CN112083396A - 一种具有自清洁功能的激光直写结构以及激光雷达外罩 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种具有自清洁功能的激光直写结构以及激光雷达外罩，该激光雷达外罩的罩体由激光直写结构制成，激光直写结构包括：玻璃基底，微纳米结构以及处理液；微纳米结构设置于玻璃基底的上表面；处理液涂抹于微纳米结构的表面、以及相邻的两个微纳米结构间裸露的玻璃基底上，以提高激光直写结构的静态接触角。通过本申请中的技术方案，有效解决灰尘等异物对于激光雷达工作的干扰，进一步提高激光雷达的环境适应性并降低激光雷达系统的维护成本。
Description
技术领域
本申请涉及雷达的技术领域，具体而言，涉及一种具有自清洁功能的激光直写结构以及激光雷达外罩。
背景技术
在激光雷达的实际应用中，其实际工作条件多为室外或室内的工业生产场合，其中的灰尘会在激光雷达外罩上聚集，从而影响激光雷达的正常使用。目前，对激光雷达外罩的定期清理比较费时、费力且增加使用成本。
因此，需要激光雷达外罩具有自清洁功能，该自清洁功能主要指的是：激光雷达外罩的灰尘和污染物在重力、风力和雨水冲刷等自然界外力的作用下，自然脱离激光雷达外罩，达到自清洁的目的。
发明内容
本申请的目的在于：提出一种保证激光雷达在较长的时间内可以不受灰尘干扰，具有自清洁功能的激光雷达外罩及相应的激光直写结构，提高激光雷达的环境适应性并降低激光雷达系统的维护成本。
本申请第一方面的技术方案是：提供了一种具有自清洁功能的激光直写结构，所述激光直写结构包括：玻璃基底，微纳米结构以及处理液；所述微纳米结构设置于所述玻璃基底的上表面；所述处理液涂抹于所述微纳米结构的表面、以及相邻的两个微纳米结构间裸露的玻璃基底上，以提高所述激光直写结构的静态接触角。
上述任一项技术方案中，进一步地，所述微纳米结构为多边体。
上述任一项技术方案中，进一步地，两个所述微纳米结构的间距为50-100微米。
上述任一项技术方案中，进一步地，所述微纳米结构的高度为10-20微米。
上述任一项技术方案中，进一步地，所述处理液的溶剂为甲苯。
上述任一项技术方案中，进一步地，所述处理液的溶质为十二烷基三氯硅烷。
上述任一项技术方案中，进一步地，所述处理液的浓度为1g/ml-3g/ml。
上述任一项技术方案中，进一步地，所述微纳米结构由激光器通过强度可变的激光束在所述玻璃基底上曝光刻蚀而成。
上述任一项技术方案中，进一步地，所述微纳米结构在所述玻璃基底上阵列分布。
上述任一项技术方案中，进一步地，所述激光直写结构还包括：次级复合结构3，至少两个所述次级复合结构3采用激光直写的方式，进行二次激光直写刻蚀，被刻蚀在所述微纳米结构的上表面。
本申请第二方面的技术方案是：提供了一种激光雷达外罩，该激光雷达外罩的罩体由如第一方面技术方案中任一项所述的激光直写结构制成。
上述任一项技术方案中，进一步地，该激光雷达外罩还包括：至少一组加热电极，所述加热电极包括正极和负极，所述加热电极设置于所述罩体的内侧，所述加热电极用于对所述外罩进行加热。
通过在外罩罩体的内侧设置至少一组加热电极，可以对该具有自清洁功能的激光直写结构(罩体)进行通电加热处理，实现对冰、霜及雨水的清除，保证激光雷达在恶劣的天气条件下能够正常工作。
上述任一项技术方案中，进一步地，该激光雷达外罩还包括：通电保护装置，所述通电保护装置设置于所述加热电极上，以对通电后的加热电极进行保护。
本申请的有益效果是：
通过激光直写的方法实现表面微纳米结构的制备，包括利用表面处理液对激光雷达外罩材料表面能进行进一步的降低处理，可以在激光雷达外罩表面实现对于水的静态接触角大于170度的效果，其滚动角小于5度。通过本申请中的技术方案，实现了激光雷达外罩材料表面自清洁效果的实现。有效解决灰尘等异物对于激光雷达工作的干扰，进一步提高激光雷达的环境适应性并降低激光雷达系统的维护成本。
在激光雷达的外罩上实现自清洁的功能，以保证激光雷达在较长的时间内可以不受灰尘的干扰，正常进行工作。
可有效防止灰尘和污染物在激光雷达外罩表面的积累
对激光雷达所应用的红外波段没有透过率的影响，其优点在于：第一，采用激光直写的方法制备得到微纳米结构，制备方法简单易行，成本较低。第二，在激光雷达常用的905nm和1550nm波段，其光学透过率可以达到99％以上，适合作为激光雷达外罩使用。
附图说明
本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本申请的一个实施例的具有自清洁功能的激光直写结构的示意框图；
图2是根据本申请的一个实施例的激光直写结构的显微照片；
图3是根据本申请的一个实施例的激光直写结构与水滴的静态接触角的示意图；
图4是根据本申请的另一个实施例的具有自清洁功能的激光直写结构的示意框图；
图5是根据本申请的一个实施例的激光雷达外罩光学透过率的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供了一种具有自清洁功能的激光直写结构，该激光直写结构包括：玻璃基底1，微纳米结构2以及处理液。
本实施例中的玻璃基底1采用常规有机玻璃即可。
本实施例中的处理液作为激光直写结构上表面的疏水层。
微纳米结构2设置于玻璃基底1的上表面，其中，微纳米结构2为多边体，两个相邻的微纳米结构2的间距D为50-100微米，微纳米结构2的高度H为10-20微米，边长L约为10微米。
本实施例中，微纳米结构2采用激光直写的方式刻蚀在玻璃基底1的上表面，其中，微纳米结构2在玻璃基底1上阵列分布。
在刻蚀过程中，采用波长为10.6微米的二氧化碳激光器，向玻璃基底1的上表面发射强度可变的激光束，以实现微纳米结构2的刻蚀。
本实施例对激光束的强度并不限定。
具体的，微纳米结构2为图案化凸起，该图案化凸起可以为正多边体，如正方体、长方体、棱柱等。
在本实施例的一种优选实现方式中，微纳米结构2的上表面还包括次级复合结构3，次级复合结构3阵列排布在所述微纳米结构2的上表面，该次级复合结构3通过在微纳米结构2的上表面进行二次激光直写刻蚀形成。第一次激光直写刻蚀，在玻璃基底1上刻蚀形成条状通道，将玻璃基底1上保留部分记作微纳米结构2；之后，再进行第二次激光直写刻蚀，将微纳米结构2上表面保留的部分记作次级复合结构3。
该次级复合结构3的形状可以与微纳米结构2的形状相同，相邻两个次级复合结构3的间距为100-200nm，高度为100-200nm。通过试验测得，设置次级复合结构3的激光直写结构，能够进一步提高自清洁效果。
在进行二次激光直写刻蚀时，激光器选用的型号可以根据次级复合结构3的结构参数进行确定。
如图2所示，本实施例设定微纳米结构2为正方体，并设定三组结构对比试验，对激光直写结构的自清洁性能进行说明，选取的三组结构参数为：
A组参数为：边长120微米、高度为10微米，其表面喷涂有处理液；
B组参数为：边长50微米、高度为30微米，其表面喷涂有相同的处理液；
C组参数为：边长为90微米、高度为15微米，其表面喷涂有相同的处理液。
对激光直写结构与其上方的水滴进行拍照，依次如图3(A)至图3(C)所示，其中，通过对静态接触角以及滚动角进行测量，所得数据如表1所示。
表1
| 组别 | 间距(微米) | 高度(微米) | 静态接触角(°) | 滚动角(°) |
| A组 | 120 | 10 | 130 | ＞20 |
| B组 | 50 | 30 | 120 | ＞30 |
| C组 | 90 | 15 | 160 | <5 |
需要说明的是，静态接触角为当液体在固体表面达到平衡时，气液的界线301与液固的界线之间302的夹角。
滚动角为液滴在倾斜表面上刚好发生滚动时，倾斜表面与水平面所形成的临界角度。
通过上述对比试验可以得出，C组参数对应的激光直写结构表面的静态接触角约为160度，滚动角小于5度，为超疏水结构表面，其表面不利于水滴的停留，水滴更容易滑落，有利于自清洁效果的实现；而A和B组参数对应的激光直写结构的表面，对于水滴的静态接触角均小于150度，为普通亲水表面，灰尘及污渍容易在此类表面吸附，无自清洁效果。因此，本实施例中C组参数的自清洁功能优于A、B组参数对应的激光直写结构。
在上述实施例的基础上，还设置了一组包括次级复合结构3的激光直写结构，如图4所示，其结构参数如表2所示。
表2
通过数据可以得出，设置有次级复合结构3的激光直写结构，其静态接触角约为170度，水滴更容易滑落，有利于自清洁效果的实现。
处理液涂抹或浸泡于微纳米结构2的表面、以及相邻的两个微纳米结构2间裸露的玻璃基底1上，以提高激光直写结构的静态接触角，其中，处理液的溶剂为甲苯，处理液的溶质为十二烷基三氯硅烷，处理液的浓度为1g/ml-3g/ml。溶液处理后，将制备得到的表面用清水冲洗，制备完成。
处理液中的十二烷基三氯硅烷与微纳米结构2的表面发生化学反应，玻璃表面均会有悬挂键羟基，羟基与十二烷基三氯硅烷发生化学反应，使得制备微纳米结构2表面附着十二烷基三氯硅烷分子，这样，制备微纳米结构2表面的表面能进一步降低静态接触角和滚动角，从而更好的实现超疏水和自清洁效果。
具体的，本实施例还通过大量的对比试验，对处理液的选择进行了测试，现以十八烷基三氯硅烷作为对比，以证明本实施例中处理液的优越性。
设定微纳米结构2的边长为90微米、高度为15微米，处理液依次为：
Ⅰ组参数：清水；
Ⅱ组参数：溶剂为甲苯、溶质为十八烷基三氯硅烷、浓度为1.5g/ml；
Ⅲ组参数：溶剂为甲苯、溶质为十二烷基三氯硅烷、浓度为1.5g/ml。
对激光直写结构与其上方的水滴进行拍照，通过对静态接触角进行测量，所得数据如表3所示。
表3
| 组别 | 溶剂 | 溶质 | 浓度(g/ml) | 静态接触角(°) |
| Ⅰ组 | 水 | - | - | 100 |
| Ⅱ组 | 甲苯 | 十八烷基三氯硅烷 | 1.5 | 120 |
| Ⅲ组 | 甲苯 | 十二烷基三氯硅烷 | 1.5 | 160 |
通过上述对比试验可以得出，Ⅲ组参数对应的激光直写结构为超疏水结构表面，其表面不利于水滴的停留，水滴更容易滑落；而Ⅰ组、Ⅱ组参数对应的激光直写结构表面对于水滴的静态接触角均小于150度，为普通亲水表面，灰尘及污渍容易在此类表面吸附，无自清洁效果。因此，本实施例中Ⅲ组参数的自清洁功能优于Ⅰ、Ⅱ组参数对应的激光直写结构。
实施例二：
本实施例提供了一种激光雷达外罩，该激光雷达外罩的罩体由激光直写结构制成，该激光直写结构包括：玻璃基底，微纳米结构以及处理液；微纳米结构设置于玻璃基底的上表面，微纳米结构由激光器通过强度可变的激光束在玻璃基底上曝光刻蚀而成，微纳米结构在玻璃基底上阵列分布，其中，微纳米结构为多边体，边长为50-100微米，高度为10-20微米。
处理液涂抹于微纳米结构的表面、以及相邻的两个微纳米结构间裸露的玻璃基底上，以提高激光直写结构的静态接触角，其中，处理液的溶剂为甲苯，溶质为十二烷基三氯硅烷，浓度为1g/ml-3g/ml。
进一步地，该激光雷达外罩还包括：至少一组加热电极，加热电极包括正极和负极，加热电极设置于罩体的内侧，加热电极用于对外罩进行加热。
通过在外罩罩体的内侧设置至少一组加热电极，可以对该具有自清洁功能的激光直写结构(罩体)进行通电加热处理，实现对冰、霜及雨水的清除，保证激光雷达在恶劣的天气条件下能够正常工作。
进一步地，该激光雷达外罩还包括：通电保护装置，通电保护装置设置于加热电极上，以对通电后的加热电极进行保护。
通过对由上述激光直写结构制成的激光雷达外罩的罩体进行光学透过率测试，如图5所示。
在激光雷达常用的905nm和1550nm波段，本实施例中罩体的光学透过率可以达到99％以上，适合作为激光雷达外罩使用。
以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种具有自清洁功能的激光直写结构以及激光雷达外罩，该激光雷达外罩的罩体由激光直写结构制成，激光直写结构包括：玻璃基底，微纳米结构以及处理液；微纳米结构设置于玻璃基底的上表面；处理液涂抹于微纳米结构的表面、以及相邻的两个微纳米结构间裸露的玻璃基底上，以提高激光直写结构的静态接触角。通过本申请中的技术方案，有效解决灰尘等异物对于激光雷达工作的干扰，进一步提高激光雷达的环境适应性并降低激光雷达系统的维护成本。
本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。
本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。
尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。
Claims (10)
1.一种具有自清洁功能的激光直写结构，其特征在于，所述激光直写结构包括：玻璃基底(1)，微纳米结构(2)以及处理液；
所述微纳米结构(2)设置于所述玻璃基底(1)的上表面；
所述处理液涂抹于所述微纳米结构(2)的表面、以及相邻的两个微纳米结构(2)间裸露的玻璃基底(1)上，以提高所述激光直写结构的静态接触角。
2.如权利要求1所述的具有自清洁功能的激光直写结构，其特征在于，所述微纳米结构(2)为多边体。
3.如权利要求1所述的具有自清洁功能的激光直写结构，其特征在于，两个所述微纳米结构(2)的间距为50-100微米。
4.如权利要求1所述的具有自清洁功能的激光直写结构，其特征在于，所述微纳米结构(2)的高度为10-20微米。
5.如权利要求1至4中任一项所述的具有自清洁功能的激光直写结构，其特征在于，所述处理液的溶剂为甲苯。
6.如权利要求1至4中任一项所述的具有自清洁功能的激光直写结构，其特征在于，所述处理液的溶质为十二烷基三氯硅烷。
7.如权利要求1至4中任一项所述的具有自清洁功能的激光直写结构，其特征在于，所述处理液的浓度为1g/ml-3g/ml。
8.如权利要求1所述的具有自清洁功能的激光直写结构，其特征在于，所述微纳米结构(2)由激光器通过强度可变的激光束在所述玻璃基底(1)上曝光刻蚀而成。
9.如权利要求8所述的具有自清洁功能的激光直写结构，其特征在于，所述微纳米结构(2)在所述玻璃基底(1)上阵列分布。
10.一种激光雷达外罩，其特征在于，所述激光雷达外罩的罩体由如权利要求1至9中任一项所述的激光直写结构制成。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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