控制表面形貌改变镜面反射的光学元件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件及其制作方法，特别是控制表面形貌改变镜面反射的光学元件及其制作方法。
众所周知，镜子及其它具有镜面特性的物体是在日常生活中随处可见的，它给人们的生活工作带来诸多方便和情趣，但是镜面反射又给人们造成望后生烦的经验，例如炽热的阳光通过车辆或建筑物的窗玻璃及其他部分形成的反射光会给人眼造成强烈的刺激，甚至使接受者在短时间内失去视觉反应，如果这类物体表面有金属层，这种镜面反射还会成倍地加强。人们对这种现象迄今为止甚感困惑，并为克服这种现象而努力探求解决的办法。现在科学家能用多层薄膜技术在几平方厘米的元件上将反射率降低到1％以内，并能基本上消除宏观镜面方向的反射，但其涉及到的工艺复杂，使用的设备昂贵，生产出来的产品成本高，因此障碍了这种技术在民用产品上的推广应用。据了解能够在较大面积上形成低反射表面较有效的方法是电镀法，即在金属表面形成很厚的氧化层，如所谓的黑铬、黑镍，但这种方法有局限性，仅适用于不透明的厚金属部件，其生产成本仍然昂贵，也无法推广到大面积接近透明和半透明的光学材料上。
本发明的目的是，针对上述现有技术的不足进行改进而创立的，即提出控制表面形貌改变镜面反射的光学元件及其制作方法。
本发明的技术解决方案是，采用能够削弱电磁波沿物体宏观表面镜面反射、并能降低其总反射率、且起到光学陷阱作用的光学元件，其特征在于，该光学元件具有反射和吸收能力的表面有高低不一若干单个锥体错落排列组成的锥形浮雕。
其特征在于，表面锥形浮雕的基本重复单元的形状为圆锥体、或圆台，其圆锥体的高度或直径与电磁波波长同数量级。
其特征在于，表面锥形浮雕的基本重复单元的形状为棱锥形、或为三角锥形或为多角棱锥形的锥体形状及其组合的锥体阵列，锥体的顶呈圆形且棱面呈粗糙的阶梯状，锥体的高度或底面宽度与电磁波波长同数量级。
其特征在于，表面锥形浮雕的高度在0.1微米至2毫米之间。
其特征在于，表面锥形浮雕的每一个重复单元的底面积为0.04平方微米至8平方毫米。
控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法是，采用模版复制工艺，其特征在于，向具有浮雕形貌的模版上蒸发有机材料，使其在模版上凝固、聚合过程中成形，脱模后得成形物，再进行表面处理。
其特征在于，在金属薄板、或玻璃、或有机材料上，应用光刻腐蚀制成圆锥形或棱锥形浮雕图案的供复制用的模版。
其特征在于，以宏观圆锥体或棱锥体阵列为模具，用全息摄影的方式缩影，继而在特殊塑胶板上制成所需的锥形浮雕图案作为原版，经过表面镀镍后，用作供复制用的模版。
控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法是，采用模版复制工艺，其特征在于，在具有浮雕形貌的模版上浇注热塑材料，经冷却凝固、聚合过程而形成，脱模后得成形物，再进行表面处理。
控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法是，采用模版复制工艺，其特征在于，将热塑薄膜加热至软化点，再使用具有浮雕形貌的模版压印而形成，形成物再进行表面处理。
控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法，采用模版复制工艺，其特征是先将平面薄膜的反射面镀以金属或金属夹层、或金属和金属介质夹层后，再用具有浮雕形貌的模版压印而形成。
其特征在于，进行表面处理是在成形物的浮雕形貌的反射面覆盖低介电常数的材料。
其特征在于，进行表面处理是在成形物的浮雕形貌的反射面上镀有金属薄膜的有机材料。
其特征在于，进行表面处理是在成形物的浮雕形貌的反射面上镀有金属及介质薄膜的有机材料。
其特征在于，进行表面处理是在成形物的浮雕形貌的反射面上镀有金属或金属和介质薄膜的玻璃材料。
其特征在于，进行表面处理是在成形物的浮雕形貌的反射面上镀有的金属材料是金Au、银Ag、铜Cu、铝Al、铬Cr、镍Ni、钽Ta、钛Ti、锡Sn、钼Mo、锌Zn、及其组合的合金材料。
其特征在于，进行表面处理是在成形物的浮雕形貌的反射面镀有的介质薄膜是氧化物，或是氮化物，或是氢化物，或是硼化物，或是碳化物。
本发明的优点是，将具有反射和吸收能力的材料表面做成浮雕形态的衍射图案，可以有效地捕捉入射的电磁波，既可以降低其反射率，从而基本上消除了宏观镜面反射方向的反射波，也能使其吸收能力大为增加。这种光学元件可以改变镜面反射率，减少宏观表面的反射波，是对现有薄膜光学技术的创新。
本发明构思新颖，性能稳定可靠，容易制造，且制作方法简便易行，生产成本低，便于大规模生产和推广应用。
图1，本发明构成浮雕形貌选用的规则排列的三棱锥体阵列示意2，不同入射角的光束在构成浮雕形貌的三棱锥面上的反射示意3，本发明构成浮雕形貌选用的不规则排列的圆锥体阵列的示意4，给定方向的光束在圆锥体(剖面)阵列上的反射和杂乱散射示意5，本发明构成浮雕形貌选用的不规则的多棱锥体阵列示意6，给定方向的光束在多棱锥体(剖面)阵列上的反射和杂乱散射示意7，构成浮雕形貌的圆锥体的基本单元的结构示意8，构成本发明的浮雕形貌基本单元的棱锥体的结构示意图下面根据附图描述本发明的实施例。
如图1、图2所示，将反射率为25％的金属化表面制成具有三角锥形阵列的浮雕表面。根据光学原理可知，正入射光，其入射方向接近于宏观表面法线方向，要经过两次反射才离开界面，故其反射率为R＝Ro2，在Ro＝25％时，由若干三角锥形1构成的锥体阵列的浮雕表面对于正入射光束的二次反射后的反射率将降到6％左右，如果锥体阵列表面反射率为Ro＝10％时，其二次反射后的反射率降为1％，推而广知，在斜入射方向，其反射波与入射波在宏观表面法线的同侧，那么散射到法线方向及镜面反射方向的光束的强度将非常微弱，我们知道，白天太阳处在天上，所以，具有前述的三角锥形1的浮雕表面构成的本发明若覆盖车辆的窗户玻璃或者覆盖建筑物窗户玻璃的表面，会获得较理想改变镜面反射的效果，其反射的太阳光极其微弱，并基本上是射向空中。
如图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，构成本发明光学元件除采用三角锥形1的浮雕材料，也可以采用其它的锥体阵列的浮雕表面，可以采用不规则排列的圆锥体2阵列，也可以采用不规则的多棱锥形3阵列排列，构成参差不一、错落组合的锥形浮雕结构，以形成反射、散射光束，将有效地克服镜面反射给人们带来的不快和烦恼。为了实现多次反射、及杂乱散射的效果，无须要求构成浮雕表面的微观锥体都是同样大小及均匀分布，以形成漫反射和散射，但要求锥体的顶呈圆形且棱面呈粗糙的阶梯形，同时为了控制反射表面对太阳光的吸收，避免造成太大的热效应，导致车内或室内温度升高，则应在构成本发明的浮雕表面镀以铝膜或金Au、银Ag、铜Cu、及其合金膜，但对后者——金、银、铜及其合金膜，因其附着力差，在镀膜前，须先镀一层薄的缓冲层4，如钛Ti或锌Zn、镍Ni等及其合金，再镀金、银、铜及其合金膜构成金属层5，继而再涂上一层氧化物，如氧化硅或者聚丙烯酸脂类的物质构成保护层6。这样既消除了不必要的镜面反射，又有效地降低了锥形浮雕表面的热效应，同时又使其具有一定的透明度，有利于车内室内的亮度要求和对外观察的需要。
实施例二是，在透明塑料表面形成大致均匀分布的圆锥体2，这种由圆锥体2构成的浮雕表面的特征尺寸，包括锥体的高度和锥体底部直径控制在微米数量级、与电磁波的波长同数量级，一般控制在0.1-2毫米之间，表面锥形浮雕的每个重复单元的底面积控制在0.04平方微米至8平方毫米，以保证效果。继而在其表面(反射面)镀上15埃()的缓冲层4和20埃()的金属铬层，以及350埃的氧化锡或者氧化锌层，构成本发明的光学元件的薄膜材料对可见光的透射率为65％，制成锥体浮雕表面的反射率低于1％，其杂散入射光经其表面散射到法线方向的反射率亦低于1％。将按本发明要求构成的薄膜贴于电视屏或者电子计算机的显示屏，则杂散灯光透过其薄膜的部分将被屏幕本身所吸收，故坐在正前方的观察者不会因为灯光造成的反射而烦恼，并且该表面具有微弱的导电性能，可以消除表面静电的积累。
实施例3，本发明可以将上例中镀膜改为80埃的金属钛及550埃氧化锌，使制成锥形浮雕表面对可见光的净透射率达到50％，若将这种有锥形浮雕表面的薄膜置于电视屏前方，则其散射光总反射率仍然在1％左右，因为电视屏发出的萤光只需透过此薄膜一次，所以图象反衬将大为改善，而无需顾虑室内杂散灯光的干扰故观察的效果更好。
实施例4，本发明将塑料衬底的表面做成特征长度为微米数量级的不规则排列的锥形浮雕结构，继而对其进行表面处理，先镀上缓冲层4再镀以500-700埃的金属铬(Cr)或者钼(Mo)，及600埃氧化锌、氧化锡或500埃氧化钛层，其结果是表面的热幅射发射率e≤0.10，对太阳能的吸收率α≥0.95，故可以作为理想的太阳能吸收器的基本光学材料。
实施例5，本发明将采用的制作锥形浮雕材料的透光率控制在40％以内，其锥形浮雕的特征尺寸为微米级，与电磁波的波长同数量级，激光雷达将无法在此表面上收集到入射方向上的反射讯号。
当本发明的光学元件表面镀有低折射率的材料，以实现耐腐蚀，耐磨损的平滑表面时，其表面的外涂层与空气的界面对表面的总反射性能将有不利的影响，例如氟化物的光学折射常数为1.40左右，二氧化硅的光学折射常数为1.46，聚丙烯酸脂类塑料的光学折射常数接近1.50，它们与空气界面的反射率为3％左右，但在有些场合，表面的反射率控制在10％以下就已经令人满意， 故使用本发明的这种系列产品，具有同样的降低表面反射率的效果，这也是本发明的一大优点。
值得指出的本发明在汽车车窗玻璃上的应用情况，因为各种原因，许多车主希望其后窗户的玻璃的透明度低一些，例如某车主希望后玻璃窗的透光率为10-20％，后部两侧为20％-40％，前部两侧保持在60-70％，正前方的窗玻璃保持70-90％，车库服务人员遵照上述要求将金属化薄膜粘贴于各个车窗玻璃内侧，因为粘结剂中通常都掺有紫外线吸收剂，所以车内人员和物品也不会受紫外线照射的损害，但车主也有所失望，因为这时各个部位的车窗玻璃的反射率不一样，尤其是后面的窗玻璃，其反射率可能高达30-50％以上，对内对外都几乎成了一面大镜子。然而改用本发明的光学元件，继而在该产品外侧面用有机材料填平所有微米级的不整齐部分，则所有的各窗户玻璃不论其所用的金属化薄膜的透明度如何，其对内对外的反射率都与透明玻璃本身相近。
本发明的制作方法是，采用模版复制工艺，制作基膜，对具有锥形浮雕的基膜表面进行镀膜处理，得到本本发明要求的光学元件。为了在大面积上形成具有锥形浮雕的表面形貌，第一步是制作复印模版。这种模版是一种带有本发明所要求的立体浮雕形态的金属薄膜或者薄板，将其装在卷筒上，由于本发明所需的立体浮雕图形不要求其形态非常规则和整齐的分布，故可以直接在选用的金属片上(或玻璃或有机材料上)经过光刻腐蚀工艺形成图像；也可以从宏观立体物体阵列开始，用全息摄影的方式缩影，继而在特殊塑胶上形成所需要的锥形浮雕图案，再在此浮雕表面镀镍后即可以用作复印用的模版。第二步是利用模版在塑料薄膜上大量压印而复制，也可以在安装转筒上的原版(即模版)上浇注或者蒸镀热塑材料，待其在模版上凝固聚合成形后脱模，脱下来的热塑薄膜表面就具有本发明所需要的锥形浮雕表面了，除此之外，还可将热塑材料加热至软化点附近，再用制造的模版压印该热塑材料的表面，用这种方法，每小时可以加工数千平方米具有浮雕形貌的塑料薄膜。然后对这些成形物进行表面处理，镀金属层或金属与介质薄膜，以形成具有一定吸收能力的反射面。另外，也可以将平面薄膜的反射面先镀以金属或金属夹层，或金属和介质夹层后，再用具有浮雕形貌的模版压印而形成。值得说明的是，在具有浮雕形貌的反射面上覆盖的可以是低介电常数的材料，也可以是具有很强附着力的金属薄膜的有机材料，还可以在浮雕形貌的表面镀上有金属或金属及介质薄膜的玻璃材料，根据反射要求和吸收率不同可以选择不同的对本发明的光学元件具有的锥形浮雕表面进行表面处理的金属材料和氧化物。具体讲，浮雕形貌表面镀的金属膜材料，可以选择，金Au、银Ag、铜Cu、铝Al，铬Cr、镍Ni、钽Ta、钛Ti、锡Sn、钼Mo、锌Zn、及它们中间二种以上金属材料组成的合金。浮雕形貌表面镀的介质薄膜可以是氧化物，或氮化物或氢化物、或硼化物、或碳化物，其镀膜工艺按现行镀膜工艺进行。
权利要求
1.控制表面形貌改变镜面反射的光学元件，采用能够削弱电磁波沿物体宏观表面镜面反射、并能降低其总反射率、且起到光学陷阱作用的光学元件，其特征在于，该光学元件具有反射和吸收能力的表面有高低不一的若干单个锥体错落排列组成的锥形浮雕。
2.根据权利要求1所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件，其特征在于，表面锥形浮雕的基本重复单元的形状为圆锥体(2)或圆台，圆锥体(2)的高度或直径与电磁波波长同数量级。
3.根据权利要求1所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件，其特征在于，表面锥形浮雕的基本重复单元的形状为棱锥形、或三角锥形(1)或多角棱锥形(3)的锥体形状及其组合的锥体阵列，锥体的顶呈圆形且棱面呈粗糙的阶梯状，锥体的高度或宽度与电磁波波长同数量级。
4.根据权利要求1所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件，其特征在于，表面锥形浮雕的高度在0.1微米至2毫米之间。
5.根据权利要求1所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件，其特征在于，表面锥形浮雕的每个重复单元的底面积为0.04平方微米至8平方毫米。
6.根据权利要求1所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法，采用模版复制工艺，其特征在于，向具有浮雕形貌的模版上蒸发有机材料，使其在模版上凝固、聚合过程中成形，脱模后得成形物，再进行表面处理。
7.根据权利要求6所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法，其特征在于，在金属薄板、或玻璃、或有机材料上，应用光刻腐蚀制成圆锥形或棱锥形浮雕图案的供复制用的模版。
8.根据权利要求6所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法，其特征在于，以宏观圆锥体或棱锥体阵列作为模具，用全息摄影的方法缩影，继而在特殊塑胶板上制成所需的锥形浮雕图案作为原版，经表面镀镍后，用作供复制用的模版。
9.根据权利要求1所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法，采用模版复制工艺，其特征在于，在具有浮雕形貌的模版上浇注热塑材料，经冷却凝固聚合过程而形成，脱模后得成形物，再进行表面处理。
10.根据权利要求1所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法，采用模版复制工艺，其特征在于，将热塑薄膜加热至软化点，再使用具有浮雕形貌的模版压印而形成，形成物再进行表面处理。
11.根据权利要求1所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法，采用模版复制工艺，其特征在于，先将平面薄膜的反射面镀以金属或金属夹层，或金属和金属介质夹层后，再用具有浮雕形貌的模版压印而成。
12.根据权利要求6、9或10所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法，其特征在于，进行表面处理是在成形物的浮雕形貌的反射面覆盖低介电常数的材料。
13.根据权利要求6、9或10所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法，其特征在于，进行表面处理是在成形物的浮雕形貌的反射面上镀有金属薄膜的有机材料。
14.根据权利要求6、9或10所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法，其特征在于，进行表面处理是在成形物的浮雕形貌的反射面镀有金属及介质薄膜的有机材料。
15.根据权利要求6、9或10所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法，其特征在于，进行表面处理是在成形物的浮雕形貌的反射面镀有金属或金属和介质薄膜的玻璃材料。
16.根据权利要求6、9或10所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法，其特征在于，进行表面处理时，在成形物的浮雕形貌的反射面镀的金属膜材料是金Au、银Ag、铜Cu、铝Al、铬Cr、镍Ni、钽Ta、钛Ti、锡Sn、钼Mo、锌Zn、及其组合的合金材料。
17.根据权利要求6、9或10所述的控制表面形貌改变镜面反射的光学元件的制作方法，其特征在于，进行表面处理时，在成形物的浮雕形貌的反射面镀的介质薄膜是氧化物，或氮化物、或氢化物，或硼化物，或碳化物。
全文摘要
本发明涉及控制表面形貌改变镜面反射的光学元件及其制作方法，其主要特点是，将具有反射和吸收能力的平面薄膜表面加工成具有浮雕形貌特征的衍射图案，并对这种具有浮雕形貌的基膜进行表面镀膜处理，使其可以有效地捕捉入射的电磁波，既降低其反射率，减少宏观表面的反射波，也使其吸收能力大为增加。这种薄膜光学元件，可以改变镜面反射和吸收状况，是对现有薄膜光学技术的创新，其构思新颖，容易制造，生产成本低，应用范围广泛。
文档编号G02B5/122GK1157929SQ96119670
公开日1997年8月27日 申请日期1996年10月31日 优先权日1996年10月31日
发明者汪凌志, 汪定基 申请人:汪凌志
文档序号 :
【 2766648 】
技术研发人员：汪凌志,汪定基
技术所有人：汪凌志
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
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技术研发人员：汪凌志,汪定基
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