KR20230097572A - 차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법. - Google Patents

차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법. Download PDF

Info

Publication number
KR20230097572A
KR20230097572A KR1020210187213A KR20210187213A KR20230097572A KR 20230097572 A KR20230097572 A KR 20230097572A KR 1020210187213 A KR1020210187213 A KR 1020210187213A KR 20210187213 A KR20210187213 A KR 20210187213A KR 20230097572 A KR20230097572 A KR 20230097572A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lens
manufacturing
mold
high refractive
refractive index
Prior art date
Application number
KR1020210187213A
Other languages
English (en)
Inventor
김양식
김미선
Original Assignee
(주)에이지광학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)에이지광학 filed Critical (주)에이지광학
Priority to KR1020210187213A priority Critical patent/KR20230097572A/ko
Publication of KR20230097572A publication Critical patent/KR20230097572A/ko

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B11/00Pressing molten glass or performed glass reheated to equivalent low viscosity without blowing
    • C03B11/06Construction of plunger or mould
    • C03B11/08Construction of plunger or mould for making solid articles, e.g. lenses
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B11/00Pressing molten glass or performed glass reheated to equivalent low viscosity without blowing
    • C03B11/06Construction of plunger or mould
    • C03B11/08Construction of plunger or mould for making solid articles, e.g. lenses
    • C03B11/084Construction of plunger or mould for making solid articles, e.g. lenses material composition or material properties of press dies therefor
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B11/00Pressing molten glass or performed glass reheated to equivalent low viscosity without blowing
    • C03B11/06Construction of plunger or mould
    • C03B11/08Construction of plunger or mould for making solid articles, e.g. lenses
    • C03B11/084Construction of plunger or mould for making solid articles, e.g. lenses material composition or material properties of press dies therefor
    • C03B11/086Construction of plunger or mould for making solid articles, e.g. lenses material composition or material properties of press dies therefor of coated dies
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B40/00Preventing adhesion between glass and glass or between glass and the means used to shape it, hold it or support it
    • C03B40/02Preventing adhesion between glass and glass or between glass and the means used to shape it, hold it or support it by lubrication; Use of materials as release or lubricating compositions
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2215/00Press-moulding glass
    • C03B2215/40Product characteristics
    • C03B2215/46Lenses, e.g. bi-convex

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Surface Treatment Of Glass (AREA)

Abstract

본 발명은 차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법에 관한 것으로서, 굴절율(nd)이 1.8 내지 2.1이며, 유리전이온도(Tg)가 450 내지 550℃인 유리 재료를 용융하여 금형에 주입하는 단계, 상기 유리 재료를 렌즈 형상으로 성형하여 성형된 렌즈를 제조하는 단계, 상기 성형된 렌즈를 경화하여 경화된 렌즈를 제조하는 단계, 상기 경화된 렌즈를 탈형하고 취출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법.{MANUFACTURING METHOD OF HIGH REFRACTIVE LENS FOR VEHECLE LIDAR}
본 발명은 고굴절율 렌즈의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 차량용 라이다(LiDAR)의 송수광부에 장착할 수 있는 고굴절율 렌즈의 제조방법에 관한 것이다.
차량용 라이다(light detection and ranging, LiDAR)는 자율 주행 모드로 운행하는 차량에 필수적인 부품으로서 펄스 레이저광을 대기 중에 발사해 그 반사체 또는 산란체를 이용하여 거리 또는 대기현상 등을 측정하는 레이저 레이더이다.
상기 차량용 라이다에 적용되기 위한 광학계는 대한민국 등록특허 10-2096676호에서와 같이 2차원 광학계를 적용할 수 있으며, 대한민국 등록특허 10-2100051호에서와 같은 3차원 광학계를 적용할 수도 있다. 이러한 광학계는 송광부와 수광부를 포함하는데, 상기 송광부에는 콜리메이터 렌즈가 적용되며 수광부에는 비구면렌즈와 구면렌즈를 포함하는 광학계가 적용되는데 상기 광학계에 사용되는 렌즈는 고굴절율의 광학적 특성을 나타내어야 한다. 이는 미약하게 수신되는 광신호를 증폭시키기 위한 것으로서, 이를 위하여 고해상, 저왜곡, 고효율의 렌즈가 적용되어야 한다.
또한, 기존의 라이다는 850~905㎚ 파장의 근적외선(NIR) 광원을 사용하였으나, 안전도 문제와 장거리 발진시 노이즈 발생의 문제를 해결하기 위하여 최근에는 1350~1550㎚의 단파장(SWIR)을 사용하고 있다. 이 경우 단파장 영역에서의 유리의 투과율이 저하되기 때문에 1.9~2.1 정도의 고굴절율을 가지는 소재를 활용하여 렌즈를 제조할 필요가 있다. 이러한 렌즈의 고굴절율 구현을 위해서는 렌즈의 형상, 코팅기술 등이 적용되어야 하나 이에 앞서 렌즈 자체의 고굴절율을 달성해야 할 필요가 있다.
대한민국 등록특허 10-2096676호 대한민국 등록특허 10-2100051호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 고굴절율의 유리 소재를 이용하여 라이다의 송수광부에 적용할 수 있는 고굴절율 렌즈를 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법은 굴절율(nd)이 1.8 내지 2.1이며, 유리전이온도(Tg)가 450 내지 550℃인 유리 재료를 용융하여 금형에 주입하는 단계, 상기 유리 재료를 렌즈 형상으로 성형하여 성형된 렌즈를 제조하는 단계, 상기 성형된 렌즈를 경화하여 경화된 렌즈를 제조하는 단계, 상기 경화된 렌즈를 탈형하고 취출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 금형은 금형 코어의 형상 정밀도가 0.8㎛ 이하이며, 금형 표면 거칠기가 10㎚ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 금형은 금형 코어의 표면에 실리콘(Si)이 도핑된 사면체 비정질 카본(tetrahedral amorphous carbon, ta-C) 코팅층으로 이루어진 이형막을 형성될 수 있다.
또한, 상기 금형은 탄화텅스텐(WC), 탄화규소(SiC), 유리상 탄소(glassy carbon) 중 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법을 적용하면 고굴절율의 렌즈를 제조할 수 있으므로 라이다의 송수광부에 적용하여 광학적 특성을 나타낼 수 있는 고굴절율 렌즈를 제공할 수 있다.
도 1은 차량용 라이다에 적용되는 송수광부의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 렌즈를 제조하기 위한 금형 코어의 가공방법을 도시한 개념도이다.
도 3은 금형 코어의 표면에 형성되는 이형막의 구조를 도시한 개념도이다.
도 4는 ta-C 코팅층에 대한 라만 스펙트럼 분석 결과이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법은 유리 재료를 용융하여 금형에 주입하는 단계, 상기 유리 재료를 렌즈 형상으로 성형하여 성형된 렌즈를 제조하는 단계, 상기 성형된 렌즈를 경화하여 경화된 렌즈를 제조하는 단계, 상기 경화된 렌즈를 탈형하고 취출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
차량용 라이다는 도 1에서와 같이 송수광부로 이루어진 광학계를 포함하여 이루어진다. 이때, 상기 수광부에는 실외 환경의 노이즈에 대응할 수 있는 안전도(eye safety) 1급의 기준에 부합하는 수광부 렌즈(콜리메이터 렌즈)가 필요하다. 또한, 상기 수광부의 렌즈는 미약한 광신호 수신을 최대화하기 위한 고해상, 저왜곡, 고효율의 렌즈이어야 하며 산란되는 레이저 광의 신호를 수신살 수 있도록 광시야각의 렌즈를 적용해야 한다.
이러한 광학 특성을 달성하기 위하여 상기 제조공정에서 유리 재료를 최적화하고 렌즈 및 이를 제조하기 위한 금형의 설계를 최적화할 필요가 있다.
상기 금형은, 특히, 비구면 렌즈를 제조하기 위한 것으로서 유리 재료의 성형성과 렌즈 구조의 가공성을 고려하여 GMP(Glass Molding Press) 방법을 적용할 수 있는 금형 코어를 제조해야 한다.
GMP 방법으로 금형 코어를 제조하는 경우 도 2에서와 같이 다이아몬드 휠의 회전에 의해 정삭 가공을 하여 비구면 렌즈용 금형을 제조할 수 있다. 상기 렌즈 성형 부위에 대한 정삭 가공은 렌즈가 직접 성형되는 금형과 유리 재료의 접촉면에 대한 정밀 가공으로 열팽창 및 수축률을 고려하여 가공해야 하며 정삭이 완료된 후 금형의 형상 정밀도(P-V) 및 금형 표면 거칠기(Ra)를 측정한 후 금형 코어를 완성하게 된다.
상기 금형 형상 정밀도는 비접촉 측정기 또는 접촉시 측정장비에 금형 코어를 장착하고 측정기의 팁(tip)을 이동하며 측정함으로써 구할 수 있다. 또한, 상기 금형 표면 거칠기는 비접촉 측정기 또는 접촉시 측정장비에 금형 코어를 장착하고 측정기의 팁을 이동하며 측정할 수 있다.
상기 GMP 방법으로 정삭 가공하여 제조되는 금형은 형상 정밀도가 0.8㎛ 이하이며, 금형 표면 거칠기가 10㎚ 이하인 것이어야 제조된 렌즈의 목적하는 고굴절율을 달성할 수 있다. 또한, 상기 금형 코어의 초정밀 가공과 금형의 성능을 확보하기 위하여 탄화텅스텐(WC), 탄화규소(SiC), 유리상 탄소(glassy carbon) 중 어느 하나의 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 탄화텅스텐 재질의 몰드에 대한 성형성을 평가한 결과 이형 반응성이 양호하고 내부결함이 관찰되지 않아 우수한 물성을 가지는 것으로 나타났다.
또한, 상기 금형 코어에 코팅 처리함으로써 이형막을 형성하는데, 이를 통해 유리 재료가 금형에 융착되거나 쿠모리 현상 등의 불량이 발생하지 않는 것으로 나타났다.
상기 이형막으로는 실리콘(Si)이 도핑된 사면체 비정질 카본(tetrahedral amorphous carbon, ta-C) 코팅층을 적용하는 것이 바람직하다. 상기 코팅층은 자장여과아크(FCVA:filtered cathodic vacuum arc) 방식의 진공아크증착법을 적용하여 형성할 수 있는데, 특히, 도 3에서와 같이 금형 코어의 표면으로부터 ta-C 코팅층의 Si 도핑 농도를 달리함으로써 코팅의 경도 및 이형성을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다. Si의 도핑 농도가 높은 경우 표면 마찰력이 낮아지며 도핑 농도가 높아질수록 표면 마찰력이 높이지는데, 도핑 농도를 달리하여 다층 구조로 코팅층을 형성하면 이형성과 표면 보호의 효과를 동시에 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.
일 실시예에서 Si 도핑 농도를 5 내지 20at%로 달리하며 평균 1.5㎛ 두께의 ta-C 코팅층을 형성하였다. 구체적으로 금형 코어 표면에 0.5㎛ 두께의 ta-C 코팅층을 형성하고 20at%의 Si를 도핑하였고, 그 위에 다시 0.5㎛ 두께의 ta-C 코팅층을 형성하고 12at%의 Si를 도핑하였으며, 그 위에 다시 0.5㎛ 두께의 ta-C 코팅층을 형성하고 7at%의 Si를 도핑하여 Si 도핑된 ta-C 코팅층을 형성하였다. 상기 ta-C 코팅층에 대해 고온 ball-on-disk 시험을 하며 라만 스펙트럼을 측정하였다. 그 결과 도 4에서와 같이 시험 전의 상태(붉은 선, 점선은 peak deconvolution 결과임)에 비교하여 시험 후 라만 shift가 발생하였는데(검은 선, 가는 선은 peak deconvolution 결과임) shift의 정도로부터 표면 스트레스에 대한 내구성이 우수한 것을 알 수 있다. 이러한 실험 결과, ta-C 코팅층을 이형층으로 부가함으로써 금형 코어의 고온 내구성 및 고온 성형성이 향상될 수 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 고굴절율 렌즈의 비구면 광학 설계를 하기 위하여, 비선형 커브 근사법(nonlinear curve fitting)의 수치해석을 활용한 결상광학계 설계 프로그램인 CODE V를 이용하여 설계할 수 있다.
또한, 상기 유리 재료로는 통상의 유리 재질 렌즈의 제조에 사용되는 유리 재료를 사용할 수도 있으나, 본 발명에서와 같이 초정밀 가공에 적합하며 접합한 고굴절율의 소재를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 소재는 렌즈 성형 공정을 고려하여 굴절율(nd)이 1.8 내지 2.1이며, 유리전이온도(Tg)가 450 내지 550℃인 것이 바람직하다. 이러한 유리 재료의 예로는 Sumita사의 광학 유리 재료인 K-VC89, K-VC91, K-PSFn-202 등을 들 수 있다.
유리 재료에 따른 렌즈의 광학 특성을 확인하기 위하여 탄화텅스텐 재질의 금형을 제조하되 형상 정밀도가 0.8㎛이며, 금형 표면 거칠기가 10㎚인 금형을 제조하고, K-VC89(실시예 1) 및 K-PSFn-202(실시예 2), K-BOC30(nd=2.00680, Tg=733℃)(비교예 1), K-PSFn214P(nd=2.14400, Tg=427℃)(비교예 2)를 유리 재료로 하여 비구면 렌즈를 제조하였다. 동일한 렌즈 성형방법으로 제조된 렌즈의 유리 재질에 따른 광학적 특성을 비교한 결과는 표 1과 같다.
표 1에서 렌즈 형상 정밀도는 비접촉 측정기 또는 접촉시 측정장비에 렌즈를 장착하고 측정기의 팁을 이동하며 측정하였으며, 렌즈 표면 거칠기는 비접촉 측정기 또는 접촉시 측정장비에 렌즈를 장착하고 측정기의 팁을 이동하며 측정하였다. 또한, 반사율 변화는 평판 샘플과 30°의 경사를 갖는 샘플에 무반사 코팅을 한 다음 반사율 차이를 측정하였으며, 고온 고습 시험은 렌즈의 중심 파장의 투과율을 측정하기 전후를 비교하여 1000시간 동안 렌즈를 노출시켜 시험하였다.
항목 실시예1 실시예2 비교예1 비교예2
렌즈형상정밀도(㎛) 0.95 0.92 1.05 1.08
렌즈표면거칠기(㎚) 9.85 9.84 10.02 10.01
반사율변화(%) 0.45 0.48 0.48 0.51
고온고습시험(℃/%) 85/85 85/85 85/85 85/85
굴절율 1.62 1.63 1.55 1.46
표 1의 결과를 살펴보면, 실시예 1 및 2의 유리 재료를 사용하는 경우 렌즈 형상 정밀도와 표면 거칠기가 우수한 렌즈를 제조할 수 있으나, 비교예 1 및 2의 경우 실시예에 비해 정밀도가 낮고 표면 거칠기가 큰 렌즈를 제조하는 것으로 나타나 초정밀 가공 조건에 부합하지 않는 것으로 나타났다.
이러한 유리 재료의 선정에 의한 차이는 다른 공정 조건의 영향도 있을 수 있으나 적어도 동일한 렌즈 제조 조건에서 실시예 1 및 2의 유리 재료가 가장 적합한 고굴절율 렌즈를 제조할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.

Claims (3)

  1. 굴절율(nd)이 1.8 내지 2.1이며, 유리전이온도(Tg)가 450 내지 550℃인 유리 재료를 용융하여 금형에 주입하는 단계;
    상기 유리 재료를 렌즈 형상으로 성형하여 성형된 렌즈를 제조하는 단계;
    상기 성형된 렌즈를 경화하여 경화된 렌즈를 제조하는 단계;
    상기 경화된 렌즈를 탈형하고 취출하여 렌즈를 제조하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 금형은 금형 코어의 형상 정밀도가 0.8㎛ 이하이며, 금형 표면 거칠기가 10㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금형 코어의 표면에 실리콘(Si)이 도핑된 사면체 비정질 카본(tetrahedral amorphous carbon, ta-C) 코팅층으로 이루어진 이형막을 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 금형은 탄화텅스텐(WC), 탄화규소(SiC), 유리상 탄소(glassy carbon) 중 어느 하나의 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법.
KR1020210187213A 2021-12-24 2021-12-24 차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법. KR20230097572A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210187213A KR20230097572A (ko) 2021-12-24 2021-12-24 차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법.

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210187213A KR20230097572A (ko) 2021-12-24 2021-12-24 차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230097572A true KR20230097572A (ko) 2023-07-03

Family

ID=87157538

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210187213A KR20230097572A (ko) 2021-12-24 2021-12-24 차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법.

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230097572A (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102096676B1 (ko) 2014-12-24 2020-04-02 전자부품연구원 차량용 2차원 라이더 스캐너 및 제어장치
KR102100051B1 (ko) 2017-10-27 2020-04-10 바이두 유에스에이 엘엘씨 색 선별 거울을 이용하는 자율 주행 차량용 3d lidar 시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102096676B1 (ko) 2014-12-24 2020-04-02 전자부품연구원 차량용 2차원 라이더 스캐너 및 제어장치
KR102100051B1 (ko) 2017-10-27 2020-04-10 바이두 유에스에이 엘엘씨 색 선별 거울을 이용하는 자율 주행 차량용 3d lidar 시스템

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4657354A (en) Composite optical element
CN108468029B (zh) 用于碳化硅光学镜面改性与面形提升的磁控溅射扫描方法
US20210025984A1 (en) Glass windows for lidar applications
JP4811032B2 (ja) 反射型レプリカ光学素子
JP2020177256A (ja) 光学部品
US20050238067A1 (en) Simple fiber optic cavity
US20170050890A1 (en) Advanced Mirrors Utilizing Polymer-Derived-Ceramic Mirror Substrates
KR20230097572A (ko) 차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법.
KR20220079100A (ko) 차량용 라이다에 적용하기 위한 고굴절율 렌즈의 제조방법.
US20050104238A1 (en) Method of manufacturing an optical device by means of a replication method
JP4214694B2 (ja) 斜面付円柱レンズ
KR101529955B1 (ko) 칼코게나이드 기반의 광학계 모듈
EP0535388A1 (en) A blank member and a glass optical element and processes for manufacturing them
WO2011105186A1 (ja) 光学素子の製造方法及び光学素子成形金型
JP2009001483A (ja) 斜面付円柱ガラスレンズの製造方法
CN110671400B (zh) 激光跟踪仪靶球装配工装及靶球装配方法
KR102709949B1 (ko) 비등온 성형 공정을 이용한 양면 비구면 렌즈의 제조방법.
Guimond et al. A new moldable infrared glass for thermal imaging and low cost sensing
RU196896U1 (ru) Мастер-матрица для копирования оптических поверхностей
RU2731456C1 (ru) Мастер-матрица для копирования оптических поверхностей
Taylor et al. Recent advances in high-performance window fabrication
Hwang et al. Fabrication and evaluation of chalcogenide glass molding lens for car night-vision system
KR20160050103A (ko) 비구면 렌즈의 성형금형
KR102673979B1 (ko) 칼코게나이드 유리 재료로 이루어진 렌즈의 제조방법.
Howden et al. Refracting replica aspheric optics

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application