一种导模共振波导光栅可见光变色的镜片及其制备方法

技术领域

本发明涉及镜片技术领域，特别是涉及一种导模共振波导光栅可见光变色的镜片及其制备方法。

背景技术

变色镜片，也有人称为“感光镜片”。根据光色互变可逆反应原理，镜片在光线和紫外线照射下可迅速变暗，阻挡强光并吸收紫外线，对可见光呈中性吸收；回到暗处，能快速恢复无色透明状态，保证镜片的透光度。所以变色镜片适合于室内室外同时使用，防止阳光、紫外光、眩光对眼睛的伤害。

现有技术中变色镜片采用化学工艺制程技术分类如下：

添加变色因子混合于注塑塑料中再进行混合共同注塑射出成型，属于基变方式。使用高分子材料：螺吡喃、螺噁嗪、偶氮苯类、六苯基双咪唑、二苯乙烯类、稠环芳香化合物、俘精酸酐等变色色素添加溶剂之后进行浸泡/浸涂/旋涂方式形成化学变色膜层，属于膜变方式。

现有技术中采用化学工艺制程技术的变色镜片缺点如下:

添加变色因子混合于注塑塑料中再进行混合共同注塑射出成型，此种镜片注塑时混合搭配比例不易管控、变色因子注塑过程中容易焦化、变色速度效率差、变色不均匀、变色颜色单一色、无法变色多色。

使用高分子材料：螺吡喃、螺噁嗪、偶氮苯类、六苯基双咪唑、二苯乙烯类、稠环芳香化合物、俘精酸酐等变色色素添加溶剂进行浸泡浸涂/旋涂方式形成化学变色膜层，变色均匀性不佳、使用寿命不常、变色速度效率不易达到标准、容易掉膜。

发明内容

本发明提供了一种导模共振波导光栅可见光变色的镜片及其制备方法。

本发明提供了如下方案：

一种导模共振波导光栅可见光变色的镜片，包括：

镜片基片、平面光波导薄膜膜层以及光栅层；所述平面光波导薄膜膜层以及光栅层彼此叠放且形成于所述镜片基片的一侧；

其中，所述光栅层形成有纳米尺度的导模共振波导光栅，所述导模共振波导光栅两个相邻界面处反射光的光程差为半个波长；所述导模共振波导光栅用于使以目标入射角入射的具有目标波长的光波被衍射至所述平面光波导薄膜膜层，所述平面光波导薄膜膜层用于使进入其内部的所有光波发生相消干涉以便以目标反射传输效率将所述具有目标波长的光波进行滤光反射。

优选地：所述光栅层为二氧化硅膜层。

优选地：所述导模共振波导光栅的光栅脊底部宽度为0.2～0.3微米、光栅槽槽深为0.1～0.3微米、光栅槽形底角为80～88°、光栅周期为0.5～1微米、光栅脊底部占空比为0.2～0.6、刻线密度为200line/mm～1000line/mm。

优选地：所述导模共振波导光栅为采用指定工作波长的准分子激光通过相位掩模板，使激光经过相位掩模板后衍射到所述二氧化硅膜层上形成干涉条纹形成周期为掩膜板周期一半的光栅。

优选地：所述光栅层的厚度为100～200纳米。

优选地：所述平面光波导薄膜膜层为氧化锌膜层。

优选地：所述平面光波导薄膜膜层的厚度为140～150纳米。

优选地：所述目标入射角入射包括15.8～75.0°。

优选地：所述目标波长的光波包括400～700纳米的可见光波。

一种上述的导模共振波导光栅可见光变色的镜片的制备方法，所述方法包括：

在眼镜镜片基片上采用离子辅助轰击沉积电子束蒸镀技术沉积形成二氧化硅打底层；

在所述二氧化硅打底层上采用电子束蒸镀沉积厚度为140～150纳米的氧化锌形成所述平面光波导膜层；

在所述平面光波导膜层上采用电子束蒸镀沉积厚度为100～200纳米的二氧化硅形成所述光栅层；

在所述光栅层上采用指定工作波长的准分子激光通过相位掩模板，使激光经过相位掩模板后衍射到所述光栅层上形成干涉条纹形成周期为掩膜板周期一半的所述导模共振波导光栅。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

通过本发明，可以实现一种导模共振波导光栅可见光变色的镜片及其制备方法，在一种实现方式下，该镜片可以包括镜片基片、平面光波导薄膜膜层以及光栅层；所述平面光波导薄膜膜层以及光栅层彼此叠放且形成于所述镜片基片的一侧；其中，所述光栅层形成有纳米尺度的导模共振波导光栅，所述导模共振波导光栅两个相邻界面处反射光的光程差为半个波长；所述导模共振波导光栅用于使以目标入射角入射的具有目标波长的光波被衍射至所述平面光波导薄膜膜层，所述平面光波导薄膜膜层用于使进入其内部的所有光波发生相消干涉以便以目标反射传输效率将所述具有目标波长的光波进行滤光反射。该镜片使用过程中当光源自不同入射角入射时，在设定的衍射工作波长时，两个相邻界面处反射光的光程差为半个波长，接着各自衍射进入平面光波导膜层，因此，在膜层内的所有反射光发生相消干涉，得到很强的反射传输，可陆续分别反射红、绿、蓝三原色，实现红、绿、蓝三种色彩分别滤光反射，形成镜片上产生可见光多彩变色效果，产生一片多色的用途，让眼镜镜片在正常现实生活中的光波角度变化时产生镜片颜色来回切换变化，减少不同角度强光产生的视觉疲劳和不适感，享受适当舒适光强的视觉，实现镜片颜色多彩酷炫变换的效果，为用户提供防护不同角度强光入射伤眼及镜片颜色多彩变换的酷炫体验，从而增加视野舒适感最大化，改善对长期佩戴所引起的疲劳、不适等问题；相较于传统光栅，本申请的红绿蓝三原色导模共振波导光栅可见光变色的镜片具有较长周期，在保证高效率、低旁带、窄半宽的同时，使得制作工艺相对简单、易控制，意义重大、发展潜力巨大。

当然,实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种导模共振波导光栅可见光变色的镜片的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种导模共振波导光栅可见光变色的镜片横截面局部示意图；

图3(a-c)是本发明实施例提供的反射光谱的测量结果与模拟结果及设计结果对比图；

图4是本发明实施例提供的眼镜镜片总膜层光栅断面的SEM扫描电镜图。

图中：镜片基片1、平面光波导薄膜膜层2、光栅层3。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参见图1，为本发明实施例提供的一种导模共振波导光栅可见光变色的镜片，如图1所示，该镜片可以包括：

镜片基片1、平面光波导薄膜膜层2以及光栅层3；所述平面光波导薄膜膜层2以及光栅层3彼此叠放且形成于所述镜片基片1的一侧；

其中，所述光栅层2形成有纳米尺度的导模共振波导光栅，所述导模共振波导光栅两个相邻界面处反射光的光程差为半个波长；所述导模共振波导光栅用于使以目标入射角入射的具有目标波长的光波被衍射至所述平面光波导薄膜膜层，所述平面光波导薄膜膜层用于使进入其内部的所有光波发生相消干涉以便以目标反射传输效率将所述具有目标波长的光波进行滤光反射。

所述光栅层为二氧化硅膜层。所述导模共振波导光栅的光栅脊底部宽度为0.2～0.3微米、光栅槽槽深为0.1～0.3微米、光栅槽形底角为80～88°、光栅周期为0.5～1微米、光栅脊底部占空比为0.2～0.6、刻线密度为200line/mm～1000line/mm。所述导模共振波导光栅为采用指定工作波长的准分子激光通过相位掩模板，使激光经过相位掩模板后衍射到所述二氧化硅膜层上形成干涉条纹形成周期为掩膜板周期一半的光栅。所述光栅层的厚度为100～200纳米。

所述平面光波导薄膜膜层为氧化锌膜层。所述平面光波导薄膜膜层的厚度为140～150纳米。所述目标入射角入射包括15.8～75.0°。所述目标波长的光波包括400～700纳米的可见光波。

本申请实施例还可以提供一种上述的导模共振波导光栅可见光变色的镜片的制备方法，所述方法可以包括：

在眼镜镜片基片上采用离子辅助轰击沉积电子束蒸镀技术沉积形成二氧化硅打底层；

在所述二氧化硅打底层上采用电子束蒸镀沉积厚度为140～150纳米的氧化锌形成所述平面光波导膜层；

在所述平面光波导膜层上采用电子束蒸镀沉积厚度为100～200纳米的二氧化硅形成所述光栅层；

在所述光栅层上采用指定工作波长的准分子激光通过相位掩模板，使激光经过相位掩模板后衍射到所述光栅层上形成干涉条纹形成周期为掩膜板周期一半的所述导模共振波导光栅。

本申请公开一种红绿蓝三原色导模共振波导光栅可见光变色的眼镜镜片及其制备方法,光栅结构是光学中非常常见的一种周期结构，按照周期方向与光传播方向的关系，大概可以分为三类，一类是光栅周期沿着横向的，即是衍射光栅；另一类是光栅周期沿着纵向，即与光传播方向同向的，即为布拉格光栅结构；另一种是导模共振波导光栅。

本申请采用基于亚波长波导光栅的导模共振滤光技术，提供了一种红、绿、蓝三原色的导模共振波导光栅眼镜镜片，对于周期性的亚波长光栅结构，当高级次衍射光与波导所支持的某一泄漏模相位匹配时，会产生高衍射效率的反射或者透射峰，这种现象称为导模共振效应，导模共振效应对入射光与泄漏模发生相位匹配时，形成敏感特性及产生极窄的共振峰、高峰值效率、低旁带等的优点，能够获得高纯色度滤光效果，当光源自不同入射角入射时，在设定的衍射工作波长时，两个相邻界面处反射光的光程差为半个波长，接着各自衍射进入平面光波导膜层，因此，在膜层内的所有反射光发生相消干涉，得到很强的反射传输，可陆续分别反射红、绿、蓝三原色，实现红、绿、蓝三种色彩分别滤光反射，形成镜片上产生可见光多彩变色效果，产生一片多色的用途。

本申请提供的反射光栅的作用为表面反射光波，技术原理为将相位掩模法结合平面光波导方法，以指定工作波长的准分子激光通过相位掩模板，依靠相位掩膜板具有的压制零级，增强一级衍射的功能，使得激光经过相位掩模板后衍射到膜层上形成干涉条纹，写入周期为掩膜板周期一半的光栅。这种成栅方法不依赖于入射光波长，只与相位光栅(相位掩模板)的周期有关，此技术使光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产，而这个方法也是我们常见的批量刻写的方法，该方法主要操作简单，稳定性好，成品率高。

本申请技术上在眼镜镜片上采用透射形体衍射光栅进行导膜分光进入平面光波导，将最上层二氧化硅(SiO

参见图2，设计上采用红、绿、蓝三原色导模共振波导光栅技术，总结构自上而下构成三层如下：光栅层、平面光波导薄膜膜层和基底镜片层。

准分子激光双光束干涉直写光栅层：

设计光栅脊底部宽度a为0.2um～0.3um。

设计光栅槽槽深h为0.1um～0.3um。

设计光栅槽形底角β为80°～88°。

设计光栅周期d为0.5um～1um。

设计光栅脊底部占空比a/d为0.2～0.6。

设计刻线密度为200line/mm～1000line/mm。

设计平面光波导薄膜膜层ZnO氧化锌厚度为140nm～150nm

本申请提供了一种入射角调谐红、绿、蓝三原色导模共振波导光栅可见光反射的实现方法；在原理上，随着入射角增大，共振峰分裂为两个，且光栅衍射+1级激发导模共振的峰值波长向长波方向移动，-1级激发导模共振的峰值波长向短波方向移动入射角为15.8°～75.0°之间，-1级激发导模共振的峰值波长落在400nm～700nm的可见光波段，+1级激发导模共振的峰值波长则向长波方向移动落在红外区域，如此，不同的入射角度分别实现红、绿、蓝三原色的反射功能效应；在技术上，利用严格耦合波理论分析入射角对导模共振波导光栅可见光反射光谱的影响，用TM偏振波在斜入射下得到两个不同位置的共振峰，通过调节入射角，使两个共振峰分别落在可见光波段和红外波段，并通过调整角度实现对可见光波段滤波波长的调谐。在通过实验验证对参数的优化、调整，设计后，制作了光栅周期为500nm～1000nm的红、绿、蓝三原色导模共振彩色波导光栅可见光变色的眼镜镜片，结果显示该结构在26°～30°、36°～40°、46°～50°入射角得到了良好的红、绿、蓝三原色反射效果，效率均在80％左右，半峰全宽约为5nm。

本申请所制作的红绿蓝三原色导模共振彩色波导光栅可见光变色眼镜镜片经实验证明，分别在26°～30°、36°～40°、46°～50°入射角下在红、绿、蓝光谱范围内反射峰值效率达到最大，在红光光谱范围内26°～30°入射时，在600nm～610nm波长处其反射峰值效率达到最大，几近88％；在绿光光谱范围内36°～40°入射时，在540nm～550nm波长处其反射峰值效率达到最大，几近95％；在蓝光光谱范围内46°～50°入射时，在490nm～500nm波长处其反射峰值效率达到最大，几近97％，各个光谱旁带反射率均控制在10％以下。

本申请提供的眼镜镜片，设计方面采用严格的耦合波方法得到了导模共振波导光栅的倾斜度角、槽深、光栅周期等结构参量以及波长与衍射效率的关系，在设定的衍射工作波长时，两个相邻界面处反射光的光程差为半个波长，接着各自衍射进入平面光波导膜层，因此，在膜层内的所有反射光发生相消干涉，得到很强的反射传输；另在硬件技术采用电子束蒸发镀膜加以离子束辅助沉积(IBAD)，优点是所制备的薄膜附着牢固、结构致密、环境稳定性好，完全满足相关的环境试验要求，所蒸镀的平面光波导膜层及光栅膜层，导入光学等效导纳值的调节，优化出可见光全带宽膜系。

如图3(a-c)所示，经实验证明，在红光光谱范围内26°～30°入射时，在600nm～610nm波长处其反射峰值效率达到最大，几近88％；在绿光光谱范围内36°～40°入射时，在540nm～550nm波长处其反射峰值效率达到最大，几近95％；在蓝光光谱范围内46°～50°入射时，在490nm～500nm波长处其反射峰值效率达到最大，几近97％，各个光谱旁带反射率均控制在10％以下。

本申请为一种红绿蓝三原色导模共振波导光栅可见光变色的眼镜镜片的制备方法技术方案如下：

首先，在镜片基片上进行离子辅助轰击沉积电子束蒸镀沉积二氧化硅打底层，离子轰击时间为1min～5min，接着依本专利所设计的平面光波导膜层氧化锌进行电子束蒸镀沉积厚度为140nm～150nm，背景真空度为1×10

其次，继续进行电子束蒸镀沉积低折射率膜料二氧化硅(SiO

最后，采用准分子激光作为写入光光源，进行准分子激光双光束干涉直写光栅层，通过准分子激光双光束干涉原理，结合空间光场调制技术，进行位相掩模技术，主要是利用准分子激光透过相位掩模板后的±1级衍射光形成的干涉光直接快速地对最上层低折射率膜料二氧化硅(SiO

所述的镜片基片Sub包括且不仅限于如下：光学镜片及太阳镜片的玻璃基材、及聚碳酸酯PC基材、尼龙PA基材、CR-39基材、PMMA基材、AC亚克力基材、MR-8基材、MR-7基材、TAC偏光片基材中的任意一种。

所述镜片基片的厚度为0.6mm～3.0mm，镜片总结构自上而下构成三层如下：光栅层、平面光波导薄膜膜层和基底镜片层。光栅层由二氧化硅(SiO

生产制程参数如下：

镜片基片与蒸发物距离40cm～90cm，基片长晶温度为40℃～80℃，充

氧量20～180SCCM，束流密度100mA～120mA,工作时真空度为1×10^(-3)Pa～9×10^(-3)Pa；镀膜前离子轰击1分钟～5分钟，高折射率膜料氧化锌(ZnO)的沉积速率0.4nm/s～5.0nm/s，低折射率膜料二氧化硅(SiO

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。