CN1372646A

CN1372646A - 减反射涂层及涂覆制品

Info

Publication number: CN1372646A
Application number: CN00812343A
Authority: CN
Inventors: 彼得·D·霍兰; B·文森特·穆科
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2002-10-02
Also published as: IL147867A0; JP2003506735A; WO2001009647A1; AU6609700A; US6172812B1; HK1047160A1; KR20020044551A; CA2380595A1; DE60020374T2; DE60020374D1; ATE296456T1; KR100749429B1; EP1203244A1; EP1557698A3; EP1557698A2; CA2380595C; AU781941B2; MXPA02001074A; IL147867A; BR0013299A

Abstract

描述了具有减反射(AR)涂层的涂覆光学基片及其涂覆方法。涂层的组成由材料的约束条件如黏度、耐久性、制造的难易和成本来决定。或多层AR材料的层厚通过使具有角度相关和波长相关的视觉系统灵敏度涂覆制品的菲涅耳反射系数最小的产品来决定。优选设计成具有小于或等于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视感知色彩的涂层。

Description

减反射涂层及涂覆制品

发明背景

本发明一般涉及改进经过光学材料如眼镜的光的透光率，同时减少来自光学材料的导致眩光的杂散光的反射。本发明还涉及控制从光学材料表面反射的光的被感知的色彩。

所有未涂覆的光学透明材料都反射一部分入射光。反射的量随光的波长、偏振和入射角及材料的与波长有关的折射率n的变化而改变。菲涅耳反射由光学领域中实施的有关电磁辐射的麦克斯韦尔(Maxwell)方程描述，并由M.Born和E.Wolf在纽约Pergammon出版社1980年出版的Principles of Optics(光学原理)中有记载。众所周知，具有不同于基片的折射率的透射材料层可减少反射量。该量的减少取决于涂覆材料的与波长有关的折射率和它们的厚度及光的波长、偏振和入射角。这些减反射(AR)涂层的设计和制造全都在H.A.McLeod的Thin Film Optical Filters的第3章和第9章，New York，McGraw-Hill(1989)中有记载。

人的视觉系统的灵敏度也随光波长和进入人眼的光线的角度而改变，例如由Gunter Wyszecki和W.S.Stiles(New York：Wiley)(1982)在ColorScience：Concepts and Methods，Quantitative Data and Formulae和由Nicholas Wade和Michael Swanston(London：Routledge)(1991)在VisualPerception中所披露的。因此，问题在于选择涂覆厚度和组份以使来自涂覆制品的由人的视觉系统所感知的菲涅耳反射的角度和波长改变被最小化。

公知的AR涂层使用了一或多个无机氧化物、氮化物、或氟化物的薄层，以实现反射的减少。一般的用于这种AR涂层的薄膜材料在Mcleod的第9章和附录I进行阐述，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的图表中还包括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。类似的图表也出现在Optics ofMultilayer Systems(Sh.A.Furman如A.V.Tikhonravov，Editions Frontieres：Gif-sur Yvette Cedex-France，1992)第179页的表格4.1中。层数和其组份一般根据那些与现有光学涂覆领域所使用的相同的包括硬度或抗刮力、黏度、耐久性、沉积的难易度、成本等因素来选择。但是层厚通常被调节，使以法向入射的一或多个特定的波长的反射的入射光部分最小化。因此，问题是选取一系列层厚，以便最小化或极大地减小在整个相关角度和波长范围内能被人的视觉系统所感知的反射光量。

如上所述，来自涂覆制品的反射量随角度和波长而改变。当戴上未被涂覆的眼镜时，观看该戴眼镜者的人便会感知来自环境光的反射，即“眩光”。对未涂覆的镜片，该反射光的颜色一般是环境光源的颜色，因为来自来涂覆眼镜的反射随波长而改变是很小的。该结论对于轻度色散光学材料如玻璃、聚碳酸脂、聚乙基丙烯酸甲酯(Polymethylemethacrylate)和其它眼镜用材料通常是正确的。图1示出了玻璃的波长和角度与反射率关系的曲线。

来自AR涂覆制品的反射光量随波长和角度有更显著地变化，以致于该反射被感知的颜色可能不同于光源的颜色。由于这一颜色影响了眼镜和其它光学基片的美观质量，因此，理想的是在控制反射光被感知的颜色的同时减小该反射。

发明概述

根据本发明，设计了一种利用在光学基片上的一或多个薄涂层的与波长和角度相关的折射特性的减反射(AR)涂层。涂层的数量和顺序由非光学约束因数如黏度、强度、费用、沉积的难易度等因素决定。所感知到的反射率，F，它通过人的视觉系统的角度和波长的灵敏度对与角度和波长相关的菲涅耳反射进行了加权处理，它对每一种层厚的组合都进行了计算。在一个实施例中，计算F的值以得到在任何指定观察条件下对光学基片和涂覆材料层的组合所特有的最小值。在另一个实施例中，在任何指定观察条件下该材料的一或多个涂层的厚度是使被涂覆基片的所感知的反射没有完全最小化，而是接近于最小，优选为在F的最小值的25％的范围内。这种方法的优点是，可以得到一个在对于观看条件的给定的几何形状的波长和角度范围内具有可感知反射率绝对最小值的涂覆基片。另外，在不需要绝对最小化的地方，可感知的反射率减小到最小值的25％或更小—直到远小于用其它方式获得的可感知的反射率。

在本发明的一个实施例中，该涂层或多个涂层(也称“涂覆层”或“薄膜”)是通过易挥发性前体(precursor)的等离子增强型化学气相沉积法(PECVD)形成的，其非限定性实例包括有机物和有机金属混合物。另外，利用本领域技术人员熟知的技术和材料，通过溅射或蒸发的方法形成一或多个涂层。引证的McLeod的文献对这一技术和材料进行了很全面的描述。该最终形成的涂层可能是光学色散的(即，具有随波长变化的折射率)。另外，所得到的涂层也可能是非光学色散的。该涂层具有取决于前体、沉积条件和薄膜的厚度的折射特性。单层的和复合的AR涂层都可以由这种方法制备。

本发明的另一方面是控制由该涂覆制品反射的光的可感知的颜色。对于每一组薄膜厚度，使用标准的色度测量方法计算由反射标准照射(例如：日光、荧光、白炽光或弧光灯)所感知的颜色。之后该感知到的颜色和其随角度的变化被作为在感知到的反射率被最小化时的约束条件。这一过程导致涂覆制品呈现出所希望的颜色的最小的感知反射率(或具有最小值的25％或更小范围内的值)。

附图简述

通过以下的详细描述并参考附图更有利于理解本发明的这些和其它特征和优点，其中：

图1是人的适光响应的曲线，它表示总的感光性以及数组视锥细胞对红、绿和蓝色光感受器的响应，在Wyszecki和Stiles之后，如表3.1.1。对于蓝光(507nm)具有最大49nm的微光(杆形光感受器)响应曲线且具有100nm的半最大值时的全宽。

图2(a)是摘自引证的Wandell的第46页图3.1b的人眼的锥形和杆形光感受器的角度变化曲线。适光(锥形)响应确保色彩视觉且将其适度地激活到亮照射水平。微光视觉由杆形光感受器控制且只有在低光水平(夜视)处是活跃的。这些因素组合观察条件的几何形状以产生S(λ，θ)的角部分。

图2(b)是透过眼镜观察的几何形状的草图。8屈光度的平镜片离角膜表面是12毫米(mm)。从左向右的以0°(蓝)、10°(绿)、20°(红)照射在角膜上的光线通过3mm直径的瞳孔扩散并照到视网膜上。应注意的是20°(红)的光线通常照射到视网膜上的圆锥灵敏度低的区域。因此，眼睛在其轨迹上以±25°水平和垂直地转动，以便在视网膜的黄斑中心(fovea)处以高保真地成像这一角度范围。当眼睛执行这一迅速的扫视运动时，光线照射眼镜的角度范围取决于其折射光焦度并取决于以直接从几何光学特性计算而得到的方式相对于眼眶的定向。

图3是观察者通过一组眼镜看的与观察角度和光波长有关的人的响应函数S(λ，θ)曲线。与波长相关的灵敏度由适光的视网膜响应控制，同时角关系由两眼扫视运动和随与中心注视(central fixation)分开的角度的圆锥密度的变化来设定。

图4是在McLeod的第110页中描述的涂有三层减反射涂层的玻璃基片的反射率曲线：PrO(n＝192)的为72.4纳米(nm)，TiO(n＝2.06)的为68.4nm，且MgF(n＝1.38)的为100nm。本设计的感知到的反射率为141，或者是没有涂覆的玻璃基片的24.5％。

图5为来自单个的没有涂覆的玻璃基片表面[n(λ)＝1.50]的菲涅耳反射的曲线，与由公式1的结果计算得到的波长和角度有关。尽管和波长无关，但反射量从垂直入射的4％增加到了以60°入射的9％。

图6(a)是PrO∶TiO∶MgF涂覆玻璃制品的反射率R(λ，θ)的曲线，该制品具有利用图3所示的响应函数的最小感知反射。

图6(b)是图4(○)与图6(a)(×)的制品的R(λ，θ＝0)的比较图。同时也示出了适光响应曲线。

图7是考虑到在角度φ时从眼镜反射并由观察者如儿童所觉察到的光的色彩的几何形状图。该感知到的色彩利用光源的与波长相关的密度(由窗户滤过的阳光)、内科医生的涂覆了的眼镜的反射[R(λ，θ)]和儿童观察者的色彩响应进行计算。

图8是图2(“×”)所示和图4(“○”)所示的涂层从0°到60°以5°增加的CIE色彩轨迹的曲线，假设由氙弧灯提供了光谱平直的宽带照明。白色点用菱形表示，并示出了在曲线的边界处的主波长。为了计算主波长，从白色点经过该计算的CIE坐标延伸一条线到达该边界处。交叉的点为主波长。

图9(a)是三种典型的光源的光谱发光曲线：在水平面的日光(0)、白炽钨丝灯(+)和荧光灯()。

图9(b)是涂覆制品的色度坐标的CIE曲线(实例1，表I的从0°到60°以5°增加的角度的三种发光体的每一种。曲线符号对应于水平面的日光(O)、白炽钨丝灯(+)和荧光灯()。

图11是从0°到60°入射角的F＜140的每个18 AR涂层的反射的CIT轨迹图。(在表I中示出了涂层厚度。)

图12是具有被顶上照明所反射的光的视频显示屏的S(λ，θ)图。

图13是在玻璃视频显示终端上的三层PrO∶TiO∶MgF涂层的最小Fa设计的反射图。

图14是具有从0°到60°以5°增加的最小Fa的视频显示的CIE色度坐标图。

优选实施例的说明

本发明在光学基片上提供了新的、单个的多层AR涂层。如此处所用到的，术语“光学材料”、“光学基片”和“光学制品”指的是透明的或半透明的材料，如玻璃和塑料，及由这些材料制成的制品。这类制品的非限定性实例包括有镜片、窗户、电视和计算机监视器屏、和汽车挡风玻璃。

反射率，F，是反射光的强度I_r与入射光强度I_i之比：

R (λ, θ, p) = \frac{I_{r}}{I_{i}} = {ρρ}^{*} = \frac{{| y_{0} - y_{i} |}^{2}}{{| y_{0} + y_{i} |}^{2}} * - - - (1)

反射率随光波长λ、入射角θ和光的偏振P而变化。它等于菲涅耳反射系数ρ和其复共轭ρ^*的乘积，也可由基片介质(Substrate medium)y₀和入射介质(incident medium)y_i的光导纳(optical admittance)表示。该光导纳为：

y＝2.6544×10^-3(n-ik)＝(C/B) (2)

其中n为折射率的实部，k是折射率的吸收部分(虚部)，常数是SI单位的转换因数。当其导纳为η_m的一或多个涂层叠加到基片上时，光导纳变为y＝(C/B)，其中C和B通过求解矩阵方程(3)得到

[\begin{matrix} B \\ C \end{matrix}] = (Π_{r = 1}^{q} [\begin{matrix} \cos δ_{r} (i \sin δ_{r}) / η_{r} \\ i η_{r} \sin δ_{r} \cos δ_{r} \end{matrix}] \times [\begin{matrix} 1 \\ η_{m} \end{matrix}]) - - - (3)

在方程(3)中，对于物理厚度为d_r的每层r的三角函数自变量为：

δ_r＝2π(n-ik)d_rcos(θ_r)/λ (4)

在垂直入射时，(θ＝0)，导纳在任何偏振时都一样。在其它入射角时，将入射光波分成两个偏振光p和s，并定义倾斜的光导纳

η_p＝2.6544×10^-3(n-ik)/cos(θ)

η_s＝2.6544×10^-3(n-ik)×cos(θ) (5)

经下面的公式求出总反射率R、透射率T和吸收数A：

R = (\frac{η_{0} B - C}{ηB + C}) (\frac{η_{0} B - C}{ηB + C})^{*}

T = \frac{4 η_{0} Re (η_{m})}{(η_{0} B + C) {(η_{0} B + C)}^{*}} - - - (6)

A = \frac{4 η_{0} Re (B C^{*} - η_{m})}{(η_{0} B + C) {(η_{0} B + C)}^{*}}

其中下标0和m分别指的是入射介质和基片。这些方程的推导在所引证的H.A.McLeod的第一章中进行了描述。

人的视觉灵敏度如在由Gunter Wyszecki和W.S.Stiles(New York：Wiley)(1982)在Color Science：Concepts and Methods，Quantitative Dataand Formulae和由Nicholas Wade和Michael Swanston(London：Routledge)(1991)在Visual Perception中所记述的那样随光波长和入射角两者改变。但是，它对偏振不敏感。

随波长变化的人的视觉灵敏度的改变，S(λ)，在图1中被示出，它表示对每个锥形色素(即红、绿、蓝)的灵敏度，及总和锥形响应。该总和锥形响应就是适光响应。

随角度变化的人的视觉响应的改变取决于观看条件的几何形状及人眼所施加的生理和光学约束。当通过眼镜观看时可以构建一角函数S(θ)，它计算锥形色素的分布和人眼的正常的快速扫描运动。图2(a)示出了人眼的锥和杆的有效密度的曲线。锥主要集中在小于5°的立体角处。在正常视觉期间，眼球在其眼眶内从两眼快速扫描运动的中心注视以大到约25°的角度运动。当以大于极限角的角度观看时，自然的生理反应为使头部开始运动。两眼快速扫描运动使最大光感受灵敏度的区域，黄斑中心，它对着小立体角，覆盖无头部运动的较宽的角度范围。之后将该黄斑中心的响应与两眼快速扫描运动和眼镜的几何光学相结合以产生S(λ，θ)。正如在图2B所看到的，进入瞳孔的每束光线在视网膜和光学镜片表面处都有相应的位置和角度。光线照射涂覆制品并接着在眼球的两眼快速扫描运动范围内投影在黄斑上的角度被直接转换成S(λ，θ)的角变量。

在图3中示出的视觉响应函数S(λ，θ)组合适于用眼镜观看的波长和角度的人体响应函数。S(λ，θ)的特定形式可以以与观看条件一致的方式来改变。例如，杆形光感受器最初在暗光条件下被激活，产生了明显不同于明视觉的角灵敏度，如可由图2中所示的杆形光感受器强度推导出。杆的色度(与波长相关的)响应也不相同，具有在507nm处的最大值和在100nm的半最大值处的全宽，如在Wyszecki的第258页图4.3.2所详细描述的那样。另一个使用不同的S(λ，θ)的实例是针对如由黄斑变性引起的部分色盲或视网膜损伤的人。

S(λ，θ)的角元素也随观看条件的几何形状而变化。当观看监视屏或由另一个人戴着的眼镜的反射时，S的角变量取决于观察者、涂覆制品和照射光源之间的几何关系，而不是取决于观察者的两眼快速扫描运动。同样，来自汽车挡风玻璃的反射的角关系将取决于离驾驶员头部的距离和汽车框架内的角度。虽然涂覆材料、涂层数和涂层次序可以与汽车挡风玻璃和眼镜这两种应用情形的相同，但根据本发明的最小值Fa所计算的涂层厚度可以与每种应用情形不同。

在图4中示出了对菲涅耳方程的解的一个实例，它采用了在390和710nm间的波长及高达60°的角度、涂覆有72nm的PrO₂、68nm的TiO_x和100nm的MgF。涂层与厚度的设置如所引证的McLeod的第110页所述的减反射(AR)涂层。图4中的曲线为s-和p-偏振反射率的平均值，由于人的视觉没有感知光偏振因此它适合于人的视觉特性。对基片、涂层的折射特性或涂覆到基片上的次序的改变导致了除反射率R(λ，θ，P)计算变化外的处理的复杂化。

根据本发明，AR涂层的设计是基于所感知的反射。该被观察者所感知的来自一个表面的光的反射率F定义成反射率R(λ，θ)与人的灵敏度函数S(λ，θ)的乘积的积分：

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，由于人的视觉系统对偏振不敏感而被在此处使用。(在某些情况下，便于将未涂覆制品的感知反射率表示成“F_uncoated”或“F_o”，将AR涂覆基片的感知反射率表示成“F_AR”。(有时后者也表示成“F”)F的值取决于基片和涂层介质的与波长相关的折射率、取决于层厚、也取决于如前面所述的与角度和波长相关的视觉响应。

在理想情况下，及如在申请序列No.08/990,003中所述，方程7求出了在观看条件的给定几何形状的基片上给定的涂层叠层的F的绝对最小值(用F_min表示)。该结果对AR层或涂层的特定结合和组合是唯一的，其物理厚度使得F＝F_min。在另一个实施例中，方程7求出了接近但不必等于F_min的值的范围。也就是说，当F值很小但不必等于绝对最小值时获得了良好的结果。在这样的一个实施例中，涂覆了的基片的F值在F_min的25％的范围内，即，F≤1.25F_min。对于某些实际应用，在需要感知的反射率极低的情况下，方程7求出了F值在F_min的20％、15％或者甚至10％的范围内，即，F≤1.20F_min，F≤1.15F_min或F≤1.10F_min。在每种情况下，F的解使人们识别出减反射涂层的层厚的组合以满足F所需要的F范围或F值。

下面列举了本发明的非限定性的实例。从应用到眼镜上的McLeod的三层AR涂层开始(图4)，人们使用了图3中使用的响应函数并计算出感知反射率F＝141的基准值。来自未涂覆玻璃镜片(图5)的感知反射率的值具有对同一S(λ，θ)的值575，且McLeod设计将感知反射率减少到未涂覆镜片的25％。

实例1

根据本发明，感知反射率F是由所有涂层厚度的组合求出的，且选择使F最小化的厚度组。从上面描述的玻璃：PrO∶TiO∶MgF系统开始，完成该计算且计算出最小的感知反射率为104，它是未涂覆制品的18％和从教科书中涂层(textbook coating)下降了35％。这些材料的感知反射率的绝对最小值(图6所示)对应于下列物理厚度：100nm的PrO、25nm的TiO和87nm的MgF。

实例2-19

使用本发明的方法，并通过以10nm为增量改变三个涂层的物理厚度的幅度来求解方程7，产生出超过16,000种组合。其中，发现除了F＝F_min(实例1)的情况之外，有18种的感知反射率小于教科书涂层的。12个实例(加上实例1)满足F≤1.25F_min的所需要的参数。该结果在下表中被表示出：表I：已涂覆或未涂覆眼镜的感知反射率

涂层	厚度(nm)	F	比未涂覆的好％^①	在F_min范围内的％^②
	厚度(nm)				PrO TiO MgF
	未涂覆教科书例1(F_min)				PrO TiO MgF	0 0 073 68 100100 25 87	575140104	0％311％453％	453％35％0％
例2例3例4	未涂覆教科书例1(F_min)	70 50 9090 30 90110 10 90	111111114	418％418％404％	7％7％10％	0 0 073 68 100100 25 87	575140104	0％311％453％	453％35％0％
例2例3例4	例5例6例7	70 50 9090 30 90110 10 90	111111114	418％418％404％	7％7％10％	120 0 8050 70 9010 10 130	116116119	396％396％383％	12％12％14％
例8例9例10	例5例6例7	100 20 8080 40 8060 60 80	120120122	379％379％371％	15％15％17％	120 0 8050 70 9010 10 130	116116119	396％396％383％	12％12％14％
例8例9例10	例11例12例13	100 20 8080 40 8060 60 80	120120122	379％379％371％	15％15％17％	25 100 8030 90 9040 80 80	123126127	367％356％353％	18％21％22％
例14例15例16	例11例12例13	50 90 9020 0 14010 110 90	135135135	326％326％326％	30％30％30％	25 100 8030 90 9040 80 80	123126127	367％356％353％	18％21％22％
例14例15例16	例17例18例19	50 90 9020 0 14010 110 90	135135135	326％326％326％	30％30％30％	70 70 9020 100 800 20 140	136137137	323％320％320％	31％32％32％

^①比未涂覆的好％＝(F_uncoated/F-1)100^②在F_min范围内的％＝(F/F_min-1)100

在表I中列出的厚度组合没有排除F值在最小值为104的25％(或其它所需要的低百分比)内的其它组合。但是，检验该16000+种排列，发现只有实例1-13符合这一判断条件。

本领域普通技术人员知道利用线性代数和微积分能求解方程7(F、F_min、1.25F_min、或F的任何其它需要的值和范围)。对于进行人工计算的另一种情况，可以使用线性代数软件。这种软件的非限定性实例包括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的计算分析也可以利用电子数据软件如Excel(Microsoft，Redmond，WA)和Lotus 1-2-3(Lotus Development Corp.，Cambridge MA)进行。

由表I可以明白，在计算F的过程中(即以10nm为间隔)可以选择每个材料层的层厚的离散值。当然，也可以选择不同的间隔，如5nm、2nm等。通常，在给定层的物理厚度的值中的小的偏差对所计算的F值的影响也小，且F值通常在F_min的25％的范围内。例如，对应于PrO∶TiO∶MgF的各层厚为40、80和80nm的F值为127(在表I中的实例13)。对应于各层厚为42、80和80nm的F值为121，如对应于40、82和80nm的系统的值一样。当厚度为40、80和82nm时，F值变为122。在每种情况下，F值在F_min的25％的范围内。但是，当厚度为40、80和78nm时，F值升至136，它比F_min高31％。

本发明的另一方面涉及对从涂覆制品反射的光的感知色彩的约束。作为本实施例的一个实例我们认为从观看戴眼镜的人的观察者的观点出发将AR涂层都汇集在表I中。来自顶部灯、窗户或其它照明光源的光照射到镜片的表面并以图7所示的角度(φ)反射进观察者的眼睛中。该反射的色彩取决于与波长相关的发光体(由窗户过滤的阳光)的强度、涂覆制品(涂覆眼镜)的波长和角相关反射、和色视觉的生理学，例如，如Wandell，Sinauer Associates：Sunderland MA，1995的Foundations of Vision中，或如引证的Wyszecki和Stiles所述。

物体的感知色彩通过如CIE 1931或1964色度坐标的色彩空间或在Wyszecki和Stiles的第3章中所描述的均匀的1976 CIE(L^*、u^*、v^*)色彩空间中的坐标定量地定义。图8示出了McLeod的教科书(textbook)ARPrO∶TiO∶MgF涂层的CIE 1931表示中的色彩坐标(表示为＝“x”)，与氙弧灯照明的角度有关。在图8中也示出了根据本发明制作的(F_min)最小涂层的色彩坐标(表示为“o”)。用菱形标出的位置对应于白色，即没有感知色彩。主波长，被定义为单色刺激产生同样的感知色彩处的波长，它通过描绘一条从白色点(菱形)经所计算的CIE色彩点到曲线的周边的线获得。例如，50°视角处的教科书涂层(textbook coating)和0°处的F_min最小涂层都有一个约480nm的主波长，即，蓝-绿。并非CIE色彩空间中的所有的点都有一个主波长，但是，主波长提供了与其相比的各种色调的定量标记。

从AR涂覆制品反射的光的感知色彩随入射角和照射光源两者而改变。图9(a)示出了三种标准发光体：水平面的日光、白炽钨丝灯和荧光灯的光谱。来自与对应着本发明的实例1(表I，F＝F_min)的涂覆制品的这些光的反射的色彩坐标在图9(b)中从0到60°以5°为间隔角度地被示出。如CIE色度坐标标定的感知色彩是角度和发光体两者的函数。

实际位置和随角度的CIE色彩位置的变化都属于AR涂覆制品的设计的现实问题(practical interest)。众所周知，对于那些视力测定领域的实际情况来讲某些色彩和色调在装饰性上优于其它的。另外，随视点而变化的色调的改变是眼镜产品的装饰方面的一个因素。从图1也可明白，反射图像的绝对视觉灵敏度对某些波长更灵敏，即550nm(绿色)比蓝色(450nm)或深红色(750nm)。本发明的一个优点在于它允许由戴眼镜的人(如图7中的内科医生)所感知的反射最小化，同时控制外部观察者(如图7中的儿童)所感知的反射的色彩。

图10示出了从表I中所汇集的实例2-19中的每一个实例垂直入射所反射的阳光的感知色彩。随着发光体、镜片、和观察者之间的角度的增加，会有一个如图11所示的感知色彩的漂移，其中色度坐标轨迹以五度间隔从0到60°地被绘制出。在本发明的一个实施例中，这些计算的色彩被用于与装饰或其它色彩准则相联系，以生产一个保持预定色彩并具有最小感知反射的制品。例如，如果人们需要有最小的反射，则可以使色调与戴眼镜的人的肤色相匹配。另外，人们可以将色彩限定在所最小感知的色调的范围内，该色调是根据白色点附近或对图1所含有的蓝或红色调的适光灵敏度而感知的。在第三个实施例中人们可以根据在预定光源的照射下在预定范围倾斜的角度来选择具有最小的色调变化的AR涂层以进行色彩控制。在坐标被从1931 CIE色彩空间转换到1976 CIE均匀的(L^*、u^*、v^*)色彩空间后，该范围可以通过计算图11所示的曲线的长度来确定。

根据本发明的一个方面，S(λ，θ)的根据经验而定的平均值(见Wyszecki的第5章)被用于确定优选的响应因子以用于设计AR涂层。但是，本发明也包括了具有关于S(θ)的特有的约束的个体的个人特征图的构造，如象在一只眼睛失明或患黄斑变性病的人身上才有的约束。

感知反射率F对光学基片上的一或多个涂层进行了数字评估，它与涂覆在基片上的这些涂层的厚度、组分和次序有关。组分和次序可能受到其它材料问题如黏度、表面能、耐化学性等的制约。根据本发明，AR涂层中的优选的层厚使F值处于其绝对最小值的25％的范围内，受到了这些制约。

根据本发明，层厚也可能受到对制品所反射并进入观察者的眼睛的光感知的色彩的制约。该辅助光学约束条件使得AR涂覆制品在具有需要的装饰性外观的同时反射最小。

实例20-30

本发明的AR涂覆制品的第二个实施例是具有玻璃表面的计算机监视器或视频屏幕。由于顶部照射或窗户照射产生反射图像，而这些反射图像损害了投影到显示屏上的图像的可见度，所以这些制品需要有减反射涂层。观察者的适光响应S(λ)如图1所示。但是，S(λ，θ)的角分量实质上不同于眼镜的。假设在特定工作环境下进行顶部照明，并采用简单的几何形状，样本S(λ，θ)如图12所示。未涂覆屏幕的感知反射率为717，同时注意到教科书(textbook)PrO∶TiO∶MgF涂层是258，或是未涂覆显示器的36％。使用上述方法，发现将F减至191，其最小值(未涂覆显示器的26.6％)的层厚为60nm的PrO、80nm的TiO和120nm的MgF。表示该实施例的F_min的曲线绘制在图13中。

应该明白对眼镜而言这三种材料的层厚的组合并不理想。利用人体对眼镜的响应函数(图3)导出了F＝252，基本上大于教科书涂层。

该AR涂覆显示终端的色度坐标在图14中示出。之前，进行一系列计算并得到在F最小值的所需要的百分比即25％的范围内的值，同时利用比色学公式分别计算出相关角度的反射光的色调。在评估表II中的每个设计的色度坐标之后，色调与最小感知反射率的组合可以根据装饰性或视觉功能限制条件来选择。例如，如果视频显示背景是一种预置的色彩，则需要使反射色调与该背景色混合以进一步降低反射视觉的影响。视觉科技领域的那些技术人员将看到具有F＜1.25F_min的制品的特定色调的选择将随照明、显示器的几何光学特性、和其中采用了AR涂覆制品的环境的背景色而改变。表II列出了该AR涂覆显示终端的方程7的部分解，其计算是通过以10nm为增量改变涂层的物理厚度的幅值进行的，产生出了16,000种组合。其中，165种的感知反射率在F_min的30％内，将近125种的感知反射率在F_min的25％内。下面列出有关未涂覆镜片、教科书(McLeod)涂层、实例20(F_min)、实例21-30的结果。表II：已涂覆或未涂覆视频显示屏的感知反射率

涂层	厚度(nm)	F	比未涂覆的好％^①	在F_min范围内的％^②
	厚度(nm)				PrO TiO MgF
	未涂覆教科书例20(F_min)				PrO TiO MgF	0 0 073 68 10060 80 120	717258192	0％178％273％	273％34％0％
例21例22例23	未涂覆教科书例20(F_min)	70 70 12050 90 12050 90 130	193193201	272％272％257％	1％1％5％	0 0 073 68 10060 80 120	717258192	0％178％273％	273％34％0％
例21例22例23	例24例25例26	70 70 12050 90 12050 90 130	193193201	272％272％257％	1％1％5％	100 30 12090 40 12060 90 130	201201211	257％257％240％	5％5％10％
例27例28例29例30	例24例25例26	130 10 13050 100 14020 140 130100 50 120	220230240240	226％212％199％199％	15％20％25％25％	100 30 12090 40 12060 90 130	201201211	257％257％240％	5％5％10％

色度学领域的技术人员会理解所感知的色彩从数量上来讲取决于发光体的光谱分布，如图9(A)和图9(B)所示。白炽钨丝灯、荧光灯和弧形灯具有不同于阳光的光谱输出。而且，阳光的光谱随白天的长短和天气条件而改变。本发明通过明确地将与波长相关的光强度包含在S(λ，θ)的计算中来将发光体的光谱特性并入感知反射率或感知色彩的计算中。本领域技术人员应明白，所采用的其变形或变形的加权平均值的详细情况必定考虑了使用制品时的观察条件。

本发明提供特有的制作产品，其特征在于具有低反射特性。一般来讲，该制品是透明的，如眼镜、窗户、汽车挡风玻璃、电视和计算机屏幕等。透明制品在人的视觉系统所感知的光谱即约350nm和约750nm之间的范围内不吸收光。但是，在一些实施例中，制品可能是半透明的。半透明的制品在某些可视波长透射光而在一个或更多可视波长吸收一些或所有光。半透明的制品的非限定性的实例包括着浅色或遮光太阳镜、彩色玻璃窗和着浅色汽车挡风玻璃。

在一个实施例中，透明的低反射制品包括一个光学基片和一或多个AR材料层。

很容易理解具有多于两层的沉积在底层光学基片上的材料层的低反射制品也属于本发明的范围内。

本发明已在优选实施例中进行了描述，但并不限于此。所有属于本领域技术人员的技术和能力范围内的各种变形、操作方式和实施例都不脱离本发明。例如，AR涂层和设计并使用它们的方法可用在除眼镜之外的各种光学基片上。甚至如汽车挡风玻璃一样的大的制品也可贴上AR涂层。

此处可以引入前述所有的参考资料作为参考。在全文和中，对有关数值范围的“大约”的用词用于形容高和低值的情形。

Claims

1.一种具有感知反射率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为波长，θ为入射角，

S(λ，θ)是与波长和入射角有关的人的灵敏度函数，而且

R(λ，θ)是p偏振和s偏振的反射率的平均值，

该涂覆制品包括：

一光学基片；和

涂覆在该光学基片至少一部分上的一或多层减反射材料，所述一或多层减反射材料层具有使所述涂覆制品的感知反射率小于或等于1.25F_min的厚度，其中F_min为所述涂覆制品的最小感知反射率。

2.如权利要求1的制品，其特征在于：其中所述光学基片是眼镜。

3.如权利要求2的制品，其特征在于：其中所述眼镜在一或两个镜片表面和/或其边缘的至少一部分上涂覆或多层减反射材料。

4.如权利要求1的制品，其特征在于：所述光学基片是窗户。

5.如权利要求1的制品，其特征在于：所述光学基片是电视屏幕或计算机监视器。

6.如权利要求1的制品，其特征在于：所述至少一层减反射材料包括碳氟物薄膜。

7.如权利要求6的制品，其特征在于：所述碳氟物薄膜是全氟化有机化合物的等离子沉积产物。

8.如权利要求7的制品，其特征在于：所述全氟化有机化合物是全氟脂族或全氟环脂烃类化合物。

9.如权利要求8的制品，其特征在于：所述全氟化有机化合物自全氟环丁烷、六氟乙烷、四氟乙烯、全氟丙烯及其混合物组中选取。

10.如权利要求6的制品，其特征在于：所述碳氟物薄膜包括聚四氟乙烯。

11.如权利要求1的制品，其特征在于：所述至少一层减反射材料包括有机或有机硅膜。

12.如权利要求1的制品，其特征在于：所述至少一层减反射材料层包括一种选自Si(CH₃)₄、HSi(CH₃)₃、噻吩、呋喃、苯、Ti(OC₂H₅)₄、Ti(OC₃H₇)₄、Ti[N(C₂H₅)₂]₄和全氟化有机化合物组中的一或多种前体的等离子增强气相沉积产品。

13.如权利要求1的制品，其特征在于：所述每一层减反射材料层都具有大于约5nm并小于约1μm的物理厚度。

14.如权利要求1的制品，还包括一个沉积在所述光学基片和/或减反射材料层上的光学金属薄层。

15.如权利要求1的制品，还包括一个疏水材料层。

16.如权利要求1的制品，其具有在特定照明条件下以特定角度观看的被感知的色彩，该色彩属于色彩CIE色度坐标所定义的色彩空间的特定体积元的范围内。

17.如权利要求16的制品，其特征在于：所述照明从正常的(normal)或光谱过滤的日光、钨丝灯、荧光灯和弧光灯中选取。

18.如权利要求16的制品，其特征在于：所述体积元由中心在1931的(1/3，1/3)半径为0.1的圆定义。

19.如权利要求16的制品，其特征在于：所述体积元选成与背景色相匹配，从而降低反射光的可见度。

20.一种透明或半透明的涂覆制品，包括：

一光学基片；和

涂覆在该光学基片至少一部分上的一或多层减反射材料，所述一或多层减反射材料层具有保持色度坐标包含在由中心在1931CIE色彩空间中的(1/3，1/3)半径为0.1的圆定义的体积元的厚度。

21.一种制造透明或半透明的涂覆制品的方法，其中的光学基片涂覆有一或多层减反射材料，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为波长，θ为入射角，

S(λ，θ)是与波长和入射角有关的人的灵敏度函数，而且

R(λ，θ)是p偏振和s偏振的反射率的平均值，

该方法包括：

开始在所述基片上沉积一或多层减反射材料；和

当所述一或多层减反射材料到达一需要的厚度时中断该沉积过程，该厚度是使所述涂覆制品的感知反射率小于或等于1.25F_min，其中F_min为所述涂覆制品的最小感知反射率。

22.如权利要求21所述的方法，其中涂层用等离子增强化学气相沉积法进行沉积。