CN110945392A - 柔性、超薄、混合型吸收-反射式薄膜滤波器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种混合光学滤波器，包括彼此层压的多个膜层。这使得滤波器足够柔性以使其可弯曲并且在单个混合光学滤波器中实现至少两种不同的依赖于波长的光学过滤特性的组合。两种或更多种光学过滤特性可能是由不同波长范围的光的基于干涉的阻挡引起的。附加地或替代地，光学过滤特性中的至少一种可以是第一波长范围的光的吸收性阻挡，并且光学过滤特性中的至少另一种是第二波长范围的光的基于干涉的阻挡。第一波长范围和第二波长范围可以重叠以提供被阻挡的波长的定制范围。

Description

柔性、超薄、混合型吸收-反射式薄膜滤波器及其制造方法

技术领域

本申请涉及一种用于各种光学应用的混合光学滤波器。

背景技术

干涉光学滤波器固有地复杂并且制造昂贵，部分原因是获得高光密度需要复杂的层结构。微调过滤光的光谱形状的能力是干涉滤波器的优点之一。相比之下，吸收性滤波器可以容易实现相对较高的光密度，但缺乏微调过滤光的光谱形状的能力。吸收式滤波器也缺乏困扰干扰滤波器的频谱角度偏移。结合吸收和干涉技术来创建单个光学滤波器同时获得两种滤波器的优势。

传统上，这种混合吸收性干涉滤波器是通过透明薄膜光学层在有色塑料或玻璃的基质上的真空沉积而制成的。光学薄膜层形成混合滤波器的干涉成分，并与基质中的吸收性元素互补，以产生更宽的阻挡范围，更高的阻挡光密度，或使滤波器的透射曲线的某些部分与入射角无关。

但是，这种传统方法有一些缺点。着色的基质材料通常必须为几毫米厚，以提供高的光密度，更重要的是，以便对于真空镀膜工艺是实用的。此外，事实证明，真空镀膜工艺在低成本时可扩展性不足，无法为此类高性能混合滤波器的快速增长的消费者应用提供经济的解决方案。而且，传统的真空镀膜混合滤波器仅限于平面几何形状，而多个技术领域可受益于柔性或弯曲滤波器。例如，在显示和照明应用中使用的LED光源总是显示出一定的角度发散。当将扁平滤波器放在这些光源上或这些光源的前面时，发射光的各个部分会经历滤波器的各种移位光谱，从而限制了系统的锥半角(CHA：Cone-Half Angle)。柔性或弯曲滤波器可以通过曲率补偿这种影响，该曲率可使滤波器表面在更大的角度范围内垂直于光源的波阵面。

美国专利公开US 2014/0242329 A1描述了一种使用结构化预成型坯的热拉伸生产薄膜滤波器的方法。该方法允许生产全塑料柔性超薄膜和片形式的薄膜干涉滤波器。该方法通过提供明显更高的可扩展性并且还提供可以弯曲并符合曲面的超薄滤波器来解决传统真空镀膜式薄膜滤波器的两个主要缺点，以实现上述技术优势。

但是，全塑料滤波器的各子层之间的折射率对比度很小，限制了在宽光谱范围内可达到的光密度。通常需要几千个层才能以高于3的光密度阻挡几百纳米的可见光谱。在预成型坯和滤波器中包括如此大量的层实际上是困难且昂贵的。另外，具有数千个子层的热拉伸滤波器通常太厚而不能提供足够的柔性以实现上述优点。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种混合光学滤波器包括彼此层压的多个膜层。这使得滤波器足够柔性以使其可弯曲并且在单个混合光学滤波器中实现至少两种不同的依赖于波长的光学过滤特性的组合。

例如，两种或更多种光学过滤特性可能是由不同波长范围的光的基于干涉的阻挡引起的。

附加地或替代地，光学过滤特性中的至少一种可以是第一波长范围的光的吸收性阻挡，并且光学过滤特性中的至少另一种是第二波长范围的光的基于干涉的阻挡。

第一波长范围和第二波长范围可以重叠以提供被阻挡的波长的定制范围。

为了精确地形成阻挡侧面，相比于第一波长范围的吸收性阻挡的光谱第一阻挡侧面，第二波长范围的基于干涉的阻挡形成更陡峭的光谱第二阻挡侧面。这允许经由吸收性滤波器阻挡大范围的波长，并经由干涉滤波器(也称为二向色滤波器)实现精确的截止侧面。

优选地，倾斜的光谱第一阻挡侧面在被基于干涉的阻挡所阻挡的波长范围内延伸，使得干涉滤波器可以替代地提供被阻挡波长范围的侧面的陡峭边缘。

根据一个实施例，可以通过将多个膜层中的至少一个膜层设置为吸收性滤波器层并将多个膜层中的至少另一个膜层设置为干涉滤波器层来实现光学滤波器的混合功能。每个干涉膜层可以是多层膜，其中干涉滤波器层的多层结构的每个子层的厚度和折射率以通常已知的方式分别适合于要反射的和透射的波长。

其中，至少一个干涉滤波器层包括至少两个干涉滤波器层，并且吸收性滤波器层设置在至少两个干涉滤波器层中的两个之间。如果吸收是通过吸收性层中所含的染料进行的，则这是特别有利的。干涉膜层保护染料分子免于渗出和环境破坏。

替代地，至少在多层结构的一些子层中，膜层中的至少一个膜层可以既是吸收性滤波器又是干涉滤波器，其中干涉滤波器膜也掺杂有颜料或染料。

不管是单独的滤波器层或多个滤波器层，多个膜层中的至少一个最外层可以是清晰、透明的保护层，以屏蔽具有过滤功能的过滤膜层。术语“清晰的”是指不存在变色染料、颜料或其他掺杂剂，并且“透明的”是指没有向层材料中添加会引起依赖于波长的光阻挡的附加结构。透明性质在此定义为至少在光谱的目标范围内允许至少90％的光强度透射，该目标范围可以是例如可见光谱，部分或全部红外光谱，紫外线光谱内的范围，或部分在可见光谱内且部分在可见光谱外延伸的范围。

在多个聚合物膜层包括至少两个干涉滤波器层和至少两个吸收性滤波器层的实施方式中，干涉滤波器层和吸收性滤波器层可以以交替的顺序布置。

可以通过在至少两个超薄聚合物膜层之间使用折射率匹配的液体或粘合剂层将它们层压在一起以减少单独滤波器之间的界面处的全内反射，来制造混合光学滤波器。为了将混合光学滤波器成形为期望的曲率，至少两个聚合物膜层中的第一聚合物膜层的形状可以首先适应于弯曲表面的形状，并且随后，至少两个聚合物膜层中的第二聚合物膜层可以层压到第一聚合物膜层上。

可选地，在将第二聚合物膜层层压至第一聚合物膜层之前，可以将第二聚合物膜层成形为第一聚合物膜层的形状。但是因为单独聚合物层比组装的层压结构具有更大的柔性，所以可以不省略该步骤，从而通过层压使大致平坦的第二聚合物层适应于弯曲表面。

类似的考虑适用于具有多于两层的多个层。预成形的后续层可以全部在一个步骤中与预成形层层压，而将平面层层压到弯曲表面可能需要若干连续的层压步骤。

通过以下通过附图对优选实施例的描述，本发明的更多细节和益处将变得显而易见。

随附附图仅出于说明目的，并不意图限制本发明的范围。

附图说明

在附图中：

图1是将具有不同光学特性的两个聚合物层层压在一起以形成混合光学滤波器的基本示意图；

图2A示出混合光学滤波器的第一示例；

图2B示出混合光学滤波器的第二示例；

图3A示出混合光学滤波器的第三示例；

图3B示出混合光学滤波器的第四示例；

图4示出混合光学滤波器的第五示例；

图5A示出组装弯曲型混合光学滤波器的第一示例；

图5B示出组装弯曲型混合光学滤波器的第二示例；和

图6示出了由根据本发明的混合光学带通滤波器阻挡和透射的光谱范围的示例。

具体实施方式

本发明具有多个方面，以通过在单个超薄滤波器中组合多个超薄滤波器或多个滤波机制(即吸收和干涉)来解决已知光学滤波器的缺点：

组合多个单独制作的干涉滤波器层

在图1所示的混合光学滤波器110的一个基本实施例中，单独生产的至少两个超薄光学滤波器层112和114使用在它们之间的呈液体或粘合剂层的形式的折射率匹配粘合剂116而被层压在一起，以减少各个滤波器层之间的界面处的全内反射。膜层112和114中的至少一层是聚合物膜层。混合光学滤波器110还可包括低折射率聚合物和高折射率低温玻璃的交替层，以便通过较少数量的滤波器层提供更多的阻挡。

滤波器层112和114中的每一个可以是多层干涉滤波器膜，其本身由形成二向色滤波器的许多非常薄的子层组成。该原理在图1中示出，尽管其中一个滤波器层被示为吸收性滤波器层。在图1中，滤波器层112是干涉滤光膜，并且滤波器层114被示为吸收性滤波器膜，其由被着色以仅允许特定波长带宽通过滤波器的聚合物膜组成。两个膜层112和114用粘合剂116层压，粘合剂116可以如上所述是液体或膜或粘性的可固化物质。然而，非限制性地，滤波器层114可以可替代地是干涉滤波器层。使两个膜层112和114彼此粘合的替代方法也在本发明的范围内。对于具有保护套的滤波器层而言，将各个滤波器彼此热结合是特别可行的，从而可以在不损坏内部干涉层且抵靠彼此压紧的情况下对其进行温和的加热。另一个可用的选择是超声波焊接和至少两个滤波器膜层的层压。这是通过用声波加热滤波器膜材料来熔融塑料膜的方法。

每个单独制造的滤波器层112和114(以及图1中未示出的任何其他滤波器层)可以完全基于干涉，其厚度在0.05mm至1mm的范围内。通过将所有单独的滤波器层112和114层压并压成组合的平面混合光学滤波器110，可以将这种滤波器组件构建为平面形式。构造的组装的混合光学滤波器110可能不再具有与各个滤波器层112和114相同的柔性，或者不再具有足够的柔性以将其弯曲或层压成具有小曲率半径的弯曲表面。但是它可能仍然足够柔性以使其符合具有较大曲率半径的圆柱表面。

替代地，如图5A所示，每个单独的滤波器层512、514和516可以首先被单独地弯曲成期望的曲率或层压成弯曲的表面，并且可选地被加热以表现持久的弯曲形状。然后可以如结合图1所述将预成形的滤波器层层压在一起。替代地，如图5B所示，可以将各个平面层相继在彼此顶部上层压成弯曲表面518。然后可以通过将更多单独制造的柔性滤波器层压到组件来继续进行构造。即使混合光学滤波器510的完整堆叠或组件缺乏适应于不同曲率半径的足够的柔性，但由于各个滤波器层512、514和516的柔性，其仍符合曲面。另外，与将具有相同总厚度的一个较厚滤波器弯曲成相同曲率的情况相比，逐层层压单独的滤波器层512、514和516在组装的弯曲混合光学滤波器510中产生的应力较小。

当多个单独的干涉滤波器层通过这种方法结合时，它们的光谱传输和滤波特性也将结合在一起。在一示例中，将具有相同光谱曲线的两个干涉滤波器层组合可以在它们共享的阻挡范围内实现更高的阻挡(光学密度)。在另一个示例中，可以将每个阻挡光谱的不同窄范围的多个陷波滤波器层组合以创建多陷波滤波器。替代地，如果阻挡范围是相邻的或重叠的，则组合的滤波器组件可以形成更宽的阻挡范围。

在另一个示例中，可以将阻挡高于波长λ1的光的长通滤波器与阻挡低于波长λ2的光的短通滤波器组合起来，以创建带通滤波器，该带通滤波器可透射波长范围为λ1至λ2的光，并阻挡该范围之外的光。

组合多个单独制作的吸收性和干涉性滤波器层

如上所述，如图1所示，滤波器组件可以是吸收性滤波器层114和基于干涉的反射性滤波器层112的组合。组装的混合光学滤波器110可以同时包含吸收性元件和反射性元件。例如，如图1所示，可以将纯吸收性滤波器膜110或片层压在纯反射性基于干涉的滤波器膜114或片上并与之组合，反之亦然。多个吸收层和干涉滤波器层可以组合成单个光学混合滤波器。这将组合滤波器层112和114两者的益处和阻挡特性，从而提供更高的光密度或更宽的阻挡光谱范围或对入射角的较低灵敏度。另外，这将允许将这种混合滤波器构造组装成弯曲形式或层压在弯曲表面上，如将在下面结合图5A和5B说明的。

形成该构造的层114的单独的吸收性膜可以通过使用与美国公开US2014/0242329A1的方法类似的方法热拉伸嵌有染料、吸收性颜料或其它掺杂物的预成型坯，通过热挤压着色材料，或通过浇铸着色熔体或溶液来制成。吸收性的组合的混合滤波器层可以是柔性的或刚性的，其厚度在0.1mm至5mm的范围内。

由于不同类型塑料之间的低折射率对比度，可能需要数百至数千个干涉滤波器子层才能获得一个干涉膜层的高光密度。大量的滤波器子层使滤波器的制造和加工更加复杂和昂贵。

使用颜料或有机染料或其他掺杂剂进行吸收以补充干涉层将减少在不损害经过滤的光谱形状的情况下实现所需光密度所需的总层数。这种方法将减少制造滤波器所需的时间，降低整体生产成本，并可能增加滤波器的灵活性。

如图1所示，吸收性滤波器层114或片与干涉滤波器层112或片的组合扩展了阻挡光谱范围，同时保持了由干涉滤波器层112提供的尖锐过渡边缘。另一个示例是将吸收低于波长λ1的光波长的吸收性滤波器层114或片和反射高于波长λ2的光波长的干涉滤波器层112或片组合，以产生带通滤波器，该带通滤波器可以透射波长范围为λ1到λ2的光，并阻挡该范围之外的光。

图6示意性地示出了将吸收和干涉滤波的原理相结合的一个示例。示出的是一个或多个吸收性滤波器膜或片的组合，其使用具有吸收阻挡范围612和614的至少两种吸收颜料吸收波长范围λ1至λ2之外的光，阻挡范围612和614具有从高透射到低透射的渐进(浅缓)过渡616和618。可以补充一个或多个薄膜干涉滤波器层620和622，以形成具有更急剧的(陡峭的)过渡边缘或侧面624和626的波长范围为λ1至λ2的带通滤波器。

图6是在一定波长范围内的光阻挡图。因此，在100％处示出的曲线阻挡所有光，而在0％处，所有光通过滤波器。图6所示的滤波器特性的吸收阻挡范围612和614在波长λ1和λ2之间的光谱透射带Δλ的两侧都处于长波长范围和短波长范围内。但是，与吸收光谱一样，吸收光谱的过渡边缘或侧面616和618很浅缓，不能提供急剧的截止波长。因此，添加了至少一个基于干涉的滤波器层，其包括限定光谱透射带Δλ的下截止波长λ1的一个多层结构和限定光谱透射带Δλ的上截止波长λ2的另一个多层结构。尽管被干涉滤波器元件阻挡的波长范围620和622中的每一个窄于被一个或多个吸收性滤波器元件阻挡的波长范围612和614，但是干涉滤波器层的阻挡带宽足够宽以覆盖吸收滤波器层的浅缓侧面616和618。类似地，仅通过使用图6中包括的滤波器的子集或通过选择不同的滤波器特性，可以实现修改的阻挡光谱。吸收性的和基于干涉的阻挡的组合允许非常薄的滤波器膜实现优异的光学阻挡侧面624和626。

被吸收性层阻挡的波长与入射光的入射角无关，但具有浅缓的侧面。基于干涉的多层结构具有更急剧的截止边缘，即更陡峭的侧面，但是受阻的波长对入射光的入射角敏感。在不希望这种效果的情况下，可以如上所述提供弯曲形状以获得两种原理的优点，同时使缺点最小化。

每个吸收性滤波器膜或片可包含处于各种波长范围的多种吸收性颜料，以在更宽范围或不同范围内吸收。每个干涉滤波器层可以类似地包含具有不同厚度的薄光学子层，以反射各种较宽或不同光谱范围内的光。

将吸收性和干涉性元件组合成一个滤波器膜或片

当滤波器膜或片的总厚度或柔性不是限制因素时，可以将多个吸收性和干涉性部件组合成同时热拉伸的单个滤波器膜或片。在这种情况下，较大尺寸的预成型块将以下公开的各种构造和结构被组装。然后根据公开US2014/0242329A1中公开的方法对该预成型块进行热拉伸。这可以通过多种方式来实现。

在图2A所示的一个实施例中，材料的基质214和216包含吸收性颜料并围绕多层部分212，该多层部分在最终的光学混合滤波器210中形成基于干涉的滤波器层。将具有此配置的预成型块热拉伸成混合滤波器膜或片。吸收性基质材料的厚度和掺杂浓度可针对任何所需的阻挡水平(光密度)进行调整。可以调节多层部分中的光学薄膜层的初始厚度和尺寸减小率，以实现目标光谱范围相对于辅助吸收性元件的干涉反射。吸收部分和干涉部分都可以以多种颜料或光学层厚度设计和制造，以阻挡较宽的光谱范围。在最终的光学混合滤波器中，层厚度将与预成型件中的层厚度成比例，因此图2A表示拉伸过程之前和之后的相对层厚度。

在图2B所示的类似实施例中，仅基质材料的围绕多层部分212的部分216包含吸收性颜料。至少一个外层218形成保护性覆盖膜，该保护性覆盖膜将保护所得的光学混合滤波器免受外部损害。

取决于所期望的光谱形状所需的不同染料的量和浓度，基质的一侧或两侧将掺杂有吸收性材料。

在如图3A所示的另一实施例中，吸收层314被交织在若干多层干涉层312之间。这些光学滤波器层312和314可选地夹在形成护套的两个保护性清晰层316和318之间。该配置用于保护吸收性层314的染色塑料在拉伸过程中免于过热。已经表明，某些较高浓度的染料会改变塑料的玻璃化转变温度。清晰层316和318使吸收性滤波器层314的塑料免于经受直接热，因此减慢了向吸收性滤波器层314的塑料的热传递。

图3B示出了两个清晰护套层316之间的类似布置，但是具有更少的层312和314。在图3B中，所有吸收性染料或颜料被组合在一个吸收性层314中，该吸收性层在两侧均被多层结构包围。这些多层结构形成干涉滤波器层314，每个干涉滤波器层可包括具有不同子层厚度的若干多层堆叠，以阻挡各种波长范围。

在图4所示的另一实施方式中，产生干涉反射效果的多层薄膜光学薄膜由具有不同折射率并用至少一种吸收性材料着色的光学材料(例如，聚合物)制成。该方法的优点在于，吸收性元件和反射性元件均可被设计并嵌入在预成型块的相同部分412中(并因此嵌入到滤波器膜或片中)，从而导致较小的总厚度，或允许对于给定滤波器厚度的较高光密度或较宽阻挡范围。在图4中，中心部分412表示多层结构，该多层结构的层厚度提供期望的干涉特性，其中各个层还包含用于吸收性过滤的染料或颜料。可选的护套层414和416保护染色或着色的多层结构412。所得的滤波器具有掺杂有染料或颜料的多层干涉滤波器部分412，以增加吸收而无需添加任何额外的吸收层。该原理产生了光学混合滤波器膜410的特别薄的轮廓，这反过来又产生了高度柔性的滤波器410。

尽管以上描述构成了本发明的优选实施例，但是应当理解，在不脱离所附权利要求的适当范围和合理含义的情况下，本发明可以进行修改、变化和改变。

Claims (16)

1.一种混合光学滤波器，包括彼此层压的多个膜层，膜层中的至少一个是聚合物膜层，所述混合光学滤波器在单个混合光学滤波器中实现至少两种不同的依赖于波长的光学过滤特性的组合。

2.根据权利要求1所述的混合光学滤波器，其中，光学过滤特性中的至少一种是第一波长范围的光的吸收性阻挡，并且光学过滤特性中的至少第二种是第二波长范围的光的基于干涉的阻挡。

3.根据权利要求2所述的混合光学滤波器，其中，相比于第一波长范围的吸收性阻挡的光谱第一阻挡侧面，第二波长范围的基于干涉的阻挡形成更陡峭的光谱第二阻挡侧面。

4.根据权利要求3所述的混合光学滤波器，其中，光谱第一阻挡侧面在被基于干涉的阻挡所阻挡的波长范围内延伸。

5.根据权利要求2所述的混合光学滤波器，其中，光学过滤特性中的至少第三种是第三波长范围的光的基于干涉的阻挡，其中，第一范围、第二范围和第三范围彼此不同。

6.根据权利要求1所述的混合光学滤波器，其中，光学过滤特性中的至少两种是第一波长范围的光的基于干涉的阻挡和第二波长范围的光的基于干涉的阻挡，其中第一范围和第二范围彼此偏移。

7.根据权利要求6所述的混合光学滤波器，其中，第一波长范围和第二波长范围重叠。

8.根据权利要求1所述的混合光学滤波器，其中，多个膜层中的至少一个膜层是吸收性滤波器层，并且多个膜层中的至少另一个膜层是干涉滤波器层。

9.根据权利要求8所述的混合光学滤波器，其中，所述至少一个干涉滤波器层是至少两个干涉滤波器层，并且至少一个吸收性滤波器层设置在所述至少两个干涉滤波器层中的两个之间。

10.根据权利要求1所述的混合光学滤波器，其中，多个膜层中的至少一个膜层既是吸收性滤波器又是干涉滤波器。

11.根据权利要求1所述的混合光学滤波器，其中，多个膜层中的至少最外层是清晰、透明的保护层。

12.根据权利要求1所述的混合光学滤波器，其中，多个膜层包括至少两个干涉滤波器层和至少两个吸收性滤波器层，其中，干涉滤波器层和吸收性滤波器层以交替的顺序布置。

13.一种制造在单个超薄滤波器中包括至少两个聚合物膜层的混合光学滤波器的方法，该方法包括以下步骤：使用至少两个聚合物膜层之间的折射率匹配的液体或粘合剂层将所述至少两个聚合物膜层层压在一起，以减少在单独的滤波器层之间的界面处的全内反射，其中，所述混合光学滤波器实现至少两种不同的依赖于波长的光学过滤特性，并且所述至少两个聚合物膜层中的至少一个是光学滤波器膜。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括下述前序步骤：

使所述至少两个聚合物膜层中的第一聚合物膜层的形状适应于弯曲表面的形状，以及

随后将所述至少两个聚合物膜层中的第二聚合物膜层层压到第一聚合物膜层上。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：

在将第二聚合物膜层层压至第一聚合物膜层之前，将第二聚合物膜层的形状适应于第一聚合物膜层的形状。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述至少两个聚合物膜层包括一个最外层膜层，所述最外层膜层是清晰、透明的保护膜层。

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