DE102020201804A1

DE102020201804A1 - Fenster-integrierter optischer filter für lidar

Info

Publication number: DE102020201804A1
Application number: DE102020201804.9A
Authority: DE
Inventors: Kyoung-Chun Kweon; Seon-Yong An; Min-Seok Oh; Jang-Seob Kim; Jae-Bum Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp; Optrontec Co Ltd
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp; Optrontec Co Ltd
Priority date: 2019-08-23
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2021-02-25
Also published as: US20210055462A1; CN112415646A; US11598909B2; KR20210023565A

Abstract

Offenbart ist ein Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR (Light Detection and Ranging), der aufweist: ein Fenster, das Polymermaterial zum Absorbieren eines sichtbaren Lichtbandes und Durchlassen eines Nahinfrarotbandes aufweist; und eine obere reflektierende Schicht und eine untere reflektierende Schicht auf der oberen Fläche und der unteren Fläche des Fensters. Die obere reflektierende Schicht und die untere reflektierende Schicht können in einem Dünnfilm ausgebildet sein, der Titandioxid (TiO2) und Siliziumdioxid (SiO2) aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fenster-integrierten optischen Filter für light detection and ranging (LiDAR) bzw. LiDAR-Fenster-integrierten optischen Filter zum integralen Implementieren der Funktionen eines optischen Filters und eine Abdeckung, die ein LiDAR-System für autonomes Fahren bilden.
HINTERGRUND
Ein optischer Filter wird herkömmlicherweise hauptsächlich in einer digitalen Abbildungseinrichtung wie einer Kamera und einem Smartphone zum Blockieren von Nahinfrarotlicht verwendet, um natürliche Farben, wie von dem menschlichen Auge gesehen, zu realisieren. Dementsprechend wird ein Bild realisiert, indem sichtbares Licht durchgelassen und Nahinfrarotlicht blockiert wird, um Lichtinterferenzen zu verhindern. Da eine LiDAR-Komponente jedoch Infrarotlicht als Hauptlichtquelle verwendet, ist die Leistung dahingehend, sichtbares Licht zu blockieren und Infrarotlicht durchzulassen, im Gegensatz zu einem optischen Filter, der in einer Kamera und einem Smartphone verwendet wird, sehr wichtig. Die LiDAR-Komponente kann beispielsweise in einem Time-of-Flight-Verfahren zur Messung der Entfernung zu einem Objekt verwendet werden, indem die Zeit verwendet wird, die das von der LiDAR-Komponente emittierte Infrarotlicht benötigt, auf ein Ziel zu treffen und wieder zurückzukehren. Zum Beispiel werden, wie in 1A gezeigt, in dem verwandten Stand der Technik obere/untere Nahinfrarot-absorbierende Schichten 20a, 20b auf ein transparentes Substrat 10a, das keine Absorption von sichtbarem Licht aufweist, mit einer Lösung aus einem Nahinfrarot-absorbierenden Farbstoff und einem Bindemittelharz beschichtet und dann getrocknet. Ferner können Nahinfrarot-reflektierende Schichten 30a, 30b auf dem oberen und unteren Teil der Nahinfrarot-absorbierenden Schicht durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD, englisch chemical vapor deposition) gebildet werden. Die Schichtdicke ist jedoch möglicherweise nicht einheitlich, da sie durch einen Lösungsbeschichtungsprozess hergestellt wird und eine einheitliche Dicke eines Dünnfilms auf dem gekrümmten Substrat nicht gebildet werden kann. Ferner kann, wie in 1B gezeigt, das Licht mit der Wellenlänge von 905 nm nicht für LiDAR verwendet werden, da das Nahinfrarotlicht blockiert wird.
Nachfolgend zeigen 2A und 2B einen optischen Filter in dem verwandten Stand der Technik, der eine hohe Blockierrate für sichtbares Licht und eine hohe Durchlässigkeit für Infrarotlicht aufweist. Die konventionelle Technologie bildet eine reflexionsarme Beschichtungsschicht 13b auf dem oberen Teil einer Glaskeramik 11b und bildet einen mehrschichtigen Dünnfilm 12b auf dem unteren Teil davon. Jedoch ist das Substrat der konventionellen Technologie auf eine Glaskeramik beschränkt, der mehrschichtige Dünnfilm ist abwechselnd mit Si und Ti laminiert, der Dünnfilm besteht aus 10 bis 50 Schichten und die Dicke beträgt 1 µm bis 100 µm, wodurch die Herstellungskosten steigen. Da insbesondere ein optischer Filter auf Glasbasis leicht zerbrechen kann, muss er gehandhabt werden und seine mechanische Beständigkeit ist gering, was insofern problematisch sein kann, als die Verarbeitungskosten des Glases steigen, wenn es so hergestellt wird, dass es eine gekrümmte Fläche hat.
Der Durchlässigkeitsgrad (transmission) bei der Infrarot-Wellenlänge im Band von 905 nm, die bei dem LiDAR verwendet werden soll, beträgt etwa 89 %. In dem LiDAR, wie in 3A gezeigt, sollte nur das Band von 905 nm durchgelassen werden und die restlichen Wellenlängen sollten abgeschnitten werden. Das heißt, es sollte eine Bandpassfilterfunktion vorhanden sein. Dementsprechend kann in dem entsprechenden Stand der Technik eine andere Wellenlänge als das vom LiDAR gesendete 905 nm-Signal empfangen werden, was zu einer Fehlfunktion eines Sensors führen kann.
Im Falle der Verwendung eines optischen Filters mit den in 3A dargestellten Eigenschaften ist die Transmissions- und Empfangseffizienz eines Signals reduziert, da der Durchlässigkeitsgrad in der Wellenlänge von 905 nm gering ist, auf einem Niveau von weniger als 55 %.
Ferner erfordert der optische Filter auf Glasbasis wie in 3B eine Bandpassfilterfunktion von etwa ±100 nm basierend auf der zentralen Wellenlänge von 905 nm.
Ein Nachteil besteht darin, dass die herkömmliche Technologie bisher ein Verfahren zur Befestigung des mit einem anorganischen Material beschichteten optischen Filters auf einem Glassubstrat verwendet, indem ein Sensorchip (Halbleiter) und ein optischer Filter getrennt hergestellt werden, wodurch der Prozess und die Herstellungskosten erhöht werden.
Das heißt, bei dem LiDAR-System sind, wie in 4 dargestellt, eine Avalanche-Photodioden (APD) Chip 1 und ein optischer Filter 2 für die Bilderfassung so konfiguriert, dass sie mit einem Klebemittel 3 auf der Innenseite einer Kunststoffabdeckung 4 der Fahrzeugfront verklebt sind.
Die in der Beschreibung zum verwandten Stand der Technik beschriebenen Inhalte sollen zum Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung beitragen und können auch das umfassen, was dem Fachmann auf dem Fachgebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, bisher nicht bekannt ist.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einem bevorzugten Aspekt ist ein Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR bzw. LiDAR-Fenster-integrierter optischer Filter vorgesehen, der die Herstellungskosten und den Prozess reduzieren kann und gleichzeitig als optischer Filter eines LiDAR-Systems fungiert.
Ein Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR weist auf: ein Fenster, das Polymermaterial aufweist; eine obere reflektierende Schicht, die an einer oberen Fläche des Fensters ausgebildet ist; und eine untere reflektierende Schicht, die an einer unteren Fläche des Fensters ausgebildet ist. Das Polymermaterial kann in geeigneter Weise ein sichtbares Licht absorbieren und ein Nahinfrarotlicht durchlassen. Sowohl die obere reflektierende Schicht als auch die untere reflektierende Schicht kann in einem Film ausgebildet sein, der Titandioxid (TiO₂) und Siliziumdioxid (SiO₂) aufweist. Der Film kann zum Beispiel durch Laminieren einer Titandioxid (TiO₂)-Schicht und einer Siliziumdioxid (SiO₂)-Schicht gebildet sein. Vorzugsweise ist eine solche Filmschicht (einschließlich eines TiO₂/SiO₂-Films) eine Dünnfilmschicht.
Ferner kann sowohl die obere reflektierende Schicht als auch die untere reflektierende Schicht in einem Mehrschichtfilm auf dem Fenster durch Aufdampfen (vapor deposition) ausgebildet sein.
Sowohl die obere reflektierende Schicht als auch die untere reflektierende Schicht kann mit dem Dünnfilm durch Laminieren einer Vielzahl von SiO₂-Schichten und TiO₂-Schichten ausgebildet sein.
Ferner kann eine Dicke der oberen reflektierenden Schicht in geeigneter Weise zwischen etwa 4 und etwa 7 µm liegen.
Ferner kann jede der oberen reflektierenden Schichten als eine Mehrschichtstruktur von 25 bis 30 Schichten abgeschieden (deposited) sein, und die obere reflektierende Schicht kann Infrarotlicht in der Wellenlänge von etwa 1400 bis 1600 nm reflektieren.
Ferner kann eine Dicke der unteren reflektierenden Schicht in geeigneter Weise zwischen etwa 4 und etwa 7 liegen µm.
Ferner kann die untere reflektierende Schicht als eine Mehrschichtstruktur aus 25 bis 30 Schichten abgeschieden sein, und die untere reflektierende Schicht kann Infrarotlicht in einer Wellenlänge von etwa 1100 bis 1400 nm reflektieren.
Vorzugsweise sollte ein Dickenunterschied zwischen der oberen reflektierenden Schicht und der unteren reflektierenden Schicht weniger als etwa 2 µm betragen.
Ferner kann das Fenster ein transparentes Kunststoffmaterial aufweisen, dem ein sichtbares Licht absorbierendes Material hinzugefügt wurde, und es kann in geeigneter Weise eine Dicke von etwa 2 bis 4 mm aufweisen.
Der Begriff „transparentes“ Material oder „transparentes“ Harz, wie er hier verwendet wird, kann sich auf ein Material beziehen, das eine wesentliche Durchlässigkeit für einen Teil des Lichts, wie beispielsweise sichtbares Licht, aufweist. Zum Beispiel kann eine wesentliche Menge sichtbaren Lichts wie etwa 50 %, etwa 60 %, etwa 70 %, etwa 80 %, etwa 90 %, etwa 95 %, etwa 99 % oder mehr davon durch das transparente Material oder Harz durchgelassen werden oder dieses durchdringen.
Dementsprechend kann der Durchlässigkeitsgrad in der Wellenlänge von 905 nm etwa 90 % oder mehr und der Durchlässigkeitsgrad in der Wellenlänge von 1550 nm etwa 1 % oder weniger betragen.
In einem Aspekt ist ein Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR vorgesehen, der aufweisen kann: ein Fenster, das ein Polymermaterial aufweist, das sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von etwa 350 nm bis 780 nm absorbiert; eine obere reflektierende Schicht, die an eine obere Fläche des Fensters laminiert ist, so dass Infrarotlicht in einer Wellenlänge von etwa 1400 bis 1.600 nm reflektiert wird; und eine untere reflektierende Schicht, die an eine untere Fläche des Fensters laminiert ist, so dass Infrarotlicht in einer Wellenlänge von etwa 1100 bis 1400 nm reflektiert wird.
Ferner kann der Durchlässigkeitsgrad in einer Wellenlänge von 905 nm etwa 90 % oder mehr betragen.
Ferner kann der Durchlässigkeitsgrad in einer Wellenlänge von 1550 nm etwa 1 % oder weniger betragen.
Gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen des integrierten optischen Filters des LiDAR-Fensters der vorliegenden Erfindung können der Lichtabsorptionszusatz und der mehrschichtige Dünnfilm integral an der Kunststoffabdeckung der LiDAR-Komponente ausgebildet sein, ohne mit dem APD-Chip verbunden zu sein, beispielsweise durch Herstellung des separaten optischen Filters, wodurch das LiDAR-Fenster selbst die Funktion des 905 nm-Bandpassfilters übernimmt.
Dementsprechend können die Herstellungskosten und der Herstellungsprozess reduziert werden.
Ferner kann die Erfassungsleistung (sensing performance) des LiDAR für das autonome Fahren weiter verbessert werden als bisher, wodurch die Sicherheit des Fahrers und des Fußgängers noch weiter gewährleistet wird.
Figurenliste

1A bis 4 sind Diagramme zur Erläuterung eines konventionellen LiDAR-Systems und eines optischen Filters in dem verwandten Stand der Technik.
5 ist eine schematische Darstellung eines Fenster-integrierten optischen Filters für LiDAR gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6A ist ein Diagramm, das den optischen Filter gemäß einem Vergleichsbeispiel 1 zeigt, und 6B ist ein Diagramm, das die Filtercharakteristiken gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 zeigt.
7A ist ein Diagramm, das einen beispielhaften optischen Filter gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 7B ist ein Diagramm, das beispielhafte Filtercharakteristiken gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8A ist ein Diagramm, das eine beispielhafte obere Fläche einer beispielhaften Mehrschichtstruktur eines beispielhaften optischen Filters gemäß einer beispielhaften

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 8B ist ein Diagramm, das eine beispielhafte untere Fläche einer beispielhaften Mehrschichtstruktur eines beispielhaften optischen Filters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

9 ist ein Diagramm, das den Einfallswinkel eines Infrarot-Lasers im 95 nm-Band zeigt, der auf einen beispielhaften Fenster-integrierten optischen Filter für LiDAR der vorliegenden Erfindung einfällt.
10A ist ein Diagramm, das den optischen Filter gemäß einem Vergleichsbeispiel 2 zeigt, und 10B ist ein Diagramm, das die Filtercharakteristiken eines Vergleichsbeispiels 2 zeigt.
10C und 10D sind Diagramme, die das Biegephänomen des Vergleichsbeispiels 2 zeigen.
11A ist ein Diagramm, das einen beispielhaften optischen Filter gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel 2 zeigt.
11B und 11C sind Diagramme, die darstellen, ob der optische Filter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebogen wurde.
12 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration für die Testevaluation des Fenster-integrierten optischen Filters für LiDAR zeigt.
13A ist ein Diagramm, das das Evaluationsergebnis gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 zeigt, und 13B ist ein Diagramm, das das Evaluationsergebnis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung einzuschränken. Wie hier verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“ „die“ „das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Es wird ferner davon ausgegangen, dass die Begriffe „aufweisen“ und/oder „weist auf“, wenn sie in dieser Spezifikation verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. In der hier verwendeten Form schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Punkte ein.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext offensichtlich wird, wie hier verwendet, der Begriff „ungefähr“ als innerhalb eines in dem Fachgebiet üblichen Toleranzbereichs verstanden, zum Beispiel innerhalb von 2 Standardabweichungen des Mittelwerts. Der Begriff „ungefähr“ kann als innerhalb von 10 %, 9 %, 8 %, 7 %, 6 %, 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 %, 0,5 %, 0,1 %, 0,05 % oder 0,01 % des angegebenen Wertes verstanden werden. Sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt, sind alle hier angegebenen Zahlenwerte durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert.
Um die vorliegende Erfindung, die Anwendungsvorteile der vorliegenden Erfindung und die durch die Ausübung der vorliegenden Erfindung erreichten Aufgabe vollständig zu verstehen, sollte auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen werden, die bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und den in den beiliegenden Zeichnungen beschriebenen Inhalt veranschaulichen.
Bei der Beschreibung der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden bekannte Techniken oder wiederholte Beschreibungen, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung unnötig verschleiern können, gekürzt oder ausgelassen.
5 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fenster-integrierten optischen Filters für LiDAR gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Fenster-integrierte optische Filter für LiDAR gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist für ein LiDAR-System und einen vor dem LiDAR-Sensor (APD-Chip) angeordneten Fenster-integrierten optischen Filter, und für die gleichzeitige Erfüllung der Rolle eines herkömmlichen optischen Filters und einer Abdeckung.
Der LiDAR ist ein wesentlicher Sensor für autonomes Fahren und kann die Entfernung zu einem Ziel durch ein Signal berechnen, das auf das Ziel trifft und zurückkehrt, indem er Infrarotlicht der Wellenlänge 905 nm verwendet. Der optische Filter wird unter anderem dazu verwendet, Rauschstörungen wie Sonnenlicht und andere Signale von außen während der Transmission und des Empfangs zu minimieren.
Zu diesem Zweck ist der Fenster-integrierte optische Filter für LiDAR der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass es ein Fenster 10, eine obere reflektierende Schicht 20 und eine untere reflektierende Schicht 30 aufweist, wobei das Fenster 10 aus einem Polymermaterial ist und beispielsweise aus einem transparenten Kunststoff (11, PC transparent plastic) gebildet ist, dem ein sichtbares Licht absorbierendes Material hinzugefügt ist, und die reflektierenden Schichten 20, 30 aus einem Dünnfilm-Mehrschicht-Abscheidungsfilm durch Vakuumabscheidung (vacuum deposition) gebildet sind.
Dementsprechend kann das sichtbare Licht durch das Fenster 10 absorbiert werden, und das Infrarotlicht der Ziel-Wellenlänge oder mehr kann von den reflektierenden Schichten 20, 30 reflektiert werden.

Die Dicken, die Anzahl der Schichten oder dergleichen des Fensters 10 und der reflektierenden Schichten 20, 30 sind wie in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1

Fenster - transparentes Kunststoff-Injektionssubstrat 10		Reflektierende Schicht - Dünnfilm-Mehrschicht-Abscheidungsfilm
Fenster - transparentes Kunststoff-Injektionssubstrat 10		Obere reflektierende Schicht 20		Untere reflektierende Schicht 30
Dicke (mm)	905 nm-Durchlässigkeitsgrad (%)	Dicke (µm)	Anzahl der Schichten	Dicke (µm)	Anzahl der Schichten
2 bis 4	85 bis 92	4 bis 7	25 bis 30	4 bis 7	25 bis 30

Das heißt, die Dicke der oberen reflektierenden Schicht 20 - Dünnfilm-Mehrschicht-Abscheidungsfilm, der auf dem oberen Teil des Fensters 10 mit SiO₂ und TiO₂ abgeschieden (bzw. aufgedampft) ist, kann etwa 4 bis 7 µm und 25 bis 30 Schichten betragen.
Ferner kann die Dicke der unteren reflektierenden Schicht 30 - Dünnfilm-Mehrschicht-Abscheidungsfilm, der auf dem unteren Teil des Fensters 10 mit SiO₂ und TiO₂ abgeschieden ist, etwa 4 bis 7 µm und 25 bis 30 Schichten betragen.
Der Dickenunterschied zwischen der oberen reflektierenden Schicht 20 und der unteren reflektierenden Schicht 30 kann weniger als etwa 2 µm betragen, da eine Biegung auftreten kann, wenn der Dickenunterschied etwa 2 µm oder mehr beträgt.
Ferner kann das Fenster 10 in geeigneter Weise bei der Wellenlänge von 905 nm mit einer Dicke von etwa 2 bis 4 mm einen Durchlässigkeitsgrad von 85 bis 92 % aufweisen.
Ferner kann die Fläche der oberen reflektierenden Schicht 20 gleichzeitig ein schwach reflektierendes Beschichtungsmaterial, eine harte Beschichtung oder die schwach reflektierende Beschichtung und die harte Beschichtung ausbilden.
Detaillierter beschrieben, unter Bezugnahme auf 6A bis 7B, wird Infrarotlicht durchgelassen und nur sichtbares Licht absorbiert, wenn nur das das sichtbare Licht absorbierende Material zu einem Basiskunststoff (Polycarbonat, 5) ohne den Infrarot-reflektierenden Abscheidefilm hinzugefügt wird, wie in 6A gezeigt, so dass es wie in 6B unmöglich ist, einen Bandpassfilter zu realisieren.
Im Gegensatz dazu kann im Falle des Fenster-integrierten optischen Filter für LiDAR gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 7A gezeigt ist, das Infrarotband je nach Art, Dicke, Anzahl der Schichten jedes Abscheidefilms entsprechend der oberen reflektierenden Schicht 20 und der unteren reflektierenden Schicht 30 reflektiert werden, so dass es möglich ist, den Bandpassfilter mit einem hohen Durchlässigkeitsgrad um die Wellenlänge von 905 nm herum wie in 7B zu realisieren. Da der Fenster-integrierte optische Filter für LiDAR einen hohen Durchlässigkeitsgrad von etwa 90 % oder mehr in der Wellenlänge zwischen 825 nm und 1025 nm hat, ist er für das LiDAR-System geeignet.
Da insbesondere der Durchlässigkeitsgrad der für das LiDAR verwendeten Wellenlänge von 905 nm etwa 90 % oder mehr und der Durchlässigkeitsgrad der Wellenlänge von 1550 nm etwa 0,1 % beträgt, gibt es kein störendes Überlagern mit dem LiDAR, der das Band von 1550 nm verwendet.
In dem Beispiel kann die untere reflektierende Schicht 30 mit 30 Schichten aus SiO₂ und TiO₂ abgeschieden sein, so dass die Wellenlänge von etwa 1100 bis 1400 nm reflektiert wird, und die obere reflektierende Schicht 20 mit 27 Schichten aus SiO₂ und TiO₂ abgeschieden sein, so dass die Wellenlänge von etwa 1400 bis 1600 nm reflektiert wird.
8A und 8B sind eine Struktur des Mehrschichtfilms, die durch FIB/SEM analysiert wurde, eine Vorverarbeitungsschicht (pre-processing layer) kann eine temporäre Schicht sein, die für die Analyse verwendet wird, 8A entspricht der oberen Fläche der Mehrschichtfilmstruktur des optischen Filters und 8B entspricht der unteren Fläche der Mehrschichtfilmstruktur des optischen Filters. Was zwischen der Vorverarbeitungsschicht und dem Basismaterial markiert ist, ist die tatsächliche Infrarot-reflektierende Schicht (bzw. Infrarot-Reflexionsschicht). In 8A beträgt die tatsächliche Dicke 5,918 µm, und in 8B beträgt die tatsächliche Dicke 5,478 µm. Ferner fällt einfallendes Licht unter einem konstanten Winkel auf einen Fenster-integrierten optischen Filter 100 für LiDAR, wie in 9 dargestellt.
Dementsprechend ist es wichtig, den Durchlässigkeitsgrad von 95 % oder mehr in der Wellenlänge von 905 nm beizubehalten, auch wenn sich das einfallende Licht von 0 Grad zu 40 Grad ändert. Ferner ist es wichtig, dass der Durchlässigkeitsgrad in der Wellenlänge von 1550 nm innerhalb von 1 % liegt, und dies kann durch die vorliegende Erfindung erreicht werden.
10A zeigt den optischen Filter gemäß einem Vergleichsbeispiel 2, und 10B zeigt die Filtercharakteristiken des Vergleichsbeispiels 2. Das Vergleichsbeispiel 2 ist ein Fall, in dem die Infrarot-reflektierende Schicht 6 nur auf einer Fläche des Basiskunststoffs 5 ausgebildet ist, und da die Infrarot-reflektierende Schicht auf dem breiten Bereich von 1100 nm bis 1600 nm durchgeführt wird, muss, um die Bandpasscharakteristik durch das Vergleichsbeispiel 2 zu zeigen, bei der Infrarot-reflektierenden Schicht 6 die Anzahl der Schichten des Abscheidefilms erhöht werden. Zum Beispiel kann die Dicke von 59 Schichten und etwa 10,202 µm erforderlich sein.
Um einen dicken Abscheidungsfilm mit einer großen Anzahl von Schichten zu bilden, wird die Kunststoffbasis 5, die eine relativ niedrige Wärmeverformungstemperatur aufweist, einem Hochtemperatur-Abscheidungsprozess ausgesetzt, wodurch Biegung auftritt.

10C zeigt, dass ein solches Biegephänomen aufgetreten ist, 10D zeigt die Referenz von 10C, und dies ist wie in Tabelle 2 zusammengefasst. In dem Experiment wurde bestätigt, dass die Dicke des Basiskunststoffs 2 mm betrug und die durchschnittliche Biegung von 286 µm auftrat. Tabelle 2

Punkte	Vorderseite (konkav)		Rückseite (konvex)		Durchschnitt
Punkte	X-Achse (µm)	Y-Achse (µm)	X-Achse (µm)	Y-Achse (µm)	X, Y-Achsen (µm)
Vor der Beschichtung	8.0	4.5	28.0	8.0	±6.1
Nach der Beschichtung	600.0	510.0	570.0	610.0	±286.25

Wenn der Abscheidungsfilm nur auf einer Fläche gebildet wird, kann außerdem bestätigt werden, dass der Durchlässigkeitsgrad etwa 15% beträgt, wenn der Einfallswinkel 50 Grad im Band von 1550 nm beträgt. Das heißt, da das Rauschsignal des LiDAR, der das Band von 1550 nm verwendet, so wie es ist durchtreten kann, kommt es aufgrund der Biegung zu einer Verzerrung des LiDAR-Signals.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei 905 nm einen hohen Durchlässigkeitsgrad und bei 1550 nm einen niedrigen Durchlässigkeitsgrad zu haben, und die Aufgabe wird durch die Konfiguration wie im Vergleichsbeispiel 2 nicht erreicht. Im Gegenteil zeigt 11A den optischen Filter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 11B und 11C zeigen, ob der optische Filter gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebogen ist, und dies ist, wie in Tabelle 3 zusammengefasst. Im Experiment wurde bestätigt, dass die Dicke des Basiskunststoffs 2 mm betrug und die durchschnittliche Biegung von 286 µm auftrat. Tabelle 3

Punkte	Vorderseite (konkav)		Rückseite (konvex)		Durchschnitt
Punkte	X-Achse (µm)	Y-Achse (µm)	X-Achse (µm)	Y-Achse (µm)	X,Y-Achsen (µm)
Vor der Beschichtung	8.0	4.5	28.0	8.0	±6.1
Nach der Beschichtung	140.0	50.0	200.0	40.0	±53.7

Wie Tabelle 3 zu entnehmen ist, kann, wenn die reflektierende Schicht wie bei der vorliegenden Erfindung auf der oberen Fläche und der unteren Fläche aufgebracht wird, die Biegung nach dem Abscheiden selbst bei einer Dicke von 2 mm unbedeutend von etwa 53 µm sein, so dass das Biegephänomen minimiert ist und wodurch das LiDAR-Signal nicht beeinflusst wird.
12 ist eine experimentelle Konfiguration zur Evaluation der Erfassungsleistung (Signalerfassung) des LiDAR, wenn das in das LiDAR-Fenster integrierte optische Filter der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Ferner zeigt 13A das Evaluationsergebnis des Vergleichsbeispiels 1 durch die experimentelle Konfiguration von 12, und 13B zeigt das Evaluationsergebnis einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch die experimentelle Konfiguration von 12.
Im Experiment wurde für die Lichtstärke der Beleuchtung 5.500 bis 5.800 cd, den Beleuchtungsmesser CL200-A, den Glanzmesser AG-446 und für das künstliche Sonnenlicht SOLAX XC-500 verwendet.
Das künstliche Sonnenlicht (S) wirkt wie ein Rauschen, das den normalen Betrieb des LiDAR (L) stört. Das LiDAR verwendet die Wellenlänge in der Wellenlänge von 905 nm des Infrarotlichts, und auch die APD empfängt nur die Wellenlänge von 905 nm, so dass sie nicht in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, und ändert auch einige periphere Wellenlängen in das elektrische Signal, wodurch eine hohe Filterleistung erforderlich ist, die selektiv nur die Wellenlänge von 905 nm bei dem Maximum in dem optischen Filter durchlässt.
Es wurde bestätigt, dass, wenn das von dem künstlichen Sonnenlicht (S) an der Wand (W) reflektierte Licht auf den LiDAR L auftrat, um als Rauschen zu wirken, im Falle der Kunststoffabdeckung, die nur die Absorptionsfunktion für sichtbares Licht aufweist, ein LiDAR-Signal durch das Sonnenlicht abgeschnitten wurde, wie in 13A. Im Gegenteil hierzu wurde bestätigt, dass bei der Anwendung des optischen Filters gemäß der vorliegenden Erfindung viel Rauschen herausgefiltert wurde, weil nur das Band von 905 nm±100 nm durch die Funktionen der Infrarot-Reflexion und der Absorption des sichtbaren Lichts durchgelassen wurde, und dementsprechend bestanden, als Ergebnis der Auswertung eines 8-Kanal-LiDAR-Signals, 6 Kanäle des LiDAR-Signals fort.
Dies bedeutet, dass bei der Verwendung des im Fenster integrierten optischen Filters für LiDAR gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einem realen autonomen Fahrzeug die Erfassungsleistung erheblich gesteigert werden kann, so dass die Sicherheit eines Fahrers und eines Fußgängers gewährleistet wird.
Das LiDAR für das Experiment ist ein 8-Kanal-LiDAR, und 8 Kanäle (Schichten) sind vertikal ausgebildet. 13A und 13B sind Bilder, die von der Vorderseite des LiDARs aus betrachtet werden, und die grüne Linie soll durch eine gepunktete Linie ein Signal durch die Punktwolkentechnik (point cloud technique) anzeigen, indem das zum Ziel (Wandoberfläche) reflektierte Infrarotlicht des LiDARs in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Wie oben beschrieben, kann gemäß den verschiedenen beispielhaften Fenster integrierten optischen Filtern der vorliegenden Erfindung die Abdeckung selbst als optischer Filter fungieren, ohne dass der separate optischen Filter an dem LiDAR ausgebildet werden muss, wodurch die Herstellungskosten und dergleichen im Vergleich zu dem herkömmlichen Filter reduziert werden, und sie ist noch effektiver für die LiDAR-Empfangsleistung.
Obwohl die vorliegende Erfindung, wie sie oben beschrieben wurde, unter Bezugnahme auf die beispielhaften Zeichnungen beschrieben wurde, ist sie nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern es ist für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sind die modifizierten Beispiele oder geänderten Beispiele in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung umfasst, und der Umfang der vorliegenden Erfindung sollte auf der Grundlage der beigefügten Ansprüche interpretiert werden.

Claims

Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR (Light Detection and Ranging), aufweisend: ein Fenster, das ein Polymermaterial aufweist; eine obere reflektierende Schicht, die auf einer oberen Fläche des Fensters ausgebildet ist; und eine untere reflektierende Schicht, die auf einer unteren Fläche des Fensters ausgebildet ist; wobei das Polymermaterial ein sichtbares Licht absorbiert und ein Nahinfrarotlicht durchlässt, wobei sowohl die obere reflektierende Schicht als auch die untere reflektierende Schicht in einem Film ausgebildet ist, der Titandioxid (TiO₂) und Siliziumdioxid (SiO₂) aufweist.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 1, wobei sowohl die obere reflektierende Schicht als auch die untere reflektierende Schicht in einem Mehrschichtfilm durch Aufdampfen gebildet sind.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 2, wobei sowohl die obere reflektierende Schicht als auch die untere reflektierende Schicht mit dem Film durch Laminieren einer Vielzahl von SiO_2-Schichten und TiO_2-Schichten gebildet ist.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 3, wobei eine Dicke der oberen reflektierenden Schicht etwa 4 bis 7 µm beträgt.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 3, wobei die obere reflektierende Schicht als eine Mehrschichtstruktur von 25 bis 30 Schichten abgeschieden ist.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 5, wobei die obere reflektierende Schicht Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von etwa 1400 bis 1600 nm reflektiert.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 3, wobei eine Dicke der unteren reflektierenden Schicht etwa 4 bis 7 µm beträgt.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 7, wobei die untere reflektierende Schicht als eine Mehrschichtstruktur von 25 bis 30 Schichten abgeschieden ist.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 8, wobei die untere reflektierende Schicht Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von etwa 1100 bis 1400 nm reflektiert.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 3, wobei ein Dickenunterschied zwischen der oberen reflektierenden Schicht und der unteren reflektierenden Schicht weniger als etwa 2 µm beträgt.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 3, wobei das Fenster ein transparentes Kunststoffmaterial aufweist, das ein dazu hinzugefügtes, sichtbares Licht absorbierendes Material aufweist, und eine Dicke von etwa 2 bis 4 mm aufweist.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 3, wobei der Durchlässigkeitsgrad bei einer Wellenlänge von 905 nm etwa 90 % oder mehr beträgt.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 12, wobei der Durchlässigkeitsgrad bei einer Wellenlänge von 1550 nm etwa 1 % oder weniger beträgt.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR (Light Detection and Ranging), aufweisend: ein Fenster, das ein Polymermaterial aufweist, das sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von etwa 350 nm bis 780 nm absorbiert; eine obere reflektierende Schicht, die auf eine obere Fläche des Fensters laminiert ist, so dass Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von etwa 1400 bis 1600 nm reflektiert wird; und eine untere reflektierende Schicht, die auf eine untere Fläche des Fensters laminiert ist, so dass Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von etwa 1100 bis 1400 nm reflektiert wird.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 14, wobei der Durchlässigkeitsgrad bei einer Wellenlänge von etwa 905 nm etwa 90 % oder mehr beträgt.
Fenster-integrierter optischer Filter für LiDAR nach Anspruch 15, wobei der Durchlässigkeitsgrad bei einer Wellenlänge von 1550 nm etwa 1 % oder weniger beträgt.