用于传感系统的视窗和LIDAR系统技术方案

提供了一种用于传感系统的视窗和一种LIDAR系统。所述视窗包括基板；设置在所述基板的第一表面上的分层膜，所述分层膜包括更高折射率的材料和更低折射率的材料的交替层，其中所述更高折射率的材料的折射率大于所述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。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％，且对于波长为1550nm的电磁辐射在0

【技术实现步骤摘要】
用于传感系统的视窗和LIDAR系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请主张于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。


[0003]本公开内容涉及用于传感系统的视窗和一种具有该视窗的光探测和测距 (LIDAR)系统。

技术介绍

[0004]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。
[0005]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905 nm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。

技术实现思路

[0006]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。
[0007]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％。
[0008]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8 GPa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％。
[0009]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。
[0010]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
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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；
[0018]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；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于传感系统的视窗，其特征在于，包括：玻璃基板，包括折射率、第一表面、和第二表面，所述第一表面和所述第二表面是所述玻璃基板的主表面；分层膜，设置在所述玻璃基板的所述第一表面上，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％。2.如权利要求1所述的视窗，其中所述玻璃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。3.如权利要求1所述的视窗，其中所述玻璃基板具有在100μm和5mm之间的厚度。4.如权利要求1所述的视窗，其中所述玻璃基板对于波长为1550nm的电磁辐射的折射率是从1.45至1.55。5.如权利要求1至4中任一项所述的视窗，其中所述一种或多种更高折射率的材料的折射率是从1.7至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1.3至1.6。6.如权利要求1至4中任一项所述的视窗，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0.5或更大。7.如权利要求1至4中任一项所述的视窗，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。8.如权利要求1至4中任一项所述的视窗，其中所述分层膜中的离所述玻璃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玻璃基板的所述第一表面上。9.如权利要求1至4中任一项所述的视窗，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。10.如权利要求1至4中任一项所述的视窗，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500nm和10,000mm之间的厚度。11.如权利要求1至4中任一项所述的视窗，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。12.如权利要求1至4中任一项所述的视窗，其中所述分层膜中的离所述玻璃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150nm和310nm之间的厚度。13.如权利要求1至4中任一项所述的视窗，其中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
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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％。14.如权利要求1至4中任一项所述的视窗，其中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％。15.如权利要求1至4中任一项所述的视窗，其中所述分层膜的所述交替层的数量、厚度、和材料被配置为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％。16.如权利要求1至4中任一项所述的视窗，其中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％。17.如权利要求1至4中任一项所述的视窗，进一步包括：第二分层膜，设置在所述玻璃基板的所述第二表面上的，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚登，
申请(专利权)人：康宁公司，
类型：新型
国别省市：