形式多變的光學塗層對激光雷達（LiDAR）極為重要

據麥姆斯諮詢報道，隨著自動駕駛汽車從實驗室階段進入上路階段，激光雷達(LiDAR)的「春天」來了。但是，實際上LiDAR涉及很多廣泛的應用和光學設計，每種都需要獨特的光學塗層。

LiDAR技術第一次引起公眾的注意，要追溯到1971年「阿波羅15號」登月計劃。從那時起，LiDAR在各種各樣的應用中沿用至今：從機載表面測量到環境、工業、安全，從城市規划到建築、事故場景的地面測繪，以及其他需要詳細的、自動化的三維繪圖的環境。然而，近年來，LiDAR在推動自動駕駛、可視化和遊戲的發展以及在無人區進行無人偵察的需求方面取得了長足進展。所有這些應用程序都需要一雙自動的「眼睛」，不僅僅能捕捉圖像，還能提供精確的3D視圖，而且通常是實時的。

「阿波羅15號」登月船登陸月球表面

「阿波羅15號」從月亮軌道上拍攝的月球表面

什麼是LiDAR?

搭載LiDAR的飛機利用激光脈衝測距

LiDAR是對聲納或雷達進行基於光的模擬，常被描述為「激光探測與測距」(Light Detection And Ranging)或「激光成像、探測和測距」(Light Imaging， Detection， And Ranging)。它是一種基於光的飛行時間的距離測量方法。光源(通常是激光)對視野範圍內的物體進行掃描。光從物體表面直接反射回來，被感測器探測到，由於光的速度是恆定的，往返時間可以用來確定與該物體的距離，從而建立視野範圍的3D地圖。飛行時間可以直接計算，也可以使用脈衝光源或經調製後的光源通過距離選通成像，相位差可以通過光外差探測計算。

Velodyne激光雷達(LiDAR)演進

LiDAR對光學塗層的要求

任何一種在某距離發生散射光的應用中，靈敏度最為重要。靈敏度越高，越能提高探測低反射率物體的精度和能力。同時，這也有助於使用光強較弱的光源，增加安全性和降低功耗。然而，許多LiDAR工作在室外環境，因此在操作波段內，耐用的窗口和具有高傳輸性的光學系統顯得十分必要。

在較寬的入射角範圍內保持低反射率是LiDAR的關鍵，圖示為在聚碳酸酯基板上形成的中心值為905納米抗發射層的反射率隨入射角的變化情況(來源：AccuCoat， Inc.)

根據設計，可能需要狹窄的V-coat幫助排除寬頻抗反射層(AR coating)的環境光，從而允許使用多個波長。波長從可見光到近紅外光分布，可匹配不同應用程序和環境的特定需求(從波長532納米的海洋測繪到人眼安全的1550納米範圍)。

FOV(Field of View)也因應用不同而大相徑庭。甚至在自動駕駛車輛市場，一些感測器也具備360° FOV，而另一些感測器則被設計用於自適應巡航控制的保險杠上。抗反射層規範必須考慮到檢測光學的設計，以確保測量範圍的所有角度具有高傳輸性。同時也需要額外的模塊，用於排除環境光，保護內部光學或進一步改善信噪比。

抗反射層幾何形狀豐富，基板類型多樣

LiDAR應用領域豐富，為達到精度、靈敏度和量程的最佳化，產生了各種不同的抗反射層製備方法，沒有單一的設計方法佔主導地位。LiDAR的塗層窗口可以是扁平的、彎曲的或圓柱形的——由整片或部分製成。根據標準或非球面內透鏡，塗層可能需要更換。每種設計都是獨一無二的。即使在指定的LiDAR產品線，製造商可能會針對不同應用使用不同的幾何形狀，這要求塗層供應商具備在不同幾何形狀基板製備塗層的生產能力。

在LiDAR的光學塗層中，基板材料的材質也呈多樣化，涉及玻璃、塑料、聚合物和有色材料。單點金剛石(SPDT)光學器件通常處於樣品階段，有的已經進入複雜部件的批量生產階段。

均勻性為王

所有LiDAR的光學塗層對均勻性都有嚴格的要求，無論是單一塗層的表面還是體積。這在自動駕駛車輛市場中尤其重要，因為LiDAR的作用是導航、接近探測和保障安全。

工夾具對塗層均勻性有一定的影響，但多軸塗層系統才是導致區別的真正因素。確保所有部件的塗層和所有表面的塗層足以應對各種最具挑戰性的幾何形狀的要求。這需要對機械和工藝進行精細控制，包括各個軸的正確旋轉速率的選擇，各軸的同步，以及對腔體內沉積速率的精細控制。多軸塗層使大尺寸光學薄膜塗層的每一處都保持高度一致的優秀性能，並且在批量生產中始終保持一致。

雖然在LiDAR中使用塗層的規範在光譜意義上講並不複雜，但使用了不同種類的基板材料、尺寸和幾何形狀。這個看起來微不足道的方面，實質上是LiDAR系統設計時值得仔細確認的因素，這樣才能最大限度地提高系統性能。

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