МНОГОСЛОЙНОЕ ЗЕРКАЛО ЗАДНЕГО ВИДА ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Российский патент 2003 года по МПК G02B5/08 G02B5/28 B60R1/08 

Изобретение относится к конструкции многослойного зеркала, применяемого в качестве автомобильного зеркала заднего вида, обеспечивающего безопасность эксплуатации транспортного средства, и может быть использовано на всех видах транспорта.

Ослепление является распространенной причиной аварий и дорожно-транспортных происшествий. Ослепление светом, отраженным зеркалом, часто возникает совершенно неожиданно.

Оптические или спектральные средства защиты от ослепления основаны на специфике физиологического механизма человеческого зрения и базируются на изменении спектра отражения многослойного зеркала путем нанесения на зеркальную поверхность интерференционного покрытия. Принцип действия этих зеркал основывается на особенностях чувствительности человеческого глаза днем и ночью.

Сетчатка глаза состоит из чувствительных к свету объектов: палочек и колбочек. Зрение в условиях недостаточной видимости осуществляется почти исключительно с помощью палочек, а в условиях яркого света - с помощью колбочек [Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М. Фейнмановские лекции по физике - М., "Мир", 1976, 496 с. ] . На фиг.1 сплошная кривая 1 характеризует чувствительность глаза в темноте, т.е. чувствительность за счет палочек, а пунктирная кривая 2 относится к зрению в светлое время суток. Максимальная чувствительность палочек лежит в области зеленого цвета на длине волны λ=500 нм, а колбочек - на длине волны λ=550 нм. Спектральная чувствительность ночного зрения человека смещена относительно дневного в коротковолновую область спектра. Оба типа зрения действуют независимо друг от друга. Подбирая соответствующим образом спектральную характеристику коэффициента отражения зеркала, можно добиться того, что при наличии ослепления одного типа зрения другой тип зрения будет продолжать эффективно работать, различая предметы.

Известно зеркало, имеющее многослойное покрытие, состоящее из стеклянной подложки, многослойного покрытия из диэлектрических материалов и металлического высокоотражающего слоя [патент Японии JP 212704/1985]. Предлагаются два варианта многослойного покрытия: трех- и четырехслойное. Формула трехслойного покрытия имеет вид: В₁Н2В₂, где B₁ - материал с высоким показателем преломления, имеющий оптическую толщину λ₀/4, Н - материал с низким показателем преломления, имеющий оптическую толщину λ₀/4, 2В - материал с высоким показателем преломления, имеющий оптическую толщину λ₀/2. Формула четырехслойного покрытия имеет вид: В₁Н₁В₂Н₂. Все слои имеют оптическую толщину λ₀/4, где λ₀ - длина волны света, выбранная как контрольная при формировании покрытия, соответствует области спектра максимальной чувствительности ночного зрения человека. Вышеописанное многослойное зеркало имеет высокий коэффициент отражения в области длин волн от 430 до 550 нм, который значительно уменьшается в диапазоне 550-700 нм. Такое зеркало имеет голубой цвет. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного многослойного зеркала, относится то, что в известном многослойном зеркале максимум его отражения находится в области максимальной чувствительности человеческого глаза ночью (λ≈500 нм), и, следовательно, это зеркало не препятствует ослеплению отраженным светом. Вторым важным недостатком указанного многослойного зеркала является существенное нарушение цветового баланса отраженного света, что может привести к затруднению распознавания водителем отраженного цвета.

Известно зеркало, имеющее многослойное покрытие [патент России RU 2125283, G 02 В 5/08, В 60 R 1/08, 1998], состоящее из прозрачной подложки, многослойного покрытия (два - три слоя) и высокоотражающего металлического слоя, нанесенного на многослойное покрытие. Это зеркало характеризуется подавлением отражения в области спектра 500-560 нм. Благодаря применению в многослойном покрытии полупроводникового материала с высоким показателем преломления, технический результат достигается меньшим числом слоев. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного многослойного зеркала, относится то, что в нем минимум отражения смещен относительно максимальной чувствительности человеческого глаза в темноте, интегральный коэффициент отражения в видимом диапазоне относительно невысок и не превышает 60%, подавление отражения в области спектра 480-550 нм недостаточно эффективно.

Наиболее близким предлагаемому техническому решению по технической сущности является зеркало, имеющее многослойное покрытие [патент США US 4955705, G 02 В 5/08, 1990]. Оно состоит из прозрачной подложки, многослойного диэлектрического покрытия (два-четыре слоя), которое формируют на одной стороне подложки и металлического или полупроводникового слоя, который формируют на многослойном диэлектрическом покрытии. Многослойное покрытие включает в себя, по крайней мере, один слой, имеющий оптическую толщину λ₀/2, а все остальные слои имеют оптическую толщину λ₀/4. В качестве материала, имеющего высокий показатель преломления, предпочтительно использовать оксиды, такие как TiО₂, Та₂О₅, ZrО₂, CeО₂, НfO₂ и LaO₃, а также сульфид ZnS. В качестве материала, имеющего низкий показатель преломления, - MgF₂, SiO₂, СеF₃ и Аl₂O₃. Формула такого многослойного покрытия в одном из примеров имеет вид: ML2HLП, где Н - высокопреломляющий слой с показателем преломления, равным 1,9-2,6, оптической толщины λ₀/4; L - слой низкопреломляющего диэлектрического материала с показателем преломления 1,3-1,6, оптической толщины λ₀/4; 2Н - высокопреломляющий слой, оптической толщины λ₀/2; П - стеклянная подложка; М - слой металла или полупроводника.

На фиг. 1 показана спектральная зависимость коэффициента отражения прототипа многослойного зеркала заднего вида (4).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного многослойного зеркала, принятого за прототип, относится то, что оно недостаточно эффективно подавляет отражение (R= 30%) в области максимальной чувствительности ночного зрения человека и имеет невысокое интегральное отражение (~45%) в видимой области спектра.

Задачей изобретения является обеспечение защиты зрения водителя от ослепления ночью путем улучшения подавления отражения в той узкой области спектра, где расположена зона максимальной чувствительности человеческого глаза в темноте (область 480<λ<530 нм), при одновременном повышении уровня интегрального отражения в видимой области спектра.

Поставленная задача решается разработкой и использованием многослойного зеркала заднего вида для транспортных средств, включающего стеклянную подложку, высокоотражающий слой алюминия и нанесенное на него многослойное диэлектрическое покрытие из чередующихся слоев оксида алюминия и оксида титана. Причем многослойное диэлектрическое покрытие из шести слоев нанесено так, что к высокоотражающему слою алюминия, нанесенному на внешнюю сторону подложки, прилегает слой оксида алюминия геометрической толщины 113-115 нм, геометрические толщины остальных слоев оксида алюминия и оксида титана имеют величину 76-78 и 49-51 нм соответственно, высокоотражающий слой алюминия нанесен на внешнюю сторону подложки, а его геометрическая толщина имеет величину 200-500 нм.

Указанное расположение слоев и их толщина являются определяющими для формирования спектральной характеристики коэффициента отражения, обеспечивающей эффективное противоослепляющее действие зеркала и высокое интегральное отражение в области видимого спектра. Предлагаемое многослойное зеркало существенно уменьшает (до 8%) отраженный свет с длиной волны в области 480<λ<530нм, предохраняя зрение от ослепления. Интегральное отражение многослойного зеркала в видимой области спектра 400-700 нм превышает 80%.

На фиг. 1 показаны функция видности человеческого зрения ночью и днем, спектральные кривые отражения предлагаемого многослойного интерференционного покрытия и прототипа (кривые 1, 2, 3 и 4 соответственно).

На фиг. 2 схематически представлено в разрезе предлагаемое многослойное зеркало, имеющее многослойное интерференционное покрытие.

Многослойное зеркало (фиг.2) состоит из стеклянной подложки 5, отражающего покрытия из алюминия 6 и шестислойного интерференционного покрытия, состоящего из чередующихся слоев оксида алюминия 7 с низким показателем преломления n_Н=1,63 и оксида титана 8 с высоким показателем преломления n_В= 2,5, причем геометрические толщины слоев оксида алюминия и оксида титана составляют d=76-78 нм и d=49-51 нм соответственно за исключением слоя оксида алюминия, прилегающего к металлической поверхности, геометрическая толщина которого составляет d=113-115 нм.

Многослойное диэлектрическое покрытие состоит из шести чередующихся слоев с низким и высоким показателями преломления. Прилегающий к металлу слой оксида алюминия, имеющий низкий показатель преломления, корректирует фазу отраженной волны. Многослойное зеркало представляет собой конструкцию (ВН)²В1, 48 НА 1/П, где В - слой TiO₂ с высоким показателем преломления n_B= 2,5; Н - слой Аl₂О₃ с низким показателем преломления n_H=1,63; Аl - металлический высокоотражающий слой; П - подложка. Оптическая толщина n•d каждого из слоев покрытия, за исключением пленки, прилегающей к металлу, равна λ₀/4(λ₀ - длина волны, на которой ведется контроль толщины наносимых слоев). У слоя оксида алюминия 1,48Н, прилегающего к металлу, который корректирует фазу отраженной волны, n_H•d = (1+ψ)λ₀/(4π), где d - геометрическая толщина слоя; - скачок фазы электрического вектора при отражении от границы диэлектрик - металл, где n_Н - показатель преломления непоглощающего покрытия, n и k - вещественная и мнимая части комплексного показателя преломления металла (n-ik), i - мнимая единица. Для алюминиевого зеркала комплексный показатель преломления равен (0,6-i 5,01), причем геометрическая толщина слоев оксида алюминия составляет d=76-78 нм, а геометрическая толщина слоев оксида титана составляет d=49-51 нм, причем слой оксида алюминия, прилегающий к металлической поверхности, имеет геометрическую толщину d=113-115 нм.

Показатели преломления и геометрические толщины слоев подобраны таким образом, чтобы гашение отраженного света происходило в узкой области спектра 480<λ<530 нм, соответствующей зоне максимальной чувствительности человеческого зрения в темноте, сохраняя при этом высокое отражение в видимой области спектра 400-700 нм.

Изготовление зеркала проводят при помощи известного метода магнетронного напыления [Минайчев В. Е., Одиноков В.В., Тюфаева Г.П. Магнетронные распылительные системы (магратроны) //М. ЦНИИ "Электроника", 1979, 57 с.] следующим образом: подложку предварительно обезжиривают и помещают в вакуумную камеру, которую откачивают до давления Р_ост=6,6•10^-3 Па. Затем осуществляется напуск аргона до давления Р=0,26 Па. Подложку закрывают заслонкой и зажигают разряд на магнетроне с алюминиевой мишенью. Происходит удаление оксидной пленки с поверхности мишени в течение 5 минут горения разряда. Заслонку убирают, и происходит напыление отражающего покрытия из Аl. Время напыления составляет до τ=5 мин. При нанесении интерференционного покрытия подложку предварительно нагревают до Т=200-250^oС для улучшения эксплуатационных характеристик, повышения плотности покрытий, уменьшения их пористости и увеличения механической прочности. Напыление слоев интерференционного покрытия проводят в атмосфере смеси газов Аr и О₂ при давлении Р=0,26 Па. Распыление материала алюминиевой и титановой мишеней магнетрона производят поочередно. На транспортном участке и на поверхности подложек происходит окисление атомов материала мишеней и на подложке формируются покрытия из оксидов металлов. Контроль толщины напыляемых пленок ведут системой фотометрического контроля, состоящей из источника света со стабилизированным источником питания, модулятора (f=400 Гц), узкополосного светофильтра λ=500 нм, кремниевого фотоприемника, резонансного усилителя и регистрирующего прибора (Щ-1413). Оптические толщины наносимых слоев контролируют по контрольному образцу, расположенному в плоскости рабочих изделий по изменению отражения. В точках экстремума нанесение каждого слоя прекращают.

Особенность заявляемого технического решения многослойного зеркала заключается в том, что геометрическая толщина прилегающего к поверхности алюминия слоя оксида алюминия d=113-115 нм, а геометрические толщины последующих слоев имеют величину для Аl₂О₃ d=76.7 нм, для TiО₂ d=49-51 нм. Благодаря тому что многослойное покрытие расположено на поверхности металлического высокоотражающего слоя, расположенного в свою очередь на стеклянной подложке, отраженный свет не испытывает преломления в стекле, что позволяет дополнительно повысить интегральное отражение и уменьшить искажения.

Разработано и с помощью метода магнетронного напыления изготовлено зеркало, имеющее многослойное интерференционное покрытие. Спектральная характеристика коэффициента отражения зеркала с таким покрытием приведена на фиг. 1. Из фиг.1 видно, что многослойное зеркало эффективно подавляет отраженный свет в оптической области максимальной чувствительности ночного зрения человеческого глаза (λ_max = 500 нм) и коэффициент отражения в этой области составляет величину ~8%. Из фиг.1 видно, что многослойное зеркало имеет высокий коэффициент отражения в синей (430-480 нм) и красной (540-700 нм) областях длин волн. Селективность отражения данного зеркала фактически не уменьшает интегральную величину коэффициента отражения. Согласно международным требованиям Правил ЕЭК ООН 46 зеркала в положении "ночь" должны обеспечить распознавание цвета сигнальных знаков дорожного движения (коэффициент отражения не ниже 4%); несмотря на неблагоприятные погодные условия, отражающая поверхность наружных зеркал должна длительное время сохранять заданные характеристики.

Свет, отраженный от зеркала с предлагаемым интерференционным покрытием, не приводит к ослеплению человеческого глаза отраженным светом в темное время суток. Более эффективно предотвращая слепящее воздействие, данное покрытие не ухудшает потребительские свойства зеркала в диапазоне видимой области спектра. По своим механическим показателям данное зеркало может работать в жестких эксплуатационных условиях. Многослойное зеркало соответствует международным требованиям Правил ЕЭК ООН 46.

Многослойное зеркало включает стеклянную подложку, высокоотражающий слой алюминия и нанесенное на него многослойное диэлектрическое покрытие из чередующихся слоев оксида алюминия и оксида титана из шести слоев. К высокоотражающему слою алюминия прилегает слой оксида алюминия геометрической толщины 113-115 нм, геометрические толщины остальных слоев оксида алюминия и оксида титана имеют величину 76-78 и 49-51 нм соответственно. Высокоотражающий слой алюминия нанесен на внешнюю сторону подложки, а его геометрическая толщина имеет величину 200-500 нм. Обеспечивается защита зрения водителя от ослепления ночью путем улучшения подавления отражения в узкой области спектра, где расположена зона максимальной чувствительности человеческого глаза в темноте при одновременном повышении уровня интегрального отражения в видимой области спектра. 2 ил.

Многослойное зеркало заднего вида для транспортных средств, включающее стеклянную подложку, высокоотражающий слой алюминия и нанесенное на него многослойное диэлектрическое покрытие из чередующихся слоев оксида алюминия и оксида титана, отличающееся тем, что многослойное диэлектрическое покрытие из шести слоев нанесено так, что к высокоотражающему слою алюминия прилегает слой оксида алюминия геометрической толщины 113-115 нм, геометрические толщины остальных слоев оксида алюминия и оксида титана имеют величину 76-78 и 49-51 нм соответственно, причем высокоотражающий слой алюминия нанесен на внешнюю сторону подложки, а его геометрическая толщина имеет величину 200-500 нм.