CN219268126U - 一种激光器密封装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光器密封装置，包括基板、盒盖、热沉、激光器、准直透镜和楔形组件；所述激光器、准直透镜和楔形组件依次耦合设置在热沉上，激光器发射的激光信号通过所述准直透镜入射至楔形组件，通过调节楔形组件将激光信号转向，以实现激光信号与外部接收器耦合对准；所述热沉设置在基板上，所述盒盖为一面开口结构，所述盒盖沿所述热沉的正上方密封在基板上，并将所述热沉、激光器、准直透镜和楔形组件容纳在盒盖与基板所形成的空腔内，以实现激光器的密封封装。本实用新型采用盒盖对激光器进行密封，封装后的尺寸小，能够有效的隔绝内部激光器芯片与外部湿气，提高激光器芯片的寿命，适用于激光雷达较恶劣环境的应用。

Description

一种激光器密封装置

技术领域

本实用新型涉及光电技术领域，尤其涉及一种激光器密封装置。

背景技术

激光雷达已经广泛的应用于传感领域，能够对目标物的距离、速度进行探测。自动驾驶技术的快速发展，作为使能技术之一的激光雷达技术在高速3D环境实时传感方面的应用受到广泛的关注。车载激光雷达主要包括飞行时间ToF(Time-of-Flight，简写为ToF)和调频连续波FMCW(Frequency-Modulated-Continuous-Wave，简写为FMCW)两种技术方案。ToF激光雷达通过记录光信号从发射到返回的时间，计算与目标物的距离，属于强度调制或直接接收方案应用。ToF元器件较成熟，技术路线较简单。ToF激光雷达采用多线方案，线数越多其分辨率也越高，但是对激光器光源高密度布板安装提出更大的挑战，激光雷达应用于户外环境，工作条件较恶劣，激光器无密封封装时，容易受到外界环境的水汽或者污染物的影响，其长期可靠性很难得到保障。所以实现激光器密封封装是激光雷达可靠性重要的保证。

常用的激光器芯片密封封装方案有金属壳或者TO封装。金壳封装气密性好，可靠性优异，能够实现激光器及复杂光学组件封装，但是金属壳封装体积大，金壳需要采用软带或者引脚形式把接口引到管壳外部，设计较复杂，成本高，较难实现小型化低成本高密度布板设计；TO封装结构简单，气密性好，但是按照较小的TO38封装尺寸，也较难满足64线、128线或者更高线数激光雷达布板设计。按照TO38尺寸并排排列128线激光器，其长度大于40cm，较大的尺寸不利于激光雷达系统小型化应用。

鉴于此，克服该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

本实用新型要解决的技术问题是如何解决现有的激光器芯片密封封装后封装尺寸大的问题。

本实用新型是这样实现的：

本实用新型提供一种激光器密封装置，包括基板1、盒盖2、热沉3和至少一个光发射组件4，其中，所述光发射组件4包括激光器41、准直透镜42和楔形组件43；

所述激光器41、准直透镜42和楔形组件43依次耦合设置在热沉3上，激光器41发射的激光信号通过所述准直透镜42入射至楔形组件43，通过调节楔形组件43将激光信号转向，以实现激光信号与外部接收器耦合对准；

所述热沉3设置在基板1上，所述盒盖2为一面开口结构，所述盒盖2沿所述热沉3的正上方密封在基板1上，并将所述热沉3、激光器41、准直透镜42和楔形组件43容纳在盒盖2与基板1所形成的空腔内，以实现激光器41的密封封装。

优选的，所述楔形组件43包括第一楔形板431和第二楔形板432，所述第一楔形板431竖直面与第二楔形板432的竖直面相对平行设置，所述第一楔形板431沿激光信号轴向转动至第一预设位置，所述第二楔形板432沿激光信号轴向转动至第二预设位置后固定，所述激光信号依次从所述第一楔形板431和所述第二楔形板432进入后进行转向，以实现激光信号与外部接收器耦合对准。

优选的，所述第一楔形板431和第二楔形板432沿激光信号旋转至第一楔形板431的顶角与第二楔形板432顶角同向时，所述激光信号依次从所述第一楔形板431和所述第二楔形板432进入后进行转向，以实现激光信号最大角度的偏转。

优选的，所述第一楔形板431和第二楔形板432沿激光信号旋转至第一楔形板431的顶角与第二楔形板432顶角异向时，所述激光信号依次从所述第一楔形板431和所述第二楔形板432进入后进行转向，以实现激光信号平行偏移。

优选的，所述盒盖2内外壁镀有增透膜，以减少激光信号的反射。

优选的，所述热沉3上设置有打线焊盘31，并且，所述热沉3刻蚀有控制电路，所述控制电路通过所述打线焊盘31与激光器41电性连接，以便于给所述激光器41供电。

优选的，所述激光器41为边发光激光器或垂直发光激光器，其中：

当激光器41为边发光激光器时，所述边发激光器通过导电胶或焊料焊接在所述热沉3上，并且所述边发光激光器所发生的激光信号与外部接收器耦合对准；

当激光器41为垂直发光激光器时，所述热沉3上设置有陶瓷块，所述陶瓷块内刻蚀有金属线，所述打线焊盘31与垂直发光激光器的垂直面通过所述金属线电性连接，以便于所述控制电路给垂直发光激光器供电。

优选的，所述盒盖2内设置有至少两个光发射组件4时，将所述光发射组件4内的激光器41组成激光器41阵列，以实现高密度布板的目的。

优选的，所述准直透镜42为D透镜、柱面镜、双凸透镜或球透镜中的一种或多种。

优选的，所述热沉3的材质为陶瓷材料或硅材料。

本实用新型所采取的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

本实用新型采用盒盖2对激光器41进行密封，封装后的整体尺寸小，并且能够有效的隔绝内部激光器41芯片与外部湿气，提高激光器41芯片的寿命，适用于激光雷达较恶劣环境的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种激光器密封装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种激光器密封装置的第一楔形板和/或第二楔形板角度转向原理示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种激光器密封装置的楔形组件在第一特定状态下的角度转向原理示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种激光器密封装置的楔形组件偏转角为0时的原理示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种激光器密封装置内的激光器采取垂直发光激光器的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种激光器密封装置的一个盒带对应设置两个光发射组件的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种激光器密封装置内并排布局的结构示意图；

其中，附图标记：

1-基板；2-盒盖；3-热沉；31-打线焊盘；4-光发射组件；41-激光器；42-准直透镜；43-楔形组件；431-第一楔形板；432-第二楔形板。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”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。

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，所描述的实施例仅仅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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

本实用新型实施例提供一种激光器密封装置，如图1所示，包括基板1、盒盖2、热沉3和至少一个光发射组件4，其中，所述光发射组件4包括激光器41、准直透镜42和楔形组件43；

所述激光器41、准直透镜42和楔形组件43依次耦合设置在热沉3上，激光器41发射的激光信号通过所述准直透镜42入射至楔形组件43，通过调节楔形组件43将激光信号转向，以实现激光信号与外部接收器耦合对准；

所述热沉3设置在基板1上，所述盒盖2为一面开口结构，所述盒盖2沿所述热沉3的正上方密封在基板1上，并将所述热沉3、激光器41、准直透镜42和楔形组件43容纳在盒盖2与基板1所形成的空腔内，以实现激光器41的密封封装。

其中，盒盖2由硅材料制作而成，盒盖2的内外壁镀增透膜，盒盖2底部镀金。基板1与盒盖2对应区域设置有焊料，可通过加热方式把盒盖焊接在基板上。除此之外，硅材料不透可见光，但是在O波段，C波段损耗小，适用于采用1550nm波段的激光雷达封装。对于本实用新型而言，本实用新型适用于特定波段对应激光器(即激光器所产生的激光信号能传输到盒体之外的激光器)的封装。如图1所示，表示本实用新型的激光器密封装置的剖面图，本实用新型的盒盖2只有一面开口，通过将盒盖2密封扣合在光发射组件4的正上方，以将光发射组件4和热沉3密封在盒盖2与基板1所形成的空腔内。激光信号通过盒盖2透射到盒盖2之外，在实现光发射组件4传输激光信号至外部接收器的同时，能精准的对光发射组件4进行密封，使得本实用新型内部的激光器41芯片与外部湿气有效隔绝，提高激光器41芯片的寿命，适用于激光雷达较恶劣环境的应用。除此之外，现有金壳封装需要采用软带或者引脚形式把接口引到管壳外部来实现各器件电性连接，软带或者引脚所使用的金属线需要占据较大的空间，使得金壳封装后的体积大，相对于现有技术金壳封装而言，本实用新型不需要额外使用软带或者引脚，使得本实用新型的各器件可以排布得相对于紧凑，密封封装后的整体尺寸小，能有效的解决现有激光器41芯片密封封装后封装尺寸偏大的问题。值得注意的是，本实用新型的准直透镜42为D透镜、柱面镜、双凸透镜或球透镜中的一种或多种；本实用新型的热沉3需要连接打线焊盘31，并且需要进行导热，因此本实用新型的热沉3和基板1采用绝缘导热的材料，所述热沉3的材质为陶瓷材料或硅材料；对于基板1而言，所述基板1同样需要设置打线焊盘31需要刻蚀电路，与外部器件电性连接，因此基板1需要采用绝缘材料，所述基板1的材质为陶瓷材料或硅材料。

为了阐述本实用新型实施例完整的方案，接下来对本实用新型的细节做详细的描述。为了将本实用新型激光信号能精准的传输至外部接收器内，本实用新型所述楔形组件43包括第一楔形板431和第二楔形板432，所述第一楔形板431竖直面与第二楔形板432的竖直面相对平行设置，所述第一楔形板431沿激光信号轴向转动至第一预设位置，所述第二楔形板432沿激光信号轴向转动至第二预设位置后固定，所述激光信号依次从所述第一楔形板431和所述第二楔形板432进入后进行转向，以实现激光信号与外部接收器耦合对准。

在实际应用的过程中，对于不同的应用场景而言，外部接收器的位置可能会不同，为了使本实用新型的激光信号能尽可能的与多种应用场景下的外部接收器耦合对准。本实用新型实施例在将激光信号与外部接收器耦合对准的过程中，首先将第一楔形板431和第二楔形板432沿着激光信号所形成的光轴顺时针或逆时针进行调节，待激光信号与外部接收器耦合对准后，再将第一楔形板431和第二楔形板432固定在热沉3上。本实用新型实施例的楔形组件43包括第一楔形板431和第二楔形板432，未进行固定之前，第一楔形板431和第二楔形板432可沿着激光信号所形成的光轴顺时针或逆时针的旋转。如图1和图2所示，表示楔形板第一楔形板431和/或第二楔形板432角度转向原理示意图，其中，角A表示楔形板的顶角，角B表示楔形板的转向角，本实用新型的第一楔形板431和第二楔形板432一般采用相同的光学玻璃，假定楔形板材料的折射率为n，光路转向角度为B，当角度A，B较小时，用A，B的幅度代替其正弦值，单个楔形板的转向角度B＝A·(n-1)。基于图2对应的原理，接下来对本实用新型内的第一楔形板431和第二楔形板432固定前，如何实现激光器41发射的激光信号能在预设角度内任意方向进行偏转，以确保激光信号与外部接收器耦合对准的过程进行详细的分析。如图3所示，表示本实用新型楔形组件43在第一特定状态下(第一特定状态表示第一楔形板431和第二楔形板432刚好旋转至图3中对应的位置)的角度转向原理示意图。当所述第一楔形板431和第二楔形板432沿激光信号旋转至第一楔形板431的顶角与第二楔形板432顶角同向时，所述激光信号依次从所述第一楔形板(431)和所述第二楔形板432进入后进行转向，以实现激光信号最大角度的偏转，第一楔形板431与第二楔形板432的竖直面相对平行设置，并且按照图3所示的位置设置(第一楔形板431与第二楔形板432的顶角同向)时，产生的激光信号的旋转角度最大，且旋转角为2B；当旋转第一楔形板431和第二楔形板432，楔形组件43对激光信号的旋转角会变小，当所述第一楔形板431和第二楔形板432沿激光信号旋转至第一楔形板431的顶角与第二楔形板432顶角异向时，所述激光信号依次从所述第一楔形板431和所述第二楔形板432进入后进行转向，以实现激光信号平行偏移，第一楔形板431沿激光信号的光轴旋转180°，第二楔形板432不动，所产生的偏转角为0，如图4所示，此时激光信号会产生空间上的偏移，但激光信号传输的方向始终保持不变即楔形组件43两侧的激光信号相互平行；当第一楔形板431顺时针旋转角度C，另一个逆时针旋转角度C，此时第一楔形板431与第二楔形板432所产生的总偏向角为2B·cosC。通过第一楔形板431和第二楔形板432沿激光信号的光轴旋转组合，可以实现激光信号在2B角度内任意方向的偏转调整，从而实现激光器41所产生的激光信号与外部接收器精准对准的目的。值得注意的是，本使用新型的预设角度为2B，根据所需最大调节角度2B的大小和楔形板的折射率，选取第一楔形板431和第二楔形板432的顶角A，从而可以实现本实用新型将激光器41所产生的激光信号精准输入外部接收器的目的。

进一步的，如图1和图5所示(图1中的激光器采用边发光激光器，图5中的激光器采用垂直发光激光器)，根据实际需求，本实用新型的激光器41可以选取边发光激光器或垂直发光激光器，其中：当激光器41为边发光激光器时，所述边发激光器41通过导电胶或焊料焊接在所述热沉3上，并且所述边发光激光器所发生的激光信号与外部接收器耦合对准；当激光器41为垂直发光激光器时，所述热沉3上设置有可以转向的陶瓷块，所述垂直发光激光器设置在陶瓷块上，所述陶瓷块转动带动所述垂直发光激光器转向，以便于将所述垂直发光激光器产生的激光信号传输至外部接收器内。

本实用新型的盒盖2通常采用硅材料进行制作，由于硅材料折射率与空气相差较大，光线直接入射至盒盖2表面时，产生较大的菲涅尔反射。为了消除菲涅尔反射，本实用新型的盒盖2内外壁镀有增透膜，以减少激光信号的反射。

为了顺利的将本实用新型的激光器密封装置内所产生的激光信号传输至外壁接收器内，首先需要保证给激光器41持续供电。本实用新型所述热沉3上设置有打线焊盘31，并且，所述热沉3刻蚀有控制电路，所述控制电路通过所述打线焊盘31与激光器41电性连接，以便于给所述激光器41供电；通过控制激光器41供电，以使激光器41产生稳定的激光信号。

本实用新型可以满足高密度布板设计要求，一个密封装置可包含一个光发射组件或者多个光发射组件，能够进一步降低密封激光器阵列封装成本，如图6所示，本实用新型所述盒盖2内设置有至少两个光发射组件4时，将所述光发射组件4内的激光器41组成激光器阵列，以实现高密度布板的目的。除此之外，封装结构小，能够进行平行并排设计，适用于高密度的多线激光雷达布局设计，本发明实施例也可以将光发射组件设计成并排的方式(如图7所示)，以实现高密度布板的目的。值得注意的是，本实用新型实施例的激光器密封装置在实际生产的过程中，相应的热沉和基板上都设置有打线焊盘，因此在图6和图7中将设置在热沉和基板(包括盒盖内部和外部)的打线焊盘进行了呈现。值得注意的是，本实用新型通过打线焊盘实现本实用新型各器件的电性连接，相对于现有技术金壳而言，省去了额外使用软带或者引脚形式把接口引到管壳外部来实现各器件电性连接过程中的布线，进一步的使得本实用新型相对于现有技术更加紧凑，体积更小。

本实用新型通过盒盖2将激光组件密封在盒盖2与基板1所形成的空腔内，能精准的对光发射组件4进行密封，使得本实用新型内部的激光器41芯片与外部湿气有效隔绝，提高激光器41芯片的寿命，适用于激光雷达较恶劣环境的应用。除此之外，本实用新型结构简单，器件数量少，密封封装后的整体尺寸小，能有效的解决现有激光器41芯片密封封装后封装尺寸偏大的问题；通过楔形组件43内的第一楔形板431和第二楔形板432的组合，将激光器41产生的激光信号在预设角度内任意方向进行偏转调整，从而可以实现本实用新型将激光信号精准的输入到外部接收器内的目的；除此之外，根据实际需求，本实用新型的盒盖2与基板1之间的空腔内可以设置多个光发射组件4，并将所述光发射组件4内的激光器41组成激光器41阵列，从而实现高密度布板的目的。

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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光器密封装置，其特征在于，包括基板(1)、盒盖(2)、热沉(3)和至少一个光发射组件(4)，其中，所述光发射组件(4)包括激光器(41)、准直透镜(42)和楔形组件(43)；

所述激光器(41)、准直透镜(42)和楔形组件(43)依次耦合设置在热沉(3)上，激光器(41)发射的激光信号通过所述准直透镜(42)入射至楔形组件(43)，通过调节楔形组件(43)将激光信号转向，以实现激光信号与外部接收器耦合对准；

所述热沉(3)设置在基板(1)上，所述盒盖(2)为一面开口结构，所述盒盖(2)沿所述热沉(3)的正上方密封在基板(1)上，并将所述热沉(3)、激光器(41)、准直透镜(42)和楔形组件(43)容纳在盒盖(2)与基板(1)所形成的空腔内，以实现激光器(41)的密封封装。

2.根据权利要求1所述的激光器密封装置，其特征在于，所述楔形组件(43)包括第一楔形板(431)和第二楔形板(432)，所述第一楔形板(431)竖直面与第二楔形板(432)的竖直面相对平行设置，所述第一楔形板(431)沿激光信号轴向转动至第一预设位置，所述第二楔形板(432)沿激光信号轴向转动至第二预设位置后固定，所述激光信号依次从所述第一楔形板(431)和所述第二楔形板(432)进入后进行转向，以实现激光信号与外部接收器耦合对准。

3.根据权利要求2所述的激光器密封装置，其特征在于，所述第一楔形板(431)和第二楔形板(432)沿激光信号旋转至第一楔形板(431)的顶角与第二楔形板(432)顶角同向时，所述激光信号依次从所述第一楔形板(431)和所述第二楔形板(432)进入后进行转向，以实现激光信号最大角度的偏转。

4.根据权利要求2所述的激光器密封装置，其特征在于，所述第一楔形板(431)和第二楔形板(432)沿激光信号旋转至第一楔形板(431)的顶角与第二楔形板(432)顶角异向时，所述激光信号依次从所述第一楔形板(431)和所述第二楔形板(432)进入后进行转向，以实现激光信号平行偏移。

5.根据权利要求1所述的激光器密封装置，其特征在于，所述盒盖(2)内外壁镀有增透膜，以减少激光信号的反射。

6.根据权利要求1所述的激光器密封装置，其特征在于，所述热沉(3)上设置有打线焊盘(31)，并且，所述热沉(3)刻蚀有控制电路，所述控制电路通过所述打线焊盘(31)与激光器(41)电性连接，以便于给所述激光器(41)供电。

7.根据权利要求6所述的激光器密封装置，其特征在于，所述激光器(41)为边发光激光器或垂直发光激光器，其中：

当激光器(41)为边发光激光器时，所述边发激光器通过导电胶或焊料焊接在所述热沉(3)上，并且所述边发光激光器所发生的激光信号与外部接收器耦合对准；

当激光器(41)为垂直发光激光器时，所述热沉(3)上设置有陶瓷块，所述陶瓷块内刻蚀有金属线，所述打线焊盘(31)与垂直发光激光器的垂直面通过所述金属线电性连接，以便于所述控制电路给垂直发光激光器供电。

8.根据权利要求1所述的激光器密封装置，其特征在于，所述盒盖(2)内设置有至少两个光发射组件(4)时，将所述光发射组件(4)内的激光器(41)组成激光器(41)阵列，以实现高密度布板的目的。

9.根据权利要求1所述的激光器密封装置，其特征在于，所述准直透镜(42)为D透镜、柱面镜、双凸透镜或球透镜中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的激光器密封装置，其特征在于，所述热沉(3)的材质为陶瓷材料或硅材料。

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