形式多变的光学涂层对激光雷达极为重要

来源:微迷网    关键词:激光雷达, 光学涂层,    发布时间:2018-03-26

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据麦姆斯咨询报道,随着自动驾驶汽车从实验室阶段进入上路阶段,激光雷达(LiDAR)的“春天”来了。但是,实际上LiDAR涉及很多广泛的应用和光学设计,每种都需要独特的光学涂层。

LiDAR技术第一次引起公众的注意,要追溯到1971年“阿波罗15号”登月计划。从那时起,LiDAR在各种各样的应用中沿用至今:从机载表面测量到环境、工业、安全,从城市规划到建筑、事故场景的地面测绘,以及其他需要详细的、自动化的三维绘图的环境。然而,近年来,LiDAR在推动自动驾驶、可视化和游戏的发展以及在无人区进行无人侦察的需求方面取得了长足进展。所有这些应用程序都需要一双自动的“眼睛”,不仅仅能捕捉图像,还能提供精确的3D视图,而且通常是实时的。

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“阿波罗15号”登月船登陆月球表面

形式多变的光学涂层对激光雷达极为重要

“阿波罗15号”从月亮轨道上拍摄的月球表面

什么是LiDAR?

形式多变的光学涂层对激光雷达极为重要

搭载LiDAR的飞机利用激光脉冲测距

LiDAR是对声纳或雷达进行基于光的模拟,常被描述为“激光探测与测距”(Light Detection And Ranging)或“激光成像、探测和测距”(Light Imaging, Detection, And Ranging)。它是一种基于光的飞行时间的距离测量方法。光源(通常是激光)对视野范围内的物体进行扫描。光从物体表面直接反射回来,被传感器探测到,由于光的速度是恒定的,往返时间可以用来确定与该物体的距离,从而建立视野范围的3D地图。飞行时间可以直接计算,也可以使用脉冲光源或经调制后的光源通过距离选通成像,相位差可以通过光外差探测计算。

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Velodyne激光雷达(LiDAR)演进

LiDAR对光学涂层的要求

任何一种在某距离发生散射光的应用中,灵敏度最为重要。灵敏度越高,越能提高探测低反射率物体的精度和能力。同时,这也有助于使用光强较弱的光源,增加安全性和降低功耗。然而,许多LiDAR工作在室外环境,因此在操作波段内,耐用的窗口和具有高传输性的光学系统显得十分必要。

形式多变的光学涂层对激光雷达极为重要

在较宽的入射角范围内保持低反射率是LiDAR的关键,图示为在聚碳酸酯基板上形成的中心值为905纳米抗发射层的反射率随入射角的变化情况(来源:AccuCoat, Inc.)

根据设计,可能需要狭窄的V-coat帮助排除宽带抗反射层(AR coating)的环境光,从而允许使用多个波长。波长从可见光到近红外光分布,可匹配不同应用程序和环境的特定需求(从波长532纳米的海洋测绘到人眼安全的1550纳米范围)。

FOV(Field of View)也因应用不同而大相径庭。甚至在自动驾驶车辆市场,一些传感器也具备360° FOV,而另一些传感器则被设计用于自适应巡航控制的保险杠上。抗反射层规范必须考虑到检测光学的设计,以确保测量范围的所有角度具有高传输性。同时也需要额外的模块,用于排除环境光,保护内部光学或进一步改善信噪比。

抗反射层几何形状丰富,基板类型多样

LiDAR应用领域丰富,为达到精度、灵敏度和量程的最佳化,产生了各种不同的抗反射层制备方法,没有单一的设计方法占主导地位。LiDAR的涂层窗口可以是扁平的、弯曲的或圆柱形的——由整片或部分制成。根据标准或非球面内透镜,涂层可能需要更换。每种设计都是独一无二的。即使在指定的LiDAR产品线,制造商可能会针对不同应用使用不同的几何形状,这要求涂层供应商具备在不同几何形状基板制备涂层的生产能力。

在LiDAR的光学涂层中,基板材料的材质也呈多样化,涉及玻璃、塑料、聚合物和有色材料。单点金刚石(SPDT)光学器件通常处于样品阶段,有的已经进入复杂部件的批量生产阶段。

均匀性为王

所有LiDAR的光学涂层对均匀性都有严格的要求,无论是单一涂层的表面还是体积。这在自动驾驶车辆市场中尤其重要,因为LiDAR的作用是导航、接近探测和保障安全。

工夹具对涂层均匀性有一定的影响,但多轴涂层系统才是导致区别的真正因素。确保所有部件的涂层和所有表面的涂层足以应对各种最具挑战性的几何形状的要求。这需要对机械和工艺进行精细控制,包括各个轴的正确旋转速率的选择,各轴的同步,以及对腔体内沉积速率的精细控制。多轴涂层使大尺寸光学薄膜涂层的每一处都保持高度一致的优秀性能,并且在批量生产中始终保持一致。

虽然在LiDAR中使用涂层的规范在光谱意义上讲并不复杂,但使用了不同种类的基板材料、尺寸和几何形状。这个看起来微不足道的方面,实质上是LiDAR系统设计时值得仔细确认的因素,这样才能最大限度地提高系统性能。