用于红外传感系统的具有抗反射、反射和吸收层的硬化光学视窗
1.相关申请的交叉引用
2.本技术主张于2019年6月5日提交的第62/857,502号美国临时申请的优先权，依靠其内容并通过引用以其整体并入本文中。
背景技术：
3.光探测和测距(“lidar”)系统包括激光和传感器。激光器发射激光束，该激光束可能从物体上反射下来，而传感器检测反射的激光束。激光束被脉冲化或以其他方式分布在一个径向范围内，以检测视场内的物体。关于物体的信息可以从检测到的反射激光束的性质中破译。物体与激光束的距离可以根据从发射激光束到检测到反射激光束的飞行时间来确定。如果物体在移动，可根据作为时间的函数的被反射和检测到的发射的激光束的径向位置的变化以及多普勒频率测量来确定物体的路径和速度。
4.汽车中的lidar系统和诸如航空航天或家庭安全应用之类的在暴露环境中的其他红外传感系统需要例如用覆盖透镜或覆盖玻璃视窗使其免受环境和各种破坏源的影响。车辆是lidar系统的另一个潜在应用，lidar系统提供空间测绘能力，以实现辅助、半自动或完全自动驾驶。在这种应用中，激光发射器和传感器被安装在车辆的车顶或车辆的低前部上。考虑了将发射诸如905nm或1550nm之类的波长在可见光范围之外的电磁辐射的激光器用于车辆lidar应用。为了保护激光器和传感器免受岩石和其他物体的冲击，将视窗放置在激光器和传感器与激光器和传感器的视线内的外部环境之间。对于诸如航空航天或家庭安全应用之类的lidar系统的其他应用，类似地将窗口放置在激光器/传感器和外部环境之间。但是，问题在于，视窗造成冲击的岩石和其他物体会划伤视窗，并对视窗造成其他类型的损坏，这导致视窗散射和反射的激光束，因此影响lidar系统的有效性。
技术实现要素：
5.本公开内容利用用于视窗的分层膜解决了上述问题，所述分层膜包括一层或多层向视窗提供硬度和抗划性的材料。因此，冲击视窗的岩石和其他物体不太可能对视窗造成使得从lidar传感器发射并反射的电磁辐射被散射的缺陷，并因此改善了其性能。除此之外，分层膜进一步包括具有不同折射率的材料(包括提供硬度和抗划性的材料)的交替层，从而交替层的数量和它们的厚度可以被配置为使得所述视窗对于1550nm的波长(以及附近波长)具有高透射率和低反射率，以及如有需要，使得所述视窗对于可见光波长具有低透射率和高反射率。进一步地，如有需要，分层膜可包括吸收可见光波长的一层或多层。
6.根据本公开内容的一个实施方式，提供了一种视窗。所述视窗包括：包括折射率、第一表面、和第二表面的基板，所述第一表面和所述第二表面是所述基板的主表面；和设置在所述基板的所述第一表面上的分层膜，所述分层膜包括一种或多种更高折射率的材料和一种或多种更低折射率的材料的交替层，所述一种或多种更高折射率的材料和所述一种或多种更低折射率的材料中的每一者具有折射率，且所述一种或多种更高折射率的材料的折
射率大于所述一种或多种更低折射率的材料的折射率，和在所述分层膜处且由berkovich压头硬度测试测量的至少8gpa的最大硬度。所述分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料以如下方式进行配置，使得：所述视窗对于波长为1550nm的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％；且所述视窗对于波长为1550nm的电磁辐射在0
°
至8
°
的范围内的任一入射角时的平均百分比反射率小于10％。
7.根据本公开内容的一个实施方式，提供了一种lidar系统。所述lidar系统包括：电磁辐射发射器和传感器，其发射波长为1550nm的电磁辐射的；和在所述电磁辐射的路径中的视窗。所述视窗包括：包括折射率、第一表面、和第二表面的基板，所述第一表面和所述第二表面是所述基板的主表面；和设置在所述基板的所述第一表面上的分层膜，所述分层膜包括一种或多种更高折射率的材料和一种或多种更低折射率的材料的交替层，所述一种或多种更高折射率的材料和所述一种或多种更低折射率的材料中的每一者具有折射率，且所述一种或多种更高折射率的材料的折射率大于所述一种或多种更低折射率的材料的折射率，和在所述分层膜处且由berkovich压头硬度测试测量的至少8gpa的最大硬度。所述分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料以如下方式进行配置，使得：所述视窗对于波长为1550nm的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％；且所述视窗对于波长为1550nm的电磁辐射在0
°
至8
°
的范围内的任一入射角时的平均百分比反射率小于10％。
8.附加的特征和优点将在下面的详细描述中阐述，并且从该描述中部分地将对于本领域技术人员变得显而易见，或者通过实践包括下面的详细描述、权利要求书以及随附的附图在内的本文中描述的实施方式来识别。
9.应当理解的是，上文的一般描述和下文的详细描述都仅仅是示例性的，且意在提供理解权利要求的本质和特征的概述或框架。包括随附的附图是为了提供进一步的理解，且将随附的附图并入并构成本说明书的一部分。附图图解了一个或多个实施方式，并与描述一起用以解释各种实施方式的原理和操作。
附图说明
10.图1是外部环境中的车辆的侧视图，示出示出了该车辆的车顶上的lidar系统和该车辆的前部上的另一lidar系统；
11.图2是图1的lidar系统之一的示意性视图，示出了外壳中的电磁辐射发射器和传感器，并且电磁辐射发射器和传感器发射穿过视窗离开该外壳，并且反射的辐射穿过该视窗而返回；
12.图3是图2的视窗在图2的区域iii处获取的截面图，示出了包括基板的视窗，所述视窗具有在所述基板的第一表面上方的分层膜、和在所述基板的第二表面上方的第二分层膜；
13.图4是图3的视窗在图3的区域iv处获取的截面图，示出了包括一种或多种更高折射率的材料和一种或多种更低折射率的材料的交替层的分层膜，且所述一种或多种更低折射率的材料的一层提供了最接近外部环境的端面；
14.图5是图3的视窗在图3的区域v处获取的截面图，示出了包括一种或多种更高折射率的材料和一种或多种更低折射率的材料的交替层的第二分层膜，且所述一种或多种更低
折射率的材料的一层提供了最接近电磁辐射发射器和传感器的端面；
15.图6a和图6b是关于示例视窗、具体而言实施例1的图，示出了作为穿过视窗的电磁辐射的波长和入射角的函数的电磁辐射的百分比透射率；
16.图6c和图6d是关于实施例1的图，示出了作为离开视窗的电磁辐射的波长和入射角的函数的电磁辐射的百分比反射率；
17.图7a至图7c是关于示例视窗、具体而言实施例2的图，示出了作为穿过视窗的电磁辐射的波长和入射角的函数的电磁辐射的百分比透射率；
18.图7d和图7e是关于实施例2的图，示出了作为离开视窗的电磁辐射的波长和入射角的函数的电磁辐射的百分比反射率；
19.图8a至图8c是关于示例视窗、具体而言实施例3的图，示出了作为穿过视窗的电磁辐射的波长和入射角的函数的电磁辐射的百分比透射率；
20.图8d和图8e是关于实施例3的图，示出了作为离开视窗的电磁辐射的波长和入射角的函数的电磁辐射的百分比反射率；
21.图9a是关于示例视窗、具体而言实施例3a的图，示出了作为穿过视窗的电磁辐射的波长和入射角的函数的电磁辐射的百分比透射率；
22.图9b是关于实施例3a的图，示出了作为离开视窗的电磁辐射的波长和入射角的函数的电磁辐射的百分比反射率；
23.图10a至图10c是关于示例视窗、具体而言实施例4的图，示出了作为穿过视窗的电磁辐射的波长和入射角的函数的电磁辐射的百分比透射率；
24.图10d和图10e是关于实施例4的图，示出了作为离开视窗的电磁辐射的波长和入射角的函数的电磁辐射的百分比反射率；
25.图11a至图11c是关于示例视窗、具体而言实施例5的图，示出了作为穿过视窗的电磁辐射的波长和入射角的函数的电磁辐射的百分比透射率；
26.图11d和图11e是关于实施例5的图，示出了作为离开视窗的电磁辐射的波长和入射角的函数的电磁辐射的百分比反射率。
具体实施方式
27.现在将详细参考本优选实施方式，在随附的附图中示出了其示例。只要可能，在整个附图中将使用相同的参考数字以表示相同或类似的部件。
28.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可设置在车辆10上或内的任何位置。例如，一个或多个lidar系统12可设置在车辆10的车顶14和/或车辆10的前部16上。
29.现在参考图2，一个或多个lidar系统12中的每一者包括本领域中已知的电磁辐射发射器和传感器18，其可被包封在外壳20中。电磁辐射发射器和传感器18发射具有波长或者波长范围的电磁辐射22。发射的辐射22穿过视窗24离开外壳20，视窗24在发射的电磁辐射的路径中。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将反射离开该物体并作为反射的辐射28返回至电磁辐射发射器和传感器18。反射的辐射28再次穿过视窗24以到达电磁辐射发射器和传感器18。在实施方式中，发射的辐射22和反射的辐射28具有905nm或者1550nm的波长、或者包括905nm波长或1550nm波长的范围。反射
的辐射28以外的电磁辐射(诸如，具有可见光谱内波长的电磁辐射、紫外范围的部分的波长的电磁辐射、和短于期望的905nm和/或1550nm波长的红外范围的部分的波长的电磁辐射)可能会或者不会穿过视窗24，这取决于本文中描述的视窗24的光学性质。“可见光谱”是电磁光谱的对人眼可见且通常指波长在约380nm或者400nm至约700nm的范围内的电磁辐射的部分。“紫外范围”是电磁光谱的波长在约10nm和约400nm之间的部分。电磁光谱的“红外范围”开始于约700nm并延伸至更长的波长。太阳产生太阳电磁辐射，通常被称为“日光”，具有落入全部三个范围的波长。
30.现在参考图3，用于一个或多个lidar系统12中的每一者的视窗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最接近于外部环境26。第二表面34最接近于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进一步包括设置在基板30的第一表面32上的分层膜36，并且，在一些实施方式中，第二分层膜38设置在基板30的第二表面34上。应当理解的是，本文中描述的视窗并不限于车辆应用，而是如本文中进一步描述的一样，可以用于视窗24会有助于提供改善的冲击和光学性能的任何应用。
31.如本文中所用，术语“设置”包括使用本领域中任何已知方法将材料涂布、沉积、和/或形成在表面上。设置的材料可如本文中所限定的一样构成层。短语“设置在
……
上”包括即将材料形成至表面上使得材料与表面直接接触的实例，并且也包括材料形成在表面上、且材料和表面之间设置有一种或多种中间材料的实例。中间材料如本文中所限定的一样可构成层。
32.基板30可以是玻璃基板。该玻璃基板可以具有钠钙玻璃、碱铝硅酸盐玻璃、含碱的硼硅酸盐玻璃、合碱铝硼硅酸盐玻璃的组成，尽管也可以设想其他玻璃组成。这样的玻璃组成能够通过离子交换过程进行化学强化。在一些变体中，该组成可以不含锂离子。
33.适合于基板30的碱铝硅酸盐玻璃组成包括氧化铝、至少一种碱金属，并且在一些实施方式中，大于50mol.％的sio2，在其他些实施方式中，至少58mol.％的sio2，且在进一步的实施方式中，至少60mol.％的sio2，其中(al2o3+b2o3)/σ
改性剂
(即，改性剂的加和)的比例大于1，其中组分的比例以mol.％表示，且改性剂是碱金属氧化物。在具体的实施方式中，这一组成包括58-72mol.％的sio2、9-17mol.％的al2o3、2-12mol.％的b2o3、8-16mol.％的na2o、和0-4mol.％的k2o，其中(al2o3+b2o3)/σ
改性剂
(即，改性剂的加和)的比例大于1。
34.用于基板30的另一种适合的碱铝硅酸盐玻璃组成包括：64-68mol.％的sio2、12-16mol.％的na2o、8-12mol.％的al2o3、0-3mol.％的b2o3、2-5mol.％的k2o、4-6mol.％的mgo、和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.％；且4mol.％≦(na2o+k2o)-al2o3≦10mol.％。
35.用于基板30的另一种适合的碱铝硅酸盐玻璃组成包括：2mol.％或更大的al2o3和/或zro2、或者4mol.％或更大的al2o3和/或zro2。
36.一个示例玻璃组成包括sio2、b2o3和na2o，其中(sio2+b2o3)≧66mol.％，且na2o≧9mol.％。在一个实施方式中，该组成包括至少6wt.％的氧化铝。在进一步的实施方式中，该组成的一种或多种碱土氧化物，诸如碱土氧化物的含量，是至少5wt.％。在一些实施方式
中，适合的组成进一步包括k2o、mgo、和cao中的至少一者。在具体的实施方式中，基板30的组成包括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。
37.适合基板30的进一步示例组成包括：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和小于50ppm的sb2o3，其中12mol.％≦(li2o+na2o+k2o)≦20mol.％且0mol.％≦(mgo+cao)≦10mol.％。
38.适合基板30的又进一步示例玻璃组成包括：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和小于50ppm的sb2o3，其中14mol.％≦(li2o+na2o+k2o)≦18mol.％且2mol.％≦(mgo+cao)≦7mol.％。
39.基板30可以是实质上平坦或者片状的，尽管其他实施方式可采用弯曲或另外成型或造型的基板。基板30的长度和宽度可根据视窗24所需的尺寸而改变。可利用诸如浮法玻璃工艺、以及诸如熔融下拉和窄缝下拉之类的下拉法之类的各种方法来形成基板30。可以以非强化状态使用基板30。用于视窗24的适合非强化玻璃基板30的商品可得的示例是作为钠铝硅酸盐玻璃基板的玻璃编号2320。
40.形成基板30的玻璃可以被改性以具有处于压缩应力(“cs”)下的与第一表面32毗邻的区域和/或与第二表面34毗邻的区域。在这种情况下，处于压缩应力下的(多个)区域从第一表面32和/或第二表面34延伸至压缩深度。这种生成压缩应力进一步创建了处于拉伸应力下的中心区域，该拉伸应力在中心区域的中心处具有最大值，被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，且处于拉伸应力下。中心区域的拉伸应力平衡或者抵消处于在压缩应力下的区域的压缩应力。如本文中所用，术语“压缩深度”和“doc”指基板30内的应力从压缩应力变为拉伸应力处的深度。在压缩深度处，应力从正(压缩)压力跨越至负(拉伸)应力，并因此具有零的值。压缩深度保护基板30免于将由尖锐冲击引入的裂缝传播至基板30的第一表面32和/或第二表面34，同时压缩应力将裂缝生长并贯穿压缩深度的可能性最小化。在实施方式中，压缩深度各自是至少20μm。在实施方式中，这些区域内的最大压缩应力cs的绝对值是至少200mpa、至少约400mpa、至少600mpa、或者高达约1000mpa。
41.用于提取具有处于压缩应力下的区域的基板30的详细且准确的应力图(应力作为深度的函数)的两种方法公开在由douglas clippinger allan等人于2012年5月3日提交的、题为“systems and methods for measuring the stress profile of ion-exchanged glass(用于测量离子交换玻璃的应力图的系统和方法)”、并且主张于2011年5月25日提交且具有相同标题的第61/489,800号美国临时专利申请的优先权的第9,140,543号美国专利中，通过引用以其整体将其内容并入本文中。
42.在实施方式中，生成基板30处于压缩应力下的区域包括使基板30进行离子交换化学回火处理(化学回火通常被称为“化学强化”)。在离子交换化学回火处理中，在基板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价态或者氧化态的更大离子替
换或者交换。在基板30包括碱铝硅酸盐玻璃、碱硼硅酸盐玻璃、碱铝硼硅酸盐玻璃、或者碱硅酸盐玻璃；主要由碱铝硅酸盐玻璃、碱硼硅酸盐玻璃、碱铝硼硅酸盐玻璃、或者碱硅酸盐玻璃构成；或者由碱铝硅酸盐玻璃、碱硼硅酸盐玻璃、碱铝硼硅酸盐玻璃、或者碱硅酸盐玻璃构成的那些实施方式中，玻璃的表面层中的离子和更大的离子是诸如na
+
(当li
+
存在于玻璃中时)、k
+
、rb
+
、和cs
+
之类的单价碱金属阳离子。或者，在第一表面32和第二表面34中、第一表面32和第二表面34处、或第一表面32和第二表面34附近的单价阳离子可由诸如ag
+
或类似者的碱金属阳离子以外的单价阳离子替换。
43.在实施方式中，离子交换处理通过将基板30浸没在包含待与基板30中更小的离子交换的更大的离子的熔盐浴中来实施。本领域技术人员将会理解的是，离子交换处理的参数，包括但不限于浴的组成和温度、浸没时间、玻璃在(多个)盐浴中的浸没次数、多重盐浴的使用、以及诸如退火、洗涤等的额外步骤，其通常由基板30的组成和由强化操作得到的基板30期望的压缩深度和压缩应力来确定。借助于示例的方式，含碱金属的玻璃基板的离子交换可通过浸没在包含诸如但不限于更大的碱金属离子的硝酸盐、硫酸盐、和盐酸盐之类的盐的至少一种熔融浴中来实现。在实施方式中，熔盐浴包括硝酸钾(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。在实施方式中，熔盐浴的温度典型地在从约350℃至高达约500℃的范围内，同时浸没时间从约15分钟变化至高达约40小时，包括从约20分钟至约10小时。然而，也可使用不同于上述的温度和浸没时间。基板30可进行酸蚀抛光或者另外的处理以移除或者减少表面裂缝的影响。
44.基板30具有被定义为第一表面32和第二表面34之间最短直线距离的宽度35。在实施方式中，基板30的厚度35在约100μm和约5mm之间。根据一个或多个实施方式的基板30可具有从约100μm变化至约500μm(例如，100μm、200μm、300μm、400μm、或者500μm)的物理厚度35。在其他实施方式中，厚度35从约500μm变化至约1000μm(例如，500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、或者1000μm)。厚度35可大于约1mm(例如，约2mm、3mm、4mm、或者5mm)。在一个或多个具体实施方式中，厚度35是2mm或更小、或者小于1mm。适合于基板30的已进行离子交换的商品可得的组成是具有约850mpa的cs、和约40μm的doc、以及1.0毫米(mm)的厚度35的glass，编号#5318。用于视窗24的适合的(通过离子交换)强化的基板30的另一商品可得的示例是作为钠铝硅酸盐玻璃基板的玻璃编号2320。
45.作为玻璃的替代或补充，基板30可包括或者可以是吸收可见光、透射ir的材料层。这种材料的示例包括透射红外线、吸收可见光的丙烯酸片材，诸如在商品名ir acrylic 3143和cyro'sir acrylic1146下的可从eplastics商业购得的那些。ir acrylic 3143对于波长为700nm或更短的电磁辐射具有约0％(至少小于10％、或者小于1％)的透射率，但对于在800nm至约1000nm(包括905nm)的范围内的波长具有约90％(高于85％)的透射率。
46.在一个或多个实施方式中，基板30表现出在从约1.45至约1.55的范围内的折射率。如本文中所用的“折射率”指材料(在此，基板30)对于波长为1550nm的电磁辐射的折射率。在此，同义地使用“折射率”和“折射指数”。
47.现在参考图4和图5，分层膜36和第二分层膜38(如果使用的话)包括一些数量的一
种或多种更高折射率的材料40和一种或多种更低折射率的材料42的交替层。如本文中所用，“更高折射率”和“更低折射率”指相对于彼此的折射率的值，且一种或多种更高折射率的材料40的折射率大于一种或多种更低折射率的材料42的折射率。在实施方式中，一种或多种更高折射率的材料40具有从约1.7至约4.0的折射率。在实施方式中，一种或多种更低折射率的材料42具有从约1.3至约1.6的折射率。在其他实施方式中，一种或多种更低折射率的材料42具有从约1.3至约1.7的折射率，而一种或多种更高折射率的材料40具有从约1.9至约3.8的折射率。一种或多种更高折射率的材料40中的任一者与一种或多种更低折射率的材料42中的任一者之间的折射率的差是约0.1或更大、约0.2或更大、约0.3或更大、约0.4或更大、约0.5或更大、约0.6或更大、约0.7或更大、约0.8或更大、约0.9或更大、约1.0或更大、约1.5或更大、约2.0或更大、约2.1或更大、约2.2或更大、或者甚至约2.3或更大。由于一种或多种更高折射率的材料40与一种或多种更低折射率的材料42的折射率的差，因此操作交替层的数量(数目)和它们的厚度可导致在波长范围内的电磁辐射选择性透射穿过视窗24，并且单独地，在波长范围内的电磁辐射选择性反射离开分层膜36。因此分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)是具有预定光学性质的薄膜光学滤光器，所述光学性质被配置为选择作为一种或多种更高折射率的材料40和一种或多种更低折射率的材料42的数量、厚度、和材料的函数。
48.用作一种或多种更低折射率的材料42的适合材料的一些实例包括sio2、al2o3、geo2、sio、alo
x
ny、sio
x
ny、siual
vox
ny、mgo、mgal2o4、mgf2、baf2、caf2、dyf3、ybf3、yf3、和cef3。用作一种或多种更低折射率的材料42的材料的氮含量可(例如，在诸如alo
x
ny、sio
x
ny、和siual
vox
ny之类的材料中)被最小化。
49.用作一种或多种更高折射率的材料40的适合材料的一些示例包括无定形硅(a-si)、sin
x
、sin
x
:hy、aln
x
、siual
vox
ny、ta2o5、nb2o5、aln、si3n4、alo
x
ny、sio
x
ny、hfo2、tio2、zro2、y2o3、al2o3、moo3、和类金刚石碳。用于更高折射率的材料40的氧含量可被最小化，尤其是在sin
x
或者aln
x
材料中。alo
x
ny材料可被视为掺杂氧的aln
x
，即它们可具有aln
x
晶体结构(例如，纤锌矿)，且无需具有alon晶体结构。用作一种或多种更高折射率的材料40的示例性优选材料alo
x
ny可包括从约0atom％至约20atom％的氧、或者从约5atom％至约15atom％的氧，同时包括30atom％至约50atom％的氮。用作一种或多种更高折射率的材料40的示例性优选siual
vox
ny可包括从约10atom％至约30atom％或者从约15atom％至约25atom％的硅、从约20atom％至约40atom％或者从约25atom％至约35atom％的铝、从约0atom％至约20atom％或者从约1atom％至约20atom％的氧，和从约30atom％至约50atom％的氮。前述材料可进行氢化直至约30重量％。由于一种或多种更高折射率的材料40和一种或多种更低折射率的材料42的折射率是彼此相对的，因此，取决于为一种或多种更低折射率的材料42选择的材料的折射率，相同的材料(比如al2o3)可适合于一种或多种更高折射率的材料40，并且，取决于为一种或多种更高折射率的材料40选择的材料的折射率，相同的材料(比如al2o3)可另外地适合于一种或多种更低折射率的材料42。
50.在实施方式中，分层膜36的一种或多种更低折射率的材料42由sio2的层构成，并且分层膜36的一种或多种更高折射率的材料40由si3n4的层构成。在实施方式中，视窗24并未使用第二分层膜38，并且分层膜36的一种或多种更低折射率的材料42由sio2的层构成，并且分层膜36的一种或多种更高折射率的材料40由si3n4的层构成。在实施方式中，分层膜
36的一种或多种更低折射率的材料42由sio2的层构成，并且分层膜36的一种或多种更高折射率的材料40由si3n4的层构成，同时第二分层膜38的一种或多种更低折射率的材料42由sio2的层构成，并且第二分层膜38的一种或多种更高折射率的材料40由si3n4的层构成。在实施方式中，分层膜36的一种或多种更低折射率的材料42由sio2的层构成，并且分层膜36的一种或多种更高折射率的材料40由si3n4的层构成，同时第二分层膜38的一种或多种更低折射率的材料42由sio2的层构成，并且第二分层膜38的一种或多种更高折射率的材料40由无定形硅(a-si)的层构成。在实施方式中，分层膜36的一种或多种更低折射率的材料42由sio2的层构成，并且分层膜36的一种或多种更高折射率的材料40由si3n4的层构成，同时第二分层膜38的一种或多种更低折射率的材料42由sio2的层构成，并且第二分层膜38的一种或多种更高折射率的材料40由无定形硅(a-si)的层和si3n4的层构成。
51.分层膜36或第二分层膜38中的更高折射率的材料40和更低折射率的材料42的交替层的数量没有特别的限制。在实施方式中，分层膜36内的交替层的数量是7或更多、或者9或更多。在实施方式中，第二分层膜38内的交替层的数量是9或更多、17或更多、19或更多、或者81或更多。在实施方式中，分层膜36和第二分层膜38中共同形成视窗24且不包括基板30的交替层的数量是9或更多、16或更多、24或更多、26或更多、或者甚至88或更多。一般而言，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用)内的层的数量越大，视窗24的透射率和反射率性质就被调整得越窄以适于一个或多个具体的波长或者波长范围。分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的交替层中的每一者具有厚度。
52.反射的辐射28在与视窗24相互作用时首先遇到分层膜36的端面44，并且端面44可向外部环境26开放。在实施方式中，一种或多种更低折射率的材料42的层提供端面44，以更加紧密地匹配外部环境26中空气的折射率，并因此减少入射的电磁辐射(无论是反射的辐射28还是其他)反射离开端面44。提供了端面44的一种或多种更低折射率的材料42的层是分层膜36离基板30最远的层。类似地，在实施方式中，当一种或多种更低折射率的材料42是sio2时，作为一种或多种更低折射率的材料42的sio2的层直接设置在基板30的第一表面32上，这典型地包括大摩尔百分比的sio2。不受理论所限，据信在基板30和一种或多种更低折射率的材料42的相邻层两者中sio2的共性使结合强度增加。
53.发射的辐射22在与视窗24相互作用时首先遇到第二分层膜38的端面48。在实施方式中，一种或多种更低折射率的材料42的层提供端面48，以更加紧密地匹配外壳20内空气的折射率，并因此减少入射的发射的辐射22反射离开端面48的。提供了端面48的一种或多种更低折射率的材料42的层是第二分层膜38离基板30最远的层。类似地，在实施方式中，当一种或多种更低折射率的材料42是sio2时，作为一种或多种更低折射率的材料42的sio2的层直接设置在基板30的第二表面34上。
54.具有相对高折射率的材料可同时具有提供抗划性和抗冲击性的相对高的硬度。具有高硬度且可以是更高折射率的材料40的示例材料是si3n4。具有高硬度且可以是更高折射率的材料40的其他示例材料是sin
x
、sin
x
:hy、和sio
x
ny。更高折射率的材料40的厚度(无论在分层膜36的第二层处还是其他处)可被最大化，以增加视窗24的抗划性和/或抗破坏性。更高折射率的材料40的厚度最大化层在分层膜36内的厚度和位置可进行优化，以向分层膜36提供期望水平的硬度和抗划性，并因此向作为整体的视窗24提供期望水平的硬度和抗划性。视窗24的不同应用可能导致对于充当向视窗24提供硬度和抗划性的层的更高折射率的
材料40的厚度最大化层不同期望的厚度。例如，对于更高折射率的材料40的厚度最大化层，保护车辆10上的lidar系统12的视窗24可能需要与保护办公建筑处的lidar系统12的视窗24不同的厚度。在实施方式中，充当向视窗24提供硬度和抗划性的层的更高折射率的材料40的厚度最大化层具有500nm和50000nm之间、诸如500nm和10000nm之间、诸如2000nm至5000nm之间的厚度。在实施方式中，该厚度最大化的更高折射率的材料40的厚度是分层膜36的厚度的65％或更大、或者85％或更大、或者86％或更大。一般而言，充当向视窗24提供硬度和抗划性的层的更高折射率的材料40的厚度最大化层将会是分层膜36面向外部环境26的部分、而非由外壳20保护的第二分层膜38，尽管可能并非总是如此。
55.如以下进一步详述，可配置分层膜36和第二分层膜38(如果使用的话)的剩余层的数量、厚度、和材料，以便几乎无论为充当向视窗24提供硬度和抗划性的层的更高折射率的材料40的厚度最大化层选择的厚度如何，均向视窗24提供期望的光学性质(期望波长的透射率和反射率)。当对于目标波长或者波长范围(即，905nm和/或1550nm)的电磁辐射具有相对低或者可忽略的光学吸收的材料被用作厚度最大化层时，作为整体的视窗24的光学性质对于充当向视窗24提供硬度和抗划性的层的更高折射率的材料40的厚度最大化层的厚度不敏感。例如，si3n4700 nm至2000nm波长范围内的电磁辐射的吸收仅是可忽略的。
56.这种通常的不敏感性使得分层膜36中的更高折射率的材料40的厚度最大化层具有被预定为提供具体的硬度或者抗划性要求的厚度。例如，在车辆10的车顶14处使用的用于视窗24的分层膜36可具有与在车辆10的前部16处使用的用于视窗24的分层膜36不同的硬度和抗划性要求，并因此对于更高折射率的材料40的厚度最大化层可具有不同的厚度。这无需显著改变作为整体的分层膜36的透射率和反射率性质即可实现。
57.具有更高折射率的材料40的厚度最大化层的分层膜36、并因此视窗24的硬度可进行量化。在一些实施方式中，在具有更高折射率的材料40的厚度最大化层的分层膜36处通过berkovich压头硬度测试测量的视窗24在从(从端面44测量的)50nm至1000nm、并且甚至从2000nm至5000nm的一个或多个压痕深度处的最大硬度可以是约8gpa或更大、约10gpa或更大、约12gpa或更大、约14gpa或更大、约15gpa或更大、约16gpa或更大、或者约18gpa或更大。如本文中所用，“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其表面上的材料硬度。berkovich压头硬度测试包括用金刚石berkovich压头压入分层膜36的端面44以形成压痕至在从约50nm至约1000nm(或者分层膜36的整个厚度，取更小者)的范围内的压痕深度，并沿着整个压痕深度范围或者这一压痕深度范围的一部分(例如，在从约100nm至约600nm的范围内)从这一压痕测量最大硬度，通常使用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.,vol.7,no.6,1992,1564-1583；和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.,vol.19,no.1,2004,3-20中阐述的方法。如本文中所用，硬度指最大硬度，而非平均硬度。这些水平的硬度改善了视窗24对来自于当lidar系统12用于其预期目的(比如与车辆10一起使用)时遭遇的砂石、小石子、碎渣、以及其他物体的冲击损坏的抗性。因此，这些水平的硬度减少或者防止冲击损坏而另外导致的lidar系统12的光学散射和降低的性能。
58.在实施方式中，提供端面44的一种或多种更低折射率的材料42的层具有小于所讨论的电磁辐射的1550nm波长的20％、或者甚至小于10％的厚度。在实施方式中，提供端面44的层的厚度在150nm和310nm之间。将提供端面44的层的厚度最小化增加了直接设置在提供端面44的一种或多种更低折射率的材料42的层的下方的一种或多种更高折射率的材料40的厚度最大化层所提供的抗划性和/或抗损坏性。如前所述，在实施方式中，赋予视窗24硬度的一种或多种更高折射率的材料40的厚度最大化层是分层膜36从外部环境26起的第二层，即，邻接于提供视窗24的端面44的一种或多种更低折射率的材料42的层。
59.分层膜36具有厚度46，而且第二分层膜38(如果使用的话)具有厚度50。假设分层膜36包括一种或多种更高折射率的材料40的厚度最大化层，分层膜36的厚度46可以是约1μm或更大，同时仍然提供本文中描述的透射率和反射率性质。在实施方式中，厚度46在1μm至刚好大于50μm的范围内，包括从约1μm至约10μm、和从约2800nm至约5900nm。约1μm的下限是仍然向视窗24提供硬度和抗划性的大致最小厚度46。厚度46的上限受限于将分层膜36的层设置在基板30上所需的成本和时间。除此之外，厚度46的上限受限于防止分层膜36使基板30翘曲，这取决于基板30的厚度。第二分层膜38的厚度50可以是被视为赋予视窗24期望的透射率和反射率性质所需要的任何厚度。在实施方式中，第二分层膜38的厚度50在约800nm至约7000nm的范围内。如果第二分层膜38包括一种或多种更高折射率的材料40的厚度最大化层以赋予硬度和抗冲击性，那么第二分层膜38的厚度50可以更厚，如上文中与分层膜36有关的描述一样。
60.在通过经由更高折射率的材料40的最大化厚度向视窗24赋予硬度、抗冲击性、和抗划性来解决在背景技术中以上讨论的问题的同时，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料经配置以便也将穿过视窗24的波长为1550nm的反射的辐射28穿过视窗24的透射率最大化。在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料经配置以便也将波长在1500nm至1600nm的范围内的电磁辐射穿过视窗24的透射率最大化。在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料经配置使得视窗24对于波长为1550nm的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％、大于80％、大于90％、大于92％、大于94％、大于95％、大于98％、大于98.5％、大于99％、或者甚至大于99.5％。在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料经配置使得视窗24对于波长为1500nm至1600nm的范围内的任一波长的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％、大于80％、大于90％、大于92％、大于94％、大于95％、大于98％、大于98.5％、大于99％、或者甚至大于99.5％。在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料经配置使得视窗24对于波长为905nm和1550nm的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％、大于80％、大于90％、或者大于92％。在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料经配置使得视窗24对于波长为880nm至1580nm、或者850nm至1800nm的范围内的任一波长的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％、大于80％、或者大于85％。术语“透射率”指给定波长范围内的入射光学功率透射穿过材料(例如，视窗24、基板30、分层膜36、第二分层膜38、或其部分)的百分比。
61.在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、
和材料经配置以便也将穿过视窗24的波长为1550nm的反射的辐射28反射离开视窗24的反射率最小化。在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料经配置以便也将波长在1500nm至1600nm的范围内的电磁辐射反射离开视窗24的反射率最小化。在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料经配置使得视窗24对于波长为1550nm的电磁辐射在0
°
至8
°
、0
°
至15
°
、0
°
至25
°
、或者甚至0
°
至50
°
的范围内的任一入射角(angle of incidence,aoi)时的平均百分比反射率小于10％、小于5％、小于3％、小于2％、小于1％、小于0.8％、小于0.5％、或者甚至小于0.3％。在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料经配置使得视窗24对于波长为1500nm至1600nm的范围内的任一波长的电磁辐射在0
°
至8
°
、0
°
至15
°
、0
°
至25
°
、或者甚至0
°
至50
°
的范围内的任一入射角时的平均百分比反射率小于10％、小于5％、小于3％、小于2％、小于1％、小于0.8％、小于0.5％、或者甚至小于0.3％。在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料经配置使得视窗24对于波长为905nm和1550nm的电磁辐射在0
°
至8
°
、0
°
至15
°
、0
°
至25
°
的范围内的任一入射角时的平均百分比反射率小于10％、或者小于5％。术语“反射率”被类似地定义为给定波长范围内的入射光学功率从材料(例如，视窗24、基板30、分层膜36、或其部分)反射的百分比。
62.在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料进行额外地配置成：(a)将波长在紫外范围和可见光谱内(诸如300nm至600nm、300nm至650nm、和300nm至700nm的范围内或者整个上述范围)的电磁辐射穿过视窗24的透射率最小化；(b)将波长在紫外范围和可见光谱内(诸如300nm至600nm、300nm至650nm、和300nm至700nm的范围内或者整个上述范围)的电磁辐射离开视窗24的反射率最大化；和/或(c)吸收波长在紫外范围和可见光谱内(诸如300nm至600nm、300nm至650nm、和300nm至700nm的范围内或者整个上述范围)的电磁辐射。在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料进行额外地配置成：(a)将波长在紫外范围、可见光谱、和波长短于1500nm或者短于850nm的部分红外范围内(诸如300nm至850nm、300nm至900nm、或者300nm至1500nm的范围内)的电磁辐射穿过视窗24的透射率最小化；(b)将波长在紫外范围、可见光谱、和波长短于1500nm或者短于850nm的部分红外范围内(诸如300nm至850nm、300nm至900nm、或者300nm至1500nm的范围内)电磁辐射离开视窗24的反射率最大化；和/或(c)吸收波长在紫外范围、可见光谱、和波长短于1500nm或者短于850nm的部分红外范围内(诸如300nm至850nm、300nm至900nm、或者300nm至1500nm的范围内)的电磁辐射。在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料经额外地配置使得视窗24对于波长在300nm至600nm、300nm至650nm、300nm至700nm、或者300nm至950nm的范围内的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率小于10％、小于5％、小于3％、小于2％、小于1％、小于0.8％、小于0.5％、小于0.2％、或者甚至小于0.15％。在实施方式中，分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料经额外地配置使得视窗24对于波长为300nm至600nm、300nm至650nm、300nm至700nm、300nm至950nm、400nm至700nm、500nm至700nm、或者550nm至700nm的范围内的任一波长的电磁辐射在0
°
至8
°
、0
°
至15
°
、或者0
°
至25
°
的范围内的任一入射角时的平均百分比反射率大于80％、或者大于90％、大于95％、或者甚至大于97％。这些实施方式防止或减少穿过窗口24透射至lidar
系统12的外壳20的温度升高的日光，这改善了lidar系统12的性能。除此之外，这些实施方式防止或减少对诸如1450nm至1550nm(或者850nm至950nm、以及1450nm和1550nm)的范围外的波长之类的lidar系统12的操作不需要的波长的电磁辐射的透射，这减少了干扰电磁辐射发射器和传感器18的噪声，并因此改善了lidar系统12的性能。
63.如上所述，发明人已发现无定形硅(a-si)是一种特别适合用作一种或多种更高折射率的材料40的材料。除了具有相对高的折射率(在1550nm处大致3.77)以外，无定形硅(a-si)还在紫外范围和可见光范围内具有相对高的光学吸收，但在900nm至1800nm的范围内具有尚可接受的光学吸收。下文提供了更多完整的作为波长的函数的折射率和光学吸收数据。因此，无定形硅(a-si)的层的厚度和数量与分层膜36和第二分层膜38(如果使用的话)的其他层一起可向视窗24提供对在紫外范围和可见光范围内电磁辐射的低百分比透射率(部分由于无定形硅在那些波长范围处的光学吸收)、但在红外范围的期望部分中的高百分比透射率。未使用无定形硅(a-si)或者一些其他具有类似光学吸收性质的材料的以下示例和其他实施方式可主要使用光学干涉以向视窗24提供期望的光学性质(例如，300nm至700nm的范围内的低透射率和/或高反射率、但在1550nm处或者一些包括1550nm的范围处的高透射率和低反射率)。使用了无定形硅(a-si)或者一些其他具有类似光学吸收性质的材料的以下示例和其他实施方式使用光学吸收和光学干涉以向视窗24提供期望的光学性质。因此，使用无定形硅(a-si)或者一些其他具有类似光学吸收性质的材料的实施方式可利用比未使用无定形硅(a-si)或者一些其他具有类似光学吸收性质的材料的实施方式具有更少层的分层膜36和第二分层膜38来向视窗24提供期望的光学性质。在实施方式中，第二分层膜38包括作为一种或多种更高折射率的材料40中的一种的无定形硅(a-si)的一层或多层，而分层膜36并未如此。
64.在实施方式中，视窗24额外地包括有机染料以将可见光区域(例如从450nm至650nm、或者从380nm至700nm)内的波长的百分比透射率降低至小于5％、或者小于3％、或者甚至小于1％。吸收可见光区域内的波长但使905nm和1550nm的波长透射的有机染料的示例包括购自adam gates&company的商品名为800nm long pass和ag-300-800nm ink的那些。然而，使用无定形硅(a-si)或者一些其他具有类似光学吸收性质的材料作为分层膜36和/或第二分层膜38中一种或多种更高折射率的材料40中的一种可避免使用有机染料。进一步地，无定形硅(a-si)的层可与分层膜36和/或第二分层膜38的其他层一样利用相同的溅射法直接整合至分层膜36和/或第二分层膜38中，并因此提供了比将有机染料整合至视窗24中更简易的视窗24的制造。
65.分层膜36和第二分层膜38的层(即，更高折射率的材料40和更低折射率的材料42的层)可通过本领域中任何已知方法，包括离散沉积工艺或者连续沉积工艺来形成。在一个或多个实施方式中，层可仅利用连续沉积工艺来形成，或者，可选择地，可仅利用离散沉积工艺来形成。
66.实施例
67.以下实施例全部是利用计算机辅助建模的模型化实施例，以说明分层膜36(以及第二分层膜38，如果使用的话)的层的数量、厚度、和材料可以以何种方式进行配置使得视窗24具有作为入射电磁辐射的波长和入射角的函数的期望的平均百分比透射率和平均百分比反射率。
68.利用椭圆偏光仪测量分层膜36的更高折射率的材料40和更低折射率的材料42的交替层中的每一者的、以及基板30的作为波长的函数的折射率(n)和光学吸收率(k)。下表a中提供了si3n4、sio2、无定形硅(a-si)、和铝硅酸盐玻璃基板(康宁编号2320)的折射率和光学吸收率。在以下实施例中使用那些材料作为更高折射率的材料40、更低折射率的材料42、和基板30。
[0069][0070]
[0071][0072]
然后使用由此测量的折射率计算透射光谱和反射光谱。为了方便起见，这些模型化实施例在它们的描述性表格中使用单一折射率值，这对应于从在约1550nm波长处的折射率色散曲线选择的点。
[0073]
实施例1
–
实施例1的视窗24包括铝硅酸盐玻璃(康宁编号2320)的基板30的第一表面32上方的分层膜36。分层膜36包括作为更低折射率的材料42的sio2和作为更高折射率的材料40的si3n4的九(9)个交替层。分层膜36的层的厚度如在下表1中阐述的一样进行配置，以提供如在图6a至图6d中阐述的百分比透射率和百分比反射率。
[0074][0075]
如图6a中所示，分层膜36的数量、厚度、和材料经配置使得实施例1的视窗24对于1300nm至1800nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于90％，且对于850nm至1800nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于70％。对于在300nm至850nm的大致范围内的波长，作为波长的函数的百分比透射率振荡较宽。如图6b中所示，分层膜36的数量、厚度、和材料经配置使得实施例1的视窗24对于1550nm的波长对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都大于95.5％，且对于1500nm至1800nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都大于95％。注意，只有基板30的第一表面32具有分层膜36。视窗24不包括基板30的第二表面34上方的第二分层膜38。未涂布的第二表面34具有约4％的百分比反射率，并因此穿过视窗24的最高可能的百分比透射率大致是96％。
[0076]
如图6c中所示，分层膜36的数量、厚度、和材料经配置使得实施例1的视窗24对于1150nm至1800nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的反射离开分层膜36的端面44的百分比反射率都在10％之下。对于在300nm至850nm的大致范围内的波长，作为波长的函数的百分比反射率振荡较宽。如图6d中所示，分层膜36的数量、厚度、和材料经配置使得实施例1的视窗24对于1550nm的波长对直至50
°
的所有入射角的反射离开分层膜36的端面44的百分比反射率都在1.25％之下，并且对于1500nm至1800nm的大致波长范围对直至25
°
的所有入射角的反射离开分层膜36的端面44的百分比反射率都在0.75％之下。
[0077]
实施例2
–
实施例2的视窗24包括碱铝硅酸盐玻璃(康宁编号2320)的基板30的第一表面32上方的分层膜36、和基板30的第二表面34上方的第二分层膜38。分层膜36包括作为更低折射率的材料42的sio2和作为更高折射率的材料40的si3n4的七(7)个交替层。第二分层膜38包括作为更低折射率的材料42的sio2和作为更高折射率的材料40的si3n4的八十一(81)个交替层。分层膜36和第二分层膜38的层的厚度如在下表2中阐述的一样进行配置，以提供如在图7a至图7e中阐述的百分比透射率和百分比反射率。作为更高折射率的材料40的高硬度材料si3n4(5000nm)的厚度最大化层是分层膜36的第二层，并且邻接于分层膜36提供
视窗24的端面44的最外层。由于基板30的第一表面32和第二表面34均分别由分层膜36和第二分层膜38覆盖，因此提供的百分比反射率值是从整个视窗24两侧的反射率，并且提供的百分比透射率至是穿过整个视窗24的透射率(对于实施例3至5它们也是一样)。
[0078]
[0079]
[0080][0081]
如图7a中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例2的视窗24对于850nm至1800nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于80％，但对于380nm至750nm的大致波长范围对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都小于约15％。如图7b中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得
实施例2的视窗24对于400nm至650nm的大致波长范围对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都小于5％。如图7c中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例2的视窗24对于1550nm的波长对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都大于99.5％，并且对于1500nm至1670nm的波长范围对直至8
°
的所有入射角的百分比透射率都大于98％。
[0082]
如图7d中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料已经配置使得实施例2的视窗24：(a)对于850nm至1800nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的反射离开视窗24的百分比反射率都在20％之下；但(b)对于400nm至700nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的反射离开视窗24的百分比反射率都大于70％；且(c)对于450nm至700nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的反射离开视窗24的百分比反射率都大于90％。如图7e中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例2的视窗24：(a)对于1500nm至1600nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的反射离开视窗24的百分比反射率都小于2％；(b)对于1550nm的波长对直至25
°
的所有入射角的反射离开视窗24的百分比反射率都小于0.5％；且(c)对于1550nm的波长对直至50
°
的所有入射角的反射离开视窗24的百分比反射率都小于10％。
[0083]
实施例3
–
实施例3的视窗24包括碱铝硅酸盐玻璃(康宁编号2320)的基板30的第一表面32上方的分层膜36、和基板的第二表面34上方的第二分层膜38。分层膜36包括作为更低折射率的材料42的sio2和作为更高折射率的材料40的si3n4的七(7)个交替层。第二分层膜38包括作为更低折射率的材料42的sio2和作为更高折射率的材料40的无定形硅(a-si)的九(9)个交替层。与没有使用无定形硅(比如实施例2中)相比，使用吸收紫外范围和可见光的无定形硅(a-si)利用更少层的分层膜36和第二分层膜38来允许显著更好地抑制那些波长穿透视窗24的百分比透射率。尽管使用了无定形硅(a-si)，但视窗24对于与lidar系统12相关的905nm和1550nm仍具有合理高的百分比透射率。分层膜36和第二分层膜38的层的厚度如在下表3中阐述的一样进行配置，以提供如在图8a至图8e中阐述的百分比透射率和百分比反射率。作为更高折射率的材料40的高硬度材料si3n4(5000nm)的厚度最大化层是分层膜36的第二层，并且邻接于分层膜36提供视窗24的端面44的最外层。
[0084][0085]
如图8a中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例3的视窗24：(a)对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于75％；(b)对于1050nm至1800nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于80％；且(c)对于1300nm至1800nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于90％；但(d)对于300nm至700nm的大致波长范围对直至约50
°
的所有入射角的百分比透射率都小于约10％。如图8b中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料已经配置使得实施例3的视窗24：(a)对于300nm至650nm的大致波长范围对直至约50
°
的所有入射角的百分比透射率都小于2％；(b)对于300nm至700nm的大致波长范围对直至约8
°
的所有入射角的百分比透射率都小于2％；(c)对于300nm至600nm的波长范围对直至约25
°
的所有入射角的百分比透射率都小于2％；(d)对于300nm至575nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都小于0.15％；且(e)对于300nm至680nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都小于2％。如图8c中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料已经配置使得实施例3的视窗24：(a)对于1550nm的波长对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于94％；(b)对于1550nm的波长对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都大于98.5％；(c)对于1500nm至1600nm的波长范围对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于94.5％；且(d)对于1500nm至1600nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都大于98％。
[0086]
如图8d中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料已经配置使得实施
例3的视窗24：(a)对于800nm至1800nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都在20％之下；且(b)对于1250nm至1800nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都在10％之下；但(b)对于450nm至650nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都大于50％；且(c)对于约450nm至约700nm的波长范围对直至8
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都大于约65％。如图8e中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例3的视窗24：(a)对于1500nm至1600nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都小于1％；(b)对于1550nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都小于0.5％；且(c)对于1550nm的波长对直至50
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都小于4.5％。
[0087]
实施例3a
–
实施例3a的视窗24包括碱铝硅酸盐玻璃(康宁编号2320)的基板30的第一表面32上方的分层膜36、和基板的第二表面34上方的第二分层膜38。分层膜36包括作为更低折射率的材料42的sio2和作为更高折射率的材料40的si3n4的七(7)个交替层。第二分层膜38包括作为更低折射率的材料42的sio2和作为更高折射率的材料40的无定形硅(a-si)的九(9)个交替层。分层膜36和第二分层膜38的层的厚度如在下表3a中阐述的一样进行配置，以提供如在图9a至图9b中阐述的百分比透射率和百分比反射率。实施例3a的视窗24因此与实施例3的视窗24相同，除了作为更高折射率的材料40的高硬度材料si3n4的厚度最大化层的是2000nm厚，以代替实施例3中的5000nm厚。这一层仍然是分层膜36的第二层，并且邻接于分层膜36提供视窗24的端面44的最外层。实施例3和实施例3a示出了取决于对于特定应用的机械性能和成本目标而可实现的设计灵活性(改变更高折射率的材料40的厚度最大化层的厚度，同时仍然达到透射率和反射率标准)。
[0088][0089]
如图9a中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例3a的视窗24：(a)对于约1000nm至1800nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于80％；且(b)对于1300nm至1800nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于90％；但(c)对于300nm至约700nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都小于约10％。
[0090]
如图9b中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例3a的视窗24：(a)对于800nm至1800nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都在20％之下；且(b)对于1250nm至1800nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都在10％之下；但(c)对于450nm至650nm的大致波长范围对直至50
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都大于50％；且(d)对于约450nm至约675nm的波长范围对直至8
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都大于约65％。
[0091]
实施例4
–
实施例4的视窗24包括碱铝硅酸盐玻璃(康宁编号2320)的基板30的第一表面32上方的分层膜36、和基板的第二表面34上方的第二分层膜38。分层膜36包括作为更低折射率的材料42的sio2和作为更高折射率的材料40的si3n4的七(7)个交替层。第二分层膜38包括作为更低折射率的材料42的sio2和作为更高折射率的材料40的无定形硅(a-si)或si3n4的十九(19)个交替层。使用吸收紫外范围和可见光的无定形硅(a-si)和si3n4作为更高折射率的材料40同时结合反射率和吸收率以在紫外范围和可见光范围内建立超低百
分比透射率，同时在1550nm处具有高百分比透射率。分层膜36和第二分层膜38的层的厚度如在下表4中阐述的一样进行配置，以提供如在图10a至图10e中阐述的百分比透射率和百分比反射率。作为更高折射率的材料40的高硬度材料si3n4(5000nm)的厚度最大化层是分层膜36的第二层，并且邻接于分层膜36提供视窗24的端面44的最外层。
[0092][0093]
如图10a中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例4的视窗24：(a)对于1400nm至1800nm的波长范围对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于90％；但(b)对于300nm至950nm的波长范围对直至8
°
的所有入射角的百分比透射率都小于10％。如图10b中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例4的视窗24：(a)对于300nm至700nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都小于0.5％；(b)对于300nm至600nm的波长范围对直至50
°
的所有入射角的百分比透
射率都小于0.2％；且(c)对于300nm至650nm的波长范围对直至10
°
的所有入射角的百分比透射率都小于0.15％。如图10c中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料已经配置使得实施例4的视窗24：(a)对于1550nm的波长对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都大于98％；且(b)对于1550nm的波长对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于92.5％。
[0094]
如图10d中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例4的视窗24对于1350nm至1800nm的波长范围对直至50
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都小于10％。如图10e中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例4的视窗24：(a)对于1550nm的波长对直至8
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都小于0.3％；(b)对于1550nm的波长对直至25
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都小于1％；且(c)对于1550nm的波长对直至50
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都小于6.5％。
[0095]
实施例5
–
实施例5的视窗24包括碱铝硅酸盐玻璃(康宁编号2320)的基板30的第一表面32上方的分层膜36、和基板的第二表面34上方的第二分层膜38。分层膜36包括作为更低折射率的材料42的sio2和作为更高折射率的材料40的si3n4的七(7)个交替层。第二分层膜38包括作为更低折射率的材料42的sio2和作为更高折射率的材料40的无定形硅(a-si)或si3n4的十七(17)个交替层。使用吸收紫外范围和可见光的无定形硅(a-si)和si3n4作为更高折射率的材料40同时结合反射率和吸收率以在紫外范围和可见光范围内建立超低百分比透射率，同时在905nm、1550nm两者处具有高百分比透射率、以及在905nm波长处具有低反射率。分层膜36和第二分层膜38的层的厚度如在下表5中阐述的一样进行配置，以提供如在图11a至图11e中阐述的百分比透射率和百分比反射率。作为更高折射率的材料40的高硬度材料si3n4(5000nm)的厚度最大化层是分层膜36的第二层，并且邻接于分层膜36提供视窗24的端面44的最外层。
[0096][0097]
如图11a中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例5的视窗24：(a)对于800nm至1800nm的波长范围对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于75％；且(b)对于300nm至650nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都小于10％。如图11b中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例5的视窗24：(a)对于300nm至620nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都小于0.8％；且(b)对于300nm至约575nm的波长范围对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都小于0.8％。如图11c中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例5的视窗24：(a)对于850nm至980nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都大于88％；(b)对于1500nm至1700nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都大于88％；(c)对于870nm至970nm以及1530nm至1680nm的波长范围对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都大于90％；(d)对于895nm至945nm以及1545nm至1650nm的
波长范围对直至25
°
的所有入射角的百分比透射率都大于92％；(e)对于905nm的波长对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于83％；且(f)对于1550nm的波长对直至50
°
的所有入射角的百分比透射率都大于88％。
[0098]
如图11d中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例5的视窗24：(a)对于700nm至1800nm的波长范围对直至50
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都小于25％；且(b)对于1550nm的波长对直至25
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都小于7％。如图11e中所示，分层膜36和第二分层膜38的数量、厚度、和材料经配置使得实施例5的视窗24：(a)对于850nm至950nm的波长范围对直至8
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都小于1％；且(b)对于905nm的波长对直至25
°
的所有入射角的离开视窗24的百分比反射率都小于0.5％。
[0099]
方面(1)关于一种用于传感系统的视窗，包括：包括折射率、第一表面、和第二表面的基板，所述第一表面和所述第二表面是所述基板的主表面；设置在所述基板的所述第一表面上的分层膜，所述分层膜包括一种或多种更高折射率的材料和一种或多种更低折射率的材料的交替层，所述一种或多种更高折射率的材料和所述一种或多种更低折射率的材料中的每一者具有折射率，且所述一种或多种更高折射率的材料的折射率大于所述一种或多种更低折射率的材料的折射率；和在所述分层膜处并由berkovich压头硬度测试测量的至少8gpa的最大硬度，其中所述分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料经配置使得所述视窗对于波长为1550nm的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％；且所述视窗对于波长为1550nm的电磁辐射在0
°
至8
°
的范围内的任一入射角时的平均百分比反射率小于10％。
[0100]
方面(2)关于方面(1)的视窗，其中所述基板具有与所述第一表面毗邻且处于压缩应力下的区域，且所述压缩应力的最大绝对值是至少600mpa。
[0101]
方面(3)关于方面(1)或方面(2)的视窗，其中所述基板是玻璃基板。
[0102]
方面(4)关于方面(1)至方面(3)中任一者的视窗，所述基板具有在约100μm和约5mm之间的厚度。
[0103]
方面(5)关于方面(1)至方面(4)中任一者的视窗，其中所述基板对于波长为1550nm的电磁辐射的折射率是从约1.45至约1.55。
[0104]
方面(6)关于方面(1)至方面(5)中任一者的视窗，其中所述一种或多种更高折射率的材料的折射率是从约1.7至约4.0，并且其中所述一种或多种更低折射率的材料的折射率是从约1.3至约1.6。
[0105]
方面(7)关于方面(1)至方面(6)中任一者的视窗，其中所述一种或多种更高折射率的材料中的任一者与所述一种或多种更低折射率的材料中的任一者之间的折射率的差是约0.5或更大。
[0106]
方面(8)关于方面(1)至方面(7)中任一者的视窗，其中所述一种或多种更低折射率的材料包括sio2，并且其中所述一种或多种更高折射率的材料包括si3n4。
[0107]
方面(9)关于方面(1)至方面(8)中任一者的视窗，其中所述分层膜中离所述基板最远的层形成所述视窗的端面材料，所述视窗的所述端面材料包括所述更低折射率的材料，并且其中所述一种或多种更低折射率的材料的层直接设置在所述基板的所述第一表面上。
[0108]
方面(10)关于方面(1)至方面(9)中任一者的视窗，其中在所述分层膜处并由berkovich压头硬度测试测量的所述最大硬度是至少12gpa。
[0109]
方面(11)关于方面(1)至方面(10)中任一者的视窗，其中所述一种或多种更高折射率的材料的层中的一者具有约500nm和约10,000mm之间的厚度。
[0110]
方面(12)关于方面(1)至方面(11)中任一者的视窗，其中所述一种或多种更高折射率的材料的至少一层是所述分层膜的厚度的65％或更大。
[0111]
方面(13)关于方面(1)至方面(12)中任一者的视窗，其中所述分层膜中离所述基板最远的层形成所述视窗的端面材料，所述视窗的所述端面材料包括所述更低折射率的材料，并且其中所述端面材料具有约150nm和约310nm之间的厚度。
[0112]
方面(14)关于方面(1)至方面(13)中任一者的视窗，其中所述分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料经配置使得所述视窗对于波长为1500nm至1600nm的范围内的任一波长的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％；且所述视窗对于波长为1500nm至1600nm的范围内的任一波长的电磁辐射在0
°
至8
°
的范围内的任一入射角时的平均百分比反射率小于10％。
[0113]
方面(15)关于方面(1)至方面(14)中任一者的视窗，其中所述分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料经配置使得所述视窗对于波长为905nm和1550nm的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％；且所述视窗对于波长为905nm和1550nm的电磁辐射在0
°
至8
°
的范围内的任一入射角时的平均百分比反射率小于10％。
[0114]
方面(16)关于方面(1)至方面(15)中任一者的视窗，其中所述分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料经配置使得所述视窗对于波长为880nm至1580nm、或者850nm至1800nm的范围内的任一波长的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％。
[0115]
方面(17)关于方面(1)至方面(16)中任一者的视窗，其中所述分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料经配置使得所述视窗对于波长为300nm至600nm的范围内的任一波长的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率小于10％；且所述视窗对于波长为300nm至600nm的范围内的任一波长的电磁辐射在0
°
至8
°
的范围内的任一入射角时的平均百分比反射率大于80％。
[0116]
方面(18)关于方面(1)至方面(17)中任一者的视窗，进一步包括：设置在所述基板的所述第二表面上的第二分层膜，所述第二分层膜包括所述一种或多种更高折射率的材料和所述一种或多种更低折射率的材料的交替层，所述一种或多种更高折射率的材料和所述一种或多种更低折射率的材料中的每一者具有折射率，且所述一种或多种更高折射率的材料的折射率大于所述一种或多种更低折射率的材料的折射率，其中所述分层膜的所述交替层和所述第二分层膜的交替层的数量、厚度、和材料经配置使得所述视窗对于波长为1550nm的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％。
[0117]
方面(19)关于方面(18)的视窗，其中所述第二分层膜的所述一种或多种更高折射率的材料中的任一者与所述第二分层膜的所述一种或多种更低折射率的材料中的任一者的折射率的差是约2.0或更大。
[0118]
方面(20)关于方面(18)或方面(19)的视窗，其中所述第二分层膜的所述一种或多种更低折射率的材料包括sio2，并且其中所述第二分层膜的所述一种或多种更高折射率的
材料包括无定形硅。
[0119]
方面(21)关于方面(18)至方面(20)中任一者的视窗，其中所述分层膜的所述一种或多种更低折射率的材料包括sio2，其中所述分层膜的所述一种或多种更高折射率的材料包括si3n4，其中所述第二分层膜的所述一种或多种更低折射率的材料包括sio2，并且其中所述第二分层膜的所述一种或多种更高折射率的材料包括无定形硅。
[0120]
方面(22)关于方面(18)至方面(20)中任一者的视窗，其中所述分层膜的所述一种或多种更低折射率的材料包括sio2，其中，所述分层膜的所述一种或多种更高折射率的材料包括si3n4，其中，所述第二分层膜的所述一种或多种更低折射率的材料包括sio2，并且其中，所述第二分层膜的所述一种或多种更高折射率的材料包括无定形硅和si3n4。
[0121]
方面(23)关于一种lidar系统，包括：发射波长为1550nm的电磁辐射的电磁辐射发射器和传感器；和在所述电磁辐射的路径中的视窗，所述视窗包括：包括折射率、第一表面、和第二表面的基板，所述第一表面和所述第二表面是所述基板的主表面；设置在所述基板的所述第一表面上的分层膜，所述分层膜包括一种或多种更高折射率的材料和一种或多种更低折射率的材料的交替层，所述一种或多种更高折射率的材料和所述一种或多种更低折射率的材料中的每一者具有折射率，且所述一种或多种更高折射率的材料的折射率大于所述一种或多种更低折射率的材料的折射率；和在所述分层膜处并由berkovich压头硬度测试测量的至少8gpa的最大硬度，其中所述分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料经配置使得所述视窗对于：波长为1550nm的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％；且所述视窗对于波长为1550nm的电磁辐射在0
°
至8
°
的范围内的任一入射角时的平均百分比反射率小于10％。
[0122]
方面(24)关于方面(23)的lidar系统，所述视窗进一步包括：设置在所述基板的所述第二表面上的第二分层膜，所述第二分层膜包括所述一种或多种更高折射率的材料和所述一种或多种更低折射率的材料的交替层，所述一种或多种更高折射率的材料和所述一种或多种更低折射率的材料中的每一者具有折射率，且所述一种或多种更高折射率的材料的折射率大于所述一种或多种更低折射率的材料的折射率，其中，所述分层膜的所述交替层和所述第二分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料经配置使得所述视窗对于波长为1550nm的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％。
[0123]
方面(25)关于方面(23)或方面(24)的lidar系统，其中所述分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料经配置使得所述视窗对于波长为1500nm至1600nm的范围内的任一波长的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％；且所述视窗对于波长为1500nm至1600nm的范围内的任一波长的电磁辐射在0
°
至8
°
的范围内的任一入射角时的平均反射率小于10％。
[0124]
方面(26)关于方面(23)至方面(25)中任一者的lidar系统，其中所述分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料经配置使得所述视窗对于波长为905nm和1550nm的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％；且所述视窗对于波长为905nm和1550nm的电磁辐射在0
°
至8
°
的范围内的任一入射角时的平均百分比反射率小于10％。
[0125]
方面(27)关于方面(23)至方面(26)中任一者的lidar系统，其中所述分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料经配置使得所述视窗对于波长为880nm至1580nm、或者850nm
至1800nm的范围内的任一波长的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率大于75％。
[0126]
方面(28)关于方面(23)至方面(27)中任一者的lidar系统，其中所述分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料经配置使得所述视窗对于波长为300nm至600nm的范围内的任一波长的电磁辐射在正常入射或者接近正常入射时的平均百分比透射率小于10％；且所述视窗对于波长为300nm至600nm的范围内的任一波长的电磁辐射在0
°
至8
°
的范围内的任一入射角时的平均百分比反射率大于80％。
[0127]
对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离权利要求书的精神和范围的情况下可做出各种改进和变形。