一种光学元件及VCSEL器件的制作方法

本实用新型涉及光电技术领域，特别是涉及一种光学元件及vcsel器件。

背景技术：

近年来，随着科技的发展，垂直腔面发射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser，简称vcsel)及其阵列作为一种新型半导体激光器，越来越在领域内外受到重视，它是光子学器件在集成化方面的重大突破。面发射激光器具有在片检测、易于制备二维阵列、成本低等优点，在高速光互连、城际光通讯、3d识别、光学传感等方面有着广阔的应用前景。

目前，vcsel芯片采用工程扩束器(diffuser)进行扩束，该工程扩束器是在平板石英玻璃的表面粘接一高分子层，利用微折射技术(包含折射和衍射)进行光线扩散，且该工程扩束器放置在与基板相连的holder上，采用uv胶粘接，但同时与所述holder粘接面积小，极易掉落，除此之外，上述高分子层容易高温熔融及脱落或者胶水浸润及污染物填充导致失效，令极强能量的激光光束直接照射出去，使用时存在人眼被未经散射的激光直接照射的安全隐患。

因此，如何避免在使用者不知情的情况下激光直射人眼造成意外伤害，是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种光学元件及vcsel器件，以解决现有技术中控光模块脱落从而使激光对人眼造成伤害的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种光学元件，包括主透镜、连接板及半导体元器件；

所述连接板用于将所述光学元件固定连接在外部元件的基板上，且与所述主透镜固定连接；

所述半导体元器件通过所述连接板与外部电路连接，用于监测所述主透镜是否发生缺损或脱落；

所述主透镜的底面包括凹槽，所述凹槽的表面为第一光学界面，所述主透镜的上表面为第二光学界面，所述第一光学界面及所述第二光学界面为自由曲面；

所述连接板具有通孔，所述凹槽、所述通孔及所述基板围成光源空腔；

所述光源空腔包括芯片放置区与光传播区；

所述vcsel芯片设置于所述芯片放置区中，所述vcsel芯片的出射光经过所述光传播区由所述第一光学界面进入所述主透镜，再通过所述第二光学界面射出所述主透镜，完成光线控制。

可选地，在所述的光学元件中，所述半导体元器件为光敏二极管。

可选地，在所述的光学元件中，所述半导体元器件设置于所述连接板与所述主透镜之间。

可选地，在所述的光学元件中，所述连接板具有通孔，所述主透镜的延伸部穿过所述通孔，并在所述通孔的另一侧形成扩展部，所述扩展部不能通过所述通孔。

可选地，在所述的光学元件中，所述连接板为金属料片或多层线路板。

可选地，在所述的光学元件中，所述主透镜包括硅胶透镜、透明树脂透镜或模造玻璃透镜。

可选地，在所述的光学元件中，所述硅胶透镜、所述透明树脂透镜及所述模造玻璃透镜均为模具模压或者注塑成型的透镜，且折射率大于1.4。

可选地，在所述的光学元件中，所述连接板包括外露于透镜底部的连接焊盘，所述光学元件通过所述连接焊盘焊接于所述基板上。

本实用新型还提供了一种vcsel器件，所述vcsel器件包括如上述任一种所述的光学元件。

可选地，在所述的光学元件中，所述vcsel器件包括基板，所述基板在预设位置设置有定位焊盘，所述定位焊盘用于所述光学元件固定连接，使所述光学元件的光轴与所述vcsel芯片的光轴重合。

本实用新型所提供的包括主透镜、连接板及半导体元器件；所述连接板用于将所述光学元件固定连接在外部元件的基板上，且与所述主透镜固定连接；所述半导体元器件通过所述连接板与外部电路连接，用于监测所述主透镜是否发生缺损或脱落；所述主透镜的底面包括凹槽，所述凹槽的表面为第一光学界面，所述主透镜的上表面为第二光学界面，所述第一光学界面及所述第二光学界面为自由曲面；所述连接板具有通孔，所述凹槽、所述通孔及所述基板围成光源空腔；所述光源空腔包括芯片放置区与光传播区；所述vcsel芯片设置于所述芯片放置区中，所述vcsel芯片的出射光经过所述光传播区由所述第一光学界面进入所述主透镜，再通过所述第二光学界面射出所述主透镜，完成光线控制。本实用新型中通过焊接将所述光学元件固定在所述基板上，解决了现有技术中工程扩束器(相当于本实用新型中的光学元件)易脱落的问题，并且通过所述半导体元器件实现了对所述主透镜的工作状态的监控，一旦所述主透镜发生缺损或脱落，导致所述光学元件不能完成正常的光线控制，所述半导体元器件就能向外部电路发送信号，警告使用者仪器故障需要修理，避免了使用者在不知情时使用激光发射器造成眼部灼伤等意外事故；同时，本实用新型通过作为自由曲面的所述第一光学界面及所述第二光学界面调节所述出射光射入及射出所述主透镜的方向，进而达到改变光线分布的目的，舍弃了现有技术中的平板玻璃与高分子层，简化了结构，提高了元件的工作可靠性，同时还起到了简化制作工艺的效果。本实用新型同时还提供了一种具有上述有益效果的vcsel器件。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的光学元件的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本实用新型提供的光学元件的另一种具体实施方式的结构爆炸示意图；

图3为本实用新型提供的光学元件的又一种具体实施方式的俯视结构示意图；

图4为本实用新型提供的光学元件的还一种具体实施方式的截面图；

图5为本实用新型提供的光学元件的所述主透镜与所述连接板之间的局部结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。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。

本实用新型的核心是提供一种光学元件，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括主透镜110、连接板120及半导体元器件130；

所述连接板120用于将所述光学元件固定连接在外部元件的基板上，且与所述主透镜110固定连接；

所述半导体元器件130通过所述连接板120与外部电路连接，用于监测所述主透镜110是否发生缺损或脱落；

所述主透镜110的底面包括凹槽111，所述凹槽111的表面为第一光学界面101，所述主透镜110的上表面为第二光学界面102，所述第一光学界面101及所述第二光学界面102为自由曲面；

所述连接板120具有通孔121，所述凹槽111、所述通孔121及所述基板围成光源空腔；

所述光源空腔包括芯片放置区与光传播区；

所述vcsel芯片设置于所述芯片放置区中，所述vcsel芯片的出射光经过所述光传播区由所述第一光学界面101进入所述主透镜110，再通过所述第二光学界面102射出所述主透镜110，完成光线控制。

当然，本实用新型中所述的光线控制，指对光线的发散方向及出光模式的改变，可将光线进行扩散或聚拢或改变出光方向，其中发散或聚拢可以为等比发散或聚拢，也可为在某一方向上发散或聚拢，而其他方向上不变。

需要注意的是，所述连接板120可半嵌入或全嵌入所述主透镜110中，嵌入式结构可以使所述连接板120与所述主透镜110连接更牢固，其中一种具体实施方式的截面图请见图4，图4中所述连接板120完全嵌入所述主透镜110中，但不论如何，应保留用于通过焊接与所述基板相连的所述连接板120的表面。其中所述芯片放置区与光传播区并非两个有明显的边界的结构，而是指两个功能区，如图4中所示，下方截面呈矩形的部分为所述芯片放置区，上方截面为拱形的区域为所述光传播区。

需要注意的是，所述半导体元器件130设置于所述连接板120与所述主透镜110之间，在所述光学元件的制作过程中，可先将所述半导体元器件130设置于所述连接板120上，再将所述主透镜110覆盖于设置所述半导体元器件130的所述连接板120的一侧。

所述连接板120具有通孔121，所述主透镜110可通过所述通孔121插接于所述连接板120上，当然，也可根据实际情况采用其他手段令所述连接板120与所述主透镜110固定连接，如所述主透镜110的延伸部穿过所述通孔121，并在所述通孔121的另一侧形成扩展部，所述扩展部不能通过所述通孔121，形成“工”字形卡扣结构，使所述主透镜110无法从所述连接板120上脱落，其局部结构示意图见图5。

所述连接板120为金属料片或多层线路板。更进一步地，当所述连接板120为金属料片时，所述金属料片为铜片，铜片导热性好，可塑性强，加工简单方便。

作为一种优选的实施方式，所述连接板120包括外露于透镜底部的连接焊盘122，所述光学元件通过所述连接焊盘122焊接于所述基板上，即所述连接板120通过焊接的方式连接在所述基板上，当然，不通过所述连接焊盘122直接焊接也可，但通过焊盘安装定位更精准，效率更高，良品率也更高。

另外，所述半导体元器件130，用于监测所述主透镜110的工作状态，将所述半导体元器件130固定在所述连接板120上以保证所述半导体元器件130不会受外力冲击而脱落，优选地，可通过焊接连接，更进一步地，所述半导体元器件130为光敏二极管，所述光敏二极管可实时监控预设区域内的光强，其一种具体实施方式中的位置关系可见图1，图1中的所述光敏二极管可接受一定区域内所述主透镜110的上表面的反射光，当所述主透镜110发生缺损或脱落时，所述光敏二极管的接受光就会发生变化，可通过软件设定不同情况以发出不同警报，如所述vcsel芯片正常工作时检测到接收光变弱判定所述主透镜110发生缺损，如检测到接受光消失则判定所述主透镜110脱落。

图2为本实用新型的光学元件的一种具体实施方式的爆炸图，图中所述主透镜110上的虚线表示被遮挡的边界，其中朝向纸面外的方向隆起的部分为所述主透镜110中空的部分，即所述凹槽111。

本实用新型所提供的包括主透镜110、连接板120及半导体元器件130；所述连接板120用于将所述光学元件固定连接在外部元件的基板上，且与所述主透镜110固定连接；所述半导体元器件130通过所述连接板120与外部电路连接，用于监测所述主透镜110是否发生缺损或脱落；所述主透镜110的底面包括凹槽111，所述凹槽111的表面为第一光学界面101，所述主透镜110的上表面为第二光学界面102，所述第一光学界面101及所述第二光学界面102为自由曲面；所述连接板120具有通孔121，所述凹槽111、所述通孔121及所述基板围成光源空腔；所述光源空腔包括芯片放置区与光传播区；所述vcsel芯片设置于所述芯片放置区中，所述vcsel芯片的出射光经过所述光传播区由所述第一光学界面101进入所述主透镜110，再通过所述第二光学界面102射出所述主透镜110，完成光线控制。本实用新型中通过焊接将所述光学元件固定在所述基板上，解决了现有技术中工程扩束器(相当于本实用新型中的光学元件)易脱落的问题，并且通过所述半导体元器件130实现了对所述主透镜110的工作状态的监控，一旦所述主透镜110发生缺损或脱落，导致所述光学元件不能完成正常的光线控制，所述半导体元器件130就能向外部电路发送信号，警告使用者仪器故障需要修理，避免了使用者在不知情时使用激光发射器造成眼部灼伤等意外事故；同时，本实用新型通过作为自由曲面的所述第一光学界面101及所述第二光学界面102调节所述出射光射入及射出所述主透镜110的方向，进而达到改变光线分布的目的，舍弃了现有技术中的平板玻璃与高分子层，简化了结构，提高了元件的工作可靠性，同时还起到了简化制作工艺的效果。

在具体实施方式一的基础上，进一步对所述光学元件的材料做限定，得到具体实施方式二，其结构示意图与上述具体实施方式相同，包括主透镜110及连接板120；

所述连接板120用于将所述光学元件固定连接在外部元件的基板上，且与所述主透镜110固定连接；

所述主透镜110的底面包括凹槽111，所述凹槽111的表面为第一光学界面101，所述主透镜110的上表面为第二光学界面102，所述第一光学界面101及所述第二光学界面102为自由曲面；

所述连接板120具有通孔121，所述凹槽111、所述通孔121及所述基板围成光源空腔；

所述光源空腔包括芯片放置区与光传播区；

所述vcsel芯片设置于所述芯片放置区中，所述vcsel芯片的出射光经过所述光传播区由所述第一光学界面101进入所述主透镜110，再通过所述第二光学界面102射出所述主透镜110，完成光线控制；

所述光学元件还包括半导体元器件130；

所述半导体元器件130设置于所述连接板120上，用于监测所述主透镜110是否发生缺损或脱落；

所述主透镜110包括硅胶透镜、透明树脂透镜或模造玻璃透镜。

本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中限定了所述主透镜110的材料，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。

本具体实施方式中限定了所述主透镜110的材料，其中包括为高分子材料透镜，高分子材料热塑性好，易于加工，在制作自由曲面时只要通过预设模具热压成型即可，工艺流程简单，此外，高分子材料在固化前粘度较好，能加强所述主透镜110与所述连接板120的连接强度，进一步提升所述光学元件的工作可靠性。再进一步地，所述硅胶透镜、所述透明树脂透镜及所述模造玻璃透镜均为模具模压或者注塑成型的透镜，且折射率大于1.4，注塑成型或模具模压速度快，工艺简单，生产成本低，当然，也可根据实际情况作相应改动。

本实用新型还提供了一种vcsel器件，所述vcsel器件包括上述任一种所述的光学元件。本实用新型所提供的包括主透镜110、连接板120及半导体元器件130；所述连接板120用于将所述光学元件固定连接在外部元件的基板上，且与所述主透镜110固定连接；所述半导体元器件130通过所述连接板120与外部电路连接，用于监测所述主透镜110是否发生缺损或脱落；所述主透镜110的底面包括凹槽111，所述凹槽111的表面为第一光学界面101，所述主透镜110的上表面为第二光学界面102，所述第一光学界面101及所述第二光学界面102为自由曲面；所述连接板120具有通孔121，所述凹槽111、所述通孔121及所述基板围成光源空腔；所述光源空腔包括芯片放置区与光传播区；所述vcsel芯片设置于所述芯片放置区中，所述vcsel芯片的出射光经过所述光传播区由所述第一光学界面101进入所述主透镜110，再通过所述第二光学界面102射出所述主透镜110，完成光线控制。本实用新型中通过焊接将所述光学元件固定在所述基板上，解决了现有技术中工程扩束器(相当于本实用新型中的光学元件)易脱落的问题，并且通过所述半导体元器件130实现了对所述主透镜110的工作状态的监控，一旦所述主透镜110发生缺损或脱落，导致所述光学元件不能完成正常的光线控制，所述半导体元器件130就能向外部电路发送信号，警告使用者仪器故障需要修理，避免了使用者在不知情时使用激光发射器造成眼部灼伤等意外事故；同时，本实用新型通过作为自由曲面的所述第一光学界面101及所述第二光学界面102调节所述出射光射入及射出所述主透镜110的方向，进而达到改变光线分布的目的，舍弃了现有技术中的平板玻璃与高分子层，简化了结构，提高了元件的工作可靠性，同时还起到了简化制作工艺的效果。

作为一种优选的实施方式，所述vcsel器件包括基板，所述基板在预设位置设置有定位焊盘，所述定位焊盘用于所述光学元件固定连接，使所述光学元件的光轴与所述vcsel芯片的光轴重合。此处所述的重合，包括所述光学元件的光轴与所述vcsel芯片的光轴部分重合及完全重合两种情况，具体可根据实际操作中的需要达到的光线控制效果做调整。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本实用新型所提供的光学元件及vcsel器件进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。