Hardened optical windows with Anti-reflective films having low visible reflectance and transmission for infrared sensing systems

Abstract

Disclosed is a window for a sensing system comprising a substrate, a first layered film comprising alternating layers of higher and lower index materials, and a second layered film comprising alternating layers of higher and lower index materials. The window comprises a maximum hardness, measured at the first layered film and by the Berkovich Indenter Hardness Test, of at least 8 GPa. The first and second layered films are configured so that the window has favorable antireflective and transmission attributes in a 150 nm infrared wavelength range of interest including 1550 nm, while providing relatively low reflectance and transmittance in the visible spectrum to provide a dark appearance and low signal noise.

Description

HARDENED OPTICAL WINDOWS WITH ANTI-REFLECTIVE FILMS HAVING LOW VISIBLE REFLECTANCE AND TRANSMISSION FOR INFRARED SENSING SYSTEMSBACKGROUND

[0001] Light detection and ranging ( “LIDAR” ) systems include an electromagnetic radiation emitter and a sensor. The electromagnetic radiation emitter emits an electromagnetic radiation emitter beam, which may reflect off an object, and the sensor detects the reflected electromagnetic radiation emitter beam. The electromagnetic radiation emitter beams can be pulsed or otherwise distributed across a radial range to detect objects across a field of view. Information about the object and position about the object can be deciphered from the properties of the detected reflected electromagnetic radiation emitter beam. Electromagnetic radiation emitters emitting electromagnetic radiation having a wavelength outside the range of visible light, such as at 905nm or 1550nm are considered for vehicle and other LIDAR applications. To protect the electromagnetic radiation emitter and sensor from impact from rocks and other objects, a window is placed between the electromagnetic radiation emitter and sensor, and the external environment in the line of sight of the electromagnetic radiation emitter and sensor.

[0002] International Patent Application Publication No. WO 2023 / 069262 A1 describes an example of such a window designed to protect the electromagnetic radiation emitter and sensor. The window described therein includes layered films disposed on either side of s substrate. The layered films are configured such that the window exhibits a high hardness for impact / scratch resistance and high transmittance and low reflectance over a 50 nm wavelength range of interest between 1400 nm and 1600 nm. However, it has been found that the stack designs of these layered films are particularly sensitive to variations in the deposition process (e.g., physical vaper deposition) used to form those films.

[0003] Accordingly, a need exists to provide a window that provides favorable anti-reflection performance over a wavelength range of interest including 1550 nm that is less sensitive to process variations so that the desired optical performance can be achieved consistently.SUMMARY

[0004] One embodiment of the present disclosure pertains to a window for a sensing system. The window includes a substrate comprising a first surface and a second surface, a first layered film disposed on the first surface of the substrate, the first layered film comprising alternating layers of one or more higher refractive index materials and one or more lower refractive index materials, wherein refractive indices of the one or more higher refractive index materials of the first layered film are higher than refractive indices of the one or more lower refractive index materials of the first layered film, and a second layered film disposed on the second surface of the substrate, the second layered film comprising alternating layers of one or more higher refractive index materials and one or more lower refractive index materials, wherein refractive indices of the one or more higher refractive index materials of the second layered film are higher than refractive indices of the one or more lower refractive index materials of the second layered film. The window exhibits a maximum hardness, measured at the first layered film and by the Berkovich Indenter Hardness Test, of at least 8 GPa. The quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has: an average percentage transmittance, calculated over a 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm, of greater than 98%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°; an average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than 1 %for light incident on the first surface and the second surface at angles of less than or equal to 15°; and an average percentage transmission, calculated from 400 nm to 700 nm, of less than 5%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°.

[0005] Another embodiment of the present disclosure pertains to a window for a sensing system comprising: a substrate comprising a first surface and a second surface, a first layered film disposed on the first surface of the substrate, the first layered film comprising alternating layers of one or more higher refractive index materials and one or more lower refractive index materials, wherein refractive indices of the one or more higher refractive index materials of the first layered film are higher than refractive indices of the one or more lower refractive index materials of the  first layered film, and a second layered film disposed on the second surface of the substrate, the second layered film comprising alternating layers of one or more higher refractive index materials and one or more lower refractive index materials, wherein refractive indices of the one or more higher refractive index materials of the second layered film are higher than refractive indices of the one or more lower refractive index materials of the second layered film, wherein the second layered film comprises two or more silicon layers, wherein the second layered film comprises a layer of TCO material, wherein the two or more silicon layers are disposed between the layer of TCO material and the substrate. The window exhibits a maximum hardness, measured at the first layered film and by the Berkovich Indenter Hardness Test, of at least 8 GPa. The quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has: an average percentage transmittance, calculated over a 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm, of greater than 94%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°; an average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than 3%for light incident on the first surface and the second surface at angles of less than or equal to 15°; and an average percentage transmission, calculated from 400 nm to 700 nm, of less than 5%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°.

[0006] Additional features and advantages will be set forth in the detailed description which follows, and in part will be readily apparent to those skilled in the art from that description or recognized by practicing the embodiments as described herein, including the detailed description which follows, the claims, as well as the appended drawings.

[0007] It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are merely exemplary, and are intended to provide an overview or framework to understanding the nature and character of the claims. The accompanying drawings are included to provide a further understanding, and are incorporated in and constitute a part of this specification. The drawings illustrate one or more embodiments, and together with the description serve to explain principles and operation of the various embodiments.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0008] FIG. 1 is a side view of a vehicle in an external environment, illustrating a LIDAR system on a roof of the vehicle and another LIDAR system on a forward portion of the vehicle, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0009] FIG. 2 is a schematic view of one of the LIDAR systems of FIG. 1, illustrating an electromagnetic radiation emitter and sensor in an enclosure, and the electromagnetic radiation emitter and sensor emitting electromagnetic radiation that exits the enclosure through a window and returns as reflected radiation through the window, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0010] FIG. 3 is a cross-sectional view of the window of FIG. 2 taken at area III of FIG. 2, illustrating the window including a substrate with a layered film over a first surface of the substrate, and a second layered film over a second surface of the substrate, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0011] FIG. 4 is a cross-sectional view of the window of FIG. 3 taken at area IV of FIG. 3, illustrating the layered film including alternating layers of one or more higher refractive index materials and one or more lower refractive index materials with a layer of the one or more lower refractive index materials providing a terminal surface closest to the external environment, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0012] FIG. 5 is a cross-sectional view of the window of FIG. 3 taken at area V of FIG. 3, illustrating the second layered film including alternating layers of one or more higher refractive index materials and one or more lower refractive index materials with a layer of the one or more lower refractive index materials providing a terminal surface closest to the electromagnetic radiation emitter and sensor, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0013] FIG. 6 is a graph of a modelled two-surface reflectance for light in a wavelength range of 400 nm to 1650 nm that is incident on the first and second layered films of the first example window at a 15° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0014] FIG. 7 is a graph of a modelled two-surface reflectance for light in an infrared wavelength range of interest from 1400 nm to 1700 nm that is incident on the first and second layered films of the first example window at a 15° angle of incidence, according to one or more embodiments of  the present disclosure;

[0015] FIG. 8 is a graph of a modeled two-surface transmittance for light in a wavelength range of interest from 400 nm to 1650 nm that is incident on the first layered film of a first example window at a 15° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0016] FIG. 9 is a graph of a modeled two-surface transmittance for light in an infrared wavelength range of interest from 1400 nm to 1700 nm that is incident on the first layered film of the first example window at a 15° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0017] FIG. 10 is a graph of a modeled two-surface reflectance for light in a wavelength range from 400 nm to 1650 nm that is incident on the first layered film of the first example window at a 60°angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0018] FIG. 11 is a graph of a modeled two-surface reflectance for light in an infrared wavelength range from 1400 nm to 1700 nm that is incident on the first layered film of the first example window at a 60° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0019] FIG. 12 is a graph of a modeled two-surface transmittance for light in a wavelength range from 400 nm to 1650 nm that is incident on the first layered film of the first example window at a 60° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0020] FIG. 13 is a graph of a modeled two-surface transmittance for light in an infrared wavelength range from 1400 nm to 1700 nm that is incident on the first layered film of the first example window at a 60° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0021] FIG. 14 is a graph of a modelled two-surface reflectance for light in a wavelength range of 350 nm to 1700 nm that is incident on the first and second layered films of the second and third example windows at a 15° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0022] FIG. 15 is a graph of a modelled two-surface reflectance for light in an infrared wavelength range of interest from 1400 nm to 1700 nm that is incident on the first and second layered films of  the second and third example windows at a 15° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0023] FIG. 16 is a graph of a modeled two-surface transmittance for light in a wavelength range of interest from 350 nm to 1700 nm that is incident on the first layered film of second and third example windows at a 15° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0024] FIG. 17 is a graph of a modeled two-surface transmittance for light in an infrared wavelength range of interest from 1400 nm to 1700 nm that is incident on the first layered film of the second and third example windows at a 15° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0025] FIG. 18 is a graph of a modeled two-surface reflectance for light in a wavelength range from 400 nm to 1650 nm that is incident on the first layered film of the second and third example windows at a 60° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0026] FIG. 19 is a graph of a modeled two-surface reflectance for light in an infrared wavelength range from 1400 nm to 1700 nm that is incident on the first layered film of the second and third example windows at a 60° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure;

[0027] FIG. 20 is a graph of a modeled two-surface transmittance for light in a wavelength range from 350 nm to 1700 nm that is incident on the first layered film of the second and third example windows at a 60° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure; and

[0028] FIG. 21 is a graph of a modeled two-surface transmittance for light in an infrared wavelength range from 1400 nm to 1700 nm that is incident on the first layered film of the second and third example windows at a 60° angle of incidence, according to one or more embodiments of the present disclosure.DETAILED DESCRIPTION

[0029] Reference will now be made in detail to embodiments of windows for use in LIDAR sensors.  Whenever possible, the same reference numerals will be used throughout the drawings to refer to the same or like parts. The windows described herein may include first and second layered films that are constructed of alternating layers of higher and lower refractive index materials and configured to provide relatively high transmittance and low reflectance in a desired infrared wavelength range of interest. When the window is installed in a LIDAR system, the first layered film may face away from the sensor / electromagnetic radiation emitter and be exposed to an external environment, while the second layered film may face the sensor / electromagnetic radiation emitter. That is, when the LIDAR system is viewed from the outside, an observer may view the first layered film. Light emitted by the electromagnetic radiation emitter may be initially incident on the second layered film prior to propagating through the substrate. In accordance with the present disclosure, the fist layered films of the windows described herein may include one or more scratch resistant layers that are relatively thick (e.g., greater than or equal to 500 nm) of a high refractive index material. The scratch resistant layer may be embedded within the first layered film such that the window comprises a maximum nanoindentation hardness of greater than or equal to 8 GPa (e.g., greater than or equal to 10 GPa, greater than or equal to 12 GPa, ) when measured at the first layered film by the Berkovich Indenter Hardness Test. Such nanoindentation hardness beneficially provides scratch resistance and improves performance of the LIDAR system.

[0030] In aspects, the alternating layers of the first and second layered films of the windows described herein are also constructed to provide optical performance attributes that are desirable for operation of the LIDAR system in the infrared spectrum. As compared to the layered films described in WO 2023 / 069263 A1, the first and second layered films described herein are configured to provide consistent anti-reflective performance attributes over a wider wavelength range of interest. For example, in embodiments, the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has an average percentage transmittance, calculated over a 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm, of greater than 94%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of 15° or less. The quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films may be configured so that  the window also an average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than 3%for light incident on the first surface and the second surface at angles of less than or equal to 15°. Over the 150 nm wavelength range of interest, the reflectance and transmittance spectra may exhibit ranges (difference between maximum and minimum values) of less than 3%. Providing such consistent anti-reflection performance over such a wide bandwidth renders the optical performance less sensitive to variations in the process used to deposit the first and second layered film. The first and second layered films are therefore more reliable than those described in WO 2023 / 069263 A1.

[0031] It has been found that providing the optical performance described herein over the 150 nm wavelength range of interest is ensured by providing an adequate number of layers in the first layered film between the scratch resistant layer and a terminal surface of the first layered film. Layers separating the first layered film from the terminal surface are referred to herein as the “optical control stack. ” In embodiments, the scratch resistant layer is separated from the terminal surface by at least 21 of the alternating layers of the first layered film. In embodiments, the alternating layers of the optical control stack are limited in physical thickness to improve process throughput and increase material utilization. For example, in embodiments, the alternating layers of the optical control stack comprise an average physical thickness that is less than or equal to 100 nm. In embodiments, the layers of the higher refractive index materials in the optical control stack comprise an average physical thickness that is less than the average physical thickness of the layers of the lower refractive index materials in the optical control stack. For example, the layers of the higher refractive index materials in the optical control stack may have an average physical thickness that is less than or equal to 90 nm, less than or equal to 80 nm, less than or equal to 70 nm, or even less than or equal to 60 nm. As a result of this relatively small average thickness, the wideband anti-reflective performance described herein may be provided despite a smaller overall physical thickness of the first layered film than certain examples described in WO 2023 / 069263 A1. Moreover, as a result of the smaller average thickness of the layers of the higher refractive index materials in the optical control stack, layers of the lower refractive index materials may make up more than a majority (e.g., over 55%) of the physical thickness of the optical control stack. Such a construction of the optical control stack, with a relatively large number of layers of  low thickness, has been found to aid in providing the wideband anti-reflection performance described herein while also maintaining the nanoindentation hardness at suitable levels for scratch resistance.

[0032] In further aspects, the first and second layered films of the windows described herein may also be structured to have relatively low reflectance and transmittance of visible light, thereby providing the window with an aesthetically pleasing dark appearance and eliminating signal noise. In embodiments, for example, the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has an average percentage transmission, calculated from 400 nm to 700 nm, of less than 5%, and an average reflectance of less than 10%, for light incident on the first layered film at angles of incidence of 15° or less. Such low reflectance and transmittance in the visible range results in the window having a dark, opaque appearance when viewed from the side of the first layered film. Such visible transmittance and reflectance performance can be achieved by incorporated two or more silicon layers into the second layered film, such that a combined thickness of the two or more silicon layers is greater than or equal to 500 nm.

[0033] In embodiments, one of the first layered film and the second layered film comprises one or more layers formed of a transparent conductive oxide ( “TCO” ) material. The layer (s) of TCO material can be communicatively (e.g., conductively) coupled to a power source (not depicted) for heating the window. This heating facilitates an incorporating LiDAR system operating in low temperature environments. The TCO material may be selected from suitable optically transparent and electrically conductive materials, such as indium zinc oxide ( “IZO” ) , indium tin oxide ( “ITO” ) , aluminum-doped zinc oxide ( “AZO” ) , and indium-doped cadmium oxide. In embodiments, the layer (s) of TCO material are disposed in the second layered film, in a position more proximate to a terminal surface of the second layered film silicon layers located in the second layered film. Such a construction beneficially facilitates the addition of the TCO material without effecting the dark, opaque appearance of the window described herein. The layer (s) of TCO material can be disposed between layers of lower refractive index materials, as the refractive index of the TCO material may be higher than the materials used for the lower refractive index materials. In embodiments, the second layered film comprises a single layer of TCO material,  with the single layer of TCO material being the disposed between the outermost pair of lower refractive index materials furthest from the substrate. A variety of layer thickness, from 20 nm to 100 nm, of TCO material can be accommodated with limited effect on the appearance of the window due to the positioning described herein. This enables a wide variety of sheet resistances and heating performances to be provided.

[0034] As such, the windows described herein provide durable anti-reflection performance for a 150 wavelength range of interest including 1550 nm while providing an aesthetically pleasing and performance enhancing black or dark appearance. The windows described herein may improve LIDAR sensor performance over certain existing sensors by preventing visible light from being incident on the sensors and improving signal-to-noise ratio. Moreover, the windows described herein may reduce unwanted glare that is visible to outside observers. Additionally, TCO layers can be incorporated to add heating functionality without significantly effecting the appearance or optical performance of the windows described herein.

[0035] Unless otherwise noted, the total, specular, and average reflectance values provided herein are two-surface reflectance values, representing a total reflectance of an entire window, including the reflectance associated with each material interface in the window (e.g., between air and the layered films, between the layered films and the substrate, etc. ) . Unless otherwise noted, transmittance values provided herein are measured from the side of the first layered film described herein (e.g., from the side positioned facing an external environment of a LIDAR system) and reflectance values provided herein are measured from the side of the second layered film.

[0036] Unless otherwise specified herein, average transmittance and reflectance values are calculated using percentage reflectance and transmittance values at various wavelengths within a specified wavelength range. Average reflectance and transmittance values may be calculated by averaging values at each whole wavelength (or a nearest wavelength value available, within 1 nm of the whole wavelength) in the referenced wavelength range. Unless otherwise noted herein, reflectance and transmittance values provided herein are polarization-averaged (e.g., a transmittance value is an average of a S-polarization value and a P-polarization value) .

[0037] Unless otherwise noted herein, CIELAB color space a*and b*and lightness L*values are measured / simulated using a D65 illuminate for a standard observer with a 10-degree field of view.

[0038] As used herein, the terms “dark appearance” or “black appearance” refer to the reflected appearance of the window when viewed from an external surface. Windows having a dark appearance or black appearance in accordance with the present disclosure comprise CIELAB lightness L*values of less than 30 when viewed from angles 60° or less.

[0039] Unless otherwise expressly stated, it is in no way intended that any method set forth herein be construed as requiring that its steps be performed in a specific order. Accordingly, where a method claim does not actually recite an order to be followed by its steps, or it is not otherwise specifically stated in the claims or descriptions that the steps are to be limited to a specific order, it is no way intended that an order be inferred, in any respect. This holds for any possible non-express basis for interpretation, including: matters of logic with respect to arrangement of steps or operational flow; plain meaning derived from grammatical organization or punctuation; the number or type of embodiments described in the specification.

[0040] As used herein, the term “and / or, ” when used in a list of two or more items, means that any one of the listed items can be employed by itself, or any combination of two or more of the listed items can be employed. For example, if a composition is described as containing components A, B, and / or C, the composition can contain A alone; B alone; C alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or A, B, and C in combination.

[0041] Modifications of the disclosure will occur to those skilled in the art and to those who make or use the disclosure. Therefore, it is understood that the embodiments shown in the drawings and described above are merely for illustrative purposes and not intended to limit the scope of the disclosure, which is defined by the following claims, as interpreted according to the principles of patent law, including the doctrine of equivalents.

[0042] In this document, relational terms, such as first and second, top and bottom, and the like, are used solely to distinguish one entity or action from another entity or action, without necessarily requiring or implying any actual such relationship or order between such entities or actions. The terms “comprises, ” “comprising, ” or any other variation thereof, are intended to cover a non-exclusive inclusion, such that a process, method, article, or apparatus that comprises a list of elements does not include only those elements but may include other elements not expressly listed or inherent to such process, method, article, or apparatus. An element proceeded by  “comprises ... a” does not, without more constraints, preclude the existence of additional identical elements in the process, method, article, or apparatus that comprises the element.

[0043] As used herein, the term “about” means that amounts, sizes, formulations, parameters, and other quantities and characteristics are not and need not be exact, but may be approximate and / or larger or smaller, as desired, reflecting tolerances, conversion factors, rounding off, measurement error and the like, and other factors known to those of skill in the art. When the term “about” is used in describing a value or an end-point of a range, the disclosure should be understood to include the specific value or end-point referred to. Whether or not a numerical value or end-point of a range in the specification recites “about, ” the numerical value or end-point of a range is intended to include two embodiments: one modified by “about, ” and one not modified by “about. ” It will be further understood that the end-points of each of the ranges are significant both in relation to the other end-point, and independently of the other end-point.

[0044] The term “formed from” can mean one or more of comprises, consists essentially of, or consists of. For example, a component that is formed from a particular material can comprise the particular material, consist essentially of the particular material, or consist of the particular material.

[0045] As also used herein, the terms “article, ” “glass-article, ” “ceramic-article, ” “glass-ceramics, ” “glass elements, ” “glass-ceramic article” and “glass-ceramic articles” may be used interchangeably, and in their broadest sense, to include any object made wholly or partly of glass and / or glass-ceramic material.

[0046] The term “disposed” is used herein to refer to a layer or sub-layer that is coated, deposited, formed, or otherwise provided onto a surface. The term disposed can include layers / sub-layers provided in direct contact with adjacent layers / sub-layers or layers / sub-layers separated by intervening material which may or may not form a layer.

[0047] Unless otherwise noted herein, refractive indices of the materials described herein are measured at 1550 nm.

[0048] Referring now to FIG. 1, a vehicle 10 includes one or more LIDAR systems 12. The one or more LIDAR systems 12 can be disposed anywhere on or within the vehicle 10. For example, the one or more LIDAR systems 12 can be disposed on a roof 14 of the vehicle 10 and / or a  forward portion 16 of the vehicle 10.

[0049] Referring now to FIG. 2, each of the one or more LIDAR systems 12 include an electromagnetic radiation emitter and sensor 18, as known in the art, which may be enclosed in an enclosure 20. The electromagnetic radiation emitter and sensor 18 emits electromagnetic radiation 22 having a wavelength or range of wavelengths. The emitted radiation 22 exits the enclosure 20 through a window 24, which is in the path of the emitted electromagnetic radiation. If an object (not illustrated) in an external environment 26 is in the path of the emitted radiation 22, the emitted radiation 22 will reflect off of the object and return to the electromagnetic radiation emitter and sensor 18 as reflected radiation 28. The reflected radiation 28 again passes through the window 24 to reach the electromagnetic radiation emitter and sensor 18. In embodiments, the emitted radiation 22 and the reflected radiation 28 may include light within a suitable wavelength range of interest. For example, in embodiments, the emitted radiation 22 and reflected radiation 28 may at a wavelength contained in a 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm (e.g., any wavelength from 1400 nm to 1700 nm) . Electromagnetic radiation other than the reflected radiation 28 (such as electromagnetic radiation having wavelengths in the visible spectrum, portions of the ultraviolet range) may also interact with the window 24. As described herein, the window 24 may include layered films comprising layer structures that are designed to absorb light in the visible spectrum while also reflecting relatively low amounts of light in the visible spectrum, such that the window has a dark or black appearance when viewed from outside of the enclosure 20.

[0050] The “visible spectrum” is the portion of the electromagnetic spectrum that is visible to the human eye and generally refers to electromagnetic radiation having a wavelength from 400nm to 700nm. The “ultraviolet range” is the portion of the electromagnetic spectrum having wavelengths between about 10nm and about 400nm. The “infrared range” of the electromagnetic spectrum begins at about 700nm and extends to longer wavelengths. The sun generates solar electromagnetic radiation, commonly referred to as “sunlight, ” having wavelengths that fall within all three of those ranges.

[0051] Referring now to FIG. 3, the window 24 for each of the one or more LIDAR systems 12 includes a substrate 30. The substrate 30 includes a first surface 32 and a second surface 34.  The first surface 32 and the second surface 34 are the primary surfaces of the substrate 30. The first surface 32 is closest to the external environment 26. The second surface 34 is closest to the electromagnetic radiation emitter and sensor 18. The emitted radiation 22 encounters the second surface 34 before the first surface 32. The reflected radiation 28 encounters the first surface 32 before the second surface 34. The substrate 30 further includes a first layered film 36 disposed on the first surface 32 of the substrate 30 and a second layered film 38 is disposed on the second surface 34 of the substrate 30. It should be understood that the window 24 as described herein is not limited to vehicular applications, and can be used for whatever application the window 24 would be useful to provide improved impact and optical performance, as described further herein.

[0052] The substrate 30 may be constructed from a variety of different materials in accordance with the present disclosure. In embodiments, the substrate 30 may be constructed of any type of glass, a glass ceramic, ceramic, or a suitable polymer-based material.

[0053] The substrate 30 may be substantially planar or sheet-like, although other embodiments may utilize a curved or otherwise shaped or sculpted substrate. The length and width of the substrate 30 can vary according to the dimensions required for the window 24. The substrate 30 can be formed using various methods, such as float glass processes and down-draw processes such as fusion draw and slot draw. The substrate 30 can be used in a non-strengthened state. A commercially available example of a suitable non-strengthened substrate 30 for the window 24 is  glass code 2320, which is a sodium aluminosilicate glass substrate. The substrate 30 can also be used in a chemically strengthened state (e.g., chemically strengthened glass.

[0054] In embodiments, the substrate 30 includes an organic or suitable polymeric material. Examples of suitable polymers include, without limitation: thermoplastics including polystyrene (PS) (including styrene copolymers and blends) , polycarbonate (PC) (including copolymers and blends) , polyesters (including copolymers and blends, including polyethyleneterephthalate and polyethyleneterephthalate copolymers) , polyolefins (PO) and cyclicpolyolefins (cyclic-PO) , polyvinylchloride (PVC) , acrylic polymers including polymethyl methacrylate (PMMA) (including copolymers and blends) , thermoplastic urethanes (TPU) , polyetherimide (PEI) and blends of these polymers with each other. Other exemplary polymers include epoxy, styrenic, phenolic, melamine, and silicone resins.

[0055] In embodiments, the substrate 30 includes a plurality of layers or sub-layers. The layers or sub-layers of the substrate 30 may be the same or different from one another. In embodiments, for example, the substrate 30 comprises a glass laminate structure. In embodiments, the glass laminate structure comprises a first glass pane and a second pane attached to one another via a suitable interlayer (e.g., a polymer interlayer) disposed between the first glass pane and the second glass pane. In embodiments, the glass laminate structure comprises a glass-on-glass laminate structure formed via, for example, the fusion draw process. Glass-polymer laminates are also contemplated and within the scope of the present disclosure. Any material capable of meeting the optical requirements described herein may be used as the substrate 30.

[0056] In embodiments, the substrate 30 exhibits an elastic modulus (or Young’s modulus) in the range from about 30 GPa to about 120 GPa. In some instances, the elastic modulus of the substrate may be in the range from about 30 GPa to about 110 GPa, from about 30 GPa to about 100 GPa, from about 30 GPa to about 90 GPa, from about 30 GPa to about 80 GPa, from about 30 GPa to about 70 GPa, from about 40 GPa to about 120 GPa, from about 50 GPa to about 120 GPa, from about 60 GPa to about 120 GPa, from about 70 GPa to about 120 GPa, and all ranges and sub-ranges therebetween.

[0057] In embodiments, the substrate 30 exhibits an average transmittance over the visible wavelength regime of about 85%or greater, about 86%or greater, about 87%or greater, about 88%or greater, about 89%or greater, about 90%or greater, about 91%or greater or about 92%or greater. In embodiments, the substrate 30 comprises a tinting component (e.g., tinting layer or additive) and may optionally exhibit a color, such as white, black, red, blue, green, yellow, orange etc.

[0058] As depicted in FIG. 3, the substrate 30 has a thickness 35 defined as the shortest straight-line distance between the first surface 32 and the second surface 34. In embodiments, the thickness 35 of the substrate 30 is between about 100 μm and about 5 mm. In embodiments, the substrate 30 can have a physical thickness 35 ranging from about 100 μm to about 500 μm (e.g., 100, 200, 300, 400, or 500 μm) . In other embodiments, the thickness 35 ranges from about 500 μm to about 1000 μm (e.g., 500, 600, 700, 800, 900, or 1000 μm) . The thickness 35 may be greater than about 1 mm (e.g., about 2, 3, 4, 5 mm, 6 mm, or 7 mm) . In one or more specific embodiments, the  thickness 35 is 2 mm or less or less than or equal to 1 mm.

[0059] In embodiments, the thickness 35 is uniform (e.g., varies by less than 1%throughout an entirety of the substrate) such that the substrate 35 is in the form of a planar sheet. In embodiments, the thickness 35 is a variable thickness and has a value that varies as a function of position on the substrate 30. The thickness 35 may vary along one or more of its dimensions for aesthetic and / or functional reasons. For example, the edges of the substrate 30 may be thicker as compared to more central regions of the substrate 30. The length, width and physical thickness dimensions of the substrate 30 may also vary according to the application or use of the article 30.

[0060] In embodiments, the substrate 30 includes a visible light absorbing, IR-transmitting material layer. Examples of such materials include infrared transmitting, visible absorbing acrylic sheets, such as those commercially available from ePlastics under the trade names IR acrylic 3143 and CYRO's  IR acrylic 1146.  IR acrylic 3143 has a transmissivity of about 0% (at least less than 10%, or less than 1%) for electromagnetic radiation having wavelengths of about 700nm or shorter, but a transmissivity of about 90% (above 85%) for wavelengths within the range of 800nm to about 1100nm (including 905nm) .

[0061] In embodiments, the substrate 30 exhibits a refractive index in the range from about 1.45 to about 1.55. In embodiments, the substrate exhibits an average transmission of greater than or equal to 95% (e.g., greater than or equal to 96%, greater than or equal to 97%, greater than or equal to 98%, greater than or equal to 99%, greater than or equal to 99.5%) throughout a spectral range from 1400 nm to 1600 nm.

[0062] Referring now to FIGS. 4 and 5, the first layered film 36 and the second layered film 38 each include a quantity of alternating layers of one or more higher refractive index materials 40 and one or more lower refractive index materials 42. While each of the one or more higher refractive index materials 40 and the one or more lower index materials 42 are identified using the same reference numerals, it should be understood that the utilization of the same reference numeral does not indicate that each of the layers are constructed of the same material or include the same structure. In each of the first and second layered films 36 and 38, different ones of the layers of the respective higher refractive index materials 40 and the lower refractive index materials 42 may include different compositional or structural properties.

[0063] As used herein, the terms “higher refractive index” and “lower refractive index” refer to the values of the refractive index relative to each other, with the refractive index / indices of the one or more higher refractive index materials 40 being greater than the refractive index / indices of the one or more lower refractive index materials 42. In embodiments, the one or more higher refractive index materials 40 have a refractive index from about 1.7 to about 4.0. In embodiments, the one or more lower refractive index materials 42 have a refractive index from about 1.3 to about 1.7. In embodiments, the one or more lower refractive index materials 42 have a refractive index from about 1.3 to about 1.7, while the one or more higher refractive index materials 40 have a refractive index from about 1.9 to about 3.8. The difference in the refractive index of any of the one or more higher refractive index materials 40 and any of the one or more lower refractive index materials 42 may be about 0.1 or greater, 0.2 or greater, 0.3 or greater, 0.4 or greater, 0.5 or greater, 0.6 or greater, 0.7 or greater, 0.8 or greater, 0.9 or greater, 1.0 or greater, 1.5 or greater, 2.0 or greater, 2.1 or greater, 2.2 or greater, or even 2.3 or greater. Because of the difference in the refractive indices of the one or more higher refractive index materials 40 and the one or more lower refractive index materials 42, manipulation of the quantity (number) of alternating layers and their thicknesses can cause selective transmission of electromagnetic radiation within a range of wavelengths through the window 24 and, separately, selective reflectance of electromagnetic radiation within a range of wavelengths off of the first layered film 36. The first layered film 36 and the second layered film 38 are each thus a thin-film optical filter having predetermined optical properties configured as a function of the quantity, thicknesses, number, and materials chosen as the one or more higher refractive index materials 40 and the one or more lower refractive index materials 42.

[0064] Some examples of suitable materials for use as the one or more lower refractive index materials 42 include SiO2, Al2O3, GeO2, SiO, AlOxNy, SiOxNy, SiuAlvOxNy, MgO, MgAl2O4, MgF2, BaF2, CaF2, DyF3, YbF3, YF3, and CeF3. The nitrogen content of the materials for use as the one or more lower refractive index materials 42 may be minimized (e.g., in materials such as AlOxNy, SiOxNy, and SiuAlvOxNy) .

[0065] Some examples of suitable materials for use as the one or more higher refractive index materials 40 include Si, amorphous silicon (a-Si) , SiNx, SiNx: Hy, AlNx, SiuAlvOxNy, Ta2O5, Nb2O5,  AlN, Si3N4, AlOxNy, SiOxNy, HfO2, TiO2, ZrO2, Y2O3, Al2O3, MoO3, and diamond-like carbon. The oxygen content of the materials for the higher refractive index material 40 may be minimized, especially in SiNx or AlNx materials. AlOxNy materials may be considered to be oxygen-doped AlNx, that is they may have an AlNx crystal structure (e.g., wurtzite) and need not have an AlON crystal structure. Because the refractive indices of the one or more higher refractive index materials 40 and the one or more lower refractive index materials 42 are relative to each other, the same material (such as Al2O3) can be appropriate for the one or more higher refractive index materials 40 depending on the refractive index of the material (s) chosen for the one or more lower refractive index materials 42, and can alternatively be appropriate for the one or more lower refractive index materials 42 depending on the refractive index of the material (s) chosen for the one or more higher refractive index material 40.

[0066] In embodiments, the one or more lower refractive index materials 42 of the first layered film 36 consists of layers of SiO2, and the one or more higher refractive index materials 40 of the first layered film 36 consists of layers of SiOxNy or SiNx. In embodiments, the one or more lower refractive index materials 42 of the first layered film 36 consists of layers of SiO2, and the one or more higher refractive index materials 40 of the first layered film 36 consists of layers of SiNx or SiOxNy, while the one or more lower refractive index materials 42 of the second layered film 38 consists of layers of SiO2 and the one or more higher refractive index materials 40 of the second layered film 38 comprises layers of silicon (e.g., a-Si) . In embodiments, the one or more lower refractive index materials 42 of the first layered film 36 consists of layers of SiO2, and the one or more higher refractive index materials 40 of the first layered film 36 consists of layers of SiNx or SiOxNy, while the one or more lower refractive index materials 42 of the second layered film 38 consists of layers of SiO2 and the one or more higher refractive index materials 40 of the second layered film 38 comprises layers of amorphous silicon (a-Si) and layers of SiNx or SiOxNy.

[0067] The quantity of alternating layers of the higher refractive index material 40 and the lower refractive index material 42 in either the first layered film 36 or the second layered film 38 is not particularly limited. In embodiments, the number of alternating layers within the first layered film 36 is 25 or more, or 27 or more, or 29 or more, or 31 or more, or 33 or more, or 51 or more, or 81 or more. In embodiments, the quantity of alternating layers within the second layered film 38  is 7 or more, 9 or more, 11 or more, 13 or more, 15 or more, 17 or more, 19 or more, 21 or more, 23 or more, or 25 or more, or 51 or more, or 81 or more. In embodiments, the quantity of alternating layers in the first layered film 36 and the second layered film 38 collectively forming the window 24, not including the substrate 30, is 14 or more, 20 or more, 26 or more, 32 or more, 38 or more, 44 or more, 50 or more, 72 or more, or 100 or more.

[0068] Each of the alternating layers of the first layered film 36 and the second layered film 38 has a thickness. The thicknesses selected for each of the alternating layers determines the optical path lengths of light propagating through the window 24 and determines the constructive and destructive interference between different light rays reflected at each material interface of the window 24. Accordingly, the thicknesses of each of the alternating layers, in combination with the refractive index of the one or more higher refractive index materials 40 and the one or more lower refractive index materials 42 determines the reflectance and transmittance spectra of the window 24.

[0069] With reference to FIGS. 3, 4, and 5, the reflected radiation 28 first encounters a terminal surface 44 of the first layered film 36 upon interacting with the window 24, and the terminal surface 44 may be open to the external environment 26. In an embodiment, a layer of the one or more lower refractive index materials 42 provides the terminal surface 44 to more closely match the refractive index of the air in the external environment 26 and thus reduce reflection of incident electromagnetic radiation (whether the reflected radiation 28 or otherwise) off of the terminal surface 44. The layer of the one or more lower refractive index materials 42 that provides the terminal surface 44 is the layer of the first layered film 36 that is farthest from the substrate 30. Similarly, in embodiments, when the one or more lower refractive index materials 42 is SiO2, a layer of SiO2, as the one or more lower refractive index materials 42, is disposed directly onto the first surface 32 of the substrate 30, which will typically comprise a large mole percentage of SiO2. Without being bound by theory, it is thought that commonality of SiO2 in both the substrate 30 and the adjacent layer of the one or more lower refractive index materials 42 allows for increased bonding strength.

[0070] The emitted radiation 22 first encounters a terminal surface 48 of the second layered film 38 upon interacting with the window 24. In an embodiment, a layer of the one or more lower  refractive materials 42 provides the terminal surface 48 to more closely match the refractive index of the air within the enclosure 20 and thus reduce reflection of the incident emitted radiation 22 off of the terminal surface 48. The layer of the one or more lower refractive index materials 42 that provides the terminal surface 48 is the layer of the second layered film 38 that is farthest from the substrate 30. Similarly, in embodiments, when the one or more lower refractive index materials 42 is SiO2, a layer of SiO2, as the one or more lower refractive index materials 42, is disposed directly onto the second surface 34 of the substrate 30.

[0071] Materials that have a relatively high refractive index can simultaneously have a relatively high hardness that provides scratch and impact resistance. An example material that has both high hardness and can be one of the one or more higher refractive index material 40 is SixNy. Other example materials that have both high hardness and can be the higher refractive index material 40 are SiNx, SiNx: Hy, and Si3N4. It has been found that a relatively thick (e.g., greater than or equal to 500 nm) layer of SixNy (or other suitable higher refractive index material) may increase the scratch and / or damage resistance of the window 24. Such increased scratch and / or damage resistance may be particularly beneficial in the first layered film 36, which may be more likely to encounter impacts of debris from the external environment 26. Accordingly, in embodiments, the first layered film 36 comprises a layer of one of the one or more higher refractive index materials 40 with a thickness greater than or equal to 500 nm (e.g., greater than or equal to 1000 nm, greater than or equal to 1500 nm, greater than or equal to 2000 nm) . As depicted in FIG. 4, such a higher refractive index layer having such a thickness of 500 nm or more is described herein as a scratch resistant layer 80.

[0072] In embodiments, the thickness and location within the first layered film 36 of the scratch resistant layer 80 can be optimized to provide a desired level of hardness and scratch resistance to the first layered film 36 and thus the window 24 as a whole. Different applications of the window 24 could lead to different desired thicknesses for the scratch resistant layer 80 of the higher refractive index material 40 serving as the layer providing the hardness and scratch resistance to the window 24. For example, a window 24 protecting a LIDAR system 12 on a vehicle 10 may require a different thickness for the scratch resistant layer 80 of the higher refractive index material 40 than a window 24 protecting a LIDAR system 12 at an office building.  In embodiments, the scratch resistant layer 80 of the higher refractive index material 40 serving as the layer providing the hardness and scratch resistance to the window 24 has a thickness between 500nm and 50000nm, such as between 500nm and 10000nm, such as between 2000nm to 5000nm. In embodiments, the thickness of this scratch resistant layer 80 of higher refractive index material 40 has a thickness that is 30%or more, 40%or more, 50%or more, 65%or more, or 85%or more, or 86%or more, of the thickness of the first layered film 36. In general, the scratch resistant layer 80 of the higher refractive index material 40 serving as the layer providing the hardness and scratch resistance to the window 24 will be part of the first layered film 36 facing the external environment 26 rather the second layered film 38 protected by the enclosure 20, although that may not always be so.

[0073] As will be detailed further below, the quantity, thicknesses, number, and materials of the remaining layers of the first layered film 36 and the second layered film 38 can be configured to provide the window 24 with the desired optical properties (transmittance and reflectance of desired wavelengths) almost regardless of the thickness chosen for the scratch resistant layer 80 of the higher refractive index material 40 serving as the layer providing the hardness and scratch resistance to the window 24. This insensitivity of the optical properties of the window 24 as a whole to the thickness of the scratch resistant layer 80 of the higher refractive index material 40 serving as the layer providing the hardness and scratch resistance to the window 24 when materials having relatively low or negligible optical absorption of electromagnetic radiation of the target wavelength or wavelength range. For example, Si3N4 only negligibly absorbs electromagnetic radiation in the 700nm to 2000nm wavelength range.

[0074] The hardness of the first layered film 36, and thus the window 24, with the scratch resistant layer 80 of the higher refractive index material 40 can be quantified. In embodiments, the maximum hardness of the window 24, measured at the first layered film 36 with the scratch resistant layer 80 of the higher refractive index material 40, as measured by the Berkovich Indenter Hardness Test, may be about 8 GPa or greater, about 10 GPa or greater, about 12 GPa or greater, about 14 GPa or greater, about 15 GPa or greater, about 16 GPa or greater, or about 18 GPa or greater at one or more indentation depths from 50nm to 2000nm (measured from the terminal surface 44) , and even from 2000nm to 5000nm. As used herein, the “Berkovich Indenter  Hardness Test” includes measuring the hardness of a material on a surface thereof by indenting the surface with a diamond Berkovich indenter. The Berkovich Indenter Hardness Test includes indenting the terminal surface 44 of the first layered film 36 with the diamond Berkovich indenter to form an indent to an indentation depth in the range from about 50nm to about 2000nm (or the entire thickness of the first layered film 36) and measuring the maximum hardness from this indentation along the entire indentation depth range or a segment of this indentation depth range (e.g., in the range from about 100nm to about 600nm) , generally using the methods set forth in 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; and 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. These levels of hardness improve the resistance of the window 24 to impact damage from sand, small stones, debris, and other objects encountered while the LIDAR system 12 is used for its intended purpose, such as with the vehicle 10 (see FIG. 1) . Accordingly, these levels of hardness reduce or prevent the optical scattering and reduced performance of the LIDAR system 12 that the impact damage would otherwise cause.

[0075] In embodiments, at least a portion of the first layered film 36 is disposed between the scratch resistant layer 80 of the higher refractive index material 40 and the terminal surface 44. In embodiments, the first layered film 36 comprises a plurality of alternating layers of the one or more lower refractive index materials 42 and the one or more higher refractive index materials 40 between the terminal surface 44 and the scratch resistant layer 80. Referring to FIG. 4, such a stack of alternating layers disposed between the scratch resistant layer 80 and the terminal surface 44 is depicted as an optical control stack 82 In embodiments, the optical control stack 82 has a combined thickness of greater than or equal to 500 nm (e.g., greater than or equal to 600 nm, greater than or equal to 700 nm, greater than or equal to 800 nm, greater than or equal to 900 nm, greater than or equal to 1000 nm, greater than or equal to 1100 nm, greater than or equal to 1200 nm, greater than or equal to 1300 nm) . The quantity, composition, and thickness of the optical control layers may be selected to provide desired anti-reflection performance attributes described herein over the 150 nm wavelength range of interest for light initially incident on the terminal  surface 144.

[0076] In embodiments, at least 25% (e.g., at least 26%, at least 27%, at least 28%, at least 29%, at least 30%, at least 35%) of a thickness 46 of the first layered film 36 is disposed between the scratch resistant layer 80 and the terminal surface 44. It is believed that such a depth of the scratch resistant layer 80 within the first layered film 36 facilitates the first layered film 36 having a relatively high nanoindentation hardness (as measured by the Berkovich Indenter Hardness Test) over a relatively large range of depths within the first layered film 36. In embodiments, the first layered film 36 has a nanoindentation hardness of greater than or equal to 8 GPa from a depth of 250 nm to a depth of 2000 nm within the first layered film 36. Such hardness values facilitate providing scratch and / or damage resistance against flaws having a relatively wide range of depths.

[0077] In embodiments, the optical control stack 82 comprises at least 21 alternating layers of the one or more higher refractive index materials 40 and the one or more low refractive index materials 42. For example, in embodiments, the optical control stack 82 can include 21 layers, 23 layers, 25 layers, 27 layers, 29 layers, 31 layers, 33 layers, or more. Providing such a number of layers in the optical control stack 82 enables oscillations in the reflectance and transmittance spectra from the side of the terminal surface 44 to be controlled so as to provide favorable anti-reflection performance attributes over the entire 150 nm wavelength range of interest described herein. As described herein, with such a number of layers in the optical control stack 82, the window 24 can be configured such that the window 24 exhibits an average percentage transmittance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm, of greater than 94% (or even than 95%, or even greater than 96%, or even greater than 97%, or even greater than 98%, or even greater than 99%) for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of 15° or less. In addition to such high transmittance, the optical control stack 82 having the number and thickness of layers described herein may also be configured such that the window 24 exhibits, for light incident on the terminal surface 44 at angles of incidence within 15° of normal, an average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than 3% (or less than 2.5%, or less than 2.0%, or less than 1.5%, or less than 1.0%) .

[0078] Moreover, due to the number of layers in the optical control stack 82, the window 24 can  exhibit, over the 150 nm wavelength range of interest, the reflectance and transmittance spectra may exhibit ranges (difference between maximum and minimum values) of less than 3.0%. Providing such consistently low reflectance and high transmittance throughout a 150 nm wavelength range of interest facilitates the design of the first layered film being consistently manufactured and meeting demanding performance specifications, despite variations in the process used to deposit the layers of the first layered film 36.

[0079] In the embodiments where the optical control stack 82 includes 21 or more layers, the average physical thickness of the layers may be limited so that the optical control stack 82 has a physical thickness that is less than or equal to 2500 nm, less than or equal to 2400 nm, less than or equal to 2300 nm, less than or equal to 2200 nm, less than or equal to 2100 nm, less than or equal to 2000nm, less than or equal to 1900 nm, less than or equal to 1800 nm, less than or equal to 1700 nm, less than or equal to 1600 nm, or even less than or equal to 1500 nm. In such embodiments, the layers of the one or more higher refractive index materials 40 and the one ore more lower refractive index materials 42 have an average physical thickness than is less than or equal to 100 nm, less than or equal to 90 nm, less than or equal to 80 nm, less than or equal to 70 nm, or even less than or equal to 60 nm. Reducing the average thickness of the layers provides for lower material utilization and higher process throughout. In such embodiments, the average physical thickness of the layers of the one or more higher refractive index materials 40 is less than the average physical thickness of the layers of the one or more lower refractive index materials 42 in the optical control stack 82. For example, in embodiments, in the optical control stack 82, the layers of the one or more higher refractive index materials 40 can include an average physical thickness that is greater than or equal to 50 nm and less than or equal to 64 nm, while the layers of the one or more lower refractive index materials 42 can include an average physical thickness that is greater than or equal to 65 nm and less than or equal to 80 nm. Such a construction enables for optical path length balancing between the materials in the optical control stack 82 to provide anti-reflection performance throughout the 150 nm wavelength range of interest, despite constraining the physical thickness of the optical control stack 82 to reduce material utilization. As a result of such average thicknesses, the layers of the one or more lower refractive index materials 42 may constitute more than 50%of the physical thickness of the optical control stack  82. For example, the layers of the one or more lower refractive index materials 42 can constitute at least 51%, at least 52%, at least 53%, at least 54%, or at least 55%of the total physical thickness of the optical control stack 82.

[0080] Referring to FIGS. 3 and 4, the first layered film 36 can include index matching layers 84 separating the scratch resistant layer 80 from the first surface 32 of the substrate 30. In embodiments, the index matching layers 84 include at least one layer of the higher refractive index materials 40 and at least one layer of the lower refractive index materials 42. For example, the index matching layers 84 can include two or more of each of the higher refractive index materials 40 and the lower refractive index materials 42. In embodiments, the number of layers in the index matching layers 84 is limited to a minimum necessary to balance out the scratch resistant layer 80. In such embodiments, the index matching layers 84 can include less than 12 layers (e.g., 11 layers, 10 layers, 9 layers, 8 layers, 7 layers, 6 layers, or 5 layers) . As a result, the optical control stack 82 can include at least 10 more layers than the index matching layers 84 to provide the anti-reflection performance attributes described herein.

[0081] Referring now to FIGS. 4 and 5, the first layered film 36 has a thickness 46, and the second layered film 38 has a thickness 50. The thickness 46 of the first layered film 36, assumed to include the scratch resistant layer 80 of the one or more higher refractive index materials 40, may be about 1μm or greater while still providing the transmittance and reflectance properties described herein. In embodiments, the thickness 46 is in the range of 1μm to just over 50μm, including from about 1μm to about 10μm, from about 2800nm to about 5900nm, and from about 3500 μm to 4500 μm. The lower bound of about 1μm is approximately the minimum thickness 46 that still provides hardness and scratch resistance to the window 24. The higher bound of thickness 46 is limited by cost and time required to dispose the layers of the first layered film 36 onto the substrate 30. In addition, the higher bound of the thickness 46 is limited to prevent the first layered film 36 from warping the substrate 30, which is dependent upon the thickness of the substrate 30. The thickness 50 of the second layered film 38 can be any thickness deemed necessary to impart the window 24 with the desired transmittance and reflectance properties. In embodiments, the thickness 50 of the second layered film 38 is in the range of about 800nm to about 7000nm.

[0082] While solving the problem discussed above in the background through imparting hardness, impact, and scratch resistance to the window 24 via the maximized thickness of a higher refractive index material 40, the quantity, thicknesses, number, and materials of the layers of the first layered film 36 and the second layered film are configured to also provide a relatively high transmittance of infrared radiation over a 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm through the window 24. In embodiments, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films 36 and 38 are configured so that the window 24 has an average percentage transmittance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of greater than or equal to 90% (e.g., greater than or equal to 91%, greater than or equal to 92%, greater than or equal to 93%, greater than or equal to 94%, greater than or equal to 95%, greater than or equal to 96%, greater than or equal to 97%, greater than or equal to 98%, greater than or equal to 99%) for light incident on the first surface 32 and the second surface 34 at angles within 15° of normal to the first surface 32 and the second surface 34.

[0083] In embodiments, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films 36 and 38 are configured so that the window 24 has an average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than or equal to 3 %(e.g., less than or equal to 2.5%, less than or equal to 2.0%, less than or equal to 1.5%, less than or equal to 1.0%, less than or equal to 0.5%) for light incident on the first surface 32 and the second surface 34 at angles within 15° of normal to the first surface 32 and the second surface 34.

[0084] In embodiments, the number, thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films 36 and 38 are configured so that the window has a relatively high transmittance even at a relatively high angle of incidence of 60°. In embodiments, for example, the number, thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films 36 and 38 are configured so that the window has an average transmittance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of greater than 85% (e.g., greater than or equal to 86%, greater than or equal to 87%, greater than or equal to 88%, greater than or equal to 89%, greater than or equal to 90%, greater than or equal to 91%, greater than or equal to 92%) for light incident on the first surface 32 and the second 34 surface at angles within 60° of normal (e.g., at angles of incidence from 0° to 60°, from 0° to 50°, from 0° to 40°, from 0° to 30°) to the first  surface 32 and the second surface 34.

[0085] In embodiments, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films 36 and 38 are configured so that the window 24 also (in addition to meeting the optical performance requirements in the infrared described herein) has a desired dark appearance. For example, when viewed from the external environment 26 (see FIG. 1) , the window 24 may exhibit CIELAB color space a*values that are greater than or equal to -6.0 and less than or equal to 6.0 for light having angles of incidence on the first surface 32 ranging from 0°to 90°. The window 24 may also exhibit CIELAB color space b*values that are greater than or equal to -6.0 and less than or equal to 6.0 (e.g., greater than or equal to -5.0 and less than or equal to 5.0, greater than or equal to -4.0 and less than or equal to 4.0, greater than or equal to -3.0 and less than or equal to 3.0, greater than or equal to -2.5 and less than or equal to 2.5, greater than or equal to -2.5 and less than or equal to 0. ) ) for light having angles of incidence on the first surface 32 ranging from 0° to 90°. Such color space values may be obtained even in embodiments where the substrate 30 is has a relatively high transmittance (e.g., greater than 90%) and low reflectance (e.g., less than or equal to 22%) throughout the visible spectrum.

[0086] In embodiments, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films 36 and 38 are configured so that the window 24 has a CIELAB lightness L*value of less than 30 (e.g., less than or equal to 40, less than or equal to 35, less than or equal to 30) when viewed from angles of incidence of less than or equal to 60°. In embodiments, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films 36 and 38 are configured so that the window 24 has a CIELAB lightness L*value of less than 20 for light that is normally incident on the first layered film 36 and reflected. The aforementioned combination of CIELAB color space and lightness values represent that the window 24 has a relatively dark appearance from a variety of angles of incidence.

[0087] The dark appearance of the window 24 may be achieved by incorporating silicon (e.g., as a-Si) as one of the one or more higher refractive index materials 40 in the second layered film 38. In addition to having a relatively high refractive index (approximately 3.8 at 1550nm) , amorphous silicon (a-Si) has a relatively high optical absorption in the ultraviolet range and visible light range, but tolerable optical absorption in the range of 900-1800nm. The thicknesses and quantity  of layers of amorphous silicon (a-Si) , along with the other layers of the first layered film 36 and second layered film 38 can thus provide a window 24 with low percentage transmittance of electromagnetic radiation in the ultraviolet range and visible light range (due in part to the optical absorbance of the amorphous silicon at those wavelength ranges) but high percentage transmittance in the desired portions of the infrared range. In embodiments, the second layered film 38 includes one or more layers of amorphous silicon (a-Si) as one of the one or more higher refractive index materials 40 while the first layered film 36 does not. Such a structure may be beneficial in that silicon is solely located behind the substrate 30 and thus protected from the external environment 26. As a result, the nanoindentation hardness values described herein may be obtained via incorporation of the scratch resistance layer into the first layered film 36 while the dark appearance may be obtained via incorporation of silicon into the second layered film 38.

[0088] In embodiments, the alternating layers of the second layered film 38 formed of silicon have a combined thickness of greater than or equal to 250 nm (e.g., greater than or equal to 300 nm, greater than or equal to 325 nm, greater than or equal to 350 nm, greater than or equal to 375 nm, greater than or equal to 400 nm, greater than or equal to 500 nm) . In embodiments, the layers of the second layered film 38 formed of silicon may have a combined thickness of greater than or equal to 250 nm. In embodiments, the combined thickness of the silicon layers in the second layered film constitutes at least 35% (e.g., at least 40%, at least 45%, at least 50%) of the thickness 50 of the second layered film 50. Applicant has found that such a thickness of silicon sufficiently absorbs visible light such that the window 24 possess an average percentage transmission, calculated from 400 nm to 700 nm, of less an 5% (e.g., less than or equal to 4.5%, less than or equal to 4.0%, less than or equal to 3.5%, less than or equal to 3.0%, less than or equal to 2.5%, less than or equal to 2.0%, less than or equal to 1.5%, less than or equal to 1.0%less than or equal to 0.9%, less than or equal to 0.8%, less than or equal to 0.7%, less than or equal to 0.6%, less than or equal to 0.5%, less than or equal to 0.4%, less than or equal to 0.3%, less than or equal to 0.2%, less than or equal to 0.1%) for light incident on the first surface 32 and the second surface 34 at angles within 15° of normal to the first surface 32 and the second surface 34. As such, portions of the reflected radiation 28 (see FIG. 2) containing visible light do not reach the emitter and sensor 18, thereby improving the signal-to-noise ratio of the LIDAR system 12.

[0089] In embodiments, the second layered film 36 comprises two or more layers formed from silicon. In embodiments, at least one of the two or more layers formed from silicon comprises a thickness of greater than or equal to 150 nm (e.g., greater than or equal to 160 nm, greater than or equal to 170 nm, greater than or equal to 180 nm, greater than or equal to 190 nm, greater than or equal to 200 nm) . In embodiments, at least two, but less than all, of the two or more layers formed from silicon in the second layered film 36 comprises thicknesses of greater than or equal to 150 nm. In embodiments, at least seven (7) of the alternating layers of the second layered film 38 are disposed between one of the silicon layers having a thickness of 150 nm or more and the second surface 34.

[0090] In embodiments, the alternating layers of the first and second layered films 36 and 38 are constructed to achieve a relatively low average reflectance in the visible spectrum. For example, in embodiments, the window comprises an average reflectance, computed in a wavelength range from 400 nm to 700 nm, of less than or equal to 10% (e.g., less than or equal to 9%, less than or equal to 8%, less than or equal to 7%) for light incident on the first surface at angles within 15° of normal to the first surface 32 and the second surface 34. Such low reflectance beneficially prevents the window 24 from having a tinted appearance when viewed from the external environment 26 (see FIG. 1) and facilitates achieving the CIE color space a*and b*, and lightness L*values described herein.

[0091] In embodiments, to limit the reflectance in the visible spectrum of the window, a silicon layer of the second layered film 38 most proximate to the substrate 30 is the narrowest silicon layer in the second layered film 38. That is, of the layers in the second layered film 38 where the one or more higher refractive index materials 40 is silicon, the closest one to the substrate 30 comprises the least thickness. In embodiments, the nearest silicon layer in the second layered film 38 comprises a thickness that is less than or equal to 15 nm (e.g., less than or equal to 12 nm, less than or equal to 10 nm, less than or equal to 8 nm, less than or equal to 7 nm, less than or equal to 6 nm, less than or equal to 5 nm, less than or equal to 4 nm, less than or equal to 3 nm, less than or equal to 2 nm) . Applicant has found that such structure beneficially prevents the silicon-containing layers in the second layered film 38 from inducing a tinted reflectance, while still contributing to the relatively low visible transmittance values described herein.

[0092] In embodiments, the layer of the one or more higher refractive index materials 40 that is closest to the substrate 30 in the second layered film 38 is not silicon. In embodiments, for example, the layer of the one or more higher refractive index materials 40 that is closest to the substrate 30 may be constructed of the same higher refractive index material used in the first layered film (e.g., SiNx, SiOxNY, Si3N4) . Without wishing to be bound by theory, Applicant believes that such a structure may aid in reducing reflectance in the visible spectrum when incorporating silicon into the second layered film 38, especially when the silicon layers contained in the second layered film 38 comprise thicknesses greater than or equal to 8 nm.

[0093] In embodiments, one of the first layered film 36 and the second layered film 38 comprises one or more layers formed of a transparent conductive oxide ( “TCO” ) material. The TCO material can be positioned like one of the layers of the one or more higher refractive index material 40 depicted in FIGS. 4-5. The layer (s) of TCO material can be communicatively (e.g., conductively) coupled to a power source (not depicted) for heating the window 24. This heating facilitates the one or more LiDAR systems 12 operating in low temperature environments. The TCO material may be selected from suitable optically transparent and electrically conductive materials, such as indium zinc oxide ( “IZO” ) , indium tin oxide ( “ITO” ) , aluminum-doped zinc oxide ( “AZO” ) , and indium-doped cadmium oxide. In embodiments, IZO is preferred due to its relatively low extinction coefficient over the 150 nm wavelength rang of interest described herein.

[0094] In embodiments, the layer (s) of TCO material are disposed in the second layered film 38. In some embodiments, the layer (s) of TCO material are disposed more proximate to the terminal surface 48 than absorber layers (e.g., Si layers) located in the second layered film 38 such that the absorber layers are disposed between the layer (s) of TCO material and the substrate 30. For example, FIG. 5 depicts a TCO layer 95 that is the furthest one of the layers of the one or more higher refractive index materials 40 from the substrate 30. Such a construction beneficially facilitates the addition of the TCO material without effecting the dark, opaque appearance of the window 24 described herein when viewed from the terminal surface 144. In aspects, the layer (s) of TCO material are disposed between layers of lower refractive index materials 42 due to the intermediate refractive index thereof. However, embodiments are contemplated in which the layer (s) of TCO material are disposed adjacent to the substrate 30 (e.g., between the substrate 30  and one of the first and second layered films 36 and 38) . In aspects, the second layered film 38 comprises a single layer of TCO material (e.g., IZO) , with the single layer of TCO material being the layer of the higher refractive index material 40 that is furthest from the substrate 30, with a plurality of absorber (e.g. Si) layers (and / or other layers of the higher refractive index materials 40) being disposed between the layer of TCO material and the substrate 30.

[0095] The thickness of the layer (s) of TCO material can be selected based on a number of factors, including a desired a sheet resistance that is necessary to achieve heating of the window 24 and the desired optical performance of the window 24. In embodiments, each of the layers of TCO material has a thickness that is less than or equal to 100 nm (e.g., less than or equal to 90 nm, less than or equal to 80 nm, less than or equal to 70 nm, less than or equal to 60 nm, less than or equal to 50 nm, less than or equal to 45 nm, less than or equal to 40 nm, less than or equal to 35 nm, less than or equal to 30 nm, and less than or equal to 25 nm) and greater than or equal to 20 nm (e.g., greater than or equal to 25 nm, greater than or equal to 30 nm, greater than or equal to 35 nm, greater than or equal to 40 nm, greater than or equal to 45 nm, greater than or equal to 50 nm) .

[0096] In embodiments, the TCO material has an extinction coefficient at 1550 nm that is less than . 05. Such a low distinction coefficient aids in providing up to 100 nm of TCO material in thickness (e.g., in a single TCO layer) , while minimizing absorption over the wavelength range of interest to maintain the superior transmission performance of the layered films described herein. When incorporated at such thicknesses, the layer (s) of TCO material do not significantly affect the transmittance properties of the window 24 at the wavelength range of interest, while providing adequate sheet resistance to facilitate heating. It has been found that IZO is a suitable TCO material, able to provide suitable sheet resistance for heating when deposited at thicknesses from 20 nm to 100 nm, while having an optical extinction coefficient of less than . 05 over the wavelength range of interest.

[0097] Due to the non-zero extinction coefficient of the TCO material within the wavelength range of interest, and the different refractive index of the TCO than the other layers of the one or more higher refractive index materials 40, the reflectance and transmittance performance achieved by the window in the 150 nm wavelength range of interest may vary depending on the amount of TCO material incorporated. For example, embodiments not incorporating any layers of TCO  material may exhibit an average percentage transmittance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm, of greater than 99%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°; and an average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than 1 %for light incident on the first surface and the second surface at angles of less than or equal to 15°. Embodiments incorporating a single, 20 nm thick layer of TCO material in the second layered film 38 (in the position of the TCO layer 95 depicted in FIG. 5) may exhibit an average percentage transmittance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm, of greater than 98%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°; and an average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than 1%for light incident on the first surface and the second surface at angles of less than or equal to 15°. Embodiments incorporating a single, 100 nm thick layer of TCO material in the second layered film 38 (in the position of the TCO layer 95 depicted in FIG. 5) may exhibit an average percentage transmittance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm, of greater than 94%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°; and an average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than 2%for light incident on the first surface and the second surface at angles of less than or equal to 15°. Thus, the thickness of the layer (s) of TCO material employed can be selected based on the particular heating requirements and optical performance needed for a particular application.

[0098] The layers of the first layered film 36 and the second layered film 38 (i.e., layers of the higher refractive index material 40 and the lower refractive index material 42) may be formed by any known method in the art, including discrete deposition or continuous deposition processes. In one or more embodiments, the layer may be formed using only continuous deposition processes, or, alternatively, only discrete deposition processes.

[0099] Examples

[0100] The following examples are all modeled examples using computer facilitated modeling to  demonstrate how the quantity, thicknesses, number, and materials of the layers of the first layered film 36 and the second layered film 38 can be configured so that the window 24 has a desired average percentage transmittance and average percentage reflectance as a function of the wavelength and angle of incidence of the incident electromagnetic radiation.

[0101] The refractive indices of the materials in each of the materials and extinction coefficients were measured as a function of wavelength throughout the spectral range of 350 nm to 1650 nm. The refractive indices and optical absorbance for SixNy, SiO2, IZO, and Si are provided in the Table A below. Those materials are utilized in some of following examples as the higher refractive index materials 40, the lower refractive index materials 42, and the substrate 30.

[0102] These refractive indices were then used to calculate transmission and reflectance spectra. The modeled examples use a single refractive index value in their descriptive tables for convenience, which corresponds to a point selected from the refractive index dispersion curves at about 1550nm wavelength.

[0103] Example 1 –The window 24 of Example 1 included a first layered film 36 over a first surface 32 of a substrate 30 of an aluminosilicate glass (Corning code 2320) . The window 24 also included a second layered film 38 over a second surface 34 of the substrate 30. The first layered film 36 included thirty-three (33) alternating layers of SiO2 as the lower refractive index material 42 and SiN as the higher refractive index material 40. Layer 24 was the scratch resistant layer of the higher refractive index material 40, having a thickness of 2000 nm. Layers 1-23 were the optical control stack having a combined thickness of 1417.8 nm separating the scratch resistant layer 80 from the terminal surface 44. Layers 25-33 were index matching layers separating the scratch resistance layer from the first surface 32 and having a combined thickness of 327.09 nm. In this example, the scratch resistant layer 80 constituted 53.4%of the thickness of the first layered film 36.

[0104] The second layered film 38 included twenty-five (25) alternating layers of the lower refractive index material 42 and the higher refractive index material 40. In this example, the lower refractive index material 42 was SiO2, while the higher refractive index material 40 was a combination of SiN and Si . As shown, layers 36, 38, and 40 –the three layers of the higher  refractive index material 40 most proximate to the substrate 30 (layer 34 in this example) –were SiN, while the remaining layers of the higher refractive index material 40 were Si. Layer 42 –the Si layer most proximate to the substrate 30 –was the narrowest Si layer, with a thickness of 10.33 nm. The combined thickness of the silicon layers was 1188.23 nm, which constituted 43.4%of the total thickness of the second layered film 38.

[0105] The thicknesses of the layers of the first layered film 36 and the second layered film 38 were configured as set forth in Table 1 below and used to calculate the transmittance and reflectance values set forth in FIGS. 6-13

[0106] FIG. 6 is a plot of a modelled reflectance of the window 24 according to Example 1 of light incident on the window 24 at the terminal surface 44 at a 15° angle of incidence throughout the spectral range of 400 nm to 1650 nm. As shown, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the window 24 of Example 1 exhibits an average reflectance of less than 9%over a wavelength range from 400 nm to 700 nm. FIG. 7 is a plot of the modelled reflectance at a 15° angle of incidence over the wavelength range from 1400 nm to 1650 nm. As shown, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the window 24 of Example 1 exhibits an average reflectance of less than 1%over a 150 nm wavelength range of interest (from about 1460 nm to about 1610 nm in this example) including 1550 nm. As such, the results in FIGS. 7-8 demonstrate that the efficacy of the window 24 according to Example 1 providing effective antireflection performance in the infrared wavelengths described herein, while effectively preventing reflectance in the visible  spectrum.

[0107] FIG. 8 is a plot of a modelled transmittance of the window 24 according to Example 1 of light incident on the window 24 at the terminal surface 44 at a 15° angle of incidence throughout the spectral range of 400 nm to 1650 nm. As shown, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the window 24 of Example 1 exhibits an average transmittance of less than 5%over a wavelength range from 400 nm to 700 nm. FIG. 9 is a plot of the modelled reflectance at a 15° angle of incidence over the wavelength range from 1400 nm to 1700 nm. As shown, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the window 24 of Example 1 exhibits an average transmittance greater than 99%over the 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm. As such, the results in FIGS. 8-9 demonstrate that the efficacy of the window 24 according to Example 1 providing effective antireflection performance in the infrared wavelengths described herein, while effectively preventing transmission in the visible spectrum.

[0108] As revealed in FIG. 10, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the window 24 of Example 1 has an average reflectance of less than 10%for light from 400 nm to 700 nm that is incident on the terminal surface 44 with a 60° angle of incidence. As revealed in FIG. 11, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the window 24 of Example 1 has an average reflectance of less than 8%for light in the 150 nm wavelength range of interest that is incident on the terminal surface 44 with a 60° angle of incidence.

[0109] As revealed in FIG. 12, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the window 24 of Example 1 has an average reflectance of less than 5%for light from 400 nm to 700 nm that is incident on the terminal surface 44 with a 60° angle of incidence. As revealed in FIG. 13, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the window 24 of Example 1 has an average transmittance of greater than 92%for light in the 150 nm wavelength range of interest that is incident on the terminal surface 44  with a 60° angle of incidence.

[0110] FIGS. 6-13 reveal that the first and second layered films 36 and 38 of Example 1 are constructed to exhibit favorable infrared anti-reflection performance over a wide range of incidence angles, including preventing reflectance and transmittance in the visible spectrum to provide a favorable dark appearance. Moreover, it is worth noting that each of the transmittance and reflectance spectra exhibit small ranges (maximum –minimum of less than 3%) over the 150 nm wavelength range of interest. Such consistent performance over a wide bandwidth indicates that the design is not sensitive to process variations used in forming the first and second layered films 36 and 38.

[0111] Examples with TCO Layers

[0112] Examples 2 and 3 each included a TCO layer in the position described herein with respect to FIG. 5. The TCO layers had varying thicknesses formed of the same TCO material (IZO) to demonstrate the effects of varying TCO layer thickness on optical performance.

[0113] Example 2 –The window 24 of Example 2 included a first layered film 36 over a first surface 32 of a substrate 30 of an aluminosilicate glass (Corning code 2320) . The window 24 also included a second layered film 38 over a second surface 34 of the substrate 30. The first layered film 36 included thirty-three (33) alternating layers of SiO2 as the lower refractive index material 42 and SiN as the higher refractive index material 40. Layer 24 was the scratch resistant layer of the higher refractive index material 40, having a thickness of 2000 nm. Layers 1-23 were the optical control stack having a combined thickness of 1417.8 nm separating the scratch resistant layer 80 from the terminal surface 44. Layers 25-33 were index matching layers separating the scratch resistance layer from the first surface 32 and having a combined thickness of 327.09 nm. In this example, the scratch resistant layer constituted 53.4%of the thickness of the first layered film 36.

[0114] The second layered film 38 included twenty-seven (27) alternating layers of the lower refractive index material 42 and the higher refractive index material 40. In this example, the lower refractive index material 42 was SiO2, while the higher refractive index material 40 was a combination of SiN and Si. Example 2 also included a 20 nm thick TCO layer 95 at layer 60, between the two outermost SiO2 layers. As shown, layers 36, 38, and 40 –the three layers of the  higher refractive index material 40 most proximate to the substrate 30 (layer 34 in this example) –were SiN, while the remaining layers of the higher refractive index material 40 (other than the TCO layer) were Si. Layer 42 –the Si layer most proximate to the substrate 30 –was the narrowest Si layer, with a thickness of 10.33 nm. The combined thickness of the silicon layers was 1188.23 nm, which constituted 43.4%of the total thickness of the second layered film 38.

[0115] The thicknesses of the layers of the first layered film 36 and the second layered film 38 were configured as set forth in Table 2 below and used to calculate the transmittance and reflectance values set forth in FIGS. 14-21.

[0116] Example 3 –The window 24 of Example 3 included a first layered film 36 over a first surface 32 of a substrate 30 of an aluminosilicate glass (Corning code 2320) . The window 24 also included a second layered film 38 over a second surface 34 of the substrate 30. The first layered film 36 included thirty-three (33) alternating layers of SiO2 as the lower refractive index material 42 and SiN as the higher refractive index material 40. Layer 24 was the scratch resistant layer of the higher refractive index material 40, having a thickness of 2000 nm. Layers 1-23 were the optical control stack having a combined thickness of 1417.8 nm separating the scratch resistant layer 80 from the terminal surface 44. Layers 25-33 were index matching layers separating the scratch resistance layer from the first surface 32 and having a combined thickness of 327.09 nm. In this example, the scratch resistant layer constituted 53.4%of the thickness of the first layered film 36.

[0117] The second layered film 38 included twenty-seven (27) alternating layers of the lower  refractive index material 42 and the higher refractive index material 40. In this example, the lower refractive index material 42 was SiO2, while the higher refractive index material 40 was a combination of SiN and Si. Example 3 also included a 100 nm thick TCO layer 95 at layer 60, between the two outermost SiO2 layers. As shown, layers 36, 38, and 40 –the three layers of the higher refractive index material 40 most proximate to the substrate 30 (layer 34 in this example) –were SiN, while the remaining layers of the higher refractive index material 40 (other than the TCO layer) were Si. Layer 42 –the Si layer most proximate to the substrate 30 –was the narrowest Si layer, with a thickness of 10.33 nm. The combined thickness of the silicon layers was 1188.23 nm, which constituted 43.7%of the total thickness of the second layered film 38.

[0118] The thicknesses of the layers of the first layered film 36 and the second layered film 38 were configured as set forth in Table 3 below and used to calculate the transmittance and reflectance values set forth in FIGS. 14-21

[0119] FIG. 14 is a plot of a modelled reflectance of the window 24 according to Examples 1-3 of light incident on the windows 24 at the terminal surface 44 at a 15° angle of incidence throughout the spectral range of 350 nm to 1700 nm. As shown, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the windows 24 of Examples 2 and 3 exhibit an average reflectance of less than 9%over a wavelength range from 400 nm to 700 nm. FIG. 15 is a plot of the modelled reflectance over the wavelength range from 1400 nm to 1700 nm. As shown, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so  that the window 24 of Example 2 exhibits an average reflectance of less than 1%over a 150 nm wavelength range of interest (from about 1470 nm to 1620 nm in this Example) including 1550 nm. The quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the window 24 of Example 3 exhibits an average reflectance of less than 1.5%over the 150 nm wavelength range of interest. As such, the results in FIGS. 14-15 demonstrate that the efficacy of the windows 24 according to Examples 2-3 providing effective antireflection performance in the infrared wavelengths described herein, while effectively preventing reflectance in the visible spectrum.

[0120] FIG. 16 is a plot of a modelled transmittance of the windows 24 according to Examples 2-3 of light incident on the windows 24 at the terminal surface 44 at a 15° angle of incidence throughout the spectral range of 350 nm to 1700 nm. As shown, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the windows 24 of Examples 2 and 3 exhibit an average transmittance of less than 5%over a wavelength range from 400 nm to 700 nm. FIG. 17 is a plot of the modelled reflectance over the wavelength range from 1400 nm to 1700 nm. As shown, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the window 24 of Example 2 exhibits an average transmittance greater than 98%over the 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm. The quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the window 24 of Example 3 exhibits an average transmittance greater than 94%over the 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm. As such, the results in FIGS. 16-17 demonstrate that the efficacy of the windows 24 according to Examples 2-3 providing effective antireflection performance in the infrared wavelengths described herein, while effectively preventing transmission in the visible spectrum.

[0121] As revealed in FIG. 18, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the windows 24 of Examples 2 and 3 have an average reflectance of less than 10%for light from 400 nm to 700 nm that is incident on the terminal surface 44 with a 60° angle of incidence. As revealed in FIG. 19, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered  film 38 have been configured so that the windows 24 of Examples 2-3 have an average reflectance of less than 10%for light in the 150 nm wavelength range of interest that is incident on the terminal surface 44 with a 60° angle of incidence.

[0122] As revealed in FIG. 20, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the windows 24 of Examples 2 and 3 have an average reflectance of less than 5%for light from 400 nm to 700 nm that is incident on the terminal surface 44 with a 60° angle of incidence. As revealed in FIG. 21, the quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the window 24 of Example 2 has an average transmittance of greater than 90%for light in the 150 nm wavelength range of interest that is incident on the terminal surface 44 with a 60° angle of incidence. The quantity, thicknesses, number, and materials of the first layered film 36 and the second layered film 38 have been configured so that the window 24 of Example 3 has an average transmittance of greater than 85%for light in the 150 nm wavelength range of interest that is incident on the terminal surface 44 with a 60° angle of incidence.

[0123] FIGS. 14-21 reveal that the first and second layered films 36 and 38 of Examples 2 and 3 are constructed to exhibit favorable infrared anti-reflection performance over a wide range of incidence angles, including preventing reflectance and transmittance in the visible spectrum to provide a favorable dark appearance, while also including TCO layers to provide heating functionality. Moreover, it is worth noting that each of the transmittance and reflectance spectra exhibit small ranges (maximum –minimum of less than 3%) over the 150 nm wavelength range of interest. Such consistent performance over a wide bandwidth indicates that the design is not sensitive to process variations used in forming the first and second layered films 36 and 38.

[0124] It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made without departing from the spirit or scope of the claims.

Claims

1.A window for a sensing system comprising:a substrate comprising a first surface and a second surface, the first surface and the second surface being primary surfaces of the substrate;a first layered film disposed on the first surface of the substrate, the first layered film comprising alternating layers of one or more higher refractive index materials and one or more lower refractive index materials, wherein refractive indices of the one or more higher refractive index materials of the first layered film are higher than refractive indices of the one or more lower refractive index materials of the first layered film;a second layered film disposed on the second surface of the substrate, the second layered film comprising alternating layers of one or more higher refractive index materials and one or more lower refractive index materials, wherein refractive indices of the one or more higher refractive index materials of the second layered film are higher than refractive indices of the one or more lower refractive index materials of the second layered film; anda maximum hardness, measured at the first layered film and by the Berkovich Indenter Hardness Test, of at least 8 GPa,wherein the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has:an average percentage transmittance, calculated over a 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm, of greater than 98%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°;an average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than 1 %for light incident on the first surface and the second surface at angles of less than or equal to 15°; andan average percentage transmission, calculated from 400 nm to 700 nm, of less than 5%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°.2.The window of claim 1, wherein the quantity, the thicknesses, number, and materials of  the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has an average transmittance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of greater than 85%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 60°.3.The window of any of claims 1-2, wherein the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has an average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than 10%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 60°.4.The window of any of claims 1-3, wherein the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has a CIELAB L*value of less than or equal to 45 for angles of incidence of less than or equal to 60° on the first layered film.5.The window of any of claims 1-4, wherein the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has CIELAB a*and b*values of greater than or equal to -6.0 and less than or equal to 6.0 when viewed from a side of the first layered film.6.The window of any of claims 1-5, wherein the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has an average reflectance, calculated from 400 nm to 700 nm, of less than 10%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°.7.The window of any of claims 1-6, wherein:one of the alternating layers of the first layered film that is farthest from the substrate forms a terminal surface material of the window, the terminal surface material of the window comprising one of the one or more lower refractive index materials,the first layered firm comprises a scratch resistant layer formed of one of the one or more higher refractive index materials and having a thickness of greater than or equal to 500 nm,the scratch resistant layer is separated from the terminal surface by at least 21 of the alternating layers of the first layered film.8.The window of claim 7, wherein an average thickness of layers of the one or more higher refractive index materials in the at least 21 of the alternating layers of the first layered film is less than or equal to 100 nm.9.The window of claim 8, wherein an average thickness of layers of the one or more lower refractive index materials in the at least 21 of the alternating layers of the first layered film is less than or equal to 100 nm.10.The window of any of claims 7-9, wherein the at least 21 of the layers of the alternating layers of the first layered film have a combined physical thickness that is greater than or equal to 1000 nm and less than or equal to 1500 nm.11.The window of claim 10, wherein over 55%of the combined physical thickness is made up of layers of the one or more lower refractive index materials.12.The window of any of claims 1-11, wherein the second layered film comprises two or more silicon layers, wherein a combined thickness of the two or more silicon layers is greater than or equal to 500 nm.13.A window for a sensing system comprising:a substrate comprising a first surface and a second surface, the first surface and the second surface being primary surfaces of the substrate;a first layered film disposed on the first surface of the substrate, the first layered film comprising alternating layers of one or more higher refractive index materials and one or more lower refractive index materials, wherein refractive indices of the one or more higher refractive index materials of the first layered film are higher than refractive indices of the one or more lower refractive index materials of the first layered film;a second layered film disposed on the second surface of the substrate, the second layered film comprising alternating layers of one or more higher refractive index materials and one or more lower refractive index materials, wherein refractive indices of the one or more higher refractive index materials of the second layered film are higher than refractive indices of the one or more lower refractive index materials of the second layered film, wherein the second layered film comprises two or more silicon layers, wherein the second layered film comprises a layer of TCO material, wherein the two or more silicon layers are disposed between the layer of TCO material and the substrate; anda maximum hardness, measured at the first layered film and by the Berkovich Indenter Hardness Test, of at least 8 GPa,wherein the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has:an average percentage transmittance, calculated over a 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm, of greater than 94%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°;an average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than 3%for light incident on the first surface and the second surface at angles of less than or equal to 15°; andan average percentage transmission, calculated from 400 nm to 700 nm, of less than 5%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°.14.The window of claim 13, wherein the layer of TCO material has a physical thickness from 20 nm to 100 nm.15.The window of any of claims 13-14, wherein the layer of TCO material is disposed adjacent to a pair of layers of the one or more lower refractive index materials of the second layered film.16.The window of any of claims 13-15, wherein the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has an average transmittance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of greater than 85%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 60°.17.The window of any of claims 13-16, wherein the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has an average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than 15%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 60°.18.The window of any of claims 13-17, wherein the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has a CIELAB L*value of less than or equal to 45 for angles of incidence of less than or equal to 60° on the first layered film.19.The window of any of claims 13-18, wherein the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has CIELAB a*and b*values of greater than or equal to -6.0 and less than or equal to 6.0 when viewed from a side of the first layered film.20.The window of any of claims 13-20, wherein the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the  window has an average reflectance, calculated from 400 nm to 700 nm, of less than 12%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°.21.The window of any of claims 13-20, wherein:the layer of TCO material comprises a thickness that is greater than or equal to 20 nm and less than or equal to 40 nm, andthe quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has:an average percentage transmittance, calculated over a 150 nm wavelength range of interest including 1550 nm, of greater than 96%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 15°, andan average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than 1%for light incident on the first surface and the second surface at angles of less than or equal to 15°.22.The window of claim 21, wherein the quantity, the thicknesses, number, and materials of the alternating layers of the first and second layered films are configured so that the window has:an average transmittance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of greater than 88%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 60°, andan average reflectance, calculated over the 150 nm wavelength range of interest, of less than 10%for light incident on the first surface and the second surface at angles of incidence of less than or equal to 60°.23.The window of any of claims 13-22, wherein:one of the alternating layers of the first layered film that is farthest from the substrate forms a terminal surface material of the first layered film, the terminal surface material comprising one of the one or more lower refractive index materials,the first layered firm comprises a scratch resistant layer formed of one of the one or more higher refractive index materials and having a thickness of greater than or equal to 500 nm,the scratch resistant layer is separated from the terminal surface by at least 21 of the alternating layers of the first layered film.24.The window of claim 23, wherein an average thickness of layers of the one or more higher refractive index materials in the at least 21 of the alternating layers of the first layered film is less than or equal to 100 nm.25.The window of claim 24, wherein an average thickness of layers of the one or more lower refractive index materials in the at least 21 of the alternating layers of the first layered film is less than or equal to 100 nm.26.The window of any of claims 23-25, wherein the at least 21 of the layers of the alternating layers of the first layered film have a combined physical thickness that is greater than or equal to 1000 nm and less than or equal to 1500 nm.27.The window of any of claim 26, wherein over 55%of the combined physical thickness is made up of layers of the one or more lower refractive index materials.

Images