陳 暉

（福建海創(chuàng)光電技術(shù)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(wǎng)聯(lián)化技術(shù)加速融合，使得自動(dòng)駕駛技術(shù)得到了快速發(fā)展和應(yīng)用。激光雷達(dá)作為高精度傳感器，憑借著探測距離遠(yuǎn)、分辨率高、成像能力好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、計(jì)算需求相對(duì)低等優(yōu)勢(shì)，被廣泛定義為實(shí)現(xiàn)高等級(jí)自動(dòng)駕駛不可或缺的傳感器，成為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的重要感知元器件之一[1]。

2022 年，進(jìn)入車載激光雷達(dá)量產(chǎn)元年，全球首款搭載激光雷達(dá)的新能源汽車小鵬P5實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。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(dá)。隨著主機(jī)廠對(duì)車載激光雷達(dá)的深入開發(fā)以及車載激光雷達(dá)成本的降低，車載激光雷達(dá)的應(yīng)用將在短時(shí)間內(nèi)保持高速增長。車載激光雷達(dá)市場規(guī)模預(yù)計(jì)將從2021 年的4.6 億元增長至2025 年的54.6億元，年復(fù)合增長率將達(dá)到85.7%[2]。

車載激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)、鏡頭模組、掃描系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)4 個(gè)主要功能模塊組成，其硬件的核心技術(shù)在于鏡頭模組的耦合固定[3]。目前，車載激光雷達(dá)鏡頭模組的耦合固定主要依靠半自動(dòng)測試設(shè)備完成，即在半自動(dòng)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(qiáng)度弱，很難達(dá)到車規(guī)級(jí)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，這也是導(dǎo)致車載激光雷達(dá)的生產(chǎn)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(tǒng)和激光焊接技術(shù)應(yīng)用于車載激光雷達(dá)鏡頭模組生產(chǎn)制造工藝，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)耦合焊接過程的數(shù)字化監(jiān)控，提高耦合效率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為車載激光雷達(dá)鏡頭模組的耦合固定提供了新思路。

1 車載激光雷達(dá)鏡頭模組自動(dòng)耦合

目前，車載激光雷達(dá)鏡頭模組的耦合多采用平行光管系統(tǒng)完成，但是由于平行光管系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)尺寸偏大、光束準(zhǔn)直程度有限等缺點(diǎn)，中繼鏡系統(tǒng)將成為更優(yōu)的選擇。中繼鏡系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于光電通信行業(yè)中的鏡頭模組測試，也稱為增距鏡。在對(duì)鏡頭模組調(diào)焦與檢測時(shí)，理想的方案是在鏡頭模組的標(biāo)稱焦距內(nèi)進(jìn)行，其遠(yuǎn)焦距離達(dá)到數(shù)米，需要很大的測試設(shè)備。采用中繼鏡系統(tǒng)進(jìn)行模擬測試，可以形成變遠(yuǎn)變大的虛像，從而實(shí)現(xiàn)縮小焦距并縮小成像大小[5]。

車載激光雷達(dá)鏡頭模組成像監(jiān)測系統(tǒng)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(chǎn)生的準(zhǔn)直光將Chart 圖成像至中繼鏡，Chart 圖成像經(jīng)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(wěn)定。經(jīng)過中繼鏡后，Chart 圖成像繼續(xù)經(jīng)過車載激光雷達(dá)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(dá)鏡頭模組的Sensor 上，并依靠APD陣列將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)對(duì)外輸出[6]。相比平行光管系統(tǒng)，中繼鏡系統(tǒng)的成像效果更優(yōu)，且可以通過調(diào)整Chart圖與中繼鏡之間的距離實(shí)現(xiàn)對(duì)物距的調(diào)整，有利于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小型化。成像監(jiān)測系統(tǒng)利用有限距離的中繼鏡光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了Chart圖的無窮遠(yuǎn)成像，故對(duì)中繼鏡光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)器件的相對(duì)位置和旋轉(zhuǎn)角度精度要求極高。中繼鏡光學(xué)系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立模塊，需要依靠絕對(duì)精準(zhǔn)的標(biāo)定平臺(tái)完成光學(xué)系統(tǒng)的標(biāo)定，才能安裝到自動(dòng)耦合平臺(tái)上使用。

成像監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)字化監(jiān)控核心在于借助IMATEST實(shí)時(shí)計(jì)算成像的MTF、FOV、OC、ROT 等必要的光學(xué)性能指標(biāo)。車載激光雷達(dá)鏡頭模組設(shè)計(jì)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(guān)鍵位置MTF 大于等于0.85、旋轉(zhuǎn)角度ROT 小于等于±0.3°。Chart 圖采用多種形狀標(biāo)記圖相結(jié)合的形式：一種由多個(gè)圍繞Chart圖中心對(duì)稱的標(biāo)記圖組成，方便定位Chart 圖的絕對(duì)坐標(biāo)中心，從而計(jì)算FOV 和OC 的變化情況；另一種由不規(guī)則形狀的標(biāo)記圖構(gòu)成，方便抓取標(biāo)記圖邊界，從而計(jì)算MTF 和ROT 的變化情況。標(biāo)記圖中不同位置的MTF 值存在差異，故定義以標(biāo)記圖的局部特征點(diǎn)為MTF 取值的關(guān)鍵位置。成像監(jiān)控系統(tǒng)輸出的MTF實(shí)時(shí)變化情況如圖2所示。

圖1 車載激光雷達(dá)鏡頭模組成像監(jiān)測系統(tǒng)示意

圖2 MTF實(shí)時(shí)變化情況

成像監(jiān)測系統(tǒng)為車載激光雷達(dá)鏡頭模組的自動(dòng)耦合提供了必要的光學(xué)系統(tǒng)方案，而自動(dòng)耦合功能的實(shí)現(xiàn)還需要構(gòu)建多自由度調(diào)整到成像反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。車載激光雷達(dá)鏡頭模組自動(dòng)耦合如圖3 所示，通過五軸夾持機(jī)構(gòu)約束鏡頭模組的鏡頭，并依靠伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)五軸夾持機(jī)構(gòu)多自由度聯(lián)動(dòng)的位置或角度自動(dòng)調(diào)整（鏡頭一般為圓柱體，θz無需調(diào)整）。同時(shí)，借助成像監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋成像的MTF、FOV、OC、ROT 等必要的光學(xué)性能指標(biāo)，實(shí)時(shí)監(jiān)控Sensor 的成像效果，并將調(diào)整量反饋到伺服控制系統(tǒng)，直至獲得最優(yōu)的成像效果，完成車載激光雷達(dá)鏡頭模組的自動(dòng)耦合。

圖3 車載激光雷達(dá)鏡頭模組自動(dòng)耦合示意

2 車載激光雷達(dá)鏡頭模組自動(dòng)焊接

UV 固化和熱固化結(jié)合的UVH 雙固化工藝憑借固化快、使用方便、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在光電通信行業(yè)應(yīng)用成熟且廣泛[7]。車載激光雷達(dá)行業(yè)起步較晚，其技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)人員主要來源于汽車行業(yè)、光電通信行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)等，目前車載激光雷達(dá)鏡頭模組耦合后的元器件固定延用了光電通信行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，多采用UVH 雙固化工藝。但是，車規(guī)級(jí)產(chǎn)品對(duì)環(huán)境可靠性的要求遠(yuǎn)高于工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，例如：全球公認(rèn)的車規(guī)級(jí)產(chǎn)品認(rèn)證體系A(chǔ)EC-Q100 和ISO16750 明確定義了汽車乘員艙內(nèi)的元器件工作溫度為-40 ℃～+85 ℃[8]。顯然，車載激光雷達(dá)鏡頭模組采用激光焊接的固定工藝將成為更優(yōu)的選擇。

車載激光雷達(dá)鏡頭模組耦合完成后，需要焊接固定的是鏡頭和Sensor 這2 個(gè)元器件。車載激光雷達(dá)鏡頭模組自動(dòng)焊接如圖4 所示，結(jié)構(gòu)上增加不銹鋼環(huán)，其中鏡頭環(huán)與鏡頭預(yù)先固定，Sensor 環(huán)與Sensor 預(yù)先固定，鏡頭環(huán)與Sensor 環(huán)之間采用內(nèi)外球頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)耦合過程中鏡頭多自由度聯(lián)動(dòng)調(diào)整的順暢性。自動(dòng)耦合完成后，五軸夾持機(jī)構(gòu)約束鏡頭保持靜止，然后通過激光焊接設(shè)備自動(dòng)將各個(gè)環(huán)進(jìn)行激光點(diǎn)焊固定，并采用密封膠填縫。為防止焊接過程中焊接應(yīng)力導(dǎo)致的位置跳動(dòng)，焊點(diǎn)設(shè)定為90°均布，按照焊點(diǎn)的對(duì)稱性分組進(jìn)行焊接。同時(shí)，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)完成焊點(diǎn)外觀和焊點(diǎn)位置識(shí)別，實(shí)現(xiàn)焊接過程和焊接質(zhì)量的在線監(jiān)控。相比UVH 雙固化工藝，車載激光雷達(dá)鏡頭模組采用金屬自動(dòng)焊接工藝不僅環(huán)境可靠性更優(yōu)，且更有利于實(shí)現(xiàn)焊接過程自動(dòng)控制。

圖4 車載激光雷達(dá)鏡頭模組自動(dòng)焊接示意

3 測試驗(yàn)證

搭建車載激光雷達(dá)鏡頭模組自動(dòng)耦合焊接測試平臺(tái)，并完成全流程的運(yùn)行測試。首先，鏡頭和Sensor采用人工上料，五軸夾持機(jī)構(gòu)抓取鏡頭初步調(diào)整姿態(tài)，完成自動(dòng)初耦合；其次，五軸夾持機(jī)構(gòu)抓取鏡頭至自動(dòng)偶合工位進(jìn)一步調(diào)整姿態(tài)，完成自動(dòng)精準(zhǔn)偶合；然后，通過視覺定位焊點(diǎn)位置，采用自動(dòng)激光焊接設(shè)備完成自動(dòng)焊接，記錄耦合焊接工序時(shí)間及耦合精度；最后，抽取10 個(gè)耦合焊接完成的樣件，測試其MTF、FOV、OC、ROT 等必要的光學(xué)性能指標(biāo)，并完成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和環(huán)境可靠性測試驗(yàn)證。

對(duì)樣件的生產(chǎn)制造過程進(jìn)行測試，結(jié)果表明：車載激光雷達(dá)鏡頭模組自動(dòng)耦合焊接技術(shù)的應(yīng)用，可以將車載激光雷達(dá)鏡頭模組的耦合焊接工序時(shí)間降低至約3 min，耦合精度提升至約0.2μm。

關(guān)鍵位置MTF 測試值如表1 所示，各關(guān)鍵位置MTF值均高于0.85，部分位置MTF 值高于0.90，滿足設(shè)計(jì)值要求，說明耦合成像效果達(dá)到最清晰狀態(tài)。

表1 關(guān)鍵位置MTF測試值

其他光學(xué)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(zhuǎn)角度ROT均低于±0.3°，滿足設(shè)計(jì)值要求，說明耦合光學(xué)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

表2 其他光學(xué)性能測試值

對(duì)樣品進(jìn)行老化測試、推力測試、隨機(jī)振動(dòng)測試、機(jī)械沖擊測試等必要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和環(huán)境可靠性測試驗(yàn)證，測試結(jié)果均滿足車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。將測試驗(yàn)證過程中的所有測試履歷及數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)合理性分析，并整理歸檔。

4 結(jié)束語

本文分析了車載激光雷達(dá)鏡頭模組現(xiàn)有耦合固定工藝的不足，提出將中繼鏡系統(tǒng)和激光焊接技術(shù)應(yīng)用到車載激光雷達(dá)鏡頭模組生產(chǎn)制造工藝中，并搭建車載激光雷達(dá)鏡頭模組自動(dòng)耦合焊接測試平臺(tái)。借助成像監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控Sensor 的成像效果，并將調(diào)整量反饋到伺服控制系統(tǒng)完成自動(dòng)耦合，然后采用激光焊接工藝完成自動(dòng)焊接，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)耦合焊接過程的數(shù)字化監(jiān)控。針對(duì)測試平臺(tái)生產(chǎn)的車載激光雷達(dá)鏡頭模組樣品，完成了光學(xué)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和環(huán)境可靠性能的測試和分析，驗(yàn)證了自動(dòng)耦合焊接技術(shù)更適用于車載激光雷達(dá)產(chǎn)品。為車載激光雷達(dá)鏡頭模組的耦合固定提供了新思路，提升了車載激光雷達(dá)的核心技術(shù)水平。