具有高扩散性的涂层的光学元件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及具有高扩散性的涂层的光学元件，其具有由塑料制造的基质体和有多个层的包括与基质体邻接的硬漆层的涂层。根据本发明，涂层具有扩散性DF，其确保在基质体中对穿过涂层的水分子的吸收以及来自基质体的水分子穿过涂层从布置在涂层的背离基质体的侧上的具有湿气流密度jD的空气气氛中的释放，该空气气氛引起从在23℃和50%的相对空气湿度情况下的空气气氛中在基质体中填充的水分子的集合的平衡状态出发在一时间间隔内在40℃和95%的相对空气湿度情况下的空气气氛中在基质体中的水分子的集合的平衡状态的出现，该时间间隔与对于在同基质体相同的未被涂覆的基质体的情况下在相应条件下该平衡状态的出现所需的时间间隔相比长不大于长度Δt=10h的时长。
【专利说明】具有高扩散性的涂层的光学元件
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学元件，尤其是一种镜片或者一种镜片坯料，其具有由优选地 在可见光谱范围中透明的塑料制造的基质体和有多个层的涂层，该涂层包括与基质体邻接 的硬漆层。
【背景技术】
[0002] 这种光学元件以构造为镜片的光学透镜的形式而例如由EP 2 437 084 A1已知。
[0003] 目前代替作为材料的硅酸盐玻璃越来越多地将在可见光谱范围中透明的塑料用 于光学透镜、尤其是用于镜片。相对于硅酸盐玻璃，塑料提供如下优点：重量更轻、断裂强度 更高、可着色性和可安装无框支架的可能性。然而，由塑料构成的光学透镜的已知缺点是其 表面对机械应力非常敏感并且可能容易由于刮擦而受损伤。
[0004] 为了在光学透镜由塑料构成的情况下使对机械应力和刮擦的敏感性最小化，将具 有硬漆层的涂层涂敷到塑料上，该涂层应保护光学透镜免受机械作用影响。
[0005] 此外已知的是，为光学元件配备用于防反射的涂层。由此在镜片中可以避免干扰 性的反射。用于防反射的涂层通常包含由无机氧化材料构成的至少一个层，该无机氧化材 料在光学上是透明的。用于防反射的涂层尤其可以包含由光学透明的无机氧化材料构成的 层的序列，其中具有第一折射率的层和具有相对于第一折射率更高的第二折射率的层相继 地交替。
[0006] 此外已知的是，构造具有用于防反射的涂层的光学元件，该涂层也防止刮擦。在EP 0 698 798 A2中例如为此提出一种用于防反射的涂层，该涂层包含由硼硅酸盐玻璃构成的 层，该层借助PVD (Physical Vapour Deposition (物理气相沉积)）方法蒸镀到预先涂覆 的基质体上。
[0007] 在由塑料构成的基质体上的涂层中可能形成缺陷，在该基质体与湿气、即水或水 蒸汽以及与常见的清洗剂、譬如乙醇或丙酮接触时由于水蒸汽或水分子填充（Einlagern) 到基质体中而引起所述缺陷。
[0008] 在通常情况下，涂层对尤其是镜片超过其使用寿命总是又接触的物质具有至少阻 碍通过的、经常甚至阻断的作用。
[0009] 当这些物质例如由于涂层损伤而侵入光学元件中时，这可能导致，在光学元件中 基质体或者还有涂敷到该基质体上的层、譬如硬漆层膨胀。通常，这于是在光学元件中导致 光学有效面积的局部改变。由于单独的刮擦部位，光学元件因此以此方式容易在延伸超过 一平方毫米或多个平方毫米的区域中受损伤。在该区域中，光学元件的光学有效面积也可 能提升，通常提升0. 1 μ m或甚至提升直至1 μ m。
[0010] 尽管当光学元件不再暴露于有关物质时，侵入这种由硬漆构成的层和/或塑料体 中的物质随时间又扩散出来。然而，该扩散过程导致局部体积改变，该体积改变部分地是不 可逆的。体积改变尤其造成表面变形，所述表面变形例如不仅引起涂层上的点和线条图案 (偏斜)，而且由于机械应力在镜片中还可能造成在环境照明的情况下用裸眼可辨认的条纹 并且此外还可能造成层缺陷。
【发明内容】
[0011] 因此，本发明的任务是提供一种在由塑料构成的基质体上具有持久的且在此耐刮 擦的涂层的光学元件并且说明一种用于制造这种光学元件的方法。
[0012] 该任务通过具有权利要求1的特征的光学元件和具有权利要求15的特征的方法 来解决。本发明的有利的实施方式在从属权利要求中予以说明。
[0013] 发明人已认识到，在光学元件中通过如下方式能够抑制施加到由塑料构成的基质 体上的涂层的缺陷的出现，即保证涂层尤其具有对水蒸气或水分子的渗透性，该渗透性在 时间标度上能够实现水分子在塑料体中的填充和转移，该时间标度在塑料体未被涂覆时超 过水分子在涂层受损伤的部位处的填充和转移的时间标度、即水分子的填充和转移的时间 标度不多于大约五倍、即不多于大约半个量级。
[0014] 根据本发明的光学元件可以被构造为透镜，尤其是被构造为镜片。该光学元件具 有由塑料构成的基质体，该基质体优选地在可见光谱范围中是透明的。根据本发明的光学 元件具有有多个层的涂层，该涂层包括与基质体邻接的硬漆层。
[0015] 基质体上的涂层具有扩散性DF，该扩散性确保在基质体中对穿过涂层的水分子的 吸收和来自基质体的水分子穿过涂层从布置在涂层的背离基质体的侧上的具有湿气流密 度j D的空气气氛中的释放，该空气气氛引起从在23°c和50%的相对空气湿度情况下的空气 气氛中在基质体中填充的水分子的集合的平衡状态出发在一时间间隔内在40°C和95%的 相对空气湿度情况下的空气气氛中在基质体中填充的水分子的集合的平衡状态的出现，该 时间间隔与对于在同基质体相同的未被涂覆的基质体的情况下在相应条件下该平衡状态 的出现所需的时间间隔相比长不大于长度的时长，优选地不大于长度At=9h或 Δ t=8h或Δ t=7h或Δ t=6h或Δ t=5h或Δ t=4h或Δ t=3h或Δ t=2h的时长，特别优选地 不大于长度At=lh的时长。
[0016] 涂层的扩散性DF在此被理解为涂层尤其是对水分子和水蒸汽的渗透性，即涂层尤 其是允许水蒸气和水分子扩散穿过涂层的能力。
[0017] 涂层的扩散性DF将贯穿涂层的湿气流的湿气流密度jD与通过扩散在基质体中填 充的水分子的水分子密度c FS以及水分子在涂层的背离基质体的侧上的气体气氛中的密度 cFe如下相联系：
【权利要求】
1. 一种光学元件（10,10'），尤其是镜片或镜片坯料，具有由优选地在可见光谱范围中 透明的塑料制造的基质体（12)并且具有有多个层（14、16、18)的涂层（15)，所述涂层包括 与所述基质体（12)邻接的硬漆层（14)， 其特征在于， 所述涂层（15)具有扩散性DF，该扩散性确保在所述基质体（12)中对穿过所述涂层 (15)的水分子的吸收以及来自所述基质体（12)的水分子穿过所述涂层（15)从布置在所述 涂层（15)的背离所述基质体（12)的侧上的具有湿气流密度j D的空气气氛中的释放，该空 气气氛引起从在23°C和50%的相对空气湿度情况下的空气气氛中在所述基质体（12)填充 的水分子的集合的平衡状态出发在一时间间隔内在40°C和95%的相对空气湿度情况下的 空气气氛中在所述基质体（12)中填充的水分子的集合的平衡状态的出现，该时间间隔与对 于在同所述基质体（12)相同的未被涂覆的基质体的情况下在相应条件下该平衡状态的出 现所需的时间间隔相比长不大于长度At=10h的时长，优选地不大于长度At=9h或At=8h 或Δ t=7h或Δ t=6h或Δ t=5h或Δ t=4h或Δ t=3h或Δ t=2h的时长，特别优选地不大于 长度At=lh的时长。
2. 根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，该涂层（15)具有对应于在表征所述 涂层（15)的耐刮擦性的扩展的Bayer测试中所确定的Bayer数Z B的耐刮擦性，其中ZB > 8、 优选地ZB彡10、特别优选地ZB彡14。
3. 根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，该涂层（15)包含至少一个具有 至少一个在真空室中蒸镀的部分层的防反射涂层，所述部分层借助离子轰击，优选地借助 在用于产生所述部分层的蒸镀过程的持续时间期间在所述部分层的位置处的离子流密度 I彡30 μ A/cm2的情况下的离子轰击来致密化。
4. 根据权利要求1至3之一所述的光学元件，其特征在于，该涂层（15)包含至少一个 基本上由Si02构成的石英层（30)或由Si0 2和A1203的混合物构成的具有层厚度d彡100nm 的层。
5. 根据权利要求1至4之一所述的光学元件，其特征在于，在所述基质体（14)上的硬 漆层（14)利用电晕放电来处理。
6. 根据权利要求1至5之一所述的光学元件，其特征在于，在所述基质体（14)上的硬 漆层（14)利用低压空气等离子体来处理。
7. 根据权利要求1至6之一所述的光学元件，其特征在于，在所述基质体（14)上的硬 漆层（14)利用辉光放电来处理。
8. 根据权利要求1至7之一所述的光学元件，其特征在于，所述硬漆层（14)利用包含 作为过程添加物的含氟表面活化剂的溶胶-凝胶硬漆成分来制造。
9. 根据权利要求1至8之一所述的光学元件，其特征在于，在所述涂层（15)中构造有 多个尤其是空穴（100)形式的优选地微观和/或中观的孔，所述孔从背离所述基质体（12) 的侧上的所述涂层（15)的表面（48)出发至少延伸直至所述硬漆层（14)。
10. 根据权利要求9所述的光学元件，其特征在于，所述空穴（100)的直径满足如下 关系式：DL彡5 μ m，优选地DL彡1 μ m，特别优选地DL彡0· 2 μ m。
11. 根据权利要求9或10所述的光学元件，其特征在于，微观和/或中观孔不规则地布 置在所述涂层（15)中。
12. 根据权利要求9或10所述的光学元件，其特征在于，微观和/或中观孔平移对称地 布置在所述涂层（15)的至少一个区段中，其中对于微观和/或中观孔的布置的空间频率k 适用：k?l/400nm 或 k〈〈l/800nm。
13. 根据权利要求9至12之一所述的光学元件，其特征在于，中观孔通过对所述涂层 (15)或所述涂层中的层（30)加载优选地高能的粒子束、尤其通过加载包含稀有气体原子和 /或碳原子和/或金原子的粒子束来制造，和/或中观孔通过对所述涂层（15)或所述涂层 (15)中的层（30)加载脉冲激光来制造。
14. 根据权利要求1至13之一所述的光学元件，其特征在于，在所述涂层（15)的至少 一个处于内部的层上、尤其是在所述硬漆层（14)上和/或在所述基质体（12)上和/或中积 聚外来分子或纳米颗粒形式的外来物质和/或在所述涂层（15)的至少一个处于内部的层 上、尤其在所述硬漆层（14)上安置外来结构。
15. -种用于制造光学元件（10,10'）或部件的方法，包括如下步骤： -提供由优选地在可见光谱范围中透明的塑料制造的基质体（12); -在所述基质体（12)上施加具有多个层的涂层（15)，其中 -所述涂层（15)具有与所述基质体（12)邻接的硬漆层（14)，所述硬漆层通过将溶 胶-凝胶硬漆成分施加到所述基质体（12)上来产生；以及其中 -所述涂层（15)具有至少一个布置在所述硬漆层（14)上的另外的优选地被构造为防 反射涂层的部分层的光学层（16,18, 20); 其特征在于， -在施加所述至少一个另外的光学层（16,18, 20)之前利用电晕放电和/或利用低压 空气等离子体和/或利用辉光放电来处理所述硬漆层（14); 和/或 -在施加所述至少一个另外的光学层（16,18, 20)之前在所述硬漆层（14)上积聚外来 物质、尤其是外来分子和/或外来结构、尤其是纳米颗粒； 和/或 -借助激光和/或通过粒子轰击和/或借助压力、尤其是借助纳米压印在所述涂层 (15)的至少一个处于内部的层（16,18, 20)上、尤其在所述硬漆层（14)上安置外来结构； 和/或 -涂敷具有作为过程添加物的含氟表面活化剂的溶胶-凝胶硬漆成分； 和/或 -在所述涂层（15)中构造多个尤其是空穴（100)形式的优选地微观和/或中观的孔， 所述孔从背离所述基质体（12)的侧上的所述涂层（15)的表面（48)出发至少延伸直至所述 硬漆层（14)。
【文档编号】G02B1/10GK104142525SQ201410188130
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2013年5月6日
【发明者】N.胡根贝格, M.海德尔, B.冯布兰肯哈根, L.霍尔茨, S.克劳斯, F.马乔恩齐克, M.克劳泽, E.格林, K-H.温特, T.格勒格, S.福尔, A.佩特赖特, 彭彬, J.皮茨, P.基费尔, A.汉森, M.克里格, A.诺伊费尔, M.施特罗伊施 申请人:卡尔蔡司光学国际有限公司