Светопоглощающее покрытие

Полезная модель «Светопоглощающее покрытие» относится к области оптического приборостроения, а более конкретно, к оптическим покрытиям, характеризующимся высоким уровнем поглощения электромагнитного излучения, низким коэффициентом отражения в области поглощения, и может быть использована в оптико-электронных приборах для защиты матрицы изображений от паразитных световых засветок путем нанесения на бленды, металлические оправы, торцевые оптические поверхности оптических элементов светозащитного покрытия, способного свести фоновые блики к минимуму.

Сущность полезной модели состоит в том, что в предлагаемом покрытии, содержащем последовательно нанесенные на подложку (из стекла К8, К108, KB, ТФ5 и др.) чередующиеся металлические и диэлектрические слои, выбранные из соответствующего ряда металлов: Ti, Cr, Ni, Cu, и диоксидов: Al₂O₃, HfO₂, Nb ₂O₅, ZrO₂, TaO₅, TiO ₂, Ti₂O₃, Ti₃O₅ , Y₂O₃ и SiO₂, выполнены из разнотолщинных диэлектрических и металлических слоев с различными (низкими и высокими) показателями преломления, образующих структуру, в которой суммарная геометрическая толщина их не превышает одного микрометра, при этом толщина металлического слоя (t_B ) соответствует условию 4t_B120 нм, толщина диэлектрического слоя (t_H) - 17,6t_H110,7 нм, а соотношение толщин слоев удовлетворяет зависимостям:

t_2H/t_1B=(0,2÷0,8)·k;

t_4H/t_3B=(1÷4)·k;

t_6H/t_5B=(10÷25)·k,

где t_1B - толщина 1-го слоя с высоким показателем преломления (металла);

t_2H - толщина 2-го слоя с низким показателем преломления (диоксида);

1, 2, 3 - порядковые номера наносимых слоев;

k - коэффициент, определяющий рабочий диапазон светового поглощения (для k>1 - смещение в длинноволновую область оптического спектра; k<1 - смещение в коротковолновую область оптического спектра).

Технический результат выражается в расширении спектрального диапазона устройства и его применимости для работы с оптическими пучками в широком диапазоне их углов падения.

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а более конкретно, к оптическим покрытиям, характеризующимся высоким уровнем поглощения электромагнитного излучения, низким коэффициентом отражения в области поглощения, и может быть использована в оптико-электронных приборах для защиты матрицы изображений от паразитных световых засветок путем нанесения на бленды, металлические оправы, торцевые оптические поверхности оптических элементов светозащитного покрытия, способного свести фоновые блики к минимуму.

Известно устройство, поглощающее излучение видимого диапазона (см. «Журнал Технической Физики», 2002 г., том 72, выпуск 6, стр.67-72, И.З.Индутный, «Градиентные светопоглощающие покрытия SiOx-Me для дисплейных экранов»), которое представляет собой композицию, состоящую из слоя диэлектрического материала, например, оксида кремния SiO, содержащего наночастицы металла, например, титана, поглощающие излучение видимого диапазона. Покрытие получают термическим испарением на подложку механической смеси SiO+Ti в вакууме. Известное устройство характеризуется высоким уровнем поглощения излучения видимого диапазона.

Однако его недостатком является отсутствие возможности расширения границ спектрального диапазона поглощения, а также значительное френелевское отражение в видимом диапазоне спектра на границе раздела сред «покрытие-воздух» (порядка 4-10%).

Также известно устройство, описанное в патенте US 6335142, G02C 1/77, публ. 01.01.2002 г., выбранное в качестве прототипа. Оно представляет собой светопоглощающее покрытие, работающее в видимой и ближней ИК-области спектра, сформированное на подложке, включающее чередующиеся металлические «дисперсные» слои, поглощающие в указанном диапазоне длин волн и содержащие наночастицы металла, и диэлектрические слои, прозрачные в указанном спектральном диапазоне. Для усиления поглощения в состав данного покрытия вводят сплошной «толстый» слой металла. При этом входящие в состав покрытия диэлектрические слои, разделяющие «дисперсный» и сплошной слои металла, а также слой диэлектрика, граничащий с воздухом, предназначены для уменьшения коэффициента отражения многослойной системы. Ослабление излучения происходит в металлических слоях (как «дисперсном», так и сплошном), причем величина коэффициента поглощения дисперсного металлического слоя для всей спектральной области ослабления излучения меньше аналогичной величины «толстого» металла толщиной более 1 мкм. При этом в качестве подложки используют сапфир, а металлические слои могут быть выполнены из Ti, Ni, Cu, Cr, Ag, в том числе «толстые» и «тонкие» «дисперсные» слои - из Al, a диэлектрические - из Al ₂O₃, TiO₂ и др.

В известном устройстве «Светопоглощающее покрытие», выбранном в качестве прототипа, достаточно низкое остаточное отражение (порядка 1-2%), а поглощение более 95%.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности управления границами спектрального диапазона поглощения оптического излучения, поскольку для «толстого» слоя металла указанной конструкции ослабление излучения происходит в видимой и ближней ИК-областях спектра.

Задачей настоящей полезной модели является разработка оптимальной конструкции светопоглощающего покрытия с возможностью управления положением границ спектрального диапазона поглощения, с обеспечением высокого значения коэффициента поглощения (более 95%) и низкой величиной остаточного отражения (менее 2%) в широком рабочем спектральном диапазоне.

Задача решается за счет того, что в предлагаемом покрытии, содержащем последовательно нанесенные на подложку (из стекла К8, К108, KB, ТФ5 и др.) чередующиеся металлические и диэлектрические слои, выбранные из соответствующего ряда металлов: Ti, Cr, Ni, Cu, и диоксидов: Al₂O ₃, HfO₂, Nb₂O₅, ZrO ₂, TaO₅, TiO₂, Ti₂O ₃, Ti₃O₅, Y₂O₃ и SiO₂, выполнены из разнотолщинных диэлектрических и металлических слоев с различными (низкими и высокими) показателями преломления, образующих структуру, в которой суммарная геометрическая толщина их не превышает одного микрометра, при этом толщина металлического слоя (t_B) соответствует условию 4t_B120 нм, толщина диэлектрического слоя (t_H) - 17,6t_H110,7 нм, а соотношение толщин слоев удовлетворяет зависимостям:

t_2H/t_1B=(0,2÷0,8)·k;

t_4H/t_3B=(1÷4)·k;

t_6H/t_5B=(10÷25)·k,

где t_1B - толщина 1-го слоя с высоким показателем преломления (металла);

t_2H - толщина 2-го слоя с низким показателем преломления (диоксида);

1, 2, 3 - порядковые номера наносимых слоев;

k - коэффициент, определяющий смещение диапазона светового поглощения (для k>1 - смещение в длинноволновую область оптического спектра; k<1 - смещение в коротковолновую область оптического спектра).

Указанная последовательность нанесения металлических и диэлектрических слоев с учетом выбора материалов и их толщин обеспечивает эффективное ослабление падающего излучения за счет ослабляющей интерференции в многослойной структуре, характеризующейся высокой спектральной селективностью.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение спектрального диапазона устройства и его применимости для работы с оптическими пучками в широком диапазоне их углов падения.

Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена конструкция светопоглощающего покрытия, где 1 - подложка слоистой структуры (для подложек могут быть использованы стекло, стали, алюминий, латунь, медь и титан), и чередующиеся разнотолщинные металлические слои 2-2-2 и разнотолщинные диэлектрические слои 3-3-3 (в качестве металлических слоев используют титан, хром, никель, медь, а диэлектрических - SiO₂, ZrO₂ , Al₂O₃, Nb₂O₅, Ta ₂O₅, TiO₂, Ti₂O₃ , Ti₃O₅, Y₂O₃). Заключительный слой диоксида выполняет двойную функцию - снижает величину остаточного отражения и защищает многослойную пленочную структуру от воздействия влаги и механических повреждений.

На фиг.2 представлены расчетные спектральные характеристики для случаев применения различных поглощающих материалов (металлов) Rav=f(), где Rav - коэффициент отражения; - длина волны излучения.

На фиг.3 приведены спектральные зависимости R=f() рассчитанных светопоглощающих покрытий (подложка из стекла K8) для различных углов падения излучения (материал поглощающих слоев - Ti), где R - коэффициент отражения.

На фиг.4 даны измеренные спектральные характеристики коэффициента отражения =f() светопоглощающих покрытий, нанесенных на подложки из различных материалов с разной степенью подготовки поверхности (K_ярк - коэффициент яркости покрытия, Ra, Rz - шероховатость исходной поверхности подложки.)

Данное техническое решение реализуется методом электронно-лучевого испарения (ЭЛИ). Технология метода заключается в последовательном испарении пленкообразующих материалов - металлов и диэлектриков - в среде высокого вакуума порядка 10^-3 Па при температуре от 25 до 300°C и вращении подложки относительно испарителя, расстояние от которого до поверхности подложки устанавливается не менее 20 см. Контроль толщин наносимых слоев в процессе работы обеспечивается оптическим и кварцевым контролем. Это позволяет наносить на поверхность деталей тонкопленочную структуру, толщина слоев которой соизмерима с длиной волны излучения и составляет порядка десятков нанометров, благодаря чему достигаются заданные коэффициенты отражения.

В связи с тем, что наносимое на детали светопоглощающее покрытие обеспечивает изменение оптических характеристик рабочих поверхностей - снижение коэффициента отражения (коэффициента яркости) в заданной спектральной области, то его свойства должны быть управляемыми с точки зрения достижения заданных характеристик, для чего первоначально был проведен теоретический расчет спектральных характеристик светопоглощающих покрытий с минимальным значением интегрального коэффициента отражения (порядка 2%) с последующей их оптимизацией по толщинам и типам используемых материалов. На основании полученных результатов были изготовлены светопоглощающие покрытия различного состава и структуры, и по результатам их экспериментально-аналитических исследований эмпирически выбраны условия, зависимости, предельные значения толщин, обусловленные задачей достижения требуемого коэффициента отражения (поглощения) многослойной структуры.

Анализ представленных спектральных характеристик показывает, что различия в характере распределения спектрального коэффициента отражения для подложек из разных материалов минимальны и колеблются в пределах 1-3%, что подтверждает теоретические предпосылки.

Таким образом, предложенное устройство обладает управляемым рабочим спектральным диапазоном, при этом коэффициент поглощения составляет не менее 98%. Это обеспечивает возможность снижения коэффициентов отражения (яркости) излучения от поверхности с покрытием в десятки раз.

Кроме того, заявленную конструкцию светопоглощающего покрытия возможно использовать в энергетических отраслях промышленности для аккумулирования и передачи тепловой энергии.

Светопоглощающее покрытие, содержащее последовательно нанесенные на подложку чередующиеся металлические и диэлектрические слои, выбранные из соответствующего ряда металлов: Ti, Cr, Ni, Cu, и диоксидов: Al₂O₃, HfO₂, Nb ₂O₅, ZrO₂, TaO₅, TiO ₂, Ti₂O₃, Ti₃O₅ , Y₂O₃ и SiO₂, отличающееся тем, что покрытие выполнено из разнотолщинных диэлектрических и металлических слоев с различными (низкими и высокими) показателями преломления, образующих структуру, в которой суммарная геометрическая толщина их не превышает одного микрометра, при этом толщина металлического слоя (t_B) соответствует условию 4t_B120 нм, толщина диэлектрического слоя (t_H) - 17,6t_H110,7 нм, а соотношение толщин слоев удовлетворяет зависимостям:

t_2H/t_1B=(0,2÷0,8)·k;

t_4H/t_3B=(1÷4)·k;

t _6H/t_5B=(10÷25)·k,

где t _1B - толщина 1-го слоя с высоким показателем преломления (металла);

t_2H - толщина 2-го слоя с низким показателем преломления (диоксида);

1, 2, 3 - порядковые номера наносимых слоев;

k - коэффициент, определяющий рабочий диапазон светового поглощения (k=1 - видимая область спектрального диапазона излучения; k>1 - смещение в инфракрасную область оптического спектра; k<1 - смещение в ультрафиолетовую область оптического спектра).