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CN108291986A - 具有选择性透射率和反射率的光学滤光器 - Google Patents

具有选择性透射率和反射率的光学滤光器 Download PDF

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Abstract

一种提供光的目标波长的选择性透射率和可调节的差分正面和背面表面反射率的光学滤光器。

Description

具有选择性透射率和反射率的光学滤光器
相关申请
本申请要求名称为“Optical Filter with selective transmittance andReflectance”、申请号为62/241,030、申请日为2015年10月13日的美国临时申请的权益和优先权，在此通过引用将其整体并入本文。
技术领域
本发明涉及光学滤光器，并且更具体地涉及具有选择性透射率和可调节的差分正面和背面表面反射率的光学滤光器，采用该光学滤光器的光学制品及其形成方法。
背景技术
本领域已知紫外线(UV)，即在ANSI标准下在280nm至380nm之间的光波长以及在其他AUS/NZ标准下为400nm的光波长对人眼有害。最近，高能量可见光HEV(其特征在于具有从400nm到500nm的波长)也对眼睛健康和其他活组织构成可能的威胁，这也开始变得明显。这种风险发生在HEV光谱的最高能量或最低波长处。这个光范围也归因于其他有益的生物因素，例如调节昼夜节律。因此，正在开发应用来选择性地减少和/或控制入射到眼睛上的这些高能量、UV和HEV波长。降低入射到眼睛上的UV和HEV波长的一种方法是在眼镜中或眼镜上采用光学滤光器。
这种滤光器可以以各种方式创建，包括通过物理气相沉积、PVD技术。通常使用减少和控制镜片表面反射的涂层(称为抗反射AR涂层)。AR涂层的示例可以在授予Nelson的美国专利第6,165,598号；授予Blunckenhagen的美国专利第8,425,035号；授予Beinat的美国专利第8,007,901号和授予Yip的美国专利第6,768,581号中找到，将其整体并入本文。Macleod,Angus；Thin Film Optical Filters(第3版)IOP,2001，将其整体并入本文，提供了AR涂层和光学滤光器设计背后的详细信息和理论。
在形成AR涂层中的常见考虑是1)在整个可见光谱范围内(例如，从380到780nm)实现高透射率；2)实现中性或吸引人的反射色彩；3)控制偏角颜色；以及4)在涂层中或涂层上提供层用来改善可清洁性，例如疏水性或疏油性。
通常，AR涂层采用至少两种材料的交替层。材料被选择为使得一种材料具有小于1.6的折射率，例如二氧化硅(SiO2)，以及其他材料具有大于1.6的折射率，例如二氧化钛(TiO2)或二氧化锆(ZrO2)。也可以采用多于两种不同的材料来获得涂层的所需特性。另外，可以采用导电层，例如氧化铟锡，如在授予Marechal的美国专利第6,852,406号中所述，将其整体并入本文，或者薄的金属层，例如0.2nm的Au，如在授予Beinat的美国专利第8,007,901号中所述，以赋予涂层抗静电性能。在这些情况下，选择导电层以最大化透射率，同时保持所需的抗静电性能，即该层对光的吸收最小化，即贯穿可见光范围的吸收小于5％，例如小于1％。
在光学滤光器系统中，光被透射(T)、反射(R)或吸收(A)。如果总入射光强度是Io，则：
Io＝T+R+A
此外，如Macleod所述，透射是不变的，即保持恒量，并且不依赖于人正在目视透镜的哪一侧。在基底(例如光学透镜材料)中没有吸收，上述关系产生了一种情况，其中来自透镜的正面和透镜的背面的反射必须相等。上述参考专利在光谱的可见部分不包含任何明显的吸收，因为它们由透明介电材料构成。因此，从透镜的任一侧观看时，反射都是相同的，忽略了基底的任何影响。
这对用于阻挡光谱的HEV部分的光学滤光器的设计提出了挑战。阻挡这种波长的最常用方法是通过边缘滤光器，该边缘滤光器具有低于特定波长时的高反射和高于该波长时的低反射。然而，实现高的正表面反射必然导致高的背表面反射，即使是仅施加到透镜正面的涂层。因此，HEV波长将从背表面反射到眼睛中。在某些应用中，这个问题会变得更加严重。例如，汽车上的时髦HID前照灯的蓝光发射强度可能会让迎面而来的汽车驾驶员分心。HID前照灯的蓝光散射在表面上，导致眩光。这个问题随着驾驶员年龄的增长而变得更差。在眼镜上使用“边缘”光学滤光器可以通过反射来自透镜正面的蓝光来帮助减少这个问题。但是，驾驶员背后的汽车灯光会反射到眼睛中。即使边缘滤光器仅应用于透镜的正面，这一点也是如此，特别是因为大多数光学透镜材料不会优先衰减蓝光。这种影响可能会让驾驶员分心，甚至可能由于过往车辆这种影响暂时使驾驶员失明。
授予Cado的美国专利第8,870,374号，将其整体并入本文，试图通过提供透镜的正面和背面反射(在它们各自的UV光谱上有所不同)来在UV光的背景下解决这个问题。这种方法是基于所用透镜材料固有的UV吸收以及在透镜的正面和背面应用不同的AR涂层。具体而言，将低UV反射AR施加到透镜的背面以防止反射到佩戴者的眼睛中。正面AR可以独立设计，并由透镜材料提供UV阻挡。因此，实现有效的UV阻挡的能力需要基底或透镜提供有效的阻挡特性。此外，Cado中显示的设计具有来自每个涂层的AR涂层正面和背面的对称反射，忽略了基底中的任何吸收。
授予Apfel的美国专利第3,679,291号，将其整体并入本文，描述了采用吸收层的涂层，以独立影响来自表面的背面反射和正面反射。在本文中，“正面”是指包含光学涂层的透镜侧，即涂层的一侧是空气并且涂层的另一侧接近基底或透镜，而背面是与光学涂层相对的表面。该设计展示了正面和背面反射的巨大差异，然而，具有非常不可取的低于60％的透射率。此外，Apfel的设计限于整个可见光谱范围内的广泛透射(broad transmission)。授予Dobrowolski的美国专利第5,521,759号描述了在滤光器设计中采用吸收层，特别是在陷波透射滤光器中抑制边带的目的，但是也没有特别考虑用于维持透射。
因此，在本领域中需要用于独立地控制来自透镜的正表面和背表面的期望波长的光的反射的替代滤光器设计和系统，这与透镜材料中可能存在的任何吸收无关，不需要涂覆正面和背面涂层，并且因此制造更经济。在本领域中还需要用于其他光学和美学效果(例如消色差)的替代滤光器设计，而不用考虑增加对眼睛的背反射。
发明内容
本发明提供独立地控制来自滤光器或光学制品的正表面和背表面的期望波长的光的反射的光学滤光器、滤光器设计以及光学制品和系统，这与光学制品的基底中可能存在的任何吸收无关，其不需要在光学制品上涂覆正面和背面涂层，因此制造更为经济。这些目的部分地通过提供一种光学滤光器来实现，所述光学滤光器包括：具有不同折射率的多个透明介电材料交替层；至少一层厚度小于50nm的金属吸收材料；以及百分比透射率大于70％的光学滤光器。多个透明介电材料交替层包括折射率小于或等于1.6的材料。多个透明介电材料交替层包括折射率大于1.6的材料。所述至少一层金属吸收材料包括导电材料。所述至少一层金属吸收材料包括金、氮化钛和/或氮化锆。所述至少一层金属吸收材料直接插入具有不同折射率的多个透明介电材料交替层的两层之间。所述至少一层金属吸收材料直接插入所述多个透明介电材料交替层的层内。所述至少一层金属吸收材料位于所述多个透明介电材料交替层内，朝向光学滤光器的正面。所述至少一层金属吸收材料位于所述多个透明介电材料交替层内，朝向光学滤光器的背面。
这些目的部分地通过提供一种包括透镜基底的验眼透镜来进一步实现；以及具有正表面和附接到所述透镜基底正表面的背表面的光学滤光器；来自验眼透镜的正表面的百分比反射率比来自光学滤光器的背表面的百分比反射率大50％。其中，透镜基底是热塑性的。其中，透镜基底为可固化液态单体混合物或可固化聚氨酯基预聚物组合物。验眼透镜还包含功能性层压体。光学滤光器包括多个具有不同折射率的透明介电材料交替层；和至少一层厚度小于50nm的金属吸收材料。光学滤光器包括至少一层金、氮化钛和/或氮化锆。
这些目的部分地通过提供一种用于形成光学制品的方法来进一步实现，该方法包括：获得光学基底；在光学基底的表面上施加至少一层折射率大于1.6的透明介电材料；在光学基底的表面上施加至少一层折射率小于或等于1.6的透明介电材料；在光学基底的表面上施加至少一层金属吸收材料；并且通过施加所述至少一层金属吸收材料，使得来自所述光学制品的正表面的百分比反射率比来自所述光学制品的正表面的背面的百分比反射率大50％。施加至少一层金属吸收材料包括施加厚度小于50nm的层。施加至少一层金属吸收材料包括施加导电材料。施加至少一层金属吸收材料包括施加金、氮化钛和/或氮化锆。获得光学基底包括获得热塑性验眼透镜。
附图说明
本发明的实施例能够实现的这些和其他方面、特征和优点将是显而易见的，并且将从本发明实施例的以下描述并参考附图从而得以阐明，其中
图1是本发明的一个实施例的光学制品的局部横截面图。
图2是比较钨和金的n和k值的曲线图。
图3A是本发明的一个实施例的光学滤光器的局部横截面图。
图3B是本发明的一个实施例的光学滤光器的局部横截面图。
图3C是本发明的一个实施例的光学滤光器的局部横截面图。
图4A是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的配置的表格。
图4B是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的透射率的曲线图。
图4C是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的正面反射率的曲线图。
图4D是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的背面反射率的曲线图。
图5A是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的配置的表格。
图5B是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的透射率的曲线图。
图5C是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的正面反射率的曲线图。
图5D是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的背面反射率的曲线图。
图6A是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的透射率、正面反射率和背面反射率的曲线图。
图6B是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的透射率、正面反射率和背面反射率的曲线图。
图7A是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的配置的表格。
图7B是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的正面反射率的曲线图。
图7C是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的背面反射率的曲线图。
图8A是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的配置的表格。
图8B是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的正面反射率的曲线图。
图8C是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的背面反射率的曲线图。
图9A是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的配置的表格。
图9B是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的透射率、正面反射率和背面反射率的曲线图。
图9C是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的透射率、正面反射率和背面反射率的曲线图。
图9D是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的透射率、正面反射率和背面反射率的曲线图。
图9E是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的透射率、正面反射率和背面反射率的曲线图。
图9F是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的透射率、正面反射率和背面反射率的曲线图。
图9G是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的透射率、正面反射率和背面反射率的曲线图。
图9H是表示本发明的某些实施例的光学滤光器的透射率、正面反射率和背面反射率的曲线图。
图10A是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的配置的表格。
图10B是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的透射率的曲线图。
图10C是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的正面反射率的曲线图。
图10D是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的正面反射率的曲线图。
图11A是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的配置的表格。
图11B是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的透射率的曲线图。
图11C是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的正面反射率的曲线图。
图11D是表示本发明的一个实施例的光学滤光器的正面反射率的曲线图。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明的具体实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应该解释为限于本文阐述的实施例；确切地说，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并且将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。在附图中示出的实施例的详细描述中使用的术语不旨在限制本发明。在附图中，相同的数字表示相同的元件。
广而言之，本发明涉及涂层设计，例如气相沉积涂层，其通过在形成光学滤光器的涂层或涂层叠层内包含一个或多个吸收层来提供受控的吸收，从而提供对光学滤光器的透射率和正面和背面反射率的改进控制。本发明提供了几个优点：(1)波长阻断可以通过反射和吸收的组合来实现；(2)来自涂层的正面和背面反射率可以被独立地影响；(3)可以操纵颜色外观以创建新的镜子或色彩；和(4)通过使用替代材料可以提供增强的拜耳或环境性能。
正面和背面涂层反射的概念在图1中显示。在某些实施例中，将本发明的涂层12施加到光学基底14的一侧。涂层12的正面8是与基底14相反的一侧。涂层12的背面6是与基底14接触的一侧。涂层12的正面8可以但不一定必须与光学制品10的正面4关联。入射在光学制品10的正面上的光(I-Front)可以被反射并且称为正面反射(R-Front)。入射在涂层12的背面6上的光(I-Back)也可以被反射并且称为背面涂层反射(R-Back)。重要的是注意背面涂层反射(R-Back)不是源自基底14的背面2，而是源自涂层12的背面6与基底14的界面。
如MacLeod所述，通过“势透射率”的概念可以理解具有吸收层的滤光器设计的某些潜在性能特性。如前所述，光必须要么被透射(T)、被反射(R)或被吸收(A)。通常过滤涂层的目的是实现反射最小化，以便使透射率最大化。如果有一个具有给定透射和反射的现有光学滤光器，通过在滤光器的正面和/或背面添加层可能达到的最大透射率是势透射率(ψ)，由下式表示：
因此，如果反射率被消除，则势透射率最终受到堆叠中存在的吸收量的限制。吸收部分取决于光学堆叠中包含的吸收层的折射率。例如，玻璃上的10nm厚的钨层将具有500-800nm的43％的平均势透射率。相反，10nm的金层在500-800nm的相同范围内将具有90％的平均势透射率。考虑到滤光器的通带区域，这些值是关键的。
对于宽带可见光滤光器，与太阳镜中可能使用的相似，在可见光谱(380-780nm)上的最小势透射率为8％将由通用太阳透镜的监管限制决定。该宽带滤光器的上限势透射率限度将小于80％，其限定了用于太阳镜(sun wear)的光着色的开始。最常见和优选的是势透射率水平低于50％，这对于太阳镜是最常见的。因此，对于宽带的太阳镜应用，这限定了20-92％的吸收范围，意味着来自透镜背面的反射处于或接近零，以使投射最大化。正面的反射会高得多，标称范围从20％到80％。
更感兴趣的是，创建边界滤光器以阻断特定的光谱区域。诸如金的材料可以在500-800nm具有高的最大势透射率(对于10nm的厚度大于90％，对于15nm的厚度为86％)，同时在HEV区域的部分(例如400-450nm)具有较低的势透射率(对于10nm的厚度为62％，而对于15nm的厚度为53％)。这种势透射率的差异有助于在通带中产生具有高透射率的滤光器(例如，500-800nm大于80％，并且优选从00-800nm大于90％)。同时，滤光器将具有阻带区域，其中来自滤光器背面的反射低于20％，并且优选低于10％，同时保持正面滤光器的反射率大于70％，并且优选大于80％。这可能是由于光学滤光器中存在吸收。该设计根据光(从正面或背面)进入滤光器的方向在吸收过程中产生不对称性，因此产生反射。
用于本发明的吸收材料可以大致分为两类：(1)其中游离载体可以产生吸收的导体，例如金属和透明导电氧化物，TCO，以及(2)带边吸收剂，例如半导体或低带隙绝缘体，例如二氧化钛(TiO2)。在近紫外和可见光波段，金属可以大致分为两类：(1)具有低“n”折射率和高“k”吸收率的那些；以及(2)具有可比较的n值和k值的那些。图2显示了比较钨(W)和金(Au)材料的n和k值的曲线图，其代表两个不同的n和k曲线。
这种分组的重要性在于，相对于具有较低k/n比的金属，具有较高k/n比的相同厚度的金属膜将具有高得多的势透射率。因此，在某些实施例中，提供了滤光器和滤光器设计，其可以在给定的光谱范围内具有高透射率，并且然后在该范围之外具有较低的透射率。在某些实施例中，根据本发明的涂层使用吸收剂或吸收层，当在涂层系统内选择性地定位和形成时，所述吸收剂或吸收层允许产生具有期望透射率和低反射率的滤光器。此外，本发明的某些实施例提供了将该效果隔离或增强到透镜的一侧(即正面和背面反射率可以变得不同)和/或在光学制品或透镜的正面和背面上产生反射。
在某些实施例中，本发明的设计方法部分取决于吸收材料的选择。例如，具有高k/n比的金属，例如铝、银、金，允许高势透射率，而较低的k/n比材料允许较低的势透射率，但在外观上更中性(neutral)。
在某些实施例中，将吸收层结合到涂层叠层中以减少正面和背面反射，同时在选择带(即阻断带或拒斥带)中保持低透射率。例如，通过吸收HEV波长，对于HEV阻断而言通常为紫色的反射颜色被改变为在美学上更吸引人，同时保持期望的保护。
在某些实施例中，提供选择性阻断滤光器，例如用于过滤HEV波长，其中吸收剂结合到涂层堆叠中为了实现低于来自正表面的截止波长的高反射率、来自透镜的眼睛侧的截止波长以下的背反射率显着降低以及贯彻可见波长的高透射率。
在本发明的某些实施例中，滤光器部分地由插入在一种或多种材料的交替层内的一层或多层吸收材料形成，所述材料选自但不限于包括：二氧化硅、氮氧化硅，氧化铝、二氧化钛、五氧化二钽和二氧化锆。在某些实施例中，吸收材料层直接插入在高折射率材料层和低折射率材料层之间。在某些其他实施例中，吸收材料层直接插入在高或低折射率材料的另一单一的连续层内。
在本发明的某些实施例中，提供了光学滤光器和由其形成的光学制品(1)其对于波长在500-800nm范围内的光具有的平均透射率大于70％，例如在大约70％到99％、80％到99％，
90％到99％的范围内；(2)对于波长在400-450nm范围内的光，其形成滤光器的涂层具有小于40％、小于30％、小于10％或小于2％或在大约5-65％的范围内的背面反射率；(3)其对于波长在400-450nm范围内的光具有在约50-90％或75-90％范围内的正面反射率。
在本发明的某些实施例中，提供了光学滤光器和由其形成的光学制品，其具有涂层的背面反射率与涂层和/或采用涂层的光学制品的正面反射率之间的差异超过50％或在大约30-85％的范围内。
如图3A-3C所示，根据某些实施例，透镜或光学制品10具有涂层12，即具有光学滤光器堆叠。为了清楚起见，这里公开的涂层或堆叠将从下到上进行描述。也就是说，将从堆叠的第一层或底层开始描述形成涂层或堆叠的各个层，第一层或底层直接施加到光学基底上，并依次施加堆叠的每个后续层。以这种方式，涂层或堆叠的“顶层”是在涂覆过程中施加的相关涂层或堆叠的最后层。
在如图3A所示的实施例中，第一高折射率层16直接施加在光学基底14的顶部上。金属吸收层20直接施加在第一高折射率层16的顶部上。第一低折射率层18直接施加在吸收层20的顶部上。第二高折射率层16直接施加在第一低折射率层18的顶部上，并且第二低折射率层18直接施加在第二高折射率层16的顶部上。根据需要或要求，在其中施加高折射率材料和低折射率材料的附加交替层22，以获得目标光学特性。
在如图3B所示的实施例中，高折射率材料和低折射率材料的交替层22直接施加在光学基底14的顶部上。金属吸收层20直接施加在交替层22的顶部上。高折射率层16直接施加在金属吸收层20的顶部，并且低折射率层18直接施加在高折射率层16的顶部上。与图1所示的实施例相比，图2中示出的涂层12采用更接近涂层顶部的金属吸收层20，即朝向涂层12的正表面或正面。
在如图3C所示的实施例中，金属吸收层20直接施加到第一高折射率层16内，所述第一高折射率层16直接施加在光学基底14的顶部上。第一低折射率层18直接施加在第一高折射率层16的顶部上。第二高折射率层16直接施加在第一低折射率层18的顶部上，并且根据需要或要求，在其中施加高折射率材料和低折射率材料的附加交替层22，以获得目标光学特性。在如图3所示的实施例中，金属吸收层20直接插入在高折射率层16的另一单一连续层内。
举例来说，在如图3A-3C所示的实施例中，金属吸收层20例如由金、钨、镍或锆形成，并且具有2至20纳米，例如4或15纳米的厚度。厚度取决于所使用的吸收性金属和滤光器涂层所需的光谱。高折射率层16例如由二氧化锆形成，并且具有大约5至15纳米，例如13纳米的厚度或大约100至150纳米，例如121.5纳米的厚度，这取决于在涂层12内的层16的位置。低折射率层18例如由二氧化硅形成并且具有大约20至40纳米，例如30.2纳米的厚度或大约100至150纳米，例如121.5纳米的厚度，也取决于在涂层12内的层18的位置。
在本发明的某些实施例中，本发明的涂层采用但不一定采用直接施加到光学基底14的表面上的粘合层。例如，粘合层由氧化硅(SiOx)形成，其中x小于或等于2；锆；和/或氧化锆(ZrOx)，其中x小于或等于2，并且具有例如大约1纳米或更小的厚度。
可以理解的是，上述涂层堆叠12仅仅是根据本发明的涂层的例子，并且考虑了层数量、不同层的单独厚度以及形成不同层的各种材料的变体，并且落在本发明的范围内。此外，透镜10可以进一步采用额外的功能性涂层和施加在涂层12上的处理，例如易清洁和/或疏水性涂层。
在某些实施例中，可以在上述低、中、高折射率材料的交替层的顶部上施加单独的疏水或防污层或涂层。这种疏水或防污层或涂层为验眼透镜提供了更容易的清洁和维护。对于溅射涂覆的膜，疏水或防污层或涂层通常通过在涂层上实现低表面能的浸渍工艺来施加，即实现大于100度的水接触角。这种疏水或防污层或涂层的厚度约在5至10纳米的范围内。
在根据本发明的涂覆方法的一个实施例中，使用设计有适合用于小处方加工实验室的小占地面积的溅射工具来涂覆塑料透镜。这种溅射系统的方面在受让人美国专利公开第2014/0174912号中详细描述，将其整体并入本文。这种机器的相对较小的占地面积将溅射靶或材料的数量限制为最多两个。靶由金属型材料形成，并且在加工期间加入氧气、氮气和/或氩气，以形成低折射率和高折射率氧化物材料的期望的透明介电层。一个靶用于从暴露于氧气的硅靶形成低折射率材料，例如二氧化硅。另一个靶用于由暴露于氧气的锆靶形成高折射率材料，例如二氧化锆。系统中的等离子体源提供活化的氧等离子体，以帮助形成无吸收氧化物层。
使用Zr和/或Ti作为透明氧化物的靶材是有利的，因为它提供了通过添加氮而不是氧来交替形成ZrN和/或TiN的能力。这些导电陶瓷以相当低的成本提供所需折射率分布(类似于Au)的优点。
举例来说，在溅射过程开始时，待涂覆的透镜转移到涂覆室中。在选定的压力下，通常低于5×10-5毫巴，氩气和氧气的混合物通过质量流量控制器进入室。等离子体源被激励以形成等离子体，以便处理透镜表面，增加了沉积膜材料对透镜的附着力。在等离子体清洁之后，硅的粘附层可以替代地以每分钟40标准立方厘米(SCCM)和1500瓦的功率的氩气流来沉积而成。没有氧气添加到允许形成具有最小氧气掺入的硅膜的工艺中。该层的厚度由沉积时间决定。通常，沉积小于一纳米的膜厚度。如果沉积三纳米或更大的层厚度，则该膜足够导电以赋予抗静电性能。在该层之上，使用合适的工艺(如脉冲直流反应溅射)将低折射率材料和高折射率材料以及一个或多个金属吸收层的交替层沉积至规定的厚度。
这种材料层的沉积功率足以达到所需的循环时间，同时不会引起透镜不需要的加热。对于直径约6英寸的靶，典型的功率水平是1458瓦。用于从硅靶形成二氧化硅膜，在接近250的电压下，将16SCCM的氧气加入到运行300毫安的放电电流的等离子体源中。氩气以10SCCM的流速供应到溅射头。其结果是使用与大多数塑料透镜兼容的工艺的高质量透明二氧化硅膜。对于由锆靶形成的二氧化锆膜，在接近250的电压下，将20SCCM的氧气加入到运行300毫安放电电流的等离子体源中。氩气以20SCCM的流速供应给溅射头。其结果是由与大多数塑料透镜相容的工艺形成的高质量透明二氧化锆膜。
吸收层可以以几种方式形成。通过去除沉积过程中的氧气，沉积的膜变成伴生金属，例如来自锆靶的Zr。或者，可以向该过程添加氮，以形成例如ZrN。对于直径约6英寸的靶，典型的功率水平是1458瓦。溅射气体，最常见的是Ar，提供给靶，并且在靶处或通过等离子体源提供氮气。典型的氮气流率为2-10SCCM。
正如本领域任何技术人员所理解的那样，通过涂层设计来设定各个层的厚度。这些厚度将根据所需的设计而变化，并且层的数量可以变化，通常为4到7之间，总涂层厚度在200到500纳米之间。上述工艺条件提供了仅供参考的示例，并且可以根据所采用的材料、所需要的膜性质和所采用的涂覆机而变化。
在某些实施例中，通过操纵形成涂层系统中使用的沉积条件，本发明的涂层系统针对特定应用而形成和优化。例如，改变每种不同靶材的沉积条件以获得所得涂层系统的所需反射率、透射率、吸光度和抗静电性能。
应该理解的是，对于不同的溅射技术和机器，沉积条件或参数是很多的，并且有意义的沉积参数和/或数字通常可以仅为一个给定的沉积系统或机器提供。因此，对于任何给定的系统，熟练的操作人员将会意识到，有必要根据所采用的沉积机的具体沉积条件来确定涂层的期望性质的变化。从一台机器到另一台机器可能改变的系统参数包括：沉积室的几何形状、靶尺寸、施加到靶的功率、靶电压、基底和靶之间的距离、靶成分、气流率、抽气速度、总压力等。
在某些实施例中，根据本发明的涂层施加到光学基底和制品，例如验眼透镜、光学层压制品、窗户、安全护目镜、护罩和太阳眼镜。本发明的涂层系统应用于光学制品的正面、背面或正表面和背表面。例如，验眼透镜可以是成品或未成品透镜和/或单焦点或多焦点透镜。光学制品可以例如由玻璃、结晶石英、熔凝硅石或钠钙硅酸盐玻璃形成。在替代实施例中，光学制品由适用于注塑成型的热塑性基体材料或树脂、或由可固化组合物形成，例如采用液体单体混合物或聚氨酯基预聚物组合物的组合物。这些材料包括但不限于，基于烯丙基二甘醇碳酸酯单体的聚合物(例如可从PPG Industries，Inc.和SPECTRALITE和FINALITESola International Inc.获得的CR-39)、基于聚氨酯基的预聚物组合物(例如Trivex,PPG)和聚碳酸酯(例如可从General Electric Co.获得的LEXAN)。
这种光学制品可以是透明的或者可以采用活性或静态着色基底。这种光学制品还可以采用以涂层、单片薄膜插入物和/或薄膜层压体或晶片形式的附加功能特性。这种膜、层压体或涂层的功能特性可以包括例如染色、着色、硬涂层、偏振、光致变色、电致变色、UV吸收、窄带过滤、抗静电、抗裂纹和易清洁。
示例
涂层模拟：
在TFCalc(Software Spectra,Inc.)中为使用钨(W)和金(Au)金属吸收层的滤光器创建样本滤光器设计。W具有低的k/n比，而Au具有超过500nm的高k/n比。对每个滤光器进行了优化，以实现500-800nm的最大透射率，滤光器的背面反射率Rb在400nm附近接近40％。在该模拟中，滤光器的正面反射率Rf最大化。图4A是表示采用从由二氧化钛层形成的基底分离的吸收Au层的涂层堆叠的配置的表格。图4B示出了相同涂层的透射率；图4C示出了相同涂层的正面反射率；并且图4D示出了相同涂层的背面反射率。
图5A是表示采用从由二氧化钛层形成的基底分离的吸收W层的涂层堆叠的配置的表格。图5B示出了相同涂层的透射率；图5C示出了相同涂层的正面反射率；并且图5D示出了相同涂层的背面反射率。
该模拟证实了本发明的几个设计目标。首先，根据本发明的滤光器设计，正面和背面反射率可以解耦，或者独立且选择性地优化和控制。因此，在本发明的某些实施例中，例如为了与验眼透镜一起使用，来自透镜背面(佩戴者)侧的反射率设计成与透镜的正面相反侧的反射率不同。在至少图4C、4D、5C和5D中示出的结果表明阻挡UV和/或蓝光时效果明显。在夜间驾驶透镜的特殊情况下，由于来自经过驾驶员的汽车透镜背面反射可能会显著分散注意力，所以这一优势更加突出。根据本发明的滤光器允许在保持高的正面反射的同时大幅度降低背表面反射。
其次，根据本发明的滤光器设计，通过采用由不同材料形成的吸收层，可以操纵或优化涂层的通带中的透射率。例如，在上述模拟中，采用Au层的涂层的通带中的透射比采用W层的涂层的通带高得多。即使W层是Au层厚度的一半，情况也是如此。
进行额外的模拟以进一步评估操纵用于涂层堆叠中的W和Au层的厚度的效果，以实现一系列背表面反射，同时使透射率最大化到期望的HEV截止值以上。图6A和6B示出了这些模拟的百分比透射率(Trans(左上起始的线))、背表面反射(R-Back(左下起始的线))和正表面反射(R-Front(中间左起始的线))。所报道的透射是500-800nm的平均值。所报道的反射(正面或背面)是400-450nm的平均值。这些数据清楚地显示了使用具有折射率分布的材料(如Au)的好处。对于低于截止的给定背面反射，当与诸如W(钨)的金属相比时，平均可见透射率可以保持在高得多的值。
可用于本发明的其他金属吸收剂包括银(Ag)，其通常用于Low-E窗涂料中，因为其能够在整个可见光谱范围内实现高透射率。在这样的Low-E应用中，反射率与涂层设计的正面和背面几乎相等。对于蓝光阻断的具体应用，根据本发明，Au与其他金属相比是独特的，因为其在蓝色波段中发生从低到高k和高到低n的转变。这提供了金色的独特颜色。具有类似的外观的其他导体为氮化钛(TiN)和氮化锆(ZrN)。这些导电陶瓷都具有类似于金的外观。几位研究人员研究了它们的折射率，发现它们模仿了金的折射率。TiN的示例由PanosPatsalas、Nikolaos Kalfagiannis和Spyros Kassavetis提供；Materials 2015,8,3128-3154；doi:10.3390/ma8063128(2015)，将其整体并入本文，其表明TiN的复合折射率与Au非常接近。因此，当用金代替光学滤光器中的TiN时，可以预期类似的性能。采用TiN的优点是成本相对较低。此外，它可以由用于形成TiO2的相同靶形成。此外，贵金属(如金)由于其与其他种类的一般无反应性而造成粘附困难。
使用镍(Ni)作为金属吸收层来模拟根据本发明的两种附加滤光器设计。Ni的折射率分布与W类似。该模拟的目的是，显示将吸收层移动到堆叠内的不同位置，将对正面和背面反射率有影响。在这两种情况下，堆叠都如上所述重新优化。图7A是表示采用从由二氧化钛层形成的基底分离的Ni层的涂层堆叠的配置的表格。图7B示出了相同涂层的正面反射率；并且图7C示出了相同涂层的背面反射率。图8A是表示采用从由六个二氧化钛和二氧化硅的交替层形成的基底分离的Ni层的涂层堆叠的配置的表格。图8B示出了相同涂层的正面反射率；并且图8C示出了相同涂层的背面反射率。结果表明了本发明滤光器的正面和背面反射率如何通过吸收层(如Ni层)在堆叠内的选择性定位来优化。
涂层示例：
在一个示例中，锆(Zr)金属用于在根据本发明的涂层中形成吸收材料层。预计Zr的折射率分布与Ni相似(即低k/n值)。因此，Ni是从折射率信息数据库中使用的。基于时间控制Zr层厚度。因此，由于在每次沉积之前靶的氧化态的变化，Zr层的精确厚度是未知的。所有涂覆都在载玻片上进行。从Hunter光谱仪获得所产生的实验样品的光谱数据。
图9A是表示采用层从由二氧化钛形成的基底分离的吸收Zr层的涂层堆叠的配置的表格。图9B示出了采用在1秒形成的Zr层的涂层的百分比透射率(trans)、正面反射率(Rf)和背面反射率(Rb)。图9C、9D、9E、9F和9G示出分别在2.5、4、6、7.5和10秒形成的Zr层的涂层的透射率、正面反射率和背面反射率。对于夜间驾驶的光学透镜等应用，主要感兴趣的是减少背面反射Rb。图9H示出了由图9B到9G所示的测试涂层产生的峰值背面反射率与峰值正面反射率(圆圈)的比率和450-850波长产生的的平均百分比透射率(菱形)。
以上证明使用根据本发明的选择性定位和形成的吸收层可操作的，以将背表面反射相对于正面减少30％，同时仍保持透射率接近80％。本发明的滤光器的另外的优化可以降低可见光波长的反射率，这将增加总透射率。
模型确认：
在TFCalc中对图9A-9G所描述和示出的涂层进行重新建模。图10A是表示对应于采用在1秒形成的吸收Ni层的实验涂层的重新建模涂层堆叠的配置的表格。图10B示出了对于相同涂层，实验涂层的百分比透射率(圆圈)与模拟数据(实线)的关系；图10C示出了对于相同涂层，实验涂层的正面反射率(圆圈)与模拟数据(实线)的关系；以及图10D示出了对于相同涂层，实验涂层的背面反射率(圆圈)与模拟数据(实线)的关系。
图11A是表示对应于在采用7.5秒形成的吸收Zr层的实验涂层的重新建模涂层堆叠的配置的表格。图11B示出了对于相同涂层，实验涂层的百分比透射率(圆圈)与模拟数据(实线)的关系；图11C示出了对于相同涂层，实验涂层的正面反射率(圆圈)与模拟数据(实线)的关系；以及图11D示出了对于相同涂层，实验涂层的背面反射率(圆圈)与模拟数据(实线)的关系。从这些图中可以看出，模型和实验数据之间的一致性非常好。
尽管已经根据特定实施例和应用描述了本发明，但是本领域的普通技术人员根据该教导可以产生另外的实施例和修改，而不背离要求保护的发明的范围的精神或超越其范围。因此，应该理解，本文的附图和描述是通过举例的方式提供的，以便于理解本发明，并且不应该解释为限制其范围。

Claims (20)

1.一种光学滤光器，包括：
具有不同折射率的多个透明介电材料交替层；
至少一层厚度小于50nm的金属吸收材料；以及
所述光学滤波器的百分比透射率大于70％。
2.根据权利要求1所述的光学滤光器，其特征在于，所述多个透明介电材料交替层包含折射率小于或等于1.6的材料。
3.根据权利要求1所述的光学滤光器，其特征在于，所述多个透明介电材料交替层包含折射率大于1.6的材料。
4.根据权利要求1所述的光学滤光器，其特征在于，所述至少一层金属吸收材料包含导电材料。
5.根据权利要求1所述的光学滤光器，其特征在于，所述至少一层金属吸收材料包括金、氮化钛和/或氮化锆。
6.根据权利要求1所述的光学滤光器，其特征在于，所述至少一层金属吸收材料直接插入具有不同折射率的所述多个透明介电材料交替层的两个层之间。
7.根据权利要求1所述的光学滤光器，其特征在于，所述至少一层金属吸收材料直接插入所述多个透明介电材料交替层的层内。
8.根据权利要求1所述的光学滤光器，其特征在于，所述至少一层金属吸收材料位于所述多个透明介电材料交替层内，朝向光学滤光器的正面。
9.根据权利要求1所述的光学滤光器，其特征在于，所述至少一层金属吸收材料位于所述多个透明介电材料交替层内，朝向光学滤光器的背面。
10.一种验眼透镜，包括：
透镜基底；
光学滤光器，具有附接到所述透镜基底正表面的正表面和背表面；以及
来自所述验眼透镜的正表面的百分比反射率比来自所述光学滤光器的背表面的百分比反射率大30％。
11.根据权利要求10所述的验眼透镜，其特征在于，所述透镜基底是热塑性的。
12.根据权利要求10所述的验眼透镜，其特征在于，所述透镜基底是可固化液体单体混合物或可固化氨基甲酸酯基预聚物组合物。
13.根据权利要求10所述的验眼透镜，还包含功能性层压材料。
14.根据权利要求10所述的验眼透镜，其特征在于，所述光学滤光器包括：
多个具有不同折射率的透明介电材料交替层；以及
至少一层厚度小于50nm的金属吸收材料。
15.根据权利要求10所述的验眼透镜，其特征在于，所述光学滤光器包括至少一层金、氮化钛和/或氮化锆。
16.一种形成光学制品的方法，包括：
获得光学基底；
在所述光学基底上形成光学制品，包括：
在所述光学基底的表面上施加至少一层折射率大于1.6的透明介电材料；
在所述光学基底的表面上施加至少一层折射率小于或等于1.6的透明介电材料；
在所述光学基底的表面上施加至少一层金属吸收材料；以及
通过施加所述至少一层金属吸收材料，使得来自所述光学制品的正表面的百分比反射率比来自光学滤光器的背面的百分比反射率大30％。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述施加至少一层金属吸收材料包括施加厚度小于50nm的层。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述施加至少一层金属吸收材料包括施加导电材料。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述施加至少一层金属吸收材料包括施加金、氮化钛和/或氮化锆。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述获得光学基底包括获得热塑性验眼透镜。
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