Способ нанесения просветляющего многослойного широкополосного покрытия на поверхность оптического стекла российский патент 2016 года по мпк c03c17/34 b08b11/04 g02b1/11

Реферат патента 2016 года СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПРОСВЕТЛЯЮЩЕГО МНОГОСЛОЙНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА

Изобретение относится к просветляющим покрытиям на оптическое стекло. Технический результат изобретения — снижение коэффициента отражения от поверхности стекла и повышение механической прочности просветляющего покрытия. Способ нанесения просветляющего многослойного широкополосного покрытия на поверхность оптического стекла включает расчет толщины слоев покрытия по табличным значениям показателей преломления; чистку органическими растворителями поверхности стекла, очистку тлеющим разрядом и термообработку подложки; прокаливание и обезгаживание пленкообразующих материалов; нанесение материалов неравнотолщинными слоями в вакуумной установке и контроль коэффициента пропускания подложки по образцу-свидетелю. Слои выполняют из чередующихся материалов со средним и высоким показателем преломления, а внешний слой — из материала с самым низким из них показателем преломления. На каждом слое производят сканирующее по спектру определение показателя преломления и его зависимости от длины волны с использованием акустооптического спектрофотометра и подключенной к его выходу ЭВМ. Сравнивают полученную зависимость с заданной и производят корректировку режимов напыления покрытия. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

3.3. Различные случаи падения и отражения света

Математическое описание прохождения полем границы раздела
двух сред имеет большое значение при проектировании оптических систем,
где встречается ряд практически важных частных случаев. Ниже рассматриваются
эти случаи, а также пример применения формул Френеля (параграф
3.2) при создании средств, уменьшающих потери света на отражение.

3.3.1. Нормальное падение

При нормальном падении .
Тогда
определяется так:       (3.3.1)

Исходя из выражения (),
получим :
      (3.3.2)

Если граница раздела сред – стекло-воздух, то ,
то есть при нормальном падении света на стекло отражается около 4% энергии.

3.3.2. Угол Брюстера

Из выражения ()
следует, что при
таком, что ,
параллельно
поляризованного света .
Следовательно, при определенном угле падения свет при параллельной поляризации
совсем не отражается, а отражается только ортогонально поляризованный
свет (рис.3.3.1).

Угол, при котором происходит
полная поляризация при отражении, называется углом Брюстера:

Рис.3.3.1. Угол Брюстера.

Можно наглядно показать различия зависимостей коэффициентов
отражения света от границы раздела двух сред для двух случаев поляризации.
Для этого строится график зависимости
и от угла
падения
(рис.3.3.2). Индекс
обозначает такое состояние поляризации света, при котором перпендикулярен плоскости падения (),
а – состояние
поляризации, при котором электрический вектор лежит в плоскости падения
(). График
показывает, что граница раздела двух сред оказывает наиболее сильное влияние
на поляризацию падающего света для углов падения, близких к углу Брюстера.
Это явление используется при создании специальных преобразователей светового
поля – поляризаторов.

Рис.3.3.2. График зависимости коэффициентов отражения
для TM и TE поляризованного света от угла падения.

3.3.3. Просветление оптики. Тонкие
пленки

При прохождении света через сложные оптические системы
с большим количеством оптических деталей на каждой поверхности теряется
около 4% света. В результате через систему может пройти всего 20% светового
потока. Применение тонкослойных пленок для ослабления френелевского отражения
называется просветлением оптики. Просветляющие покрытия могут уменьшить
отражение в 3-4 раза.

Принцип действия просветляющих покрытий основан на явлении
. На поверхность
оптической детали наносят тонкую пленку, которой меньше показателя преломления стекла .
Луч, отраженный от поверхности пленки, и луч, отраженный от границы пленка-стекло
. Можно подобрать
толщину пленки так, чтобы при интерференции они погасили бы друг друга,
усиливая, таким образом, проходящий свет (рис.3.3.3).

Рис.3.3.3. Просветление оптики.

Для этого, во-первых, амплитуды двух отраженных волн
должны быть равны ,
и, во-вторых, фазы ()
должны отличаться на половину периода, чтобы лучи погасили друг друга
( или ).
Для этого необходимо выполнение следующих условий:       (3.3.4)
      (3.3.5)

§ 49. Оператор по нанесению просветляющих и защитных покрытий 4-го разряда

Характеристика работ. Ведение процесса нанесения на станках
просветления одно-, двух- и трехслойных просветляющих покрытий на плоские и
сферические детали с размером большей стороны или диаметра свыше 10 до 50 мм с
отношением радиуса кривизны к диаметру свыше 0,5 до 0,8 или отношением длины
просветляемой поверхности к ширине свыше 3 до 4; на детали с размером большей
стороны или диаметра свыше 50 до 100 мм с отношением радиуса кривизны к
диаметру свыше 0,65 до 2 или с отношением просветляемой поверхности к ширине
свыше 2 до 4, на детали с размером большей стороны или диаметра свыше 100 мм с
отношением радиуса кривизны к диаметру свыше 0,5 или с отношением длины
просветляемой поверхности к ширине до 4. Просветление деталей с длиной волны до
450 и свыше 640 нанометров на станках. Определение коэффициента пропускания и
отражения света на приборах. Нанесение светоделительного слоя (титанирование) и
пленок на детали с размером большей стороны или диаметра свыше 100 мм с
кремневосковой защитой методом травления в кислотах. Защита просветляющей
пленки от механических, физико-химических и температурных воздействий путем
покрытия силиконовой пленкой. Контроль толщины пленочного покрытия на
рефлексометре. Нанесение методом окунания защитного покрытия из приготовленных
растворов диметилдиэтоксисилана и диметилдихлорсилана на оптические детали из
налетоопасных сортов стекол, а также на детали с ранее нанесенными покрытиями.
Приготовление ванны для воскирования, камер увлажнения и гидрофобизации.
Проверка качества просветляющих пленок. Нанесение на детали защитного покрытия
воска от влаги. Контроль качества защиты. Приготовление раствора уксуснокислой
ртути в метиловом спирте для нанесения защитной пленки из раствора
диметилдиэтоксисилана. Корректировка раствора в процессе работы.

Должен знать: наладку станков типов СП-15М, СП-15ОМ,
СП-300, СП-100 и приспособлений; виды, методы нанесения и проверку качества
защитных покрытий; основные законы отражения, преломления и интерференции
света; основные сведения о дисперсии света; устройство специальных печей для
сушки просветленных деталей; правила проверки толщины пленочного покрытия на
рефлексометре; классификацию стекол по химической устойчивости; обозначение и
назначение защитных покрытий из воска; пригодность рабочих растворов и ванны
воскирования; максимальный разрыв между операциями; влажность рабочего
помещения.

Текстурированные покрытия

Добиться уменьшения отражения можно с помощью текстурирования поверхности, то есть создания на ней массива из конусообразных рассеивателей или двумерных канавок размерами порядка половины длины волны. Такой способ был впервые обнаружен при изучении структуры глаза некоторых видов мотыльков. Наружная поверхность роговицы глаза таких мотыльков, играющая роль линзы, покрыта сетью конусообразных пупырышек, называемых роговичными сосками, обычно высотой не больше 300 нм и примерно таким же расстоянием между ними. Поскольку длина волны видимого света больше размера пупырышек, их оптические свойства могут описываться с помощью приближения эффективной среды. Согласно этому приближению, свет распространяется через них так же, как если бы он распространялся через среду с непрерывно меняющейся эффективной диэлектрической проницаемостью. Это в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента отражения, что позволяет мотылькам хорошо видеть в темноте, а также оставаться незамеченными для хищников вследствие уменьшения отражательной способности глаз.

Текстурированная поверхность обладает антиотражающими свойствами и в коротковолновом пределе, при длинах волн, много меньших характерного размера текстуры. Это связано с тем, что лучи, первоначально отразившиеся от текстурированной поверхности, имеют шанс всё же проникнуть в среду при последующих переотражениях. При этом текстурирование поверхности создаёт условия, при которых прошедший луч может отклониться от нормали, что ведет к эффекту запутывания прошедшего света (англ. — light trapping), используемому, например, в солнечных элементах.

В длинноволновом пределе (длины волны больше размера текстуры) для расчёта отражения можно использовать приближение эффективной среды, в коротковолновом пределе (длины волны меньше размера текстуры) для расчёта отражения можно использовать метод трассировки лучей.

В случае, когда длина волны сопоставима с размером текстуры, отражение можно рассчитать только путём численного решения уравнений Максвелла.

Антиотражающие свойства текстурированных покрытий хорошо изучены в литературе для широкого диапазона длин волн.

История

Эффект «просветления» оптики в результате естественного старения стекла был обнаружен случайно и независимо друг от друга фотографами в разных странах уже в начале XX-века. Было замечено, что объективы, находящиеся в эксплуатации несколько лет давали более четкое и контрастное изображение по сравнению с совершенно новыми аналогичных моделей. Теоретическое объяснение этому факту было найдено несколько позже — в начале 1920-х годов, опять таки, независимо друг от друга советскими, немецкими и американскими оптиками. Было установлено, что оптическое стекло некоторых сортов при контакте с влажным воздухом склонно к образованию на поверхности тонкой пленки окислов металлов, соли которых легируют стекло. Явление «просветления» было объяснено интерференцией света в тонких пленках. Достаточно быстро началось внедрение данного эффекта в производство линз. Первые технологии просветления фактически воспроизводили процесс естественного старения поверхности стекла путем травления. В Государственном оптическом институте был предложен и другой процесс — окисление продуктами сгорания этилена при избытке кислорода. Просветленные поверхности таких линз были чрезвычайно устойчивы к износу и действию воды. Для полевых биноклей и очковых линз подобная технология применялась до 1980-х годов. По мере развития технологий вакуумного напыления просветляющую пленку стали наносить как покрытие (в англоязычных источниках появился термин «Coated Lens»). Сначала это были неорганические материалы, но с 1970-х годов стали применяться органические пленки на основе высокомолекулярных соединений. Просветляющие покрытия стало возможно наносить в несколько слоев, повышая эффективность просветления не только в одном диапазоне длин волн, но и в широком спектре, что особенно актуально для цветной фотографии/киносъемки/видео. В СССР объективы с многослойным просветлением имели в обозначении буквы «МС» (например объектив «МС-Гелиос-44М»), в англоязычных источниках встречалась аналогичная аббревиатура «MC» на латинице (Multilayer Coating).

Многослойное просветление

Многослойное просветляющее покрытие представляет собой последовательность из не менее чем трёх чередующихся слоёв материалов с различными показателями преломления. Раннее считалось, что для видимой области спектра достаточно 3-4 слоёв. Современные многослойные просветляющие покрытия практически всех изготовителей имеют 6-8 слоёв и характеризуются низкими потерями на отражение во всей видимой области спектра. Основное преимущество многослойного просветления применительно к фотографической и наблюдательной оптике — незначительная зависимость отражательной способности от длины волны в пределах видимого спектра.

Отражения от поверхности линз с многослойным просветлением, вызванные отражением на спектральных границах просветлённой области, имеют различные оттенки зелёного и фиолетового цвета, вплоть до очень слабых серо-зеленоватых у объективов последних годов выпуска. Но это не есть показатель качества просветляющей системы.

Оптика с многослойным просветлением ранее маркировалась буквами МС — МногоСлойное, MultiCoating (например, МС Мир-47М 2,5/20) Как правило, аббревиатура «МС» подразумевала трёхслойное просветление. В настоящее время специальное обозначение многослойного просветления встречается редко, так как его использование стало стандартом. Иногда встречаются «фирменные» обозначения особых его разновидностей SMC (Super Multi Coating, Pentax), HMC (Hyper Multi Coating, Hoya), MRC (Multi-Resistant Coating, B+W), SSC (Super Spectra Coating, Canon), SIC (Super Integrated Coating), Nano (Nikon), EBC (Electron Beam Coating, Fujinon/Fujifilm), T* (Zeiss), «мультипросветление» (Leica), «ахроматическое покрытие» (Minolta), и другие.

В состав многослойного просветляющего покрытия, помимо собственно просветляющих слоёв, обычно входят вспомогательные слои — улучшающие сцепление со стеклом, защитные, гидрофобные и др.

Многослойное просветление

Многослойное просветляющее покрытие представляет собой последовательность из не менее чем трёх чередующихся слоёв материалов с различными показателями преломления. Раннее считалось, что для видимой области спектра достаточно 3-4 слоёв. Современные многослойные просветляющие покрытия практически всех изготовителей имеют 6-8 слоёв и характеризуются низкими потерями на отражение во всей видимой области спектра. Основное преимущество многослойного просветления применительно к фотографической и наблюдательной оптике — незначительная зависимость отражательной способности от длины волны в пределах видимого спектра.

Отражения от поверхности линз с многослойным просветлением, вызванные отражением на спектральных границах просветлённой области, имеют различные оттенки зелёного и фиолетового цвета, вплоть до очень слабых серо-зеленоватых у объективов последних годов выпуска. Но это не есть показатель качества просветляющей системы.

Оптика с многослойным просветлением ранее маркировалась буквами МС — МногоСлойное, MultiCoating (например, МС Мир-47М 2,5/20) Как правило, аббревиатура «МС» подразумевала трёхслойное просветление. В настоящее время специальное обозначение многослойного просветления встречается редко, так как его использование стало стандартом. Иногда встречаются «фирменные» обозначения особых его разновидностей SMC (Super Multi Coating, Pentax), HMC (Hyper Multi Coating, Hoya), MRC (Multi-Resistant Coating, B+W), SSC (Super Spectra Coating, Canon), SIC (Super Integrated Coating), Nano (Nikon), EBC (Electron Beam Coating, Fujinon/Fujifilm), T* (Zeiss), «мультипросветление» (Leica), «ахроматическое покрытие» (Minolta), и другие.

В состав многослойного просветляющего покрытия, помимо собственно просветляющих слоёв, обычно входят вспомогательные слои — улучшающие сцепление со стеклом, защитные, гидрофобные и др.

Как функционирует просветляющее покрытие?

В основе действия просветляющих покрытий лежит явление интерференции световых волн. Конструкция покрытия, то есть его толщина и показатели преломления слоев покрытия, подбирается таким образом, чтобы световые волны, отражающиеся от обеих его поверхностей, имели разность хода в половину длины волны; кроме того, эти волны должны быть одинаковыми по амплитуде и длине. В таком случае отраженные волны интерферируют и гасят друг друга. Правильно подобранное просветляющее покрытие резко уменьшает отражение от обеих поверхностей очковой линзы и увеличивает ее светопропускание.

История

Эффект «просветления» оптики в результате естественного старения стекла был обнаружен случайно и независимо друг от друга фотографами в разных странах уже в начале XX-века. Было замечено, что объективы, находящиеся в эксплуатации несколько лет давали более четкое и контрастное изображение по сравнению с совершенно новыми аналогичных моделей. Теоретическое объяснение этому факту было найдено несколько позже — в начале 1920-х годов, опять таки, независимо друг от друга советскими, немецкими и американскими оптиками. Было установлено, что оптическое стекло некоторых сортов при контакте с влажным воздухом склонно к образованию на поверхности тонкой пленки окислов металлов, соли которых легируют стекло. Явление «просветления» было объяснено интерференцией света в тонких пленках. Достаточно быстро началось внедрение данного эффекта в производство линз. Первые технологии просветления фактически воспроизводили процесс естественного старения поверхности стекла путем травления. В Государственном оптическом институте был предложен и другой процесс — окисление продуктами сгорания этилена при избытке кислорода. Просветленные поверхности таких линз были чрезвычайно устойчивы к износу и действию воды. Для полевых биноклей и очковых линз подобная технология применялась до 1980-х годов. По мере развития технологий вакуумного напыления просветляющую пленку стали наносить как покрытие (в англоязычных источниках появился термин «Coated Lens»). Сначала это были неорганические материалы, но с 1970-х годов стали применяться органические пленки на основе высокомолекулярных соединений. Просветляющие покрытия стало возможно наносить в несколько слоев, повышая эффективность просветления не только в одном диапазоне длин волн, но и в широком спектре, что особенно актуально для цветной фотографии/киносъемки/видео. В СССР объективы с многослойным просветлением имели в обозначении буквы «МС» (например объектив «МС-Гелиос-44М»), в англоязычных источниках встречалась аналогичная аббревиатура «MC» на латинице (Multilayer Coating).

Для чего наносят гидрофобное покрытие на очковые линзы?

Гидрофобное покрытие является самым последним слоем в структуре многофункционального покрытия. Оно контактирует с окружающей средой и защищает просветляющее покрытие от воды и грязи, а также облегчает его очистку. Благодаря входящим в его состав фторорганическим соединениям гидрофобное покрытие имеет очень низкий коэффициент трения, что облегчает удаление с его поверхности твердых частиц без образования царапин. Сегодня фторорганические покрытия применяются во многих отраслях промышленности, великолепно зарекомендовав себя благодаря высоким эксплуатационным характеристикам (как, например, тефлоновое покрытие).

Как правильно ухаживать за просветленными очковыми линзами?

Тот, кто приобретает очковые линзы с просветляющими покрытиями, должен быть готов к тому, что, как мы уже сказали, их придется очищать от загрязнений несколько раз в день. И это считают одним из недостатков просветленных очковых линз. Специалисты рекомендуют сначала промыть очки под струей воды (для удаления твердых частиц пыли), затем слегка просушить их безворсовой салфеткой, а после очистить, используя специальный спрей и салфетку. Протирать очковые линзы лучше всего микрофибровыми салфетками, которые сегодня есть в продаже в каждом оптическом салоне. Не рекомендуется применять для протирки бумажные салфетки и полотенца, так как в них могут содержаться волокна древесины, которые способны поцарапать покрытия при протирании/

Подготовлено Ольгой Щербаковой, Веко#2(66)

Чем отличаются очковые линзы с однослойными просветляющими покрытиями от очковых линз с многослойным просветлением?

Основное отличие – структура, то есть состав и количество слоев, что приводит к получению различной спектральной характеристики очковых линз. При однослойном просветлении достигаемое уменьшение коэффициента отражения не превышает 2%, большее количество просветляющих слоев обеспечивает более интенсивное снижение отражения в определенной области видимого спектра солнечного излучения, а специальное, более сложное широкополосное просветляющее покрытие позволяет снизить коэффициент отражения практически до 0,5% во всей видимой области спектра. Многослойное просветляющее покрытие состоит из различных по толщине чередующихся слоев материалов с высокими и низкими значениями показателя преломления.

Каковы недостатки очковых линз без просветляющих покрытий?

Вследствие потерь на отражение очковой линзы без покрытий уменьшают световой поток, достигающий глаз пользователя, на 8–16% – в зависимости от их коэффициента преломления. При ношении очковых линз без покрытий человек также сталкивается с проблемой паразитных изображений и мешающих отражений от задней поверхности очковой линзы. Паразитные изображения приводят к уменьшению четкости видения объектов и могут вызвать серьезные проблемы, особенно при вождении автомобиля в ночное время. Раздражающие отражения от задней поверхности возникают, когда источник света находится позади человека, в результате чего он может видеть отражение не только этого источника, но и собственного глаза и ресниц. В случае использования очковых линз с высоким показателем преломления и низким числом Аббе пользователь сталкивается с явлением хроматической аберрации, что выражается в появлении радужных или цветных изображений вокруг рассматриваемого предмета.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРОСВЕТЛЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ

При прохождении сквозь линзу свет частично отражается от ее поверхностей из-за разных коэффициентов преломления материала линзы и окружающей воздушной среды. Это приводит к возникновению мешающих отражений и снижению четкости восприятия изображения. Чем больше коэффициент преломления линзы, тем больше света отражается от ее поверхностей, а значит, тем меньше становится собственное светопропускание линзы.

При нанесении просветляющих покрытий отраженные световые волны интерферируют и гасят друг друга, что позволяет уменьшить отражение от обеих поверхностей линзы и увеличить ее светопропускание. Первые покрытия были однослойными и обеспечивали уменьшение отражения линз в узком диапазоне длин волн. Современные просветляющие покрытия являются многослойными и состоят из различных по толщине чередующихся слоев материалов с высокими и низкими значениями показателя преломления. Такая их структура позволяет уменьшить коэффициент отражения линз в более широкой области видимого спектра.

Похожие патенты RU2456710C1