专利名称：完全内反射可控抑止的方法和设备的制作方法
本申请涉及一种用于以连续可变、易于可控的方式抑止完全内反射现象的方法和设备。
众所周知的是，光线在不同材料中以不同速度行进。速度的改变导致折射。两种材料之间的相对折射指数由入射光线速度除以折射光线速度而给出。如果相对折射指数小于1，则光线将朝向表面折射，比如光线从一块玻璃板出射而进入空气。在一特定的入射角“i”的情况下，折射角“r”由于光线沿着板的表面运行而变成90°。由于sin i＝相对折射指数，临界角度“i”是可以得出的。如果使“i”更大一些，则所有光线都反射回来到玻璃板里面而无一逸出玻璃板。这称作完全内反射。由于只当光线改变速度时才出现折射，或许不致惊异的是，入射的射线在被完全内反射之前稍有出射，而因此出现稍微透入(粗略地说1微米)界面的现象，称作“耗损波透入”。通过干涉(亦即散射和/或吸收)耗损波，人们可以防止(亦即“抑止”)完全内反射现象。
在许多应用场合下，希望可控地抑止完全内反射现象。比如，如果完全内反射将要正出现在一界面“I”处，如
图1A中所示，反射程度可以通过靠近界面I放置一介电材料以致电介质D与透过界面I之外的耗损波相互作用而予以降低，如图1B、1C和1D中所示，其中完全内反射的抑止程度是逐渐加大的，终结于完全抑止(图1D)。
电介质D最好是一种弹性材料。不可避免地，至少某些异物颗粒“P”(图2A)会被捕集在电介质D与界面I之间；以及/或者，电介质D与界面I的两对置表面具有至少某些尺寸上的缺陷“X”(图2B)，防碍在两个表面的基本的对置面积上达到表面的高度平整。这些异物颗粒，或这种表面缺陷，或者二者，可以防碍达到电介质D与界面I之间的“光学接触”。光学接触使得电介质D比一微米更为接近于界面I，借以散射和/或吸收邻近界面I的耗损波，从而防止界面I能够完全内反射入射光线。如果电介质D由弹性材料制成，这些异物颗粒和/或各种表面缺陷的前述不良效应均被局部化了，从而基本上消除了它们对于达到所需光学接触的影响。更为具体地说，如图2C和2D中可见，电介质D的弹性性质使得电介质D本身可能紧密地贴合在异物颗粒P周围和表面缺陷X周围，以致，除了非常靠近异物颗粒P和表面缺陷X周围的各点处，在电介质D与界面I之间达到光学接触。由于这些点一般地只包括电介质D和界面I的很小一部分对置表面面积，所以，可达到相当充分的光学接触以便于抑止如上所述的完全内反射。
不过，如果一种弹性材料与一表面形成光学接触，此种弹性材料趋向于粘于该表面并难以分开二者。这是因为，各弹性材料充分柔软，以致材料可变形而与存在于任何表面处的原子规模结构形成密切的原子接触；以及因为，最终的范德瓦尔斯(Van der Waals)结合力具有充分的附着作用，以致难以把材料从表面除掉。这些因素使之难以使用弹性材料来抑止完全内反射现象；而且，它们使之特别难以使用弹性材料来控制或改变完全内反射程度。理想的是，可以通过改变施加在电介质D与界面I之间的界面压力来控制完全内反射的抑止程度；以及，总的来说，理想的是以可能最小的压力值来获得这种控制。前面提及的范德瓦尔斯结合可能需要量级为104帕的负压用于分离，最好是减小一些。本发明致力于以上考虑。
本发明有助于在两种状态之间可控地变换一个界面一个是反射状态，其中入射到此界面上的光线发生完全内反射，另一个是非反射状态，其中完全内反射在界面处受到防止。这一点是依靠提供一种具有一可相对于界面变形的构件的设备而达到的。此构件在靠近界面的构件各部分中的杨氏模量显著地大于远离界面的构件各部分中的杨氏模量。更为具体地说，E＞a/d，其中E是在邻近界面的构件各部分处的杨氏模量，a是由界面与构件之间范德瓦尔斯力造成的每单位面积的结合能量，以及d是界面粗糙度的某一尺寸特征量。最好是，在邻近界面的构件各部分处构件的杨氏模量大于大约106帕。
有利的是，构件是一弹性件(最好是硅弹性体)，虽然构件是一弹性体并非是不可或缺的；介电材料是一种具有合理弹性的物质，诸如特氟隆TM，就足够了。邻近界面的构件各部分可以状为在此弹性体的一表面上的一微型结构。可以设置诸如耦联于一电压源的一对电极的装置，以便可控地使构件变形而与界面形成处在光学接触值的一连续可变的范围之内的光学接触，造成非反射状态。
本发明还提供一种方法，加强一构件(一般为弹性体)某一选定表面部分，借此，选定部分中构件的杨氏模量相对于不是选定部分的构件各部分中的杨氏模量显著增大，此方法包括用紫外光照射选定部分。有利的是，照射步骤是在有氧存在的情况下实行的。
另一种方法是，施用一种具有预先选定刚度的非粘接聚合物涂层于微型结构化的薄膜，再施用弹性体于经过聚合物涂敷的微型结构化的薄膜，而后溶解这一薄膜，留下加强的微型结构粘接于弹性体。
图1A、1B、1C和1D表明随着电介质D逐渐被移向界面I抑止在界面I处的完全内反射现象的不同阶段。
图2A和2B分别画出妨碍在界面I与电介质D之间达到光学接触的一异物颗粒P和一表面缺陷X，图2C和2D分别画出，如果电介质D是一种弹性材料，则虽然有异物颗粒P或表面缺陷X，界面I与电介质之间基本上达到光学接触。
图3A画出按照本发明一项实施例置放在一界面附近的一刚硬表面的弹性电介质。图3B画出按照本发明另一实施例置放在一界面附近的一刚硬表面的微型结构化的弹性电介质。图3C类似于图3B并表明一对用于可控地使微型化结构化的弹性电介质朝向邻近界面变形的电极。
图4是一条图线，上面画出作为施加于图3的弹性电介质与界面之间压力的函数的百分反射率。
图3A画出置放在界面12附近的一弹性电介质10。入射到界面12上的光线14受到完全内反射，因为电介质10与界面12的对置两表面之间的气隙16大得足以妨碍对置两表面之间的光学接触(亦即气隙16显著大于1微米)。如此后所要说明的那样，电介质D的杨氏模量E作为离开界面附近电介质10表面的距离的函数而变化，以致电介质10靠近表面的部分18比电介质10的其余各部分要显著的刚硬。
电介质10的加强表面部分18可妨碍达到前面提及的电介质10与界面12之间的范德瓦尔斯结合，由于这种结合只在电介质10可充分变形时才会出现。粗略地说，一种材料的杨氏模量(材料刚性的度量)必须小于单位面积的范德瓦尔斯结合能量除以与材料表面粗糙度相关的特征尺寸，以便产生基本上的原子接触。对于一些充分光滑而表现出其时粗糙度的特征尺寸显著地小于1微米的完全内反射的表面，将会出现粘着，如果杨氏模量小于大约106帕的话，而弹性材料就是这种情况。因此，通过增大电介质10表面处的弹性电介质的杨氏模量。人们可以充分地强化该表面以防止粘着。
前面提及的表面强化应当是，致使电介质10的表面能够有助于获得一种可预计的、可重生的完全内反射抑止程度，后者作为施加于电介质10与界面12之间压力的函数而变化。最好是，在正的低界面压力下，完全内反射极少抑止，而气隙16维持稍微超出1微米的一个明确确定的平均值。这一点是很重要的，特别是，如果由于这些狭窄气隙因“帕申(Paschen)效应”而可以支承很大的一些电场，而且这些电场可以因间隙很小而以相当低的电压产生出来，界面压力要由静电力造成的话。
一种在弹性电介质10中造成所需的表面特征的方法是，制备一种均匀、表面光滑的弹性材料，而后以一种可强化和/或结构此材料的一很薄的表面部分的方式来处理该材料。一种合乎要求的技术是，用紫外光照射一种硅弹性体。虽然不想拘泥于任何理论，但发明者还要指出，这种照射一般是在无氧存在的情况下进行的，所以可能是，紫外光与最终的臭氧相结合是很重要的。这种效应可能是增大了弹性体经过处理的表面附近各聚合物链的交叉联接，增大了此区域之中的杨氏模量。不过，所涉及的各效应的精确本质属未确定。
另一种方法是，单独地施加一薄层强化材料于一种弹性材料的表面。更为具体地说，用一种具有预先选定的刚度的、薄薄的不粘着聚合物涂敷成一牺牲性微型结构化的薄膜。做成这样一种涂层的方式是，旋转浇铸液态聚甲基丙烯酸甲酯(“PMMA”)，然后聚合化以生成一次微米的厚厚的涂层；而另一种方式是，把聚对苯二甲基真空沉淀在此薄膜上。弹性体然后以PMMA为底予以浇铸。牺牲性薄膜然后由一种不会侵袭涂层或弹性体的溶剂予以溶解，留下微型结构化的表面附着于弹性材料的。图3B画出这样一种结合于弹性电介质10的经过强化的微型结构化的表面20。
图3B结构的另一良好性质是，压力的逐渐增大将形成完全内反射的逐渐抑止。这一点图示在图3C之中，它画出一粘合在强化的微型结构化的表面20与其余的电介质10挠性部分之间的第一电极22；以及，一粘合于界面12的第二电极24。一电压源“v”以电气方式耦联于电极22、24之间。通过适当地改变施加于电极22、24之间的电压，可以使电介质10及其强化的微型结构化的表面20在一个光学接触值连续变化的范围之内朝向界面12变形，借以达到任何所需程度的对于界面12完全内反射入射光线的能力的抑止。图4图示了反射率的最终范围。
由于上面的阐述，对于本技术领域中熟练人员将会显而易见的是，在实施本发明中可有许多变更和改动而不偏离其精神或范畴。比如，虽然电介质10最好是一种硅弹性体，但它并不一定需要是一种“弹性体”；介电材料是一种具有合理挠性的物质，诸如特氟隆TM，就足够了。因此，本发明的范畴应当按照由以下各项权利要求确定的内容来予以认识。
权利要求
1.一种设备，用于在两种状态之间可控地变换一个界面(12)一种反射状态，其中入射到所述介面上的光线(14)经受完全内反射；一种非反射状态，其中所述完全内反射在所述界面处受到防止，所述设备的特征在于一种可相对于所述界面变形的构件(10)，所述构件在邻近所述界面的所述构件各部分(18)中的杨氏模量显著地大于所述构件在远离所述界面的所述构件各部分中的杨氏模量。
2.按照权利要求1所述的设备，其中E＞a/d，其中E是所述构件在邻近所述界面的所述构件各部分中的杨氏模量，a是由所述界面与所述构件之间范德瓦尔斯力造成的每单位面积的结合能量，以及d是所述界面粗糙度的某一尺寸特征量。
3.按照权利要求1所述的设备，其中所述构件在邻近所述界面的所述构件各部分处的杨氏模量大于大约106帕。
4.按照权利要求1所述的设备，其中所述构件是一弹性体。
5.按照权利要求1所述的设备，其中所述构件是一硅弹性体。
6.按照权利要求4所述的设备，其中邻近所述界面的所述构件的所述各部分还包括一在所述弹性体一表面上的微型结构(20)。
7.按照权利要求4所述的设备，还包括用于使所述弹性体变形成为与所述界面光学接触以生成所述非反射状态的装置。
8.按照权利要求7所述的设备，其中所述变形装置使所述弹性体变形而在所述弹性体与所述界面之间留有一分隔距离，其显著地小于0.5微并显著地大于10-4微米。
9.按照权利要求7所述的设备，还包括控制装置(22，24)，用于控制所述弹性体在一光学接触值连续变化的范围之内变形。
10.一种方法，强化一构件的一选定的表面部分，从而在所述选定部分中的所述构件的杨氏模量相对于所述选定部分之外的所述构件各部分中的所述构件的杨氏模量显著地增大，所述方法的特征在于，以紫外光线照射所述选定的部分。
11.按照权利要求10所述的一种方法，还包括在所述选定部分处有氧存在的情况实现所述照射步骤。
12.按照权利要求10所述的一种方法，其中所述构件是一弹性体。
13.按照权利要求10所述的一种方法，其中所述构件是一硅弹性体。
14.一种方法，强化一构件的一选定的表面部分，所述方法的特征在于以下各步骤(a)施用一具有预先选定的刚度的、非粘接性聚合物涂层于一微型结构化薄膜；(b)施加所述构件于所述聚合物涂敷的薄膜；以及(c)溶解所述薄膜，留下所述强化的微型结构附着于所述构件。
15.按照权利要求14所述的一种方法，其中所述涂敷步骤还包括旋转浇铸液态聚甲基丙烯酸甲脂到所述微型结构化的薄膜上。
16.按照权利要求14所述的一种方法，其中所述涂敷步骤还包括真空沉淀聚对苯二甲基到所述微型结构化的薄膜上。
17.按照权利要求14所述的一种方法，其中所述溶解步骤还包括施用于所述构件和所述聚合涂敷的薄膜一种溶剂，溶解所述薄膜而不有损所述构件或所述微型结构。
18.按照权利要求14所述的一种方法，其中所述构件是一弹性体。
19.按照权利要求14所述的设备，其中所述构件是一硅弹性体。
全文摘要
一种方法和设备,以便于在两种状态之间可控地变换一个界面(12):一种反射状态,其中入射到此界面上的光线(14)经受完全内反射,与一种非反射状态,其中完全内反射在界面处受到防止。此设备装有一可相对于界面变形的构件(10－最好是一弹性体)。构件在靠近界面的所述构件各部分(18)中的杨氏模量显著地大于(亦即,强硬于)构件在远离界面的构件各部分中的杨氏模量。靠近界面的强化部分可以状为一微型结构(20),耦联于一电压源的一对电极(22,24),可以设置得在光学接触值的一连续可变的范围之内可控地使构件变形成为与界面光学接触,以生成处在可选择的不同程度上的非反射状态。
文档编号G02B26/08GK1269891SQ98808874
公开日2000年10月11日 申请日期1998年5月8日 优先权日1997年9月4日
发明者洛恩·A·怀特黑德 申请人:英属哥伦比亚大学