一种滤光装置

本发明涉及有差别反射和均匀传输特性的滤光器装置。

在商店橱窗，太阳镜，挡风玻璃和其他透明结构上的所有图形， 符号和标识，当从这些结构两侧观察时，都是可见的。在许多情况下 ，人们更喜欢这类图形，标识和符号仅从一侧观察时是可见的。例如 ，最好，当通过一对太阳镜或汽车挡风玻璃观看时，观察者有毫无阻 碍的视觉可看到打算看的滞销品，图案和任何其他不透明的广告标识 语句或图象，而当观察者从外侧观看时，将会阻碍佩带太阳镜或通过 汽车挡风玻璃观看的人的视觉。

US专利4,925,705揭示了一种在一个或多个区域内产生对齐的 叠合层的方法。这些叠层被印刷在一个衬底上复盖界定这些区域的掩 膜上。这些印刷区组合形成透明衬底上的一个印刷图象，该图象在从 衬底被印刷侧看去时是可见的，而从相对侧观看时基本不可见，这是 由于观察者眼睛接近点阵而眼睛不能聚焦在这种点上的缘故。所描述 的这类装置在光学上是有缺陷的，因为这种点阵限制了光穿过玻璃的 通道也往往可能产生聚焦问题。因此，这种玻璃不能用作太阳镜，仅 仅是一种新奇或专为广告宣传而搞的骗局。

US专利4,619,504公开了一种带标记的眼(透)镜和产生该标记 的方法。一种可卸除的粘合基片以一予定图样粘合到透镜的表面，接 着再将一层防反射涂膜直接施加于该区域外侧的透镜体表面。然后除 去该可卸除基片以使该标记由被非反射涂层所围绕的一个反射图样所 界定。这种标记由于其光学上的中性性能而不易识别而且仅为用于标 识而不是为广告目的而设计的。

根据本发明第一方面是提供一种滤光装置，该装置包括至少两个 滤光器元件，该滤光器元件确定一个第一区和一个毗连第一区的第二 区，该第一区有与第二区基本相同的光学传输特性和在至少一部分可 见光谱范围内的不同光学反射特性，从而使得从滤光装置一侧观看时 ，第一区与第二区之间的区别是显而易见的，而当从滤光装置相对侧 观看时，则基本上看不出这种区别。

最好，滤波装置的一侧为图样侧而其相对侧是一个无图样侧，并 当从该滤光器的无图样侧观看时，也基本看不出第一区与第二区之间 的区别。

在本发明的一个最佳方式下，滤光器元件包括一透明基片和以 予定图样形式涂敷到该基片的至少一层光学涂层。

该涂层一般包括多层重叠的光学薄膜，这些薄膜可为金属薄膜， 电介质薄膜，包括金属-介质混合物的混合薄膜或上述薄膜的组合等 多种形式。

就本发明的一种形式而言，滤光装置包括一下层金属薄膜和一压 在上面的介质薄膜，该金属薄膜的厚度确定了滤光装置的透光度而介 质薄膜厚度确定了第一和第二区的反射颜色，该装置还可包括置于金 属薄膜和基片之间的至少一个下层介电薄膜，以减小背面或反向反射 。

就本发明另一形式而言，光学薄膜包括一组电介质薄膜，该组中 邻接的薄膜层有不同的折射率。

透明基片可包含适于减小某一光谱区中的传输不平衡的形成整体 的滤色装置，以提供传输色平衡。

本发明扩展到制作一种滤光装置的方法，该方法包括以下步骤：

提供一种光学基片；

选择一种光学涂层并将其涂敷到基片的一面；和

在该涂层上制作予定图案，以界定第一和第二区；

借此，使第一区有基本相同的光学透光度特性，但在与第二区合 成的至少一部分可见光谱上有不同的光反射特性，以致当从滤光装置 一侧观看时第一和第二区之间的区别是视觉可识别的，而当从滤光装 置相对侧观看时，基本上不能用视觉察觉该区别。

最好，如此选择光涂层和基片致使当从滤光装置相对侧观看时， 第一和第二区两者在反射光方面的背面反射比是基本相同的。

传统的光涂层包括至少两层叠合的光学薄膜层，该光学涂层的涂 敷步骤包括：将薄膜层涂敷到基片；利用确定所述图样的掩模掩蔽至 少薄膜层之一层；以及除去掩模三步骤。

该方法可包括监视该光学薄膜层的厚度，以获得所需透光度和反 射比特性的步骤。

该方法还可包括以下步骤：提供一参考光源，发送光传感器和一 反射光传感器，将一监控基片置于光源和发送光传感器之间，以连续 淀积工艺在监控基片上淀积至少一层光薄膜，在淀积工艺期间测量发 送和反射光，以及当已得到所需光的透射比和反射特性时，结束该淀 积过程。

一般来说，该方法还包括以下步骤：将至少一个基片设置在监控 基片的一个区中并使该基片经受与所述监控基片相同的的淀积过程。

该方法一般地包括检测传输颜色不平衡的光谱区并提供带滤色装 置的基片以减小该光谱区的传输颜色的不平衡。

该薄膜层可采用汽相淀积工艺，光刻法，浸渍法，喷镀法或溅射 法，来涂敷。

必须了解，“图样”一词是指任何形式的标记，广告标识语句， 图象，器件或诸如此类的东西。

图1A，1B和1C高度概括地表示一块透明基片上的常规不透光图样 的各自前、后和侧视图；

图2A，2B和2C高度概括地表示本发明滤光装置的各自前、后和侧 视图；

图3A表示组成本发明滤光装置的一个实施例的多层电介质叠层的 横截面侧视图；

图3B表示组成本发明滤光装置另一实施例的多层金属和电介质叠 层；

图3C至3F表示构成本发明又一实施例的两层金属和电介质叠层的 不同制作阶段；

图4表示一组红反射薄膜电介质叠层的透射比和反射比图；

图5表示说明利用一滤色玻璃作为基片的传输匹配的图解；

图6表示说明中性色，古铜色，紫色和蓝色标识的反射比曲线图 ；

图7表示中性色，古铜色，紫色和蓝标识的透射比曲线；

图8表示彩色标识的反向反射比曲线；

图9表示包含一防反射层的彩色标识的反向反射比曲线；

图10表示利用一基本对称的滤光装置的嵌入图样设计的透射比和 反射比曲线；

图11表示用于古铜色，紫色和蓝色滤色器的非规范化的透射比值 的曲线；和

图12表示一种实验涂敷设备的部分示意图。

首先参考图1A至1C，这些图仅为比较起见而提供，一个诸如玻璃 板10之类的透明基片配置有包含三个不透光条12的图样。正如从图1 A和1B所清楚看到的，当从玻璃两侧观看时，该图样是清楚可见的。

在图1C中，图样12的反射比20不同于背景玻璃10的反射比22。通 过该图样的光的透射比24实际上为零，与背景或周围区的透射比26显 着不同。此外，背景的反向反射比28明显地大大不同于图样12的反向 反射比30。

现参照图2A至2C，所示玻璃板14具有通过周围区邻接的三条16形 式的图样区，玻璃板14和条16构成本发明的滤光装置18。如从图2A清 楚可见，条16显然在反射光中是可见的。然而，当玻璃板被转向而从 相对侧观看滤光装置18时，则如图2B所示，图样区16与周围区融合 而不可见了。在图2C中将此量化了，该图示出如在图1A至1C的先有技 术实例中一样，图样32的反射比和背景或周围区34的反射比是怎样不 同。不过光通过图样16的透射比36与通过周围区的透射比38基本上相 同。因此当从玻璃相对侧观看时，图样16实际上是不可见的。

作为另一特点，背景的背侧或反向反射比40是与图样区16的背侧 反射比42是匹配的。照图2B，当从玻璃相对侧观看时，这更进一步减 小了图样的可见性。

由于图样16必须是透明的，故显然用于形成图样的材料必须是透 明的或至少是部分透明和颜色可选的。光学薄膜显现光干涉现象以产 生反射比的差别，同时仍基本保持相同的传输性能。这种膜限定为薄 膜，薄得足以允许层间光干涉，一般厚度范围为50至100nm。

可将光学薄膜分成四类，即，电介质薄膜，金属薄膜，金属/电 介质组合和金属/电介质混合物。

电介质膜是有极低电导率的绝缘体。典型材料包括石英，氧化铝 ，氟化镁等等。这些膜没有一点光吸收性能并由该层的折射率及其厚 度定义。正如从图3A显见，基片上的电介质系统的所需谱反射和传输 特性是通过叠合带有不同折射率和厚度的若干电介质薄膜层44A至44I 来实现的，这些薄膜层按序叠合在一透明基片上以产生电介质薄膜叠 层48。一般设置有大约2.35的高折射率的TiO2层和有大约1.45的低折 射率的SiO2层作为可供选择的层。

理论上说，任何反射比特性均可实现。然而，由于反射比是非吸 收的并象透射比一样，从薄膜装置两侧看基本是相同的，在反射时看 到的颜色在透射时便消失，所以透过图样和背景基片观察的色平衡必 须借助基片中的一些滤色装置来实现。在图4中，示出一个红反射薄 膜滤光装置的各自透射比和反射比曲线图58和60。该装置包括在一透 明玻璃基片上的高和低折射率交替的数层薄膜，该薄膜呈现反射红色 和透射蓝/绿色的性能。

很明显：在透过蓝-绿图样的透射比和透明背景之间存在着明显 值得注意的差别。通过消除不平衡最大的那个光谱区，便能得到色平 衡。这在图5中作了图解，在该图中，采用一滤色玻璃作为基片，以 吸收透过背景的红色部分的光谱从而得到平衡传输。透过基片的透射 比由虚线框62画出而透过基片和图样两者的透射比由实线框64示出。 对所有可见光波长而言，这两条曲线的紧密匹配是显而见的。将滤光 基片连同电介质薄膜装置一起使用的这一概念可扩展到对其他颜色也 适用。

多层滤光装置通常借助所谓物理汽相淀积法(PVD)产生，那时 材料在高真空和冷凝条件下以一种受控方式被蒸发到基片上。此外， 可用诸如溅射，磁控管溅射，离子-辅助PVD法和化学浸渍或喷镀等 工艺技术。

可采用的第二类光学薄膜包括金属膜，这些膜以它们的高导电率 ，光吸收特性和复数折射率为特征。典型金属膜包括铬，铝，银，镍 等等。正如用电介质薄膜情况一样，诸如铬之类的金属层的透射比无 论从哪个方向观察都是相同的。这种相同并不适用于金属膜的反射 比，因为从空气侧的反射一般强于从基片侧的反射，这是由于金属层 中的吸收作和空气与基片中的折射率不同所致。

图3B中示出另一光学薄膜装置，该装置包括夹在下电介质层54和 上电介质56之间的有一金属层52的薄膜叠层50。由于添加了这些电介 质层，故能改变来自该层一侧的反射颜色和幅度而通过该层的传输以 及从该层另一侧的反射方面几乎无变化。最上层电介质层56的厚度确 定了反射的颜色，而金属层的厚度决定了通过该组叠层的传输值。由 于电介质层54插在金属层52的下面，故可调节背面或反向反射比。

金属层52也能为金/电介质混合物形成的黑背景所取代或补充。 通过在金属/电介质混合物的顶上添加电介质层，可产生高反射率的 图样。

现参照图3C至3F，图中示出制作本发明滤光装置的一个基本实施 例过程中所涉及的步骤。第一步，将金属Cr层52A汽相淀积到基片46 上。然后将由可除墨水之类物构成的掩膜层57以予定图样淀积到该Cr层52A上。再将由SiO构成的最上层电介质层56A在掩膜层57用于完全 掩盖图样区的情况下汽相淀积到Cr层52A上。作为最后一步，正如从 图3F所清楚看到的，掩膜层57被去除，以界定由周围区57B环绕的图 样区57A。

当金属和SiO作为电介质薄膜层，同时将Schott Bk7玻璃用作基 片时，进一步的设计将基于Cr的光学参数。为此，选择Cr和SiO材料 形成坚硬和耐用层的原因是易于使用和Cr与SiO两者的光学参数是众 所周知的，故可实现合理可靠的理论上的模拟。

该滤光器的透射比是将550nm时的30％透射比取作标准的，因此 与一滤光器基片组合的透射比是在10％和20％之间，这正是与太阳镜 相关的透射比值。

由于借助光薄膜技术可产生无数色彩，故将背景颜色分为四种样 品类，即易于获得的大致表示将从基片可见到的色调：“中性色”， “古铜色”紫色和“蓝色”。

这样迄今获得的最简单的实际结构描绘于表1中。这些设计方案 在透射比和应用场合方面是密切配合的。

表1

层   材料   中性色   古铜色   紫色   蓝色

0     空气    -         -         -       -

1     SiO     -         42nm      55nm    72nm

2     Cr      14.9nm    21.3nm    22.7nm  20.9nm

基片  BK7     BK7       BK7       BK7     BK7

反射比和透射比数据分别描绘于图6和7中。反向反射比(当从基 片背面观看时的反射比)示于图8中。在图6至9的所有图线中，中性 色图线用实线表示，古铜色图线用带三角形的线表示，紫色图线用带 叉线表示，蓝色图线用带圆线表示。

对中性色和古铜色滤光器而言，在整个可见光谱范围传输平衡较 好，而中性色和其他两种颜色之间的传输平衡则逐渐变坏，并需要某 些滤光作用以获得满意的色平衡。在中性色滤光器与合理密切匹配的 三种颜色设计之间，反向反射比显著不同。

在反向反射比方面的这一差别可通过采用有大约50％透射的中性 色密度基片，或在基片背面设置一中间反射层来掩蔽，以掩盖该反射 差别。

为产生背景色调(background shade)，在整个区域上涂数Cr底 层，广告等标识语句被掩蔽掉，再涂敷Cr匹配层加SiO层。一个消除 了部分蓝色光谱区的彩色基片可有助于平衡透射比。为匹配透射比， 可能必需附加一层或多层匹配层。通过在图样下添加附加层，可能对 透射比的光谱特性进行某些控制。

如图8所示的三个不同颜色背景上的中性广告等标识语句的反向 反射比的适当不同和匹配可仅通过用中性密度基片的强掩蔽(heavy masking)来实现。在如表1列出的不同背景上的彩色图样或广告等标 识，和如图8所示情况下，急剧改善了反向反射的匹配，以致没有必 要用中性密度基片掩蔽。这种反向反射匹配的唯一负面情况是相对高 的反射比值，这在不用滤光器基片屏蔽时，可能造成麻烦。

下表描绘了至此已讨论过的三种彩色设计和中性设计，如图3B所 示，附加了最下面的SiO层54，以减小反向反射比。

表2

层   材料   中性色   古铜色   紫色   蓝色

0     空气    -         -         -       -

1     SiO     -         42nm      55nm    72nm

2     Cr      16.3nm    27.1nm    28.5nm  25.5nm

3     SiO     72nm      72nm      72nm    72nm

基片  玻璃    玻璃      玻璃      玻璃    玻璃

图9描绘了这四种设计的反向反射比，表明在550nm时反向反射比 从接近40％减小至15％左右并对中性色结构而言也明显减小了。

利用两道或两道以上掩蔽工序有可能在一个背景上产生两种或更 多不同色彩的图样或广告标识。参见表2，正如表1所述，层2和3可被 组合成一个公共层，因而广告标识和背景颜色由层1的厚度确定。例 如，可在金色背景上形成一种蓝色和紫色广告等标识。

背景颜色的改变可通过涂敷工艺期间利用基片前面的旋转或静止 掩模以导致电介质层的厚度变化来实现。该过程将产生透射比变化。 因此，当涂敷金属层时必须除去这些掩模。

若使滤光器的这些结构的入口媒体与出口媒体相同，则如下表所 说明的，可产生一种具有不同反射比，但有相同透射比的对称结构

表3

层       材料      结构1         结构2

媒体      BK7        BK7            BK7

1         SiO        15nm           -

2         Cr         21nm           21nm

3         SiO        -              15nm

基片      BK7        BK7            BK7 这两种结构的透射比是相同的，但反射比不同，这就从一侧看时给定 了一种颜色的对比度。

图10表示该两种结构的透射比和反射比，其一具有古铜色反射， 另一个则是浅蓝色反射。66处表示公共的透射比图线，古铜色反射比 图线示于68，蓝色图线由70表示。SiO层的厚度决定了反射的颜色。

现参见图12，该图表示一种实验涂敷设备80的部分示意图，该设 备包括一真空室82，该真空室有一导向真空泵和三个窗口86，88和90 的出口管。一个可调光源92被连到窗口86，并包括灯94，聚焦透镜96 和截光器98以消除背景干扰：一个光电装置100被耦合到窗口88，并 包括滤光器102，透镜104和检测器106。一个类似的光学检测装置108 被耦合至窗口90，并为检测反射光而安置。

真空室安装一旋转的衬底夹具或帽罩，该夹具由虚线110表示并 载有至少一个衬底112。一种可由玻璃或适宜塑料制成的透明监视衬 底114装在帽罩中央的一个固定或安装件上并构成光透射和检测装置 的聚焦点。一个辉光放电电极116置于真空室内并用于在涂敷衬底前 借助电轰击作初步清除，以改善各涂层对衬底的粘合性。真空室中还 包含有两个电阻加热的汽化源，其中之一在118示出。一个石英晶体 厚度检测装置122包括位于衬底112附近并耦合到监视器126的检测头 124。一个中央控制器和测量装置128控制光发送器并接收和处理来自 光检测装置100和108的光输入。

Cr由一平坦的钨蒸发皿汽化而SiO来自折叠的钼舟或钽舟。真空 室内压力小于0.01巴，并以大约每秒1nm的汽化率涂敷Cr和SiO。在每 层涂敷之前大约经历5分钟时间的辉光放电，有关监视衬底114的不同 层的厚度值则由监视装置监视或由光发送器92，光接收器100和108构 成的光监视系统监视并由一校正程序获得。

以下表4列出基于表1的理论设计值的初始实验设计值：

表4

层   材料   中性色   古铜色   紫色   蓝色

0     空气    -         -         -       -

1     SiO     -         42nm      55nm    72nm

2(a)  Cr      14.9nm    14.9+     14.9+   14.9+

2(b)  Cr                6.4nm     7.8nm   6.0nm

                     (＝21.3)   (＝22.7)(＝20.9)

衬底  BK7     BK7       BK7       BK7     BK7

在彩色背景上形成中性色图样或广告等标识的方法如下。首先在 整个衬底上涂敷14.9nm厚的SiO层。接着，用下法之一种产生广告等 标识结构或图样：或在衬底上安置一掩模，在广告等标识上进行喷涂 (painting)，或利用诸如Letraset之类的转移媒体产生广告等标识 。然后涂敷附加Cr层以校正透射失配，接着涂敷SiO层以产生正确的 背景颜色。然后用丙酮之类的适宜溶剂除去界定广告等标识的掩膜。

在另一应用场合，是将彩色广告等标识涂敷到彩色背景上，列于 表4中的三种不同颜色用于设计。由表4可注意到：为了将透射比规范 成550nm时为30％，Cr层的厚度不同。

现再参见图6，该图示出列入表4中的各结构的光谱透射比曲线。 虽然，透射比在550nm时是匹配的，但很明显：存在光谱失配情况。 为简化作业，使表4中的所有Cr层相同厚度，则导致以下结构：

表5

层   材料   古铜色   紫色   蓝色

              厚度     厚度   厚度

0     空气    -         -       -

1     SiO     42+0      42+13   42+30

              ＝42nm    ＝55nm  ＝72nm

2     Cr      21.3nm    21.3nm  21.3nm

衬底  BK7     BK7       BK7     BK7

现参见图11，该图用相对于以前所示的古铜色，紫色和蓝色滤光 器的相应图线表示用以上结构得到的各种透射比值。虽然该透射比在 550nm稍有失配，但这不足以显著影响该滤光装置的性能。与最薄的 SiO层相结合的Cr层充当一公共层，此后接着在该图样上涂敷SiO层。

必须先对不同材料的厚度进行校正以后，才能涂敷任何一层。这 是通过，涂敷任选的Cr厚度，再测量透射比并进行校正直到透射比在 550nm时约为30％为止，来达到的。任何其他透射比值均可在少量改 变各层厚度的情况下实现。

对SiO进行校正的步骤是涂敷任意厚度的Cr层，测量光谱反射比 再调节该厚度直到获得背景的合适颜色为止。对背景上的附加校正Cr层进行匹配也必须通过调节该层直到通过广告等标识和背景的透射比 达到匹配而完成。该校正程序也适用于对其他彩色背景进行涂敷，因 此，也必须对其他背景进行再校正。

为在彩色背景上涂敷中性色广告等标识或图样，可采用以下步骤

1)在一过滤的层流小室中，用酒精和丙酮清洁衬底。

2)将清洁的衬底装入真空室。

3)将真空室抽空至真空度小于0.01巴。

4)在涂敷之前将衬底经受辉光放电约五分钟。

5)以大约1.0nm/秒的速率涂敷厚14.9nm的Cr，或用石英晶体监 视器控制；或当用光学监视器时直到透射比达到30％。

6)将涂敷设备的出口通至大气。

7)施加界定图样的掩模。

8)再次装入衬底。

9)真空设备再次被抽空至小于0.01巴。

10)进行大约2分钟的辉光放电。

11)涂敷另一10.5，10或7.5nm的Cr层，再用石英晶体监视器或 光学监视器直到透射比近似20％。此后涂敷42，55或72nm的SiO层， 用校准的石英晶体监视器或用反射方式下的光学监视器监视厚度直到 该反射信号在一特定窄带滤光器下达到最小。

12)将涂敷设备出口通向大气。

13)从真空室取走衬底。

14)去除掩模。

注意：若使用在真空条件下可在衬底前面移动的独立机械掩模图 样，则可取消步骤6)至10)。

该相同步骤可用于形成以下滤光装置；该装置包括不同色彩背景 或衬底上的彩色广告等标识，在此情况下，公共层是一个21.3nmCr层 加一个42nmSiO层。那时背景颜色由围绕图样区的附加SiO层的厚度确 定的。该步骤特别适用于在紫色和蓝色背景上的古铜色广告等标识。

在某一特定背景上涂敷一层以上的彩色广告等标识需要一步以上 的掩蔽步骤。21.3nm的Cr层是公共层。背景颜色由一定厚度的SiO确 定。那时，施加第一掩模步骤后接着施加确定第一广告等标识的颜色 的另一SiO层。执行第二掩模步骤并施加一附加SiO层，以确定第二广 告等标识的颜色。可重复该过程以产生其他广告等标识的颜色。

可以采用光学性质类似于Cr和SiO的任何其他材料，例如硫化锌 或二氧化锆之类。

涉及以上结构中的某一些有小量失配，这种失配不会影响滤光器 的光学性能，但可为人眼所感觉。因此要完美的匹配两种结构而不引 起人们注意是相当困难的。这种结构可用在太阳镜的一些应用场合， 在那些场合，图样和周围之间的边界将在焦点以外因此对于所有实际 用途而言都是看不见的。

该掩模步骤可采用以下技术完成：

(a)已被切割成形的机械掩模；

(b)喷涂上标记并在后来通过溶解法(dissolving)除去。

(c)借助喷墨印刷技术或激光印刷机印上标记；

(d)利用丝网印刷技术涂敷掩模；

(e)诸如光刻等技术的摄影处理；或

(f)任何其他遮蔽(obscuration)技术。

本发明的该滤光器装置有许多可能的应用场合。典型实例包括：

-机动车辆，火车头，飞机，轮船和任何其他形式的陆，海和空 中运输工具的挡风玻璃和窗，

-头盔之类的面罩，太阳眼镜，护目镜，眼镜和可能接触的透镜 ；

-所有形式的建筑玻璃，包括窗，商店橱窗(shopfronts)拉门 和广告牌；

-用于照相机，望远镜，双筒望远镜之类中的光学透镜和滤光器 ；

-信号灯，照相机快门，照明灯之类；和

-诸如天窗和日光屋顶(sun-roofs)之类的透明塑料膜和任何 其他透明结构。