CN112282619A - 用于LiDAR应用的玻璃窗 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于光学系统，特别是用于LiDAR系统的玻璃窗，其中该玻璃窗具有弯曲形式。对于0.1mm和15mm之间的长度范围，该玻璃窗的至少50％区域具有满足下式的几何斜率误差SEG：SEG<‑2.3·10‑6·2·R0[1/mm]+7.3·10‑4。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于光学系统和仪器的玻璃窗，特别是用于LiDAR系统(LiDAR：光检测和测距)的玻璃窗。此外，本发明涉及一种具有这种玻璃窗的LiDAR系统以及一种用于制造这种玻璃窗的方法。
背景技术
LiDAR(“光检测和测距”的缩写)或LaDAR(“激光检测和测距”的缩写)是一种通过激光进行光学测量距离和速度的方法，以下称为LIDAR。为此，LiDAR系统发出近红外光谱(NIR)的激光辐射，即波长大于780nm的激光辐射，该激光辐射从周围的物体反射并至少部分再次到达LiDAR系统并被检测到。根据反射辐射的模式，LiDAR系统能够识别物体，并且根据激光辐射的行进时间就能计算物体的距离。某些LiDAR系统还可以根据发射和反射辐射的相位关系来计算物体的速度。
当前，LiDAR系统和/或LiDAR传感器是用于实现自动驾驶的重要部件。LiDAR系统的其他用途和应用领域、例如为机器人出租车、机器人卡车、机器人空中出租车、工业和物流机器人、无人机、海洋和船舶、采矿、建筑机器和采矿机械、安全和军事、太空卫星以及从空中绘制国家和水下拓扑图/地图、优化风力涡轮机、在机场测量湍流、确定飞机湍流等。
所有LiDAR系统都需要至少一个光学窗，其设置在LiDAR系统的光电部件与周围环境之间，并提供机械保护以免受环境影响。在理想情况下，光学窗甚至可以确保LiDAR系统的光电部件与周围环境之间的气密密封。不同的LiDAR系统可以根据其构造设计进行区分，更确切地说，可以根据LiDAR系统中使用的窗的形状和构造设计加以区分。一些LiDAR系统设有平面窗，用于将系统的敏感部件与环境分开。代替平面窗，其他LiDAR系统包括弧形窗或弯曲窗。同样广泛使用的是旋转LiDAR系统(自旋LiDAR系统)，其中发射器和检测器在通常静止的环形窗中旋转。
在已知的LiDAR系统中，主要使用聚合物材料的窗，特别是用于自旋LiDAR系统和具有弯曲窗的其他LiDAR系统。通常，这些聚合物窗通过熔融成型或注射成型的方法由、诸如聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的材料制成。
但是，聚合物材料的LiDAR窗在使用寿命和可靠性方面存在缺点。
聚合物窗由于其较低的耐刮擦性而通常具有增加的易刮擦性。在LiDAR系统运行期间，聚合物窗中刮擦的产生可能是由于：(a)由少量撞击颗粒(例如，空气中的沙子或前方行驶汽车的颗粒)造成的环境影响；(b)对窗的机械清洁；和/或(c)使用挡风玻璃上的雨刷器时硬质材料或沙子刮擦窗表面。将反射的光和已反射的光必须经过的被刮擦表面极大地损害了系统的光学性能和可靠性，特别是由于光的减少，会将光错配到错误像素上、发生散射以及会降低信噪比。
现有技术的聚合物窗的另一个缺点是附加层在聚合物窗上的粘附性差。LiDAR窗通常可以连接有附加层，以改善某些光学、物理和/或机械特性。由于聚合物窗的较差的粘合特性，通常这些附加层会至少部分地分离，这降低了信号强度并因此降低了信噪比。另外，局部分离的涂层导致信号强度的不期望的跳跃。当除了光学活性涂层之外，还施加诸如抗刮擦层或防水层之类的层时，粘合特性进一步降低。
此外，聚合物窗的环境稳定性低且经常不足。聚合物是有机材料，在紫外线照射下通常会变色(棕色)。这种变色导致信号强度降低。例如，聚碳酸酯是相对紫外线稳定的，但是用户经常抱怨其紫外线稳定度对于LiDAR的使用来说太低了。另外，聚合物表面由于天气影响而退化，例如由于大气沉积物(化学反应之后)而退化，这也降低了信号强度。
此外，聚合物窗不是气密的，因此在LiDAR系统中经过短时间后，由于水蒸气会扩散穿过聚合物材料，因此存在与周围大气相同的湿度。系统中的湿气可能导致系统的腐蚀和机械故障。
此外，聚合物材料具有相对较低的熔融温度，在将加热层施加到窗上的LiDAR系统的情况下这尤其关键，因为当加热层过热时存在窗的熔化风险，而窗熔化会破坏整个LiDAR系统的功能。
由于聚合物窗的各种缺点，因此有一种构想将玻璃材料用于LiDAR窗。例如，在文件WO2019/030106A1和WO2019/009336A1中公开了这种窗。但是，现有技术中描述的玻璃窗或实践中已知的其他玻璃窗均不真正适合在LiDAR系统中使用，因为迄今为止，当使用现有的玻璃窗时，由于自然公差，会发生很高的信号波动。
发明内容
本发明的一个目的是克服现有技术的缺点。特别地，本发明的一个目的是提供一种用于光学系统的窗，该窗克服了现有技术的缺点并且适合在LiDAR系统中使用。
这些目的通过根据权利要求1的玻璃窗和根据权利要求16的方法来解决。该玻璃窗和该方法的改进和实施例是从属权利要求和下面的描述的主题。
本发明的一个方面涉及一种用于光学系统或应用、特别是用于LiDAR系统的玻璃窗。该玻璃窗可以安装在光学系统中，尤其是安装在LiDAR系统中。不言而喻，根据本发明的玻璃窗也可以适用于其他光学仪器，特别是具有环形几何形状的光学仪器。玻璃窗具有弯曲的形式或区域，因此不同于纯平玻璃。弯曲形式意味着玻璃窗具有三维弯曲形状。玻璃窗可以围绕一个或多个弯曲轴弯曲，即单轴或多轴。例如，弯曲的玻璃窗可以具有环形、环段(圆的扇形或弧段)的形式、螺旋段或弯曲的自由形式表面区域或可以不对称弯曲。玻璃窗可以具有一个或多个曲率，其中玻璃窗的几个曲率可以相同或不同。玻璃窗可以在某个区域弯曲，而在另一个区域不弯曲。玻璃窗在轴向上可以不是弯曲的，即可以具有笔直的形式。在本发明的上下文中，“玻璃”还可包括玻璃陶瓷。然而，在优选的实施例中，术语“玻璃”仅包括非晶材料。
对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域具有满足下式的几何斜率误差SEG：
SEG<-2.3·10-6·2·R0[1/mm]+7.3·10-4；
优选SEG<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4；
优选SEG<-6.8·10-7·2·R0[1/mm]+2.2·10-4。
其中SEG是无量纲的几何斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。为了计算斜率误差，使用各自在玻璃窗的检查位置处的理想区域作为参考区域。特别地，曲率半径R0的目标值可以是基于玻璃窗的外表面的曲率半径的目标值，因此可以是曲率外半径的目标值。
根据本发明的条件首次定义了根据曲率半径的目标值应满足的斜率误差的精确值。斜率误差也可以称为正切误差，它描述了相对于曲率的理想目标值的局部斜率偏差，或者描述了在一定长度段(例如圆周段)上壁厚的变化(壁厚波动)，其中根据本发明的斜率误差的值不取决于结构的取向(轴向或切向)。当检查并确定了斜率误差时，则将玻璃窗各位置处的理想区域用作参考区域。在具有玻璃环形式的玻璃窗的情况下，该玻璃环例如在数学方面是完美的并且具有始终相同的曲率半径目标值。
本发明首次为提供具有精确特性和公差的玻璃窗提供了明确的推荐操作过程，这些特性和公差必须针对允许对LiDAR应用使用该玻璃窗所要求的表面质量和性能进行调节。特别是，本发明通过规定的条件为斜率误差定义了明确的极限，根据玻璃窗的曲率半径的目标值必须满足该极限。
直到今天，由于自然公差，玻璃窗通常不适合于LiDAR使用，因此会产生过高的信号波动。在此要提到的是，在此定义的参数、公差和特性的量化强烈地取决于多个影响因素，例如各个用途所需的成像特性、通常在应用中使用的波长、光学元件的精确几何形状、光电部件和分析软件等等。因此，特殊系统(在这里特别是LiDAR系统)的上限的定义取决于发明人的实质性技术改进，这是本发明的基础。
在这方面，发明人已经发现，为了适合于LiDAR系统，令人惊讶的是可允许玻璃窗相对于许多参数具有相对较高的公差。但是，已经发现，对于最佳的系统性能和合适的信号质量，几何参数和优选光学斜率误差的参数是尤其相关的。根据本发明，必须将斜率误差(其考虑了壁厚变化对长度的无量纲比)保持在上述限定的公差或值内。在这方面，发明人特别发现必须提供取决于玻璃窗曲率目标值的斜率误差在哪个范围内，以便能够满足LiDAR系统的要求。
为了提供根据本发明的玻璃窗或获得所需的斜率误差值，可以例如通过磨削和/或抛光工艺对玻璃窗进行后处理。另外，发明人已经发现，特别是在长度ΔL＝0.1mm至15mm上的壁厚波动与LiDAR系统的玻璃窗的适用性有关。较小的波动在物理上会导致散射效应，通常通过粗糙度描述，并通过粗糙度参数指定；较长的波动很少能够强烈地从LiDAR系统检测到，因为它们按照光学孔径的顺序排列。它们可能会导致在真实角度方向与视觉角度方向之间发生变化。具有根据本发明的对于0.1mm和15mm之间的长度范围的几何斜率误差(优选为光学斜率误差)值的玻璃窗实现了最小化信号波动并将其保持在+/-10％的公差范围内，当在LiDAR系统中使用该玻璃窗时，这被认为是足够的。使用具有根据本发明的对于0.1mm和15mm之间的长度范围的几何斜率误差(优选为光学斜率误差)值的玻璃窗可以使LiDAR信号相对于平均值的相对标准偏差小于10％，优选小于7％，优选小于6％，还更优选小于4％的。可以通过n次测量在不同窗位置处的LiDAR信号的归一化信号强度来计算标准偏差，在环形窗的情况下，该不同位置尤其是在窗的不同旋转角度处。可以如下式计算标准偏差s，其中xi是单个测量值，
是它们的平均值。n优选地可以是至少5或至少7。在一个实施例中，n＝9。
几何斜率误差可以通过白光干涉法来测量。
在一个实施例中，玻璃窗的曲率半径的目标值可以为R0＝42.5mm。例如，玻璃窗的外径目标值可以是OD＝85mm。在这种情况下，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有小于0.0005345、优选小于0.0002665、优选小于0.0001622的几何斜率误差SEG。在该实施例中，例如，玻璃窗可以是玻璃环。
在一个实施例中，玻璃窗的曲率半径的目标值可以为R0＝67.5mm。例如，玻璃窗的外径目标值可以是OD＝135mm。在这种情况下，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有小于0.0004195、优选小于0.0002115、优选小于0.0001282的几何斜率误差SEG。在该实施例中，例如，玻璃窗可以是玻璃环。
在改进方案中，对于在0.1mm至15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有几何斜率误差SEG的下限。因此，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可具有满足下式的几何斜率误差SEG：
SEG>-6.8·10-8·2·R0[1/mm]+2.2·10-5；
优选SEG>-1.1·10-7·2·R0[1/mm]+3.6·10-5；
优选SEG>-2.3·10-7·2·R0[1/mm]+7.3·10-5。
其中SEG是无量纲几何斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在一个实施例中，玻璃窗的曲率半径的目标值可以为R0＝42.5mm。例如，玻璃窗的外径目标值可以是OD＝85mm。在这种情况下，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有至少0.0000162、优选地至少0.0000267、优选地至少0.0000535的几何斜率误差SEG。在该实施例中，例如，玻璃窗可以是玻璃环。
在一个实施例中，玻璃窗的曲率半径的目标值可以为R0＝67.5mm。例如，玻璃窗的外径目标值可以是OD＝135mm。在这种情况下，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有至少0.0000128、优选地至少0.0000212、优选地小于0.0000420的几何斜率误差SEG。在该实施例中，例如，玻璃窗可以是玻璃环。
在改进方案中，对于在0.1mm至15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可具有满足下式的几何斜率误差SEG：
-6.8·10-8·2·R0[1/mm]+2.2·10-5<SEG<-2.3·10-6·2·R0[1/mm]+7.3·10-4；
优选-1.1·10-7·2·R0[1/mm]+3.6·10-5<SEG<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4；
优选-2.3·10-7·2·R0[1/mm]+7.3·10-5<SEG<-6.8·10-7·2·R0[1/mm]+2.2·10-4。其中SEG是无量纲几何斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在改进方案中，对于在0.1mm至15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可具有小于0.00050、优选小于0.00040、优选小于0.00035、进一步优选小于0.00025(＝2.5·10-4)的几何斜率误差。特别地，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有至少0.00001、优选地至少0.000025、优选地至少0.00004的几何斜率误差。例如，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有在0.00001和0.00040之间、优选在0.000025和0.00035之间、优选在0.00005和0.00025之间的几何斜率误差。
换句话说，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域中的几何斜率误差可满足以下关系：
0<(ΔWT)/ΔL<X。
其中WT是玻璃窗的以mm为单位的壁厚，L是玻璃窗的以mm为单位的长度，X是上述定义值的变量。特别地，可以是X＝2.5·10-4。
在改进方案中，对于0.1mm与15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有满足下式的光学斜率误差SEO：
SEO<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4；
优选SEO<-5.6·10-7·2·R0[1/mm]+1.8·10-4；
优选SEO<-3.4·10-7·2·R0[1/mm]+1.1·10-4。
其中SEO是无量纲光学斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在一个实施例中，玻璃窗的曲率半径的目标值可以为R0＝42.5mm。例如，玻璃窗的外径目标值可以是OD＝85mm。在这种情况下，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有小于0.000267、优选小于0.000133、优选小于0.000081的光学斜率误差SEO。在该实施例中，例如，玻璃窗可以是玻璃环。
在一个实施例中，玻璃窗的曲率半径的目标值可以为R0＝67.5mm。例如，玻璃窗的外径目标值可以是OD＝135mm。在这种情况下，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有小于0.000212、优选小于0.000104、优选小于0.000064的光学斜率误差SEO。在该实施例中，例如，玻璃窗可以是玻璃环。
在改进方案中，对于0.1mm与15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有光学斜率误差SEO的下限。因此，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有满足下式的光学斜率误差SEO：
SEO>-3.4·10-8·2·R0[1/mm]+1.1·10-5；
优选SEO>-5.6·10-8·2·R0[1/mm]+1.8·10-5；
优选SEO>-1.1·10-7·2·R0[1/mm]+3.6·10-5。
其中SEO是无量纲光学斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在一个实施例中，玻璃窗的曲率半径的目标值可以为R0＝42.5mm。例如，玻璃窗的外径目标值可以是OD＝85mm。在这种情况下，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有至少0.000008、优选至少0.000013、优选至少0.000027的光学斜率误差SEO。在该实施例中，例如，玻璃窗可以是玻璃环。
在一个实施例中，玻璃窗的曲率半径的目标值可以为R0＝67.5mm。例如，玻璃窗的外径目标值可以是OD＝135mm。在这种情况下，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有至少0.000006、优选至少0.000010、优选至少0.000021的光学斜率误差SEO。在该实施例中，例如，玻璃窗可以是玻璃环。
在改进方案中，对于0.1mm与15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有满足下式的光学斜率误差SEO：
-3.4·10-8·2·R0[1/mm]+1.1·10-5<SEO<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4；
优选-5.6·10-8·2·R0[1/mm]+1.8·10-5<SEO<-5.6·10-7·2·R0[1/mm]+1.8·10-4；
优选-1.1·10-7·2·R0[1/mm]+3.6·10-5<SEO<-3.4·10-7·2·R0[1/mm]+1.1·10-4。其中SEO是无量纲光学斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在改进方案中，对于在0.1mm至15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有小于0.00025、优选地小于0.00020、优选地小于0.00018、进一步优选地小于0.00013(＝1.3·10-4)的光学斜率误差。特别地，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有至少0.000005、优选地至少0.000013、优选地至少0.00002的光学斜率误差。例如，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有在0.000005和0.00025之间、优选在0.000013和0.00020之间、优选在0.00002和0.00013之间的光学斜率误差。
换句话说，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域中的光学斜率误差可满足以下关系：
0<(n-1)*(ΔWT)/ΔL<X。
其中WT是玻璃窗的以mm为单位的壁厚，L是玻璃窗的以mm为单位的长度，n是玻璃窗的对于905nm波长激光的折射率，以及X是上述定义值的变量。特别地，可以是X＝1.3·10-4。
几何斜率误差和光学斜率误差之间的实质区别在于：几何斜率误差考虑了壁厚相对于所检查的长度的几何变化(作为两侧的总和)。壁厚的变化导致波阵面的透射率的改变，这可以由光学斜率误差来描述，该光学斜率误差除了几何参数之外还考虑了所使用的材料的折射率。特别地，玻璃窗的彼此相对的两侧或表面可具有上述光学斜率误差的定义值。
优选地，玻璃窗在其区域的至少60％、优选至少70％、进一步优选至少80％、再更优选至少90％中具有几何斜率误差的该容许最大值，或小于该容许最大值的几何斜率误差，和/或光学斜率误差的该容许最大值，或小于该容许最大值的光学斜率误差。换句话说，该玻璃窗的至少一部分具有由最大斜率误差充分地描述的较高的表面质量和性能，该至少一部分在该玻璃窗用于光学系统(例如LiDAR系统)时是由该系统积极使用的。特别是在LiDAR系统的情况下，该部分是玻璃窗的令激光(发射光和反射光)穿过该玻璃窗的部分。
在本发明的一个实施例中，玻璃窗可以具有弯曲形式，并且对于0.1mm和15mm之间的长度范围，在玻璃窗的至少100mm2的区域中具有满足下式的几何斜率误差：
SEG<-2.3·10-6·2·R0[1/mm]+7.3·10-4；
优选SEG<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4；
优选SEG<-6.8·10-7·2·R0[1/mm]+2.2·10-4。
其中SEG是无量纲几何斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在本发明的一个实施例中，玻璃窗可以具有弯曲形式，并且对于0.1mm和15mm之间的长度范围，在玻璃窗的至少100mm2的区域中几何斜率误差小于0.00050，优选小于0.00040，优选小于0.00035，进一步优选小于0.00025(＝2.5·10-4)。在本发明的一个实施例中，玻璃窗可以具有弯曲形式，并且对于0.1mm至15mm之间的长度范围，在玻璃窗的至少100mm2的区域中具有满足下式的几何斜率误差：
SEG>-6.8·10-8·2·R0[1/mm]+2.2·10-5；
优选SEG>-1.1·10-7·2·R0[1/mm]+3.6·10-5；
优选SEG>-2.3·10-7·2·R0[1/mm]+7.3·10-5。
其中SEG是无量纲几何斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在一种改进方案中，玻璃窗可以具有弯曲形式，并且对于0.1mm至15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少100mm2的区域中具有满足下式的几何斜率误差：
-6.8·10-8·2·R0[1/mm]+2.2·10-5<SEG<-2.3·10-6·2·R0[1/mm]+7.3·10-4；
优选-1.1·10-7·2·R0[1/mm]+3.6·10-5<SEG<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4；
优选-2.3·10-7·2·R0[1/mm]+7.3·10-5<SEG<-6.8·10-7·2·R0[1/mm]+2.2·10-4。其中SEG是无量纲几何斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在本发明的一个实施例中，玻璃窗可以具有弯曲形式，并且对于0.1mm和15mm之间的长度范围，在玻璃窗的至少100mm2的区域中具有满足下式的光学斜度误差SEO：
SEO<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4；
优选SEO<-5.6·10-7·2·R0[1/mm]+1.8·10-4；
优选SEO<-3.4·10-7·2·R0[1/mm]+1.1·10-4。
其中SEO是无量纲光学斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在本发明的一个实施例中，玻璃窗可以具有弯曲形式，并且对于0.1mm和15mm之间的长度范围，在玻璃窗的至少100mm2的区域中具有满足下式的光学斜度误差SEO：
SEO>-3.4·10-8·2·R0[1/mm]+1.1·10-5；
优选SEO>-5.6·10-8·2·R0[1/mm]+1.8·10-5；
优选SEO>-1.1·10-7·2·R0[1/mm]+3.6·10-5。
其中SEO是无量纲光学斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在本发明的一个实施例中，玻璃窗可以具有弯曲形式，并且对于0.1mm和15mm之间的长度范围，在玻璃窗的至少100mm2的区域中具有满足下式的光学斜度误差SEO：
-3.4·10-8·2·R0[1/mm]+1.1·10-5<SEO<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4；
优选-5.6·10-8·2·R0[1/mm]+1.8·10-5<SEO<-5.6·10-7·2·R0[1/mm]+1.8·10-4；
优选-1.1·10-7·2·R0[1/mm]+3.6·10-5<SEO<-3.4·10-7·2·R0[1/mm]+1.1·10-4。其中SEO是无量纲光学斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
特别地，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少100mm2的区域可以具有至少0.00001、优选地至少0.000025、优选地至少0.00004的几何斜率误差。例如，对于0.1mm至15mm之间的长度范围，玻璃窗的至少100mm2的区域可具有在0.00001至0.00040之间、优选地在0.000025至0.00035之间、优选在0.00005至0.00025之间的几何斜率误差。
优选地，玻璃窗在至少100mm2、优选至少500mm2、进一步优选至少1000mm2、还更优选至少1m2的区域中具有几何斜率误差的该容许最大值，或小于该容许最大值的几何斜率误差，和/或光学斜率误差的该容许最大值，或小于该容许最大值的光学斜率误差。
例如，玻璃窗在250000mm2及以下、优选30000mm2及以下、进一步优选1500mm2及以下的区域内具有几何斜率误差的该容许最大值，或小于该容许最大值的几何斜率误差，和/或光学斜率误差的该容许最大值，或小于该容许最大值的光学斜率误差。
特别地，玻璃窗在100mm2和250000mm2之间、优选在500mm2和30000mm2之间、特别是在1000mm2和1500mm2之间的区域中具有几何斜率误差的该容许最大值，或小于该容许最大值的几何斜率误差，和/或光学斜率误差的该容许最大值，或小于该容许最大值的光学斜率误差。
换句话说，该玻璃窗的至少一部分具有由最大斜率误差充分地描述的较高的表面质量和性能，该至少一部分在该玻璃窗用于光学系统(例如LiDAR系统)时是由该系统积极使用的。特别是在LiDAR系统的情况下，该部分是激光(发射光和反射光)穿过该玻璃窗的部分。
在一种改进方案中，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm和环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％的区域可具有满足下式的几何斜率误差SEG：
SEG<-4.8·10-5·2·R0[1/mm]+9.8·10-3；
优选SEG<-2.4·10-5·2·R0[1/mm]+4.9·10-3；
优选SEG<-9.7·10-6·2·R0[1/mm]+2.0·10-3。
其中SEG是无量纲几何斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在一个实施例中，玻璃窗的曲率半径的目标值可以为R0＝42.5mm。例如，玻璃窗的外径目标值可以是OD＝85mm。在这种情况下，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm和环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有小于0.0057、优选小于0.0029、优选小于0.0011的几何斜率误差SEG。在该实施例中，例如，玻璃窗可以是玻璃环。
在一种改进方案中，几何斜率误差可以具有下限。因此，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm到环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域具有满足下式的几何斜率误差SEG：
SEG>-9.7·10-7·2·R0[1/mm]+2.0·10-4；
优选SEG>-2.4·10-6·2·R0[1/mm]+4.9·10-4；
优选SEG>-4.8·10-6·2·R0[1/mm]+9.8·10-4。
其中SEG是无量纲几何斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在一个实施例中，玻璃窗的曲率半径的目标值可以为R0＝42.5mm。例如，玻璃窗的外径目标值可以是OD＝85mm。在这种情况下，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm和环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有至少0.00011、优选地至少0.00029、优选地至少0.00057的几何斜率误差SEG。在该实施例中，例如，玻璃窗可以是玻璃环。
在一种改进方案中，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm到环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可具有满足下式的几何斜率误差SEG：
-9.7·10-7·2·R0[1/mm]+2.0·10-4<SEG<-4.8·10-5·2·R0[1/mm]+9.8·10-3；
优选-2.4·10-6·2·R0[1/mm]+4.9·10-4<SEG<-2.4·10-5·2·R0[1/mm]+4.9·10-3；
优选-4.8·10-6·2·R0[1/mm]+9.8·10-4<SEG<-9.7·10-6·2·R0[1/mm]+2.0·10-3。
其中SEG是无量纲几何斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在一种改进方案中，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm到环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可具有满足下式的光学斜率误差SEO：
SEO<-2.4·10-5·2·R0[1/mm]+4.9·10-3；
优选SEO<-1.2·10-5·2·R0[1/mm]+2.5·10-3；
优选SEO<-4.8·10-6·2·R0[1/mm]+9.8·10-4。
其中SEO是无量纲光学斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在一个实施例中，玻璃窗的曲率半径的目标值可以为R0＝42.5mm。例如，玻璃窗的外径目标值可以是OD＝85mm。在这种情况下，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm和环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有小于0.0029、优选小于0.0014、优选小于0.00057的光学斜率误差SEO。在该实施例中，例如，玻璃窗可以是玻璃环。
在一种改进方案中，几何斜率误差可以具有下限。因此，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm到环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域具有满足下式的光学斜率误差SEO：
SEO>-4.8·10-7·2·R0[1/mm]+9.8·10-5；
优选SEO>-1.2·10-6·2·R0[1/mm]+2.5·10-4；
优选SEO>-2.4·10-6·2·R0[1/mm]+4.9·10-4。
其中SEO是无量纲光学斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在一个实施例中，玻璃窗的曲率半径的目标值可以为R0＝42.5mm。例如，玻璃窗的外径目标值可以是OD＝85mm。在这种情况下，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm和环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有至少0.000057、优选至少0.00014、优选至少0.00029的光学斜率误差SEO。在该实施例中，例如，玻璃窗可以是玻璃环。
在一种改进方案中，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm到环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可具有满足下式的光学斜率误差SEO：
-4.8·10-7·2·R0[1/mm]+9.8·10-5<SEO<-2.4·10-5·2·R0[1/mm]+4.9·10-3；
优选-1.2·10-6·2·R0[1/mm]+2.5·10-4<SEO<-1.2·10-5·2·R0[1/mm]+2.5·10-3；
优选-2.4·10-6·2·R0[1/mm]+4.9·10-4<SEO<-4.8·10-6·2·R0[1/mm]+9.8·10-4。
其中SEO是无量纲光学斜率误差，R0是玻璃窗的曲率半径(以mm为单位)的目标值。特别地，R0可以是在玻璃窗的检查斜率误差的位置处的该玻璃窗的曲率半径的目标值。
在一种改进方案中，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm和环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可具有小于0.004、优选小于0.003、进一步优选小于0.0025、还更优选小于0.002的几何斜率误差，和/或小于0.002、优选小于0.0015、进一步优选小于0.00125、还更优选小于0.001的光学斜率误差。特别是，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm和环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域可以具有至少0.0001、优选地至少0.0002、进一步优选地至少0.0003的几何斜率误差，和/或至少0.00005、优选地至少0.0001、进一步优选至少0.00015的光学斜率误差。
例如，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm到环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域中的几何斜率误差SEG可满足如下关系：
0<(ΔWT)/ΔL<X。
其中，WT是玻璃窗的以mm为单位的壁厚，L是玻璃窗的以mm为单位的长度(例如周长)，X是上述定义值的变量。特别地，可以是X＝2·10-3。
例如，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm到环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗的至少50％区域中的光学斜率误差可满足如下关系：
0<(n-1)*(ΔWT)/ΔL<X。
其中WT是玻璃窗的以mm为单位的壁厚，L是玻璃窗的以mm为单位的长度(例如周长)，n是玻璃窗的折射率，X是上述定义值的变量。特别地，可以是X＝1·10-3。
优选地，对于大于15mm的长度范围，特别是对于15mm和环形玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围，玻璃窗在其至少60％、优选至少70％、进一步优选至少80％、再更优选至少90％的区域中具有几何斜率误差的该容许最大值，或小于该容许最大值的几何斜率误差，和/或光学斜率误差的该容许最大值，或小于该容许最大值的光学斜率误差。换句话说，该玻璃窗的至少一部分具有由斜率误差充分地描述的较高的表面质量和性能，该至少一部分在该玻璃窗用于光学系统(例如LiDAR系统)时是由该系统积极使用的。特别是在LiDAR系统的情况下，该部分是令激光(发射光和反射光)穿过该玻璃窗的部分。
尽管对于15mm与玻璃窗的以mm为单位的周长的一半(U/2)之间的长度范围的几何斜率误差和光学斜率误差对信号质量的影响不及对于0.1mm至15mm之间的长度范围的斜率误差严重，但是该改进方案可以进一步改善光学质量和系统性能。
根据一个实施例，玻璃窗可以是环或环段。换句话说，玻璃窗可以具有环的形式或环段的形式，因此可以是中空圆柱体的形式或中空圆柱段的形式。在这种情况下，为了计算斜率误差，可以使用数学上完美的环的外表面作为参考区域，该数学上完美的环的曲率半径的目标值始终相同和/或外径的目标值始终相同。环形玻璃窗，尤其是完全环形玻璃窗可以例如用于自旋LiDAR系统，其中发射器和检测器在环内旋转。玻璃窗可以由几个弯曲玻璃区域组成。特别地，完整的环可以由一个或多个环段组成。例如，一个360°的环可以由三个120°的环段组成。不言而喻，作为备选，弯曲玻璃区域例如环段可以用作玻璃窗，特别是用作LiDAR窗。
玻璃窗的曲率半径的目标值可以为至少25mm，优选为至少50mm和/或至多200mm。曲率半径的目标值尤其可以在25mm至200mm之间的范围内。在环形玻璃窗的情况下，曲率半径的目标值可以是玻璃窗的外径。玻璃窗的壁厚可以为至少1.0mm和/或至多5mm、优选在1.0mm至5mm之间的范围内。壁厚可取决于玻璃窗的总尺寸，其中较小的玻璃窗通常具有较低的厚度。玻璃窗的轴向长度可以为至少15mm和/或至多200mm，其中，特别地，该长度可以在20mm至200mm之间。玻璃窗的中心角可以在30°至360°之间，优选在60°至270°之间，优选在90°至120°之间。例如，可以由一个环制备三个以120°为中心角的环段。关于其尺寸，可以将玻璃窗调节为应在其中使用玻璃窗的LiDAR系统的尺寸。就此而言，上述值是有利的值。上述尺寸和措施尤其指的是将玻璃窗实施为环或环段。
优选地，玻璃窗满足以下公差：
n＝n0±2.5％；和/或
OD＝OD0±1.0％(WT固定时)；和/或
OD＝OD0±0.2％(ID固定时)；和/或
ID＝ID0±0.2％(OD固定时)。
其中n是真实折射率，n0是折射率的目标值，OD是真实外径，OD0是外径的目标值，ID是真实内径，ID0是内径目标值，WT是真实壁厚。OD可以与2R相同，并且OD0可以与2R0相同。给定的公差定义了一个有利的参数公差，而其他参数则被认为是理想的。
上述几何参数和轮廓可以使用触觉传感器进行测量，例如测量仪器：Zeiss O-Inspec。
在一个改进方案中，玻璃窗的至少50％、优选至少60％、优选至少70％、进一步优选至少80％、再更优选至少90％的区域的RMS粗糙度(所谓的均方根粗糙度)可小于10nm，优选小于7.5nm，优选小于5nm。尤其是，RMS粗糙度可以小于工作波长的0.5％，因此小于在相应应用中使用的相关辐射的波长。因此，在LiDAR系统中，RMS粗糙度的值可以小于所用激光波长(通常为905nm、940nm或1550nm)的0.5％。这样的RMS粗糙度可以进一步提高玻璃窗的表面质量和性能，从而当在光学应用(例如LiDAR系统)中使用时额外改善信号质量。RMS粗糙度(也称为粗糙度Rq)可以通过白光干涉法测量，例如在300μm×300μm的区域上。在所述范围内的低RMS粗糙度可以例如通过去除(例如磨削、抛光、蚀刻)和/或施加(例如对平坦度缺陷的涂覆)来实现，其中例如平坦度缺陷可能由于玻璃窗表面上的拉伸条纹而存在。粗糙度可以根据DIN EN ISO 4287：2010确定。
在一个实施例中，玻璃窗对于可见光可以是基本上不透明的，即至少对于400nm和700nm之间的波长的光是不透明的，并且对于工作波长的光(例如激光)基本上是透明的。工作波长可以在光谱的近红外区域(NIR)中，例如在780nm和3μm之间的工作波长范围内。工作波长尤其可以是905nm、940nm和/或1550nm。“基本上不透明”可以表示玻璃窗对于具有所述波长的光的平均透射率(T_ave)小于或等于10％，优选小于7.5％，优选小于5％。“基本上透明”可以表示玻璃窗对于具有所述波长的光的平均透射率(T_ave)为90％或更高，优选为至少92％，优选为92％至94％之间。
特别地，玻璃窗对于波长为700nm或更短的光可以是基本上不透明的。优选地，对于在各个应用(例如波长为905nm、940nm或1550nm的激光)中使用的光的工作波长，玻璃窗可以对至多80％、优选地至多85％、进一步优选地至多90％的波长是基本上不透明的。优选地，玻璃窗对于波长为800nm或更高的光可以是基本上透明的，例如对于波长在800nm与2500nm之间、优选地在800nm与1600nm之间的光、特别是至少对于具有约905nm、约940nm和/或约1550nm的波长的激光是基本透明的。
玻璃窗可以至少在相关区域或在至少50％、优选至少60％、优选至少70％、进一步优选至少80％、更优选至少90％、还更优选至少99％的足够大的区域中具有这些以及进一步的光学特性和设计。
通过使该玻璃窗对于某些波长基本上是不透明的而对于其他某些波长来说是基本上透明的设计，可以确保在操作期间干扰波长被可选地阻止并且不会到达检测器。
为了实现玻璃窗的不透明特性，可以分开或组合提供玻璃窗的不同改进方案。因此，在一个实施例中，用于吸收可见光的玻璃窗可以设置有涂层，该涂层对于可见光基本上是不透明的，并且至少对于工作波长范围内的光(例如，激光)基本上是透明的。该涂层可以是有机或无机的。从视觉上看，涂层可以是黑色的。该涂层可以例如是浸涂层。特别地，对于波长为700nm或更低的可见光，涂层可以基本上是不透明的。优选地，该涂层对于具有至少400nm的波长的可见光可以基本上是不透明的。例如，该涂层至少对于波长在400nm和700nm之间的可见光可以基本上是不透明的。优选地，该涂层至少对于波长大于800nm的光、特别是对于波长约905nm、约940nm和/或约1550nm的光可以基本上是透明的。
替代地或附加地，用于吸收可见光的玻璃窗可以设置有箔片，该箔片对于可见光基本上是不透明的并且至少对于工作波长范围内的光(例如，激光)是基本上透明的。在视觉上，箔片可以具有深色、例如黑色的外观。例如，箔片可以是黑色聚合物膜。特别地，对于波长为700nm或更短的可见光，箔片可以基本上是不透明的。优选地，对于波长至少为400nm的可见光，箔片可以基本上是不透明的。例如，箔片至少对于波长在400nm至700nm之间的可见光可以基本上是不透明的。优选地，箔片至少对于波长大于800nm的光、特别是对于波长约905nm、约940nm和/或约1550nm的光可以基本上是透明的。
替代地或附加地，玻璃窗可以包括体有色玻璃(“黑玻璃”)。
玻璃窗可以设有一个或多个另外的层。玻璃窗可以包括加热层。加热层可以例如用于去除玻璃窗上的霜。玻璃窗可包括疏水层，该疏水层的水接触角大于90°。疏水层可以例如对液滴从玻璃窗的排出进行改善。玻璃窗可以包括防刮擦层，用于保护玻璃窗免受机械损坏。玻璃窗可以包括亲水层，该亲水层的水接触角小于90°。例如，可以使用亲水层，使得与玻璃窗接触的液体在玻璃窗上形成均匀的膜。
提供玻璃窗的视觉上黑色的成分还具有另一个优点：即可以防止外面的人看到系统的内部。另外，可以保护系统的可选的敏感部件、例如检测器、免受入射的太阳辐射。
在玻璃窗设置有附加涂层、箔片、聚合物层的实施例中，玻璃窗因此包括至少两层(玻璃和另一层)。在这种情况下，第一层或玻璃材料对于可见光和在工作波长范围内的光可以具有较高的光透射率(例如，大于90％)，因此例如对于波长高达至少1600nm、优选至少1000nm、优选至少950nm的光具有大于90％的光透射率。第一层可具有优选的RMS粗糙度，即，RMS粗糙度小于10nm，优选小于7.5nm，优选小于5nm。特别地，第一层的RMS粗糙度可以小于工作波长、即因此小于在相应应用中使用的相关辐射的波长的0.5％。因此，在LiDAR系统中，RMS粗糙度的值可以小于所用激光波长(通常为905nm、940nm或1550nm)的0.5％。第二层(例如，涂层、箔片或聚合物层)可以具有所描述的对于可见光的低光透射率特性和所描述的对于在工作波长范围内的光的高光透射率特性。第二层的RMS粗糙度可以对应于第一层的RMS粗糙度。
根据一种改进方案中，在玻璃窗内侧(即，例如在操作过程中面对发射器和检测器的一侧)和/或外侧(例如，在操作过程中面对环境的一侧)可以设置有防反射层。由玻璃窗和防反射层(一层或多层)组成的复合体对于工作波长、即特别是在光谱的近红外区域(NIR)中可以是高度透明的。换句话说，防反射层可以减少在空气/玻璃界面处的工作波长范围内的光的反射损失，并因此导致在工作波长范围内的光的更高透射率。因此，就向外部的发射以及关于从环境反射回检测器的辐射的透射而言，可以使得工作波长范围内(例如激光辐射)的光通过玻璃窗的透射率最大化。例如，在一个或多个附加防反射层用于工作波长的情况下，可以实现玻璃窗的平均透射率(T_ave)至少为95％(在一侧有涂层的情况下)，优选至少为98％(尤其是在两面都有涂层的情况下)。不言而喻，玻璃窗可以包括防反射层系统(AR层系统)，该防反射层系统包括具有上述特性的多个防反射层。与单个AR层相比，AR层系统能够覆盖更宽的波长范围。
根据一个实施例，玻璃窗可包括硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、例如碱金属铝硅酸盐玻璃或碱土金属铝硅酸盐玻璃。
玻璃可以是经钢化处理的或可以进行钢化处理。
玻璃窗的优选材料可具有以下组分范围，以重量％计：
| 成分 | 重量％ |
| SiO<sub>2</sub> | 55到81 |
| B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 0到15 |
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 0到25 |
| R<sub>2</sub>O | 0到20 |
| RO | 0到15 |
在一个实施例中，玻璃选自硼硅酸盐玻璃(例如，具有高耐水解性)和铝硅酸盐玻璃、例如无硼和/或无碱的铝硅酸盐玻璃、或含钠的铝硅酸盐玻璃。可以在下表中找到根据本发明可以使用的示例性组合物。
“R2O”是指选自Li2O、Na2O和K2O的碱金属氧化物。“RO”是指选自MgO、ZnO、CaO、BaO和SrO的金属氧化物。
在一个实施例中，玻璃的折射率nd为至少1.450，特别是至少1.500。折射率可以具有高达1.750或高达1.650的值。
在离子交换下的任选化学钢化处理例如是通过浸入含钾的盐熔体中进行的。而且，可以使用硅酸钾水溶液、浆料或分散体，或者可以通过气相沉积或温度激发的扩散进行离子交换。通常，首选上述方法。化学钢化处理的特征尤其在于压应力和渗透深度参数：
“压应力”或“表面应力”(CS)表示在离子交换过程后，通过玻璃表面对玻璃网络的位移效应所产生的应力，而玻璃中未发生变形。
“渗透深度”或“层深度”或“离子交换层的深度”(DoL)是指其中发生离子交换并产生压应力的玻璃表面层的厚度。压应力CS和层深度DoL可以例如根据光学原理利用市售的应力测量装置FSM6000进行测量。
因此，离子交换是指玻璃通过离子交换方法进行硬化或化学钢化处理，该方法是玻璃精制和/或加工领域中的技术人员公知的方法(来自现有技术)。用于化学钢化处理的典型盐是例如熔融的含K+盐或盐的混合物。常规使用的盐包括KNO3、KCl、K2SO4或K2Si2O5；以及还使用诸如NaOH、KOH和其他钠盐或钾盐之类的添加剂来更好地控制或调节化学钢化处理的离子交换速率。
在一个改进方案中，玻璃窗可以包括化学和/或热钢化材料。在该改进方案中，可以形成预应力层的层深度(DoL)在10μm至100μm之间，优选地在25μm至75μm之间，优选地为约50μm。预应力可以为至少100MPa，优选为至少200MPa，优选为至少300MPa。预应力可以低于1500MPa，例如低于1000MPa。钢化可能会大大增加玻璃窗的机械耐久性。化学钢化尤其可以通过钠离子与钾离子的离子交换或锂离子与钠和/或钾离子的离子交换来实现。可以通过在升高的温度下，在约350至550℃，例如400至480℃下，用相应的盐对材料进行处理来实现离子交换。合适的盐是例如各个离子的硝酸盐和卤化物，例如KNO3、KCl、NaNO3、NaCl及其混合物。处理的持续时间取决于所需的层深度。处理时间可能至少为2小时，至少4小时或至少5个小时。可选地，持续时间被限制为最多16小时，最多12小时或最多8小时。
另一方面涉及一种LiDAR系统，该LiDAR系统包括用于发射特别是具有905nm、940nm或1550nm的工作波长的激光的激光源、用于使激光偏转的扫描装置、用于检测反射激光的检测装置和上述类型的玻璃窗。玻璃窗可以被集成在LiDAR系统的壳体中。
不言而喻，LiDAR系统仍然包括另外的部件，例如用于对发射的光进行聚焦、偏转、改变方向等的透镜装置，和/或评估装置。
本发明的另一方面涉及一种制造用于光学系统的玻璃窗的方法，特别是制造上述种类的玻璃窗的方法。该方法包括任何所需顺序的以下步骤：
-形成弯曲玻璃区域，特别是玻璃环和/或玻璃环段，以用作玻璃窗；
-磨削和/或抛光弯曲玻璃区域的至少一部分，以便对于0.1mm至15mm之间的长度范围，在弯曲玻璃至少50％区域中调节几何斜率误差小于-2.310-6·2·R0[1/mm]+7.3·10-4(即SEG<-2.3·10-6·2·R0[1/mm]+7.3·10-4)，并优选调节光学斜率误差小于-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4(即SEO<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4)。
在一个实施例中，该方法可以包括以下步骤：
-从玻璃熔体拉伸玻璃管；
-对玻璃管的至少一部分进行磨削和/或抛光，以便对于0.1mm至15mm之间的长度范围，在用作玻璃窗的部分的至少50％区域中调节几何斜率误差小于-2.3·10-6·2·R0[1/mm]+7.3·10-4(即SEG<-2.3·10-6·2·R0[1/mm]+7.3·10-4)，并优选调节光学斜率误差小于-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4(即SEO<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4)；和
-切割玻璃管以产生具有预定长度的一个或多个环，其中，优选地将一个或多个环切割成玻璃段(环段)。玻璃段的中心角可在60°至270°之间。然后，该一个或多个环或一个、几个或所有玻璃段可以用作光学系统(特别是LiDAR系统)的玻璃窗。
在一个实施例中，该方法可以包括以下步骤：
-进行平板玻璃的热成型，以至少局部地形成弯曲的玻璃窗，特别是环段形式的玻璃窗；
-对弯曲玻璃窗或环段的至少一部分进行磨削和/或抛光，以便对于0.1mm至15mm之间的长度范围，在弯曲玻璃窗或环段至少50％区域中调节几何斜率误差小于-2.3·10-6·2·R0[1/mm]+7.3·10-4(即SEG<-2.3·10-6·2·R0[1/mm]+7.3·10-4)，并优选调节光学斜率误差小于-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4(即SEO<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4)。
环段的中心角可在60°至270°之间。
在可选的另一步骤中，可将弯曲玻璃区域与一个或多个另外的弯曲玻璃区域一起组装成玻璃窗。特别地，环段可以与一个或多个其他环段连接成完整的环，其中，例如，可以将三个120°环段组装成360°环。不言而喻，弯曲玻璃区域，例如环段，可以用作玻璃窗，特别是用作LiDAR窗。
在一个实施例中，玻璃管或环段可以在几何形状和表面上进行后处理(例如，通过磨削和/或抛光)，使得玻璃窗在其区域的至少60％、优选至少70％、优选至少80％、进一步优选至少90％中不超过优选的几何斜率误差和/或优选的光学斜率误差。
优选地，通过后处理，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，可以提供几何斜率误差SEG<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4，优选SEG<-6.8·10-7·2·R0[1/mm]+2.2·10-4，和/或SEG>-6.8·10-8·2·R0[1/mm]+2.2·10-5，优选SEG>-1.1·10-7·2·R0[1/mm]+3.6·10-5，优选SEG>-2.3·10-7·2·R0[1/mm]+7.3·10-5。
优选地，通过后处理，对于0.1mm至15mm之间的长度范围，可以提供几何斜率误差小于0.00040，优选小于0.00035，进一步优选小于0.00025(＝2.5·10-4)和/或至少0.00001，优选至少0.000025，优选至少0.00004。
优选地，通过后处理，对于0.1mm至15mm之间的长度范围，可以提供光学斜率误差SEO<-5.6·10-7·2·R0[1/mm]+1.8·10-4，优选SEO<-3.4·10-7·2·R0[1/mm]+1.1·10-4和/或SEO>-3.4·10-8·2·R0[1/mm]+1.1·10-5，优选SEO>-5.6·10-8·2·R0[1/mm]+1.8·10-5，优选SEO>-1.1·10-7·2·R0[1/mm]+3.6·10-5。
优选地，通过后处理，对于0.1mm至15mm之间的长度范围，可以提供光学斜率误差小于0.00020，优选小于0.00018，进一步优选小于0.00013(＝1.3·10-4)和/或至少0.00001，优选至少0.000025，优选至少0.00004。
在本发明中，“磨削”是指这样的过程：借助于磨蚀介质(例如，粘结颗粒或松散颗粒)通过材料去除来再建工具的几何(长波)形式。“抛光”是指以针对性的方式改善表面的短波特性的机械和/或热机械和/或化学机械过程。在此，根据质量要求，可以依次进行两个处理步骤，或者也可以单独进行每个步骤。
在此，取决于产品的几何形状，该方法在其几何特征上可以是大规模设计的，从而在处理过程中工具接触到要调节的大部分区域。这最好是产品区域的20％。可替代地，也可以使用局部加工工具，特别是在多轴弯曲区域的情况下，该局部加工工具可以进行充分的二维处理。在光学元件领域，这种工艺被称为“区域抛光”。
通过后处理，可以在内侧的表面(例如，在后续操作期间面对发射器和检测器的一侧)和/或外侧的表面(例如，在后续操作期间面对环境的一侧)提供所需的光学质量。玻璃管被切成的环的长度可以是相对于后处理、特别是磨削和/或抛光过程优化的长度。
通过对玻璃管或环段的磨削和/或抛光，去除表面材料，其中同时可以提供具有小于10nm、优选小于7.5nm、优选小于5nm的RMS粗糙度的光学光滑表面。特别地，通过磨削和/或抛光，壁厚在较大长度范围(几毫米)上的波动和在玻璃表面上的拉制条纹可以消除或至少减小到对于应用而言不重要的程度，从而可以实现特别低的斜率误差。
作为磨削和/或抛光的补充或替代，可以通过蚀刻来进行玻璃管或环段的后处理，以实现玻璃窗的期望的表面特性和期望的光学质量。
取决于通过磨削工艺和/或其他后处理工艺制成的拉伸管或热成型环段的质量，可以或必须优化其他几何参数，例如外径、内径、同心度、圆度等。
在该方法的改进中，玻璃窗(或玻璃管、环或环段)的光谱光学特性可以通过涂层来调节。
为此目的，该方法可以进一步包括将一个或多个防反射层(AR层)施加到玻璃窗上，特别是施加到玻璃窗的外侧上的步骤。防反射层的施加可导致由玻璃窗和防反射层组成的复合物在近红外(NIR)中，特别是对于预期的工作波长变得高度透明。例如，复合物的反射度可以小于4％，优选小于3％，优选小于2％，特别是对于光谱的近红外区域(NIR)中的工作波长，例如对于905nm、940nm或1550nm的工作波长。换言之，防反射层可以减少在空气/玻璃界面处的工作波长范围内的光的反射损耗，从而导致在工作波长范围内的光的透射率更高。所施加的防反射层可以是层系统。
附加地或替代地，该方法可以包括将一个层或多个层施加到玻璃窗上的另外的步骤，该层对于可见光基本上是不透明的并且对于工作波长范围内的光是基本上透明的。特别地，该层可以被施加到玻璃窗的内侧上。该层可以是涂层、层压箔片和/或聚合物区域(例如，聚合物环/聚合物环段)。在视觉上，该层在光谱的近红外区域(NIR)中可以是黑色且透明的。在可见光谱范围内不透明的层可能具有装饰上的优势，因为这样就不能看到光学系统(例如LiDAR系统)内部；并且可能具有技术优势，因为这样可以防止太阳辐射穿透到光学系统中，从而使检测器不会被强光照射并且不会干扰要记录的信号。
尽管仅针对根据本发明的玻璃窗描述了上述特征、效果、优点、实施例和改进中的一些，但是它们相应地也涉及根据本发明的方法以及根据本发明的LiDAR系统，反之亦然。特别地，根据本发明的方法可以包括用于提供关于根据本发明的玻璃窗描述的特性、参数和值的其他步骤。
附图说明
下面，参照附图更详细地说明本发明的实施例。在附图中：
图1是用于解释几何斜率误差的玻璃窗的一部分的示意图。
图2是具有用于信号质量的比较测量的图，其中使用现有技术和本发明的玻璃窗。
图3是在玻璃区域上的光学斜率误差的测量的示例截图。
具体实施例
图1示出了玻璃窗10的示意性截面，该玻璃窗仅用于示出几何斜率误差ΔWT/ΔL。因此，为了获得更好的概览图，图1仅示出了轮廓的在外侧的一侧变化。然而应理解，在本发明的意义上，对于斜率误差而言，壁厚变化是相关的，这是由外轮廓和内轮廓的误差和/或轮廓变化共同导致的。
玻璃窗10向外具有凸曲率。可以看到玻璃窗10的外侧的第一表面12和玻璃窗10的内侧的第二表面14。就沿长度(在此为圆周)而言，玻璃窗10具有壁厚波动或壁厚变化。通过在一定长度范围(ΔL)的长度或此处的圆周部分上的壁厚(WT)的变化，玻璃窗的该部分中与理想曲率目标值之间存在局部斜率偏差。
本发明的发明人已经发现，玻璃窗中的斜率误差，特别是超过一定上限时，对光学系统和仪器中、特别是在LiDAR系统中使用玻璃窗具有相当大的负面影响。通过本发明，提供了一种玻璃窗，其适合于在LiDAR系统中使用，并且特别地使信号波动最小化并将其保持在+/-10％的足够公差范围内。
在图2中示出了在使用根据本发明的实施例的三个玻璃窗和在LiDAR系统中的现有技术玻璃窗的情况下用实验确定的信号波动的比较。在图2的图例中，将现有技术的玻璃窗标识为#0，而在图2的图例中将本发明的三个实施例的玻璃窗标识为#1、#2和#3。在此，以#0标识的现有技术玻璃窗是源自拉制玻璃管的玻璃环。
从图2中可以看出，在使用现有技术的玻璃窗(玻璃环)的情况下，所确定的LiDAR信号围绕平均值在大约+/-30％的范围内波动。这种强烈的波动超出了被认为是合理的大约+/-10％的公差范围，因此现有技术的玻璃窗不适合在LiDAR系统中使用。在图2中，虚线表示被认为是合理的公差范围的极限。
与现有技术的玻璃窗相反，所确定的测量结果表明：在使用根据本发明的实施例的玻璃窗(玻璃环)的情况下，所确定的LiDAR信号在最大+/-10％的范围内波动。因此，当在LiDAR系统中使用根据本发明的玻璃窗时，LiDAR信号在约+/-10％的公差范围内。因此，根据本发明的玻璃窗适用于LiDAR系统，同时克服了聚合物窗的缺点。
所确定的LiDAR信号的波动也可以通过相对于平均值的标准偏差表示，如下表所示：
示例
根据本发明的玻璃窗的实施例的第一示例具有完整的环(360°)的形式，其外径目标值为85mm，壁厚目标值为2.0mm。根据本发明的玻璃窗的另一实施例的第二示例具有完整的环(360°)的形式，其外径目标值为135mm，壁厚目标值为2.0mm。在这两个示例中，玻璃窗均旨在用于工作波长为905nm的激光的LiDAR系统中，并具有以下测量值和参数：
其中OD是真实外径，OD0是外径的目标值，ID是真实内径，ID0是内径的目标值，WT是真实壁厚，n是折射率，以及SEG是几何斜率误差。如上所述，公差是一个参数公差，其中在这种情况下，其他给定参数被认为是理想的。
在该实施例示例中根据本发明的玻璃窗的材料是
玻璃，其大致组分(重量％)为：
| SiO<sub>2</sub> | B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |
| 81 | 13 | 4 | 2 |
RMS粗糙度、几何斜率误差和光学斜率误差已通过对玻璃环在内侧和外侧进行磨削和抛光的后处理进行了调节。
使用Zygo公司的“Zygo Verifire”测量仪器和“MX Software”软件测量了几何斜率误差和光学斜率误差。
在图3中示出了在玻璃区域上的光学斜率误差的测量的示例性截图。对于0.1mm至15mm的长度范围，在该截图中测得的最大光学斜率误差SE0可以在区域16中找到，此处为0.0004。
附图标记列表
10 玻璃窗；
12 第一表面；
14 第二表面；
16 光学斜率误差最大的区域。
Claims (19)
1.一种用于光学系统、特别是用于LiDAR系统的玻璃窗，其中所述玻璃窗具有弯曲形式，并且
其中，对于0.1mm至15mm之间的长度范围，所述玻璃窗的至少50％区域具有满足下式的几何斜率误差SEG：
SEG<-2.3·10-6·2·R0[1/mm]+7.3·10-4，
其中，R0是所述玻璃窗的以mm为单位的曲率半径的目标值。
2.根据权利要求1所述的玻璃窗，其中，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，所述玻璃窗的至少50％区域具有小于0.00050的几何斜率误差。
3.根据权利要求1或2所述的玻璃窗，其中，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，所述玻璃窗的至少50％区域具有满足下式的光学斜率误差SEO：
SEO<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的玻璃窗，其中，对于0.1mm和15mm之间的长度范围，所述玻璃窗的至少50％区域具有小于0.00025的光学斜率误差。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的玻璃窗，其中，对于15mm以上的长度范围，所述玻璃窗的至少50％区域具有满足下式的几何斜率误差SEG：
SEG<-4.8·10-5·2·R0[1/mm]+9.8·10-3；和/或
具有满足下式的光学斜率误差SEO：
SEO<-2.4·10-5·2·R0[1/mm]+4.9·10-3。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的玻璃窗，其中，所述玻璃窗是环或环段。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的玻璃窗，其中，所述曲率半径的目标值在50mm至200mm之间和/或所述玻璃窗的壁厚在1mm至5mm之间和/或轴向长度在20mm和200mm之间和/或中心角在30°和360°之间。
8.根据权利要求1-7中的一项所述的玻璃窗，其中，所述玻璃窗的至少50％区域具有小于10nm、优选小于7.5nm、优选小于5nm的RMS粗糙度。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的玻璃窗，其中，所述玻璃窗对于400nm至700nm之间的波长范围内的可见光具有小于10％的平均透射率，并且对于工作波长在光谱的近红外区域中的光、特别是对于波长为905nm、940nm和/或1550nm的光具有90％或更高的平均透射率；
优选地，其中，用于吸收可见光的所述玻璃窗设有涂层，该涂层优选地对于400nm至700nm之间的波长范围内的可见光具有小于10％的平均透射率，并且对于工作波长在光谱的近红外区域中的光、特别是对于波长为905nm、940nm和/或1550nm的光具有90％或更高的平均透射率。
10.根据权利要求9所述的玻璃窗，其中，用于吸收可见光的所述玻璃窗与箔片连接，所述箔片优选地对于400nm至700nm之间的波长范围内的可见光具有小于10％的平均透射率，并且对于工作波长在光谱的近红外区域中的光、特别是对于波长为905nm、940nm和/或1550nm的光具有90％或更高的平均透射率。
11.根据权利要求9-10中的任一项所述的玻璃窗，其中，所述玻璃窗包括黑玻璃。
12.根据权利要求1-11中的任一项所述的玻璃窗，其中，所述玻璃窗在内侧和/或外侧上设置有防反射层。
13.根据权利要求1-12中的任一项所述的玻璃窗，其中，所述玻璃窗包括硼硅酸盐玻璃或铝硅酸盐玻璃，特别是碱金属铝硅酸盐玻璃、碱土金属铝硅酸盐玻璃或无碱铝硅酸盐玻璃。
14.根据权利要求1-13中的任一项所述的玻璃窗，其中，所述玻璃窗包括化学钢化材料和/或热钢化材料。
15.一种制造用于光学系统的玻璃窗的方法，特别是制造根据权利要求1-14中的任一项所述的玻璃窗的方法，其中所述方法包括以下步骤：
-形成弯曲玻璃区域以用作玻璃窗；
-磨削和/或抛光所述弯曲玻璃区域的至少一部分，以便对于0.1mm至15mm之间的长度范围，在所述弯曲玻璃至少50％区域中调节几何斜率误差SEG满足SEG<-2.3·10-6·2·R0[1/mm]+7.3·10-4，并优选调节光学斜率误差SEO满足SEO<-1.1·10-6·2·R0[1/mm]+3.6·10-4。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在所述磨削和/或抛光的步骤中，对于0.1mm至15mm之间的长度范围，在所述弯曲玻璃至少50％区域中调节几何斜率误差小于0.00050，优选调节光学斜率误差小于0.00025。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，形成所述弯曲玻璃区域的步骤包括：
从玻璃熔体拉伸玻璃管，并优选切割所述玻璃管；或
进行平板玻璃的热成型。
18.根据权利要求15-17中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：将一个或多个防反射层施加到所述弯曲玻璃区域上。
19.根据权利要求15-18中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：在所述弯曲玻璃区域上施加一个或多个层，所述层对于可见光基本上是不透明的并且对于工作波长在光谱的近红外区域中的光基本上是透明的。
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