专利名称：光学效应结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学效应结构，特别是光学涂层结构，当所述结构应用至物体表面或形成的结构，或应用至黑色/彩色着色物体上，所述结构用于赋予物体所需颜色或亚光效果，从而在环境-物体界面增强透射，或者使仅在窄部分可观察到全方位反射时。
背景技术：
光学涂层结构由一个或多个材料薄层堆叠而成，所述材料以某种方式沉积在基片或物体上，从而改变了物体反射和透射光的方式。所述薄层沉积的厚度通常在10-200nm之间。例如，已知四分之一波长多层反射体是光学薄膜产品的组件。这种多层反射体通常包括两个或多个具有不同折射率的电介质材料的交替层，其中每层具有与反射光的四分之一主波长对应的光学厚度(例如，所述层的几何厚度乘以所述层材料的折射率)。这里，反射光的波长随入射角和反射角而改变，从而人们从不同视角可观察到不同颜色；被称为彩虹色的视觉效果。以这种方式，可将光学涂层结构构造为准确地并有选择性地反射可见光的某些波长，从而赋予物体所需颜色。不像油漆，其中颜色是由粘合剂结合在一起的色素或染料决定的，而光学涂层结构可在非常窄的波长范围内实现从接近全反射到最大透射的转变，能在不同波长产生精确差异。从而，尽管每种颜色仅在一个非常窄的范围内可被观察到，涂有这种结构的物体能呈现明显和清晰的颜色。已知JP-A-2005/153192提供一种光学涂层结构，包括一个基本结构，该结构会被刻蚀用于提供具有大量小裂缝(小于500nm)的表面，该表面具有沿垂直于所述结构的表面延伸的侧面。在所述基本结构的顶部是由交替沉积在基片上的两种聚合物层构成的涂层，其中一种聚合物层具有高折射率，另一种具有低折射率。沉积所述层，使其仿效所述基本结构的最上层表面，从而使包括所述结构的最上层的每层都具有相同的裂缝轮廓，侧面沿垂直于所述结构的表面延伸。JP-A-2005/153192公开的结构提供了颜色随视角而改变的色原体，且提供了柔和的波长色散、深色调和高反射率。该装置产生的视觉效果至少部分地由所述装置的顶层与其它层上形成的裂缝引起的衍射效应产生。然而，仍希望提供一种光学涂层结构，该结构能够提供足够明亮颜色和表现最小或有限彩虹色效果，即，在广泛的视角范围内颜色保持基本相同。还期望提供能改变物体表面反射率的光学效应结构。
发明内容
本发明提供具有散射结构的光学效应结构及其制造方法。根据第一方面，可以看出本发明提供用于物体表面、包括散射结构，优选细长散射结构的光学涂层结构。所述光学涂层结构可包括多层反射体，所述多层反射体优选包括较高折射率材料和较低折射率材料交替堆叠的多个层。所述散射结构主要是亚微米级的尺寸。这是指散射结构的主要尺寸，例如，由结构的宽度和高度提供的横截面尺寸应小于1.5μπι，优选小于Ιμπι。所述散射结构可被引入多层反射体的基底层、上层或中间层，从而在所述多层反射体中产生一定程度的散射。计算散射程度，从而预先确定并设置散射程度，以便于在涂层中产生所需光学效应。选择散射结构的具体排列以及所述散射结构的高度、长度、宽度、横截面的轮廓以及间距，与选定的多层反射体(或物体)共同使用，以减少彩虹色和/或产生将在下面详细描述的另外的光学效应。所述散射结构优选包括轮廓元件，所述轮廓元件诱导多层反射体的圆形或弧形弯曲。这些元件小、且具有引入其它平面发射层的细微的弯曲。优选在连续的反射体层中无中断，且与JP-A-2005/153192中已知的排列相比，轮廓元件设置为避免衍射效应。所述轮廓元件优选排列成二维图形(pattern)，沿平行于物体的表面延伸。在某些情况下，所述图形可被描述为2. 5D，也就是它代表介于2D和3D之间的某物。所述轮廓元件可以随机、伪随机和非周期的方式排列。例如，在轮廓元件一种图形中，轮廓元件平行排列，所述散射结构具有不同的长度，且间隔距离不等，从而在至少在尺寸小于1.5μπι的方向上避免重复或周期性模式。从而能防止所述轮廓元件引起的显著衍射。类似的，在所述轮廓元件不平行的实施例中，它们呈角度排列且彼此间隔开，从而在小于1.5μπι的水平内基本没有周期性。所述轮廓元件的任何周期性或重复元件应至少间隔2 μ m,从而使它们的距离足够远，而不会产生衍射效应。所述轮廓元件优选包括上部、凸起状曲面。所述曲面优选对称地沿最高点的两侧延伸，其中它沿平行于下面的基片表面的方向延伸，且具有与基片一致的表面法线。沿着该曲面的点的表面法线下面基片的表面法线呈的锐角为0° -20°或更大，优选30°。所述反射体随后沉积层遵循所 述轮廓元件的曲率，以在反射体结构中产生平滑起伏(undulation)，从而沿着各反射体层的点的表面法线包括相同的，或基本相同的，从与基片表面法线平行到20°或更大，优选30°或更大的广泛的角度范围。所述轮廓元件优选圆形的棒或杆的形式，优选具有尺寸大致相同的，或在三个因子范围以内的高度和宽度(O. 33w< h < 3w,其中w是所述轮廓元件的宽度，h是所述轮廓元件的高度)。设置所述轮廓元件的间隔，以使引入反射体层中的起伏数量最大化，同时避免轮廓元件的弯曲效果相互干扰。理想情况下，在相邻起伏之间应具有一个小区域的平面空间，在此处所述层呈现其原有的平面结构。该平面区域应足够小，从而从较宽的视角不能明显看到下一个颜色。优选地，所述轮廓元件平均间距，P，大于d X n，其中d是沿着表面法线测定的每层的厚度，η是层的数量。在优选实施例中，P=2dn用作最小间距，以减少相邻的起伏的影响和在它们之间提供小平面区域，P=IOdn用作最大间距，超出该间距，来自较小密度的起伏的较低量反射光的效应，以及可以看到的在反射光中开始变得更明显的下一个颜色，将开始变得明显。在更优选地实施例中，所述最大间距限制为P=6dn，更优选地，所述最大间距设置为P〈4dn。细长的优选的棒和杆也有助于增加反射体层中细微起伏的填充，以及有助于在更广泛的视角范围提供更明显的反射，产生视觉上更明显的光学效应。根据第二方面，本发明提供用于黑色/彩色着色物体的光学涂层结构，以在环境-物体界面增强透射或使仅从窄部分观察到全方向(相对定向)反射。环境可以使空气、水或其它与物体接触的材料。所述散射结构主要是亚微米级的尺寸，意味着主要尺寸(例如高度、宽度)，特别是横截面的尺寸，小于1. 5 μ m，并以随机、伪随机或非周期的方式排列，以便于防止自身的明显衍射。在本说明书中，“伪随机”被视为几个相邻结构的随机排列，该随机排列例如当使用傅里叶分析时可能显示出在“较大的”(几微米)区域上某种程度的顺序，因此可能存在一些，但是并不排除，来自较大区域的相同波长的反射光线的相长干涉。因此，所述散射结构作用仅在于扩大多层反射体表面法线反射的光的波长角度范围，或通过偏转穿过表面而非离开表面的入射光，或通过将来自表面的原本束状的(窄角)反射光散射至宽角反射光减少表面的反射率。在任何给定的时间，眼睛只能观察到窄范围的来自物体的潜在的反射角(除非非常接近物体)，聚集在视网膜上的总平均波长发生在窄的观察范围内。因此，这里描述的散射结构能提供视觉效果(i )很宽范围角度内可观察到的丰富、单一颜色(例如在表面法线的任一侧高达45°，优选60° )，即具有最小的彩虹色/颜色改变，与涂料或染料(适用于多层反射体)相比，具有稍亮外观，或( )丰富、哑光黑色/彩色(适用于黑色/彩色涂着物体)的视觉效果。根据本发明的第三个方面，本发明提供用于物体表面的光学效应结构，所述结构包括构造为多个壁的多个散射结构，这些壁沿大致垂直于物体的表面延伸，所述多个壁按一图形布置，从而大致防止反射光在与所述物体表面法线呈30°或大于30°的角度离开物体表面。所述壁可包括单个元件或它们可以连接起来界定封闭形状，优选作为规则或不规则的多边形，优选六边形的侧边。在另一个实施例中，所述壁可界定随机曲线，这些随机曲线在非周期性的点汇合，形成非均匀空间。所述壁的高度将取决于壁的相对间距以及被防止离开表面的反射光的角度。在防止反射和产生光学效应成本中有一个折中。所述壁的高度h和平均间距s优选满足方程h >3. 5s，从而防止与所述表面法线呈30°或更大角度的光逃逸，优选的20°角的h >5. 5s，更优选地，对于10°角，h >11. 3s，更优选对于5°角，h >22. 8s或更多。所述壁的高度优选为500nm - 5000nm，更优选IOOOnm至4500nm，最优选2000nm至4000nm。眼睛往往也不会观察小于约30°的角，因为当从上面近处观察物体时，观察者的头可能在锥形环境内(表面法线周围)阻碍入射光。根据第四方面， 本发明提供一种形成光学涂层结构的方法，包括，将第一材料沉积至物体表面，以创造包含轮廓元件的图形的基本结构，所述轮廓元件至少具有小于1. 5μηι的宽度和高度尺寸；将第二材料沉积至所述基本结构上，所述第二材料具有小于所述轮廓元件的折射率；将第三材料层沉积至所述第二材料的层上，所述第三材料具有与所述第二材料不同的折射率，其中所述第二和第三材料的层设置为提供多层反射体，所述多层反射体具有被所述基本结构的轮廓元件弯曲的层结构，以在各层上产生多个起伏。通过印刷形成的所述轮廓元件是有优点的，因为这倾向于更容易产生理想的圆形。所述轮廓元件也可通过压印形成。所述轮廓元件优选为离散元件，但是它们可以被在彼此间延伸的所述第一材料的网连接，例如，在压印操作过程中形成。优选地，将另外的所述第二和第三材料的交替层沉积在所述光学涂层结构上，以形成更加复杂的、具有更多堆叠层的多层反射体。从而所述方法可包括将所述第二材料的第二层施加至所述第三材料上；将所述第三材料的第二层施加至所述第二材料上；重复上述步骤至少一次或更多次。其他材料的层也可以纳入所述多层反射体。不同材料的一层或多层可施加至所述多层反射体的最上层。例如，所述方法可包括将光学活性材料的覆盖层沉积至所述多层反射体的步骤。它还可以包括将切割晶片或刻花玻璃元件粘附至所述覆盖层上的步骤。根据第五方面，本发明提供形成光学效应涂层的方法，包括提供具有表面的物体；将材料沉积至所述表面，并形成构造为壁的散射结构，所述壁沿大致垂直于所述物体的表面延伸，所述壁按图形布置，从而大致防止反射光在与物体的表面法线呈30。或更大的角度离开物体表面。优选地，所述散射结构通过压印形成。
以下描述的附图仅作说明用途。附图不以任何方式限制申请人教导的范围。为更好地理解实施例以及更清楚地展示如何将其付诸实践，现仅以示例的方式参考附图，其中
图1，IA和IB是第一实施例中光学结构的基底层的透视图和剖视图2A为包含图1的基底层的多层堆叠光学结构(stacked optical structure)的剖视图，图2B为包含基底层的多层堆叠光学结构的剖视图，基底层设置有半球形杆的轮廓元件；
图3A和3B是轮廓元件在设置有半球形杆的基底层上的优选排列，彼此互成角度(图3A)或彼此平行(图3B)。图4，4A, 5和5A是用于所述多层堆叠光学结构的另一基底层的剖视图。图6是另一实施例的包括光学结构的薄片(flake)截面的透视图。图7和7A是在另一实施例中，用于标准四分之一多层堆叠光学结构的具有伪随机结构的顶层的透视图和俯视图。图8和8A是另一个实施例中，用于原本平滑的表面(亚微米级)的顶层的俯视图和透视图。图9和10是图8中的另一种顶层的俯视图。图11和IlA是另一个实施例中的图8的另一种顶层的俯视图和剖视图。图12和13是可将所述光学结构应用至其上的典型宏观结构的剖视图和俯视图。一般地，为了简单和清楚的说明，附图中所示的元件不需要按比例绘制。例如，为了清晰，相对于其它元件，部分元件的尺寸可能会被放大。但是，图3A和3B所示半球形杆的形态是按比例绘制的。
具体实施例方式图1为本发明的第一实施例的光学涂层结构2的基底层10的透视图(如图2A所示)。图1A展示了大致沿图1中x-x线的基底层10的剖视图，图1B展示了大致沿图1中y-y线的基底层10的剖视图。如下所述，基底层10包括轮廓元件12，它们以伪随机分散图形排列，从而沉积到基底层10上的层与层10大致相同的轮廓。更具体地，光学涂层结构2包括多层沉积至基片5上的材料，以形成如图2A所示的多层反射体。基片5可以是任何物品，其上可施加所需颜色。例如，光学涂层结构2可应用至较大表面，例如玻璃或水晶饰品，玻璃、水晶、金属或聚合物首饰，或应用至较小的表面，例如用于化妆品或油漆的小薄片。在基底层10上，结构2包括平层四分之一波长多层堆叠结构，所述多层堆叠结构包括具有不同折射率(η)、但相同光学厚度(实际或几何厚度Xη = 1/4λ)的两种不同材料20，30的交替层。在所示实施例中，有5对这样的层，但是根据应用，可使用或多或少的层。在一个替换实施例中，可使用具有不同厚度电介质层的啁啾多层堆叠结构(chirped stack)。众所周知,这样的啁啾空间可设计为反射在所述层20, 30之间的不同波长的光。例如当所需颜色为金色或银色时，优选啁啾结构。仍参考图2A，在希望保护多层堆叠结构，以及防止多层堆叠结构与基片5分离时，光学涂层结构2还可包括光学活性的顶部覆盖层40。层40优选为透明和耐用的材料。所述层40可包括刻花水晶或刻花玻璃元件，以产生具有宝石的外观的物体。当将覆盖层施加至所述涂层上时，例如在最上层的弯曲部之间形成的倾角(dips)中没有困住空气是非常重要的，因为这会影响观察到的光学效应。应该用具有与最上层或覆盖层相匹配的折射率的材料填充这些缺口。通常，所述光学涂层结构2中的层的具体尺寸将根据基片5的性质以及希望赋予的颜色而改变。例如，为了在水晶基片上赋予波长约为620nm的丰富红色，在与表面法线呈0° -60°角的视角内具有最小彩虹色，使用以下尺寸。所述轮廓元件12可以塑形为在网格中排列的，具有不同长度和略微凸起状曲边的细长棒。所述轮廓元件12典型的或平均基部宽度可为200nm至500nm，优选250nm至450nm。在一个优选实施例中，所述轮廓元件为350nm至450nm,更优选425nm。在另一个优选实施例中，所述轮廓元件为250nm和400nm，更优选为310nm。所述轮廓元件的高度可以为50nm至250nm,更优选IOOnm至200nm。已经发现对于红色，高度在150nm至160nm,更优选约155nm为宜。通常对于5层或更多层的多层反射体，当它们高度约为2_4层，更优选3层高时，所述轮廓元件产生好的效果。所述轮廓元件的宽度通常约为高度的2至3倍。所述轮廓元件12的长度可有所不同，约为IOOOnm至5000nm,更优选2100nm至3500nm。材料20，30的每层的真实厚度(d2(l和d3(l)约为50nm至150nm，以在可见光范围内产生颜色，更优选约为IOOnm,以根据使用的材料产生红色,从而它们的光学厚度(d2CI x n2(l,或d3(l x n3(l)等于在表面法线(即，代表被观察的所需颜色)上发射的光的四分之一波长。正如将被理解的，通过改变这些尺寸，可产生不同的颜色。例如通过减小尺寸，可产生较低波长的颜色(例如紫色)。在材料方面，所述基底层的轮廓元件12可包括透明或黑色材料，具有与材料30明显不同的折射率，例如，它可以具有至少0.4，更优选O. 5或更多的差异。用于层20和30的材料通常为电介质材料，如二氧化硅、二氧化钛、硫化锌、氟化镁和五氧化二钽。类似地，覆盖层40可包括二氧化硅或各种(光学透明)玻璃。可利用许多本领域已知的制作步骤，如印刷、离子束沉积、物理气相沉积、分子束外延或溅射涂膜来生产所述光学涂层多层堆叠结构的各个层，并将其应用至基片5。基底层10和特别是轮廓元件12可通过例如材料的沉积来形成，如通过印刷技术、蚀刻技术(如光刻/光化学技术、或其它已知的用于硅芯片的方法)或通过压印技术。有利地，通过以伪随机分散图形排列所述轮廓元件12，多层堆叠结构的光学效应将降低随角度改变而颜色改变的多层堆叠结构的性能，从而所述基片将呈现出可从宽范围的角度看到单色，没有或有很少的彩虹色。当呈现出非金属类的微妙和丰富的外观时，这样的颜色通常比大部分颜料更加明亮。
以已知的方式，伪随机数生成器(PRNG)可用于产生伪随机或低差异序列，表现出统计上的随机性(即使由确定性的因果过程产生)，以影响基底层10在基片5上的形成。事实上，如果所述轮廓元件12太整齐，它们将产生一些(不想要的)彩虹色(通过衍射引起的颜色随角度的明显改变)；如果所述轮廓元件12排列的太随机，由于过度散射可导致单个、纯色的丢失。如果所述轮廓元件完全随机排列，所述轮廓元件足够大且彼此不能太接近是很重要的。一旦具有充分无顺序的图形产生，即可产生用于压印所述图形的片(tile)，或用于沉积所述图形的掩膜(mask)，且所述图形可重复在物体表面压印或沉积(顺序在所述印记/掩膜的更大范围内的重复对于光学效应不明显)。 所述轮廓元件包括曲面，沿物体表面法线的任何一边延伸。所述曲面可以是如图1、IA和2A所示的略微凸起状轮廓，可以是更加圆的棒(未示出)的更加椭圆的轮廓，或优选如图2B、3A和3B所示的细长杆的大致半球形表面，如下所述。图2B展示了一个实施例的横截面，其中所述轮廓元件12为具有大致半圆形横截面的细长杆/棒。在所示的光学涂层结构中，所述轮廓元件12已经沉积在多层反射体2下。所述多层反射体2包括8个四分之一层20，30，由具有不同折射率的两种交替的材料制成。所述两种材料的每种材料具有四层，一种材料具有较高的折射率，另一种具有较低的折射率，选择各层20，30的厚度，以产生所需颜色。尽管此处展示了 8层20，30，但是可以具有更少或更多的层，优选为4至20层。所述反射体层由任何合适的材料制成，例如电介质材料，如硅氧化物或钛氧化物，更具地为二氧化硅、二氧化钛、硫化锌、氟化镁和五氧化二钽。如果需要，可在所述多层反射体的顶部以与图2A中相同的方式设置覆盖层。如前所述，这种覆盖层可包括刻花水晶或刻花玻璃。如图2B所示，实践中，当多层反射体的层沉积至包含所述圆形轮廓元件的基底层或结构上时，所述反射体层20，30将变得弯曲，并在一定程度上将跟随所述轮廓元件12的横截面的弯曲形状。层20，30中弯曲的轮廓优选随远离(即高度方向上)所述轮廓元件12的方向尺寸逐渐增加。换句话说，该弯曲优选影响更大的区域，因为它从所述基片5的表面将所述层20，30升起至多层反射体2的最上层。在如图2B所示的实施例中，所述轮廓元件12的半圆形横截面使所述层20，30在棒12之上，沿着对于远离所述轮廓元件12的层具有逐渐增加的曲面半径的曲面路径而行。如上所述，在任何给定的时间，眼仅能观察到来自物体的窄范围的反射光的潜在角度，聚集在视网膜的全平均波长在该窄观察范围内。已知，在特定角度观察到的光的颜色将取决于光穿过的每个层12的光学距离。当沿着垂直于下基片5观察多层反射体2时，光将通过具有与每层20，30相同厚度的每层的距离。结果，由于干扰效应和在眼睛中的全平均波长，观察到的垂直于所述涂层的颜色将是由层的几何厚度和层20，30各自的折射率确定的光的颜色。在标准四分之一波长多层膜(即没有下面的轮廓元件)中，当从一个角度观察时，从该角度眼睛观察的光将进一步轻微穿过每层(距离大于每层的厚度)，从而光线运行的光学厚度将更大。具有更大波长的光将在引起彩虹色的更宽的视角内观察到。然而，下面轮廓元件12的存在使层20，30弯曲。因此在更宽的视角范围，很大部分的产生观察到的反射光的反射体层表面将以同时大致保持所述反射体层的预期厚度的方式更多地面向观察者。结果，通过较宽范围视角，眼睛观察到的颜色相对固定。在所述弯曲的多层反射体结构中所述层的厚度保持的越平均，获得的视觉效果就越好。
此外，下面的轮廓元件12彼此不要太靠近是重要的。如果所述轮廓元件12彼此太靠近，在层20，30中的弯曲将不能有角度的尽量延长，在从表面法线起较大的视角范围内将不能看到所需颜色。还有第二种效果。引入所述反射体层的起伏也将所述反射体的原本平坦的区域打碎成成较小的区域，在这些小区域中所述层仍然平坦。如果所述轮廓元件间距过大，那么其他颜色将在来自这些平坦区域的反射光中变得明显。
对于看到的理想光学效应，轮廓元件12的优选间距某种程度上取决于所述轮廓元件12的横截面尺寸，以及所述多层反射体2的层厚度。例如，6-10层反射体的间距可以是300nm至2000nm,优选500nm至IOOOnm,更优选平均间距约为800nm。所述轮廓元件的平均间距P优选设置的值为P=dn (作为最小值)，其中d为沿法线的层的厚度，η为层的数量，P= IOdn (作为最大值)；更优选在P= 2dn和P = 4dn之间。图3A和3B展示了沉积在所述多层反射体2下的轮廓元件12的可能的图形的平面图。在一些实施例中，所述轮廓元件为具有大致半圆形横截面的杆，其排列在二维平面阵列上，以提供2. 5D图形。这些图每个都展示了一种排列，其中所述杆12以非有序的方式排列，从而所述轮廓元件自身不会产生任何明显的衍射效应。在图3A中，所述杆12成对角线排列(45°角)，且彼此平行，在图3B中，所述杆12彼此平行排列。所述杆12可以彼此呈其它角度排列，例如彼此呈60°角，或者呈随机角度或伪随机角度排列。也可以使用角度的组合或不同角度的区域的组合。在图3A和3B中，所述杆的宽度平均约300nm至320nm，优选约310nm，所以具有155nm的半径。图3A中的杆12的长度约为IOOOnm至3500nm，优选为 1115nmg3100nm。图 3B 中杆 12 的长度为 1750nm 至 4500nm，优选为 1850nm 至 4470nm。这些尺寸优选为用于产生红色波长(约620nm)的多层反射体。可对所述元件的尺寸进行调整，以产生不同的所需颜色。例如，所述轮廓元件12可以约为所述尺寸(高度和宽度)的三分之二，以产生紫色。可使用纳米油墨打印机或任何其他已知合适的打印装置打印这些轮廓元件12。纳米油墨印刷机的使用优选作为液体油墨，将自然形成半球形状。或者可通过光掩模(平板印刷光掩模)、压印(包括纳米压印)、平版印刷或其它方法制备所述基本结构。在如图3A和3B的实施例中，压印或掩膜可设置有凹痕或孔，例如与所示的杆的位置大致对应。只要在物体表面重复该压印印记或通过掩膜产生的周期性明显大于2 μ m，那么将引起其它的衍射效应。此外，也可制作所述基本结构的“凹部”，此时将所述轮廓元件12蚀刻至所述表面而不是添加。油墨的材料随基片而改变。一种可能的基片材料可以是玻璃或娃。也可以在基本结构上使用混合的轮廓元件12，例如棒和杆的混合，或杆/棒和其它轮廓形状。轮廓元件的不同形状可彼此混合起来，成片排列在物体上。所述轮廓元件12也不需要均匀排列在物体表面。相反，彼此位于不同角度的成片的轮廓元件可沉积在物体的表面。所述杆/棒等也不需要线性，而是可以在纵向方向上具有弯曲轮廓。例如，细长轮廓元件可以沿着弯曲或波浪状横跨物体表面。图4为基底层10的另一个替换例的平面剖视图，其中所述轮廓元件为具有不同取向的、细长的椭圆形元件14。为了产生红色光，所述轮廓元件14的平均长度I约为2200nm，高度h约为155nm，如图4的侧视图所示。类似地，图5展示了基底层10的另一个替换例，其中所述轮廓元件为具有不同取向的、更加细长的椭圆形元件16。在这种情况下，轮廓元件16的平均长度I约为3500nm，高度h约为155nm，以为基片赋予红色。所示排列可用于具有一层或较少层的相对薄的反射体。对于较厚的多层反射体，所述轮廓元件需要更宽的间距。在另一个实施例中，图6为薄片结构3的横截面的透视图，该薄片结构包括一个3层四分之一多层膜，当与粘合剂基质(当在油漆或化妆品中)结合时，所述薄片结构适合作为结构色颜料，从而当在基质表面的水平位置应用和自组装后，所述薄片被干燥时，它们迁移到基质表面(即相邻薄片取向类似)。薄片3通常可以是扁圆形(如图所示)，在层19中可发现伪随机结构，在一个实施例中，所述伪随机结构可以是包含于固体透明材料18，如二氧化硅中的伪随机尺寸的空气腔。从而薄片结构3可替换颜料，并利用如上所述的宽角度光学结构颜色的相同原理反射所需颜色。正如将被理解的，图6的实施例与如图1-5所示的用于平面、无特征的片状基片的光学结构不同，尽管后者薄片也可以类似的与粘合剂混合。所述散射结构优选的厚度为50nm至250nm,更优选IOOnm至200nm,周围材料的厚度约为20nm至150nm,更优选30nm至lOOnm。在如图6所示的实施例中，如果使用的光学厚度为(I1 = 55nm, d2 = 155nm, d3 = 55nm,那么所需颜色仍是红色。所述薄片的直径可高达2mm,优选小于O. 5mm,例如直径为5nm至500nm。薄片结构也可设计为具有另外的反射体层,例如，与图1至3B所示的实施例类似的反射体层。在本发明的另一个实施例中，如图7和7A所示，具有伪随机排列的轮廓元件的顶层140形成于标准多层反射体102，例如四分之一多层膜上(即具有平面层，而没有图2所示的基底层10)。在所述实施例的一个变更例中，顶层140的伪随机结构也可有利地用于均匀的黑色/彩色着色/染料材料上，而不是用于多层反射体。更具体地，图7和7A分别为涂层140的透视图和俯视图，在该实施例中，层140包括伪随机排列的轮廓元件142。在该实施例中，所述元件142形状像竖直板，在红色涂层的情况下，该竖直板的长可小于1250nm,优选约IOOOnm,厚度为IOOnm至200nm,优选150nm,以及高度500nm至IOOOnm,优选约650nm。所述元件142可以由折射率约为1. 5或更高的透明材料(例如二氧化硅或玻璃)制成。横截面轮廓可以大致呈矩形(优选具有如图所示的圆形顶部边缘)、三角形或梯形。急的倾斜面(例如在5°C内的表面法线)使所述元件142从压印释放。所述元件142有利地提供一定程度的入射光和反射光(在多层膜102的剩余部分)的散射，从而仅观察到被所述多层反射体102法线反射的颜色(结果为在眼睛中的全平均)，从而在最有效的视角，最小化涂层制品的彩虹色(涂层制品或基片未在图7中示出)。在该实施例中为了使层140更加耐用并防止受到磨损，轮廓元件142可被填充或被覆盖在另一透明材料内(例如不同的高折射率的玻璃)，该材料的折射率比元件142的折射率至少高(或低)0. 4，优选高(或低)0. 5，该填充材料的顶部平面可以光滑且平整。不使用所述填充材料，颜色将具有亚光外观；而使用该填充材料(给定微米级的光滑表面)颜色将具有光泽外观。也可设置额外的覆盖层。或者，如果不使用所述填充材料，元件142可额外提供超疏水性或自清洁(当润湿时)功能。图8-11描述了顶部覆盖层240的不同结构，该顶部覆盖层240适合用于例如具有黑色着色或染色表面的水晶等物体(未示出)。在该实施例中，所述结构改变表面的几何角度，以防止光从物体表面反射，并使所有入射光穿过所述顶部覆盖层240进入物体(通过镜面反射)，从而被黑色颜料或染料吸收。或者，它们也可起到散射原本束状的表面反射光的作用，从而产生多方向反射光，仅由给定位置的眼睛最少量地观察到(即仅收集非常窄范围方向的反射)。因此，这些结构能够提供具有豪华亚光黑色或而没有发光或反光效果的外观。此外，它们可用于彩色表面，例如红色水晶，以提供亚光而非光泽外观。在一个变更例中，如图8和8A的俯视图和透视图所示，顶部覆盖层240包括作为所述轮廓元件的硬的、细长的透明纤维244，所述透明纤维被装入支撑六边形245，并以蜂巢状排列，以向下反射所有的光(且可能反射至基片，以防止任何光线逃逸，或者使反射光呈现出多个方向，非常窄范围的光线可被给定位置的眼睛观察到)。纤维244优选以伪随机形式装入或排列入六边形245内，或者小于1-2微米的范围内没有广泛的周期性(防止散射)，且根据应用和其它因素可改变形状和尺寸。在一个实施例中，所述纤维和六边形的高度可以约为2000nm至5000nm，优选3000nm，六边形245的每个边的长度可以约为3000nm至7000nm，优选5000nm。与例如图7所示的未保护的元件142相比，所述六边形也可提供耐久性或耐表面磨损性。一般而言，生产等边六边形是更加高效能的(在一些情况下，这样的六边形可以，至少部分可以自组装-类似于横向压缩泡沫)，但是，不同数目的侧边的多边形和其它封闭的形状(例如圆形)也可用于获得相似效果。这些结构，由于其较大的尺寸，使它们能够很好的用于压印生产技术。也可以将它们应用至需要降低反射率的任何物体，例如电子设备的显示器、玻璃面板和珠宝首饰商品。图9和10展示了图8的变更例的顶层240的俯视图，其中支撑六边形245由轮廓元件246替代，该轮廓元件246形成随机的六边形、五边形和/或具有不同形状和尺寸约为2500nm宽的其他多边形(图9)或在非周期点相遇、形成约为2500nm宽(图10)的非均匀空间的随机曲线247 (在该实施例中)。当壁的尺寸减少时，为了避免衍射效应，随机或减少壁的位置的顺序性变得必要。这里所述轮廓元件具有与如图8所示的六边形的壁等同的相对高度和厚度，但是彼此更接近的壁不再需要存在于六边形内的内部纤维。如图所示，这些轮廓元件的形状和尺寸没有广泛的周期性。然而在如图11 (俯视图)和IlA (剖视图)所示的覆盖层240的另一个替换实施例中，所述层包括向上的圆锥体248的紧密排列的阵列，例如其直径为1500-2000nm。在该尺寸下，防止广泛的周期性不再重要，因为对于可视范围的波长，事实上散射变得不重要。该结构也使基本上所有的入射光从斜边、向下(经常通过多层反射体)反射出，被黑色或彩色颜料或染料的下方吸收。所述圆锥体可被认为是沉积物或凹部(depositions orindentations)。一般而言，如图8，9，10和11所示的覆盖层240结构都有利地否定了平滑表面的高折射率，具体的在高角度使涂层物体呈现出丰富的亚光黑色(或其它)，它是“像天鹅绒般柔软光滑的”而不是发光的。上述所有的光学涂层微结构可被涂层、压印或用于各种不同类型和尺寸的物体，例如水晶(例如小雕像或宝石)和小薄片(例如用于油漆或化妆品上)。还希望在一些应用中，将这些光学涂层结构与宏观结构结合，例如模仿动物或植物的自然外观的物体(此处，“宏观”结构指的是能被肉眼看见的结构)。例如，模仿(通过夸张的形式)蝴蝶翅膀、树叶或羽毛的横截面的宏观结构如图12所示。在形成所述光学机构之前(通常为微观或亚微观尺寸)，在基片55的表面形成这样的宏观结构，可获得理想的美学效果。例如，如图13所示，通过沉积或打印或蚀刻具有合适的半圆形截面(例如，直径约250微米)的脊(或分割线)，可在基片上形成模拟重叠的羽毛的边缘和倒钩的突起或凹陷的黑线的宏观图像。通过仔细选择所需宏观图像的尺寸，可优化其视觉效果，通常精确的设计也有所不同。在其他实施例中，希望向物体表面引入图形，所述物体包括其上可应用光学涂层结构的半球形突起部或类半球形凹部。可在基片，或者形成基底层的一部分的光学活性填充材料中制作凹部。所述凹部或突起部可制成约I微米级的平均周期(例如IOOnm至100 μ m)，利用使用喷砂清理法以提供理想水平的随机性。虽然上述说明书提供了本发明的实施例，可以理解的是在不脱离所述实施例的精神和操作原则的前提下，所述实施例的一些特点和/或功能进行容易当更改。因此，上面所描述的目的在于解释本发明，而非限制，本领域技术人员可以理解，在不脱离有以下权利要求限定的本发明范围 的前提下，可做出修改和改进。
权利要求
1.一种光学涂层结构，该光学涂层结构应用于物体表面，以(i )赋予物体所需颜色或(ii)亚光效果，所述光学涂层结构包括多个散射结构，该多个散射结构至少在高度和宽度尺寸上为亚微米级，并以非周期方式排列。
2.根据权利要求1所述的光学涂层结构，其特征在于，所述散射结构是被引入到所述光学涂层结构的基底层的轮廓元件。
3.根据权利要求2所述的光学涂层结构，其特征在于，所述轮廓元件包括凸起状曲面。
4.根据权利要求2或3所述的光学涂层结构，其特征在于，所述轮廓元件包括具有凸起状曲边的、不同长度的棒。
5.根据权利要求2、3或4所述的光学涂层结构，其特征在于，所述轮廓元件包括不同长度的半球形杆。
6.根据权利要求2-5中任意一项所述的光学涂层结构，其特征在于，所述轮廓元件包括具有凸起状弯曲横截面的、大致椭圆形的元件，所述元件具有不同的长度。
7.根据权利要求2-6中任意一项所述的光学涂层结构，其特征在于，所述轮廓元件长度约为 1000nm-5000nm,优选 1800nm-4500nm。
8.根据权利要求2-7中任意一项所述的光学涂层结构，其特征在于，所述轮廓元件具有的平均基部宽度为50nm-500nm，优选200nm-450nm。
9.根据权利要求2-8中任意一项所述的光学涂层结构，其特征在于，所述轮廓元件的高度约为 25nm-250nm,优选 75nm-200nm,更优选 100nm-170nm。
10.根据前述任意一项权利要求所述的光学涂层结构，其特征在于，所述光学涂层结构包括多层反射体，该多层反射体包括交替堆叠的较高折射率层和较低折射率层。
11.根据权利要求10所述的光学涂层结构，其特征在于，所述轮廓元件包括透明或黑色材料，该材料具有与所述多层反射体的相邻层至少相差0. 5的折射率。
12.根据权利要求10或11所述的光学涂层结构，其特征在于，所述光学涂层结构包括应用于所述多层反射体的最上层的覆盖层。
13.根据权利要求10-12中任意一项所述的光学涂层结构，其特征在于，所述多层反射体包括优选选自以下各项的不同电介质材料的交替层二氧化硅、二氧化钛、硫化锌、氟化镁和五氧化二钽。
14.根据权利要求1-9中任意一项所述的光学涂层结构，其特征在于，所述散射结构沉积在多层反射体的最上层或黑色/彩色着色或染色材料上。
15.根据权利要求14所述的光学涂层结构，其特征在于，所述散射结构是垂直于物体表面延伸的板，所述板具有大致为矩形、三角形或梯形的横截面。
16.根据权利要求15所述的光学涂层结构，其特征在于，所述板的长度为5 00nm-1500nm,优选约 lOOOnm。
17.根据权利要求15或16所述的光学涂层结构，其特征在于，所述板的平均基部宽度为100nm-200nm,优选约140nm-160nm,更优选平均基部宽度约为150nm。
18.根据权利要求15、16或17所述的光学涂层结构，其特征在于，所述板的高度约为1000nm-500nm,优选约 700nm-600nm,更优选高度约为 650nm。
19.根据权利要求15-18中任意一项所述的光学涂层结构，其特征在于，所述板由折射率为1. 6或更大的透明材料制成。
20.根据权利要求15-19中任意一项所述的光学涂层结构，其特征在于，所述光学涂层结构包括透明覆盖层，所述覆盖层具有的折射率至少比所述板的折射率高或低0. 5。
21.根据权利要求14-20中任意一项所述的光学涂层结构，其特征在于，所述散射结构可防止光被以镜面的方式从物体的表面反射。
22.—种应用于物体表面的光学效应结构，所述光学效应结构包括多个散射结构，该多个散射结构被构造为大致垂直于物体的表面延伸的多个壁，所述多个壁按一种图形布置，从而基本防止反射光与物体的表面法线成30°或更大的角度离开物体表面。
23.根据权利要求22所述的光学效应结构，其特征在于，所述壁的高度为1000-5000nm，横截面是矩形、三角形或梯形，其中所述壁设置为基本防止反射光与表面法线呈20°C或更大的角度，优选10°或更大角度离开物体表面。
24.根据权利要求23所述的光学效应结构，其特征在于，所述壁形成高度约为3000nm的六边形。
25.根据权利要求24所述的光学效应结构，其特征在于，所述六边形的边的长度为2000-7000nm，优选约为 5000nm。
26.根据权利要求24或25所述的光学效应结构，其特征在于，所述六边形包括垂直于物体表面延伸的多个板，其中所述板有规律地排列，所述板和壁的周期性元件间隔大于2000nm。
27.根据权利要求23所述的光学效应结构，其特征在于，所述散射元件形成任意多边形，宽 1000-3000nm，优选约 2500nm。
28.根据权利要求23所述的光学效应结构，其特征在于，所述散射元件形成在非周期的空间相遇的随机曲线，以形成宽1000nm-3000nm的非均匀空间，优选约为2500nm。
29.根据前面任意一项权利要求所述的光学效应结构，其特征在于，所述散射结构以伪随机方式排列，其中仅在几微米或更大的区域可检测到顺序。
30.根据前面任意一项权利要求所述的光学效应结构，其特征在于，所述散射结构利用印刷技术，优选纳米印刷，进行材料沉积来形成的。
31.根据权利要求1-29中任意一项所述的光学效应结构，其特征在于，所述散射结构通过压印形成。
32.根据权利要求2所述的光学效应结构，其特征在于，所述散射结构被引入所述多层反射体的中间层。
33.根据前面任意一项权利要求所述的光学效应结构，其特征在于，设计所述散射结构的尺寸，并设置为用于散射可见光。
34.根据前面任意一项权利要求所述的光学效应结构，其特征在于，将所述结构应用于刻花玻璃制品、刻花水晶或珠宝首饰。
35.根据权利要求1-33中任意一项所述的光学效应结构，其特征在于，所述光学效应结构可应用于薄片，以及与油漆或化妆品结合使用。
36.根据前面任意一项权利要求所述的光学效应结构，其特征在于，所述光学效应结构与设置在物体表面的构造的宏观结构结合。
全文摘要
本发明提供一种用于物体表面的光学涂层结构(10)。“散射结构”被引入多层反射体的基底层、上层或中间层，以产生特定(经计算的)角度的散射，或用于黑色/彩色着色物体的表面，以在环境-物体界面增强透射或者产生仅能在窄范围观察到的全方向(相对定向)的反射。所述散射结构主要是亚微米级尺寸，以伪随机或非周期的方式排列，以便于防止其自身显著的衍射。因此，它们只用于拓宽从多层反射体的表面法线反射的光线的角度范围，或通过偏转通过表面、而不是离开表面的入射光，或者通过将来自表面的原本束状的(窄角度)反射光散射为宽角度的反射光，来提供(实际和/或预期)降低反射率的表面。所述散射结构可以包括轮廓元件(12)，该轮廓元件是具有凸起状曲边的细长棒或半球形的杆，被用于多层反射体的基底层。所述多层反射体的层沿着棒或杆的凸曲线，形成一个弯曲的反射体结构。
文档编号G02B5/02GK103038676SQ201180040847
公开日2013年4月10日 申请日期2011年6月27日 优先权日2010年6月25日
发明者安德鲁·理查德·帕克 申请人:安德鲁·理查德·帕克