TWI785189B - 具有光學性質和機械性質的光學裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種光學裝置，其包括基質及施用至基質的塗層，其中光學裝置具有暴露至環境的第一側及未暴露至環境的第二側。

Description

具有光學性質和機械性質的光學裝置
本發明大致關於一種光學裝置，其包括基質及施用至基質的塗層，其中光學裝置具有暴露至環境的第一側及未暴露至環境的第二側。
用於光學感測器的光學裝置隨著半自動、全自動及遙控汽車的問世而日趨重要。舉例來說，吾人對於LIDAR(光達，Light detection and ranging)技術在汽車中的應用有提升的興趣。然而，使用光學裝置於光學感測器中引起了關於如下的疑慮：感測器是否能禁得起可能破壞或不利地影響感測器功能的機械、光學及環境因素。舉例來說，感測器會經受例如雨和風等環境因素，其可能破壞、刮傷或者影響感測器的耐受性及可操作性。
在一態樣中，揭示基質及施用至基質的塗層，其中光學裝置具有暴露至環境的第一側及未暴露至環境的第二側。
各種具體實例之額外特徵及優點將在以下描述中部分闡述，且將部分自該描述顯而易見，或可藉由對各種具體實例的實踐習得。藉助於本文中之描述中特別指出之元件及組合將實現並達成各種具體實例之目標及其他優點。
10:光學裝置
20:基質
30:塗層
30a:具有防汙處理的抗反射塗層
30b:導電塗層
30c:減眩光塗層
30d:帶通濾波器
30e:抗反射塗層
100:光學裝置
110a:第一基質
110b:第二基質
在本發明之若干態樣及具體實例中的本發明之揭示內容可自實施方式及附圖更充分地理解，其中：圖1係根據本發明一態樣的光學裝置的截面圖；圖2係根據本發明另一態樣的光學裝置的截面圖；圖3係根據本發明另一態樣的光學裝置的截面圖；圖4係根據本發明另一態樣的光學裝置的截面圖；圖5係根據本發明另一態樣的光學裝置的截面圖；及圖6係根據本發明另一態樣的光學裝置的截面圖；貫穿本說明書及圖式，相似元件符號識別相似元件。
應理解，前述一般描述及以下詳細描述兩者皆僅為例示性及解釋性的，且意欲提供對本發明教示之各種具體實例的解釋。各圖式中展示之層/組件可關於特定圖式描述，但應理解，特定層/組件之描述將適用於其他圖式中之等效層/組件。
在其廣泛及變化之具體實例中，如圖1所示，揭示一種光學裝置10，其包括基質20；及施用至基質20的至少一塗層30，其中光學裝置10具有暴露至環境的第一側及未暴露至環境的第二側。「暴露」的第一側意指面向例如光、空氣、灰塵、風等環境。「未暴露」的第二側意指不面向環境且可包括應用至其他裝置，例如窗、感測器(例如，LIDAR感測器)或透鏡，例如，自立光學透鏡或是做為複合光學系統的部分之透鏡。
揭示的光學裝置10可包括至少一塗層30，如上所揭示，其可保 護其他裝置抵抗機械、光學、化學及環境因素。至少一塗層30可提供至少一種功能。至少一塗層30可包括一或多個塗層以向光學裝置10提供多種功能。據此，至少一塗層30在基質20暴露的第一側及/或未暴露的第二側上可包括一或多個塗層30以優化光學裝置10的各塗層30之功能。
光學裝置10的基質20可為任何能被施用的材料。基質20之非限制性實例包括塑膠、合成藍寶石、玻璃、合成鑽石、光學陶瓷材料、光學品質聚合物、及具有依光學裝置10的功能性應用所要求的吸收光譜之透光基質，諸如矽。光學品質聚合物包括聚碳酸酯、丙烯酸酯聚合物及環狀烯烴聚合物。可使用各種類型的玻璃，包括化學強化玻璃。
在一態樣中，如圖6所示，光學裝置100可包括超過一個基質110a、110b。包括超過一個基質110a、110b可提升光學裝置100的安全性及其所施用的感測器。此外，在光學裝置100中包括超過一個基質110a、110b可提升光學裝置100的結構強度及/或彈性。光學裝置100可包括二個或更多個基質110a、110b。該二個或更多個基質110a、110b可為積層板，其中二個或更多個基質110a、110b固定在一起。在一態樣中，在二個或更多個基質110a、110b間可包括黏附劑以形成積層板。積層板基質可提供更薄且更強的光學裝置100。然而，單一基質或積層板基質的厚度在選擇適合光學裝置100的基質時並非限制性因素。
至少一個基質110a、110b可為相同或不同的。在一態樣中，第一基質110a可從硬光學材料製造，視應用及位置而定，可取材自化學強化玻璃至固有地極硬且抗衝擊材料，諸如合成藍寶石或鑽石。第一基質110a可包括塗層30，其在第一暴露側上提供機械及保護功能，且可包括第二基質及/或塗層30，其在第二未暴露側上提供光學功能。第二基質110b可用作光學塗層的載體，其中光學塗層可提供光學裝置10額外的保護功能。
用於光學裝置10的基質20、110a、110b可依據安全性、成本、重量等而選擇。基質20、110a、110b的選擇在光學裝置10、100的形成中為變數。特別地，基質20、110a、110b的選擇可改變光學裝置10、100中塗層30的層順序。
圖2-5闡釋各種本文所討論的光學裝置10。其本質上僅僅為例示性的。應理解在第一暴露側及第二未暴露側的塗層之順序可改變。此外，存在於第一暴露側及第二未暴露側的塗層之類型可改變。一般來說，可提供機械及保護功能的塗層30係存在於光學裝置的第一暴露側上，且可提供光學功能的塗層30係存在於光學裝置的第二未暴露側上。圖2-5的塗層30更完整描述於下。
如圖2所示，闡釋光學裝置10，其在第一暴露側上包括具有防汙處理的抗反射塗層30a、基質20，且在第二未暴露側上包括導電塗層30b及減眩光塗層30c。
如圖3所示，闡釋光學裝置10，其在第一暴露側上包括具有防汙處理的抗反射塗層30a、基質20，且在第二未暴露側上包括導電塗層30b、減眩光塗層30c及抗反射塗層30e。
如圖4所示，闡釋光學裝置10，其在第一暴露側上包括具有防汙處理的抗反射塗層30a、基質20，且在第二未暴露側上包括導電塗層30b、帶通濾波器30d及減眩光塗層30c。
如圖5所示，闡釋光學裝置10，其在第一暴露側上包括具有防汙處理的抗反射塗層30a、基質20，且在第二未暴露側上包括導電塗層30b、帶通濾波器30d、減眩光塗層30c及抗反射塗層30e。
光學裝置10可包括施用至基質20的塗層30，諸如抗反射塗層30e。在一態樣中，抗反射塗層30e可存在於光學裝置10的第一側上。抗反射塗層30亦可被處理以賦予防汙性質30a，如圖2-5所示。在另一態樣中，抗反射塗 層30e可存在於光學裝置10的第二側上，如圖3及6所示。光學裝置10可在第一側上包括具有防汙處理的抗反射塗層30a及在第二側上包括抗反射塗層30e(不具防汙處理)。
抗反射塗層30e可為介電堆疊且可降低與基質20的界面上的光反射。適合用來形成介電堆疊的介電質包括金屬氧化物諸如TiO2、Ta2O5、ZrO2及SiO2，其等係光學等向性的且可在可見光波長光譜範圍(例如，自400nm至700nm)展現高透明度。抗反射塗層30e可為堆疊，其包括具有第一折射率(諸如低折射率)的第一複數個介電層，例如SiO2或氟化鎂(MgF2)，其與具有第二折射率(諸如高折射率)的第二複數個介電層交錯。高折射率材料的非限制實例包括氧化鈮、氧化鉭、氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯及其組合。
抗反射塗層30e可形成為NbTiOx、SiO2或類似物的層的堆疊。在一態樣中，抗反射塗層30e可為如下的薄膜介電堆疊：第一層為約50nm的NbTiOx，第一層為約18nm的SiO2，第二層為約16nm的NbTiOx，第二層為約101nm的SiO2。
光學裝置10可包括施用至基質的塗層30，諸如保護塗層。在一態樣中，保護塗層可存在於光學裝置的第一側上。光學裝置10可單獨包括保護塗層或組合抗反射塗層30e。在一態樣中，保護塗層施用至抗反射塗層30e，而抗反射塗層30e施用至基質20。保護塗層及抗反射塗層30e均在光學裝置10的第一側上。
在一態樣中，保護塗層可包括具有官能化矽烷的氟化烷基醚聚合物。此化合物的一個實例具有下列通式：Rm-Si-Xn (1)，其中R包括氟化烷基醚重複單元，X可為烷氧基團、氯化物或胺基，其中m+n等於4。例如，以三甲氧基矽烷官能化的聚(全氟丙基醚)及以矽氮烷基官能化的聚(全氟乙基醚)為兩個此類化合物。
保護塗層可為耐久的且可包括具有下列簡式的化合物：CF3-[CH(CF3)-CH2-O-]x-CONCH3-(CH2)3-Si-(OC2H5)3 (2)，其中x為7-11的整數。此化合物亦可包括二價鍵聯基團(亦即，-CONCH3-(CH2)3-)。當然，與式(2)所示結構上及功能上類似的化合物亦可用於保護塗層。特別地，N-甲基-N-(三乙氧基丙基)-2-[α-庚氟基丙氧基]{聚(氧基(三氟甲基)-1,2-乙烷二基)}四氟丙醯胺及商業可得化合物皆可用於保護塗層中。
施用保護塗層的方法可包括溼式技術諸如浸漬(dipping)、流動(flowing)、擦拭(wiping)，及/或以包含塗層化合物的液體、溶液或類膠狀載體噴灑表面；以及乾式技術諸如將塗層化合物蒸氣塗布至表面上(在環境壓力或真空中)。
光學裝置10可包括施用至基質20的塗層30，諸如導電塗層30b，如圖2-5所示。導電塗層30b可存在於光學裝置10的第二側上。導電塗層30b可為用作撥汙、撥水及撥塵表面的低表面能量處理。塗層30b可具有低摩擦係數，諸如小於0.08。如此，導電塗層30b可降低光學裝置10受磨料介質破壞的敏感度。
導電塗層30b可包括銦錫氧化物(ITO)、基於奈米粒子的透明複合物及其他常用光學透明導體。在一態樣中，導電塗層30b在LIDAR感測器的操作波長下(諸如介於約850nm至約2000nm)可為透明的。
導電塗層30b可用作加熱元件以增加光學裝置10的溫度，諸如從約30℃至80℃。作為加熱元件，包括此塗層30b的光學裝置10可用於排除及/或降低下列至少一者：具有附加感測器的窗戶霧化的風險、水氣凝結的風險，及增加光學裝置10第一暴露側的撥汙性。
此外，導電塗層30b可藉由增加撥水及撥汙的效率來增加基質第一側上的外部抗反射塗層30的疏水性及疏油性。
導電塗層30b可能不夠機械耐久以製造堅固表面。基於此，導電塗層30b應施用至第二側，亦即，光學裝置面對感測器的一側。
光學裝置10可包括施用至基質20的塗層30，諸如減眩光塗層30c。減眩光塗層30c可存在於光學裝置10未暴露的第二側上，如圖2-5所示。減眩光塗層30c及導電塗層30b皆可存在於光學裝置10未暴露的第二側上。在一態樣中，減眩光塗層30c可施用至導電塗層30b，該導電塗層30b施用至基質20。
減眩光塗層30c的實例可為環型偏光鏡的多層結構，包括結合四分之一波光學延遲器的線型偏光鏡。波延遲器為雙折射材料，其改變(延遲)途經的光的偏振狀態或相。波延遲器具有快軸(異常)及慢軸(尋常)。當偏振光通過波延遲器時，通過快軸的光會比通過慢軸更快速通過波延遲器。在四分之一波延遲器的例子中，波片延遲偏振組分(x或y)之一的速度離其他偏振組分的相達波的四分之一。通過四分之一波延遲器的偏振光因此變得圓偏振。減眩光塗層30c可降低及/或排除由光學裝置10保護的感測器的操作波長處的眩光。減眩光塗層30c亦可允許分析單光束的偏振狀態。
光學裝置10可包括施用至基質20的塗層30，諸如帶通濾波器30d。帶通濾波器30d可存在於光學裝置10未暴露的第二側上，如圖4-5所示。帶通濾波器30d可施用至減眩光塗層30c，減眩光塗層30c可施用至導電塗層30b，該導電塗層30b施用至基質20。在一態樣中，帶通濾波器30d、減眩光塗層30c及導電塗層30b皆可存在於光學裝置10未暴露的第二側上。在一態樣中，減眩光塗層30c可施用至導電塗層30b，該導電塗層30b施用至基質20。
帶通濾波器30d可藉由介電低及高折射材料的全堆疊實現。每一層都可在所欲濾波器的波長處沉積為四分之一波(QW)厚度。每一部分反射器(其可僅由單一層構成)都稱為四分之一波堆疊(QWS)。濾波器的帶寬係結構內四分之一波堆疊的反射率的函數。通帶的中心波長係藉由間隔介電材料的厚度 來決定。用於四分之一及/或二分之一波層的介電材料具有在1.3範圍至超過4.0的折射率。舉例來說，某些適合的材料為：氟化鎂(1.38)、氟化釷(1.47)、冰晶石(1.35)、二氧化矽(1.46)、氧化鋁(1.63)、氧化鉿(1.85)、五氧化二鉭(2.05)、氧化鈮(2.19)、硫化鋅(2.27)、氧化鈦(2.37)、矽(3.5)、鍺(4.0)及碲化鉛(5.0)。其他介電材料亦可使用。除此之外，全介電帶通濾波器30d亦可結合抗反射性質。
在一態樣中，帶通濾波器30d可為包含合適染料混合物的聚合塗層以創造所需吸收度或為介電及聚合結構的組合。
帶通濾波器30d可使光在感測器作用的波長通過且可排除其他所有波長。舉例來說，帶通濾波器30d可阻擋可見光及近紅外線光譜範圍的波長，諸如從約400至約850nm，且可傳送850nm以上的波長。以此方式，帶通濾波器30d可降低及/或排除非所欲輻射到達附加至光學裝置10的感測器。
光學裝置10可附加至其他裝置以形成光學系統。其他裝置可為窗、感測器(例如，LIDAR感測器)或透鏡，例如，自立光學透鏡或是透鏡。光學裝置10可利用習知沉積製程附加至其他裝置。
本發明亦揭示製造光學裝置10的方法。光學裝置10可利用半導體製程形成。
本發明亦揭示製造光學系統的方法。光學裝置10可藉由習知沉積製程附加至其他裝置以形成光學系統。
自前述描述，所屬技術領域中具有通常知識者可瞭解，本發明教示可以多種形式實施。因此，雖然此等教示已結合特定具體實例及其實施例來描述，但本發明教示之實際範圍不應限於此。可在不背離本文中之教示之範圍的情況下進行各種改變及修改。
將廣泛地解釋此範圍揭示內容。意欲本發明揭示用以達成本文中所揭示之裝置、活動及機械動作的等效物、構件、系統及方法。對於所揭示 之各裝置、物品、方法、構件、機械元件或機制，本發明亦意欲在其揭示內容及教示中涵蓋用於實踐本文中所揭示之諸多態樣、機制及裝置的等效物、構件、系統及方法。另外，本發明係關於塗層及其諸多態樣、特徵及元件。此類裝置在其使用及操作中可為動態的，本發明意欲涵蓋裝置使用及/或製品的等效物、構件、系統及方法以及其諸多態樣，該等態樣與本文中所揭示之操作及功能之描述及精神一致。同樣，應廣泛地解譯本申請案之申請專利範圍。
本文中本發明在其諸多具體實例中之描述本質上僅僅為例示性的，且因此，不背離本發明之要旨的變化意欲在本發明之範圍內。此類變化不應視為背離本發明之精神及範圍。
10:光學裝置
20:基質
30:塗層

Claims (12)

  1. 一種光學裝置，其包含：基質；及施用至該基質的第一側上的抗反射塗層，其中該抗反射塗層為金屬氧化物交替層的介電堆疊；施用至該抗反射塗層的保護劑塗層，且包括具有官能化矽烷的氟化烷基醚聚合物；施用至該基質的第二側上的導電塗層；及施用至該導電塗層的減眩光塗層；其中該第一側暴露至環境且該第二側未暴露至環境。
  2. 如請求項1之光學裝置，其中該基質包括塑膠、合成藍寶石、玻璃、光學陶瓷材料、光學品質聚合物、矽或合成鑽石。
  3. 如請求項1之光學裝置，其中該光學裝置包括二個或更多個基質。
  4. 如請求項3之光學裝置，其中該等二個或更多個基質為積層板。
  5. 如請求項1之光學裝置，其另外包含帶通濾波器。
  6. 如請求項5之光學裝置，其中該帶通濾波器係施用至該減眩光塗層。
  7. 如請求項1之光學裝置，其在該基質的該第一側上另外包含帶通濾波器塗層。
  8. 如請求項1之光學裝置，其中該導電塗層撥汙、撥水及撥塵。
  9. 如請求項1之光學裝置，其中該導電塗層具有小於0.08的摩擦係數。
  10. 如請求項1之光學裝置，其中該導電塗層包括銦錫氧化物、基 於奈米粒子的透明複合物或光學透明導體。
  11. 如請求項1之光學裝置，其中該導電塗層為加熱元件。
  12. 如請求項1之光學裝置，其中該減眩光塗層包括結合四分之一波光學延遲器的線型偏光鏡。
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