車載激光雷達鏡頭模組自動耦合焊接技術

陳 暉

（福建海創光電技術股份有限公司，福州 350100）

0 引言

近年來，新能源汽車與智能化、網聯化技術加速融合，使得自動駕駛技術得到了快速發展和應用。激光雷達作為高精度傳感器，憑借著探測距離遠、分辨率高、成像能力好、抗電磁干擾能力強、計算需求相對低等優勢，被廣泛定義為實現高等級自動駕駛不可或缺的傳感器，成為自動駕駛系統中的重要感知元器件之一[1]。

2022 年，進入車載激光雷達量產元年，全球首款搭載激光雷達的新能源汽車小鵬P5實現量產。隨后，極狐阿爾法SHI 版、蔚來ET7、理想L9 等多款主流新能源車型也相繼搭載了車載激光雷達。隨著主機廠對車載激光雷達的深入開發以及車載激光雷達成本的降低，車載激光雷達的應用將在短時間內保持高速增長。車載激光雷達市場規模預計將從2021 年的4.6 億元增長至2025 年的54.6億元，年復合增長率將達到85.7%[2]。

車載激光雷達由發射系統、鏡頭模組、掃描系統和信息處理系統4 個主要功能模塊組成，其硬件的核心技術在于鏡頭模組的耦合固定[3]。目前，車載激光雷達鏡頭模組的耦合固定主要依靠半自動測試設備完成，即在半自動耦合過程中不斷地測試鏡頭模組的成像效果，成像效果滿足要求后通過UVH 雙固化工藝將耦合元器件固定[4]。其主要不足在于耦合效率低、固化強度弱，很難達到車規級產品的標準，這也是導致車載激光雷達的生產制造成本居高不下的主要原因之一。

本文提出將中繼鏡系統和激光焊接技術應用于車載激光雷達鏡頭模組生產制造工藝，實現自動耦合焊接過程的數字化監控，提高耦合效率和結構強度，為車載激光雷達鏡頭模組的耦合固定提供了新思路。

1 車載激光雷達鏡頭模組自動耦合

目前，車載激光雷達鏡頭模組的耦合多采用平行光管系統完成，但是由于平行光管系統存在結構尺寸偏大、光束準直程度有限等缺點，中繼鏡系統將成為更優的選擇。中繼鏡系統廣泛應用于光電通信行業中的鏡頭模組測試，也稱為增距鏡。在對鏡頭模組調焦與檢測時，理想的方案是在鏡頭模組的標稱焦距內進行，其遠焦距離達到數米，需要很大的測試設備。采用中繼鏡系統進行模擬測試，可以形成變遠變大的虛像，從而實現縮小焦距并縮小成像大小[5]。

車載激光雷達鏡頭模組成像監測系統如圖1 所示，由紅外光源、Chart 圖、中繼鏡、鏡頭和Sensor 組成。紅外光源產生的準直光將Chart 圖成像至中繼鏡，Chart 圖成像經過中繼鏡的重新聚焦、矯正和凈化，形成了更接近于平行光成像的效果，邊界成像更均勻且穩定。經過中繼鏡后，Chart 圖成像繼續經過車載激光雷達鏡頭模組的鏡頭完成再一次聚焦，最終傳遞到車載激光雷達鏡頭模組的Sensor 上，并依靠APD陣列將光信號轉為電信號對外輸出[6]。相比平行光管系統，中繼鏡系統的成像效果更優，且可以通過調整Chart圖與中繼鏡之間的距離實現對物距的調整，有利于系統結構的小型化。成像監測系統利用有限距離的中繼鏡光學系統實現了Chart圖的無窮遠成像，故對中繼鏡光學系統光學器件的相對位置和旋轉角度精度要求極高。中繼鏡光學系統作為一個獨立模塊，需要依靠絕對精準的標定平臺完成光學系統的標定，才能安裝到自動耦合平臺上使用。

成像監測系統的數字化監控核心在于借助IMATEST實時計算成像的MTF、FOV、OC、ROT 等必要的光學性能指標。車載激光雷達鏡頭模組設計值定義為：視場角FOV 大于等于25.0°、光心偏移OC 小于等于±10.0 μm、關鍵位置MTF 大于等于0.85、旋轉角度ROT 小于等于±0.3°。Chart 圖采用多種形狀標記圖相結合的形式：一種由多個圍繞Chart圖中心對稱的標記圖組成，方便定位Chart 圖的絕對坐標中心，從而計算FOV 和OC 的變化情況；另一種由不規則形狀的標記圖構成，方便抓取標記圖邊界，從而計算MTF 和ROT 的變化情況。標記圖中不同位置的MTF 值存在差異，故定義以標記圖的局部特征點為MTF 取值的關鍵位置。成像監控系統輸出的MTF實時變化情況如圖2所示。

圖1 車載激光雷達鏡頭模組成像監測系統示意

圖2 MTF實時變化情況

成像監測系統為車載激光雷達鏡頭模組的自動耦合提供了必要的光學系統方案，而自動耦合功能的實現還需要構建多自由度調整到成像反饋的閉環系統。車載激光雷達鏡頭模組自動耦合如圖3 所示，通過五軸夾持機構約束鏡頭模組的鏡頭，并依靠伺服控制系統實現五軸夾持機構多自由度聯動的位置或角度自動調整（鏡頭一般為圓柱體，θz無需調整）。同時，借助成像監測系統實時反饋成像的MTF、FOV、OC、ROT 等必要的光學性能指標，實時監控Sensor 的成像效果，并將調整量反饋到伺服控制系統，直至獲得最優的成像效果，完成車載激光雷達鏡頭模組的自動耦合。

圖3 車載激光雷達鏡頭模組自動耦合示意

2 車載激光雷達鏡頭模組自動焊接

UV 固化和熱固化結合的UVH 雙固化工藝憑借固化快、使用方便、節能環保等優點，在光電通信行業應用成熟且廣泛[7]。車載激光雷達行業起步較晚，其技術經驗和技術人員主要來源于汽車行業、光電通信行業、互聯網行業等，目前車載激光雷達鏡頭模組耦合后的元器件固定延用了光電通信行業的經驗，多采用UVH 雙固化工藝。但是，車規級產品對環境可靠性的要求遠高于工業級產品，例如：全球公認的車規級產品認證體系AEC-Q100 和ISO16750 明確定義了汽車乘員艙內的元器件工作溫度為-40 ℃～+85 ℃[8]。顯然，車載激光雷達鏡頭模組采用激光焊接的固定工藝將成為更優的選擇。

車載激光雷達鏡頭模組耦合完成后，需要焊接固定的是鏡頭和Sensor 這2 個元器件。車載激光雷達鏡頭模組自動焊接如圖4 所示，結構上增加不銹鋼環，其中鏡頭環與鏡頭預先固定，Sensor 環與Sensor 預先固定，鏡頭環與Sensor 環之間采用內外球頭結構設計，實現自動耦合過程中鏡頭多自由度聯動調整的順暢性。自動耦合完成后，五軸夾持機構約束鏡頭保持靜止，然后通過激光焊接設備自動將各個環進行激光點焊固定，并采用密封膠填縫。為防止焊接過程中焊接應力導致的位置跳動，焊點設定為90°均布，按照焊點的對稱性分組進行焊接。同時，采用卷積神經網絡的深度學習技術完成焊點外觀和焊點位置識別，實現焊接過程和焊接質量的在線監控。相比UVH 雙固化工藝，車載激光雷達鏡頭模組采用金屬自動焊接工藝不僅環境可靠性更優，且更有利于實現焊接過程自動控制。

圖4 車載激光雷達鏡頭模組自動焊接示意

3 測試驗證

搭建車載激光雷達鏡頭模組自動耦合焊接測試平臺，并完成全流程的運行測試。首先，鏡頭和Sensor采用人工上料，五軸夾持機構抓取鏡頭初步調整姿態，完成自動初耦合；其次，五軸夾持機構抓取鏡頭至自動偶合工位進一步調整姿態，完成自動精準偶合；然后，通過視覺定位焊點位置，采用自動激光焊接設備完成自動焊接，記錄耦合焊接工序時間及耦合精度；最后，抽取10 個耦合焊接完成的樣件，測試其MTF、FOV、OC、ROT 等必要的光學性能指標，并完成結構強度和環境可靠性測試驗證。

對樣件的生產制造過程進行測試，結果表明：車載激光雷達鏡頭模組自動耦合焊接技術的應用，可以將車載激光雷達鏡頭模組的耦合焊接工序時間降低至約3 min，耦合精度提升至約0.2μm。

關鍵位置MTF 測試值如表1 所示，各關鍵位置MTF值均高于0.85，部分位置MTF 值高于0.90，滿足設計值要求，說明耦合成像效果達到最清晰狀態。

表1 關鍵位置MTF測試值

其他光學性能測試值如表2所示，光心偏移xOC和yOC均低于±10 μm，視場角FOV 均高于25°，旋轉角度ROT均低于±0.3°，滿足設計值要求，說明耦合光學性能達到最佳狀態。

表2 其他光學性能測試值

對樣品進行老化測試、推力測試、隨機振動測試、機械沖擊測試等必要的結構強度和環境可靠性測試驗證，測試結果均滿足車規級標準。將測試驗證過程中的所有測試履歷及數據進行系統合理性分析，并整理歸檔。

4 結束語

本文分析了車載激光雷達鏡頭模組現有耦合固定工藝的不足，提出將中繼鏡系統和激光焊接技術應用到車載激光雷達鏡頭模組生產制造工藝中，并搭建車載激光雷達鏡頭模組自動耦合焊接測試平臺。借助成像監測系統實時監控Sensor 的成像效果，并將調整量反饋到伺服控制系統完成自動耦合，然后采用激光焊接工藝完成自動焊接，實現了自動耦合焊接過程的數字化監控。針對測試平臺生產的車載激光雷達鏡頭模組樣品，完成了光學性能、結構強度和環境可靠性能的測試和分析，驗證了自動耦合焊接技術更適用于車載激光雷達產品。為車載激光雷達鏡頭模組的耦合固定提供了新思路，提升了車載激光雷達的核心技術水平。