專利名稱：用于產(chǎn)生全向多層光子結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文描述的實施例一般涉及多層光子結(jié)構(gòu)，尤其涉及用于設(shè)計多層光子結(jié)構(gòu)的方法，以產(chǎn)生有需要的反射率和透射率性質(zhì)的多層光子結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
太陽光在電磁波譜中包括的波長范圍包含紫外(UV)、可見、和紅外(IR)光。與特定物體相關(guān)的顏料的顏色，由被顏料反射的光和由人眼觀察的波長確定。例如，太陽光或白光包括粗略地相等的可見光譜中波長的混合。當(dāng)白光入射到顏料上時，白光的一些波長被吸收，而其他波長被反射。反射的波長確定顏料的顏色。對許多顏料，反射性可以強烈依賴于入射到物體上光的角度。所以，顏料可以對不同的入射角反射光的不同波長，同時吸收其他波長。因此，該顏料必定不可以在所有入射角上作為所有光波長的全向反射器工作。這一點導(dǎo)致顏料對入射光的不同角度有色偏移。類似的效應(yīng)對UV和頂光也可以發(fā)現(xiàn)。具體地說，對入射的不同角度，顏料可以反射UV和/或頂光的某些波長同時吸收其他波長，這樣可以導(dǎo)致不希望有的效應(yīng)。例如，當(dāng) UV光被聚合物材料吸收，該聚合物材料可能使聚合物的化學(xué)鍵斷開。這一過程被稱為光降解并可以引起破裂、粉化、色改變和/或聚合物材料的物理性質(zhì)的損失。同樣，近紅外太陽光(780nm-2100nm)攜帶總太陽能的53%，當(dāng)這些能量被吸收時，產(chǎn)生聚集在物體表面上的熱，可以導(dǎo)致不希望有的熱狀況。在某些物體上，諸如汽車、建筑物或其他結(jié)構(gòu)上，這種熱的聚集可以降低某些系統(tǒng)，諸如，舉例說HVAC系統(tǒng)的效率和/或性能。

發(fā)明內(nèi)容
因此，全向地反射至少UV和頂光的光子結(jié)構(gòu)可以是需要的，而用于產(chǎn)生這種光子結(jié)構(gòu)的另外的方法是必要的。在一個實施例中，一種用于產(chǎn)生多層光子結(jié)構(gòu)的方法，該多層光子結(jié)構(gòu)有至少一組高折射率材料和低折射率材料的交替層，該方法可以包含確定該多層光子結(jié)構(gòu)的特征性質(zhì)函數(shù)和確定該至少一組交替層的厚度倍率。厚度倍率可以通過使特征性質(zhì)函數(shù)擬合到目標(biāo)分布而被確定。特征性質(zhì)函數(shù)可以根據(jù)確定的厚度倍率被調(diào)整。其后，被調(diào)整的特征性質(zhì)函數(shù)可以與目標(biāo)分布比較。當(dāng)該調(diào)整的特征性質(zhì)函數(shù)不近似于目標(biāo)分布時，至少一個追加組的層可以被添加到多層光子結(jié)構(gòu)。在另一個實施例中，一種用于產(chǎn)生全向反射多層光子結(jié)構(gòu)的方法，該全向反射多層光子結(jié)構(gòu)包括至少一組高折射率材料和低折射率材料的交替層，該方法可以包含對入射到多層光子結(jié)構(gòu)上的光的多種角度確定多層光子結(jié)構(gòu)的反射率函數(shù)，以及對每一組交替層確定厚度倍率的值。每一組的厚度倍率的值，可以通過使光的每一角度的反射率函數(shù)擬合到目標(biāo)反射率分布而被確定。其后，被調(diào)整的反射率函數(shù)可以與光的每一角度的目標(biāo)分布比較。當(dāng)被調(diào)整的反射率函數(shù)不近似于目標(biāo)反射率分布時，至少一個追加組的層可以被添加到多層光子結(jié)構(gòu)。
在又另一個實施例中，一種用于產(chǎn)生全向UV-IR反射器的方法，該全向UV-IR反射器包括至少一組高和低折射率材料的交替層，該方法可以包含對入射到多層光子結(jié)構(gòu)上的光的多種角度確定反射率函數(shù)?？梢赃x擇目標(biāo)反射率分布，該目標(biāo)反射率分布對電磁波譜的UV范圍中光的波長有約100%的反射率、對電磁波譜的可見范圍中光的波長有小于 100%的反射率、和對電磁波譜的頂范圍中光的波長有約100%的反射率。其后，通過使光的每一角度的反射率函數(shù)擬合到目標(biāo)反射率分布，可以確定至少一個厚度倍率的值。光的每一角度的反射率函數(shù)可以根據(jù)被確定的厚度倍率而被調(diào)整。其后，被調(diào)整的光的每一角度的反射率函數(shù)可以與目標(biāo)反射率分布比較。當(dāng)被調(diào)整的反射率函數(shù)不近似于目標(biāo)反射率分布時，至少一個追加組的層可以被添加到多層光子結(jié)構(gòu)。


本發(fā)明實施例所提供的這些和另外的特性，借助下面結(jié)合附圖的詳細描述，將有更完整的理解。列舉在圖中的實施例，本質(zhì)上是說明性和示例性的，并不企圖限制由權(quán)利要求書定義的本發(fā)明。這些說明性實施例在下面的詳細描述，當(dāng)結(jié)合下面的圖閱讀時，能夠被理解，圖中同類結(jié)構(gòu)用相同參考數(shù)字表示，附圖中圖1按照本文示出和描述的一個或更多實施例，畫出用于產(chǎn)生多層光子結(jié)構(gòu)的初級步驟的流程圖；圖2按照本文示出和描述的一個或更多實施例，畫出用于產(chǎn)生多層光子結(jié)構(gòu)的方法的流程圖；圖3按照本文示出和描述的一個或更多實施例，畫出多層光子結(jié)構(gòu)，供結(jié)合產(chǎn)生多層光子結(jié)構(gòu)的方法使用；圖4按照本文示出和描述的一個或更多實施例，以圖形示出多層光子結(jié)構(gòu)的每一層的厚度，該多層光子結(jié)構(gòu)包括1、2、3和4層的多層組，其中每一組包括低折射率和高折射率材料的交替層；圖5按照本文描述的一個或更多實施例，對以0°角入射到有1、2、3和4層的多層組的多層光子結(jié)構(gòu)上的光，以圖形示出作為波長函數(shù)的反射率；和圖6A-6D對以0°、15°、30°、和45°角入射到有1、2、3和4層多層組的多層光子結(jié)構(gòu)上的光，以圖形示出作為波長函數(shù)的反射率。
具體實施例方式圖2 —般地畫出用于設(shè)計全向多層光子結(jié)構(gòu)方法的一個實施例的流程圖，用于獲得諸如反射率的目標(biāo)特征性質(zhì)。該方法可以包含選擇特征性質(zhì)的目標(biāo)分布，作為入射到該多層光子結(jié)構(gòu)上的光的波長函數(shù)。該多層光子結(jié)構(gòu)的基本層結(jié)構(gòu)也被選擇?；緦咏Y(jié)構(gòu)每一層的厚度可以被表示為入射到該結(jié)構(gòu)上的光波長、該層的折射率、以及厚度倍率的函數(shù)。 該基本層結(jié)構(gòu)對給定入射光角度的特征性質(zhì)函數(shù)，可以作為入射光波長和厚度倍率的函數(shù)而被確定。該厚度倍率，從而基本結(jié)構(gòu)的每一層的厚度，可以通過使特征性質(zhì)函數(shù)擬合到目標(biāo)分布而被確定。用于產(chǎn)生全向多層光子結(jié)構(gòu)的方法，以及據(jù)此產(chǎn)生的多層光子結(jié)構(gòu)，將在本文更詳細地描述。
在描述用于設(shè)計全向多層光子結(jié)構(gòu)的方法中，將參考入射到多層光子結(jié)構(gòu)上的電磁輻射。應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語“電磁輻射”可以與術(shù)語“光”互換地使用，且兩個術(shù)語都指電磁波譜的各種波長，尤其是電磁波譜的紫外(UV)、紅外(IR)、和可見部分中的波長?，F(xiàn)在參考圖1，用于設(shè)計有全向性質(zhì)的多層光子結(jié)構(gòu)的初級步驟流程圖10被示出。雖然流程圖10中列舉的步驟按具體次序被陳述并被描述，但應(yīng)當(dāng)理解，該初級步驟被執(zhí)行的順序是可以改變的。在一個實施例中，用于設(shè)計有全向性質(zhì)的多層光子結(jié)構(gòu)的方法，可以包含選擇多層光子結(jié)構(gòu)的特征性質(zhì)的初級步驟12。在本文描述的該實施例中，該特征性質(zhì)是多層光子結(jié)構(gòu)的反射率。反射率，如在本文所使用的，是指入射到多層光子結(jié)構(gòu)上的光被多層光子結(jié)構(gòu)反射的分?jǐn)?shù)或百分?jǐn)?shù)，并可以作為入射到該結(jié)構(gòu)上的光的波長函數(shù)被畫成曲線。雖然本文描述的用于設(shè)計多層光子結(jié)構(gòu)的方法的具體實施例，利用反射率作為要被優(yōu)化的特征性質(zhì)，但應(yīng)當(dāng)理解，本文描述的該方法可以代之以利用透射率或吸收率作為要被優(yōu)化的特征性質(zhì)。透射率，如在本文所使用的，是指入射到多層光子結(jié)構(gòu)上的光被透射或通過多層光子結(jié)構(gòu)的分?jǐn)?shù)或百分?jǐn)?shù)，并可以作為入射到該結(jié)構(gòu)上的光的波長函數(shù)被畫成曲線。吸收率，如在本文所使用的，是指入射到多層光子結(jié)構(gòu)上的光既不被反射也不被透射的分?jǐn)?shù)或百分?jǐn)?shù)，并可以根據(jù)反射率和透射率確定。在另一個初級步驟14中，特征性質(zhì)的目標(biāo)分布被選定。在本文描述的特征性質(zhì)是多層光子結(jié)構(gòu)的反射率的實施例中，目標(biāo)反射率分布可以被選定為使優(yōu)化的多層光子結(jié)構(gòu)有某種反射率特征。例如，在一個實施例中，目標(biāo)反射率分布可以是矩形井反射率分布，使優(yōu)化的多層光子結(jié)構(gòu)反射UV和頂光而對可見光是透明的。更具體地說，該矩形井反射率分布對從約200nm到約350nm的波長(如在電磁波譜的UV部分中光的波長)可以有100% 的反射率、對從約350nm到約850nm的波長(如在電磁波譜的可見部分中的波長)可以有 10%的反射率、和對從約850nm到約2100nm的波長(如在電磁波譜的頂部分的波長)可以有100%的反射率，如圖5所示。雖然上文描述的目標(biāo)分布是有矩形井形狀的目標(biāo)反射率分布，但應(yīng)當(dāng)理解，有不同形狀的其他目標(biāo)分布也可以被使用。例如，該目標(biāo)分布可以是曲線或任何其他適當(dāng)形狀， 用于獲得在優(yōu)化多層光子結(jié)構(gòu)中的需要的反射率。另外，雖然上文描述的目標(biāo)分布是目標(biāo)反射率分布，但應(yīng)當(dāng)理解，該目標(biāo)分布也可以是目標(biāo)透射率分布或目標(biāo)吸收分布。另一個初級步驟16可以包括選擇多層光子結(jié)構(gòu)的基本層結(jié)構(gòu)。本文描述的多層光子結(jié)構(gòu)一般包括有交替地排列的具有相對高折射率nH的材料(如高折射率材料)的層和具有相對低折射率 的材料(如低折射率材料)的層。參考圖3，在目標(biāo)分布是有矩形井形狀的目標(biāo)反射率分布的一個實施例中，如上面所描述，多層光子結(jié)構(gòu)100的基本層結(jié)構(gòu)可以包括一組或多組層(^。每一組層(^可以包括高和低折射率材料的交替層。例如，一組層可以包括被安放在兩層低折射率材料104之間的單層高折射率材料102。如將在本文更詳細地被描述，該多層光子結(jié)構(gòu)100可以包括單組層(如K= 1)，或為了要獲得需要的目標(biāo)分布，代之以多組層。多層光子結(jié)構(gòu)可以被淀積在基底106上，該基底可以包含玻璃、聚合物材料、陶瓷材料、金屬材料、復(fù)合材料和/或它們的各種組合。在圖3所示實施例中，每一組層&可以用一般形式被描述為
這里L(fēng)代表具有厚度^的低折射率材料層，H代表具有厚度 的高折射率材料層， 而％是被應(yīng)用于組&的厚度倍率。所以，多層結(jié)構(gòu)100可以具有一般形式[(0. 5mKL mKH 0. 5mKL)K]這里K是彡1的整數(shù)，它代表在被設(shè)計的多層光子結(jié)構(gòu)100中層的組(^的數(shù)量。在圖3所示多層光子結(jié)構(gòu)的實施例中，該結(jié)構(gòu)可以是非四分之一波長棧，這里，在層的組中每一層低折射率材料104的厚度^可以被寫成隊(1)這里Ik是低折射率材料的折射率，λ ref是入射到涂層上的光的參考波長，而mK是如上所述的該組的厚度倍率。同樣，在組中每一層高折射率材料104的厚度 可以被寫成Dh=^ (2)這里nH是高折射率材料的折射率，λ ref是入射到涂層上的光的參考波長，而mK是如上所述的該組的厚度倍率。雖然圖3畫出多層光子結(jié)構(gòu)100的基本層結(jié)構(gòu)的一個實施例，但應(yīng)當(dāng)理解，其他結(jié)構(gòu)也可以被使用。例如，該多層光子結(jié)構(gòu)可以有不同的層排列和/或?qū)雍穸?。此外，?yīng)當(dāng)理解，本文描述的用于產(chǎn)生多層光子結(jié)構(gòu)的方法，可以結(jié)合這類其他結(jié)構(gòu)使用。再次參考圖1，在另一個初級步驟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 可以被選定。在一個實施例中， 和％的值被選定為使這些值與普通可用材料的相同。例如，Ik的值可以被選為^而細的值可以被選為？；，使 和細的值分別近似于二氧化硅(SiO2,折射率1.46)和銳鈦礦(1102，折射率2.49)的折射率。所以，分別利用 和nH為1. 5和2. 5的多層光子結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以由二氧化硅和銳鈦礦或其他有相同或類似折射率的材料構(gòu)成。應(yīng)當(dāng)理解，對應(yīng)于其他材料的折射率的&和nH的其他值也可以被選定。下面示出的表1包含可能材料的非排他的清單以及它們對應(yīng)的折射率，這些折射率可以被用于本文描述的多層光子結(jié)構(gòu)。表1
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生多層光子結(jié)構(gòu)的方法，該多層光子結(jié)構(gòu)包括至少一組高折射率材料和低折射率材料的交替層，該方法包括確定該多層光子結(jié)構(gòu)的特征性質(zhì)函數(shù)；通過使該特征性質(zhì)函數(shù)擬合到目標(biāo)分布，確定該至少一組交替層的厚度倍率；用該確定的厚度倍率調(diào)整該特征性質(zhì)函數(shù)；和把調(diào)整的特征性質(zhì)函數(shù)與目標(biāo)分布比較，其中，當(dāng)該調(diào)整的特征性質(zhì)函數(shù)不近似于目標(biāo)分布時，至少一個追加組的層被添加到該多層光子結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求1的方法，還包括當(dāng)該調(diào)整的特征性質(zhì)函數(shù)近似于該目標(biāo)分布時，根據(jù)對該至少一組交替層確定的厚度倍率，計算該至少一組交替層中高折射率材料和低折射率材料的層的厚度；和通過在基底上淀積該至少一組高折射率材料和低折射率材料的交替層，使該多層結(jié)構(gòu)的每一層包括該計算的厚度，在該基底上形成該多層光子結(jié)構(gòu)。
3.權(quán)利要求1的方法，其中該特征性質(zhì)函數(shù)代表該多層光子結(jié)構(gòu)的反射率、該多層光子結(jié)構(gòu)的透射率或該多層光子結(jié)構(gòu)的吸收率。
4.權(quán)利要求1的方法，其中該特征性質(zhì)函數(shù)是用傳遞矩陣方法確定的。
5.權(quán)利要求4的方法，還包括選擇低折射率材料的折射率Ik、高折射率材料的折射率 nH、參考波長λ&、入射介質(zhì)的折射率IV基底介質(zhì)的折射率nsubstrate、入射光的入射角θ ^和入射光的偏振。
6.權(quán)利要求1的方法，其中該至少一組交替層包括多組交替層；和對每一組交替層確定厚度倍率。
7.一種用于產(chǎn)生全向反射多層光子結(jié)構(gòu)的方法，該全向反射多層光子結(jié)構(gòu)包括至少一組高折射率材料和低折射率材料的交替層，該方法包括對入射到該多層光子結(jié)構(gòu)上的光的多種角度，確定該多層光子結(jié)構(gòu)的反射率函數(shù)；通過使光的每一角度的反射率函數(shù)擬合到目標(biāo)反射率分布，確定每一組交替層的厚度倍率的值；根據(jù)確定的厚度倍率，調(diào)整光的每一角度的反射率函數(shù)；和把調(diào)整的光的每一角度的反射率函數(shù)與目標(biāo)反射率分布比較，其中，當(dāng)該調(diào)整的反射率函數(shù)不近似于目標(biāo)反射率分布時，至少一個追加組的層被添加到該多層光子結(jié)構(gòu)。
8.權(quán)利要求7的方法，還包括當(dāng)調(diào)整的光的每一角度的反射率分布近似于目標(biāo)分布時，根據(jù)光的每一角度的每一組層的厚度倍率，確定每一組層的平均厚度倍率。
9.權(quán)利要求7的方法，還包括根據(jù)對每一組交替層確定的平均厚度倍率的值，計算每一組交替層中高折射率材料和低折射率材料的層的厚度；和通過在基底上淀積至少一組高折射率材料和低折射率材料的交替層，使該多層結(jié)構(gòu)的每一層包括該計算的厚度，在該基底上形成該多層光子結(jié)構(gòu)。
10.權(quán)利要求7的方法，其中該反射率是用傳遞矩陣方法確定的。
11.權(quán)利要求10的方法，還包括選擇低折射率材料的折射率&、高折射率材料的折射率ηΗ、參考波長Xref、入射介質(zhì)的折射率Iltl、基底介質(zhì)的折射率nsubstrate、入射光的入射角Qtl和入射光的偏振。
12.權(quán)利要求7的方法，其中該反射率函數(shù)用非線性曲線擬合算法擬合到目標(biāo)反射率分布。
13.一種用于產(chǎn)生全向UVHR反射器的方法，該全向UVHR反射器包括至少一組高和低折射率材料的交替層，該方法包括對入射到多層光子結(jié)構(gòu)上的光的多個角度，確定反射率函數(shù)；選擇目標(biāo)反射率分布，該目標(biāo)反射率分布對電磁波譜的UV范圍中光的波長有約100% 的反射率、對電磁波譜的可見范圍中光的波長有小于100%的反射率、和對電磁波譜的頂范圍中光的波長有約100%的反射率；通過使光的每一角度的反射率函數(shù)擬合到目標(biāo)反射率分布，確定至少一個厚度倍率的值；和根據(jù)確定的厚度倍率，調(diào)整光的每一角度的反射率函數(shù)；以及把調(diào)整的光的每一角度的反射率函數(shù)與目標(biāo)反射率分布比較，其中，當(dāng)該調(diào)整的反射率函數(shù)不近似于目標(biāo)反射率分布時，至少一組追加組的層被添加到該多層光子結(jié)構(gòu)。
14.權(quán)利要求13的方法，還包括當(dāng)調(diào)整的光的每一角度的反射率分布近似于目標(biāo)分布時，根據(jù)光的每一角度的每一組層的厚度倍率，確定每一組層的平均厚度倍率。
15.權(quán)利要求13的方法，還包括根據(jù)對每一組交替層確定的平均厚度倍率，計算至少一組交替層中高折射率材料和低折射率材料的層的厚度；和通過在基底上淀積每一組高折射率材料和低折射率材料的交替層，使該多層結(jié)構(gòu)的每一層包括該計算的厚度，在該基底上形成該多層光子結(jié)構(gòu)。
16.權(quán)利要求13的方法，其中該目標(biāo)反射率分布是矩形井函數(shù)，該矩形井函數(shù)包括對從約200nm到約350nm的波長的100%的反射率、對從約350nm到約850nm的波長的約10% 的反射率、和對從約850nm到約2100nm的波長的100%的反射率。
17.權(quán)利要求13的方法，其中該反射率是用傳遞矩陣方法確定的。
18.權(quán)利要求17的方法，還包括選擇低折射率材料的折射率&、高折射率材料的折射率nH、參考波長λ μ、入射介質(zhì)的折射率IV基底介質(zhì)的折射率nsubstrate、和入射光的偏振。
19.權(quán)利要求18的方法，其中該至少一組交替層有形式
，其中m是厚度倍率，L是低折射率材料層和H是高折射率材料層。
20.權(quán)利要求19的方法，其中每一低折射率材料的層的厚度是每一高折射率材料的厚度 是 mKef
全文摘要
一種用于產(chǎn)生多層光子結(jié)構(gòu)的方法，該多層光子結(jié)構(gòu)具有至少一組高折射率材料和低折射率材料的交替層，該方法可以包含確定多層光子結(jié)構(gòu)的特征性質(zhì)函數(shù)、根據(jù)該特征性質(zhì)函數(shù)與目標(biāo)分布的比較確定該至少一組交替層的厚度倍率、用確定的厚度倍率調(diào)整該特征性質(zhì)函數(shù)、以及把調(diào)整的特征性質(zhì)函數(shù)與目標(biāo)分布比較，其中，當(dāng)該調(diào)整的特征性質(zhì)函數(shù)不近似于該目標(biāo)分布時，至少一個追加組的層被添加到該多層光子結(jié)構(gòu)。
文檔編號G02B5/08GK102317836SQ201080007817
公開日2012年1月11日 申請日期2010年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月19日
發(fā)明者B·A·格雷森, D·班納吉, 張敏娟, 石井正彥 申請人:豐田自動車工程及制造北美公司