CN1423752A - 生产介质多层反射涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种介质多层镜面涂层的制造方法,其特征在于通过以下步骤增加反射系数:开始时先形成至少两层具有预定初始厚度的介质层,然后将一层置于另一层上以形成一层状叠层,最后,通过变形而降低层状堆叠的厚度,也就是各单层的堆叠的厚度,在变形的同时各层的厚度比或各层之间的厚度比彼此仍保持不变。

Description

生产介质多层反射涂层的方法

本发明涉及一种生产介质多层镜面涂层的方法。

介质多层镜面涂层，即由多个介质层组成的镜面涂层已使用了较长时间，主要用于有关光学窗口对光谱进行选择性传输的反射或透射以及用于其他光学部件及器件的选择性反射或透射。此外，已知的还有在灯泡上加一种镜面涂层。这类反射涂层的目的都是对辐射的某些部分的波长进行反射而对其他波长则任其透射。

在传统的方法中，这种多层涂层是通过一层层地加上介质层而形成的，这种一层层介质涂层通常由两种不同的介质材料组成，并且如果可能的话，它们具有不通的折射率。通常，这些涂层是通过真空蒸发或通过溶液的淀积加上去的。这种镜面涂层是例如由一种由两种不同材料组成的双涂层一次次分成几次加上去以形成周期性序列的不同涂层。

不同涂层的厚度必须保持在最低的容差范围内以达到所要求的镜面质量以及光谱反射及透射特性的目的。通常，光学层的厚度是指几何形状层的厚度，它乘上该层的介质材料的折射率。各双层光学涂层的厚度可以彼此以预定的方式加以变化。

这种介质多层镜面涂层的传统生产方法是很复杂的。例如，要用造价很高的高真空蒸发装置。在这种传统方法中，各涂层必须一层层地依次加上去。此外，镜面涂层的传统工艺只能用于批量生产的范围内。在封闭式高真空蒸发技术的情况下，在流水作业线生产范围内进行大规模生产这种涂层是不可能的。此外，通过一层一层形成的涂层的镜面的质量是有限的。在传统的生产方式下，以工业规模在曲面上加涂层最多只能加70个介质层或35介质双层。在这种传统方法中，可以获得的宽带多层镜面涂层的反射系数只有0.7。在传统的生产方式下，在圆筒形物体上扩大介质多层镜面涂层在技术上是不可能的，用蒸发涂层方法，传统工艺只能在平面上或略微弯曲的表面上(例如在透镜表面上)加介质多层镜面涂层。

概括说来，用传统的已有技术，多层镜面涂层的反射系数最多只能达到0.7。

因此，本发明的目的是提供一种生产介质多层镜面涂层的方法，此方法可以通过简单的方式制造出反射系数得以提高的多层镜面涂层。

根据本发明，上述目的是通过具有权利要求1中所述生产介质多层镜面涂层的特征性步骤的方法来实现的。在此方法中，先生产至少两个介质层，每一层具有一预定初始厚度，然后，将各双层依次一层层安排上去以形成一叠层堆。最后，该介质叠层堆的厚度，也就是各层的厚度，通过使叠层堆变形而降低厚度，但仍维持各层彼此之间的厚度比。

根据本发明的方法，人们可以了解到除了已有的传统生产介质多层镜面涂层的方法，即传统的一层层汽相淀积涂层或溶液沉积涂层以外，还可以有本发明的另一种介质多层镜面涂层的形成方法，在本发明的方法中，最终所需要的涂层数先一层安排在一层上面以形成一层状叠层。在形成叠层时，重要的是，各层彼此之间的厚度比要选择得很正确，各初始层的厚度可以远远厚于镜面涂层最终的厚度。这种操作可以大大简化，用不着去一层一层地形成各涂层。在此后的步骤中，层状叠层的厚度，也就是叠层中各层的厚度可以通过变形大大降低，但各层之间的厚度比保持不变。换句话说，层状叠层是“宏观地”预先决定的，在生产过程结束后，也就处于“微观地”预定的厚度比例的状态。

在本发明的生产方法中，技术上最大层数为70层或35双层的限制就不复存在。因此，有可能做到预定的波长间隔进行反射，各单层或双层可以反射的波长数大大地多于传统技术可以反射的波长数。就从而论，根据本发明使用400层双层是完全可以实现的。从而比迄今为止可能实现的反射系数0.7要高。

因此，本发明提供的生产介质多层镜面涂层的方法可以用简单的操作方法生产具有高的或增加的反射系数的多层镜面涂层。

在生产或形成介质层的范围内，各层的初始厚度是预先决定的。在这方面，至少两层的初始厚度可以是不同的。当层数多于两层时，所有各层的厚度都可以不同，或者，甚至几组涂层的厚度可以有相同的厚度。可以用任何的厚度组合以使厚度适于需要反射的辐射的波长。

在一种特别简单的方式中，可以使至少一层是用玻璃或塑料形成的。在这方面，也可以形成玻璃及塑料的组合或者甚至分别是玻璃及塑料的均匀层状叠层。

为了有效地反射所需的辐射，至少两层可以具有不同的折射率。然后，也可以使所有各层都具有不同的折射率。

此外，可以从两层形成一双层。在另一种形式中，可以堆叠至少这种(两个)双层，各双层的光学层厚度可以不同。

具体地说，一层在一层之上的各层的安排可以是层的堆叠。或者，也可以形成层堆积。在此情况下，先把两层一层堆在一层上面，然后堆积成一个。这样，就可以获得一层和另一层的规则的序列。

为了获得镜面涂层的高度机械稳定性，可以在变形之前将堆叠的层安排在两基层之间，基层的层厚决定了层状叠层和基层所组成的变形复合材料的以后的厚度，这样就得到了“三明治”式的材料。使用厚的基层-这种厚基层在生产过程的后期也是被变形的-可以在变形过程之后保证各单层的必要的容差，因为变形过程在变形之后可以达到的层的厚度容差是和复合材料的厚度相有关或关联的。

为了使基层的处理比较简单，至少一层基层可以由多个单层形成。这些单层可以安排在前面的一层之上，最好是在部分变形之后一步一步融化在其上。

在一种简单的方式中，所述基层或各单层可以由玻璃制成。在此情况下，也可以用具有基玻璃块的形式的基层。

为了对各层进行可靠的光学连接，可以在一层安排在一层之上后通过将它们熔化的办法连结在一起。为了避免在各层之间产生气泡，熔化可以在真空的情况下进行。然而，接合温度应该达到并且只维持一个短暂的时间，这样就可以避免一不同层的组分扩散入或对流迁移进入相邻的不同层之中，从而模糊了不同层的折射率的差异。

关于叠层堆以及如果需要时基层的变形，可以使用种种不同的方法。在另一方面，一种变形方法是加压，另一种方法可以是滚轧。其中也是加上了一种压力。在另外一种方法中，可以通过对叠层堆进行拉制来进行变形。所有以上这些方法都可以把层厚减小到必要的程度，同时，仍可以保持各层之间的厚度的比例。

用加热的方法可以使变形更简单易行。但是此时必须注意观察加热的温度不能太多地超过所用层材料的机械屈服或软化点以避免不希望有的材料的扩散或迁移进入不同层的材料之中与不同层的材料混合或进行渗透，从而使变形超过了必须保持的几何形状范围。

为了全面地防止任何扩散或对流过程的发生，变形可以在不施加额外热量的情况下进行。

至于涂层的经济效益使用领域，可以从变形的层叠层形成管子或曲面玻璃片。管子可以用作灯泡的原材料，曲面玻璃片可以用于汽车制造业。

在存在基层的情况下，当层状叠层或介质多层非常接近复合材料的表面之一的下面时，亦即非常接近管子的内表面或曲面玻璃的内表面时，具有基层是有利的。此时，就可以达到在内部产生的例如红外辐射的高反射度，在由基层及层状叠层组成的复合材料中，红外辐射的剩余吸收可以到达最小。

另一方面，多层镜面涂层可以在多层镜面的范围内实现。在此情况下，层状叠层是可以自我支持的，用不着任何基层。

另一种办法，多层镜面涂层可以在多层镜面涂层的范围内形成在一基体之上。在这种情况下，层状叠层安排在一基本上作为支承基体的基体或一单基层之上。

第三种办法，即将层状叠层安排在两基层之间的方法，这上面已经叙述过。在这种情况下，在层状叠层的两侧提供了一基层结构。

使用本发明的方法，通过均匀的变形可以形成圆筒形的管子或曲面的窗格玻璃片而不会影响镜面特性或介质层之间的厚度比。这样，就可以形成例如用于圆筒形灯体或灯泡的介质多层外套。它还可以作为一个生产步骤把灯的镜面涂层从灯生产过程中分开来。此外，还可以生产平的窗格玻璃片，汽车上用的玻璃片，汽车头灯玻璃片或灯泡。这一切都是以材料固有的方式带来了所需的镜面涂层的特性而用不着用另外的生产步骤来对这些产品进行镜面涂层加工。镜面涂层的特性由预先安排好的任何所需的厚度的层和任何所需的周期序列决定的。

对介质多层玻璃材料的玻璃技术的使用进行了大量的试验之后，最后，介质多层材料的生产工艺分成三个生产步骤。在第一个生产步骤中，生产出一多层玻璃叠层。在第二生产过程中，该叠层被辊平或辊压成平的叠层，在第三步骤中，从平玻璃材料生产出灯管或生产出灯泡。

在现代的灯技术中，当灯泡能将由灯丝或辉光灯丝发射的大部分热辐射再反射回到灯泡或辉光灯丝上时将是十分有利的，因为这样一来就可以给能反射的灯泡的灯丝或辉光灯丝少提供一些电能而同样可以达到传统的没有反射的灯泡的灯丝或辉光灯丝所需要的温度。从灯泡内侧能反射的热辐射越多，电能与灯丝或辉光灯丝的辐射及透射可见光之间的转换效率就越好。因此，在制造近代的灯时，对热辐射要求有大的反射系数，也就是说要求对某些波长范围的辐射有高的反射系数。按照本发明生产的多层镜面涂层可以在所需的波长范围(间隔)内实现很高的反射系数。

为此目的，制备按所需的光学反射或透射特性多层玻璃叠层，其光谱透射范围例如应该在λ₀及λ₁之间。光谱反射范围例如应该在Y₁和Y₂之间。为了在波长λ₁和λ₂之间获得高反射系数的宽带反射，各层厚的d₁在层的厚度范围d₁＝Kλ₁/(4n₁₁)及d₂＝Kλ₂/(4n₂₁)之间连续或逐级增加，此时，使用中的两种不同类型玻璃的折射率为n_i。在这种情况下，适用λ/4波长光程条件，其中k是在整个辊压过程中玻璃叠层厚度的膨胀系数。

然而，对于层厚度范围d₂，也就是反射带宽范围，临界条件是d₂＜k3λ₀/(4n₀₁)，因为否则要最大地透射过的波长Y₀范围可能成了被最大地反射的波长。当短波透射范围λ₀＝0.4微米，折射率平均n₀＝1.59时，平均折射率n₂＝1.53的长波反射范围是λ₂＝3λ₀n₂/n₀＝1.15微米。

然而，这只适用于部分垂直入射在镜面层的辐射，对于以不同入射角度入射在镜面层上的辐射部分，短波反射范围向更短的波长移动，长波反射范围则向更长的波长移动。由于这个原因，当需要的透射范围是从400nm到700nm时，就可以在从约700nm到2μ的反射范围内达到高反射性能。

这里提供的生产方法可以适用很大数目的介质层。层数可以高于50层，而一般可达到几百介质层。结果就可以使用折射率差别小的低折射玻璃类型的玻璃。因为较大数目的介质双层补偿了折射率小的差别，从而可以获得高折射系数R_2N+2＝(1-n₁/n₂ ^2N)²/(1+n₁/n₂ ^2N)²。例如，对10级叠层的400双层，对于两个平均相对于折射率为1的空气折射率在光谱反射范围为1.5的冕牌玻璃和1.6的重冕牌玻璃，就可以估计出最大反射系数可以达到0.98。

为了把多层玻璃堆融合在一起，用一真空熔融工艺以防止在诸玻璃层之间形成气泡。融合温度达到后只应该维持一个短暂时间以抑制不同玻璃组成成分扩散或对流入邻近的不同玻璃层中去，从而模糊了不同玻璃层的折射率的差别。

形成反射特性的多层玻璃叠层被一起置在两基底玻璃块之间，其层厚决定了辊平的平玻璃材料或灯管材料以后的厚度。这样就形成了一个“三明治”式的材料。后来被辊平的厚层的使用确保了在辊压后必要的光学单层厚度的容差，因为辊压过程可达到的层厚的容差是与辊压后平玻璃的总厚度相关的。

光学λ/4层的容差是Δd_i＝Δdk。平玻璃生产的可达到的容差Δd对例如显微镜盖的玻璃在绝对光谱项上高达3/100mm。就具有400介质双层平均两倍于显微镜玻璃盖厚度的“三明治”式块而言，亦即在辊压前为3/10mm双层厚度，所要求的双层厚度平均两倍于λ/4厚度2di＝0.33微米，波长为1微米，辊压后相应平均玻璃指数为1.5以及在辊压后所要求的平玻璃厚度为1mm时，该400介质双层的“三明治”式块需要保持的容差是约每光学层30nm左右。

多层堆安排在一基玻璃盖和底之间。一方面，用基玻璃盖和基玻璃底的目的是决定以后的平玻璃厚度，另一方面，是为了防止在辊压过程中表面层的变形以使其间的介质多层区域不受辊压过程中的边缘畸变的影响。整个“三明治”式块具有层厚D＝d/k，式中k是膨胀系数，而d是辊压加工后所要求的平玻璃厚度。

作为一个例子，具有400介质双层的需要在辊压后辊平成1mm的“三明治”式块的辊压前和关辊压后的尺寸，如下表所示：

“三明治”式块的尺寸	辊压前	辊压后
			单层厚度	0.15×10-3m	0.167×10-6m
400双层的厚度	0.12m	0.1336×10-3m
			基层厚度	0.78m	0.8664×10-3m
“三明治”厚度	0.9m	1×10-3m
			每层厚度的绝对容差	0.03×10-3m	33.3×10-9m
膨胀系数	1/900	1/900

为了仍然可以在辊压过程中可以对表中所示的90cm“三明治”式块的初始厚度加工，可以用具有同样总厚度的多个玻璃片代替基玻璃块，然后在各自分别部分辊压后一步步地与“三明治”融合在一起。

用以生产灯的镜面玻璃的其后的加工可以用现有的玻璃生产技术来进行。在生产过程最后结束时，所形成的辊压过的玻璃可以辊压制造成玻璃管以生产照明灯。在这方面，非常靠近平玻璃的表面之一的下面的介质多层可能向玻璃管的内表面延伸，从而大大降低以后灯泡的红外辐射的剩余吸收。

在已有技术的镜面涂层是蒸汽淀积在灯泡外表面的情况下，辐射在红外辐射到达镜面涂层被反射之前最先要从内部基体材料穿过的。在这种情况下，由基体材料的剩余吸收作用，在具有光谱镜面涂层的白炽灯的能量的平衡中产生了较大的耗散损失。

在灯的生产中，镜面玻璃管的其后加工是不太关键的。具体地说，在灯生产过程中的熔融和密封最多只会导致不同玻璃层的加压和膨胀，其结果是，短波反射范围移向更短的波长，但不会增加辐射的透射损失。

与用分别的真空蒸发淀积镜面涂层的传统的灯材料相比，有可能增加的开支，在使用本发明的制造方法时反而变得经济了。因为省却了个别地进行镜面涂层的费用以及因为从生产角度看灯的结构成形，更有利更优化了。本发明的镜面玻璃的进一步的应用领域包括建筑物和汽车上用的玻璃制品。同样，在这些产品中，也要求具有光谱反射和透射特性以例如屏蔽热的辐射。

本发明的所有优点使得从成形角度看，能够使在此以前未能实现的接着多层镜面或镜面涂层的生产成为可能。

至于本发明的进一步的优点，改进及发展请参阅下面的权利要求书供参考。

最后，必须强调的是，以上所述只是任意选择的例子，例如其中所说的400双层只是为了解释，说明本发明而所举的例子，但是本发明并不限于所举的例子的范围。

Claims (24)

1.一种生产介质多层镜面涂层的方法，该方法包括下列步骤：

形成至少两层预定初始厚度的介质层；

将所述层依次一层安排在另一层之上以形成一多层叠层；

在维持厚度比或各层彼此之间的厚度比的同时通过使层状叠层变形而减小层状叠层的厚度从而减小各层的厚度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两层的初始厚度是不同的。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一层是由玻璃形成的。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，至少一层是由塑料形成的。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少两层具有不同的折射率。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，由两层形成一双层。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，至少两个双层堆叠在一起。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，各双层之间的光学层厚度是不同的。

9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述安排过程包括层的堆叠和/或堆积。

10.如权利要求1至9中任一项所述的方法其特征在于，在变形之前，层状叠层安排在两基层之间。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，至少一个基层是由多个单层形成的。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，各单层安排在前面一层之上，最好是每次一步步地在部分变形之后融合在其上。

13.如权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述各基层或各单层是由玻璃形成的。

14.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述各层在一层安排在一层上之后用熔化方法连结在一起。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，熔化是在真空情况下进行的。

16.如权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，通过一加压操作而产生变形。

17.如权利要求1至16中任一项所述的方法，其特征在于，变形是通过辊压操作形成的。

18.如权利要求1至17中任一项所述的方法，其特征在于，变形是通过一拉制操作形成的。

19.如权利要求1至18中任一项所述的方法，其特征在于，变形是通过加热作用形成的。

20.如权利要求1至18中任一项所述的方法，其特征在于，形成变形时用不着另行供热。

21.如权利要求1至20中任一项所述的方法，其特征在于，从变形的各层的叠层可形成管子或曲面窗格玻璃。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，层状叠层是安排在管子或曲面窗格玻璃的内表面附近。

23.如权利要求1至22中任一项所述的方法，其特征在于，多层镜面涂层是在一多层镜面范围内实现的。

24.如权利要求1至22中任一项所述的方法，其特征在于，多层镜面层是通过一多层镜面涂层在一基体上的范围内实现的。