Способ изготовления диэлектрического многослойного зеркального покрытия

Способ включает изготовление по меньшей мере двух диэлектрических слоев заданных начальных толщин, расположение слоев друг на друге для образования пакета слоев, уменьшение толщины пакета слоев и, тем самым, толщин отдельных слоев посредством деформации пакета слоев с сохранением соотношения толщин или соотношений толщин слоев между собой. Пакет слоев перед деформацией располагают между двумя несущими слоями. По меньшей мере один несущий слой образуют из нескольких отдельных слоев, которые последовательно располагают каждый в конце процесса частичной деформации на предыдущем отдельном слое несущего слоя. Отдельные слои несущего слоя могут последовательно наплавлять на предыдущие отдельные слои несущего слоя. Обеспечивается упрощение изготовления и повышение коэффициента отражения. 21 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к способу изготовления диэлектрического многослойного зеркального покрытия.

Диэлектрические многослойные зеркальные покрытия, т.е. зеркальные покрытия из нескольких диэлектрических слоев, уже давно используются для способствования спектрально выборочному отражению или пропусканию в оптических окнах и прочих оптических элементах и приборах. Кроме того, известно нанесение зеркальных покрытий на ламповые колбы. Цель подобных зеркальных покрытий состоит всегда в отражении определенных долей излучения и пропускании других определенных долей излучения с определенными другими длинами волн.

Подобные диэлектрические многослойные зеркальные покрытия изготовляют обычно путем нанесения отдельных диэлектрических слоев, которые в большинстве случаев состоят из двух разных диэлектрических материалов и имеют разные показатели преломления. Слои наносят в большинстве случаев напылением или осаждением из раствора. Зеркальное покрытие образуется тогда за счет того, что многократно наслаивают изготовленный, например, из двух разных материалов двойной слой, так что возникает периодическое чередование разных слоев.

Разные слои должны иметь точно соблюдаемую с самыми узкими допусками оптическую толщину, с тем чтобы достичь требуемого качества зеркала и спектральной характеристики отражения и пропускания.

Под оптической толщиной слоя обычно понимают геометрическую толщину слоя, умноженную на показатель преломления диэлектрического материала слоя. Оптическая толщина слоя может варьироваться заданным образом от одного двойного слоя к другому.

Обычный процесс изготовления таких диэлектрических многослойных зеркальных покрытий сложен, причем используют, например, сложные и дорогие установки для напыления в глубоком вакууме. При этом слои должны быть нанесены последовательно по отдельности. Процесс изготовления зеркального покрытия может быть осуществлен, кроме того, только в рамках производства партиями. Массовое производство в рамках поточного производства при замкнутой технике напыления в глубоком вакууме невозможно. Далее качество зеркал, достигаемое посредством осуществляемого последовательно по отдельности нанесения, ограничено. Обычным образом на искривленные поверхности можно нанести лишь максимум до 70 диэлектрических слоев или 35 диэлектрических двойных слоев. Тем самым, для широкополосного зеркального покрытия достигается коэффициент отражения 0,7. Проходящее вокруг диэлектрическое многослойное зеркальное покрытие, например цилиндрических предметов, обычным образом технологически невозможно. При этом диэлектрические многослойные зеркальные покрытия могут быть напылены только на плоские или мало искривленные поверхности, например поверхности линз.

Резюмируя вышесказанное, можно констатировать, что с известными многослойными зеркальными покрытиями достигается коэффициент отражения максимум 0,7.

В основе настоящего изобретения лежит поэтому задача создания способа изготовления диэлектрического многослойного зеркального покрытия, с помощью которого простым образом может быть реализовано многослойное зеркальное покрытие с повышенным коэффициентом отражения.

Согласно изобретению поставленная задача решена посредством способа изготовления диэлектрического многослойного зеркального покрытия с признаками п.1 формулы. В соответствии с этим сначала изготовляют, по меньшей мере, два диэлектрических слоя, каждый заданной начальной толщины. Затем слои располагают друг на друге для образования пакета слоев. Наконец толщину пакета слоев и, тем самым, толщины отдельных слоев уменьшают посредством деформации пакета слоев с сохранением соотношения толщин или соотношений толщин слоев между собой.

Согласно изобретению обнаружено, что помимо известных способов изготовления диэлектрического многослойного зеркального покрытия, а именно напыления отдельных слоев или осаждения слоев из раствора, существует еще одна возможность изготовления диэлектрических многослойных зеркальных покрытий. При этом нужное число слоев располагают сначала друг на друге в пакет слоев. При этом существенно, чтобы толщины слоев были выбраны таким образом, чтобы соотношения толщин слоев между собой были правильными. Отдельные слои могут быть при этом значительно толще, чем в окончательном состоянии зеркального покрытия. Это значительно упрощает манипулирование отдельными слоями. Затем толщину пакета слоев или толщины отдельных слоев, при необходимости, значительно уменьшают посредством этапа деформации. При этом сохраняются, однако, соотношения толщин слоев между собой. Другими словами, пакет слоев задают “макроскопически” с тем, чтобы по окончании способа изготовления он был “микроскопическим”.

У способа, согласно изобретению, не существует технического ограничения максимального числа слоев в пределах 70 отдельных слоев или 35 двойных слоев. Следовательно, в интервале, в котором, например, должны отражаться заданные длины волн, может быть отражено значительное большее число длин волн, которым для отражения соответствуют отдельные слои или двойные слои. Использование, например, 400 двойных слоев представляется вполне реальным. При этом возникает значительно более высокий коэффициент отражения, чем до сих пор достигаемый коэффициент отражения 0,7.

Следовательно, способ изготовления диэлектрического многослойного зеркального покрытия представляет собой способ, с помощью которого простым образом возможна реализация многослойного зеркального покрытия с повышенным коэффициентом отражения.

В рамках изготовления диэлектрических слоев задают начальные толщины слоев. При этом начальные толщины, по меньшей мере, двух слоев могут быть разными. При изготовлении более чем двух слоев все слои могут быть разной толщины, или группы слоев могут иметь одинаковую толщину. Возможна любая комбинация, причем толщины следует согласовать с длинами волн отражаемого излучения.

По меньшей мере, один слой особенно простым образом может быть выполнен из стекла или пластика. При этом возможны комбинации из стекла и пластика или же цельные пакеты слоев из стекла или пластика.

Для эффективного отражения нужного излучения, по меньшей мере, два слоя могут иметь разные показатели преломления. Однако и все слои могут иметь разные показатели преломления.

Кроме того, можно из двух слоев изготовить один двойной слой. В другом выполнении могут быть штабелированы, по меньшей мере, два двойных слоя, причем оптическая толщина может варьироваться от одного двойного слоя к другому.

Расположение слоев друг на друге может представлять собой конкретно штабелирование слоев. В качестве альтернативы этому расположение может включать в себя также намотку слоев, причем, например, друг на друге штабелируют сначала два слоя, а затем их вместе скручивают. За счет этого можно достичь равномерного чередования одного и другого слоев.

Для повышения механической стабильности зеркального покрытия пакет слоев может быть расположен перед деформацией между двумя несущими слоями. Толщина несущих слоев определяет последующую толщину всего деформированного материала из пакета слоев и несущих слоев, и возникает материал-сэндвич. Использование толстых несущих слоев, которые по окончании процесса изготовления также деформируют, гарантирует необходимый допуск на толщины отдельных слоев после деформации, поскольку достигаемый допуск на толщины слоев в процессе деформации следует отнести к толщине всего материала после деформации.

Для упрощения манипулирования несущими слоями, по меньшей мере, один несущий слой может быть образован несколькими отдельными слоями. Подобные отдельные слои могут быть последовательно расположены вслед за процессом частичной деформации, преимущественно наплавлены.

Несущие слои или отдельные слои могут быть выполнены простым образом из стекла. Тем самым, один несущий слой может иметь также форму несущего стеклоблока.

Для надежного оптического соединения слоев они могут быть соединены после их расположения друг на друге посредством сплавления. Во избежание образования пузырьков воздуха между отдельными слоями сплавление может происходить в вакууме. Температура соединения должна быть, однако, достигнута быстро, а затем поддерживаться с тем, чтобы избежать диффузии или конвективного переноса различных компонентов слоев в разные граничащие слои и, тем самым, стирания различия показателей преломления разных слоев.

В отношении деформации пакета слоев и, при необходимости, несущих слоев возможны разные способы. Во-первых, деформация может происходить посредством процесса прессования. В качестве альтернативы этому деформация может происходить посредством процесса раскатки, причем здесь также применяется вид прессования. В качестве другой альтернативы деформация может происходить посредством процесса вытяжки пакета слоев. Всеми способами толщины слоев могут быть уменьшены до необходимых очень малых величин с сохранением соотношений толщин слоев.

Упрощенная деформация может происходить под действием тепла. При этом, однако, следует обратить внимание на то, чтобы используемые температуры не слишком превышали температуру механического предела текучести материалов слоев с тем, чтобы нежелательный перенос материала, например, в результате диффузии или конвекции, не привел к проникновению или перемешиванию различных материалов слоев и за счет этого соблюдаемые геометрические пределы не были нарушены или непроизвольно деформированы.

Во избежание в значительной степени каких-либо процессов диффузии или конвекции деформация может происходить без подачи дополнительного тепла.

В отношении представляющего экономический интерес применения можно изготовлять из деформированного пакета слоев трубки или криволинейные стекла. Трубки могут служить, например, исходным материалом для ламповых колб. Криволинейные стекла могут найти применение в автомобилестроении.

При наличии несущих слоев благоприятно, если пакет слоев или собственно весь диэлектрический слой находится очень близко под одной из поверхностей всего материала, а именно вблизи внутренней поверхности трубок или криволинейных стекол. За счет этого можно достичь высокой степени отражения, выработанного, например, внутри инфракрасного излучения, причем остаточное поглощение инфракрасного излучения во всем материале из несущих слоев и пакета слоев минимизировано.

Многослойное зеркальное покрытие может быть реализовано в рамках многослойного зеркала. При этом пакет слоев является почти самонесущим без дополнительных несущих слоев.

В качестве альтернативы этому многослойное зеркальное покрытие может быть реализовано в рамках многослойного зеркального покрытия на основе. При этом пакет слоев расположен, в основном, на несущей основе или отдельном несущем слое.

В качестве третьей альтернативы выше уже было описана возможность расположения пакета слоев между двумя несущими слоями. При этом с обеих сторон пакета слоев предусмотрена несущая структура.

Способом, согласно изобретению, можно изготовлять зеркальные покрытия, которые могут быть подвергнуты дальнейшей равномерной обработке, например изготовлению цилиндрических трубок или криволинейных оконных стекол без нарушения отражательных свойств или соотношений диэлектрических слоев. Таким образом, могут быть изготовлены, например, диэлектрические многослойные зеркальные оболочки, например, для цилиндрических тел или колб ламп. Это обеспечивает отделение процесса нанесения зеркального покрытия, например, на лампы в качестве этапа изготовления процесса изготовления самих ламп. Кроме того, можно изготовлять, например, листовые стекла, автомобильные стекла, стекла автомобильных фар или ламповые колбы, которые уже обладают присущими материалу требуемыми отражательными свойствами, так что процесс нанесения зеркального покрытия на такие объекты в качестве особого этапа производства отпадает. Отражательные свойства устанавливают за счет расположения слоев почти произвольной толщины и с почти произвольным периодическим чередованием.

В отношении применения диэлектрического многолослойного стеклянного материала в технологии изготовления стекла были проведены обширные исследования. Процесс изготовления диэлектрического многолослойного стеклянного материала можно оптимальным образом разделить на три этапа. На первом этапе изготовляют многослойный стеклопакет. На втором этапе этот пакет раскатывают в листовое стекло, а на третьем этапе из листового стеклянного материала изготовляют трубки для производства ламп или ламповые колбы.

В современной технологии лампового производства благоприятно, если ламповая колба большую часть излученного нитью или проволокой накала теплового излучения снова отражает на нить или проволоку накала. Это обеспечивает обратный нагрев нити или проволоки накала, благодаря чему для достижения такой же температуры нити или проволоки накала можно подводить к нити или проволоке накала меньше электрической энергии, чем у обычных ламп без отражающей колбы. Чем больше теплового излучения может отражаться от внутренней стороны ламповой колбы, тем выше эффективность преобразования подведенной электрической мощности в отражаемый и пропускаемый видимый свет нити или проволоки накала. Следовательно, у современных ламп желателен высокий коэффициент отражения теплового излучения, т.е. излучения в определенном диапазоне длин волн. Благодаря изготовленному способом, согласно изобретению, многослойному зеркальному покрытию достигается очень высокий коэффициент отражения в нужном диапазоне длин волн.

Для этого многослойные стеклопакеты изготовляют в соответствии с характеристикой отражения или пропускания. Спектральный диапазон пропускания должен лежать, например, между длинами λ₀ и λ₁ волн. Спектральный диапазон отражения должен лежать, например, между длинами λ₁ и λ₂ волн. Для широкополосного отражения с высоким коэффициентом отражения между длинами λ₁ и λ₂ волн толщины d₁ отдельных слоев непрерывно или ступенчато увеличивают в пределах d₁=kλ₁/(4n₁₁) и d₂=kλ₂/(4n₂₁) с соответствующими показателями преломления n₁ обоих различных применяемых сортов стекла, причем здесь λ/4 является условием оптического пути, k обозначает коэффициент увеличения толщины стеклопакета во время всего процесса раскатки.

Для предела d₂ толщины слоев и, тем самым, для ширины полосы отражения существует, правда, краевое условие d₂<k3λ₀/(4n₀₁), поскольку иначе максимально пропускаемый свет с предельной длиной λ₀ волны также максимально отражается. Для показателя преломления в среднем n₀=1,59 при коротковолновом пределе пропускания λ₀=0,4 мкм длинноволновый предел отражения при принятом здесь среднем показателе преломления n=1,53 при λ₂=3 λ₀ составляет n₂/n₀=1,15 мкм.

Это касается, правда, только долей излучения с нормальным падением на слой зеркального покрытия. Для долей излучения с иным углом падения на слой зеркального покрытия коротковолновый предел отражения смещается в сторону меньших длин волн, а длинноволновый предел отражения - в сторону больших длин волн. По этой причине при требуемом диапазоне пропускания от 400 до 700 нм могут быть достигнуты, в целом, диапазоны отражения от примерно 700 нм до примерно 2 мкм с высокой отражательной способностью.

В предложенном здесь способе изготовления можно применять очень большое число диэлектрических слоев, которое может насчитывать, в основном, более 50 и обычно несколько сотен. За счет этого можно использовать меньшее различие показателей преломления сортов стекла с низким показателем преломления, поскольку большое возможное число N диэлектрических двойных слоев компенсирует малые различия показателей преломления, так что можно ожидать высокого коэффициента отражения R_2N+1=(1-n₁/n

2N

2

)²/(1+n₁/n

2N

2

)². Например, для 400 двойных слоев в 10 ступенчатых пакетах с обоими средними показателями преломления в спектральном диапазоне отражения 1,5 для крона и 1,6 для тяжелого крона по сравнению с воздухом с показателем преломления 1 можно оценить максимальный коэффициент отражения как 0,98.

Для сплавления многослойного стеклопакета применяют способ вакуумной плавки с тем, чтобы исключить образование воздушных пузырьков между стеклянными слоями. Температура соединения должна быть, однако, достигнута быстро, а затем поддерживаться с тем, чтобы избежать диффузии или конвективного переноса различных компонентов слоев в разные граничащие слои и, тем самым, подавить стирание различия показателей преломления разных стеклянных слоев.

Собственно многослойный стеклопакет, определяющий характеристику отражения, помещают между двумя несущими стеклоблоками, толщины слоев которого определяют последующую толщину раскатанного листового стеклянного материала или материала ламповых трубок. Возникает материал-сэндвич. Применение толстых слоев, позднее раскатываемых, обеспечивает необходимый допуск на оптические толщины отдельных слоев по окончании процесса раскатки, поскольку достигаемый допуск на толщины слоев в процессе раскатки следует отнести к толщине всего листового стекла по окончании процесса раскатки.

Допуск Δd_i оптического λ/4-слоя составляет Δd_i=Δdk. Достигаемый допуск Δd в производстве листового стекла уже имеет абсолютную величину 0,03 мм, например для покровных стекол в микроскопах. Для блока-сэндвича с 400 диэлектрических двойных слоев двукратной, в среднем, толщины покровных стекол, т.е. 0,3 мм толщины двойного слоя перед раскаткой, и требуемой толщины двойного слоя, равняющейся двукратной, в среднем, толщине 2d_i=0,33 мкм λ/4-слоя - при длине волны 1 мкм и соответствующем показателе преломления стекла 1,5 - после раскатки и требуемой толщине листового стекла 1 мм после раскатки соблюдаемый допуск составляет около 30 нм на каждый оптический слой.

Многослойный пакет располагают между верхом и низом несущего стекла. Верх и низ несущего стекла имеют перед собой, во-первых, задачу определения последующей толщины листового стекла, а во-вторых, улавливания поверхностных искажений слоев в процессе раскатки, так что промежуточная диэлектрическая многослойная зона остается свободной от помех из-за краевых искажений в процессе раскатки. Весь блок-сэндвич имеет толщину слоев D=d/k, где k обозначает коэффициент расширения, a d - нужную толщину листового стекла после раскатки.

В качестве примера приведены размеры блока-сэндвича с 400 диэлектрическими двойными слоями, который должен быть раскатан в листовое стекло толщиной 1 мм, до и после раскатки.

Размеры блока-сэндвича	До раскатки	После раскатки
Толщина отдельных слоев	0,15×10-3 м	0,167×10-6 м
Толщина 400 двойных слоев	0,12 м	0,1336×10-3 м
Толщина несущего слоя	0,78 м	0,8664×10-3 м
Толщина сэндвича	0,9 м	1×10-3 м
Абсолютный допуск на толщину слоя	0,03×10-3 м	33,3×10-9 м
Коэффициент расширения	1/900	1/900

Для того, чтобы можно было манипулировать большой, здесь указанной в качестве примера начальной толщиной слоев блока-сэндвича 90 см в процессе раскатки, блоки несущих стекол могут быть заменены несколькими стеклянными листами одинаковой общей толщины, которые постепенно вслед за соответствующим процессом частичной раскатки сплавляют с сэндвичем.

Дальнейшая обработка материала зеркального стекла для лампового производства может быть осуществлена с помощью имеющейся технологии производства листового стекла. Образующееся прокатанное стекло может быть по окончании процесса производства свернуто и собрано в стеклянные трубки для лампового производства. При этом собственно диэлектрический многослойный слой, находящийся, например, очень близко под одной из поверхностей листового стекла, может лежать в сторону внутренней поверхности стеклянных трубок. За счет этого значительно снижается остаточное поглощение инфракрасного излучения последующей ламповой колбы.

У прежних слоев зеркального покрытия, напыленных на наружную поверхность ламповых колб, сначала изнутри просвечивают материал-основу, прежде чем инфракрасное излучение достигнет слоя зеркального покрытия и будет отражено. Остаточное поглощение в материале-основе приводит здесь к увеличению доли мощности потерь при энергетическом балансе ламп накаливания со спектральным зеркальным покрытием.

Дальнейшая обработка зеркальных стеклянных трубок для лампового производства является некритической. Даже оплавление или запаивание ламповых колб, предусмотренное в процессе производства ламп, приводит самое большее к осадке и расширению разных стеклянных слоев, в результате чего коротковолновый предел отражения также смещается в сторону меньших длин волн и, тем самым, не происходит повышения пропускаемого паразитного излучения.

Возможным образом повышенные затраты на изготовление многослойного лампового материала по сравнению с обычным ламповым материалом с отдельным напылением зеркальных слоев могут считаться экономически приемлемыми из-за производства большими партиями, из-за отсутствия отдельных затрат на нанесение зеркального покрытия и из-за более благоприятной, с точки зрения технологии производства, возможной оптимизации конструктивной формы ламп. Другими областями применения зеркального стекла могут являться остекление зданий и автомобилестроение. Также здесь желательны спектральные характеристики отражения и пропускания, например экранирование теплового излучения.

Все преимущества изобретения обеспечивают изготовление диэлектрических многослойных зеркал или зеркальных покрытий, которые, с точки зрения формообразования, до сих пор были невозможны.

В отношении других предпочтительных выполнений и усовершенствований технического решения, согласно изобретению, следует сослаться на прилагаемую формулу изобретения.

В заключение следует особо подчеркнуть, что чисто произвольно взятый пример выполнения, например с 400 двойными слоями, служит лишь для пояснения технического решения, согласно изобретению, но не ограничивает его этим примером выполнения.

1. Способ изготовления диэлектрического многослойного зеркального покрытия, включающий в себя следующие этапы: изготовление, по меньшей мере, двух диэлектрических слоев заданных начальных толщин; расположение слоев друг на друге для образования пакета слоев; уменьшение толщины пакета слоев и тем самым толщин отдельных слоев посредством деформации пакета слоев с сохранением соотношения толщин или соотношений толщин слоев между собой, причем пакет слоев перед деформацией располагают между двумя несущими слоями и, по меньшей мере, один несущий слой образуют из нескольких отдельных слоев, отличающийся тем, что отдельные слои несущего слоя последовательно располагают каждый в конце процесса частичной деформации на предыдущем отдельном слое несущего слоя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отдельные слои несущего слоя последовательно наплавляют каждый в конце процесса частичной деформации на предыдущей отдельной слой несущего слоя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что начальные толщины, по меньшей мере, двух слоев разные.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один слой выполнен из стекла.

5. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один слой выполнен из пластика.

6. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, два слоя имеют разные показатели преломления.

7. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что из двух слоев изготовляют один двойной слой.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что, по меньшей мере, два двойных слоя штабелируют.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что оптическую толщину слоев от одного двойного слоя к другому варьируют.

10. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что расположение включает в себя штабелирование и/или намотку слоев.

11. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что несущие слои или отдельные слои выполняют из стекла.

12. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что слои после их расположения друг на друге соединяют сплавлением.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что сплавление осуществляют в вакууме.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что деформацию осуществляют посредством процесса прессования.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что деформацию осуществляют посредством процесса раскатки.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что деформацию осуществляют посредством процесса вытяжки.

17. Способ по одному из пп.1, 14-16, отличающийся тем, что деформацию осуществляют под действием тепла.

18. Способ по одному из пп.1, 14-16, отличающийся тем, что деформацию осуществляют без подвода дополнительного тепла.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что из деформированного пакета слоев изготовляют трубки или криволинейные стекла.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что пакет слоев располагают вблизи внутренней поверхности трубок или криволинейных стекол.

21. Способ по п.1, отличающийся тем, что многослойное зеркальное покрытие реализуют в рамках многослойного зеркала.

22. Способ по п.1, отличающийся тем, что многослойное зеркальное покрытие реализуют в рамках многослойного зеркального покрытия на основе.