CN113906318A - 用于850-950nm的lidar应用的硬化光学窗口 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于感测系统的窗口。窗口包括：基板，其具有预定厚度和对于波长为905nm的电磁辐射的折射率；及设置在该基板上的分层膜，该分层膜包括高折射率材料和低折射率材料的交替层，高折射率材料具有比低折射率材料高的折射率，其中，分层膜的交替层中的每一层具有厚度，并且交替层的厚度被配置为使得窗口对于波长在850nm至950nm范围内的电磁辐射具有至少80％的透射率。窗口还包括在分层膜处的至少10GPa的硬度，如通过Berkovich压头硬度测试所测量的。

Description

用于850-950NM的LIDAR应用的硬化光学窗口
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求享有于2019年6月5日提交的美国临时申请序列号No.62/857,507的优先权，依赖于该申请的内容，并通过引用的方式将其全部内容合并于此。
背景技术
激光雷达(“LIDAR”)系统包括激光器和传感器。激光器发出激光束，该激光束可能会从物体反射，并且传感器检测到反射的激光束。将激光束脉冲化或以其他方式分布在径向范围内，以检测整个视场内的物体。可以从检测到的反射激光束的特性中解读有关对象的信息。可以根据从发射激光束到检测到反射激光束的渡越时间来确定物体与激光束的距离。如果物体在运动，则可以根据被反射并检测到的发射激光束的径向位置随时间的移位以及根据多普勒频率测量，来确定物体的路径和速度。
车辆是LIDAR系统的潜在应用，其中LIDAR系统提供空间映射能力以实现辅助、半自动或全自动驾驶。通常，激光发射器和传感器安装在车辆的车顶上或车辆的下前部上。考虑将发射的电磁辐射的波长在可见光范围之外(例如在或接近905nm或1550nm)的激光器用于车辆LIDAR应用。为了保护激光器和传感器免受岩石和其他物体的撞击，在激光器和传感器与激光器和传感器视线内的外部环境之间放置了一个窗口。但是，存在的问题是，撞击的岩石和其他物体会刮擦窗口并对窗口造成其他类型的损坏，这会导致窗口散射经发射和反射的激光束，从而损害LIDAR系统的有效性。
发明内容
本公开内容提供了一种用于窗口的分层膜，其包括为窗口提供硬度和耐刮擦性的一层或多层材料。分层膜还包括具有不同折射率的材料的交替层(包括提供硬度和耐刮擦性的材料)，可以配置交替层的数量及其厚度，以使得窗口具有905nm波长(和周围波长)的高透射率和低反射率。可以进一步配置交替层的数量及其厚度，以使得窗口具有可见光波长的低透射率和高反射率。
根据本公开内容的实施例，提供了一种用于感测系统的窗口。窗口包括具有预定厚度和对于波长为905nm的电磁辐射的折射率的基板，以及设置在该基板上的分层膜，该分层膜包括高折射率材料和低折射率材料的交替层，高折射率材料具有比低折射率材料高的折射率，其中，分层膜的交替层中的每一层具有厚度，并且交替层的厚度被配置为使得窗口对于波长在850nm至950nm范围内的电磁辐射具有至少80％的透射率。窗口还包括在分层膜处至少10GPa的硬度，如通过Berkovich压头硬度测试所测量的。
根据本公开内容的另一实施例，提供了一种用于感测系统的窗口。窗口包括具有预定厚度和对于波长为905nm的电磁辐射的折射率的玻璃基板，以及设置在该玻璃基板上的分层膜，该分层膜包括Si3N4和SiO2的至少七个交替层，Si3N4层具有比SiO2层高的折射率，其中，分层膜的交替层中的每一层具有厚度，并且交替层的厚度被配置为使得窗口对于波长在850nm至950nm范围内的电磁辐射具有至少80％的透射率。窗口还包括在分层膜处至少8GPa的硬度，如通过Berkovich压头硬度测试所测量的。
附加的特征和优点将在随后的具体实施方式中阐述，并且对于本领域技术人员而言，部分根据该具体实施方式将是显而易见的，或者通过实践本文所述的实施例(包括随后的具体实施方式、权利要求以及附图)而被认识到。
应当理解，前面的实用新型内容和随后的具体实施方式都仅仅是示例性的，并且旨在提供理解权利要求的性质和特征的概述或框架。包括附图以提供进一步的理解，并且附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出了一个或多个实施例，并且与描述一起用于解释各种实施例的原理和操作。
附图说明
图1是具有安装在车辆的车顶上的LIDAR系统和安装在车辆的前部的LIDAR系统的车辆的侧视图。
图2是图1的LIDAR系统之一的概念图，示出了通过窗口发射电磁辐射的电磁辐射发射器和传感器，该电磁辐射从物体反射，作为反射辐射通过窗口返回而被电磁辐射发射器和传感器感测。
图3是图2的区域III的截面图，示出了图2的窗口，具有玻璃基板，该玻璃基板具有第一表面和第二表面，第二表面在第一表面之前遇到发射的辐射，以及在第一表面上方和可选地在第二表面上方的分层膜；
图4是图3的区域IV的截面图，示出了设置在玻璃基板的第一表面上的分层膜，该分层膜包括高折射率材料和低折射率材料的交替层；
图5A是通过窗口的百分比透射率的曲线图，如示例1中阐述的，该窗口包括七(7)层分层膜实施例，该分层膜具有给予硬度和耐刮擦性的2000nm厚的Si3N4层，示出了对于从8°到25°的所有入射角，对于800nm至1000nm(包括905nm)范围内的波长，通过窗口的百分比透射率大于95％；
图5B是通过图5A中描述的窗口的百分比透射率的曲线图，示出了对于从8°到25°的所有入射角，对于从约750nm到约1600nm或更大范围的波长，百分比透射率大于85％，但是对于在从约300nm到约700nm的可见光范围内的波长，百分比透射率振荡减小；
图5C是离开图5A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了对于所有入射角，对于905nm波长，百分比反射率小于0.4％，而对于所有入射角，对于800nm至1000nm的波长范围，百分比反射率小于约0.8％；
图6A是通过窗口的百分比透射率的曲线图，如示例1中阐述的，该窗口包括七(7)层分层膜实施例，该分层膜具有给予硬度和耐刮擦性的5000nm厚的Si3N4层，示出了对于从8°到25°的所有入射角，对于800nm至1000nm(包括905nm)范围内的波长，通过窗口的百分比透射率大于95％；
图6B是通过图6A中描述的窗口的百分比透射率的曲线图，示出了对于从8°到25°的所有入射角，对于从约750nm到约1600nm或更大范围的波长，百分比透射率大于85％，但是对于在从约300nm到约700nm的可见光范围内的波长，百分比透射率振荡减小；
图6C是离开图6A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了对于从8°到25°的所有入射角，对于905nm波长，百分比反射率小于0.4％，而对于从8°到25°的所有入射角，对于800nm至1000nm的波长范围，百分比反射率小于约0.8％；
图7A是通过窗口的百分比透射率的曲线图，如示例2中阐述的，该窗口包括九(9)层分层膜实施例，该分层膜具有给予硬度和耐刮擦性的2000nm厚的Si3N4层，示出了对于从8°到25°的所有入射角，对于800nm至1000nm(包括905nm)范围内的波长，通过窗口的百分比透射率大于95％；
图7B是通过图7A中描述的窗口的百分比透射率的曲线图，示出了对于从8°到25°的所有入射角，对于从约750nm到约1600nm或更大范围的波长，百分比透射率大于85％，但是对于在从约300nm到约700nm的可见光范围内的波长，百分比透射率振荡减小；
图7C是离开图7A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了对于从8°到25°的所有入射角，对于905nm波长，百分比反射率小于0.2％，而对于从8°到25°的所有入射角，对于800nm至1000nm的波长范围，百分比反射率小于约1.0％；
图8A是通过窗口的百分比透射率的曲线图，如示例3中阐述的，该窗口包括十一(11)层分层膜实施例，该分层膜具有给予硬度和耐刮擦性的2000nm厚的Si3N4层，示出了对于从8°到25°的所有入射角，对于800nm至1000nm(包括905nm)范围内的波长，通过窗口的百分比透射率大于95％；
图8B是通过图8A中描述的窗口的百分比透射率的曲线图，示出了对于从8°到25°的所有入射角，对于从约750nm到约1600nm或更大范围的波长，百分比透射率大于85％，但是对于在从约300nm到约700nm的可见光范围内的波长，百分比透射率振荡减小；
图8C是离开图8A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了对于所有入射角，对于905nm波长，百分比反射率小于0.2％，而对于所有入射角，对于800nm至1000nm的波长范围，百分比反射率小于约1.2％；
图9A是通过窗口的末端(最外)表面的百分比透射率的曲线图，如示例4中阐述的，该窗口包括七(7)层分层膜实施例，该分层膜具有给予硬度和耐刮擦性的1955nm厚的Si3N4层，示出了在入射角为0°时，透射率接近100％，但随着入射角改变而变化很大；
图9B是通过图9A中描述的窗口的末端(最外)表面的百分比透射率的曲线图，示出了对于从0°到25°的所有入射角，对于从约500nm到约1600nm或更大范围的波长，百分比透射率大于60％，但是对于在从约300nm到约500nm的可见光范围内的波长，百分比透射率振荡减小；
图9C是离开图9A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了在入射角为0°时，对于905nm波长，百分比反射率接近于0％，但是随着入射角改变而显著变化；
图10A是通过窗口的末端(最外)表面的百分比透射率的曲线图，该窗口包括七(7)层分层膜实施例(示例4D)，该分层膜具有126.5nm厚的Si3N4层，而不是示例4中的1955nm厚的Si3N4层，示出了在入射角为0°时，透射率接近100％，但随着入射角和波长改变而显著变化；
图10B是通过图10A中描述的窗口的末端(最外)表面的百分比透射率的曲线图，示出了对于从0°到25°的所有入射角，对于从约400nm到约1600nm或更大范围的波长，百分比透射率大于60％，但是根据波长在90％以上振荡；
图10C是离开图10A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了在入射角为0°时，对于905nm波长，百分比反射率接近于0％，但是随着入射角改变和波长改变而显著变化；
图11A是通过窗口的百分比透射率的曲线图，如示例5中阐述的，该窗口包括二十一(21)层分层膜实施例，该分层膜具有给予硬度和耐刮擦性的5087nm厚的Si3N4层，示出了对于从8°到25°的所有入射角，对于约820nm至约920nm(包括905nm)范围内的波长，通过窗口的百分比透射率大于94.5％，但在约920nm至1000nm的波长范围内减小到大于92％；
图11B是通过图11A中描述的窗口的百分比透射率的曲线图，示出了对于从0°到25°的所有入射角，对于从约750nm到约1800nm范围内的波长，百分比透射率大于80％，但是对于在从约450nm到约650nm的可见光范围内的波长，百分比透射率低于约30％；
图11C是离开图11A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了对于从0°到25°的所有入射角，对于约820nm至约920nm的波长范围，百分比反射率小于1.5％，而对于从0°到25°的所有入射角，对于920nm至1000nm的波长范围，百分比反射率小于约4％；
图11D是离开图11A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了对于从0°到25°的所有入射角，对于在从约400nm到约700nm的可见光范围内的波长，百分比反射率高于60％；
图12A是通过窗口的百分比透射率的曲线图，如示例6中阐述的，该窗口包括三十一(31)层分层膜实施例，该分层膜具有给予硬度和耐刮擦性的2270nm厚的Si3N4层，示出了对于至多25°的所有入射角，对于约870nm至约930nm(包括905nm)范围内的波长，通过窗口的百分比透射率大于93.5％，但对于该波长范围之外的波长，透射率的百分比降低；
图12B是通过图12A中描述的窗口的百分比透射率的曲线图，示出了对于到25°的所有入射角，对于从约850nm到约1800nm范围的波长，百分比透射率大于75％，但是对于在从约400nm到约750nm的可见光范围内的波长，百分比透射率低于约30％；
图12C是离开图12A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了对于至多25°的所有入射角，对于约875nm至约925nm的波长范围，百分比反射率小于3％，但是对于该波长范围之外的波长，百分比反射率增加；
图12D是离开图12A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了对于在约875nm至约1800nm范围内的波长，百分比反射率低于20％，但是对于约400nm至约700nm范围内的波长，百分比反射率高于70％；
图13A是通过窗口的百分比透射率的曲线图，如示例7中阐述的，该窗口包括五十一(51)层分层膜实施例，该分层膜具有给予硬度和耐刮擦性的5130nm厚的Si3N4层，示出了对于至多25°的所有入射角，对于约870nm至约930nm(包括905nm)范围内的波长，通过窗口的百分比透射率大于93.5％，但对于该波长范围之外的波长，百分比透射率降低；
图13B是通过图13A中描述的窗口的百分比透射率的曲线图，示出了对于到25°的所有入射角，对于从约850nm到约1800nm范围的波长，百分比透射率大于75％，但是对于在从约400nm到约750nm的可见光范围内的波长，百分比透射率低于约30％；
图13C是离开图13A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了对于至多25°的所有入射角，对于约875nm至约925nm的波长范围，百分比反射率小于3％，但是在该波长范围之外百分比反射率增加；
图13D是离开图13A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了对于在约875nm至约1800nm范围内的波长，百分比反射率低于20％，但是对于约400nm至约700nm范围内的波长，百分比反射率高于70％；
图14A是通过窗口的百分比透射率的曲线图，如示例8中阐述的，该窗口包括第一表面上的九(9)层分层膜实施例(该分层膜具有给予硬度和耐刮擦性的5000nm厚的Si3N4层)及第二表面上的八十一(81)层第二分层膜实施例，示出了对于至多25°的所有入射角，对于约870nm至约930nm(包括905nm)范围内的波长，通过窗口的百分比透射率大于99％，但对于该波长范围之外的波长，百分比透射率降低；
图14B是通过图14A中描述的窗口的百分比透射率的曲线图，示出了对于到25°的所有入射角，对于从约800nm到约1550nm范围的波长，百分比透射率大于80％，但是对于在从约400nm到约750nm的可见光范围内的波长，百分比透射率低于约10％；
图14C是通过图14A中描述的窗口的百分比透射率的曲线图，示出了对于到25°的所有入射角，对于从约420nm到约700nm范围的波长，百分比透射率小于3％；
图14D是离开图14A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了对于至多25°的所有入射角，对于约900nm至约940nm的波长范围，百分比反射率小于1％，但是在该波长范围之外百分比反射率增加；
图14E是离开图14A中描述的窗口的百分比反射率的曲线图，示出了对于在约850nm至约1600nm范围内的波长，百分比反射率低于20％，但是对于约450nm至约750nm范围内的波长，百分比反射率高于95％。
具体实施方式
现在将详细参考当前实施例，其示例在附图中示出。只要有可能，在所有附图中将使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。
现在参考图1，车辆10包括一个或多个LIDAR系统12。一个或多个LIDAR系统12可被布置在车辆10上或内部的任何位置。例如，一个或多个LIDAR系统12可被布置在车辆10的车顶14上和/或车辆10的前部16。
现在参考图2，一个或多个LIDAR系统12中的每一个包括本领域已知的电磁辐射发射器和传感器18，其可以被封闭在外壳20中。电磁辐射发射器和传感器18发射具有一定波长或波长范围的电磁辐射22。发射的辐射22通过窗口24离开外壳20。如果外部环境26中的物体(未示出)在发射的辐射22的路径中，则发射的辐射22将从物体反射并作为反射的辐射28返回电磁辐射发射器和传感器18。反射的辐射28再次穿过窗口24到达电磁辐射发射器和传感器18。在实施例中，发射的辐射22和反射的辐射28具有905nm或1550nm的波长，或具有包括905nm或1550nm波长的范围。如本文所述，取决于窗口24的光学特性，反射的辐射28之外的电磁辐射(诸如波长在可见光谱中的电磁辐射)可以通过或可以不通过窗口24。如本文所使用的，术语“可见光谱”用于指人眼可见的电磁光谱的部分，并且通常指的是波长在约380nm至700nm范围内的电磁辐射。
现在参考图3，用于一个或多个激光雷达系统12中的每一个的窗口24包括基板30。基板30包括第一表面32和第二表面34。第一表面32和第二表面34是基板30的主表面。第一表面32最接近外部环境26。第二表面34最接近电磁辐射发射器和传感器18。发射的辐射22在第一表面32之前遇到第二表面34。反射的辐射28在第二表面34之前遇到第一表面32。基板30还包括布置在基板30的第一表面32上的分层膜36，并且在一些实施例中，第二分层膜38布置在基板30的第二表面34上。
如本文所用，术语“布置”包括使用本领域中任何已知方法在表面上涂覆、沉积和/或形成材料。所布置的材料可以构成如本文所定义的层。短语“布置在……上”包括在表面上形成材料使得该材料与该表面直接接触的实例，还包括在表面上形成材料，其中在布置的材料和表面之间具有一种或多种中间材料的实例。如本文所定义，中间材料可以构成层。
基板30可以是玻璃基板。玻璃基板可以具有钠钙玻璃、碱金属铝硅酸盐玻璃、含碱金属硼硅酸盐玻璃和碱金属铝硼硅酸盐玻璃的成分，但是可以考虑其他玻璃成分。这种玻璃成分能够通过离子交换过程来化学强化。在一些变体中，成分可以不含锂离子。
适用于基板30的碱金属铝硅酸盐玻璃成分包括氧化铝、至少一种碱金属、以及SiO2，在一些实施例中SiO2大于50mol.％，在其他实施例中SiO2至少为58mol.％，并且在另外实施例中SiO2至少为60mol.％，其中
(Al2O3+B2O3)/Σ改性剂(即，改性剂的总和)的比率大于1，其中，组分的比率以mol.％表示，改性剂是碱金属氧化物。在特定实施例中，该成分包括：58-72mol.％的SiO2；9-17mol.％的Al2O3；2-12mol.％的B2O3；8-16mol.％的Na2O；及0-4mol.％的K2O，其中，比率(Al2O3+B2O3)/Σ改性剂(即，改性剂的总和)大于1。
用于基板30的另一种合适的碱金属铝硅酸盐玻璃成分包括：64-68mol.％的SiO2；12-16mol.％的Na2O；8-12mol.％的Al2O3；0-3mol.％的B2O3；2-5mol.％的K2O；4-6mol.％的MgO及0-5mol.％的CaO，其中：66mol.％≦SiO2+B2O3+CaO≦69mol.％；Na2O+K2O+B2O3+MgO+CaO+SrO>10mol.％；5mol.％≦MgO+CaO+SrO≦8mol.％；(Na2O+B2O3)—Al2O3≦2mol.％；2mol.％≦Na2O—Al2O3≦6mol.％；及4mol.％≦(Na2O+K2O)-Al2O3≦10mol.％。
用于基板30的另一种合适的碱金属铝硅酸盐玻璃成分包括：2mol.％或更多的Al2O3和/或ZrO2，或4mol.％或更多的Al2O3和/或ZrO2。
一种示例玻璃成分包括SiO2、B2O3和Na2O，其中，(SiO2+B2O3)≧66mol.％且Na2O≧9mol.％.。在一个实施例中，该成分包括至少6wt.％的氧化铝。在另一个实施例中，该成分包括至少5wt.％的碱土金属氧化物。在一些实施例中，合适的成分还包括K2O、MgO和CaO中的至少一种。在特定的实施例中，基板30的成分包括61-75mol.％的SiO2；7-15mol.％的Al2O3；0-12mol.％的B2O3；9-21mol.％的Na2O；0-4mol.％的K2O；0-7mol.％的MgO和0-3mol.％的CaO。
适用于基板30的另一示例成分包括：60-70mol.％的SiO2；6-14mol.％的Al2O3；0-15mol.％的B2O3；0-15mol.％的Li2O；0-20mol.％的Na2O；0-10mol.％的K2O；0-8mol.％的MgO；0-10mol.％的CaO；0-5mol.％的ZrO2；0-1mol.％的SnO2；0-1mol.％的CeO2；小于50ppm的As2O3；及小于50ppm的Sb2O3；其中12mol.％≦(Li2O+Na2O+K2O)≦20mol.％及0mol.％≦(MgO+CaO)≦10mol.％。
适用于基板30的又一示例玻璃成分包括：63.5-66.5mol.％的SiO2；8-12mol.％的Al2O3；0-3mol.％的B2O3；0-5mol.％的Li2O；8-18mol.％的Na2O；0-5mol.％的K2O；1-7mol.％的MgO；0-2.5mol.％的CaO；0-3mol.％的ZrO2；0.05-0.25mol.％的SnO2；0.05-0.5mol.％的CeO2；小于50ppm的As2O3；及小于50ppm的Sb2O3；其中14mol.％≦(Li2O+Na2O+K2O)≦18mol.％及2mol.％≦(MgO+CaO)≦7mol.％。
基板30可以是基本上平面的或片状的，尽管其他实施例可以利用弯曲的基板或以其他方式成形或塑造的基板。基板30的长度和宽度可以根据窗口24所需的尺寸而变化。可以使用诸如浮法玻璃工艺和向下拉伸工艺(诸如熔融拉伸和缝隙拉伸)的各种方法来形成基板30。基板30可以以非强化状态使用。
可以修改形成基板30的玻璃以使其具有要处于压缩应力(“CS”)下的与第一表面32邻接的区域和/或与第二表面34邻接的区域。在这种情况下，在压缩应力下的区域从第一表面32和/或第二表面34延伸到压缩深度。压缩应力的这种生成进一步产生了处于拉伸应力下的中心区域，在中心区域的中心处具有最大值，称为中心张力或中央张力(CT)。中心区域在压缩深度之间延伸并处于拉伸应力下。中心区域的拉伸应力平衡或抵消了处于压缩应力下的区域的压缩应力。如本文所使用的，术语“压缩深度”和“DOC”是指基板30内的应力从压缩应力改变为拉伸应力的深度。在压缩深度处，应力从正(压缩)应力跨变为负(拉伸)应力，因此具有零值。压缩深度保护基板30不会使由于尖锐撞击而引入的缺陷传播到基板30的第一表面32和/或第二表面34，而压缩应力使缺陷生长和穿透压缩深度的可能性减到最小。在实施例中，压缩深度各自为至少20μm。在实施例中，区域内的最大压缩应力CS的绝对值为至少200MPa，高达约400MPa或高达约1000MPa。在实施例中，区域内的最大压缩应力的绝对值为至少600MPa。
在由Douglas Clippinger Allan等人于2012年5月3日提交的题为“Systems andMethods for Measuring the Stress Profile of Ion-Exchanged Glass(用于测量离子交换玻璃的应力分布的系统及方法)”的美国专利No.9,140,543中公开了用于提取具有在压缩应力下的区域的基板30的详细且精确的应力分布(作为深度的函数的应力)的两种方法，其要求享有于2011年5月25日提交的、具有相同标题的美国临时专利申请No.61/489,800的优先权，其全部内容通过引用的方式合并于此。
在实施例中，生成基板30的处于压缩应力下的区域包括使基板30经受离子交换化学回火过程(化学回火通常被称为“化学强化”)。在离子交换化学回火过程中，基板30的第一表面32和第二表面34处或附近的离子被通常具有相同化合价或氧化态的较大离子代替或交换。在基板30包括碱金属硅铝酸盐玻璃、碱金属硼硅酸盐玻璃、碱金属铝硼硅酸盐玻璃或碱金属硅酸盐玻璃，或者基本上由或由以上组成的那些实施例中，玻璃表面层中的离子和较大离子是一价碱金属阳离子，例如Na+(当玻璃中存在Li+时)、K+、Rb+和Cs+。可替代地，第一表面32和第二表面34中、处或附近的一价阳离子可以被除碱金属阳离子以外的一价阳离子代替，例如Ag+等。
在实施例中，通过将基板30浸入包含要与基板30中的较小离子交换的较大离子的熔融盐浴中来进行离子交换过程。本领域技术人员将理解离子交换过程的参数(包括但不限于浴成分和温度、浸入时间、玻璃在一个或多个盐浴中的浸入次数、多个盐浴的使用以及诸如“退火”、“清洗”之类的附加步骤)通常由基板30的成分以及由强化操作产生的基板30的期望压缩深度和压缩应力来确定。举例来说，可以通过浸入至少一个含盐的熔融浴中来实现含碱金属的玻璃基板的离子交换，所述盐例如但不限于较大碱金属离子的硝酸盐、硫酸盐和氯化物。在实施例中，熔融盐浴包括硝酸钾(0-100wt％)、硝酸钠(0-100wt％)和硝酸锂(0-12wt％)，组合的硝酸钾和硝酸钠具有在88wt％至100wt％的范围内的重量百分比。在实施例中，熔融盐浴的温度通常在约350℃至约500℃的范围内，而浸入时间在约15分钟至约40小时的范围内，包括约20分钟至约10小时。但是，也可以使用与上述不同的温度和浸入时间。可以对基板30进行酸抛光或其他处理以去除或减少表面缺陷的影响。
基板30的厚度35被定义为第一表面32与第二表面34之间的最短直线距离。在实施例中，基板30的厚度35在约100μm与约5mm之间。根据一个或多个实施例，基板30可具有范围从约100μm到约500μm(例如100、200、300、400或500μm)的物理厚度35。在其他实施例中，厚度35在约500μm至约1000μm的范围内(例如，500、600、700、800、900或1000μm)。厚度35可以大于约1mm(例如，约2、3、4或5mm)。在一个或多个特定实施例中，厚度35为2mm或更小，或小于1mm。适用于基板30的可商购的成分是
Figure BDA0003391831550000111
Glass(康宁编号#5318，具有约850MPa的CS和约40微米的DOC，及1.0毫米(mm)的厚度35)。
代替玻璃或除了玻璃之外，基板30可以包括或可以是可见光吸收、IR透射材料层。此类材料的示例包括红外波长透射、可见光波长吸收的丙烯酸板，例如可从ePlastics商购的商品名为
Figure BDA0003391831550000112
IR丙烯酸3143和CYRO's
Figure BDA0003391831550000113
IR丙烯酸1146。对于波长约为700nm或更短(在可见光谱内)的电磁辐射，
Figure BDA0003391831550000121
IR丙烯酸3143的透射率小于1％(至少小于10％)，但对于800nm至约1100nm(包括905nm)范围内的波长，其透射率为约90％(85％以上)。
在一个或多个实施例中，基板30表现出约1.45至约1.55范围内的折射率。如本文所用的，“折射率”是指材料(此处为基板30)对于波长为905nm的电磁辐射的折射率。此处，“折射率”和“折射指数”是同义词。
现在参考图4，分层膜36(和第二分层膜38，如果存在的话)包括高折射率材料40和低折射率材料42的交替层。如本文所用，术语“高折射率”和“低折射率”是指相对于彼此的折射率值。在实施例中，高折射率材料40具有约1.7至约3.0的折射率。在实施例中，较低折射率的材料42具有约1.3至约1.6的折射率。在其他实施例中，低折射率材料42具有约1.3至约1.7的折射率，而高折射率材料40具有约1.7至约2.5的折射率。高折射率材料40和低折射率材料42的折射率之差可以为约0.10或更大、0.20或更大、0.3或更大、0.4或更大、或甚至0.5或更大。由于高折射率材料40和低折射率材料42的折射率之差，交替层的数量(量)及其厚度的操纵可导致在一定波长范围内的电磁辐射选择性地透射穿过分层膜36，以及一定波长范围内的电磁辐射电磁辐射从分层膜36选择性地反射。因而分层膜36(以及与第二分层膜38一起)是具有预定光学特性的薄膜滤光器。
用于或用作低折射率材料42层的合适材料的一些示例包括SiO2、Al2O3、GeO2、SiO、AlOxNy、SiOxNy、SiuAlvOxNy、MgO、MgAl2O4、MgF2、BaF2、CaF2、DyF3、YbF3、YF3和CeF3。可以将用于或用作低折射率材料42的材料的氮含量减到最小(例如，在诸如AlOxNy、SiOxNy、SiuAlvOxNy的材料中)。例如，在诸如AlOxNy、SiOxNy、SiuAlvOxNy这些材料中，氮含量可以小于20原子百分比的氮或小于10原子百分比的氮。
用于或用作高折射率材料40的合适材料的一些示例包括SiNx、AlNx、SiuAlvOxNy、Ta2O5、Nb2O5、AlN、Si3N4、AlOxNy、SiOxNy、HfO2、TiO2、ZrO2、Y2O3、Al2O3、MoO3和类金刚石碳。可以将用于高折射率材料40的材料中的氧含量减到最小，尤其是在SiNx或AlNx材料中。可以将AlOxNy材料认为是氧掺杂的AlNx，即，它们可以具有AlNx晶体结构(例如纤锌矿)并且不需要具有AlON晶体结构。用于或用作高折射率材料40的示例性AlOxNy材料可包括约0原子％至约20原子％的氧，或约5原子％至约15原子％的氧，同时包括30原子％至约50原子％的氮。用于或用作高折射率材料40的示例性SiuAlvOxNy可包括约10原子％至约30原子％或约15原子％至约25原子％的硅，约20原子％至约40原子％或由约25原子％至约35原子％的铝，约0原子％至约20原子％或约1原子％至约20原子％的氧和约30原子％至约50原子％的氮。前述材料可被氢化至高达约30重量％。因为高折射率材料40和低折射率材料42的折射率是相对于彼此的，所以相同的材料(例如Al2O3)可能取决于为低折射率材料42选择的材料的折射率而适合于高折射率材料40，并且取决于为高折射率材料40选择的料的折射率而可以替代地适合于低折射率材料42。
在实施例中，低折射率材料42是SiO2，而高折射率材料40是Si3N4。Si3N4的高折射率材料40的层显示出高硬度。
高折射率材料40和低折射率材料42的交替层的数量没有特别限制。在实施方式中，分层膜36内的交替层的数量为7或更大、9或更大、11或更大、21或更大、31或更大、51或更大、81或更大。通常，分层膜36(和第二分层膜38，如果使用的话)内的层数越多，就可以使透射和反射特性越精细地适应于一个或多个特定波长或波长范围。
反射的辐射28在与窗口24相互作用时首先遇到分层膜36的末端表面44，并且末端表面44可以向外部环境26开放。在一个实施例中，低折射率材料42层提供末端表面44以更紧密地匹配外部环境26中的空气的折射率，因此，减少了入射电磁辐射(无论是反射的辐射28还是其他形式)从末端表面44的反射。提供末端表面44的低折射率材料42层是分层膜36中距离基板30最远的层。类似地，在一实施例中，当低折射率材料42是SiO2时，低折射率材料42层直接布置在基板30的第一表面32上，其通常将包括较大摩尔百分比的SiO2。不受理论的束缚，认为SiO2的低折射率材料42和基板30之间的相似化学组成允许SiO2很好地接合到基板30。在这种情况下，该低折射率材料42层是分层膜36中最接近基板30的层。
具有相对高的折射率的材料通常同时具有提供耐刮擦性的相对高的硬度。无论是在分层膜36的第二层还是其他层，都可以使高折射率材料40的厚度达到最大，以增加窗口24的耐刮擦性和/或抗损坏性。在实施例中，该厚度最大化的高折射率材料40的厚度具有分层膜36的厚度的50％或更大、60％或更大、70％或更大或甚至80％或更大的厚度。选择以给予窗口24耐刮擦性和/或抗损坏性的高折射率材料40的厚度可以根据窗口24的预期应用来选择。例如，与在车辆10的前部16处使用的窗口24的分层膜36相比，在车辆10的车顶14处使用的窗口24的分层膜36可以具有不同的硬度和耐刮擦性要求，因此对于高折射率材料40的厚度最大化层来说，其厚度也不同。分层膜36的每个剩余层的数量和厚度可以被配置为给予窗口24如本文所述的期望的光学性质。即，分层膜36的剩余层的数量和厚度可以被配置为适应为了给予窗口24耐刮擦性和/或抗损坏性而达到最大的高折射率材料30的选定厚度以便为窗口24提供期望的反射率和透射率光学特性，如本文所述。通常，可以将分层膜36(以及因此的窗口24)整体的反射和透射特性配置为使那些特性对高折射率材料40的厚度最大化层的厚度的敏感性减到最小。如果除了分层膜36之外还使用第二分层膜38，则分层膜36和第二分层膜38两者的层数以及分层膜36和第二分层膜38两者的交替层的厚度被配置为使得窗口24对于波长在850nm至950nm(例如905nm)范围内的电磁辐射具有期望的透射和/或反射百分比。高折射率材料40的厚度最大化层可以布置在分层膜36处，并且第二分层膜38可以比分层膜36包括更多数量的交替层。
可以优化高折射率材料40的厚度最大化层的分层膜36内的厚度和位置，以为分层膜36及因此为窗口24整体上提供期望水平的硬度和耐刮擦性。在实施例中，用作为窗口24提供硬度和耐刮擦性的层的高折射率材料40的厚度最大化层具有在500nm与10000nm之间的厚度，例如在1950nm至5150nm范围内的厚度。高折射率材料40的硬度可以具体地表征。在一些实施例中，通过Berkovich压头硬度测试测量的高折射率材料40的厚度最大化层的最大硬度在从50nm到1000nm的一个或多个压痕深度(从末端表面44开始测量)处可以为约8GPa或更大、约10GPa或更大、约12GPa或更大、约15GPa或更大、或约18GPa或更大。如上所述，这些硬度水平提供了抵抗在车辆10行驶时遇到的沙子、小石头、碎片和其他物体的撞击损坏的能力。因此，这些硬度水平减小或防止了否则撞击损坏会造成的LIDAR系统12的光散射和性能降低。如本文所用，“Berkovich压头硬度测试”包括通过用金刚石Berkovich压头压入表面来测量材料表面的硬度。Berkovich压头硬度测试包括用金刚石Berkovich压头压入基板30的末端表面44以形成压痕，压痕深度在约为50nm至1000nm范围内(或分层膜36的整个厚度，以较小的为准)，并沿整个压痕深度范围或该压痕深度范围的一部分(例如，在约100nm至约600nm的范围内)测量该压痕的最大硬度，通常使用在Oliver,W.C.；Pharr,G.M.的An improved technique for determining hardness and elastic modulus usingload and displacement sensing indentation experiments.J.Mater.Res.,Vol.7,No.6,1992,1564-1583；及Oliver,W.C.；Pharr,G.M.的Measurement of Hardness andElastic Modulus by Instrument Indentation:Advances in Understanding andRefinements to Methodology.J.Mater.Res.,Vol.19,No.1,2004,3-20中提出的方法。如本文所用，硬度是指最大硬度，而不是平均硬度。
在一个实施例中，提供末端表面44的低折射率材料42的厚度小于所讨论的电磁辐射的905nm波长的50％、或小于45％、或小于40％、或小于35％、或小于30％、或小于25％、或小于15％、或小于10％、或小于5％、或小于4％、或小于3％、或小于2％、甚至小于1.2％。例如，小于905nm的5％的厚度小于45.25nm。在实施例中，提供末端表面44的低折射率材料42的厚度在130nm至180nm之间。使提供末端表面44的低折射率材料42的厚度减到最小，增强了由直接在提供末端表面44的低折射率材料42下方提供的高折射率材料40提供的耐刮擦性和/或抗损坏性。如提及的，在实施例中，给予窗口24最大硬度的高折射率材料40层是从外部环境26开始的分层膜36的第二层，即，与提供窗口24的末端表面44的低折射率材料42层相邻的层。
分层膜36具有厚度46。分层膜36的厚度46可以为约1μm或更大，同时仍提供本文所述的透射和反射性质。在实施例中，厚度46在1μm至20μm的范围内，包括从约1μm至约10μm。约1μm的下限接近仍提供硬度和耐刮擦性的最小厚度46。厚度46的上限受到将分层膜36的各层布置在基板30上所需的成本和时间的限制。此外，限制厚度46的上限，以防止分层膜36使基板30翘曲，这取决于基板30的厚度。
在通过借助高折射率材料40的最大化厚度给予硬度和耐刮擦性来解决背景技术中的上述问题的同时，分层膜36还使波长为905nm的反射辐射28通过窗口24的透射率达到最大。在实施例中，窗口24借助分层膜36使透射率在850nm至950nm的范围内最大，并且在一些情况下使1550nm的波长或在1500nm至1600nm的范围内的透射率最大。在实施例中，窗口24借助分层膜36而具有对于905nm的波长或在850nm至950nm范围内的波长大于80％、或大于90％、或大于94％、或大于95％、或甚至大于98％的平均透射率。在实施例中，窗口24借助分层膜36还具有对于1550nm的波长或在1500nm至1600nm范围内的波长大于80％、或大于90％、或大于94％、或大于95％、或甚至大于98％的平均透射率。术语“透射率”是指在给定波长范围内透射通过材料(例如，窗24、基板30、分层膜36或其部分)的入射光功率的百分比。
另外，分层膜36使波长为905nm的反射辐射28的反射率最小。在实施例中，窗口24借助分层膜36使在850nm至950nm的范围内的反射率最小，并且在一些情况下，使1550nm的波长或在1500nm至1600nm的范围内的反射率最小。在实施例中，窗口24借助分层膜36在0°至8°、0°至15°或0°至25°的入射角范围内对于905nm的波长或在850nm至950nm范围内的波长具有小于5％、或小于3％、或小于2％、或小于1％、或小于0.8％、或甚至小于0.6％的平均反射率。在实施例中，窗口24借助分层膜36在0°至8°、0°至15°或0°至25°的入射角范围内对于1550nm的波长或在1500nm至1600nm范围内的波长还具有小于5％、或小于3％、或小于2％、或小于1％、或甚至小于0.6％的平均反射率。在一个实施例中，窗口24借助分层膜36在入射角为0°或接近0°时在905nm和1550nm处都具有小于2％(例如小于1％)的反射率。术语“反射率”类似地定义为在给定波长范围内从材料(例如，窗口24、基板30、分层膜36或其部分)反射的入射光功率的百分比。
在实施例中，窗口24另外包括有机染料、干涉镜层或两者的组合，以将可见光范围(例如从450nm至650nm，或从380nm至700nm)内的波长的透射率减小至小于5％、或小于3％、或甚至小于1％。吸收可见光范围内的波长但在905nm和1550nm处透射的有机染料的示例包括可从Adam Gates&Company获得的商品名为800nm Long Pass和AG-300-800nm Ink的那些染料。
在实施例中，窗口24借助反射的分层膜36还使可见光范围内的波长(例如，300nm至800nm、或350nm至750nm、或400nm至700nm、或500nm至700nm、或550-700nm范围内的波长)的反射率最大。例如，在实施例中，窗口24借助反射的分层膜36在0°至8°、0°至15°或0°至25°的入射角范围内具有大于80％、或大于90％、大于95％、或甚至大于97％的可见光范围的平均反射率。在实施例中，窗口24借助反射的分层膜36还具有小于20％、小于10％、小于5％或甚至小于3％的可见光范围内的波长的平均透射率。随着可见光范围内波长的反射率增加和/或透射率减小，这些波长充当以下的能力减小：(a)干扰电磁辐射发射器和传感器18的噪声；及(b)加热电磁辐射发射器和传感器18的热源。
分层膜36和第二分层膜38的层(即，高折射率材料40和低折射率材料42的层)可以通过本领域中任何已知的方法形成，包括离散沉积或连续沉积工艺。在一个或多个实施例中，可仅使用连续沉积工艺或仅使用离散沉积工艺来形成层。
示例
以下示例都是使用计算机辅助建模的建模示例，以演示波长为905nm的反射辐射28通过本文所述窗口24的实施例(因此包括通过分层膜36和基板30)的透射率，以及波长为905nm的反射辐射28在窗口24的末端表面44处抗反射性。
使用分光镜椭圆偏光法从通过反应溅射制备的单层实验样品测量分层膜36的高折射率材料40和低折射率材料42的每个交替层以及基板30的折射率(作为波长的函数)。然后将如此测量的折射率用于计算建模示例的透射光谱和反射光谱。为了方便起见，建模示例在其描述表中使用单个折射率值，该值对应于从约950nm波长的折射率色散曲线中选择的一个点。依据示例将显而易见的是，假设基板30的预定厚度35和给予硬度和抗损坏性性质的高折射率材料40层的预定最大厚度，则分层膜36中的高折射率材料40和低折射率材料42的交替层的数量和厚度可以被配置为向窗口24提供所需的平均透射率和平均反射率值。压痕硬度值也从实验制造的单层膜中测量，并且对于具有与以下建模的示例相似(但不完全相同)的性质的多层堆叠进行测量。该实验硬度信息使得能够以高置信度估计最大压痕硬度值以及在500nm压痕深度处的硬度值对于示例1和示例1A高于约16GPa，对于示例2和示例3高于约15GPa，对于示例4高于约18GPa，对于示例5-7高于约16GPa，以及对于示例8高于约15GPa。
示例1——示例1的窗口24包括在增强的铝硅酸盐基板30(
Figure BDA0003391831550000181
Glass(Corning code#5318))上依次垂直堆叠布置的高折射率材料40(Si3N4)和低折射率材料42(SiO2)的七(7)个交替层的分层膜36，如表1所示。
Figure BDA0003391831550000182
基板30的第一表面32反射约4％的入射的905nm波长反射辐射28。因此，通过包括基板30的窗口24的最高可能的透射率约为96％。如作为图5A中再现的波长和入射角(“AOI”)的函数的通过窗口24(朝向基板30的末端表面44并通过第二表面34入射)的百分比透射率的曲线图所示，取决于入射角，分层膜36在905nm处仅将透射率从最大可能的96％略微降低到95.6％和95.8％之间。如在图5B中再现的曲线图所示，示例1的窗口24在约905nm处具有峰值透射率，并且随着入射电磁辐射的波长在可见光谱内缩短(从740nm缩短到380nm)，透射率向下振荡，但是仍然保持在约50％以上。在这种情况下，如上所述，窗口24可以另外包括有机染料、干涉镜层或两者的组合，以将可见光范围(例如从450nm至650nm、或从380nm至700nm)内的波长的透射率减小至小于5％、或小于3％、或甚至小于1％。图5C再现的曲线图示出了分层膜36从末端表面44最小地反射0.2％至0.4％(取决于入射角)的波长为905nm的反射辐射28。示例1的窗口24提供了在905nm附近经优化的上述透射和反射特性，同时还借助高折射率材料40(Si3N4)的最厚的最外层(层2)保护层叠在其下的分层膜36的大多数其他层而提供了耐刮擦性。
示例1A——示例1A的窗口24与示例1相同，除了高折射率材料40(Si3N4)的最外层的厚度从2000nm增加到5000nm。示例1A的窗口24的构成在下表1A中示出。
Figure BDA0003391831550000191
比较图6A-6C中对于示例1A再现的曲线图和图5A-5C中对于示例1再现的曲线图，随着波长偏离905nm而增加，高折射率材料40的最外层的增加的厚度引起了更极端的偏离和振荡。示例1A的窗口24提供了在905nm附近经优化的上述透射和反射特性，同时还借助高折射率材料40(Si3N4)的最厚的最外层(层2)保护层叠在其下的分层膜36的大多数其他层而提供了耐刮擦性。
示例2——示例2的窗口24包括在增强的铝硅酸盐基板30(
Figure BDA0003391831550000192
Glass(Corning code#5318))上依次垂直堆叠布置的高折射率材料40(Si3N4)和低折射率材料42(SiO2)的九(9)个交替层的分层膜36，如表2所示。
Figure BDA0003391831550000201
在图7A中再现的曲线图与图5A所示的示例1相比，示出了随着波长远离905nm的波长处接近96％的近似最大值增大或减小，透射率的减小率更高。如在图7B中再现的曲线图所示，示例2的窗口24再次在约905nm处具有峰值透射率，并且随着入射电磁辐射的波长在可见光谱内缩短(从740nm缩短至380nm)，透射率再次向下振荡。与示例1相比，示例2中的向下振荡更为极端，这说明了交替层的数量及其厚度可以被配置为随着波长在可见光谱内的缩短而使通过窗口24的透射率降低得更大。图7C中再现的曲线图示出了分层膜36从末端表面44最小地反射约0％和0.2％之间(取决于入射角)的波长为905nm的反射辐射28。示例1的图5C与示例2的图7C相比揭示了，示例2的分层膜36提供了比示例1的窗口24(约0.2％或更高)具有更低的反射率(对于8°至25°的入射角低于0.2％)的窗口24。随着波长远离905nm增大或减小，反射率增加，并且比示例1(图5C)更剧烈，这可能是分层膜36中附加层的作用。示例2的窗口24提供了在905nm附近经优化的上述透射和反射特性，同时还提供了耐刮擦性。
示例3——示例3的窗口24包括在增强的铝硅酸盐基板30(
Figure BDA0003391831550000202
Glass(Corning code#5318))上依次垂直堆叠布置的高折射率材料40(Si3N4)和低折射率材料42(SiO2)的十一(11)个交替层的分层膜36，如表3所示。
Figure BDA0003391831550000211
图8A-8C中对于示例3再现的曲线图与图5A-5C中对于示例1和图7A-7C中对于示例2再现的曲线图相比揭示了，增加分层膜36中的高折射率材料40(Si3N4)和低折射率材料42(SiO2)的层数会使以905nm为中心的最大透射率和最小反射率的带变窄，并且随着波长远离905nm而更加显著地降低了透射率并降低了反射率。示例3的窗口24提供了在905nm附近经优化的上述透射和反射特性，同时还提供了耐刮擦性。
示例4——示例4和4D的窗口24包括在增强的铝硅酸盐基板30(
Figure BDA0003391831550000212
Glass(Corning code#5318))上依次垂直堆叠布置的高折射率材料40(Si3N4)和低折射率材料42(SiO2)的七(7)个交替层的分层膜36，如表4所示。示例4和4D将提供末端表面44的低折射率材料42(SiO2)的厚度减小至10nm(约为905nm波长的1.1％)。在示例4中，直接在提供末端表面44的低折射率材料42下方的第二高折射率材料40层的厚度为1955nm(约为分层膜36的厚度的82％)。在示例4D中，直接在提供末端表面44的低折射率材料42下方的第二高折射率材料40层的厚度为126.5nm(约为分层膜36的厚度的23％)。
Figure BDA0003391831550000221
如在图9A(对于示例4)和10A(对于示例4D)中再现的曲线图示出的，相对于示例4D，在示例4的上表中的层2的厚度增加，导致窗口24以高于任何给定的透射率百分比(例如高于90％)透射的905nm附近的波长范围变窄，并且对入射角的敏感度更高。注意，图9A和图10A的曲线图仅用于通过末端表面44的透射率，而不是通过整个窗口24的透射率，如在以上其他示例中那样。类似地，图9B和图10B中再现的曲线图的比较示出了，示例4中的层2的较大厚度导致通过末端表面44的透射率随波长变化的敏感度更高。图9C和10C中再现的曲线图的比较揭示了，示例4中层2的较大厚度导致末端表面44的反射率随波长变化的敏感度更高。与示例4D相比，示例4中层2的较大厚度表明，其他层的数量和厚度仍可以被配置为在零度(0°)入射角使波长为905nm的入射反射辐射28的透射率最大并使反射率最小。然而，示例4中层2的较大厚度导致对波长偏离905nm和入射角偏离零度(0°)的敏感度更高。
示例5——示例5的窗口24包括在增强的铝硅酸盐基板30上依次垂直堆叠布置的高折射率材料40(Si3N4)和低折射率材料42(SiO2)的二十一(21)个交替层的分层膜36，如表5所示。
Figure BDA0003391831550000231
在图11A中再现的曲线图揭示了示例5的窗口24在从0°到25°的整个入射角范围内对于905nm波长提供了通过窗口24的高透射率(＞94.5％)。在图11B中再现的曲线图揭示了示例5的窗口同时提供了降低的可见光透射率，特别是在450nm-650nm的波长内，其中只有约5％到30％的那些波长的可见光中透射通过窗口24。在图11C中再现的曲线图揭示了对于从0°到25°的所有入射角，示例5的窗口24反射很少(1.5％、<1％或甚至<0.5％)的905nm波长。在图11D中再现的曲线图揭示了示例5的窗口24在450nm-650nm波长范围内反射60％至90％的可见光，而同时在800nm-1800nm的整个波长范围内反射很少(小于20％)的入射电磁辐射，包括在以0°至8°入射的905nm和1550nm波长处小于1％。示例5的窗口24提供了在905nm附近经优化的上述透射和反射特性，同时还借助高折射率材料40(Si3N4)的最厚的最外层(层2)保护层叠在其下的分层膜36的大多数其他层而提供了耐刮擦性。
示例6——示例6的窗口24包括在增强的铝硅酸盐基板30上依次垂直堆叠布置的高折射率材料40(Si3N4)和低折射率材料42(SiO2)的三十一(31)个交替层的分层膜36，如表6所示。
Figure BDA0003391831550000241
Figure BDA0003391831550000251
在图12A中再现的曲线图揭示了示例6的窗口24对于从0°到8°的入射角在905nm波长处提供了高透射率(>95％)，并且对于比约870nm短的波长，透射率急剧下降。在图12B中再现的曲线图揭示了示例6的窗口24在约400nm至740nm之间的宽可见光波长范围内透射小于30％的可见光，同时针对905nm处的高透射率进行了优化。在图12C中再现的曲线图揭示了对于0°至15°之间的入射角，末端表面44反射小于1％的905nm波长，而对于25°或更小的所有入射角，反射小于3％的905nm波长，并且反射在875nm至925nm的大致范围之外急剧增加。在图12D中再现的曲线图揭示了末端表面44在450nm至700nm的波长范围内反射超过65％的可见光，对于该范围内的各种波长，峰值超过90％。另外，末端表面44对于800nm-1800范围内的波长具有小于25％的反射率，在0°至8°之间的入射角在1550nm的波长处的反射率小于2％。示例6的窗口24在905nm附近提供经优化的上述透射和反射特性，以及在1550nm处的低反射率，同时还借助高折射率材料40(Si3N4)的最厚的最外层(层2)保护层叠在其下的分层膜36的大多数其他层而提供了耐刮擦性。
示例7——示例7的窗口24包括在增强的铝硅酸盐基板30上依次垂直堆叠布置的高折射率材料40(Si3N4)和低折射率材料42(SiO2)的五十一(51)个交替层的分层膜36，如表7所示。
Figure BDA0003391831550000252
Figure BDA0003391831550000261
Figure BDA0003391831550000271
在图13A中再现的曲线图揭示了对于905nm的波长和约875nm至约920nm的周围范围，示例7的窗口24在0°至25°之间的所有入射角处具有高于95％的透射率。在图13B中再现的曲线图揭示了示例7的窗口24对于从约870nm到约1800nm的波长范围具有高于80％的透射率，但是在380nm到700nm的可见波长范围内具有低于20％的透射率。在图13C中再现的曲线图揭示了在从0°到25°的所有入射角，末端表面44对于905nm波长具有小于1％的反射率。在图13D中再现的曲线图揭示了末端表面44在800nm至1800nm的整个波长范围内具有小于15％的反射率，对于从0°至15°的入射角，在1550nm波长处的反射率小于5％。另外，末端表面44对于450nm至700nm的可见波长范围具有高于80％的反射率，峰值为约98％的反射率。
示例8——示例8的窗口24包括在增强的铝硅酸盐基板30的第一表面32上依次垂直堆叠布置的高折射率材料40(Si3N4)和低折射率材料42(SiO2)的九(9)个交替层的分层膜36，如表7所示。此外，示例8的窗口24包括在增强的铝硅酸盐基板30的第二表面34上的八十一(81)个交替层的第二分层膜38，如表8所示。
Figure BDA0003391831550000272
Figure BDA0003391831550000281
Figure BDA0003391831550000291
示例8的窗口24表明，具有高折射率材料40(Si3N4)的相对较厚层4的分层膜36可以布置在基板30的第一表面32上，以最大程度地提高窗口24的耐刮擦性和抗撞击性。另外，示例8的窗口24表明第二分层膜38提供的大部分滤光层可以布置在基板30的下方并由相对较大的厚度的基板30保护。第二分层膜38因此不需要相对较厚的高折射率材料40层来提供耐刮擦性和抗撞击性，如同在分层膜36中一样。相反，第二分层膜38可以用作光学层，其促进可见范围内的波长的反射。
对于该双面涂覆的示例，双面反射率和透射率是最合适的度量。在图14A-14E中再现的曲线图揭示了可见光谱内的波长的高反射率，例如在450nm至750nm范围内大于90％，在500nm至700nm范围内大于95％，在500nm至700nm范围内大于97％，并达到98％以上的峰值。对于至多25°的所有入射角，对于370nm至770nm的可见光波长，双面透射率均小于10％，而对于400nm至700nm的波长，双面透射率均小于3.2％。但是，在800nm至1600nm的整个波长范围内，双面透射率均大于78％。另外，这些曲线图揭示了对于至多15°的所有入射角，在800nm至1600nm范围内的波长的反射率小于22％，对于至多25°的所有入射角在905nm波长范围的反射率小于1％。
本公开内容的方面(1)涉及一种用于感测系统的窗口，包括：具有预定厚度和对于波长为905nm的电磁辐射的折射率的基板；设置在该基板上的分层膜，该分层膜包括高折射率材料和低折射率材料的交替层，高折射率材料具有比低折射率材料高的折射率，其中，分层膜的交替层中的每一层具有厚度，并且交替层的厚度被配置为使得窗口对于波长在850nm至950nm范围内的电磁辐射具有至少80％的透射率；及在分层膜处的至少10GPa的硬度，如通过Berkovich压头硬度测试所测量的。
方面(2)涉及方面(1)的窗口，其中，该基板是玻璃基板。
方面(3)涉及方面(2)的窗口，其中，玻璃基板是碱金属铝硅酸盐或碱金属铝硼硅酸盐玻璃，具有表面和处于压缩应力下的与该表面邻接的区域。
方面(4)涉及方面(1)至(3)中任一项的窗口，其中，基板的厚度在约1mm至约5mm之间。
方面(5)涉及方面(3)的窗口，其中，玻璃基板的厚度约为1mm，压缩应力的最大绝对值至少为600MPa，压缩应力下的区域的压缩深度至少为20μm。
方面(6)涉及方面(1)的窗口，其中，基板包括丙烯酸酯片，该丙烯酸酯片对于可见光谱范围内的波长具有小于1％的透射率，并且在905nm的波长处具有大于85％的透射率。
方面(7)涉及方面(1)至(6)中任一项的窗口，其中：基板的折射率为约1.45至约1.55；高折射率材料的折射率为约1.7至约3.0；及低折射率材料的折射率为约1.3至约1.6。
方面(8)涉及方面(1)至(7)中任一项的窗口，其中，该分层膜包括一定数量的层，并且其中，层的数量以及交替层的厚度被配置为使得窗口对于波长在850nm至950nm范围内的电磁辐射具有至少95％的透射率。
方面(9)涉及方面(1)至(8)中任一项的窗口，其中，低折射率材料包括SiO2、Al2O3、AlOxNy和SiOxNy中的一种或多种，及高折射率材料包括Si3N4、SiNx、AlNx、SiOxNy、AlOxNy中的一种或多种，用于高折射率材料的SiOxNy、AlOxNy中的氧含量低于用于低折射率材料的SiOxNy、AlOxNy中的氧含量，及用于高折射率材料的SiOxNy、AlOxNy中的氮含量高于用于低折射率材料的SiOxNy、AlOxNy中的氮含量。
方面(10)涉及方面(1)至(9)中任一项的窗口，其中：基板是玻璃基板；低折射率材料是SiO2；及高折射率材料是Si3N4。
方面(11)涉及方面(1)到(10)中任一项的窗口，其中：基板是玻璃基板，分层膜的离玻璃基板最近的层是低折射率材料，并且分层膜的离玻璃基板最远的层是低折射率材料。
方面(12)涉及方面(1)至(11)中任一项的窗口，其中，该分层膜具有厚度，并且其中，该分层膜包括厚度为分层膜的厚度的50％或更多的高折射率材料层。
方面(13)涉及方面(12)的窗口，其中，厚度为分层膜的厚度的50％或更多的高折射率材料层的厚度在约500nm之间约10,000nm之间。
方面(14)涉及方面(1)至(13)中任一项的窗口，其中，分层膜的离玻璃基板最远的层形成窗口的末端表面材料，窗口的末端表面材料的厚度在约130nm至约180nm之间，并且包括低折射率材料。
方面(15)涉及方面(13)的窗口，其中，分层膜的厚度在约1μm至约10μm之间。
方面(16)涉及方面(1)至(15)中任一项的窗口，其中，分层膜的离玻璃基板最远的层形成窗口的末端表面材料，窗口的末端表面材料包括低折射率材料，并且其中，分层膜中的高折射率材料的最厚层与窗口的末端表面材料相邻。
方面(17)涉及方面(1)至(16)中任一项的窗口，其中，分层膜的交替层的厚度被配置为使得窗口具有：(a)对于波长为905nm的电磁辐射，大于95％的平均透射率；及(b)对于波长为905nm的电磁辐射，在0°至8°的入射角下，小于1％的平均反射率。
方面(18)涉及方面(17)的窗口，其中，分层膜的交替层的厚度被配置为使得窗口对于波长为1550nm的电磁辐射，平均透射率大于80％。
方面(19)涉及方面(17)的窗口，其中，分层膜的交替层的厚度被配置为使得窗口对于波长在400nm至700nm范围内的电磁辐射，在0°至8°范围内的入射角下，平均反射率大于80％。
方面(20)涉及方面(1)到(19)中任一项的窗口，其中，该基板包括其上布置有分层膜的第一表面和其上布置有第二分层膜的第二表面，第二分层膜包括高折射率材料和低折射率材料的交替层，其中，该分层膜和第二分层膜均包括一定数量的层，每个层具有厚度，分层膜和第二分层膜的层数以及分层膜和第二分层膜的交替层的厚度被配置为使得窗口对于波长在850nm至950nm范围内的电磁辐射具有至少80％的透射率，并且其中，分层膜包括窗口的高折射率材料的最厚层。
方面(21)涉及方面(1)至(20)中任一项的窗口，其中，感测系统包括LIDAR系统。
方面(22)涉及一种用于感测系统的窗口，包括：具有预定厚度和对于波长为905nm的电磁辐射的折射率的玻璃基板，以及设置在该玻璃基板上的分层膜，该分层膜包括Si3N4和SiO2的至少七个交替层，Si3N4层具有比SiO2层高的折射率，其中，分层膜的交替层中的每一层具有厚度，并且交替层的厚度被配置为使得窗口对于波长在850nm至950nm范围内的电磁辐射具有至少80％的透射率；及在分层膜处的至少8GPa的硬度，如通过Berkovich压头硬度测试所测量的。
方面(23)涉及方面(22)的窗口，其中，通过Berkovich压头硬度测试测量的在分层膜处的硬度为至少10GPa。
方面(24)涉及方面(22)至(23)中任一项的窗口，其中，离玻璃基板最远的SiO2层包括窗口的末端表面材料，并且其中，分层膜中最厚的Si3N4层与末端表面材料相邻。
方面(25)涉及方面(22)至(24)中任一项的窗口，其中，分层膜中最厚的Si3N4层的厚度在约500nm至约10,000nm的范围内。
方面(26)涉及方面(22)至(25)中任一项的窗口，其中，交替层的厚度被配置为使得窗口具有：(a)对于波长为905nm的电磁辐射，大于95％的平均透射率；(b)对于波长为905nm的电磁辐射，在0°至8°范围内的入射角下，小于1％的平均反射率。
方面(27)涉及方面(22)至(25)中任一项的窗口，其中，交替层的厚度被配置为使得窗口对于波长为1550nm的电磁辐射，平均透射率大于80％。
方面(28)涉及方面(22)至(25)中任一项的窗口，其中，分层膜的交替层的厚度被配置为使得窗口对于波长在400nm至700nm范围内的电磁辐射，在0°至8°范围内的入射角下，平均反射率大于80％。
方面(29)涉及方面(22)至(28)中任一项的窗口，其中，感测系统包括LIDAR系统。
对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离权利要求的精神或范围的情况下，可以进行各种修改和变化。

Claims (29)

1.一种用于感测系统的窗口，包括：
基板，所述基板具有预定厚度和对于波长为905nm的电磁辐射的折射率；
分层膜，所述分层膜设置在所述基板上的，所述分层膜包括高折射率材料和低折射率材料的交替层，所述高折射率材料具有比所述低折射率材料高的折射率，其中所述分层膜的所述交替层中的每一层具有厚度，并且所述交替层的所述厚度被配置为使得所述窗口对于波长在850nm至950nm范围内的电磁辐射具有至少80％的透射率；和
在所述分层膜处的至少10GPa的硬度，如通过Berkovich压头硬度测试所测量的。
2.如权利要求1所述的窗口，其中所述基板是玻璃基板。
3.如权利要求2所述的窗口，其中所述玻璃基板是碱金属铝硅酸盐或碱金属铝硼硅酸盐玻璃，具有表面和处于压缩应力下的与所述表面邻接的区域。
4.如前述权利要求中任一项所述的窗口，其中所述基板的所述厚度在约1mm至约5mm之间。
5.如权利要求3所述的窗口，其中所述玻璃基板的厚度约为1mm，所述压缩应力的最大绝对值至少为600MPa，并且压缩应力下的所述区域的压缩深度至少为20μm。
6.如权利要求1所述的窗口，其中所述基板包括丙烯酸酯片，所述丙烯酸酯片对于可见光谱范围内的波长具有小于1％的透射率，并且在905nm的波长处具有大于85％的透射率。
7.如前述权利要求中任一项所述的窗口，其中：所述基板的所述折射率为约1.45至约1.55；
所述高折射率材料的所述折射率为约1.7至约3.0；并且
所述低折射率材料的所述折射率为约1.3至约1.6。
8.如前述权利要求中任一项所述的窗口，其中所述分层膜包括一定数量的层，并且其中所述层的数量以及所述交替层的所述厚度被配置为使得所述窗口对于波长在850nm至950nm范围内的电磁辐射具有至少95％的透射率。
9.如前述权利要求中任一项所述的窗口，其中所述低折射率材料包括SiO2、Al2O3、AlOxNy和SiOxNy中的一种或多种，并且所述高折射率材料包括Si3N4、SiNx、AlNx、SiOxNy、AlOxNy中的一种或多种，用于所述高折射率材料的SiOxNy、AlOxNy中的氧含量低于用于所述低折射率材料的SiOxNy、AlOxNy中的氧含量，并且用于所述高折射率材料的SiOxNy、AlOxNy中的氮含量高于用于所述低折射率材料的SiOxNy、AlOxNy中的氮含量。
10.如前述权利要求中任一项所述的窗口，其中：
所述基板是玻璃基板；
所述低折射率材料是SiO2；并且
所述高折射率材料是Si3N4。
11.如前述权利要求中任一项所述的窗口，其中：
所述基板是玻璃基板，
所述分层膜的离所述玻璃基板最近的层是所述低折射率材料，并且
所述分层膜的离所述玻璃基板最远的层是所述低折射率材料。
12.如前述权利要求中任一项所述的窗口，其中所述分层膜具有厚度，并且其中所述分层膜包括厚度为所述分层膜的所述厚度的50％或更多的高折射率材料层。
13.如权利要求12所述的窗口，其中厚度为所述分层膜的所述厚度的50％或更多的所述高折射率材料层的厚度在约500nm之间约10,000nm之间。
14.如前述权利要求中任一项所述的窗口，其中所述分层膜的离所述玻璃基板最远的所述层形成所述窗口的末端表面材料，所述窗口的所述末端表面材料的厚度在约130nm至约180nm之间，并且包括所述低折射率材料。
15.如权利要求13所述的窗口，其中所述分层膜的所述厚度在约1μm至约10μm之间。
16.如前述权利要求中任一项所述的窗口，其中所述分层膜的离所述玻璃基板最远的所述层形成所述窗口的末端表面材料，所述窗口的所述末端表面材料包括所述低折射率材料，并且其中所述分层膜中的所述高折射率材料的最厚层与所述窗口的所述末端表面材料相邻。
17.如前述权利要求中任一项所述的窗口，其中所述分层膜的所述交替层的所述厚度被配置为使得所述窗口具有：(a)对于波长为905nm的电磁辐射，大于95％的平均透射率；和(b)对于波长为905nm的电磁辐射，在0°至8°的入射角下，小于1％的平均反射率。
18.如权利要求17所述的窗口，其中所述分层膜的所述交替层的所述厚度被配置为使得所述窗口对于波长为1550nm的电磁辐射，平均透射率大于80％。
19.如权利要求17所述的窗口，其中所述分层膜的所述交替层的所述厚度被配置为使得所述窗口对于波长在400nm至700nm范围内的电磁辐射，在0°至8°范围内的入射角下，平均反射率大于80％。
20.如前述权利要求中任一项所述的窗口，其中所述基板包括其上布置有所述分层膜的第一表面和其上布置有第二分层膜的第二表面，所述第二分层膜包括所述高折射率材料和所述低折射率材料的交替层，
其中所述分层膜和所述第二分层膜均包括一定数量的层，每个层具有厚度，所述分层膜和所述第二分层膜的所述层的数量以及所述分层膜和所述第二分层膜的所述交替层的所述厚度被配置为使得所述窗口对于波长在850nm至950nm范围内的电磁辐射具有至少80％的透射率，并且
其中所述分层膜包括所述窗口的所述高折射率材料的所述最厚层。
21.如前述权利要求中任一项所述的窗口，其中所述感测系统包括LIDAR系统。
22.一种用于感测系统的窗口，包括：
玻璃基板，所述玻璃基板具有预定厚度和对于波长为905nm的电磁辐射的折射率，
分层膜，所述分层膜设置在所述玻璃基板上，所述分层膜包括Si3N4和SiO2的至少七个交替层，所述Si3N4层具有比所述SiO2层高的折射率，其中所述分层膜的所述交替层中的每一层具有厚度，并且所述交替层的所述厚度被配置为使得所述窗口对于波长在850nm至950nm范围内的电磁辐射具有至少80％的透射率；和
在所述分层膜处的至少8GPa的硬度，如通过Berkovich压头硬度测试所测量。
23.如权利要求22所述的窗口，其中通过所述Berkovich压头硬度测试测量的在所述分层膜处的所述硬度为至少10GPa。
24.如权利要求22至23中任一项所述的窗口，其中离所述玻璃基板最远的所述SiO2层包括所述窗口的末端表面材料，并且其中所述分层膜中的最厚Si3N4层与所述末端表面材料相邻。
25.如权利要求22至24中任一项所述的窗口，其中所述分层膜中的所述最厚Si3N4层的厚度在约500nm至约10,000nm的范围内。
26.如权利要求22至25中任一项所述的窗口，其中所述交替层的所述厚度被配置为使所述得窗口具有：(a)对于波长为905nm的电磁辐射，大于95％的平均透射率；和(b)对于波长为905nm的电磁辐射，在0°至8°范围内的入射角下，小于1％的平均反射率。
27.如权利要求22至25中任一项所述的窗口，其中所述交替层的所述厚度被配置为使得所述窗口对于波长为1550nm的电磁辐射，平均透射率大于80％。
28.如权利要求22至25中任一项所述的窗口，其中所述分层膜的所述交替层的所述厚度被配置为使得所述窗口对于波长在400nm至700nm范围内的电磁辐射，在0°至8°范围内的入射角下，平均反射率大于80％。
29.如权利要求22至28中任一项所述的窗口，其中所述感测系统包括LIDAR系统。
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