СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПРОСВЕТЛЯЮЩЕГО МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА И УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 1999 года по МПК G02B1/11 

Изобретение относится к технологии изготовления оптических элементов и представляет собой способ нанесения просветляющего многослойного покрытия на поверхность оптического элемента, линз, призм, очковых стекол и т.п., а также установку для осуществления этого способа.

Известен способ получения просветляющих покрытий путем их послойного осаждения на поверхность элемента (см. например сб. Физика тонких пленок, том 5, М.Мир. 1972 г., стр.119-121). Как следует из этого способа, покрытие должно состоять как минимум из 3-х слоев.

Первый слой - с средним коэффициентом поглощения;
Второй слой - с высоким коэффициентом поглощения;
Третий слой - с низким коэффициентом поглощения.

При этом указано, что эти покрытия и слои предварительно расчитываются, а обязательным материалом внешнего слоя с низким коэффициентом поглощения является MgF₂. Этот материал требует подогрева подложки, что недопустимо для оптических элементов из пластика, т.к., если не греть подложку, указанный материал дает сетку мелких трещин.

Наиболее близким из известных по технической сущности и достигаемому результату является способ нанесения просветляющего покрытия (широкополостного многослойного) на поверхность оптического элемента путем поочередного вакуумного электронно-лучевого испарения оксидов и послойного их осаждения в вакууме при заданном числе проходов элемента через зону напыления (П.П. Яковлев и Б.Б.Мешков. Проектирование интерференционных покрытий. Москва, Машиностроение. 1987 г., стр.135-151).

В указанном источнике описана также установка для нанесения просветляющего многослойного покрытия, содержащая вакуумную камеру с устройством для регулирования величины вакуума, размещенные в камере электронно-лучевые испарители с устройством для регулирования величины тока.

Согласно известному способу многослойное просветляющее покрытие должно быть заранее рассчитано.

В расчет закаладываются показатели преломления слоев и с их учетом подбираются толщины слоев.

При реализации этих способов вакуумного напыления как показатели слоев, так и толщины слоев в многослойных покрытиях выбираются до начала процесса напыления, целенаправленным образом не изменяются, подвергаясь лишь случайным отклонениям при случайных же изменениях управляющих параметров процесса. Такой технологический процесс требует очень точного контроля за соблюдением заранее выбранных толщин слоев с заранее заданными коэффициентами преломления.

Однако на практике в процессе напыления точно выдержать оптические толщины слоев в многослойных покрытиях не удается из-за случайных отклонений параметров процесса. Кроме того, показатели преломления веществ могут случайным образом меняться из-за наличия примесей или морфологических изменений в процессе испарения напыляемых материалов, а также из-за неточности измерения температуры подложки в процессе ее циклического перемещения в камере.

Так, например, для оптического слоя SiO₂ коэффициент преломления может меняться от n -1,38 до n -1,47, для HfO₂ от n - 1,70 до n -1,90. Эти обстоятельства вынуждают применять для просветления очковой оптики многослойные покрытия из 4-5-ти слоев. При этом каждый из слоев напыляется за несколько проходов линзы в зоне напыления.

Кроме того, просветляющие покрытия на пластиковых линзах обладают низкой прочностью из-за низкой твердости подложки, ограниченности предварительного напева и ионной чистки. Поэтому в состав таких покрытий как правило входит твердый подслой толщиной 1 мкм. Современная технология электронно-лучевого напыления оптических слоев требует до 3-х часов только для нанесения подслоя.

Изобретательской задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение производительности процесса напыления при повышении качества напыляемых покрытий.

Указанная задача решается тем, что в способе нанесения просветляющего многослойного покрытия на поверхность оптического элемента, включающем электронно-лучевое испарение оксидов в вакууме и осаждение паров на поверхности оптического элемента в процессе многократного прохождения последнего через зону напыления, после каждого прохода оптического элемента через зону напыления производят сканирующее по определенной ширине спектра измерение коэффициента преломления, полученную зависимость коэффициента преломления от длины волны сравнивают с заданной и затем корректируют силу тока в нагревателях катода электронно-лучевых испарителей и/или скорость перемещения оптического элемента в зоне напыления, и/или величину вакуума для уменьшения несовпадений измеренной и заданной зависимостей коэффициента преломления от длины волны после следующего прохода.

Кроме того, в установке для осуществления указанного способа, содержащей вакуумную камеру с устройством для регулирования величины вакуума, размещенные в камере электронно-лучевые испарители с устройством для регулирования величины тока, устройство для крепления оптических элементов с регулируемым приводом для их вращения и блок контроля толщины покрытия, блок контроля толщины покрытия снабжен быстродействующим аккустооптическим спектрометром для измерения коэффициента преломления и подключенной к выходу последнего ЭВМ, выполненной с возможностью сопоставления измеренной зависимости коэффициента преломления от длины волны с заданной и выдачи корректирующих сигналов для уменьшения несовпадений измеренной и заданной зависимостей, причем выходы ЭВМ подключены к устройствам для регулирования тока электронно-лучевых испарителей, и/или величины вакуума, и/или скорости вращения привода для передачи соответствующих корректирующих сигналов.

На фиг. 1 представлена блок-схема установки для нанесения просветляющего многослойного покрытия по данному способу.

На фиг. 2 приведены результаты измерений коэффициента отражения R, а на фиг. 3 - коэффициента поглощения Т для покрытий, нанесенных на пластиковые очковые линзы CR-39.

Установка в серийном исполнении для осуществления известного способа состоит из откачного поста, предназначенного для размещения: вакуумной системы откачки, рабочей вакуумной камеры, основных и вспомогательных узлов, обеспечивающих размещение напыляемых деталей и проведение технологического цикла нанесения покрытий, вращение арматуры, ионную очистку деталей, нагрев деталей, испарение пленкообразующих материалов, контроль толщины покрытия заслонок, определяющих начало и окончание нанесения покрытий, размещение пневмо- и гидросистем, некоторых элементов электрооборудования и т.д.

Камера изготовлена из нержавеющей стали и оборудована экранами и гермоотводами, в ней установлены два электронно-лучевых испарителя, электрод ионной системы очистки, опорные ролики для арматуры, электромагнитная муфта привода вращения, фотометрические окна, нагрев и испарение материала осуществляется электронно-лучевыми пушками.

Кроме откачного поста, в состав установки входят пульты управления и источники электропитания для систем установки /всех/. Система контроля за процессом напыления просветляющих оптических покрытий не имеет систем анализа погрешностей оптических параметров (материалов, регулировок и т.д.) и работает после напыления каждого слоя в ручном режиме. Эта система не имеет выхода на органы управления установкой вакуумного напыления и не может быть использована для динамического управления процессом напыления. Таким образом, конструкция установки не позволяет контролировать коэффициент преломления в процессе напыления и вносить коррективы в процессе напыления в реальном масштабе времени.

На фиг.1 представлена схема установки для реализации способа. Установка базируется на описанной выше серийной установке и содержит вакуумную камеру 1, систему электронно-лучевых испарителей 2, блок 3 контроля толщины покрытий, технологическую оснастку 4 для крепления оптических элементов, систему управления 5 приводом вращения оптических элементов и системы регулирования 6 тока электронно-лучевых испарителей и величины вакуума в камере 1.

Установка оснащена сканирующей системой измерения коэффициента поглощения в виде быстродействующего аккустооптического спектрофотометра 7 и персональной ЭВМ (ПЭВМ) 8, причем ЭВМ 8 соединена со спектрофотометром 7 и системами 5 и 6 управления и регулирования кабельным пакетом 9.

Данный способ реализуется следующим образом:
Пластиковые линзы монтируются в технологической оснастке 4 и помещаются в камеру 1. которая герметизируется и откачивается сначала форвакуумным насосом до давления 10^-1 Па, а затем автоматически до 10^-3 Па диффузным насосом. В ПЭВМ вводится программа расчета конструкции просветляющего покрытия с визуальным изображением на экране дисплея монитора ПЭВМ расчетных спектральных характеристик слоев покрытия, показывающих динамику напыления первого слоя с шагом 1/n по толщине 1-го слоя (где n - число проходов). После выключения механизма вращения технологической оснастки и разогрева электронно-лучевого испарителя 2 с материалом 1-го слоя в тигле открывается заслонка тигля и материал покрытия осаждается на поверхности пластиковой линзы. Контроль за процессом осуществляется аккустооптическим спектрофотометром 7 на каждом проходе линзы через зону напыления при вращении оснастки. При совпадении расчетной спектральной кривой на экране дисплея ПЭВМ 8 с текущей (измеряется в пределах заданной точности) заслонка тигля автоматически закрывается. При несовпадении расчетных и измеряемых значений спектральной характеристики на каждом проходе производится программный анализ процесса и выбирается оптимальный по быстродействию и энергозатратам сценарий ликвидации несовпадения.

Управляющие воздействия ПЭВМ 8 передаются на механизмы управления вращением оснастки, механизм управления заслонкой тигля, механизм управления электронно-лучевыми испарением. По результатам измерения спектральных характеристик 1-го слоя при их совпадении с расчетными электронно-лучевой испаритель 1-го слоя выключается, его заслонка закрывается, а остальные параметры установки приводятся к своим расчетным значениям для напыления 2-го слоя. Далее все действия повторяются на каждом слое.

По окончании процесса напыления одной поверхности дается управляющая команда на переворот линз (без вскрытия камеры) и процесс повторяется сначала. После напыления обоих поверхностей установка отключается вручную при нажатии кнопки "АВТ.ОТК". При этом срабатывает автомат отключения агрегатов установки в заданной последовательности, точно также как и на серийной установке.

Таким образом, данный способ состоит из следующих операций:
1. Расчетное определение толщин слоев по табличным значениям коэффициентов преломления в соответствии с техническими требованиями к коэффициенту отражения всего покрытия в заданном диапазоне волн.

2. Включение системы 2 электронно-лучевых испарителей материала 1-го слоя.

3. Нанесение части толщины слоя за 1 проход.

4. Измерение оптических характеристик напыленного материала во всем требуемом диапазоне спектрофотометром 7.

5. Программная обработка измеренных значений в ПЭВМ 8 и выдача управляющего сигнала на управление (системы 5 и 6) установки вакуумного напыления.

6. Корректировка режима напыления, осуществляемая автоматически исполняемым механизмами установки вакуумного напыления в режиме с обратной связью.

7. Повторение позиций 3, 4, 5, 6 на каждом проходе до достижения контролируемых программно расчетных значений по всему слою.

8. Выдача управляющего сигнала на отключение системы 2 испарителей материала первого слоя и включение системы испарителей материала второго слоя.

9. Программная корректировка результатов расчетов по п.1 по результатам измерения и обработанных характеристик первого слоя.

10. Повторение п. 7.

11. Пересчет начальных расчетных данных и определение истинных показателей оптических характеристик покрытия и определение параметров корректирующего слоя для достижения совпадения заданных и полученных характеристик с требуемой точностью.

12. Повторение п.7.

13. Повторение п. 11.

Данный способ был опробован на серийной установке ВУ-2М, дооснащенной быстродействующим аккустооптическим спектрофотометром, в качестве спектрофотометра использовался выпускаемый промышленностью спектрофотометр (см. "Спектрофотометр аккустооптический AOS 3 S - 1. Паспорт и техническое описание. МП "Норма", Москва 1992, с. 3-6).

В результате корректировки процесса на каждом проходе линзы через зону напыления было нанесено четырех-пятислойное покрытие SiO₂+Al₂O₃+HfO₂ обеспечивающее суммарный коэффициент отражения поверхности не более 0,25% в диапазоне длин волн λ =420-680A. Испытания проводились по внутренним стандартам фирмы. Результаты измерений коэффициента отражения R и коэффициента поглощения Т приведены на фиг. 2 и фиг. 3 соответственно.

Механическая прочность покрытия определялась на устройстве типа машины трения в варианте "диск-колодка". В роли диска выступала напыленная поверхность линзы, а в роли колодки - абразивонаполненная правильная пирамидка /резиновая, со стороной 5 мм/. Усилие нажатия пирамидки к диску составило 59,0 Н.

Линза была закреплена на горизонтальном диске и вращалась со скоростью 120 об/мин. Пригодность линз определялась по отсутствию отслоения после кипячения в течении 30 минут в 2-процентном растворе соляной кислоты.

Количество линз не прошедших оптические испытания менее 0.25% от партии. Количество линз, не прошедших механические испытания, не превышало 0,27% и не прошедших адгезионные испытания 0,1%. В результате этих действий ни толщина покрытий и его слоев, ни его коэффициенты преломления не являются фиксированными, определенными заранее величинами. Задаются только их начальные значения, корректируемые в процессе напыления в реальном масштабе времени.

Таким образом, данное изобретение снимает ограничения по устойчивости световых характеристик покрытия, обеспечение которой требует как минимум трех компонентных покрытий из двух материалов без твердого подслоя.

При этом традиционно применяемый для напыления MgF₂ как материал с низким коэффициентом преломления (n = 1,3%) не является необходимым. Это упрощает процесс, т.к. напыление MgF₂ на ненагретую поверхность линзы (а ее нельзя греть свыше 100^oC) приводят к появлению сетки микротрещин в покрытии, устранить которую можно лишь применяя специальные технологические методы, как например ионное ассистирование, резко усложняющее процесс и удораживающее его.

Способ нанесения покрытия включает электронно-лучевое испарение материала покрытия в вакууме и осаждение паров на оптический элемент. После каждого прохода оптического элемента через зону напыления введенным в установку спектрофотометром измеряют зависимость коэффициента преломления от длины волны. Выход спектрофотометра соединен с ЭВМ. ЭВМ сравнивает измеренную зависимость коэффициента преломления от длины волны с заданной и выдает корректирующие сигналы для уменьшения несовпадений зависимостей. Для этого выходы ЭВМ подключены к устройствам для регулирования тока электронно-лучевых испарителей, и/или величины вакуума, и/или скорости вращения привода. Способ и установка обеспечивают повышение производительности процесса напыления при повышении качества напыляемых покрытий. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ нанесения просветляющего многослойного покрытия на поверхность оптического элемента, включающий электронно-лучевое испарение материала покрытия в вакууме и осаждение паров на поверхности оптического элемента в процессе многократного прохождения последнего через зону напыления, отличающийся тем, что после каждого прохода оптического элемента через зону напыления производят сканирующее по определенной ширине спектра определение коэффициента преломления, полученную зависимость коэффициента преломления от длины волны сравнивают с заданной и затем корректируют силу тока в нагревателях катода электронно-лучевых испарителей, и/или скорость перемещения оптического элемента в зоне напыления, и/или величину вакуума для уменьшения несовпадений измеренной и заданной зависимостей коэффициента преломления от длины волны после следующего прохода. 2. Установка для нанесения просветляющего многослойного покрытия, содержащая вакуумную камеру с устройством для регулирования величины вакуума, размещенные в камере электронно-лучевые испарители с устройством для регулирования величины тока, устройство для крепления оптических элементов с устройством для регулирования скорости вращения привода и блок контроля толщины покрытия, отличающаяся тем, что блок контроля толщины покрытия снабжен быстродействующим аккустооптическим спектрофотометром для измерения коэффициента преломления и подключенной к выходу последнего ЭВМ, выполненной с возможностью сопоставления измеренной зависимости коэффициента преломления от длины волны с заданной и выдачи корректирующих сигналов для уменьшения несовпадений измеренной и заданной зависимостей, причем выходы ЭВМ подключены к устройствам для регулирования тока электронно-лучевых испарителей, и/или величины вакуума, и/или скорости вращения привода для передачи соответствующих корректирующих сигналов.