CN118033595A - 光学装置及激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光学装置及激光雷达系统，涉及光学技术领域，包括底座和底座连接的激光光源，以及设置在底座上光学模组,光学模组包括至少两个光学元件，激光光源朝向光学模组出射光束以形成光斑；光学装置还包括补偿结构，至少两个光学元件通过补偿结构沿第一方向固定于底座上，以补偿至少两个光学元件沿光轴方向的相对距离，第一方向为对光斑的发散角和指向性指标不敏感的方向。通过补偿结构以对至少两个光学元件沿光轴方向之间的由于高低温产生的距离变化进行补偿，既解决了发散角在高低温下超差的问题，亦阻碍了底座在高低温下发生较大形变使光学模组指向性发生较大变化量而影响光学模组的性能。

Description

光学装置及激光雷达系统

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种光学装置及激光雷达系统。

背景技术

在激光雷达发射模组设计时，为实现高低温下激光光束发散角及指向性的稳定性，一般会通过将所有光学件及半导体激光器安装到同一材料的底座上。这种情况下，对底座材料的选择比较单一，且成本昂贵。且当光学模组中有至少两个光学元件时，光学模组中的两个光学元件之间的距离变化会直接影响激光光束的发散角以及指向性，而底座一般为高热膨胀系数的铝合金，在高低温条件下，铝合金底座会产生较大的热膨胀量导致两个光学元件之间的距离产生较大变化量，使激光光束发散角和指向性不稳定。

发明内容

本申请的目的在于提供一种光学装置及激光雷达系统，旨在解决现有技术中由于高低温变化导致激光光束发散角和指向性不稳定的技术问题。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请的一方面，提供一种光学装置，包括底座和所述底座连接的激光光源，以及设置在所述底座上光学模组, 所述光学模组包括至少两个光学元件，所述激光光源朝向所述光学模组出射光束以形成光斑；所述光学装置还包括补偿结构，至少两个所述光学元件通过所述补偿结构沿第一方向固定于所述底座上，以补偿至少两个所述光学元件沿光轴方向的相对距离，所述第一方向为对所述光斑的发散角和指向性指标不敏感的方向。

在一个可能的实现中，所述补偿结构为与至少两个所述光学元件对应设置的支撑件，所述支撑件的材料为铁镍合金或陶瓷。

在一个可能的实现中，所述补偿结构为与至少两个所述光学元件对应设置的支撑件，所述支撑件通过陶瓷基复合材料钣金冲压成型。

在一个可能的实现中，所述补偿结构为半导体制冷器，所述激光光源设置于电路板上，所述光学模组通过所述底座和所述电路板连接，所述电路板和所述半导体制冷器连接。

在一个可能的实现中，所述光学模组设置于所述激光光源的出光侧，所述底座和所述激光光源均位于所述电路板的一侧，所述半导体制冷器位于所述电路板的另一侧。

在一个可能的实现中，所述激光光源均位于所述电路板的一侧，所述底座和所述半导体制冷器位于所述电路板的另一侧，所述底座和所述半导体制冷器之间有间隙。

在一个可能的实现中，所述激光光源为多通道边发射激光器。

本申请的第二个方面，提供一种激光雷达系统，包括上述的光学装置。

本申请的有益效果包括：本申请实施例提供的光学装置及激光雷达系统，包括底座和底座连接的激光光源，以及设置在底座上光学模组, 光学模组包括至少两个光学元件，激光光源朝向光学模组出射光束以形成光斑；光学装置还包括补偿结构，至少两个光学元件通过补偿结构沿第一方向固定于底座上，以补偿至少两个光学元件沿光轴方向的相对距离，第一方向为对光斑的发散角和指向性指标不敏感的方向。通过补偿结构以对至少两个光学元件沿光轴方向之间的由于高低温产生的距离变化进行补偿，既解决了发散角在高低温下超差的问题，亦阻碍了底座在高低温下发生较大形变使光学模组指向性发生较大变化量而影响光学模组的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的某些实施例，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-图4是本申请实施例提供的光学装置的补偿结构的其中四种实施例结构示意图。

图标：10-激光光源；100-光学模组；100a-底座；300-光学元件；500-底座；501-支撑件；502-电路板；503-半导体制冷器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

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。

在本申请的描述中，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申请和简化描述，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申请的限制。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。

在本申请的描述中，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申请中的具体含义。

为实现高低温下激光光束的发散角及指向性的稳定性，本申请实施例采用在影响激光光束的发散角和指向性的光学相关件上，采用较低热膨胀系数的材料或复合材料（这些材料可以是铁镍合金，氧化铝陶瓷，氮化铝陶瓷，CMC，CPC等复合材料），对光学指标进行匹配，匹配形成光学小模组，再安装到底座500上。这样的方式可以使成本在少量增加的基础上，使激光光束的发散角和指向性在高低温条件下更加稳定。

由此，参照图1所示，本申请实施例的第一方面提供一种光学装置，包括底座500和底座500连接的激光光源10，以及设置在底座500上光学模组100, 光学模组100包括至少两个光学元件300，激光光源10朝向光学模组100出射光束以形成光斑；其中，进一步地，激光光源10为多通道边发射激光器。

光学装置还包括补偿结构，至少两个光学元件300通过补偿结构沿第一方向固定于底座500上，以补偿至少两个光学元件300沿光轴方向的相对距离，第一方向为对光斑的发散角和指向性指标不敏感的方向。

至少两个光学元件300之间的距离变化会直接影响激光光束的发散角以及指向性，而当底座500材料为高热膨胀系数的铝合金时，在高低温条件下，铝合金的底座500会产生较大的热膨胀量导致至少两个光学元件300之间的距离产生较大变化量，使发散角超差，超差指超出公差范围。因此通过补偿结构，补偿底座500的热导率变化，以减小或规避发散角超差的问题。

具体地，至少两个光学元件300通过补偿结构沿第一方向固定于底座500上，例如，当第一方向为快轴方向时，至少两个光学元件300通过补偿结构沿快轴方向固定在底座500上，而补偿结构及在补偿结构上的光学元件300在慢轴方向不固定，这样一来，当底座500发生变形时，由于光学元件300固定在补偿结构上，通过补偿结构可以消除或减小因底座500变形而使至少两个光学元件300在光轴方向之间的距离变化，使得底座500的变形不影响至少两个光学元件300在光轴方向之间的距离变化，进而至少两个光学元件300在光轴方向之间的距离不改变，以保证发散角不超差。

由此，本申请实施例提供的光学装置，将光学模组100中的至少两个光学元件300安装在底座500上时，且如果光学模组100对慢轴方向发散角和指向性指标比较敏感时，底座500上沿快轴方向（第一方向）固定补偿结构，至少两个光学元件300通过补偿结构沿快轴方向固定在底座500上，以对至少两个光学元件300在光轴方向之间的距离变化进行补偿，既解决了发散角在高低温下超差的问题，亦阻碍了底座500在高低温下发生较大形变使光学模组100指向性发生较大变化量而影响光学模组100的性能，通过补偿结构解决了至少两个光学元件300因距离发生变化而导致发散角超差的问题，提高了光学模组100的整体性能。

可以理解为，如果光学模组100对慢轴方向发散角和指向性指标比较敏感时，底座500上沿快轴方向固定补偿结构；如果光学模组100对快轴方向发散角和指向性指标比较敏感时，底座500上沿慢轴方向固定补偿结构。

至少两个光学元件300通过补偿结构沿第一方向固定在底座500上时，以两个光学元件300为例，在一个可实现的方式中，如图1所示，至少两个光学元件300通过补偿结构沿快轴方向固定在底座500上，补偿结构为与至少两个光学元件300对应设置的支撑件501，补偿结构为支撑件501，支撑件501的材料为铁镍合金或陶瓷。两个光学元件300沿快轴方向固定在支撑件501上，支撑件501沿快轴方向固定在底座500上，支撑件501和支撑件501上的两个光学元件300在慢轴方向不固定。支撑件501的材料的热膨胀系数低，不易变形，将两个光学元件300设置在支撑件501上，以保证两个光学元件300在光轴方向之间的距离尽量不变。

进一步地，支撑件501的数量和光学元件300的数量对应设置，一个支撑件501上对应设置一个光学元件300；还可以的情况是，支撑件501为一个整体，光学模组100整体设置在一个支撑件501上。

采用MIM（金属注射成型）或CIM(计算机集成制造)加工的铁镍合金件或陶瓷件，对两个光学元件300在光轴方向之间的距离变化进行补偿，既解决了发散角在高低温下超差的问题，亦阻碍了铝合金底座500在高低温下发生较大形变使模组指向性发生较大变化量。因有材料进行补偿，且此光学方案对慢轴方向指标敏感，故此方案可以在快轴方向上进行安装。补偿结构与底座500安装的方式为螺钉，胶接或螺钉+胶接。

在另一个可实现的方式中，以支撑件501作为补偿结构通过陶瓷基复合材料钣金冲压成型。

如图2所示，原理同上述实施例。不同的是，支撑件501采用钣金冲压成型的方式得到，其材料为热压加工的CMC（陶瓷基复合材料），CPC等复合材料的方式，在底座500的通光面上安装支撑件501。支撑件501与底座500安装的方式为螺钉，胶接或螺钉+胶接。

相比将底座500的材料全部更换为热膨胀系数低的材料，上述两个实现方式通过采用热膨胀系数低的材料作为支撑件501，使两个光学元件300安装在支撑件501上，这种局部材料采用热膨胀系数低的材料，成本更低，且达到解决发散角超差问题的目的。

如图3所示，在第三个可实现的方式中，补偿结构为半导体制冷器503，激光光源10设置于电路板502上，光学模组100通过底座100a和电路板502连接，电路板502和半导体制冷器503连接。

光学模组100设置在底座100a上，底座100a和激光光源10均通过电路板502设置在半导体制冷器503上。

光学模组100和底座100a一体设置并安装在电路板502上部，可以在激光光源10两侧，也可以环形在激光光源10四周。采用焊接、胶接的方式安装。优点：光学模组100与激光光源10同时被半导体制冷器503控温，缓解了电路板502翘曲对第一方向指向性的影响, 以及结构件各旋转维的扭曲对第一方向发散角的影响，对高低温光学指标漂移的优化更容易。

光学模组100设置于激光光源10的出光侧，底座100a和激光光源10均位于电路板502的一侧，半导体制冷器503位于电路板502的另一侧。

示例地，沿第一方向上，光学模组100位于电路板502的一侧、且和电路板502之间有间隙，光学模组100和底座100a一体固定，在垂直于快轴方向上，底座100a和激光光源10均位于电路板502的一侧，半导体制冷器503位于电路板502的另一侧。

如图4所示，在第四个可实现的方式中，补偿结构为半导体制冷器503，沿第一方向上，光学模组100位于电路板502的一侧、且和电路板502之间有间隙，在垂直于第一方向上，激光光源10均位于电路板502的一侧，底座100a和半导体制冷器503位于电路板502的另一侧，底座100a和半导体制冷器503之间有间隙。

光学模组100和底座100a一体设置并安装在电路板502底部，采用焊接、胶接的方式安装。优点：光学模组100与激光光源10同时被半导体制冷器503控温，缓解了电路板502翘曲对第一方向指向性的影响, 以及结构件各旋转维的扭曲对第一方向发散角的影响，对高低温光学指标漂移的优化更容易。

通过半导体制冷器503补偿时，光学模组100与电路板502一体采用半导体制冷器503同时控温，降低高低温时发散角的漂移。光学模组100粘结在底座100a上形成小模组，小模组在粘结在电路板502上。

综上，通过上述补偿结构，针对至少两个光学元件300及光学模组100整体对发散角影响较大的光学组件采取局部材料补偿。两个光学元件300与激光光源10、光学模组100与激光光源10各自形成小模块，解决了发散角在高低温下超差的问题，亦阻碍了底座100a在高低温下发生较大形变使光学模组100指向性发生较大变化量而影响光学模组100的性能。

上述光学装置可应用于激光雷达系统，本申请实施例提供一种激光雷达系统，包括上述光学装置。可应用于以LD作为光源的汽车LiDAR激光线光斑系统。

该光学装置、激光雷达系统包含与前述实施例中的光学模组100相同的结构和有益效果。光学模组100的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

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

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，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (8)

1.一种光学装置，其特征在于，包括底座和所述底座连接的激光光源，以及设置在所述底座上光学模组, 所述光学模组包括至少两个光学元件，所述激光光源朝向所述光学模组出射光束以形成光斑；

所述光学装置还包括补偿结构，至少两个所述光学元件通过所述补偿结构沿第一方向固定于所述底座上，以补偿至少两个所述光学元件沿光轴方向的相对距离，所述第一方向为对所述光斑的发散角和指向性指标不敏感的方向。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述补偿结构为与至少两个所述光学元件对应设置的支撑件，所述支撑件的材料为铁镍合金或陶瓷。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述补偿结构为与至少两个所述光学元件对应设置的支撑件，所述支撑件通过陶瓷基复合材料钣金冲压成型。

4.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于， 所述补偿结构为半导体制冷器，所述激光光源设置于电路板上，所述光学模组通过所述底座和所述电路板连接，所述电路板和所述半导体制冷器连接。

5.根据权利要求4所述的光学装置，其特征在于，所述光学模组设置于所述激光光源的出光侧，所述底座和所述激光光源均位于所述电路板的一侧，所述半导体制冷器位于所述电路板的另一侧。

6.根据权利要求4所述的光学装置，其特征在于，所述激光光源均位于所述电路板的一侧，所述底座和所述半导体制冷器位于所述电路板的另一侧，所述底座和所述半导体制冷器之间有间隙。

7.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述激光光源为多通道边发射激光器。

8.一种激光雷达系统，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的光学装置。