CN117388820A - 激光发射模块及其制造方法、激光雷达装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及激光发射模块及其制造方法以及激光雷达装置。具体提供了一种激光发射模块。激光发射模块包括激光器模组和发射支架。激光器模组包括激光二极管(LD)芯片和驱动电路板。LD芯片被构造成响应于电驱动信号发射探测激光。驱动电路板被构造成向LD芯片提供电驱动信号。发射支架支撑激光器模组的LD芯片和驱动电路板。LD芯片产生的热量经由发射支架传导。驱动电路板被放置成偏离从LD芯片到发射支架的导热通路。

Description

激光发射模块及其制造方法、激光雷达装置

技术领域

本公开涉及激光传感领域，更具体地涉及激光发射模块及其制造方法以及具有该激光发射模块的激光雷达装置。

背景技术

激光传感是指利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点实现远距离测量。激光传感的测量对象通常包括长度、距离、振动、速度、方位以及物质浓度等。随着自动驾驶技术的蓬勃发展，一种激光传感器——激光雷达装置，又称为激光探测和测距(LiDAR或LADAR)装置——越来越受到人们关注。激光雷达装置通过向目标对象发射探测激光光束并接收从目标对象反射/散射回来的光束来测量目标对象的位置、速度等信息。

激光雷达装置的激光发射模块是至关重要的组成部分。激光发射模块的发光效率以及所发射光束的功率和发散角等参数直接决定了激光雷达装置的测距精度、测距范围等性能。在设计激光雷达的激光发射模块时，需要同时考虑光学效率、结构定位可实现度、散热、驱动信号通路等参数的兼容。合理的发射模块设计可以极大地提高激光雷达的性能和效率。

发明内容

本公开提供了一种激光发射模块、激光雷达装置以及用于制造激光发射模块的方法。该激光发射模块能够改善散热效果，提高光束稳定性并且降低装配难度。

本公开的一个方面涉及一种激光发射模块。激光发射模块包括激光器模组和发射支架。激光器模组包括激光二极管(LD)芯片和驱动电路板。LD芯片被构造成响应于电驱动信号发射探测激光。驱动电路板被构造成向LD芯片提供电驱动信号。发射支架支撑激光器模组的LD芯片和驱动电路板。LD芯片产生的热量经由发射支架传导。驱动电路板被放置成偏离从LD芯片到发射支架的导热通路。

在一些实施例中，激光发射模块还包括刚性导热基板。LD芯片被固定到刚性导热基板的第一侧。刚性导热基板的与第一侧相对的第二侧被固定到发射支架。驱动电路板被放置成偏离从LD芯片经由刚性导热基板到发射支架的导热通路。

在一些实施例中，刚性导热基板为陶瓷基板、氮化铝基板或氧化铝基板中的至少一种。

在一些实施例中，刚性导热基板基本上绝缘。

在一些实施例中，LD芯片经由刚性导热基板上的导电迹线接收来自驱动电路板的电驱动信号。

在一些实施例中，LD芯片和驱动电路板被定位发射支架的同一侧上。

在一些实施例中，驱动电路板与LD芯片在平行于同一侧的平面中间隔一定距离分布。

在一些实施例中，发射支架由金属材料制成。

在一些实施例中，驱动电路板可以包括树脂材料。

在一些实施例中，驱动电路板通过导线接合与LD芯片形成电气连接，以向LD芯片提供电驱动信号。

在一些实施例中，激光发射模块还包括光束整形光学器件，被构造成对由LD芯片发射的探测激光进行光束整形。发射支架还支撑光束整形光学器件。

本公开的另一个方面涉及一种激光雷达装置。激光雷达装置包括如前文所描述的激光发射模块、扫描器、激光接收模块和控制器。扫描器被配置为引导来自激光发射模块的探测激光以扫描目标对象。激光接收模块被配置为检测由目标对象反射的探测激光以输出电探测信号。控制器被配置为通信耦接并控制激光发射模块、扫描器和激光接收模块。

本公开的另一个方面涉及一种用于制造激光发射模块的方法。方法包括将LD芯片固定到发射支架，LD芯片用于响应于电驱动信号发射探测激光。方法还包括将驱动电路板固定到发射支架。驱动电路板用于产生电驱动信号。驱动电路板被放置为相对于LD芯片产生的热量从LD芯片传导到发射支架的导热通路偏离。方法还包括形成从驱动电路板到LD芯片的电气连接结构以传输电驱动信号。

在一些实施例中，将LD芯片固定到发射支架还包括：将LD芯片固定到刚性导热基板的第一侧，以及将刚性导热基板的与第一侧相对的第二侧固定到发射支架。驱动电路板被放置为相对于从LD芯片经由刚性导热基板到发射支架的导热通路偏离。

在一些实施例中，形成从驱动电路板到LD芯片的电气连接结构还包括：形成从驱动电路板到刚性导热基板的第一电气连接结构，以及形成从刚性导热基板到LD芯片的第二电气连接结构。

附图说明

下面结合具体的实施例，并参照附图，对本公开的上述和其它目的和优点做进一步的描述。在附图中，相同的或对应的技术特征或部件将采用相同或对应的附图标记来表示。

图1示出现有技术的激光发射模块的典型结构示意图；

图2A和图2B示出现有技术的激光器模组的两种典型结构示意图；

图3示出了根据本公开的实施例的激光发射模块的结构示意图；

图4示出了根据本公开的实施例的激光发射模块的结构示意图；

图5示出了根据本公开的实施例的激光发射模块形成用于传输电驱动信号的电气连接结构的一种示例性实现方式；

图6A和图6B分别示出了根据本公开的实施例的激光发射模块进一步包括光束整形光学器件的一个非限制性示例结构的立体图和俯视图；

图7示出了用于制造根据本公开的实施例的激光发射模块的方法的流程图；以及

图8示出了根据本公开的实施例的激光雷达装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。在以下描述中使用的词语和短语仅用于能够清楚一致地理解本公开。另外，为了清楚和简洁起见，可能省略了对公知的结构、功能和配置的描述。

激光发射模块一般有三类应用场景：激光通信、激光传感和激光加工。在激光通信领域，光源的功率相比其它两类应用场景较低，散热问题并不突出，而且由于不需要用于精确测量，对激光光束的定位和对准要求不高。在激光加工领域，光源的功率相比其它两类应用场景较高，散热需求较高，但同样对激光光束的定位和对准要求不高，因而一般可以通过加装散热结构来满足散热需求。但在激光传感领域，既存在光源散热需求，又要考虑光束定位和对准的问题。因此有必要设计能够并且适合用于激光传感应用领域的激光发射模块。下面结合图1和图2A-2B介绍现有激光发射模块的典型结构以及存在的相应问题。

图1示出了现有技术的激光发射模块的典型结构示意图。激光发射模块100沿着光路行进方向(即激光器所发射激光光束的光轴方向)依次包括激光器模组101和光学器件103。激光器模组101发射探测激光光束，经过一个或多个光学器件103的光学处理后射出。激光器模组101和光学器件103都直接或间接固定在发射支架102上。要使得光学器件103能够对激光器模组101发射的激光光束按照预期进行精确的光学处理，激光器模组101与光学器件103的对准至关重要。由于激光器模组101和光学器件103都安装在发射支架102上，因此激光器模组101和光学器件103中任何一者相对于发射支架102的相对位置发生变化都将影响对准的效果，进而造成激光发射模块100最终发出的光束的形状、位置或功率发生变化。若该激光发射模块100用于激光雷达，则会影响到测量的精度和范围。相比于通常为无源器件的光学器件103而言，激光器模组101作为有源器件，其工作状况更容易发生变化，从而更容易相对于发射支架102发生相对位置变化。因此往往希望激光器模组101能够为其中作为发光元件的激光二极管(LD)芯片提供稳定的结构支撑，确保LD芯片在不同工作条件下依然能保持位置稳定，从而确保发射的光束的稳定性。

激光器模组需要为LD芯片提供电驱动信号以促使发光，因而还包括提供电驱动信号的驱动电路板。此外，LD芯片作为高功率器件会产生热量，因此，激光器模组需要为LD芯片提供传导散热。

激光器模组101通常具有两种典型的实现结构，分别如图2A和图2B所示。在两种结构中，LD芯片都直接或间接安装在驱动电路板上，然后二者作为整体再安装到发射支架上。在图2A中，激光器模组包括三层结构，按照从远离发射支架203到靠近发射支架203的方向(图中为从上到下)依次包括LD芯片201、陶瓷基板204和驱动电路板202。在图2B中，激光器模组包括二层结构，即LD芯片201和驱动电路板202之间没有设置陶瓷基板204。在图2A和图2B中，驱动电路板202向LD芯片提供电驱动信号205。

现有的激光器模组的结构存在以下几点问题：

(1)散热路径长、热阻大。不论是两层结构还是三层结构，由于LD芯片始终是布置在驱动电路板上，来自LD芯片的热量一定会经过驱动电路板才能最终到达发射支架。驱动电路板成为散热通路上的瓶颈。这是因为，驱动电路板的纵向热导率往往非常低，致使热量大量积累在驱动电路板上。这将最终导致LD芯片温度过高，影响LD芯片的正常工作甚至导致失效。

(2)结构复杂、结构稳定性差。不论是两层结构还是三层结构，由于驱动电路板插置于LD芯片和发射支架之间，驱动电路板在温度变化时的体积变化最终都会影响LD芯片和发射支架的相对位置，进而影响LD芯片与发射支架上安装的光学器件的对准。由此引起的光路变动将最终影响光束形状、位置和功率。

(3)两层结构的激光器模组存在应力风险。如图2B所示，由于LD芯片和驱动电路板之间没有陶瓷基板，驱动电路板在水平方向(平行于驱动电路板和发射支架的安装面)上的膨胀或收缩会通过连接至LD芯片用于传输电驱动信号205的导线传递至LD芯片，导致LD芯片在不同温度下所受到的应力不同，由此引起LD芯片所发射激光光束的远场发散角发生变化，进而导致最终输出的光束的形状、位置和功率发生变化。

为了克服上述缺陷中的至少一者，本公开提出了具有不同结构的激光发射模块。在该激光发射模块中，用于为LD芯片提供电驱动信号的驱动电路板偏离从LD芯片到发射支架的导热通路，即不再被设置在从LD芯片到发射支架的导热通路上。这样，驱动电路板不再是散热瓶颈。同时，也消除或减轻了驱动电路板由于热量积累发生体积变化而最终影响LD芯片与发射支架的相对位置以及驱动电路板的水平形变造成LD芯片所受到的应力发生变化而影响激光光束的问题。根据本公开的激光发射模块尤其可以适用于激光传感领域。

图3示出了根据本公开的实施例的激光发射模块300的结构示意图。激光发射模块300包括激光器模组和发射支架303。激光器模组用于发射探测激光，发射支架303用于支撑激光器模组。具体地，激光器模组可以包括LD芯片301和驱动电路板302。

LD芯片301用于响应于电驱动信号305发射探测激光。LD芯片301可以是各种半导体激光器芯片，包括但不限于：边发射激光器(诸如法布里玻罗(FP)腔激光器、分布式反馈(DFB)激光器等)和面发射激光器(诸如垂直腔型面发射(VCSEL)激光器等)。LD芯片301所发射的探测激光可以是脉冲光、连续光或准连续光中的任何一种。探测激光的工作波长可以是任何光波波长，包括例如650nm至1150nm、800nm至1000nm、850nm至950nm或者1300nm至1600nm。在应用于激光雷达装置时，LD芯片的工作波长例如可以是905nm和1550nm。在一些实施例中，LD芯片301可以是不带封装结构的。在这种情况下，LD芯片301较容易由于与其接触的其它结构的应力而影响发光。

驱动电路板302用于为LD芯片301提供电驱动信号305。在一些实施例中，驱动电路板302可以包括树脂材料。具体地，驱动电路板302可以基于由介电层和导体构成的复合材料。介电层的典型示例包括树脂材料和玻璃纤维，树脂材料可以包括但不限于：酚醛树脂、环氧树脂、聚亚酰胺树脂和聚四氟乙烯(PTFE或TEFLON)等热固性树脂。导体的示例可以包括铜箔。在一些实施例中，驱动电路板302可以是印刷电路板(PCB)，其在介电基板上设置有用于产生和传输电驱动信号305的集成电路布线。由于其材料和结构组成，驱动电路板302可以具有较高的热膨胀系数，特别是在水平方向(即平行于板平面的方向)上具有较高的热膨胀系数，而且具有较低的热导率，尤其是在纵向(即垂直于板平面的方向)上热导率非常低。

驱动电路板302可以通过诸如导线接合(wire bonding)、管芯接合(die bonding)等的各种电气连接结构来将电驱动信号305传输给LD芯片301。在一些实施例中，LD芯片301上设有正(P)电极和负(N)电极，相应地驱动电路板302上也设有P端子和N端子。P端子和N端子通过导线接合分别与P电极和N电极连接。导线接合可以使用各种导体线缆，包括但不限于金、铜和铝等。在另一些实施例中，LD芯片301和驱动电路板都可以使用导电接合剂通过管芯接合方式粘接/焊接到发射支架，并且发射支架为导电材料。LD芯片301的N电极和驱动电路板302的N端子都通过导电接合剂连接到导电发射支架，由此在LD芯片302和驱动电路板302之间形成负极互联。而LD芯片301的P电极仍然通过导线接合方式连接到驱动电路板302的P端子，即形成正极互联。

发射支架303用于支撑激光器模组的LD芯片301和驱动电路板302。发射支架303还可以用于支撑激光器模组的任何其它部件。发射支架303支撑LD芯片301/驱动电路板302可以包括直接支撑和通过其它居中组件来间接支撑的情形。发射支架303可以具有能够支撑LD芯片和驱动电路板302的任何合适的形状。在一些实施例中，发射支架303可以至少部分包括平面基板或基座。在进一步的或者替代的实施例中，发射支架303可以包括凸台、卡槽等限位/对准结构。在一些实施例中，发射支架303或其至少一部分可以是激光发射模块或者甚至是包括激光发射模块的更大的光学装置(例如激光传感器或激光雷达装置)的外壳的一部分。发射支架303可以一体式形成，也可以由一个或多个子支架通过机械连接组合而成。例如，LD芯片301和驱动电路板302可以分别设置在第一子支架和第二子支架上，第一子支架和第二子支架并非一体形成，但通过焊接、铆接、卡扣、锁定等机械连接方式固定在一起，因而也可以作为整体视为发射支架303。发射支架303可以由诸如铝、金、铜等的金属材料制成。发射支架303的热导率可以较高，例如高于LD芯片和驱动电路板，因而适宜作为散热组件。发射支架303的热膨胀系数相对较低，例如可以低于驱动电路板302，但在一些情况下可以高于LD芯片301。此外，发射支架303的刚性较强，例如可以高于LD芯片和驱动电路板。

由于发射支架303的导热率较高，适宜作为散热组件，因此可以将LD芯片放置在发射支架303一侧上，使得LD芯片产生的热量能够传导到发射支架303上并耗散出去。由此形成了从LD芯片301到发射支架303的导热通路306。在一些实施例中，LD芯片301可以直接放置在发射支架303上，即，中间不设有其它组件。但应注意，这里所说的LD芯片301直接放置在发射支架303的情形可以包括如前面所述的LD芯片301通过导电接合剂连接到发射支架303的情形，也可以包括为了提高电磁兼容性而在LD芯片301和发射支架303之间设置一层(通常厚度较小)介电材料的情形。换言之，“直接放置”并不排除LD芯片301和发射支架303之间设有一层薄(相对于LD芯片或发射支架的尺寸而言)的材料。在一些实施例中，LD芯片301可以经由其它居中组件间接放置在发射支架303上。其它居中组件可以是能够导热的任何组件，包括各种结构的散热器、导热基板等。例如，如后面将结合图4详细介绍的，LD芯片301可以经由刚性导热基板而设置到发射支架一侧上。不论“直接放置”还是“间接放置”，LD芯片301产生的热量的至少一部分(很多情况下是绝大部分)都最终经由发射支架303耗散出去。此外，从LD芯片301到发射支架303的导热通路306可以并不终止于发射支架303，而是可以包括从LD芯片到发射支架303的连线的延长线。这是因为，如果一个导热组件放置在该延长线上，则传导到发射支架303的热量将经由该导热组件继续传导，此时该导热组件也将构成该导热通路的一部分。

驱动电路板302被放置成相对于从LD芯片301到发射支架303的导热通路306偏离。“偏离”可以意味着导热通路306不途径驱动电路板302，或者驱动电路板302与导热通路306间隔一定距离。在一些实施例中，LD芯片301可以与驱动电路板302被定位在发射支架303的同一侧上(如图3所示)。在另一些实施例中，LD芯片301可以与驱动电路板302被定位在发射支架303的不同侧上。例如LD芯片301可以在发射支架303的正面，而驱动电路板302可以在发射支架303的背面。在LD芯片301与驱动电路板302位于发射支架同一侧的情形中，LD芯片301与驱动电路板302在平行于该同一侧的平面中间隔一定距离(记为d)分布，即驱动电路板302与LD芯片301不接触。

与现有的激光发射模块结构相比，将驱动电路板从LD芯片到发射支架的导热通路移除，散热路径缩短并且缓解了驱动电路板作为散热瓶颈的问题。从而可以使LD芯片工作在较低的温度下，以避免LD芯片由于高温引起的功率下降、发散角变化、寿命缩短等问题。而且，将驱动电路板偏离导热通路，驱动电路板所受到的热量影响减小，驱动电路板将更少地由于热量积累而发生故障，而且也将更少地影响LD芯片与发射支架上可能安装的光学器件的对准以及更少地将温度引发的应力变化传递到LD芯片而影响LD芯片的工作，由此提高了光路的稳定性。此外，相比目前激光发射模块中将LD芯片安装在驱动电路板上、再将驱动电路板安装在发射支架上的普遍做法，将LD芯片不经由驱动电路板而放置在发射支架上还简化了装配流程，提高了定位精度。

在进一步的实施例中，为了减少LD芯片所受应力变化的影响，可以在发射支架和LD芯片之间设置刚性导热基板。图4示出了根据本公开的实施例的激光发射模块400的结构示意图。激光发射模块400在LD芯片401和发射支架403之间设置有刚性导热基板404。刚性导热基板404可以至少部分地为平面板状结构，该平面结构部分包括平行于LD芯片401与发射支架403的安装平面的第一侧和与第一侧相对的第二侧。具体地，LD芯片401被固定到刚性导热基板404的第一侧，而刚性导热基板404的第二侧被固定到发射支架403。LD芯片401、驱动电路板402、发射支架403以及电驱动信号405的特性与图3中相应的LD芯片301、驱动电路板302、发射支架303以及电驱动信号305基本一致，在此不做赘述。下面主要介绍与图3不同的方面。

一方面，刚性导热基板404具有良好的导热性，因此不会影响LD芯片401向发射支架403传导热量。刚性导热基板将构成导热通路406的一部分，即形成从LD芯片401经由刚性导热基板404到发射支架403的导热通路406。另一方面，刚性导热基板404相比LD芯片401具有较高的刚性，能够抵御其它组件因温度变化引起的应力变化对LD芯片的影响。

与图3相同，在图4中驱动电路板402同样被放置成偏离导热通路406。在一些实施例中，刚性导热基板404的占地面积(footprint)大于LD芯片401的占地面积。驱动电路板402可以与LD芯片401设置在发射支架403的同一侧或者不同侧上。在驱动电路板402与LD芯片401在发射支架403同一侧并且刚性导热基板404的占地面积大于LD芯片401的占地面积的情形下，驱动电路板402与刚性导热基板404在平行于该同一侧的平面中间隔一定距离(记为d’)。

在一些实施例中，刚性导热基板404基本上绝缘。与图3的激光发射模块300中如果LD芯片301通过导电接合剂直接连接到发射支架的情形或者与刚性导热基板404采用导电材料制成的情形相比，在LD芯片401和发射支架406之间设置绝缘的刚性导热基板404可以改善诸如静电之类的电磁兼容问题。刚性导热基板404可以为陶瓷基板、氮化铝基板或氧化铝基板中的至少一种。

在激光发射模块400中，为了让驱动电路板402能够向LD芯片401提供电驱动信号405，可以在驱动电路板402和LD芯片401之间利用导线接合或管芯接合形成各种类型的电气连接结构。例如，与前面结合图3描述的一样，LD芯片401可以与驱动电路板402通过导线接合来形成正极互联和负极互联。或者，LD芯片401可以经由导电的刚性导热基板404和发射支架403并在这些器件之间使用导电接合剂来形成到驱动电路板402的负极互联，并使用导线接合来形成到驱动电路板402的正极互联。

在一些实施例中，可以利用刚性导热基板404上的导电迹线来形成驱动电路板402和LD芯片401之间的电气连接结构以传输电驱动信号405。图5示出了图4的激光发射模块400形成用于传输电驱动信号405的电气连接结构的一种示例性实现方式。LD芯片401通过管芯接合方式固定到刚性导热基板404。一方面，LD芯片401与刚性导热基板404之间通过导电接合剂405c(诸如金锡共晶焊料、导电银胶等)焊接/粘接，由此将LD芯片401的一个极性的电极(以N电极为例)引到刚性导热基板404上。刚性导热基板404上的第一导电迹线将N电极延伸，并通过导线接合405d连接到驱动电路板402上的N端子。另一方面，LD芯片的另一个极性的电极(相对地为P电极)通过导线接合405a引至刚性导热基板404，刚性导热基板404上的第二导电迹线将P电极延伸，并通过导线接合405b连接到驱动电路板402上的P端子。由此，导线接合405a、刚性导热基板404上的第二些导电迹线以及导线接合405b构成了LD芯片401与驱动电路板402之间的正极互联。用于管芯接合的导电接合剂405c、刚性导热基板404上的第一导电迹线以及导线接合405d构成了LD芯片401与驱动电路板402之间的负极互联。第一导电迹线和第二导电迹线各自的至少一部分可以位于刚性导热基板404的表面上。进一步地，第一导电迹线和第二导电迹线可以分别位于刚性导热基板404的以LD芯片为居中的两侧上，并且驱动电路板围绕LD芯片的该两侧定位，以使得正极互联和负极互联之间有足够的间隔距离，防止短路，而且导线接合的距离尽可能更短。

返回到图4，LD芯片401与刚性导热基板404、刚性导热基板404与发射支架403之间以及驱动电路板402与发射支架403之间可以通过各种导电/不导电接合剂以焊接或粘接方式连接。例如，LD芯片401可以使用金锡共晶焊料、导电银胶等焊接或粘接到刚性导热基板404。刚性导热基板404可以采用低温焊料、导电银胶等粘接到发射支架403。驱动电路板402可以使用各种有机胶水粘接到发射支架403。为了提高各个组件连接时的对准精度，可以采用如下手段：设置对准/定位标记、使用高精度贴片机和/或设置定位结构(例如凸台、凹槽)等。

在一些实施例中，激光发射模块还可以包括光束整形光学器件，用于对LD芯片发射的探测激光进行光束整形。在一些实施例中，光束整形光学器件可以将LD芯片发出的具有一定发散角的探测激光光束整形为准直光或者具有一定发散角的光束。在进一步或替代性的实施例中，光束整形光学器件也可以对探测激光光束进行聚焦。光束整形光学器件可以包括但不限于：聚焦和/或准直光学透镜(组)；和/或光阑。与激光器模组的LD芯片和驱动电路板一样，光束整形光学器件也可以由发射支架支撑。由于LD芯片和光束整形光学器件均由发射支架支撑，而且将容易受温度影响发生体积变化的驱动电路板从LD芯片和发射支架之间移除，随着温度变化，LD芯片和光束整形光学器件相对于发射支架的位移将可以相互抵消，从而间接保证了LD芯片和光束整形光学器件的持续对准，提高了光路的稳定性。

图6A和图6B分别示出了图4的激光发射模块400进一步包括光束整形光学器件的一个非限制性示例结构的立体图和俯视图。LD芯片601、驱动电路板602、发射支架603和刚性导热基板604分别对应图4中的LD芯片301、驱动电路板302、发射支架303和刚性导热基板304。在图6A和图6B中，LD芯片601设置在刚性导热基板604上，并且驱动电路板602部分环绕刚性导热基板604设置。LD芯片601为边发射激光器，其激光发射方向与激光二极管的衬底表面平行。在图6A和图6B的示例中，光束整形光学器件可以包括两组光学透镜608和光阑609。作为非限制性示例，两组光学透镜608可以分别用于实现快轴准直和慢轴准直；光阑609可以对激光光束的光斑的边缘进行修整，滤除杂散光。LD芯片601、驱动电路板602、刚性导热基板604、光学透镜608和光阑609均由发射支架603支撑。由于驱动电路板602不再位于LD芯片601和发射支架603之间，不会由于其热胀冷缩而使得LD芯片相对于发射支架603发生相对位置变化，而且LD芯片601和光学透镜608和光阑609所经受的位移可以相互抵消，因而保证了光路的稳定性。

为了帮助LD芯片与光学器件的对准，发射支架603上可以设置各种定位/限位/对准结构。例如，LD芯片601、驱动电路板602和刚性导热基板604可以通过发射支架603上的凹槽或凸台定位。光学透镜608和光阑609可以通过V型限位槽定位。

在一个或多个实施例中，LD芯片601和刚性导热基板604被固定到发射支架603的凸台上。如前所述，该固定例如可以采用低温焊料、导电银胶等粘接手段。在固定过程中，刚性导热基板604的棱边可以匹配凸台的侧边，从而保证刚性导热基板604上的LD芯片601相对于发射支架603的位置和角度，进而保证LD芯片出光光轴的方向和角度。在LD芯片601和刚性导热基板604固定完毕后，会进行LD芯片601与驱动电路板602之间的导线接合，如前面结合图3和图4所描述的。可以通过控制凸台的高度和位置来减小LD芯片601(以及刚性导热基板604)与驱动电路板602之间导线接合所需要的打线长度，从而降低打线长度对LD芯片的光源脉宽的影响。凸台的高度可以被设计为使得：在刚性导热基板604被固定在发射支架603的凸台后，刚性导热基板604与驱动电路板602的上表面高度一致。由此，基本省去了在垂直方向的打线长度，打线基本只在水平方向横跨刚性导热基板604和驱动电路板602。在减小了垂直方向的打线长度后，还可以进一步减小水平方向的打线长度。驱动电路板602可以通过发射支架603上的若干销柱在发射支架603上定位。在加工发射支架603时，对固定驱动电路板602的销柱与凸台的相互垂直的第一侧面和第二侧面之间的形位公差进行管控。例如，凸台可以是矩形形状，则第一侧面和第二侧面为矩形的长边和宽边。进一步地，驱动电路板602在于刚性导热基板604和LD芯片601对应的位置处也可以预留凹槽，凹槽与凸台的空隙会进行尺寸链的计算分析，保证在实际物料极值情况下，也不会出现驱动电路板602与凸台发生尺寸干扰的问题，进而保证驱动电路板与刚性导热基板604和LD芯片601的打线位置的对应性，减少打线长度，降低打线长度对LD芯片的光源脉宽的影响。

虽然图6A和图6B示出的是边发射激光器类型的激光器模组与光学器件的对准方式，但相关技术人员能够认识到，本公开的技术也可以适用于面发射激光器类型的激光器模组。此时只需要使得发射支架的用于支撑激光器模组的第一部分与发射支架的用于支撑光束整形光学器件的第二部分正交，那么从激光器模组中的LD芯片以面发射方式发射的激光光束将正交于发射支架的第一部分射出，从而使得激光光束平行于发射支架的第二部分以及第二部分上支撑的各个光学器件，因而仍然有可能进行对准。而在激光发射模块内，应用本公开的技术，驱动电路板偏离从面发射类型的LD芯片到发射支架的第一部分的导热通路，因而仍然能够改善散热效果，提高LD芯片的工作稳定性。

图7示出了用于制造根据本公开的实施例的激光发射模块的方法700的流程图。方法700可用于制造如前所述的激光发射模块300、激光发射模块400以及根据本公开的实施例的任何其它激光发射模块。图7主要涉及方法的流程步骤，对于在方法700中所涉及的各个组件的具体特征，可以参照前文结合图3-6的描述，在此不做赘述。

在步骤702中，将用于响应于电驱动信号发射探测激光的LD芯片固定到发射支架。将LD芯片固定到发射支架可以包括LD芯片直接放置在发射支架上，也可以包括将LD芯片经由其它居中组件间接放置在发射支架上。LD芯片可以通过各种导电/不导电接合剂以焊接或粘接等方式固定到发射支架上。导电接合剂例如可以包括金锡共晶焊料、导电银胶等。不导电接合剂例如可以是有机胶水。为了帮助LD芯片被精确定位到发射支架上的合适位置，以方便后续与其它光学器件的对准，发射支架上还可以设有对准/定位标记或者定位机构(例如凸台、凹槽等)。可以使用高精度贴片机将LD芯片贴装到发射支架上。

在步骤704中，将产生用于LD芯片的电驱动信号的驱动电路板固定到发射支架，并且驱动电路板被放置为相对于LD芯片产生的热量从LD芯片传导到发射支架的导热通路偏离。将驱动电路板固定到发射支架可以包括驱动电路板直接放置在发射支架上，也可以包括将驱动电路板经由其它居中组件间接放置在发射支架上。驱动电路板可以通过各种导电/不导电接合剂以焊接或粘接等方式固定到发射支架上。导电接合剂例如可以包括金锡共晶焊料、导电银胶等。不导电接合剂例如可以是有机胶水。为了帮助驱动电路板被精确定位到发射支架上的合适位置，以方便后续与其它光学器件的对准，发射支架上还可以设有对准/定位标记或者定位机构(例如凸台、凹槽等)。可以使用高精度贴片机将驱动电路板贴装到发射支架上。在一些实施例中，驱动电路板可以与LD芯片设置在发射支架的同一侧上。此时，LD芯片可以与驱动电路板在平行于该同一侧的平面中间隔一定距离分布，即驱动电路板与LD芯片不接触。

在步骤706中，形成到驱动电路板到LD芯片的电气连接结构以传输电驱动信号。电气连接结构可以包括直接从驱动电路板到LD芯片的导线接合。导线接合可以使用各种导体线缆，包括但不限于金、铜和铝等。电气连接结构还可以包括LD芯片和驱动电路板都以管芯接合方式连接到导电的发射支架的间接途径。电气连接结构可以包括正极互联和负极互联。正极互联和负极互联可以采用相同或不同的接合方式(导线接合、管芯接合或其组合)来实现。

在一些实施例中，激光发射模块还可以在LD芯片和发射支架之间包括刚性导热基板。刚性导热基板例如可以是图4中描述的刚性导热基板404。相应地，步骤702还可以进一步包括：将LD芯片固定到刚性导热基板的第一侧，将刚性导热基板的与第一侧相对的第二侧固定到发射支架。此时导热通路包括从LD芯片经由刚性导热基板到发射支架的路径。在步骤704中将驱动电路板固定到发射支架时，驱动电路板仍然相对于导热通路偏离。在刚性导热基板的占地面积大于LD芯片的占地面积的情况下，驱动电路板与刚性导热基板不接触并且相距一定距离。相应地，步骤706具体地包括：形成从驱动电路板到刚性导热基板的第一电气连接结构，以及形成从刚性导热基板到LD芯片的第二电气连接结构。在一些实施例中，可以在刚性导热基板上形成第一导电迹线和第二导电迹线，相应地，第一电气连接结构包括第一导电迹线，第二电气连接结构包括第二导电迹线。第一导电迹线和第二导电迹线可以至少部分地在刚性导热基板的表面上。在一些实施例中，可以从驱动电路板的P端子经由导线接合连接到第一导电迹线，第一导电迹线经由导线接合连接到LD芯片的P电极，由此形成第一电气连接结构作为正极互联；并且可以从驱动电路板的N端子经由导线接合连接到第二导电迹线，第二导电迹线经由管芯接合连接到LD芯片的N电极，由此形成第二电气连接结构作为负极互联。

图8示出了根据本公开的实施例的激光雷达装置800，其采用了根据本公开的实施例的激光发射模块作为光源。激光雷达装置800可以包括激光发射模块802、扫描器804、激光接收模块806和控制器808。

激光发射模块802发出探测激光光束，用于对目标对象120进行扫描。激光发射模块802可以是如前所述的激光发射模块300、激光发射模块400以及根据本公开的实施例的任何其它激光发射模块。激光雷达装置800可以包括一个或多个这样的激光发射模块802。

扫描器804用于使来自激光发射模块802的探测激光光束的方向发生偏转，以对目标对象820进行扫描，实现更宽的发射视场或扫描视场。扫描器804可以由任意数量的驱动器驱动的任意数量的光学镜子。例如，扫描器804可以包括平面反射镜、棱镜、机械振镜、偏振光栅、光学相控阵(OPA)、微电机系统(MEMS)振镜。对于MEMS振镜，反射镜面在静电/压电/电磁驱动下在一维或二维方向上发生旋转或平移。在驱动器的驱动下，扫描器804将来自激光发射模块802的光束引导至视场内的各个位置，以实现对视场的扫描。

光束从目标对象820反射后，一部分反射光返回到激光雷达装置800，并由激光接收模块806接收。激光接收模块806接收并检测来自目标对象820的反射光的一部分并产生对应的电信号。激光接收模块806可以包括接收单元和相关联的接收电路。每个接收电路可以用于处理相应的接收单元的输出电信号。接收单元包括各种形式的光电探测器或光电探测器一维或二维阵列，相应地，接收电路可以为一个电路或多个电路的阵列。光电探测器测量反射光的功率、相位或时间特性，并产生相应的电流输出。光电探测器可以是雪崩二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)、PN型光电二极管或PIN型光电二极管。

控制器808与激光发射模块802、扫描器804、激光接收模块806中的一个或多个通信耦接。控制器808可以控制激光发射模块802是否以及何时发射光束。控制器808可以控制扫描器804将光束扫描至具体的位置。控制器808可以处理和分析由激光接收模块806输出的电信号，以最终确定目标对象820的位置、速度等特征。控制器808可以包括集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、微芯片、微控制器、中央处理器、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其它适合执行指令或实现逻辑操作的电路。由控制器808执行的指令可以被预加载到集成或单独的存储器(未示出)中。存储器可以存储用于激光发射模块802、扫描器804或激光接收模块806的配置数据或命令。存储器也可以存储从激光接收模块806输出的电信号或者基于输出电信号的分析结果。存储器可以包括随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘、光盘、磁盘、闪存存储器或其它易失性或非易失性存储器等。控制器808可以包括单个或多个处理电路。在多个处理电路的情况下，各处理电路可以具有相同或不同的构造，彼此间通过电、磁、光、声、机械等方式交互或者协同操作。

在一个或多个实施例中，激光雷达装置800还可以包括发射透镜810。发射透镜810可以用于对由激光发射模块802发射并由扫描器804转向的光束进行扩束。发射透镜810可以包括衍射光学元件(DOE)，用于对光束进行整形、分离或扩散。发射透镜810可以单独存在，也可以集成到其它部件(例如扫描器804或激光发射模块802)中。发射透镜810在从光源到目标对象的发射光路中的位置不限于图8中所示，而是可以变更到其它位置。例如，发射透镜可以被布置在激光发射模块802和扫描器804之间，这样光源802发出的光束先经过发射透镜扩束后再被扫描器转向。

在一个或多个实施例中，激光雷达装置800还可以包括接收透镜812。接收透镜812在发射光从目标对象820到激光接收模块806的接收路径上位于激光接收模块806之前。接收透镜812可以包括成像系统透镜，以使得反射光束的焦点在光电探测器或光电探测器阵列的探测表面的前方或后方或者正好位于探测表面之上。在一些情况下，代替作为单独的部件存在，接收透镜812也可以被集成到激光接收模块806中。

在一个或多个实施例中，激光雷达装置100还可以包括外壳814，用于将前述部件中的一个或多个包封在其中以进行保护。在一些实施例中，外壳814为不透明材料，并且外壳814上可以开设透明区域或窗口816以允许发射光束或反射光束通过。在另一些实施例中，外壳814自身为透明材料，由此允许发射光束或反射光束从任意位置通过。在一些实施例中，激光发射模块802中的发射支架可以是外壳814的一部分。

激光雷达装置800可以包括同轴光学收发系统或非同轴光学收发系统。同轴光学收发系统是指从激光发射模块802到目标对象820的发射路径与从目标对象820到激光接收模块806的接收路径至少部分重叠。例如，与图8所示不同，反射光束可以反向经由扫描器804后到达激光接收模块806。非同轴光学收发系统是指从激光发射模块802到目标对象820的发射路径与从目标对象820到激光接收模块806的接收路径没有重叠部分。例如，如图8所示，反射光束并没有再经由扫描器804到达激光接收模块806。

在本公开中，流程图中所描述的步骤不仅包括以所述顺序按时间序列执行的处理，而且包括并行地或单独地而不是必须按时间序列执行的处理。此外，甚至在按时间序列处理的步骤中，也可以适当地改变该顺序。

本公开中的术语“中心”、“上”、“下”、“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，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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实施例的限制。

本公开中的术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包括，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。

此外，技术术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。提及的“第一”组件不必然要求提供“第二”组件。此外，除非明确指示，否则“第一”或“第二”组件不表示将提及的组件限制于特定顺序。

在本公开的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。术语“或”表示包括性的“或”，而非排除性的“或”。术语“基于”意指“至少部分基于”。

在本公开的描述中，除非另有明确限定，技术术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，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或两个元件的相互作用关系。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在本发明实施例中的具体含义。

在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。

最后应说明的是：尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (15)

1.一种激光发射模块，所述激光发射模块包括：

激光器模组，包括：

激光二极管(LD)芯片，被构造成响应于电驱动信号发射探测激光；和

驱动电路板，被构造成向所述LD芯片提供所述电驱动信号；和

发射支架，所述发射支架支撑所述激光器模组的LD芯片和驱动电路板，

其中所述LD芯片产生的热量经由所述发射支架传导，并且所述驱动电路板被放置成偏离从所述LD芯片到所述发射支架的导热通路。

2.根据权利要求1所述的激光发射模块，还包括：

刚性导热基板，其中所述LD芯片被固定到所述刚性导热基板的第一侧，所述刚性导热基板的与第一侧相对的第二侧被固定到所述发射支架，

其中所述驱动电路板被放置成偏离从所述LD芯片经由所述刚性导热基板到所述发射支架的导热通路。

3.根据权利要求2所述的激光发射模块，其中所述刚性导热基板为陶瓷基板、氮化铝基板或氧化铝基板中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的激光发射模块，其中所述刚性导热基板基本上绝缘。

5.根据权利要求2-4中的任一项所述的激光发射模块，其中所述LD芯片经由所述刚性导热基板上的导电迹线接收来自所述驱动电路板的电驱动信号。

6.根据权利要求1所述的激光发射模块，其中所述LD芯片和所述驱动电路板被定位所述发射支架的同一侧上。

7.根据权利要求6所述的激光发射模块，其中所述驱动电路板与所述LD芯片在平行于所述同一侧的平面中间隔一定距离分布。

8.根据权利要求1所述的激光发射模块，其中所述发射支架由金属材料制成。

9.根据权利要求1所述的激光发射模块，其中所述驱动电路板包括树脂材料。

10.根据权利要求1所述的激光发射模块，其中所述驱动电路板通过导线接合与所述LD芯片形成电气连接，以向所述LD芯片提供所述电驱动信号。

11.根据权利要求1所述的激光发射模块，还包括：

光束整形光学器件，所述光束整形光学器件对由所述LD芯片发射的探测激光进行光束整形，

其中，所述发射支架还支撑所述光束整形光学器件。

12.一种激光雷达装置，包括：

根据权利要求1-11中任一项所述的激光发射模块；

扫描器，被配置为引导来自所述激光发射模块的所述探测激光以扫描目标对象；

激光接收模块，被配置为检测由所述目标对象反射的探测激光以输出电探测信号；和

控制器，被配置为通信耦接并控制所述激光发射模块、所述扫描器和所述激光接收模块。

13.一种用于制造激光发射模块的方法，所述方法包括：

将激光二极管(LD)芯片固定到发射支架，所述LD芯片用于响应于电驱动信号发射探测激光；

将驱动电路板固定到所述发射支架，所述驱动电路板用于产生所述电驱动信号，所述驱动电路板被放置为相对于所述LD芯片产生的热量从所述LD芯片传导到所述发射支架的导热通路偏离；以及

形成从所述驱动电路板到所述LD芯片的电气连接结构以传输所述电驱动信号。

14.根据权利要求13所述的方法，其中将LD芯片固定到发射支架还包括：

将所述LD芯片固定到刚性导热基板的第一侧；以及

将刚性导热基板的与第一侧相对的第二侧固定到所述发射支架，

其中所述驱动电路板被放置为相对于从所述LD芯片经由所述刚性导热基板到所述发射支架的导热通路偏离。

15.根据权利要求14所述的方法，其中形成从所述驱动电路板到所述LD芯片的电气连接结构还包括：

形成从所述驱动电路板到所述刚性导热基板的第一电气连接结构；以及

形成从所述刚性导热基板到所述LD芯片的第二电气连接结构。