激光模组及光学系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种激光模组及光学系统。

背景技术

随着激光技术的发展，激光越来越广泛的应用于人们的生产生活中。激光以其较好的单向性和穿透性，已较为成熟的应用于激光雷达等相关工作领域，足够能量强度的激光能够进行准确高精度的切割、刻蚀或其他激光加工。在医学上，激光也已经广泛应用于治疗和保健理疗中，其中，一定波长范围和能量强度的激光束作用于人体皮肤，能够具有祛斑、脱毛、紧致、嫩肤等美容作用。

为输出较为均匀的光斑，现有的激光模组多采用光源加常规发散镜组和光波导的形式，然而，现有的这种激光模组虽然可以实现输出较为均匀的光斑，但是其体积较大，且难以在短距离内输出均匀的光斑，这使得现有的激光模组不能应用于一些需要手持治疗的场景，给医疗美容的应用带来一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光模组及光学系统，该激光模组及光学系统体积较小，能够实现短距离内输出均匀光斑。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明的一方面，提供一种激光模组，该激光模组包括光源以及依次设于光源出光侧的整形元件、调整元件和光波导；整形元件用于对光束在快轴方向上进行压缩且在慢轴方向上进行扩束；调整元件朝向整形元件的一面为自由曲面；光源出射的光束经整形元件的快轴方向压缩和慢轴方向扩束后呈超高斯分布，经自由曲面在慢轴方向上扩束后入射至光波导，光波导对光束匀化后出射，以在接收面得到均匀光斑。该激光模组体积较小，能够实现短距离内输出均匀光斑。

可选地，整形元件具有第一凸面和第一凹面阵列，第一凸面用于对光束在快轴方向上进行压缩，第一凹面阵列用于对光束在慢轴方向上进行扩束。

可选地，光源包括至少一个光源阵列，光源阵列包括多个阵列排布的点光源。

可选地，光源包括至少两个沿第一方向排布的光源阵列，第一方向与光轴垂直，且第一方向和每个光源阵列的多个点光源的排布方向垂直；相邻两个光源阵列的点光源在第一方向上的投影呈交错设置。

可选地，相邻两个光源阵列在第一方向上的投影无交叠，且相邻两个光源阵列在光轴方向上的投影无交叠。

可选地，第一凹面阵列和第一凸面分别位于整形元件的相对两面，且第一凹面阵列包括多个子凹面；多个子凹面和多个点光源一一对应。

可选地，第一凹面阵列位于整形元件的入光面。

可选地，整形元件在第一表面的慢轴方向上的面型为第一凹面阵列，整形元件在第一表面的快轴方向上的面型为第一凸面；且第一凹面阵列包括多个子凹面；多个子凹面和多个点光源一一对应。

可选地，第一表面位于整形元件的入光面。

本发明的另一方面，提供一种光学系统，该光学系统包括上述的激光模组。

本发明的有益效果包括：

本申请提供的激光模组包括光源以及依次设于光源出光侧的整形元件、调整元件和光波导；整形元件用于对光束在快轴方向上进行压缩且在慢轴方向上进行扩束；调整元件朝向整形元件的一面为自由曲面；光源出射的光束经整形元件的快轴方向压缩和慢轴方向扩束后呈超高斯分布，经自由曲面在慢轴方向上扩束后入射至光波导，光波导对光束匀化后出射，以在接收面得到均匀光斑。本申请通过在光波导的耦入区处设置整形元件和调整元件，并使得整形元件能够对光束在快轴方向上进行压缩并在慢轴方向上进行扩束，且使得调整元件的自由曲面能够光束在慢轴方向上进行扩束，这样，至少可以使得进入光波导内的光束在慢轴方向上的入射角增大，如此，能够有效提高光束在光波导内的全反射次数，进而提高光波导的匀化效果。这样一来，由于整形元件和调整元件的存在，本申请的光波导相对现有技术而言对光束的匀化效果更佳，这样，在输出相同匀化效果的均匀光斑的情况下，采用本申请的激光模组可以使得光波导的尺寸做的更小，如此，可以有效缩小激光模组的体积，降低激光模组的重量，从而实现在短距离内输出均匀光斑，提高了激光模组的多场景适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的第一种情况下的激光模组的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的第一种情况下的整形元件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的第一种情况下的激光模组在慢轴方向上的光路示意图；

图4为本发明实施例提供的第一种情况下的激光模组在快轴方向上的光路示意图；

图5为本发明实施例提供的第二种情况下的激光模组的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的第二种情况下的整形元件的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的第二种情况下的激光模组在慢轴方向上的光路示意图；

图8为本发明实施例提供的第二种情况下的激光模组在快轴方向上的光路示意图；

图9为本发明实施例提供的第三种情况下的激光模组的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的第三种情况下的激光模组在慢轴方向上的光路示意图；

图11为本发明实施例提供的第三种情况下的激光模组在快轴方向上的光路示意图；

图12为本发明实施例提供的第四种情况下的激光模组的结构示意图；

图13为本发明实施例提供的第四种情况下的激光模组在慢轴方向上的光路示意图；

图14为本发明实施例提供的第四种情况下的激光模组在快轴方向上的光路示意图。

图标：10-光源；11-点光源；20-调整元件；21-自由曲面；30-光波导；40-整形元件；41-第一凸面；42-第一凹面阵列；43-第一表面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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发明中的具体含义。

请参照图1至图8，本实施例提供一种激光模组，该激光模组包括光源10以及依次设于光源10出光侧的整形元件40、调整元件20和光波导30；整形元件40用于对光束在快轴方向上进行压缩且在慢轴方向上进行扩束；调整元件20朝向光源10的一面为自由曲面21；光源10出射的光束经整形元件40的快轴方向压缩和慢轴方向扩束后呈超高斯分布，经自由曲面21在慢轴方向上扩束后入射至光波导30，光波导30对光束匀化后出射，以在接收面得到均匀光斑。该激光模组体积较小，能够实现短距离内输出均匀光斑。

本申请提供的激光模组包括光源10、整形元件40、调整元件20和光波导30。其中，光源10用于出射光束，整形元件40用于对光束在快轴方向上进行压缩且在慢轴方向上进行扩束，调整元件20和光波导30设置于光源10的出光路径上，调整元件20位于光源10和光波导30之间。

上述整形元件40位于光源10的出光侧，且位于调整元件20的入光侧，该整形元件40用于对光束在快轴方向上进行压缩，且用于对光束在慢轴方向上进行扩束。本申请对该整形元件40的具体面型不做限制。

上述调整元件20设于整形元件40的出光侧，该调整元件20朝向光源10的一面为自由曲面21，该自由曲面21能够对光束在慢轴方向上进行折射扩束，以使光束扩束后入射至光波导30。

示例地，上述自由曲面21的面型为呈凹面的自由曲面21。本申请对该自由曲面21的具体面型参数不做限制，本领域技术人员可以根据光波导30的耦出区尺寸、光波导30和调整元件20的距离、输出均匀光斑的距离等参数确定。

光波导30设置于调整元件20的出光侧，该光波导30用于对光束进行匀化出射，以使能够在接收面得到均匀光斑。

其中，上述光波导30可以呈空心设置，也可以呈实心设置，本申请对此不做限制，只要该光波导30能够对光束进行多次全反射，从而使得光束在光波导30内进行有效匀化即可。

本申请通过在光波导30的藕入区处设置调整元件20，并使得该调整元件20至少能够对光束在慢轴方向上进行扩束，这样一来，光束在进入光波导30之前便至少可以在慢轴方向上进行发散扩束，如此，能够增大光束进入光波导30内的入射角，从而可以提高光束在光波导30内的全反射次数，进而可以提高光波导30的匀化效果。

综上所述，本申请提供的激光模组包括光源10以及依次设于光源10出光侧的整形元件40、调整元件20和光波导30；整形元件40用于对光束在快轴方向上进行压缩且在慢轴方向上进行扩束；调整元件20朝向光源10的一面为自由曲面21；光源10出射的光束经整形元件40的快轴方向压缩和慢轴方向扩束后呈超高斯分布，经自由曲面21在慢轴方向上扩束后入射至光波导30，光波导30对光束匀化后出射，以在接收面得到均匀光斑。本申请通过在光波导30的耦入区处设置整形元件40和调整元件20，并使得整形元件40能够对光束在快轴方向上进行压缩并在慢轴方向上进行扩束，且使得调整元件20的自由曲面21能够光束在慢轴方向上进行扩束，这样，至少可以使得进入光波导30内的光束在慢轴方向上的入射角增大，如此，能够有效提高光束在光波导30内的全反射次数，进而提高光波导30的匀化效果。这样一来，由于整形元件40和调整元件20的存在，本申请的光波导30相对现有技术而言对光束的匀化效果更佳，这样，在输出相同匀化效果的均匀光斑的情况下，采用本申请的激光模组可以使得光波导30的尺寸做的更小，如此，可以有效缩小激光模组的体积，降低激光模组的重量，从而实现在短距离内输出均匀光斑，提高了激光模组的多场景适用性。

其中，示例性地，在本实施例中，上述整形元件40具有第一凸面41和第一凹面阵列42，其中，第一凸面41用于对光束在快轴方向上进行压缩，第一凹面阵列42用于对光束在慢轴方向上进行扩束。应理解，上述整形元件40的具体面型仅为本申请给出的示例，但并非是对本申请的限制。

另外，上述调整元件20除了对光束在慢轴方向上扩束外还可以用于对光束在快轴方向上扩束。

本申请在整形元件40上设置有第一凸面41和第一凹面阵列42，这样，第一凸面41能够对光束在快轴方向上进行压缩，第一凹面阵列42能够对光束在慢轴方向上进行扩束，从而能够减少光源10出射的光束在快轴方向上的发散角和在慢轴方向上的发散角之间的差距，能够一定程度提高光束的匀化效果。

即，在该情况下，激光模组包括光源10、具有第一凸面41和第一凹面阵列42的整形元件40，以及用于对光束在快轴和慢轴两个方向上均扩束的调整元件20。

这时，光源10发射的光束入射至整形元件40，整形元件40的第一凸面41对光束在快轴方向上进行压缩，第一凹面阵列42对光束在慢轴方向上扩束，以使经过整形元件40的光束呈超高斯分布；自整形元件40出射的光束入射至调整元件20的自由曲面21，自由曲面21对光束在慢轴方向和快轴方向上均进行折射后扩束出射，这时，光束在角空间下整体呈中部强，两边弱的情况；经过自由曲面21的光束入射至光波导30，位于光波导30中部的光束直接透射，位于光波导30侧边和上下方的光束在光波导30内进行多次全反射后出射，如此，接收面便可以得到均匀光斑。

另外，需要说明的是，在上述情况下，如图2和图3所示，可选地，第一凹面阵列42包括多个子凹面；光源10包括光源阵列，光源阵列包括多个阵列排布的点光源11；多个子凹面和多个点光源11一一对应。

也就是说，当光源10包括多个点光源11时，第一凹面阵列42可以如图3所示包括多个并排设置的子凹面，这样，每个点光源11可以和每个子凹面一一对应，每个子凹面可以对每个子光源10出射的光束在慢轴方向上进行对应扩束出射。

可选地，当光源10包括多个光源阵列时，整形元件40也可以对应设置多个，这样，可以每个光源阵列对应配备一个整形元件40，如图1和图3所示。

可选地，上述光源10可以包括至少一个光源阵列，该光源阵列包括多个阵列排布的点光源11，如图1和图3所示。

其中，本申请对每个光源阵列的点光源11的数量不做限制，本领域技术人员可以根据实际情况自行选择合适数量。

另外，需要说明的是，每个光源阵列可以包括线性排布的多个点光源11(即光源阵列可以呈1×N或者N×1设置)，也可以包括矩阵排布的多个点光源11(即光源阵列可以呈M×N设置)，上述M和N均为大于或等于2的整数。

示例性地，上述光源10包括至少两个沿第一方向排布的光源阵列，第一方向与光轴垂直，且第一方向和每个光源阵列的多个点光源11的排布方向垂直；相邻两个光源阵列的点光源11在第一方向上的投影呈交错设置。

也就是说，该光源10具体可以是包括多个光源阵列。该多个光源阵列可以包括两个、三个或者更多。

当包括多个光源阵列时，多个光源阵列沿第一方向排布，该第一方向和光轴的方向垂直，且该第一方向和每个光源阵列的多个点光源11的排布方向垂直。

在本实施例中，相邻的两个光源阵列的点光源11在第一方向上的投影呈交错设置。这样，相邻的两个光源阵列的点光源11可以实现插空入射至调整元件20。

可选地，相邻两个光源阵列在第一方向上的投影无交叠，且相邻两个光源阵列在光轴方向上的投影无交叠。这样，相邻两个光源阵列可以呈台阶式分布，如图1所示。需要说明的是，台阶式分布的多个光源阵列可以利于每个光源阵列的散热。

当整形元件40具有第一凸面41和第一凹面阵列42时，可以分为如下两种情况：

第一种情况：第一凹面阵列42和第一凸面41分别位于整形元件的相对两面，且第一凹面阵列42包括多个子凹面；多个子凹面和多个点光源一一对应，如图1至图4。

在该情况下，第一凹面阵列42可以位于整形元件40的入光侧。第一凹面阵列可以包括多个子凹面，多个子凹面和多个点光源11一一对应，如图2和图3。

第二种情况：整形元件40在第一表面43的慢轴方向上的面型为第一凹面阵列42，整形元件40在第一表面43的快轴方向上的面型为第一凸面41；且第一凹面阵列42包括多个子凹面；多个子凹面和多个点光源11一一对应，如图5至图8。

也就是说，上述第一凹面阵列42和第一凸面41也可以位于整形元件40的同一表面(即第一表面43)，这样，第一凹面阵列42位于第一表面43的慢轴方向上，用于对光束在慢轴方向上进行扩束；第一凸面位于第一表面43的快轴方向上，用于对光束在快轴方向上进行压缩，如图6和图7。

在该情况下，第一表面43可以位于整形元件的入光面。

本申请对第一凹面阵列42和第一凸面41的具体位置不做限制，本领域技术人员可以根据需要选择上述任意一种设置方式。

可选地，在本实施例中，上述两种情况中的第一凸面41可以为椭球面或者椭球高顶面。

另外，还需要说明的是，在一种可行的实施方式中(第三种情况)，本申请提供的激光模组的整形元件还可以不设置第一凹面阵列42(只设置第一凸面41)。

这时，请参照图9至图11，这时，该激光模组包括具有第一凸面41的整形元件40，调整元件20还用于对光束在快轴方向上扩束。

也就是说，在该情况下，激光模组包括光源10、具有第一凸面41的整形元件40，以及用于对光束在快轴和慢轴两个方向上均扩束的调整元件20。

如此，请参照图10和图11，光源10发射的光束入射至整形元件40，整形元件40的第一凸面41对光束在快轴方向上进行压缩出射，以使经过快轴压缩的光束呈超高斯分布；自整形元件40出射的光束入射至调整元件20的自由曲面21，自由曲面21对光束在快轴和慢轴两个方向上均进行折射后扩束出射，这时，光束在角空间下整体呈中部强，两边弱的情况；经过自由曲面21的光束入射至光波导30，位于光波导30中部的光束直接透射，位于光波导30侧边和上下方的光束在光波导30内进行多次全反射后出射，如此，接收面便可以得到均匀光斑。

需要说明的是，在该情况下，整形元件40可以为平凸透镜，即整形元件40的一面为第一凸面41，另一面为平面，如图9和图10。

还有，上述第一凸面41可以为椭球面或者椭球高顶面。

在另一种可行的实施方式中(第四种情况)，本申请提供的激光模组的调整元件20还可以具有第二表面，第二表面用于对光束在快轴方向上进行压缩，如图12至图14所示。

示例性地，该第二表面可以为凸面。当光源10包括具有多个点光源11的光源阵列时，第二表面可以包括多个子凸面，多个子凸面和多个点光源11一一对应；或者，该第二表面也可以为整面的凸面。

这样，调整元件20即可以实现对光束在慢轴方向上扩束，还可以实现对光束在快轴方向上压缩，如此可以选择省去上述的整形元件40。

这时，如图13和图14所示，光源10出射的光束可以直接进入调整元件20，调整元件20的第二表面可以对光束在快轴方向上折射后并使其收敛出射，调整元件20的自由曲面21可以使得光束在慢轴方向上折射后扩束出射。这时，光束在角空间下整体呈中部强，两边弱的情况。经过调整元件20调整后的光束进入光波导30，位于光波导30中部的光束直接透射，位于光波导30侧边和上下方的光束在光波导30内进行多次全反射后出射，如此，接收面便可以得到均匀光斑。

当然，上述情况也仅为示例，当调整元件20还具有上述第二表面时，也可以根据实际情况选择设置上述的任意一种整形元件40，本申请不做具体限制。

本发明的另一方面，提供一种光学系统，该光学系统包括上述的激光模组。由于该激光模组的具体结构及其有益效果均已在前文做了详细阐述，故本申请在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。