一种离散视场激光近程探测前端装置的制作方法

1.本发明属于激光探测技术领域，具体涉及一种离散视场激光近程探测前端装置。


背景技术：

2.激光探测技术主要利用激光的优异特质，将它作为光源，配以相应的光电探测器件来实现长度、距离、速度等参数测量，具有精度高、方向性好、等优点。激光近程探测是激光探测技术的典型应用之一，随着装备集成化与小型化的发展趋势，激光近程探测前端装置作为激光近程探测的关键件，需提高一体化水平，以促进光电探测市场的高速发展。
3.在一体化道路上，难免遇到一些技术问题：小体积探测前端集成度高，要求激光发射光学整形及驱动一体化设计；传统的双高斯透镜，反远距透镜等成像透镜组结构形式不能兼顾大口径短焦距的光学设计；收发一体小型化后，电磁屏蔽罩、变压器等大型抗电磁干扰措施不再适用；发射和接收距离更近，抗外界环境干扰能力变弱。因此需要设计一种高集成度、大口径短焦距、抗干扰能力强的工程化激光近程探测前端装置。


技术实现要素：

4.本发明的目的：为解决以上现有技术存在的问题，本发明提供了一种离散视场激光近程探测前端装置；该装置包括：发射模块、接收模块、串扰抑制模块以及封装管壳；所述发射模块用于输出激光辐射能量；所述接收模块用于接收目标回波能量；所述串扰抑制模块用于对发射模块的电源进行滤波处理和对激光瞬时发射引发的串扰进行抑制处理；所述封装管壳用于对发射模块、接收模块和串扰抑制模块进行光学气密性封装。
5.优选的，封装的管壳包括底壳和封装盖；底壳为三腔室结构，各个腔室分别为发射腔室、接收腔室以及串扰抑制腔室；发射腔室位于接收腔室的左侧，发射腔室和接收腔室均与串扰抑制腔室连接；装置的发射模块设置在发射腔室中，接收模块设置在接收腔室中，串扰抑制模块设置在串扰抑制腔室中；封装盖的大小与底壳匹配。
6.进一步的，封装盖上设置有发射窗口和接收窗口；发射窗口与发射腔室中的发射模块对应；接收窗口与接收腔室中的接收模块对应。
7.优选的，发射模块包括驱动电路、激光器芯片、热沉、管壳以及准直镜；采用金丝键合的方式将驱动电路与管壳引脚以及激光器芯片进行电气连接；所述激光器芯片设置在热沉上；所述热沉焊接管壳内部；所述准直镜设置在激光器芯片的发射端，构成发射模块。
8.进一步的，准直镜为非球面快轴准直镜，通过该准直镜对激光器芯片发射光束进行整形的，使发射光束呈薄扇形。
9.进一步的，发射模块中的激光器芯片为两个半导体激光器芯片，两个半导体激光器芯片之间设置有呈40
°
～50
°
的夹角，形成两束具有一定夹角的离散光束。
10.优选的，接收模块包括柱面镜和探测器模块；所述柱面镜用于对接收的入射光线进行聚焦，并将聚焦后的光束折射到探测器模块中；所述探测器模块包括滤光片、探测器芯片以及放大电路；所述滤光片设置在探测器封装管壳上；所述探测器芯片粘接在封装管壳
的腔室中；所述放大电路设置在封装管壳内部，并采用金丝键合的方式与管壳引脚、探测器芯片进行电气连接。
11.进一步的，柱面镜为柱体结构，柱面镜的一个侧面为光滑的凸曲面，在柱面镜的光滑凸曲面两侧镀有平面内反射膜，使得入射光通过镀膜后的光滑凸曲面和侧面进行线聚焦和反射聚焦，形成薄扇形光束接收视场。
12.进一步的，放大电路设置在高导热陶瓷电路板上，高导热陶瓷电路板通过铅锡焊料烧结在管壳上。
13.优选的，串扰抑制模块包括j30j连接器和电源滤波板；j30j连接器的甩线端与电源滤波板的焊盘焊接；发射模块的引出端和接收模块的引出端均与电源滤波板过孔焊接，构成电源模块。
14.本发明的优点：本发明采用光机电一体化设计，集成度高；通过结构件装配保证激光器芯片的光源分布与光学系统的配合，实现发射光束的窄光束和离散视场设计，达到激光发射光机电模块化工程设计要求；本发明通过短焦距大口径接收光学系统设计，接收端包容发射视场，提高了装置的探测能力；本发明的封装管壳采用三腔室结构设计，不仅便于光学系统的气密封装，而且提高了装置内部收发模块的抗电磁干扰能力；
附图说明
15.图1为本发明装置的各模块构成图；
16.图2为本发明的发射模块结构图；
17.图3为本发明的光束准直示意图；
18.图4为本发明的探测器模块结构图；
19.图5为本发明的柱面镜两视场的光束追迹图；
20.图6为本发明的串扰抑制功能图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
22.一种离散视场激光近程探测前端装置，如图1所示，该装置包括发射模块、接收模块、串扰抑制模块以及封装管壳；所述发射模块用于输出激光辐射能量；所述接收模块用于接收目标回波能量；所述串扰抑制模块用于对发射模块的电源进行滤波处理和对激光瞬时发射引发的串扰进行抑制处理；所述封装管壳用于对发射模块、接收模块和串扰抑制模块进行光学气密性封装。
23.一种离散视场激光近程探测前端装置的封装管壳，该封装管壳包括底壳和封装盖；底壳在结构上采用三腔室设计形式，包含发射腔室、接收腔室和串扰抑制腔室，装置的发射模块设置在发射腔室中，接收模块设置在接收腔室中，串扰抑制模块设置在串扰抑制腔室中；封装盖的大小与底壳匹配；发射模块通过螺钉固定于模组上侧面，增大激光器芯片与管壳的接触面，使得大功率激光器芯片更容易散热；在将发射模块封装到底壳的腔室中
时，将腔室的背面通过胶密封，实现发射光学部件的气密封装。在对接收模块进行气密性封装过程中，柱面镜和探测器模块通过密封胶粘接在挡板上下两侧，实现接收腔体光学气密封装。
24.封装盖上设置有发射窗口和接收窗口；发射窗口与发射腔室中的发射模块对应；接收窗口与接收腔室中的接收模块对应。
25.采用三腔室设计形式包括以下优点：1.避免了激光发射和接收之间的光串扰；2.收发模块单独金属封装，通过多层金属屏蔽，降低发射系统瞬时放电产生周边电磁辐射干扰；3.不依赖于装置的整体气密，可对收发光学部件单独气密封装，保证低温下装置的光学窗口不结霜。
26.发射模块结构的具体实施方式，如图2所示，该结构包括：驱动电路、激光器芯片、热沉、管壳和准直镜。驱动电路采用金丝键合方式与管壳引脚、激光器芯片电气连接；激光器芯片通过金锡焊料烧焊在热沉上，热沉通过铅锡银焊料烧焊在管壳上，构成发射模块。
27.可选的，发射模块的驱动电路设置在电路板上。
28.可选的，热沉采用氮化铝材质，管壳为可伐材质，电路板为陶瓷基板，激光器发光产生的热量(脉冲占空比为千分之一)通过高导热热沉传递到发射模块壳体，再通过模组壳体散热，不需要单独的散热装置，减小发射模块体积。
29.一种发射模块的具体实施方式，根据激光发射场的特点，发射模块包括带驱动电路的激光器和发射光学系统；发射光学系统包括：激光器芯片、准直镜，激光器芯片的光源分布与光学系统的配合通过结构件装配保证，达到激光发射光机电模块化工程设计要求。带驱动电路的激光器包含驱动芯片、mos管和激光器芯片；驱动芯片和mos管通过金丝键合的方式与激光器芯片进行电气连接，通过驱动芯片对激光器芯片进行驱动，实现光束的发射。
30.激光器芯片选用半导体隧道结芯片，芯片依次以40
°
～50
°
夹角排列于陶瓷热沉的两侧，实现两光束一定夹角的光学指标。
31.发射模块中的柱面镜为左侧平面平滑，右侧平面为光滑凸起的曲面结构，如图3所示。该柱面镜的焦距为900mm，使得在快轴方向上对发射光束整形，实现子午方向≤1
°
的薄扇形光束。
32.接收模块结构包括柱面镜和探测器模块；所述柱面镜用于将接收的入射光线聚焦到探测器模块内；所述探测器模块包括滤光片、探测器芯片以及放大电路；如图4所示，滤光片采用窄带滤光膜形式镀覆在探测器模块的管帽上；探测器芯片通过陶瓷载体粘接在探测器模块外壳上；放大电路设置在高导热陶瓷电路板，并通过铅锡焊料烧结在管壳上；放大电路采用金丝键合方式与管壳引脚、激光器芯片电气连接。
33.优选的，柱面镜为凸面非球面结构，材料为zlaf3的光学玻璃，柱面镜的一个侧面为光滑的凸曲面，在柱面镜的光滑凸曲面两侧镀有平面内反射膜，如图5所示，使得入射光通过镀膜后的光滑凸曲面在弧矢面50
°‑
70
°
反射汇聚，子午面5
°
内线聚焦，实现一定角度的薄扇形接收视场。
34.串扰抑制模块，该模块一方面对输入模块的电源进行滤波；另一方面解决激光瞬时发射引起的负载剧烈变化和高频噪声的传导问题。电路功能如图6所示，激光器模块前端采取共模抑制电路和滤波电路，用以平坦瞬时高电流引起的地坦效应；探测器模块前端采
取滤波电路，用以滤除线串扰信号和电源纹波；发射与接收地通过隔离器件连接，形成单点接地。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”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发明和简化描述，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发明的限制。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。