近红外车载激光雷达高耐磨双层减反膜.pdf
《近红外车载激光雷达高耐磨双层减反膜.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《近红外车载激光雷达高耐磨双层减反膜.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、文章编号:1002-2082(2024)01-0192-07近红外车载激光雷达高耐磨双层减反膜斯宇晗1,叶晓军1,王晓亮2,李红波1(1.华东理工大学材料科学与工程学院,上海200237;2.宸光(上海)新材料科技发展有限公司,上海201100)摘摘 要:要:工作波长为 905nm 的激光雷达在汽车自动驾驶领域具有强大的应用前景,但工业常用的磁控溅射减反膜,作为其光学窗口表面涂层之一,存在耐磨性不足问题,难以适应恶劣户外环境。采用溶胶凝胶法结合高温固化工艺,为工作波长为 905nm 的车载激光雷达减反膜提供高耐磨、低成本的解决方案,并研究了固化温度、盐酸浓度、络合剂存在且低酸浓度下的含水量对T
2、iO2折射率的影响。从反射率、粗糙度、硬度、耐磨性等方面对采用不同底层固化方式的双层减反膜的光学性能和机械性能进行评估,结果表明:当入射光波长为 905nm 时,薄膜表现出优良的减反性能,入射角为 15时反射率小于 1%,入射角为 60时反射率小于 5%,粗糙度最低为 0.005m,基本满足水平视角 120的激光雷达的光学需求。薄膜铅笔硬度达 8H,最多能够承受 8000 次往复摩擦且无明显损伤,具有优良的适应恶劣环境的能力。关键词:关键词:激光雷达;溶胶凝胶;减反膜;折射率;TFCalc中图分类号:TN205文献标志码:ADOI:10.5768/JAO202445.0105003High w
3、ear resistant double-layer antireflection coatings fornear-infrared vehicular lidarSIYuhan1,YEXiaojun1,WANGXiaoliang2,LIHongbo1(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China;2.ChenGuang(Shanghai)NewMaterialTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Shangh
4、ai201100,China)Abstract:The lidar operates at 905 nm is considered to have essential application values in automotiveautonomousdriving.Theantireflectioncoatingsmadebymagnetronsputteringcommonlyusedinindustryhavetheproblemofinsufficientwearresistance,whichisdifficulttoadapttotheharshoutdoorenvironmen
5、t.Thesol-gelmethodcombinedwithhigh-temperaturecuringprocesswasusedtoprovideasolutionofhighwearresistanceandlowcostforantireflectioncoatingsappliedtovehicularlidarwhichoperatedat905nm,andtheinfluencesofcuringtemperature,concentrationofhydrochloricacid(HCl),watercontentinweakacidenvironmentonrefractiv
6、eindexofTiO2werestudied.Theopticalandmechanicalpropertiesofthecoatingswithdifferentunderlyingcuringmethodswereevaluatedfromthereflectivity,roughness,hardnessandwearresistance.Theresultsshowthatthecoatingshaveexcellentanti-reflectionperformanceatthewavelengthof905nm,thereflectivityislessthan1%whenthe
7、incidentangleis15andlessthan5%whentheincidentangleis60,andtheminimumroughnessis0.005m,whichgenerallymeetstheopticalrequirementsofthelidar with a horizontal angle of 120.The coatings show the excellent capability of enduring harshenvironments,with pencil hardness of 8H and withstanding 8 000 times of
8、 reciprocating friction withoutperceptibledamages.Key words:lidar;sol-gel;antireflectioncoatings;refractiveindex;TFCalc收稿日期:2022-12-06;修回日期:2023-09-14基金项目:上海市科学技术委员会科研计划项目(19DZ1206503)作者简介:斯宇晗(1998),女,硕士研究生,主要从事玻璃光学膜技术研究。E-mail:通信作者:王晓亮(1983),男,博士,主要从事光学镀膜材料研究。E-mail:第45卷第1期应用光学Vol.45No.12024年1月Jour
9、nalofAppliedOpticsJan.2024引言随着自动驾驶系统的发展,对感知系统获取周围环境信息的能力要求愈发高涨,激光雷达的使用可以让车辆更好地“看到”周围的环境,其中,工作波长为 905nm 的激光雷达是目前车载激光雷达中最常用的一款。激光雷达系统的发射光学窗口需确保对激光本身的高透明度且保护内部组件使其免受恶劣环境的影响1。但其存在对激光光强具有一定的削弱作用,减反膜利用光的干涉现象,降低窗口玻璃表面反射率,在一定程度上能够解决这个问题2-3。随着干燥、真空技术的快速开发,磁控溅射成为工业中沉积减反膜的首选4。但是磁控溅射工艺较为复杂,对环境、设备具有严苛要求,成本居高不下,并
10、且低温磁控溅射制得的减反膜存在耐候性和机械性能不足的问题,虽然可以通过加热衬底5或高温退火6-8改善,但设备的磁铁通常耐温性能不高,溅射过程中保持较高的温度可能会造成磁铁的损坏。大量研究证明,溶胶凝胶技术可实现宽带、单波长、双波长等各种光学要求的减反膜9-12,其在折射率调控上具有优秀的表现13-18,高温烧结同样给溶胶凝胶涂层带来高耐候性和高机械强度19,从而满足恶劣环境的工作需求。本文利用溶胶凝胶法为工作波长为 905nm 的车载激光雷达减反膜提供解决方案,得到在入射角 060范围内反射率小于 5%的高硬度、高耐磨性、低粗糙度的无裂纹双层复合减反膜。1 样品的制备1.1 TiO2溶胶与 S
11、iO2溶胶的制备1)TiO2溶胶制备实验探索了固化温度、盐酸浓度、弱酸性环境下含水量对 TiO2薄膜折射率的影响。室温条件下分别将表 1 所示试剂混合,搅拌 45min,在室温条件下密封陈化 24h,得到 TiO2镀膜液。表 1 TiO2薄膜折射率实验变量及溶胶配方Table 1 Variables for refractive index and sol formulas of TiO2 coatings样品编号固化温度/盐酸浓度/mol/L水/g盐酸/g钛酸四丁酯/g乙酰丙酮/g无水乙酸/g乙醇/g固化温度/12006-1428-25020023006-1428-25030034006-1
12、428-25040045006-1428-25050056006-1428-25060067006-1428-25070076504-1428-25065086506-1428-25065096508-1428-2506501065010-1428-25065011650-1-289225065012650-2-289225065013650-3-289225065014650-4-28922506502)SiO2溶胶制备室温条件下将正硅酸乙酯、0.5mol/L 盐酸、无水乙醇按照质量比 112 混合,搅拌 30min,再加入 3 倍于上述混合物质量的异丙醇,继续搅拌20min。搅拌完成后,在
13、室温条件下密封陈化 24h,得到 SiO2镀膜液。1.2 薄膜的制备采用旋涂方式镀膜,将清洗完毕的玻璃固定于旋涂仪托盘中心。待转速稳定后,快速将 TiO2镀膜液倾倒于玻璃中心,继续旋转 10min。旋转完成后,采用静置、烧结、饱和氨气熏蒸等方式形成底层 TiO2薄膜。再进行顶层 SiO2层旋涂,将镀膜玻璃置于 650 马弗炉中分别固化 4min,即可得到双层 TiO2-SiO2复合减反膜。2 结果与分析2.1 薄膜表征采用椭偏仪(Semilab,SE-2000)测量薄膜的折射率,椭偏仪直接测量得到物体表面反射光的 2 种偏振态(p 波与 s 波)的振幅衰减比和相位差,本文基于 Tauc-Lor
14、entz 模型和 Cauchy 模型分别对 TiO2和 SiO2的椭偏数据进行折射率拟合。采用紫外分应用光学2024,45(1)斯宇晗,等:近红外车载激光雷达高耐磨双层减反膜193光光度计(PerkinElmer,LAMBDA850+)测量薄膜的透射率。采用激光粒度仪(MalvernPanalytical,nano-zse3700)进行溶胶粒径测试。采用光学薄膜设计和分析通用工具 TFCalc 软件进行膜系设计,并模拟复合薄膜 60时的反射率曲线。采用激光共聚焦显微镜(Keyence,VK-X100K)拍摄薄膜的表面形貌以及测量粗糙度。采用 Avantes 光谱仪(AvaSpec-ULS409
15、6CL-EVO 光谱仪和AvaLight-DHc紧凑型氘-卤素灯光源组合)测量薄膜的反射率,采用往复式磨耗试验机(Taber5900)来评估涂层的耐磨性,依据标准 GB-T6739-1996 采用推车式铅笔硬度计来评估涂层的硬度。2.2 TiO2薄膜折射率的影响因素折射率是影响减反膜光学性能的重要参数。当入射光在减反膜上下表面反射时,产生 2 束相干光,选择折射率合适的薄膜材料并精确控制薄膜的厚度,以确保 2 束相干光的光程差符合干涉极小条件,使得特定波长的反射光能量被完全消除或显著减弱,达到减反或增透的目的。溶胶凝胶法中的溶胶配方和固化工艺对 TiO2薄膜的折射率影响较大,为调控该膜层的折射
16、率,得到符合目标光学性能的减反膜,探索了不同固化温度、盐酸(催化剂)浓度、含水量对 TiO2薄膜折射率的影响,所得结果如图 1 所示。3004005006007008009001 0002.01.92.22.42.62.83.0折射率波长/nm3004005006007008009001 000波长/nm3004005006007008009001 000波长/nm3004005006007008009001 1001 000波长/nm(a)不同固化温度下TiO2薄膜的折射率(b)不同固化温度下TiO2薄膜的透射率(c)不同盐酸浓度下TiO2薄膜的折射率(d)不同盐酸浓度下TiO2溶胶的粒径及
17、分布(e)不同含水量下TiO2薄膜的折射率(f)不同含水量下TiO2溶胶的粒径及分布200 300 400 500 600 700 6050708090透射率/%200 300 400 500 600 700 56789101145678910平均粒径/nm盐酸浓度/(molL1)24 6 8 1201020强度/%粒径/nm24 6 8 12粒径/nm24 6 8 12粒径/nm0102030强度/%0102030强度/%2.22.12.42.62.83.03.2折射率6 mol/L8 mol/L10 mol/L2.02.12.22.32.42.5折射率H2O:TiBu物质的量之比 0.7:
18、1 1.4:1 2.7:1 5.4:11.71.81.92.02.12.22.32.42.50.7:1 1.4:12.7:15.4:1平均粒径/nmH2O:TiBu物质的量之比粒径/nm10.510051015202530强度/%10.510粒径/nm051015202530强度/%10.510051015202530强度/%粒径/nm10.510051015202530强度/%粒径/nm图 1 薄膜的折射率、透射率及溶胶粒径测试结果Fig.1 Test results of refractive index,transmissivity and sol particle size194应用光
19、学第45卷第1期图 1(a)、1(b)为固化温度 200700 范围内的样品 16 的折射率和透射率曲线。随着固化温度的不断升高,TiO2薄膜折射率呈现明显上升趋势,透射率呈下降趋势,折射率的上升为薄膜致密化程度增加所致,其中 400500 之间折射率有相对比较大的变化,可能是因为在这个温度范围内 TiO2由锐钛矿结构转化为金红石结构20。图 1(c)、1(d)为盐酸浓度分别为 6mol/L、8mol/L、10mol/L 样品 710 的折射率曲线以及粒径大小和粒径分布。当盐酸浓度为 4mol/L 时,溶胶在搅拌过程中凝胶,可见折射率随盐酸浓度升高呈现缓慢上升趋势,这是由于氢离子浓度越大,胶粒
20、的聚合速度越慢,经过相同的陈化时间,盐酸浓度越高聚合度越低,粒径越小,固化后致密程度越高。图 1(e)、1(f)分别为 pH=6.55 且 H2O:TiBu 物质的量之比分别为 0.71、1.41、2.71、5.41 时样品 1114 的折射率曲线以及粒径大小和粒径分布。为阻止溶胶因酸浓度低而过快凝聚,添加乙酰丙酮(AcAc)作为络合剂,使 AcAcTiBu 物质的量之比为 11。从图 1 中可见,随着含水量上升,溶胶中粒径呈微小的变大趋势,薄膜折射率基本不变,理论上含水量的增加抑制了脱水缩聚,从而抑制了缩聚网络的形成,使得粒径变小,折射率上升,但此处未呈现此现象,可以理解为乙酰丙酮包覆水解产
21、物,进一步阻止了胶粒缩聚的进行,使得粒径变化不大,这一影响大于含水量对缩聚反应带来的影响。此外,薄膜的成膜效果也受溶胶配方中溶剂种类的影响。为了能够在两步镀膜间得到无裂纹的双层复合减反膜,本文将 TiO2溶胶中的溶剂替换为粘度更高的异丙醇和正丁醇,并加入聚乙二醇(PEG600)。依据上述折射率变化趋势调节溶胶配方,最终所得 TiO2溶胶在固化温度为 650 左右时,折射率约为 2.10。2.3 不同底层固化方式的双层薄膜的反射率实验分别采用低湿度环境静置 2h、200 烧结 30min、650 烧结 4min、饱和氨气熏蒸 5s 的底层 TiO2处理方式制备了 4 个双层薄膜样品。利用 Ava
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 红外 车载 激光雷达 耐磨 双层 减反膜
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。