专利名称：用于产生全向多层光子结构的方法
技术领域：
本文描述的实施例一般涉及多层光子结构，尤其涉及用于设计多层光子结构的方法，以产生有需要的反射率和透射率性质的多层光子结构。
背景技术：
太阳光在电磁波谱中包括的波长范围包含紫外(UV)、可见、和红外(IR)光。与特定物体相关的颜料的颜色，由被颜料反射的光和由人眼观察的波长确定。例如，太阳光或白光包括粗略地相等的可见光谱中波长的混合。当白光入射到颜料上时，白光的一些波长被吸收，而其他波长被反射。反射的波长确定颜料的颜色。对许多颜料，反射性可以强烈依赖于入射到物体上光的角度。所以，颜料可以对不同的入射角反射光的不同波长，同时吸收其他波长。因此，该颜料必定不可以在所有入射角上作为所有光波长的全向反射器工作。这一点导致颜料对入射光的不同角度有色偏移。类似的效应对UV和顶光也可以发现。具体地说，对入射的不同角度，颜料可以反射UV和/或顶光的某些波长同时吸收其他波长，这样可以导致不希望有的效应。例如，当 UV光被聚合物材料吸收，该聚合物材料可能使聚合物的化学键断开。这一过程被称为光降解并可以引起破裂、粉化、色改变和/或聚合物材料的物理性质的损失。同样，近红外太阳光(780nm-2100nm)携带总太阳能的53%，当这些能量被吸收时，产生聚集在物体表面上的热，可以导致不希望有的热状况。在某些物体上，诸如汽车、建筑物或其他结构上，这种热的聚集可以降低某些系统，诸如，举例说HVAC系统的效率和/或性能。
发明内容
因此，全向地反射至少UV和顶光的光子结构可以是需要的，而用于产生这种光子结构的另外的方法是必要的。在一个实施例中，一种用于产生多层光子结构的方法，该多层光子结构有至少一组高折射率材料和低折射率材料的交替层，该方法可以包含确定该多层光子结构的特征性质函数和确定该至少一组交替层的厚度倍率。厚度倍率可以通过使特征性质函数拟合到目标分布而被确定。特征性质函数可以根据确定的厚度倍率被调整。其后，被调整的特征性质函数可以与目标分布比较。当该调整的特征性质函数不近似于目标分布时，至少一个追加组的层可以被添加到多层光子结构。在另一个实施例中，一种用于产生全向反射多层光子结构的方法，该全向反射多层光子结构包括至少一组高折射率材料和低折射率材料的交替层，该方法可以包含对入射到多层光子结构上的光的多种角度确定多层光子结构的反射率函数，以及对每一组交替层确定厚度倍率的值。每一组的厚度倍率的值，可以通过使光的每一角度的反射率函数拟合到目标反射率分布而被确定。其后，被调整的反射率函数可以与光的每一角度的目标分布比较。当被调整的反射率函数不近似于目标反射率分布时，至少一个追加组的层可以被添加到多层光子结构。
在又另一个实施例中，一种用于产生全向UV-IR反射器的方法，该全向UV-IR反射器包括至少一组高和低折射率材料的交替层，该方法可以包含对入射到多层光子结构上的光的多种角度确定反射率函数。可以选择目标反射率分布，该目标反射率分布对电磁波谱的UV范围中光的波长有约100%的反射率、对电磁波谱的可见范围中光的波长有小于 100%的反射率、和对电磁波谱的顶范围中光的波长有约100%的反射率。其后，通过使光的每一角度的反射率函数拟合到目标反射率分布，可以确定至少一个厚度倍率的值。光的每一角度的反射率函数可以根据被确定的厚度倍率而被调整。其后，被调整的光的每一角度的反射率函数可以与目标反射率分布比较。当被调整的反射率函数不近似于目标反射率分布时，至少一个追加组的层可以被添加到多层光子结构。
本发明实施例所提供的这些和另外的特性，借助下面结合附图的详细描述，将有更完整的理解。列举在图中的实施例，本质上是说明性和示例性的，并不企图限制由权利要求书定义的本发明。这些说明性实施例在下面的详细描述，当结合下面的图阅读时，能够被理解，图中同类结构用相同参考数字表示，附图中图1按照本文示出和描述的一个或更多实施例，画出用于产生多层光子结构的初级步骤的流程图；图2按照本文示出和描述的一个或更多实施例，画出用于产生多层光子结构的方法的流程图；图3按照本文示出和描述的一个或更多实施例，画出多层光子结构，供结合产生多层光子结构的方法使用；图4按照本文示出和描述的一个或更多实施例，以图形示出多层光子结构的每一层的厚度，该多层光子结构包括1、2、3和4层的多层组，其中每一组包括低折射率和高折射率材料的交替层；图5按照本文描述的一个或更多实施例，对以0°角入射到有1、2、3和4层的多层组的多层光子结构上的光，以图形示出作为波长函数的反射率；和图6A-6D对以0°、15°、30°、和45°角入射到有1、2、3和4层多层组的多层光子结构上的光，以图形示出作为波长函数的反射率。
具体实施例方式图2 —般地画出用于设计全向多层光子结构方法的一个实施例的流程图，用于获得诸如反射率的目标特征性质。该方法可以包含选择特征性质的目标分布，作为入射到该多层光子结构上的光的波长函数。该多层光子结构的基本层结构也被选择。基本层结构每一层的厚度可以被表示为入射到该结构上的光波长、该层的折射率、以及厚度倍率的函数。 该基本层结构对给定入射光角度的特征性质函数，可以作为入射光波长和厚度倍率的函数而被确定。该厚度倍率，从而基本结构的每一层的厚度，可以通过使特征性质函数拟合到目标分布而被确定。用于产生全向多层光子结构的方法，以及据此产生的多层光子结构，将在本文更详细地描述。
在描述用于设计全向多层光子结构的方法中，将参考入射到多层光子结构上的电磁辐射。应当理解，术语“电磁辐射”可以与术语“光”互换地使用，且两个术语都指电磁波谱的各种波长，尤其是电磁波谱的紫外(UV)、红外(IR)、和可见部分中的波长。现在参考图1，用于设计有全向性质的多层光子结构的初级步骤流程图10被示出。虽然流程图10中列举的步骤按具体次序被陈述并被描述，但应当理解，该初级步骤被执行的顺序是可以改变的。在一个实施例中，用于设计有全向性质的多层光子结构的方法，可以包含选择多层光子结构的特征性质的初级步骤12。在本文描述的该实施例中，该特征性质是多层光子结构的反射率。反射率，如在本文所使用的，是指入射到多层光子结构上的光被多层光子结构反射的分数或百分数，并可以作为入射到该结构上的光的波长函数被画成曲线。虽然本文描述的用于设计多层光子结构的方法的具体实施例，利用反射率作为要被优化的特征性质，但应当理解，本文描述的该方法可以代之以利用透射率或吸收率作为要被优化的特征性质。透射率，如在本文所使用的，是指入射到多层光子结构上的光被透射或通过多层光子结构的分数或百分数，并可以作为入射到该结构上的光的波长函数被画成曲线。吸收率，如在本文所使用的，是指入射到多层光子结构上的光既不被反射也不被透射的分数或百分数，并可以根据反射率和透射率确定。在另一个初级步骤14中，特征性质的目标分布被选定。在本文描述的特征性质是多层光子结构的反射率的实施例中，目标反射率分布可以被选定为使优化的多层光子结构有某种反射率特征。例如，在一个实施例中，目标反射率分布可以是矩形井反射率分布，使优化的多层光子结构反射UV和顶光而对可见光是透明的。更具体地说，该矩形井反射率分布对从约200nm到约350nm的波长(如在电磁波谱的UV部分中光的波长)可以有100% 的反射率、对从约350nm到约850nm的波长(如在电磁波谱的可见部分中的波长)可以有 10%的反射率、和对从约850nm到约2100nm的波长(如在电磁波谱的顶部分的波长)可以有100%的反射率，如图5所示。虽然上文描述的目标分布是有矩形井形状的目标反射率分布，但应当理解，有不同形状的其他目标分布也可以被使用。例如，该目标分布可以是曲线或任何其他适当形状， 用于获得在优化多层光子结构中的需要的反射率。另外，虽然上文描述的目标分布是目标反射率分布，但应当理解，该目标分布也可以是目标透射率分布或目标吸收分布。另一个初级步骤16可以包括选择多层光子结构的基本层结构。本文描述的多层光子结构一般包括有交替地排列的具有相对高折射率nH的材料(如高折射率材料)的层和具有相对低折射率 的材料(如低折射率材料)的层。参考图3，在目标分布是有矩形井形状的目标反射率分布的一个实施例中，如上面所描述，多层光子结构100的基本层结构可以包括一组或多组层(^。每一组层(^可以包括高和低折射率材料的交替层。例如，一组层可以包括被安放在两层低折射率材料104之间的单层高折射率材料102。如将在本文更详细地被描述，该多层光子结构100可以包括单组层(如K= 1)，或为了要获得需要的目标分布，代之以多组层。多层光子结构可以被淀积在基底106上，该基底可以包含玻璃、聚合物材料、陶瓷材料、金属材料、复合材料和/或它们的各种组合。在图3所示实施例中，每一组层&可以用一般形式被描述为
这里L代表具有厚度^的低折射率材料层，H代表具有厚度 的高折射率材料层， 而％是被应用于组&的厚度倍率。所以，多层结构100可以具有一般形式[(0. 5mKL mKH 0. 5mKL)K]这里K是彡1的整数，它代表在被设计的多层光子结构100中层的组(^的数量。在图3所示多层光子结构的实施例中，该结构可以是非四分之一波长栈，这里，在层的组中每一层低折射率材料104的厚度^可以被写成队(1)这里Ik是低折射率材料的折射率，λ ref是入射到涂层上的光的参考波长，而mK是如上所述的该组的厚度倍率。同样，在组中每一层高折射率材料104的厚度 可以被写成Dh=^ (2)这里nH是高折射率材料的折射率，λ ref是入射到涂层上的光的参考波长，而mK是如上所述的该组的厚度倍率。虽然图3画出多层光子结构100的基本层结构的一个实施例，但应当理解，其他结构也可以被使用。例如，该多层光子结构可以有不同的层排列和/或层厚度。此外，应当理解，本文描述的用于产生多层光子结构的方法，可以结合这类其他结构使用。再次参考图1，在另一个初级步骤18中，高折射率材料的折射率的值nH和低折射率材料的折射率的值 可以被选定。在一个实施例中， 和％的值被选定为使这些值与普通可用材料的相同。例如，Ik的值可以被选为^而細的值可以被选为？；，使 和細的值分别近似于二氧化硅(SiO2,折射率1.46)和锐钛矿(1102，折射率2.49)的折射率。所以，分别利用 和nH为1. 5和2. 5的多层光子结构设计，可以由二氧化硅和锐钛矿或其他有相同或类似折射率的材料构成。应当理解，对应于其他材料的折射率的&和nH的其他值也可以被选定。下面示出的表1包含可能材料的非排他的清单以及它们对应的折射率，这些折射率可以被用于本文描述的多层光子结构。表1
权利要求
1.一种用于产生多层光子结构的方法，该多层光子结构包括至少一组高折射率材料和低折射率材料的交替层，该方法包括确定该多层光子结构的特征性质函数；通过使该特征性质函数拟合到目标分布，确定该至少一组交替层的厚度倍率；用该确定的厚度倍率调整该特征性质函数；和把调整的特征性质函数与目标分布比较，其中，当该调整的特征性质函数不近似于目标分布时，至少一个追加组的层被添加到该多层光子结构。
2.权利要求1的方法，还包括当该调整的特征性质函数近似于该目标分布时，根据对该至少一组交替层确定的厚度倍率，计算该至少一组交替层中高折射率材料和低折射率材料的层的厚度；和通过在基底上淀积该至少一组高折射率材料和低折射率材料的交替层，使该多层结构的每一层包括该计算的厚度，在该基底上形成该多层光子结构。
3.权利要求1的方法，其中该特征性质函数代表该多层光子结构的反射率、该多层光子结构的透射率或该多层光子结构的吸收率。
4.权利要求1的方法，其中该特征性质函数是用传递矩阵方法确定的。
5.权利要求4的方法，还包括选择低折射率材料的折射率Ik、高折射率材料的折射率 nH、参考波长λ&、入射介质的折射率IV基底介质的折射率nsubstrate、入射光的入射角θ ^和入射光的偏振。
6.权利要求1的方法，其中该至少一组交替层包括多组交替层；和对每一组交替层确定厚度倍率。
7.一种用于产生全向反射多层光子结构的方法，该全向反射多层光子结构包括至少一组高折射率材料和低折射率材料的交替层，该方法包括对入射到该多层光子结构上的光的多种角度，确定该多层光子结构的反射率函数；通过使光的每一角度的反射率函数拟合到目标反射率分布，确定每一组交替层的厚度倍率的值；根据确定的厚度倍率，调整光的每一角度的反射率函数；和把调整的光的每一角度的反射率函数与目标反射率分布比较，其中，当该调整的反射率函数不近似于目标反射率分布时，至少一个追加组的层被添加到该多层光子结构。
8.权利要求7的方法，还包括当调整的光的每一角度的反射率分布近似于目标分布时，根据光的每一角度的每一组层的厚度倍率，确定每一组层的平均厚度倍率。
9.权利要求7的方法，还包括根据对每一组交替层确定的平均厚度倍率的值，计算每一组交替层中高折射率材料和低折射率材料的层的厚度；和通过在基底上淀积至少一组高折射率材料和低折射率材料的交替层，使该多层结构的每一层包括该计算的厚度，在该基底上形成该多层光子结构。
10.权利要求7的方法，其中该反射率是用传递矩阵方法确定的。
11.权利要求10的方法，还包括选择低折射率材料的折射率&、高折射率材料的折射率ηΗ、参考波长Xref、入射介质的折射率Iltl、基底介质的折射率nsubstrate、入射光的入射角Qtl和入射光的偏振。
12.权利要求7的方法，其中该反射率函数用非线性曲线拟合算法拟合到目标反射率分布。
13.一种用于产生全向UVHR反射器的方法，该全向UVHR反射器包括至少一组高和低折射率材料的交替层，该方法包括对入射到多层光子结构上的光的多个角度，确定反射率函数；选择目标反射率分布，该目标反射率分布对电磁波谱的UV范围中光的波长有约100% 的反射率、对电磁波谱的可见范围中光的波长有小于100%的反射率、和对电磁波谱的顶范围中光的波长有约100%的反射率；通过使光的每一角度的反射率函数拟合到目标反射率分布，确定至少一个厚度倍率的值；和根据确定的厚度倍率，调整光的每一角度的反射率函数；以及把调整的光的每一角度的反射率函数与目标反射率分布比较，其中，当该调整的反射率函数不近似于目标反射率分布时，至少一组追加组的层被添加到该多层光子结构。
14.权利要求13的方法，还包括当调整的光的每一角度的反射率分布近似于目标分布时，根据光的每一角度的每一组层的厚度倍率，确定每一组层的平均厚度倍率。
15.权利要求13的方法，还包括根据对每一组交替层确定的平均厚度倍率，计算至少一组交替层中高折射率材料和低折射率材料的层的厚度；和通过在基底上淀积每一组高折射率材料和低折射率材料的交替层，使该多层结构的每一层包括该计算的厚度，在该基底上形成该多层光子结构。
16.权利要求13的方法，其中该目标反射率分布是矩形井函数，该矩形井函数包括对从约200nm到约350nm的波长的100%的反射率、对从约350nm到约850nm的波长的约10% 的反射率、和对从约850nm到约2100nm的波长的100%的反射率。
17.权利要求13的方法，其中该反射率是用传递矩阵方法确定的。
18.权利要求17的方法，还包括选择低折射率材料的折射率&、高折射率材料的折射率nH、参考波长λ μ、入射介质的折射率IV基底介质的折射率nsubstrate、和入射光的偏振。
19.权利要求18的方法，其中该至少一组交替层有形式
，其中m是厚度倍率，L是低折射率材料层和H是高折射率材料层。
20.权利要求19的方法，其中每一低折射率材料的层的厚度是每一高折射率材料的厚度 是 mKef
全文摘要
一种用于产生多层光子结构的方法，该多层光子结构具有至少一组高折射率材料和低折射率材料的交替层，该方法可以包含确定多层光子结构的特征性质函数、根据该特征性质函数与目标分布的比较确定该至少一组交替层的厚度倍率、用确定的厚度倍率调整该特征性质函数、以及把调整的特征性质函数与目标分布比较，其中，当该调整的特征性质函数不近似于该目标分布时，至少一个追加组的层被添加到该多层光子结构。
文档编号G02B5/08GK102317836SQ201080007817
公开日2012年1月11日 申请日期2010年1月28日 优先权日2009年2月19日
发明者B·A·格雷森, D·班纳吉, 张敏娟, 石井正彦 申请人:丰田自动车工程及制造北美公司