半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102914872 A(43)申请公布日 2013.02.06CN102914872A*CN102914872A*(21)申请号 201210472452.0(22)申请日 2012.11.20G02B 27/09(2006.01)G02B 27/30(2006.01)G02B 3/06(2006.01)(71)申请人中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所地址 215000 江苏省苏州市工业园区独墅湖高校区若水路398号(72)发明人李敏 吴东岷(74)专利代理机构北京华夏博通专利事务所(普通合伙) 11264代理人孙东风 王锋(54) 发明名称半导体激光器椭圆光斑的。

2、整形和准直装置(57) 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。(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书8页 附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 2 页1/2页21. 一 种 半 导。

3、 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 ：式中， zy是光束截面为 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，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。2. 根 据 权 利 。

4、要 求 1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。

5、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， 1x和 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， x是慢轴方向光束发散角。3. 根 据 权 利 要 求 1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 。

6、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。

7、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。

8、 个 透 镜 的 第 一 个 面 的 焦 点 重 合 位 置 选 定 在 第 一 个权 利 要 求 书CN 102914872 A2/2页3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。

9、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 。

10、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。权 利 要 求 书CN 102914872 A1/8页4半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置技术领域0001 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。

11、 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0002 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。0003 半 导 体 激 。

12、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 。0004 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 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。

13、， 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。

14、 大， 一 般 情 况 下，快轴 （ 垂直 PN结 ） 方向发散全角在 1540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。0005 对 半 导 体 激 光 器 光 束 整 形 的 专 利 已 经 有 多 个， 比 如 CN200956493Y、。

15、 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0006 本 发 明 的 目 的 在 于 针 对 现 有 技 术 中 的 不 足， 提 供 一 种 半 。

16、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。0007 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 的说 明 书CN 102914872 A2/8页5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， zy是光束截面为 。

17、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，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。0008 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。

18、 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， 1x和 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， x是慢轴方向光束发散角。0009 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。

19、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。0010 进 一 步 的， 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。0011 作 为 较 佳 的 实 施 方 案 之 一， 所 述 半 导 体 激 光。

20、 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。

21、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 的说 明 书CN 102914872 A3/8页6扩束系统。0012 作 为 较 佳 的 实 施 。

22、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。

23、 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。0013 与 现 有 技 术 相 比， 本 发 明 的 优 点 至 少 在 于 ：所 采 用 的 光 学 元 件 少， 且 尺 寸 小， 同 时还。

24、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。附图说明0014 图 1是本发明的半导体激光器椭圆光斑的整形和准直装置工作原理示意图 ；图 2是本发明实施例 1中所涉及透镜的剖面图 ；图 3是本发明实施例 2中所涉及透镜的剖面图 ；图 4是本发明实施例 3中所涉及透镜的剖面图。具体实施方式0015 鉴 于 半 导 体 激 光 器 输 出 光 斑 的 不 对 称 性， 本 发 明 提 供 了 一 种 半 导 体 激 光 器 椭 圆 光斑的整形和准直装置， 简要的讲， 参阅图 1， 本发明分别对快轴 y和慢轴 x方向传播的光束进行 了 处 理， 而 其 采 用。

25、 的 透 镜 是 非 旋 转 对 称 的， 并 且， 所 述 透 镜 至 少 具 有 第 一 面 lens1和 第 二面 lens2， 其中第一面 lens1（ 视同包括面 lens1x 和面 lens1y） 实现快轴方向的准直， 第二面 lens2（ 视同包括面 lens2x 和面 lens2y） 实现慢轴的扩束和准直。0016 进 一 步 的 讲， 前 述 第 一 面 lens1可 以 为 光 束 传 播 过 程 中 遇 到 的 第 一 个 透 镜 的 第 一个 玻璃面 （ 即， 透镜面， 以下均简称为 “面 ”） ， 第二面 lens2可以是光束传播过程中遇到的第一 个 透 镜 的 第 。

26、二 个 玻 璃 面， 也 可 以 是 第 一 个 透 镜 的 第 二 个 玻 璃 面 与 紧 跟 其 后 的 一 个 或 者 多个透镜的玻璃面的组合面。0017 作为本发明的一个实施方案， 参阅图 2， 其涉及的半导体激光器椭圆光斑的整形和准 直 装 置 系 采 用 两 个 不 规 则 透 镜 的 四 个 面 实 现 半 导 体 激 光 器 的 准 直 和 整 形， 四 个 面 的 编 号依次为 11、 12、 13、 14。 第一个透镜的第一个面 11采用旋转非球面实现快轴和慢轴方向光束的 准 直， 第 一 个 透 镜 的 面 12和 第 二 个 透 镜 的 面 21都 采 用 柱 面， 两。

27、 者 成 一 个 扩 束 系 统， 且 两者 焦 点 重 合 位 置 在 面 12的 左 边 靠 近 光 源 的 位 置， 实 现 慢 轴 光 束 的 扩 束， 扩 束 后 的 慢 轴 方 向光 束 直 径 要 有 准 直 后 的 快 轴 方 向 光 束 直 径 相 等， 第 二 个 透 镜 的 面 22是 在 快 轴 和 慢 轴 方 向都是平面， 从面 22上出射的光束为准直整形的圆形光斑。0018 更为具体的讲 ：说 明 书CN 102914872 A4/8页7前述两个透镜， 采用相同的玻璃材料， 比如 BK7、 H-K9L或其他品牌的玻璃材料， 且要求在激光器输出波长范围内具有很高的透过。

28、率 ；前 述 第 一 个 透 镜 的 第 一 个 面 11（ 包 括 在 慢 轴 和 快 轴 方 向 上 的 面 11x 和 面 11y） 采 用 旋转 对 称 的 非 球 面， 目 的 是 实 现 激 光 器 慢 轴 和 快 轴 方 向 的 准 直， 其 中 快 轴 方 向 准 直 后 的 光 束直径等于 MEMS振镜的尺寸， 慢轴方向准直后的光斑直径远小于 MEMS振镜的尺寸。 面 11上出射的是准直的椭圆光斑。0019 前述第一个透镜的第二个面 12采用非旋转对称的柱面， 其中面 12在慢轴方向 12x是非球面， 在快轴方向 12y 是平面， 目的是实现激光器慢轴方向光束的扩束。0020。

29、 前 述 第 二 个 透 镜 的 第 一 个 13采 用 与 第 一 个 透 镜 的 第 二 个 面 12类 似 的 面 形 结 构，其 中 面 13在 慢 轴 方 向 13x 是 非 球 面， 在 快 轴 方 向 13y 是 平 面， 目 的 是 实 现 激 光 器 慢 轴 方 向光束准直。0021 通 过 合 适 的 选 择 第 一 个 透 镜 的 面 12和 第 一 个 透 镜 的 面 13之 间 的 距 离， 可 以 使 慢轴方向在第二透镜的面 21的光束直径与准直后的快轴方向光束直径相同。0022 前 述 透 镜 的 第 二 个 面 14在 快 轴 和 慢 轴 两 个 方 向 都 是。

30、 平 面 （ 即， 包 括 在 慢 轴 和 快 轴方向上的面 14x 和面 14y） ， 光束经过面 14后不改变方向， 以圆形准直光束出射。0023 作为本发明的另一个实施方案， 参阅图 3， 其涉及的半导体激光器椭圆光斑的整形和 准 直 装 置 系 采 用 单 个 不 规 则 透 镜 实 现 椭 圆 光 斑 的 准 直 和 整 形。 透 镜 的 第 一 个 面 21仅 实现快轴光束准直， 第二个面 22仅实现慢轴光束准直。 合适选择透镜的厚度， 即合适面 21和面 22的距离， 使准直后的快轴和慢轴方向光束直径相等。0024 具 体 而 言， 前 述 透 镜 的 21面 在 快 轴 方 向。

31、 是 非 球 面 21y， 在 慢 轴 方 向 是 平 面 21x ；透镜的 22面在快轴方向是平面 22y， 在慢轴方向是非球面 22x。 也就是说， 面 21和面 22是互相垂直的两个柱面， 只能实现快轴或慢轴一个方向光束的准直。0025 作为本发明的又一个实施方案， 参阅图 4， 其涉及的半导体激光器椭圆光斑的整形和 准 直 装 置 系 采 用 三 个 平 凸 结 构 的 透 镜 实 现 椭 圆 光 斑 的 准 直 和 整 形， 三 个 透 镜 两 个 面 的 编号依次为 31、 32、 33、 34、 35和 36。 其中， 第一个透镜的第一个面 31与前述第一个实施方案中第一个透镜的。

32、第一个面 11相同， 仍然采用旋转对称非球面， 第二透镜的第二个面 34和第三 个 透 镜 的 第 一 个 面 35采 用 柱 面 非 球 面， 两 者 组 成 一 个 扩 束 系 统， 且 两 个 面 的 焦 点 位 置 重合 在 两 者 之 间 的 位 置， 实 现 对 慢 轴 方 向 光 束 的 扩 束， 因 此， 面 34和 面 35的 旋 转 对 称 轴 平 行于 快 轴 方 向。 合 适 地 选 择 三 个 透 镜 的 厚 度 和 间 距， 使 准 直 后 的 快 轴 和 慢 轴 方 向 光 束 直 径 相等。0026 进一步的讲 ：第 一 个 透 镜 的 第 一 个 透 镜 面 。

33、31（ 以 下 简 称 面 31） 采 用 旋 转 对 称 的 非 球 面 （ 包 括 在 慢 轴和快轴方向上的面 31x和面 31y） ， 即面 31同时实现快轴和慢轴方向光束的准直， 从面 31上出射的光束仍然为椭圆光斑。0027 第 二 个 透 镜 的 第 二 个 面 34（ 包 括 在 慢 轴 和 快 轴 方 向 上 的 面 34x 和 面 34y） 和 第 三个透镜的第一个面 35（ 包括在慢轴和快轴方向上的面 35x 和面 35y） 都采用柱面， 且柱面的旋 转 对 称 轴 平 行 于 快 轴 方 向， 因 此 面 34和 面 35组 成 的 扩 束 系 统 只 能 实 现 慢 轴。

34、 方 向 光 束 的扩 束， 对 快 轴 方 向 没 有 影 响。 面 34和 面 35的 焦 点 在 两 者 之 间 位 置 重 合， 因 此 经 过 面 31准直 的 慢 轴 方 向 光 束 经 过 面 34后 先 会 聚， 然 后 再 发 散 后 到 达 面 35上， 合 适 地 选 择 面 34和 面说 明 书CN 102914872 A5/8页835之间的距离， 可以使入射到面 35上的光束直径等于准直后的快轴方向光束的直径， 经过面 35准直后， 得到准直的圆形光斑。0028 其余面 32（ 包括在慢轴和快轴方向上的面 32x 和面 32y） 、 面 33（ 包括在慢轴和快轴方向上。

35、的面 33x 和面 33y） 和面 36均为平面， 不改变光束的传播方向。0029 以 下 结 合 若 干 实 施 例 对 本 发 明 的 技 术 方 案 作 进 一 步 的 说 明。 需 要 指 出 的 是， 在 以下 的 实 施 例 系 以 BK7等 玻 璃 材 质 的 透 镜 以 及 450nm 半 导 体 激 光 器 为 例 来 说 明 本 发 明 的 具体 实 施 过 程， 而 其 最 终 目 标 是 使 准 直 后 的 圆 形 光 斑 直 径 等 于 MEMS振 镜 尺 寸 的 圆 形 光 束， 该MEMS振镜的尺寸参考美国 Microvision MEMS振镜微投影仪中的尺寸， 。

36、即 MEMS振镜的直径约 1mm。 也就是说， 450nm半导体激光器激光发射的光束经本发明的半导体激光器椭圆光斑的 整 形 和 准 直 装 置 处 理 后， 所 获 圆 形 平 行 光 束 的 直 径 约 等 于 1mm。 其 中， 450nm半 导 体 激 光器在快轴方向半发散角取 12.50， 慢轴半发散角取 50。0030 实施例 1 本实施例系采用以上第一种实施方案及图 2所示的透镜而实现。0031 因 MEMS振 镜 直 径 为 1mm， 因 此， 快 轴 方 向 经 过 面 11y准 直 后 的 光 束 截 面 半 径 11y为 0.5mm。 为了能够使用 Zemax进行面 11。

37、的非球面面形进行模拟， 根据近轴光学传播规律，首先即确定面 11的曲率半径及束腰到面顶点的距离， 具体计算过程如下 ：式中， 是激光的光束截面半径， 其下标数字 （ 比如 “11”） 代表面的编号， 下标 “x(y)”代表的是慢轴 （ 快轴 ） 方向， 即 11y是面 11上快轴方向光束截面半径大小。 0是激光光束的束腰半径， z 是光束截面为 11y对应的传播距离， zr是瑞利长度， z、 zr两者的下标 “x(y)”代表的慢轴 （ 快轴 ） 方向对于物理量的大小， 是波长， r 是面的曲率半径， 下标数字与前面所 述 含 义 相 同， d0是 激 光 发 光 点 到 激 光 传 播 路 径。

38、 上 遇 到 第 一 个 玻 璃 镜 面 顶 点 的 距 离， n0是空 气 折 射 率， n 是 玻 璃 材 料 折 射 率， 是 激 光 的 半 发 散 角， 下 标 “x(y)”与 前 面 所 述 含 义 相同。 本 实 施 例 中 11y=0.5mm， y=12.50， n0=1， n=1.5， 计 算 得 到 zy=2.255mm， r11=0.715mm，d0=2.145mm。0032 经过面 11准直后， 慢轴光束在面 11x上的光束截面半径为 ：说 明 书CN 102914872 A6/8页9将相关参数代入， 计算得到 11x=0.197mm。0033 其 次， 确 定 面 1。

39、2和 面 13的 曲 率 半 径 及 两 个 面 之 间 的 距 离。 根 据 近 轴 光 学 计 算 得到 ：式中， d 是面 12和面 13的轴上距离。若 d=5mm， 计算得到 r12x=1.625mm， r13x=4.125mm。0034 将 d0、 d、 r11、 r12x、 r13x作为初始参数输入 Zemax中， 采用 afocal image space模式， 采用 angle radius作为评价函数， 将玻璃镜面的曲率半径 radius和圆锥系数 conic设置为变量， 分别对 x和 y方向进行优化， 优化得到第一个透镜和第二个透镜四个表面的面形参数为 ：采用 POP分析优。

40、化结果， 准直后的光束发散角及光束半径 （1/e2） 如下 ：实施例 2 本实施例系采用以上第二种实施方案及图 3所示的透镜而实现。0035 在 本 实 施 例 中， 快 轴 方 向 面 21y 的 曲 率 半 径 计 算 方 法 与 实 施 例 1相 同， 即r21y=r11y=0.715mm， d0=2.145mm， 慢轴方向面 21x 是平面。 慢轴方向光束准直通过面 22x 来实现。透镜厚度及面 22x 的曲率半径确定的计算公式如下 ：说 明 书CN 102914872 A7/8页10在 本 实 施 例 中， 11x=0.197mm， 12x=0.5mm， x=50， n0=1， n=。

41、1.5， 计 算 得 到dglass=5.206mm， r22x=2.864mm。0036 将上述参数 d0、 dglass、 r21y、r22x作为初始参数， 具体优化过程与实施例 1类似， 得到该透镜的两个表面的面形参数如下 ：采用 POP分析优化结果， 准直后的光束发散角及光束半径 （1/e2） 如下 ：实施例 3 本实施例系采用以上第三种实施方案及图 4所示的透镜而实现。0037 在 本 实 施 例 中， 第 一 个 透 镜 的 第 一 个 面 31与 实 施 例 一 中 第 一 个 透 镜 的 第 一 个 面11相 同， 即 r31=r11=0.715mm， d0=2.145mm。 慢 轴 方 向 第 二 个 透 镜 的 第 二 个 面 34和 第 三 个 透镜的第一个面 35之间的距离计算公式如下 ：式 中， d34-35为 面 34和 面 35之 间 焦 点 重 合 位 置 距 面 34的 距 离。 第 一 个 透 镜 的 厚 度d1=5mm， 第二个透镜厚度 d1=3mm， 第一个透镜和第二个透镜之间距离为 d32-33=2mm。 具体优化过程与实施例 1类似， 得到的三个透镜面的参数如下 ：采用 POP分析优化结果， 准直后的光束发散角及光束半径 （1/e2） 如下 ：说 明 书CN 102914872 A10。