CN112601475A - 具有增强的色散和减弱的雾度的刻面宝石 - Google Patents

Abstract

入射光进入刻面宝石，并且沿着光路行进，以作为出射光离开宝石。至少一个衍射光栅相对于对称轴线以非对称方式被图案化在宝石上。衍射光栅具有定位在至少一个刻面上的衍射结构，用于对沿着至少一个光路行进的光进行衍射，以增强出射光的色散。衍射光栅是对沿着至少一个光路行进的光进行衍射的唯一的衍射光栅，以减弱出射光的雾度。

Description

具有增强的色散和减弱的雾度的刻面宝石

背景技术

本公开内容总体上涉及刻面宝石(例如，钻石)，并且更具体地涉及，通过在钻石的刻面上将一个或者多个衍射光栅图案化同时减弱不期望的光学属性(例如，雾度，其特征在于钻石的乳白色的、乳光的、云状的外观)来增强钻石的期望的光学属性。

已知的是，切割和抛光钻石，以最大化地获得入射光并且增强钻石的期望的光学属性(例如，从钻石离开的出射光的明亮度或者亮度、出射光的火焰或者色散、钻石内的暗区域与白色区域之间的对比度，以及闪烁或者闪光)。还已知的是，将衍射光栅图案化(例如，蚀刻)，相对于钻石的主对称轴线对称地布置，布置在钻石的对称的刻面中，以增强其色散。然而，尽管使用这种对称布置的衍射光栅是有利的，但所获得的在衍射光栅之间通过并且被衍射光栅所衍射的光的干涉导致钻石有不期望的雾度(即乳白色的、乳光的、云状外观)，由此显著地降低了它的美观度和价值。

因此，需要以一种减弱并且优选地基本上消除这样的雾度的方式在钻石的刻面上将一个或者多个衍射光栅图案化。

附图说明

图1是已知的刻面宝石(例如，圆形的、明亮的切割钻石)的侧视图。

图2是进入、穿过和离开图1的已知钻石的光的光路的示意性表示。

图3是图1的钻石的仰视图，该图根据不对称地布置在其上的衍射光栅的一个实施例以及其中一个光栅的一部分的放大描绘，示出了其周期性的衍射特征。

图4是根据不对称地布置在其上的衍射光栅的另一实施例的图1的钻石的仰视图。

图5是根据不对称地布置在其上的衍射光栅的又一实施例的图1的钻石的仰视图。

具体实施方式

本公开内容的一个方面涉及一种宝石(例如，钻石)，其由透光材料构成，且具有大于空气的折射率、对称轴线，以及多个切割的刻面，在所述多个切割的刻面上进入材料的入射光沿着穿过材料的光路行进，以作为出射光离开材料。至少一个衍射光栅以关于轴线不对称的方式位于材料上。该衍射光栅具有在至少一个刻面上图案化(例如，在至少一个刻面中被蚀刻)的衍射结构，用于对正在沿着至少一个光路行进的光进行衍射，以增强出射光的色散。该衍射光栅是对正在沿着所述至少一个光路行进的光进行衍射的唯一衍射光栅。

根据优选实施例，该衍射光栅位于轴线的一侧的材料上。该轴线的相对侧(其沿着光路位于相对于所述一侧的镜像位置处)，在材料上没有图案化的衍射光栅。

这种衍射光栅的不对称放置使得宝石的任何雾度或者乳白色的、乳光的云状外观最小化。穿过宝石的光被单个衍射光栅衍射，因为它是沿着光路的唯一衍射光栅，由此，避免了沿着光路的相继的衍射光栅之间的任何光干涉。宝石的美观度和价值得到保持。本公开内容的另一个方面涉及减弱这样的雾度的方法。

现在参照图1，附图标记20一般标识刻面宝石，并且，特别是圆形的、明亮的切割钻石。尽管本发明描述并且示出了圆形的、明亮的切割钻石，但是应当理解，也可以使用不同的切割，例如公主切割、榄尖形切割、长方形阶梯切割、心形切割、泪滴切割、椭圆形切割，以及梨形切割。宝石也不必是钻石，而是可以是透光的任何装饰物，天然的或者合成的材料，并且具有大于空气折射率的折射率。例如，这包括任何宝石或者半宝石，甚至是立方锆。

最佳地如图1所示，钻石20具有上部截头圆锥形部分或者冠部22、下部圆锥部分或者亭部24，以及在冠部22和亭部24之间的圆形腰部26。冠部22具有平坦的顶部或者台28，并且亭部24渐缩为尖端或底尖30。冠部22切割出冠部刻面32，并且亭部24切割出亭部刻面34。每个刻面32、34是平坦表面。钻石20具有竖直的对称轴线36，冠部刻面32和亭部刻面34关于该竖直对称轴线36倾斜并且对称地布置。轴线36延伸穿过底尖30，并且垂直于台28。钻石20由透光材料构成，并且具有大于空气折射率的折射率，通常约为2.417。对于该折射率，钻石的通过全内反射来反射光的任何平坦表面的临界角约为24.44度。

如在图2中最佳示出的，进入钻石20的入射光沿着穿过钻石20的光路行进，以作为出射光离开钻石20。更具体地，入射到冠部刻面32上的代表性光线40向下折射到在轴线36一侧的亭部刻面34，并且然后被反射到在轴线36的相对侧的亭部刻面34上，并且然后被向上反射到台28并且穿过台28，以作为光线42离开。此外，入射到台28上的代表性光线44向下行进到位于轴线36一侧的亭部刻面34，并且然后被反射到位于轴线36的相对侧的亭部刻面34，并且然后向上反射到冠部刻面32并且穿过冠部刻面32，以作为光线46离开。亭部刻面34以小于钻石的上述临界角的角度倾斜，使得它们通过全内反射来反射入射到其上的光。

根据图3的实施例，多个衍射光栅50以相对于轴线36不对称的方式被图案化并且定位在亭部24上。为了便于解释，如在仰视图中看到的，数字1-16标识出围绕轴线36的亭部24上的不同角度位置。因此，作为非限制性示例，衍射光栅50被示出为仅位于位置1、3、5、7、10、12和14。每个衍射光栅50具有位于某些亭部刻面34上的周期性的、准周期性的或者非周期性的衍射结构，用于衍射沿着每个光路行进的光，以增强出射光的色散。如下文所详细解释的，每个衍射光栅50是对沿着每个光路行进的光进行衍射的唯一衍射光栅，以便减少出射光中的雾度。

每个衍射光栅50位于轴线36的一侧的亭部24上，并且轴线36的相对侧(其沿着光路位于相对于所述一侧的镜像位置)在亭部24上没有衍射光栅。因此，位置1处的光栅50在其镜像位置9处没有光栅50；位置3处的光栅50在其镜像位置11处没有光栅50；位置5处的光栅50在其镜像位置13处没有光栅50；位置7处的光栅50在其镜像位置15处没有光栅50；位置10处的光栅50在其镜像位置2处没有光栅50；位置12处的光栅50在其镜像位置4处没有光栅50；并且位置14处的光栅50在其镜像位置6处没有光栅50。因为每个光路仅具有一个光栅50，所以没有或几乎没有在相继的光栅之间的光干涉，并且因此，根据本公开内容的方法，光栅50的不对称分布减弱并且减小了钻石的外观中的任何雾度，并且保留了钻石20的美观度和价值。

虽然图3的实施例具有七个光栅50，但是可以使用不同数量的光栅(包括仅一个光栅)。可以采用偶数或者奇数个光栅。光栅50不是围绕轴线36等角度地布置。光栅50也可以位于冠部刻面32上。每个光栅50可以被沉积在单个刻面的一部分上，或者被蚀刻在单个刻面的一部分中，或者被沉积在一个或多个刻面上，或者被蚀刻在一个或多个刻面中。

转向图4的实施例，示出了三个光栅50，并且每个光栅50覆盖一个以上的亭部刻面34。光栅50再次关于轴线36不对称地布置。每个衍射光栅50位于轴线36的一侧处的亭部24上，并且在轴线36的相对侧(其位于相对于所述一侧的镜像位置处)的亭部24上没有衍射光栅。

转向图5的实施例，示出了单个光栅50，并且光栅50覆盖亭部24的一半上的亭部刻面34。在亭部的相对的镜像侧没有光栅。光栅50再次关于轴线36不对称地布置。

如在图3的放大的圆形细节中最佳示出的，每个衍射光栅50具有多个单独的衍射结构或者特征52(例如凹槽、压痕、突起、反射标记或吸收标记等，或者它们的任何组合)。这些衍射特征52可以被图案化，例如，被沉积在钻石的外表面上，或者被蚀刻在钻石的外表面中。这些衍射特征52可以是周期性的、准周期性的或非周期性的。在优选实施例中，周期性的凹槽被蚀刻到钻石中，并且凹槽相互平行地延伸。在优选实施例中，每个凹槽的深度在从20nm至100nm的范围内，由此，使光栅50基本不可见。这些特征52对光进行散射和衍射，并且可以调制光的幅度或者对光移相。

每个衍射光栅50优选地被蚀刻如下。首先，清洁钻石表面，以去除任何杂质并且促进掩模粘附。接下来，使硬掩模沉积。存在用于使硬掩膜沉积的若干方法。作为示例，可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来使硬掩模沉积。由掩模-钻石相对蚀刻速率(选择性)和期望的钻石蚀刻深度来确定掩模的厚度。接下来，使软掩模或者光致抗蚀剂层沉积在硬掩模的顶部。通常通过旋涂或者喷涂工艺来沉积该光致抗蚀剂层。有两种主要类型的光致抗蚀剂掩模：正性和负性。在负性光致抗蚀剂掩模中，暴露于光的光致抗蚀剂层的部分变得不可溶解于显影剂。光致抗蚀剂层的未曝露的部分被显影剂溶解。

接着采用软脱水烘干步骤来去除溶剂，并且使光致抗蚀剂层固化和稳定。光致抗蚀剂层对通常在350nm-450nm范围内的紫外(UV光)敏感。光致抗蚀剂层选择性地暴露于期望的衍射光栅图案。仔细地控制表面处的正确暴露时间和能量密度，以确保正确的剂量。在暴露后烘干(PEB)的步骤中进行附加的光致抗蚀剂烘干。这有助于进一步使光致抗蚀剂层脱水，并且还将使得由驻波引起的任何波形特征变得平滑。

接下来，在显影步骤中，显影工艺可以是将图案化的钻石简单地浸入显影剂溶液浴中，或者通过离心旋转平台上的自动计算机控制的喷涂/搅炼(puddle)程序来完成，以确保更一致。当暴露于UV能量的区域显影时，光致抗蚀剂层被认为是正性的调色剂。如果暴露区域在显影之后保留，则光致抗蚀剂层被认为是负性的调色剂。在显影以后，基于投射的衍射光栅图案来选择性地使硬掩模暴露。然后在湿法工艺或者干法工艺中去除该硬掩模层，例如，使用气体混合物的反应离子蚀刻(RIE)，该气体混合物将促进硬掩模物理蚀刻和化学蚀刻。

类似于先前的蚀刻，反应离子蚀刻(RIE)或者电感耦合等离子体(ICP-RIE)蚀刻循环用于蚀刻钻石的暴露部分。硬掩模图案在该蚀刻循环期间保护钻石表面。一旦达到钻石蚀刻深度，就去除剩余的掩模，通常这是通过化学工艺进行的。在清洁之后，留下衍射光栅图案化的钻石，而没有任何临时的层和掩模。

Claims (9)

1.一种由透光材料构成的宝石，所述宝石具有比空气大的折射率、对称轴线和多个切割的刻面，在所述多个切割的刻面上进入所述材料的入射光沿着穿过所述材料的光路行进，以作为出射光离开所述材料，所述宝石包括：

相对于所述对称轴线以非对称的方式在所述材料上图案化的至少一个衍射光栅，所述至少一个衍射光栅具有衍射结构，所述衍射结构定位在所述刻面中的至少一者上，用于对沿着所述光路中的至少一者行进的光进行衍射，以增强所述出射光的色散，并且所述至少一个衍射光栅是对沿着所述至少一个光路行进的光进行衍射的唯一的衍射光栅，以减弱所述出射光的雾度。

2.根据权利要求1所述的宝石，其中所述材料具有上刻面部分和下刻面部分；并且其中所述切割的刻面在所述下刻面部分上关于所述对称轴线对称地布置，并且其中所述切割的刻面相对于所述轴线倾斜，以通过全内反射对入射到其上的光进行反射。

3.根据权利要求1所述的宝石，其中所述至少一个衍射光栅具有周期性的衍射特征。

4.根据权利要求1所述的宝石，其中存在多个衍射光栅，所述多个衍射光栅相对于所述对称轴线以非对称的方式位于所述材料上，每个衍射光栅具有定位于刻面的衍射结构，用于对沿着每条光路行进的光进行衍射，以增强所述出射光的色散，并且每个衍射光栅是对沿着每条光路行进的光进行衍射的唯一的衍射光栅，以减少所述出射光的雾度。

5.根据权利要求4所述的宝石，其中每一个衍射光栅被蚀刻在多个刻面中。

6.根据权利要求4所述的宝石，其中每个衍射光栅位于所述对称轴线一侧的材料上；并且其中所述对称轴线的相对侧在材料上没有衍射光栅，所述相对侧位于相对于所述一侧的镜像位置。

7.根据权利要求4所述的宝石，其中存在奇数个衍射光栅。

8.一种减小宝石中的雾度的方法，所述宝石由透光材料构成，所述宝石具有比空气大的折射率、对称轴线和多个切割的刻面，在所述多个切割的刻面上进入所述材料的入射光沿着光路穿过所述材料行进，以作为出射光离开所述材料，所述切割的刻面关于所述轴线对称地布置，并且相对于所述轴线倾斜，以通过全内反射将入射到其上的光进行反射，所述方法包括：

相对于所述对称轴以非对称的方式在所述材料上图案化多个衍射光栅；

将具有衍射结构的每个衍射光栅定位在所述刻面处，用于对沿着每个光路行进的光进行衍射，以增强所述出射光的色散；以及

将每个衍射光栅布置为对沿着每个光路行进的光进行衍射的唯一的衍射光栅，从而减弱所述出射光的雾度。

9.根据权利要求8所述的方法，并且将每个衍射光栅定位在所述对称轴线的一侧的材料上，并且在所述对称轴线的的相对侧不定位衍射光栅，所述相对侧位于相对于所述一侧的镜像位置处。

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