用于机动交通应用的包括抗反射单元的激光雷达组件的制作方法

1.本发明属于适用于在机动交通工具中用来辅助驾驶员(adas＝advanced driver assistance system，高级驾驶员辅助系统)的检测装置的领域，机动交通工具包括自主车辆或自动驾驶车辆。更具体地，本发明涉及一种面向框格的内表面的激光雷达(lidar)装置，该框格可以是透明的(诸如挡风玻璃或侧灯、后灯)或是不透明的框格(诸如用于汽车立柱)。lidar与竖直线形成角度α1。本发明减少由lidar装置并且更具体地新一代lidar(诸如固态lidar装置)发射的红外辐射在穿过框格(透明或不透明)的内表面时反射的部分。


背景技术：

2.机动交通工具正配备越来越多的系统来辅助车辆驾驶员。这些系统被统称为adas(高级驾驶员辅助系统)。adas包括能够检测并且在一些情况下识别车辆的即刻环境中的障碍物的检测系统。例如，检测系统包括光学或ir相机、雷达以及激光雷达(lidar，光探测和测距)。
3.一般而言，lidar装置是光电系统，其由以下几个主要部件构成：(1)至少一个激光发射器(光源)。优选地，本发明的lidar感测装置的激光发射器主要在从700nm至1mm的红外波长、优选在780nm至3μm的近红外波长、更优选在从750至1650nm的波长范围内发射；(2)至少一个接收器(光检测元件)，其接收光并将光转换成电信号；以及提取所寻找的信息的电子处理链信号。
4.安装在移动平台(诸如飞机或卫星)上的lidar感测装置可能进一步需要仪表装置以确定其绝对位置和取向，并且因此进一步包括定位和/或导航系统。
5.优选地，用于本发明中的lidar装置是基于固态lidar作为泛光lidar的新一代lidar装置。扫描或旋转lidar是使用移动激光束，而泛光和固态lidar发射从物体反射的光脉冲。
6.机动交通工具中越来越多地实施lidar。它们可以安装在机动交通工具的外部上，机动交通工具外部是暴露于雨水、冰雹、大的温度变化以及包括碎石的各种物体的撞击的极具侵蚀性环境。为了保护lidar免受这种环境的影响，已经完成研究来将lidar装置集成在车辆的现有透明或不透明框格(诸如挡风玻璃、后窗玻璃、车窗玻璃或立柱)的后方。
7.lidar可以使用uv光、可见光或ir光。然而，汽车工业中使用的lidar通常发射处于750nm与1650nm之间的近红外光谱中的光。因此，面向lidar装置的框格部分必须维持对由lidar装置发射的近红外光的高透射率。
8.如图6所示，由于空气动力学方面的考虑，至少当今许多机动交通工具的挡风玻璃和前灯罩都很倾斜并且与竖直线形成至少10
°
并且通常至少50
°
或更大的倾斜角度α1。如果由lidar装置发射的近红外光束要以与透明框格的外表面的法线形成角度α的折射轴线(ir)为中心传播，则由lidar装置发射的近红外光束将以与透明框格的内表面以相同角度α相交的入射轴线(i0)为中心传播。如图2所示，如果折射轴线(ir)是水平的，那么角度α＝α1，并且可以达到大约60
°
至70
°
的值，具体取决于车辆的设计。
9.如图1(a)所示，在穿过透明壁部分(1)之前沿着辐射轴线(i0)传播的入射辐射可以分成以下一个或多个：反射辐射(irf)、吸收辐射(ia)、散射辐射(is)以及折射辐射(if)。反射辐射(irf)和吸收辐射(ia)并不穿过透明壁部分。如图1(e)所示，根据菲涅耳定律，辐射的在与透明壁部分(1)的表面相交时反射的部分(irf)随着入射轴线(i0)与表面形成的入射角度而增加。图1(e)以图形方式展示了菲涅耳定律，示出反射率随入射角度而连续增加并且在入射角度大于50
°
的情况下急剧增加。schlick提出了对菲涅耳定律的近似法，其中反射率随的5次幂增加。
10.在lidar装置定位在框格后方并且更具体地在对可见光透明的框格后方、并且发射与透明框格以大于50
°
的入射角度相交的红外辐射(参考图2)的情况下，辐射的在框格的内表面上反射的部分变得非常大(参考图1(e))。
11.为了减少从框格的内表面反射的光的量，当前可以向内表面施加抗反射涂层。然而，这种解决方案具有许多缺点。标准的抗反射涂层通常针对正入射(即，入射角度)进行优化。此类抗反射涂层的性能随入射角度增加而降低。专门设计的抗反射涂层可以针对更大值的入射角度进行优化，但是设计可能更复杂并且有挑战性。特别地，由于lidar装置和更具体地固态lidar装置覆盖宽广的视场(fov)，在图4中示为以入射轴线(i0)为中心的圆锥，因此该圆锥跨过范围在和之间的入射角度。将lidar的视场考虑在内会使此类具体抗反射涂层的设计更复杂并且不太高效。此外，施加抗反射涂层涉及附加的生产成本并且可能会影响透明框格的机械防护性、耐化学性或耐热性。
12.随着adas和需要大量检测系统的自主车辆的发展，无法接受的是增大安装在机动交通工具的内部的lidar装置的功率来克服因透明框格的内表面的反射而引起的红外辐射的强度损失，因为这会将生产成本和车辆能耗增加至无法接受的水平。本发明提出了一种用于减少由lidar发射的在具有预定义倾斜度的透明框格的内表面上反射的部分。在下面部分中更详细地描述了这个和其他优点。


技术实现要素：

13.所附独立权利要求中限定了本发明。从属权利要求中限定了优选实施例。特别地，本发明涉及一种机动交通工具，所述机动交通工具包括：
14.(a)框格，所述框格具有折射率n1，并且
15.●
包括面向内部环境的内表面和面向外部环境的外表面，
16.●
具有在从750nm至1650nm的波长范围内的平均吸收系数(k)低于5m-1
(即，a≤5m-1
)的至少一部分，并且其中，
17.●
所述透明框格(1)的内表面(1i)与竖直方向形成倾斜角度α1，所述倾斜角度大于10
°
(α1》10
°
)，
18.(b)光探测和测距(lidar)装置，所述lidar装置位于所述内部环境中并且面向所述内表面，所述lidar装置被配置用于发射以入射轴线(i0)为中心的ir光束，所述入射轴线与所述内表面(1i)的法线形成角度所述ir光束穿过所述透明框格(1)，并且沿着以折射轴线(ir)为中心的轨迹在所述外部环境中传播，所述折射轴线与所述外表面(1o)的法线形成角度α。
19.根据本发明，所述机动交通工具还包括抗反射单元(3)，所述抗反射单元
20.●
由具有折射率n3的材料制成，所述抗反射单元将所述lidar装置联接到所述透明框格的内表面，
21.●
在从750nm至1650nm的波长范围内的平均吸收系数(k)低于5m-1
(即，k≤5m-1
)，
22.●
包括界面表面，所述界面表面与所述透明框格的内表面密切接触地联接，并且
23.●
包括联接到所述lidar装置的表面，所述表面与所述界面表面(31)形成角度θ并且所述表面的法线与所述入射轴线(i0)形成角度其中介于-30
°
与 30
°
之间。
24.根据本发明，术语“在从750nm至1650nm的波长范围内的平均吸收系数(k)低于5m-1
(即，k《5m-1
)、优选地低于3m-1
(即，k《3m-1
)、更优选地低于1m-1
(即，k《1m-1
)的至少一部分”也被称为“ir-透明部分”或ir-透明框格(当框格的所有表面都具有这个特性时)。
25.根据本发明，所述lidar放置于在从750nm至1650nm的波长范围内的平均吸收系数(k)低于5m-1
(即，k《5m-1
)、优选地低于3m-1
(即，k《3m-1
)、更优选地低于1m-1
(即，k《1m-1
)的所述至少一部分的后方。
26.根据本发明的一个实施例，框格是玻璃框格。
附图说明
27.为了更全面地理解本发明的性质，参考结合附图进行的以下详细说明，在附图中：
28.图1：展示了(a)穿过恒定厚度的透明壁部分的入射辐射(i0)的行为，(b)穿过具有平行表面的两个透明壁部分的入射辐射(i0)的行为，(c)穿过具有非平行表面的第一透明壁部分和具有平行表面的第二透明壁部分的入射辐射(i0)的行为，(d)随入射角度而变的反射的入射辐射的部分，(e)随入射角度而变的菲涅耳反射率。
29.图2：示出了设置有根据现有技术的lidar装置的组件的机动交通工具的内部。
30.图3：示出了设置有根据本发明的一个实施例的lidar装置的组件的机动交通工具的内部的各种实施例。
31.图4：示出了设置有根据本发明的一个实施例的lidar装置的组件的机动交通工具的内部的(a)透视图，以及(b)侧视剖视图，示出了视场(fov)。
32.图5：示出了如何测量辐射轴线与双曲率表面的法线之间的角度。
33.图6：示出了根据本发明的一个实施例的包括面向框格的若干固态lidar装置的机动交通工具，这些lidar装置与竖直线形成角度α1。
34.图7：示出了抗反射单元和具有非平坦表面32的框格的组件的一个实施例。
35.图8：示出了抗反射单元和框格的组件的三个实施例，其中抗反射单元完全地(a)或部分地(b)/(c)由对可见光具有有限或低透射率的材料制成。
具体实施方式
36.如图3、图4和图6所示，本发明涉及包括被配置用于发射以入射轴线(i0)为中心的ir光束的lidar并且更具体地固态光探测和测距(lidar)装置(2)的机动交通工具。机动交通工具包括小轿车、厢式货车、卡车、摩托车、公交车、有轨电车、火车、飞机、直升机等等。lidar装置位于车辆的内部环境中、面向透明框格(1)的内表面(1i)，根据本发明，该透明框格具有折射率n1并且包括外表面(1o)，该外表面面向外部环境并通过透明框格(1)的厚度
与内表面(1i)隔开。根据本发明，框格可以根据玻璃(窗户或立柱)的需要而对光透射是透明或不透明的，但具有ir透明部分以用于定位lidar装置。与lidar装置并且更具体地固态lidar(2)发射的辐射相交的透明框格(1)(在该特定情况下，光透明框格(1))的至少一部分必须至少对红外辐射(ir)、特别地对近红外(nir)辐射透明，其中在从750nm至1650nm的波长范围内的平均吸收系数(k)低于5m-1
(即，k≤5m-1
)、优选地低于3m-1
(即，k≤3m-1
)、更优选地低于1m-1
(即，k≤1m-1
)。透明框格(1)的内表面(1i)与竖直方向形成倾斜角度α1，该倾斜角度大于10
°
(α1》10
°
)、优选地大于50
°
并且更优选地大于60
°
或70
°
。
37.为了简单起见，下面讨论框格(1)并且该框格在图中被表示为具有基本上恒定的厚度(d1)(即，内表面和外表面彼此平行)，使得也可以在外表面(1o)上测量倾斜角度α1。这代表在机动交通工具中使用的大多数透明框格，但显然可以存在不是这种情况的示例。对于具有变化厚度的透明框格，讨论仍有效，但必须在入射轴线(i0)与内表面(1o)的相交点处测量倾斜角度α1。如图5所示，可能在轴线与弯曲表面的相交点处、在轴线与在所述相交点处与弯曲表面相切的平面之间测量由轴线与弯曲表面形成的任何角度。
38.lidar装置被配置并且安装在车辆中以用于发射以入射轴线(i0)为中心的ir光束，该入射轴线与透明框格(1)的内表面(1i)相交(其中与内表面(1i)的法线成入射角度)，该ir光束穿过透明框格(1)并且沿着以折射轴线(ir)为中心的轨迹在外部环境中传播，该折射轴线与外表面(1o)的法线形成角度α。
39.图2展示了根据现有技术的lidar装置的示例，该lidar装置安装在车辆的透明框格(1)(例如，挡风玻璃)中并且被配置用于使ir光束沿着以水平折射轴线(ir)为中心(即，指向地平线)的轨迹传播到外部环境。应理解，如果挡风玻璃设置有加热涂层，那么将定位lidar的部分没有所述涂层。由于透明框格(1)与竖直方向形成倾斜角度α1并且由于折射轴线(ir)是水平的，因此该折射轴线与透明框格的外表面形成角度α＝α1。考虑到透明框格的折射率(n1)，为了实现与外表面形成角度α＝α1的折射轴线(ir)，入射轴线(i0)必须形成入射角度
40.图1(e)根据菲涅耳定律绘制了随由入射辐射与表面形成的入射角度变化的入射辐射的被具有折射率n3》1的透明框格的表面反射的部分(＝反射率)。可以看出，对于50
°
量级和更大的入射角度，反射率急剧增加。鉴于挡风玻璃可以根据车辆的设计而形成大约60
°
至70
°
的倾斜角度α1，反射率的问题变得很关键。高水平的反射率对于固态lidar特别关键，从而导致大量的低能光束。
41.为了减小lidar装置(2)发射的ir辐射的反射率，本发明提出借助于抗反射单元(3)将lidar装置(2)联接到框格(1)、例如可见光透明框格的内表面(1i)。抗反射单元(3)由具有折射率n3的材料制成，并且其在从750nm至1650nm的波长范围内的平均吸收系数(k)低于5m-1
(即，k≤5m-1
)、优选地低于3m-1
(即，k≤3m-1
)、更优选地低于1m-1
(即，k≤1m-1
)。
42.抗反射单元(3)包括与ir透明框格(1)的内表面(1i)密切接触地联接的界面表面(31)以及联接到lidar装置(2)的表面(32)。表面(32)与界面表面(31)形成楔形角度θ。表面(32)的法线与入射轴线(i0)形成角度，其中介于-30
°
与 30
°
之间、优选地在-10
°
与 10
°
之间、更优选地在-5
°
与 5
°
之间，并且角度最优选地是0
°
，即，入射轴线(i0)最优选地垂直于表面(32)。入射轴线(i0)与透明框格(1i)的内表面形成角度如先前关于说
明现有技术的图2所讨论，对于水平的折射轴线(ir)，入射轴线(i0)与内表面(1i)之间的入射角度等于透明框格(1)的倾斜角度α1，对于挡风玻璃，该倾斜角度典型地是大约50
°
至70
°
。通过将抗反射单元(3)插入在lidar装置(2)与ir透明框格(1)之间，入射角度简单地变为这小于不存在抗反射单元(3)(参考图2)所需的入射角度(对于水平的折射轴线(ir)，＝α1)。在图3(c)至图3(e)所示的优选实施例中，入射轴线(i0)与表面(32)的入射角度为零。在图1(e)的反射率曲线中引入并比较代表现有技术的入射角度至70
°
以及代表本发明的入射角度优选地表明辐射的被反射到表面(32)上的部分可以被减少多少，因此允许红外能的更大部分透射穿过ir透明框格(1)。这增加了由lidar装置提供的数据的效力，其中在lidar装置的视场(fov)检测到的障碍物的几何形状和位置的清晰度和准确性更高。
43.框格(1)和内部环境
44.车辆的内部环境是通过框格(1)与外部环境隔开的任何空间。例如，内部环境可以是车辆的内部车舱，并且透明框格(1)或更优选地光透明框格可以是前挡风玻璃、后窗或者一个或多个侧窗。内部环境还可以是前或后灯单元的内部，并且ir透明框格(1)可以是灯单元的罩。
45.框格(1)具有折射率n1，并且其在从750nm至1650nm的波长范围内的平均吸收系数(k)低于5m-1
(即，k≤5m-1
)、优选地低于3m-1
(即，k≤3m-1
)、更优选地低于1m-1
(即，k≤1m-1
)。透明框格的折射率n1优选地介于1.3与1.7之间、更优选地在1.4与1.6之间、最优选地在1.45与1.55之间。
46.吸收系数(k)被定义如下。透射穿过透明框格的辐射能量i的量随透明框格的厚度几何地降低ln(i/i0)＝-k d，其中i0是入射辐射能量，i是透射的辐射能量，d是辐射所穿过的透明框格的厚度，并且k被定义为吸收系数。吸收系数(k)的平均值被定义为在介于750nm与1650nm之间的整个波长范围上测量到的吸收系数(k)的平均值。如果lidar在较窄范围的波长内发射，则显然可以仅在这个较窄范围上测量平均吸收系数(k)。
47.整个透明框格(1)不需要具有低于5m-1
(即，k≤5m-1
)的在从750nm至1650nm的波长范围内的平均吸收系数(k)。透明框格(1)的与lidar发射的ir辐射相交的部分具有低吸收系数(k)就足够了。这在透明框格是挡风玻璃的情况下很重要。为了减少由透过挡风玻璃照射的太阳对车辆的内部车舱的加热，通常用红外过滤层来处理挡风玻璃。这种红外过滤层在lidar装置的ir光束穿过挡风玻璃的区域是不期望的。使该区域没有ir过滤层以增加lidar发射的ir辐射透过挡风玻璃的透射率并且在挡风玻璃的其余区域施加ir过滤层以吸收透射穿过挡风玻璃的太阳光线的热量就足够了。
48.透明框格的内表面(1i)与竖直方向形成倾斜角度α1，该倾斜角度大于10
°
(α1》10
°
)、一般地大于50
°
或60
°
并且甚至大于70
°
。在优选实施例中，透明框格(1)具有基本上恒定的厚度(d1)，使得内表面(1i)平行于外表面(1o)。这是在机动交通工具中的绝大多数情况下遇到的情形并且是图中所示的情形。
49.框格(1)可以是平板玻璃，或者是具有单曲率或双曲率的玻璃。如图5所示，轴线(ir、i0)与在具有单曲率或双曲率的透明框格的内表面(1i)和外表面(1o)之间选择的表面之间的角度是相对于在轴线与表面之间的相交点处与表面相切的平面进行测量的。
50.如图6所示，框格(1)可以是前挡风玻璃、后窗或侧窗，它们全部将外部环境与车辆的内部车舱隔开。框格也可以是将外部环境与灯单元的内部体积隔开的前或后灯单元或者侧灯单元的罩。
51.根据本发明的一个实施例，框格是叠层框格。出于安全原因，例如挡风玻璃需要叠层框格。然而，叠层框格可以用于后窗和侧窗。叠层玻璃在受到冲击时更耐破碎。如图7(a)和图7(d)示意性地示出，通过将由至少一个热塑性粘合剂夹层(1p)隔开的第一玻璃框格(11)和第二玻璃框格(12)叠层来获得叠层玻璃框格。粘合剂夹层(1p)可以通过包括红外吸收体或反射体、紫外吸收体、抗氧化剂、光稳定剂、着色剂等以过滤不合需要的波长来提供除粘合外的其他功能，从而增强隔热、着色。
52.第一玻璃框格(11)和第二玻璃框格(12)可以是在汽车工业中使用的任何玻璃框格。
53.优选地，本发明的基础玻璃组成包括以玻璃的重量百分比表示的总含量的以下项：
[0054][0055]
更优选地，根据本发明的基础玻璃组成包括以玻璃的总重量百分比表示的含量的以下项：
[0056][0057]
更优选地，出于较低的生产成本的原因，根据本发明的该至少一块玻璃板是由钠钙玻璃制成。有利地，根据此实施例，该基础玻璃组成包括以玻璃的总重量百分比表示的含量的以下项：
[0058][0059][0060]
除了其基础组成之外，该玻璃可以包括天然和根据所期望的效果的量进行适配的其他组分。
[0061]
本发明中提出的获得在高红外(ir)中非常透明的玻璃而对其美学或其颜色的影响较弱或没有影响的解决方案是在玻璃组成中结合低铁量和特定含量范围内的铬。
[0062]
因此，根据第一实施例，玻璃板优选具有以下组成，该组成包括以玻璃的总重量百分比表示的含量的以下项：
[0063]
总fe(表示为fe2o3)0.002％至0.06％
[0064]
cr2o30.0001％至0.06％。
[0065]
此类结合低水平的铁和铬的玻璃组成在红外反射方面表现出特别好的性能，并且显示出在可见光中的高透明度和有点显著的色彩，近似于被称为“超透明”的玻璃。这些组成在国际申请wo2014128016a1、wo2014180679a1、wo2015011040a1、wo2015011041a1、wo2015011042a1、wo2015011043a1和wo2015011044a1中描述，将这些国际申请通过引用结合在本技术中。根据该第一具体实施例，该组成优选地包括相对于玻璃的总重量按重量计从0.002％至0.06％的铬含量(表示为cr2o3)。此种铬含量有可能进一步改进红外反射。
[0066]
根据第二实施例，玻璃板具有以下组成，该组成包括以玻璃的总重量百分比表示的含量的以下项：
[0067][0068]
此类基于铬和钴的玻璃组成在红外反射方面显示出特别好的性能，同时在美学/颜色方面提供了有趣的可能性(浅蓝色的中性色至强烈色彩甚至达到不透明)。此类组成在欧洲专利申请号13198454.4中描述，将该欧洲专利申请通过引用结合在此。
[0069]
根据第三实施例，玻璃板具有以下组成，该组成包括以玻璃的总重量百分比表示的含量的以下项：
[0070]
总铁(表示为fe2o3)0.02％至1％
[0071]
cr2o30.002％至0.5％
[0072]
co0.0001％至0.5％。
[0073]
优选地，根据此实施例，该组成包括：0.06％《总铁≤1％。
[0074]
此类基于铬和钴的组成被用于获得在蓝-绿色范围内的有色玻璃板，这些有色玻璃板在颜色和光透射率方面与市场上的蓝色和绿色玻璃是可比较的，但是在红外反射方面具有特别好的性能。此类组成在欧洲专利申请ep15172780.7中描述，并且将该欧洲专利申请通过引用结合到本技术中。
[0075]
根据第四实施例，玻璃板具有以下组成，该组成包括以玻璃的总重量百分比表示的含量的以下项：
[0076][0077]
此类基于铬、钴和硒的玻璃组成已经在红外反射方面显示出特别好的性能，同时在美学/颜色方面提供令人关注的可能性(灰色、中性色至在灰色-古铜色范围内强烈的轻微染色)。此类组成在欧洲专利ep15172779.9的申请中描述，并且将该欧洲专利申请通过引用结合到本技术中。
[0078]
根据第一替代实施例，玻璃板具有以下组成，该组成包括以玻璃的总重量百分比表示的含量的以下项：
[0079]
总铁(表示为fe2o3)0.002％至0.06％
[0080]
ceo20.001％至1％。
[0081]
此类组成在欧洲专利申请号13193345.9中描述，将该欧洲专利申请通过引用结合在此。
[0082]
根据另一个替代实施例，该玻璃具有以下组成，该组成包括以玻璃的总重量百分比表示的含量的以下项：
[0083]
总铁(表示为fe2o3)0.002％至0.06％；
[0084]
以及以下组分之一：
[0085]-范围为按重量计从0.01％至1％的量的锰(以mno计算)；
[0086]-范围为按重量计从0.01％至1％的量的锑(表示为sb2o3)；
[0087]-范围为按重量计从0.01％至1％的量的砷(表示为as2o3)；
[0088]
或者
[0089]-范围为按重量计从0.0002％至0.1％的量的铜(表示为cuo)。
[0090]
此类组成在欧洲专利申请号14167942.3中描述，将该欧洲专利申请通过引用结合在此。
[0091]
根据本发明，汽车嵌装玻璃可以呈平面板的形式。嵌装玻璃可以是弯曲的。对于汽车嵌装玻璃如对于后窗、侧窗或天窗或尤其是挡风玻璃而言，通常是这种情况。
[0092]
此类玻璃板对机动交通工具中的lidar检测装置使用的ir辐射具有非常高的透射率。在挡风玻璃的情况下，挡风玻璃可以设置有至少一个红外吸收或反射层，而在将要定位lidar的区域中没有。
[0093]
对于前或后灯单元的罩，框格(1)可以由具有例如如先前关于挡风玻璃列出的组成的透明聚合物或玻璃制成。
[0094]
lidar装置(2)
[0095]
本发明不限于任何特定的lidar装置类型，只要其在介于750nm与1650nm之间的波长范围内发射即可。根据本发明，固态lidar是优选的。固态lidar安装在电子芯片上并且具有小尺寸。在一个实施例中，它可以借助于粘合剂(例如，树脂或双面胶带)或通过机械构件(例如，将芯片夹紧到适当位置的罩)联接到抗反射单元的表面(32)。
[0096]
折射轴线(ir)的取向取决于具体的应用。然而，在很多应用中，折射轴线(ir)可以是基本上水平的，指向地平线。折射轴线(ir)与透明框格的外表面(1o)的法线形成角度α，该角度在透明框格的倾斜角度α1的
±
5％内(即，α＝α1(1
±
5％))、优选地α＝α1。在这种情况下，折射轴线(ir)是水平的。如先前所讨论，透明框格的倾斜角度α1优选地在50
°
与70
°
之间。
[0097]
抗反射单元(3)
[0098]
抗反射单元(3)由具有折射率n3的ir透明材料组成。如对于框格(1)，“ir-透明材料”意指在从750nm至1650nm的波长范围内的平均吸收系数(k)低于5m-1
(即，k《5m-1
)、优选地低于3m-1
(即，k《3m-1
)、更优选地低于1m-1
(即，k《1m-1
)的材料。吸收系数的值越低，透射穿过抗反射单元(3)的入射能量i0的部分就越高。
[0099]
抗反射单元(3)的界面表面(31)与ir透明框格(1)的内表面(1i)密切接触地联接，并且表面(32)面向lidar装置(2)。本发明的主旨在于，表面(32)与界面表面(31)形成楔形角度θ》0。在与入射轴线(i0)的相交点处表面(32)的法线与入射轴线(i0)形成角度其中角度介于30
°
与 30
°
之间并且优选地为零。如图3(c)所示，入射角度即，入射轴线(i0)垂直于表面(32)，透射穿过抗反射单元的辐射以与在界面表面(31)和表面(32)之间形成的楔形角度相同的角度θ到达ir透明框格的内表面。
[0100]
参考图1(a)，在空气中传播(其中折射率n0＝1)并与具有折射率n1》n0的ir透明框格的内表面(1i)以入射角度a相交的入射光束i0在穿过内表面并且穿过透明表面时偏离，从而形成通过斯奈尔定律表征的角度β：n0 sinα＝n1 sinβ。在到达ir透明框格(1)的外表面(1o)时，光束再次偏离，因为它穿透到空气中。由于斯奈尔定律在这里也适用，因此光束以与入射角度α相同的角度α离开ir透明框格；这种情形对应于简单地水平固定在以倾斜角度α1倾斜的ir透明框格的前面的现有技术lidar组件。
[0101]
参考图1(b)，如果恒定厚度(d3)并且具有折射率n3》1的中间框格(3)密切地联接到恒定厚度(d1)的ir透明框格(1)，则入射光束首先与中间透明框格的表面以入射角度相交，并且在以入射角度φ穿过中间透明框格时偏离，直到它到达与透明框格的内表面(1i)形成界面的界面表面。此时，光束以角度β偏离，直到它到达外表面(1o)并以角度a偏离，因为它在空气中传播。应用斯奈尔定律，结果就是入射角度就是入射角度
[0102]
参考图1(c)，如果中间透明框格是抗反射单元(3)，其中界面表面(31)与表面(32)形成楔形角度θ，则斯奈尔定律也适用，但这次这种情形对应于图3(a)和图3(b)所示的配置。
[0103]
参考图1(d)，如果使得入射轴线(i0)垂直于抗反射单元(3)的表面(32)，则入射光束在穿过表面(32)时不偏离，并且以与在界面表面(31)和表面(32)之间形成的楔形角度相同的角度θ到达透明框格的界面表面(31)与内表面(1i)之间的界面。在形角度相同的角度θ到达透明框格的界面表面(31)与内表面(1i)之间的界面。在的情况下，入射轴线(i0)与界面表面(31)的法线形成角度τ，该角度等于角度θ(τ＝θ)。楔形角度θ可以容易地根据折射轴线(ir)的期望取向被评估为sinθ＝(n0/n3)sinα，并且在空气中的n0＝1情况下，sinθ＝(1/n3)sinα。
[0104]
界面表面(31)与表面(32)之间的楔形角度θ可以介于10
°
与50
°
之间、优选地在30
°
与40
°
之间、更优选地在33
°
与37
°
之间。
[0105]
可以清楚地看出，在抗反射单元包括形成楔形角度θ的界面表面(31)和表面(32)的情况下，与图2所示的现有技术车辆中的角度α相比，入射角度可以大幅减小并且可以容易设置为并且可以容易设置为从而产生最低反射率，如图1(e)的曲线图所示。界面表面(31)不一定是平面的。该界面表面应尽可能紧密地匹配与其形成界面的内表面(1i)的部分的几何形状。如果内表面(1i)是弯曲的，如具有弯曲挡风玻璃的图3(b)和图5所示，那么界面表面也应弯曲，诸如以一起形成紧密的界面。紧密的界面有利于增强lidar装置(2)发射的ir辐射的透射。
[0106]
而并且，表面32可以不是平坦的。该表面的形状可以被设计来确保每个光束的正入射。一个示例在图7中展示。来自检测器的光束全部来自一个点。表面32的形状可以具有凹形表面，其中点源作为凹圆的中心。如果存在用于向外光束的多个点源，或者存在传感器点来收集向后光束，则表面32可以具有多个凹形和/或凸形轮廓，以便连接成一件部件或在需要时变成分开的部件。此外，表面32可以被设计为具有自由形状，使得每个点处的表面倾斜度被优化为具有光束的正入射。
[0107]
抗反射单元(3)的形状可以是灵活的，例如三角形、梯形，并且其上边界边缘和底边界边缘也可以是灵活的，例如平坦的、圆形的，只要界面表面(31)与表面(32)形成角度θ而使得激光入射光束i0与表面(32)的法线之间的角度j小于a1、优选地在-30与30度之间、更优选地为0即可。
[0108]
抗反射单元(3)具有折射率n3。优选地，抗反射单元的折射率n3接近、更优选地等于框格(1)的折射率n1。特别地，n3可以介于n1的
±
10％内(即，n3＝n1(1
±
5％)、优选地n3＝n1。折射率n1和n3两者都可以介于1.3与1.7之间、优选地在1.4与1.6之间、更优选地在1.45与1.55之间。此实施例具有以下优点：光束在抗反射单元(3)与框格(1)之间的界面处不偏离。在入射角度的实施例中，使得光束沿着入射轴线(i0)从其来自lidar装置并且更具体地固态lidar的发射一直传播穿过透明框格(1)的外表面(1o)的外表面。
[0109]
抗反射单元(3)可以由玻璃或聚合物组成。玻璃可以是钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃或石英玻璃。聚合物可以选自以下一者或多者：聚乙烯醇缩丁醛(pvb)、聚氨酯(pu)、聚甲基甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)、光学级硅树脂或它们的共混物或共聚物，或者前述材料中的两者或更多者的组合。抗反射单元(3)可以是整体式的，即，同质的，并且由单一材料或材料的共混物组成，如先前所讨论。替代性地，该抗反射单元可以由相同或不同材料的各种元件(3i)的组件组成。在本发明的优选实施例中，抗反射单元(3)对可见光是不透明的。术语不透明意味着光透射率《10％。图8示出了根据本发明的实施例的3
个配置：在图8(a)中，抗反射元件(3)全部由近ir(nir)透明但可见光不透明的材料组成。ar单元(3)可以由黑色材料组成，例如黑色ir透明玻璃，如在欧洲专利申请ep18194808.4中描述。在图8(b)和图8(c)中，ar单元(3)部分地由nir透明但可见光不透明材料组成。因此，可以使用不同类型的材料来形成ar单元(3)。这些材料中的一种是nir透明并且可见光透明材料(在这里称为nir透明材料)，其被定义为在从750nm至1650nm的波长范围内具有小于5m-1
的吸收系数。nir透明并且可见光不透明材料被定义为在从750nm至1650nm的波长范围内具有小于5m-1
的吸收系数并且在从400nm至750nm的波长范围内具有小于10％、优选地小于5％、更优选地小于1％的透射率。
[0110]
不管抗反射单元(3)的分层或整体结构，界面表面(31)和/或表面(32)可以设置有附加的功能，诸如涂层或通过在框格基板与ar单元之间添加功能材料。
[0111]
涂层优选地选自抗反射(ar)涂层、着色的涂层、疏水涂层、防雾涂层、防冻涂层和/或加热涂层。
[0112]
ar涂层优选地设置在ar单元的表面32上。ar涂层进一步增强所关注的波长下的透射率。ar涂层可以例如是具有低折射率的基于多孔硅的层或者它可以由若干层(堆叠体)、特别是具有低和高折射率的介质材料交替层并且终止于具有低折射率的层的层堆叠体构成。ar涂层可以例如是基于例如通过离子注入技术沉积的折射率梯度层的层。还可以使用纹理化表面。也可以使用蚀刻或涂覆技术来避免反射。优选地，经处理的表面在所关注波长范围内的反射将降低至少1％。
[0113]
着色的涂层意指至少一个ir透明的吸收(着色的)和/或反射涂层，以便使外部看不到传感器的不美观元件，同时确保良好水平的运行性能。此涂层可以例如由至少一个黑色膜层或黑色涂漆层构成，所述黑色膜层或黑色涂漆层在可见光学范围内没有(或具有非常低)透射率，但在本技术所关注的红外范围内具有高透明度。优选地，此涂层将证明在可见光学范围内最大15％的透射率值以及在从750nm至1650nm的波长范围内至少85％的透射率值。此种涂漆可以由有机化合物制成，所述有机化合物可以在400nm至750nm范围内达到《10％的透射率。着色的涂层还可以是被优化来选择性地反射可见光范围而同时维持高ir透射率的多层涂层。因此寻求如在产品上观察到的一些特性。当此种层沉积在适当的玻璃组成上时，这些特性确保完整系统的总ir吸收度低。
[0114]
疏水涂层可以例如由氟聚合物的薄分子层构成，除了其他效果之外其降低表面能并提供自清洁性、防污特性以及改善的防潮性。
[0115]
加热涂层的层厚度优选地为0.1μm至15μm、特别优选地为1μm至10μm。
[0116]
框格基板与ar单元之间的功能材料可以包括黑色pvb和/或加热系统。
[0117]
黑色pvb可以被用作框格基板与ar单元之间的夹层。它在关注的ir波长内是透明的，但在可见光范围内的透射率较低，更特别地在400nm至750nm中小于5％。
[0118]
加热系统允许组件在外部操作条件不利时快速除霜或除雾。此加热系统可以由导线网络或在可以应用适当电源的情况下直接施用在玻璃表面上的导电贴片构成。任选地，该系统还可以包括用于在需要的情况下动态触发加热功能的温度传感器。
[0119]
如在背景技术部分中讨论，标准抗反射涂层通常针对正入射(即，入射角度)进行优化，这通常不适合在汽车前挡风玻璃或后窗的倾斜角度a1》10
°
并且一般为大约50
°
至70
°
(或更大)的框格中使用。在入射轴线(i0)与表面(32)之间的优选入射角度的情况下，标准抗反射涂层可以有效地施加到抗反射单元(3)的表面(32)上。例如，抗反射层可以包括低折射率多孔硅中的一者；或多层介电材料交替层的层压件，该介电材料交替层具有低折射率和高折射率并且终止于具有低折射率的层；或者它们的混合物。
[0120]
将抗反射单元(3)联接到透明框格(1)
[0121]
通过在界面表面(31)与内表面(1i)之间形成界面将抗反射单元(3)联接到透明框格(1)。界面必须尽可能少地中断抗反射单元与透明框格之间的辐射的轨迹。抗反射单元可以通过机械紧固手段、通过粘合剂手段或通过高压蒸气或任何合适的手段联接到透明框格。
[0122]
机械紧固手段可以包括位于界面表面(31)的在lidar装置的视场之外的外围区域中的紧固元件。紧固元件可以包括通过例如粘合剂粘合到透明框格的内表面(1i)的第一元件以及抗反射元件的或固定到抗反射元件的互补元件部分。第一元件和互补元件优选地是可逆联接件并且可以包括卡扣配合件、卡口或螺纹组件等。可逆紧固构件的优点在于，在损坏的情况下可以移除并更换或维修抗反射单元(3)。
[0123]
粘合剂手段可以包括以对红外辐射透明的双面胶带或树脂层的形式施加粘合剂层，其中在从750nm至1650nm的波长范围内的吸收系数(k)低于5m-1
(即，a≤5m-1
)。如果可用作双面胶带则将适合于本发明的商业psa带的示例包括scotchgard
tm
(例如，sgh6)和3m的ventureshield
tm
(例如，vs7510e)以及haverkamp的profilon
tm
。可以用来将抗反射单元(3)粘合到透明框格(1)的树脂的示例包括由agc商业化的infoverre
tm
。树脂可以起反应并且通过暴露于温度或诸如uv光等辐射而凝固。
[0124]
可以使用任何适当和已知的高压蒸气过程来将抗反射单元(3)联接到框格。
[0125]
因此，可以通过以下步骤将lidar装置(2)联接到机动交通工具的透明框格(1)以减少所发射ir光束的反射率：
[0126]
(a)提供如前所述的框格(1)，
[0127]
(b)提供如前所述的光探测和测距(lidar)装置(2)，该lidar装置被配置用于发射以入射轴线(i0)为中心的ir光束，
[0128]
(c)提供如前所述的抗反射单元(3)，
[0129]
(d)将抗反射单元(3)的界面表面(31)密切接触地联接到透明框格(1)的内表面(1i)，
[0130]
(e)将lidar联接到抗反射单元(3)的表面(32)，使得入射轴线(i0)与表面(32)的法线形成角度该角度介于-30
°
与 30
°
之间。
[0131]
必须执行联接操作，使得由lidar发射的以入射轴线(i0)为中心的ir辐射通过表面(32)以入射角度穿过抗反射单元(3)并且沿着以折射轴线(ir)为中心的轨迹通过外表面(1o)离开透明框格(1)，该折射轴线与外表面(1o)的法线形成角度α，其中
[0132]
抗反射单元(3)的界面表面(31)优选地通过机械紧固元件、用粘合剂或通过高压蒸气联接到透明框格(1)的内表面(1i)，如前所讨论。
[0133]
抗反射单元(3)的光学特性
[0134]
抗反射单元(3)优选地具有良好的光学特性，该抗反射单元在联接到框格(1)时与法线形成至少10
°
、优选地至少50
°
、更优选地至少60
°
或70
°
的倾斜角度。例如，lidar发射的
ir光束的不超过6％可以被表面(32)以及被界面表面(31)与内表面(1i)之间的界面反射。通过减小入射角度进行补偿、更不用说超过在界面表面(32)与内表面(1i)之间的界面水平生成的反射率来获得反射率的减少当然是不可取的。这可以通过为抗反射单元(3)选择适当的材料和如前所述的适当联接方法来实现。
[0135]
由界面表面(31)和内表面(1i)形成的组件优选地对750nm至1650nm的波长范围内的ir辐射具有至少85％、优选地至少90％、更优选地至少92％并且甚至至少95％的平均透射率。
[0136]
抗反射单元(3)不需要对可见光具有高透明度。抗反射单元(3)可以是硅酸盐类型的玻璃板，其具有高的近ir透射率(尤其是在750nm至1650nm区域内)以及极低的或零可见光透射率，同时不损害该板的耐受性特性。
[0137]
更特别地，抗反射单元(3)是硅酸盐类型的玻璃板，其具有高的近ir透射率(尤其是在750nm至1650nm范围内)以及极低的或零可见光透射率，由于其固有特性，从而不需要额外的黑色/不透明的层/膜。
[0138]
抗反射单元(3)可以是具有以下组成的硅酸盐类型的玻璃板：
[0139]
(i)以按玻璃总重量计的重量百分比表示的含量，该组成包含：
[0140]-总铁(表示为fe2o3)0.002％至1.1％；
[0141]-锰(表示为mno)≥0.005％；
[0142]
以及任选地，
[0143]-铬(表示为cr2o3)0至1.3％，
[0144]
并且
[0145]
(ii)该组成具有：
[0146]-总铁、锰和铬的含量的总和(fe2o3 mno cr2o3)(表示为重量百分比)≥1％；
[0147]-定义为fe2o3*/(49 0.43(cr2o3*-mno*))的比率r1《1；
[0148]-定义为fe2o3*/(34 0.3(cr2o3*-mno*))的比率r2《1；fe2o3*、mno*和cr2o3*是相对于总和(fe2o3 mno cr2o3)的相对百分比。
[0149]
联接或界面表面中的一者或者大部分的抗反射单元可以通过施加彩色层或在大部分的可释放保护层中染色而被处理为彩色的。例如，可释放保护层可以是黑色的，或者可以具有与施加该可释放保护层的车辆的车身颜色匹配的颜色。
[0150]
材料的大多数光学特性由供应商的技术表单提供。
[0151]
抗反射单元(3)的用途
[0152]
本发明还涉及抗反射单元(3)的用途，如前所述，该抗反射单元用于降低以入射轴线(i0)为中心并且由lidar装置、更具体地固态lidar发射的穿过机动交通工具的透明框格(1)的ir光束的反射量，该透明框格与竖直线形成角度α1》10
°
、优选地α1》40
°
、更优选地α1》50
°
或60
°
。
[0153]
借助于光导主体联接到车辆的挡风玻璃的相机的组件在wo2018087223中描述。光导主体呈用于减少与面向倾斜挡风玻璃的相机的视场相交的倾斜挡风玻璃上的面积(“sensorbereich”或“sensorfenster”)的楔子的形式。出于以下原因，wo2018087223的教导无法应用于本发明来减少lidar并且更具体地固态lidar发射
的ir光束穿过倾斜透明框格的反射率。相机不发射任何辐射，而是捕获来自外部环境的可见光辐射。因此，由位于外部环境中的物体发射的可见光辐射可以被挡风玻璃的外表面(1o)反射。根据本发明的抗反射单元(3)的用途可用于减少lidar发射的从挡风玻璃的内表面的反射，并且将不能解决从外部环境发射的可见光从外表面(1o)的反射。其次，尽管存在大量的反射，相机仍有足够的敏感度来从外部捕获图像。
[0154]
[0155]