[发明专利]一种激光雷达的前置式加热光学窗口

说明书

本发明公开了一种激光雷达的前置式加热光学窗口，包括光学基板，光学基板的两个表面的至少一个表面上设置有透明导电膜，光学基板的侧面设置有框架，光学基板固定在框架上，框架上设置有与透明导电膜对应的电极，电极与透明导电膜贴接，光学基板与框架之间设置有将框架内部与外界隔离的密封装置，优点在于通过在光学窗口周边增加一个框架，对加热电路及引出方式重新设计，大大简化了从透明导电膜两端到加热与控制系统之间的电路连接，使得激光雷达光学窗口朝向激光雷达装置的外侧加热成为可能，从而解决了现有技术中存在的加热效率低、除冰速度慢及内部热量辐射大这两个最大的问题。

技术领域

本发明涉及一种激光雷达的光学窗口，尤其是涉及一种激光雷达的前置式加热光学窗口。

背景技术

固态激光雷达指用半导体“微动”器件（如MEMS扫描镜）来代替宏观机械式扫描器，在微观尺度上实现雷达发射端的激光扫描方式。MEMS扫描镜是一种硅基半导体元器件，属于固态电子元件，内部集成了“可动”的微型镜面，兼具“固态”和“运动”两种属性，对于激光雷达来说，MEMS最大的价值在于：原本为了机械式激光雷达实现扫描，必须使激光发射器转动。而MEMS微机电系统可以直接在硅基芯片上集成体积十分精巧的微振镜，由可以旋转的微振镜来反射激光器的光线，从而实现扫描。

由于固态激光雷达体积的大幅缩小，可以嵌入安装在车顶与前挡风玻璃之间，为了保证车体外观的一致性和整体美观程度，激光雷达的光学窗口通常需要做成黑色，但必须保证激光波段的高透过性。

另一方面，激光雷达在使用过程中不可避免的会受到外界环境的影响，比如寒冷天气、潮湿天气等，在这样低温高湿的环境下，激光雷达的光学窗口表面容易结冰、结霜或起雾，使激光雷达光学窗口透过率大幅下降，散射及干扰信号增加，激光雷达的系统信噪比降低，导致探测距离缩短，严重时甚至引起系统失效。因此该光学窗口必须具备加热功能，以实现快速化冰或除雾的功能。

目前的技术上已经广泛采用透明导电薄膜技术对基板进行加热，即将透明导电薄膜按照设定图形均匀镀在光学窗口的表面，通过在透明导电薄膜两端的电极上施加适当电压，利用电流流过透明导电薄膜的焦耳效应产生的热能对玻璃基板进行电加热，达到化冰、除霜、除雾等功能。

应用于激光雷达的传统加热窗口，其加热面的透明导电薄膜的两端上必须有电极，通常该电极的制备方法是：首先采用真空蒸发镀膜工艺或丝印及烧结工艺将导电材料涂布在透明导电膜2两端（见图1），形成两条汇流线9，其次在汇流线的两端制作导流电极10，最后通过焊接或热压等方法将导流电极10与外部引线连接，该引线将最终连接到加热与控制系统11，实现加热控制。由于其结构的复杂性，在使用的过程中需要避免诸如电极脱落，电路短路等问题。受其结构限制，为了防止暴露在恶劣的自然环境中造成受雨水侵蚀，加热窗口的透明导电膜面只能朝向激光雷达装置的内侧，被保护在一个密闭空间内。

但当透明导电膜面朝向激光雷达装置的内侧加热时，存在如下缺陷：

1、首先是加热除冰效率问题。光学窗口通常由光学玻璃或光学塑料为基底材料，这类材料的热传导系数很低，如光学玻璃的热传导系数为1W/(m·K)左右，光学塑料的热传导系数为0.2W/(m·K)，（作为参考，黄铜的热传导系数是120W/m·K）。透明导电膜通过隔热良好的光学窗口对其另一表面进行加热除冰，从加热效率和除冰速度上来讲，不是一个好的设计方案。

2、其次，激光雷达是安装在汽车上的一个十分紧凑的光电装置，大量精密光电元器件被安装在激光雷达的一个狭小密闭空间内。所包含的光电元器件包括：激光光源、光源驱动电路、高灵敏度光电探测器、探测器驱动与放大电路、光学镜头、光学微振镜列阵（MEMS）等，这些光电元器件的性能对温度变化较为敏感。当传统方案的加热面朝内时，在化冰除霜过程中将使大量热量通过辐射往激光雷达内部传递，会导致内部光电元器件的温度变化，进而影响激光雷达的探测性能。当然，通过增加有源控温器件可以进行控温或温度补偿，但系统的复杂性将随之增加，导致成本和体积增加。

发明内容