Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Использование колориметрических методов для определения цветности многокомпонентных оптических систем 9
1.1. Колориметрический метод определения цвета 9
1.2. Коррекции цветности объективов просветляющими покрытиями 13
1.3. Преобразование между колориметрическими системами CIE XYZ (CIE xyz) и RGB 21
Выводы 25
ГЛАВА 2. Разработка комплексной программы расчета оптических и колориметрических характеристик многолинзовых оптических систем с многослойными просветляющими покрытиями 27
2.1. Программа для расчета оптических характеристик многослойных оптических покрытий «Аналист» 28
2.2. «Колориметрия» - приложение к программе «Аналист» для расчета и отображения колориметрических параметров рассчитанных или заданных объектов 32
2.3. «Конструктор» - приложение к программе «Аналист» для расчета итоговых характеристик многоэлементных оптических систем с многослойными интерференционными покрытиями 38
Выводы 42
ГЛАВА 3. Алгоритм определения спектральных характеристик компенсирующих цветность многолинзовых оптических систем заданной конструкции 43
3.1. Исследование цветности оптических трубок для эндоскопов 43
3.2. Графический метод определения компенсирующих спектральных характеристик для оптических трубок 53
Выводы 62
ГЛАВА 4. Аналитический метод расчета конструкции просветляющих покрытий многолинзовых оптических систем с установленными спектральными характеристиками 63
4.1. Алгоритм поиска оптимальной конструкции покрытий для обеспечения бесцветности сложной многокомпонентной оптической системы 63
4.2. Синтез покрытий, обеспечивающих наилучшее приближение к заданной спектральной кривой 68
4.3 Расчет компенсирующих покрытий сочетанием графического и аналитического методов 70
Выводы 81
ГЛАВА 5. Методы изготовления разработанных покрытий 82
5.1. Производственные условия изготовления 82
5.2. Получение пленок методом распыления мишеней автономным ионным пучком 86
5.3. Анализ устойчивости колориметрических характеристик
просветляющих покрытий для оптических трубок 93
Выводы 100
ГЛАВА 6. Расчет и изготовление оптических покрытий для цветного тонирования стекол и зеркал 101
6.1. Расчет колориметрических параметров зеркал 101
6.2. Экспериментальное изготовление цветных тонированных зеркал 124
Выводы 128
Заключение 129
Литература 131
- Преобразование между колориметрическими системами CIE XYZ (CIE xyz) и RGB
- «Колориметрия» - приложение к программе «Аналист» для расчета и отображения колориметрических параметров рассчитанных или заданных объектов
- Графический метод определения компенсирующих спектральных характеристик для оптических трубок
- Расчет компенсирующих покрытий сочетанием графического и аналитического методов
Введение к работе
Актуальность темы.
При проектировании и изготовлении оптических систем, работающих в видимой области спектра, часто требуются точные количественные оценки их цветовых параметров. Такие оценки необходимы как для оптических систем, обладающих цветностью, так и для бесцветных систем.
В настоящее время проблема получения бесцветных оптических систем встала перед оптическими фирмами в связи с бурным развитием медицинской техники, новых методов исследования, диагностики и лапароскопической хирургии. Создается новый класс медицинских эндоскопических приборов, содержащих десятки линз из оптических стекол. Искаженная цветопередача медицинских оптических трубок для эндоскопов может привести к ошибкам при диагностике заболевания, затруднить эндохирургическое лечение. Поэтому создание надежной методики расчета и изготовления многолинзовых оптических трубок для эндоскопов своевременно и актуально.
Не менее актуальна и другая задача: точная оценка колориметрических параметров различных видов оптических покрытий, обладающих цветностью, например, покрытий для цветного тонирования автомобильных стекол, энергосберегающих покрытий для оконных стекол, цветных тонированных зеркал. Отсутствие таких оценок может привести к значительному цветовому различию объектов, нарушению дизайна.
Для количественного измерения цвета Международной комиссией по освещению (МКО - CIE) рекомендованы основные стандарты и процедуры измерений, основанные на связи между спектральными характеристиками объекта и его цветовыми параметрами. Существенное влияние на цветовые параметры оптических систем, включающих элементы с оптическими покрытиями, оказывают спектральные характеристики используемых покрытий. Поэтому к конструкции оптических покрытий для таких систем
предъявляются особые требования. Во-первых, они должны формировать заданные оптические характеристики системы (пропускание, отражение, поляризацию). Во-вторых, соответствовать требованиям по цветности оптической системы (цветность или бесцветность, цветовые различия, цветовые допуски). В связи с этим целесообразна и актуальна разработка комплексного метода расчета конструкции покрытий, обеспечивающей заданные и оптические и цветовые характеристики. Знание цветности проектируемых изделий позволит предсказать приемлемость разрабатываемой конструкции, на стадии расчетов внести необходимые изменения. При комплексном подходе к расчету систем легче учесть требования практической реализации рассчитанных конструкций, воспроизводимости их характеристик с достаточной степенью точности.
В настоящей работе проведен системный анализ причин возникновения цветности многолинзовых оптических систем, проведены точные расчеты цветности трубок, цветности используемого просветления, и разработаны критерии ее оценки. Разработаны поэтапные методы снижения цветности оптических трубок для эндоскопов.
Для решения поставленной задачи создана комплексная программа расчета многослойных оптических покрытий «Аналист» с приложениями:
«Колориметрия» - для расчета и отображения цветовых характеристик оптических систем, «Конструктор» - для расчетов оптических характеристик многолинзовых оптических систем. Программа выполнена на современной вычислительной технике на языке программирования Borland Delphi 7.1.
Для расчета многослойных оптических покрытий использовались рекуррентные формулы, учитывающие многократные отражения в слоях. Выполненные расчеты позволили с высокой степенью точности оценить цветность различных конструкций трубок и разработать методы ее снижения.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработана комплексная программа расчета оптических и колориметрических параметров многолинзовых оптических систем с многослойными оптическими покрытиями.
Проведено комплексное исследование оптических и колориметрических характеристик многоэлементных оптических систем с многослойными интерференционными оптическими покрытиями. Установлены зависимости цветности многоэлементных оптических систем от оптических характеристик используемых стекол и конструкции просветляющих покрытий. Определены причины возникновения цветности многоэлементных оптических систем.
Разработан алгоритм определения спектральных характеристик компенсирующих цветность многолинзовых оптических систем заданной конструкции, и поиска оптимальной конструкции покрытий, обеспечивающих бесцветность системы, приближением к заданной спектральной кривой.
Проведен анализ устойчивости колориметрических характеристик многослойных оптических покрытий в зависимости от конструкции и условий изготовления.
Проведен анализ спектральных и колориметрических характеристик цветных металлодиэлектрических зеркал различной конструкции. Определены зависимости цветовых характеристик зеркал от конструкции, состава и условий изготовления.
Практическая значимость работы заключается в следующем: Разработана комплексная программа расчета многослойных
оптических покрытий и систем «Аналист» с приложениями «Колориметрия»
и «Конструктор».
Разработана методика коррекции координат цветности для адекватного
отображения цвета на экране монитора.
Разработан поэтапный метод снижения цветности многолинзовых оптических трубок для эндоскопов.
Разработаны технологические рекомендации по изготовлению компенсирующих просветляющих покрытий в производственных условиях.
Методом распыления автономным ионным пучком получены пленки из оптических стекол и керамики, что значительно расширяет ассортимент пленкообразующих материалов в оптической технологии.
Приведены колориметрические параметры цветных зеркал на основе трехслойных интерференционных систем в различных колориметрических системах и условиях освещения.
Методом магнетронного распыления получены экспериментальные образцы цветных тонированных зеркал и стекол с цветностью близкой к расчетной.
Результаты работы внедрены в производство на фирме ОАО «Оптимед», имеется акт о внедрении. По выданным технологическим рекомендациям в производственных условиях на отечественном оборудовании изготовлены серийные партии бесцветных многолинзовых оптических трубок для эндоскопов различных конструкций, содержащих более 40 просветленных поверхностей с характеристиками согласно расчетным.
Диссертация состоит из 6 глав. В первой главе проведен анализ принятых в настоящее время методов описания цветности и методов ее снижения. Особое внимание уделено наиболее близкой к теме нашего исследования задаче снижения цветности съемочных и проекционных объективов. Вторая глава посвящена описанию возможностей разработанной комплексной программы для расчета оптических характеристик многослойных интерференционных слоев «Аналист» с приложениями «Колориметрия», для расчета и отображения в различных цветовых системах рассчитанных оптических покрытий и многолинзовых оптических систем, и «Конструктор» для расчета итоговых характеристик оптических систем с
оптическими покрытиями. В третьей главе представлены рассчитанные колориметрические показатели цветности внутреннего пропускания стекол линз для разных конструкций трубок и цветности различных видов просветляющих покрытий, обычно используемых в оптической технологии. Описан разработанный наглядный графический метод снижения цветности трубок, результаты которого могут быть положены в основу аналитического метода расчета. Определены критерии оценки результатов расчетов. Четвертая глава посвящена разработке алгоритмов расчета оптимальной компенсирующей характеристики для обеспечения бесцветности трубок заданной конструкции и синтеза соответствующих просветляющих покрытий. На основе сочетания графического и аналитического методов выполнены соответствующие расчеты, результаты которых представлены в виде таблиц и графиков. В пятой главе представлены методы изготовления рассчитанных конструкций просветляющих покрытий. Это традиционные вакуумные методы нанесения покрытий на вакуумном участке фирмы «Оптимед» на основе трех-, четырех- и пятислойных ахроматических покрытий. Нанесение покрытий на основе эквивалентных слоев производилось на вакуумном участке фирмы ЛОМО. В лабораторных условиях ВНЦ ГОИ им. С.И.Вавилова производилось нанесение покрытий методом распыления автономным ионным пучком мишеней из оптических стекол и керамики. Шестая глава посвящена новому применению разработанной комплексной программы и методики расчетов. Показана ее приемлемость для оценки цветовых параметров цветных тонированных стекол и зеркал. Приведены расчеты оптических и колориметрических параметров металлодиэлектрических интерференционных покрытий для цветного тонирования стекол и зеркал. Приведены зависимости цветовых параметров покрытий от конструкции, условий изготовления и применяемых материалов. Полученные результаты работы могут использоваться при изготовлении устойчивых к внешним условиям цветных зеркал на поточных линиях магнетронного распыления.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Комплексный метод расчета оптических и колориметрических параметров многослойных оптических покрытий и многолинзовых оптических систем.
Результаты исследования цветности многолинзовых оптических трубок для эндоскопов.
Методика расчета компенсирующих характеристик для снижения цветности оптических трубок для эндоскопов.
Методика выбора оптимальных конструкций просветляющих покрытий максимально приближенных к расчетным компенсирующим кривым.
Исследование устойчивости колориметрических параметров покрытий к конструкции и условиям изготовления.
Результаты исследования цветности металлодиэлектрических зеркал различной конструкции.
Разработанная технология изготовления оптических покрытий для систем с заданными параметрами цветности.
Преобразование между колориметрическими системами CIE XYZ (CIE xyz) и RGB
Поскольку вторая цифра избыток зеленого, а третья - избыток красного по сравнению с синим (первая цифра), это означает, что объектив обладает повышенной желтизной.
В ГОСТе даны рекомендации по выбору просветляющих покрытий и корректировке цветности объектива. Для просветления рекомендуется сочетание неахроматических и ахроматических просветляющих покрытий. Все поверхности с неахроматическим просветлением делят на три равные части и задают для каждой из них Хо = 450, 520 и 560 нм. Для поверхностей с ахроматическим просветлением задают XQ = 500 нм. Затем производят расчет цветности просветленного объектива. Если полученная цветность отличается от требуемой цветности по стандарту, то расчет повторяют, последовательно изменяя значения XQ на отдельных поверхностях с неахроматическим просветлением и смещая 0 Для ахроматических покрытий. Как правило, увеличение о приводит к убыванию RB и возрастанию RR , а уменьшение А,0 -к возрастанию RB И уменьшению RR. Выбор сочетаний просветляющих покрытий из условия получения заданной формулы цветности может привести к значительному снижению общего пропускания объектива и, как следствие, к увеличению доли рассеянного цвета. Если не удается получить требуемую цветность объектива, то меняют либо конструкции просветляющих покрытий, либо оптическую схему объектива. При выборе просветляющих покрытий следует учитывать не только их оптические характеристики, но и технологические возможности изготовления рассчитанных конструкций покрытий, наличие необходимых материалов, оборудования и т.п.
В работе [30] проведено сравнение цветности различных зарубежных и отечественных объективов, определенной по старому и новому нормативу. Установлено, что если объектив по цветности соответствовал старым нормативам, то он соответствует и новым. В то же время некоторые из объективов, которые не отвечали требованиям старого стандарта, по новому стандарту будут считаться удовлетворительными. Поэтому на практике пробные оценки цветности при конструировании оптической схемы объектива предпочитают делать по старым нормативам [17, 28], как более простым.
Как следует из представленных данных, средний стандартный съемочный объектив, цветность которого соответствует формуле цветности по старому и новому нормативу, обладает некоторой желтизной. На практике невозможно создать объектив, особенно с большим числом линз, который бы не имел избирательного поглощения. Однако это не так важно. Поскольку приемником излучения является цветная пленка или бумага, то при её изготовлении производится балансирование цветовых слоев применительно к окрашенности объективов. Поэтому задача стандартизации цветности объективов сводится к некоторой фиксации цветовых характеристик объективов, исходя из характеристик среднего стандартного съемочного объектива. Очевидно, что при изменении приемника излучения следует менять и нормативы допустимой цветности объективов. Действительно, когда приемником изображения является глаз человека, представленные выше нормативы цветности неприемлемы.
Нормой оценки цветности диапроекционных или кинопроекционных объективов, когда приемником излучения становится глаз человека, служит величина, выраженная в порогах цветоразличения [1, 5, 30]. Диапроекционный объектив считается удовлетворительным по цветопередаче, если отклонение координат цветности излучения эталонного источника А, прошедшего через объектив, не превышает 0.5 порога при цветовом тоне 573-580 нм от координат цветности излучения источника А [3]. Цветовой тон объектива определяют расчетным путем или графическим методом по равноконтрастному цветовому графику Джадда.
Кинопроекционные объективы по цветопередаче делятся на две группы [31]. Первая группа допускает отклонение координат цветности объективов от координат цветности излучения источника А не более 0.5 порога, вторая - от 0.5 до 1 порога при цветовом тоне 560-580 нм. В ГОСТе 3840-79 определены требования к просветляющим покрытиям лишь по механической прочности (протирка салфеткой без повреждений) и термической (+120С до -50С). Но с учетом того, что при корректировке цветопередачи просветляющими покрытиями возможно значительное снижение общего светопропускания, задаются требования по коэффициенту пропускания объективов. При количестве поверхностей воздух - стекло 4-6 коэффициент пропускания не должен быть менее 90 %. При 8 - 10 поверхностях — не менее 82 %, При 12 - 16 - не менее 75 %.
Таким образом, из представленных выше материалов следует, что для обеспечения бесцветности многолинзовых оптических систем необходимо решение совокупности теоретических и практических задач по расчету, подбору и технологической проработки выбранных конструкций оптических схем и оптических покрытий. Задача преобразования из цветового пространства CIE xyz в цветовое пространство RGB возникла из-за необходимости наглядного представления цвета рассчитанных оптических систем. В большинстве компьютерных приложений цвет задается в трехкомпонентных системах, например, в RGB, HLS или HSV. Происхождение таких цветовых пространств связано с механизмами восприятия цвета человеком, и эти пространства относительно прямолинейно воспроизводятся в технологиях вывода цветных изображений на дисплей и цветовой печати. В программном интерфейсе языка программирования Borland Delphi для вывода цвета на экран монитора предусмотрена специальная функция, которая использует систему цветности RGB, с координатами цвета R, G, В которые могут принимать значения от 0 до 255. Необходимо отметить, что прежде чем данный цвет будет выведен на экран, будут применены пользовательские настройки монитора, карты вывода изображения и операционной системы. Таким образом, для правильного отображения цвета устройство вывода должно быть откалибровано в соответствии с документацией, прилагаемой к устройству. В большинстве случаев это сводится к установке драйвера и цветового профиля устройства в операционной системе и настройке монитора. Для большинства современных устройств вывода изображений указаны следующие параметры: первичные цвета красного, зеленого и синего в координатах колориметрической системы CIE - xr, xg, Хь, yr, yg, Уь; координаты точки белого цвета (Illuminant White) xw, yw; гамма (Gun/Phosphor Gamma) компенсация черной точки (Black Point Compensation или Black Level Offset). Именно с помощью этих параметров возможно решение задачи преобразования из цветового пространства XYZ в RGB.
«Колориметрия» - приложение к программе «Аналист» для расчета и отображения колориметрических параметров рассчитанных или заданных объектов
Как уже отмечалось, световые потери, возникающие при прохождении света через оптическую систему, можно разделить на потери, вызванные поглощением, рассеянием и отражением светового пучка на границе стекло-воздух. Потери на поглощение состоят из потерь в тонких пленках оптической системы и потерь в толще стекла. Потери на поглощение в слоях оптической системы практически сводятся к нулю путем выбора непоглощающих или слабопоглощающих пленкообразующих материалов. Поглощение в толще стекла характеризуется показателем ослабления в спектральной области 220 - 3500 нм [34]. По этому параметру стекла делятся на восемь категорий. На практике потери света в стекле вследствие поглощения часто характеризуют коэффициентом внутреннего пропускания для источника А стекла заданной толщины. В настоящее время в каталогах оптического стекла приводятся значения коэффициента внутреннего пропускания для стекол четвертой категории различной толщины (5, 12, 27, 100 мм). Снижение поглощения в стекле возможно лишь на ограниченном участке области спектра, главным образом, за счет использования особо чистых шихтных материалов, что существенно повышает стоимость стекла. Основной вклад в величину световых потерь вносят потери на отражение. Чем больше свободных поверхностей линз в конструкции оптической системы и чем выше показатель преломления используемых стекол, тем больше эти потери. Снижение потерь на отражение производится просветлением свободных оптических поверхностей линз, что обуславливает также снижение потерь на рассеяние света, возникающее вследствие вторичных рефлексов. В общем случае поглощение, остаточное отражение и рассеяние являются функциями длины волны света, что создает определенное распределение пропускания света в оптической системе по спектру и вызывает окрашенность света, проходящего через эту систему.
Проведенный нами анализ зависимости цветности трубок от оптических характеристик стекол и различных конструкций просветляющих покрытий выявил следующие закономерности. Было установлено, что изначально, основной причиной появления цветности трубок является избирательное поглощение используемых стекол. При этом интенсивность окрашенности связана как с конструктивными особенностями трубок -количеством линз, их толщиной, так и с оптическими параметрами используемых стекол. Для одной и той же конструкции трубки ее окрашенность будет разной при использовании стекол разной категории, отечественных или импортных. Ниже представлены расчеты цветности восьми разных конструкций трубок, обусловленные внутренним поглощением стекол для излучений источника А и D65 (Таблица 2).
Из данных таблицы следует, что интенсивность окрашенности трубок во многом определяется количеством используемого стекла (его толщиной) а также его качеством. Так трубки из отечественного стекла 4 категории (№3, 7, 8), имеющие общую толщину стекла менее 80 мм, изначально имеют удовлетворительные показатели по цветности (а,Ь 3,3), в том случае, если качество стекла будет соответствовать данным каталога. Трубка № 1, общей толщиной стекла 155 мм, в случае использования импортного стекла, также достаточно бесцветна. Все остальные трубки изначально имеют явную окрашенность, в основном, желтого цвета (Ь 4), На Рис. 8 представлены наиболее типичные спектральные характеристики суммарного внутреннего пропускания стекол для выбранных конструкций трубок.
При сравнении формы кривых с данными по цветности (Таблица 2), следует, что чем более гладкую форму имеет спектральное пропускание, тем меньше цветность. Поэтому оценка гладкости спектральной кривой имеет значение. Будем считать форму кривой гладкой, при отклонениях пропускания в пределах 1 - 3 %. Очевидно, что из представленных кривых гладкую форму имеет только кривая 3, а абсолютно бесцветной будет трубка, спектральное пропускание которой - константа (прямая линия). 3.1.2. Цветность просветления.
Очевидно, что основным требованием, предъявляемым к оптическим характеристикам просветляющих покрытий для трубок, является минимальное значение коэффициента отражения в достаточно широком диапазоне видимой области спектра. Традиционно просветляющие покрытия характеризуются спектральной кривой остаточного отражения, в то время как для расчета цветности нами используется спектральное пропускание покрытий. По форме просветляющие покрытия можно условно разделить на три вида. Это монотонные гладкие кривые, имеющие ровное значение минимального отражения в достаточно широкой области спектра. Однопиковые кривые, имеющие в середине просветляемого диапазона один максимум отражения и два минимума по краям. И двухпиковые кривые, имеющие два максимума и три минимума отражения в зоне просветления. Каждая форма спектральной кривой характерна для определенных значений показателей преломления стекла и соответствующих конструкций просветляющих покрытий. Остаточное отражение покрытий зависит от их конструкции и составляет величину менее 0,5%.
Для решения задачи нам нужно найти конструкции просветляющих покрытий определенной формы из широкополосных просветляющих покрытий. В настоящее время широкополосные просветляющие покрытия по конструкции условно делят на равнотолщинные, когда оптические толщины слоев кратны четверти длины волны, и неравнотолщинные, с различными значениями оптической толщины слоев. Неравнотолщинные покрытия, использующие в конструкции эквивалентные слои, как правило, имеют монотонную форму спектральной кривой. Число слоев в конструкции неравнотолщинных покрытий определяется требованиями к спектральной характеристике. С увеличением числа слоев происходит снижение остаточного отражения, но возникают трудности с реализацией покрытия. В видимой области спектра для получения остаточного отражения 0,1 - 0,2 % достаточно использовать четырех-, пятислоиные конструкции неравнотолщинных покрытий.
Из равнотолщинных конструкций для ахроматического просветления используются трех-, четырех- и пятислоиные конструкции просветляющих покрытий. При этом следует учитывать форму спектральной кривой: монотонная (характерна для стекол с n = 1.5-1.6); однопиковая (характерна для стекол с п = 1.6-1.7); и двухпиковая (характерна для стекол с n = 1.7-1.8). На Рис. 9 представлены наиболее типичные формы кривых спектрального отражения трехслойных ахроматических просветляющих покрытий на стекле К8 (1), ТК14 (3), СТК-19 (4) и просветление эквивалентными слоями стекла ТК16(2).
Графический метод определения компенсирующих спектральных характеристик для оптических трубок
Ионный источник закрепляется через переходник на верхнем фланце вакуумной камеры. По центру установки размещается водоохлаждаемый вращающийся металлический держатель для крепления 3-х плоских распыляемых мишеней диаметром до 100 мм под заданным углом к ионному пучку.
Вакуумная камера откачивается до остаточного давления 5.10 7 тор. В камеру ионного источника через натекатель подается инертный газ до давления порядка 5.Ю-4 тор. За счет дифференцированной откачки внутри вакуумной камеры в это время создается давление 5.10-5 тор. Более высокие давления рабочего газа нами не использовались, так как это могло бы привести к повышенному газонасыщению пленок. Для увеличения эффективности ионизации на разрядный промежуток источника накладывается магнитное поле, заставляющее электроны двигаться по циклоидальным траекториям. Разряд, создаваемый в области между вольфрамовым термокатодом и окружающим его цилиндрическим анодом вытягивается в вакуумную камеру через систему молибденовых сеток, обеспечивающую формирование ионного пучка с хорошей равномерностью плотности ионного тока. Для компенсации объемного заряда используется нейтрализатор, представляющий собой раскаленную вольфрамовую нить -эмиттер электронов. Таким образом, создается нейтрализованный ионный пучок. Подложка располагается сбоку от мишени вне зоны разряда.
Стабильность работы ионного источника определяется его рабочими характеристиками. Изучено влияние характеристик ионного источника на параметры процесса ионного распыления. Одной из основных характеристик технологического процесса ионного распыления является скорость распыления, которая зависит от параметров ионного источника - плотности ионного тока и энергии, которые, в свою очередь, зависят от характеристик разряда, определяющих режим работы ионного источника: напряжения разряда, тока разряда, величины индукции магнитного поля и рабочего давления.
Определены рабочие параметры ионного источника, величина и стабильность которых определяет величину и стабильность параметров ионного распыления материала образцов: зависимости энергии ионов аргона от напряжения разряда, давления и величины магнитного поля; зависимости равномерности плотности ионного тока от величины магнитного поля, напряжения и давления; зависимости тока пучка при различных расстояниях от источника до плоскости измерения для разных значений давления рабочего газа [72]. Установлены оптимальные режимы работы источника. Основными критериями, при этом, являются равномерность пучка и стабильность работы.
Обычный режим работы источника Кауфмана для нанесения пленок: ток накала на катоде - 21 А, напряжение накала -10 В, ток на аноде - 1 А, напряжение на аноде -34 В, напряжение на сетке - 130 В, напряжение разряда - 1 кВ, ток эмиссии - 110 мА, напряжение на нейтрализаторе - 36 В, ток на нейтрализаторе - 1.25 мА. В качестве мишеней использовались оптические стекла и керамические мишени. Определены типичные технологические зависимости процесса нанесения пленок методом распыления мишеней автономным ионным пучком: зависимость скорости распыления от энергии и угла падения ионов на мишень, от температуры мишени, от давления и состава рабочего газа.
Скорость осаждения пленок практически определяется только технологическими параметрами и при их стабилизации является постоянной величиной, что используется для расчета толщины пленок по времени нанесения. Скорости распыления различных материалов, распыляемых ионными пучками под углом, мало отличаются по величине, что и позволяет получать данным методом пленки материалов сложного состава. Обращают на себя внимание такие технологические возможности метода, как возможность ионной обработки подложек перед нанесением пленки, возможность послойной ионной обработки пленки в процессе изготовления, ионного полирования поверхности пленки после изготовления.
Как показали наши предыдущие исследования, обработка подложки ионным пучком создает благоприятные условия для улучшения зародышеобразования пленок и формирования мелкодисперсных структур [71]. Парообразная фаза напыляемого вещества не содержит макрочастиц, что, в отличие от вакуумного напыления, обеспечивает формирование бездефектных слоев.
Преимуществом метода является и то, что он обеспечивает хорошую равномерность при распылении мишеней сложного состава. Действительно, методом электронной спектроскопии для химических исследований (ЭСХА) и измерениями в области вакуумного ультрафиолета нами получено экспериментальное подтверждение тому, что состав осажденных пленок близок к составу распыляемых мишеней. В качестве мишеней использовались оптические стекла различных марок: КУ-2, К-8, БК, ТК, СТК и другие.
Установлено, что пленки всех стекол, полученные распылением стекол соответствующих марок, имеют более высокий показатель преломления, чем исходный материал [73]. Это позволило использовать методы интегральной оптики для точного определения полученных показателей преломления пленок [73, 75-80]. В таблице представлены значения показателей преломления пленок, полученных распылением ионным пучком в аргоне и в смеси аргон-кислород в соотношении 4:1. (Таблица 12)
Расчет компенсирующих покрытий сочетанием графического и аналитического методов
Основные исследования были направлены на изучение влияния конструкции и состава покрытий на цветовое различие ДЕ, поскольку оно характеризует стабильность цвета при отклонениях в толщине покрытий.
Первый цвет зеркала, с самым тонким средним слоем, имеющего максимум отражения на X = 365 нм - фиолетовый. С увеличением толщины среднего слоя появляется очень широко представленная гамма ярко синих цветов. Однако цветовые различия между ними достаточно велики, даже при незначительном изменении толщины среднего слоя, что объясняется узостью и высокой крутизной функции сложения синего цвета. Величина цветового различия при изменении толщины среднего слоя всего на 5 нм составляет 30, а при Ad = 10 нм АЕ 60.
Самые малые цветовые различия наблюдаются для зеркал первого порядка желтого цвета. Например, АЕ 2 при Ad = 5 нм; АЕ 4-6 при Ad = 10 нм. Практически такое же цветовое различие наблюдается между зеркалами зеленовато-желтого цвета.
С увеличением порядка фильтров цветовые различия между зеркалами уменьшаются. Например, для зеркал зеленого цвета, содержащих фильтры 3-4 порядков АЕ 2-4 при Ad = 5 нм. Небольшое цветовое различие наблюдается между зеркалами розово-сиреневой гаммы: АЕ 3-6 для зеркал (1-5) -го порядка. Следует отметить, что визуально различие АЕ (4-5) для зеркал с достаточно насыщенным цветом практически не заметно, что можно объяснить некоторой условностью используемых цветовых систем. Так, для последних двух пар зеркал, представленные цветовые различия рассчитаны для системы МКО 1931г. В системе МКО 1964г. величина цветового различия этих же зеркал составляет величину (1-2) соответственно. Кроме того, эти цветовые различия проявляются на фоне высокой интенсивности отражения и за счет изменения величины отражения, при неизменных параметрах х и у, т.е. цветовой тон остается прежним. Снижение величины цветового различия для зеркал, имеющих в видимом диапазоне несколько порядков интерференции, представляет большой практический интерес, так как дает возможность снизить требования к точности нанесения среднего слоя. Например, практически не различимый розово-сиреневый цвет получен для зеркал с толщиной среднего слоя 560-590 нм (Ad = 30), содержащих фильтры 3-5-го порядков в видимой области спектра. В то время как для зеркал с фильтрами 2-3-го порядков, сохранение цвета гарантируется лишь до Ad = 1 Онм. Для зеркал зеленого цвета, даже для зеркал с фильтрами 3-4-го порядков полоса идентичности цвета очень узкая. Например, АЕ 2-4 при Ad = 5 нм и и увеличивается до АЕ 8 при изменении толщины среднего слоя на Ad = 10 нм. Для зеркала зеленого цвета 1-го порядка (к = 560 нм ) и зеркал 3-4-го порядков (Я, = 420 и 560 нм) АЕ 7. Величина показателя преломления среднего слоя практически не влияет на цветовые параметры зеркал, при условии сохранения оптической толщины слоя. На Рис. 24 показано спектральное отражение зеркал со средним слоем из материалов с показателями преломления от 1.38 до 2.36 и оптической толщиной (n d ) 490 нм. Как следует из представленных результатов форма спектральной кривой отражения, а, следовательно, и цветность зеркал практически не изменяется. Анализ полученных результатов по цветности зеркал для разных источников излучения показывает, что для зеркал, содержащих фильтры нескольких порядков характерно незначительное цветовое различие при освещении солнечным светом (В) и лампой накаливания (А) (АЕ 1.45). Обращает на себя внимание малое цветовое различие при освещении зеркал излучением А и В для зеркал желто-бронзовой гаммы 1-го порядка: АЕ (1 2). Снижение влияния источника освещения на цветность зеркал наблюдается и для зеркал 2-го порядка ярко-синего цвета. Например, для зеркала 2-го порядка АЕ = 2.77, в то время как для синего зеркала 1-го порядка АЕ = 17.9 при замене освещения солнечным светом на лампу накаливания. Аналогичные результаты получены для фиолетовых зеркал: АЕ = 14.27 для зеркала 1-го порядка интерференции и АЕ = 0.74 для зеркала 2-4-го порядков, т.е. цвет зеркала абсолютно не изменяется при изменении освещения.
Представленные выше результаты относятся к зеркалам с полупрозрачным слоем из алюминия. Характерной особенностью этих зеркал является большая величина полуширины (5А,), даже для фильтров высоких порядков интерференции. Это является достоинством при создании зеркал для начальных и конечных областей видимого спектрального диапазона и недостатком - при создании зеркал в средней части видимой области спектра, в которой сложно разделить зеленые и красные участки спектра. В связи с этим, было решено провести исследование возможности замены алюминия на другие металлы. Предпочтение было отдано титану и никелю. Как показали расчеты, полуширина (5А,) МДМ фильтров 1-го порядка для зеркал с полупрозрачным слоем из титана - 8Х. = 244 нм, из никеля - 5Я, = 246 нм. На Рис. 25 представлены спектральные характеристики отражения зеркал с полупрозрачным слоем из алюминия, титана и никеля толщиной 4 нм. и толщиной среднего слоя 540 нм. Эти характеристики иллюстрируют снижение полуширины фильтров 3-го порядка интерференции с SA, = 133 для зеркал с верхним слоем из алюминия до 8Х = 107 нм при использовании слоя из никеля и 5А- = 95 нм при верхнем слое из титана. Полуширина фильтров 4-го порядка интерференции составляет величину ЬХ = 90 нм, 6Л, = 61 нм и 5Х = 55 нм соответственно.
