1.本发明涉及玻璃表面光谱的光学技术领域，尤其是涉及一种透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板及制作方法。
背景技术：2.目前，要实现透可见反近红外光的传统方法是镀膜。一般采用的是λ/4的介质法设计薄膜厚度，交替叠加较高折射率层和较低折射率层来实现透可见-反近红外。通常采用热蒸发或者磁控溅射的加工方法将材料镀在基底上。但是λ/4的采用介质法加工需要叠加数百层λ/4厚度的薄膜，层数过多不仅会降低透过率且加工困难，也会增加制造成本，并且层数过多，薄膜的牢固度也难以保证。
3.传统λ/4的介质法在透可见反近红外光都采用镀膜的方式，传统λ/4的介质法在透可见反近红外光镀膜层数过多容易造成加工困难、制造成本加大、层数过多薄膜的牢固度不足和层数过多导致可见光透过率低下等问题。
技术实现要素：4.本发明的目的在于提供一种透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板及制作方法，通过设计满足二次全内反射的微结构增加可见光的透过率，镀膜来实现近红外光的反射。
5.本发明提供一种透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板，包括玻璃基板本体，所述玻璃基板本体的上表面加工有满足二次全内反射的微结构，所述玻璃基板本体的上表面由下往上依次设有相互交替层叠的低折射率层和高折射率层。
6.优选的，所述低折射率层和高折射率层的层数之和为8层。
7.优选的，所述玻璃基板本体为bk7玻璃。
8.优选的，所述低折射率层由氟化镁镀膜而成。
9.优选的，所述高折射率层由氧化钛镀膜而成。
10.优选的，所述高折射率层的厚度为111nm，低折射率层的厚度为225nm。
11.优选的，所述微结构的截面形状为若干个依次排列的三角形。
12.优选的，所述微结构的顶角为90
°
。
13.透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板的制作方法，包括以下步骤：
14.s1：在所述玻璃基板本体的上表面加工满足二次全内反射的微结构；
15.s2：在所述微结构表面交替镀低折射率层和高折射率层。
16.优选的，步骤s1中，通过金刚石砂轮在所述玻璃基板本体上精密磨削加工出满足二次全内反射的微结构；
17.步骤s2中，利用磁控溅射镀膜机在所述微结构表面依次交替溅射低折射率层和高折射率层。
18.本发明的技术方案通过提供了一种透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板及
其制作方法，解决了传统λ/4的介质法在近红外光反射领域镀膜层数过多造成的加工困难、制造成本加大、层数过多薄膜的牢固度不足和层数过多导致可见光透过率低下等问题。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
20.图1为本发明中光线在微结构界面上的反射和折射示意图；
21.图2为本发明的整体结构的剖视图；
22.图3为本发明中利用分光光度计分别测量有微结构和镀膜的玻璃基板本体和仅有镀膜的玻璃基板时对于近红外光的反射率的曲线对比图。
23.附图标记说明：1-入射光线、2-玻璃基板本体、3-低折射率层、4-高折射率层。
具体实施方式
24.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.实施例1
28.本发明提供一种透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板，包括玻璃基板本体2，玻璃基板本体2为bk7玻璃，玻璃基板本体2的上表面加工有满足二次全内反射的微结构，微结构的截面形状为若干个依次排列的三角形，三角形微结构的顶角为90
°
。
29.玻璃基板本体2的上表面由下往上依次设有相互交替层叠的低折射率层3和高折射率层4，低折射率层3和高折射率层4的层数之和优选方案为8层。
30.低折射率层3由氟化镁镀膜而成，高折射率层4由氧化钛镀膜而成，高折射率层4的厚度为111nm，低折射率层3的厚度为225nm。
31.透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板的制作方法，包括以下步骤：首先通过金刚石砂轮在玻璃基板本体2上精密磨削加工出满足二次全内反射的微结构。然后通过磁控溅射镀膜机依次交替的将低折射率材料和高折射率材料溅射在微结构表面，形成低折射率层3和高折射率层4交替溅射。进而实现透可见反近红外的效果。
32.具体设计思路和制作方法的步骤如下：
33.步骤1；满足二次全内反射微结构设计。如图1所示，要满足入射光线1在bk7玻璃里面经过两次反射之后，光线还能透过玻璃，对于微结构表面，实际入射角β应为名义入射角α与倾斜角之和，即为：
[0034][0035]
对于入射角β，根据snell定律，界面的折射角β1满足:
[0036][0037]
这里的n
mgf2
是低折射率材料的折射率，n
mat
是bk7玻璃的材料折射率，全反射的临界条件为:
[0038]
βc＝arcsin(n
mgf2
/n
mat
)
ꢀꢀ
(3)
[0039]
为了满足微结构棱镜两次全内反射，则需要满足以下几个条件：
[0040]
首先，反射出来的光抵达下一个反射面时，反射角β2小于90度，也就是：
[0041][0042]
其次，该反射角β2要大于临界角βc：
[0043][0044]
第三，为了满足第二次全内反射，第二反射角β3同时也要大于临界角βc：
[0045][0046]
结合方程(1)-(3)，解不等式(4)-(6)，可以得到入射角β需要满足以下条件才能获得两次全内反射:
[0047][0048]
在垂直入射情况下，名义入射角α＝0
°
，实际入射角β不为零，与微结构的倾斜角有关，低折射率层3所用材料mgf2的折射率为n
mgf2
＝1.33，bk7玻璃的折射率为n
mat
＝1.56。满足第一个条件为β≤61
°
，第二个条件为β≥26.5
°
，第三个条件为β≤67.9
°
。因此，微结构的倾斜角需满足在26.5
°
到61
°
之间。而微结构的顶角θ与倾斜角之间的关系是等腰三角形的关系，即：
[0049][0050]
因此，微结构的顶角θ需要满足在58
°
到127
°
之间。考虑到微结构的加工工艺，微结构的顶角θ选取为90
°
。
[0051]
步骤2；根据λ/4的介质法的近红外反射膜设计。近红外反射膜是一种在基底上层叠至少一个由高折射率层4和低折射率层3构成的单元，且高折射率层4和低折射率层3的折射率差为0.1以上。折射率差值越大，层数较少时就可以达到相同的反射率。常用于反射膜的材料有氧化钛、氧化锌、氧化锆、氧化硅、氧化铝、氟化镁等，因为在可见光要求具有好的透过性，根据设计要求和降低成本考虑，选择在可见光具有很好透过性和常用于镀膜材料的氧化钛、氟化镁分别作为高折射率材料和低折射率材料，其氟化镁材料的折射率为1.33，氧化钛材料的折射率为2.70。根据层厚方程；
[0052]
nhth＝n
l
t
l
＝λ0/4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0053]
式中nh为高折射率材料的折射率，th为高折射率材料的层厚，n
l
为低折射率材料的折射率，t
l
为低折射率材料的层厚，λ0为反射波长。
[0054]
根据光子禁带：
[0055]
随着层数的增加，反射率在禁带内将越接近于1。
[0056]
高折射率材料为氧化钛，低折射率材料为氟化镁，其折射率分别是2.70和1.33。根据方程(9)和(10)选定反射波长为1.2um，计算得高折射率层4厚为111nm，低折射率层3厚为225nm，高折射率层4和低折射率层3互相层叠8层。
[0057]
步骤3；通过金刚石砂轮精密磨削技术在玻璃基板本体2上加工出满足二次全内反射的微结构。首先将金刚石砂轮修整为v型，v型角度等于设计的微结构顶角θ，将玻璃基板本体2固定在加工底板上，调整砂轮位置，使其在工件表面加工。因为玻璃是硬脆性材料，需要在其塑性域内加工才能保证加工的质量，首先根据加工工艺要求加工过程分为粗加工和精加工，在粗加工过程中，选择#600金属基金刚石砂轮，以保证较高的加工效率。在精加工过程中，金刚石砂轮应该具有金刚石颗粒直径小、结合剂弹性好的优点，以保证金刚石颗粒能够在bk7玻璃表面进行塑性域的切削，精加工选择#3000树脂基金刚石砂轮。
[0058]
选择工艺要求的粗研磨深度、粗研磨砂轮转速、粗研磨进给速度和精研磨深度、精研磨砂轮转速、精研磨进给速度。通过该方法可以在bk7玻璃基板上加工出满足二次全内反射的阵列微结构。
[0059]
步骤4；利用磁控溅射镀膜法在微结构bk7玻璃基板上交替镀上低折射率层3和高折射率层4。采用磁控溅射镀膜机直流溅射法镀低折射率层3和高折射率层4，真空度为1
×
10-4
pa，氩气作为工作气体，压强为0.5pa，功率为80w，溅射速率为1nm/min。在微结构bk7玻璃基板上按设计厚度分别交替溅射低折射率层3和高折射率层4。
[0060]
通过以上步骤可制备本发明的透可见反近红外光的玻璃基板，采用分光光度计可测得其反射率。
[0061]
本实施例的设计和加工过程如下：
[0062]
分别选取折射率为2.7的氧化钛和折射率为1.33的氟化镁作为高折射率材料和低折射率材料，通过满足二次全内反射微结构设计，微结构的顶角θ需要满足在58
°
到127
°
之间。考虑到微结构的加工工艺，微结构的顶角θ选取为90
°
，微结构截面尺寸为：底边100um、高50um、顶角为90
°
的等腰直角三角形。
[0063]
要反射波段是0.8-2um，根据近红外反射膜的膜厚设计，计算得高折射率层4厚为111nm，低折射率层3厚为225nm，根据加工难度和成本选取高折射率层4和地折射率层互相
层叠为8层。
[0064]
将bk7玻璃基板固定在加工面上，粗研磨深度为0.08毫米，粗研磨砂轮转速为2500转/分钟，粗研磨进给速度为600毫米/分钟，粗研磨进给深度为0.002毫米；精研磨深度为0.002毫米，精研磨砂轮转速为4000转/分钟，精研磨进给速度为100毫米/分钟，精研磨进给深度为0.001毫米，粗研磨v型尖端砂轮为#600金属基金刚石砂轮，精研磨v型尖端砂轮为#3000树脂基金刚石砂轮。通过加工获得微结构的顶角θ为90
°
,底边100um和高50um的等腰直角三角形的阵列微结构bk7玻璃基板。
[0065]
采用磁控溅射镀膜法在微结构bk7玻璃基板上交替镀上低折射率层3和高折射率层4。采用磁控溅射镀膜机直流溅射法镀低折射率层3和高折射率层4，真空度为1
×
10-4
pa，氩气作为工作气体，压强为0.5pa，功率为80w，溅射速率为1nm/min。在微结构bk7玻璃基板上分别交替溅射低折射率层3和高折射率层4，低折射率层3厚为225nm，高折射率层4厚为111nm。依次溅射低折射率层3和高折射率层4，溅射层数为8层即可。
[0066]
通过以上方法在bk7玻璃基板上加工微结构和镀膜，如图3所示，利用分光光度计分别测量有微结构和镀膜的bk7玻璃基板和仅有镀膜的bk7玻璃基板，其中a是传统技术的反射率曲线，b是本发明的反射率曲线。测量结果表明，在层厚为8层，在近红外0.9-1.7um波段有95％以上的反射率，有微结构和镀膜的bk7玻璃基板在可见光0.5-0.76um波段比没有微结构的bk7玻璃基板的反射率平均低10％左右。
[0067]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
技术特征：1.透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板，其特征在于，包括玻璃基板本体，所述玻璃基板本体的上表面加工有满足二次全内反射的微结构，所述玻璃基板本体的上表面由下往上依次设有相互交替层叠的低折射率层和高折射率层。2.根据权利要求1所述的透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板，其特征在于，所述低折射率层和高折射率层的层数之和为8层。3.根据权利要求1所述的透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板，其特征在于，所述玻璃基板本体为bk7玻璃。4.根据权利要求1所述的透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板，其特征在于，所述低折射率层由氟化镁镀膜而成。5.根据权利要求1所述的透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板，其特征在于，所述高折射率层由氧化钛镀膜而成。6.根据权利要求1所述的透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板，其特征在于，所述高折射率层的厚度为111nm，低折射率层的厚度为225nm。7.根据权利要求1所述的透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板，其特征在于，所述微结构的截面形状为若干个依次排列的三角形。8.根据权利要求7所述的透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板，其特征在于，所述微结构的顶角为90
°
。9.根据权利要求1所述的透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：在所述玻璃基板本体的上表面加工满足二次全内反射的微结构；s2：在所述微结构表面交替镀低折射率层和高折射率层。10.根据权利要求9所述的透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板的制作方法，其特征在于，步骤s1中，通过金刚石砂轮在所述玻璃基板本体上精密磨削加工出满足二次全内反射的微结构；步骤s2中，利用磁控溅射镀膜机在所述微结构表面依次交替溅射低折射率层和高折射率层。
技术总结本发明提供了一种透可见反近红外光的微结构镀膜玻璃基板及制作方法，其结构包括玻璃基板本体，玻璃基板本体的上表面加工有满足二次全内反射的三角形的微结构，所述玻璃基板本体的上表面由下往上依次设有相互交替层叠的低折射率层和高折射率层，通过在玻璃基板本体上设计加工满足二次全内反射的微结构增加可见光的透过率，镀膜实现近红外光的反射，微结构结合交替层叠的低折射率层和高折射率层，在减少镀膜层数的同时提高了可见光的透过率，解决了传统镀膜层数多引发的可见光透过率低下和牢固度不足等问题。和牢固度不足等问题。和牢固度不足等问题。
技术研发人员：李萍 程锹轩 陈华金 向建化 王锦新
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：2022.04.08
技术公布日：2022/7/5
