CN102216817A - 可变透射复合干涉滤光器 - Google Patents
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Abstract
现在根据本发明，提供干涉滤光器(10)，其将两个带通干涉滤光器(12、14)结合成一个复合干涉滤光器(10)。所述两个滤光器各具有至少一个带通曲线，所述带通曲线以沿给定角度入射到滤光器表面的光的相同波长为中心。然而，滤光器部件的带通曲线移位是不同的，从而使得当入射角度偏离给定角度时透射的光减少。
Description
相关申请
本专利申请是2008年10月31日提交的美国专利申请第12/263,441号的继续申请案并要求其优先权，该申请的全部教导内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般属于滤光器的领域，具体来说，本发明属于用于选择性地透射所需波长的可见光的带通干涉滤光器的领域。
背景技术
对选定波长的光进行过滤的装置是公知的，并且已使用多年。通常，对白光或包含整个可见光谱上的波长的分量的光的光源进行过滤以便仅透射所需的波长。在常规技术下可用作滤光器的多种滤光器中，吸收滤光器和干涉滤光器是常用的。
一种类型的干涉滤光器利用设置在两个甚薄反光材料层之间的介电层。所产生的滤光器透射可见光谱带内的光。然而，透射光的波长带并非沿所有入射角度是恒定的。通常，透射的带将随着角度改变而移位。因此，透射光的表色将随着观察者的观看角度的改变而改变。透射的光的波长和带移位的量值与介电层的厚度和介电材料的折射率直接相关。
因为有许多待选择的介电化合物，并且因为能够精细地控制多种组分的大小，所以能够将带通干涉滤光器制造成透射沿着可见光光谱的多种广泛带中的光。
本领域中所需要的是创新的滤光器，其有利地使用常规干涉滤光器的光学特性来产生有用的过滤效果。
对选定波长的光进行过滤的装置是公知的，并且已使用多年。通常，对白光或包含整个可见光谱上的波长的分量的光的光源进行过滤以便仅透射所需的波长。在常规技术下可用作滤光器的多种滤光器中，吸收滤光器和干涉滤光器是常用的。
一种类型的干涉滤光器利用设置在两个甚薄反光材料层之间的介电层。所产生的滤光器透射可见光谱带内的光。然而，透射的光的波长带并非沿所有入射角度是恒定的。通常，透射的带将随着角度改变而移位。因此，透射光的表色将随着观察者的观看角度的改变而改变。透射的光的波长和带移位的量值与介电层的厚度和介电材料的折射率直接相关。
因为有许多待选择的介电化合物，并且因为能够精细地控制多种组分的大小，所以能够将带通干涉滤光器制造成透射沿着可见光光谱的多种广泛带中的光。
本领域中所需要的是创新的滤光器，其有利地使用常规干涉滤光器的光特性来产生有用的过滤效果。
发明内容
现在根据本发明，提供干涉滤光器，其将两个带通干涉滤光器结合成一个复合干涉滤光器。
两个滤光器各具有至少一个带通曲线，其以沿给定角度入射到滤光器表面的光的相同波长为中心。然而，这些滤光器部件的带通曲线移位是不同的，从而使得当入射角度偏离给定角度时透射的光减少。
附图说明
图1a是示出第一干涉滤光器沿给定入射角度的光透射的图形。
图1b是示出第一干涉滤光器沿偏斜入射角度的光透射的图形。
图2a是示出第二干涉滤光器沿给定入射角度的光透射的图形。
图2b是示出第二干涉滤光器沿偏斜入射角度的光透射的图形。
图3a是示出本发明的复合干涉滤光器沿给定入射角度的光透射的图形。
图3b是示出本发明的复合干涉滤光器沿偏斜的入射角度的光透射的图形。
图4是本发明的复合干涉滤光器的一个实施例的横截面的示意图。
图5是本发明的双腔干涉滤光器的一个实施例的横截面的示意图。
具体实施方式
下文描述本发明的示例实施例。
本发明提供能够在各种应用中使用的干涉滤光器，这些应用包括例如，用作隐私屏障(privacy barrier)，其限制通过在附装了滤光器的窗口完整浏览区域。
本发明的干涉滤光器是复合滤光器，其包括已结合成一个复合滤光器的至少两个带通干涉滤光器。这两个带通滤光器具有以沿给定角度入射到滤光器上的光的相同波长为中心的光透射带。
图1a示出具有以沿给定角度Z入射的光的波长X为中心的带通的第一滤光器。图2a示出具有以沿相同的给定角度入射的光的波长X为中心的带通的第二滤光器。图1b示出图1a所示的滤光器沿与角度Z偏斜的角度的透射带。图1b所示的透射带已相对于图1a所示的透射带“移位”，并且现在以较短于波长X的波长为中心。图2b中示出不同量值的透射带移位，其示出图2a的滤光器关于沿与角度Z偏斜的角度入射的光的透射带。
正如常规技术下使用的那样，图1a或1b所示的滤光器其中任一个将产生这样的滤光器：将通过随入射光的观看角度的改变而沿可见光谱移位的带内大约相等量的光。此效果可以视为例如，随着观看者的角度从法向视角移到偏斜视角而从黄色光到绿色光的颜色移位。
本发明组合至少两个干涉滤光器(如图1a和2a所示的那些干涉滤光器)，以产生随入射光角度偏离给定角度而发生总透射的光减少的复合滤光器。图3a示出本发明的复合滤光器的一个示例关于沿给定角度Z入射的光的光透射曲线。正如附图中可见到的，两个滤光器的组合产生这样的滤光器：它沿给定入射角度透射这两个透射带的并集(重叠)的带中的光。
图3b示出当光沿与Z偏斜的角度入射时，本发明的复合滤光器所达到的效果。如图所示，两个个体滤光器的不同带移位量值导致适用波长范围上的几乎完全的透射阻断。
正如刚才描述的，使用两个滤光器的本发明实施例能够用于有效地允许沿法向角度通过复合滤光器的观看同时限制沿偏斜角度通过滤光器的观看。对于这些实施例，“给定”角度是与滤光器的表面呈法向的角度，并且光透射一般将随偏离法向观看角度的观看角度的增加而减少。
在其它实施例中，给定角度可以是偏离法向高达70°，在多种实施例中，其产生这样的滤光器：允许非常少的光沿接近法向角度通过，但是允许大量的光沿远离法向的角度通过。在又一些实施例中，该给定角度可以是法向与偏离法向60°、50°、40°、30°或20°之间的任何角度。
在再一些实施例中，可以使用在其透射光谱中具有多个峰值的滤光器，只要这两个滤光器的每一个滤光器中至少一个峰值呈现上述以及图示的特性即可。
为了达到期望的光学效果，将至少两个干涉滤光器组合以形成一般如图4中10所示的本发明的复合滤光器。
如图4所示，第一带通干涉滤光器12包括设置在两个反光层20之间的第一介电层16。邻接第一带通干涉滤光器12设置聚合物薄膜22。第二带通干涉滤光器14包括设置在两个反光层21之间的第二介电层18。邻接第二带通滤光器14设置聚合物薄膜24。这两个聚合物薄膜22、24是这些实施例中的可选组件，并且可以附加这些聚合物薄膜作为在其上形成干涉滤光器的衬底，或例如作为附加的保护层。聚合物薄膜22、24可以包括底层以利于在使用聚合物薄膜作为衬底的实施例中形成干涉滤光器反光层部件。或者，在多种实施例中，可以利用硬涂层来替换聚合物薄膜22、24，并且在再一些实施例中，可以使用如玻璃或硬质塑料的硬质衬底替代聚合薄膜22、24。也可以使用硬涂层作为底层或平滑层，其位于带通干涉滤光器与形成带通干涉滤波器所在的衬底之间。
在这两个干涉滤光器之间设置厚重的间隔体15，厚重的间隔体15可以包括任何适合的材料，下文将对其进行详细地描述。
所产生的复合滤光器10将两个带通干涉滤光器的组合过滤效果呈现为穿过完全范围的观看角度所观察的透射光，正如上文所描述的。
可以将图4所示的实施例修改成通过对第一带通干涉滤光器12、第二带通干涉滤光器14或二者附加多个层来形成其它实施例。在多种实施例中，将滤光器的其中之一或二者修改成附加一层或多层其它介电层和反光层。图5示出一个这类实施例。如图5所示，双腔带通干涉滤光器26包括第一介电层28、第二介电层30和三个反光层32。与上文描述的实施例一样，可以包括可选的聚合物薄膜层34作为在其上形成滤光器的衬底或作为保护层。
可以使用如上文描述那些的双腔滤光器替代本发明的复合滤光器中图4所示的单腔滤光器的其中之一或二者。
除了双腔滤光器外，在适合的情况中，还可以采用具有三层或更多介电层和关联的反光层的带通干涉滤光器，以替代本发明的复合滤光器中的干涉滤光器的其中之一或二者。
正如本文所使用的，如果沿与给定角度成45度的角度(其中两个曲线中心对齐)透射的可见光的总量小于沿给定角度透射的可见光的80％，则可以将两个带通干涉滤光器以间隔体进行组合，或在一些实施例中，不含间隔体组合以形成本发明的复合滤光器。在一些实施例中，沿与给定角度成45度的角度(其中两个曲线中心对齐)透射的可见光的总量小于沿给定角度透射的可见光的60％、40％或20％。
在其它实施例中，上文刚给出的附图适用于电磁光谱的红外线区域，紫外线区域或其它区域，并且可以将本发明的滤光器与红外线远程装置、通信装置结合来使用，或与使用本发明的可变透射适用的电磁光谱的任何部分的任何装置结合来使用。
本发明的干涉滤光器在广泛的滤光应用中是有用的，例如用于光准直、光消除或用于防伪措施。
聚合物薄膜
如图4中以元件22和24所示并在本文描述的聚合物薄膜可以是在高性能薄膜应用中使用的任何适合的热塑薄膜。在多种实施例中，该聚合物薄膜可以包括聚碳酸酯、丙烯酸酯、尼龙、聚酯、聚氨基甲酸酯、如聚丙烯、纤维素醋酸酯和三醋酸的聚烯烃、如聚(乙烯醇缩丁醛)、氯乙烯聚合物和共聚物等的乙烯醇缩醛，或适于在高性能薄膜中使用的另一种塑料。
在多种实施例中，该聚合物薄膜是聚酯薄膜，例如聚(对苯二甲酸乙二醇酯)。在多种实施例中，该聚合物薄膜可以具有0.012mm至0.40mm的厚度，优选为0.025mm至0.1mm或0.04至0.06mm。
在适合的情况中，该聚合物薄膜可以包括底层以利于金属化层与聚合物衬底粘合，以对衬底提供强度和/或提高平面度。
这些聚合物薄膜通常是光透明的(即，具体观察者的肉眼从该层的一侧透视该层能够轻易地看见与该层的另一侧邻近的物体)。在多种实施例中，该聚合物薄膜包括具有所提及特性的材料，如再拉伸热塑薄膜，包括聚酯。在多种实施例中，使用聚(对苯二甲酸乙二醇酯)，以及在多种实施例中，已将聚(对苯二甲酸乙二醇酯)双向拉伸以提高强度，并已将其进行热稳定以提供经受高温时的低收缩特征(例如，在150℃下30分钟后双向小于2％的收缩)。
优选的聚合物薄膜是聚(对苯二甲酸乙二醇酯)。
正如本文所使用的以及附图所示的，“聚合物薄膜”包括多个层构造以及单层和共挤薄膜。例如，可以使用层叠、加压或以其它方式粘合在一起来形成单个薄膜的两个或两个以上单独聚合物层作为本发明的聚合物薄膜。
可结合本发明使用的聚合物薄膜的有用示例包括，美国专利6,049,419和6,451,414以及美国专利6,830,713、6,827,886、6,808,658、6,783,349和6,569,515中描述的那些聚合物薄膜。
对于其中采用聚合物薄膜作为厚重的间隔体的实施例，聚合物薄膜的厚度可以是关于本文中其它地方的厚重的间隔体所给定的厚度。
介电层
本发明的介电层可以包括如本领域中公知的任何适合的材料。有用的电介质包括二氧化硅、二氧化钛、氟化镁和硫化锌。在优选实施例中，本发明的复合滤光器中的两个单腔干涉滤光器中使用如下电介质对：对于第一滤光器，使用TiO2或Nb2O5，以及对于另一个滤光器，使用SiO2、MgF2、YF2。一般地，优选折射率有大的差值的电介质对。在多种实施例中，该差值为一个单位或更大。
可以按适合的厚度形成本发明的介电层，以便提供期望的过滤效果。在多种实施例中，这些介电层具有两个或两个以上四分波的厚度。在多种实施例中，这两个层对于例如MgF2层具有340至420纳米的厚度，而对于例如TiO2层具有160至240纳米的厚度。
本发明的介电层可以具有任何适合的高/低折射率组合，例如大于2和小于1.8以及大于2.2和小于1.5。
可以使用本领域中公知的任何适合的方法来形成本发明的介电层，例如使用如蒸镀或溅镀的化学或物理汽相沉积方法。Klaus K.Schuegraf.Noyes Publications编著的《薄膜沉积工艺和技术手册(Handbook of Thin-Film Deposition Processes and Techniques)》中描述了多种层形成技术。
反光层
本发明的反光层是本领域中公知的，并且包括任何适合的金属成分。在多种实施例中，本发明的反光层包括对于红外线辐射为高度反射的材料。示例包括银、金、铝和铜及其合金。对于许多应用，高红外线辐射反射是需要的，以便防止通过滤光器的热透射，例如对白炽光进行过滤的实施例是需要的。红外线反射对于如聚(对苯二甲酸乙二醇酯)的热敏衬底来说也是需要的。
可以使用任何适合的方法(例如溅镀)来形成本发明的反光层，并且本发明的反光层可以具有任何适合的厚度。
本发明的多个反光层可以包括相同的材料或不同的材料，并且可以具有相同的厚度或不同的厚度，视具体实施例的需要而定。
在优选实施例中，金属反光层包括银或银合金。
厚重的间隔体
本发明的厚重的间隔体包括任何适合的层压粘合剂或聚合物薄膜层或这二者的组合。此外，厚重的间隔体可以包括玻璃和硬质塑料层，例如聚碳酸酯层，以及其它适合的硬质衬底。
层压粘合剂包括本领域中常规技术下使用来将薄膜粘合到一起的层压粘合剂，例如且不限于聚(乙烯醇缩丁醛)、聚氨基甲酸酯、硅胶等。
本发明的厚重的间隔体包括聚合物薄膜和层压粘合剂的组合。例如，在一些实施例中，可以在两个单独的聚合物薄膜衬底(图4中的元件22和24)上形成两个干涉滤光器，然后利用粘合剂将其层压到聚合物薄膜间隔体，在此情况中聚合物薄膜间隔体与粘合剂形成厚重的间隔体。聚合物薄膜层包括本文其它地方公开的那些聚合物薄膜层。
在再一些实施例中，可以仅使用期望的厚重的间隔体厚度的聚合物薄膜通过直接在单个聚合物薄膜上形成带通干涉滤光器来形成厚重的间隔体。在这些实施例中，在一个表面上形成第一带通干涉滤光器，并在聚合物薄膜的相对表面上形成第二带通干涉滤光器。然后可以利用聚合物薄膜层或硬涂来保护暴露的滤光器表面，正如本领域中所公知的。该厚重的间隔体聚合物薄膜可以适当地包括底层。
本发明的厚重的间隔体可以具有任何适合的厚度，并且在多种实施例中，厚重的间隔体具有至少七个四分波光学厚度的厚度。在多种实施例中，厚重的间隔体具有0.8至1.2微米的厚度。
本发明的厚重的间隔体还可以是上述材料的组合。例如，厚重的间隔体可以是玻璃和聚合物薄膜的组合，其中将一个或多个聚合物薄膜粘合到玻璃。本发明的玻璃和硬质塑料厚重的间隔体可以具有任何适合的厚度，并且在多种实施例中，此类厚重的间隔体可以具有多达1毫米的厚度，并且在其它实施例中，厚度可以大于1毫米。
可以在许多应用中有效地使用本发明的复合滤光器，例如但不限于，用作施加在窗户和玻璃应用上的滤光器，用作多种照明应用的颜色滤光器、防伪应用、定向滤光片等。
凭借本发明，提供了复合干涉滤光器，其允许对通过观看角度范围的光进行可变地过滤。在诸多优点中，这些复合滤光器能够提供经开口的视觉隐私同时还允许一些入射光沿可接受角度的透射。
虽然本发明已参考示范实施例进行描述，但是本领域技术人员将理解，在不背离本发明范围的前提下可以进行多种更改以及以等效物替换其元件。此外，在不背离本发明基本范围的情况下，可以进行许多修改以调整具体情况或材料以适应本发明的原理。因此，本发明旨在，并非限制于作为实现本发明设想的最佳实施方式而公开的具体实施例，而是本发明将包含落在所附权利要求的范围内的所有实施例。
还将理解，在兼容的情况中，可以将为本发明的任何单个部件所给出的任何范围、值或特征与为本发明的任何其它部件所给出的任何范围、值或特征以可互换方式使用，以形成每个部件具有定义值的实施例，正如本文通篇所给出的。
任一项权利要求或摘要中给出的任何附图标记仅出于说明的目的，不应视为将请求保护的本发明限于任何附图中所示的任何一个具体实施例。
除非另行提及，否则附图并非按比例绘制。
本文涉及的每个参考，包括期刊文章、专利、申请和书籍，其全文通过引用并入。
虽然本发明是参考其示例实施例来具体地示出和描述的，但是本领域技术人员将理解在不背离所附权利要求涵盖的本发明范围的情况下可以在其中进行形式和细节上的多种更改。
Claims (16)
1.一种复合干涉滤光器，包括：
第一带通干涉滤光器，其包括设置在两个反光层之间的第一介电层；
第二带通干涉滤光器，其包括设置在两个反光层之间的第二介电层；以及
设置在所述第一带通干涉滤光器与所述第二带通干涉滤光器之间的厚重的间隔体，其中所述第一带通干涉滤光器具有沿给定角度的透射带，以及所述第二带通干涉滤光器具有沿所述给定角度的透射带，其中所述透射带以可见光谱中的给定波长为中心，以及其中所述第一带通干涉滤光器的带移位和所述第二带通干涉滤光器的带移位是不同的，从而使相对于沿所述给定角度透射的可见光，沿与所述给定角度成45°的角度透射的可见光减少。
2.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述第一介电层包括选自TiO2和Nb2O5的电介质。
3.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述第二介电层包括选自SiO2、MgF2、YF2的电介质。
4.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述厚重的间隔体包括选自粘合剂、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)和空气的成员。
5.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述反光层包括选自银、金、铝和铜的成员。
6.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述第一介电层包括具有大于2的折射率的材料以及所述第二介电层包括具有小于1.8的折射率的材料。
7.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述第一介电层包括具有大于2.2的折射率的材料以及所述第二介电层包括具有小于1.6的折射率的材料。
8.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述第一带通干涉滤光器的带移位和所述第二带通干涉滤光器的带移位是不同的，从而使相对于沿所述给定角度透射的可见光，沿与所述给定角度成45°的角度透射的可见光减少了至少65％。
9.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述第一带通干涉滤光器的带移位和所述第二带通干涉滤光器的带移位是不同的，从而使相对于沿所述给定角度透射的可见光，沿与所述给定角度成45°的角度透射的可见光减少了至少80％。
10.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述厚重的间隔体包括层压粘合剂。
11.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述厚重的间隔体包括聚合物薄膜。
12.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述第一带通干涉滤光器和所述第二带通干涉滤光器的中的一个包括双腔滤光器。
13.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述第一带通干涉滤光器和所述第二带通干涉滤光器这二者均包括双腔滤光器。
14.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述第一带通干涉滤光器具有不止一个透射峰值。
15.根据权利要求1所述的复合干涉滤光器，其中所述第一带通干涉滤光器和所述第二带通干涉滤光器中的每一个均具有不止一个透射峰值。
16.一种通过开口改变电磁辐射的透射光谱的方法，其包括如下步骤：
提供复合干涉滤光器，其包括：
第一带通干涉滤光器，其包括设置在两个反光层之间的第一介电层；
第二带通干涉滤光器，其包括设置在两个反光层之间的第二介电层；以及
设置在所述第一带通干涉滤光器与所述第二带通干涉滤光器之间的厚重的间隔体，其中所述第一带通干涉滤光器具有沿给定角度的透射带，以及所述第二带通干涉滤光器具有沿所述给定角度的透射带，其中所述透射带以可见光谱中的给定波长为中心，以及其中所述第一带通干涉滤光器的带移位和所述第二带通干涉滤光器的带移位是不同的，从而使相对于沿所述给定角度透射的可见光，沿与所述给定角度成45°的角度透射的可见光减少；以及使所述电磁辐射通过所述复合干涉滤光器。
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