專利名稱：基于透明塑料或聚合物的鏡面裝置及其制造方法
相關(guān)申請本申請是2000年8月23日提交的美國臨時專利申請60/227,194的繼續(xù)申請。
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明總體上涉及基于塑料或聚合物的鏡，具體地涉及抗翹曲的輕量耐用的合成樹脂鏡及其制造方法。
相關(guān)技術(shù)說明鏡通常具有多層結(jié)構(gòu)。特別地，鏡一般是通過在在玻璃襯底材料上選擇性地沉積一系列化合物而形成的。這些層一般包括反射層和覆蓋反射層的背面保護涂層。反射層通常由鋁、鉻、銠或銀的薄膜形成。在工業(yè)應(yīng)用中，鋁因其高反射率和低成本經(jīng)常代替銀使用。背面保護涂層起多種作用，如保護反射層免受濕氣。該功能是反射層所需要的，特別是如果反射層由鋁制成，它很容易被濕氣腐蝕。由于沉積反射層的襯底材料通常是可透濕的，因此為給反射層提供有效的外罩，背面保護涂層基本上不透濕是很重要的。背面涂層也對例如空中的特殊物質(zhì)造成的沖擊損害起屏障作用。因此，適當(dāng)配置及應(yīng)用背面涂層有助于提供耐用的鏡。
由于與玻璃鏡相關(guān)的生產(chǎn)成本高，因此為開發(fā)使用合成樹脂襯底材料的耐用、低成本塑料鏡進行了大量的研究。另外，由于合成樹脂的防碎性，為提高汽車的安全性優(yōu)選將其用在汽車的傳統(tǒng)玻璃鏡上面。該項研究的主要中心點與動力穩(wěn)定性和基本上光學(xué)透明的熱塑性或熱固性樹脂如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)有關(guān)。努力的結(jié)果是，開發(fā)了一種在樹脂襯底材料上順序沉積鋁反射材料和不透濕的背面涂層的方法。
合成樹脂鏡存在的主要問題是由于熱塑性或熱固性樹脂的吸濕性造成鏡的翹曲或變形，使其使用壽命極為有限。與玻璃的等同物不同，由作為襯底材料的熱塑性或熱固性樹脂制成的鏡逐漸從周圍環(huán)境中吸收水分。隨時間推移，如此吸收的水分腐蝕反射層。另外，與其它氣候條件變化相關(guān)聯(lián)的吸水引起熱塑性或熱固性樹脂的膨脹和收縮。與這些問題相聯(lián)的是背面涂層通常不受濕氣或其它氣候條件的影響這樣一個事實。因此背面涂層起防止熱塑性或熱固性樹脂襯底的平穩(wěn)線性膨脹和收縮。此外，在合成樹脂襯底的兩側(cè)涂裝的各種涂層的透濕性經(jīng)常導(dǎo)致合成樹脂襯底的相反面吸收的濕量不同，由此導(dǎo)致襯底兩側(cè)的膨脹和收縮不均勻。這些條件互相作用，使塑料鏡的反射層產(chǎn)生的圖像發(fā)生變形，以及相關(guān)的光學(xué)清晰度喪失。隨著鏡的老化，這種劣化只會變得更為嚴(yán)重。
為降低合成樹脂對吸濕作用的敏感性，提出了在沉積反射層之前在熱塑性或熱固性樹脂襯底上施用硬化材料。有機硅聚合物是目前優(yōu)選的硬化材料。這些聚合物之所以優(yōu)選是因為當(dāng)它們充分固化時，具有免受沖擊損害的保護的能力及其高光學(xué)清晰度。盡管對此來說有機硅聚合物是最佳有效材料，但這些聚合物并不是完全地不透水。因此，盡管部分有效，但這些聚合物不能解決在鏡面裝置方面使用熱塑性或熱固性樹脂襯底材料有關(guān)的所有問題。
存在對于不具有前述缺點和限制的鏡面反射裝置的需要。特別是存在對于使用基本上不受周圍環(huán)境條件影響的熱塑性或熱固性樹脂襯底制成的鏡面裝置的需要。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種耐由于氣候和水動力條件的力學(xué)變形的聚合物基鏡，消除了現(xiàn)有技術(shù)的前述不足和缺點。聚合物基鏡包括由熱塑性或熱固性合成樹脂，如聚甲基丙烯酸甲酯等制成的襯底或透明元件。樹脂襯底具有前表面和后表面。在樹脂襯底的所有暴露表面上通常施加有粘結(jié)層(tie-bond layer)。
沉積粘結(jié)層后，至少在樹脂襯底的前表面上涂布表面硬化層。該層可以由多種材料的一層或多層組成，這些材料形成基本上不透水的表面硬化層。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由下面各層形成的表面硬化層為合成樹脂襯底前表面提供了所需的透濕性水平500-1200埃SiO，優(yōu)選750埃；300-1200埃SiO2，優(yōu)選550埃；及600-1400埃Zv(iPv)2，優(yōu)選725埃。也可在合成樹脂襯底的后表面施加表面硬化層，此時后表面硬化層優(yōu)選含有300-1200埃SiO2，優(yōu)選550埃；及600-1400埃Zv(iPv)2，優(yōu)選725埃。
實質(zhì)性耐水組合物的反射層沉積在樹脂元件的后側(cè)。該反射層含有順序沉積在經(jīng)處理的樹脂襯底的后表面上的一系列材料。由下面各層形成的反射層具有本發(fā)明聚合物基鏡所需的反射率、透濕性和耐久性500-1200埃SiO，優(yōu)選750埃；700-1500埃鋁，優(yōu)選1200埃；500-1200埃SiO，優(yōu)選750埃；600-1400埃Zv(iPv)2，優(yōu)選725埃；及300-1200埃SiO2，優(yōu)選550埃。本發(fā)明的反射層優(yōu)選通過真空沉積技術(shù)在合成樹脂襯底上形成。然后在反射層上沉積背面保護涂層，用以包封反射膜層的外表面。當(dāng)在樹脂襯底的后表面上也施加有表面硬化層時，背面涂層也可包住表面硬化層以及反射層。可以選擇性地在聚合物基鏡的前表面上施加多層耐天候老化性涂層，以提高鏡的耐候性和耐久性。
總得來說，本發(fā)明的聚合物基鏡具有多層結(jié)構(gòu)，包括順序沉積的有機和無機材料層。與傳統(tǒng)的涂鋁、涂鉻和涂銠的鏡相比，本發(fā)明的聚合物基鏡具有優(yōu)良的耐濕性。本發(fā)明還提供了易于制造且制造成本低的鏡。
附圖簡要說明被認為有新穎性的本發(fā)明特征在附帶的權(quán)利要求書中詳細闡明。通過參照下面的說明連同附圖，可以最好地理解本發(fā)明的組織和實施方式與進一步的優(yōu)點，附圖中的參考數(shù)字在所有附圖中代表同樣的部分，其中

圖1是本發(fā)明聚合物基鏡的優(yōu)選實施方式的橫截面圖；圖2是本發(fā)明的聚合物基鏡的另一優(yōu)選實施方式的橫截面圖；圖3是本發(fā)明的聚合物基鏡的又一優(yōu)選實施方式的橫截面圖；圖4是用圖表示根據(jù)本發(fā)明制成的具有第一涂層的六個鏡的反射率試驗結(jié)果；圖5是用圖表示根據(jù)本發(fā)明制成的具有第二涂層的六個鏡的反射率試驗結(jié)果；圖6是用圖表示根據(jù)本發(fā)明制成的具有第三涂層的六個鏡的反射率試驗結(jié)果；圖7是本發(fā)明的聚合物基鏡的另一個優(yōu)選實施方式的橫截面圖。
優(yōu)選實施方案詳述下面的說明用于使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員實施及使用本發(fā)明，并闡明了由實施發(fā)明的本發(fā)明者預(yù)期的最佳方式。但是對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說各種變化仍是顯而易見的，因為本文已經(jīng)特別定義了本發(fā)明提供聚合物基鏡的基本原則。
本發(fā)明的目的是提供了具有多種形狀的聚合物基鏡。例如，如對幾幅附圖所討論的，本發(fā)明的聚合物基鏡可以具有楔形、曲面形、環(huán)面形、平面形或其他形狀。所述聚合物基鏡可以用作汽車的內(nèi)后視鏡和外后視鏡。但是，可以理解本發(fā)明的聚合物基鏡也可以用于其他鏡應(yīng)用。
本發(fā)明的聚合物基鏡在質(zhì)量和外觀上可與玻璃鏡匹敵，但是由于量輕和耐用設(shè)計而較玻璃優(yōu)越。設(shè)計本發(fā)明的聚合物基鏡以使其不顯著地吸濕。因此，本發(fā)明的聚合物基鏡不具有明顯的翹曲或其他機械變形。在多變的氣候條件下，本發(fā)明的聚合物基鏡保持動態(tài)穩(wěn)定。本發(fā)明的鏡也很耐用。下述的表面硬化層使對來自例如空中物體的機械損傷具有顯著地抵抗力。因此，本發(fā)明的鏡具有卓越的穩(wěn)定性，從而符合與例如內(nèi)部或外部安裝的后視鏡有關(guān)的汽車工業(yè)試驗標(biāo)準(zhǔn)。
參照圖1，圖示了為車輛的內(nèi)部后視鏡設(shè)計的聚合物基鏡10優(yōu)選實施方案的橫截面圖。透明鏡體14通常由光學(xué)透明度高的合成樹脂襯底如熱塑性或熱固性樹脂制成。優(yōu)選的合成樹脂是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)樹脂。通過注射成型法或壓力成型法，可以很容易地成型合成樹脂襯底14。
PMMA由甲基丙烯酸甲酯聚合而成，實際上在聚合反應(yīng)時用于形成樹脂襯底14的所有的甲基丙烯酸甲酯都發(fā)生反應(yīng)，形成PMMA。某些未反應(yīng)的單體確實殘留在樹脂襯底14的前表面12和后表面16上，以及樹脂襯底14的核心部分。樹脂襯底14內(nèi)部的這些單體通常使成型工藝后最靠近的前表面12或后表面16的部分變紅。為消除這些單體可能帶來的有害作用，用有機硅材料形式的透明的稀表面預(yù)加工劑處理劑處理樹脂襯底14的所有暴露的表面。這么做使樹脂襯底14變?yōu)閷嵸|(zhì)上化學(xué)惰性。所述的有機硅材料是噴涂、浸涂或離心涂布到樹脂襯底14上，在樹脂襯底14的前表面12和后表面16上形成粘結(jié)層18。粘結(jié)層18優(yōu)選為厚度在約3和約10微米之間的有機硅聚合物。典型的有機硅是由三乙氧基甲基硅烷CH3Si(OC2H5)3制備的。粘結(jié)層18一般可透濕，例如，在保持50℃、98％室內(nèi)濕度的氣氛中試驗時，透過有機硅硅烷的吸濕速率為約3g/m2/24小時。因此，粘結(jié)層18需要額外的涂層以降低這種透過性。
施加粘結(jié)層18后，用表面硬化層20覆蓋樹脂襯底14的前(前面)表面12。表面硬化層20可以由一層或多層形成基本不透水表面硬化層的多種材料構(gòu)成。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由下面各層形成的表面硬化層20為合成樹脂襯底提供了所需程度的硬度和透濕性500-1200埃SiO，優(yōu)選750埃；300-1200埃SiO2，優(yōu)選550埃；和600-1400埃Zv(iPv)2、優(yōu)選725埃。如果需要，也可用表面硬化層22覆蓋后(后面)表面層16，不會有損于隨后施加在后表面16上的反射層24和保護背面涂層26的性能。發(fā)現(xiàn)由下面各層形成的表面硬化層22為合成樹脂襯底提供所需程度的硬度和透濕性300-1200埃SiO2、優(yōu)選550埃；和600-1400埃Zv(iPv)2、優(yōu)選725埃。
為提供鏡面，進一步用薄的復(fù)合反射層24覆蓋樹脂襯底14的后表面16或后表面硬化層22(如果有)。使用真空沉積技術(shù)施加反射層24。通過連續(xù)沉積一系列有機和無機材料而形成反射層24。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有下面順序?qū)拥姆瓷鋵?4提供所需的透濕性、反射率水平、耐久性和耐蝕性500-1200埃SiO、優(yōu)選750埃；700-1500埃鋁、優(yōu)選1200埃500-1200埃SiO、優(yōu)選750埃；600-1400埃Zv(iPv)2、優(yōu)選725埃；和300-1200埃SiO2、優(yōu)選550埃。發(fā)現(xiàn)具有這種結(jié)構(gòu)的反射層24提供良好的反射率和對來自濕氣影響的腐蝕的優(yōu)越的耐蝕性。另外，用于反射層24的這種合金勝過標(biāo)準(zhǔn)鋁薄膜反射覆蓋層的反射率。反射層24具有約94.5％的透光率。
作為對薄反射層24的機械保護，形成保護性背面涂層26，從而緊密地覆蓋反射層24的主要外表面的全部區(qū)域?？梢允褂酶鞣N公知的材料和涂層方法形成和施加背面涂層26。例如，通過涂敷含有較高量粉末無機填料如碳酸鈣、碳酸鋇和/或硅酸鋁的樹脂基涂料，可以獲得性能優(yōu)良的背面涂層26。作為這種涂層方法的具體實例，通過涂敷含有醇酸樹脂粘合劑和占醇酸樹脂的75-80重量％的碳酸鈣粉末(粒徑在約1至約45微米之間)，從而使所得的背面涂層26的厚度在約10和約20微米之間，可以形成物理強度足夠高且透濕性適當(dāng)降低的背面涂層26。背面涂層26的存在進一步消除了包括SiO層的必要性，該層存在于前表面硬化層20中或后表面硬化層22中。作為本發(fā)明的主要特征，選擇背面涂層26的透濕性與下層，即反射層24和后表面硬化層22及前表面硬化層20的透濕性相適應(yīng)，以確保透過樹脂襯底14的前表面12和后表面16的濕氣量基本相等。不需要擴展保護性背面涂層26來覆蓋反射層24的端面28和30，因此可以高生產(chǎn)率且高效地形成和施加背面涂層26。
圖1所示的聚合物基鏡具有一般為橫向延長的長方形以及具有一般為長方形的橫截面形狀。在本發(fā)明的其它優(yōu)選實施方案中，樹脂體14可以以長方形以外的形狀形成。例如，如圖2所示，顯示了具有平凸樹脂襯底202的聚合物基鏡200。在圖3中，顯示了具有楔形樹脂襯底302的聚合物基鏡300，其中前表面12和后表面16相互不平行。為避免使用鏡300的車輛夜間行駛時從鏡300發(fā)出炫光，將樹脂襯底302成形為具有楔形橫截面。在圖2和圖3中，同樣的參考數(shù)字代表參照圖1說明的同樣的元件，這些同樣的元件不再討論。聚合物基鏡具有其他形狀和結(jié)構(gòu)也是可能的，這樣的形狀和結(jié)構(gòu)包括但不限于復(fù)曲面、雙凸面狀、平凹面狀和雙凹面狀。
從實用的角度看，本發(fā)明的聚合物基鏡可與由涂覆有鋁膜的玻璃板產(chǎn)生的傳統(tǒng)鏡匹敵，因為光學(xué)透明的熱塑性或熱固性樹脂襯底14具有高透光性，以及反射性的SiO-Al-SiO-Zv(iPv)2-SiO2反射層24反射率高。而且，聚合物基鏡10因其輕量性及樹脂襯底14的耐久性而有益。此外，通過簡單的注射或壓力成型而不需要任何機械加工就可以成型橫截面的樹脂襯底14的可能性使總生產(chǎn)成本比相同形狀的傳統(tǒng)玻璃鏡的生產(chǎn)成本降低。
本發(fā)明的最顯著的效果是本發(fā)明的聚合物基鏡10非常穩(wěn)定，無論是在干燥空氣還是在潮濕空氣中都可長時間使用。聚合物基鏡10具有經(jīng)處理的前表面和經(jīng)處理的后表面，它們具有實質(zhì)上同等的、下降的透濕性，從而防止了鏡10的翹曲和變形。實質(zhì)上同等的、下降的透濕性的原因是所選擇的前表面硬化層20、后表面硬化層22、反射層24和背面涂層26的組成和厚度產(chǎn)生的透濕性為樹脂襯底14的前表面12提供的透濕量與后表面16接觸的濕氣實質(zhì)上相同。樹脂襯底14從前表面12吸收低水平的濕氣，結(jié)果在與前表面12鄰近的區(qū)域僅產(chǎn)生微弱的膨脹。同時，相同的大氣濕度條件自身施加到樹脂襯底14的后表面16上。選擇后表面硬化層22、反射層24和背面涂層26的透濕性條件，使得樹脂襯底14從后表面16吸收與前表面12相同的最低水平的濕氣，并且在樹脂襯底的后側(cè)也僅產(chǎn)生微弱的膨脹。因此，即使樹脂襯底14因吸濕而膨脹，前表面12和后表面16上產(chǎn)生的膨脹也基本平衡。因此，樹脂襯底14的膨脹不會使鏡的光學(xué)表面形狀變形至使鏡10的光學(xué)性能劣化的程度。
對根據(jù)本發(fā)明制成的鏡10進行了實驗，以確定本發(fā)明所述的薄膜配比范圍(formula range)的優(yōu)良特性及對鏡反射性能的影響。在這些實驗中，表面硬化層20和22、及有機硅硅烷粘結(jié)層18不變，其中變化反射層24的組成以說明其對鏡10的反射率的影響。
實驗1對本發(fā)明的6個試樣鏡進行試驗。所有樣品都進行膜沉積。沉積的反射層24是500埃SiO、700埃Al、500埃SiO、600埃Zv(iPv)2和300埃SiO2。引入適當(dāng)?shù)谋尘癘2氣以使鍍層介質(zhì)反應(yīng)。在5×10-5托壓力下進行蒸發(fā)。發(fā)現(xiàn)該壓力能夠發(fā)生反應(yīng)性蒸發(fā)，并且足夠低以產(chǎn)生致密鍍層。完成鍍層過程后，鏡進行反射率試驗和美學(xué)觀察。反射率試驗的結(jié)果如下波長％反射率顏色750 94.993 深藍色700 94.948 深藍色650 71.360 深藍色600 63.169 深藍色550 72.609 深藍色500 87.223 深藍色
450 92.197 深藍色400 64.793 深藍色380 4.292 深藍色300 2.089 深藍色上述反射率試驗結(jié)果的圖形如圖4所示。
實驗2對本發(fā)明的6個試樣鏡進行試驗。所有試樣都進行膜沉積。沉積的反射層24是750埃SiO、1200埃Al、750埃SiO、725埃Zv(iPv)2和500埃SiO2。引入適當(dāng)?shù)谋尘癘2氣以使鍍層介質(zhì)反應(yīng)。在5×10-5托壓力下進行蒸發(fā)。發(fā)現(xiàn)該壓力能夠發(fā)生反應(yīng)性蒸發(fā)，并且足夠低以產(chǎn)生致密鍍層。完成鍍層過程后，鏡進行反射率試驗和美學(xué)觀察。反射率試驗的結(jié)果如下波長％反射率顏色750 95.220 銀色700 95.131 銀色650 95.133 銀色600 94.959 銀色550 94.339 銀色500 95.220 銀色450 95.025 銀色400 95.503 銀色380 5.146 銀色300 4.399 銀色上述反射率試驗結(jié)果的圖形如圖5所示。
實驗3對本發(fā)明的6個試樣鏡進行試驗。所有試樣都進行膜沉積。沉積的反射層24是1200埃SiO、1500埃Al、1200埃SiO、1400埃Zv(iPv)2和1200埃SiO2。引入適當(dāng)?shù)谋尘癘2氣以使鍍層介質(zhì)反應(yīng)。在5×10-5托壓力下進行蒸發(fā)。發(fā)現(xiàn)該壓力能夠發(fā)生反應(yīng)性蒸發(fā)，并且足夠低以產(chǎn)生致密鍍層。完成鍍層過程后，鏡進行反射率試驗和美學(xué)觀察。反射率試驗的結(jié)果如下波長％反射率顏色750 95.306 金色700 95.054 金色650 95.259 金色600 94.998 金色550 95.434 金色500 95.139 金色450 95.139 金色400 94.653 金色380 12.153 金色300 7.589 金色上述反射率試驗結(jié)果的圖形如圖6所示。
實驗例4進行實驗確定根據(jù)本發(fā)明制成的聚合物基鏡受到根據(jù)ASTMB117-95標(biāo)準(zhǔn)的高濕度和鹽環(huán)境時的耐受力和穩(wěn)定性。每片反射膜均根據(jù)本發(fā)明的記載制作。有3個鏡進行了該試驗。本發(fā)明的2個試樣鏡是非球面的前表面形狀，1個是平面前表面形狀。本發(fā)明的全部3個試樣進行均用含氯化鈉5+/-1％濃鹽水溶液試驗。濃縮液的比重是1.036。濃縮液的pH為6.8。濃縮液的容量是1.3ml/小時/80cm2。試驗室溫度為35+/-1℃。將本發(fā)明的試樣置于從豎直方向與噴霧成15°的斜面上。本發(fā)明的所有試樣受到連續(xù)噴霧96小時的試驗。本發(fā)明的試樣都沒有進行預(yù)清洗。試驗結(jié)束后，用水沖洗試樣鏡并風(fēng)干。試驗的觀察結(jié)果是所有3個試樣鏡上均沒有視覺或機械缺陷。另外，對反射率的考查的結(jié)論是試驗前的反射率結(jié)果沒有劣化。再者，試樣鏡的光學(xué)成象考查顯示試驗后沒有變形。
本發(fā)明的鏡還包括對前表面幾何形狀的變更，從而既可增大裝置的觀察角，又可以校正象畸變。通過引入非曲面公式如z(x)=cx21+1-c2(k+1)x2+a1x4+a2x6+a3x8+a4x10]]>式中c、k、an＝球面、圓錐和非球面系數(shù)x＝離鏡頭中央的距離(半徑)z＝深度或CAD/CAM設(shè)計中的NERBS，本發(fā)明的鏡的前表面結(jié)構(gòu)可以被設(shè)置成校正在玻璃制內(nèi)部和外部后視鏡中常觀察到的放大誤差和變形。
現(xiàn)在參照圖7，示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案制成的聚合物基鏡400的橫截面圖，其中圖1所述的聚合物基鏡10在鏡400的前側(cè)進一步包括耐候性涂層402。圖7中與圖1中的元件具有相同編號的元件是等價的，因此已結(jié)合圖1描述的這些元件在圖7的聚合物基鏡400的描述中不再贅述。與那些元件編號相同的聚合物基鏡400的元件是耐候性涂層402包括親水疊層404，其外表面用疏水層406覆蓋，親水疊層404在前表面硬化層20上形成。親水疊層404優(yōu)選包括交替的氧化鋯(ZrO2)層和二氧化硅層，本發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)具有下述結(jié)構(gòu)的疊層404提供最佳水平的反射率和透過率，同時在疊層404上保持不存在顏色2616埃SiO2、246埃ZrO2、174埃SiO2、765埃ZrO2、907埃SiO2。疏水層406優(yōu)選為起疏水作用的全氟烷基硅烷，它在親水疊層404的外表面上形成強烈粘著的氟化硅氧烷涂層。全氟烷基硅烷層406的最佳層厚為約5-20nm。
通過在親水疊層404中交替使用SiO2層和ZrO2層并結(jié)合疏水全氟烷基硅烷層406，提供了耐候性涂層402，該層通過提供對水浸入的更耐天候性的阻擋層增加了鏡400的耐候性和耐久性。親水疊層404的層和疏水層406均是干燥的涂層，是真空涂布到前表面硬化層20的表面上。通過利用干式涂層技術(shù)，可能比通過濕式涂層技術(shù)獲得更均勻、無疵點的涂層402。濕涂層不可延展并易于開裂，在涂層中濕氣可能透過的地方形成裂縫。通過借助干式涂層技術(shù)形成耐候涂層402，從而使形成這些裂縫的可能性大大降低。另外，選擇親水疊層404和疏水層406的組成，使其具有匹配的熱膨脹系數(shù)，從而使耐候涂層402內(nèi)的各層在鏡400接觸到的所有條件下都以基本均一的方式膨脹和收縮。耐候涂層402的熱膨脹系數(shù)進一步與聚合物基鏡400的其他層匹配，從而所有的層以基本均一的方式膨脹和收縮。通過使各層的熱膨脹系數(shù)匹配，使層間形成的結(jié)合以更可靠的方式維持，從而避免濕氣泄漏透過。已發(fā)現(xiàn)耐候涂層402的上述疊層組成為聚合物基鏡400的翹曲、反射率和耐候性提供了最佳平衡。
現(xiàn)在參照圖8，示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施方案制成的基于聚合物鏡500的橫截面圖，其中在樹脂襯底14的前側(cè)設(shè)置有反射層24。圖8中與圖1中的元件具有相同編號的元件是等價的，因此已結(jié)合圖1描述的這些元件在圖8的聚合物基鏡500的描述中不再贅述。聚合物基鏡的核心包括樹脂襯底14，在其前表面12和后表面16上分別形成有粘結(jié)層18。然后，在樹脂襯底14的后側(cè)的粘結(jié)層上分別形成后表面硬化層22和背面涂層26。在樹脂襯底前側(cè)上形成反射層24前，在粘結(jié)層18上形成厚度500-1200埃、優(yōu)選750埃的SiO材料層502。然后在SiO層502上形成反射層24。此后，形成前表面硬化層504以覆蓋反射層，其中前表面硬化層504與后表面硬化層22具有相同組成。繼而，在前表面硬化層504上形成耐候涂層402。在聚合物基鏡500的實施方案中，鏡500的反射面位于樹脂襯底14的前側(cè)，從而光從鏡面反射，實際上不通過樹脂襯底14。但是，該聚合物基鏡仍可能發(fā)生如本發(fā)明的其他實施方案發(fā)生的因濕氣引起的翹曲和變形問題。因此，也選擇聚合物基鏡500各層具有透濕性，為樹脂襯底14的前表面12提供與后表面16基本相同的濕氣暴露。
盡管可理解本發(fā)明的聚合物基鏡可以通過成型熱塑性或熱固性樹脂物品的任何公知方式形成，但本發(fā)明的聚合物基鏡的各實施方案的樹脂襯底14優(yōu)選使用改進的注射/壓力成型技術(shù)形成。一旦利用該技術(shù)形成了樹脂襯底14，將其從模中移出，然后施加本發(fā)明的各涂層，形成聚合物基鏡。本發(fā)明的優(yōu)選注射/壓力成型法由通過傳統(tǒng)注塑法在注模(未示出)內(nèi)進行壓縮操作組成。注射/壓力成型法可以描述為包括下列步驟的循環(huán)工藝加熱熔融熱塑性樹脂材料；混合和均質(zhì)化為液體的材料(熔體)；將熔融熱塑性材料注射入模腔中；開始本發(fā)明的注射/壓縮循環(huán)；冷卻和固化或凝固模腔中的熔融熱塑性樹脂，并從模中排出完成的樹脂襯底14。注射/壓力成型法需要熱塑性材料在循環(huán)中經(jīng)歷兩個相變化。所述固態(tài)熱塑性樹脂首先被加熱形成用于注入模的粘性液態(tài)熔體，之后通過二次壓縮在模中冷卻將熔體轉(zhuǎn)變回固態(tài)。
在選擇PMMA作為本發(fā)明的優(yōu)選光學(xué)級材料時，可以理解所有塑料都由熱力學(xué)原理控制，熱力學(xué)原理是決定各自的化學(xué)結(jié)構(gòu)的基本原理。在熔融各熱塑性材料時，單位重量所需的熱量可能隨各熱塑性材料的熱容的不同而大幅變化。該特性也限定了方法和模設(shè)計對塑料鏡加工過程中分子取向的控制。
本發(fā)明克服了型面復(fù)制差和模塑熱塑性制品引起的殘留部分應(yīng)力的問題，更具體地是將最細微的表面細部和圖形在諸如塑料鏡的光學(xué)級熱塑性注塑產(chǎn)品上的微一復(fù)制發(fā)揮到最大程度。注塑品對型面的這種保真性通過在水壓下，在注射周期的特定階段中將一個型面向另一個型面動態(tài)移動實現(xiàn)的。當(dāng)正在進行成型周期的注射部分時，在第一階段注射的預(yù)定轉(zhuǎn)換點，模腔的預(yù)定容積計量填充停止，注射周期進行第二階段的保持時間階段。與第一階段到第二階段的轉(zhuǎn)換點同步，在停止注射熱塑性材料的同時開始壓縮模具模腔的內(nèi)容物。在熱塑性材料溫度降至低于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之前，已將模具腔內(nèi)容物壓縮到預(yù)先調(diào)整的位置。在樹脂襯底14的整個表面上施加均勻的壓縮。均勻壓縮的結(jié)果是，全部應(yīng)力均勻地分散在部件表面的全部區(qū)域，大大地減弱了應(yīng)力引起的雙折射。另外，該工藝還產(chǎn)生了使部件間密度均勻的加工環(huán)境，由此控制部件的光學(xué)透明度和重量。
本發(fā)明的注射/壓縮技術(shù)包括與傳統(tǒng)注塑技術(shù)顯著不同的獨特特性。傳統(tǒng)注塑技術(shù)利用靜態(tài)模具，使用注射填充壓力完成熱塑性材料注射工藝的填充周期，而本發(fā)明包括動態(tài)部件，它使得可以減小注模成型工藝中的注射壓力，同時，對部件體積的特別控制與分子復(fù)制樹脂襯底面的能力統(tǒng)一起來。
在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案中，可以在聚合物基鏡10的形成中增加退火工序，從而進一步增強其與內(nèi)部和外部車輛應(yīng)用的耐候性要求的一致性。進行退火工序，釋放合成樹脂襯底14的內(nèi)應(yīng)力。退火工序包括將聚合物基鏡10加熱(例如在爐中)到約130-150°F并保持約5-6小時。然后將制件緩慢冷卻至室溫70°F，并且必須至少冷卻至110°F。在進行退火工藝時，建議使用為退火和加熱合成聚合物而設(shè)計的強制空氣循環(huán)爐。良好的強制空氣循環(huán)確保退火工藝必需的均勻溫度。爐內(nèi)的空氣速度應(yīng)在每分鐘150-250英尺之間，并且應(yīng)控制在+/-10°F(+/-6℃)內(nèi)，以避免加熱不均勻或過度加熱。溫度控制選擇影響爐的性能。監(jiān)控爐溫并保持對加熱元件施加恒定電壓的控制器被認為工作性能最好，但傳統(tǒng)的控制器也可使用，如調(diào)節(jié)計時加熱器百分比的百分比計時器控制，但不可能提供更佳控制器為此目的提供的最均勻的熱。用階段轉(zhuǎn)換改變熱輸出的比例時間控制顯示，當(dāng)在此工藝中評價時，產(chǎn)生不均勻的溫度。
在退火工藝開始前，聚合物基鏡必須清潔、干燥。噴霧掩模、保護帶、紙掩模和其他材料必須除去，以避免它們在材料上燒硬。塑料掩?？梢员Ａ粼谶m當(dāng)位置。為退火合成聚合物，加熱到剛好低于撓曲溫度的180°F(80℃)，然后緩慢冷卻。每毫米厚度加熱1小時。對于薄板，發(fā)現(xiàn)最小2小時是理想的。盡管冷卻時間一般比加熱時間短，但如果冷卻過快可能產(chǎn)生熱應(yīng)力。應(yīng)使用最小2小時的冷卻時間。
實驗顯示，對于超過8mm的厚度，冷卻所需的小時數(shù)等于厚度毫米數(shù)除以4。直到爐溫降至低于140°F(60℃)才移出物品是非常重要的。移出鏡過快可能抵消退火的積極效果。確保鏡在退火期間被適當(dāng)支撐是重要的。凸起部可能需要單獨支持，以避免下垂。缺乏適當(dāng)支撐也可能抑制弛豫作用。
厚度加熱時間冷卻時間冷卻時間(英寸) (分鐘) (小時) (小時) °F/小時0.080 2.0 2 2280.098 2.5 2 2280.118 3.0 3 228如前述內(nèi)容可以看出，根據(jù)本發(fā)明制成的聚合物基鏡提供了輕重量、耐用的合成樹脂鏡，該鏡經(jīng)得住吸濕引起的機械變形。另外，通過增加更耐候的注水阻擋層，本發(fā)明的聚合物基鏡的耐候性和耐久性增強。
在上述各實施方案中，聚合物基鏡的不同結(jié)構(gòu)在各實施方案中分別說明。但是，本發(fā)明的發(fā)明者的意圖是本文所述的各實施方案的各個方面可以與本文所述的其它實施方案結(jié)合。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以設(shè)計剛剛說明的優(yōu)選實施方案的多種修正和變更。因此，應(yīng)理解在附后的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以在本文具體說明以外進行實施。
權(quán)利要求
1.一種聚合物基鏡，包括透明合成樹脂襯底，具有前表面和后表面；多層耐磨涂層，在鄰接所述合成樹脂襯底的所述前表面形成，其中至少一層所述多層耐磨涂層包含氧化鋯；多層反射涂層，鄰接所述合成樹脂襯底的后表面和所述耐磨涂層之一而形成，其中至少一層所述多層反射涂層包含氧化鋯；和背面保護涂層，在所述反射涂層的外表面上形成。
2.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其中所述的反射涂層、所述的背面涂層、和所述的耐磨涂層具有各自的透濕特性，該特性允許基本相等量的濕氣透過所述合成樹脂襯底的所述前表面和后表面。
3.權(quán)利要求2的聚合物基鏡，其中所述的耐磨涂層為所述合成樹脂襯底提供了表面硬化層。
4.權(quán)利要求3的聚合物基鏡，其中所述的耐磨涂層順序包括SiO、SiO2和Zv(iPv)2層。
5.權(quán)利要求4的聚合物基鏡，其中所述的耐磨涂層包括厚度在500-1200埃之間的SiO層、厚度在300-1200埃之間的SiO2層和厚度在600-1400埃之間的Zv(iPv)2層。
6.權(quán)利要求5的聚合物基鏡，其中所述的SiO層的厚度為約750埃，所述的SiO2層的厚度為約550埃，以及所述的Zv(iPv)2層的厚度為約725埃。
7.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其進一步包括在所述合成樹脂襯底的所述前表面和所述后表面的至少一面上形成的粘結(jié)層。
8.權(quán)利要求7的聚合物基鏡，其中所述的粘結(jié)層包括有機硅聚合物材料。
9.權(quán)利要求8的聚合物基鏡，其中有機硅聚合物材料為三乙氧基甲基硅烷。
10.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其中所述的反射涂層包括由順序沉積的SiO、Al、SiO、Zv(iPv)2和SiO2層構(gòu)成的多層膜。
11.權(quán)利要求10的聚合物基鏡，其中所述的反射涂層順序包括厚度在500-1200埃之間的SiO層、厚度在700-1500埃之間的Al層、厚度在約500-1200埃之間的SiO層、厚度在約600-1400埃之間的Zv(iPv)2和厚度在約300-1200埃之間的SiO2層。
12.權(quán)利要求11的聚合物基鏡，其中所述的反射涂層順序包括約750埃的SiO層、約1200埃的Al層、約750埃的SiO層、約725埃的Zv(iPv)2層和約550埃的SiO2層。
13.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其中所述的背面涂層包括樹脂基涂料樣涂層。
14.權(quán)利要求13的聚合物基鏡，其中所述的樹脂基涂料樣涂層包含粉末無機填料材料。
15.權(quán)利要求14的聚合物基鏡，其中所述的粉末無機填料材料可以包括碳酸鈣、碳酸鋇和硅酸鋁之一。
16.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其進一步包括在所述合成樹脂襯底的所述后表面上形成的后表面硬化層。
17.權(quán)利要求16的聚合物基鏡，其中所述的后表面硬化層包括多層涂層，其至少一層包含氧化鋯。
18.權(quán)利要求17的聚合物基鏡，其中所述的反射涂層、所述的背面涂層、所述的耐磨涂層、和所述的后表面硬化膜具有各自的透濕特性，該特性允許基本相等量的濕氣透過所述合成樹脂襯底的所述前表面和后表面。
19.權(quán)利要求17的聚合物基鏡，其中所述的后表面硬化膜順序包括SiO2和Zv(iPv)2層。
20.權(quán)利要求19的聚合物基鏡，其中所述的后表面硬化膜包括厚度在300-1200埃之間的SiO2層和厚度在600-1400埃之間的Zv(iPv)2層。
21.權(quán)利要求20的聚合物基鏡，其中所述的后表面硬化膜包括厚度為約550埃的SiO2層和厚度為約725埃的Zv(iPv)2層。
22.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其中所述反射涂層和所述保護涂層的每一層基本不透濕。
23.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其中所述的合成樹脂襯底包括透明熱塑性或熱固性樹脂。
24.權(quán)利要求23的聚合物基鏡，其中所述的合成樹脂襯底包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料、透明結(jié)晶聚合物和環(huán)烯烴共聚物之一。
25.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其中所述的耐磨涂層具有吸濕性，以減少結(jié)霧。
26.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其中所述的合成樹脂襯底具有平面狀結(jié)構(gòu)，其所述的前表面和所述的后表面基本上相互平行。
27.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其中所述的合成樹脂襯底具有楔形結(jié)構(gòu)。
28.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其中所述合成樹脂襯底的所述前表面和所述的后表面之一是彎曲的。
29.權(quán)利要求28的聚合物基鏡，其中所述合成樹脂襯底的所述前表面為球形。
30.權(quán)利要求28的聚合物基鏡，其中所述的合成樹脂襯底為雙凸形。
31.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其中所述的合成樹脂襯底為復(fù)曲面形。
32.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其中所述的合成樹脂襯底通過結(jié)合注塑和壓力成型方法形成。
33.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其中所述的合成樹脂襯底被染成藍色，以提供50％與95％之間的透過率。
34.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其中所述合成樹脂襯底的所述前表面為非球形，并且可以由下面的數(shù)學(xué)式描述z(x)=cx21+1-c2(k+1)x2+a1x4+a2x6+a3x8+a4x10]]>式中c為球面系數(shù)，k為圓錐系數(shù)，an為非球面系數(shù)，x為離合成樹脂襯底中央的距離(半徑)，z為深度。
35.權(quán)利要求1的聚合物基鏡，其進一步包括在所述聚合物基鏡的外前表面上形成的耐候涂層。
36.權(quán)利要求35的聚合物基鏡，其中所述耐候涂層在所述耐磨涂層上形成。
37.權(quán)利要求35的聚合物基鏡，其中所述的耐候涂層包括多層親水層，該多層親水層具有在其外表面上形成的疏水涂層。
38.權(quán)利要求37的聚合物基鏡其中所述的多層親水涂層包括交替的二氧化硅層和氧化鋯層。
39.權(quán)利要求38的聚合物基鏡，其中所述的疏水涂層包括全氟烷基硅烷。
40.權(quán)利要求39的聚合物基鏡，其中所述的全氟烷基硅烷疏水涂層的厚度為約5-20nm。
41.權(quán)利要求40的聚合物基鏡，其中所述的多層親水涂層從其外表面到其內(nèi)表面順序包括約907埃的二氧化硅層、約765埃的氧化鋯層、約174埃的二氧化硅層、約246埃的氧化鋯層和約2616埃的二氧化硅層。
42.權(quán)利要求37的聚合物基鏡，其中所述的疏水涂層和所述的多層親水涂層是干燥涂層，它們被真空涂覆到耐磨涂層上。
43.權(quán)利要求35的聚合物基鏡，其中所述的耐候涂層、所述的耐磨涂層、所述的反射涂層和所述的背面保護涂層是干燥的涂層，它們被真空涂覆到所述的樹脂襯底上。
44.權(quán)利要求37的聚合物基鏡，其中所述的疏水涂層和所述的多層親水涂層具有基本相等的熱膨脹系數(shù)。
45.一種聚合物基鏡，包括透明合成樹脂襯底，具有前表面和后表面；粘結(jié)層，在所述合成樹脂襯底的所述前表面和所述后表面上形成；多層表面硬化涂層，鄰接所述合成樹脂襯底的所述前表面的所述粘結(jié)層而形成；多層反射涂層，鄰接所述合成樹脂襯底的所述后表面上的粘結(jié)層和所述的表面硬化涂層之一而形成；背面保護作層，作為所述鏡的外后表面而形成；多層親水涂層，鄰接表面硬化涂層的外表面而形成，其中至少一層所述多層親水涂層包含氧化鋯；和疏水涂層，在所述的親水涂層的外表面上形成。
46.權(quán)利要求45的聚合物基鏡，其中所述的粘結(jié)層、所述的表面硬化涂層、所述的反射涂層、所述的背面涂層、和所述的耐磨涂層、所述的親水涂層和所述的疏水涂層具有各自的透濕特性，該特性允許基本相等量的濕氣透過所述合成樹脂襯底的所述前表面和后表面。
47.權(quán)利要求45的聚合物基鏡，其中所述的表面硬化涂層包括厚度在500-1200埃之間的SiO層、厚度在300-1200埃之間的SiO2層和厚度在600-1400埃之間的Zv(iPv)2層。
48.權(quán)利要求47的聚合物基鏡，其中所述的表面硬化涂層包括約750埃的SiO層、約550埃的SiO2層和約725埃的Zv(iPv)2層。
49.權(quán)利要求45的聚合物基鏡，其中所述的反射涂層包括順序沉積的SiO、Al、SiO、Zv(iPv)2和SiO2層構(gòu)成的多層膜。
50.權(quán)利要求49的聚合物基鏡，其中所述的反射涂層順序包括厚度在500-1200埃之間的SiO層、厚度在700-1500埃之間的Al層、厚度在500-1200埃之間的SiO層、厚度在600-1400埃之間的Zv(iPv)2層和厚度在300-1200埃之間的SiO2層。
51.權(quán)利要求50的聚合物基鏡，其中所述的反射涂層順序包括約750埃的SiO層、約1200埃的Al層、約750埃的SiO層、約725埃的Zv(iPv)2和約550埃的SiO2層。
52.權(quán)利要求45的聚合物基鏡，其進一步包括在所述合成樹脂襯底的所述后表面上形成的后表面硬化層。
53.權(quán)利要求52的聚合物基鏡，其中所述的后表面硬化層包括多層涂層，其至少一層包含氧化鋯。
54.權(quán)利要求53的聚合物基鏡，其中所述的后表面硬化膜順序包括SiO2和Zv(iPv)2層。
55.權(quán)利要求54的聚合物基鏡，其中所述的后表面硬化膜包括厚度在300-1200埃之間的SiO2層和厚度在600-1400埃之間的Zv(iPv)2層。
56.權(quán)利要求55的聚合物基鏡，其中所述的后表面硬化膜包括厚度約550埃的SiO2層和厚度約725埃的Zv(iPv)2層。
57.權(quán)利要求45的聚合物基鏡，其中所述的合成樹脂襯底包括透明熱塑性或熱固性樹脂。
58.權(quán)利要求57的聚合物基鏡，其中所述的合成樹脂襯底包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料、透明結(jié)晶聚合物和環(huán)烯烴共聚物之一。
59.權(quán)利要求45的聚合物基鏡，其中所述的多層親水涂層包括交替的二氧化硅層和氧化鋯層。
60.權(quán)利要求59的聚合物基鏡，其中所述的疏水涂層包括全氟烷基硅烷。
61.權(quán)利要求60的聚合物基鏡，其中所述的全氟烷基硅烷疏水涂層的厚度為約5-20nm。
62.權(quán)利要求61的聚合物基鏡，其中所述的多層親水涂層從其外表面到其內(nèi)表面順序包括約907埃的二氧化硅層、約765埃的氧化鋯層、約174埃的二氧化硅層、約246埃的氧化鋯層和約2616埃的二氧化硅層。
63.權(quán)利要求45的聚合物基鏡，其中所述的疏水涂層和所述的多層親水涂層均為干燥涂層，它們被真空涂覆到耐磨涂層上。
64.權(quán)利要求45的聚合物基鏡，其中所述的疏水涂層和所述的多層親水涂層具有基本相等的熱膨脹系數(shù)。
65.權(quán)利要求45的聚合物基鏡，其中所述的疏水涂層和所述的多層親水涂層為干燥涂層，它們被真空涂覆到耐磨涂層上。
66.權(quán)利要求45的聚合物基鏡，其中所述的疏水涂層、所述的多層親水涂層、所述的表面硬化涂層、所述的反射涂層、和所述的背面保護涂層為干燥涂層，它們被真空涂覆到所述的樹脂襯底上。
67.權(quán)利要求45的聚合物基鏡，其中所述的合成樹脂襯底通過結(jié)合注塑和壓力成型法而形成。
全文摘要
本發(fā)明公開了由諸如聚甲基丙烯酸甲酯的合成熱塑性或熱固性樹脂襯底制成的聚合物基鏡，該鏡可抗?jié)衤N曲和抗變形。至少在樹脂襯底的前表面上形成復(fù)合多層表面硬化層。該鏡進一步包括復(fù)合多層反射涂層。在鏡的后表面上沉積有背面保護涂層?？蛇x擇性地在聚合物基鏡的前表面上施加多層耐候涂層，以增強鏡的耐候性和耐久性。涂覆合成樹脂襯底的各涂層的透濕性被選擇為使基本相等量的濕氣透過合成樹脂襯底的前表面和后表面。
文檔編號G02B5/08GK1592858SQ01816954
公開日2005年3月9日 申請日期2001年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月23日
發(fā)明者戴維·A·理查德 申請人:Vtec技術(shù)股份有限公司