TW202403338A - 用於紅外線感測系統的積層窗 - Google Patents

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朴相基
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Abstract

揭示了一種用於感測系統的包含不對稱積層結構之窗。該不對稱積層結構包含第一玻璃夾層、第二玻璃夾層及將該第一玻璃夾層聯接至該第二玻璃夾層的中間層。該第一玻璃夾層是該第二玻璃夾層的至少兩倍厚且經強化至比該第二玻璃夾層小的程度，使得該第一玻璃夾層在其中心區中包含小於該第二玻璃夾層之中心張力的中心張力。該中間層在整個包含在800 nm至1800 nm波長範圍內的感興趣的50 nm波長範圍中包含大於或等於98%的平均光學透射比。

Description

用於紅外線感測系統的積層窗
本申請案根據專利法主張2022年6月7日提交的美國臨時申請案序列第63/349,764號之優先權，該申請案之內容是本文之依託且以引用方式整體併入本文中。
本揭露係關於用於紅外線感測系統的積層窗。
光達(「light detection and ranging，LIDAR」)系統包括電磁輻射發射器及感測器。電磁輻射發射器發射電磁輻射，電磁輻射可自物體反射出並被感測器偵測到。電磁輻射可為脈衝式的或以其他方式跨徑向範圍分佈以偵測跨視野的物體。可自偵測到的反射電磁輻射的特性解密關於物體的資訊。物體距電磁輻射之距離可根據自電磁輻射的發射至反射電磁輻射的偵測的飛行時間來判定。若物體在移動，則物體之路徑及速度可根據被反射及偵測到的發射電磁輻射的徑向位置根據時間變化的偏移以及多普勒頻率量測來判定。
汽車中的LIDAR系統及曝露環境中的其他紅外線感測系統，諸如航天或家庭安全應用，需要例如用護罩透鏡或護罩玻璃窗保護以免受環境及各種損壞源的影響。車輛是LIDAR系統的另一個潛在應用，其中LIDAR系統提供空間映射能力以達成輔助的半自主或完全自主駕駛。在此類應用中，電磁輻射發射器及感測器安裝在車輛之車頂上或車輛之低前部部分上。對於車輛LIDAR應用，考慮發射波長在可見光範圍之外(諸如在905 nm或1550 nm處)的電磁輻射的電磁輻射發射器。為了保護電磁輻射發射器及感測器免受岩石及其他物體的衝擊，在電磁輻射發射器及感測器與電磁輻射發射器及感測器之視線內的外部環境之間放置窗。對於LIDAR系統的其他應用，諸如航天及家庭安全應用，類似地在電磁輻射發射器/感測器與外部環境之間放置窗。然而，存在一個問題，即衝擊窗的岩石及其他物體會刮擦窗並對其造成其他類型的損壞，這導致窗散射所發射及反射的電磁輻射，從而削弱LIDAR系統之有效性。
本揭露利用具有不對稱積層結構的窗解決了該問題，該不對稱積層結構亦在與感測系統相關聯的感興趣的波長範圍內提供合適的光學效能。該窗包含形成該窗之面向外部環境的外部表面的第一玻璃夾層、形成該窗之面向該感測系統之組件(例如，發射器及感測器)的內部表面的第二玻璃夾層以及將該第一玻璃夾層聯接至該第二玻璃夾層的中間層。該第一玻璃夾層一般經(例如，熱、機械、化學)強化至比該第二玻璃夾層小的程度(例如，該第一玻璃夾層可能未強化)，使得該第一玻璃夾層一般包含小於該第二玻璃夾層之中心張力的中心張力，以抵抗裂紋傳播。該第一玻璃夾層包含大於與該第二玻璃夾層相關聯的第二厚度的第一厚度，以改善耐衝擊效能。該第二玻璃夾層可經化學強化為在衝擊產生延伸穿過該第一玻璃夾層的裂隙(例如，裂紋、空腔、空隙)的情況下幫助保持氣密性。該中間層經選擇為以足夠的耐久性將第一玻璃夾層黏附至該第二玻璃夾層，同時亦在與該感測系統相關聯的感興趣的波長範圍內提供相對高的光學透射比。在實施例中，該感興趣的波長範圍包含包含在800 nm至1800 nm波長範圍內的感興趣的50 nm波長範圍。本文所述之積層提供優於某些現有整體式窗結構的改善的衝擊效能，同時亦具有感測器應用所需的光學透射特性。
本揭露之態樣(1)係關於一種用於一感測系統的窗，包含：一第一玻璃夾層，該第一玻璃夾層包含一第一主表面、與該第一主表面相對的一第二主表面及在該第一主表面與該第二主表面之間延伸的一第一厚度；一第二玻璃夾層，該第二玻璃夾層包含一第三主表面、與該第三主表面相對的一第四主表面及在該第三主表面與該第四主表面之間延伸的一第二厚度；一中間層，該中間層安置在該第一玻璃夾層與該第二玻璃夾層之間且將該第二主表面黏結至該第三主表面；及一或多個分層膜，該一或多個分層膜安置在該第一主表面及該第四主表面中之至少一者上，該一或多個分層膜中之各者包含一或多個較高折射率材料及一或多個較低折射率材料之交替層，其中：對於法向入射在該第四主表面或該第一主表面上的光，該中間層單獨地在一感興趣的50 nm波長範圍內包含大於98%的一平均透射率，該感興趣的50 nm波長範圍包含在800 nm至1800 nm的一波長範圍內，該一或多個分層膜之該等交替層經組配為使得對於法向入射在該第一主表面或該第四主表面上的光，該窗在該感興趣的50 nm波長範圍內表現出大於或等於95%的一平均透射率，該一或多個分層膜之該等交替層經組配為使得對於法向入射在該第一主表面或該第四主表面上的光，該窗在該感興趣的50 nm波長範圍內表現出小於或等於5%的一平均反射率，該第一厚度是該第二厚度的至少兩倍，且該第二玻璃夾層經強化至比該第一玻璃夾層大的一程度，使得該第二玻璃夾層在其一中心區中表現出大於該第一玻璃夾層之一中心張力的一中心張力。
本揭露之態樣(2)係關於如態樣(1)所述之窗，其中該第一玻璃夾層未強化。
本揭露之態樣(3)係關於如任一前述態樣所述之窗，其中：該第一厚度大於或等於2.0 mm且小於或等於8.0 mm，且該第二厚度大於或等於0.1 mm且小於或等於1.2 mm。
本揭露之態樣(4)係關於如任一前述態樣所述之窗，其中該第一玻璃夾層及該第二玻璃夾層二者由鋁矽酸鹽玻璃形成。
本揭露之態樣(5)係關於如態樣(1)-(3)中任一項所述之窗，其中該第一玻璃夾層由在經受維氏壓頭試驗時表現出異常斷裂行為的一玻璃形成。
本揭露之態樣(6)係關於如態樣(5)所述之窗，其中該第一玻璃夾層包含硼矽酸鹽玻璃組成物。
本揭露之態樣(7)係關於如態樣(6)所述之窗，其中：就構成氧化物而言，該硼矽酸鹽玻璃組成物包含：SiO 2、B 2O 3、Al 2O 3、一或多種鹼金屬氧化物及選自由MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO組成之群組的一或多種二價陽離子氧化物、大於或等於11莫耳%且小於或等於16莫耳%的B 2O 3、大於或等於2莫耳%且小於或等於6莫耳%的Al 2O 3以及大於或等於7.0莫耳%的Na 2O、K 2O、MgO及CaO之一總量，在SiO 2、B 2O 3、該一或多種鹼金屬氧化物、Al 2O 3及該一或多種鹼土金屬氧化物之一氧化物基礎上莫耳百分比的濃度滿足以下關係：(R 2O+R'O)≥Al 2O 3，0.80＜(1-[(2R 2O+2R'O)/(SiO 2+2Al 2O 3+2B 2O 3)])＜0.93，且其中R 2O是該一或多種鹼金屬氧化物之該等濃度之總和，且R'O是該一或多種鹼土金屬氧化物之該等濃度之總和。
本揭露之態樣(8)係關於如任一前述態樣所述之窗，其中該第一厚度是該第二厚度的至少3倍。
本揭露之態樣(9)係關於如任一前述態樣所述之窗，其中該第二玻璃夾層經化學強化為使得該第二玻璃夾層在該第四主表面處包含大於或等於250 MPa且小於或等於900 MPa的一表面壓縮應力。
本揭露之態樣(10)係關於如態樣(9)所述之窗，其中當該第一玻璃夾層受到以160.93 km/hr行進的一1 g滾珠軸承撞擊時，沒有形成延伸穿過整個第二厚度的一裂紋。
本揭露之態樣(11)係關於如任一前述態樣所述之窗，其中該中間層包含光學清晰黏合劑或一UV固化丙烯酸酯樹脂。
本揭露之態樣(12)係關於如態樣(11)所述之窗，其中該中間層包含大於或等於0.05 mm且小於或等於1.0 mm的一第三厚度。
本揭露之態樣(13)係關於如態樣(1)-(12)中任一項所述之窗，其中該感興趣的50 nm波長範圍以900 nm與950 nm之間的一波長為中心。
本揭露之態樣(14)係關於如態樣(1)-(12)中任一項所述之窗，其中該感興趣的50 nm波長範圍以1525 nm與1575 nm之間的一波長為中心。
本揭露之態樣(15)係關於如任一前述態樣所述之窗，其中：該一或多個分層膜包含安置在該第一主表面上的一第一分層膜，且該窗包含在該第一分層膜處且藉由玻氏壓頭硬度試驗量測的至少8 GPa的一最大硬度。
本揭露之態樣(16)係關於如態樣(15)所述之窗，其中：該一或多個分層膜包含安置在該第四主表面上的一第二分層膜，且該第一分層膜及該第二分層膜之該等交替層之數量、厚度、數目及材料經組配為使得：對於以小於或等於15°的角度入射在該第一表面及該第二表面上的光，該窗具有在1400 nm與1600 nm之間的該感興趣的50 nm波長範圍內計算的小於0.5%的一平均反射率；對於該第一分層膜上小於或等於60°的入射角，該窗具有小於或等於45的CIELAB L*值；且當自該第一分層膜之一側觀看時，該窗具有大於或等於-6.0且小於或等於6.0的CIELAB a*及b*值。
本揭露之態樣(17)係關於如態樣(16)所述之窗，其中：該第一分層膜之該等交替層中之離該第一主表面最遠的一者形成該窗之一終端表面材料，該窗之該終端表面材料包含該較低折射率材料，且該第一分層膜包含由該一或多個較高折射率材料中之一者形成且具有大於或等於1500 nm且小於或等於5000 nm的一厚度的一耐刮擦層。
本揭露之態樣(18)係關於如態樣(17)所述之窗，其中：該耐刮擦層藉由該第一分層膜之該一或多個較低折射率材料及該一或多個較高折射率材料之複數個該等交替層與該終端表面分開，且該耐刮擦層與該終端表面分開至少1000 nm。
本揭露之態樣(19)係關於如態樣(15)所述之窗，其中：該一或多個分層膜包含安置在該第四主表面上的一第二分層膜，且該第一分層膜及該第二分層膜之該等交替層之數量、厚度及材料經組配為使得：對於以小於或等於15°的入射角入射在該第一表面及該第二表面上的光，該窗具有該感興趣的50 nm波長範圍內計算的大於90%的一平均百分透射率；對於以小於或等於15°的角度入射在該第一表面及該第二表面上的光，該窗具有在該感興趣的50 nm波長範圍內計算的小於0.5%的一平均反射率；且對於以小於或等於15°的入射角入射在該第一表面及該第二表面上的光，該窗具有自400 nm至700 nm計算的大於80%的一平均百分透射比。
本揭露之態樣(20)係關於一種用於感測系統的窗，包含：一第一玻璃夾層，該第一玻璃夾層包含一第一主表面、與該第一主表面相對的一第二主表面及在該第一主表面與該第二主表面之間延伸的一第一厚度；一第二玻璃夾層，該第二玻璃夾層包含一第三主表面、與該第三主表面相對的一第四主表面及在該第三主表面與該第四主表面之間延伸的一第二厚度；一中間層，該中間層安置在該第一玻璃夾層與該第二玻璃夾層之間且將該第二主表面黏結至該第三主表面；及一或多個分層膜，該一或多個分層膜安置在該第一主表面及該第四主表面中之至少一者上，該一或多個分層膜中之各者包含一或多個較高折射率材料及一或多個較低折射率材料之交替層，其中：該第一玻璃夾層、該第二玻璃夾層及該中間層組合地、無該一或多個分層膜地在一感興趣的50 nm波長範圍內包含大於90%的一平均透射率，該感興趣的50 nm波長範圍包含在800 nm至1800 nm的一波長範圍內，該一或多個分層膜之該等交替層經組配為使得對於法向入射在該第一主表面或該第四主表面上的光，該窗在該感興趣的50 nm波長範圍內表現出大於或等於95%的一平均透射率，該一或多個分層膜之該等交替層經組配為使得對於法向入射在該第一主表面或該第四主表面上的光，該窗在該感興趣的50 nm波長範圍內表現出小於或等於5%的一平均反射率，該第一厚度是該第二厚度的至少兩倍，且該第二玻璃夾層經強化至比該第一玻璃夾層大的一程度，使得該第二玻璃夾層在其一中心區中表現出大於該第一玻璃夾層之一中心張力的一中心張力。
本揭露之態樣(21)係關於如態樣(20)所述之窗，其中該第一玻璃夾層未強化。
本揭露之態樣(22)係關於如態樣(20)-(21)中任一項所述之窗，其中該第一厚度大於或等於2.0 mm且小於或等於8.0 mm，且該第二厚度大於或等於0.1 mm且小於或等於1.2 mm。
本揭露之態樣(23)係關於如態樣(20)-(22)中任一項所述之窗，其中該第一玻璃夾層及該第二玻璃夾層二者由鋁矽酸鹽玻璃形成。
本揭露之態樣(24)係關於如態樣(20)-(23)中任一項所述之窗，其中該第一玻璃夾層由在經受維氏壓頭試驗時表現出異常斷裂行為的一玻璃形成。
本揭露之態樣(25)係關於如態樣(24)所述之窗，其中該第一玻璃夾層包含硼矽酸鹽玻璃組成物。
本揭露之態樣(26)係關於如態樣(25)所述之窗，其中：就構成氧化物而言，該硼矽酸鹽玻璃組成物包含：SiO 2、B 2O 3、Al 2O 3、一或多種鹼金屬氧化物及選自由MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO組成之群組的一或多種二價陽離子氧化物、大於或等於11莫耳%且小於或等於16莫耳%的B 2O 3、大於或等於2莫耳%且小於或等於6莫耳%的Al 2O 3以及大於或等於7.0莫耳%的Na 2O、K 2O、MgO及CaO之一總量，在SiO 2、B 2O 3、該一或多種鹼金屬氧化物、Al 2O 3及該一或多種鹼土金屬氧化物之一氧化物基礎上莫耳百分比的濃度滿足以下關係：(R 2O+R'O)≥A12O3，及0.80＜(1-[(2R 2O+2R'O)/(SiO 2+2Al 2O 3+2B 2O 3)])＜0.93，其中R 2O是該一或多種鹼金屬氧化物之該等濃度之總和，且R'O是該一或多種鹼土金屬氧化物之該等濃度之總和。
本揭露之態樣(27)係關於如態樣(20)-(26)中任一項所述之窗，其中該第一厚度是該第二厚度的至少3倍。
本揭露之態樣(28)係關於如態樣(20)-(27)中任一項所述之窗，其中該第二玻璃夾層經化學強化為使得該第二玻璃夾層在該第四主表面處包含大於或等於250 MPa且小於或等於900 MPa的一表面壓縮應力。
本揭露之態樣(29)係關於如態樣(28)所述之窗，其中當該第一玻璃夾層受到以160.93 km/hr行進的一1 g滾珠軸承撞擊時，沒有形成延伸穿過整個第二厚度的一裂紋。
本揭露之態樣(30)係關於如態樣(20)-(29)中任一項所述之窗，其中該中間層包含光學清晰黏合劑或一UV固化丙烯酸酯樹脂。
本揭露之態樣(31)係關於如態樣(30)所述之窗，其中該中間層包含大於或等於0.05 mm且小於或等於1.0 mm的一第三厚度。
本揭露之態樣(32)係關於如態樣(20)-(31)中任一項所述之窗，其中該感興趣的50 nm波長範圍以900 nm與950 nm之間的一波長為中心。
本揭露之態樣(33)係關於如態樣(20)-(31)中任一項所述之窗，其中該感興趣的50 nm波長範圍以1525 nm與1575 nm之間的一波長為中心。
本揭露之態樣(34)係關於如態樣(20)-(33)中任一項所述之窗，其中：該一或多個分層膜包含安置在該第一主表面上的一第一分層膜，且該窗包含在該第一分層膜處且藉由玻氏壓頭硬度試驗量測的至少8 GPa的一最大硬度。
本揭露之態樣(35)係關於如態樣(34)所述之窗，其中：該一或多個分層膜包含安置在該第四主表面上的一第二分層膜，且該第一分層膜及該第二分層膜之該等交替層之數量、厚度、數目及材料經組配為使得：對於以小於或等於15°的角度入射在該第一表面及該第二表面上的光，該窗具有在1400 nm與1600 nm之間的該感興趣的50 nm波長範圍內計算的小於0.5%的一平均反射率；對於該第一分層膜上小於或等於60°的入射角，該窗具有小於或等於45的CIELAB L*值；且當自該第一分層膜之一側觀看時，該窗具有大於或等於-6.0且小於或等於6.0的CIELAB a*及b*值。
本揭露之態樣(36)係關於如態樣(35)所述之窗，其中：該第一分層膜之該等交替層中之離該第一主表面最遠的一者形成該窗之一終端表面材料，該窗之該終端表面材料包含該較低折射率材料，且該第一分層膜包含由該一或多個較高折射率材料中之一者形成且具有大於或等於1500 nm且小於或等於5000 nm的一厚度的一耐刮擦層。
本揭露之態樣(37)係關於如態樣(36)所述之窗，其中：該耐刮擦層藉由該第一分層膜之該一或多個較低折射率材料及該一或多個較高折射率材料之複數個該等交替層與該終端表面分開，且該耐刮擦層與該終端表面分開至少1000 nm。
本揭露之態樣(38)係關於如態樣(34)所述之窗，其中：該一或多個分層膜包含安置在該第四主表面上的一第二分層膜，且其中該第一分層膜及該第二分層膜之該等交替層之數量、厚度及材料經組配為使得：對於以小於或等於15°的入射角入射在該第一表面及該第二表面上的光，該窗具有該感興趣的50 nm波長範圍內計算的大於90%的一平均百分透射率；對於以小於或等於15°的角度入射在該第一表面及該第二表面上的光，該窗具有在該感興趣的50 nm波長範圍內計算的小於0.5%的一平均反射率；且對於以小於或等於15°的入射角入射在該第一表面及該第二表面上的光，該窗具有自400 nm至700 nm計算的大於80%的一平均百分透射比。
本揭露之態樣(39)係關於一種感測器系統，包含：一發射器，該發射器發射在一感興趣的50 nm波長範圍內的輻射，該感興趣的50 nm波長範圍包含在自800 nm至1800 nm的波長範圍內；一感測器，該感測器經組配為偵測由該發射器發射的該輻射；一外殼，該外殼界定一感測器腔，其中該發射器及該感測器容納在該感測器腔中；及如態樣(21)-(38)中任一項所述之窗，其中該窗附接至外殼以氣密地密封該感測器腔。
本揭露之態樣(40)係關於如態樣(39)所述之感測器系統，其中該第二玻璃夾層包含大於該第一玻璃夾層之一尺寸的一尺寸，且該第二玻璃夾層附接至該外殼，使得該第一主表面與該外殼之一前表面齊平。
本揭露之態樣(41)係關於如態樣(40)所述之感測器系統，其中在利用在45°的一入射角下以160.9s km/hr行進的一1 g滾珠軸承撞擊該窗之後，該感測器腔保持氣密密封。
將在隨後的詳細描述中闡述額外的特徵及優點，且熟習此項技術者部分地自該描述將容易地明白或者藉由實踐如本文所描述之實施例(包括隨後的詳細描述、請求項以及所附圖式)將認識到該等額外的特徵及優點。
應理解，前述一般描述及以下詳細描述二者僅僅是示範性的，且意欲提供用於理解請求項之本質及特性的概述或框架。隨附圖式被包括來提供對本說明書的進一步理解，且併入本說明書中並構成其一部分。圖式例示出一或多個實施例，且與描述一起用於解釋各種實施例之原理及操作。
現在將詳細參考用於紅外線感測應用諸如LIDAR感測器中的窗的實施例。在任何可能的情況下，相同的參考數字將在整個圖式中用於指代相同或相似的部分。本文所述之窗包含不對稱積層，該積層包含第一玻璃夾層、第二玻璃夾層及將第一玻璃夾層聯接至第二玻璃夾層的中間層。第一玻璃夾層包含第一厚度，且在窗安設於外殼上時形成窗的面向感測器之外部環境的外部表面。第二玻璃夾層包含第二厚度，且在窗安設於外殼上時形成窗的面向感測器之其他組件(例如，發射器及偵測器)的內部表面。第一厚度比第二厚度大得多(例如，大至少2.0倍、大至少2.5倍、大至少3.0倍、大至少3.5倍、大至少4.0倍、大至少4.5倍、大至少5.0倍)。在實施例中，第一玻璃夾層經(例如，熱、化學或機械)強化至比第二玻璃夾層小的程度，使得第二玻璃夾層在其中心區中表現出大於第一玻璃夾層之中心張力的中心張力。第二玻璃夾層亦表現出自其主表面延伸至中心區的壓縮應力以提供耐衝擊性及機械強度。第一玻璃夾層與第二玻璃夾層之間經由本文所述之中間層的聯接亦可有助於耗散來自衝擊事件的能量，因為中間層層可吸收來自衝擊的能量並耗散能量，且使裂紋傳播不太可能。
本文所述之窗之不對稱積層結構解決與車載感測器系統相關聯的各種破壞機制。車載感測器系統中的窗破壞的常見原因是由於石頭衝擊造成的損壞。石頭衝擊可經由包括鈍(赫茲)接觸、尖銳接觸及撓曲的若干機制導致窗斷裂。鈍接觸產生自外表面上的現有缺陷開始、然後在整個窗之厚度中傳播的環形/錐形裂紋。尖銳接觸造成在整個窗之厚度中傳播、然後產生徑向/中位裂紋的損壞，且窗的撓曲激活現有裂隙。彎曲可能擴大窗上的現有裂隙，從而導致破壞。本文所述之窗之不對稱積層結構有益地解決所有這三個導致斷裂的機制。例如，第一玻璃夾層的增加厚度會增加急劇衝擊損壞在產生徑向/中位斷裂之前必須傳播的距離，從而使此類斷裂不太可能。第二玻璃夾層的相對高強化提供高撓曲強度，從而使撓曲破壞不太可能。第一玻璃夾層中的低中心張力亦有助於藉由降低玻璃中儲存的裂紋傳播能量來阻止由表面下損壞引起的裂隙之裂紋傳播。作為結果，本文所述之窗之不對稱積層結構使由各種裂隙引起的斷裂及裂紋傳播不太可能，由此提高車載感測器系統之壽命及可靠性。
如本文所述，本文所述之窗表現出比具有相同或甚至更大厚度的某些現有整體式玻璃夾層大的耐衝擊性。此種耐衝擊性使第一玻璃夾層或第二玻璃夾層中的斷裂及裂紋傳播不太可能。此種耐久性在感測器應用中特別有利，因為玻璃夾層中之任一者中的徑向/平均裂紋可能散射經由窗傳播的光(例如，來自與感測器相關聯的發射器)並負面地影響感測器效能。此外，在某些感測器諸如LiDAR感測器中，感測器組件可收容在氣密密封的感測器腔中，以在感測器之使用壽命內提供可靠的效能。本文所述之窗之提高的耐衝擊性有益地有助於保持感測器腔之氣密性，即使在窗經受相對嚴重的衝擊事件時亦是如此。如本文所述，當第一玻璃夾層被以160.93 km/hr行進的1 g滾珠軸承以45°角撞擊時，根據本揭露之窗可保持感測器腔之氣密性。對於此速度一半的衝擊，現有整體式窗可能無法保持氣密性，即使在具有大於本文所述之窗的厚度時亦是如此。減薄可藉由經由偏轉耗散能量來進一步增強衝擊效能。
本文所述之窗的各組件之材料亦可經選擇為有利地影響耐久性及耐衝擊性。例如，在實施例中，第一玻璃夾層由當與維氏壓頭接觸時傾向於表現出異常斷裂行為的玻璃構成，如本文所述。此種玻璃耐中位/徑向裂紋傳播，且傾向於在靠近初始衝擊點的區中保持由衝擊事件引起的損壞，由此使有害光學效應最小化。另外，內部玻璃夾層可由能夠化學強化以在內部玻璃夾層之主表面處提供相對高的壓縮應力量(例如，至少250 MPa)從而達成高表面強度及撓曲強度的玻璃(例如，含鹼鋁矽酸鹽玻璃、含鹼鋁硼矽酸鹽玻璃)形成。
本文所述之不對稱積層結構之每個組件之材料亦經選擇為在與感測器相關聯的感興趣的波長範圍內表現出有利的光學效能。例如，在實施例中，第一玻璃夾層及第二玻璃夾層二者可由在與特定感測器應用相關聯的感興趣的50 nm波長範圍內表現出相對高的光學透射比(例如，大於或等於95%的平均透射率)的玻璃形成。感興趣的50 nm波長範圍可包含在800 nm至1800 nm的波長範圍內(例如，感興趣的50 nm波長範圍可包含範圍為自925 nm至975 nm或自1525 nm至1725 nm的中心波長)。
夾層材料亦可經選擇為單獨地(例如，不包括窗之其他組件)在感興趣的50 nm波長範圍內具有大於或等於98% (例如，大於或等於98.25%、大於或等於98.5%、大於或等於98.75%、大於或等於99.0%、大於或等於99.25%)的平均透射率。作為結果，第一玻璃夾層、第二玻璃夾層及中間層組合地(沒有任何附加分層膜/塗層)可在感興趣的50 nm波長範圍內表現出大於90% (例如，大於或等於90.25%、大於或等於90.5%、大於或等於90.75%、大於或等於91.0%、大於或等於91.25%)的平均透射率。此種光學效能優於使用典型聚合物中間層(諸如聚乙烯醇縮丁醛中間層)組裝玻璃積層時能夠獲得的效能。在實施例中，中間層包含0.05 mm至1.5 mm厚的光學清晰黏合劑層或UV固化丙烯酸酯樹脂層。此類材料提供前述光學效能，同時可靠地將玻璃夾層彼此聯接。
亦可藉由在第一玻璃夾層及第二玻璃夾層片之主表面上包括一或多個分層膜來增強本文所述之窗之光學效能屬性。在實施例中，例如，本文所述之窗可包括分別安置在第一玻璃夾層及第二玻璃夾層上的第一分層膜及第二分層膜，該第一分層膜及該第二分層膜由較高折射率材料及較低折射率材料之交替層構成且經組配為在感興趣的50 nm波長範圍內提供相對高的透射率及相對低的反射率。當窗安設在LIDAR系統中時，第一分層膜可背對感測器/電磁輻射發射器且曝露於外部環境，而第二分層膜可面對感測器/電磁輻射發射器。亦即，當自外部觀看LIDAR系統時，觀察者可看到第一分層膜。由電磁輻射發射器發射的光可在傳播穿過基板之前最初入射在第二分層膜上。根據本揭露，本文所述之窗之第一分層膜可包括相對厚(例如，大於或等於500 nm)的具有高折射率材料的一或多個耐刮擦層。耐刮擦層可嵌入第一分層膜內，使得窗包含當藉由玻氏壓頭硬度試驗在第一分層膜上量測時大於或等於8 GPa (例如，大於或等於10 GPa、大於或等於12 GPa、大於或等於14 GPa)的最大奈米壓痕硬度。此種奈米壓痕硬度有益地提供耐刮擦性並提高LIDAR系統之效能。
在態樣中，本文所述之窗之第一分層膜及第二分層膜之交替層亦經構造來提供LIDAR系統在紅外線光譜中的操作所要的光學效能屬性。在實施例中，第一分層膜及第二分層膜之交替層之數量、厚度、數目及材料經組配為使得對於法向入射在窗上的光，窗具有在50 nm波長範圍內計算的大於或等於95%的平均百分透射率。第一分層膜及第二分層膜之交替層之數量、厚度、數目及材料可經組配為使得對於法向入射在窗上的光，窗在感興趣的50 nm波長範圍內亦包含小於或等於的平均反射率。
這樣，本文所述之窗，藉由含有與第一玻璃夾層上包含耐刮擦層的至少一個分層膜組合的不對稱積層結構，可提供提高的耐刺穿及刮擦效能，由此在很大程度上提高基於車輛的感測系統之壽命及可靠性，同時在感興趣的所要波長範圍內提供有利的光學效能特性。
除非另外指出，否則本文所提供之總反射率、鏡面反射率及平均反射率值均為雙表面反射率值，表示整個窗的總反射率，包括與窗中各材料界面(例如，空氣與分層膜之間、分層膜與基板之間等)相關聯的反射率。除非另外指出，否則在紅外線中提供的反射率值是自本文所述之第二分層膜之一側(例如，自面向LIDAR系統之感測器及發射器定位的一側)量測，且在可見光中提供的反射率值是自本文所述之第一分層膜之一側(例如，自面向LIDAR系統之外部環境定位的一側)量測。
除非本文另外指出，否則平均透射率及反射率值使用在指定波長範圍內之各種波長處的百分反射率及透射率值來計算。平均反射率及透射率值可藉由量測所要波長範圍內每五個整數波長(包括端點)處的反射率及透射率值並對彼等值求平均來計算(例如，當計算1540 nm至1560 nm波長範圍內的平均透射率時，透射率值可在1540 nm、1545 nm、1550 nm、1550 nm及1560 nm處量測並求平均)。
除非本文另外指出，否則CIELAB顏色空間a*及b*以及亮度L*值使用D65照明體來量測/模擬。
如本文所用，術語「深色外觀」或「黑色外觀」是指自外表面觀看時窗的反射外觀。當自60°或更小的角度觀看時，根據本揭露之具有深色外觀或黑色外觀的窗包含小於45的CIELAB亮度L*值。
如本文所用，術語「強化」，當參考玻璃夾層或玻璃層使用時，是指可化學強化、機械強化、熱強化或藉由化學、機械及/或熱之各種組合來強化以向壓縮應力區賦予表面壓縮應力值且向中心張力區賦予最大CT值的玻璃基板。此類強化玻璃基板亦包括對應表面CS，以及自表面延伸至DOC的壓縮應力區)。表面CS的大小、DOC的大小及最大CT值的大小中之任何一或多者可藉由強化製程來調整。如本文所用，DOC是指應力自壓縮轉變為拉伸所處的深度。除非另外指出，否則CT及CS在本文中以兆帕(MPa)表示，而厚度及DOC以毫米或微米表示。
CS及DOC藉由表面應力計(surface stress meter，FSM)使用市售儀器諸如由Orihara Industrial有限公司(日本)製造的FSM-6000來量測。表面應力量測依賴於應力光學係數(stress optical coefficient，SOC)的準確量測，SOC與玻璃的雙折射相關。SOC又根據名稱為「Standard Test Method for Measurement of Glass Stress-Optical Coefficient」的ASTM標準C770-16中所描述的程序C (玻璃圓盤法)進行量測，該文獻之內容以引用方式整體併入本文中。
當使用FSM量測壓縮應力時，CS藉由以下近似關係(方程式1)而與CT相關：CT ≈ (CS×DOC)/(厚度-2×DOC)，其中厚度為強化玻璃基板之總厚度。機械強化玻璃基板可包括因基板各部分之間的熱膨脹係數不匹配而產生的壓縮應力區及中心張力區。化學強化玻璃基板可包括因離子交換過程而產生的壓縮應力區及中心張力區。在化學強化玻璃基板中，在低於玻璃網路可鬆弛所處的溫度的溫度下，較小離子被較大離子取代產生跨玻璃之表面的離子分佈，從而產生應力剖面。較大體積的傳入離子在基板之表面部分上產生CS且在玻璃之中心中產生張力(CT)。在熱強化基板中，CS區藉由以下方式來形成：將基板加熱至高於玻璃化轉變溫度、接近玻璃軟化點的高溫，然後比玻璃之內部區更快地冷卻玻璃表面區。表面區與內部區之間的不同冷卻速率產生殘餘表面CS，繼而在玻璃之中心區中產生對應CT。
除非另外明確陳述，否則決不以與將本文所闡述之任何方法解釋為要求按特定次序執行其步驟。因此，在方法請求項實際上並未敘述其步驟所遵循的次序或者並未在申請專利範圍或說明書中另外具體陳述步驟應限於特定次序的情況下，決不意欲在任何態樣中推斷次序。這對於任何可能的非表達解釋基礎來說是如此，包括：關於步驟排列的邏輯事項或操作流程；自語法組織或標點推導出的普通意義；說明書中所描述的實施例之數目或類型。
如本文所用，術語「及/或」在用於二或更多個個項之列表中時意指可單獨採用所列項中之任一者或者可採用所列項中之二或更多者之任何組合。例如，若組成物描述為含有組分A、B及/或C，則該組成物可含有單獨A；單獨B；單獨C；A與B組合；A與C組合；B與C組合；或A、B及C組合。
熟習此項技術者及製作或使用本揭露者將想到對本揭露的修改。因此，應理解，附圖中所展示及以上所描述的實施例僅用於說明目的，並不意欲限制本揭露之範疇，該範疇由以下申請專利範圍界定，如根據專利法原則，包括等效原則所解釋。
在本文檔中，關係術語，諸如第一及第二、頂部及底部等，僅用於將一個實體或動作與另一個實體或動作區分開，而不是一定要求或暗示此類實體或動作之間存在任何實際的此種關係或次序。如本文所用，術語「包含」、「包括」或其任何其他變型意欲涵蓋非排他性包括，使得包含一系列要素的過程、方法、物件或設備並不僅僅包括彼等要素，而是可包括未明確列出的或此種過程、方法、物件或設備所固有的其他要素。在沒有更多限制的情況下，「包含......」之後的要素不排除附加相同要素在包含該要素的過程、方法、物件或設備中的存在。
如本文所用，術語「約」意指量、大小、配方、參數及其他數量及特性並非且不需要是確切的，而是可按需要為近似的及/或較大或較小的，從而反映容限、轉換因子、捨位、量測誤差等等，及熟習此項技術者已知的其他因子。當術語「約」用於描述範圍之值或終點時，本揭露應當理解為包括所指的特定值或終點。無論本說明書中的範圍之數值或端點是否敘述「約」，範圍之數值或端點都意欲包括兩個實施例：由「約」修飾的一個實施例，及不由「約」修飾的一個實施例。進一步應當理解，範圍中之各者之端點在與另一個端點相關及與另一個端點無關方面均有意義。
術語「由......形成」可意指包含、基本上由......組成或由......組成中之一或多者。例如，由特定材料形成的組件可包含特定材料、基本上由特定材料組成或由特定材料組成。
術語「安置」在本文中用於指代層或子層被塗佈、沉積、形成或以其他方式設置至表面上。術語安置可包括層/子層設置成與相鄰層/子層直接接觸的層/子層或由可或可不形成層的中介材料分開。
現在參考第1圖，車輛10包括一或多個LIDAR系統12。一或多個LIDAR系統12可安置在車輛10上或其內的任何地方。例如，一或多個LIDAR系統12可安置在車輛10之車頂14及/或車輛10之前部部分16上。
現在參考第2圖，一或多個LIDAR系統12中之各者包括電磁輻射發射器及感測器18，如本領域已知，該電磁輻射發射器及感測器可包封在外殼20中。外殼20可為由保護輻射發射器及感測器18免受外部環境26影響的合適材料(例如，金屬或聚合物基材料)形成的殼體。LIDAR系統12進一步包括附接至外殼20以形成感測器腔15的窗24。在實施例中，窗24附接至外殼20，使得感測器腔15被氣密密封，以防止來自外部環境的顆粒或其他碎片進入感測器腔15並使LIDAR系統12之效能劣化。窗24可使用任何合適的連接方法聯接至外殼20。在實施例中，窗24使用合適的黏合劑附接至外殼20之(例如，側壁之)前表面。在實施例中，窗24經由延伸穿過至少一個玻璃層(例如，未強化的第一玻璃夾層，如本文所述)的一或多個緊固件附接至外殼20。在實施例中，本文所述之不對稱積層之一或多個層可具有不同的尺寸以促進將窗24附接至外殼20。例如，第一外部層玻璃夾層可具有小於第二內部玻璃夾層之尺寸的尺寸，且窗24可鑲條安裝在外殼20中，使得窗24之外部表面安裝成與外殼之前表面齊平。可使用任何合適的連接方法。
在實施例中，電磁輻射發射器及感測器18發射具有一定波長或波長範圍(例如，在包含在800 nm至1800 nm的波長範圍中的感興趣的50 nm波長範圍內)的所發射輻射22。所發射輻射22經由窗24離開外殼20，該窗在所發射電磁輻射之路徑中。若外部環境26中的物體(未例示出)在所發射輻射22之路徑中，則所發射輻射22將自物體反射出並作為所反射輻射28返回至電磁輻射發射器及感測器18。所反射輻射28再次穿過窗24到達電磁輻射發射器及感測器18。在實施例中，所發射輻射22及所反射輻射28可包括在自800 nm至1800 nm的感興趣的合適波長範圍內的光。例如，所發射輻射22及所反射輻射28可在合適的50 nm波長範圍內。50 nm波長範圍可具有可視應用而變化的中心波長(例如，所發射輻射22之最大強度波長)。在一些實施例中，中心波長可大於或等於925 nm且小於或等於975 nm、大於或等於1525 nm且小於或等於1575 nm。在實施例中，對於，在所發射輻射22及所反射輻射28中可大於或等於1400 nm且小於或等於1600 nm (例如，大於或等於1500 nm且小於或等於1600 nm、大於或等於1525 nm且小於或等於1575 nm，為大約1550 nm，為1550 nm)。除了所反射輻射28之外的電磁輻射(諸如波長在可見光譜、部分紫外線範圍內的電磁輻射)亦可與窗24相互作用。如本文所述，窗24可經設計來經由結合一或多個分層膜來在此類波長範圍內提供所要效能屬性。
如本文所述，「可見光譜」是電磁光譜中人眼可見的部分，且一般是指波長在約380 nm或400 nm至約700 nm範圍內的電磁輻射。「紫外線範圍」是電磁波譜中波長在約10 nm與約400 nm之間的部分。電磁波譜之「紅外線範圍」開始於約700 nm處並擴展至更長的波長。太陽產生太陽電磁輻射，太陽電磁輻射通常稱為「陽光」，其波長落在所有這三個範圍內。
現在參考第3A圖，一或多個LIDAR系統12中之各者之窗24包括基板30。基板30包括第一表面32及第二表面34。第一表面32及第二表面34是基板30之主表面。第一表面32最靠近外部環境26。第二表面34最靠近電磁輻射發射器及感測器18。所發射輻射22遇到第二表面34，然後是第一表面32。所反射輻射28遇到第一表面32，然後是第二表面34。基板30進一步包括安置在基板30之第一表面32上的第一分層膜36及(視情況)安置在基板30之第二表面34上的第二分層膜38。本文描述了其中窗24包括第一分層膜36及第二分層膜38二者的實例。亦設想了其中窗24僅包括一個分層膜(例如，僅第一分層膜36或第二分層膜38)的實施例。應當理解，如本文所述之窗24不限於車輛應用，且可用於窗24將有助於提供改善的衝擊及光學效能的任何應用，如本文進一步描述。
現在參考第3B圖，更詳細地示出了基板30之組件。如圖所示，基板30包含不對稱積層結構300，該不對稱積層結構包括具有第一厚度205的第一玻璃夾層200、具有第二厚度325的第二玻璃夾層320及將第一玻璃夾層200聯接至第二玻璃夾層320且包含第三厚度335的中間層330。第一玻璃夾層200包含第一主表面202及第二主表面204。厚度205沿垂直於第一主表面202的方向在第一主表面202與第二主表面204之間延伸。第一主表面202形成基板30之第一表面32 (例如，使得第一主表面202面向第2圖中描繪的外部環境26)。第二玻璃夾層320包含第三主表面332及第四主表面334。第二厚度325沿垂直於第三主表面332的方向在第三主表面332與第四主表面334之間延伸。第四主表面334形成基板30之第二表面34 (例如，使得第四主表面334面向第2圖中描繪的感測器腔215)。
在實施例中，第一厚度205顯著大於第二厚度325。例如，在實施例中，第一厚度205比第二厚度大至少2.0倍(例如，大至少2.5倍、大至少3.0倍、大至少3.5倍、大至少4.0倍、大至少4.5倍、大至少5.0倍)。在實施例中，第一厚度205與第二厚度325之間(第一厚度/第二厚度)的比率可大於2:1，例如在2:1至20:1、3:1至20:1、3:1至15:1、3:1至10:1、4:1至20:1、4:1至15:1、4:1至10:1、4.5:1至20:1、4.5:1至15:1、4.5:1至10:1、5:1至20:1、5:1至15:1、5:1至10:1、5.75:1至20:1、5.75:1至15:1或5.75:1至10:1的範圍內。如本文所述，此種不對稱結構300有益地增強窗24之衝擊效能。
在實施例中，第一厚度205為至少0.5 mm、至少1 mm、至少2 mm、至少3 mm、至少3.3 mm或至少3.8 mm。在一或多個實施例中，第一厚度之範圍為自約1.5 mm至約8 mm、1.6 mm至約8 mm、自約1.8 mm至約8 mm、自約2 mm至約8 mm、自約2.2 mm至約8 mm、自約2.4 mm至約8 mm、自約2.6 mm至約8 mm、自約2.8 mm至約8 mm、自約3 mm至約8 mm、自約3.1 mm至約8 mm、自約3.2 mm至約8 mm、自約3.3 mm至約8 mm、自約3.4 mm至約8 mm、自約3.5 mm至約8 mm、自約3.6 mm至約8 mm、自約3.7 mm至約8 mm、自約3.8 mm至約8 mm、自約3.9 mm至約8 mm、自約4 mm至約8 mm、自約4.2 mm至約8 mm、自約4.4 mm至約8 mm、自約4.5 mm至約8 mm、自約4.6 mm至約8 mm、自約4.8 mm至約8 mm、自約5 mm至約8 mm、自約5.2 mm至約8 mm、自約5.4 mm至約8 mm、自約5.5 mm至約8 mm、自約5.6 mm至約8 mm、自約5.8 mm至約8 mm、自約1.6 mm至約5.8 mm、自約1.6 mm至約5.6 mm、自約1.6 mm至約5.5 mm、自約1.6 mm至約5.4 mm、自約1.6 mm至約5.2 mm、自約1.6 mm至約5 mm、自約1.6 mm至約4.8 mm、自約1.6 mm至約4.6 mm、自約1.6 mm至約4.4 mm、自約1.6 mm至約4.2 mm、自約1.6 mm至約4 mm、自約1.6 mm至約3.9 mm、自約1.6 mm至約3.8 mm、自約1.6 mm至約3.7 mm、自約1.6 mm至約3.6 mm、自約1.6 mm至約3.5 mm、自約1.6 mm至約3.4 mm、自約1.6 mm至約3.3 mm、自約1.6 mm至約3.2 mm、自約1.6 mm至約3.1 mm、自約1.6 mm至約3 mm、自約1.6 mm至約2.8 mm、自約1.6 mm至約2.6 mm、自約1.6 mm至約2.4 mm、自約1.6 mm至約2.2 mm、自約1.6 mm至約2 mm、自約1.6 mm至約1.8 mm、自約3 mm至約5 mm或自約3 mm至約4 mm。
在一或多個實施例中，第二厚度325可在約0.05 mm至約1.5 mm的範圍內，例如，在約0.05 mm至約1.2 mm、約0.05 mm至約1.1 mm、約0.05mm至約1.0 mm、約0.05 mm至約0.9 mm的範圍內，在約0.05 mm至約0.8 mm的範圍內，在約0.05 mm至約0.7 mm的範圍內，在約0.05 mm至約0.6 mm的範圍內，在約0.05 mm至約0.5 mm的範圍內，在約0.05 mm至約0.4 mm的範圍內，在約0.05 mm至約0.3 mm的範圍內，在約0.05 mm至約0.2 mm的範圍內或在約0.05 mm至約0.15 mm的範圍內。
本文所述之厚度值是最大厚度。在一或多個實施例中，第一玻璃夾層200及第二玻璃夾層320具有實質上均一的厚度。在實施例中，第一厚度205及第二厚度305可視空間位置而變化。雖然所描繪之實施例是平坦的，但亦可設想了其中第一玻璃夾層200及第二玻璃夾層320中之一或多者經由合適的技術(例如，熱成形或冷成形)而彎曲的實施例。
在實施例中，第一玻璃夾層200經強化至比第二玻璃夾層320小的程度，使得第一玻璃夾層200及第二玻璃夾層320在其中包含不同的應力分佈(例如，向基板30施加的外力除外)。第一玻璃夾層200一般在其中心區中具有小於第二玻璃夾層320之中心張力的中心張力。在實施例中，例如，第二玻璃夾層320經強化而第一玻璃夾層200未經強化(但可視情況經退火)，使得第一玻璃夾層表現出小於約10 MPa、小於約3 MPa、或為約2.5 MPa或更小、2 MPa或更小、1.5 MPa或更小、1 MPa或更小或約0.5 MPa或更小的表面壓縮應力。在此類實施例中，第二玻璃夾層320可經熱強化、機械強化或化學強化。在實施例中，例如，第二玻璃夾層320經化學強化為使得在第三主表面332及第四主表面334處，第二玻璃夾層320包含至少250 MPa、至少300 MPa、或至少400 MPa、或至少500 MPa、或至少600 MPa、或至少700 MPa、至少800 MPa、至少900 MPa、或至少1000 MPa的表面壓縮應力。在各種實施例中，第二玻璃夾層320可在第三主表面332及第四主表面334中之一或多者處包含在約250 MPa至約1100 MPa、約250 MPa至約900 MPa、約300 MPa至約900 MPa、約400 MPa至約900 MPa的範圍內，或在約500 MPa至約900 MPa的範圍內，或在約600 MPa至約900 MPa的範圍內，或在約700 MPa至約900 MPa的範圍內，或在約800 MPa至約900 MPa的範圍內的表面壓縮應力大小。
在實施例中，第二玻璃夾層320可包括自第三主表面332及第四主表面334中之一或多者延伸至壓縮深度(depth of compression，DOC)的至少一個壓縮應力區。在實施例中，DOC為15 μm或更大、20 μm或更大、25 μm或更大、30 μm或更大、35 μm或更大、40 μm或更大、45 μm或更大或50 μm或更大。在實施例中，DOC在約30 μm至約150 μm、約30 μm至約90 μm的範圍內，或在約40 μm至約80 μm的範圍內，或在約40 μm至約70 μm的範圍內，或在約40 μm至約60 μm的範圍內，或在約40 μm至約50 μm的範圍內。
第一玻璃夾層200及第二玻璃夾層320之材料可變化。根據一或多個實施例，用於第一玻璃夾層200及第二玻璃夾層320的材料可為相同材料(除了由強化處理引起的差異之外)或不同材料。在示範性實施例中，第一玻璃夾層200及第二玻璃夾層320中之一者或二者可為玻璃(例如，鈉鈣玻璃、含鹼鋁矽酸鹽玻璃、含鹼硼矽酸鹽玻璃及/或含鹼鋁硼矽酸鹽玻璃)或玻璃陶瓷(包括Li 2O-Al 2O 3-SiO 2系統(即LAS系統)玻璃陶瓷、MgO-Al 2O 3-SiO 2系統(即MAS系統)玻璃陶瓷、包括富鋁紅柱石、尖晶石、α石英、β石英固體溶液、透鋰長石、二矽酸鋰、β鋰輝石、霞石及氧化鋁中之任何一者或多者的結晶階段的玻璃陶瓷)。
第一玻璃夾層200及第二玻璃夾層320可使用多種不同的製程來提供。示範性玻璃基板形成方法包括浮法玻璃製程及下拉製程諸如熔合拉製及狹縫拉製。藉由浮法玻璃製程製備的玻璃基板之特徵可在於光滑表面，且均一厚度藉由將熔融玻璃浮在熔融金屬(通常為錫)床上來製成。在示範性製程中，進給至熔融錫床之表面上的熔融玻璃形成浮法玻璃帶。在玻璃帶沿著錫浴流動時，溫度逐漸降低，直至玻璃帶凝固成可自錫中提升至輥上的固體玻璃基板為止。玻璃基板一旦離開浴，就可進一步進行冷卻並退火以減少內部應力。
下拉製程產生具有相對原始的表面的具有均一厚度的玻璃基板。由於玻璃基板之平均撓曲強度受表面裂隙之量及大小控制，因此接觸最少的原始表面具有更高的初始強度。當此高強度玻璃基板再進一步強化(例如，以化學方式)時，所得強度可高於表面經過研磨及拋光的玻璃基板之強度。下拉玻璃基板可經拉製至小於約2 mm的厚度。此外，下拉玻璃基板具有非常平坦、光滑的表面，無需昂貴的研磨及拋光即可用於最終應用。
例如，熔合拉製製程使用拉製罐，該拉製罐具有用於接受熔融玻璃原材料的通道。通道沿著通道兩側上的通道長度具有在頂部處開口的堰。當通道填充有熔融材料時，熔融玻璃溢出堰。由於重力作用，熔融玻璃沿拉製槽之作為兩個流動玻璃膜的外表面向下流動。拉製槽之此等外表面向下並向內延伸，使得它們在拉製槽下方的邊緣處連結。兩個流動玻璃膜在此邊緣處連結以熔合並形成單個流動玻璃基板。熔合拉製方法提供以下優點：由於在通道之上流動的兩個玻璃膜熔合在一起，因此所得玻璃基板之外表面都不與設備之任何部分接觸。因此，熔合拉製玻璃基板之表面特性不受此種接觸影響。
狹縫拉製製程不同於熔合拉製方法。在狹縫拉製製程中，將熔融原材料玻璃提供給拉製槽。拉製槽之底部具有開口狹縫與沿槽之長度延伸的噴嘴。熔融玻璃流過狹縫/噴嘴並作為連續基板被向下吸入並進入退火區。
玻璃基板一旦形成，就可經強化以形成強化玻璃基板，如本文所述。應當注意，玻璃陶瓷基板亦可以與玻璃基板相同的方式進行強化。
可用於本文所述之第一玻璃夾層200或第二玻璃夾層320的玻璃之實例可包括硼矽酸鹽玻璃組成物、含鹼鋁矽酸鹽玻璃組成物、含鹼鋁硼矽酸鹽玻璃組成物、鈉鈣矽酸鹽玻璃組成物及其他合適的玻璃組成物。某些玻璃組成物之特徵可在於可離子交換。如本文所用，「可離子交換的」是指包含該組成物的基板能夠將位於基板之表面處或附近的陽離子與大小更大或更小的相同價態的陽離子交換。一種示範性玻璃組成物包含SiO 2、B 2O 3及Na 2O，其中(SiO 2+B 2O 3)≥66莫耳%，且Na 2O≥9莫耳%。在一些實施例中，合適的玻璃組成物進一步包含K 2O、MgO及CaO中之至少一者。在特定實施例中，用於基板中的玻璃組成物可包含：61莫耳%至75莫耳%的SiO 2；7莫耳%至15莫耳%的Al 2O 3；0莫耳%至12莫耳%的B 2O 3；9莫耳%至21莫耳%的Na 2O；0莫耳%至4莫耳%的K 2O；0莫耳%至7莫耳%的MgO；及0莫耳%至3莫耳%的CaO。
適合於第一玻璃夾層200及第二玻璃夾層320的又一示範性玻璃組成物包含：60莫耳%至70莫耳%的SiO 2；6莫耳%至14莫耳%的Al 2O 3；0莫耳%至15莫耳%的B 2O 3；0莫耳%至15莫耳%的Li 2O；0莫耳%至20莫耳%的Na 2O；0莫耳%至10莫耳%的K 2O；0莫耳%至8莫耳%的MgO；0莫耳%至10莫耳%的CaO；0莫耳%至5莫耳%的ZrO 2；0莫耳%至1莫耳%的SnO 2；0莫耳%至1莫耳%的CeO 2；小於50 ppm的As 2O 3；及小於50 ppm的Sb 2O 3；其中12莫耳%≤(Li 2O+Na 2O+K 2)≤20莫耳%，且0莫耳%≤(MgO+CaO)≤10莫耳%。
適合於第一玻璃夾層200及第二玻璃夾層320的再一示範性玻璃組成物包含：63.5莫耳%至66.5莫耳%的SiO 2；8莫耳%至12莫耳%的Al 2O 3；0莫耳%至3莫耳%的B 2O 3；0莫耳%至5莫耳%的Li 2O；8莫耳%至18莫耳%的Na 2O；0莫耳%至5莫耳%的K 2O；1莫耳%至7莫耳%的MgO；0莫耳%至2.5莫耳%的CaO；0莫耳%至3莫耳%的ZrO 2；0.05莫耳%至0.25莫耳%的SnO 2；0.05莫耳%至0.5莫耳%的CeO 2；小於50 ppm的As 2O 3；及小於50 ppm的Sb 2O 3；其中14莫耳%≤(Li 2O+Na 2O+K 2O)≤18莫耳%，且2莫耳%≤(MgO+CaO)≤ 7莫耳%。
在特定實施例中，適合於第一玻璃夾層200及第二玻璃夾層320的含鹼鋁矽酸鹽玻璃組成物包含：氧化鋁、至少一種鹼金屬及在一些實施例中大於50莫耳%的SiO 2、在其他實施例中至少58莫耳%的SiO 2、及在再一些其他實施例中至少60莫耳%的SiO 2，其中比率((Al 2O 3+B 2O 3)/∑改質劑)＞1，其中在該比率中，組分以莫耳%表示且改質劑是鹼金屬氧化物。在特定實施例中，此玻璃組成物包含：58莫耳%至72莫耳%的SiO 2；9莫耳%至17莫耳%的Al 2O 3；2莫耳%至12莫耳%的B 2O 3；8莫耳%至16莫耳%的Na 2O；及0莫耳%至4莫耳%的K 2O，其中比率((Al 2O 3+B 2O 3)/∑改質劑)＞1。
在又一個實施例中，第一玻璃夾層200及第二玻璃夾層板320可包括含鹼鋁矽酸鹽玻璃組成物，該含鹼鋁矽酸鹽玻璃組成物包含：64莫耳%至68莫耳%的SiO 2；12莫耳%至16莫耳%的Na 2O；8莫耳%至12莫耳%的Al 2O 3；0莫耳%至3莫耳%的B 2O 3；2莫耳%至5莫耳%的K 2O；4莫耳%至6莫耳%的MgO；及0莫耳%至5莫耳%的CaO，其中66莫耳%≤SiO 2+B 2O 3+CaO≤69莫耳%；Na 2O+K 2O+B 2O 3+MgO+CaO+SrO＞10莫耳%；5莫耳%≤MgO+CaO+SrO≤8莫耳%；(Na 2O+B 2O 3)－Al 2O 3≤2莫耳%；2莫耳%≤Na 2O－Al 2O 3≤6莫耳%；且4莫耳%≤(Na 2O+K 2O)－Al 2O 3≤10莫耳%。
在替代實施例中，第一玻璃夾層200及第二玻璃夾層320可包含含鹼鋁矽酸鹽玻璃組成物，該含鹼鋁矽酸鹽玻璃組成物包含：2莫耳%或更多的Al 2O 3及/或ZrO 2；或4莫耳%或更多的Al 2O 3及/或ZrO 2。
在實施例中，第一玻璃夾層200由異常玻璃組成物形成。異常玻璃是一種在玻璃經受維氏壓頭試驗時傾向於表現出環形裂紋包圍初始壓痕部位的裂紋環路或緻密化斷裂行為的玻璃，該維氏壓頭試驗描述於Gross等人的Crack-resistant glass with high shear band density, Journal of Non-Crystalline Solids, 494 (2018) 13-20；及Gross, Deformation and cracking behavior of glasses indented with diamond tips of various sharpness, Journal of Non-Crystalline Solids, 358 (2012) 3445-3452中，兩個文獻整體併入。異常玻璃之實例可為硼矽酸鹽玻璃(諸如2021年12月6日提交的PCT專利申請案第PCT/US2021/61966號中所述之玻璃)、某些未強化鋁矽酸鹽玻璃或具有相對高二氧化矽含量的玻璃。此類玻璃傾向於表現出優於表現出正常斷裂行為的玻璃的衝擊效能特徵，其中自壓痕部位徑向延伸的裂紋傾向於延伸穿過玻璃之厚度，從而潛在地導致災難性破壞。異常玻璃諸如硼矽酸鹽亦可能傾向於表現出相對低的CTE，從而限制因環境曝露引起的熱致損壞。
在實施例中，第一玻璃夾層200包含硼矽酸鹽玻璃組成物，該硼矽酸鹽玻璃組成物包含：自60莫耳%至90莫耳%的SiO 2；自約1莫耳%至約20莫耳%的Al 2O 3；自7莫耳%至16莫耳%的B 2O 3；自2莫耳%至20莫耳%的R 2O，其中R 2O 包含Na 2O、Li 2O及K 2O之組合量。例如，在實施例中，硼矽酸鹽玻璃組成物包含約83.60莫耳%的SiO 2、約1.20莫耳%的Al 2O 3、約11.60莫耳%的B 2O 3、約3.00莫耳%的Na 2O及約0.70莫耳%的K 2O，且包含約32×10 -7K -1的CTE。此類硼矽酸鹽玻璃可有益地具有比當前用於某些窗中的鈉鈣矽酸鹽玻璃大的耐熱衝性，且更耐來自道路碎片(例如，岩石或類似者)的衝擊事件的裂紋形成。已知硼矽酸鹽玻璃表現出異常開裂行為，且不易形成自碎片衝擊點徑向傳播的裂紋，這對汽車玻璃耐久性特別有益。
在實施例中，第一玻璃夾層200特別有益地包含描述於以下專利中的可熔合形成的硼矽酸鹽玻璃組成物：2020年12月10日提交的名稱為「Fusion Formable Borosilicate Glass Composition and Articles Formed Therefrom」的美國臨時專利申請案第63/123863號，2021年5月3日提交的名稱為「Fusion Formable Borosilicate Glass Composition and Articles Formed Therefrom」的美國臨時專利申請案第63/183271號，2021年5月3日提交的名稱為「Glass with Unique Fracture Behavior for Vehicle Windshield」的美國臨時專利申請案第63/183292號，2021年6月30日提交的名稱為「Glass with Unique Fracture Behavior for Vehicle Windshield」的美國專利申請案第17/363266號，2021年12月6日提交的名稱為「Glass with Unique Fracture Behavior for Vehicle Windshield」的國際專利申請案第PCT/US2021/061966號，及2022年5月13日提交的名稱為「Glass with Unique Fracture Behavior for Vehicle Windshield」的美國臨時專利申請案第63/341,603號，該等申請案中之各者之內容據此以引用方式整體併入。在實施例中，就構成氧化物而言，此種硼矽酸鹽玻璃組成物包含SiO 2、B 2O 3、Al 2O 3、一或多種鹼金屬氧化物及選自由MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO組成之群組的一或多種二價陽離子氧化物。在實施例中，硼矽酸鹽玻璃組成物包含例如大於或等於11莫耳%且小於或等於16莫耳%的B 2O 3、大於或等於2莫耳%且小於或等於6莫耳%的Al 2O 3以及大於或等於7.0莫耳%的Na 2O、K 2O、MgO及CaO之總量。在SiO 2、B 2O 3、一或多種鹼金屬氧化物、Al 2O 3及一或多種鹼土金屬氧化物之氧化物基礎上莫耳百分比的濃度滿足以下關係：(R 2O+R'O)≥Al及0.80＜(1-[(2R 2O+2R'O)/(SiO 2+2Al 2O 3+2B 2O 3)])＜0.93，其中R 2O是一或多種鹼金屬氧化物之濃度之總和，且R'O是一或多種鹼土金屬氧化物之濃度之總和。已發現此類玻璃表現出良好的環形開裂行為，從而防止裂隙自衝擊點徑向傳播。
在實施例中，第一玻璃夾層200包含可熔合形成的硼矽酸鹽玻璃組成物，該可熔合形成的硼矽酸鹽玻璃組成物包含74莫耳%至80莫耳%的SiO 2、2.5莫耳%至6莫耳%的Al 2O 3、11.5莫耳%至18莫耳%的B 2O 3、4.5莫耳%至8莫耳%的Na 2O、0.5莫耳%至3莫耳%的K 2O、0.5莫耳%至2.5莫耳%的MgO及0莫耳%至4莫耳%的CaO (例如，使得CaO及MgO之組合量小於5莫耳%)，且包含大於或等於32.5×10 -7K -1且小於或等於56×10 -7K -1(例如，大於或等於40×10 -7K -1且小於或等於50x10 -7K -1、大於或等於42×10 -7K -1且小於或等於48×10 -7K -1、大於或等於43×10 -7K -1且小於或等於47×10 -7K -1)的CTE。此種可熔合形成的硼矽酸鹽玻璃組成物可包含在SiO 2、B 2O 3、一或多種鹼金屬氧化物(R 2O)、Al 2O 3及一或多種二價陽離子氧化物之氧化物基礎上莫耳百分比的濃度，使得濃度滿足一些(例如，一個或多於一個之組合)或所有關係：(關係1) SiO 2≥72莫耳% (諸如SiO 2≥72.0，諸如SiO 2≥73.0，諸如SiO 2≥74.0)，及/或SiO 2≤92 (諸如SiO 2≤90)；(關係2) B 2O 3≥10莫耳% (諸如B 2O 3≥10.0，諸如B 2O 3≥10.5)，及/或B 2O 3≤ 20 (諸如B 2O 3≤18)；(關係3) (R 2O+R'O) ≥Al 2O 3，諸如(R 2O+R'O)≥(Al 2O 3+1)，諸如(R 2O+R'O)≥(Al 2O 3+2)；及/或(關係4) 0.80≤(1-[(2R 2O+2R'O)/(SiO 2+2Al 2O 3+2B 2O 3)])≤0.93，其中R 2O是一或多種鹼金屬氧化物之濃度之總和，且當包括在硼矽酸鹽玻璃組成物時，R'O是一或多種二價陽離子氧化物之濃度之總和。R 2O可為例如Li 2O、Na 2O、K 2O、Rb 2O、Cs 2O之總和，且R'O可為例如MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO之總和。滿足此段落中所述之關係1-4的組成物可傾向於表現出環形裂紋形成在玻璃與衝擊物之間的接觸區周圍並防止徑向裂紋傳播的獨特斷裂行為。與其他硼矽酸鹽玻璃相比，此類熔合形成玻璃亦可表現出優異的化學耐久性、耐刮擦性、機械強度及光學效能(例如，自光學透射及光學失真兩個角度來看)。本文提供了此類玻璃組成物之實例。
現在將描述包括在第一玻璃夾層200中的硼矽酸鹽玻璃的各種示範性組成物。下表1中就組成物及各種特性描述實例1-6。 表1
實例 1 2 3 4 5 6
SiO 2 75.35 76.72 76.14 75.18 77.19 76.36
Al 2O 3 3.54 3.54 3.54 4.07 4.04 4.07
B 2O 3 12.21 10.75 11.31 12.01 9.84 10.86
Na 2O 4.60 4.67 4.68 4.61 4.70 4.57
K 2O 2.13 2.18 2.18 2.93 3.05 2.94
MgO 0.99 0.99 0.99 0.02 0.02 0.02
CaO 1.03 1.02 1.02 1.05 1.03 1.03
SnO 2 0.14 0.13 0.13 0.13 0.13 0.14
密度(g/cm 3) 2.307 2.308 2.308 2.316 2.335 2.324
應變點(℃) 512.6 518.6 516.7 515.2 528.0 520.7
LTCTE (ppm/℃) 5.1 5.24 5.1 5.58 5.55 5.56
HTCTE (ppm/℃) 25.44 25.26 24.79 24.52 24.6 24.58
楊氏模量(GPa) 66.6 67.7 67.1 66.7 69.2 67.7
帕松比 0.198 0.194 0.196 0.200 0.194 0.197
Fulchers A -1.531 -1.342 -1.536 -1.163 -1.159 -1.152
Fulchers B 5661.3 5468.2 5817.5 4739.4 4858.6 4848.7
Fulchers T 0 140.9 182.3 142.8 227.7 232.4 224.8
200P溫度(℃) 1618 1683 1659 1596 1637 1629
35 kP溫度 (℃) 1073 1111 1100 1058 1084 1076
200 kP溫度 (℃) 970 1005 994 961 985 976
液體 黏度(kP) 947 672 1578 3779 2892 4013
下表2中描述附加示範性硼矽酸鹽玻璃組成物。 表2
實例 7 8 9 12 13 14
SiO 2 76.75 75.93 76.38 76.34 76.06 76.15
AI 2O 3 3.57 3.53 3.56 3.56 3.54 3.54
B 2O 3 11.18 11.61 12.26 11.80 12.43 12.89
Na 2O 6.35 4.59 4.87 4.29 4.15 3.85
K 2O 2.04 2.13 1.01 1.96 1.95 1.80
MgO 0.00 0.03 1.81 0.95 0.86 0.82
CaO 0.01 2.05 0 0.99 0.90 0.86
SnO 2 0.11 0.11 0.11 0.10 0.10 0.10
密度(g/cm 3) 2.328 2.32 2.273 2.298 2.285 2.271
應變點 (℃) 518.6 525.8 506.2 512.7 511.1 506.6
退火 點(℃) 564 571.4 552.9 558.7 558.2 554.9
LTCTE (ppm/℃) 5.6 5.15 4.58 4.8 4.6 4.5
楊氏模量(GPa) 68.7 68.3 63.1 65.9 64.6 63.0
帕松 比 0.192 0.192 0.196 0.196 0.2 0.2
Fulchers A -1.121 -0.974 -1.682 -1.504 -1.647 -1.835
Fulchers B 4505.1 4545.6 6535.2 12 13 14
Fulchers T 0 255.8 251.8 69 76.34 76.06 76.15
200P溫度(℃) 1572 1640 1710 1676 1695 1718
35 kP溫度 (℃) 1051 1076 1119 1097 1113 1121
200 kP溫度 (℃) 957 976 1005 987 1002 1005
液體 黏度(kP) 582 855 1365 1021 1197 1752
如表2所示，實例12-14表明B 2O 3的增加量可具有降低密度的作用。以上實例包括至少5.5莫耳%的Na 2O+K 2O及總共至少7.0莫耳%的Na 2O+K 2O+MgO+CaO。根據表中的實例1-2，據信，本揭露之實施例針對熔合成形將表現出T 200P及液相線黏度，其中Na 2O+K 2O+MgO+CaO之總量為至少7.0莫耳%，尤其是在存在至少5.5莫耳%的Na 2O+K 2O及至少1.5莫耳%的MgO+CaO的情況下。進一步據信，本揭露之實施例針對熔合成形將表現出必要的T 200P及液相線黏度，其中Na 2O+K 2O為至少8莫耳%，而不考慮MgO及CaO之量。
仍然參考第3B圖，中間層330由合適的材料形成，且第三厚度335經選擇為使得基板30在感興趣的合適波長範圍內表現出所要光學效能屬性(例如，就反射率及透射率而言)。在實施例中，對於法向入射在中間層330上的光，中間層330單獨地在感興趣的50 nm波長範圍內表現出大於或等於98% (例如，大於或等於98.25%、大於或等於98.5%、大於或等於98.75%、大於或等於99.0%、大於或等於99.25%)的平均透射率。因此，對於法向入射在第一表面32上的光，基板30組合地(沒有任何附加分層膜/塗層)可在感興趣的50 nm波長範圍內表現出大於90% (例如，大於或等於90.25%、大於或等於90.5%、大於或等於90.75%、大於或等於91.0%、大於或等於91.25%)的平均透射率。此種光學效能優於使用典型聚合物中間層(諸如聚乙烯醇縮丁醛中間層)組裝玻璃積層時能夠獲得的效能。
在實施例中，中間層330由合適的光學清晰黏合劑(例如，帶基光學清晰黏合劑，諸如3M™光學清晰黏合劑8146-1或3M™光學清晰黏合劑8214)形成。在實施例中，中間層330由合適的基於丙烯酸酯的輻射固化樹脂(諸如Loctite® AA 3491或Uvekol® S單組分丙烯酸樹脂)形成。如關於本文中之實例所述，已發現此類材料表現出有利於各種感興趣的感測器波長範圍(例如，自925 nm至975 nm或自1525 nm至1575 nm)的光學效能特性。可使用能夠滿足本文所述之光學及衝擊效能標準的任何合適的夾層材料。組裝基板30之方法可視所使用之黏合劑類型而變化。
在實施例中，第三厚度335在自0.05 mm至1 .5、自0.05 mm至1.4 mm、自0.1至1.4 mm、自0.1 mm至1.3 mm、自0.1 mm至1.2 mm、自0.1 mm至1.1 mm、自0.1 mm至1.0 mm、自0.1 mm至0.95 mm、自0.1 mm至0.90 mm、自0.1 mm至0.85 mm、自0.1 mm至0.80 mm、自0.1 mm至0.75 mm、自0.1 mm至0.70 mm、自0.1 mm至0.65 mm、自0.1 mm至0.60 mm、自0.1 mm至0.55 mm、自0.1 mm至0.50 mm、自0.1 mm至0.45 mm、自0.1 mm至0.40 mm、自0.1 mm至0.35 mm、自0.1 mm至0.30 mm、自0.1 mm至0.25 mm、自0.1 mm至0.20 mm的範圍內。厚度可經選擇為達成特定光學效能，這視所選擇之中間層材料而定。
基板30之光學效能可經由結合不同的功能層(例如，抗反射塗層、裝飾塗層)或表面處理(例如，防眩光表面處理)來調整。在實施例中，例如，基板30包括可見光吸收、紅外線透射材料層。此類材料之實例包括紅外線透射、可見光吸收丙烯酸片材，諸如可自ePlastics以商品名Plexiglas® IR acrylic 3143及CYRO's ACRYLITE® IR acrylic 1146購得的彼等片材。Plexiglas® IR acrylic 3143對波長為約700 nm或更短的電磁輻射具有約0% (至少小於10%，或小於1%)的透射率，但對在800 nm至約1100 nm (包括905 nm)範圍內的波長具有約90% (高於85%)的透射率。
在實施例中，基板30之層中之各者表現出在約1.40至約1.60範圍內的折射率(例如，在本文所述之感興趣的50 nm波長範圍的中心波長處)。在實施例中，基板在整個本文所述之感興趣的50 nm波長範圍中表現出大於或等於95% (例如，大於或等於96%、大於或等於97%、大於或等於98%、大於或等於99%、大於或等於99.5%)的平均透射比。
現在參考第4圖及第5圖，第一分層膜36及第二分層膜38各自包括一定數量的一或多個較高折射率材料40及一或多個較低折射率材料42之交替層。雖然一或多個較高折射率材料40及一或多個較低折射率材料42中之各者使用相同的參考數字來標識，但應當理解，使用相同的參考數字並不指示層中之各者由相同的材料構成或包括相同的結構。在第一分層膜36及第二分層膜38中之各者中，各別較高折射率材料40及較低折射率材料42之層中之不同層可包括不同的組成或結構特性。
如本文所用，術語「較高折射率」及「較低折射率」是指相對於彼此的折射率值，其中一或多個較高折射率材料40之一或多個折射率大於一或多個較低折射率材料42之一或多個折射率。在實施例中，一或多個較高折射率材料40具有自約1.7至約4.0的折射率。在實施例中，一或多個較低折射率材料42具有自約1.3至約1.6的折射率。在實施例中，一或多個較低折射率材料42具有自約1.3至約1.7的折射率，而一或多個較高折射率材料40具有自約1.9至約3.8的折射率。一或多個較高折射率材料40中之任一種及一或多個較低折射率材料42中之任一種之折射率差可為約0.1或更大、0.2或更大、0.3或更大、0.4或更大、0.5或更大、0.6或更大、0.7或更大、0.8或更大、0.9或更大、1.0或更大、1.5或更大、2.0或更大、2.1或更大、2.2或更大、或甚至2.3或更大。由於一或多個較高折射率材料40及一或多個較低折射率材料42之折射率的差異，因此操縱交替層之數量(數目)及其厚度可引起電磁輻射在一定波長範圍內經由窗24的選擇性透射及單獨地電磁輻射在一定波長範圍內自第一分層膜36的選擇性反射。第一分層膜36 (及第二分層膜38，若使用的話)因此是具有預定光學特性的薄膜濾光器，預定光學特性根據數量、厚度、數目及作為一或多個較高折射率折射率材料40及一或多個較低折射率材料42選擇的材料來組配。
用作一或多個較低折射率材料42的合適材料之一些實例包括SiO 2、Al 2O 3、GeO 2、SiO、AlO xN y、SiO xN y、Si uAl vO xN y、MgO、MgAl 2O 4、MgF 2、BaF 2、CaF 2、DyF 3、YbF 3、YF 3及CeF 3。用作一或多個較低折射率材料42的材料之氮含量可最小化(例如，在諸如AlO xN y、SiO xN y及Si uAl vO xN y的材料中)。
用作一或多個較高折射率材料40的合適材料之一些實例包括Si、非晶矽(a-Si)、SiN x、SiN x:H y、AlN x、Si uAl vO xN y、Ta 2O 5、Nb 2O 5、AlN、Si 3N 4、AlO xN y、SiO xN y、HfO 2、TiO 2、ZrO 2、Y 2O 3、Al 2O 3、MoO 3及類鑽碳。用於較高折射率材料40的材料之氧含量可最小化，尤其是在SiN x或AlN x材料中。AlO xN y材料可被認為是氧摻雜AlN x，即它們可具有AlN x晶體結構(例如，纖鋅礦)且不需要具有AlON晶體結構。用作一或多個較高折射率材料40的示範性較佳AlO xN y材料可包含自約0原子%至約20原子%的氧、或自約5原子%至約15原子%的氧，同時包括30原子%至約50原子%的氮。用作一或多個較高折射率材料40的示範性較佳Si uAl vO xN y可包含自約10原子%至約30原子%或自約15原子%至約25原子%的矽、自約20原子%至約40原子%或自約25原子%至約35原子%的鋁、自約0原子%至約20原子%或自約1原子%至約20原子%的氧、及自約30原子%至約50原子%的氮。前述材料可氫化至高達約30重量%。由於一或多個較高折射率材料40及一或多個較低折射率材料42之折射率彼此相關，因此相同的材料(諸如Al 2O 3)可對於一或多個較高折射率材料40適當，這視針對一或多個較低折射率材料42選擇的材料之折射率而定，且可替代地對於一或多個較低折射率材料42適當，這視針對一或多個較高折射率材料40選擇的材料之折射率而定。
在實施例中，第一分層膜36之一或多個較低折射率材料42由SiO 2層組成，第一分層膜36之一或多個較高折射率材料40由SiO xN y或SiN x層組成。在實施例中，第一分層膜36之一或多個較低折射率材料42由SiO 2層組成，且第一分層膜36之一或多個較高折射率材料40由SiN x或SiO xN y及Si (例如a-Si)層組成，而第二分層膜38之一或多個較低折射率材料42由SiO 2層組成，且第二分層膜38之一或多個較高折射率材料40包含SiN x或SiO xN y及Si (例如a-Si)層。
第一分層膜36或第二分層膜38中之高折射率材料40及低折射率材料42之交替層之數量沒有特別限制。在實施例中，第一分層膜36內之交替層之數目為7或更多、9或更多、11或更多、13或更多、15或更多、17或更多、19或更多、21或更多、23或更多、25或更多、或51或更多、或81或更多。在實施例中，第二分層膜38內之交替層之數量為7或更多、9或更多、11或更多、13或更多、15或更多、17或更多、19或更多、21或更多、23或更多、25或更多、或51或更多、或81或更多。在實施例中，共同形成窗24的第一分層膜36及第二分層膜38之交替層(不包括基板30)之數量為14或更多、20或更多、26或更多、32或更多、38或更多、44或更多、50或更多、72或更多、或100或更多。一般而言，第一分層膜36及第二分層膜38內之層之數量越大，窗24之透射率及反射率特性針對一或多個特定波長或波長範圍的調整就越窄。
第一分層膜36及第二分層膜38之交替層中之各者具有一定厚度。針對交替層中之各者選擇的厚度決定光傳播穿過窗24的光學路徑長度，且決定在窗24之各材料界面處反射的不同光線之間的相長干涉及相消干涉。因此，交替層中之各者之厚度，結合一或多個較高折射率材料40及一或多個較低折射率材料42之折射率，決定窗24之反射及透射光譜。
參考第3A圖、第3B圖、第4圖及第5圖，所反射輻射28在與窗24相互作用時首先遇到第一分層膜36之終端表面44，且終端表面44可對外部環境26開放。在一個實施例中，一或多個較低折射率材料42之一層提供終端表面44，以更緊密地匹配外部環境26中的空氣的折射率且因此減少入射電磁輻射自終端表面44的反射(無論是所反射輻射28還是其他)。一或多個較低折射率材料42之提供終端表面44的該層是第一分層膜36中之離基板30最遠的層。類似地，在實施例中，當一或多個較低折射率材料42是SiO 2時，SiO 2層作為一或多個較低折射率材料42直接安置至基板30之第一表面32上，其通常將包含大莫耳百分比的SiO 2。不受理論的束縛，據認為，基板30及一或多個較低折射率材料42之相鄰層二者中的SiO 2共性達成增加的黏結強度。
所發射輻射22在與窗24相互作用時首先遇到第二分層膜38之終端表面48。在一個實施例中，一或多個較低折射率材料42之層提供終端表面48，以更緊密地匹配外殼20內的空氣的折射率且因此減少所發射輻射22自終端表面48的反射。一或多個較低折射率材料42之提供終端表面48的該層是第二分層膜38中之離基板30最遠的層。類似地，在實施例中，當一或多個較低折射率材料42是SiO 2時，SiO 2層作為一或多個較低折射率材料42直接安置至基板30之第二表面34上。
具有相對高折射率的材料可同時具有相對高硬度，從而提供耐刮擦性及耐衝擊性。既具有高硬度又可為一或多個較高折射率材料40中之一個的示範性材料是SiO xN y。既具有高硬度又可為較高折射率材料40的其他示範性材料是SiN x、SiN x:H y及Si 3N 4。已發現，相對厚(例如，大於或等於500 nm)的SiO xN y(或其他合適的較高折射率材料)層可增加窗24之耐刮擦及/或損壞性。此種增加的耐刮擦及/或損壞性在更可能遇到來自外部環境26的碎片的衝擊的第一分層膜36中可特別有益。因此，在實施例中，第一分層膜36包含厚度大於或等於500 nm (例如，大於或等於1000 nm、大於或等於1500 nm、大於或等於2000 nm)的一或多個較高折射率材料40中之一個之層。具有此種500 nm或更大的厚度的此種較高折射率層在本文中被描述為「耐刮擦層」。
在實施例中，耐刮擦層之厚度及在第一分層膜36內的位置可經最佳化以向第一分層膜36及因此窗24整體提供所要硬度及耐刮擦性位凖。窗24的不同應用可能導致較高折射率材料40之用作向窗24提供硬度及耐刮擦性的層的耐刮擦層之不同所要厚度。例如，保護車輛10上的LIDAR系統12的窗24可需要與保護辦公大樓處的LIDAR系統12的窗24不同的較高折射率材料40之耐刮擦層之厚度。在實施例中，較高折射率材料40之用作向窗24提供硬度及耐刮擦性的層的耐刮擦層具有在500 nm與50000 nm之間(諸如在500 nm與10000 nm之間，諸如在2000 nm至5000 nm之間)的厚度。在實施例中，此較高折射率材料40之耐刮擦層之厚度具有為第一分層膜36之厚度的50%或更多、65%或更多、或85%或更多、或86%或更多的厚度。一般而言，較高折射率材料40之用作向窗24提供硬度及耐刮擦性的層的耐刮擦層將是面向外部環境26的第一分層膜36之一部分，而不是受外殼20保護的第二分層膜38之一部分，但可能並非總是如此。
如下文將進一步詳述，第一分層膜36及第二分層膜38之剩餘層之數量、厚度、數目及材料可經組配為提供具有所要光學特性(所要波長的透射率及反射率)的窗24，幾乎不考慮針對較高折射率材料40之用作向窗24提供硬度及耐刮擦性的層的耐刮擦層選擇的厚度。當材料對目標波長或波長範圍(例如，自1400 nm至1600 nm，為1550 nm)的電磁輻射具有相對低或可忽略的光學吸收時，窗24整體之光學特性對較高折射率材料40之用作向窗24提供硬度及耐刮擦性的層的耐刮擦層之厚度的此不靈敏性。例如，Si 3N 4僅可忽略不計地吸收700 nm至2000 nm波長範圍內的電磁輻射。
此種普遍不靈敏性允許第一分層膜36中之較高折射率材料40之耐刮擦層具有經預定以滿足指定硬度或耐刮擦性要求的厚度。例如，在車輛10之車頂14處使用的窗24之第一分層膜36可具有與在車輛10之前部部分16處使用的窗24之第一分層膜36不同的硬度及耐刮擦性要求，及因此不同的較高折射率材料40之耐刮擦層之厚度。這可在不顯著更改第一分層膜36整體之透射率及反射率特性的情況下達成。
具有較高折射率材料40之耐刮擦層的第一分層膜36及因此窗24之硬度可被量化。在實施例中，如藉由玻氏壓頭硬度試驗量測，在具有較高折射率材料40之耐刮擦層之第一分層膜36處量測的窗24之最大硬度在自50 nm至2000 nm(自終端表面44量測)且甚至自2000 nm至5000 nm的一或多個壓痕深度處可為約8 GPa或更大、約10 GPa或更大、約12 GPa或更大、約14 GPa或更大、約15 GPa或更大、約16 GPa或更大、或約18 Gpa或更大。如本文所用，「玻氏壓頭硬度試驗」包括藉由在材料之表面上用鑽石玻氏壓頭壓入表面來量測材料之硬度。玻氏壓頭硬度試驗包括用鑽石玻氏壓頭壓壓入第一分層膜36之終端表面44以形成壓痕深度在自約50 nm至約2000 nm範圍內的壓痕(或第一分層膜36之整個厚度)，並量測此壓痕沿著整個壓痕深度範圍或此壓痕深度範圍之一段(例如，在自約100 nm至約600 nm的範圍內)的最大硬度，這一般使用以下文獻所闡述之方法來進行：Oliver, W. C.; Pharr, G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J. Mater. Res.,第7卷, 第6號, 1992, 1564-1583；及Oliver, W. C.; Pharr, G. M. Measurement of Hardness and Elastic Modulus by Instrument Indentation: Advances in Understanding and Refinements to Methodology. J. Mater.Res., 第19卷, 第1號, 2004, 3-20。此等硬度位凖改善窗24對在LIDAR系統12出於其預期目的諸如與車輛10 (參見第1圖)一起使用時遇到的來自沙子、小石頭、碎片及其他物體的衝擊損壞的耐性。因此，此等硬度位凖降低或防止衝擊損壞原本會引起的LIDAR系統12之光學散射及效能降低。
在實施例中，第一分層膜36之至少一部分安置在較高折射率材料40之耐刮擦層與終端表面44之間。在實施例中，第一分層膜36在終端表面44與耐刮擦層之間包含一或多個較低折射率材料42及一或多個較高折射率材料40之複數個交替層。安置在耐刮擦層與終端表面44之間的交替層之此種堆疊在本文中被描述為「光控層」。在實施例中，安置在耐刮擦層與終端表面44之間的光控層具有大於或等於500 nm (例如，大於或等於600 nm、大於或等於700 nm、大於或等於800 nm、大於或等於800 nm、大於或等於1000 nm、大於或等於1100 nm、大於或等於1200 nm、大於或等於1300 nm)的組合厚度。光控層之數量、組成物及厚度可經選擇為在LIDAR系統12在1400 nm與1600 nm之間的操作波長處提供本文所述之所要抗反射效能屬性。這樣，第二分層膜38可經設計為在可見及/或UV光譜中提供所要光學效能特性，如本文所述。
在實施例中，第一分層膜36之厚度46的至少25% (例如，至少26%、至少27%、至少28%、至少29%、至少30%)安置在耐刮擦層與及終端表面44之間。據信，耐刮擦層在第一分層膜36內的此種深度促進第一分層膜36在第一分層膜36內的相對大的深度範圍內具有相對高的奈米壓痕硬度(如藉由玻氏壓頭硬度試驗量測的)。在實施例中，第一分層膜36在第一分層膜36內自250 nm的深度至2000 nm的深度具有大於或等於8 GPa的奈米壓痕硬度。在實施例中，第一分層膜36在第一分層膜36內自1000 nm的深度至2000 nm的深度具有大於或等於8.5 GPa的奈米壓痕硬度。此類硬度值促進提供針對具有相對寬深度範圍的裂隙的耐刮擦及/或損壞性。
現在參考第4圖及第5圖，第一分層膜36具有厚度46，且第二分層膜38具有厚度50。假定為包括一或多個較高折射率材料40之耐刮擦層的第一分層膜36之厚度46可為約1 μm或更大，同時仍提供本文所述之透射率及反射率特性。在實施例中，厚度46在1 μm至剛好超過50 μm (包括自約1 μm至約10 μm及自約2800 nm至約5900 nm)的範圍內。約1 μm的下限值大約是仍然向窗24提供硬度及耐刮擦性的厚度46的最小值。厚度46之上限值受將第一分層膜36之層安置至基板30上所需的成本及時間限制。此外，厚度46之上限值受到限制以防止第一分層膜36使基板30翹曲，這視基板30之厚度而定。第二分層膜38之厚度50可為被認為向窗24賦予所要透射率及反射率特性所必需的任何厚度。在實施例中，第二分層膜38之厚度50在約800 nm至約7000 nm的範圍內。
在透過經由最大化較高折射率材料40之厚度而向窗24賦予硬度、耐衝擊性及耐刮擦性來解決上文在[先前技術]中所論述的問題時，第一分層膜36及第二分層膜38之層之數量、厚度、數目及材料經組配為在與感測器系統相關聯的感興趣的合適的50 nm波長範圍內亦提供相對高的紅外線輻射透射率。在實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38之層之數量、厚度、數目及材料經組配為使得對於法向入射在窗24上的光，窗24在包含在800 nm至1800 nm波長範圍內的感興趣的50 nm波長範圍內具有大於或等於95% (例如，大於或等於95.5%、大於或等於96.0%、大於或等於96.5%、大於或等於97.0%、大於或等於97.5、大於或等於98%、大於或等於98.5%、大於或等於99%、大於或等於99.5%)的平均透射率。在實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38之層之數量、厚度、數目及材料經組配為使得窗24具有小於或等於5.0% (例如，小於或等於4.5%、小於或等於4.0%、小於或等於3.5%、小於或等於3.0%、小於或等於2.5%、小於或等於2.0%、小於或等於1.5%、小於或等於1.0%、小於或等於0.5%)的平均反射率。
第一分層膜36及第二分層膜38之具體組配可視感興趣的波長範圍而變化。例如，在實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38可針對50 nm波長範圍、包括約905 nm的中心波長結構化。在此類實施例中，第一分層膜及第二分層膜一般可具有2020年5月29日提交的名稱為「Hardened Optical Windows for LiDAR Applications at 850- 950 nm」的國際專利申請案公佈第WO 2020/247245號中所述之結構，該申請案據此以引用方式整體併入。
在實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38可針對50 nm波長範圍、包括約1550 nm的中心波長結構化。在此類實施例中，第一分層膜及第二分層膜一般可具有2020年6月1日提交的名稱為「Hardened Optical Windows with Anti-Reflective, Reflective, and Absorbing Layers for Infrared Sensing Systems」的國際專利申請案公佈第WO 2020/247292號中描述的結構，該申請案據此以引用方式整體併入。在此類實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38之層之數量、厚度、數目及材料可經組配為使得對於在0°至8°範圍內的任何入射角下具有1550 nm波長的電磁輻射，窗24具有小於10%的平均百分反射率。
經由設計第一分層膜36及第二分層膜38，可向窗24提供附加效能屬性(例如，外觀、與感測器相關聯的感興趣的波長範圍之外的光學效能)。例如，在實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38可經組配為使得當自終端表面44觀看時窗24表現出黑色或不透明外觀，且在整個可見光譜中表現出相對低的透射率及反射率。在此類實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38可如2022年5月20日提交的名稱為「Hardened Optical Windows with Anti-Reflective Films Having Low Visible Reflectance and Transmission for Infrared Sensing system」的美國臨時專利申請案第63/344,147號中所述結構化，該申請案據此以引用方式整體併入。
在此類實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38之交替層之厚度、數目及材料經組配為使得對於法向於第一表面32及第二表面34以15°內的角度入射在第一表面32及第二表面34上的光，窗24具有在自1400 nm至1600 nm的感興趣的50 nm波長範圍內計算的小於或等於0.5% (例如，小於或等於0.4%、小於或等於0.3%、小於或等於0.2%、小於或等於0.1%、小於或等於0.08%)的平均反射率。另外，在此類實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38之交替層之數目、厚度、數目及材料經組配為使得對於法向於第一表面32及第二表面34以60°內的角度(例如，以自0°至60°、自0°至50°、自0°至40°、自0°至30°的入射角)入射在第一表面32及第二表面34上的光，窗具有在自1400 nm至1600 nm的感興趣的50 nm波長範圍內計算的大於85% (例如，大於或等於86%、大於或等於87%、大於或等於88%、大於或等於89%、大於或等於90%、大於或等於91%、大於或等於92%)的平均P偏振透射率及平均S偏振透射率。另外，在此類實施例中，當自外部環境26 (參見第2圖)觀看時，對於第一表面32上具有範圍自0°至90°的入射角的光，窗24可表現出大於或等於-6.0且小於或等於6.0的CIELAB顏色空間a*及b*值。即使在基板30在整個可見光譜中具有相對高的透射率(例如，大於90%)及相對低的反射率(例如，小於或等於22%)的實施例中，亦可獲得此類顏色空間值。第一分層膜36及第二分層膜38之交替層之厚度、數目及材料經組配為使得當自小於或等於60°的入射角觀看時，窗24具有小於45 (例如，小於或等於40、小於或等於35、小於或等於30)的CIELAB亮度L*值。
在實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38經構造為使得當自終端表面44觀看時，窗24表現出透明外觀。在此類實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38可如2021年12月15日提交的名稱為「Hardened Optical Windows with Anti-Reflective Films Having Low Reflectance and High Transmission in Multiple Spectral Ranges」的美國臨時專利申請案第63/289,828號中所述結構化，該申請案據此以引用方式整體併入。在此類實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38之交替層之厚度及材料經組配為使得對於以60°或更小的入射角入射在第一表面32或第二表面34上的可見光譜中的光，窗24具有大於或等於70% (例如，大於或等於80%、大於或等於85%)的平均百分透射率。例如，當自外部環境26 (參見第1圖)觀看時，對於第一表面32上具有範圍自0°至90°的入射角的光，窗24可表現出大於或等於-6.0且小於或等於6.0的CIELAB顏色空間a*及b*值。即使在基板30在整個可見光譜中具有相對高的透射率(例如，大於90%)及相對低的反射率(例如，小於或等於22%)的實施例中，亦可獲得此類顏色空間值。在此類實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38之交替層之數目、厚度及材料經組配為使得對於法向於第一表面32及第二表面34以60°內的角度(例如，以自0°至60°、自0°至50°、自0°至40°、自0°至30°的入射角)入射在第一表面32及第二表面34上的光，窗24具有在自1400 nm至1600 nm的感興趣的50 nm波長範圍內計算的大於85% (例如，大於或等於86%、大於或等於87%、大於或等於88%、大於或等於89%、大於或等於90%)的平均P偏振透射率及平均S偏振透射率。
在實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38中之一或多者可包括一或多個透明導電氧化物層，使得對於大於1 GHz的輻射，窗24表現出至少15 dB的微波能量衰減。替代地或另外地，在此類實施例中，第二分層膜38可包括不與基板30直接接觸的一或多個吸收層。第一分層膜36中可不存在此類吸收層。在此類實施例中，第一分層膜36及第二分層膜38可如2021年11月30日提交的名稱為「Durable Optical Windows for LiDAR Applications」的美國臨時專利申請案第63/284,161號中所述構造。
第一分層膜36及第二分層膜38之層(即，高折射率材料層40及低折射率材料層42)可藉由本領域已知的任何方法、包括離散沉積或連續沉積製程來形成。在一或多個實施例中，該層可使用僅連續沉積製程或替代地僅離散沉積製程來形成。
實例
示範性的第一分層膜及第二分層膜—下表3中提供了據信適合與本文所述之不對稱積層結構一起使用的分層膜之示範性組合。在該實例中，第一分層膜36包括十二(12)個作為低折射率材料42的SiO 2及作為高折射率材料40的SiN x及a-Si之交替層。第一分層膜36之層7及5由矽形成以提供在可見光譜中的吸收性且亦消除在紅外線中達成所要效能所必需的層。層7及5亦與其他較高折射率材料層相鄰(例如，層7及8形成組合的較高折射率層，而層4及5形成另一個組合的較高折射率層)。層4為較高折射率材料40之耐刮擦層，具有2000 nm的厚度。這樣，耐刮擦層與矽層相鄰以提供相對高厚度的較高折射率材料層。在此實例中，耐刮擦層構成第一分層膜36之厚度的48%。
第二分層膜38包括七(7)個較低折射率材料42及較高折射率材料40之交替層。在此實例中，較低折射率材料42為SiO 2，而較高折射率材料40為SiN x及a-Si。最接近基板30的較低折射率材料為Si以提供在可見光譜中的吸收性且減少在紅外線中達成所要效能所必需的層數。
第一分層膜36及第二分層膜38之層之厚度如下表3所闡述。
表3
示範性層設計
層 材料 1550 nm處的 物理
折射率 厚度(nm)
介質 空氣 1
全氟聚醚 ~1.4 4-8
12 SiO 2 1.46349 247.4
11 SiN x 2.01269 255.14
10 SiO 2 1.46349 418.3
9 SiN x 2.01269 195.54
8 SiO 2 3.74413 40.57
7 SiN x 1.46349 89.39
6 SiO 2 3.74413 25.23
5 Si 1.98699 2000
4 SiN x 1.46349 72.24
3 SiO 2 2.01269 76.87
2 SiN x 1.46349 25
1 SiO 2 1.46349 247.4
基板 鋁矽酸鹽玻璃(2320) 1.49156
1 SiO 2 1.46349 104.14
2 Si 3.74413 17
3 SiO 2 1.46349 75.27
4 SiN 2.01269 210.15
5 SiO 2 1.46349 540.74
6 SiN 2.01269 120.03
7 SiO 2 1.46349 325.23
介質 空氣 1
在另一個實例中，對於基板30，使用不對稱積層結構300，其中第一玻璃夾層200包含3.8 mm厚的硼矽酸鹽玻璃片材(2021年12月6日提交的PCT專利申請案第PCT/US2021/61966號中所述之玻璃中之一者)，中間層330具有0.1 mm厚度，由光學清晰黏合劑構成，且第二玻璃夾層320是0.7 mm厚的鋁矽酸鹽玻璃片材。在此實例中，僅包括第一分層膜36。
對可用作基板30的各種積層進行了滾珠軸承衝擊試驗。第一示範性基板是現有硼矽酸鹽玻璃組成物的5.0 mm厚的整體式層。第二示範性基板是不對稱積層結構300，其中第一玻璃夾層是2.85 mm厚的未強化鋁矽酸鹽玻璃層，中間層330是100 μm厚的光學清晰黏合劑層，且第二玻璃夾層320是0.55 mm厚的未強化鋁矽酸鹽玻璃層。第三示範性基板是不對稱積層結構300，其中第一玻璃夾層是2.85 mm厚的未強化鋁矽酸鹽玻璃層，中間層330是100 μm厚的光學清晰黏合劑層，且第二玻璃夾層320是1.1 mm厚的化學強化鋁矽酸鹽玻璃層。將1 g滾珠軸承以45°入射角投射至第一玻璃夾層200 (在此試驗中未塗佈)上的樣品中。第6A圖描繪以80.47 km/hr衝擊第一示範性基板的結果。如圖所示，儘管基板之厚度增加，但錐形裂紋延伸穿過整個基板，這將導致氣密性損失。第6B圖描繪以160.93 km/hr衝擊第二示範性基板的結果。如圖所示，積層中產生了一個孔，這將導致氣密性損失。第6C圖描繪以160.93 km/h3衝擊第三示範性基板的結果。如圖所示，第一玻璃夾層200斷裂，但第二玻璃夾層320未受損壞，因此氣密性得以保持。此等結果表明，本文所述之不對稱積層結構能夠提供優於整體式窗的衝擊效能，即使在更小的總厚度下亦是如此。
根據ASTM D3170對不對稱積層結構300進行了礫石計試驗，其中第一層玻璃夾層200是2.85 mm厚的非強化鋁矽酸鹽玻璃，中間層330是760 μm厚的丙烯酸樹脂(Uvekol® S15)，且第二玻璃夾層320是0.55 mm厚的離子交換強化鋁矽酸鹽玻璃片材(具有低CT — CT10)。在兩輪多次衝擊試驗之後，保持密封性。在第一玻璃夾層200上觀察到點蝕及一些裂紋，但第二玻璃夾層320沒有損壞，使得保持氣密性。相同厚度的整體式面板在經受類似試驗時未能保持氣密性。
量測了中間層的四種候選材料的光透射比：(a) 3M™光學清晰黏合劑8146-1；(b) 3M™光學清晰黏合劑8214；(c) Loctite® AA 3491；及(d) Uvekol® S單組分丙烯酸樹脂。第7圖中描繪了結果。對於單獨的中間層，顯示出1520 nm與1580 nm之間的透射光譜。目標大於或等於98% (且較佳地大於99%)，使得(無塗層的)積層之透射比大於91% (較佳地大於92%)。如圖所示，中間層中之各者在整個所描繪之波長範圍中表現出大於或等於98%的透射率。光學清晰黏合劑在1550 nm處表現出大於99%。此等結果表明，此等中間層材料在參考波長範圍內是合適的。
利用關於第7圖所述之中間層材料中之各者構造不對稱積層結構300，其中第一玻璃夾層200是2.85 mm厚的未強化鋁矽酸鹽玻璃層，中間層330為0.1 mm厚，且第二玻璃夾層320是0.55 mm厚的化學強化鋁矽酸鹽玻璃層。下表4中描繪了結果。T vis、R front(自第一主表面202的反射)及R back(自第四主表面334的反射)全部是380 nm至780 nm波長範圍內的平均值。T 940及T 1550分別是940 nm及1550 nm波長處的透射比。所有值都是百分比且是在法向入射下量測的。 表4
OCA 8214 OCA 8146 Uvikol® S Loctite AA3491
T vis 91 91 91 91
R front 7.7 7.7 7.7 7.7
R back 7.7 7.7 7.7 7.7
T 940 91 91 91 91
T 1550 91 91 90 91
據信，本文所述之第一分層膜36及第二分層膜38中之至少一者的存在(諸如在表4中之實例中)將使透射率值增加至少6%且使反射率值降低至少6% (當包括第二分層膜38時)。因此，以上結果表明，根據本揭露之塗佈積層能夠在包含在800 nm至1800 nm波長範圍內的50 nm波長範圍內表現出至少95%的平均透射率且在50 nm波長範圍內表現出小於5%的平均反射率。
熟習此項技術者將明白，在不脫離申請專利範圍之精神及範圍的情況下可進行各種修改及變型。
10:車輛 12:LIDAR系統 14:車頂 16:前部部分 18:電磁輻射發射器及感測器 20:外殼 22:所發射輻射 24:窗 26:外部環境 28:所反射輻射 30:基板 32:第一表面 34:第二表面 36:第一分層膜 38:第二分層膜 40:一或多個較高折射率材料 42:一或多個較低折射率材料 44:第一分層膜之終端表面 46:第一分層膜之厚度 48:第二分層膜之終端表面 50:第二分層膜之厚度 200:第一玻璃夾層 202:第一玻璃夾層之第一主表面 204:第一玻璃夾層之第二主表面 205:第一玻璃夾層之第一厚度 215:感測器腔 300:不對稱積層結構 320:第二玻璃夾層 325:第二玻璃夾層之第二厚度 330:中間層 332:第二玻璃夾層之第三主表面 334:第二玻璃夾層之第四主表面 335:中間層之第三厚度 III,IV,V:區域
第1圖是外部環境中的車輛的側視圖，例示出根據本揭露之一或多個實施例之位於車輛之車頂上的LIDAR系統及位於車輛之前部部分上的另一LIDAR系統；
第2圖是根據本揭露之一或多個實施例之第1圖之LIDAR系統中之一個的示意圖，例示出位於外殼中的電磁輻射發射器及感測器，且該電磁輻射發射器及感測器發射電磁輻射，該電磁輻射經由窗離開外殼並作為反射輻射經由窗返回；
第3A圖是根據本揭露之一或多個實施例之在第2圖之區域III處截取的第2圖之窗的剖視圖，例示出包括基板的窗，該基板在基板之第一表面上具有分層膜且在基板之第二表面上具有第二分層膜；
第3B圖是根據本揭露之一或多個實施例之沿第3A圖之線3A-3A截取的第3A圖之窗的基板的剖視圖，該基板包括第一玻璃夾層、第二玻璃夾層及中間層；
第4圖是根據本揭露之一或多個實施例之在第3A圖之區域IV處截取的第3圖之窗的剖視圖，例示出包括一或多個較高折射率材料及一或多個較低折射率材料之交替層的分層膜，其中一或多個較低折射率材料之層提供最接近外部環境的終端表面；
第5圖是根據本揭露之一或多個實施例之在第3A圖之區域V處截取的第3圖之窗的剖視圖，例示出包括一或多個較高折射率材料及一或多個較低折射率材料之交替層的第二分層膜，其中一或多個較低折射率材料之層提供最接近電磁輻射發射器及感測器的終端表面；
第6A圖是根據本揭露之一或多個實施例之在被滾珠軸承撞擊之後的由硼矽酸鹽玻璃構成之整體式窗的影像；
第6B圖是根據本揭露之一或多個實施例之在被滾珠軸承撞擊之後的包含非強化的第二玻璃夾層之不對稱積層窗的影像；
第6C圖是根據本揭露之一或多個實施例之在被滾珠軸承撞擊之後的包含化學強化的第二玻璃夾層之不對稱積層窗的影像；且
第7圖是根據本揭露之一或多個實施例之具有0.1 mm厚度的複數個不同中間層的量測光學透射比的曲線圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
12:LIDAR系統
18:電磁輻射發射器及感測器
20:外殼
22:所發射輻射
24:窗
26:外部環境
28:所反射輻射
44:第一分層膜之終端表面
III:區域

Claims (22)

  1. 一種用於一感測系統的窗，包含： 一第一玻璃夾層，該第一玻璃夾層包含一第一主表面、與該第一主表面相對的一第二主表面及在該第一主表面與該第二主表面之間延伸的一第一厚度； 一第二玻璃夾層，該第二玻璃夾層包含一第三主表面、與該第三主表面相對的一第四主表面及在該第三主表面與該第四主表面之間延伸的一第二厚度； 一中間層，該中間層安置在該第一玻璃夾層與該第二玻璃夾層之間且將該第二主表面黏結至該第三主表面； 及一或多個分層膜，該一或多個分層膜安置在該第一主表面及該第四主表面中之至少一者上，該一或多個分層膜中之各者包含一或多個較高折射率材料及一或多個較低折射率材料之交替層，其中： 對於法向入射在該第四主表面或該第一主表面上的光，該中間層單獨地在一感興趣的50 nm波長範圍內包含大於98%的一平均透射率， 該感興趣的50 nm波長範圍包含在800 nm至1800 nm的一波長範圍內， 該一或多個分層膜之該等交替層經組配為使得對於法向入射在該第一主表面或該第四主表面上的光，該窗在該感興趣的50 nm波長範圍內表現出大於或等於95%的一平均透射率， 該一或多個分層膜之該等交替層經組配為使得對於法向入射在該第一主表面或該第四主表面上的光，該窗在該感興趣的50 nm波長範圍內表現出小於或等於5%的一平均反射率， 該第一厚度是該第二厚度的至少兩倍，且 該第二玻璃夾層經強化至比該第一玻璃夾層大的一程度，使得該第二玻璃夾層在其一中心區中表現出大於該第一玻璃夾層之一中心張力的一中心張力。
  2. 如請求項1所述之窗，其中該第一玻璃夾層未強化。
  3. 如請求項1-2中任一項所述之窗，其中： 該第一厚度大於或等於2.0 mm且小於或等於8.0 mm，且 該第二厚度大於或等於0.1 mm且小於或等於1.2 mm。
  4. 如請求項1-2中任一項所述之窗，其中該第一玻璃夾層及該第二玻璃夾層二者由鋁矽酸鹽玻璃形成。
  5. 如請求項1-2中任一項所述之窗，其中該第一玻璃夾層由在經受維氏壓頭試驗時表現出異常斷裂行為的一玻璃形成。
  6. 如請求項5所述之窗，其中該第一玻璃夾層包含一硼矽酸鹽玻璃組成物。
  7. 如請求項6所述之窗，其中： 就構成氧化物而言，該硼矽酸鹽玻璃組成物包含： SiO 2、B 2O 3、Al 2O 3、一或多種鹼金屬氧化物及選自由MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO組成之群組的一或多種二價陽離子氧化物、 大於或等於11莫耳%且小於或等於16莫耳%的B 2O 3、 大於或等於2莫耳%且小於或等於6莫耳%的Al 2O 3以及 大於或等於7.0莫耳%的Na 2O、K 2O、MgO及CaO之一總量， 在SiO 2、B 2O 3、該一或多種鹼金屬氧化物、Al 2O 3及該一或多種鹼土金屬氧化物之一氧化物基礎上莫耳百分比的濃度滿足以下關係： (R 2O+R'O)≥A12O3， 0.80＜(1-[(2R 2O+2R'O)/(SiO 2+2Al 2O 3+2B 2O 3)])＜0.93，且 其中R 2O是該一或多種鹼金屬氧化物之該等濃度之總和，且R'O是該一或多種鹼土金屬氧化物之該等濃度之總和。
  8. 如請求項1-2中任一項所述之窗，其中該第一厚度是該第二厚度的至少3倍。
  9. 如請求項1-2中任一項所述之窗，其中該第二玻璃夾層經化學強化為使得該第二玻璃夾層在該第四主表面處包含大於或等於250 MPa且小於或等於900 MPa的一表面壓縮應力。
  10. 如請求項9所述之窗，其中當該第一玻璃夾層受到以160.93 km/hr行進的一1 g滾珠軸承撞擊時，沒有形成延伸穿過整個第二厚度的一裂紋。
  11. 如請求項1-2中任一項所述之窗，其中該中間層包含光學清晰黏合劑或一UV固化丙烯酸酯樹脂。
  12. 如請求項11所述之窗，其中該中間層包含大於或等於0.05 mm且小於或等於1.0 mm的一第三厚度。
  13. 如請求項1-2中任一項所述之窗，其中該感興趣的50 nm波長範圍以900 nm與950 nm之間的一波長為中心。
  14. 如請求項1-2中任一項所述之窗，其中該感興趣的50 nm波長範圍以1525 nm與1575 nm之間的一波長為中心。
  15. 如請求項1-2中任一項所述之窗，其中： 該一或多個分層膜包含安置在該第一主表面上的一第一分層膜，且 該窗包含在該第一分層膜處且藉由玻氏壓頭硬度試驗量測的至少8 GPa的一最大硬度。
  16. 如請求項15所述之窗，其中： 該一或多個分層膜包含安置在該第四主表面上的一第二分層膜，且 該第一分層膜及該第二分層膜之該等交替層之數量、厚度、數目及材料經組配為使得： 對於以小於或等於15°的角度入射在該第一表面及該第二表面上的光，該窗具有在1400 nm與1600 nm之間的該感興趣的50 nm波長範圍內計算的小於0.5%的一平均反射率； 對於該第一分層膜上小於或等於60°的入射角，該窗具有小於或等於45的CIELAB L*值；且 當自該第一分層膜之一側觀看時，該窗具有大於或等於-6.0且小於或等於6.0的CIELAB a*及b*值。
  17. 如請求項16所述之窗，其中： 該第一分層膜之該等交替層中之離該第一主表面最遠的一者形成該窗之一終端表面材料，該窗之該終端表面材料包含該較低折射率材料，且 該第一分層膜包含由該一或多個較高折射率材料中之一者形成且具有大於或等於1500 nm且小於或等於5000 nm的一厚度的一耐刮擦層。
  18. 如請求項17所述之窗，其中： 該耐刮擦層藉由該第一分層膜之該一或多個較低折射率材料及該一或多個較高折射率材料之複數個該等交替層與該終端表面分開，且 該耐刮擦層與該終端表面分開至少1000 nm。
  19. 如請求項15所述之窗，其中： 該一或多個分層膜包含安置在該第四主表面上的一第二分層膜，且 該第一分層膜及該第二分層膜之該等交替層之數量、厚度及材料經組配為使得： 對於以小於或等於15°的入射角入射在該第一表面及該第二表面上的光，該窗具有該感興趣的50 nm波長範圍內計算的大於90%的一平均百分透射率； 對於以小於或等於15°的角度入射在該第一表面及該第二表面上的光，該窗具有在該感興趣的50 nm波長範圍內計算的小於0.5%的一平均反射率；且 對於以小於或等於15°的入射角入射在該第一表面及該第二表面上的光，該窗具有自400 nm至700 nm計算的大於80%的一平均百分透射比。
  20. 一種感測器系統，包含： 一發射器，該發射器發射在一感興趣的50 nm波長範圍內的輻射，該感興趣的50 nm波長範圍包含在自800 nm至1800 nm的波長範圍內； 一感測器，該感測器經組配為偵測由該發射器發射的該輻射； 一外殼，該外殼界定一感測器腔，其中該發射器及該感測器容納在該感測器腔中；及 如請求項1-2中任一項所述之窗，其中該窗附接至外殼以氣密地密封該感測器腔。
  21. 如請求項20所述之感測器系統，其中該第二玻璃夾層包含大於該第一玻璃夾層之一尺寸的一尺寸，且該第二玻璃夾層附接至該外殼，使得該第一主表面與該外殼之一前表面齊平。
  22. 如請求項20所述之感測器系統，其中在利用在45°的一入射角下以160.9s km/hr行進的一1 g滾珠軸承撞擊該窗之後，該感測器腔保持氣密密封。
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