CN218216098U - 激光发射装置和激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光发射装置和激光雷达，涉及激光雷达领域。激光发射装置包括基座、半导体制冷器以及发射组件，半导体制冷器设置于基座，发射组件包括电路板和激光器芯片，激光器芯片设置于电路板的一面，电路板的另一面抵接半导体制冷器在本申请中，使用半导体制冷器来实现对发射组件温度的调节，包括加热和散热。本申请实施例提供的激光雷达包括上述的激光发射装置。本申请的激光发射装置具有较高的集成度，能够实现对发射组件的温度进行有效控制，降低了组装难度。激光发射装置无需额外增加散热装置或加热装置，具有成本低，体积小的优点。确保了激光雷达在高\低温工况下能均够长时间稳定运行，保持高精度测量，工作稳定性好。

Description

激光发射装置和激光雷达

技术领域

本申请涉及激光雷达领域，具体而言，涉及一种激光发射装置和激光雷达。

背景技术

大多数激光雷达应用需要满足的外在环境温度比较苛刻，通常要求做到工业级，即在额定工作温度为-40℃～85℃范围内稳定工作。雷达发射装置工作时需保持输出光功率和消光比不变或变化幅度不超过设计时所要求的指标范围。激光雷达的发射组件易受温度影响低温工况下，发射组件有时无法启动，导致不发光或启动时间无法满足设计需求，从而影响光传输；高温工况下，发射组件功耗高，产生热量较多，如果不及时散出容易造成烧坏电路，影响雷达测量精度与使用寿命。因此，激光雷达的发射组件在工作时需要将温度控制在合理范围内，既不可太高也不可太低。现有的激光发射装置通常使用两套装置来分别进行散热和加热，以控制激光发射装置的温度。但这样难以在保证散热、加热的效果的情况下兼顾产品的集成度。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种激光发射装置和激光雷达，其能够对发射组件的温度进行良好的控制，避免出现过热或过冷的情况出现，并且结构紧凑。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请提供一种激光发射装置，包括基座、半导体制冷器以及发射组件，半导体制冷器设置于基座，发射组件包括电路板和激光器芯片，激光器芯片设置于电路板的一面，电路板的另一面抵接半导体制冷器。

在可选的实施方式中，基座上开设有安装槽，半导体制冷器嵌入安装槽。

在可选的实施方式中，半导体制冷器的表面与安装槽的开口齐平，电路板覆盖安装槽并固定连接于基座。

在可选的实施方式中，电路板与半导体制冷器之间设置有第一填充介质。

在可选的实施方式中，第一填充介质为铟片。

在可选的实施方式中，基座的材质为铜或铜合金。

在可选的实施方式中，发射组件还包括设置于电路板的温度传感器。

在可选的实施方式中，激光发射装置还包括底壳，基座背离发射组件的一侧连接于底壳。

在可选的实施方式中，底壳的材质为铝或铝合金。

在可选的实施方式中，底壳与基座之间设置有第二填充介质。

在可选的实施方式中，第二填充介质为铟片。

在可选的实施方式中，底壳背离基座的一侧设置有散热翅片。

第二方面，本申请提供一种激光雷达，包括前述实施方式中任一项的激光发射装置。

本申请实施例的有益效果是：

本申请提供一种激光发射装置，包括基座、半导体制冷器以及发射组件，半导体制冷器设置于基座，发射组件包括电路板和激光器芯片，激光器芯片设置于电路板的一面，电路板的另一面抵接半导体制冷器。本申请实施例提供的激光雷达包括上述的激光发射装置。在本申请中，使用半导体制冷器来实现对发射组件温度的调节，包括加热和散热。低温工况下，通过半导体制冷器对发射组件进行加热，使其达到正常工作温度范围；高温工况下，对半导体制冷器反向加电，实现对发射组件的散热功能，保证其在设计指标范围内工作。由于高、低温工况下均使用半导体制冷器来进行温度控制，缩小了设备体积，提高了集成度，实现设备的轻量化。而且使用半导体制冷器对发射组件进行温度调节，控温效果好，调节效率高，能够提高激光雷达的测量精度与使用寿命。

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为本申请一种实施例中激光发射装置在第一视角下的装配示意图；

图2为本申请一种实施例中激光发射装置在第二视角下的装配示意图；

图3为本申请一种实施例中激光发射装置的爆炸视图；

图4为图1中激光发射装置在A-A方向的剖视图。

图标:010-激光发射装置；100-基座；110-安装槽；120-过线槽；200-半导体制冷器；300-发射组件；310-电路板；320-激光器芯片；330-温度传感器；400-底壳；410-沉槽；420-散热翅片；500-第一填充介质；600-第二填充介质。

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，或者是该实用新型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。

激光雷达的发射组件往往具有较高的功率，使用过程中具有较大的发热量，如果不及时散热容易造成烧坏电路，影响雷达测量精度与使用寿命。然而激光雷达在低温工况下有时无法启动，导致不发光或启动时间无法满足设计需求，从而影响光传输。因此需要将激光雷达(尤其是发射组件)的温度控制在合理的范围内。然而现有的激光雷达的控温系统在设计时大多聚焦激光发射装置的散热问题，未关注其在低温工况下带来的激光器中心波长漂移造成雷达测量精度降低或启动时间无法满足设计需求的问题。另外，在激光发射装置散热系统中需要增加额外散热装置，整体体积较大，集成度低；工艺上，大都采用导热胶对结构件、PCB等接触表面间进行填充缝隙处理，此工艺对胶量控制难度大，热传导效率低，不能达到理想的散热效果，而且不易于装置的二次维修。

因此，本申请实施例提供一种激光发射装置，能够通过加热或散热来控制发射组件的温度，温度调节效果好，并且集成度高，结构紧凑。本申请实施例还提供一种激光雷达，包含上述的激光发射装置。

图1为本申请一种实施例中激光发射装置010在第一视角下的装配示意图；图2为本申请一种实施例中激光发射装置010在第二视角下的装配示意图；图3为本申请一种实施例中激光发射装置010的爆炸视图。如图1至图3所示，本申请实施例提供的激光发射装置010包括基座100、半导体制冷器200(TEC)以及发射组件300，半导体制冷器200设置于基座100，发射组件300包括电路板310和激光器芯片320，激光器芯片320设置于电路板310的一面，电路板310的另一面抵接半导体制冷器200。进一步的，在本实施例中，激光发射装置010还包括第一填充介质500、第二填充介质600以及底壳400。底壳400与基座100连接，用于对基座100进行支撑定位，并增强散热。第一填充介质500用于增强半导体制冷器200与发射组件300的电路板310之间的传热效率，第二填充介质600用于增强底壳400与基座100之间的传热效率。

在本申请实施例中，发射组件300的电路板310用于承载元器件和实现信号传输。激光器芯片320设置于电路板310上，激光器芯片320用于实现激光的发射，其为发射组件300中的主要发热元件。而激光器芯片320的温度则是重点需要控制的，在使用激光发射装置010时需保证激光器芯片320温度即不可过高，也不可过低。另外，电路板310上可以设置一些元器件来实现相应的辅助功能，比如测温或者控制功能。

具体在本实施例中，激光器芯片320靠近电路板310的其中一个侧边，如此布置能够便于激光光束整形，同时能够兼顾在高温工况下热量的良好传导，优化设备整体尺寸空间。发射组件300还包括设置于电路板310的温度传感器330。温度传感器330可设置在邻近于激光器芯片320的位置，以便于准确监控激光器芯片320的温度情况。本实施例中，温度传感器330的数量为两个，分别设置在激光器芯片320的相对两侧，从而保证检测的准确性。

可选的，电路板310的基材选用导热系数高的氮化铝陶瓷，在选用氮化铝陶瓷的情况下，即便高功耗元器件只排布于电路板310其中一面(另一面要接触半导体制冷器200)，也能够满足散热需求；有利于提高电路板310的表面利用率，进而有利于减小设备体积。此外，氮化铝陶瓷基材的热膨胀系数与激光器芯片320基材接近，如此能够将发热导致的形变量不同造成的光路偏移控制到最小。

在其他可选的实施例中，电路板310也可以根据需要选择其他类型的基材，比如FR-4基材。

半导体制冷器200用于调控发热组件的温度，既能够在激光器芯片320发热量较大时，对发热组件进行散热，避免其过热；也能够在低温工况下，对发射组件300进行加热，使得发射组件300能够正常启动和运行。利用珀尔贴效应制作而成的半导体制冷器200具有热惯性小、制热速度快、体积小、效率高等优点，可实现高精度的温度控制。通过切换半导体制冷器200的加电方向，即可使半导体制冷器200的热端与冷端互换，因此可以实现加热、散热功能的切换。

在本实施例中，第一填充介质500设置于电路板310与半导体制冷器200之间，从而减少电路板310与半导体制冷器200之间的间隙，增加实际接触面积，从而增强换热效率。可选的，第一填充介质500为铟片，铟片的导热效率高，可塑性强，延展性好，能够根据实际设计需求加工成型不同厚度不同形状的薄片，最小厚度尺寸可达0.01mm。铟片能够显著提高电路板310与半导体制冷器200之间的传热速率，既提高了散热工况下的散热效果，也能够缩短加热模式下的升温时间。

基座100能够对半导体制冷器200、发射组件300进行支撑、定位。并且基座100也起到传热的作用，发射组件300产生的热量可以通过基座100向外传递。在本实施例中，为了使整体结构更加紧凑，基座100上开设有安装槽110，半导体制冷器200嵌入安装槽110中。将半导体制冷器200嵌入到安装槽110中，不仅降低了激光发射装置010的高度尺寸，使得集成度提高，有利于设备小型化，同时也能够更好地对半导体制冷器200进行定位，增加其与基座100的装配稳定性。

进一步的，本实施例中，半导体制冷器200的表面与安装槽110的开口齐平，电路板310覆盖安装槽110并固定连接于基座100。可以理解，半导体制冷器200完全容纳于安装槽110内，并且其上表面能够与发射组件300(通过第一填充介质500)抵接，用于传热。电路板310中间主要部分抵接于半导体制冷器200，因此，在半导体制冷器200启用加热功能时，半导体制冷器200的热端能量能够高效地输送给电路板310；并且，电路板310仅有边缘与基座100相连，因此，被加热的电路板310向基座100反向传输热量的效率则较低(因为接触面积小)。这样设置有利于提高对发射组件300的加热效率。通过将半导体制冷器200设置于安装槽110内，电路板310覆盖安装槽110并抵接半导体制冷器200，既保证了高温工况下有足够的散热路径(可通过基座100、半导体制冷器200散热)，满足散热需求，又实现了低温工况下半导体制冷器200对电路板310的快速加热。

在本实施例中，基座100的表面可以间隔地设置多个点胶槽，通过点胶的方式来固定电路板310；半导体制冷器200也可以通过点胶的方式来固定于安装槽110内。基座100上还开设有过线槽120，用于半导体制冷器200的线路引出。

由于在散热时，热量会依次从发射组件300、半导体制冷器200、基座100、底壳400传至外部，因此基座100可选用导热系数较高的材质，以提高散热效果。在本实施例中，基座100的材质为铜或铜合金。具体的，基座100的材质可选取紫铜或无氧铜。

图4为图1中激光发射装置010在A-A方向的剖视图。请参照图1、图3和图4，在本实施例中，基座100背离发射组件300的一侧连接于底壳400。底壳400起到对基座100的支撑、固定以及散热作用。在本实施例中，底壳400上开设有沉槽410，基座100嵌设于沉槽410内。沉槽410能够对基座100进行限位，提高基座100的稳定性，同时也能够使基座100和底壳400的装配更加紧凑，有利于减小设备体积。并且，设置沉槽410也进一步增加了底壳400与基座100的接触面积，从而提高了二者之间的传热效率。

在本实施例中，底壳400背离基座100的一侧设置有散热翅片420。散热翅片420能够增加底壳400的表面积，从而提高散热效率。通过仿真模拟，得到相邻两个散热翅片420的间距D与散热翅片420的厚度之比在2.5:1条件下，散热效果较佳。

进一步的，底壳400的材质选为铝或铝合金，比如，选取6061或6063铝合金。虽然铝合金的导热系数不及紫铜与无氧铜，但铝合金比热容高于铜，不容易因快速升温而导致散热速率下降。因此本实施例中将底壳400与基座100设计成铜/铝结合的结构，增充了铝的导热系数不及铜，同时也弥补了铜容易升温而散热速率下降的问题。并且，铝、铝合金的密度相较于铜较小，因此铜、铝的结合使用，不仅达到高效传热快速散热的效果，也减轻了设备重量。

在本实施例中，底壳400与基座100之间设置有第二填充介质600。第二填充介质600设置于基座100和底壳400之间，从而减少基座100与底壳400之间的间隙，增加实际接触面积，从而增强换热效率。可选的，第二填充介质600为铟片，铟片能够显著提高基座100与底壳400之间的传热速率，提高散热效果。在可选的其他实施例中，第二填充介质600也可以使用导热胶或导热硅脂。

在本实施例中，底壳400与基座100之间可以使用螺钉等紧固件固定，也可以采用粘接、焊接等方式固定连接。

激光发射装置010在高温工况下工作时，激光器芯片320产生的热量由电路板310传递给半导体制冷器200和基座100，半导体制冷器200也将热量传递给基座100，基座100将热量传递给底壳400，底壳400将热量传递到环境中。在此散热过程中，可控制半导体制冷器200对电路板310制冷，即半导体制冷器200贴合电路板310的一端为冷端；当然，在散热压力不大的情况下，也可以不开启半导体制冷器200，半导体制冷器200仅起到传热作用。

激光发射装置010需要在低温工况下工作时，需要对发射组件300进行升温，以保证正常启动。此时，开启半导体制冷器200，令半导体制冷器200贴合电路板310的一端为热端，热量由半导体制冷器200直接供给发射组件300，使得电路板310以及其上的激光器芯片320能够快速升温，尽快进入正常运行。

另外，发射组件300的电路板310上还可以设置控制芯片，控制芯片与温度传感器330以及半导体制冷器200电连接，控制芯片通过温度传感器330采集激光器芯片320的温度信息，从而根据激光器芯片320的温度信息来控制半导体制冷器200的模式(制冷、加热或者不启动)。

本申请提供一种激光雷达(图中未示出)，包括本申请上述实施例提供的激光发射装置010。此外，激光雷达还包含其他用于实现雷达基本功能的组件，比如接收组件等。

综上所述，本申请提供的激光发射装置010以及激光雷达，具有较高的集成度，能够实现对发射组件300的温度进行有效控制，降低了组装难度。激光发射装置010无需额外增加散热装置或加热装置，具有成本低，体积小的优点。确保了激光雷达在高\低温工况下能均够长时间稳定运行，保持高精度测量，工作稳定性好。

以上仅为本申请的优选实施例而已，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。

Claims (13)

1.一种激光发射装置，其特征在于，包括基座、半导体制冷器以及发射组件，所述半导体制冷器设置于所述基座，所述发射组件包括电路板和激光器芯片，所述激光器芯片设置于所述电路板的一面，所述电路板的另一面抵接所述半导体制冷器。

2.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述基座上开设有安装槽，所述半导体制冷器嵌入所述安装槽。

3.根据权利要求2所述的激光发射装置，其特征在于，所述半导体制冷器的表面与所述安装槽的开口齐平，所述电路板覆盖所述安装槽并固定连接于所述基座。

4.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述电路板与所述半导体制冷器之间设置有第一填充介质。

5.根据权利要求4所述的激光发射装置，其特征在于，所述第一填充介质为铟片。

6.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述基座的材质为铜或铜合金。

7.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述发射组件还包括设置于所述电路板的温度传感器。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的激光发射装置，其特征在于，所述激光发射装置还包括底壳，所述基座背离所述发射组件的一侧连接于所述底壳。

9.根据权利要求8所述的激光发射装置，其特征在于，所述底壳的材质为铝或铝合金。

10.根据权利要求8所述的激光发射装置，其特征在于，所述底壳与所述基座之间设置有第二填充介质。

11.根据权利要求10所述的激光发射装置，其特征在于，所述第二填充介质为铟片。

12.根据权利要求8所述的激光发射装置，其特征在于，所述底壳背离所述基座的一侧设置有散热翅片。

13.一种激光雷达，其特征在于，包括权利要求1-12中任一项所述的激光发射装置。

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