Расчет и изготовление интерференционных покрытий для оптических систем с заданными цветовыми характеристиками

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.

I Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана комплексная программа расчета оптических и ф колориметрических параметров многолинзовых оптических систем с многослойными оптическими покрытиями.

2. 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.

3. 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.

4. Проведен анализ устойчивости колориметрических характеристик многослойных оптических покрытий в зависимости от конструкции и условий изготовления.

5. Проведен анализ спектральных и колориметрических характеристик цветных металл одиэлектрических зеркал различной конструкции. ф 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-, четырехи 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:

1. Комплексный метод расчета оптических и колориметрических параметров многослойных оптических покрытий и многолинзовых оптических систем.

2. Результаты исследования цветности многолинзовых оптических трубок для эндоскопов.

3. Методика расчета компенсирующих характеристик для снижения цветности оптических трубок для эндоскопов.

4. Методика выбора оптимальных конструкций просветляющих покрытий максимально приближенных к расчетным компенсирующим кривым.

5. Исследование устойчивости колориметрических параметров покрытий к конструкции и условиям изготовления.

6. Результаты исследования цветности металлодиэлектрических зеркал различной конструкции.

7. Разработанная технология изготовления оптических покрытий для систем с заданными параметрами цветности.

6. Результаты работы внедрены в производство и используются для изготовления серийных партий бесцветных оптических трубок, имеется акт о внедрении.

7. Проведены расчеты колориметрических параметров цветных зеркал и стекол, тонированных металлодиэлектрическими интерференционными покрытиями. Установлены зависимости цветности МДМ зеркал от конструкции, состава и условий освещения.

8. Методом магнетронного распыления в лабораторных условиях получены устойчивые к внешним воздействиям комплекты цветных МДМ зеркал. Разработанные покрытия рекомендованы для нанесения на крупногабаритные стекла на поточных линиях магнетронного распыления.

Заключение

.

В результате выполнения данной работы получены следующие основные результаты:

Проанализированы существующие методы компенсации цветности многолинзовых оптических систем с многослойными оптическими покрытиями. Выявлено, что существующие методы компенсации цветности просветляющими покрытиями сводятся либо к смещению коротковолновой границы пропускания покрытий, либо к нанесению покрытий на три длины волны с равным интервалом. Отмечается, что при этом не всегда удается получить бесцветные системы. Для съемочных объективов остаточную ® цветность дополнительно компенсируют составом приемников изображения.

При использовании медицинских эндоскопов приемником изображения является глаз человека, поэтому к компенсации цветности предъявляются повышенные требования. В связи с этим были разработаны:

1. Разработана комплексная программа расчета оптических и колориметрических характеристик многолинзовых оптических систем с многослойными интерференционными покрытиями.

2. Проведены расчеты и выполнен комплексный анализ оптических и колориметрических параметров многолинзовых оптических трубок для эндоскопов и определены основные критерии выбора и методика поиска.

• спектральных характеристик для снижения цветности различных конструкций оптических трубок.

3. Разработан аналитический метод расчета конструкции просветляющих покрытий, обеспечивающих наилучшее приближение к спектральной кривой с заданной цветностью.

4. Сочетанием графического и аналитического методов выполнены расчеты и получены конструкции просветляющих покрытий обеспечивающих бесцветность всех заданных конструкций оптических трубок.

5. Разработаны методы изготовления покрытий на основе равнотолщинных ахроматических покрытий, покрытий на основе эквивалентных слоев и покрытий на основе пленок из оптических стекол и керамики. Проведен анализ устойчивости колориметрических характеристик просветляющих покрытий для оптических трубок к конструкции и условиям изготовления.