中部至边缘依次在光轴上聚焦而成，第一焦点至第N焦点的焦距逐渐增大。本实用新型透镜通过模具注塑成型并将VCSEL发光芯片包覆在其内部，制作、封装工艺简单，结构稳定，对焦精准度高，且生产成本低。通过光学界面面形的设置及VCSEL发光芯片位置的设置，可分别形成不同的出射光，出光效果好，满足应用场景的需要。引线支架结构合理、简单，集容纳、支撑、插接于一体。插接于一体。插接于一体。


技术研发人员：黄伟 曹宇星 汪洋 李向阳
受保护的技术使用者：深圳循光科技有限公司
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/12