CN220632001U - 一种激光探测模组及扫地机器人 - Google Patents

一种激光探测模组及扫地机器人 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种激光探测模组及扫地机器人,通过将激光发射芯片、光线整形组件、成像镜头和图像采集芯片直接加工在基板上,避免单独加工和组装,实现缩减制造环节、减少生产物料成本和简化总体工艺过程的目的。本实用新型的主要技术方案为:一种激光探测模组,包括:基板;激光发射芯片与基板连接,用于发射探测激光;光线整形组件与基板连接,且至少部分位于激光发射芯片的探测激光传播一侧,光线整形组件用于探测激光的光线调整;成像镜头与基板连接,用于接收探测激光的反射光线并成像;图像采集芯片与基板连接,设置于成像镜头成像的一侧,用于根据成像产生探测信号。本实用新型主要用于激光探测。

Description

一种激光探测模组及扫地机器人
技术领域
本实用新型涉及智能家居技术领域,尤其涉及一种激光探测模组及扫地机器人。
背景技术
随着智能家居技术的不断发展,扫地机器人在日常家清工作中的利用频率越来越高,扫地机器人的功能也越来越多样化。当前自主移动扫地机器人一般采用双目视觉避障方案、3dTof避障方案和线激光避障方案作为主要避障方案。其中线激光避障方案因其成本较低、测量精度高等优点,逐步成为主流避障方案。线激光避障方案中,扫地机器人内设置线激光测距模组,其包括激光发射组件和激光接收组件,通过激光发射组件发射激光光线,激光光线碰到障碍物返回光线将被激光接收组件接收,根据接收的图像可进行障碍物距离测量、识别,可辅助实现扫地机器人越障、建立地图、沿墙行走等多种功能。
激光发射组件和激光接收组件均为独立的封装后的模组,激光发射组件和激光接收组件直接连接或者通过额外的固定结构连接在扫地机器人的印制电路板上。激光发射组件、激光接收组件和印制电路板均需要分别生产和组装,而后在进行激光发射组件、激光接收组件与印制电路板的组装,加工环节多导致生产过程复杂,每个步骤中均会有人工、设备、物料等消耗,且加工环节的增加将会增加出错风险,导致良品率下降,继而导致激光测距模组的成本增加。
实用新型内容
有鉴于此,本实用新型提供一种激光探测模组及扫地机器人,通过将激光发射芯片、光线整形组件、成像镜头和图像采集芯片直接加工在基板上,避免单独加工和组装,实现缩减制造环节、减少生产成本和物料成本和简化总体工艺过程的目的。
一方面,本实用新型提供一种激光探测模组,包括:
基板(100);
激光发射芯片(200),激光发射芯片(200)与基板(100)连接,用于发射探测激光;
光线整形组件(300),光线整形组件(300)与基板(100)连接,且至少部分位于激光发射芯片(200)的探测激光传播一侧,光线整形组件(300)用于探测激光的光线调整;
成像镜头(400),成像镜头(400)与基板(100)连接,用于接收探测激光的反射光线并成像;
图像采集芯片(500),图像采集芯片(500)与基板(100)连接,设置于成像镜头(400)成像的一侧,用于根据成像产生探测信号。
其中,光线整形组件(300)包括准直器、扩束器和第一安装件,第一安装件包括第一透光通道,准直器和扩束器均位于第一透光通道内,第一安装件与基板(100)连接,准直器相较扩束器更靠近激光发射芯片(200);
探测激光经过准直器的准直和扩束器的扩束后变为线光。
其中,准直器包括但不局限于一个或者多个准直透镜,准直透镜上设置有增透膜;
和/或,扩束器包括但不局限于一个或者多个扩束透镜,扩束透镜上设置有增透膜。
其中,激光发射芯片(200)包括垂直腔面发射激光器、边发射激光器、固体激光器和光纤激光器其中至少一种。
其中,激光发射芯片(200)和光线整形组件(300)的数量均为一个;
或者,激光发射芯片(200)的数量为多个,单个光线整形组件(300)对应至少一个激光发射芯片(200);
或者,激光发射芯片(200)和光线整形组件(300)的数量均为多个,激光发射芯片(200)和光线整形组件(300)一一对应。
其中,图像采集芯片(500)包括图像传感器;
图像传感器的数量为一个或者多个,成像镜头(400)与图像传感器一一对应。
其中,成像镜头(400)包括至少一个成像透镜和第二安装件,第二安装件包括第二透光通道,成像透镜位于第二透光通道内,第二安装件与基板(100)连接;
探测激光的反射光线经过成像透镜后在图像采集芯片(500)上成像;
成像透镜上设置有增透膜。
其中,激光发射芯片(200)和/或图像采集芯片(500)与基板(100)键合连接。
其中,光线整形组件(300)和/或成像镜头(400)与基板(100)粘结、焊接或超声连接。
其中,基板(100)的板材为陶瓷板材或者高转化温度板材;
和/或,基板(100)表面覆盖防静电涂层。
其中,激光探测模组还包括控制芯片,控制芯片与基板(100)连接,且控制芯片通过基板(100)与激光发射芯片(200)和图像采集芯片(500)电连接;
和/或,
激光探测模组还包括电源芯片,电源芯片与基板(100)连接,且电源芯片通过基板(100)与激光发射芯片(200)和图像采集芯片(500)电连接,用于为激光发射芯片(200)和图像采集芯片(500)供电。
其中,激光探测模组还包括封装外壳,封装外壳包括引脚,基板(100)以及基板(100)上的激光发射芯片(200)、光线整形组件(300)、成像镜头(400)和图像采集芯片(500)均位于封装外壳内,基板(100)与引脚电连接。
另一种实施方式中,本实用新型还提供了一种扫地机器人,包括前述任一项的激光探测模组,以及机器人本体,激光探测模组设置于机器人本体上。
本实用新型提出的激光探测模组及扫地机器人,通过将激光发射芯片、光线整形组件、成像镜头和图像采集芯片直接加工在基板上,避免单独加工和组装,实现缩减制造环节、减少生产物料成本和简化总体工艺过程的目的。现有技术中,激光发射组件和激光接收组件均为独立的封装后的模组,激光发射组件和激光接收组件直接连接或者通过额外的固定结构连接在扫地机器人的印制电路板上。激光发射组件、激光接收组件和印制电路板均需要分别生产和组装,而后在进行激光发射组件、激光接收组件与印制电路板的组装,加工环节多导致生产过程复杂,每个步骤中均会有人工、设备、物料等消耗,且加工环节的增加将会增加出错风险,导致良品率下降,继而导致激光测距模组的成本增加。本申请技术方案中,将激光发射芯片、光线整形组件、成像镜头和图像采集芯片直接设置于公用的基板上,无需为激光发射芯片和图像采集芯片设置单独的基板,无需激光发射芯片和光线整形组件单独封装为光源组件,或者图像采集芯片和成像镜头的单独封装为接收组件,无需进行光源组件和接收组件与公用基板的组合,大大减少了生产和组装环节,降低生产成本,且实现减小激光探测模组整体体积。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种激光探测模组的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例,对依据本实用新型提出的一种激光探测模组其具体实施方式、结构、特征及其功效,详细说明如后。
如图1所示,本实用新型实施例提供了一种激光探测模组,包括:
基板(100);
激光发射芯片(200),激光发射芯片(200)与基板(100)连接,用于发射探测激光;
光线整形组件(300),光线整形组件(300)与基板(100)连接,且至少部分位于激光发射芯片(200)的探测激光传播一侧,光线整形组件(300)用于探测激光的光线调整;
成像镜头(400),成像镜头(400)与基板(100)连接,用于接收探测激光的反射光线并成像;
图像采集芯片(500),图像采集芯片(500)与基板(100)连接,设置于成像镜头(400)成像的一侧,用于根据成像产生探测信号。
激光发射芯片(200)和图像采集芯片(500)均为未封装前的裸片,可称为激光发射die和图像采集die,die没有引脚,连接在基板(100)上,可通过基板的引脚与外界电连接,进行信号的传输,如探测信号或控制器的控制信号的传输。与引脚或者说接口的电连接包括但不限于通过焊盘、出线和FPC等电连接。基板(100)可以为印制电路板,激光发射芯片(200)和图像采集芯片(500)与基板(100)的连接为同时机械连接和电连接。激光发射芯片(200)和图像采集芯片(500)可在SiP封装工艺中通过键合的加工方式连接在基板(100)上,使用金线将激光发射die和图像采集die与基板(100)的连接起来,实现与基板(100)的机械连接和电连接。光线整形组件(300)用于将激光发射芯片(200)发出的发散的激光光束准直化和扩束,使得整形后的探测激光可以实现更好的探测性能,下文中将对光线整形组件(300)进行详细描述。成像镜头(400)用于接收探测激光经过障碍物的返回激光,并在图像采集芯片(500)上成像。图像采集芯片(500)可以为图像传感器,如CCD(Charge CoupledDevice)、CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)传感器等,如CCD传感器通过半导体材料把光线转变成电荷,通过模数转换成数字信号,即探测信号为数字信号,其包含探测激光在障碍物上的光斑信息。控制器根据探测信号以及激光发射die和光线整形组件(300)等的参数即可实现对障碍物距离的计算。光线整形组件(300)和成像镜头(400)可采用主动对准工艺(active alignment,AA)固定在基板(100)上,可有效地减小整个模组的装配公差。
激光探测模组的基准线(baseline)、俯仰角(pitch)、翻滚角(roll)、偏航角(yaw)等参数的调整,可通过调整激光发射die的发光面与光线整形组件(300)的相对位置和角度、激光发射die和图像采集die在基板(100)上的距离、光线整形组件(300)和成像镜头(400)参数等实现。由于采用键合技术和AA工艺,使得激光发射芯片(200)、图像采集芯片(500)、光线整形组件(300)和成像镜头(400)与基板(100)的组装精度高,相较现有技术中封装的接收组件和光源组件与基板连接的方案,本申请无需手工对接收组件和光源组件例如roll角、pitch角和yaw角等的调校,避免手动调校工时高,且良率不稳定的问题。
本实用新型实施例提出的激光探测模组及扫地机器人,通过将激光发射芯片、光线整形组件、成像镜头和图像采集芯片直接加工在基板上,避免单独加工和组装,实现缩减制造环节、减少生产物料成本和简化总体工艺过程的目的。现有技术中,激光发射组件和激光接收组件均为独立的封装后的模组,激光发射组件和激光接收组件直接连接或者通过额外的固定结构连接在扫地机器人的印制电路板上。激光发射组件、激光接收组件和印制电路板均需要分别生产和组装,而后在进行激光发射组件、激光接收组件与印制电路板的组装,加工环节多导致生产过程复杂,每个步骤中均会有人工、设备、物料等消耗,且加工环节的增加将会增加出错风险,导致良品率下降,继而导致激光测距模组的成本增加。本申请技术方案中,将激光发射芯片、光线整形组件、成像镜头和图像采集芯片直接设置于公用的基板上,无需为激光发射芯片和图像采集芯片设置单独的基板,无需激光发射芯片和光线整形组件单独封装为光源组件,或者图像采集芯片和成像镜头的单独封装为接收组件,无需进行光源组件和接收组件与公用基板的组合,大大减少了生产和组装环节,降低生产成本,且实现减小激光探测模组整体体积。
一种实施方式中,光线整形组件(300)包括准直器、扩束器和第一安装件,第一安装件包括第一透光通道,准直器和扩束器均位于第一透光通道内,第一安装件与基板(100)连接,准直器相较扩束器更靠近激光发射芯片(200)。探测激光经过准直器的准直和扩束器的扩束后变为线光。
第一安装件可以为筒状结构,第一透光通道允许探测激光通过,光线整形组件(300)与基板(100)的连接是通过筒状结构的第一安装件与基板(100)采用胶黏剂粘结。准直器和扩束器均包括一个或者多个透镜,透镜按预设顺序通过UV胶粘接在筒状结构的第一安装件内。更为具体的,准直器可以包括一个或者多个准直透镜,准直透镜为凹透镜或者凸透镜,设置于激光发射芯片(200)探测激光传播的一侧,用于将激光发射芯片(200)发出的探测激光汇聚和准直化,使得激光能够以平行状态投射到扩束器。扩束器包括一个或者多个扩束透镜,设置于准直透镜远离激光发射芯片(200)的一侧,扩束透镜可以为柱形透镜,利用柱形透镜侧壁折射使得激光在垂直于柱形透镜延伸方向上散射,而在柱形透镜延伸方向上仅折射而不会散射,进而实现在垂直于柱形透镜延伸方向上的扩束,使得点光变为垂直于柱形透镜延伸方向上的线光,垂直于柱形透镜延伸方向为所需线光的延伸方向。如在扫地机器人中,所需线光的延伸方向可以为水平方向。
扩束器可以有多种结构,以下根据单一基板(100)设置的激光发射芯片(200)和光线整形组件(300)的数量的不同进行几种具体实施例的详细说明:
其一,一个基板(100)上可以设置单一一个激光发射芯片(200)和单一一个光线整形组件(300)的组合,则扩束器可为单一的柱形透镜或者由多个柱形透镜在所需线光的延伸方向上排列而成,仅产生单一的线激光,柱形透镜的数量多可使得线激光的均匀性更好;
其二,一个基板(100)上可以设置多个激光发射芯片(200),多个激光发射芯片(200)在所需线光的延伸方向上排列,单个光线整形组件(300)对应至少一个激光发射芯片(200),如扩束器对应多个激光发射芯片(200),多个激光发射芯片(200)可以为基板(100)上全部的激光发射芯片(200),也可以为基板(100)上部分的激光发射芯片(200)。扩束器由多个柱形透镜在所需线光的延伸方向上排列而成,可进一步增加线光的延伸长度和均匀性。可以理解,多个激光发射芯片(200)应同时发光。
其三,激光发射芯片(200)和光线整形组件(300)的数量均为多个,激光发射芯片(200)和光线整形组件(300)一一对应。
对应的激光发射芯片(200)和光线整形组件(300)的组合可产生一条线形探测激光,不同的激光发射芯片(200)的种类、功率和波长可以不同,不同的激光发射芯片(200)可依系统要求按照特定组合排列顺序分时发射探测激光,可实现通过不同探测激光进行障碍物的探测,可通过整合不同探测激光对应的探测信号提高探测结果的准确性。一些实施方式中,还可根据不同的使用场景需求选择对应的激光发射芯片(200)工作。
一种实施方式中,激光发射芯片(200)可以为垂直腔面发射激光器(VCSEL)或边发射激光器(EEL),此外也可以是固体激光器和光纤激光器其中一种。可优选VCSEL激光器,发散角小,耦合效率高。激光发射芯片(200)的波长大于等于800纳米,小于等于1000纳米,如808nm、850nm、905nm和940nm等,可实现适应大多数扫地机器人的避障探测的距离需求。
进一步的,图像采集芯片(500)的数量也可以为一个或者多个,成像镜头(400)与图像传感器一一对应,多个成像镜头(400)分别获取探测激光的反射光线,对各图像采集芯片(500)分别进行成像的信号转换,控制器可对多个图像采集芯片(500)输出结果进行整合,提高探测精度。
更为具体的,成像镜头(400)包括至少一个成像透镜和第二安装件,第二安装件包括第二透光通道,成像透镜位于第二透光通道内,第二安装件与基板(100)连接。探测激光的反射光线经过成像透镜后在图像采集芯片(500)上成像。
第二安装件可以为筒状结构,第二透光通道允许探测激光的反射光线以及自然光的反射光线通过,成像镜头(400)与基板(100)的连接是通过筒状结构的第二安装件与基板(100)采用胶黏剂粘结。成像透镜可以为一个或者多个,成像透镜按预设顺序通过UV胶粘接在筒状结构的第二安装件内,成像透镜用于对接收到的光线聚焦,继而在图像采集芯片(500)上成像。
前述准直透镜、扩束透镜和/或成像透镜的材质包括但不限于玻璃、聚碳酸酯(PC)和有机玻璃(Polymethyl methacrylate,PMMA)。准直透镜、扩束透镜和/或成像透镜上设置有增透膜,使得透镜的透光效果更好,保证探测激光和返回光线的强度。
光线整形组件(300)的第一安装件和/或成像镜头(400)的第二安装件与基板(100)的连接方式除了粘结,还可以是焊接或超声连接,但胶黏剂粘结的方式可避免高温或者震动对芯片性能的影响。
为保证激光发射芯片(200)的高温不会导致基板(100)变形,基板(100)应具有较高的热膨胀系数,同时,基板(100)应具有较好的散热性能,以对激光发射芯片(200)散热,基板(100)的板材可包括陶瓷板材或者高转化温度板材。基板(100)表面可覆盖防静电涂层,如涂覆防静电漆,避免人体或者周围环境设备静电对激光发射芯片(200)和图像采集芯片(500)性能的影响。
一种实施方式中,激光探测模组还包括控制芯片,控制芯片与基板(100)连接,且控制芯片通过基板(100)与激光发射芯片(200)和图像采集芯片(500)电连接。激光探测模组还包括电源芯片,电源芯片与基板(100)连接,且电源芯片通过基板(100)与激光发射芯片(200)和图像采集芯片(500)电连接,用于为激光发射芯片(200)和图像采集芯片(500)供电。
控制芯片可以为MCU die,MCU die和电源die同样可以依于SIP封装工艺键合在基板(110)上。控制芯片用于配置图像采集芯片(500)以及采集图像采集芯片(500)的探测信号,且用于控制激光发射芯片(200)发出探测激光。电源芯片还与控制芯片电连接,用于为整个激光探测模组供电,使激光探测模组能够独立完成障碍探测功能。
一种实施方式中,激光探测模组还包括封装外壳,封装外壳包括引脚,基板(100)以及基板(100)上的激光发射芯片(200)、光线整形组件(300)、成像镜头(400)和图像采集芯片(500)均位于封装外壳内,基板(100)与引脚电连接。此外,在包括控制芯片和电源芯片的实施方式中,控制芯片和电源芯片也位于封装外壳内。
通过系统级封装技术,或者说SIP封装技术,将激光发射芯片(200)、图像采集芯片(500)、控制芯片和电源芯片键合的方式集成在同一基板(100)上,激光发射芯片(200)、图像采集芯片(500)、控制芯片和电源芯片均与基板(100)电连接,实现大幅减小激光探测模组体积和成本。此外,现有技术中封装的接收组件和光源组件与基板可通过额外的连接件连接,连接件一般为非金属材料,其在高温高湿下或温度冲击下会发生明显的可逆形变或不可逆形变,导致调校好的接收组件和光源组件的参数发生可逆偏移或不可逆偏移,将影响探测精度。本申请将激光发射芯片(200)和图像采集芯片(500)直接键合在基板(100)上,在高温高湿存储和温度冲击环境下,可能因湿热膨胀而产生形变的结构大幅减少,有效保证激光探测模组高温高湿及温度冲击环境下的性能的稳定性。
另一种实施方式中,本实用新型还提供了一种扫地机器人,包括前述任一项的激光探测模组,以及机器人本体,激光探测模组设置于机器人本体上。
激光探测模组可设置于机器人本体的多个位置,如设置于顶端、侧面或者底端,可以仅设置单一的激光探测模组,也可以在不同位置设置多个激光探测模组。激光探测模组与机器人本体的总控制器电连接,激光探测模组可向机器人本体正常清扫方向的前方且倾斜向下进行探测,可实现底面障碍物探测,总控制器根据障碍物探测结果控制机器人本体移动实现越障。激光探测模组还可以在机器人本体移动的水平面内进行墙壁等的探测,可进行清扫环境的轮廓绘制。激光探测模组具有体积小的优点,使得激光探测模组占用扫地机器人内部空间少,此外,扫地机器人还具有如前述激光探测模组成本低、稳定性好等优点,此处不再赘述。
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,可轻易想到变化或替换,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所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种激光探测模组,其特征在于,包括:
基板(100);
激光发射芯片(200),所述激光发射芯片(200)与所述基板(100)连接,用于发射探测激光;
光线整形组件(300),所述光线整形组件(300)与所述基板(100)连接,且至少部分位于所述激光发射芯片(200)的探测激光传播一侧,所述光线整形组件(300)用于所述探测激光的光线调整;
成像镜头(400),所述成像镜头(400)与所述基板(100)连接,用于接收所述探测激光的反射光线并成像;
图像采集芯片(500),所述图像采集芯片(500)与所述基板(100)连接,设置于所述成像镜头(400)成像的一侧,用于根据所述成像产生探测信号。
2.根据权利要求1所述的激光探测模组,其特征在于,
所述光线整形组件(300)包括准直器、扩束器和第一安装件,所述第一安装件包括第一透光通道,所述准直器和所述扩束器均位于所述第一透光通道内,所述第一安装件与所述基板(100)连接,所述准直器相较所述扩束器更靠近所述激光发射芯片(200);
所述探测激光经过所述准直器的准直和所述扩束器的扩束后变为线光。
3.根据权利要求2所述的激光探测模组,其特征在于,
所述准直器包括但不局限于一个或者多个准直透镜,所述准直透镜上设置有增透膜;
和/或,所述扩束器包括但不局限于一个或者多个扩束透镜,所述扩束透镜上设置有增透膜。
4.根据权利要求1所述的激光探测模组,其特征在于,
所述激光发射芯片(200)包括垂直腔面发射激光器和边发射激光器其中至少一种。
5.根据权利要求1所述的激光探测模组,其特征在于,
所述激光发射芯片(200)和所述光线整形组件(300)的数量均为一个;
或者,所述激光发射芯片(200)的数量为多个,单个所述光线整形组件(300)对应至少一个所述激光发射芯片(200);
或者,所述激光发射芯片(200)和所述光线整形组件(300)的数量均为多个,所述激光发射芯片(200)和所述光线整形组件(300)一一对应。
6.根据权利要求1所述的激光探测模组,其特征在于,
所述图像采集芯片(500)包括图像传感器;
所述图像传感器的数量为一个或者多个,所述成像镜头(400)与所述图像传感器一一对应。
7.根据权利要求1所述的激光探测模组,其特征在于,
所述成像镜头(400)包括至少一个成像透镜和第二安装件,所述第二安装件包括第二透光通道,所述成像透镜位于所述第二透光通道内,所述第二安装件与所述基板(100)连接;
所述探测激光的反射光线经过所述成像透镜后在所述图像采集芯片(500)上成像;
所述成像透镜上设置有增透膜。
8.根据权利要求1所述的激光探测模组,其特征在于,
所述激光发射芯片(200)和/或所述图像采集芯片(500)与所述基板(100)键合连接。
9.根据权利要求1所述的激光探测模组,其特征在于,
所述光线整形组件(300)和/或所述成像镜头(400)与所述基板(100)粘结、焊接或超声连接。
10.根据权利要求1所述的激光探测模组,其特征在于,
所述基板(100)的板材为陶瓷板材或者高转化温度板材;
和/或,所述基板(100)表面覆盖防静电涂层。
11.根据权利要求1所述的激光探测模组,其特征在于,
所述激光探测模组还包括控制芯片,所述控制芯片与所述基板(100)连接,且所述控制芯片通过所述基板(100)与所述激光发射芯片(200)和所述图像采集芯片(500)电连接;
和/或,
所述激光探测模组还包括电源芯片,所述电源芯片与所述基板(100)连接,且所述电源芯片通过所述基板(100)与所述激光发射芯片(200)和所述图像采集芯片(500)电连接,用于为所述激光发射芯片(200)和所述图像采集芯片(500)供电。
12.根据权利要求1所述的激光探测模组,其特征在于,
所述激光探测模组还包括封装外壳,所述封装外壳包括引脚,所述基板(100)以及所述基板(100)上的所述激光发射芯片(200)、所述光线整形组件(300)、所述成像镜头(400)和图像采集芯片(500)均位于所述封装外壳内,所述基板(100)与所述引脚电连接。
13.一种扫地机器人,其特征在于,包括如上述权利要求1-12中任一项所述的激光探测模组,以及机器人本体,所述激光探测模组设置于所述机器人本体上。
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