从光学部件中选择性地去除污染物的方法与流程

本发明涉及一种从由钽酸锂形成的光学部件中选择性地去除污染物的方法。

诸如镜子、透镜以及谐振器等光学部件可以用于光检测和测距(lidar)应用，它们使用脉冲激光形式的光来测量距离。更具体地，lidar技术允许远程感测和测量，因此可以结合到各种装置中，包括飞机、农用设置、土方车辆以及自主和半自主汽车。因而，对具有改进分辨率的lidar装置和光学部件的需求持续增长。

技术实现要素：

一种从由钽酸锂形成的光学部件中选择性地去除污染物的方法包括用洗涤溶液洗涤所述光学部件。所述洗涤溶液包含硬质阴离子，而所述污染物包含硬质阳离子。所述方法还包括形成包含所述硬质阴离子和所述硬质阳离子的化合物，以及从所述钽酸锂中冲洗所述化合物，由此选择性地从所述光学部件中去除所述污染物。

一方面，洗涤可以包括使所述污染物与所述洗涤溶液在0开尔文至493开尔文的温度下接触5分钟至48小时。

所述方法还可以包括使所述污染物与氧化剂接触。所述洗涤溶液可以是酸性的并且可以具有0.01mol/l至5mol/l的酸浓度。所述方法还可包括将气体喷射通过所述洗涤溶液。

另一方面，所述污染物可以是铌酸锂，并且所述洗涤溶液可以包括选自由氢氟酸、盐酸、乙酸、硝酸、硫酸、磷酸以及它们的组合组成的群组中的酸。

在又一方面，所述洗涤溶液可以包括氢氟酸，并且所述方法还可以包括将所述洗涤溶液和氟化铵混合。

在另一方面，所述方法可以包括使所述污染物与氧化剂接触，并且所述洗涤溶液可以是碱性的并且可以具有0.01mol/l至10mol/l的酸浓度。所述污染物可以是铌酸锂，并且所述洗涤溶液可以包括选自由氨、草酸盐，以及它们的组合组成的群组中的碱。

另一方面，所述洗涤溶液可以选自由肼、醇、醚、胺，以及它们的组合组成的群组。

所述方法还可以包括在洗涤之前，将掩模附接到所述光学部件以覆盖所述钽酸锂的边缘表面并且暴露所述污染物的至少一部分。所述洗涤溶液可以包括盐酸，并且所述方法还可以包括溶解所述污染物而不溶解所述钽酸锂。所述方法还可以包括在洗涤之前确定所述污染物在多个温度下的溶解速率。

在附加方面，所述光学部件可以被布置为细长片，并且所述污染物可以成形为平坦表面。所述方法还可以包括从邻近并面向所述平坦表面设置的至少一个喷洒器部件排出所述洗涤溶液，并且在排出之后，通过再循环泵将所述污染物收集在与所述至少一个喷洒器部件连接的浸出贮存器中。

另一方面，所述光学部件可以被布置为多个芯片，并且所述方法还可以包括将所述多个芯片浸没在由间歇式反应器限定的腔体内的所述洗涤溶液中，并且将流体喷射通过所述腔体内的所述洗涤溶液。在浸没之后，所述方法可以包括将所述污染物悬浮在所述洗涤溶液中并且使所述钽酸锂远离所述腔体内的所述污染物沉淀。

在另一个实施例中，从由钽酸锂形成的光学部件中选择性地去除污染物的方法包括保持所述钽酸锂的厚度并且将所述污染物与所述钽酸锂物理分离，由此选择性地从所述光学部件中去除所述污染物。

一方面，所述光学部件可以被布置为细长片，并且所述污染物可以成形为平坦表面。物理分离可以包括在所述污染物处单原子离子束溅射和气体簇离子束溅射惰性靶材料中的至少一者。

另一方面，物理分离可以包括将所述光学部件暴露于真空并且对来自所述钽酸锂的所述污染物进行等离子体清洁。

在又一方面，物理分离可以包括熔化所述污染物而不熔化所述钽酸锂。

另一方面，物理分离可以包括将附聚的悬浮液沉积到所述污染物上并且用抛光布从所述钽酸锂中抛光所述污染物。此外，保持可以包括不干扰所述钽酸锂。

在附加方面，物理分离可以包括激光烧蚀污染物以蒸发所述钽酸锂中的所述污染物并且保持可以包括不干扰所述钽酸锂。

附图说明

图1是从由钽酸锂形成的光学部件中选择性地去除污染物的方法的流程图。

图2是图1的方法的附加方面的流程图。

图3是图1和2的方法的其他方面的流程图。

图4是图1至3的方法的附加方面的流程图。

图5是设置在光学部件上的掩模的横截面侧视图和图1的方法的一部分的示意图。

图6是图1的方法的另一部分的侧视图的示意图。

图7是图6的部分的另一个实施例的侧视图的示意图。

图8是从由钽酸锂形成的光学部件中选择性地去除污染物的方法的另一个实施例的示意流程图。

图9是图8的方法的一部分的第一实施例的横截面侧视图的示意图。

图10是图8的方法的一部分的第二实施例的横截面侧视图的示意图。

图11是图8的方法的一部分的第三实施例的横截面侧视图的示意图。

图12是图8的方法的一部分的第四实施例的横截面侧视图的示意图。

图13是图8的方法的一部分的第五实施例的横截面透视图的示意图。

图14是图8的方法的一部分的第六实施例的横截面侧视图的示意图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记指代相同元件，图1总体地示出了从由钽酸锂形成的光学部件14(图5)中选择性地去除污染物12(图5)的方法10。具体地，方法10可以用于包括光检测和测距(lidar)技术的应用和部件。即，方法10可以用于从lidar系统的光学部件中去除污染物12，所述lidar系统使用脉冲激光形式的光来测量距离。因而，方法10和所得到的光学部件14可以用于车辆应用，诸如但不限于汽车、飞机、火车、电车、农用设备以及船。替代地，方法10和所得到的光学部件14可以用于非车辆应用，诸如显微镜、无人机等。更具体地，通过非限制性示例，方法10和所得到的光学部件14可以用于其中用户不操纵或控制车辆的原动力的自主或半自主车辆应用的lidar应用。

如下面进一步详细描述的，方法10选择性地从光学部件14中去除污染物12。即，方法10可以仅从光学部件14中去除污染物12并且可以不去除任何钽酸锂，即，可以使由钽酸锂形成的光学部件14保持完整。具体地，污染物12可以表征为在制造光学部件14期间设置在光学部件14上的非金属残留物或涂层。钽酸锂可以表征为光学部件14的功能性核心材料，并且铌酸锂可以表征为牺牲表面材料。例如，光学部件14可以是用于lidar装置的谐振器，并且可以由钽酸锂形成，并且污染物12可以是铌酸锂。在没有方法10的情况下，铌酸锂可能难以从光学部件14中去除或与其分离。

污染物12与光学部件14的化学分离

方法10可以包括将污染物12与光学部件14化学分离，如下面更详细地阐述的。

参考图1、6以及7，方法10包括用包含硬质阴离子的洗涤溶液18(图6和7)洗涤16光学部件14。即，洗涤溶液18包含至少一种硬质阴离子，但是可以包含多种硬质阴离子或者它们的组合。如本文所用，术语硬质阴离子是指带负电的离子，与软阴离子相比，所述硬质阴离子具有相对较高的电负性(对于碱)、相对较低的极化率、相对较高的氧化态、相对较小的原子半径，并且通常形成离子键。硬质阴离子的合适示例可以包括碳酸根、硫酸根、磷酸根、羧酸根、硝酸根、醇、卤素(诸如f^-和cl^-)、胺、氨、氢氧根、醚以及草酸盐。相比之下，软阴离子的合适示例可以包括氢化物、硫醇盐、卤素(诸如i^-)、膦、硫氰酸盐、一氧化碳以及苯。通常，硬质阴离子可以与硬质阳离子形成相对更强的键，并且软阴离子可以与软阳离子形成相对更强的键，如下面更详细地阐述的。

如上所述，在一个示例中，污染物12可以是铌酸锂并且包含硬质阳离子。如本文所用，术语硬质阳离子是指带正电的离子，与软阳离子相比，所述硬质阳离子具有相对较低的电负性(对于碱)、相对较高的极化率、相对较低的氧化态、相对较达的原子半径，并且通常形成离子键。硬质阳离子的合适示例可以包括水合氢离子、碱金属(诸如li⁺、na⁺和k⁺)、钛、铬、三氟化硼以及镧系元素。相比之下，软阳离子的合适示例可以包括汞、铂、钯、银、硼烷以及金。通常，硬质阳离子可以与硬质阴离子形成相对更强的键，并且软阳离子可以与软阴离子形成相对更强的键。

再次参考方法10，洗涤16可以包括使污染物12与洗涤溶液18在0开尔文至493开尔文的温度下接触5分钟至48小时。例如，洗涤16可以包括使污染物12与洗涤溶液18在10开尔文或20开尔文或30开尔文或40开尔文或50开尔文或75开尔文或100开尔文或125开尔文或150开尔文或200开尔文或250开尔文或300开尔文或350开尔文或375开尔文或400开尔文或410开尔文或420开尔文或430开尔文或440开尔文或450开尔文或460开尔文或470开尔文或480开尔文或490开尔文的温度下接触10分钟或20分钟或30分钟或40分钟或50分钟或1小时或1.5小时或2小时或2.5小时或3小时或3.5小时或4小时或4.5小时或5小时或6小时或7小时或8小时或9小时或10小时或12小时或14小时或16小时或18小时或20小时或22小时或24小时或28小时或32小时或36小时或40小时或41小时或42小时或43小时或44小时或45小时或46小时或47小时或48小时。

此外，可以根据与液相或气相浸出设备的相容性来选择洗涤溶液18。在图6中最佳示出的一个示例中，洗涤16可以在再循环喷洒器系统中发生。在图7中最佳示出的另一个示例中，洗涤16可以在间歇式反应器64或流化床反应器中发生。

在图2中总体上表示的一个实施例中，洗涤溶液18可以是酸性的并且可以具有0.01mol/l至5mol/l的酸浓度。例如，洗涤溶液18可以具有0.05mol/l或0.1mol/l或0.25mol/l或0.50mol/l或0.75mol/l或1mol/l或1.5mol/l或2mol/l或2.5mol/l或3.0mol/l或3.5mol/l或4.0mol/l或4.5mol/l的酸浓度。对于该实施例，洗涤溶液18可以包括选自由氢氟酸、盐酸、乙酸、硝酸、硫酸、磷酸以及它们的组合组成的群组中的酸。在一个具体示例中，洗涤溶液18可以包括氢氟酸，并且方法10可以包括将洗涤溶液18和氟化铵进行混合22。当洗涤溶液18包括氢氟酸时，氟化铵可以用作缓冲剂并且可以提供对蚀刻速度和ph的相对更好控制。

对于其中洗涤溶液18为酸性的实施例，方法10还可以包括使污染物12与氧化剂(诸如过氧化氢)接触20，并且将气体66(如图7中最佳地示出)喷射24通过洗涤溶液18。气体的合适示例可以包括氧气、惰性气体、功能性气体(诸如氧化气体和还原气体)，以及它们的组合。这种接触20和喷射24确保污染物12在洗涤溶液18中的良好溶解以及从光学部件14中充分去除污染物12。

在图3中总体上表示的另一个实施例中，洗涤溶液18可以是碱性的并且可以具有0.01mol/l至10mol/l的酸浓度。例如，洗涤溶液18可以具有0.02mol/l或0.03mol/l或0.04mol/l或0.05mol/l或0.10mol/l或0.20mol/l或0.25mol/l或0.30mol/l或0.35mol/l或0.40mol/l或0.45mol/l或0.50mol/l或0.55mol/l或0.60mol/l或0.70mol/l或0.75mol/l或0.80mol/l或0.85mol/l或0.90mol/l或0.95mol/l或0.96mol/l或0.97mol/l或0.98mol/l或0.99mol/l或1mol/l或5mol/l或6mol/l或7mol/l或8mol/l或8.5mol/l或9mol/l或9.5mol/l或10mol/l的酸浓度。对于该实施例，洗涤溶液18可以包括选自由氨、草酸盐以及它们的组合组成的群组中的碱。在一个具体示例中，洗涤溶液18可以包括氨溶液和草酸盐，并且方法10可以包括将洗涤溶液18和含锂盐阴离子混合122。

对于其中洗涤溶液18为碱性的实施例，方法10还可以包括使污染物12与氧化剂(诸如过氧化氢)接触20，并且将气体66(如图7中最佳地示出)喷射24通过洗涤溶液18。气体的合适示例可以包括氧气、惰性气体、功能性气体(诸如氧化气体和还原气体)，以及它们的组合。这种接触20和喷射24可以确保污染物12在洗涤溶液18中的良好溶解以及从光学部件14中充分去除污染物12。

在图4中总体上表示的又另一实施例中，洗涤溶液18可以是有机的。对于该实施例，洗涤溶液18可以选自由肼、醇、醚、胺以及它们的组合组成的群组。此外，洗涤溶液18可以是纯液体或混合液体。有机洗涤溶液18可以从钽酸锂中相对容易地提取和分离污染物12。

现在参考图1和5，方法10还可以包括在清洗16之前，将掩模28(图5)附接26到光学部件14以覆盖钽酸锂的边缘表面30(图5)并且暴露污染物12的至少一部分32(图5)。即，掩模28可以设置在光学部件14的外边缘上并且可以仅暴露污染物12的部分32。换句话说，掩模28可以保护钽酸锂免受洗涤溶液18的影响，使得洗涤溶液18可能不会到达钽酸锂。对于所述实施例，洗涤溶液18可以包括浓盐酸，其可以相对缓慢地溶解污染物12，例如铌酸锂，而不影响钽酸锂。即，方法10可以包括溶解34(图2)污染物12而不溶解钽酸锂。

对于与包括掩模28的实施例，方法10还可以包括在洗涤16之前确定36(图2)污染物12在多个温度下的溶解速率。例如，方法10可以包括使用空白铌酸锂样品来估计铌酸锂在各种温度下的溶解速率。然后，一旦确定了铌酸锂的溶解速率，就可以基于预定溶解速率从如上所述的钽酸锂中选择性地去除污染物12。

再次参考图1，方法10还包括形成38化合物40(图7)，其包含硬质阴离子和硬质阳离子。即，洗涤溶液18的硬质阴离子可以面向或结合污染物12的硬质阳离子。例如，对于污染物12是铌酸锂并且洗涤溶液18是氢氟酸的实施例，硬质阴离子(f^-)可以面向或结合硬质阳离子(li⁺)以形成化合物40(lif)。化合物40在洗涤溶液18中可以是稳定的，可以是热力学上优选的金属-配体络合物产物，并且可以溶解在洗涤溶液18中。类似地，洗涤溶液18的软质阳离子可以面向或结合污染物12的软质阴离子。即，软阳离子h⁺可以面向或结合软阴离子nbo3^-以形成另一种化合物(未示出)hnbo3，其也可以溶于洗涤溶液18中。

如继续参考图1所述，方法10还包括从钽酸锂中冲洗42化合物40，由此选择性地从光学部件14中去除污染物12。即，化合物40和其他化合物(未示出)可以被冲洗掉而不会干扰、影响或改变钽酸锂。

再次参考图6，光学部件14可以被布置为细长片44，并且污染物12可以成形为平坦表面46。对于该实施例，循环喷洒器系统可以有效地洗涤16光学部件14以去除污染物12。对于该实施例，方法10还可以包括从邻近并面向平坦表面46设置的至少一个喷洒器部件50中排出46洗涤溶液18。至少一个喷洒器部件50可以固定在空间中，并且细长片可以垂直和/或水平地枢转和/或平移以确保均匀洗涤16。

在排出46之后，方法10可以包括通过再循环泵54将污染物12收集52在与至少一个喷洒器部件50连接的浸出液贮存器中。因而，洗涤溶液18可以收集在浸出液贮存器56中并再循环到喷洒器部件50以便再利用。对于该实施例，可以在不首先转移光学部件14的情况下进行附加的水清洁。

现在参考图7，在另一个实施例中，光学部件14可以被布置为多个芯片58或者可以是粉末。方法10还可以包括将多个芯片58浸没60在由间歇反应器64限定的腔体62内的洗涤溶液18中。此外，方法10可以包括将流体66(例如，液体、惰性气体、空气、一种或多种氧化气体、洗涤溶液以及它们的组合)喷射24通过腔体62内的洗涤溶液18。在浸没60之后，方法10可以包括将污染物12悬浮68在洗涤溶液18中。即，因为钽酸锂的密度可以比污染物12(例如，铌酸锂)的密度高达60％，并且因为钽酸锂和污染物12都比水重，所以适当控制间歇式反应器64的底部的喷射流量可以允许污染物12悬浮在洗涤溶液18中同时将光学部件14夹带到间歇式反应器64的底部。即，方法10可以包括使钽酸锂70远离腔体62内的污染物12沉淀，由此从光学部件14中去除污染物12。

污染物12与光学部件14的物理分离

现在参考图8，方法110可以包括将污染物12与光学部件14物理分离72，如下面更详细地阐述的。替代地，方法110可以包括将污染物12与光学部件14进行化学和物理分离72。

继续参考图8，从由钽酸锂形成的光学部件14中选择性地去除污染物12的方法110包括保持74钽酸锂76的厚度(图9至14)并且将12污染物与钽酸锂物理分离72，由此选择性地从所述光学部件14中去除污染物12。即，保持74可以包括在从光学部件14中移除污染物12时不干扰或改变钽酸锂。

参考图9和10，光学部件14可以被布置为细长片44或盘，并且污染物12可以成形为平坦表面46。对于该实施例，物理分离72可以包括在污染物12处单原子离子束溅射和气体簇离子束溅射惰性靶材料78中的至少一者。

继续参考图9，单原子离子束溅射可以从污染物12处的惰性靶材料78中喷射离子，并且离子可以各自由单个原子组成。因此，单原子离子束溅射可以实现相对较高的溅射速率，可以是受时间和功率控制的过程，并且可以从钽酸锂中受控地去除污染物12。此外，可以一次使用惰性靶材料78的多个样品(诸如氩气)使得单原子离子束溅射是成本有效的。

如图10中所示，对于其中污染物12相对较薄的实施例，钽酸锂的所需粗糙度相对较高，和/或钽酸锂相对较薄且不能牺牲，物理分离72可以包括气体簇离子束溅射。即，因为即使是低能单原子离子束溅射也可能不适用于薄的光学部件14，所以在去除污染物12时经由气体簇离子束溅射进行物理分离72也允许相对较低的能量消耗、较低的操作速度以及相对更光滑的钽酸锂表面。与单原子离子束溅射相比，气体簇离子束分离可以朝向污染物12喷射离子簇。

除了成品光学部件14的期望光滑度之外，还可以根据污染物12的初始物理特性(例如，厚度76、形状等)来选择诸如溅射功率或电压、惰性气体流速、真空水平、溅射速率以及溅射时间等操作条件。例如，溅射时间可以是1秒至5小时。即，溅射时间可以是2秒或4秒或6秒或8秒或10秒或30秒或45秒或1分钟或10分钟或30分钟或1小时或1.5小时或2小时或2.5小时或3小时或3.5小时或4小时或4.5小时或5小时。此外，可以通过使用具有与污染物12类似结构的纯铌酸锂参考样品或通过使用具有已知厚度的铌酸锂-钽酸锂参考样品来校准每个光学部件14的溅射速率。对于后一种技术，可以将完全去除铌酸锂之前的时间标注为参考。

此外，物理分离72可以包括单原子离子束溅射和气体簇离子束溅射的组合。例如，可以按顺序使用这两种技术。首先，物理分离72可以包括经由单原子离子束溅射快速去除块状铌酸锂，然后通过经由气体簇离子束溅射去除剩余的污染物12来完成相对更精细的钽酸锂表面。

替代地，物理分离72可以包括c60溅射或液态金属离子溅射。此类技术还可以有效地将污染物12与钽酸锂物理地分离。

现在参考图11，在另一个实施例中，物理分离72可以包括将光学部件14暴露于真空并且对来自钽酸锂的污染物12进行等离子体清洁。除了从光学部件14中去除铌酸锂之外，等离子体清洁还可以用于从光学部件14中去除有机材料，例如长链碳材料。等离子体清洁可以在真空室中执行，并且可以电离灯丝82中的气体(通常用80表示)，诸如空气、氩气、氢气、氧气、氮气等，以形成与污染物12接触并且物理地将污染物12与光学部件14分离的等离子体84。

现在参考图12，在另一实施例中，物理分离72可以包括熔化污染物12而不熔化钽酸锂。即，污染物12和钽酸锂可以具有不同的熔点和/或密度。例如，铌酸锂可以具有4.65g/cm³的密度，并且钽酸锂可以具有7.46g/cm³的密度。类似地，铌酸锂可以具有1,523.15开尔文的熔点，而钽酸锂可以具有1,898.15开尔文的熔点。因而，方法110可以包括沿着污染物12加热和/或移动惰性气体80以熔化污染物12而不熔化钽酸锂。因为污染物12可以在钽酸锂熔化之前熔化，所以污染物12可以基于熔化的污染物12的相对较低的密度从钽酸锂中物理地去除。任选地，物理分离72可以包括气体吹扫以促进熔化污染物12而不熔化钽酸锂。

现在参考图13，在另一个实施例中，物理分离72可以包括将解附聚的悬浮液86沉积到污染物12上并且用抛光布88从钽酸锂中抛光污染物12。预期这种物理去除技术可以适用于被布置为细长片44或盘的光学部件14。解附聚的悬浮液86的合适示例可以由金刚石、氧化铝、二氧化硅等多个颗粒形成，并且多个颗粒可以具有各种尺寸。此外，抛光布88可以附接到可旋转杆90或装置，并且可以由例如人造丝、丝织物、聚氨酯、金刚石、氧化铝、二氧化硅等形成。此外，沉积和抛光可以与上述用于化学分离污染物12和钽酸锂的任何技术相结合。对于该物理技术，已知厚度的污染物12的空白样本可以用于校准抛光和/或计算从光学部件14中去除污染物12所需的抛光持续时间。

参考图14，在另一个实施例中，物理分离72可以包括激光烧蚀污染物12以使污染物12从钽酸锂中蒸发掉。方法110可以包括用例如以下激光器来烧蚀污染物12：掺钕钇铝石榴石激光器；诸如氦气和氦氖激光器等气体激光器；准分子激光；染料激光器；半导体激光器；连续波激光器；脉冲波激光器；等等。无论何种类型，激光器92都可以通过透镜94聚焦以产生被配置用于消融污染物12的光束96。激光器92的能量可以熔化或汽化污染物12而不熔化钽酸锂，使得污染物12可以从光学部件14中去除而不会干扰钽酸锂。此外，激光烧蚀可能特别适合于具有非光滑几何形状的光学部件14或污染物12，因为光束96可以被配置为沿着污染物12的峰、谷以及裂缝平移。

因此，方法10、110是经济的和有效的，提供用于去除污染物12的化学和/或物理技术，并且增强光学部件制造工艺以提供不含污染物12和牺牲残余物的光学部件14。因而，方法10、110和光学部件14可以适用于lidar应用，诸如但不限于自主和半自主车辆。

虽然已经详细描述了用于执行本发明的最佳模式，但是熟悉本发明所涉及领域的技术人员将认识到用于在所附权利要求的范围内实践本发明的各种替代设计和实施例。