СОСТАВНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ФИЛЬТР С ИЗМЕНЯЕМЫМ ПРОПУСКАНИЕМ
VARIABLE TRANSMISSION COMPOSITE INTERFERENCE FILTER

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка является продолжением заявки на патент США № 12/263441, поданной 31 октября 2008г., включенной сюда полностью путем ссылки, и объявляет о своем приоритете по отношению к указанной заявке.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение касается в целом области светофильтров, а в частности области полосовых интерференционных фильтров, применяемых для избирательного пропускания нужных длин волн видимого света.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Устройства, отфильтровывающие свет с выбранной длиной волны, хорошо известны и применяются уже много лет. В типичном случае свет из источника белого света или свет, содержащий компоненты с длинами волн из оптического спектра, фильтруют таким образом, чтобы проходили только нужные длины волн. Среди различных традиционных фильтров, обычно применяющихся в качестве светофильтров, можно назвать абсорбционные фильтры и интерференционные фильтры.
В одном типе интерференционных фильтров применяется диэлектрический слой, который располагают между двумя очень тонкими слоями отражающего материала. Полученный в результате фильтр пропускает свет в пределах некоторой полосы видимого спектра. Однако диапазон длин волн пропускаемого света не является постоянным для всех углов падения. В типичном случае полоса пропускания будет смещаться с изменением угла падения. Следовательно, видимый цвет проходящего света будет изменяться с изменением угла зрения наблюдателя. Длина волны пропускаемого света и величина смещения полосы пропускания непосредственно зависят от толщины слоя диэлектрика и показателя преломления этого диэлектрического материала.
Благодаря наличию большого количества диэлектрических соединений, из которых можно выбрать нужное, а также благодаря возможности контролировать размеры различных компонентов с высокой точностью можно изготовлять такие полосовые интерференционные фильтры, которые бы пропускали свет в широком диапазоне полос по всему спектру видимого света.
В настоящее время данная область техники нуждается в новых видах фильтров, преимуществом которых было бы получение полезных фильтрующих эффектов за счет использования оптических свойств традиционных интерференционных фильтров.
Устройства, отфильтровывающие свет с выбранной длиной волны, хорошо известны и применяются уже много лет. В типичном случае свет из источника белого света или свет, содержащий компоненты с длинами волн из спектра видимого света, фильтруют таким образом, чтобы проходили только нужные длины волн. Среди различных традиционных фильтров, обычно применяющихся в качестве светофильтров, можно назвать абсорбционные светофильтры и интерференционные светофильтры.
В одном типе интерференционных фильтров применяется диэлектрический слой, который располагают между двумя очень тонкими слоями отражающего материала. Полученный в результате фильтр пропускает свет в пределах некоторой полосы видимого спектра. Однако диапазон длин волн пропускаемого света не является постоянным для всех углов падения. В типичном случае полоса пропускания будет смещаться с изменением угла падения. Следовательно, видимый цвет проходящего света будет изменяться с изменением угла зрения наблюдателя. Длина волны пропускаемого света и величина смещения полосы пропускания непосредственно зависят от толщины диэлектрического слоя и показателя преломления этого диэлектрического материала.
Благодаря наличию большого количества диэлектрических соединений, из которых можно выбрать нужное, а также благодаря возможности контролировать размеры различных компонентов с высокой точностью можно изготовлять такие полосовые интерференционные фильтры, которые бы пропускали свет в широком диапазоне полос по всему спектру видимого света.
В настоящее время данная область техники нуждается в новых видах фильтров, преимуществом которых было бы предоставление полезных фильтрующих эффектов за счет использования оптических свойств традиционных интерференционных фильтров.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с настоящим изобретением здесь представлены интерференционные фильтры, объединяющие два полосно-пропускающих интерференционных фильтра в одном составном интерференционном фильтре.
Каждый из этих двух фильтров имеет, по меньшей мере, одну кривую спектрального пропускания, центрированную при той же длине волны света, падающего под заданным углом на поверхность фильтра. Однако смещения кривой спектрального пропускания этих компонентов фильтра отличаются друг от друга, в результате снижается количество пропускаемого света, когда угол падения отклоняется от заданного угла.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1а представляет собой график, демонстрирующий пропускание света первым интерференционным фильтром при заданном угле падения.
Фиг.1b представляет собой график, демонстрирующий пропускание света первым интерференционным фильтром при косом угле падения.
Фиг.2а представляет собой график, демонстрирующий пропускание света вторым интерференционным фильтром при заданном угле падения.
Фиг.2b представляет собой график, демонстрирующий пропускание света вторым интерференционным фильтром при косом угле падения.
Фиг.3а представляет собой график, демонстрирующий пропускание света составным интерференционным фильтром по настоящему изобретению при заданном угле падения.
Фиг.3b представляет собой график, демонстрирующий пропускание света составным интерференционным фильтром по настоящему изобретению при косом угле падения.
Фиг.4 - схематический вид в разрезе одного варианта осуществления составного интерференционного фильтра по настоящему изобретению.
Фиг.5 - схематический вид в разрезе одного варианта осуществления двухрезонаторного интерференционного фильтра по настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже подано описание вариантов осуществления настоящего изобретения.
Настоящее изобретение предлагает интерференционные фильтры, которые можно использовать в широком многообразии применений, включая, например, применение в качестве защитного экрана, который ограничивает полный обзор зоны через окно, на которое установлен фильтр.
Интерференционные фильтры по настоящему изобретению являются составными фильтрами, состоящими, по меньшей мере, из двух полосно-пропускающих интерференционных фильтров, скомбинированных в единый составной фильтр. Эти два полосно-пропускающих фильтра имеют полосы пропускания света, которые центрированы на одной и той же длине волны, при падении на данный фильтр под заданным углом.
Фиг.1а представляет первый фильтр, имеющий полосу пропускания, центрированную на длине волны Х, для света, падающего под заданным углом Z. Фиг.2а представляет второй фильтр, имеющий полосу пропускания, центрированную на длине волны Х, для света, падающего под тем же самым заданным углом. На фиг.1b представлена полоса пропускания для фильтра, показанного на фиг.1а при угле, являющемся косым относительно угла Z. Полоса пропускания, показанная на фиг.1b, имеет "смещенную" полосу по отношению к полосе пропускания, показанной на фиг.1а, и является центрированной на более короткой длине волны, чем длина волны Х. На фиг.2b, представляющей полосу пропускания для фильтра по фиг.2а при угле падения света, отличающемся от заданного угла Z, показано смещение полосы пропускания на другую величину.
Каждый из фильтров, показанных на фиг.1а или 1b, в случае их традиционного применения будет работать как фильтр, пропускающий примерно эквивалентное количество света в пределах смещающейся полосы видимого спектра при изменении угла зрения падающего света. Этот эффект можно наблюдать, например, в виде изменения цвета с желтого света на зеленый свет по мере перемещения наблюдателя таким образом, чтобы угол зрения изменялся от нормального угла зрения к косому углу зрения.
Конструкция фильтра по настоящему изобретению комбинирует, по меньшей мере, два интерференционных фильтра, например, таких как представленные на фиг.1а и 2а, результатом чего является составной фильтр, уменьшающий полное количество пропускаемого света по мере отклонения угла падения света от заданного угла. На фиг.3а показана кривая спектрального пропускания света для одного варианта составного фильтра по настоящему изобретению при падении света под заданным углом Z. Как видно на этом чертеже, результатом комбинации двух фильтров является фильтр, пропускающий свет при заданном угле падения в полосе, представляющей собой объединение (перекрытие) полос пропускания фильтров, являющихся его компонентами.
На фиг.3b показан эффект, достигаемый составным фильтром по настоящему изобретению в том случае, когда свет падает под косым углом по отношению к углу Z. Как показано на этом чертеже, разные значения смещений полосы пропускания указанных двух отдельных фильтров дают в результате почти полное блокирование пропускания света в применимом диапазоне длин волн.
Варианты реализации настоящего изобретения, в которых применяются два фильтра, как было описано выше, можно использовать для получения эффективной видимости под нормальным углом зрения через такой составной фильтр, при одновременном ограничении видимости через фильтр под косыми углами зрения. Для этих вариантов осуществления «заданным» углом является угол, нормальный к поверхности фильтра, и пропускание света будет в целом уменьшаться с увеличением отклонения угла зрения от нормального угла.
В других вариантах осуществления заданный угол может отличаться от нормального, и это отличие может составлять до 70°, что в различных вариантах осуществления приводит к получению фильтра, позволяющего проходить очень малому количеству света при углах падения, близких к нормальному углу, и при этом позволяющего значительному количеству света проходить при углах падения, значительно отличающихся от нормального. В других вариантах осуществления заданный угол может иметь любое значение в диапазоне между нормальным углом и углом, отличающимся от нормального на 60°, 50°, 40°, 30° или 20°.
В следующих вариантах осуществления могут применяться фильтры, имеющие множество пиков в своем спектре пропускания, при условии, что, по меньшей мере, один пик у каждого из двух фильтров демонстрирует свойства, описанные выше и представленные на указанных чертежах.
Для получения желаемого оптического эффекта комбинируют, по меньшей мере, два интерференционных фильтра для получения составного фильтра по настоящему изобретению, как показано в целом под позицией 10 на фиг.4.
Как показано на фиг.4, первый полосно-пропускающий интерференционный фильтр 12 содержит первый слой 16 диэлектрика, расположенный между двумя отражающими слоями 20. Вплотную к первому полосно-пропускающему интерференционному фильтру 12 располагают полимерную пленку 22. Второй полосно-пропускающий интерференционный фильтр 14 содержит второй слой 18 диэлектрика, расположенный между двумя отражающими слоями 21. Вплотную ко второму полосно-пропускающему интерференционному фильтру 14 располагают полимерную пленку 24. Эти две полимерные пленки 22, 24 являются необязательными компонентами в этих вариантах осуществления, и их можно добавлять в виде подложки, на которой формируются указанные интерференционные фильтры, или, например, в виде дополнительного защитного слоя. В тех вариантах осуществления, в которых полимерные пленки используются в виде подложек, эти полимерные пленки 22, 24 могут включать первый слой, осуществляющий формирование компонента, являющегося отражающим слоем интерференционного фильтра. В различных альтернативных вариантах осуществления вместо полимерных пленок 22, 24 могут использоваться слои твердого покрытия, а в еще других вариантах осуществления вместо полимерных пленок 22, 24 могут применяться жесткие подложки, например стекло или твердый пластик. Слои твердого покрытия также можно применять в качестве первого слоя или выравнивающих слоев между полосно-пропускающим интерференционным фильтром и подложкой, на которой он формируется.
Между двумя интерференционными фильтрами располагают разделительную прокладку 15, которая может состоять из любого приемлемого материала и роль которой будет подробно описана ниже.
Полученный в результате составной фильтр 10 будет демонстрировать комбинированный фильтрующий эффект от совместной работы обоих полосно-пропускающих интерференционных фильтров, выражающийся в том, что пропускаемый свет можно будет наблюдать в полном диапазоне углов зрения, как описано выше.
Вариант осуществления, показанный на фиг.4, можно модифицировать для получения последующих вариантов осуществления путем добавления дополнительных слоев к первому полосно-пропускающему интерференционному фильтру 12, ко второму полосно-пропускающему интерференционному фильтру 14 или к обоим. В различных вариантах осуществления один или оба фильтра модифицируют путем добавления одного или нескольких дополнительных диэлектрических и отражающих слоев. На фиг.5 показан один такой вариант осуществления. Как показано на фиг.5, двухрезонаторный полосовой интерференционный фильтр 26 содержит первый диэлектрический слой 28, второй диэлектрический слой 30 и три отражающих слоя 32. Как и в описанных выше вариантах осуществления, необязательный компонент - слой 34 полимерной пленки - может быть включен в качестве подложки, на которой формируется фильтр, или в виде защитного слоя.
Двухрезонаторные фильтры, подобные описанному выше, можно применять в составных фильтрах по настоящему изобретению вместо одного или обоих однорезонаторных фильтров, показанных на фиг.4.
В дополнение к двухрезонаторным фильтрам там, где это применимо, вместо одного или обоих интерференционных фильтров в составном фильтре по настоящему изобретению можно также применять полосно-пропускающие интерференционные фильтры, содержащие три или большее количество диэлектрических слоев и соответствующих отражающих слоев.
В соответствии с настоящим описанием два полосно-пропускающих интерференционных фильтра в сочетании с разделительной прокладкой или без прокладки, как в некоторых вариантах осуществления, можно скомбинировать для получения составного фильтра по настоящему изобретению, если полное количество пропускаемого видимого света при угле падения в 45 градусов к заданному углу (где центры двух кривых совмещаются) не превышает 80% от пропускаемого видимого света при заданном угле. В некоторых вариантах осуществления полное количество пропускаемого видимого света при угле в 45 градусов к заданному углу (где центры двух кривых совмещаются) составляет меньше 60%, 40% или 20% пропускаемого видимого света при заданном угле.
В других вариантах осуществления настоящего изобретения приведенные выше цифры (значения) относятся к инфракрасному диапазону спектра электромагнитных волн, к ультрафиолетовому диапазону или к другим диапазонам, а фильтры по настоящему изобретению можно использовать в сочетании с инфракрасными устройствами дистанционного управления, устройствами связи или с любым устройством, использующим в своей работе любую часть спектра электромагнитных волн, для которого можно использовать изменяемое пропускание по настоящему изобретению.
Интерференционные фильтры по настоящему изобретению можно использовать в широком разнообразии применений светофильтров, например, для коллимирования света, подавления света или для борьбы с подделками.
ПОЛИМЕРНАЯ ПЛЕНКА
Полимерная пленка, показанная на фиг.4 в виде элементов 22 и 24 и описанная здесь, может представлять собой любую приемлемую термопластическую пленку, используемую в применениях, требующих наличия оптической пленки. В различных вариантах осуществления такая полимерная пленка может содержать поликарбонаты, акриловые волокна, нейлоны, полиэстеры, полиуретаны, полиолефины, например полипропилен, ацетат целлюлозы и триацетат целлюлозы, винилацетат, например поли(винил бутирал), полимеры винилхлорида и сополимеры и т.п., или другой пластик, применяемый для оптической пленки.
В различных вариантах осуществления настоящего изобретения полимерная пленка представлена пленкой из полиэстера, например поли(этилен терефталата). В различных вариантах осуществления настоящего изобретения полимерная пленка может иметь толщину от 0,012 мм до 0,40 мм, предпочтительно - от 0,025 мм до 0,1 мм или от 0,04 мм до 0,06 мм.
Полимерная пленка может включать, где это применимо, первичный слой, способствующий связыванию металлизированных слоев с полимерной подложкой для придания прочности подложке и/или улучшения плоскостности.
Применяемые полимерные пленки в типичном случае являются оптически прозрачными (т.е. объекты, находящиеся вблизи одной стороны слоя, наблюдатель может легко видеть, глядя через этот слой с другой его стороны). В различных вариантах осуществления настоящего изобретения полимерная пленка содержит такие материалы, как повторно растянутые термопластические пленки, обладающие указанными свойствами, включая полиэстеры. В различных вариантах осуществления настоящего изобретения применяется поли(этилен терефталат), и в различных вариантах осуществления настоящего изобретения поли(этилен терефталат) растягивают биаксиально для повышения прочности, а также подвергают термостабилизации для получения характеристик низкой стягиваемости при воздействии повышенных температур (например, меньше, чем 2% стягивания в обоих направлениях после 30 минут выдержки при 150°С).
Предпочтительной полимерной пленкой является поли(этилен терефталат).
Как используется в описании и показано на чертежах, термин «полимерная пленка» включает как многослойные структуры, так и однослойные и соэкструдированные пленки. Например, в качестве полимерных пленок по настоящему изобретению можно использовать два или большее количество отдельных полимерных слоев, которые ламинировали, спрессовали или иным образом соединили друг с другом для образования единой пленки.
Применимые с настоящим изобретением примеры полимерных пленок включают описанные в патентах США 6049419 и 6451414, а также в патентах США 6830713, 6827886, 6808658, 6783349 и 6569515.
Для тех вариантов осуществления настоящего изобретения, в которых полимерная пленка применяется как разделительная прокладка, толщину полимерной пленки можно брать такой, как для других описанных здесь разделительных прокладок.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЛОИ
2
2
5
2
2
2
Диэлектрические слои по настоящему изобретению могут содержать любые приемлемые материалы, известные в данной области. К применимым диэлектрикам относятся двуокись кремния, двуокись титана, фтористый магний и сульфид цинка. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения в двух однорезонаторных интерференционных фильтрах, являющихся компонентами составного фильтра по настоящему изобретению, применяются следующие пары диэлектриков: TiO или NbO - для первого фильтра и SiO, MgF, YF - для другого фильтра. В целом, предпочтительными являются пары диэлектриков, показатели преломления которых значительно отличаются друг от друга. В различных вариантах осуществления эта разность составляет одну единицу или больше.
2
2
Диэлектрические слои по настоящему изобретению можно сформировать с толщиной, соответствующей для обеспечения требуемого эффекта фильтрации. В различных вариантах осуществления толщина диэлектрических слоев может составлять две или больше четвертей волны. В различных вариантах осуществления толщина слоев в паре может составлять от 340 до 420 нанометров, например, для слоя MgF, и от 160 до 240 нанометров, например, для слоя TiO.
Диэлектрические слои по настоящему изобретению могут иметь любую приемлемую комбинацию высоких/низких показателей преломления, например больше 2 и меньше чем 1,8 и больше 2,2 и меньше чем 1,5.
Диэлектрические слои по настоящему изобретению можно сформировать с помощью любого приемлемого способа, известного в данной области, например, с помощью способов химического или физического осаждения из паровой фазы, таких как термовакуумное испарение или напыление. Различные технологии создания слоев описаны в «Справочнике по процессам и оборудованию для осаждения тонких пленок» под редакцией Клауса К. Шуграфа, издательство Нойес (Handbook of Thin-Film Deposition Processes and Techniques, edited by Klaus K. Schuegraf. Noyes Publications).
ОТРАЖАЮЩИЕ СЛОИ
Отражающие слои по настоящему изобретению хорошо известны в данной области и включают любую приемлемую металлическую композицию. В различных вариантах осуществления отражающие слои по настоящему изобретению содержат материал, обладающий высокой отражающей способностью по отношению к инфракрасному излучению. Примеры включают серебро, золото, алюминий и медь, а также их сплавы. Высокая отражающая способность по отношению к инфракрасному излучению требуется во многих применениях во избежание прохождения тепла через фильтр, например, в тех вариантах осуществления, в которых фильтруется свет от ламп накаливания. Отражение инфракрасного излучения также является желательной характеристикой для теплочувствительных подложек, таких как поли(этилен терефталат).
Отражающие слои по настоящему изобретению можно сформировать при помощи любого приемлемого способа, например напыления, и они могут иметь любую приемлемую толщину.
Несколько отражающих слоев по настоящему изобретению могут состоять из одного и того же материала или из разных материалов, а также могут иметь одну и ту же толщину или разные толщины - в соответствии с конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения.
В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения металлические отражающие слои содержат серебро или сплавы серебра.
РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ ПРОКЛАДКА
Разделительные прокладки по настоящему изобретению могут включать любые ламинирующие клеящие вещества, или слои полимерной пленки, или их комбинации. Кроме того, разделительные прокладки могут включать стекло и жесткие пластиковые слои, например поликарбонатные слои и другие приемлемые жесткие подложки.
Ламинирующие клеящие вещества включают те их виды, которые традиционно применяются в данной области для приклеивания пленок друг к другу, например (не ограничивая), поли(винил бутирал), полиуретан, силикон и т.п.
Разделительные прокладки по настоящему изобретению включают комбинации полимерных пленок и ламинирующих клеящих веществ. В некоторых вариантах осуществления, например, два интерференционных фильтра можно сформировать на двух отдельных подложках из полимерной пленки (элементы 22 и 24 на фиг.4), а затем ламинировать их к прокладке из полимерной пленки с помощью клеящего вещества, в этом случае прокладка на полимерной пленке и клеящее вещество образуют разделительную прокладку. Слои полимерной пленки включают все упоминаемые в данном описании.
В других вариантах осуществления настоящего изобретения разделительная прокладка может быть сформирована с помощью только полимерной пленки необходимой для разделительной прокладки толщины, для чего полосно-пропускающие интерференционные фильтры формируют непосредственно на одной полимерной пленке. В этих вариантах осуществления первый полосно-пропускающий интерференционный фильтр формируют на одной поверхности, а второй полосно-пропускающий интерференционный фильтр формируют на противоположной поверхности полимерной пленки. Затем открытые (подлежащие воздействию) поверхности фильтров можно защитить слоем полимерной пленки или твердым покрытием по известной в данной области технологии. Полимерная пленка для разделительной прокладки может включать, при необходимости, первичные слои.
Разделительные прокладки по настоящему изобретению могут иметь любую приемлемую толщину, и в различных вариантах осуществления разделительная прокладка имеет толщину, по меньшей мере, в семь четвертей длины волны оптической толщины. В различных вариантах осуществления разделительная прокладка имеет толщину от 0,8 до 1,2 микрона.
Разделительные прокладки по настоящему изобретению могут также представлять собой комбинации вышеописанных материалов. Например, разделительная прокладка может быть комбинацией стекла и полимерных пленок, причем одна или несколько полимерных пленок приклеены к стеклу. Разделительные прокладки из стекла и твердых пластмасс по настоящему изобретению могут иметь любую приемлемую толщину, и, в различных вариантах осуществления, такие разделительные прокладки могут иметь толщину, достигающую 1 миллиметра, а в других вариантах осуществления толщина может превышать 1 миллиметр.
Составные фильтры по настоящему изобретению можно эффективно использовать во многих применениях, например (не ограничивая), в качестве фильтров, наклеиваемых на окна и стекла, в качестве цветовых фильтров для различных применений в освещении, в применениях для борьбы с подделками, в качестве направленных светофильтров и т.п.
Настоящее изобретение позволяет создать составные интерференционные фильтры, дающие возможность переменной фильтрации света в некотором диапазоне углов зрения. Среди многих преимуществ составных фильтров можно назвать способность обеспечить конфиденциальность, состоящую в невозможности наблюдать через отверстие при одновременном пропускании внутрь некоторого количества света, падающего под приемлемыми углами.
Настоящее изобретение описано со ссылками на примеры вариантов его осуществления, однако квалифицированным специалистам в данной области будет ясно, что в них можно делать различные изменения и заменять их элементы эквивалентами без отступления от объема изобретения. Кроме того, можно сделать много модификаций для адаптации конкретной ситуации или материала к идеям настоящего изобретения, не выходя за его рамки. Следовательно, подразумевается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами его осуществления, представленными в качестве наилучшего средства для его осуществления, однако настоящее изобретение будет охватывать все варианты его осуществления, не выходящие за рамки прилагающейся формулы изобретения.
Будет также понятно, что любые диапазоны значений, величины или характеристики, представленные для любого компонента настоящего изобретения, могут использоваться как взаимозаменяемые с любыми диапазонами значений, величинами или характеристиками, представленными для любого из других компонентов изобретения, совместимых с первым, что дает возможность получить вариант осуществления с определенными значениями для каждого из компонентов, как представлено в данном описании.
Все ссылочные позиции, упоминаемые в реферате или в любом из пунктов формулы изобретения, имеют только иллюстративную цель и не должны ограничивать объем изобретения каким-либо конкретным вариантом осуществления, показанным на каком-либо чертеже.
Чертежи выполнены без соблюдения масштаба, если не указано обратное.
Все ссылочные материалы, включая журнальные статьи, патенты, заявки и книги, на которые здесь сделаны ссылки, включены сюда полностью путем ссылок.
Настоящее изобретение описано и показано со ссылками на примеры вариантов его осуществления, однако квалифицированным специалистам в данной области будет ясно, что в них можно делать различные изменения формы и деталей, и это не будет считаться нарушением объема настоящего изобретения, определенного прилагающейся формулой изобретения.