DE60025554T2

DE60025554T2 - Optisches Element mit einer Spiegel-Oberflächenbeschichtung und Verfahren zur Herstellung dieser Beschichtung

Info

Publication number: DE60025554T2
Application number: DE60025554T
Authority: DE
Inventors: Marco Macchi; Sabrina Malnati
Original assignee: Sola International Pty Ltd
Current assignee: Carl Zeiss Vision Australia Holdings Ltd
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2000-07-07
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2020-07-08
Also published as: AU6756401A; ATE316251T1; US6794066B2; AU2001267564B2; EP1170602B1; DE60025554D1; WO2002004995A1; JP4796264B2; JP2004503798A; ES2255921T3; US20020181108A1; EP1170602A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element, das ein durchsichtiges Substrat aufweist, das mit einer oberflächlichen Spiegelbeschichtung versehen ist, und betrifft ein Verfahren zur Bildung dieser Beschichtung.
In der nachfolgenden Beschreibung und in den anhängenden Ansprüchen wird der Begriff "optisches Element" verwendet, um jegliches im Wesentlichen durchsichtiges Element anzugeben, das in der Lage ist, eine Durchsicht durch sich zu ermöglichen, wie beispielsweise Augen- und Nicht-Augenlinsen für Brillen, Blendschutzscheiben, Scheiben, Schutzschirme bzw. -schilde, etc.
In der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen wird der Begriff "durchsichtiges Substrat" verwendet, um jegliches durchsichtige Substrat anzugeben, gebildet aus Glas oder aus Kunststoff, insbesondere aus Polycarbonat oder Diethylglycol-bis-Allyl-Carbonat, das im Handel als CR 39^TM (PPG Industries. Inc.) erhältlich ist, wobei beide gewöhnlich für die Herstellung von Augen- und Nicht-Augen-Linsen für Brillen Verwendung finden.
Stand der Technik
Wie es in dem Feld von optischen Elementen und insbesondere bei Linsen für Brillen bekannt ist, ist eines der schwierigsten Probleme, das gelöst werden soll, das Schaffen einer oberflächlichen Spiegelbeschichtung, die gleichzeitig eine geeignete Haftung gegenüber dem Substrat, einen guten Widerstand gegenüber Abrieb, einen guten Reflektionsgrad, eine geringe optische Dichte und, schließlich eine ästhetisch gefällige Farbe aufweist.
Gemäß der Lehre des Standes der Technik werden die gewünschten Eigenschaften des Färbens und Spiegelns des optischen Elements durch Bilden einer Schicht erhalten, die wenigstens zwei Schichten von geeigneten Materialien auf dem durchsichtigen Substrat des optischen Elements umfasst.
Im Falle einer Spiegelbeschichtung bestehend aus nur zwei Schichten – welche heutzutage, aufgrund ihrer geringen Kosten, auf dem Markt die am meisten verbreitete ist – wobei jede Schicht eine oder mehrere spezifische Funktionen hat.
Die erste Schicht, die allgemein aus Chrom oder Aluminium besteht, übt tatsächlich beide Funktionen des Anhaftens der Schicht an dem Substrat und des ebenmäßigen Reflektierens des Lichts in dem sichtbaren Spektrum (400–700 nm) aus.
Die zweite Schicht, die allgemein aus Siliciumoxid besteht, übt auf der anderen Seite sowohl die Funktion, der Linse die gewünschte Farbe zu verleihen, als auch der Beschichtung einen gewissen Widerstand gegenüber Abrieb zu verleihen.
Die für die Herstellung dieser gering kostenden Zweischicht-Beschichtungen verwendeten Technologien sind jene des physikalischen Dampfablagerns, oder PVD, basierend auf einem thermischen Verdampfungsmechanismus, wobei die Erhitzung des zu verdampfenden Materials im Wesentlichen durch den Joule-Effekt ausgeführt wird.
Obwohl zweischichtige Spiegelbeschichtungen der bekannten Art im Wesentlichen den Zweck erfüllen und vernünftige Kosten haben, weisen sie dennoch den Nachteil auf, dass sie Eigenschaften des Anhaftens an dem Substrat und des Widerstands gegenüber Abrieb haben, die nicht vollständig zufriedenstellend sind.
Auf dem Gebiet der Vorderflächenspiegel, wurde durch die Europäische Patentanmeldung EP 0 456 488 dargestellt, einen monolithischen oder Flächenspiegel herzustellen, mit einem Substrat, einer Metallschicht, einer ersten dielektrischen Schicht und einer zweiten dielektrischen Schicht. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Metallfilm auf ein Substrat aufgebracht und danach eine dielektrische Schicht mit niederem Brechungsindex auf die Metallschicht aufgebracht, gefolgt von einer dielektrischen Schicht mit hohem Brechungsindex.
Zusammenfassung der Erfindung
Demzufolge ist das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem, das Schaffen eines optischen Elements, das eine oberflächliche Spiegelbeschichtung aufweist, die ermöglicht, verbesserte Eigenschaften des Anhaftens an dem Substrat und des Widerstands gegenüber Abrieb gegenüber jenen der zweischichtigen Beschichtungen des Standes der Technik zu erreichen, die derzeit auf dem Markt sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise herausgefunden, dass die gewünschte Verbesserung der Eigenschaften des Anhaftens und des Abriebwiderstands der Spiegelbeschichtung durch die Verwirklichung der Beschichtung mit einer neuen Kombination von Schichten von geeigneten Materialien erreicht wird.
Demzufolge schafft die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt von ihr ein im Wesentlichen durchsichtiges optisches Element, mit einer oberflächlichen Spiegelbeschichtung, wie es in dem beigefügten Anspruch 1 definiert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Spiegelbeschichtung der vorliegenden Erfindung eine Folge von drei übereinander gesetzten Schichten auf, bestehend aus einem ersten Material, das hauptsächlich dazu dient, die Funktion des Anhaftens an dem Substrat auszuüben; einem zweiten Material, das hauptsächlich dazu dient, die Funktion der Reflektion, d.h. der Spiegelung auszuüben; und aus einem dritten Material, das hauptsächlich dazu dient, die Funktion des Verleihens der gewünschten Farbe und optional, der Schicht des gewünschten Widerstand gegenüber Abrieb zu verleihen.
Vorteilhafterweise ist es dank der Kombination der Schichten auch möglich, einen größeren Bereich von Farben und eine größere Verschiedenheit von Schattierungen zu erreichen bezogen auf jene, die mit den herkömmlichen Zweischicht-Beschichtungen erreichbar sind.
Das spiegelbeschichtete Substrat der Erfindung kann auch leichter gereinigt werden als die Zweischicht-Beschichtungen des bekannten Typs. Dieses vorteilhafte Merkmal kann der niedrigeren Oberflächenrauheit der erfindungsgemäßen Beschichtung zugeschrieben werden.
Vorteilhafterweise bietet die Spiegelbeschichtung der vorliegenden Erfindung eine größere Durchlässigkeit bezogen auf jene der Zweischicht-Beschichtungen, was ermöglicht, dunkle Substrate auf breitere und flexiblere Weise bezüglich jener des Standes der Technik zu beschichten, wobei sie in die minimalen möglichen Durchsichtigkeitsgrenzen fällt, die von den anwendbaren Standards gefordert werden. Dieser Vorteil wird in dem Fall von Linsen für Sonnenbrillen besonders geschätzt, da es möglich ist, den Farbenbereich der Linsen zu erweitern, in Übereinstimmung, zur gleichen Zeit, mit der minimalen Durchlässigkeitsgrenze der beschichteten Linse, wobei diese Grenze für den Fall des Tragens beim Fahren von Kraftfahrzeugen vorgesehen ist, und die auf 8% durch die Normen EN 1836, ANSI Z80.3 und AS 1067.1 festgelegt ist.
Vorteilhafterweise ermöglicht die geringere Steifheit der Beschichtung, dass bessere Anhafteigenschaften an dem Substrat erreicht werden, stets unter Bezugnahme auf jene, die die Zweischicht-Beschichtungen von vergleichbaren Kosten besitzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform, und wie es sich noch besser nachfolgend ergibt, kann das optische Element der Erfindung bei vernünftigen Kosten hergestellt werden, unter Verwendung der Ausrüstung und der Technologie des Dampfaufbringens, das bisher verwendet wird, zur Bildung der vorgenannten Zweischicht-Beschichtungen.
Vorzugsweise weist die Schicht, die das erste Material umfasst, eine Dicke zwischen 0,5 und 5 nm und meist bevorzugt zwischen 0,5 und 2 nm auf. Für die Zwecke der Erfindung wird das erste Material vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die umfasst: Cr, Ti, SiO, SiO₂, In₂O₃, SnO₂ und Mischungen davon. Unter ihnen ist Chrom besonders bevorzugt.
Vorzugsweise weist die Schicht, die das zweite Material umfasst, eine Dicke zwischen 3 und 80 nm und besonders bevorzugt zwischen 8 und 50 nm auf. Für die Zwecke der Erfindung wird das zweite Material vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, die umfasst: Cr_xO_y, TiO₂, ZnSe, ZnS und Mischungen davon, wobei x eine Zahl zwischen 1 und 2 und y eine Zahl zwischen 1 und 3 ist. Unter ihnen ist Cr₂O₃ besonders bevorzugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Material einen Brechungsindex zwischen 1,7 und 2,7 auf. Bevorzugter beträgt der Brechungsindex des zweiten Materials zwischen 1,9 und 2,4.
In der vorliegenden Beschreibung sind die Brechungsindizes der verschiedenen Materialien beabsichtigt als Indizes, die bei den Wellenlängen gemessen werden, bei denen die entsprechenden Materialien durchsichtig oder nur schwach absorbierend sind.
Vorzugsweise weist die Schicht, die das dritte Material umfasst, eine Dicke zwischen 5 und 400 nm auf und besonders bevorzugt zwischen 10 und 200 nm auf. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird das dritte Material vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, mit: SiO, SiO₂, MgF₂, Na₅Al₃F₁₄ und Mischungen davon.
Vorzugsweise weist das dritte Material einen Brechungsindex zwischen 1,32 und 1,8 und besonders bevorzugt zwischen 1,4 und 1,7 auf.
Vorzugsweise besteht das Substrat im Wesentlichen aus einem durchsichtigen Element aus Glas oder Kunststoff, mit einem Brechungsindex bei 500 nm zwischen 1,38 und 1,75.
Wenn das Substrat aus Kunststoff gebildet ist, kann es mit einem Polysiloxanharz oder einem anderen geeigneten Material beschichtet werden, das die doppelte Funktion des Verleihens dem fertigen Produkt von kratzfesten Eigenschaften und des Erhöhens des Anhaftungsgrades der Spiegelbeschichtung an demselben Substrat aufweist.
Zu den Zwecken der Erfindung wird der Kunststoff vorzugsweise gewählt aus der Gruppe mit: acryl-basierten Polymeren und Copolymeren, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyol-Allyl-Carbonaten, Celluloseester, Polyacrylaten, Styropor, Polyurethane.
Unter ihnen sind ein Acryl-basiertes Copolymer, im Handel erhältlich als Spectralite^TM (Sola Optical), ein Diethylenglycol-bis-Allyl-Carbonat, im Handel erhältlich als CR 39^TM (PPG Industries Inc.), und Polycarbonat, allgemein verwendet zum Herstellen von Augen- und Nicht-Augen-Linsen für Brillen, bevorzugt.
Vorzugsweise wird das optische Element in der Form von Linsen oder Blendschutzscheiben für Brillen, oder in der Form von Scheiben oder Schutzschirmen hergestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung schafft die vorliegende Erfindung ein Verfah ren zum Ausbilden einer oberflächlichen Spiegelbeschichtung auf einem transparenten Substrat eines optischen Elements, wie es in dem angehängten Patentanspruch 13 definiert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, wird die oberflächige Spiegelbeschichtung des Substrats gebildet mittels eines Verfahrens der physikalischen Dampfablagerung, das unter Verwendung einer gering kostenden Ausrüstung und Technologien ausgeführt wird, die allgemein beim Herstellen von zweischichtigen oberflächigen Spiegelbeschichtungen verwendet wird.
Der Anmelderin ist überraschenderweise aufgefallen, dass es vorteilhafterweise auf diesem Weg möglich ist, die gewünschten verbesserten Anhafteigenschaften bei Kosten zu erreichen, die vergleichbar sind zu jenen, die bisher durch die Verfahren zur Bildung von Zweischicht-Spiegelbeschichtungen erreicht wurden.
Tatsächlich, sogar unter Verwendung der gering kostenden Beschichtungsausrüstung und der Technologien, die allgemein beim Herstellen der zweischicht-oberflächigen Spiegelbeschichtungen gewöhnlich verwendet werden, ermöglicht das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Qualität der Spiegelung zu verbessern, die vergleichbar ist mit der Qualität der Vielschicht-Beschichtungen, die teurer sind und mit ausgefeilten Techniken erzeugt werden, wie jene, basierend auf der Verwendung von elektronischen Kanonen, jedoch gleichzeitig die Kosten zu begrenzen, wobei sie vergleichbar zu jenen der Zweischicht-Beschichtungen gehalten werden.
Darüber hinaus ermöglicht das bevorzugte Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung, die Produktivität gegenüber den Verfahren des Standes der Technik zu erhöhen, die für das Herstellen von Vielschicht-Beschichtungen verwendet werden, dank der reduzierten Verfahrenszeit dieser weniger ausgefeilten Ausrüstungen.
Die Beschichtungsausrüstung bzw. -gerätschaft der am meisten bevorzugten Verwendung umfasst insbesondere:

– eine abgedichtete Kammer, die mit einer äußeren Spule oder Wicklung zum Heizen/Kühlen derselben versehen ist,
– eine Haube, die als Träger für die Formlinge des optischen Elements dient, die beschichtet werden sollen,
– eine Mehrzahl von metallischen Schmelztiegeln, die geeigneterweise mit einer Stromquelle verbunden sind, die geeignet ist, die Schmelztiegel mittels des Joule-Effekts zu erhitzen, und dabei das Material, das auf das Substrat des optischen Elements, das darin aufgenommen ist, abzulagern,
– ein Vakuumsystem in Fluidverbindung mit der abgedichteten Kammer,
– eine Einstellvorrichtung zum Zuführen optionaler Reaktionsgase (beispielsweise Sauerstoff) und einer Ionenentladevorrichtung, zur Säuberung des zu beschichtenden Substrats.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schmelztiegel vorzugsweise aus Molybdän gebildet und sind an ihrer Oberseite mit einer entfernbaren Klappe versehen, die die Schmelztiegel schließt, bis das zu verdampfende Material die gewünschte Verdampfungstemperatur erreicht.
Vorzugsweise ist das Substrat in einer abgedichteten Kammer angeordnet, in der ein Vakuumgrad zwischen zwei 2·10^–5 e 1.5·10^–4 mbar erreicht ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren das Bilden einer Metallhaftschicht auf dem Substrat, gefolgt vom Ablagern einer Reflektionsschicht auf dieser Haftschicht, die im Wesentlichen aus einem Oxid aus demselben Metall oder, alternativ aus einem unterschiedlichen Metall besteht.
In dem vorhergehenden Fall ist es bevorzugt und vorteilhaft, die Reflektionsschicht durch Verdampfenden dieses Metalls in einer Sauerstoff enthaltenden Umgebung zu bilden, um so die gewünschte Oxidschicht "in situ" zu bilden, d.h. direkt auf der darunter liegenden Haftschicht.
Vorzugsweise ist die Reflektionsschicht in diesem Fall durch Einstellung der Ablagerungs rate des zweiten Materials auf dem Substrat in einem Bereich zwischen 0,05 und 0,15 nm/s gebildet.
Auf diese Weise ist es vorteilhafterweise möglich, eine Oxidschicht zu erhalten, die die gewünschte stöchiometrische Rate zwischen Metall und Sauerstoff aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung wird jeder Ablagerungsschritt des ersten, zweiten und dritten Materials durch Verdampfung ausgeführt und ist ein Vorheizschritt des entsprechenden Materials vorgeschaltet.
Herkömmlich sind die Vorheizschritte in der Lage, jedes Material auf eine Vorheiztemperatur in der Nähe der für die Durchführung der Verdampfung geeignetsten zu bringen und werden ausgeführt, während der entfernbare Deckel der Schmelztiegel in seiner Schließstellung gehalten ist.
Vorzugsweise werden sowohl die Vorheizschritte als auch die Verdampfungsschritte mittels des Joule-Effekts ausgeführt, um so eine Temperatur zu erreichen, die leicht von dem Durchschnittsfachmann bestimmt werden kann, die ermöglicht, die Ablagerung bei gewünschter Rate zu ermöglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Vorheizschritte ausgeführt, wenn die Schmelztiegel aus Molybdän gebildet sind, durch Zuführen zu ihnen eines Stroms, der einen Wert zwischen 200 und 290 A aufweist.
Noch weiter bevorzugt weist der Strom, der den Schmelztiegeln während der Vorheizschritte zugeführt wird, die folgenden Werte auf:

i) zwischen 330 A und 370 A, meist bevorzugt ungefähr gleich 350 A, wenn das erste Material vorgeheizt wird;
ii) zwischen 360 A und 400 A, meist bevorzugt ungefähr gleich 380 A, wenn das zweite Material vorgeheizt wird;
iii) zwischen 200 A und 240 A, meist bevorzugt ungefähr gleich 220 A, wenn das dritte Material vorgeheizt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Verdampfungsschritte durchgeführt, wenn die Schmelztiegel aus Molybdän sind, durch Zuführen eines Stromes zu ihnen, der einen Wert bevorzugt zwischen 280 und 400 A hat.
Noch weiter bevorzugt weist der zu den Schmelztiegeln während der Verdampfungsschritte zugeführte Strom die folgenden Werte auf:

i) zwischen 360 A und 400 A, meist bevorzugt ungefähr gleich 380 A, wenn das erste Material verdampft wird;
ii) zwischen 360 A und 400 A, meist bevorzugt ungefähr gleich 380 A, wenn das zweite Material verdampft wird;
iii) zwischen 270 A und 310 A, meist bevorzugt ungefähr gleich 290 A, wenn das dritte Material verdampft wird.

Vorzugsweise, unter Verwendung der Ausrüstung, die hier oben kurz beschrieben wurde, ist es möglich, das Beschichtungsverfahren der vorliegenden Erfindung in einer Gesamtzeit zwischen 15 und 25 Minuten durchzuführen.
Vorzugsweise wird diese Zeit auf die Hauptbetriebsschritte wie folgt aufgeteilt:

– Vakuumzeit: 8–10 min;
– Zeit zum Aktivieren der Oberfläche des Substrats: 3–5 min;
– Vorheizzeit des ersten Materials: ungefähr 180 s;
– Ablagerungszeit des ersten Materials: 2,5–10 s;
– Vorheizzeit des zweiten Materials: ungefähr 180 s;
– Ablagerungszeit des zweiten Materials: 40–300 s;
– Vorheizzeit des dritten Materials: um 180 s;
– Ablagerungszeit des dritten Materials: 7–300 s;
– Zeit zum Herstellen des Umgebungsdrucks: um 180 s.

In dieser bevorzugten Ausführungsform ist es, dank der relativ geringen fixen Kosten der Ausrüstung und der verringerten Verfahrenszeiten möglich, eine Spiegelbeschichtung auf dem optischen Element bei Kosten zu bilden, die in ihrer Gesamtheit vergleichbar sind mit jenen des optischen Elements, das mit einer Zweischicht-Beschichtung gemäß dem Stand der Technik versehen ist, wobei gleichzeitig die gewünschte Verbesserung der Eigenschaften des Anhaftens und des Abriebwiderstands der Beschichtung erreicht wird.
In der alternativen Ausführungsform ist es klar möglich, das erfindungsgemäße Verfahren durch Verwendung einer ausgefeilteren Ausrüstung beziehungsweise Anlage auszuführen, als jene, die allgemein für die Herstellung von Vielschicht-Beschichtungen verwendet wird, wodurch ebenfalls gute Resultate in Bezug auf den mechanischen Widerstand und des Anhaftens der Beschichtung an dem Substrat erreicht werden, jedoch zum Nachteil der Kosten des so erzeugten optischen Elements, welche in diesem Fall sehr viel höher sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung werden ersichtlich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die nachfolgend als nicht einschränkende Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angegeben werden.
In der Zeichnung stellt 1 in Form eines Balkendiagramms die Ergebnisse des Q-UV Tests zum Bestimmen der Anhafteigenschaften der Beschichtung an dem Träger dar.
BEISPIEL 1
Auf 100 Linsen für Brillen gebildet aus CR 39^TM (PPG Industries Inc.) wurde eine Spiegelbeschichtung gemäß der Erfindung verwirklicht, mit:

– einer Anhaftschicht aus Cr;
– einer Reflektionsschicht aus TiO₂ (Brechungsindex = 2,25 bei 500 nm)
– einer färbungs- und abriebbeständigen Schicht aus SiO₂ (Brechungsindex = 1,47 bei 500 nm).

Die Bildung der Beschichtungsschichten wurde mittels eines Satis 1200 DLS Beschichters (Satis Vacuum AG), der im Handel erhältlich ist, durchgeführt, ausgerüstet mit einer Elektronenkanone mit einer 15 kW Energiezufuhr, einer Ionenkanone mit einer 9,5 kW Energiezuführung und einem Sauerstoffflussregler.
Die Anhaftschicht der Beschichtung wurde durch Verdampfen unter Vakuum von metallischem Cr aufgebracht, nachdem die Oberfläche der Linse durch Ionenentladung in Sauerstoffumgebung für eine Zeitdauer gleich 180 s aktiviert wurde.
Die Ablagerungsparameter waren die folgenden:

– Ausgangsvakuum: 3·10^–5 mbar;
– Temperatur am Beginn der Ablagerung: 60°C;
– Vakuumzeit: 20 min;
– Zeit zum Aktivieren der Oberfläche des Substrats durch Ionenentladung: 180 s;
– Vorheizzeit von Cr: 180 s;
– Ablagerungszeit von Cr: ungefähr 5 s;
– Vorheizzeit von TiO₂: 180 s;
– Ablagerungszeit von TiO₂: ungefähr 120 s;
– Vorheizzeit von SiO₂: 180 s;
– Ablagerungszeit von SiO₂: ungefähr 180 s;
– Zeit zum Wiederherstellen des Umgebungsdrucks: 15 min.

Die TiO₂ wurde durch Verdampfen von metallischem Ti und Einführen eines O₂-Flusses von ungefähr 35 sccm (Standard Kubikzentimeter pro Minute) aufgebracht, wohingegen die letzte Schicht von SiO₂ bei Nichtvorhandensein von O₂ aufgebracht wurde.
Am Ende der Ablagerungsvorgänge wurde eine Spiegelbeschichtung, die die Eigenschaften aufweist, die in der folgenden Tabelle I dargestellt sind, auf jeder Linse erhalten.
BEISPIEL 2
Auf 100 Linsen gebildet aus Polycarbonat, wurde eine Spiegelbeschichtung gemäß der Er findung verwirklicht, mit:

– einer Anhaftschicht aus Cr;
– einer Reflektionsschicht, bestehend aus einem nicht-stöchiometrischen Chromoxid der empirischen Formel Cr_xO_y, wobei x eine Zahl zwischen 1 und 2 und y eine Zahl zwischen 1 und 3 ist, mit einem Brechungsindex zwischen 1,9 und 2,4 bei 500 nm;
– einer färbungs- und abriebwiderstandsfähigen Schicht von SiO₂ (Brechungsindex = 1,7 bei 500 nm).

Die Bildung der Beschichtungsschichten wurde mittels eines Satis 150/S Beschichters (Satis Vacuum AG) ausgeführt, der im Handel erhältlich ist, mit einer Mehrzahl von Schmelztiegeln, die mit einem elektrischen Widerstand versehen sind, der in der Lage ist, das Material mittels Joule-Effekt zu erhitzen.
Die Ablagerungsparameter waren die folgenden:

– Ausgangsvakuum: 1,1·10^–4 mbar;
– Temperatur am Anfang der Ablagerung: 50°C;
– Vakuumzeit: 10 min;
– Zeit zum Aktivieren der Oberfläche des Substrats durch Ionenentladung: 180 s;
– Vorheizzeit von Cr: 180 s;
– Ablagerungszeit von Cr: ungefähr 5 s;
– Vorheizzeit von Cr vor der Ablagerung von Cr_xO_y: 180 s;
– Ablagerungszeit von Cr_xO_y: ungefähr 45 s;
– Vorheizzeit von Si vor der Ablagerung von SiO: 180 s;
– Ablagerungszeit von SiO: ungefähr 150 s;
– Zeit zum Wiederherstellen des Umgebungsdrucks: 180 s.

Die Cr_xO_y Schicht wurde durch Verdampfen von metallischem Cr und Einführen eines O₂ Flusses von ungefähr gleich 46 sccm aufgebracht, wohingegen die Schicht von SiO durch Verdampfen von Si und Einführen eines O₂ Flusses von ungefähr gleich 32,8 sccm aufge bracht wurde.
Am Ende der Ablagerungsvorgänge wurde eine Spiegelbeschichtung, die die Eigenschaften hat, die in der nachfolgenden Tabelle II dargestellt sind, auf jeder Linse erhalten.
BEISPIEL 3
Auf 100 Linsen gebildet aus Polycarbonat, wurde eine Spiegelbeschichtung gemäß der Erfindung verwirklicht, mit:

– einer Anhaftschicht aus SiO₂ (Brechungsindex = 1,7 bei 500 nm);
– einer Reflektionsschicht, bestehend aus nicht-stöchiometrischem Chromoxid der empirischen Formel Cr_xO_y, wobei x eine Zahl zwischen 1 und 2 und y eine Zahl zwischen 1 und 3 ist, mit einem Brechungsindex zwischen 1,9 und 2,4 bei 500 nm;
– einer färbungs- und abriebwiderstandsfähigen Schicht aus SiO (Brechungsindex = 1,7 bei 500 nm).

Die Bildung der Schichten der Beschichtung wurde mittels eines Satis 150/S Beschichters (Satis Vacuum AG) ausgeführt.
Die Ablagerungsparameter waren die folgenden:

– Ausgangsvakuum: 1,1·10^–4 mbar;
– Temperatur am Anfang der Ablagerung: 50°C;
– Vakuumzeit: 10 min;
– Zeit zum Aktivieren der Oberfläche des Substrats durch Ionenentladung: 180 s;
– Vorheizzeit von SiO: 180 s;
– Ablagerungszeit von SiO: ungefähr 8 s;
– Vorheizzeit von Cr vor der Ablagerung von Cr_xO_y: 180 s;
– Ablagerungszeit von Cr_xO_y: ungefähr 55 s;
– Vorheizzeit von Si vor Ablagerung von SiO: 180 s;
– Ablagerungszeit von SiO: ungefähr 10 s;
– Zeit zum Wiederherstellen des Umgebungsdrucks: 180 s.

Die Cr_xO_y Schicht wurde durch Verdampfen von metallischem Cr und Einführen eines O₂ Flusses von ungefähr gleich 46 sccm abgelagert, wohingegen die Schicht von SiO durch Verdampfen von Si und Einführen eines O₂ Flusses von ungefähr gleich 32,8 sccm abgelagert wurde.
Am Ende der Ablagerungsvorgänge wurde eine Spiegelbeschichtung, die die in der nachfolgenden Tabelle III dargestellten Eigenschaften aufweist, auf jeder Linse erhalten.
BEISPIEL 4
(Bestimmung der Anhafteigenschaften der Beschichtung)
Die Linsen des Beispiels 2 wurden zur Bestimmung der Anhafteigenschaften der Beschichtung einem Standardtest unterworfen.
Insbesondere wurde der Vergleichstest, der allgemein bekannt ist als Q-UV Test, an einem Satz von Linsen ausgeführt, mit dem Zwecke des Abschätzens der relativen Lebensdauer der in einer äußeren Umgebung untersuchten Linsen.
Ein solcher Test zielt darauf ab, die schädlichen Einwirkungen durch das Aussetzen gegenüber Umgebungsstoffen im Labor zu simulieren, gemäß den Standards ASTM G53, D4329, SAE J2020 und ISO 4892.
Die Ergebnisse der durchgeführten Messungen sind grafisch in 1 dargestellt, in der die durchschnittliche Lebensdauer der Linsen von Beispiel 2 in Stunden verglichen mit den Lebensdauern vergleichbarer Linsen dargestellt ist.
In der vorgenannten Figur sind die mit blau, Bronze, schwarz und Silber bezeichneten Balken bezogen auf Polycarbonat-Linsen, die mit einer Cr- und SiO-basierten Zweischicht-Beschichtung versehen sind, um einer jeden von ihnen die entsprechende Farbe zu verleihen; diese Linsen sind im Handel mit den entsprechenden technischen Begriffen von Blau em Spiegel, Bronze Spiegel, Schwarzem Spiegel und Silberspiegel (Sola Optical Italia S.p.A.) erhältlich.
Wir aus dem Balkendiagramm dargestellt in 1 ersichtlich, hat die Beschichtung der Erfindung sich deutlich in ihren Anhafteigenschaften bezogen auf jene der Zweischicht-Beschichtungen des bekannten Typs verbessert.
BEISPIEL 5
(Bestimmung der Abriebfestigkeitseigenschaften der Beschichtung)
Zum Zwecke der Bewertung der Abriebfestigkeit bzw. des Abriebwiderstands der Beschichtung gemäß dem vorherigen Beispiel 2, bezogen auf jenes der Zweischicht-Beschichtung des bekannten Typs, wurde ein weiterer Vergleichstest – auf dem Gebiet unter dem Namen Stahlwolletest bekannt – ausgeführt. Ein derartiger Test wird ausgeführt durch Reiben einer Stahlwolle auf der Oberfläche der Linse: der Schaden der durch den Abrieb erzeugt wird, wird in Begriffen des Anstiegs der Kratzer auf den Linsen bewertet.
Der Stahlwolletest wurde mittels eines modifizierten Sutherland ink-rub Testers (James River Corp. – Kalamazoo, Michigan, U.S.A.), durchgeführt, wobei das Gummikissen durch Standardstahlwolleschnitzel vom Grad 000 ersetzt wurde. Die Stahlwolleschnitzel wurden einem 2 kg Gewicht unterworfen, das über eine vorbestimmte Anzahl von Abriebzyklen oszillierend aufgebracht wurde. Die Linsen wurden unter dem Mikroskop und mit dem bloßen Auge gegen ein beleuchtetes schwarzes Panel, nachdem sie 25 Abriebzyklen unterworfen wurden, untersucht.
Die Ergebnisse werden als relative Daten in Tabelle IV dargestellt und sie fallen in einen Bereich von Werten, deren obere Grenze von dem Abriebwiderstand von Glas definiert ist, der einen Wert von 5 Sternen zugeordnet wird, und deren untere Grenze dem Abriebwiderstand von unbeschichtetem Polycarbonat entspricht, dem ein Wert von 0 Sternen zugeordnet wird.
Aus den in Tabelle IV dargestellten Vergleichsdaten ist es möglich, festzustellen, dass die Kunststofflinsen des Beispiels 2 einen höheren Abriebwiderstand aufweisen bezogen auf jene der Vergleichslinsen, die mit einer herkömmlichen Zweischicht-Beschichtung versehen sind, und der gerade geringer als jener von Glas ist.
TABELLE I
TABELLE II

* = Wert erhalten unter Berücksichtigung eines Mittelwerts des Brechungsindex gleich 2,15.

TABELLE III

TABELLE IV

Claims

Ein im Wesentlichen durchsichtiges optisches Element mit einem durchsichtigen Substrat, das mit einer oberflächlichen Spiegelbeschichtung versehen ist, die eine Mehrzahl von übereinander liegenden Schichten aufweist, wobei die Beschichtung aufweist: – eine Klebeschicht mit einem ersten Material, das darauf ausgerichtet ist, fest am Substrat zu kleben; – eine Reflektionsschicht, die auf der Klebeschicht aufgebracht ist, mit einem zweiten Material mit einem hohen Brechungsindex, das aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Cr_xO_y, TiO₂, ZnSe, ZnS und Mischungen daraus, wobei x eine Zahl zwischen 1 und 2 ist und y eine Zahl zwischen 1 und 3 ist; – eine färbende und optional abriebfeste Schicht, die auf der Reflektionsschicht aufgebracht ist, mit einem dritten Material mit einem geringeren Brechungsindex als das zweite Material.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht mit dem ersten Material eine Dicke von zwischen 0.5 und 2 nm aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht mit dem zweiten Material eine Dicke von zwischen 3 und 60 nm aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht mit dem dritten Material eine Dicke von zwischen 10 und 400 nm aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Cr, Ti, SiO, SiO₂, In₂O₃, SnO₂ und Mischungen daraus.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material einen Brechungsindex von zwischen 1.7 und 2.7 aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Material einen Brechungsindex von zwischen 1.32 und 1.8 aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Material aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: SiO, SiO₂, MgF₂, Na₅Al₃F₁₄ und Mischungen daraus.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durchsichtige Substrat im Wesentlichen aus Glas oder Kunststoff mit einem Brechungsindex bei 500 nm von zwischen 1.38 und 1.75 besteht.
Optisches Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Acryl-basierte Polymere und Copolymere, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyol-Allyl-Carbonate, Celluloseester, Polyacrylate, Polystyrol, Polyurethane.
Optisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche in Form einer Linse oder eines Blendschutzes für Brillen.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Form einer Scheibe oder eines Schutzschilds.
Verfahren zum Ausbilden einer oberflächlichen Spiegelbeschichtung auf einem durchsichtigen Substrat eines optischen Elements gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten: a) Anordnen des Substrats in einer dichten Kammer; b) Erzeugen eines vorbestimmten Vakuums in der Kammer; c) Aktivieren der Oberfläche des Substrats mittels Ionenfreisetzung in einer sauerstoffhaltigen Umgebung über einen vorbestimmten Zeitraum; d) Aufbringen des ersten Materials auf dem Substrat bei im Wesentlichen keinem Vorliegen von Sauerstoff, um eine Klebeschicht mit einer vorbestimmten Dicke zu bilden; e) Aufbringen, optional bei Vorliegen von Sauerstoff, des zweiten Materials in einer geregelten Menge auf die Klebeschicht, um eine Reflektionsschicht mit einer vorbestimmten Dicke zu bilden. f) Aufbringen, optional bei Vorliegen von Sauerstoff, des dritten Materials mit einem geringeren Brechungsindex als das zweite Material auf die Reflektionsschicht, um eine färbende und optional abriebfeste Schicht mit einer vorbestimmten Dicke zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schritte d), e), f) durchgeführt werden, indem das erste, zweite und dritte Material mittels des Joule-Effekts verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei jedem der Schritte d), e), f) ein Schritt des Vorheizens des jeweiligen Materials, das bei einer vorbestimmten Temperatur verdampft werden soll, vorangeht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt e) derart ausgeführt wird, dass eine Abscheiderate des zweiten Materials auf dem Substrat von zwischen 0.05 und 0.15 nm/s erhalten wird.