CN118011534A - 具有光学性质和机械性质的光学器件 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及具有光学性质和机械性质的光学器件。一种光学器件包括基底和被施加至基底的涂层，其中所述光学器件具有暴露于环境的第一侧和未暴露的第二侧。
Description
本申请是申请日为2019年01月25日，申请号为201910075164.3，发明名称为“具有光学性质和机械性质的光学器件”的申请的分案申请。
发明领域
本公开内容总体上涉及一种光学器件，所述光学器件包括基底和被施加至基底的涂层，其中所述光学器件具有暴露于环境的第一侧和未暴露的第二侧。
发明背景
随着半自主、自主和遥控交通工具的出现，用于光学传感器的光学器件变得越来越重要。例如，对LIDAR(光探测和测距)技术在交通工具中的应用存在增加的兴趣。然而，光学器件用于光学传感器的应用引起了关于传感器是否能够承受可能损坏或不利地影响传感器的功能的机械、光学和环境因素的关注。作为实例，传感器会经历环境因素，例如雨和风，这可能会损坏、刮伤或以其他方式影响传感器的耐用性和可操作性。
发明概述
在一个方面中，公开了一种光学器件，所述光学器件包括基底；和施加至基底的涂层，其中光学器件具有暴露于环境的第一侧和未暴露的第二侧。
各个实施方案的另外的特征和优点将部分地在以下的描述中阐述，并且部分地从描述中将是明显的或者可以通过实践各个实施方案而得知。各个实施方案的目的和其他优点将通过在本文的描述中特别指出的要素和组合来实现和获得。
附图简述
从详细描述和附图中可以更全面地理解在其若干方面和实施方案中的本公开内容，其中：
图1是根据本发明的一个方面的光学器件的横截面；
图2是根据本发明的另一个方面的光学器件的横截面；
图3是根据本发明的另一个方面的光学器件的横截面；
图4是根据本发明的另一个方面的光学器件的横截面；
图5是根据本发明的另一个方面的光学器件的横截面；以及
图6是根据本发明的另一个方面的光学器件的横截面；
在整个本说明书和附图中，相同的附图标记表示相同的要素。
发明详述
应理解，前述的一般性描述和下面的详细描述两者仅是示例性的和解释性的，并且意图提供对本教导的各种实施方案的解释。每个图中所示的层/部件可以关于特定的图被描述，但是应当理解，特定层/部件的描述将适用于其他图中的等效层/部件。
在其广泛和变化的实施方案中，公开了光学器件10，所述光学器件10包括基底20；和至少一个被施加至基底20的涂层30；其中光学器件10具有暴露于环境的第一侧和未暴露的第二侧，如图1所示。“暴露”的第一侧意指面向环境，例如光、空气、灰尘、风等。“未暴露”的第二侧意指不面向环境，并且可以包括应用于另一器件，例如窗口、传感器(例如LIDAR传感器)或透镜(lens)，例如自立式光学透镜，或者作为复杂光学系统的一部分的透镜。
公开的光学器件10可以包括至少一个涂层30，该至少一个涂层30可以保护如上所公开的另一器件免受机械、光学、化学和环境因素。至少一个涂层30可以提供至少一种功能。至少一个涂层30可以包括一个或更多个涂层，以便为光学器件10提供多种功能。另外，至少一个涂层30可以包括在基底20的暴露的第一侧上和/或在基底20的未暴露的第二侧上的一个或更多个涂层30，以便优化光学器件10的每个涂层30的功能。
光学器件10的基底20可以是能够被涂覆的任何材料。基底20的非限制性实例包括塑料、人造蓝宝石、玻璃、人造金刚石、光学陶瓷材料、光学质量聚合物以及具有如光学器件10的功能应用所需的吸收光谱的透光基底，例如硅。光学质量聚合物包括聚碳酸酯、丙烯酸酯和环状烯烃聚合物。可以使用各种类型的玻璃，包括化学增强玻璃。
在一个方面中，如图6所示，光学器件100可以包括多于一个基底110a、110b。包括多于一个基底110a、110b可以改进光学器件100及其应用于其上的传感器的安全性。此外，在光学器件100中包括多于一个基底110a、110b可以提高光学器件100的结构强度和/或柔性。光学器件100可以包括两个或更多个基底110a、110b。两个或更多个基底110a、110b可以是层压体(laminate)，其中两个或更多个基底110a、110b被固定在一起。在一个方面中，粘合剂可以被包括在两个或更多个基底110a、110b之间以形成层压体。层压体基底可以提供更薄的和更强的光学器件100。然而，在选择适合于光学器件100的基底时，单个基底或层压体基底的厚度不是限制因素。
至少一个基底110a、110b可以相同或不同。在一个方面中，第一基底110a可以由硬光学材料制造，所述硬光学材料取决于应用和位置，范围从化学增强玻璃到固有的、非常硬的和抗冲击的材料，例如人造蓝宝石或金刚石。第一基底110a可以包括在第一暴露侧上提供机械和保护功能的涂层30，并且可以包括在第二未暴露的侧上提供光学功能的第二基底和/或涂层30。第二基底110b可以用作光学涂层的载体，其可以为光学器件10提供另外的保护功能。
用于光学器件10、100的基底20、110a、110b可以基于安全性、成本、重量等来选择。基底20、110a、110b的选择是光学器件10、100的形成中的变量。特别地，基底20、110a、110b的选择可以改变光学器件10、100中涂层30的层的顺序。
图2-图5图示出了本文预期的各种光学器件10。这些在本质上是示例性的。应当理解，第一暴露侧和第二未暴露侧上的涂层的顺序可以变化。此外，存在于第一暴露侧和第二未暴露侧上的涂层的类型可以变化。通常，可以提供机械或保护功能的涂层30存在于光学器件的第一暴露侧上，并且可以提供光学功能的涂层存在于光学器件的第二未暴露侧上。下面更全面地描述图2-图5的涂层30。
如图2所示，图示出了光学器件10，所述光学器件10包括在第一暴露侧上的具有防污处理的抗反射涂层30a、基底20，以及在第二未暴露侧上的导电涂层30b和眩光减少涂层30c。
如图3所示，图示出了光学器件10，所述光学器件10包括在第一暴露侧上的具有防污处理的抗反射涂层30a、基底20，以及在第二未暴露侧上的导电涂层30b、眩光减少涂层30c和抗反射涂层30e。
如图4所示，图示出了光学器件10，所述光学器件10包括在第一暴露侧上的具有防污处理的抗反射涂层30a、基底20，以及在第二未暴露侧上的导电涂层30b、带通滤光器30d和眩光减少涂层30c。
如图5所示，图示出了光学器件10，所述光学器件10包括在第一暴露侧上的具有防污处理的抗反射涂层30a、基底20，以及在第二未暴露侧上的导电涂层30b、带通滤光器30d、眩光减少涂层30c和抗反射涂层30e。
光学器件10可以包括被施加至基底20的涂层30，例如抗反射涂层30e。在一个方面中，抗反射涂层30e可以存在于光学器件10的第一侧上。抗反射涂层30也可以被处理以赋予防污30a性质，如图2-图5所示。在另一个方面中，抗反射涂层30e可以存在于光学器件10的第二侧上，如图3和图6所示。光学器件10可以包括在第一侧上具有防污处理的抗反射涂层30a和在第二侧上的抗反射涂层30e(没有防污处理)。
抗反射涂层30e可以是介电叠层(stack)，并且可以减少在与基底20的界面上的光反射。用于形成介电叠层的合适的电介质包括金属氧化物，例如TiO2、Ta2O5、ZrO2和SiO2，它们是光学各向同性的并且可以在可见波长光谱范围(例如，从400nm至700nm)中呈现出高透明度。抗反射涂层30e可以是一叠层，所述叠层包括具有第一折射率例如低折射率的第一多个介电层，例如SiO2或氟化镁(MgF2)，所述第一多个介电层与具有第二折射率例如高折射率的至少第二多个介电层交错。高折射率材料的非限制性实例包括氧化铌、氧化钽、氧化铝、氧化钛、氧化锆及它们的组合。
抗反射涂层30e可以由NbTiOx、SiO2或类似物的层的叠层形成。在一个方面中，抗反射涂层30e可以是约50nm的第一NbTiOx层、约18nm的第一SiO2层、约16nm的第二NbTiOx层、约101nm的第二SiO2层的薄膜介电叠层。
光学器件10可以包括被施加至基底的涂层30，例如保护剂涂层。保护剂涂层可以存在于光学器件的第一侧上。光学器件10可以包括单独的或与抗反射涂层30e组合的保护剂涂层。在一个方面中，保护剂涂层被施加至抗反射涂层30e，抗反射涂层30e被施加至基底20。保护剂涂层和抗反射涂层30e都在光学器件10的第一侧上。
在一个方面中，保护剂涂层可以包括具有官能化硅烷的氟化烷基醚聚合物。这样的化合物的实例具有通式：Rm—Si—Xn(1)，其中R包括氟化烷基醚重复单元，X可以是烷氧基基团、氯或氨基基团，其中m+n等于4。例如，用三甲氧基硅烷基团官能化的聚(全氟丙基醚)和用硅氮烷基团官能化的聚(全氟乙基醚)是两种这样的化合物。
保护剂涂层可以是耐用的，并且可以包括具有简化式的化合物：CF3—[CH(CF3)—CH2—O—]x—CONCH3—(CH2)3—Si—(OC2H5)3(2)，其中x是从7-11的整数。该化合物还可以包括二价连接基团(即—CONCH3—(CH2)3—)。当然，结构和功能类似于式(2)所示的化合物的化合物也可以用于保护剂涂层。特别地，市售化合物N-甲基-N-(-三乙氧基丙基)-2-[α-七氟丙氧基{聚(氧基(三氟甲基)-1,2-乙烷二基)}四氟丙酰胺均可以用于保护剂涂层。
施加保护剂涂层的方法可以包括湿法技术，例如用含有涂层化合物的液体、溶液或凝胶状载体浸渍、流动、擦拭和/或喷涂表面；以及干法技术，例如将涂层化合物蒸汽涂覆到表面上(在环境压力或在真空下)。
光学器件10可以包括被施加至基底20的涂层30，例如导电涂层30b，如图2-图5所示。导电涂层30b可以存在于光学器件10的第二侧上。导电涂层30b可以是用作防污、防水和防尘表面的低表面能处理。该涂层30b可以具有低摩擦系数，例如小于0.08。以这种方式，导电涂层30b可以降低光学器件10被研磨介质损坏的敏感性。
导电涂层30b可以包括氧化铟锡(ITO)、纳米颗粒基透明复合材料和其他常用的光学透明导体。在一个方面中，导电涂层30b在LIDAR传感器的操作波长例如在约850nm至约2000nm之间可以是透明的。
导电涂层30b可以用作加热元件以提高光学器件10的温度，例如从约30℃到80℃。作为加热元件，包括该涂层30b的光学器件10可以用于消除和/或降低以下中的至少一种：具有附接传感器的窗口起雾的风险、湿气冷凝的风险；以及增加光学器件10的第一暴露侧的防污性。
此外，该导电涂层30b可以通过提高排斥水和污染物的效率来提高基底的第一侧上的外部抗反射涂层30的疏水性和疏油性。
导电涂层30b可能在机械上不足够耐用以产生坚固的表面。由于该原因，导电涂层30b应该被施加至第二侧，即光学器件面向传感器的一侧。
光学器件10可以包括被施加至基底20的涂层30，例如眩光减少涂层30c。眩光减少涂层30c可以存在于光学器件10的第二未暴露侧上，如图2-图5所示。眩光减少涂层30c和导电涂层30b都可以存在于光学器件10的第二未暴露侧上。在一个方面中，眩光减少涂层30c可以施加至导电涂层30b，导电涂层30b被施加至基底20。
眩光减少涂层30c的实例可以是包括与四分之一波光学延迟器组合的线性偏振器的圆形偏振器的多层结构。波延迟器是改变(延迟)穿过它们行进的光的偏振状态或相位的双折射材料。波延迟器具有快轴(非常轴)和慢轴(普通轴)。当偏振光穿过波延迟器时，穿过快轴的光穿过波延迟器比穿过慢轴更快地行进。在四分之一波延迟器的情况下，波片延迟偏振分量(x或y)中的一个与另一个偏振分量的相位相差四分之一的波的速度。穿过四分之一波延迟器的偏振光因此变成圆偏振的。眩光减少涂层30c可以减少和/或消除在受光学器件10保护的传感器的操作波长的眩光。眩光减少涂层30c还可以允许分析信号光束的偏振状态。
光学器件10可以包括被施加至基底20的涂层30，例如带通滤波器30d。带通滤波器30d可以存在于光学器件10的第二未暴露侧上，如图4-图5所示。带通滤波器30d可以被施加至眩光减少涂层30c，眩光减少涂层30c可以被施加至导电涂层30b，导电涂层30b被施加至基底20。在一个方面中，带通滤波器30d、眩光减少涂层30c和导电涂层30b都可以存在于光学器件10的第二未暴露侧上。在一个方面中，眩光减少涂层30c可以施加至导电涂层30b，导电涂层30b被施加至基底20。
带通滤波器30d可以通过介电低折射材料和高折射材料的完整叠层来实现。每个层可以在期望的滤波器的波长下沉积为四分之一波(QW)厚度。每个部分反射器，其可以仅包含单个层，被称为四分之一波叠层(QWS)。滤波器的带宽是结构中四分之一波叠层的反射率的函数。通带的中心波长由间隔介电材料的厚度确定。用于四分之一波层和/或半波层的介电材料具有在1.3至超过4.0的范围内的折射率。例如，一些合适的材料是：氟化镁(1.38)、氟化钍(1.47)、冰晶石(1.35)、二氧化硅(1.46)、氧化铝(1.63)、氧化铪(1.85)、五氧化二钽(2.05)、氧化铌(2.19)、硫化锌(2.27)、氧化钛(2.37)、硅(3.5)、锗(4.0)和碲化铅(5.0)。也可以提供其他介电材料。此外，全介电带通滤波器30d还可以结合抗反射性质。
在一个方面中，带通滤波器30d可以是包含染料的适当混合物的聚合物涂层，以产生所需的吸光度或介电结构和聚合物结构的组合。
带通滤波器30d可以允许传感器操作的光的波长通过，并且可以消除所有其他波长。例如，带通滤波器30d可以阻挡可见光和近红外光谱范围内的波长，例如从约400nm至约850nm，并且可以透射超过850nm的波长。以这种方式，带通滤波器30d可以减少和/或消除不希望的辐射到达被附接至光学器件10的传感器。
光学器件10可以附接至另一器件以形成光学系统。其他器件可以是窗口、传感器(例如LIDAR传感器)或透镜，例如自立式光学透镜。光学器件10可以使用常规的沉积工艺被附接至其他器件。
还公开了制造光学器件10的方法。光学器件10可以使用半导体工艺形成。
还公开了制造光学系统的方法。光学器件10可以通过常规的沉积工艺被附接至另一器件以形成光学系统。
在一些实施方案中，其中所述眩光减少涂层存在于所述光学器件的第二侧上。在一些实施方案中，其中所述保护剂涂层被施加至抗反射涂层，所述抗反射涂层被施加至基底。在一些实施方案中，其中所述保护剂涂层和抗反射涂层都在所述光学器件的第一侧上。在一些实施方案中，其中所述保护剂涂层存在于所述光学器件的第一侧上。在一些实施方案中，其中所述眩光减少涂层和导电涂层都在所述光学器件的第二侧上。在一些实施方案中，其中所述带通滤波器被施加至眩光减少涂层，所述眩光减少涂层被施加至导电涂层，所述导电涂层被施加至基底。在一些实施方案中，其中光学涂层包括AR涂层、保护剂涂层、带通滤波器涂层及其组合。
在一些实施方案中，其中所述带通滤波器、所述眩光减少涂层和所述导电涂层都在所述光学器件的第二侧上。
在一些实施方案中，其中所述涂层是存在于所述基底的第一侧上的光学涂层。
从前面的描述中，本领域技术人员可以理解，本教导可以以多种形式实现。因此，虽然已经结合其特定的实施方案和实施例描述了这些教导，但是本教导的真实范围不应该被如此限制。可以做出各种变化和修改，而不脱离本文教导的范围。
本范围公开内容将被广泛地解释。意图本公开内容公开实现本文公开的器件、活动和机械动作的等效物、装置(means)、系统和方法。对于所公开的每个器件、物品、方法、装置、机械元件或机构，意图本公开内容也涵盖在其公开内容中，并且教导了用于实践本文公开的许多方面、机构和器件的等效物、装置、系统和方法。此外，本公开内容涉及涂层及其许多方面、特征和要素。这样的器件在其使用和操作中可以是动态的，本公开内容意图涵盖使用该器件和/或制造物品的等效物、装置、系统和方法，及其与本文公开的操作和功能的描述和精神一致的许多方面。本申请的权利要求同样被广泛地解释。
本文中在其许多实施方案中对本发明的描述在本质上仅仅是示例性的，并且因此不偏离本发明的主旨的变型意图在本发明的范围内。这样的变型不应被视为背离本发明的精神和范围。
本申请还涉及以下内容：
1)一种光学器件，包括：
基底；和
涂层，所述涂层被施加至所述基底，
其中所述光学器件具有暴露于环境的第一侧和未暴露的第二侧。
2)如1)所述的光学器件，其中所述基底包括塑料、人造蓝宝石、玻璃和人造金刚石。
3)如1)所述的光学器件，其中，所述光学器件包括两个或更多个基底。
4)如3)所述的光学器件，其中，所述两个或更多个基底是层压体。
5)如1)所述的光学器件，其中所述涂层是抗反射涂层。
6)如5)所述的光学器件，其中所述抗反射涂层存在于所述光学器件的所述第一侧上。
7)如1)所述的光学器件，其中，所述涂层是保护剂涂层。
8)如1)所述的光学器件，其中所述涂层是存在于所述光学器件的所述第二侧上的导电涂层。
9)如1)所述的光学器件，其中所述涂层是眩光减少涂层并且被施加至导电涂层，所述导电涂层被施加至所述基底。
10)如1)所述的光学器件，其中所述涂层是存在于所述光学器件的所述第二侧上的带通滤波器。
Claims (16)
1.一种光学器件，包括：
基底，所述基底具有第一侧和第二侧；
抗反射涂层，所述抗反射涂层被施加至所述基底的所述第一侧；
导电涂层，所述导电涂层被施加至所述基底的所述第二侧；
眩光减少涂层，所述眩光减少涂层被施加至所述导电涂层；和
带通滤波器，所述带通滤波器被施加在所述炫光减少涂层和所述导电涂层之间，所述带通滤波器能够完全阻挡从400nm至850nm的波长；
其中所述光学器件具有暴露于环境的第一侧和未暴露的第二侧。
2.如权利要求1所述的光学器件，其中所述基底包括塑料、人造蓝宝石、玻璃、光学陶瓷材料、光学质量聚合物、硅、或人造金刚石。
3.如权利要求1所述的光学器件，其中，所述光学器件包括两个或更多个基底。
4.如权利要求3所述的光学器件，其中，所述两个或更多个基底是层压体。
5.如权利要求1所述的光学器件，其中所述带通滤波器被施加至所述眩光减少涂层。
6.如权利要求1所述的光学器件，其中所述抗反射涂层包括防污性。
7.如权利要求1所述的光学器件，其中第二抗反射涂层被施加至所述炫光减少涂层。
8.如权利要求1所述的光学器件，其中所述抗反射涂层是包括与具有第二折射率的至少第二多个介电层交错的具有第一折射率的第一多个介电层的叠层。
9.如权利要求1所述的光学器件，其中所述介电叠层是第一NbTiOx层、第一SiO2层、第二NbTiOx层和第二SiO2层。
10.如权利要求1所述的光学器件，其中所述导电涂层包括氧化铟锡、纳米基透明复合材料或光学透明导体。
11.如权利要求1所述的光学器件，其中所述导电涂层在850nm至2000nm之间的光的波长是透明的。
12.如权利要求1所述的光学器件，其中所述眩光减少涂层是包括与四分之一波光学延迟器组合的线性偏振器的多层圆形偏振器。
13.一种应用于光探测和测距(LIDAR)传感器的光学器件，所述光学器件包括：
基底，所述基底具有第一侧和第二侧，所述第一侧被定位为面向环境，所述第二侧被定位为面向所述光探测和测距传感器；和
第一涂层，所述第一涂层被施加至所述基底的所述第一侧，所述第一涂层选自抗反射涂层和保护剂涂层，
其中所述光学器件具有暴露于所述环境的第一侧和面向所述光探测和测距传感器的第二侧。
14.如权利要求13所述的光学器件，其还包括导电涂层，所述导电涂层存在于所述光学器件的所述第二侧上。
15.如权利要求14所述的光学器件，其还包括眩光减少涂层，所述眩光减少涂层存在于所述光学器件的所述第二侧上。
16.如权利要求15所述的光学器件，其还包括带通滤波器、抗反射涂层或二者，所述带通滤波器、抗反射涂层或二者存在于所述光学器件的所述第二侧上。
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