專利名稱：玻璃仿寶石彩色膜制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及寶石制造領(lǐng)域。
本發(fā)明所敘述的內(nèi)容在公開文獻中沒有報道，但是各種有色膜卻一直為人們所關(guān)注，美國專利2519547為用化學(xué)鍍膜法制造有色反射鏡的方法，美國專利2466119為用化學(xué)鍍膜法制造有色調(diào)制膜的方法，美國專利3123490為用真空蒸法工藝制造三層彩色膜的方法，可見光的干涉方法制造有色膜或彩色膜一直為人們所關(guān)心，并將它們應(yīng)用于裝飾、生活、生產(chǎn)和工業(yè)等領(lǐng)域。
我們知道，化學(xué)鍍膜法其膜厚和膜層折射率是靠溶液濃度、離心機轉(zhuǎn)速、成膜溫度和濕度等因素來決定，而這些在實際成膜過程中都無法精確控制和重復(fù)，因此就單層膜來說其膜厚和膜層折射率誤差很大，就多層膜來說，在生產(chǎn)過程中，由于沒有監(jiān)控成膜折射率和厚度的手段，因此專利2466119的方法只用來生產(chǎn)二層減反膜和單層反射率不高的分光膜，例如專利2466119中說對n＝1.52的玻璃只能將它的反射率從4%提高到15%，因此反射率的提高是有限的，要大幅度提高某些波長的反射率是做不到的，無法生產(chǎn)反射率高、光譜選擇性強的仿寶石多層膜。
美國專利2519547提出了另一種化學(xué)溶液配方的化學(xué)成膜法，雖然該方法可以將反射率提高到30%左右，但它仍然具有上面所說的缺點，無法做出光譜選擇性強的寶石彩色來。
美國專利3123490是用真空蒸發(fā)三層膜的工藝制造珍珠色顏料的技術(shù)，可以在一定范圍內(nèi)得到綠、紅、藍、黃等顏色效果，但它存在如下問題(1)專利敘述的三層膜、四層膜所得到的顏色很淺，得不到寶石的鮮艷色，其原因是三層膜、四層膜的反射率不高，特別是從基板背面來的入射光會極大地降低正面三層膜或四層膜的干涉色。
(2)從薄膜光學(xué)理論知道，在可見光區(qū)四層膜以下所得到的膜層反射光和透射光的光譜寬度都很寬，例如專利3123490中例2的反綠色片，除了在5200
綠色波長有一主反射率外，在藍、黃波長處，甚至紅光波長處都有較高的反射率，因此其顏色嚴(yán)重不純，即用這種方法不可能制造美麗的寶石色。
(3)專利沒有涉及到在玻璃、塑料等透明基片鍍干涉膜時如何解決其顯色問題，而這是在玻璃、塑料等透明基片制造寶石膜的一個關(guān)鍵。
根據(jù)以上情況，本發(fā)明提出一種在玻璃和光學(xué)塑料上制造仿寶石的方法，它價廉，可以根據(jù)人們的心理和審美觀點設(shè)計并制造相似于天然寶石，甚至比天然寶石更鮮艷美麗的人造寶石;另外，由于這種寶石是人造的，它不受體積、形狀的限制，我們可以將它應(yīng)用于各種工藝品和裝飾品上，如鎮(zhèn)尺、胸花、領(lǐng)帶夾等方面，而這些是天然寶石不易做到的。
一、發(fā)明的原理人眼能看到的光的波長范圍是4000
～7500
，而我們能見到的物體的顏色，或者是光波在物體上的反射色，或者是光波在物體上的透射色，例如，我們見到的白色的分光光譜圖為圖1，金屬中金、銀、銅、鋁的反射光譜曲線見圖2，綠色寶石的光譜反射率曲線見圖3，藍色寶石的光譜反射率曲線見圖4，紅色寶石的光譜反射率曲線見圖5，紫色寶石的光譜反射率曲線見圖6。
我們知道，天然寶石在自然界比較稀少，因而顯得很貴重，現(xiàn)在我們用普通無色玻璃(如K9光學(xué)玻璃、窗玻璃等)來制造人造寶石，因此它們的價格是很便宜的。
首先，我們將無色玻璃加工成要求的寶石形狀，如圖7(a)所示，其上表面和下表面拋光成光學(xué)表面，然后在玻璃的下底面上鍍我們設(shè)計的多層干涉膜，例如為制造綠寶石，我們設(shè)計的綠寶石膜系為的目的，適應(yīng)了廣大業(yè)余攝影愛好者的消費水平。
對本實用新型


如下圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意2是構(gòu)成控制部件的比較放大器電子原理3是電熱控溫管構(gòu)造中(1)控制部件(2)電熱及測溫部件(3)電熱體導(dǎo)線(4)溫度傳感器導(dǎo)線(5)硬質(zhì)玻璃管體(6)溫度傳感器(7)電熱體圖1中的控制部件就是由圖2所示的比較放大器構(gòu)成，它是一個由運算放大器F007組成的恒溫電路，采用電容降壓，并由一個雙向可控硅控制負(fù)載，這一部分元件可置于一個小型塑料合中，設(shè)有發(fā)光二極管指示工作狀態(tài)。圖3中的電熱控溫管內(nèi)，溫度傳感器(6)與電熱體(7)相互隔離絕緣安置，確保溫度傳感器接受的溫度為被加熱液體的實際溫度(誤差∠±0.5℃)。管內(nèi)用填充物(如石膏粉、水泥或環(huán)氧樹脂)塞實固定。溫度傳感器(6)和電熱體(7)引出線分別按圖導(dǎo)2中的
和“負(fù)載”兩端。
實際應(yīng)用時，將電熱控溫管置于盛有液體的顯影盤內(nèi)一側(cè)(用夾具或膠紙稍加固定)然后將插頭接220V電源就進入自動工作狀態(tài)。隨著照片顯影操作，液體處于攪動狀態(tài)促使熱量的均勻擴散，從而確保顯影效果。
膜系設(shè)計的方法是采用計算機輔助設(shè)計(CAD技術(shù))，對綠寶石CAD設(shè)計的基本膜系是G(3HL)m3HG′，其中G代表光學(xué)玻璃或塑料，采用K9光學(xué)玻璃時，玻璃折射率為n＝1.52，G′在膜系制造時為真空或空氣，nG′＝nA＝1;在顯色時G′可以是碳膜、黑漆或黑呢等消光層，m代表周期數(shù)，它可取m＝1至10之間的任何正整數(shù)，但從滿足光學(xué)性能要求且工藝簡單、成本低出發(fā)，擇優(yōu)設(shè)計方案是取m＝3。H代表光學(xué)厚度為λ/4的高折射率介質(zhì)膜，nH＝1.8～2.35，可采用ZrO2、Ta2O5、HfO2、TiO2、ZnS制造，λ0＝5200
～5300
;L代表光學(xué)厚度為λ/4的低折射率介質(zhì)膜，nL＝1.38～1.62，可采用MgF2、SiO2、AL2O3制造。
設(shè)計結(jié)論是①仿綠色寶石膜有很高的反射率值，在m＝3時，根據(jù)不同的玻璃基體，可得反射比R＝67%、77%、82%、87.7%、89.6%的設(shè)計結(jié)果，如果再增加膜系層數(shù)還可得到更高的反射率值，因此，這種仿寶石膜系有非常鮮艷的色彩。
②天然寶石的顏色是不純的，為此我們設(shè)計的仿寶石膜其反射比半寬度約為1000
。
③膜系入射角不同反射率不同，并且中心波長隨之短移，在±20°范圍內(nèi)，顏色無漂移，但在光線入射角大于25°以后中心波長變短，例如在30°時原來的綠色膜變成了藍綠色膜。
④如果基體折射率為1，在入射角大于42°以后發(fā)生全反射現(xiàn)象，但由于仿寶石膜還需鍍消光膜或消光層，因此不會出現(xiàn)n＝1的全反射結(jié)果。
藍色寶石設(shè)計的基本膜系仍然是G(3HL)m3HG′，但λ0＝4500
～5000
，膜層材料同綠色寶石膜系，在m＝3時，反射比R≈80%左右。藍寶石膜系亦可用G(HL)mHG′，其中m仍取1～10，λ0＝4500
～4800
，在取m＝7時，藍光反射比可達99.2%，反射帶寬約為1200
。
這個膜系角度效應(yīng)較小，在不同角度看這個膜基本上都是藍色的。
橙色寶石設(shè)計的膜系是G(3HL)mHG′，其中G是玻璃，G′為消光層，m＝1～10，一般取m＝3，膜料同綠色寶石膜系，λ0＝5600
～5800
。
對紅色寶石膜設(shè)計結(jié)果為GH(LH)mG′，或者G(L/2HL/2)mHG′，其中m＝1～10，一般取m＝7～8，λ0＝6500
～7500
，膜料同仿綠色寶石膜料，因此nH＝1.8～2.35，nL＝1.38～1.62。
對于不同的λ0，可以得到不同紅色的紅寶石膜。
紫色寶石膜設(shè)計結(jié)果為G(HL)mH/2G′，其中G和G′的意義同前，膜料同仿綠色寶石膜料，因此nH＝1.8～2.35，nL＝1.38～1.62，λ0＝4000
，m＝1～10。
紫色寶石膜設(shè)計結(jié)果為G(3HL)m3HG′，其中G、G′、H、L的意義同前，m＝1～10，λ0＝6500
～6800
，nH＝1.8～2.35，nL＝1.38～1.62。
三、顯色技術(shù)要將用真空鍍膜法制造的寶石膜系的彩色顯示出來，還得解決顯色技術(shù)。
顯色的原理，一是要切斷玻璃透射光，二是要造成一個折射率在1～3之間的基體材料，三是要在膜系的透射帶使基體的反射比接近于零。
為此，顯色方案有①在玻璃上鍍好寶石膜系后，再用電子
蒸發(fā)一層不透明的碳膜，碳膜的厚度在1000
左右，然后從真空室取出，再在碳膜上刷層保護漆，其原理見圖11(a)。
②從真空室取出中取出鍍好寶石膜系的玻璃，在膜層上噴一層黑色消光漆，其原理見圖11(b)。
③從真空室取出中取出鍍好干涉膜系的玻璃后，在膜層側(cè)膠一塊黑玻璃，其原理見圖11(c)，在這個方案中亦可在膜層側(cè)膠一塊黑絨布或黑呢、黑膠片等。在圖11中，1是介質(zhì)膜干涉膜系，2是碳膜，3是保護漆，4是黑色消光漆，5是黑玻璃。
在上述三個方案中，方案①②在可見光區(qū)的反射比約為0.3%，消光效果好，方案③在可見光區(qū)的反射比稍高，消光效果較差。
四、膜系制造工藝采用真空鍍膜的方法制造各色寶石膜系。先將磨成寶石形狀的玻璃零件清洗干凈后裝入真空鍍膜機真空室，抽真空至1×10-5τ，用電子
蒸發(fā)TiO2、SiO2、AL2O3、ZrS等膜料，如果高折射率膜用TiO2時零件要加溫至250℃，高折射率膜用ZnS時，零件要加溫至100℃。
對λ0/4膜系，膜厚監(jiān)控采用光電極值法，因此對仿綠色寶石膜系，仿藍色寶石膜系，仿橙色寶石膜系和紫紅色寶石膜系都可用這一方法制造，對非規(guī)整膜系，如仿紫色寶石膜或仿紅色寶石膜可采用定值法監(jiān)控。
五、復(fù)色寶石制造方法天然寶石往往不是單色的，而是復(fù)色的，圖12即是一例，這時同一塊寶石的不同部分顏色不同。
為了用人工方法制造這種復(fù)色寶石，可以采用二種工藝方案方案一在真空鍍膜機中制造干涉膜系時，將零件傾斜安裝并保持工件不轉(zhuǎn)動，這樣玻璃不同部分的成膜厚度不同，即在玻璃零件不同部位得到了不同中心波長的膜系，因此這時玻璃上不同部件的反射干涉色不同，是復(fù)色的。
例如，為制造圖12所示藍色紫色寶石，我們采用膜系G(3HL)33HG′，控制片中心波長λ0＝4500 ，被鍍膜玻璃零件按圖13位置安裝在鍍膜機真空室內(nèi)，由于這時r1≠r2，如果在距離r1處玻璃零件上得到反藍色干涉膜，則在距離r2處玻璃零件上得到反紫色干涉膜。
方案二用真空鍍膜法制造干涉膜系時，在玻璃零件下方安裝膜厚修正檔板，修正擋板在用真空室中的安裝示意圖見圖14，其中修正擋板在鍍膜過程中是固定不動的，零件在鍍膜過程中隨工件架一起均速轉(zhuǎn)動。
修正擋板的一個設(shè)計實例見圖15，圖中1表示零件，2表示修正擋板。看圖我們很容易明白寶石沒有被修正擋板擋住的部分A在鍍膜過程中將得到λ0波長寶石色，而寶石的B部分由于修正擋板鋸齒的遮擋將只能得到λ1波長寶石色，λ1/λ0＝鋸齒空穴面積/整個鋸齒環(huán)帶面積，根據(jù)這個關(guān)系式我們可以設(shè)計出任意二個要求波長的復(fù)合寶石。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明的第一個優(yōu)點是價廉，我們知道天然寶石是貴重的，而本發(fā)明所制造的人造寶石很便宜，如鈕扣大小的一個人造寶石在大量生產(chǎn)中成本可下降到1元以下，如用光學(xué)塑料生產(chǎn)則可便宜到幾分錢。
本發(fā)明的第二個優(yōu)點是可以大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，而且生產(chǎn)效率很高，例如φ700mm鐘罩的真空鍍膜機一個班八小時可以生產(chǎn)幾千個。
本發(fā)明的第三個優(yōu)點是可以制造各種形狀和大小的人造寶石，特別是可以制造大尺寸的人造寶石，這是天然寶石很難辦到甚至不可能做到的。
本發(fā)明的第四個優(yōu)點是可以制出比天然寶石更鮮艷更美麗的寶石，這是因為人造寶石的顏色、反射比、波帶寬度等我們可以通過膜系設(shè)計來改變，而且我們可以制造任意二個顏色的復(fù)色寶石，這是天然寶石不可能做到的，天然寶石只能有相鄰二色的復(fù)色寶石，如紅黃二色寶石，不會有相間的復(fù)色寶石，如紅綠二色寶石，用我們這個發(fā)明，這是可以做到的。
本發(fā)明的第五個優(yōu)點是可以做變色寶石，即在不同角度觀看，寶石顏色不同，這在天然寶石中是困難的。
實現(xiàn)發(fā)明的最好方式①組織工業(yè)化生產(chǎn)。
②開拓人造寶石的各種新的應(yīng)用領(lǐng)域，除了可以將它應(yīng)用于手飾、頭飾等以外，還可將它應(yīng)用到服裝裝飾、室內(nèi)裝飾和工藝品等方面。

圖1、白布的反射比。
圖2、金、銀、銅、鋁膜的反射比。
圖3、綠寶石的光譜分布。
圖4、藍寶石的光譜分布。
圖5、紅寶石的光譜分布。
圖6、紫寶石的光譜分布。
圖7、綠寶石和它的光譜反射比R和光譜透射比T。
圖8、只鍍干涉膜系的顏色效應(yīng)。
1-干涉膜系圖9、鍍干涉膜系和全反射膜的顏色效應(yīng)。
1-干涉膜系;2-一全反射膜。
圖10、鍍干涉膜系和消光層的顏色效應(yīng)。
1-一干涉膜系;2-一消光層。
圖11、顯色技術(shù)方案。
1-一干涉膜系;2-一碳膜;
3-一保護漆;4-一黑色消光漆;
5-一黑玻璃。
圖12、復(fù)色寶石。
圖13、用不等距成膜制造復(fù)色綠寶石。
1-底板;2-鐘罩;3-零件;
4-蒸發(fā)源;r1、r2-蒸發(fā)距離。
圖14、用修正擋板制造復(fù)色寶石。
1-蒸發(fā)源;2-鐘罩;3-修正擋板;
4-玻璃零件;5-工件架;6-真空室底盤。
圖15、修正擋板原理1-玻璃零件;2-修正擋板;
A-零件不修正部分;B-零件修正部分。
實施例1、仿綠寶石的制造先將K9光學(xué)玻璃加工成要求的寶石形狀，并將其上表面和下表面拋光成光學(xué)表面，清洗干凈后裝入鍍膜機真空室。
鍍膜機抽真空至1×10-5τ，基板加溫至100℃，用透射光極值法監(jiān)控膜系制造，監(jiān)控片用平行差為秒級的平行平板玻璃，單色儀監(jiān)控波長為5200

，制造膜系G3HL3HL3HL3HA，其中高折射率膜用電子

蒸發(fā)ZnS，低折射率膜用電子

蒸發(fā)AL2O3。在制作第一層膜、第三層膜、第五層膜、第七層膜時，透射比在走滿三個極值后停止蒸發(fā)，在制作第二層膜、第四層膜、第六層膜時，透射比在走到第一個極值點時停止蒸發(fā)。
鍍膜完畢后從真空室中取出零件，在膜層上噴黑色消光漆，等漆干燥后再在其上噴一層銀白色保護漆。等保護漆干燥后，在零件的另一表面得到美麗的綠寶石色。
2、仿紅寶石的制造先將K9光學(xué)玻璃加工成要求的寶石形狀，并將其上表面和下表面拋光成光學(xué)表面，用酒精乙醚混合液清洗零件，等待鍍膜。
紅寶石膜系采用G(L/2HL/2)6A，其中nH＝2.3，用電子

蒸發(fā)ZnS得到，nL＝1.38，用熱蒸發(fā)MgF2得到。該膜系用透射光定值法監(jiān)控制造，監(jiān)控片用平行差為秒級K9玻璃平行平板玻璃，鍍膜監(jiān)控波長為5800

。為用定值法生產(chǎn)紅寶石膜系，先在監(jiān)控片上鍍H′L′膜系，膜系走格為

接著打開真空室裝入待鍍膜零件。鍍膜機抽真空至1×10-5τ，零件烘烤加溫至150℃，鍍膜時膜厚監(jiān)控仍用透射光，先用微機計算好膜系每層膜定值法監(jiān)控數(shù)值如下

可見，除最后一層膜外其余各層膜都終止在透射率77.7%處，而最后一層膜停止在極值透射比93.3%處，這也是這種監(jiān)控方法為什么叫定值法的原因。
實際鍍膜過程就按上述計算值進行。
鍍膜完畢，從真空室中取出零件，在鍍膜層噴黑色消光漆，在漆干燥后再噴一層銀白色保護漆。
這時我們從零件的未鍍膜表面上觀察，可看到了一種寶石紅色。
權(quán)利要求
1.一種玻璃仿寶石彩色膜制造方法，包括在玻璃或光學(xué)塑料上設(shè)計出具有寶石色的多層介質(zhì)干涉膜系，用真空鍍膜法制造該膜系，并用顯色技術(shù)顯示寶石色，以及制造復(fù)色寶石技術(shù)，其特征在于用多層介質(zhì)膜設(shè)計出這種膜系，并將其寶石色顯示出來。
2.如權(quán)利要求1所述的在玻璃或光學(xué)塑料上設(shè)計出具有寶石色的多層介質(zhì)干涉膜系，其特征在于綠寶石、藍寶石、橙寶石和紫紅寶石用膜系G(3HL)m3HG′，其中G代表光學(xué)玻璃或塑料，G′代表消光層，m代表周期數(shù)，它可取m＝1至10之間的任何正整數(shù)，H代表光學(xué)厚度為λ0/4的高折射率介質(zhì)膜，高折射率值ηH＝1.8～2.35，可采用ZrO2、Ta2O5、HfO2、TiO2、ZnS膜，L代表光學(xué)厚度為λ0/4的低折射率介質(zhì)膜，低折射率值nL＝1.38～1.62，可采用MgF2、SiO2、Al2O3膜，λ0對不同的寶石取不同值，如對綠寶石，取λ0＝5200 ～5300 ，對藍寶石取λ0＝4500 ～5000 ，對橙色寶石取λ0＝5600 ～5800 ，對紫紅寶石取λ0＝6500 ～680 ，對藍寶石和紅寶石還可用膜系G(HL)mHG′，其中仍取m＝1～10，對藍寶石膜，λ0＝4500 左右，對紅色寶石膜，λ0＝6500 ～7500 ，對紅色寶石還可用膜系G(L/2HL/2)mHG′，其中m＝1～10，λ0＝6500 ～7500 ，對紫寶石用G(HL)mH/2G′膜系，λ0＝4000 ，m＝1～10。
3.如權(quán)利要求1所述的顯色技術(shù)，其特征在于在鍍有干涉膜系的玻璃上刷黑漆或膠黑色物體(如黑呢、黑膠片等)。
4.如權(quán)利要求1所述的制造復(fù)色寶石技術(shù)，其特征在于在玻璃或光學(xué)塑料上用不等距蒸發(fā)制造復(fù)色寶石，或用修正檔板制造任意二個波長的復(fù)色寶石。
全文摘要
本發(fā)明為一種玻璃仿寶石彩色膜制造方法，屬寶石制造領(lǐng)域。在玻璃或光學(xué)塑料上設(shè)計出具有寶石色的多層介質(zhì)干涉膜系，用真空鍍膜法制造該膜系，為看到美麗的鮮艷的寶石色，本發(fā)明還提出了顯色技術(shù)和制造復(fù)色寶石的方法。本發(fā)明可制造各種形狀、大小的人造寶石，以及生產(chǎn)復(fù)色、變色和比天然寶石更鮮艷美麗的人造寶石，該方法價廉，可適于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號C03C17/245GK1071150SQ9110895
公開日1993年4月21日 申請日期1991年9月19日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月19日
發(fā)明者林永昌, 蘆維強 申請人:北京理工大學(xué)