СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2020 года по МПК G02B3/02 G02B5/08 G02B5/18 

Изобретение относится к области технологии изготовления оптических элементов и компонентов, а именно, к технологии формообразования оптических поверхностей (плоских, выпуклых и вогнутых сферических, асферических, в том числе конических, цилиндрических, тороидальных, и поверхностей свободной формы) линз и зеркал, в том числе линз Манжена, и штриховых структур, в том числе дифракционных решеток, синтезированных голограммных оптических элементов (киноформов), мир, кодовых дисков, и может быть использовано при изготовлении комбинированных (гибридных) оптических элементов для оптических и оптико-электронных систем с повышенными требованиями к допустимому уровню паразитных бликов, например, для проекционных объективов офтальмологической аппаратуры с автоколлимационным ходом лучей, оптических систем спектральной, в том числе Рамановской, аппаратуры.

Известен способ изготовления гибридной асферической линзы, согласно которому обрабатывают сферическую линзу, осаждают слой материала асферической линзы на сферическую линзу и прижимают мастер-матрицу, имеющую асферическую поверхность, к слою материала асферической линзы для формирования гибридной асферической линзы поверх сферической линзы, при этом слой материала асферической линзы выполнен из полимерной смолы с адгезивными свойствами, причем полимерная смола имеет показатель преломления в пределах от 1,45 до 1,68 [WO 2004/097488 А1 от 01.05.2004 г. МПК G02B 7/02. Дата публикации - 11.11.2004 г.].

Известен способ изготовления копий дифракционных оптических элементов, включающий нанесение на поверхность дифракционного оптического элемента-матрицы слоя полимерного клея, размещение на слое полимерного клея прозрачной подложки из стекла, отверждение полимерного клея и отделение копии от матрицы, при этом полимерный клей содержит олигоэфиракрилат, причем в полимерный клей дополнительно вводят инициатор фотополимеризации [RU 2030770 В2. МПК G02B 5/18. Дата публикации - 10.03.1995 г.].

Известен способ изготовления комбинированного оптического элемента, согласно которому наносят полимерную композицию на рабочую поверхность подложки, прижимают мастер-матрицу, имеющую заданную рабочую поверхность, к полимерной композиции, отверждают слой полимерной композиции [Лукин А.В., Мельников А.Н., Ахметов М.М., Берденников А.В., Гайнутдинов И.С., Жданова А.В., Иванов В.П., Лисова Е.Г., Могилюк И.А. Реплицированная асферическая оптика. Основные аспекты организации серийного и массового производства // Контенант.2017. Том 16. №2. - С. 167 - 172. Рис. 1].

Прототипом является способ изготовления комбинированного оптического элемента, включающий нанесение адгезионного покрытия на рабочую поверхность подложки (стеклянной заготовки), нанесение полимерной композиции (синтетической полимерной смолы) на адгезионное покрытие, прижим к полимерной композиции мастер-матрицы (эталона) с предварительно нанесенным на ее рабочую поверхность разделительным слоем, отверждение полимерной композиции, в результате которого формируется заданная реплицированная оптическая поверхность (слой синтетической полимерной смолы с отпечатком асферической поверхности), отделение от нее мастер-матрицы по разделительному слою, удаление остатков разделительного слоя с реплицированной оптической поверхности, в результате которого получают комбинированный оптический элемент [Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; Под ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. - С. 333-334, рис. 7.1].

Основным недостатком аналогов и прототипа являются ограниченные функциональные возможности изготовленных комбинированных оптических элементов, которые не могут быть использованы в оптико-электронных системах с повышенными требованиями к допустимому уровню паразитных бликов, возникающих на границе раздела «подложка-полимерная композиция», когда показатели преломления материалов подложки и полимерной композиции различны. Относительная интенсивность паразитных бликов определяется коэффициентом отражения ρ на преломляющей поверхности, оцениваемым по известной формуле Френеля [Справочник конструктора оптико-механических приборов /В.А. Панов, М.Я. Кругер, В.В. Кулагин и др.; Под общ. ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980. - С. 44]:

где n₁ и n₂ - показатели преломления подложки и полимерной композиции соответственно.

Расчеты по приведенной выше формуле Френеля показывают, что для известных оптических стекол и полимерных композиций, используемых в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, например, подложек из стекла ТФ4, значение коэффициента отражения ρ на преломляющей поверхности, а следовательно, относительной интенсивности паразитных бликов, достигает 0,5% от величины преобразуемых световых потоков.

Для известных оптических материалов и полимерных композиций, применяемых в среднем и дальнем инфракрасном диапазонах спектра, например, подложек из оптического кремния и германия, значение коэффициента отражения ρ на преломляющей поверхности может достигать, 15% и 20,7%, соответственно, в то время как требуемое значение коэффициента отражения ρ на преломляющей поверхности должно быть менее 0,1%.

Техническим результатом изобретения является снижение относительной интенсивности паразитных бликов, возникающих на границе раздела «подложка-полимерная композиция», что позволит повысить функциональные возможности изготовленных комбинированных оптических элементов.

Технический результат достигается за счет того, что в способе изготовления комбинированного оптического элемента, включающем нанесение адгезионного покрытия на рабочую поверхность подложки, нанесение полимерной композиции на адгезионное покрытие, прижим к полимерной композиции мастер-матрицы с предварительно нанесенным на ее рабочую поверхность разделительным слоем, отверждение полимерной композиции, в результате которого получают реплицированную оптическую поверхность, отделение от нее мастер-матрицы по разделительному слою, удаление остатков разделительного слоя с реплицированной оптической поверхности, в результате которого получают комбинированный оптический элемент, согласно настоящему изобретению, на рабочую поверхность подложки, перед нанесением адгезионного покрытия, наносят корректирующий слой, на который затем наносят нанослой металла, устойчивого к окислению, при этом величина показателя преломления материала корректирующего слоя меньше величины показателя преломления материала подложки и больше величины показателя преломления материала полимерной композиции.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления комбинированного оптического элемента включает в себя следующие этапы:

1. Нанесение разделительного слоя на рабочую поверхность мастер-матрицы.

2. Нанесение корректирующего слоя на рабочую поверхность подложки.

3. Нанесение нанослоя металла, устойчивого к окислению, на корректирующий слой.

4. Нанесение адгезионного покрытия на нанослой металла, устойчивого к окислению.

5. Нанесение полимерной композиции на адгезионное покрытие.

6. Прижим мастер-матрицы к полимерной композиции.

7. Отверждение полимерной композиции на подложке, в результате которого формируется заданная реплицированная оптическая поверхность комбинированного оптического элемента.

8. Отделение мастер-матрицы от реплицированной оптической поверхности по разделительному слою.

9. Удаление остатков разделительного слоя с реплицированной оптической поверхности, в результате которого получают комбинированный оптический элемент.

Материал для корректирующего слоя подбирается из условия минимизации коэффициента отражения ρ на границе раздела «подложка-полимерная композиция», а, следовательно, относительной интенсивности паразитных бликов согласно приведенной выше формуле Френеля с учетом параметров выбранных материалов подложки и полимерной композиции, при этом величина показателя преломления корректирующего слоя меньше величины показателя преломления подложки и больше величины показателя преломления полимерной композиции.

В силу ограниченности номенклатуры оптических материалов, пригодных для получения корректирующих слоев, имеет место неравенство амплитуд световых волн паразитных бликов, отраженных от обеих поверхностей корректирующего слоя.

С целью выравнивания амплитуд световых волн паразитных бликов на корректирующий слой наносят нанослой металла, устойчивого к окислению.

Материал и толщина нанослоя металла, устойчивого к окислению, выбираются из условия обеспечения равенства амплитуд световых волн паразитных бликов, отраженных от обеих поверхностей корректирующего слоя, что обеспечивает достижение их максимального взаимогашения.

Наличие нанослоя металла, устойчивого к окислению, существенно упрощает подбор материала корректирующего слоя, и при этом исключаются изменения оптических свойств нанослоя за счет его устойчивости к окислению в процессе функционирования комбинированного оптического элемента, что обеспечивает равенство амплитуд световых волн паразитных бликов в целях их взаимогашения. В качестве материала нанослоя целесообразно использовать металл, устойчивый к окислению, например, хром, вольфрам, молибден, с толщиной нанослоя в пределах от 5 до 100 нм. Технология нанесения нанослоев металла, устойчивого к окислению, в указанных пределах широко применяется в микроэлектронике и фотолитографии. Следует отметить, что вследствие малой оптической толщины нанослоя металла, устойчивого к окислению, его влиянием на сдвиг фазы проходящей световой волны можно пренебречь.

Пример конкретного выполнения.

Согласно предлагаемому способу для изготовления комбинированного оптического элемента (видимый спектральный диапазон) выбраны следующие материалы:

- подложка - бесцветное оптическое стекло ТФ4, у которого показатель преломления n₁ = 1,7398 [Справочник конструктора оптико-механических приборов / В.А. Панов, М.Я. Кругер, В.В. Кулагин и др.; Под общ. ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980. - С. 647];

- корректирующий слой - фтористый церий (CeF₃), показатель преломления n_КC = 1,63 [Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; Под ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. - С. 489-494];

- полимерная композиция - смола полиэфирная холодного отверждения ОКМ2, у которой показатель преломления n₂ = 1,5085 (экспериментально измеренное значение);

- нанослой металла, устойчивого к окислению, - хром (Cr), толщина нанослоя 50 нм, показатель преломления n_HC = 3,22 [Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник. - Л.: Химия, 1984. - С. 94].

Расчетное и экспериментально измеренное значения коэффициента отражения ρ на границе раздела «стекло ТФ4-смола ОКМ2» без корректирующего слоя и нанослоя металла, устойчивого к окислению, равны, соответственно, 0,51% и 0,45%.

Расчетное и экспериментально измеренное значения коэффициента отражения ρ на границе раздела «стекло ТФ4-смола ОКМ2» с использованием корректирующего слоя - фтористого церия (CeF₃) и нанослоя металла, устойчивого к окислению, - хрома (Cr) составили, соответственно, 0% и 0,01%.

Таким образом, использование предлагаемого способа, благодаря нанесению корректирующего слоя и нанослоя металла, устойчивого к окислению, между рабочей поверхностью подложки и адгезионным покрытием, позволяет повысить функциональные возможности комбинированных оптических элементов за счет снижения относительной интенсивности паразитных бликов, возникающих на границе раздела «стекло ТФ4-смола ОКМ2», приблизительно в 45 раз (с 0,45% до 0,01%), что существенно увеличивает отношение «сигнал/фон», обеспечивая высокоэффективное применение комбинированных (гибридных) оптических элементов в проекционных объективах офтальмологической аппаратуры с автоколлимационным ходом лучей.

Изобретение может быть использовано при изготовлении комбинированных (гибридных) оптических элементов для оптико-электронных систем с повышенными требованиями к допустимому уровню рассеянного света и паразитных бликов. Способ включает в себя нанесение адгезионного покрытия на рабочую поверхность подложки, нанесение полимерной композиции на адгезионное покрытие подложки, прижим к полимерной композиции мастер-матрицы с предварительно нанесенным на ее рабочую поверхность разделительным слоем, отверждение полимерной композиции, в результате которого получают реплицированную оптическую поверхность, отделение от нее мастер-матрицы по разделительному слою, удаление остатков разделительного слоя с реплицированной оптической поверхности, в результате которого получают комбинированный оптический элемент. При этом на рабочую поверхность подложки, перед нанесением адгезионного покрытия, наносят корректирующий слой, на который затем наносят нанослой металла, устойчивого к окислению, при этом величина показателя преломления материала корректирующего слоя меньше величины показателя преломления материала подложки и больше величины показателя преломления материала полимерной композиции. Использование изобретения позволяет повысить функциональные возможности комбинированных оптических элементов за счет снижения относительной интенсивности паразитных бликов, возникающих на границе раздела «подложка-полимерная композиция», приблизительно в 45 раз (с 0,45% до 0,01%).

Способ изготовления комбинированного оптического элемента, включающий нанесение адгезионного покрытия на рабочую поверхность подложки, нанесение полимерной композиции на адгезионное покрытие подложки, прижим к полимерной композиции мастер-матрицы с предварительно нанесенным на ее рабочую поверхность разделительным слоем, отверждение полимерной композиции, в результате которого получают реплицированную оптическую поверхность, отделение от нее мастер-матрицы по разделительному слою, удаление остатков разделительного слоя с реплицированной оптической поверхности, в результате которого получают комбинированный оптический элемент, отличающийся тем, что на рабочую поверхность подложки, перед нанесением адгезионного покрытия, наносят корректирующий слой, на который затем наносят нанослой металла, устойчивого к окислению, при этом величина показателя преломления материала корректирующего слоя меньше величины показателя преломления материала подложки и больше величины показателя преломления материала полимерной композиции.