CN212275966U - 测距装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种测距装置，该测距装置包括底座、第一基板、第二基板、光学结构和连接结构；第一基板用于设置光发射器；第二基板用于设置光接收器；光学结构用于将光发射器发射的第一光脉冲导引至探测物，并将探测物反射的至少部分第二光脉冲导引至光接收器；连接结构设于底座上；连接结构包括多个支架，第一基板、第二基板和光学结构分别设于多个支架上；其中，多个支架各自分离地设置在底座上，以减小测距装置的量程和测量精度受热变形的影响。

Description

测距装置

技术领域

本实用新型涉及测距设备技术领域，尤其涉及一种测距装置。

背景技术

激光雷达等测距装置是以发射光脉冲来探测探测物的位置、速度、方向等特征量的测距系统，因其分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、低空探测性能好、体积小及重量轻等优势，被广泛应用于无人飞行器、智能机器人、自动驾驶等领域。

测距装置内部包含激光发射器、接收器和准直透镜。这些激光发射器、接收器、光学镜片等光学元器件之间的位置关系决定了激光测距装置的量程、测量精度等主要性能指标。然而，现有的测距在高低温环境下，光学元器件的位置关系会发生明显变化，导致测距装置的量程和测量精度受影响。

实用新型内容

基于此，本实用新型提供了一种测距装置，旨在减小测距装置的量程和测量精度受热变形的影响。

根据本实用新型，本实用新型提供了一种测距装置，包括：

底座；

第一基板，用于设置光发射器；

第二基板，用于设置光接收器；

光学结构，用于将所述光发射器发射的第一光脉冲导引至所述探测物，并将所述探测物反射的至少部分第二光脉冲导引至所述光接收器；

连接结构，设于所述底座上；所述连接结构包括多个支架，所述第一基板、所述第二基板和所述光学结构分别设于多个所述支架上；

其中，多个所述支架各自分离地设置在所述底座上。

本实用新型实施例提供了一种测距装置，由于各支架各自分离，即各支架两两之间都是独立设在底座上的，相互之间没有直接的连接，如此能够减小测距装置的量程和测量精度受温度的影响，避免测距装置受热变形的影响，保证测距装置在高低温环境下的性能水平与常温环境下的性能水平相近。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本申请一实施例提供的测距系统的结构示意图；

图2是本申请一实施例提供的测距装置的结构示意图；

图3是本申请一实施例提供的测距装置的剖面示意图；

图4是本申请一实施例提供的第一光脉冲和第二光脉冲的光路折叠示意图；

图5是本申请一实施例提供的第一光脉冲和第二光脉冲的光路展开示意图；

图6是本申请一实施例提供的测距装置在一角度的分解示意图；

图7是本申请一实施例提供的测距装置在另一角度的分解示意图；

图8是本申请一实施例提供的测距装置的部分示意图，其中示出了底座、部分支架和部分光学结构，且测距装置处于第一温度环境下；

图9是本申请一实施例提供的测距装置的部分示意图，其中示出了底座、部分支架和部分光学结构，且测距装置处于第二温度环境下，第二温度大于第一温度；

图10是本申请一实施例提供的测距装置的部分示意图，其中示出了底座、盖合件、部分支架和部分光学结构，且测距装置处于第一温度环境下；

图11是本申请一实施例提供的测距装置的部分示意图，其中示出了底座、盖合件、光发射器、部分支架和部分光学结构；

图12是本申请一实施例提供的测距装置的部分示意图，其中示出了底座、盖合件、光发射器、部分支架和部分光学结构。

附图标记说明：

1000、测距系统；

100、测距装置；

10、光发射器；20、光接收器；

30、光学结构；

31、光学元件；32、光学部件；33、准直元件；34、光学器件；

41、第一基板；42、第二基板；

50、连接结构；51、发射支架；52、接收支架；53、光学支架；531、第一子架体；532、第二子架体；533、准直子架体；534、第三子架体；541、第一连接件；542、第二连接件；543、安装部；544、装配部；

61、底座；62、盖合件；

200、壳体；300、第一光脉冲；400、第二光脉冲；2000、探测物。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

还应当理解，在此本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本实用新型。如在本实用新型说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其他情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本申请的发明人发现，激光测距装置等测距设备是一种能主动发射激光(即出射光)，并利用探测物反射回的光线计算得出探测物与激光测距装置之间距离信息的装置，被广泛应用于单点测距仪、2D激光雷达和3D激光雷达等中。激光测距装置内部包含激光发射器、接收器和准直透镜，也可能根据光路设计需要，包含一些滤光镜片和反光镜片。这些光电元器件、光学镜片是固定在主体结构上的，它们之间的位置关系决定了激光测距装置的量程、测量精度等主要性能指标。

而在高低温环境下，由于主体结构的冷热变形，这些光电元器件和光学镜片的位置关系会发生变化，导致激光测距装置的量程和测量精度等性能受影响。而随着激光测距装置的应用日益广泛，越来越多的场景要求激光测距装置工作在-40℃到85℃甚至更宽的温度区间，例如酷暑寒冬、荒原旷野、矿堆煤山甚至云层或太空外，因而对激光测距装置提出了更高的耐温要求。

然而目前激光测距装置中，固定各光电元器件和光学镜片的各立式支架互相连接形成至少部分主体结构，这样会导致光学元器件位置偏移受立式支架热变形影响，无法放宽立式支架的材质的限制。

此外目前激光测距装置通常以单一材料作为主体结构的材质，主要采用塑料、铝合金、钢材或特种金属制作主体结构。采用塑料制作主体结构的激光测距装置，由于塑料的线性膨胀系数通常比金属大，在高低温环境下主体结构的热胀冷缩问题更加明显，因此固定于主体结构上的光电器件、光学镜片之间的位置将发生严重偏移，导致激光测距装置的性能下降。

采用铝合金制作主体结构的激光测距装置，铝合金的线性膨胀系数比塑料小但比钢材大。但是铝合金零件比塑料密度更大，制造成本更高，产品重量和成本很难得到继续优化；对于精密仪器而言，若需要进一步提升激光测距装置的高低温性能，通常考虑将铝合金换为钢材或特种金属。

采用钢材制作主体结构的激光测距装置，钢材的热变形线性膨胀系数比铝合金小，有利于提升激光测距装置的高低温性能，但钢材密度比铝合金更大，产品重量很难得到继续优化。

采用特种金属制作主体结构的激光测距装置，某些特种金属拥有极低的线性膨胀系数，比如Invar合金。Invar合金常用于需要承受温度变化的精密光学仪器中，但Invar合金加工性能不佳，材料成本也比铝合金、普通钢材高数倍，在产品大规模生产时产品品质一致性以及成本很难得到继续优化。

针对该发现，本申请的发明人对测距装置进行了改进，以减小测距装置的量程和测量精度受热变形的影响，保证测距装置在高低温环境下的性能水平与常温环境下的性能水平相近。具体地，本申请实施例提供一种测距装置，包括：底座；第一基板，用于设置光发射器；第二基板，用于设置光接收器；光学结构，用于将所述光发射器发射的第一光脉冲导引至所述探测物，并将所述探测物反射的至少部分第二光脉冲导引至所述光接收器；连接结构，设于所述底座上；所述连接结构包括多个支架，所述第一基板、所述第二基板和所述光学结构分别设于多个所述支架上；其中，多个所述支架各自分离地设置在所述底座上。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。

本申请实施例提供一种测距系统1000，该测距系统1000可以用来确定探测物2000相对测距系统1000的距离和/或方向。该测距系统1000可以是激光测距设备、激光雷达等电子设备。在一些实施方式中，测距系统1000可以用于感测外部环境信息。外部环境信息可以是环境目标的距离信息、方位信息、速度信息、反射强度信息等中的至少一种。

在一些实施方式中，该测距系统1000可以搭载在载体上，用于检测载体周围的探测物2000。该测距系统1000具体用于检测探测物2000与测距系统1000之间的距离。该载体可以包括无人飞行器、可移动机器人、可移动车辆、可移动船舶等任意合适的载体上。可以理解地，一个载体可以配置一个或多个测距系统1000，不同的测距系统1000可以用于探测不同方位的物体。

在一些实施方式中，测距系统1000可以通过测量测距系统1000和探测物2000之间光传播的时间，即光飞行时间(Time-of-Flight，TOF)，来探测探测物2000与测距系统1000之间的距离。可以理解地，测距系统1000也可以通过其他技术来探测探测物2000与测距系统1000之间的距离，例如基于频率移动(frequency shift)测量的测距方法，或者基于相位移动(phase shift)测量的测距方法等，在此不做限制。测距系统1000探测到距离和/或方位可以用于遥感、避障、测绘、建模、导航等。

在一些实施例中，该测距系统1000可以搭载在载体上，该载体可以包括无人飞行器、可移动机器人、可移动车辆、可移动船舶等任意合适的载体上，用于检测载体周围的探测物2000。该探测物2000可以是障碍物或感兴趣的目标等，该测距系统1000具体可以用于检测探测物2000与该测距系统1000之间的距离等。

请参阅图1和图2，其中，测距系统1000包括壳体200和设于壳体200上的测距装置100。具体地，壳体200形成有腔体，至少部分测距装置100收容于该腔体内，以减少外界环境对测距装置100的影响，例如减少水汽、灰尘、杂光等对测距装置100的影响。测距装置100用于向探测物2000发射或产生光脉冲，并接收探测物2000反射回的光脉冲，以及根据反射回的光脉冲确定探测物2000与测距系统1000的距离。

请参阅图2和图3，在一些实施例中，测距装置100包括光发射器10、光接收器20和光学结构30。光发射器10设于发射光路中，用于产生第一光脉冲300。光接收器20设于接收光路中，用于接收第二光脉冲400。其中第二光脉冲400是指第一光脉冲300被探测物2000反射后所形成的光脉冲。至少部分光学结构30位于发射光路上；且至少部分光学结构30位于接收光路上，用于将第一光脉冲300和第二光脉冲400分离。

请参阅图4和图5，具体地，第一光脉冲300是由光发射器10发射，并经光学结构30导引至探测物2000，从而向探测物2000发射第一光脉冲300。第一光脉冲300到达探测物2000后，可以在探测物2000表面发生反射。第一光脉冲300被探测物2000反射后所形成的光脉冲称之为第二光脉冲400。部分第二光脉冲400可以到达光学结构30，并由光学结构30导引至光接收器20，光接收器20接收第二光脉冲400并产生电信号。第一光脉冲300从光发射器10发射后，经至少部分光学结构30到达探测物2000的光路即为发射光路。第一光脉冲300被探测物2000反射后形成第二光脉冲400，第二光脉冲400经至少部分光学结构30到达光接收器20的光路即为接收光路。

测距装置100可以采用共轴或同轴光路方案，即发射光路和接收光路采用共轴光路，亦即，光发射器10发射的第一光脉冲300和经探测物2000反射回来的第二光脉冲400在测距装置100内共用至少部分光路。当然，在其他实施例中，测距装置100也可以基于双轴方案等，在此不做限制，此时，第一光脉冲300和第二光脉冲400可以被配置为沿不同的光路行进。

光发射器10可以发射光脉冲，即产生第一光脉冲300。第一光脉冲300可以是单个光脉冲或一系列光脉冲。光发射器10可以是半导体激光器或者光纤激光器等。示例性地，光发射器10可以包括发光二极管(Light Emitting Diode，LED)、激光二极管(Laser Diode，LD)、半导体激光阵列等中的至少一种。半导体激光阵列例如可以为VCSEL(VerticalCavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)阵列或者多个激光二极管阵列。在一些具体实施方式中，多个激光二极管阵列形成多线光发射器10，使得光发射器10能够同时发射多束第一光脉冲。

光接收器20包括光电二极管、雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)、盖革模式雪崩光电二极管(Geiger-mode Avalanche Photodiode，GM-APD)、电荷耦合元件等中的至少一种。

在一些实施例中，光发射器10可以在纳秒(ns)水平产生第一光脉冲300。示例性地，光发射器10可以产生持续时间接近8ns的激光脉冲，并且光接收器20可以检测到接近的持续时间的返回信号，即第二光脉冲400。

请参阅图3至图7，在一些实施例中，光学结构30包括光学元件31、光学部件32和准直元件33。其中，光发射器10、光学元件31、光学部件32和准直元件33沿发射光路依次设置。即述光发射器10、光学元件31、光学部件32和准直元件33沿第一光脉冲300的传输方向依次设置。

其中，光学元件31用于改变光发射器10产生的第一光脉冲300的光路方向。在一些实施例中，光学元件31可以包括反射镜。光学元件31的反射面面向光发射器10设置，以使得光发射器10产生的第一光脉冲300能够到达光学元件31。该光学元件31沿发射光路设于光发射器10和光学部件32之间。该光学元件31能够改变光发射器10产生的第一光脉冲300的光路方向。到达光学元件31的第一光脉冲300经光学元件31的反射，即可到达光学部件32。

其中，光学部件32用于将第一光脉冲300和第二光脉冲400分离。具体地，光学部件32沿发射光路上设置于光学元件31和准直元件33之间，准直元件33设于光学部件32背离光学元件31的一侧。具体地，光学部件32包括用于供第一光脉冲300穿过的透光区域和用于将第二光脉冲400反射的反射区域。

在一些实施例中，光学部件32包括开孔反射镜、半透半反镜、偏振分光镜和采用镀膜方式的分光镜等中的至少一种。该光学部件32一方面用于透射经光学元件31调整光路方向后的第一光脉冲300，另一方面用于反射经准直元件33汇聚后的第二光脉冲400。

请再次参阅图4至图6，其中，准直元件33用于准直第一光脉冲300。第一光脉冲300经准直元件33准直后可以到达探测物2000。具体地，准直元件33位于发射光路上。更为具体地，准直元件33设置于光学部件32背离光学元件31的一侧。从光学部件32穿过的第一光脉冲300可以被准直元件33准直。具体地，准直元件33能够将从光学部件32穿过的第一光脉冲300准直为平行的光脉冲或近似平行的光脉冲。被准直的光脉冲在光传播时基本不会扩散。

准直元件33包括包括准直透镜、凹面反射镜或微透镜阵列等能够准直光脉冲的元件中的至少一种。具体地，准直元件33可以根据实际需要设计为任意具有准直功能的光学元器件，可以但不限于为准直透镜或凹面反射镜。其中，准直透镜可以包括如下中的任一种：单片平凸透镜、单片双凸透镜、双片平凸透镜(如双胶合透镜)等。考虑到光电式接近传感器芯片的光发射器10可以是半导体激光阵列(例如VCSEL(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，垂直腔面发射激光器)阵列)，因此准直元件33还可以是微透镜阵列。可以理解地，微透镜阵列的微透镜之间的间距与激光阵列的激光之间的间距相同时准直效果会更好。准直元件33还可以由多个透镜组成，例如，准直元件33包括一个凹透镜和一个凸透镜。又如，准直元件33采用望远镜结构，包括一个弯月镜和一个凸透镜，这样设置能较好地矫正像差，得到准直光序列。

请再次参阅图4和图5，在一些实施例中，准直元件33还用于将经探测物2000反射回的至少部分第二光脉冲400汇聚至光学部件32上。即发射光路和接收光路共用同一个准直元件33，以降低成本，并使光路更加紧凑，便于产品的小型化设计。具体地，发射光路和接收光路采用同轴光路，即光发射器10发射的第一光脉冲300和光接收器20接收的第二光脉冲400共用光学部件32和准直元件33之间的光路，使得发射光路和接收光路可以共用同一个准直元件33。与异轴光路设计相比，该测距装置100无需使用两个准直元件33分别对第一光脉冲300和第二光脉冲400分别进行准直和聚焦，仅需一个准直元件33即可，降低了原材料成本。此外，与异轴光路设计相比，该测距装置100的发射光路和接收光路可以共用至少部分光路，因而能够使光路更加紧凑，便于产品的小型化设计。

在一些实施例中，为了保证测距装置100的量程和测量精度，光发射器10的发光面和/或光接收器20的感光面应尽量处于准直元件33的焦点上、焦点附近、焦平面上或焦平面附近。具体地，光发射器10的发光面可以设于焦点上或焦平面上。光发射器10的发光面也可以邻近焦点或邻近焦平面设置。光接收器20的感光面可以设于焦点上或焦平面上。光接收器20的感光面也可以邻近焦点或邻近焦平面设置。第一光脉冲300和第二光脉冲400经光学结构30处理后会形成折叠光路，即发射光路和接收光路至少一者具有折叠部分，以减小准直元件33的光轴方向的尺寸，从而优化产品尺寸，便于产品小型化设计。

请参阅图5，在一些实施方式中，在折叠光路展开后，即在发射光路和接收光路的折叠部分展开后，光发射器10的发光面和光接收器20的感光面大致位于光学上的同一位置上。如此，能够保证光发射器10发出的第一光脉冲300在经过探测物2000反射形成第二光脉冲400后，能有尽量多的能量返回测距装置100并进入光接收器20的感光面。从探测物2000表面返回并进入光接收器20感光面的能量越多，测距装置100的量程越远，测量精度越高。其中，光发射器10的发光面和光接收器20的感光面大致位于光学上的同一位置上，是指在折叠光路展开后，如图5所示，光发射器10的发光面和光接收器20的感光面均与准直元件33的焦平面Φ大致重合；或者光发射器10的发光面和光接收器20的感光面均大致经过准直元件33的焦点F。

其中，大致重合可以指发光面或感光面与焦平面Φ的夹角为0°-6°，即二者的夹角在0°、6°以及0°-6°之间的其他任意合适角度。当然，大致重合可以指发光面(或感光面)与焦平面Φ平行，发光面(或感光面)与焦平面Φ之间的距离在0mm-6mm，即二者之间的距离在0mm、6mm以及0mm-6mm之间的其他任意合适距离。大致经过准直元件33的焦点F，可以指准直元件33的焦点F与发光面(或感光面)之间的距离为0mm-6mm，即焦点F到发光面(或感光面)的距离为0mm、6mm以及0mm-6mm之间的其他任意合适距离。

请再次参阅图3至图7，在一些实施例中，测距装置100还包括光学器件34，光学器件34用于改变光学部件32反射的第二光脉冲400的光路方向。准直元件33、光学部件32、光学器件34和光接收器20沿第二光脉冲400的反射方向依次设置。具体地，光学器件34和光学部件32设于准直元件33的同一侧。光学元件31和光学器件34设于光学部件32的相对两侧。更为具体地，光学器件34、光学部件32、光学元件31、光发射器10和光接收器20设于准直元件33的同一侧。光学元件31和光发射器10设于光学部件32的第一侧。光学器件34和准直元件33设于光学部件32的第二侧，第一侧与第二侧相对设置。

在一些实施例中，光学器件34包括反射镜。光学器件34的反射面面向光学部件32设置，以使得经光学部件32的反射区域反射的第二光脉冲400能够到达光学器件34。此外，光学器件34的反射面面向光发射器10设置，以使得经光学器件34反射的第二光脉冲400能够到达光学器件34。该光学器件34沿发射光路设于光学部件32和光接收器20之间。该光学器件34能够改变光发射器10产生的第二光脉冲400的光路方向。到达光学器件34的第二光脉冲400经光学器件34的反射，即可到达光接收器20。

上述测距装置100工作时，光发射器10发出第一光脉冲300，该第一光脉冲300到达光学元件31后，由光学元件31改变光路方向即改变第一光脉冲300的传输方向。经光学元件31改变光路方向的第一光脉冲300从光学部件32的透光区域穿过后被准直元件33准直，准直后的第一光脉冲300出射并投射到探测物2000上。第一光脉冲300到达探测物2000上后经探测物2000反射形成第二光脉冲400。第二光脉冲400经过准直元件33汇聚到光学部件32的反射区域，反射区域将至少一部分的第二光脉冲400反射至光学器件34上，光学器件34改变光路方向即改变第二光脉冲400的传输方向。经光学器件34改变光路方向的第二光脉冲400到达光接收器20上，光接收器20接收第二光脉冲400。示例性地，接收过程可以包括将所接收的第二光脉冲400转换为电信号脉冲。测距装置100再通过该电信号脉冲的上升边缘确定光脉冲接收时间。如此，测距装置100可以利用第二光脉冲400的接收时间信息和第一光脉冲300的发出时间信息计算飞行时间，从而确定探测物2000到测距装置100的距离。另外，根据不同方向的光脉冲还可以确定探测物2000相对于测距装置100的方向。

请参阅图3至图7，在一些实施例中，测距装置100还包括第一基板41和第二基板42。光发射器10设于第一基板41上。光接收器20设于第二基板42上。第一基板41和第二基板42的材料可以根据实际需求进行设计，例如第一基板41可以采用环氧树脂、陶瓷或高密度互联的(High Density Interconnect，HDI)环氧玻纤布等材料制成。

请参阅图3至图7，在一些实施例中，测距装置100还包括连接结构50。光发射器10、光接收器20和光学结构30设于连接结构50上。具体地，光发射器10设于第一基板41上。光接收器20设于第二基板42上。第一基板41、第二基板42、光学结构30均设于连接结构50上。具体地，连接结构50包括发射支架51、接收支架52和光学支架53。第一基板41设于发射支架51上。第二基板42设于接收支架52上。光学结构30设于光学支架53上。

在一些实施例中，光学支架53包括第一子架体531、第二子架体532、准直子架体533和第三子架体534。光学元件31设于第一子架体531上。光学部件32设于第二子架体532上。准直元件33设于准直子架体533上。光学器件34设于第三子架体534上。

可以理解地，光学支架53中子架体的数量与光学结构30中所包含的光学元器件适配。例如，在一些实施例中，光学器件34省略时，第三子架体534也相应省略。

请参阅图2至图7，在一些实施例中，测距装置100还包括底座61，连接结构50设于底座61上。具体地，发射支架51、接收支架52和光学支架53均设于底座61上。更为具体地，发射支架51、接收支架52、第一子架体531、第二子架体532、准直子架体533和第三子架体534均设于底座61上。

可以理解地，底座61和连接结构50的连接方式可以根据实际需求进行设置。具体地，底座61和连接结构50可以一体成型，也可以分体设置；或者底座61和连接结构50的其中一部分一体成型，底座61和连接结构50的另一部分分体设置。当底座61和至少部分连接结构50分体设置时，可以采用卡扣连接、螺钉等快拆件连接等连接方式实现二者的连接。

上述实施例的测距装置100，通过光学部件32可以实现第一光脉冲300和第二光脉冲400的空间分离。第一光脉冲300所形成的发射光路通过光学元件31可以实现光路折叠，第二光脉冲400所形成的接收光路通过光学器件34可以实现光路折叠，有效减小准直元件33的光轴方向上的尺寸，充分利用光学特性和不同方向的空间进行光路设计，从而满足更小的体积要求，进一步优化产品的整体尺寸。此外，发射光路和接收光路的光路折叠所带来的体积减小也有利于减小测距装置100在高低温条件下的热变形量，防止光发射器10和光接收器20等光学元器件因为温度变化发生离焦，从而增强测距装置100的温度可靠性。

请参阅图3至图7，在一些实施例中，连接结构50包括多个支架。光发射器10、光接收器20和光学结构30分别设于多个支架上。具体地，光发射器10设于第一基板41上。光接收器20设于第二基板42。第一基板41、第二基板42和光学结构30分别设于多个支架上。多个支架各自分离地设置在底座61上。

需要说明的是，若多个支架中相互连接地设置在底座61上，则在高低温环境下，各支架和底座61均需要选用线性膨胀系数低的材质。光学元器件的位置偏移会受各支架热变形的影响，无法放宽各支架的材质限制，不利于重量和成本的优化。

与多个支架中相互连接地设置在底座61上相比，本申请实施例的各支架各自分离，即各支架两两之间都是独立设在底座61上的，相互之间没有直接的连接。这样，底座61热变形量大的时候，所有支架在底座61截面的位置偏差值就大；底座61热变形量小的时候，所有支架在底座61截面的位置偏差值就小，从而减小测距装置100的量程和测量精度受温度的影响，避免测距装置100受热变形的影响，保证测距装置100在高低温环境下的性能水平与常温环境下的性能水平相近。此外，上述测距装置100的各支架就像设置在底座61上的浮岛，各支架之间在底座61截面上的位置和角度变化主要取决于底座61的热变形，光学结构30中各光学元器件在底座61截面上的位置偏移受支架热变形影响小，甚至几乎不受支架热变形影响，因而有助于放宽各支架的材质限制，可以选择更轻质、更低价的材料，从而在保证产品的耐温性或高低温可靠性的条件下，优化产品的重量、成本。

在一些实施例中，该底座61截面平行或重合于图4或图5中XOY平面。

各支架的数量可以根据实际需求进行设计，例如两个、三个、四个、五个、六个、七个或者更多。示例性地，各支架包括上述发射支架51、接收支架52和光学支架53。发射支架51、接收支架52和光学支架53各自分离地设置在底座61上。具体地，各支架包括上述发射支架51、接收支架52、第一子架体531、第二子架体532、准直子架体533和第三子架体534。发射支架51、接收支架52、第一子架体531、第二子架体532、准直子架体533和第三子架体534各自分离地设置在底座61上。

在一些实施例中，光学元件31、光学部件32和光学器件34可以根据实际需求进行设置，例如省略其中一个、或省略其中两个或者均省略。相应地，第一子架体531、第二子架体532和第三子架体534也可以根据实际需求进行设置，例如省略其中一个、或省略其中两个或者均省略。例如，光学器件34省略时，第三子架体534也省略。

各支架均设置在底座61上，形成与预设光学需求适配的位置关系，比如光发射器10和光接收器20邻近焦点或焦平面设置，或者设置在焦点或焦平面上。若要测距装置100抵抗温度变化的影响，则需要光发射器10、光接收器20和准直元件33等光学元器件的相对位置不发生改变，否则光发射器10或光接收器20会相对准直元件33发生离焦，光学元器件会偏离原来的位置，实际光路与预设光路发生偏离，导致测距装置100的量程和测量精度下降，致使测距装置100性能降级或失效。由于光发射器10、光接收器20、准直元件33等光学元器件固定在相应支架上，并且各支架之间的相对位置主要取决于底座61。因而，底座61和各支架的热变形直接影响了在不同温度环境下测距装置100的性能。

为了尽量减小热变形对测距装置100性能的影响，底座61和各支架可以使用线性膨胀系数尽量小的材料进行制作。同时考虑到重量和成本因素，可以只限制关键部件的材料即可。

由于各支架是各自分离的，各支架在底座61截面上的位置和角度变化主要取决于底座61的热变形，因此在某些实施例中，可以只对底座61的材料进行限制，即底座61采用低膨胀系数即可。具体地，为了减小各光学元器件的位置变化，各支架的线性膨胀系数均大于底座61的线性膨胀系数。更为具体地，发射支架51、接收支架52、第一子架体531、第二子架体532、准直子架体533和第三子架体534的线性膨胀系数均大于底座61的线性膨胀系数。如此，可以保证光发射器10、光接收器20和准直元件33等光学元器件在底座61截面上的相互位置和角度关系变化得到控制。

在一些实施例中，各支架的线性膨胀系数相同，以进一步保证光发射器10、光接收器20和准直元件33等光学元器件的相互位置和角度关系变化得到控制。具体地，发射支架51、接收支架52、第一子架体531、第二子架体532、准直子架体533和第三子架体534的线性膨胀系数相同。

可以理解地，底座61和各支架的材料可以采用任意合适的材料制成，例如塑料、铝合金、钢材和Invar合金。为了减小各光学元器件的位置变化，各支架的线性膨胀系数均大于底座61的线性膨胀系数。为了优化产品的重量，各支架的材料可以选用相对于底座61密度或成本较低的材料。

下面对塑料、铝合金、钢材和Invar合金四种材料的性能进行说明，但这仅是示例说明，不因此而限制底座61和各支架的材料。各材料在重量方面：塑料<铝合金<钢材<Invar合金。在精加工成本方面：塑料<铝合金<钢材<Invar合金。线性膨胀系数方面：Invar合金<钢材<铝合金<塑料，即Invar合金的线性膨胀系数最小，塑料的线性膨胀系数最大。

为了更清楚地解释本实施例的技术方案，下面对底座61和各支架的材料组合进行举例，但不因此限制本申请实施例。

表1不同材质组合的底座和各支架性能对比

表1中，重量等级I表示重量最轻，精加工成本等级I表示精加工成本最低，温度变化环境下的性能等级I表示抵抗热变形性能最好。可以理解地，表1仅是针对大多数情况的通用参考，在实际应用中可能因结构设计的不同而存在差异。参考表1，以组合序号1为例，如果某款测距装置100对成本敏感，且希望工作在一个小范围内波动的温度里，可以选用铝合金做底座61，并选用某牌号的塑料作为所有支架的材料。以组合序号3为例，如果某款测距装置100对重量和成本敏感，且希望持续工作在一个较大范围内波动的温度里，可以选用钢板做底座61，并选用铝合金作为所有支架的材料。

由于各光学元器件在Z方向上的位置变化主要取决于各支架在高度方向上的热变形。为此，在一些实施例中，各支架在底座61上的安装面位于同一预设平面上。准直元件33的光轴与预设平面大致平行。具体地，各支架均安装在底座61的同一个几何平面上。准直元件33的光轴与该几何平面大致平行。如此，可以保证各光学元器件在Z方向上的位置关系变化得到控制，进一步减少或消除热变形的影响，进一步提高测距装置100的耐温性或高低温可靠性。其中Z方向为如图4或图5所示的方向。

在一些实施例中，大致平行是指二者的夹角为-8°至8°中的任意一合适角度，例如-8°、0°、8°以及-8°至8°中任意其他合适角度。各支架在底座61上的安装面位于同一预设平面上，泛指各支架在底座61上的安装面所在的平面位于同一预设平面上。即使各支架在底座61上的安装面不完整，或者各安装面中没有相连接，只要各支架在底座61上的安装面所在的平面位于同一预设平面上均在本申请实施例的范围之内。

下面对各光学元器件在Z向的位置变化进行分析：

根据线性膨胀系数公式：

α*L*ΔT＝ΔL

其中，α为线性膨胀系数；L为所关注的两点初始距离；ΔT为环境温度变化；ΔL为所关注两点的形变量。

可以理解地，各光学元器件在Z向的位置变化，主要是每个支架中与准直元件33的光轴平齐的平齐部位与底座61的安装面之间的高度。由于光轴与底座61的安装面平行，所以每个支架的平齐部位与该安装面的初始距离L都相等。对同一测距装置100而言，忽略内部温差，每个支架所处的环境温度变化ΔT也相等，代入上述公式可知每个支架的平齐部位与底座61安装面在Z向的偏移量ΔL也相等。因此所有光学元器件的在Z向的位置变化规律一致，相互之间的位置错动量极小，可以满足测距装置100的高低温可靠性的要求。

请参阅图8至图10，在一些实施例中，每一支架均包括第一连接件541和第二连接件542。第一连接件541设于底座61上。第二连接件542设于第一连接件541上，且连接于第一基板41、第二基板42和至少部分光学结构30中的其中一者。

具体地，发射支架51的第一连接件541连接于底座61，发射支架51的第二连接件542和底座61均连接于发射支架51的第一连接件541的不同部位。第一基板41设于发射支架51的第二连接件542上，光发射器10设于第一基板41上。接收支架52的第一连接件541连接于底座61，接收支架52的第二连接件542和底座61均连接于接收支架52的第一连接件541的不同部位。第二基板42设于接收支架52的第二连接件542上，光接收器20设于第二基板42上。

准直子架体533的第一连接件541连接于底座61，准直子架体533的第二连接件542和底座61均连接于准直子架体533的第一连接件541的不同部位。准直元件33设于准直子架体533的第二连接件542上。第一子架体531的第一连接件541连接于底座61，第一子架体531的第二连接件542和底座61均连接于第一子架体531的第一连接件541的不同部位。光学元件31设于第一子架体531的第二连接件542上。请参阅图8至图10，第二子架体532的第一连接件541连接于底座61，第二子架体532的第二连接件542和底座61均连接于第二子架体532的第一连接件541的不同部位。光学部件32设于第二子架体532的第二连接件542上。第三子架体534的第一连接件541连接于底座61，第三子架体534的第二连接件542和底座61均连接于第三子架体534的第一连接件541的不同部位。光学器件34设于第三子架体534的第二连接件542上。可以理解地，图8至图10中的光学部件32和光学器件34也可以是光发射器10、光接收器20、光学结构30的其他部件等光学元器件，相应地，图8至图10中的第二子架体532和第三子架体534可以是相应光学院器件对应的支架，本申请实施例并不因此而受限制。

在一些实施例中，各第一连接件541的线性膨胀系数大于各第一连接件541的线性膨胀系数。各第一连接件541的线性膨胀系数均大于底座61的线性膨胀系数。如此，能够保证光发射器10、光接收器20和准直元件33等光学元器件的相互位置和角度关系变化得到控制。

在一些实施方式中，各第一连接件541的线性膨胀系数均与底座61的线性膨胀系数相同。各第二连接件542的线性膨胀系数均大于各第一连接件541的线性膨胀系数。具体地，各第一连接件541和底座61可以采用同一种材料进行制作。各第一连接件541均各自分离地设置在底座61上。各第一连接件541可以和底座61一体成型，也可以分体设置；或者各第一连接件541中的一部分与底座61一体成型，另一部分与底座61分体设置。各第二连接件542的线性膨胀系数均大于各第一连接件541的线性膨胀系数。如此，能够保证各第二连接件542之间的位置关系在温度变化的情况下，相对保持不动，从而使得设于各第二连接件542上的光发射器10、光接收器20和准直元件33等光学元器件的相互位置和角度关系变化最大程度得到控制，减少或消除热变形的影响，进一步提高测距装置100的耐温性或高低温可靠性。

在一些实施例中，各第二连接件542的线性膨胀系数相同，以进一步保证各第二连接件542之间的位置关系在温度变化的环境下相对保持不动，从而使得设于各第二连接件542上的光发射器10、光接收器20和准直元件33等光学元器件的相互位置和角度关系变化最大程度得到控制。

在一些实施例中，各光学元器件与预设平面之间的距离相同，即各光学元器件位于同一个高度，从而为各光学元器件之间的距离在温度变化的环境中不发生改变提供了保障。具体地，光发射器10与预设平面之间的距离、光接收器20与预设平面之间的距离、光学元件31与预设平面之间的距离、光学部件32与预设平面之间的距离、准直元件33与预设平面之间的距离和光学器件34与预设平面之间的距离均相同。

请参阅图8至图10，下面以光学部件32、光学器件34、第二子架体532、第三子架体534为例说明测距装置100在温度变化的条件下，光学部件32和光学器件34的相对位置变化。

请参阅图8和图10，第二子架体532的第一连接件541的材质为A1、第三子架体534的第一连接件541的材质为A2、底座61的材质为A3。第二子架体532的第二连接件542的材质为B1、第三子架体534的第二连接件542的材质为B2。假设A1、A2、A3材质的线性膨胀系数均为α1，B1、B2材质的线性膨胀系数均为α2。

根据图8中的的距离关系可知，光学部件32与光学器件34之间的距离D＝X3-X1-X2。如果温度变化为△T，则如图9中，△X1＝△T*α2*X1；△X1＝△T*α2*X2；△X3＝△T*α1*X3。

此时，光学部件32与光学器件34之间的距离D’＝(X3+△X3)-(X1+△X1)-(X2+△X2)。如果光学部件32与光学器件34在温度变化情况下保持完全不动，则可设D＝D’,解方程组可得:

因此，按照图8或图9的结构形式进行设计，满足两种材质的线性膨胀系数关系为

并满足光学部件32与光学器件34处在同一个高度上，也可以保证光学部件32与光学器件34之间的距离在温度变化的环境中完全不会发生改变。

在一些实施例中，测距装置100可以在第一温度到第二温度之间的环境下工作，第二温度大于第一温度。在第一温度到第二温度之间的环境下工作，上述各部件所选用的材料热变形能够满足上述的线性膨胀系数公式的温度变化区间。第一温度和第二温度可以根据实际需求进行设置。示例性地，第一温度为-40°，第二温度为85°，测距装置100可以在-40°、85°以及-40°至85°之间的任意合适温度下正常工作。

由于各支架的重心距离底座61较远，在振动环境下容易发生变形，导致光发射器10和光接收器20离焦。为了加强各支架的抗振性能，请参阅图11和图12，结合图2、图6和图7，在一些实施例中，测距装置100还包括盖合件62，以提升测距装置100的振动可靠性。其中，盖合件62与至少部分连接结构50连接。且盖合件62和底座61分别设于连接结构50的两侧。具体地，盖合件62与各支架中的至少两者连接。

请参阅图2和图11，在一些实施方式中，各支架均与盖合件62连接。具体地，接收支架52、光学支架53、第一子架体531、第二子架体532、准直子架体533和第三子架体534均与盖合件62连接。更为具体地，在背离底座61的一侧，接收支架52、光学支架53、第一子架体531、第二子架体532、准直子架体533和第三子架体534配合形成敞口，接收支架52、光学支架53、第一子架体531、第二子架体532、准直子架体533和第三子架体534均与盖合件62连接，且盖合件62与该敞口适配，以进一步提升测距装置100的振动可靠性。可以理解地，在其他实施方式中，盖合件62也可以仅与各支架的其中几个连接，例如图12，在此不作限定。

可以理解地，盖合件62可以与各支架一体成型，也可以分体设置。或者，盖合件62与各支架中的其中部分一体成型，与剩余部分分体设置。当盖合件62与支架分体设置时，可以通过卡扣连接、螺钉连接等方式实现二者的固定。

在一些实施例中，盖合件62的线性膨胀系数与底座61的线性膨胀系数相同。如此，在忽略测距装置100内部温差条件下，盖合件62和底座61的热变形一致，避免或减小测距装置100在高低温条件下的热变形量，防止光发射器10和光接收器20等光学元器件因为温度变化发生离焦，从而进一步增强测距装置100的高低温可靠性。

底座61、各支架和盖合件62的形状可以根据实际需求设计为任意合适形状。比如底座61呈板状，盖合件62呈板状。在一些实施例中，请参阅图3、图6和图7，各支架均包括安装部543，该安装部543用于与底座61连接。各安装部543与底座61连接的结合面可以位于同一预设平面上。安装部543的形状可以根据实际需求设计为任意合适形状，例如三角形等。

请参阅图6和图7，在一些实施例中，各支架均包括装配部544，该装配部544用于与盖合件62连接。装配部544的形状可以根据实际需求设计为任意合适形状，例如三角形等。装配部544可以与安装部543平行，也可以不平行，在此不作限定。

在一些实施例中，盖合件62的材质可以根据实际需求进行设计，例如与底座61的材质相同，当然也可以与底座61的材质不同。示例性地，底座61和盖合件62均采用钢板，各支架均采用铝合金。底座61和盖合件62均采用钢板材质可以减小测距装置100在高低温环境下由于热变形导致的光发射器10和光接收器20离焦，提升测距装置100的高低温可靠性。与各支架采用钢材相比，各支架采用铝合金可以减小测距装置100的整体重量，便于优化产品的重量。

可以理解地，光学元件31、光学部件32、准直元件33和光学器件34可以根据实际需求与相应支架采用任意合适的连接方式连接，例如卡合连接等，在此不作限定。为了便于安装，防止光学元器件在装配时出现装反或装错的问题，光学元件31、光学部件32、准直元件33和光学器件34等光学元器件均可以设计防呆结构，例如光学元器件的四个边缘之间形成四个角，其中一个角设计为倒圆角，另外三个角为倒直角。当然，防呆结构也可以是其他任意合适的防呆设计，在此不作限定。

需要说明的是，上述对于测距系统1000各组成部分的命名仅是出于标识的目的，并不应理解为对本申请的实施例的限制。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种测距装置，其特征在于，包括：

底座；

第一基板，用于设置光发射器；

第二基板，用于设置光接收器；

光学结构，用于将所述光发射器发射的第一光脉冲导引至探测物，并将所述探测物反射的至少部分第二光脉冲导引至所述光接收器；

连接结构，设于所述底座上；所述连接结构包括多个支架，所述第一基板、所述第二基板和所述光学结构分别设于多个所述支架上；

其中，多个所述支架各自分离地设置在所述底座上。

2.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，各所述支架的线性膨胀系数均大于所述底座的线性膨胀系数；和/或，各所述支架的线性膨胀系数相同。

3.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，每一所述支架均包括:

第一连接件，设于所述底座上；

第二连接件，设于所述第一连接件上，且连接于所述第一基板、所述第二基板和至少部分所述光学结构中的其中一者。

4.根据权利要求3所述的测距装置，其特征在于，各所述第一连接件的线性膨胀系数均与所述底座的线性膨胀系数相同；和/或，各所述第二连接件的线性膨胀系数均大于各所述第一连接件的线性膨胀系数。

5.根据权利要求4所述的测距装置，其特征在于，各所述第二连接件的线性膨胀系数相同。

6.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述光学结构包括：

准直元件，用于准直所述第一光脉冲；

和/或，所述光学结构包括：

光学元件，用于改变所述光发射器产生的第一光脉冲的光路方向；

光学部件，用于将所述第一光脉冲和所述第二光脉冲分离；

准直元件，用于准直所述第一光脉冲；所述光发射器、所述光学元件、所述光学部件和所述准直元件沿发射光路依次设置；

和/或，所述光学结构包括：

光学元件，用于改变所述光发射器产生的第一光脉冲的光路方向；

光学部件，用于将所述第一光脉冲和所述第二光脉冲分离；

准直元件，用于准直所述第一光脉冲；

光学器件，用于改变所述光学部件反射的所述第二光脉冲；所述准直元件、所述光学部件、所述光学器件和所述光接收器沿所述第二光脉冲的反射方向依次设置。

7.根据权利要求6所述的测距装置，其特征在于，

各所述支架在所述底座上的安装面位于同一预设平面上；和/或，所述准直元件的光轴与所述预设平面大致平行。

8.根据权利要求6所述的测距装置，其特征在于，多个所述支架包括：

发射支架，所述第一基板设于所述发射支架上；

接收支架，所述第二基板设于所述接收支架上；

光学支架，所述光学结构设于所述光学支架上。

9.根据权利要求8所述的测距装置，其特征在于，所述光学支架包括：

准直子架体，所述准直元件设于所述准直子架体上；

和/或，所述光学支架包括：

第一子架体，所述光学元件设于所述第一子架体上；

第二子架体，所述光学部件设于所述第二子架体上；

准直子架体，所述准直元件设于所述准直子架体上；

和/或，所述光学支架包括：

第一子架体，所述光学元件设于所述第一子架体上；

第二子架体，所述光学部件设于所述第二子架体上；

准直子架体，所述准直元件设于所述准直子架体上；

第三子架体，所述光学器件设于所述第三子架体上。

10.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于，所述发射支架、所述接收支架、所述第一子架体、所述第二子架体、所述准直子架体和所述第三子架体的线性膨胀系数均大于所述底座的线性膨胀系数；和/或，所述发射支架、所述接收支架、所述第一子架体、所述第二子架体、所述准直子架体和所述第三子架体的线性膨胀系数相同。

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