一种用于车载激光雷达视窗的黑色光学滤波器的制作方法

1.本发明涉及一种黑色光学滤波器，尤其是涉及一种用于车载激光雷达视窗的黑色光学滤波器。


背景技术：

2.车载激光雷达作为智能辅助驾驶技术的核心关键部件之一，主要负责探测和识别物体，及时提供物体定位和构建信息，为智能汽车提供精准视野信息。典型的激光雷达的结构分为四部分：光源部分，扫描器件部分，探测器/接收器部分，数据处理部分。
3.激光雷达的光学窗口属于探测器/接收器光路的一部分，其主要作用是在保护激光雷达部件的同时透过激光雷达光源发出的特定波长的激光，并通过该窗口收集相应的反射光波。该窗口必须具备如下几个基本功能：1、视觉上呈现黑色，用以遮蔽窗口后面的光电器件；2、光学窗口整体表面反射率较低，不会引起明显的反光；3、对激光波段具有较好的透过率，比如针对最常见的905nm激光探测器，窗口在905nm波段的透过率可达95%以上。
4.4、过滤有害光线，提高系统的信噪比，增强激光雷达的探测能力。
5.目前常见的黑色近红外穿透窗口主要采用以下三种方案来实现：第一种：基板为红外穿透材料。该类材料由于可以吸收可见光、透过近红外波段，因此呈黑色，透过率在90%（如近红外波段的905nm）左右，整体反射率约为10%。此类材料可以使用红外高透树脂基材，例如拜耳makrolon pc 2405，但是树脂类基材与光学薄膜结合力较差，无法承受较为苛刻的环境测试实验，且无法镀制可靠性高的ito透明导电薄膜（用于通电除雾），因此该类基材通常采用不镀膜的方式，应用于无加热需求的非车载雷达产品窗口。也可以选择肖特rg850或者国产hwb850类的黑色玻璃，但此类黑色玻璃的成本极高，以国产hwb850牌号的玻璃为例，其成本是同等尺寸的普通光学玻璃的8倍以上，且该类产品多数无法通过rohs标准，因此无法应用于量产型激光雷达窗口。
6.第二种：使用红外穿透油墨。例如上海彩皇的ir透过油墨（型号irx-hf），该类油墨对可见光吸收，可以透过近红外波段，透过率约在80%-90%之间，整体透过率水平偏低。且油墨与光学基板结合后，耐候性无法通过严格的车载耐候性要求（如高温测试），因此红外穿透油墨多用于智能手机、红外照相机等其他耐候性要求不高的产品上。
7.第三种：采用光学镀膜方法制作黑色光学滤波器。黑色光学滤波器具体为一种可以阻挡可见光并在近红外波段（如905nm）具有高透过率特性的滤光片。该黑色光学滤波器在设计上采用了氢化硅与氧化硅及其他薄膜材料，采用磁控溅射技术进行制备，特点是性能稳定可靠，可以大批量生产。目前常规的黑色光学滤光膜普遍采用类似于前截止薄膜结构，在常规氢化硅磁控溅射成膜工艺下，通常的考虑是减少氢化硅的吸收，尤其是减少近红外波段的吸收，以保证905nm波段或者其他激光雷达波段如1550nm有相对较高的透过率，典型的如图5所示，常规氢化硅的消光系数在500nm处为0.5，600nm处为0.2，700nm处为0.043，
这就导致常规氢化硅构成的黑色滤光膜的膜层从500nm开始吸收逐渐变小，透过率逐渐增大。但由于氢化硅材料的低吸收，需要在设计上用增加膜层的厚度和膜层数来取得黑色视觉效果。如想保证可见光400-700nm的平均透过率小于0.1%，且同时保证可见光具有较低的反射率，则在设计上需要用较多的膜层来实现。常规的设计是，使用常规氢化硅设计并制备的黑色滤光膜薄膜设计层数约为40层或以上，厚度在2500nm以上。图4为一个典型的常规黑色滤光膜设计，该设计的膜层数为40，膜层总厚度为2601nm。由此带来的潜在问题是：增加膜层的厚度和膜层数反过来不仅限制了所需的近红外波段的高透过率，还使得黑色光学滤光膜的制作成本增加，应力变大，可靠性降低。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是设计并制备出一种膜层更少、厚度更薄、成本更低的应用于车载激光雷达视窗的黑色光学滤波器。
9.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于车载激光雷达视窗的黑色光学滤波器，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黑色光学滤光膜，所述的黑色光学滤光膜由高折射率层与低折射率层间隔设置组成，所述的高折射率层由氢化硅构成，所述的氢化硅在500nm处的消光系数为0.95~1.62，在600nm处的消光系数为0.57~0.98，在700nm处的消光系数为0.3~0.51。
10.优选地，所述的氢化硅在500nm处的消光系数为1.35，在600nm处的消光系数为0.82，在700nm处的消光系数为0.42。
11.所述的黑色光学滤光膜设置在所述的光学基板的面向外界的外表面。
12.所述的光学基板的面向光电探测器件的内表面设置有增透膜。
13.所述的增透膜与所述的光学基板之间设置有透明导电膜。
14.所述的黑色光学滤光膜与所述的光学基板之间设置有透明导电膜，所述的透明导电膜与所述的黑色光学滤光膜之间设置有匹配层。
15.所述的黑色光学滤光膜的外侧设置有透明导电膜，所述的透明导电膜与所述的黑色光学滤光膜之间设置有匹配层。
16.所述的透明导电膜的外侧设置有透明导电膜专用增透膜。
17.所述的光学基板是平面或曲面。
18.与现有技术相比，本发明的优点在于采用相对于常规的氢化硅在吸收率上稍有提高的氢化硅作为高折射率材料，从而设计和制备出比常规方法膜层数更少和更薄，反射率更低，应力更小，性能更可靠的黑色光学滤光膜，黑色光学滤波膜在400nm-700nm可见光波段的光具有平均0.1%以下的透过率和平均2%以下的整体反射率，黑色光学滤光膜的膜层数最少可减少到14层，厚度降低到800nm，制作成本下降至常规黑色滤光膜的50%；本专利中的新型黑色光学滤光膜覆盖了700nm-850nm波段，使黑色光学滤波器从400nm-1000nm都具有减反射特性；由于膜层厚度大幅减少，本专利中的新型黑色滤光膜的膜层总应力相比常规黑色滤光膜有了大幅下降。随着应力的下降，新型黑色滤光膜的耐候性、膜层附着力等可靠性将会大幅得到提升，光学和机械性能优于常规的黑色光学滤波器。
19.附图说明
20.图1为本发明实施例一的黑色光学滤波器（ito与ar膜同侧）结构示意图；图2为本发明实施例二的黑色光学滤波器（ito与黑膜同侧，黑膜朝外）结构示意图；图3为本发明实施例三的黑色光学滤波器（ito膜与黑膜同侧，ito膜朝外）结构示意图；图4为常规技术的黑色光学滤光膜的膜系结构设计表；图5为常规技术的氢化硅折射率与消光系数的关系曲线示意图；图6为常规技术的黑色滤光膜的透过率曲线示意图；图7为常规技术的黑色滤光膜的反射率曲线示意图；图8为制备氢化硅的典型溅射设备构造示意简图；图9为本发明示例1的氢化硅折射率与消光系数关系曲线示意图；图10为本发明示例1的黑色光学滤光膜的膜系结构设计表（19层结构）；图11 为常规技术的氢化硅与本发明示例1的氢化硅消光系数对比示意图；图12 为本发明示例1的黑色光学滤光膜的透过率曲线示意图；图13 为本发明示例1的黑色光学滤光膜的反射率曲线示意图；图14 为本发明示例2的黑色光学滤光膜的膜系结构设计表（14层结构）；图15 为本发明示例2的黑色光学滤光膜的透过率曲线示意图；图16 为本发明示例2的黑色光学滤光膜的反射率曲线示意图；图17 为本发明示例3的黑色光学滤光膜的膜系结构设计表（22层结构）；图18 为本发明示例3的黑色光学滤光膜的透过率曲线示意图；图19 为本发明示例3的黑色光学滤光膜的反射率曲线示意图。
具体实施方式
21.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
22.实施例一：一种用于车载激光雷达视窗的黑色光学滤波器，如图1所示，包括光学基板1，光学基板1的一个表面上设置有黑色光学滤光膜2，另一表面上设置有透明导电膜3（ito膜），透明导电膜3的表面设置有增透膜4。
23.实施例二：一种用于车载激光雷达视窗的黑色光学滤波器，如图2所示，包括光学基板1，光学基板1的一个表面上设置有增透膜4，另一表面上设置有黑色光学滤光膜2和透明导电膜3，且黑色光学滤光膜2和透明导电膜3之间有匹配层5相连。
24.实施例三：一种用于车载激光雷达视窗的黑色光学滤波器，如图3所示，包括光学基板1，光学基板1的一个表面上设置有增透膜4，另一表面上设置有黑色光学滤光膜2和透明导电膜3及透明导电膜专用增透膜6，其中黑色光学滤光膜2与光学基板1相连，且黑色光学滤光膜2和
透明导电膜3之间有匹配层5相连，透明导电膜专用增透膜6位于最外层。
25.上述实施例中的光学基板1可以是平面或曲面的常规光学玻璃基板。
26.增透膜4为高低折射率堆栈构成的膜堆，高折射率膜料折射率范围为1.9-2.4之间，低折射率膜料折射率范围为1.3-1.5之间，层数为2-16层。
27.透明导电膜3的折射率范围为1.8-2.4之间，层数为1层，厚度为10-500nm。
28.匹配层5为高中低折射率堆栈构成的膜堆，高折射率膜料折射率范围为1.9-2.4之间，中折射率范围为1.6-1.8之间，低折射率膜料折射率范围为1.3-1.5之间，层数为2-20层。
29.透明导电膜专用增透膜6为高低折射率堆栈构成的膜堆，高折射率膜料折射率范围为1.9-2.4之间，低折射率膜料折射率范围为1.3-1.5之间，增透膜层数为2-16层。
30.上述实施例中的黑色光学滤光膜2通常采用高低折射率堆栈构成，其中高折射率材料为氢化硅，低折射率材料为氧化硅。在常规氢化硅磁控溅射成膜工艺下，通常的考虑是减少氢化硅的吸收，尤其是减少近红外波段的吸收，以保证905nm波段或者其他激光雷达波段如1550nm有相对较高的透过率，如图5所示，常规氢化硅的消光系数在500nm处为0.5，600nm处为0.2，700nm处为0.043，这就导致常规氢化硅构成的黑色光学滤光膜的膜层从500nm开始吸收逐渐变小，透过率逐渐增大，若想保证可见光400-700nm的平均透过率小于0.1%，且同时保证可见光具有较低的反射率，则在设计上需要用较多的膜层来实现。常规的设计是，使用常规氢化硅设计并制备的黑色滤光膜薄膜设计层数约为40层或以上，厚度在2500nm以上。常规技术的黑色光学滤光膜的一个典型的膜系结构设计表如图4所示，该膜系结构的膜层数为40，膜层总厚度为2601nm，其透过率曲线见图6，其反射率曲线见图7，从图6可以看出，可见光400-700nm波段平均透过率小于0.1%，905nm波段透过率大于95%。从图7可以看出，可见光波段平均反射率小于2%，905nm波段反射率小于1%，从而实现滤光片在可见光区域不透光，视觉上呈现黑色，同时可以有效透过905nm波段的激光的激光雷达窗口需求。
31.而针对上述实施例的结构，本发明的黑色光学滤光膜2由高折射率的氢化硅层与低折射率的氧化硅层间隔设置组成，氢化硅的消光系数范围如下：500nm处，消光系数典型值为1.35，上限值为1.62，下限值为0.95；600nm处，消光系数典型值为0.82，上限值为0.98，下限为0.57；700nm处，消光系数典型值为0.42，上限值为0.51，下限为0.30。
32.氢化硅（消光系数为典型值方案）的折射率与消光系数关系曲线如图9所示。从图9中可以看出，氢化硅的消光系数发生变化，在500nm时消光系数为1.35，600nm时消光系数为0.81，700nm时消光系数为0.42，相比常规氢化硅的消光系数有了明显提升，常规氢化硅与本发明的氢化硅消光系数对比见图11。
33.下面分三个示例进行说明：示例1：氢化硅的消光系数为典型值，即500nm处消光系数为1.35，600nm处消光系数为0.82，700nm处消光系数为0.42，具体膜系结构设计见图10，薄膜结构采用19层设计结构，薄膜总厚度为947nm。该黑色滤光膜透过率见图12，其反射率曲线见图13；示例2：氢化硅的消光系数介于典型值与上限值之间，即500nm处消光系数大于1.35，小于1.62；600nm处消光系数大于0.82，小于0.98，700nm处消光系数大于0.42，小于
0.51；具体膜系结构设计见图14，薄膜结构采用14层设计结构，薄膜总厚度为800nm。该黑色滤光膜透过率见图15，其反射率曲线见图16；示例3：氢化硅的消光系数介于典型值与下限值之间，即500nm处消光系数小于1.35，大于0.95；600nm处消光系数小于0.82，大于0.57，700nm处消光系数大于0.30，小于0.42；具体膜系结构设计见图17，薄膜结构采用22层设计结构，薄膜总厚度为1243nm。该黑色滤光膜透过率见图18，其反射率曲线见图19；上述示例1、示例2和示例3中，可见光400-700nm波段平均透过率小于0.1%，905nm波段透过率大于95%，可见光波段平均反射率小于1%，905nm波段反射率小于1%，从而实现滤光片在可见光区域不透光，视觉上呈现黑色，且相比常规黑色光学滤光膜，本发明的黑色光学滤光膜在700-850nm的反射率有大幅度降低，将进一步减少因反射引起的杂散光对系统带来影响。
34.用于制备氢化硅的典型磁控溅射设备构造如图8所示，由真空室7、基板8、靶材9、中频溅射靶材电源10、射频源11（感应耦合等离子体系统）等构成。在该系统中，射频源11通过高频电场在真空条件下辉光放电产生高能离子，用于辅助反应镀膜，靶材原子在射频系统辅助下与反应气体结合并在基板上实现薄膜的生长。氢化硅薄膜正是通过在反应气体中导入氢气与其他辅助气体从而与硅靶释放的硅原子反应并结合成特定形态的氢化硅化合物。
35.根据氢化硅的溅射工艺，影响氢化硅沉积后的消光系数的关键参数有硅靶氩气导入流量、射频源11的功率及导入氢气及其他反应气体的流量。氢化硅溅射制备工艺主要围绕靶材功率、靶材气体流量、射频源功率及射频源气体流量来进行调整，因磁控溅射设备体积大小及型号不同会有一定差异，以某大型磁控溅射镀膜设备为例，制备常规氢化硅的关键溅射参数如下：靶材功率：8-10kw;靶材氩气流量：200-300sccm;射频源功率：2.5-3.5kw;射频源氢气流量：20-40sccm;射频源氩气流量：150-250sccm。使用该型溅射设备制备氢化硅时，通过适当降低氢气充入量，并优化其他关键参数，可以达到适当增加可见光区域吸收、控制所需高透过波段吸收的目的。具体工艺参数调整如下：靶材功率：10-12kw;靶材氩气流量：300-400sccm;射频源功率：3.5-4.5kw;射频源氢气流量：5-20sccm; 射频源氩气流量：250-350sccm。
36.在以上示例中，光学膜系结构设计采用的是氢化硅和氧化硅两种折射率材料。实际上也可以在黑色光学滤光膜设计中加入氮化硅，氧化铌等第三﹑甚至第四种材料作为中间折射率材料以提高设计的自由度，但这些都是光学薄膜设计的常规做法，将不在本专利中列举。