專利名稱：減反射涂層及涂覆制品的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及改進(jìn)經(jīng)過光學(xué)材料如眼鏡的光的透光率，同時(shí)減少來自光學(xué)材料的導(dǎo)致眩光的雜散光的反射。本發(fā)明還涉及控制從光學(xué)材料表面反射的光的被感知的色彩。
所有未涂覆的光學(xué)透明材料都反射一部分入射光。反射的量隨光的波長(zhǎng)、偏振和入射角及材料的與波長(zhǎng)有關(guān)的折射率n的變化而改變。菲涅耳反射由光學(xué)領(lǐng)域中實(shí)施的有關(guān)電磁輻射的麥克斯韋爾(Maxwell)方程描述，并由M.Born和E.Wolf在紐約Pergammon出版社1980年出版的Principles of Optics(光學(xué)原理)中有記載。眾所周知，具有不同于基片的折射率的透射材料層可減少反射量。該量的減少取決于涂覆材料的與波長(zhǎng)有關(guān)的折射率和它們的厚度及光的波長(zhǎng)、偏振和入射角。這些減反射(AR)涂層的設(shè)計(jì)和制造全都在H.A.McLeod的Thin Film Optical Filters的第3章和第9章，New York，McGraw-Hill(1989)中有記載。
人的視覺系統(tǒng)的靈敏度也隨光波長(zhǎng)和進(jìn)入人眼的光線的角度而改變，例如由Gunter Wyszecki和W.S.Stiles(New YorkWiley)(1982)在ColorScienceConcepts and Methods，Quantitative Data and Formulae和由Nicholas Wade和Michael Swanston(LondonRoutledge)(1991)在VisualPerception中所披露的。因此，問題在于選擇涂覆厚度和組份以使來自涂覆制品的由人的視覺系統(tǒng)所感知的菲涅耳反射的角度和波長(zhǎng)改變被最小化。
公知的AR涂層使用了一或多個(gè)無機(jī)氧化物、氮化物、或氟化物的薄層，以實(shí)現(xiàn)反射的減少。一般的用于這種AR涂層的薄膜材料在Mcleod的第9章和附錄I進(jìn)行闡述，并包括有Al、Sb、Be、Bi、Ce、Hf、La、Mg、Nd、Pr、Sc、Si、Ta、Ti、Th、Y和Zr的氧化物。McLeod的圖表中還包括Bi、Ca、Ce、Al、La、Na、Pb、Li、Mg、Nd、Na和Th的氟化物，以及很少的硫化物和硒化物。類似的圖表也出現(xiàn)在Optics ofMultilayer Systems(Sh.A.Furman如A.V.Tikhonravov，Editions FrontieresGif-sur Yvette Cedex-France，1992)第179頁的表格4.1中。層數(shù)和其組份一般根據(jù)那些與現(xiàn)有光學(xué)涂覆領(lǐng)域所使用的相同的包括硬度或抗刮力、黏度、耐久性、沉積的難易度、成本等因素來選擇。但是層厚通常被調(diào)節(jié)，使以法向入射的一或多個(gè)特定的波長(zhǎng)的反射的入射光部分最小化。因此，問題是選取一系列層厚，以便最小化或極大地減小在整個(gè)相關(guān)角度和波長(zhǎng)范圍內(nèi)能被人的視覺系統(tǒng)所感知的反射光量。
如上所述，來自涂覆制品的反射量隨角度和波長(zhǎng)而改變。當(dāng)戴上未被涂覆的眼鏡時(shí)，觀看該戴眼鏡者的人便會(huì)感知來自環(huán)境光的反射，即“眩光”。對(duì)未涂覆的鏡片，該反射光的顏色一般是環(huán)境光源的顏色，因?yàn)閬碜詠硗扛惭坨R的反射隨波長(zhǎng)而改變是很小的。該結(jié)論對(duì)于輕度色散光學(xué)材料如玻璃、聚碳酸脂、聚乙基丙烯酸甲酯(Polymethylemethacrylate)和其它眼鏡用材料通常是正確的。

圖1示出了玻璃的波長(zhǎng)和角度與反射率關(guān)系的曲線。
來自AR涂覆制品的反射光量隨波長(zhǎng)和角度有更顯著地變化，以致于該反射被感知的顏色可能不同于光源的顏色。由于這一顏色影響了眼鏡和其它光學(xué)基片的美觀質(zhì)量，因此，理想的是在控制反射光被感知的顏色的同時(shí)減小該反射。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該涂層或多個(gè)涂層(也稱“涂覆層”或“薄膜”)是通過易揮發(fā)性前體(precursor)的等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積法(PECVD)形成的，其非限定性實(shí)例包括有機(jī)物和有機(jī)金屬混合物。另外，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的技術(shù)和材料，通過濺射或蒸發(fā)的方法形成一或多個(gè)涂層。引證的McLeod的文獻(xiàn)對(duì)這一技術(shù)和材料進(jìn)行了很全面的描述。該最終形成的涂層可能是光學(xué)色散的(即，具有隨波長(zhǎng)變化的折射率)。另外，所得到的涂層也可能是非光學(xué)色散的。該涂層具有取決于前體、沉積條件和薄膜的厚度的折射特性。單層的和復(fù)合的AR涂層都可以由這種方法制備。
本發(fā)明的另一方面是控制由該涂覆制品反射的光的可感知的顏色。對(duì)于每一組薄膜厚度，使用標(biāo)準(zhǔn)的色度測(cè)量方法計(jì)算由反射標(biāo)準(zhǔn)照射(例如日光、熒光、白熾光或弧光燈)所感知的顏色。之后該感知到的顏色和其隨角度的變化被作為在感知到的反射率被最小化時(shí)的約束條件。這一過程導(dǎo)致涂覆制品呈現(xiàn)出所希望的顏色的最小的感知反射率(或具有最小值的25％或更小范圍內(nèi)的值)。
圖2(a)是摘自引證的Wandell的第46頁圖3.1b的人眼的錐形和桿形光感受器的角度變化曲線。適光(錐形)響應(yīng)確保色彩視覺且將其適度地激活到亮照射水平。微光視覺由桿形光感受器控制且只有在低光水平(夜視)處是活躍的。這些因素組合觀察條件的幾何形狀以產(chǎn)生S(λ，θ)的角部分。
圖2(b)是透過眼鏡觀察的幾何形狀的草圖。8屈光度的平鏡片離角膜表面是12毫米(mm)。從左向右的以0°(藍(lán))、10°(綠)、20°(紅)照射在角膜上的光線通過3mm直徑的瞳孔擴(kuò)散并照到視網(wǎng)膜上。應(yīng)注意的是20°(紅)的光線通常照射到視網(wǎng)膜上的圓錐靈敏度低的區(qū)域。因此，眼睛在其軌跡上以±25°水平和垂直地轉(zhuǎn)動(dòng)，以便在視網(wǎng)膜的黃斑中心(fovea)處以高保真地成像這一角度范圍。當(dāng)眼睛執(zhí)行這一迅速的掃視運(yùn)動(dòng)時(shí)，光線照射眼鏡的角度范圍取決于其折射光焦度并取決于以直接從幾何光學(xué)特性計(jì)算而得到的方式相對(duì)于眼眶的定向。
圖3是觀察者通過一組眼鏡看的與觀察角度和光波長(zhǎng)有關(guān)的人的響應(yīng)函數(shù)S(λ，θ)曲線。與波長(zhǎng)相關(guān)的靈敏度由適光的視網(wǎng)膜響應(yīng)控制，同時(shí)角關(guān)系由兩眼掃視運(yùn)動(dòng)和隨與中心注視(central fixation)分開的角度的圓錐密度的變化來設(shè)定。
圖4是在McLeod的第110頁中描述的涂有三層減反射涂層的玻璃基片的反射率曲線PrO(n＝192)的為72.4納米(nm)，TiO(n＝2.06)的為68.4nm，且MgF(n＝1.38)的為100nm。本設(shè)計(jì)的感知到的反射率為141，或者是沒有涂覆的玻璃基片的24.5％。
圖5為來自單個(gè)的沒有涂覆的玻璃基片表面[n(λ)＝1.50]的菲涅耳反射的曲線，與由公式1的結(jié)果計(jì)算得到的波長(zhǎng)和角度有關(guān)。盡管和波長(zhǎng)無關(guān)，但反射量從垂直入射的4％增加到了以60°入射的9％。
圖6(a)是PrO∶TiO∶MgF涂覆玻璃制品的反射率R(λ，θ)的曲線，該制品具有利用圖3所示的響應(yīng)函數(shù)的最小感知反射。
圖6(b)是圖4(○)與圖6(a)(×)的制品的R(λ，θ＝0)的比較圖。同時(shí)也示出了適光響應(yīng)曲線。
圖7是考慮到在角度φ時(shí)從眼鏡反射并由觀察者如兒童所覺察到的光的色彩的幾何形狀圖。該感知到的色彩利用光源的與波長(zhǎng)相關(guān)的密度(由窗戶濾過的陽光)、內(nèi)科醫(yī)生的涂覆了的眼鏡的反射[R(λ，θ)]和兒童觀察者的色彩響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。
圖8是圖2(“×”)所示和圖4(“○”)所示的涂層從0°到60°以5°增加的CIE色彩軌跡的曲線，假設(shè)由氙弧燈提供了光譜平直的寬帶照明。白色點(diǎn)用菱形表示，并示出了在曲線的邊界處的主波長(zhǎng)。為了計(jì)算主波長(zhǎng)，從白色點(diǎn)經(jīng)過該計(jì)算的CIE坐標(biāo)延伸一條線到達(dá)該邊界處。交叉的點(diǎn)為主波長(zhǎng)。
圖9(a)是三種典型的光源的光譜發(fā)光曲線在水平面的日光(0)、白熾鎢絲燈(+)和熒光燈()。
圖9(b)是涂覆制品的色度坐標(biāo)的CIE曲線(實(shí)例1，表I的從0°到60°以5°增加的角度的三種發(fā)光體的每一種。曲線符號(hào)對(duì)應(yīng)于水平面的日光(O)、白熾鎢絲燈(+)和熒光燈()。
圖11是從0°到60°入射角的F＜140的每個(gè)18 AR涂層的反射的CIT軌跡圖。(在表I中示出了涂層厚度。)圖12是具有被頂上照明所反射的光的視頻顯示屏的S(λ，θ)圖。
圖13是在玻璃視頻顯示終端上的三層PrO∶TiO∶MgF涂層的最小Fa設(shè)計(jì)的反射圖。
圖14是具有從0°到60°以5°增加的最小Fa的視頻顯示的CIE色度坐標(biāo)圖。
優(yōu)選實(shí)施例的說明本發(fā)明在光學(xué)基片上提供了新的、單個(gè)的多層AR涂層。如此處所用到的，術(shù)語“光學(xué)材料”、“光學(xué)基片”和“光學(xué)制品”指的是透明的或半透明的材料，如玻璃和塑料，及由這些材料制成的制品。這類制品的非限定性實(shí)例包括有鏡片、窗戶、電視和計(jì)算機(jī)監(jiān)視器屏、和汽車擋風(fēng)玻璃。
反射率，F(xiàn)，是反射光的強(qiáng)度Ir與入射光強(qiáng)度Ii之比R(λ,θ,p)=IrIi=ρρ*=|y0-yi|2|y0+yi|2*---(1)]]>反射率隨光波長(zhǎng)λ、入射角θ和光的偏振P而變化。它等于菲涅耳反射系數(shù)ρ和其復(fù)共軛ρ*的乘積，也可由基片介質(zhì)(Substrate medium)y0和入射介質(zhì)(incident medium)yi的光導(dǎo)納(optical admittance)表示。該光導(dǎo)納為
y＝2.6544×10-3(n-ik)＝(C/B)(2)其中n為折射率的實(shí)部，k是折射率的吸收部分(虛部)，常數(shù)是SI單位的轉(zhuǎn)換因數(shù)。當(dāng)其導(dǎo)納為ηm的一或多個(gè)涂層疊加到基片上時(shí)，光導(dǎo)納變?yōu)閥＝(C/B)，其中C和B通過求解矩陣方程(3)得到BC=(Πr=1qcosδr(isinδr)/ηriηrsinδrcosδr×1ηm)---(3)]]>在方程(3)中，對(duì)于物理厚度為dr的每層r的三角函數(shù)自變量為δr＝2π(n-ik)drcos(θr)/λ(4)在垂直入射時(shí)，(θ＝0)，導(dǎo)納在任何偏振時(shí)都一樣。在其它入射角時(shí)，將入射光波分成兩個(gè)偏振光p和s，并定義傾斜的光導(dǎo)納ηp＝2.6544×10-3(n-ik)/cos(θ)ηs＝2.6544×10-3(n-ik)×cos(θ)(5)經(jīng)下面的公式求出總反射率R、透射率T和吸收數(shù)AR=(η0B-CηB+C)(η0B-CηB+C)*]]>T=4η0Re(ηm)(η0B+C)(η0B+C)*---(6)]]>A=4η0Re(BC*-ηm)(η0B+C)(η0B+C)*]]>其中下標(biāo)0和m分別指的是入射介質(zhì)和基片。這些方程的推導(dǎo)在所引證的H.A.McLeod的第一章中進(jìn)行了描述。
人的視覺靈敏度如在由Gunter Wyszecki和W.S.Stiles(New YorkWiley)(1982)在Color ScienceConcepts and Methods，Quantitative Dataand Formulae和由Nicholas Wade和Michael Swanston(LondonRoutledge)(1991)在Visual Perception中所記述的那樣隨光波長(zhǎng)和入射角兩者改變。但是，它對(duì)偏振不敏感。
隨波長(zhǎng)變化的人的視覺靈敏度的改變，S(λ)，在圖1中被示出，它表示對(duì)每個(gè)錐形色素(即紅、綠、藍(lán))的靈敏度，及總和錐形響應(yīng)。該總和錐形響應(yīng)就是適光響應(yīng)。
隨角度變化的人的視覺響應(yīng)的改變?nèi)Q于觀看條件的幾何形狀及人眼所施加的生理和光學(xué)約束。當(dāng)通過眼鏡觀看時(shí)可以構(gòu)建一角函數(shù)S(θ)，它計(jì)算錐形色素的分布和人眼的正常的快速掃描運(yùn)動(dòng)。圖2(a)示出了人眼的錐和桿的有效密度的曲線。錐主要集中在小于5°的立體角處。在正常視覺期間，眼球在其眼眶內(nèi)從兩眼快速掃描運(yùn)動(dòng)的中心注視以大到約25°的角度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)以大于極限角的角度觀看時(shí)，自然的生理反應(yīng)為使頭部開始運(yùn)動(dòng)。兩眼快速掃描運(yùn)動(dòng)使最大光感受靈敏度的區(qū)域，黃斑中心，它對(duì)著小立體角，覆蓋無頭部運(yùn)動(dòng)的較寬的角度范圍。之后將該黃斑中心的響應(yīng)與兩眼快速掃描運(yùn)動(dòng)和眼鏡的幾何光學(xué)相結(jié)合以產(chǎn)生S(λ，θ)。正如在圖2B所看到的，進(jìn)入瞳孔的每束光線在視網(wǎng)膜和光學(xué)鏡片表面處都有相應(yīng)的位置和角度。光線照射涂覆制品并接著在眼球的兩眼快速掃描運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)投影在黃斑上的角度被直接轉(zhuǎn)換成S(λ，θ)的角變量。
在圖3中示出的視覺響應(yīng)函數(shù)S(λ，θ)組合適于用眼鏡觀看的波長(zhǎng)和角度的人體響應(yīng)函數(shù)。S(λ，θ)的特定形式可以以與觀看條件一致的方式來改變。例如，桿形光感受器最初在暗光條件下被激活，產(chǎn)生了明顯不同于明視覺的角靈敏度，如可由圖2中所示的桿形光感受器強(qiáng)度推導(dǎo)出。桿的色度(與波長(zhǎng)相關(guān)的)響應(yīng)也不相同，具有在507nm處的最大值和在100nm的半最大值處的全寬，如在Wyszecki的第258頁圖4.3.2所詳細(xì)描述的那樣。另一個(gè)使用不同的S(λ，θ)的實(shí)例是針對(duì)如由黃斑變性引起的部分色盲或視網(wǎng)膜損傷的人。
S(λ，θ)的角元素也隨觀看條件的幾何形狀而變化。當(dāng)觀看監(jiān)視屏或由另一個(gè)人戴著的眼鏡的反射時(shí)，S的角變量取決于觀察者、涂覆制品和照射光源之間的幾何關(guān)系，而不是取決于觀察者的兩眼快速掃描運(yùn)動(dòng)。同樣，來自汽車擋風(fēng)玻璃的反射的角關(guān)系將取決于離駕駛員頭部的距離和汽車框架內(nèi)的角度。雖然涂覆材料、涂層數(shù)和涂層次序可以與汽車擋風(fēng)玻璃和眼鏡這兩種應(yīng)用情形的相同，但根據(jù)本發(fā)明的最小值Fa所計(jì)算的涂層厚度可以與每種應(yīng)用情形不同。
在圖4中示出了對(duì)菲涅耳方程的解的一個(gè)實(shí)例，它采用了在390和710nm間的波長(zhǎng)及高達(dá)60°的角度、涂覆有72nm的PrO2、68nm的TiOx和100nm的MgF。涂層與厚度的設(shè)置如所引證的McLeod的第110頁所述的減反射(AR)涂層。圖4中的曲線為s-和p-偏振反射率的平均值，由于人的視覺沒有感知光偏振因此它適合于人的視覺特性。對(duì)基片、涂層的折射特性或涂覆到基片上的次序的改變導(dǎo)致了除反射率R(λ，θ，P)計(jì)算變化外的處理的復(fù)雜化。
根據(jù)本發(fā)明，AR涂層的設(shè)計(jì)是基于所感知的反射。該被觀察者所感知的來自一個(gè)表面的光的反射率F定義成反射率R(λ，θ)與人的靈敏度函數(shù)S(λ，θ)的乘積的積分F＝∫∫S(λ，θ)R(λ，θ)dλdθ(7)R(λ，θ)是s-和p-偏振反射率的平均值，由于人的視覺系統(tǒng)對(duì)偏振不敏感而被在此處使用。(在某些情況下，便于將未涂覆制品的感知反射率表示成“Funcoated”或“Fo”，將AR涂覆基片的感知反射率表示成“FAR”。(有時(shí)后者也表示成“F”)F的值取決于基片和涂層介質(zhì)的與波長(zhǎng)相關(guān)的折射率、取決于層厚、也取決于如前面所述的與角度和波長(zhǎng)相關(guān)的視覺響應(yīng)。
在理想情況下，及如在申請(qǐng)序列No.08/990,003中所述，方程7求出了在觀看條件的給定幾何形狀的基片上給定的涂層疊層的F的絕對(duì)最小值(用Fmin表示)。該結(jié)果對(duì)AR層或涂層的特定結(jié)合和組合是唯一的，其物理厚度使得F＝Fmin。在另一個(gè)實(shí)施例中，方程7求出了接近但不必等于Fmin的值的范圍。也就是說，當(dāng)F值很小但不必等于絕對(duì)最小值時(shí)獲得了良好的結(jié)果。在這樣的一個(gè)實(shí)施例中，涂覆了的基片的F值在Fmin的25％的范圍內(nèi)，即，F(xiàn)≤1.25Fmin。對(duì)于某些實(shí)際應(yīng)用，在需要感知的反射率極低的情況下，方程7求出了F值在Fmin的20％、15％或者甚至10％的范圍內(nèi)，即，F(xiàn)≤1.20Fmin，F(xiàn)≤1.15Fmin或F≤1.10Fmin。在每種情況下，F(xiàn)的解使人們識(shí)別出減反射涂層的層厚的組合以滿足F所需要的F范圍或F值。
下面列舉了本發(fā)明的非限定性的實(shí)例。從應(yīng)用到眼鏡上的McLeod的三層AR涂層開始(圖4)，人們使用了圖3中使用的響應(yīng)函數(shù)并計(jì)算出感知反射率F＝141的基準(zhǔn)值。來自未涂覆玻璃鏡片(圖5)的感知反射率的值具有對(duì)同一S(λ，θ)的值575，且McLeod設(shè)計(jì)將感知反射率減少到未涂覆鏡片的25％。
實(shí)例1根據(jù)本發(fā)明，感知反射率F是由所有涂層厚度的組合求出的，且選擇使F最小化的厚度組。從上面描述的玻璃PrO∶TiO∶MgF系統(tǒng)開始，完成該計(jì)算且計(jì)算出最小的感知反射率為104，它是未涂覆制品的18％和從教科書中涂層(textbook coating)下降了35％。這些材料的感知反射率的絕對(duì)最小值(圖6所示)對(duì)應(yīng)于下列物理厚度100nm的PrO、25nm的TiO和87nm的MgF。
實(shí)例2-19使用本發(fā)明的方法，并通過以10nm為增量改變?nèi)齻€(gè)涂層的物理厚度的幅度來求解方程7，產(chǎn)生出超過16,000種組合。其中，發(fā)現(xiàn)除了F＝Fmin(實(shí)例1)的情況之外，有18種的感知反射率小于教科書涂層的。12個(gè)實(shí)例(加上實(shí)例1)滿足F≤1.25Fmin的所需要的參數(shù)。該結(jié)果在下表中被表示出表I已涂覆或未涂覆眼鏡的感知反射率
①比未涂覆的好％＝(Funcoated/F-1)100②在Fmin范圍內(nèi)的％＝(F/Fmin-1)100在表I中列出的厚度組合沒有排除F值在最小值為104的25％(或其它所需要的低百分比)內(nèi)的其它組合。但是，檢驗(yàn)該16000+種排列，發(fā)現(xiàn)只有實(shí)例1-13符合這一判斷條件。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道利用線性代數(shù)和微積分能求解方程7(F、Fmin、1.25Fmin、或F的任何其它需要的值和范圍)。對(duì)于進(jìn)行人工計(jì)算的另一種情況，可以使用線性代數(shù)軟件。這種軟件的非限定性實(shí)例包括Mathematic(Wolfram Research，Champaign-Urbana，IL)、Matlab(TheMathWorks，Inc.，Natick，MA)、Macsyma(Macsyma Inc.，Arlington，MA)和MaPle(Waterloo MaPle，Inc.，Waterloo，Ontario，Canada)。F的計(jì)算分析也可以利用電子數(shù)據(jù)軟件如Excel(Microsoft，Redmond，WA)和Lotus 1-2-3(Lotus Development Corp.，Cambridge MA)進(jìn)行。
由表I可以明白，在計(jì)算F的過程中(即以10nm為間隔)可以選擇每個(gè)材料層的層厚的離散值。當(dāng)然，也可以選擇不同的間隔，如5nm、2nm等。通常，在給定層的物理厚度的值中的小的偏差對(duì)所計(jì)算的F值的影響也小，且F值通常在Fmin的25％的范圍內(nèi)。例如，對(duì)應(yīng)于PrO∶TiO∶MgF的各層厚為40、80和80nm的F值為127(在表I中的實(shí)例13)。對(duì)應(yīng)于各層厚為42、80和80nm的F值為121，如對(duì)應(yīng)于40、82和80nm的系統(tǒng)的值一樣。當(dāng)厚度為40、80和82nm時(shí)，F(xiàn)值變?yōu)?22。在每種情況下，F(xiàn)值在Fmin的25％的范圍內(nèi)。但是，當(dāng)厚度為40、80和78nm時(shí)，F(xiàn)值升至136，它比Fmin高31％。
本發(fā)明的另一方面涉及對(duì)從涂覆制品反射的光的感知色彩的約束。作為本實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例我們認(rèn)為從觀看戴眼鏡的人的觀察者的觀點(diǎn)出發(fā)將AR涂層都匯集在表I中。來自頂部燈、窗戶或其它照明光源的光照射到鏡片的表面并以圖7所示的角度(φ)反射進(jìn)觀察者的眼睛中。該反射的色彩取決于與波長(zhǎng)相關(guān)的發(fā)光體(由窗戶過濾的陽光)的強(qiáng)度、涂覆制品(涂覆眼鏡)的波長(zhǎng)和角相關(guān)反射、和色視覺的生理學(xué)，例如，如Wandell，Sinauer AssociatesSunderland MA，1995的Foundations of Vision中，或如引證的Wyszecki和Stiles所述。
物體的感知色彩通過如CIE 1931或1964色度坐標(biāo)的色彩空間或在Wyszecki和Stiles的第3章中所描述的均勻的1976 CIE(L*、u*、v*)色彩空間中的坐標(biāo)定量地定義。圖8示出了McLeod的教科書(textbook)ARPrO∶TiO∶MgF涂層的CIE 1931表示中的色彩坐標(biāo)(表示為＝“x”)，與氙弧燈照明的角度有關(guān)。在圖8中也示出了根據(jù)本發(fā)明制作的(Fmin)最小涂層的色彩坐標(biāo)(表示為“o”)。用菱形標(biāo)出的位置對(duì)應(yīng)于白色，即沒有感知色彩。主波長(zhǎng)，被定義為單色刺激產(chǎn)生同樣的感知色彩處的波長(zhǎng)，它通過描繪一條從白色點(diǎn)(菱形)經(jīng)所計(jì)算的CIE色彩點(diǎn)到曲線的周邊的線獲得。例如，50°視角處的教科書涂層(textbook coating)和0°處的Fmin最小涂層都有一個(gè)約480nm的主波長(zhǎng)，即，藍(lán)-綠。并非CIE色彩空間中的所有的點(diǎn)都有一個(gè)主波長(zhǎng)，但是，主波長(zhǎng)提供了與其相比的各種色調(diào)的定量標(biāo)記。
從AR涂覆制品反射的光的感知色彩隨入射角和照射光源兩者而改變。圖9(a)示出了三種標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光體水平面的日光、白熾鎢絲燈和熒光燈的光譜。來自與對(duì)應(yīng)著本發(fā)明的實(shí)例1(表I，F(xiàn)＝Fmin)的涂覆制品的這些光的反射的色彩坐標(biāo)在圖9(b)中從0到60°以5°為間隔角度地被示出。如CIE色度坐標(biāo)標(biāo)定的感知色彩是角度和發(fā)光體兩者的函數(shù)。
實(shí)際位置和隨角度的CIE色彩位置的變化都屬于AR涂覆制品的設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)問題(practical interest)。眾所周知，對(duì)于那些視力測(cè)定領(lǐng)域的實(shí)際情況來講某些色彩和色調(diào)在裝飾性上優(yōu)于其它的。另外，隨視點(diǎn)而變化的色調(diào)的改變是眼鏡產(chǎn)品的裝飾方面的一個(gè)因素。從圖1也可明白，反射圖像的絕對(duì)視覺靈敏度對(duì)某些波長(zhǎng)更靈敏，即550nm(綠色)比藍(lán)色(450nm)或深紅色(750nm)。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它允許由戴眼鏡的人(如圖7中的內(nèi)科醫(yī)生)所感知的反射最小化，同時(shí)控制外部觀察者(如圖7中的兒童)所感知的反射的色彩。
圖10示出了從表I中所匯集的實(shí)例2-19中的每一個(gè)實(shí)例垂直入射所反射的陽光的感知色彩。隨著發(fā)光體、鏡片、和觀察者之間的角度的增加，會(huì)有一個(gè)如圖11所示的感知色彩的漂移，其中色度坐標(biāo)軌跡以五度間隔從0到60°地被繪制出。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，這些計(jì)算的色彩被用于與裝飾或其它色彩準(zhǔn)則相聯(lián)系，以生產(chǎn)一個(gè)保持預(yù)定色彩并具有最小感知反射的制品。例如，如果人們需要有最小的反射，則可以使色調(diào)與戴眼鏡的人的膚色相匹配。另外，人們可以將色彩限定在所最小感知的色調(diào)的范圍內(nèi)，該色調(diào)是根據(jù)白色點(diǎn)附近或?qū)D1所含有的藍(lán)或紅色調(diào)的適光靈敏度而感知的。在第三個(gè)實(shí)施例中人們可以根據(jù)在預(yù)定光源的照射下在預(yù)定范圍傾斜的角度來選擇具有最小的色調(diào)變化的AR涂層以進(jìn)行色彩控制。在坐標(biāo)被從1931 CIE色彩空間轉(zhuǎn)換到1976 CIE均勻的(L*、u*、v*)色彩空間后，該范圍可以通過計(jì)算圖11所示的曲線的長(zhǎng)度來確定。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，S(λ，θ)的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定的平均值(見Wyszecki的第5章)被用于確定優(yōu)選的響應(yīng)因子以用于設(shè)計(jì)AR涂層。但是，本發(fā)明也包括了具有關(guān)于S(θ)的特有的約束的個(gè)體的個(gè)人特征圖的構(gòu)造，如象在一只眼睛失明或患黃斑變性病的人身上才有的約束。
感知反射率F對(duì)光學(xué)基片上的一或多個(gè)涂層進(jìn)行了數(shù)字評(píng)估，它與涂覆在基片上的這些涂層的厚度、組分和次序有關(guān)。組分和次序可能受到其它材料問題如黏度、表面能、耐化學(xué)性等的制約。根據(jù)本發(fā)明，AR涂層中的優(yōu)選的層厚使F值處于其絕對(duì)最小值的25％的范圍內(nèi)，受到了這些制約。
根據(jù)本發(fā)明，層厚也可能受到對(duì)制品所反射并進(jìn)入觀察者的眼睛的光感知的色彩的制約。該輔助光學(xué)約束條件使得AR涂覆制品在具有需要的裝飾性外觀的同時(shí)反射最小。
實(shí)例20-30本發(fā)明的AR涂覆制品的第二個(gè)實(shí)施例是具有玻璃表面的計(jì)算機(jī)監(jiān)視器或視頻屏幕。由于頂部照射或窗戶照射產(chǎn)生反射圖像，而這些反射圖像損害了投影到顯示屏上的圖像的可見度，所以這些制品需要有減反射涂層。觀察者的適光響應(yīng)S(λ)如圖1所示。但是，S(λ，θ)的角分量實(shí)質(zhì)上不同于眼鏡的。假設(shè)在特定工作環(huán)境下進(jìn)行頂部照明，并采用簡(jiǎn)單的幾何形狀，樣本S(λ，θ)如圖12所示。未涂覆屏幕的感知反射率為717，同時(shí)注意到教科書(textbook)PrO∶TiO∶MgF涂層是258，或是未涂覆顯示器的36％。使用上述方法，發(fā)現(xiàn)將F減至191，其最小值(未涂覆顯示器的26.6％)的層厚為60nm的PrO、80nm的TiO和120nm的MgF。表示該實(shí)施例的Fmin的曲線繪制在圖13中。
應(yīng)該明白對(duì)眼鏡而言這三種材料的層厚的組合并不理想。利用人體對(duì)眼鏡的響應(yīng)函數(shù)(圖3)導(dǎo)出了F＝252，基本上大于教科書涂層。
該AR涂覆顯示終端的色度坐標(biāo)在圖14中示出。之前，進(jìn)行一系列計(jì)算并得到在F最小值的所需要的百分比即25％的范圍內(nèi)的值，同時(shí)利用比色學(xué)公式分別計(jì)算出相關(guān)角度的反射光的色調(diào)。在評(píng)估表II中的每個(gè)設(shè)計(jì)的色度坐標(biāo)之后，色調(diào)與最小感知反射率的組合可以根據(jù)裝飾性或視覺功能限制條件來選擇。例如，如果視頻顯示背景是一種預(yù)置的色彩，則需要使反射色調(diào)與該背景色混合以進(jìn)一步降低反射視覺的影響。視覺科技領(lǐng)域的那些技術(shù)人員將看到具有F＜1.25Fmin的制品的特定色調(diào)的選擇將隨照明、顯示器的幾何光學(xué)特性、和其中采用了AR涂覆制品的環(huán)境的背景色而改變。表II列出了該AR涂覆顯示終端的方程7的部分解，其計(jì)算是通過以10nm為增量改變涂層的物理厚度的幅值進(jìn)行的，產(chǎn)生出了16,000種組合。其中，165種的感知反射率在Fmin的30％內(nèi)，將近125種的感知反射率在Fmin的25％內(nèi)。下面列出有關(guān)未涂覆鏡片、教科書(McLeod)涂層、實(shí)例20(Fmin)、實(shí)例21-30的結(jié)果。表II已涂覆或未涂覆視頻顯示屏的感知反射率
①比未涂覆的好％＝(Funcoated/F-1)100②在Fmin范圍內(nèi)的％＝(F/Fmin-1)100色度學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解所感知的色彩從數(shù)量上來講取決于發(fā)光體的光譜分布，如圖9(A)和圖9(B)所示。白熾鎢絲燈、熒光燈和弧形燈具有不同于陽光的光譜輸出。而且，陽光的光譜隨白天的長(zhǎng)短和天氣條件而改變。本發(fā)明通過明確地將與波長(zhǎng)相關(guān)的光強(qiáng)度包含在S(λ，θ)的計(jì)算中來將發(fā)光體的光譜特性并入感知反射率或感知色彩的計(jì)算中。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，所采用的其變形或變形的加權(quán)平均值的詳細(xì)情況必定考慮了使用制品時(shí)的觀察條件。
本發(fā)明提供特有的制作產(chǎn)品，其特征在于具有低反射特性。一般來講，該制品是透明的，如眼鏡、窗戶、汽車擋風(fēng)玻璃、電視和計(jì)算機(jī)屏幕等。透明制品在人的視覺系統(tǒng)所感知的光譜即約350nm和約750nm之間的范圍內(nèi)不吸收光。但是，在一些實(shí)施例中，制品可能是半透明的。半透明的制品在某些可視波長(zhǎng)透射光而在一個(gè)或更多可視波長(zhǎng)吸收一些或所有光。半透明的制品的非限定性的實(shí)例包括著淺色或遮光太陽鏡、彩色玻璃窗和著淺色汽車擋風(fēng)玻璃。
在一個(gè)實(shí)施例中，透明的低反射制品包括一個(gè)光學(xué)基片和一或多個(gè)AR材料層。
很容易理解具有多于兩層的沉積在底層光學(xué)基片上的材料層的低反射制品也屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
本發(fā)明已在優(yōu)選實(shí)施例中進(jìn)行了描述，但并不限于此。所有屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的技術(shù)和能力范圍內(nèi)的各種變形、操作方式和實(shí)施例都不脫離本發(fā)明。例如，AR涂層和設(shè)計(jì)并使用它們的方法可用在除眼鏡之外的各種光學(xué)基片上。甚至如汽車擋風(fēng)玻璃一樣的大的制品也可貼上AR涂層。
此處可以引入前述所有的參考資料作為參考。在全文和中，對(duì)有關(guān)數(shù)值范圍的“大約”的用詞用于形容高和低值的情形。
權(quán)利要求
1.一種具有感知反射率F的透明或半透明的涂覆制品，其特征在于F＝∫∫S(λ，θ)R(λ，θ)dλdθ其中，λ為波長(zhǎng)，θ為入射角，S(λ，θ)是與波長(zhǎng)和入射角有關(guān)的人的靈敏度函數(shù)，而且R(λ，θ)是p偏振和s偏振的反射率的平均值，該涂覆制品包括一光學(xué)基片；和涂覆在該光學(xué)基片至少一部分上的一或多層減反射材料，所述一或多層減反射材料層具有使所述涂覆制品的感知反射率小于或等于1.25Fmin的厚度，其中Fmin為所述涂覆制品的最小感知反射率。
2.如權(quán)利要求1的制品，其特征在于其中所述光學(xué)基片是眼鏡。
3.如權(quán)利要求2的制品，其特征在于其中所述眼鏡在一或兩個(gè)鏡片表面和/或其邊緣的至少一部分上涂覆或多層減反射材料。
4.如權(quán)利要求1的制品，其特征在于所述光學(xué)基片是窗戶。
5.如權(quán)利要求1的制品，其特征在于所述光學(xué)基片是電視屏幕或計(jì)算機(jī)監(jiān)視器。
6.如權(quán)利要求1的制品，其特征在于所述至少一層減反射材料包括碳氟物薄膜。
7.如權(quán)利要求6的制品，其特征在于所述碳氟物薄膜是全氟化有機(jī)化合物的等離子沉積產(chǎn)物。
8.如權(quán)利要求7的制品，其特征在于所述全氟化有機(jī)化合物是全氟脂族或全氟環(huán)脂烴類化合物。
9.如權(quán)利要求8的制品，其特征在于所述全氟化有機(jī)化合物自全氟環(huán)丁烷、六氟乙烷、四氟乙烯、全氟丙烯及其混合物組中選取。
10.如權(quán)利要求6的制品，其特征在于所述碳氟物薄膜包括聚四氟乙烯。
11.如權(quán)利要求1的制品，其特征在于所述至少一層減反射材料包括有機(jī)或有機(jī)硅膜。
12.如權(quán)利要求1的制品，其特征在于所述至少一層減反射材料層包括一種選自Si(CH3)4、HSi(CH3)3、噻吩、呋喃、苯、Ti(OC2H5)4、Ti(OC3H7)4、Ti[N(C2H5)2]4和全氟化有機(jī)化合物組中的一或多種前體的等離子增強(qiáng)氣相沉積產(chǎn)品。
13.如權(quán)利要求1的制品，其特征在于所述每一層減反射材料層都具有大于約5nm并小于約1μm的物理厚度。
14.如權(quán)利要求1的制品，還包括一個(gè)沉積在所述光學(xué)基片和/或減反射材料層上的光學(xué)金屬薄層。
15.如權(quán)利要求1的制品，還包括一個(gè)疏水材料層。
16.如權(quán)利要求1的制品，其具有在特定照明條件下以特定角度觀看的被感知的色彩，該色彩屬于色彩CIE色度坐標(biāo)所定義的色彩空間的特定體積元的范圍內(nèi)。
17.如權(quán)利要求16的制品，其特征在于所述照明從正常的(normal)或光譜過濾的日光、鎢絲燈、熒光燈和弧光燈中選取。
18.如權(quán)利要求16的制品，其特征在于所述體積元由中心在1931的(1/3，1/3)半徑為0.1的圓定義。
19.如權(quán)利要求16的制品，其特征在于所述體積元選成與背景色相匹配，從而降低反射光的可見度。
20.一種透明或半透明的涂覆制品，包括一光學(xué)基片；和涂覆在該光學(xué)基片至少一部分上的一或多層減反射材料，所述一或多層減反射材料層具有保持色度坐標(biāo)包含在由中心在1931CIE色彩空間中的(1/3，1/3)半徑為0.1的圓定義的體積元的厚度。
21.一種制造透明或半透明的涂覆制品的方法，其中的光學(xué)基片涂覆有一或多層減反射材料，所述涂覆制品具有感知反射率F，其中F＝∫∫S(λ，θ)R(λ，θ)dλdθ式中，λ為波長(zhǎng)，θ為入射角，S(λ，θ)是與波長(zhǎng)和入射角有關(guān)的人的靈敏度函數(shù)，而且R(λ，θ)是p偏振和s偏振的反射率的平均值，該方法包括開始在所述基片上沉積一或多層減反射材料；和當(dāng)所述一或多層減反射材料到達(dá)一需要的厚度時(shí)中斷該沉積過程，該厚度是使所述涂覆制品的感知反射率小于或等于1.25Fmin，其中Fmin為所述涂覆制品的最小感知反射率。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中涂層用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行沉積。
全文摘要
描述了具有減反射(AR)涂層的涂覆光學(xué)基片及其涂覆方法。涂層的組成由材料的約束條件如黏度、耐久性、制造的難易和成本來決定?；蚨鄬覣R材料的層厚通過使具有角度相關(guān)和波長(zhǎng)相關(guān)的視覺系統(tǒng)靈敏度涂覆制品的菲涅耳反射系數(shù)最小的產(chǎn)品來決定。優(yōu)選設(shè)計(jì)成具有小于或等于1.25Fmin的涂覆制品的最小感知反射率F。也描述了具有最小感知反射率并保持反射具有所需要的可視感知色彩的涂層。
文檔編號(hào)C03C17/30GK1372646SQ00812343
公開日2002年10月2日 申請(qǐng)日期2000年7月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月30日
發(fā)明者彼得·D·霍蘭, B·文森特·穆科 申請(qǐng)人:彼得·D·霍蘭, B·文森特·穆科