CN212255793U - 一种光学元件的调试及固定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光电技术领域，具体涉及一种光学元件的调试及固定装置，包括结构组件、可焊金属柱、电路板、光电元件和非光电元件；所述结构组件和所述非光电元件表面均镀有可用于焊接的镀层，以便所述非光电元件焊接固定在所述结构组件上；所述可焊金属柱固定连接在所述结构组件一端，所述光电元件焊接在所述电路板的焊盘上，所述电路板与所述可焊金属柱焊接固定。本装置中所有光学元件均采用焊接的工艺和电路板以及结构组件固定在一起；与胶水粘接相比具有更稳定的温度特性，温度变化时光学元件和固定件之间不会发生相对移动，而且可快速固定；与机械压接相比具有更高的固定精度，可满足光学元件固定的精度要求。

Description

一种光学元件的调试及固定装置

【技术领域】

本实用新型涉及光电技术领域，具体涉及一种光学元件的调试及固定装置。

【背景技术】

激光雷达或激光扫描仪均采用激光作为探测光信号，完成周围环境目标的探测和点云重建。其中，以激光雷达为例，激光雷达里面有着多个光学元件，具体包括探测光源、接收探测器、光学透镜、光路折叠反射镜、扫描反射镜、滤波片等。激光雷达属于精密型设备，每个元件的参数都需要精细调校，尤其是光学元件，任何位置和角度的偏差都会直接决定激光雷达的整体性能指标。因此可以说，光学元件的调试及固定是激光雷达的关键工艺步骤，每个改进和优化都会有助于激光雷达指标的提升。

目前，业界普遍采用胶水粘接或机械压接的工艺，将光学元件固定在机械件或安装件上面。其中，胶水粘接主要使用紫外固化胶水或加热固化胶水，通过紫外光线照射或加热的方式固定光学元件；机械压接主要是通过机械固定的方式，将光学元件压接在安装件表面，为避免损伤光学元件，通常会在光学元件和机械固定件之间放入一个过渡部件。然而，上述两种方式均存在各自的问题：胶水粘接的方式可以保证足够的固化精度，光学元件的位置和角度不会产生偏移，但此种方式的温度性能较差；因为胶水的热膨胀系数和机械件的热膨胀系数差别较大，当环境温度变化时，胶水层会发生相对变化，光学元件相对于机械件也会发生相对移动或转动，进而影响激光雷达的整体指标和性能。机械压接的方式，温度性能较为优异，但难以保证光学元件的封装精度，达不到光学元件的超高精度要求，仅能用于一些对调试和封装精度要求很低的光学元件固定，不具备普遍一致性应用特点。

鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【实用新型内容】

本实用新型需要解决的技术问题是：

目前在激光雷达或激光扫描仪中，普遍采用胶水粘接或机械压接将光学元件固定在机械件上，但胶水粘接的温度性能较差，光学元件相对机械件容易发生相对移动或转动，而机械压接难以保证光学元件的封装精度，不具备普遍一致性应用特点。

本实用新型通过如下技术方案达到上述目的：

第一方面，本实用新型提供了一种光学元件的调试及固定装置，包括结构组件1、可焊金属柱2、电路板4、光电元件5和非光电元件；

所述结构组件1和所述非光电元件表面均镀有可用于焊接的镀层，以便所述非光电元件焊接固定在所述结构组件1上；

所述可焊金属柱2固定连接在所述结构组件1一端，所述光电元件5焊接在所述电路板4的焊盘上，所述电路板4与所述可焊金属柱2焊接固定。

优选的，所述光电元件5为探测光源或接收探测器。

优选的，所述非光电元件为光学透镜、光路折叠反射镜、扫描反射镜或滤波片。

优选的，所述非光电元件为光学透镜6，所述光学透镜6的背面镀有光学透镜金属镀层6-1和光学透镜增透膜镀层6-2。

优选的，所述光学透镜金属镀层6-1呈圆环形状，所述光学透镜增透膜镀层6-2位于所述光学透镜金属镀层6-1的中间区域。

优选的，所述光电元件5的引脚为导电材料，且所述光电元件5下方设有绝缘层。

优选的，所述电路板4上设有一个或多个孔洞，用于容纳熔融焊料3，以便所述电路板4和所述可焊金属柱2通过所述熔融焊料3实现焊接固定。

优选的，在进行调试时，所述结构组件1和所述电路板4装夹在光学调整架上。

第二方面，本实用新型还提供了另一种光学元件的调试及固定装置，包括结构组件1、可焊金属柱2、金属支架7、光纤激光器和非光电元件；

所述结构组件1、所述光纤激光器的光纤插针8和所述非光电元件表面均镀有可用于焊接的镀层，以便所述光纤插针8焊接固定在所述金属支架7上，以及所述非光电元件焊接固定在所述结构组件1上；

所述可焊金属柱2固定连接在所述结构组件1一端，所述金属支架7与所述可焊金属柱2焊接固定。

优选的，所述金属支架7上设有一个或多个孔洞，用于容纳熔融焊料3，以便所述金属支架7和所述可焊金属柱2通过所述熔融焊料3实现焊接固定。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的装置中，所有光学元件均采用焊接的工艺和电路板以及结构组件固定在一起；与胶水粘接相比具有更稳定的温度特性，当环境温度变化时，光学元件和固定件之间不会发生相对移动，而且可快速固定，有利于提高生产效率；与机械压接相比具有更高的固定精度，当光学调整架调试到指定位置时，通过焊接不会改变光学元件固定前后的相对位置，可满足光学元件固定的精度要求；同时还具有易返工的优点。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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为本实用新型实施例提供的一种光学元件和结构组件的封装示意图；其中，1-1为封装侧视图，1-2为封装后视图；

图2为本实用新型实施例提供的一种光学透镜的镀层分布示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种光学元件和结构组件调试封装固定的流程图；

图4为本实用新型实施例提供的一种光纤插针和结构组件的封装示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种光纤插针的镀层分布示意图；

其中，附图标记如下：

1：结构组件；2：可焊金属柱；3：熔融焊料；4：电路板；5：光电元件；6：光学透镜，6-1：光学透镜金属镀层；6-2：光学透镜增透膜镀层；7：金属支架；8：光纤插针；8-1：光纤插针玻璃管；8-2：光纤插针金属镀层。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”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实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本实用新型的限制。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本实用新型。

实施例1：

针对现有光学元件调试固定中存在的不足，本实用新型实施例提供了一种光学元件的调试及固定装置，尤其适用于激光雷达或激光扫描仪中的光学元件，可实现光学元件的快速调试及固定，且长期稳定性能较以前方案更优。

这里需要说明的是，激光雷达中的光学元件是一个统称，具体包括探测光源、接收探测器、光学透镜、光路折叠反射镜、扫描反射镜、滤波片等等。在本实施例中，为便于区分和方便描述，此处将探测光源和接收探测器等有光电转换性能的光学元件称为光电元件，将光学透镜、光路折叠反射镜、扫描反射镜、滤波片等不具备光电转换性能的其他光学元件称为非光电元件。

如图1所示，本实用新型提供的装置具体包括结构组件1、可焊金属柱2、电路板4、光电元件5和非光电元件(图1中以光学透镜6作为非光电元件的代表)。其中，所述结构组件1优选使用金属元件，表面镀满可用于焊接的镀层；所述非光电元件表面也镀有可用于焊接的镀层，以便所述非光电元件焊接固定在所述结构组件1上。所述可焊金属柱2可预先通过机械加工的方式固定连接在所述结构组件1一端，所述光电元件5焊接在所述电路板4的焊盘上，所述电路板4与所述可焊金属柱2焊接固定。

其中，所述电路板4上设有一个或多个孔洞，用于容纳熔融焊料3，如图1-1和图1-2所示，以便所述电路板4和所述可焊金属柱2通过所述熔融焊料3实现焊接固定。另外，所述光电元件5的引脚为导电材料，因此，为避免短路，正式焊接前，需要在光电元件5下方加入绝缘层。

结合图1和图2，在接下来的描述中，本实施例以TO封装为示例，以光学透镜6作为非光电元件的代表进行具体介绍。如图2所示，所述光学透镜6的背面有两种镀层，分别为光学透镜金属镀层6-1和光学透镜增透膜镀层6-2。其中，所述光学透镜金属镀层6-1是为了解决光学玻璃表面不能焊接的问题，在光学玻璃表面增镀可以焊接的金属镀层，常见的金属镀层有金层、锡层等；所述光学透镜增透膜镀层6-2是为了提高光学玻璃的透过率而进行的介质膜镀层。另外，为保证光学能量的顺利通过，需要将所述光学透镜金属镀层6-1设计成圆环形状，所述光学透镜增透膜镀层6-2位于所述光学透镜金属镀层6-1的中间区域，如图2所示。当然，为了更好地实现非光电元件和结构组件的焊接固定，在实际使用时，应根据具体结构组件的外形来设计非光电元件金属镀层的外形，便于和结构组件的外形进行匹配。

结合上述结构和图1，所述光电元件5、所述光学透镜6、所述电路板4和所述结构组件1的调试封装固定流程可参考图3，具体包括以下步骤：

(1)在所述光电元件5下方加入绝缘层；在所述光学透镜6的背面分别镀上环形光学透镜金属镀层6-1和光学透镜增透膜镀层6-2。前文已经介绍，所述光电元件5的引脚是导电材料，因此为避免短路需要在正式焊接前加入绝缘层(绝缘层未在附图中绘出，但不影响本方案的表述)。

(2)利用焊接工具，将所述光电元件5焊接在所述电路板4的焊盘上；将所述光学透镜6焊接在所述结构组件1的正前方(即图1-1中右端)。

(3)利用装夹工具，将所述电路板4装夹在光学调整架(此元件未在附图中绘出，但不影响本方案的表述)上；将所述结构组件1装夹在光学调整架上。

(4)通过调试所述电路板4，将所述光电元件5调试到指定位置；通过调试所述结构组件1，将所述光学透镜6调试到指定位置。具体为：将所有的光学调整架都固定在光学平台上，通过调节光学调整架的各轴距离和角度，实现所述电路板4和所述结构组件1的空间姿态调整，以监控设备反馈的性能参数为准，当达到激光雷达所要求的指标时，将光学调整架的所有动轴锁死，即可把所述光电元件5和所述光学透镜6调试至指定位置。

(5)利用焊接工具，将所述电路板4焊接固定到所述结构组件1上，完成调试及固定。具体为：将所述熔融焊料3放入所述电路板4的孔洞内，并与所述可焊金属柱2充分接触；通过局部加热将所述熔融焊料3熔化，从而将所述电路板4和所述可焊金属柱2焊接在一起，实现所述电路板4和所述结构组件1之间的焊接固定。至此，完成所述光电元件5和所述光学透镜6的调试、封装及固定，组装成半成品，可以进行下一步的产品化安装。

在上述实施例中，是以光学透镜6作为非光电元件的代表进行介绍，但不失为一般性，其它非光电元件(如光学透镜、光路折叠反射镜、扫描反射镜、滤波片等)的调试及封装固定，都可以参照光学透镜6的调试及封装固定方式来进行，此处不再赘述。

综上所述，本实用新型提供的调试及固定装置主要有以下优势：

所有的光学元件采用焊接的工艺和电路板及结构组件固定在一起，相对于胶水粘接固定的方式，本装置具有更加稳定的温度特性，当环境温度变化时，光学元件和固定件之间不会发生相对移动；另外，胶水固定需要的时间较长，本装置具有快速固定的优势，有利于提高生产效率。相对于机械压接的方式，本装置具有更高的固定精度，当光学调整架调试到指定位置时，通过焊接的方式不会改变光学元件固定前后的相对位置，固定精度可以达到微米级别，完全可以满足光学元件固定的精度要求，是激光雷达之类产品高精度调试固定工艺要求的合格解决技术方案。另外，本装置还具有易返工的特点，通过将焊接点加热至焊料融化的温度，可以将焊料移除，分开光学元件和固定件，便于再次重新调试及固定。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，本实用新型实施例还提供了另一种光学元件的调试及固定装置，如图4所示，包括结构组件1、可焊金属柱2、金属支架7、光纤激光器和非光电元件(图4中以光学透镜6作为非光电元件的代表)。其中，所述结构组件1、所述光纤激光器的光纤插针8和所述非光电元件表面均镀有可用于焊接的镀层，以便所述光纤插针8焊接固定在所述金属支架7上，以及所述非光电元件焊接固定在所述结构组件1上。所述可焊金属柱2可预先通过机械加工的方式固定连接在所述结构组件1一端，所述金属支架7与所述可焊金属柱2焊接固定；其中，所述金属支架7上设有一个或多个孔洞，用于容纳熔融焊料3，以便所述金属支架7和所述可焊金属柱2通过所述熔融焊料3实现焊接固定。

本实施例与实施例1的区别在于：使用光纤激光器作为探测光源，其光源出射部分是光纤插针8，如图4和图5所示。与光电元件5不一样，光纤插针8不是光电转换元件，也不是金属材料，一般都是玻璃或陶瓷材料，即图5中的光纤插针玻璃管8-1。此两种材料均不具备可焊性，因此需要在所述光纤插针8表面增镀光纤插针金属镀层8-2，实现所述光纤插针8的可焊性。结合附图来看，实施例1中的光电元件5替换成此处的光纤插针8，相应地，实施例1中的电路板4替换成此处的金属支架7；其余各部分结构仍与实施例1中相同，在此不做赘述。

结合上述结构和图4，所述光纤插针8先通过熔融焊料3和所述金属支架7焊接在一起，再将所述金属支架7装夹到光学调整架上，完成所述金属支架7和所述结构组件1之间的调试、封装及固定。完整的步骤可参照实施例1中的描述，在此不做赘述。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学元件的调试及固定装置，其特征在于，包括结构组件(1)、可焊金属柱(2)、电路板(4)、光电元件(5)和非光电元件；

所述结构组件(1)和所述非光电元件表面均镀有可用于焊接的镀层，以便所述非光电元件焊接固定在所述结构组件(1)上；

所述可焊金属柱(2)固定连接在所述结构组件(1)一端，所述光电元件(5)焊接在所述电路板(4)的焊盘上，所述电路板(4)与所述可焊金属柱(2)焊接固定。

2.根据权利要求1所述的光学元件的调试及固定装置，其特征在于，所述光电元件(5)为探测光源或接收探测器。

3.根据权利要求1所述的光学元件的调试及固定装置，其特征在于，所述非光电元件为光学透镜、光路折叠反射镜、扫描反射镜或滤波片。

4.根据权利要求1所述的光学元件的调试及固定装置，其特征在于，所述非光电元件为光学透镜(6)，所述光学透镜(6)的背面镀有光学透镜金属镀层(6-1)和光学透镜增透膜镀层(6-2)。

5.根据权利要求4所述的光学元件的调试及固定装置，其特征在于，所述光学透镜金属镀层(6-1)呈圆环形状，所述光学透镜增透膜镀层(6-2)位于所述光学透镜金属镀层(6-1)的中间区域。

6.根据权利要求1-5任一所述的光学元件的调试及固定装置，其特征在于，所述光电元件(5)的引脚为导电材料，且所述光电元件(5)下方设有绝缘层。

7.根据权利要求1-5任一所述的光学元件的调试及固定装置，其特征在于，所述电路板(4)上设有一个或多个孔洞，用于容纳熔融焊料(3)，以便所述电路板(4)和所述可焊金属柱(2)通过所述熔融焊料(3)实现焊接固定。

8.根据权利要求1-5任一所述的光学元件的调试及固定装置，其特征在于，所述结构组件(1)和所述电路板(4)均装夹在光学调整架上。

9.一种光学元件的调试及固定装置，其特征在于，包括结构组件(1)、可焊金属柱(2)、金属支架(7)、光纤激光器和非光电元件；

所述结构组件(1)、所述光纤激光器的光纤插针(8)和所述非光电元件表面均镀有可用于焊接的镀层，以便所述光纤插针(8)焊接固定在所述金属支架(7)上，以及所述非光电元件焊接固定在所述结构组件(1)上；

所述可焊金属柱(2)固定连接在所述结构组件(1)一端，所述金属支架(7)与所述可焊金属柱(2)焊接固定。

10.根据权利要求9所述的光学元件的调试及固定装置，其特征在于，所述金属支架(7)上设有一个或多个孔洞，用于容纳熔融焊料(3)，以便所述金属支架(7)和所述可焊金属柱(2)通过所述熔融焊料(3)实现焊接固定。

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