ОПТИЧЕСКИЙ КОМПОНЕНТ Российский патент 2020 года по МПК C03C27/08 C03C27/10 

Изобретение относится к области оптического и оптико-электронного приборостроения и может быть использовано при изготовлении двухэлементных склеек, имеющих границы раздела оптических материалов с разными показателями преломления, для объективов, микроскопов, линзовых и зеркально-линзовых телескопов, проекционных объективов, призм, составных цветных фильтров, рефракционных-дифракционных компонентов, в том числе гризм, с рабочими поверхностями свободной, асферической, сферической или плоской формы, а также содержащих дифракционные структуры или штриховые структуры шкал, мир и сеток.

Известен двухэлементный объектив-склейка, содержащий первый оптический элемент, слой оптического клея и второй оптический элемент [Каталог оптики и оптических приборов фирмы «Edmund Optics». 2013. - С. 40.].

Прототипом является оптический компонент (склеенная оптическая сборка), содержащий первый оптический элемент, слой оптического клея и второй оптический элемент, причем, для обеспечения высокого светопропускания, показатель преломления оптического клея близок к показателю преломления одного из оптических элементов, а на внешней поверхности первого и второго оптических элементов нанесено просветляющее покрытие [Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; Под ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. - С. 598].

Основным недостатком аналога и прототипа являются их ограниченные функциональные возможности, из-за чего они не могут быть использованы в оптических и оптико-электронных системах с повышенными требованиями к допустимому уровню паразитных бликов, возникающих на границах раздела «первый оптический элемент - оптический клей» и «оптический клей - второй оптический элемент». Относительная интенсивность паразитных бликов определяется коэффициентами отражения ρ₁ и ρ₂ на преломляющих поверхностях, оцениваемых 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 n₂ и n_ОК - показатели преломления первого оптического элемента и оптического клея соответственно;

где n₂ и n_ОК - показатели преломления второго оптического элемента и оптического клея соответственно.

В том случае, когда показатель преломления оптического клея близок к показателю преломления одного из оптических элементов (отличие составляет менее ±0,01), коэффициент отражения ρ определяется лишь одной границей раздела согласно формуле (1) или формуле (2).

Расчеты по формулам (1) и (2) показывают, что для известных оптических материалов и клеев, используемых в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, например, для комбинации оптических стекол «ТФ4-К8», склеенных оптическим клеем «Бальзамин М», значение коэффициентов отражения ρ на границах раздела «стекло ТФ4-Бальзамин М» и «Бальзамин М-стекло К8», а следовательно, относительной интенсивности паразитных бликов, достигает 0,43% от величины преобразуемых световых потоков.

Для известных оптических материалов и клеев, применяемых в среднем и дальнем инфракрасном диапазонах спектра, например, подложек из оптической керамики КO2 (сульфид цинка ZnS), склеенных оптическим клеем «ФЭК1-15», оптического кремния и германия, склеенных оптическим клеем «ТКС-1», значение коэффициентов отражения ρ на границах раздела «оптическая керамика КО2-ФЭК1-15», «кремний-ТКС-1» и «германий-ТКС-1» может достигать, 3,32%, 4,7% и 8,51%, 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 границах раздела оптического клея со склеенными оптическими элементами, что позволит расширить функциональные возможности оптических компонентов.

Технический результат достигается за счет того, что оптический компонент, содержащий первый оптический элемент, слой оптического клея и второй оптический элемент, при этом показатель преломления оптического клея близок к показателю преломления одного из оптических элементов, согласно настоящему изобретению, дополнительно содержит корректирующий слой, нанесенный на внутреннюю поверхность одного из двух оптических элементов, и нанослой металла, устойчивого к окислению, нанесенный на корректирующий слой, при этом показатель преломления корректирующего слоя больше показателя преломления оптического клея и меньше показателя преломления материала оптического элемента, на внутреннюю поверхность которого нанесен корректирующий слой.

На фиг. 1 изображен фрагмент оптического компонента в меридиональном сечении (в параксиальной области).

Оптический компонент содержит первый оптический элемент 1, материал которого имеет показатель преломления n₁, слой оптического клея 2, имеющий показатель преломления n_ОК, и второй оптический элемент 3, материал которого имеет показатель преломления n₂.

При этом выполняется соотношение n_ОК=n₂ с полем допуска ±0,01 (показатель преломления оптического клея 2 близок к показателю преломления второго оптического элемента 3).

Оптический компонент дополнительно содержит корректирующий слой 4, имеющий показатель преломления n_КС, нанесенный на внутреннюю поверхность первого оптического элемента 1, и нанослой 5 металла, устойчивого к окислению, нанесенный на корректирующий слой 4.

При этом показатель преломления корректирующего слоя n_КС больше показателя преломления оптического клея n_ОК, и меньше показателя преломления материала оптического элемента n₁, на внутреннюю поверхность которого нанесен корректирующий слой, в результате чего обеспечивается существенное снижение относительной интенсивности паразитных бликов, возникающих на границах раздела оптического клея 2 со склеенными элементами 1 и 3, что можно рассчитать по формулам (3) и (4):

Материал для корректирующего слоя 4 подбирается из условия минимизации коэффициента отражения ρ на границе раздела «первый оптический элемент-оптический клей» (при этом показатель преломления оптического клея близок к показателю преломления второго оптического элемента с полем допуска ±0,01, поэтому коэффициент отражения ρ на этой границе минимизирован), а, следовательно, относительной интенсивности паразитных бликов согласно приведенной выше формуле Френеля с учетом параметров выбранных материалов одного из оптических элементов и оптического клея 2, при этом показатель преломления корректирующего слоя 4 больше показателя преломления оптического клея 2, и меньше показателя преломления материала оптического элемента, на внутреннюю поверхность которого нанесен корректирующий слой 4.

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

С целью выравнивания амплитуд световых волн паразитных бликов на корректирующий слой 4 наносится нанослой 5 металла, устойчивого к окислению. Материал и толщина нанослоя 5 выбираются из условия обеспечения равенства амплитуд световых волн паразитных бликов, отраженных от обеих поверхностей корректирующего слоя 4.

Наличие нанослоя 5 металла, устойчивого к окислению, существенно упрощает подбор материала корректирующего слоя 4, и при этом исключаются изменения оптических свойств нанослоя 5 за счет его устойчивости к окислению в процессе функционирования оптического компонента, что обеспечивает равенство амплитуд световых волн паразитных бликов в целях их взаимогашения.

В качестве материала нанослоя 5 целесообразно использовать металл, устойчивый к окислению, например, хром, титан, 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 толщины нанослоя 5 металла, устойчивого к окислению, его влиянием на сдвиг фазы проходящей световой волны можно пренебречь.

Примеры конкретного выполнения.

1. Оптический компонент - склеенный дублет (видимый спектральный диапазон), содержащий:

- первый оптический элемент (положительная двояковыпуклая линза) из бесцветного оптического стекла 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];

- слой оптического клея «Бальзамин М», у которого показатель преломления n_ОК=1,517 [Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; Под ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. - С. 611];

- второй оптический элемент (отрицательный выпукло-вогнутый мениск) из бесцветного оптического стекла К8, у которого показатель преломления n₂=1,5163 [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. 645];

- корректирующий слой - фтористый церий (CeF₃), показатель преломления n_КС=1,63 [Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; Под ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. - С. 491];

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

Показатель преломления оптического клея 2 («Бальзамин М») близок к показателю преломления второго оптического элемента 3 (стекло К8).

Расчетные значения коэффициентов отражения ρ на границах раздела «стекло ТФ4-Бальзамин М» и «Бальзамин М-стекло К8» без корректирующего слоя и нанослоя металла, устойчивого к окислению, равны, соответственно, 0,43% и 0,0005%, суммарно 0,4305%.

Расчетные значения коэффициентов отражения на границах раздела «стекло ТФ4-фтористый церий (CeF₃)» и «фтористый церий (CeF₃)-Бальзамин М» с использованием корректирующего слоя - фтористого церия (CeF₃) и нанослоя металла, устойчивого к окислению, - хрома (Cr) составили, соответственно, 0,01% и 0%, суммарно 0,01%.

В результате получено ослабление паразитных бликов в 43 раза.

2. Оптический компонент - призма-склейка (видимый спектральный диапазон), содержащий:

- первый оптический элемент (призма) из бесцветного оптического стекла ТФ1, у которого показатель преломления n₁=1,6475 [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];

- слой оптического клея «Бальзамин М», у которого показатель преломления n_ОК=1,517 [Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; Под ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. - С. 611];

- второй оптический элемент (призма) из бесцветного оптического стекла К8, у которого показатель преломления n₂=1,5163 [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. 645];

- корректирующий слой - фтористый иттрий (YF₃), показатель преломления n_КС=1,60 [Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; Под ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. - С. 491];

- нанослой металла, устойчивого к окислению, - титан (Ti), толщина слоя 40 нм, показатель преломления и n_НС=2,54 [Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник. - Л.: Химия, 1984. - С. 94].

Показатель преломления оптического клея 2 («Бальзамин М») близок к показателю преломления второго оптического элемента 3 (стекло К8).

Расчетные значения коэффициентов отражения ρ на границах раздела «стекло ТФ1-Бальзамин М» и «Бальзамин М-стекло К8» без корректирующего слоя и нанослоя металла, устойчивого к окислению, равны, соответственно, 0,17% и 0,0005%, суммарно 0,1705%.

Расчетные значения коэффициентов отражения на границах раздела «стекло ТФ1-фтористый иттрий (YF₃)» и «фтористый иттрий (YP₃)-Бальзамин М» с использованием корректирующего слоя - фтористого иттрия (YF₃) и нанослоя металла, устойчивого к окислению, - титана (Ti) составили, соответственно, 0,005% и 0%, суммарно 0,005%.

В результате получено ослабление паразитных бликов в 34,1 раза.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения, благодаря наличию в конструкции оптического компонента корректирующего слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность одного из двух оптических элементов, и нанослоя металла, устойчивого к окислению, нанесенного на корректирующий слой, позволяет повысить функциональные возможности оптических компонентов за счет снижения относительной интенсивности паразитных бликов, возникающих на границе раздела оптического клея со склеенными оптическими элементами приблизительно в 34-43 раза.

Изобретение может быть использовано при изготовлении оптических компонентов для оптико-электронных систем с повышенными требованиями к допустимому уровню паразитных бликов. Оптический компонент содержит первый оптический элемент, слой оптического клея и второй оптический элемент. При этом показатель преломления оптического клея близок к показателю преломления одного из оптических элементов. Дополнительно содержит корректирующий слой, нанесенный на внутреннюю поверхность одного из двух оптических элементов, и нанослой металла, устойчивого к окислению, нанесенный на корректирующий слой. При этом показатель преломления корректирующего слоя больше показателя преломления оптического клея и меньше показателя преломления материала оптического элемента, на внутреннюю поверхность которого нанесен корректирующий слой. Технический результат - повышение функциональных возможностей оптических компонентов за счет снижения относительной интенсивности паразитных бликов, возникающих на границе раздела оптического клея со склеенными оптическими элементами. 1 ил.

Оптический компонент, содержащий первый оптический элемент, слой оптического клея и второй оптический элемент, при этом показатель преломления оптического клея близок к показателю преломления одного из оптических элементов, отличающийся тем, что дополнительно содержит корректирующий слой, нанесенный на внутреннюю поверхность одного из двух оптических элементов, и нанослой металла, устойчивого к окислению, нанесенный на корректирующий слой, при этом показатель преломления корректирующего слоя больше показателя преломления оптического клея и меньше показателя преломления материала оптического элемента, на внутреннюю поверхность которого нанесен корректирующий слой.