一种车载相机与激光雷达光学元件安装装置

技术领域

本发明属于光学元件安装装置技术领域，具体涉及一种车载相机与激光雷达光学元件安装装置。

背景技术

应用于车载场景的光学元件往往需要与载具一同经历冲击振动以及温度变化等工况，同时就光学元件本身而言，其属于精密元件，因此自身需具有较高的安装精度，而工作环境产生的冲击振动与温度变化会影响光学元件的安装精度进而降低其性能，恶劣的工况甚至会对其造成损坏。常规的光学元件安装装置如果要确保安装精度一般是通过光学元件与镜筒在径向紧密接触同时在轴向依靠隔圈建立正确的轴向间隔，因此其往往是通过结构件与光学元件高精度的定位安装面之间的紧密接触实现的，该种方式虽能通过加工精度保证光学元件的安装精度，但是由于刚性的紧密接触使得光学元件会直接承受外界环境的冲击振动，并且由于镜筒材料与光学元件材料热膨胀系数的差异，还会在上述紧密接触条件下因环境温度变化而产生对光学元件的挤压或者欠约束的情况；而如果采用胶粘的方式，也会因胶水性质的不稳定而产生安装应力从而影响光学元件的形位精度。同时就光学元件与安装支架的接触形式而言，传统的尖角接触等接触方式几乎不具备自定位能力，光学元件很容易因力的不对称而倾斜，且会在尖角处产生很大的安装应力，影响光学元件精度。而已有的添加热补偿结构的方式也大都只能在轴向或者径向等单一方向实现光学元件的无热化。而针对冲击振动所采取的柔性支撑或者剪切吸能等方案要么只能应用于低精度透镜安装，要么存在恢复困难且无法解决温度适应性问题。且传统方法中冲击振动与温度变化问题的解决是互相孤立的，这增加了装置的复杂度与成本。同时光学元件的径向定位如果依靠径向圆周面与镜筒内壁的紧密贴合，便意味着一旦镜筒长度增加，光学元件便要保持极高的平行状态进入镜筒，即使存在很小的倾斜也很难顺利移动到预定位置，使得此类高精度的光学元件很难安装到位而往往需要通过人工装调，进而限制了产量，这也限制了光学仪器的自动化批量生产。而针对目前车载相机与激光雷达需求的日益增加，迫切需要一种能够同时解决冲击振动与温度适应性问题，且方便装配以适应自动化大批量生产的光学元件安装装置，来降低车规级光学仪器的门槛。

发明内容

为了针对性地克服现有应用于车载相机与激光雷达的光学元件安装装置存在的不能在保证光学元件安装精度的基础上同时克服冲击振动以及温度变化对光学元件造成的负面影响，且只能在单一方向克服上述问题，同时不便于光学元件的安装等不足，本发明提出了一种既能满足光学元件高安装精度的要求，又可以在任何方向同时克服光学元件受冲击振动以及温度变化影响，并且能够自动定位便于安装的光学元件安装装置。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种车载相机与激光雷达光学元件安装装置，其特征在于，包括安装支架、光学元件、弹性元件；所述安装支架与所述光学元件上均有互相匹配的安装斜面，所述弹性元件能够对所述光学元件施加轴向的压力，该轴向压力与所述安装支架以及所述光学元件上互相匹配的所述安装斜面共同配合，使得所述光学元件在所述安装斜面上可产生自定位效果；所述光学元件的径向与所述安装支架之间留有一定空隙，使得所述光学元件在遭受冲击振动以及温度变化影响时能够将负面影响转化为沿安装斜面的一定范围的移动，同时径向空隙也非常有利于光学元件的安装；所述安装斜面具有统一的绝对斜率，这保证了在温度变化过程中所述安装支架与所述光学元件的所述安装斜面的斜率不会发生改变，进而使得所述光学元件与所述安装支架可稳定保持面接触的状态；所述弹性元件可沿轴向即弹力方向自由运动且不会遮挡光路，这有利于所述弹性元件弹性的发挥，并且能够使得所述光学元件在发生位移后迅速恢复初始状态，以保证光学元件位置的自恢复性。

进一步地，所述安装支架可只包含镜筒，也可同时包含所述镜筒和斜面隔圈；当所述安装支架只包含所述镜筒时，所述镜筒便具有所述安装斜面，此时所述光学元件的所述安装斜面便与所述镜筒的所述安装斜面相结合；当所述安装支架同时包含所述镜筒和所述斜面隔圈时，所述镜筒便无需具备所述安装斜面，而所述光学元件的所述安装斜面则与所述斜面隔圈的所述安装斜面相配合，该种形式可以方便所述安装斜面的加工与调整；所述斜面隔圈采用与所述镜筒相同或热膨胀系数相近的材料，以确保所述斜面隔圈的所述安装斜面在温度变化过程中的形位精度。

进一步地，还包括常规隔圈，所述常规隔圈安装在所述弹性元件与所述光学元件之间，所述常规隔圈可沿轴向自由移动且不会遮挡光路，通过所述常规隔圈与所述光学元件接触可以避免因弹性元件所施加的压力不均匀而造成的所述光学元件发生接触不良甚至倾斜等问题。

进一步地，还包括压力调节器，所述压力调节器可调节所述弹性元件施加在所述光学元件上的压力的大小，进而可以调节所述光学元件对冲击振动与温度变化等的敏感性，从而提升装置的工况适应性，同时也可降低对所述弹性元件等其他零部件的精度要求。

进一步地，所述安装斜面上有凹槽，所述凹槽可以降低对所述安装斜面的精度要求，并可降低所述安装斜面的精加工量，同时还能起到阻隔安装应力传递的作用，所述凹槽的位置和尺寸不会对所述光学元件的安装定位效果造成负面影响。

进一步地，还包括弹性垫圈，所述弹性垫圈位于所述光学元件的径向位置，所述弹性垫圈具有一定的弹性，所述弹性垫圈可以在极端冲击振动工况下保护所述光学元件，所述弹性垫圈不会对所述光学元件的安装以及抗冲击振动与温度变化的能力造成负面影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

一种车载相机与激光雷达光学元件安装装置，该装置通过将光学元件与安装支架的安装面设计成具有统一绝对斜率的斜面，同时通过弹性元件施加轴向压力，使被安装的光学元件在安装斜面上产生自定位效果，从而保证安装精度，自定位作用使得即使初始放置的光学元件存在倾斜，在轴向压力的作用下也会严格自动定位，同时在光学元件的径向与安装支架间预留一定空隙，使得光学元件能够通过沿安装斜面的移动而同时抵抗冲击振动以及温度变化对自身的影响，预留的空隙也十分便于安装光学元件；相较于传统的光学元件安装装置，本发明能够针对性的在保证安装精度的前提下同时提高光学元件抵抗任意方向的冲击振动以及温度变化的能力，并在上述影响解除后能够自动恢复初始位置，且自定位功能和预留的空隙十分便于光学元件的安装，尤其适合车载光学仪器等具有上述工况特征的应用场景。

附图说明

图1为本发明常温条件下光学元件相对位置示意图；

图2为本发明温度升高条件下光学元件相对位置示意图；

图3为本发明温度降低条件下光学元件相对位置示意图；

图4为本发明的隔圈与光学元件结构示意图；

图5为本发明的弹性元件不与光学元件接触条件下的结构示意图；

图6为本发明的多光学元件安装结构示意图；

图7为本发明的多类型光学元件安装结构示意图；

图8为本发明的其他类型弹性元件安装结构示意图；

图9为本发明的双弹性元件安装结构示意图；

图10为本发明的外光学元件安装结构示意图。

图例说明：1：斜面隔圈，2：光学元件， 3：镜筒，4：压力调节器， 5：弹性元件， 6：常规隔圈， 7：安装斜面， 8：凹槽， 9：弹性垫圈，10：安装支架。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”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，还可以是物理连接或无线通信连接；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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如附图1-10所示，为清楚地展示本发明的原理及工作过程，本实施例给出了较为典型的实施方案，但以下案并不能代表本发明的全部方案。

如附图1-10所示的一种车载相机与激光雷达光学元件安装装置，包括安装支架10、光学元件2、弹性元件5等元件。其中安装支架10可只包含镜筒3，如图8所示，也可同时包含镜筒3与斜面隔圈1，如图1-7所示，并且安装支架10也可以是其他结构，如图10所示。其中斜面隔圈1、镜筒3与光学元件2上均有互相匹配的安装斜面7，而弹性元件5能够对光学元件2施加轴向的压力，该轴向压力与安装斜面7共同配合，使得光学元件2在安装斜面7上产生自定位效果，从而在预定工况下被精准定位与固定。

同时光学元件2的径向与安装支架10留有一定空隙，使得光学元件2在遭受冲击振动以及温度变化影响时能够将负面影响转化为沿安装斜面7的移动并压缩或释放弹性元件5。例如图1-3所示的，假设镜筒3与斜面隔圈1的材料相同且热膨胀系数大于光学元件2，则相较于图1所示的常温条件下光学元件2的相对位置，图2中当温度升高时，光学元件2的径向和轴向热膨胀量均小于镜筒3和斜面隔圈1，于是光学元件2将在弹性元件5的压力作用下沿安装斜面7左向移动，在不考虑弹性元件5自身热变形的情况下其会伸长以释放弹力；而当温度降低时，光学元件2的径向和轴向冷缩量均小于镜筒3和斜面隔圈1，光学元件2则会沿安装斜面7右向移动，如图3所示的，同样在不考虑弹性元件5自身热变形的情况下弹性元件5会被压缩。

上述方法避免了常规安装方式下通过光学元件2径向圆周面与镜筒3紧密接触而在温度变化情况下对光学元件2造成的欠约束与挤压问题。同时径向空隙也非常有利于光学元件2的安装，使得光学元件2可以很轻松的穿过镜筒3而被放置到安装斜面7处。同时也要注意光学元件2与安装支架10预留的空隙量应满足设计工况下光学元件2的径向移动量。

并且安装斜面7应具有统一的绝对斜率，即安装斜面7的任意轴向截面应为一条直线，这保证了在温度变化过程中斜面隔圈1或者镜筒3的安装斜面7与光学元件2的安装斜面7的斜率不会发生改变，使得两者可稳定保持面接触的状态。因在线性热膨胀理论条件下，采用任何不具有统一的绝对斜率的接触面，均不能在温度变化过程中始终保持整面接触。同时为了保证光学元件2能够沿安装斜面7发生移动，斜面的倾斜程度不宜过小，具体值可根据安装斜面7的摩擦系数等参数进行设计。并且安装斜面7的长度不应过短，以保证良好的定位效果。

如图5所示的，通过使弹性元件5的外径略小于镜筒3的内径等手段，能够使得弹性元件5可沿轴向自由运动，这有利于弹性元件5弹性的发挥，且能够让光学元件2在发生位移后迅速恢复初始位置，以保证光学元件2的自恢复性，同时合理控制弹性元件5的内径便不会遮挡光路。而对于不同类型与结构形式的弹性元件5，可以有不同的方案实现上述功能，例如图8所示的弹性元件5，只需留有足够的变形空间即可。

对于安装支架10同时包含镜筒3和斜面隔圈1的情况，通过使光学元件2的安装斜面7与斜面隔圈1的安装斜面7相配合，可以方便安装斜面7的加工与调整，倘若安装斜面7存在较大加工误差，可直接取出再加工或更换斜面隔圈1，避免了整个镜筒3出现报废的情况。而斜面隔圈1应采用与镜筒3相同或热膨胀系数相近的材料，以确保斜面隔圈1与镜筒3能够同步热变形，从而确保安装斜面7在温度变化过程中的形位精度。

如图5与图3的比较，在光学元件2和弹性元件5之间增加了常规隔圈6，常规隔圈6可沿镜筒轴向自由移动且不会遮挡光路，例如可通过适当减小常规隔圈6的外径并适当扩大其内径的方式实现。如图6所示的，常规隔圈6只发挥轴向作用而自身并不需要精准的径向定位，所以其径向尺寸较为宽松，通过常规隔圈6与光学元件2接触可以避免因弹性元件5所施加的压力不均匀而造成光学元件2发生接触不良甚至倾斜等问题，也就是让弹性元件5的压力更均匀地传递给光学元件2。

如图1所示，压力调节器4通过改变对弹性元件5的挤压程度，可调节弹性元件5施加在光学元件2上的压力的大小，进而可以调节光学元件2对冲击振动与温度变化等的敏感性，从而提升装置的工况适应性。弹性元件5与压力调节器4的配合使用可极大拓展同一类型弹性元件5的适用范围，且可以克服包括弹性元件5、镜筒3、常规隔圈6、光学元件2等在内的各相关元件的尺寸误差，同时弹性元件5的结构形式可根据安装装置结构的实际情况而进行针对性设计，且可采用电动调节等受控方式。

如图4所示，安装斜面7上有凹槽8，对于定位面而言，两条平行线即可确定该定位面的位置，因此只要这两条平行线有足够的距离即可实现定位功能，同时对于实际加工而言，一个面不可能加工到绝对的平整，因此过大的面积反而会降低定位面的定位效果。故凹槽8可以降低对安装斜面7的精度要求，并可降低其精加工量，同时还能起到阻隔安装应力传递的作用，降低安装应力向光学面的传递。如图4所示的，凹槽8的位置一般不位于定位面的边缘，并且应根据定位面的整体尺寸合理设计凹槽8的尺寸，使得其尺寸和位置不会对光学元件2的安装定位效果造成负面影响，而且凹槽8的数量也可根据实际情况进行增减。

如图8所示，在光学元件2径向圆周位置对应的镜筒3内壁安装有弹性垫圈9，弹性垫圈9具有一定的弹性，其可以在极端冲击振动工况下保护光学元件2，例如当光学元件2遇到极其剧烈的冲击而撞向镜筒3时，弹性垫圈9便可起到缓冲作用，通过合理控制弹性垫圈9的尺寸和弹性大小等参数则不会对光学元件2的安装以及抗冲击振动与温度变化的能力造成负面影响。对于如图10所示的安装结构，弹性垫圈9则安装在安装支架10的外部。

整个车载相机与激光雷达光学元件安装装置的一种典型工作过程为：以图1为例，在光学元件2遇到任意方向的冲击振动时会在安装斜面7的作用下将冲击振动分解，轴向的分量会压缩弹性元件5而被吸收，径向的分量会迫使光学元件2沿安装斜面7任意一侧的移动而同样产生对弹性元件5的压缩，当冲击振动消失，弹性元件5会释放压力并配合安装斜面7的自定位作用而使光学元件2自动恢复初始状态，因此任意方向的冲击振动产生的能量均会被弹性元件5所吸收而不会造成光学元件2的位移与损坏。当发生温度变化时，因光学元件2材料与斜面隔圈1以及镜筒3等组成的安装支架10材料热膨胀系数的不同，会导致光学元件2在径向和轴向同时出现挤压或者欠约束的情况。假设斜面隔圈1与镜筒3采用同种材料，且光学元件2的热膨胀系数小于斜面隔圈1与镜筒3的热膨胀系数，则当温度升高时，光学元件2的轴向和径向热膨胀量均小于镜筒3和斜面隔圈1，光学元件2会如图2所示的沿安装斜面7向左移动，此时弹性元件5会伸长而释放弹力以确保光学元件2能够保持准确的定位和固定；而当温度降低时，光学元件2的轴向和径向冷缩量同样均小于镜筒3和斜面隔圈1，光学元件2会如图3所示的沿安装斜面7向右移动，此时弹性元件5会被压缩以平衡热变形量差异，同样能够确保光学元件2保持准确的定位和固定。而安装斜面7具有统一的绝对斜率保证安装斜面在热变形过程中倾角不会发生改变，进而确保了光学元件2与斜面隔圈1会始终保持面接触状态。

以上述热膨胀系数的设定为基础，当温度降低时光学元件2与镜筒3径向预留的空隙会缩小，同时在冲击振动过程中预留的空隙也同样会缩小，因此需要根据预期的极端工况环境预留足够的空隙以满足光学元件2沿安装斜面7的预期移动量。冲击振动与温度变化可能是同时在发生的，而本发明提出的安装装置能够同时解决上述问题。且因在径向光学元件2与镜筒3之间留有空隙，使得光学元件2很容易被装入镜筒3，而斜面的自定位功使得即使初始放置的光学元件2存在倾斜，在弹性元件5轴向压力的作用下也会严格自动定位，能够轻松放入镜筒3且具有自定位效果对于操作精细程度不如人工装调的自动化生产而言具有非常积极的意义，因此本安装装置还十分适合自动化大批量生产。

需要特别说明的是，图例所示只是本发明的一些具体示例，并不能代表本发明的全部方案，且为了表达需要并没有按照实际比例绘制。例如图例中镜筒3与光学元件2均是圆形的，但对于例如矩形等其他形状的镜筒3与光学元件2本发明的方案同样适用。并且弹性元件5的结构形式也是多样的，除了图例所示的两种弹性元件5以外，还有例如普通的螺旋弹簧等也可应用于本发明，且弹性元件5的安装位置与数量以及刚度等也可根据实际情况进行调整，例如图9所示的，光学元件2的左右两侧均可安装弹性元件5，以吸收双向的冲击振动产生的能量。同时光学元件2也不仅限于安装在镜筒3内，也可使安装支架10穿过光学元件2，例如图10所示的，此时安装斜面7则位于光学元件2的中心孔上，而光学支架上的安装斜面7则位于外部。安装支架10的形式也是多样的，例如可以只包含镜筒3，也可同时包含镜筒3和斜面隔圈1，还可以如图10所示的是一个柱体，同时还有其他结构，因此只要是安装光学元件2所用的结构件均可被认为是安装支架10。总之，包括光学元件2、安装支架10、弹性元件5、斜面隔圈1等在内的各零部件的结构形式、数量、安装位置等均不仅限于图例和上述各实施例，而可依据本发明的思路进行调整。所述的“轴向”、“径向”也只是对位置关系的相对表达，并不仅限于圆柱类元件。

综上，本发明通过将光学元件2与安装支架10的安装面设计成具有统一绝对斜率的安装斜面7，同时通过弹性元件5施加轴向压力，使被安装的光学元件2在安装斜面7上产生自定位效果，从而保证安装精度，自定位作用使得即使初始放置的光学元件2存在倾斜，在轴向压力的作用下也会严格自动定位，同时在光学元件2的径向与安装支架10间预留有一定空隙，使得光学元件2能够通过沿安装斜面7的移动而同时抵抗冲击振动以及温度变化对自身的影响，预留的空隙也十分便于安装光学元件2。相较于传统的光学元件安装装置，本发明能够针对性的在保证安装精度的前提下同时提高光学元件2抵抗任意方向的冲击振动以及温度变化的能力，并在上述影响解除后能够自动恢复初始位置，且自定位功能和预留的空隙十分便于光学元件的安装和自动化大批量生产，尤其适合车载光学仪器等具有上述工况特征的应用场景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。