CN113655487A - 一种连续视场激光近程探测前端装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光探测技术领域，具体涉及一种连续视场激光近程探测前端装置，该装置包括：发射模块、接收模块、电串模块以及封装管壳；所述发射模块用于周期发射激光光束；所述接收模块用于接收目标回波光束；所述电串模块用于控制发射模块和接收模块的电源滤波和抑制收发电磁串扰；所述封装管壳用于对发射模块、接收模块以及电串模块进行气密性封装；本发明的装置采用收发一体化设计，其器件的集成度高，降低了应用系统的装配复杂度。
Description
技术领域
本发明属于激光探测技术领域，具体涉及一种连续视场激光近程探测前端装置。
背景技术
激光探测技术是一种采用主动探测模式通过发射脉冲激光光束，并接收目标回波来实现目标距离、速度等参数测量的方法；因其方向性好、抗干扰能力强等优点在多个领域被广泛应用。激光近程探测是激光探测技术的典型应用之一，随着装备集成化与小型化的发展趋势，激光近程探测前端装置作为激光近程探测的关键器件，需提高该器件的一体化水平，以促进光电探测市场的高速发展。
在现有的激光近程探测前端装置中，一般采用光学前倾的方案，在该方案中在发射器多设置两个透镜，但是该方案中一体化装配复杂度高；采用离散辐射光束的发射装置中，该装置对发射功率要求低，但是容易遗漏探测目标，降低装置探测参数的准确度；采用弧矢方向边缘截止性好的透式柱面镜作为接收透镜，但是受该结构的尺寸限制，使得该器件不满足更大视场的光学设计；因此急需一种机械前倾、连续探测视场、气密性结构的工程化激光近程探测前端装置。
发明内容
为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种连续视场激光近程探测前端装置，该装置包括：发射模块、接收模块、电串模块以及封装管壳；所述发射模块用于周期发射激光光束；所述接收模块用于接收目标回波光束；所述电串模块用于控制发射模块的电源滤波和接收模块的电源滤波，并且抑制发射模块和接收模块的收发电磁串扰；所述封装管壳用于对发射模块、接收模块以及电串模块进行气密性封装。
优选的，封装管壳包括盖板和管壳，管壳为三腔室结构，包括发射腔室、接收腔室以及电串腔室，其中，发射模块设置在发射腔室中，接收模块设置在接收腔室中，电串模块设置在横跨发射腔室和接收腔室的电串腔室中；盖板的大小与管壳的大小相同。
进一步的，管壳的发射腔体外侧设置有气密性连接器插座，气密性连接器插座的引针通过线束与电串模块电气连接；且气密性连接器插座通过低温烧结在管壳上，保证插座与管壳的气密连接。
进一步的，封装管壳上设置有发射窗口和接收窗口，窗口上设置有透光镜；封装管壳上发射窗口的位置与发射腔室对应，接收窗口的位置与接收腔室的位置对应。
进一步的，封装管壳的盖板采用腐蚀边缘的内嵌式结构，采用平行缝焊的方式对盖板和管壳进行气密性封装。
优选的，发射模块包括驱动电路板、激光器芯片、热沉、准直镜、扩束镜以及带有引脚的发射模块管壳；驱动电路的输入端与发射模块管壳的引脚连接，驱动电路的输出端连接设置在热沉上的激光器芯片；准直镜固定在激光器芯片的发射端；扩束镜设置在准直镜的输出镜面端。
进一步的，扩束镜为微型柱面阵列镜；该扩束镜的入射镜面采用波浪面结构，该阵列通过多组凹凸非球面镜的周期排列，通过与激光器芯片的位置关系对出射光束进行±45°～±50°方向的偏转和叠加，在弧矢面形成线形光斑。
优选的，接收模块包括：接收光学系统、放大电路板、陶瓷载体、带绝缘子引脚的管壳和带机械固定孔的骨架；接收光学系统包括柱面反射透镜和探测器芯片；探测器芯片的光敏面设置在柱面反射透镜的光束聚焦点上；放大电路板设置在探测器芯片的输出端；放大电路板、探测器芯片和管壳引脚采用金丝键合的方式进行电气连接；探测器芯片粘接在和陶瓷载体上，、陶瓷载体粘接在和管壳上均采用粘接方式固定；放大电路板烧结在封装管壳底部的固定方式；柱面反射镜与和管壳通过骨架的机械孔固定于骨架两侧。
进一步的，接收光学系统采用柱面反射透镜和探测器芯片结构。柱面反射透镜的入射面为平面，当子午面入射光线进入反射镜后，其后端的柱面内反射镜能将入射光进行线聚焦，并从透镜的出射面射出，线聚焦到探测器光敏面上；弧矢方向光线从入射面入射后，一部分光直接由柱面镜反射聚焦，剩余光先由对应的平面镜反射到柱面镜后，再由柱面镜线聚焦到探测器上；通过聚焦弧矢和子午光束形成薄扇形的接收视场。
优选的，电串模块包括第一滤波电路、共模电路、隔离器以及第二滤波电路；第一滤波电路的输出端连接发射模块，输入端连接共模电路；共模电路的输入端通过隔离器与第二滤波电路的输入端连接，第二滤波电路的输出端连接接收模块，构成电串模块的电路结构。
本发明通过对发射模块的发射光进行分时控制，使得发射光视场在90°范围内无漏探测，提高了装置的探测精度；本发明的装置采用收发一体化设计，其器件的集成度高，降低了应用系统的装配复杂度；本装置中的采用三腔室结构设计，不仅降低了发射模块和接收模块的信号干扰，而且还提高了装置的气密性，扩大了环境的应用范围。
附图说明
图1为本发明装置的结构图；
图2为本发明的发射模块结构图；
图3为本发明的发射光学系统的光束整形示意图；
图4为本发明的接收模块结构示意图；
图5为本发明的接收光学系统光束汇聚示意图；
图6为本发明电串模块的电路结构图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。
一种连续视场激光近程探测前端装置，如图1所示，该装置包括发射模块、接收模块、电串模块以及封装管壳；所述发射模块按一定时基输出特定视场的激光光束；所述接收模块用于接收特定视场的目标回波光束；所述电串模块用于电源滤波和抑制收发电磁串扰；所述封装管壳用于对发射模块、接收模块、电串模块进行气密性封装。
发射模块的发射时基为重频5KHz-20KHz，脉宽50ns-100ns的光束。
本发明中的骨架为一种固定装置，用于固定光学系统。本发中的骨架有两面，其中一面用来固定接收光学镜头，另外一面用于固定带探测器芯片和放大电路的探测器模块。通过调整探测器芯片与接收光学镜头三个维度上的相对位置来实现接收视场、视野角、收发倾角的定制。
一种连续视场激光近程探测前端装置的具体实施方式，发射模块和接收模块通过电串模块进行连接；发射模块、接收模块以及电串模块密封在封装管壳内部。
一种封装管壳的具体实施方式，该封装管壳包括盖板和管壳，所述管壳为三腔室结构，盖板的大小与管壳的大小相同；发射模块设置在封装管壳的发射腔室中；接收模块设置在封装管壳的接收腔室中；电串模块横跨发射腔室和接收腔室，并分别与发射模块和接收模块连接。
可选的，封装管壳上设置有发射窗口和接收窗口，窗口上设置有玻璃光窗；盖板上发射窗口的位置与发射腔室对应，接收窗口的位置与接收腔室的位置对应。通过玻璃光窗实现发射模块对激光光束的发射和增强发射腔体的气密性；通过玻璃光窗实现接收模块对接收光束的接收和增强接收腔体的气密性。
优选的，在玻璃光窗上设置有与发射光束同波长的增透膜，该增透膜可以增加光束的透光率，使得待测参数的检测结果更精确。
可选的，电串模块采用机械方式固定在管壳内部。
可选的，封装管壳的盖板采用腐蚀边缘的内嵌式结构，采用平行缝焊的方式对盖板和管壳进行气密性封装；通过平行缝焊的方式进行封装，保证了装置的气密性。
一种发射模块的具体实施方式，如图2所示，该装置包括驱动电路板、激光器芯片、热沉、准直镜、扩束镜以及带有引脚的发射模块管壳；驱动电路的输入端与发射模块管壳的引脚连接，驱动电路的输出端连接设置在热沉上的激光器芯片；准直镜固定在激光器芯片的发射端；扩束镜设置在准直镜的输出镜面端。
优选的，电路板、激光器芯片和管壳引脚采用金丝键合的方式进行电气连接；激光器芯片共晶焊于热沉；电路板、热沉采用焊接方式固定于管壳；准直镜、扩束镜设置在激光器芯片的发射端，采用胶粘方式固定于管壳。
一种发射模块的具体实施方式，该发射模块由驱动电路、发射光学系统构成。所述驱动电路采用专用MOS驱动芯片，该芯片的输出信号通过电阻匹配网络控制MOS管的关断，由两路脉冲驱动信号分别控制两路激光器芯片组发光。发射光学系统由半导体激光器芯片、准直镜、扩束镜按图3的空间布局排列。为便于在激光器芯片附近集成，压缩光学系统的体积，准直镜为平凸柱面结构，并采用二次曲面提高准直效果；扩束镜为微型柱面阵列镜，采用波浪面结构，该阵列通过多组凹凸非球面等周期排列，通过与光源芯片组的位置关系对出射光束进行特定方向的偏转和叠加，在弧矢面形成按一定能量分布的线形光斑；通过整形后，出射光束成分时的(45°-50°)×(1°-1.5°)的薄扇形光束。
可选的，发射模块的激光器芯片有两个，两个激光器芯片并排，其间距为1.5mm～3.5mm，使得发射的光束垂直于模块出射光口。
可选的，设置激光器芯片为砷化镓激光器，尺寸为(200-300)um*10um，波长905nm，线宽10nm。
优选的，激光器芯片设置热沉上，该热沉为氮化铝材料，厚度为0.8mm，用于大功率器件的散热。
优选的，准直镜为采用高折射率焦距940um，长度16mm的准直镜。
优选的，柱面镜为对称阵列波浪镜，高折射率材料，长度18mm。
一种接收模块的具体实施方式，如图4所示，该接收模块由接收光学系统、陶瓷载体、放大电路板、带绝缘子引脚的管壳和带机械固定孔的骨架组成。接收光学系统包括柱面反射透镜和探测器芯片；探测器芯片的光敏面设置在柱面反射透镜的光束聚焦点上；放大电路设置在探测器芯片的输出端；放大电路板、探测器芯片和管壳引脚采用金丝键合的方式进行电气连接；探测器芯片和陶瓷载体、陶瓷载体和管壳均采用粘接方式固定；放大电路板采用烧结在封装管壳底部的固定方式；柱面反射镜与管壳固定于骨架两侧。
优选的，探测器芯片为硅基PIN芯片，面型尺寸为(20-30)mm*(0.4-0.8)mm。
优选的，陶瓷载体材料氧化铝，三面镀金便于电气连接。
一种接收模块的具体实施方式，主要包括接收光学系统和放大电路；所述接收光学系统采用柱面反射透镜和探测器芯片结构，结构如图4所示。入射面为平面，如图5所示，当子午面入射光线进入反射镜，其后端的柱面内反射镜能将入射光进行线聚焦，并从透镜的出射面射出，线聚焦到探测器光敏面上；弧矢方向光线从入射面入射后，一部分光直接由柱面镜反射聚焦，剩余光先由对应的平面镜反射到柱面镜后，再由柱面镜线聚焦到探测器上；最终构成(90°-100°)×(3°-5°)的接收视场。所述放大电路由跨阻TIA芯片和电压放大器构成，按照系统增益带宽设置其参数。设置的参数包括TIA的跨阻值、补偿电容和电压放大器的比例电阻值。
优选的，柱面镜材料为ZLAF3，尺寸≤24mm×24mm×17mm，透过率≥85％。
发射视场与接收视场倾角通过管壳机械控制，其倾角设置为8°-12°，骨架固定方向采用8-12°倾角的斜坡固定柱；保证发射与接收倾角一致。
如图6所示，电串模块包括第一滤波电路、共模电路、隔离器以及第二滤波电路；第一滤波电路的输出端连接发射模块，输入端连接共模电路；共模电路的输入端通过隔离器与第二滤波电路的输入端连接，第二滤波电路的输出端连接接收模块，构成电串模块的电路结构。
电串模块一方面对输入模块的电源进行滤波与隔离；另一方面解决激光瞬时发射引起的负载剧烈变化和高频噪声的传导问题。电路功能如图6所示，激光器模块前端采取共模抑制电路和滤波电路，用以平坦瞬时高电流引起的电源抖动；探测器模块前端采取滤波电路，用以滤除线串扰信号和电源纹波；发射与接收地通过隔离器件连接，并形成单点接地。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种连续视场激光近程探测前端装置，其特征在于，包括：发射模块、接收模块、电串模块以及封装管壳；所述发射模块用于周期发射激光光束；所述接收模块用于接收目标回波光束；所述电串模块用于控制发射模块的电源滤波和接收模块的电源滤波，并且抑制发射模块和接收模块的收发电磁串扰；所述封装管壳用于对发射模块、接收模块以及电串模块进行气密性封装。
2.根据权利要求1所述的一种连续视场激光近程探测前端装置，其特征在于，封装管壳包括盖板和管壳，管壳为三腔室结构，包括发射腔室、接收腔室以及电串腔室；其中，发射模块设置在发射腔室中，接收模块设置在接收腔室中，电串模块设置在横跨发射腔室和接收腔室的电串腔室中；盖板的大小与管壳的大小相同。
3.根据权利要求2所述的一种连续视场激光近程探测前端装置，其特征在于，管壳的发射腔体外侧设置有气密性连接器插座，气密性连接器插座的引针通过线束与电串模块电气连接；且气密性连接器插座通过低温烧结在管壳上，保证插座与管壳的气密连接。
4.根据权利要求2所述的一种连续视场激光近程探测前端装置，其特征在于，封装管壳上设置有发射窗口和接收窗口，窗口上设置有玻璃光窗；封装管壳上发射窗口的位置与发射腔室对应，接收窗口的位置与接收腔室的位置对应。
5.根据权利要求2所述的一种连续视场激光近程探测前端装置，其特征在于，封装管壳的盖板采用腐蚀边缘的内嵌式结构，采用平行缝焊的方式对盖板和管壳进行气密性封装。
6.根据权利要求1所述的一种连续视场激光近程探测前端装置，其特征在于，发射模块包括驱动电路板、激光器芯片、热沉、准直镜、扩束镜以及带有引脚的发射模块管壳；驱动电路的输入端与发射模块管壳的引脚连接，驱动电路的输出端连接设置在热沉上的激光器芯片；准直镜固定在激光器芯片的发射端；扩束镜与准直镜的输出镜面端对应。
7.根据权利要求5所述的一种连续视场激光近程探测前端装置，其特征在于，扩束镜为微型柱面阵列镜；该扩束镜的入射镜面采用波浪面结构，该阵列通过多组凹凸非球面镜的周期排列，通过与激光器芯片的位置关系对出射光束进行±45°～±50°方向的偏转和叠加，在弧矢面形成线形光斑。
8.根据权利要求1所述的一种连续视场激光近程探测前端装置，其特征在于，接收模块包括：接收光学系统、放大电路板、陶瓷载体、带绝缘子引脚的管壳和带机械固定孔的骨架；接收光学系统包括柱面反射透镜和探测器芯片；探测器芯片的光敏面设置在柱面反射透镜的光束聚焦点上；放大电路板设置在探测器芯片的输出端；放大电路板、探测器芯片和管壳引脚采用金丝键合的方式进行电气连接；探测器芯片粘接在陶瓷载体上，陶瓷载体粘接在管壳上；放大电路板烧结在封装管壳底部；柱面反射镜和管壳通过骨架的机械孔固定于骨架两侧。
9.根据权利要求8所述的一种连续视场激光近程探测前端装置，其特征在于，接收光学系统采用柱面反射透镜和探测器芯片结构；柱面反射透镜的入射面为平面，当子午面入射光线进入反射镜后，其后端的柱面内反射镜能将入射光进行线聚焦，并从透镜的出射面射出，线聚焦到探测器光敏面上；弧矢方向光线从入射面入射后，一部分光直接由柱面镜反射聚焦，剩余光先由对应的平面镜反射到柱面镜后，再由柱面镜线聚焦到探测器上；通过聚焦弧矢和子午光束形成薄扇形的接收视场。
10.根据权利要求1所述的一种连续视场激光近程探测前端装置，其特征在于，电串模块包括第一滤波电路、共模电路、隔离器以及第二滤波电路；第一滤波电路的输出端连接发射模块，输入端连接共模电路；共模电路的输入端通过隔离器与第二滤波电路的输入端连接，第二滤波电路的输出端连接接收模块，构成电串模块的电路结构。
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