Просветляющее покрытие для линз, имеющее малые внутренние напряжения и ультранизкую остаточную отражающую способность

Изобретение относится к отражающим покрытиям для оптических линз, в частности к композициям для формирования просветляющих покрытий. Размещают оптические линзы и одну контрольную оптическую линзу на одной и той же поверхности напыления в вакуумной камере напыления, содержащей взаимодействующее с указанной контрольной оптической линзой устройство непрерывного оптического контроля и источник с композицией для просветляющего покрытия. Сначала напыляют слой композиции с высоким коэффициентом преломления, представляющей собой смесь оксидов церия и титана с долей оксида церия меньше, чем приблизительно 25% общей массы композиции. Затем напыляют слой с низким коэффициентом преломления, содержащий оксид кремния, например смесь оксидов кремния и алюминия с долей оксида алюминия меньше, чем приблизительно 10% общей массы композиции. Посредством устройства непрерывного оптического контроля определяют момент достижения требуемой оптической толщины просветляющего покрытия и осуществляют регулирование луча света таким образом, чтобы соотношение интенсивностей синей, зеленой и красной компонент отраженного света обеспечивало практически белое отражение. Получают оптические изделия с покрытием, имеющим малую отражательную способность, практически не окрашивающим отраженный свет и обладающим малыми внутренними напряжениями. 6 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к имеющим малые внутренние напряжения и малую остаточную отражающую способность многослойным просветляющим покрытиям для оптических линз, в частности к композициям для формирования просветляющих покрытий с высоким коэффициентом преломления, к композициям для формирования просветляющих покрытий с низким коэффициентом преломления и к способам изготовления оптических линз, предпочтительно с использованием указанных композиций, с помощью обычных камер для напыления в вакууме, снабженных оптическим устройством непрерывного контроля оптических свойств просветляющего покрытия, и может быть использовано в оптическом приборостроении.

В оптическом приборостроении хорошо известно, что отражение света от стеклянных и других поверхностей нежелательно и способно создавать неудобства для наблюдателя. Отраженный свет способен, наряду с прочими нежелательными эффектами, делать изображение неясным или сбивать с толку наблюдателя. Это особенно существенно для оптических линз, и для ослабления отражения света от их поверхностей были разработаны различные способы и композиции.

Сегодня в оптическом приборостроении известно большое количество просветляющих покрытий (ПП), основным назначением которых является поддержание остаточной отражающей способности на сравнительно низком уровне во всем видимом спектре. Одиночные и двухслойные покрытия обеспечивают значительное улучшение, но остаточное отражение от них все же превышает желательный уровень, и в оптическом приборостроении стали использовать ПП из трех и более слоев.

Как правило, оптическая толщина каждого из наносимых слоев контролируется с целью получения оптимального или максимального эффекта просветления, причем хорошо известно, что оптическая толщина слоя есть произведение реальной (геометрической) толщины на коэффициент преломления материала слоя. Обычно оптическую толщину слоя указывают в долях длины волны светового луча, для которого он предназначен. Часто в качестве расчетной принимают длину волны от 510 нанометров (нм) до 550 нм. Оптическая толщина слоя ПП может быть найдена с помощью следующей универсальной формулы:

Nada=Хλ,

где N - коэффициент преломления,

d - геометрическая толщина слоя,

λ - расчетная длина волны,

Х - число (обычно дробное), указывающее долю длины волны,

а - целое число, указывающее номер соответствующего слоя, тем меньший, чем ближе этот слой к поверхности линзы.

Как правило, величину Х принимают равной 0,25, что соответствует оптической толщине, равной четверти длины волны.

Как сейчас известно специалистам, в ходе нанесения просветляющего покрытия оптическая толщина каждого слоя может регулироваться для достижения заданного результата на подложках с разными относительными коэффициентами преломления.

При нанесении покрытия наносимый слой демонстрирует максимальный уровень интерференции через каждую четверть длины волны (λ/4) света, используемого при измерениях толщины. Поэтому обычно толщиной оптических слоев просветляющих покрытий управляют в процессе нанесения, используя тот факт, что оптическая толщина кратна 0,25.

Хотя в последующем тексте для удобства описываются только поликарбонатные линзы, следует понимать, что изобретение равным образом относится к линзам, изготовленным и из других материалов, - полиуретана, акриловых стекол, CR-39 и т.п. Напряжения в линзах из поликарбоната вызывают двойное лучепреломление и оптические искажения. Хотя и не видные в обычных условиях, они становятся очевидными, если расположить поликарбонат между двумя поляризованными пленками, и это одна из причин, почему линзы из поликарбоната считаются оптически менее качественными, чем линзы из стекла, CR-39 и подобных им материалов. Новые поликарбонатные линзы, разработанные фирмой Optima (торговое наименование Resolution®), свободны от этих напряжений и двойного лучепреломления, поэтому современные способы создания просветляющих покрытий с присущими им внутренними напряжениями оказались серьезной проблемой для изготовителей таких линз.

Кроме того, современные просветляющие покрытия имеют зеленое остаточное отражение, интенсивность которого лежит между 0,75% и 1,5%. Это зеленое отражение неприятно эстетически и, кроме того, действует как зеленый светофильтр, снижающий интенсивность зеленого света, воспринимаемого глазом человека. Как с точки зрения характеристик покрытия, так и с эстетической точки зрения было бы намного лучше, если бы покрытие имело меньший коэффициент отражения, не создавало эффекта фильтра и, предпочтительно, отражало только белый свет.

Современные способы проектирования и изготовления просветляющих покрытий хорошо известны в оптической промышленности, и, как правило, остаточное окрашивание допускается ради серьезного упрощения и удешевления производства. В современном производстве для контроля физической толщины отдельных слоев, необходимых для создания просветляющего покрытия, используется прибор Quartz Crystal Monitor. Современные стандарты предусматривают нанесение четырехслойного покрытия по схеме HLHL, где Н соответствует слою диэлектрика с высоким коэффициентом преломления, выбранного именно за сравнительно высокий коэффициент преломления, a L - слою диэлектрика с низким коэффициентом преломления, тоже выбранного именно за сравнительно низкий коэффициент преломления. Обычно толщина каждого из слоев соответствует четверти длины волны в выбранном материале с высоким или низким коэффициентом преломления. В число материалов с низким коэффициентом преломления входят SiO2 и MgF2. В число материалов с высоким коэффициентом преломления входит группа оксидов следующих веществ: Zr, Hf, Та, Ti, Sb, Y, Се и Yb. Этот список не является исчерпывающим, но входящие в него вещества сегодня используются наиболее часто.

Многие современные просветляющие покрытия содержат адгезивный слой, буферный слой, слой, стойкий к абразивному износу, и внешний гидрофобный слой. Все эти слои используются для улучшения потребительских свойств изделия, но очень мало сказываются на оптических характеристиках просветляющего покрытия.

Еще одна проблема изготовления просветляющих покрытий состоит в том, что материалы как с высокими, так и с низкими коэффициентами преломления создают в пленках просветляющего покрытия напряжения растяжения и сжатия. Однако при современном уровне производства просветляющих покрытий на напряжения в самих покрытиях, как правило, не обращают внимания. Это объясняется тем, что линзы, присутствующие на современном рынке, особенно поликарбонатные линзы, имеют столь большие собственные внутренние напряжения, что дополнительные напряжения, создаваемые просветляющими покрытиями, не считаются заслуживающими внимания. Это одна из причин, из-за которой при современных технологиях стремятся сократить общее число используемых слоев. Как правило, материалы с низкими коэффициентами преломления, например кремний, создают напряжения растяжения, в 5 раз превышающие напряжения сжатия, создаваемые материалами с высокими коэффициентами преломления. Если из-за добавочных слоев покрытие становится слишком толстым, различие в напряжениях в слоях с низкими и с высокими коэффициентами напряжения может оказаться достаточным для расслоения пленки просветляющего покрытия от линзы и даже для создания нежелательных оптических эффектов.

Другая причина, по которой при современных технологиях стремятся сократить число используемых слоев, заключается в том, что прибор Quartz Crystal Monitor способен измерять только физическую толщину наносимого материала. А просветляющие покрытия создаются ради их оптических характеристик, очень сильно зависящих от коэффициентов преломления используемых материалов. Но и сами эти коэффициенты могут изменяться при изменении таких условий нанесения покрытия, как содержание доступного О2, скорость и температура напыления. Зеленое отражение, оставляемое у покрытий обычной технологией, великолепно скрывает эти недостатки, а высокий максимум отражательной способности в очень широкой полосе зеленой части видимого спектра может смещаться в ходе изготовления и оставаться незаметным для всех, кроме хорошо обученных профессионалов.

Для получения просветляющего покрытия с достаточно низким и не окрашенным (белым) остаточным отражением изготовителю обычно приходится наносить несколько различных добавочных слоев просветляющего покрытия. Дополнительная толщина, образованная этими слоями, становится причиной роста напряжений, которые могут привести к отслоению просветляющего покрытия, и изготовитель линз вынужден решать эти противоречивые проблемы одновременно.

Техническим результатом, получение которого обеспечвается данным изобретением, является повышение надежности и качества оптических изделий.

Учитывая проблемы и недостатки современной технологии, изобретение имеет своей целью предложить композицию для изготовления просветляющих покрытий с высоким коэффициентом преломления для оптических линз и иных оптических изделий.

Другой целью настоящего изобретения является создание композиции для изготовления просветляющих покрытий с низким коэффициентом преломления для оптических линз и иных оптических изделий.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа изготовления оптических линз или иных оптических изделий с просветляющими покрытиями с использованием указанных выше композиций.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа изготовления оптических линз с просветляющими покрытиями с использованием оптического устройства непрерывного контроля для получения желаемого просветляющего покрытия оптических линз или иных оптических изделий.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание такого способа нанесения на оптические линзы и иные оптические изделия просветляющих покрытий, чтобы эти покрытия имели малую отражательную способность, практически не окрашивали отраженный свет и обладали малыми внутренними напряжениями.

Дальнейшей целью настоящего изобретения является получение оптических линз и иных оптических изделий, изготовленных с применением изложенных в настоящем изобретении способов.

Некоторые другие цели и преимущества настоящего изобретения будут частью очевидны, а частью станут понятны из дальнейшего описания.

Перечисленные выше и иные цели и преимущества, понятные специалистам в этой области, достигаются в настоящем изобретении, которое в своем первом аспекте ориентировано на создание композиции для нанесения на оптические линзы просветляющего покрытия с высоким коэффициентом преломления, состоящей из смеси оксидов церия и титана, причем доля оксида церия в композиции не превышает приблизительно 25% по массе.

В другом своем аспекте настоящее изобретение предлагает композицию для нанесения на оптические линзы просветляющего покрытия с низким коэффициентом преломления, состоящую из смеси оксидов кремния и алюминия, причем доля оксида алюминия в композиции меньше, чем примерно 10% по массе.

Еще в одном аспекте настоящего изобретения предложен способ изготовления оптических линз с просветляющим покрытием, состоящий из следующих стадий:

- подготовка одной или более оптических линз и одной контрольной оптической линзы;

- размещение этих оптических линз и одной контрольной оптической линзы на одной и той же поверхности напыления в камере напыления в вакууме, снабженной устройством непрерывного оптического контроля, которое взаимодействует с указанной контрольной оптической линзой;

- обеспечение камеры по меньшей мере одним источником с композицией для просветляющего покрытия с высоким коэффициентом преломления и по меньшей мере одним источником с композицией для просветляющего покрытия с низким коэффициентом преломления;

- напыление на линзы слоя композиции с высоким коэффициентом преломления, длящееся до тех пор, пока устройство оптического контроля не покажет, что желаемая оптическая толщина достигнута;

- напыление на линзы слоя композиции с низким коэффициентом преломления, длящееся до тех пор, пока устройство оптического контроля не покажет, что желаемая оптическая толщина достигнута; и

- повторение стадий напыления слоев просветляющего покрытия до тех пор, пока не образуется желаемое просветляющее покрытие;

при этом устройство оптического контроля снабжено устройством, позволяющим направлять внутрь камеры на контрольную оптическую линзу попеременно включаемый и выключаемый луч света, измерять количество света, отразившегося от этой контрольной линзы при данной длине волны, и на основе этих измерений определять момент достижения желаемой оптической толщины покрытия.

В другом аспекте настоящего изобретения предложен способ изготовления оптических линз с просветляющим покрытием, состоящий из следующих стадий:

- подготовка одной оптической линзы;

- размещение этой линзы в вакуумной камере аппарата для напыления в вакууме;

- обеспечение вакуумной камеры по меньшей мере одним источником с композицией для просветляющего покрытия с высоким коэффициентом преломления и по меньшей мере одним источником с композицией для просветляющего покрытия с низким коэффициентом преломления, причем одна из композиций с высоким коэффициентом преломления представляет собой смесь оксидов церия и титана, а один из материалов с низким коэффициентом преломления содержит SiO2;

- напыление на линзу слоя композиции с высоким коэффициентом преломления до тех пор, пока не будет достигнута желаемая оптическая толщина покрытия;

- напыление на линзу слоя композиции с низким коэффициентом преломления до тех пор, пока не будет достигнута желаемая оптическая толщина покрытия; и

- повторение стадий напыления слоев просветляющего покрытия до тех пор, пока желаемое просветляющее покрытие не будет нанесено полностью.

В другом аспекте настоящего изобретения предложен способ изготовления оптических линз с просветляющим покрытием, состоящий из следующих стадий:

- подготовка одной оптической линзы;

- размещение этой линзы в вакуумной камере аппарата для напыления в вакууме;

- обеспечение камеры по меньшей мере одним источником с композицией для просветляющего покрытия с высоким коэффициентом преломления и по меньшей мере одним источником с композицией для просветляющего покрытия с низким коэффициентом преломления;

- напыление на линзу слоя композиции с высоким коэффициентом преломления до тех пор, пока не будет достигнута желаемая оптическая толщина покрытия;

- напыление на линзу слоя композиции с низким коэффициентом преломления до тех пор, пока не будет достигнута желаемая оптическая толщина покрытия; и

- повторение стадий напыления слоев просветляющего покрытия до тех пор, пока желаемое просветляющее покрытие не будет нанесено полностью,

при условии, что отражающийся от просветляющего покрытия луч регулируется таким образом, чтобы отношение интенсивности синей компоненты отраженного света к интенсивности зеленой и красной компонент обеспечивало получение практически белого отражения.

В связи с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается корректировать оптическую толщину слоев наносимого просветляющего покрытия, если необходимо минимизировать разницу в напряжениях растяжения и сжатия смежных слоев.

Еще один аспект настоящего изобретения предлагает оптические линзы и иные оптические изделия, изготовленные описанными выше способами.

Краткое описание чертежей

Полагаемые новыми основные признаки настоящего изобретения и характеристики его отдельных элементов подробно изложены в разделе "Формула изобретения". Фигуры, иллюстрирующие изобретение, выполнены не в масштабе и служат только для иллюстрации. Однако сущность настоящего изобретения как в части операций, так и в отношении способов действия легче понять, опираясь на подробное описание прилагаемых фигур, в числе которых:

фиг.1 представляет собой схематическое изображение традиционной вакуумной камеры для напыления покрытий на подложки вместе с соответствующим настоящему изобретению прибором оптического контроля;

фиг.2 представляет собой пример линзы с просветляющим покрытием, изготовленным с применением композиций и способов согласно настоящему изобретению;

фиг.3 представляет собой графики, демонстрирующие зависимость коэффициента отражения (в процентах) от длины волны у просветляющего покрытия, изготовленного обычным способом, и у просветляющего покрытия, изготовленного в соответствии с настоящим изобретением.

Способы реализации изобретения

При описании предпочтительных способов реализации настоящего изобретения мы будем ссылаться на фиг.1-3, где одинаковые цифры соответствуют одинаковым деталям изобретения. На этих фигурах детали настоящего изобретения изображены без обязательного соблюдения масштаба.

Заявители изобрели композиции для изготовления просветляющих покрытий с коэффициентами преломления, лежащими как в диапазоне низких, так и в диапазоне высоких значений, что позволяет управлять нанесением просветляющих покрытий с учетом величин остаточного отражения и внутренних напряжений. Это позволяет существенно увеличить число просветляющих слоев, если это необходимо для обеспечения желаемых оптических свойств линзы.

Заявители также используют оптическое измерительное устройство для контроля оптической толщины и скорости напыления материалов. Указанное оптическое устройство использует специальное контрольное стекло, получающее напыляемый материал одновременно с линзами. Измеряя оптические свойства покрытия прямо в ходе процесса напыления, можно своевременно корректировать мелкие отклонения величины коэффициента преломления и точно прекращать напыление очередного слоя при получении требуемой оптической толщины. Это очень важно, поскольку любая ошибка, допущенная в одном из слоев, способна нарушить согласование всех последующих слоев. В этом смысле оптически корректный измерительный прибор может помочь внести, если потребуется, небольшие поправки в последующие слои.

Конечной целью изобретения заявителей является эстетически приятное покрытие с малым нежелательным остаточным окрашиванием, низкой отражающей способностью и минимальными внутренними напряжениями.

Хотя настоящее изобретение описывается применительно к конкретному воплощению, специалисты поймут, что в нем возможны некоторые изменения, не отклоняющиеся от духа настоящего изобретения и не выходящие за пределы его объема, указанного в разделе "Формула изобретения". Хотя описанное просветляющее покрытие было специально разработано для поликарбонатных линз, описанная техника может быть применена к любым материалам для линз как органическим, так и неорганическим, включая стекло, CR-39, и к линзам с коэффициентами преломления в диапазоне от 1,40 до более чем 1,90.

Обратимся к фиг.1, где числом 10 обозначена - как единое целое - обычная вакуумная камера для напыления просветляющих покрытий на линзы, снабженная оптическим устройством непрерывного контроля, обозначенным - как единое целое - числом 30.

Могут использоваться любые обычные аппараты для напыления в вакууме, примером которых могут служить аппараты, описанные во включенных сюда для справки патентах США под номерами 3695910; 5026469 и 5124019.

Указанная вакуумная камера 10 включает в себя камеру 11, в верхней части которой есть прозрачный участок 18. Внутри вакуумной камеры размещены контейнеры 12а, 12b, 12с и 12d, предназначенные для материалов покрытий 13а, 13b, 13с и 13d соответственно. Специалистам понятно, что количество контейнеров и материалов для покрытий может изменяться в зависимости от желаемого просветляющего покрытия, которое должно быть нанесено на поверхность линзы.

На фиг.1 показана электронная пушка 14, которая предназначена для создания потока электронов, направляемого в различные контейнеры для испарения содержащихся в них материалов. В зависимости от материала, подлежащего испарению, соответствующий контейнер перемещается в положение, в котором испущенные электронной пушкой электроны направляются на контейнер и материал. Материал испаряется и, как показано стрелками, распространяется по всей камере. На фиг.1 показан выпуклый держатель подложек 15 (обычно в форме купола), благодаря чему испарившийся материал равномерно распределяется по поверхностям всех подложек. Для еще более равномерного распределения испаренного материала обычно используются выравнивающие экраны. На фиг.1 показаны четыре подложки 16а-16d. Как правило, на куполе располагают 75-140 подложек. Контрольную подложку 17 помещают в центр держателя 15, и она покрывается тем же материалом и с той же скоростью, как и все остальные подложки 16, расположенные на держателе 15. Вход 32 обычно используют для газов, например кислорода (О2), применяемого с целью получения оксидов для некоторых просветляющих покрытий.

При работе необходимый контейнер с материалом покрытия перемещают в определенное положение внутри вакуумной камеры и активизируют электронную пушку, чтобы направить электроны в контейнер и испарить материал покрытия. Материал испаряется и оседает на всех подложках 16, поддерживаемых держателем подложек 15. Одновременно покрывается и контрольная подложка 17. Сам процесс напыления и вакуумная камера обычны и хорошо известны в отрасли, что иллюстрируют упомянутые выше патенты. Вакуумное напыление является предпочтительным, но могут использоваться и другие способы, например распыление.

В процессе нанесения покрытия желательно использовать оптическое измерительное устройство и интенсивный луч света 20, создаваемый источником света 19. Световой луч 20 проходит через модулятор света 21, который попеременно включает и выключает свет, формируя прерывистый луч 22. Последовательность состояний луча 22 синхронизирована с фотодетектором 29, расположенным в конце тракта оптического прибора. Это важно, поскольку в периоды затемнения луча фотодетектор 29 продолжает получать заметное количество постороннего света. Фотодетектор запрограммирован так, что полученный им в периоды затемнения сигнал считается помехой и вычитается из сигнала, принимаемого при включенном луче. Этим обеспечивается, что прибор измеряет именно тот свет, который подлежит измерению.

Прерывистый луч света 22 проходит также через фокусирующую линзу 21 и затем направляется на зеркало 23, имеющее высокую отражательную способность. Отражательное зеркало 23 изменяет направление падающего луча и как отраженный луч 24 посылает его в сторону прозрачного участка камеры 18 и контрольной подложки 17, расположенной внутри камеры. Как указывалось ранее, контрольная подложка 17 находится на той же криволинейной поверхности, что и все остальные подложки 16, подлежащие нанесению покрытия. Этим обеспечивается, что в ходе реального процесса нанесения просветляющего покрытия контрольная подложка 17 получает точно такое же просветляющее покрытие из того же материала, как и любая из одновременно покрываемых подложек.

Когда отраженный луч 24 попадает на контрольную подложку 17, большая часть света проходит сквозь нее. Только примерно 5% света отражается от задней поверхности подложки и 5% отражается от ее передней поверхности. Предпочтительно, чтобы луч входил в камеру под небольшим углом, с тем, чтобы световые лучи, отразившиеся от передней и задней поверхностей контрольного стекла, возвращались под несколько различными углами. Это важно, поскольку измерению подлежит только луч, отразившийся от передней поверхности контрольной подложки. Этот луч, отразившийся от передней поверхности, изображен как второй отраженный луч 25. Луч, отразившийся от задней поверхности, не показан.

Те 5% исходного луча, которые отразились от передней поверхности как обратный луч 25, выходят из камеры через прозрачный участок 18, попадают на второе отражающее зеркало 26 и направляются в сторону фотодетектора 29. Но прежде чем попасть на фотодетектор 29, луч 25 проходит через селективный светофильтр 27, выполненный так, что он пропускает свет только с определенной длиной волны. Этот луч света с определенной длиной волны попадает в фотодетектор 29 как луч 28.

Предлагаемый согласно настоящему изобретению способ обеспечивает получение оптического покрытия, которое является точным для света с определенной желательной длиной волны. Поэтому для расчета и создания оптических покрытий толщина просветляющих покрытий должна быть рассчитана применительно к конкретным длинам волн. Светофильтр 27 подбирается так, что он пропускает только частоту излучения, выбранную конструктором при расчете просветляющего покрытия. Обычно ей соответствует длина волны от 480 до 530 нм.

Интенсивность достигшего фотодетектора 29 света с определенной длиной волны измеряется после усиления в фотоумножителе, обеспечивающего получение более точного и разборчивого сигнала. Благодаря использованию микропроцессоров и аналого-цифровых преобразователей с высоким разрешением фотодетектор способен обнаруживать очень малые, порядка 0,01%, изменения интенсивности света. Фотодетектор 29 посылает данные об интенсивности света в систему управления испарителем 31, которая использует эту информацию для определения оптической толщины каждого из наносимых слоев и для прекращения испарения наносимого материала, когда слой с заданной оптической толщиной оказывается нанесенным на линзы. Следует отметить, что благодаря тому, что оптический прибор 30 воспринимает изменения оптических свойств покрытия непосредственно в ходе его нанесения, т.е. именно тогда, когда эти изменения происходят в действительности, оптический контроль оказывается столь точным. Оптический прибор 30 позволяет также вносить небольшие поправки при изменениях коэффициентов преломления в ходе нанесения покрытия. Стоит по достоинству оценить тот факт, что оптический прибор 30 реагирует именно на оптические характеристики покрытия, а не на физическую толщину материала, нанесенного на поверхность подложки.

Как было сказано выше, напряжения в просветляющих покрытиях могут также регулироваться с целью изменения оптической толщины покрытий для минимизации разницы между величиной напряжений растяжения и сжатия в слоях. Как правило, изменения оптической толщины делают шагами по 0,5λ, поскольку они не приводят к существенным изменениям оптических характеристик.

На фиг.2 представлено просветляющее покрытие согласно настоящему изобретению, нанесенное на подложку в виде линзы, причем все покрытие начинается на подложке и наносится слой за слоем, удаляясь от нее как при проектировании, так и в реальном процессе изготовления. В качестве подложки изображена свободная от внутренних напряжений поликарбонатная линза. Эта линза изготовлена с использованием запатентованного процесса, каким является процесс, описанный в патенте США №6042754, права на который принадлежат правообладателям [O.N.1] настоящего изобретения. Хотя предлагаемый процесс описывается применительно к этой конкретной линзе, он может быть использован для линз из любого материала с коэффициентом преломления от 1,40 до 1,90 или более, с изменениями в толщине слоев просветляющего покрытия, необходимыми для компенсации изменения коэффициента преломления материала линзы. Все измерения толщины выполняются в единицах, называемых ЧВОТ (Четвертьволновая оптическая толщина - 0,25λ). Длина волны, используемая в расчетных формулах и в ходе реального процесса производства, лежит в диапазоне между 470 нм и 580 нм. Как указано в настоящей заявке, толщины слоев просветляющего покрытия рассчитываются так, чтобы получить заданные соотношения интенсивностей синего, зеленого и красного света в световом потоке, отраженном от покрытия оптической линзы. Синий устанавливается как 37,16%, зеленый - как 28.57%, а красный - как 34,27%. Следует понимать, что расчетные значения оптических толщин могут в определенной степени корректироваться для согласования с технологическими требованиями.

На фиг.2 показаны следующие детали устройства линзы:

подложка 51 - поликарбонатная линза с коэффициентом преломления около 1,59;

грунт 52 - грунт наносится на линзу для более надежной адгезии к твердому покрытию. Толщина его составляет примерно от 0,5 до 1,0 микрон. Коэффициент преломления составляет 1,50;

твердый слой 53 - термически полимеризующийся материал на основе полисилоксана с толщиной между 3,5 и 5,0 микрон. Коэффициент преломления составляет 1,49;

L1 54 - материал с низким (как у SiO2) коэффициентом преломления. Толщина примерно составляет 1,79-1,9 ЧВОТ. Коэффициент преломления составляет приблизительно 1,45-1,5;

Н1 55 - материал с высоким коэффициентом преломления согласно настоящему изобретению. Имеет малые внутренние напряжения и увеличенный коэффициент преломления. Толщина составляет примерно 0,1-0,25 ЧВОТ, коэффициент преломления составляет приблизительно 2,04-2,30;

L2 56 - тот же материал, что L1, толщина составляет примерно 0,10-0,25 ЧВОТ;

Н2 57 - тот же материал, что Н1, толщина составляет примерно 1,00-1,25 ЧВОТ;

L3 58 - тот же материал, что L1, толщина составляет примерно 0,01-0,1ЧВОТ;

Н3 59 - тот же материал, что L1, толщина составляет примерно 1,25-1,50 ЧВОТ;

М1 60 - материал с промежуточным значением коэффициента преломления, используемый для улучшения адгезии и повышения стойкости к царапинам; толщина составляет примерно 0,01-0,1 ЧВОТ;

L4 61 - тот же материал, что L1, толщина составляет примерно 1,75-2,00 ЧВОТ;

"Гидро" 62 - полисилоксановый материал, наносимый на внешнюю поверхность линзы, чтобы, сделав ее поверхность гладкой и скользкой, сделать ее более удобной для чистки. Толщина составляет примерно 0,01-0,25 ЧВОТ, коэффициент преломления составляет около 1,40-1,50.

Обнаружено, что линза имеет малые напряжения, низкую отражательную способность и слабое остаточное окрашивание, т.е. что отраженный от линзы свет практически бесцветен. Готовая линза имеет кривую, подобную кривой 70 на фиг.3.

Фиг.3 графически иллюстрирует разницу между просветляющим покрытием, изготовленным согласно настоящему изобретению, и доступной на современном рынке линзой с обычным просветляющим покрытием. График демонстрирует только оптические преимущества предлагаемого покрытия, но не его способность снизить напряжения. Кривая 70 соответствует остаточному отражению, создаваемому доступной на современном рынке линзой с обычным просветляющим покрытием. На кривой виден расположенный в зеленой части спектра пик 70а, создающий зеленое окрашивание остаточного отражения обычной линзы. Стоит отметить, что точки минимумов 70b и 70с соответствуют отражениям синего и красного цвета.

Как было указано выше, это коммерчески приемлемо, поскольку скрывает отклонения в толщине слоев покрытия, допущенные в ходе изготовления. Пик отражательной способности 70а (высшая точка на кривой) может быть смещен влево или вправо путем смещения влево или вправо всей кривой. В результате зеленый цвет остаточного отражения становится заметно синее или заметно желтее. Кроме того, в ходе нанесения просветляющего покрытия вся кривая может повернуться так, что минимум в правой части кривой увеличится до примерно 0,75%. В результате общее количество отраженного света резко возрастет. Другим результатом окажется отчетливо желтовато-зеленоватая окраска отражения.

Кривая 71 соответствует показанному на фиг.2 просветляющему покрытию согласно настоящему изобретению. Заметно, что суммарное остаточное отражение значительно ниже, чем у обычной кривой 70. Заметно и то, что кривая 71 дальше заходит в инфракрасную и ультрафиолетовую области видимого спектра (она шире). Это важное обстоятельство, поскольку все просветляющие покрытия линз склонны изменять цвет по мере того, как угол падения луча (угол между падающим лучом и поверхностью) все более отклоняется от прямого. Это видимое изменение цвета обусловлено тем, что при увеличении угла падения вся кривая смещается влево. Чем уже суммарная кривая, тем быстрее изменяется цвет. Кривая 71 значительно более широкая и не имеет цветных максимумов. При увеличении угла падения кривая начнет смещаться влево, но цвет будет оставаться неизменным до тех пор, пока угол падения не станет слишком крутым - вплоть до 45°.

В одном из аспектов изобретение заявителей направлено на приближение обычной кривой, обозначенной числом 70, к кривой белого отражения, обозначенной числом 71. Кривая белого отражения 71 содержит сочетание цветных составляющих, которое создает белое отражение, и не обладает преимущественным отражением зеленого цвета, которое демонстрирует обычная кривая 70.

Заявители обнаружили, что поддерживая определенные соотношения между синей, зеленой и красной составляющими отраженного от просветляющего покрытия света, можно получить обозначенную числом 71 кривую, которой соответствует практически не окрашенный свет. Известно, что применяя компьютерные программы для расчета толщины тонких пленок для оптических линз и задавая определенные оптические параметры, которые эти программы будут использовать при расчетах, можно найти толщину всех тонких пленок просветляющего покрытия. Но если, например, просто задать, что синяя, зеленая и красная составляющие должны быть одинаковыми, получится не белое отражение, а кривая, подобная кривой 70, с ее зеленым пиком и зеленым остаточным отражением.

Важной чертой изобретения заявителей является идея регулирования соотношения между пиками синей, зеленой и красной составляющих для получения белого отраженного света. Для получения белого цвета отражения нужно добиться определенного соотношения этих трех цветов. В общем, если высоты пиков задавать в процентах, синий пик должен находиться в пределах приблизительно от 34% до 40%, предпочтительно 36-38%, например 37%; зеленый пик - в пределах приблизительно от 24% до 32%, предпочтительно 26-30%, например 29%, а красный пик - в пределах приблизительно от 30% до 38%, предпочтительно 32-36%, например 34%. Когда эти соотношения вводятся в компьютерную программу вместе с такими оптическими данными, как коэффициенты преломления используемых веществ и таблицы зависимости коэффициентов преломления от оптической толщины, программа рассчитывает слои просветляющего покрытия, необходимые для обеспечения заданных значений синего, зеленого и красного пиков. Типичная компьютерная программа для расчета оптических покрытий, называющаяся "Essential MacLeod", Version V 8.6 1995-2003 (авторское право принадлежит Thin Film Center, Inc.), распространяется фирмой Thin Film Center, Inc. Для расчета толщины пленок, удовлетворяющих вышеуказанным соотношениям, могут использоваться и другие подобные программы. Следует отметить, что специалистам отрасли известны методы "ручного" расчета оптических толщин, удовлетворяющих указанным выше соотношениям. Типичный метод такого расчета описан в патенте США №4609267, включенном в настоящую заявку посредством ссылки, но могут применяться и иные известные методы расчета оптических толщин.

Для другого аспекта настоящего изобретения важно, чтобы просветляющие покрытия имели низкие внутренние напряжения, поскольку высокие напряжения могут вызывать оптические искажения и приводить к отслоению просветляющего покрытия. Было обнаружено, что при формировании пленок из материалов с высокими коэффициентами преломления и из материалов с низкими коэффициентами преломления у них получаются неодинаковые внутренние напряжения, поэтому характерной чертой настоящего изобретения является минимизация разницы в напряжениях слоев для получения просветляющего покрытия с малыми напряжениями.

Например, было обнаружено, что двуокись кремния, типичный материал с низким коэффициентом преломления, при нанесении создает напряжение растяжения. С другой стороны, материалы с высокими коэффициентами преломления при нанесении обычно создают напряжения сжатия. Однако было обнаружено, что эти напряжения сжатия, как правило, слабее напряжений растяжения в материалах с низкими коэффициентами преломления. Соответственно, это создает разницу напряжений сжатия и растяжения между слоями и может приводить к расслоениям и оптическим искажениям.

Поэтому важной чертой изобретения заявителей является регулировка, если необходимо, каждого из смежных слоев оптического покрытия с целью уравнивания этих напряжений сжатия и растяжения. Это обеспечивается, прежде всего, расчетом оптических толщин различных слоев, как было описано выше, задавая желательные пики отражения (отношения) для синего, зеленого и красного цветов. Когда оптические толщины и количество слоев просветляющего покрытия определены компьютерным расчетом, оптическая толщина каждого из слоев может быть изменена шагами по 0,5λ для балансировки (уравнивания) напряжений между слоями. Например, если слой с низким коэффициентом преломления имеет оптическую толщину 0,25λ и создает напряжение растяжения силой в 5 единиц, а прилегающий к нему слой с высоким коэффициентом преломления тоже имеет оптическую толщину 0,25λ, но создает напряжение сжатия силой всего в 1 единицу, предпочтительно увеличить оптическую толщину слоя с высоким коэффициентом преломления, чтобы таким способом увеличить силу сжатия, уравновешивая или минимизируя более высокое напряжение растяжения в предшествующем слое с низким коэффициентом преломления. В этом примере оптическая толщина слоя с высоким коэффициентом преломления может быть увеличена до 0,75λ или даже до 1,25λ, чтобы увеличенное напряжение сжатия приблизилось к напряжению растяжения в слое с низким коэффициентом преломления. Увеличение оптической толщины одного из слоев по сравнению с прилегающими слоями не окажет заметного влияния на отражение белого цвета от покрытой линзы, поскольку увеличение оптической толщины выполняют, как правило, шагами по 0,5λ.

Хотя настоящее изобретение было подробно описано применительно к конкретному предпочтительному воплощению, очевидно, что многие альтернативные варианты, изменения или модификации будут понятны специалистам отрасли в свете предыдущего описания. Поэтому подразумевается, что приведенные ниже пункты формулы изобретения охватывают все подобные альтернативные варианты, изменения и модификации как не отклоняющиеся от истинного духа и объема настоящего изобретения.

1. Способ изготовления оптических линз с просветляющим покрытием, включающий подготовку одной или более оптических линз и одной контрольной оптической линзы, размещение их на одной и той же поверхности напыления в вакуумной камере напыления, которая содержит взаимодействующее с указанной контрольной оптической линзой устройство непрерывного оптического контроля и источник с композицией для просветляющего покрытия, напыление на линзы слоев до достижения ими требуемой оптической толщины, определяемой показаниями устройства оптического контроля, отличающийся тем, что внутрь вакуумной камеры на контрольную оптическую линзу направляют попеременно включаемый и выключаемый луч света посредством устройства непрерывного оптического контроля и измеряют количество света, отразившегося от этой контрольной линзы при данной длине волны, и определяют момент достижения требуемой оптической толщины просветляющего покрытия на основе этих измерений, при этом в качестве источника с композицией для просветляющего покрытия используют по меньшей мере один источник с композицией с высоким коэффициентом преломления и по меньшей мере один источник с композицией для просветляющего покрытия с низким коэффициентом преломления, причем в качестве слоев, которые напыляют на линзы, сначала напыляют слой композиции с высоким коэффициентом преломления, затем слой с низким коэффициентом преломления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве композиции с высоким коэффициентом преломления используют смесь оксидов церия и титана с долей оксида церия меньше, чем приблизительно 25%, общей массы композиции.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве композиции с низким коэффициентом преломления используют смесь оксидов кремния и алюминия с долей оксида алюминия меньше, чем приблизительно 10%, общей массы композиции.

4. Способ изготовления оптических линз с просветляющим покрытием, включающий подготовку оптической линзы и контрольной линзы, размещение оптической линзы и контрольной линзы на одной и той же поверхности напыления в вакуумной камере напыления, которая содержит взаимодействующее с указанной контрольной оптической линзой устройство непрерывного оптического контроля и источник с композицией для просветляющего покрытия, напыление на линзы слоев композиции до достижения ими требуемой оптической толщины, определяемой показаниями устройства оптического контроля, отличающийся тем, что внутрь вакуумной камеры на контрольную оптическую линзу направляют попеременно включаемый и выключаемый луч света посредством устройства непрерывного оптического контроля и измеряют количество света, отразившегося от этой контрольной линзы при данной длине волны, и определяют момент достижения требуемой оптической толщины просветляющего покрытия на основе этих измерений, при этом в качестве источника с композицией для просветляющего покрытия используют по меньшей мере один источник с композицией с высоким коэффициентом преломления и по меньшей мере один источник с композицией для просветляющего покрытия с низким коэффициентом преломления, причем в качестве слоев, которые напыляют на линзы, сначала напыляют слой композиции с высоким коэффициентом преломления, затем слой с низким коэффициентом преломления, при этом одна из композиций с высоким коэффициентом преломления представляет собой смесь оксидов церия и титана, а один из материалов с низким коэффициентом преломления содержит оксид кремния.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют смесь оксидов церия и титана с долей оксида церия меньше, чем приблизительно 25%, общей массы композиции.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют смесь оксидов кремния и алюминия с долей оксида алюминия меньше, чем приблизительно 10%, общей массы композиции.

7. Способ изготовления оптических линз с просветляющим покрытием, включающий подготовку оптической линзы и контрольной линзы, размещение оптической линзы и контрольной линзы на одной и той же поверхности напыления в вакуумной камере напыления, которая содержит взаимодействующее с указанной контрольной линзой устройство непрерывного оптического контроля и источник с композицией для просветляющего покрытия, и напыление на линзу слоев композиции до достижения ими требуемой оптической толщины, определяемой показаниями устройства оптического контроля, отличающийся тем, что отражающийся от просветляющего покрытия, напыленного на контрольную линзу, луч регулируют посредством устройства оптического контроля таким образом, чтобы соотношение интенсивностей синей, зеленой и красной компонент отраженного света обеспечивало практически белое отражение, при этом в качестве источника с композицией для просветляющего покрытия используют по меньшей мере один источник с композицией с высоким коэффициентом преломления и по меньшей мере один источник с композицией с низким коэффициентом преломления, причем в качестве слоев, которые напыляют на линзу, сначала напыляют слой композиции с высоким коэффициентом преломления, затем слой с низким коэффициентом преломления, напыление слоев повторяют до достижения требуемой оптической толщины просветляющего покрытия.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что при регулировке отражающегося от просветляющего покрытия луча соотношение интенсивностей синего, зеленого и красного цветов, составляет соответственно приблизительно 34-40%, 24-32% и 30-38%.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что при регулировке отражающегося от просветляющего покрытия луча соотношение интенсивностей синего, зеленого и красного цветов составляет соответственно приблизительно 36-38%, 26-30% и 32-36%.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что проводят дополнительные стадии уточнения оптической толщины слоев просветляющего покрытия для минимизации различия между напряжениями растяжения и сжатия в слоях.

11. Оптическое изделие, отличающееся тем, что оно изготовлено способом по любому из пп.1-3.

12. Оптическое изделие, отличающееся тем, что оно изготовлено способом по любому из пп.4-6.

13. Оптическое изделие, отличающееся тем, что оно изготовлено способом по любому из пп.7-10.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технологии получения линз оптических систем современных оптических и оптоэлектронных приборов, работающих в видимой и ИК-области спектров, и может быть использовано при получении линз из лейкосапфира и других одноосных кристаллов.
Изобретение относится к области изготовления оптических элементов и может быть использовано в инфракрасной технике. .

Изобретение относится к технологии линз оптических систем современных оптических и оптоэлектронных приборов, работающих в видимой и ИК-областей спектров, и может быть использовано при получении линз из лейкосапфира, в частности, в сходящемся пучке лучей.

Изобретение относится к физике тонких пленок, а точнее к жидким пленкам, поверхностное натяжение которых чувствительно к их составу и к составу окружающей атмосферы.
Изобретение относится к оптическим материалам, конкретно к монокристаллам для видимого и инфракрасного (ИК) диапазона спектра, которые применяются для получения ИК-световодов, используемых в лазерной технике, ИК-волоконной и нелинейной оптике, низкотемпературной ИК-пирометрии, ИК-спектроскопии.

Изобретение относится к оптическим устройствам с изменяемыми оптическими параметрами и может быть использовано в производстве миниатюрных объективов с переменным фокусным расстоянием.

Изобретение относится к оптическим устройствам с изменяемыми оптическими параметрами и может быть использовано в производстве миниатюрных объективов с переменным фокусным расстоянием.

Изобретение относится к чувствительным к излучению композициям, изменяющим показатель преломления, позволяющим получить новую модель распределения показателя преломления, в частности оптический материал, используемый в области оптоэлектроники и устройствах отображения информации.

Изобретение относится к способу и устройству нанесения покрытий и может быть использовано в приборостроении, электронной промышленности и машиностроении. .

Изобретение относится к устройству для нанесения многослойных оптических покрытий и может быть использовано при изготовлении лазерной техники при создании просветляющих и отражающих покрытий на торцевых поверхностях полупроводниковых лазеров.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к обработке в вакууме поверхности металлических изделий путем воздействия на нее пучком ионов металлов, и может быть использовано в авиационной и газовой промышленности для поддержания оптимального сочетания элементного состава ионов и энергетического уровня воздействия при подготовке поверхности изделий, например компрессорных лопаток, к нанесению на них защитных покрытий, формировании модифицированного поверхностного слоя изделий, повышающего их эксплуатационные характеристики, а также проведении исследовательских работ в области ионно-плазменной технологии.

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано для нанесения защитных, упрочняющих и декоративных покрытий на внутренние поверхности изделий.

Изобретение относится к средствам наблюдения за процессом нанесения покрытий, в частности к устройству для контроля толщины покрытий в процессе нанесении их в вакууме, и может быть использовано в приборостроении, электронной промышленности и машиностроении для контроля толщины покрытий при нанесении их в вакууме.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к использованию электрического разряда для нагрева и химико-термической обработки изделий в электромагнитном поле индуктора.

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано для нанесения защитных, упрочняющих и декоративных покрытий на внутренние поверхности изделий.

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов, в частности к устройствам управления установок ионного азотирования. .

Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано в установках для изготовления приборов с селеновым покрытием, наносимым методом термического испарения или ионного распыления.

Изобретение относится к способам нанесения теплоотражающих покрытий на стекло напылением в вакууме. .

Изобретение относится к отражающим покрытиям для оптических линз, в частности к композициям для формирования просветляющих покрытий

Наверх