CN113296078A - 一种激光雷达的前置式加热光学窗口 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达的前置式加热光学窗口，包括光学基板，光学基板的两个表面的至少一个表面上设置有透明导电膜，光学基板的侧面设置有框架，光学基板固定在框架上，框架上设置有与透明导电膜对应的电极，电极与透明导电膜贴接，光学基板与框架之间设置有将框架内部与外界隔离的密封装置，优点在于通过在光学窗口周边增加一个框架，对加热电路及引出方式重新设计，大大简化了从透明导电膜两端到加热与控制系统之间的电路连接，使得激光雷达光学窗口朝向激光雷达装置的外侧加热成为可能，从而解决了现有技术中存在的加热效率低、除冰速度慢及内部热量辐射大这两个最大的问题。

Description

一种激光雷达的前置式加热光学窗口

技术领域

本发明涉及一种激光雷达的光学窗口，尤其是涉及一种激光雷达的前置式加热光学窗口。

背景技术

固态激光雷达指用半导体“微动”器件（如MEMS扫描镜）来代替宏观机械式扫描器，在微观尺度上实现雷达发射端的激光扫描方式。MEMS扫描镜是一种硅基半导体元器件，属于固态电子元件，内部集成了“可动”的微型镜面，兼具“固态”和“运动”两种属性，对于激光雷达来说，MEMS最大的价值在于：原本为了机械式激光雷达实现扫描，必须使激光发射器转动。而MEMS微机电系统可以直接在硅基芯片上集成体积十分精巧的微振镜，由可以旋转的微振镜来反射激光器的光线，从而实现扫描。

由于固态激光雷达体积的大幅缩小，可以嵌入安装在车顶与前挡风玻璃之间，为了保证车体外观的一致性和整体美观程度，激光雷达的光学窗口通常需要做成黑色，但必须保证激光波段的高透过性。

另一方面，激光雷达在使用过程中不可避免的会受到外界环境的影响，比如寒冷天气、潮湿天气等，在这样低温高湿的环境下，激光雷达的光学窗口表面容易结冰、结霜或起雾，使激光雷达光学窗口透过率大幅下降，散射及干扰信号增加，激光雷达的系统信噪比降低，导致探测距离缩短，严重时甚至引起系统失效。因此该光学窗口必须具备加热功能，以实现快速化冰或除雾的功能。

目前的技术上已经广泛采用透明导电薄膜技术对基板进行加热，即将透明导电薄膜按照设定图形均匀镀在光学窗口的表面，通过在透明导电薄膜两端的电极上施加适当电压，利用电流流过透明导电薄膜的焦耳效应产生的热能对玻璃基板进行电加热，达到化冰、除霜、除雾等功能。

应用于激光雷达的传统加热窗口，其加热面的透明导电薄膜的两端上必须有电极，通常该电极的制备方法是：首先采用真空蒸发镀膜工艺或丝印及烧结工艺将导电材料涂布在透明导电膜2两端（见图1），形成两条汇流线9，其次在汇流线的两端制作导流电极10，最后通过焊接或热压等方法将导流电极10与外部引线连接，该引线将最终连接到加热与控制系统11，实现加热控制。由于其结构的复杂性，在使用的过程中需要避免诸如电极脱落，电路短路等问题。受其结构限制，为了防止暴露在恶劣的自然环境中造成受雨水侵蚀，加热窗口的透明导电膜面只能朝向激光雷达装置的内侧，被保护在一个密闭空间内。

但当透明导电膜面朝向激光雷达装置的内侧加热时，存在如下缺陷：

1、首先是加热除冰效率问题。光学窗口通常由光学玻璃或光学塑料为基底材料，这类材料的热传导系数很低，如光学玻璃的热传导系数为1W/(m·K)左右，光学塑料的热传导系数为0.2W/(m·K)，（作为参考，黄铜的热传导系数是120W/m·K）。透明导电膜通过隔热良好的光学窗口对其另一表面进行加热除冰，从加热效率和除冰速度上来讲，不是一个好的设计方案。

2、其次，激光雷达是安装在汽车上的一个十分紧凑的光电装置，大量精密光电元器件被安装在激光雷达的一个狭小密闭空间内。所包含的光电元器件包括：激光光源、光源驱动电路、高灵敏度光电探测器、探测器驱动与放大电路、光学镜头、光学微振镜列阵（MEMS）等，这些光电元器件的性能对温度变化较为敏感。当传统方案的加热面朝内时，在化冰除霜过程中将使大量热量通过辐射往激光雷达内部传递，会导致内部光电元器件的温度变化，进而影响激光雷达的探测性能。当然，通过增加有源控温器件可以进行控温或温度补偿，但系统的复杂性将随之增加，导致成本和体积增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本相对较低且环境适应能力强的激光雷达的前置式加热光学窗口。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种激光雷达的前置式加热光学窗口，包括光学基板，所述的光学基板的两个表面的至少一个表面上设置有透明导电膜，所述的光学基板的侧面设置有框架，所述的光学基板固定在所述的框架上，所述的框架上设置有与所述的透明导电膜对应的电极，所述的电极与所述的透明导电膜贴接，所述的光学基板与所述的框架之间设置有将所述的框架内部与外界隔离的密封装置。

所述的框架设置有前边框，所述的透明导电膜设置在所述的光学基板的外表面上，所述的电极设置在所述的前边框的内侧，所述的密封装置是设置在所述的前边框与所述的光学基板的外表面之间的密封胶。

所述的透明导电膜上设置有保护膜，所述的保护膜的面积小于所述的透明导电膜的面积，所述的电极与未被覆盖的所述的透明导电膜贴接。

所述的保护膜是减反膜。

所述的光学基板的内表面上设置有黑膜。

所述的黑膜在905nm±30nm或1550nm±30nm的雷达工作波段具有增透作用，在可见光区域有低的反射率。

所述的框架上设置有温度传感器。

所述的光学基板的表面是曲面或圆弧面。

所述的电极与所述的透明导电膜通过导电胶贴接。

所述的框架设置有后边框，所述的后边框与所述的光学基板的内表面之间设置有密封胶。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过在光学窗口周边增加一个框架，对加热电路及引出方式重新设计，大大简化了从透明导电膜两端到加热与控制系统之间的电路连接，使得激光雷达光学窗口朝向激光雷达装置的外侧加热成为可能，从而解决了现有技术中存在的加热效率低、除冰速度慢及内部热量辐射大这两个最大的问题。

对一个用本发明制作的同一个玻璃窗口进行从窗口外侧加热和从窗口内侧加热试验，在零下20度的环境和同样施加10瓦功率的情况下，从窗口内侧加热化冰时间为59秒，而从窗口外侧加热化冰时间为38秒。由此可见，利用本发明制作的窗口，加热化冰速度可提高36%。对同一加热窗口的透明导电膜面和另一面进行升温测量，在10瓦加热功率下，窗口不同面的升温速度如图13所示。由于物体的辐射能量约和物体温度的4次方成正比，从窗口温度上升曲线可以大致计算出，当激光雷达光学窗口朝向激光雷达装置的内侧加热和激光雷达光学窗口朝向激光雷达装置的外侧加热时窗口通过辐射往激光雷达内部传递热量的比例，如图14所示。可以看到，在加热进行到135秒时，光学窗口加热面朝向激光雷达装置内部时辐射的热量约为光学窗口加热面朝向激光雷达装置外部时辐射的热量的4倍。

此外，本发明还具有如下优点：

通过用导电胶或导电胶带（如铜导电胶带）结合框架将外部连接线与透明导电膜直接连接的方式，将汇流线、导流电极和引出线集为一体，省去了传统方案中制作汇流线、导流电极、再通过焊接与引出线连接等一系列复杂工序，既节约了成本，又减少了因焊接等引起的可靠性问题。

相比传统方案，取决于本发明的具体实施细节，用本专利方案制作的窗口成本下降约40%～50%。

此外，本发明的加热窗口为独立式结构，如果采用对称式边框设计，既可以正向安装（加热面朝外），也可以反向安装（加热面朝内），具有很强的灵活性。这在某些特殊场合，如对加热速度要求不高，或对系统有辅助加热要求时，也可以进行反向安装。

在光学基板内侧设置黑膜，用于对雷达波段（905nm±30nm或1550nm±30nm）透过的同时，通过对可见光吸收实现视觉效果呈现黑色。

附图说明

图1为现有技术的加热窗口的结构示意图；

图2为本发明实施例加热光学窗口的结构示意图；

图3为本发明实施例加热光学窗口的平面结构示意图（无框架）；

图4为图3的右视图；

图5为本发明实施例框架的平面结构示意图；

图6是图5的右视图；

图7为本发明实施例针对905nm的透明导电膜+保护膜的反射率曲线；

图8为本发明实施例针对1550nm的透明导电膜+保护膜的反射率曲线；

图9为本发明实施例针对905nm的黑膜透过率曲线；

图10为本发明实施例针对1550nm的黑膜透过率曲线；

图11为本发明实施例针对905nm的黑膜反射率曲线；

图12为本发明实施例针对1550nm的黑膜反射率曲线；

图13为本发明实施例加热升温速率对比曲线图；

图14为本发明实施例加热面在内侧和加热面在外侧时对内热辐射对比曲线图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图2~图6所示，一种激光雷达的前置式加热光学窗口，包括光学基板1，光学基板的外表面上设置有透明导电膜2，透明导电膜2上设置有具有保护作用的保护膜3，保护膜3的面积小于透明导电膜2的面积，保护膜3并未完全覆盖透明导电膜2，在保护膜3左右两侧留有裸露的透明导电膜2，光学基板1的内表面上设置有黑膜4，黑膜4在905nm±30nm或1550nm±30nm的工作波段具有增透作用，在可见光区域具有低的反射率，保证从车外向光学基板1观察时，无明显的反射视觉效果。光学基板1的侧面设置有框架5，框架5上设置有温度传感器14，光学基板1固定在框架5上，框架5设置有前边框51，前边框51的内侧设置有铜电极7，铜电极7通过导电胶6与透明导电膜2贴接，光学基板1与前边框51之间填充有密封胶8对框架内的部件进行保护，如绝缘、防水等。

上述实施例中，也可以在光学基板1的两个表面均设置透明导电膜2，也可以在框架5上设置后边框，在后边框与光学基板1的内表面之间设置密封胶8。

保护膜3可以为增强型保护膜，具体为一种基于ITO膜层的保护型减反膜，在保护ITO膜层的同时，与ITO膜层共同构成一个减反膜层组。当然，不仅局限于保护型减反膜，可以仅仅是一种减反膜，或仅仅是一种保护膜，也可以是一种减反膜和一种保护膜的组合。

具体到框架5，如图5和图6所示，该框架5集成了铜电极7与温度传感器14，通过引线13，汇集到引线接口12，并在框架5正反两侧均安置了插槽接口，使得该加热窗口在正接与反接的条件均可以实现可控的加热。

上述实施例的透明导电膜制作方法如下：

在如图4所示的光学基板1外侧（光学基板面向汽车正前方侧）表面镀制透明导电膜2（ITO膜），在透明导电膜2表面进行保护膜3薄膜制作，该保护膜3具体为一种基于底层为ITO的保护性减反膜，在保护透明导电膜2的同时，起到降低表面反射（可见光+雷达波段905nm或1550nm）的作用。ITO膜+保护性膜的综合光学特性如图7和图8所示。图7为针对905nm波段设计的透明导电膜+保护膜的反射率曲线，图8为针对1550nm波段设计的透明导电膜+保护膜的反射率曲线。

如图2和图3所示，保护膜3并未完全覆盖透明导电膜2，在保护膜3左右两侧留有裸露的透明导电膜2，该部分未被保护的透明导电膜2，在导电胶（或导电胶带）6的连接下，与铜电极7连接，形成欧姆接触，实现了将汇流线和导流电极集为一体。同时使用密封胶8填充至框架5与光学基板1之间，对框架5内的部件进行保护，如绝缘、防水等。

上述实施例的黑膜4是通过磁控溅射方法制作，具体为在如图4所示的光学基板1的内表面上用磁控溅射方法交替镀制Si:H和SiO2膜层，形成黑膜4。黑膜4的作用是对可见光进行吸收并减反，使其具有黑色的视觉效果，同时对激光雷达工作波段进行增透（激光雷达工作波段为905nm±30nm或1550nm±30nm），其光学特性如图9、图10、图11和图12所示，图9为针对905nm波段设计的黑膜透过率曲线，图10为针对1550nm波段设计的黑膜透过率曲线，图11为针对905nm波段设计的黑膜反射率曲线，图12为针对1550nm波段设计的黑膜透反射率曲线。

本实例中施加在电极上的电压控制到12V-36V，承受的功率密度可达50W/平方厘米，在实际装机应用中，控温装置会对窗口表面温度进行探测，并适时控制窗口上的温度，从而达到在保证激光雷达安全的前提下，对激光雷达窗口表面的霜、雾、冰进行去除的功效。

以上光学基板的材料可以是光学玻璃，也可以是光学塑料。实例中光学基板的形状为长方形，但也可以是圆形或其它形状。相应的，框架也将是与其相匹配的形状。

进一步地，光学基板的表面除了是实例中的平面外，也可以是一定形状的曲面或圆弧面。相应的，框架也将是与其相匹配的形状。

实际上，当光学基板的表面形状是曲面或圆弧面时，本发明与传统方案相比，在制作汇流线、导流电极上更具有优势。因为传统方案普遍是用丝印的方法来制作汇流线和导流电极的，但丝印的方法只适合于平面基板，在曲面形状的基板上进行丝印，用常规的丝印技术目前无法做到。但对本发明来讲，对于曲面形状的基板，只要将框架和引出电极做成与基板曲面相同的轮廓，即可方便地完成汇流线/导流电极与导电薄膜的欧姆接触。

Claims (10)

1.一种激光雷达的前置式加热光学窗口，包括光学基板，所述的光学基板的两个表面的至少一个表面上设置有透明导电膜，其特征在于，所述的光学基板的侧面设置有框架，所述的光学基板固定在所述的框架上，所述的框架上设置有与所述的透明导电膜对应的电极，所述的电极与所述的透明导电膜贴接，所述的光学基板与所述的框架之间设置有将所述的框架内部与外界隔离的密封装置。

2.如权利要求1所述的一种激光雷达的前置式加热光学窗口，其特征在于所述的框架设置有前边框，所述的透明导电膜设置在所述的光学基板的外表面上，所述的电极设置在所述的前边框的内侧，所述的密封装置是设置在所述的前边框与所述的光学基板的外表面之间的密封胶。

3.如权利要求2所述的一种激光雷达的前置式加热光学窗口，其特征在于所述的透明导电膜上设置有保护膜，所述的保护膜的面积小于所述的透明导电膜的面积，所述的电极与未被覆盖的所述的透明导电膜贴接。

4.如权利要求3所述的一种激光雷达的前置式加热光学窗口，其特征在于所述的保护膜是减反膜。

5.如权利要求2所述的一种激光雷达的前置式加热光学窗口，其特征在于所述的光学基板的内表面上设置有黑膜。

6.如权利要求5述的一种激光雷达的前置式加热光学窗口，其特征在于所述的黑膜在905nm±30nm或1550nm±30nm的雷达工作波段具有增透作用，在可见光区域有低的反射率。

7.如权利要求1所述的一种激光雷达的前置式加热光学窗口，其特征在于所述的框架上设置有温度传感器。

8.如权利要求1所述的一种激光雷达的前置式加热光学窗口，其特征在于所述的光学基板的表面是曲面或圆弧面。

9.如权利要求1所述的一种激光雷达的前置式加热光学窗口，其特征在于所述的电极与所述的透明导电膜通过导电胶贴接。

10.如权利要求2或5所述的一种激光雷达的前置式加热光学窗口，其特征在于所述的框架设置有后边框，所述的后边框与所述的光学基板的内表面之间设置有密封胶。

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