Антибликовое покрытие

редактировать

Линзы очков без покрытия (вверху) в сравнении с линзами с антибликовым покрытием. Обратите внимание на тонированное отражение от линзы с покрытием.

антибликовое или антибликовое (AR)покрытие - это тип оптического покрытия, нанесенного на поверхность линз и других оптических элементов для уменьшения отражения . В типичных системах формирования изображения это повышает эффективность, поскольку меньше света теряется из-за отражения. В сложных системах, таких как телескопы и микроскопы, уменьшение отражений также улучшает контраст изображения за счет устранения рассеянного света. Это особенно важно в планетной астрономии. В других применениях основным преимуществом является устранение самого отражения, например покрытие на линзах очков, которое делает глаза пользователя более заметными для других, или покрытие для уменьшения блеска от скрытого бинокль зрителя или телескопический прицел.

Многие покрытия состоят из прозрачных тонкопленочных структур с чередующимися слоями с контрастирующими показателями преломления. Толщина слоя выбрана так, чтобы создавать деструктивную интерференцию в лучах, отраженных от границ раздела, и конструктивную интерференцию в соответствующих передаваемых лучах. Это приводит к изменению характеристик конструкции в зависимости от длины волны и угла падения, так что цветовые эффекты часто проявляются при наклонных углах. При разработке или заказе таких покрытий необходимо указать диапазон длин волн, но хорошие характеристики часто могут быть достигнуты для относительно широкого диапазона частот : обычно выбор IR, видимый или УФ.

Содержание
  • 1 Применение
    • 1.1 Корректирующие линзы
    • 1.2 Фотолитография
  • 2 типа
    • 2.1 Соответствие индексов
    • 2.2 Однослойная интерференция
    • 2.3 Многослойная интерференция
    • 2.4 Поглощение
    • 2.5 Глаз мотылька
    • 2.6 Круговой поляризатор
  • 3 Теория
    • 3.1 Отражение
    • 3.2 Пленка Рэлея
    • 3.3 Интерференционные покрытия
    • 3.4 Текстурированные покрытия
  • 4 История
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Источники
  • 8 Внешние ссылки
Области применения
Антибликовые покрытия часто используются в объективах фотоаппаратов, придавая элементам линз отличительный цвет.

Антибликовое покрытие Покрытия используются в самых разных областях, где свет проходит через оптическую поверхность, и требуются низкие потери или низкое отражение. Примеры включают антибликовое покрытие на корректирующих линзах и элементах объектива камеры, а также антибликовое покрытие на солнечных элементах.

Корректирующие линзы

Оптики могут рекомендовать " линзы с антибликовым покрытием », потому что уменьшение отражения улучшает косметический вид линз. Часто говорят, что такие линзы уменьшают блики, но это уменьшение очень небольшое. Устранение отражений позволяет пропускать немного больше света, что приводит к небольшому увеличению контрастности и остроты зрения.

Антибликовые офтальмологические линзы не следует путать с поляризованными линзами, которые уменьшают (за счет поглощения) видимые блики солнца, отраженные от поверхностей, таких как песок, вода и дороги. Термин «антибликовое» относится к отражению от поверхности самой линзы, а не к источнику света, который достигает линзы.

Многие антибликовые линзы имеют дополнительное покрытие, которое отталкивает воду и жир, что упрощает их чистку. Антиотражающие покрытия особенно подходят для линз с высоким индексом , поскольку они отражают больше света без покрытия, чем линзы с более низким индексом (следствие уравнений Френеля ). Также обычно проще и дешевле покрывать линзы с высоким коэффициентом преломления.

Фотолитография

Антиотражающие покрытия часто используются в микроэлектронной фотолитографии, чтобы помочь уменьшить искажения изображения, связанные с отражениями от поверхности подложки. До или после фоторезиста наносятся различные типы просветляющих покрытий, которые помогают уменьшить стоячие волны, тонкопленочные помехи и зеркальные отражения.

Типы

Соответствие индексу

Простейшая форма антибликового покрытия была открыта лордом Рэлеем в 1886 году. Оптическое стекло, доступное в то время, имело тенденцию к с возрастом на его поверхности появляется налет из-за химических реакций с окружающей средой. Рэлей протестировал несколько старых, слегка потускневших кусков стекла и к своему удивлению обнаружил, что они пропускают больше света, чем новые, чистые. Тусклость заменяет поверхность раздела воздух-стекло двумя интерфейсами: поверхность раздела воздух-потускнение и интерфейс тусклость-стекло. Поскольку потускнение имеет показатель преломления между стеклом и воздухом, каждая из этих границ показывает меньшее отражение, чем поверхность раздела воздух-стекло. Фактически, сумма двух отражений меньше, чем у «голой» границы раздела воздух-стекло, что может быть рассчитано с помощью уравнений Френеля.

Один из подходов состоит в использовании анти- отражающие покрытия, то есть покрытия с почти непрерывно изменяющимся показателем преломления. С их помощью можно уменьшить отражение для широкого диапазона частот и углов падения.

Однослойное интерференционное

Простейшее интерференционное антибликовое покрытие состоит из одного тонкого слоя прозрачного материала с показателем преломления, равным квадратному корню показателя преломления подложки. На воздухе такое покрытие теоретически дает нулевой коэффициент отражения для света с длиной волны (в покрытии), равной четырехкратной толщине покрытия. Отражение также уменьшается для длин волн в широкой полосе вокруг центра. Слой толщиной, равной четверти некоторой расчетной длины волны, называется «четвертьволновым слоем».

Наиболее распространенным типом оптического стекла является краун-стекло, которое имеет показатель преломления около 1,52. Оптимальное однослойное покрытие должно быть выполнено из материала с индексом около 1,23. Нет твердых материалов с таким низким показателем преломления. Наиболее близкими материалами с хорошими физическими свойствами для покрытия являются фторид магния, MgF 2 (с индексом 1,38) и фторполимеры, которые могут иметь индексы как ниже 1,30, но их труднее применять. MgF 2 на поверхности стекла короны дает коэффициент отражения около 1% по сравнению с 4% для чистого стекла. Покрытия MgF 2 намного лучше работают на стеклах с более высоким показателем преломления, особенно с показателем преломления, близким к 1,9. Покрытия MgF 2 широко используются, поскольку они дешевы и долговечны. Когда покрытия рассчитаны на длину волны в середине видимой полосы, они дают достаточно хорошее антиотражение по всей полосе.

Исследователи создали пленки из мезопористого диоксида кремния наночастиц с показателем преломления всего 1,12, которые действуют как просветляющие покрытия.

Многослойная интерференция

Используя чередующиеся слои материала с низким коэффициентом преломления, такого как диоксид кремния, и материала с более высоким коэффициентом отражения, можно получить коэффициенты отражения всего 0,1% на одной длине волны. Также могут быть изготовлены покрытия, которые дают очень низкую отражательную способность в широком диапазоне частот, хотя они сложны и относительно дороги. Оптические покрытия также могут быть изготовлены с особыми характеристиками, такими как почти нулевое отражение на нескольких длинах волн или оптимальные характеристики при углах падения, отличных от 0 °.

Поглощающие

Дополнительная категория антиотражающих покрытий - это так называемые «поглощающие дуги». Эти покрытия полезны в ситуациях, когда высокое пропускание через поверхность неважно или нежелательно, но требуется низкая отражательная способность. Они могут обеспечивать очень низкий коэффициент отражения при небольшом количестве слоев и часто могут быть произведены дешевле или в большем масштабе, чем стандартные непоглощающие просветляющие покрытия. (См., Например, патент США 5091244.) Поглощающие ДУГ часто используют необычные оптические свойства, проявляемые в сложных тонких пленках, полученных напылением. Например, нитрид титана и нитрид ниобия используются в поглощающих АРО. Они могут быть полезны в приложениях, требующих увеличения контрастности или в качестве замены тонированного стекла (например, в ЭЛТ-дисплее ).

Глаз мотылька

Глаза мотылька обладают необычным свойством: их поверхность покрыта натуральной наноструктурированной пленкой, которая устраняет блики. Это позволяет мотыльку хорошо видеть в темноте, без отражений, которые могли бы выдать хищникам свое местоположение. Структура состоит из гексагонального узора выпуклостей высотой примерно 200 нм каждая, расположенных на центрах 300 нм. Этот вид просветляющего покрытия работает, потому что выступы меньше длины волны видимого света, поэтому свет воспринимает поверхность как имеющую непрерывный градиент показателя преломления между воздухом и средой, что уменьшает отражение за счет эффективного удаления интерфейс воздух-линза. Практические антибликовые пленки были созданы людьми с использованием этого эффекта; это форма биомимикрии. Canon использует микрорельефную технику в своем покрытии субволновой структуры, которое значительно снижает блики линз..

Такие структуры также используются в фотонных устройствах, например, микрорельефные структуры, выращенные из оксида вольфрама. и оксид железа можно использовать в качестве фотоэлектродов для расщепления воды с получением водорода. Структура состоит из сфероидов оксида вольфрама размером в несколько сотен микрометров, покрытых слоем оксида железа толщиной в несколько нанометров.

Круговой поляризатор

Отражения блокируются круговым поляризатором

A круговым поляризатором ламинированным к поверхности можно использовать для устранения отражений. Поляризатор пропускает свет с одной хиральностью («хиральностью») круговой поляризации. Отраженный от поверхности свет после поляризатора трансформируется в противоположную «ручность». Этот свет не может пройти обратно через круговой поляризатор, потому что его хиральность изменилась (например, с правой круговой поляризации на левую круговую поляризацию). Недостатком этого метода является то, что если входной свет неполяризован, пропускание через сборку будет меньше 50%.

Теория
Окно с антибликовым покрытием, показанное под углом 45 ° и углом падения 0 °

Есть две отдельные причины оптических эффектов из-за покрытий, часто называемых толстопленочными и тонкопленочные эффекты. Эффекты толстой пленки возникают из-за разницы в показателе преломления между слоями выше и ниже покрытия (или пленки); в простейшем случае эти три слоя - воздух, покрытие и стекло. Толстопленочные покрытия не зависят от толщины покрытия, при условии, что толщина покрытия намного превышает длину волны света. Эффект тонкой пленки возникает, когда толщина покрытия примерно равна четверти или половине длины волны света. В этом случае отражения от постоянного источника света можно заставить добавить деструктивно и, следовательно, уменьшить отражения с помощью отдельного механизма. Помимо того, что тонкопленочные покрытия во многом зависят от толщины пленки и длины волны света, тонкопленочные покрытия зависят от угла, под которым свет падает на поверхность с покрытием.

Отражение

Всякий раз, когда луч света перемещается из одной среды в другую (например, когда свет попадает на лист стекла после прохождения через воздух ) некоторая часть света отражается от поверхности (известной как граница раздела) между двумя средами. Это можно наблюдать, например, при просмотре через окно, где можно увидеть (слабое) отражение от передней и задней поверхностей оконного стекла. Сила отражения зависит от соотношения показателей преломления двух сред, а также от угла поверхности к лучу света. Точное значение можно рассчитать с помощью уравнений Френеля.

. Когда свет встречается с границей раздела при нормальном падении (перпендикулярно поверхности), интенсивность отраженного света определяется коэффициентом отражения, или коэффициент отражения, R:

R = (n 0 - n S n 0 + n S) 2, {\ displaystyle R = \ left ({\ frac {n_ {0} -n_ {S}} {n_ {0 } + n_ {S}}} \ right) ^ {2},}{\ displaystyle R = \ left ({\ frac {n_ {0} -n_ {S}} {n_ {0} + n_ {S}}} \ right) ^ {2},}

где n 0 и n S - это показатели преломления первой и второй сред соответственно. Значение R варьируется от 0 (без отражения) до 1 (отражается весь свет) и обычно указывается как процент. Дополнительным к R является коэффициент пропускания T. Если поглощение и рассеяние не учитываются, то значение T всегда равно 1 - R. Таким образом, если луч света с интенсивности I падает на поверхность, луч с интенсивностью RI отражается, а луч с интенсивностью TI проходит в среду.

Отражение и пропускание поверхности без покрытия и поверхности с покрытием

Для упрощенного сценария, когда видимый свет распространяется из воздуха (n 0 ≈ 1,0) в обычное стекло (n S ≈ 1,5), значение R составляет 0,04 или 4 %, на одном отражении. Таким образом, не более 96% света (T = 1 - R = 0,96) фактически попадает в стекло, а остальная часть отражается от поверхности. Количество отраженного света известно как потери на отражение.

В более сложном сценарии множественных отражений, например, когда свет проходит через окно, свет отражается как при переходе от воздуха к стеклу, так и от другой стороны окна при переходе от стекла обратно к воздуху. Размер проигрыша в обоих случаях одинаков. Свет также может многократно отражаться от одной поверхности к другой, каждый раз частично отражаясь и частично передаваясь. В целом, комбинированный коэффициент отражения определяется как 2R / (1 + R). Для стекла в воздухе это около 7,7%.

Пленка Рэлея

Как заметил лорд Рэлей, тонкая пленка (например, потускнение) на поверхности стекла может снизить отражательную способность. Этот эффект можно объяснить, представив тонкий слой материала с показателем преломления n 1 между воздухом (индекс n 0) и стеклом (индекс n S). Луч света теперь отражается дважды: один раз от поверхности между воздухом и тонким слоем и один раз от границы раздела слой-стекло.

Из приведенного выше уравнения и известных показателей преломления можно вычислить коэффициенты отражения для обеих границ раздела, обозначенные R 01 и R 1S соответственно. Следовательно, передача на каждом интерфейсе: T 01 = 1 - R 01 и T 1S = 1 - R 1S. Таким образом, общий коэффициент пропускания в стекло составляет T 1ST01. Вычисляя это значение для различных значений n 1, можно найти, что при одном конкретном значении оптимального показателя преломления слоя коэффициент пропускания обеих границ раздела равен, и это соответствует максимальному общему коэффициенту пропускания в стакан.

Это оптимальное значение задается средним геометрическим двух окружающих индексов:

n 1 = n 0 n S. {\ displaystyle n_ {1} = {\ sqrt {n_ {0} n_ {S}}}.}{\ displaystyle n_ {1} = {\ sqrt {n_ {0} n_ {S}}}.}

Для примера стекла (n S ≈ 1,5) в воздухе (n 0 ≈ 1,0), этот оптимальный показатель преломления равен n 1 ≈ 1,225.

Потери на отражение для каждой границы раздела составляют примерно 1,0% (с объединенными потерями 2,0%) и общее пропускание T 1ST01приблизительно 98%. Следовательно, промежуточное покрытие между воздухом и стеклом может вдвое снизить потери на отражение.

Интерференционные покрытия

Использование промежуточного слоя для формирования антиотражающего покрытия можно рассматривать как аналог методики согласования импеданса электрических сигналов. (Аналогичный метод используется в исследованиях волоконной оптики, где масло для согласования индексов иногда используется для временного подавления полного внутреннего отражения, чтобы свет мог попадать внутрь или из волокна..) Дальнейшее уменьшение отражения теоретически может быть достигнуто путем распространения процесса на несколько слоев материала, постепенно смешивая показатель преломления каждого слоя между показателем воздуха и показателем подложки.

Практические просветляющие покрытия, однако, полагаются на промежуточный слой не только из-за его прямого уменьшения коэффициента отражения, но также используют интерференционный эффект тонкого слоя. Предположим, что толщина слоя точно регулируется, так что она составляет ровно четверть длины волны света в слое (λ / 4 = λ 0 / (4n 1), где λ 0 - длина волны вакуума). В этом случае слой называется четвертьволновым покрытием. Для этого типа покрытия нормально падающий луч I при отражении от второй границы раздела проходит ровно на половину своей длины волны дальше, чем луч, отраженный от первой поверхности, что приводит к деструктивной интерференции. Это также верно для более толстых слоев покрытия (3λ / 4, 5λ / 4 и т. Д.), Однако антибликовые характеристики в этом случае хуже из-за более сильной зависимости коэффициента отражения от длины волны и угла падения.

Если интенсивности двух лучей R 1 и R 2 в точности равны, они будут деструктивно мешать и нейтрализовать друг друга, поскольку они точно выходят за рамки фаза. Следовательно, нет отражения от поверхности, и вся энергия луча должна находиться в проходящем луче T. При вычислении отражения от стопки слоев метод матрицы переноса может использоваться.

Помехи в четвертьволновом антиотражающем покрытии

Настоящие покрытия не обеспечивают идеальных характеристик, хотя они способны снизить коэффициент отражения поверхности до менее 0,1%. Кроме того, слой будет иметь идеальную толщину только для одной определенной длины волны света. Другие трудности включают поиск подходящих материалов для использования на обычном стекле, поскольку немногие полезные вещества имеют требуемый показатель преломления (n ≈ 1,23), который сделает оба отраженных луча точно равными по интенсивности. Фторид магния (MgF 2) часто используется, поскольку он износостойкий и может быть легко нанесен на подложки с помощью физического осаждения из паровой фазы, даже если его индекс выше желаемого (n = 1,38).

Дальнейшее уменьшение возможно за счет использования нескольких слоев покрытия, спроектированных таким образом, чтобы отражения от поверхностей подвергались максимальным разрушающим помехам. Один из способов сделать это - добавить вторую четвертьволновую толщину слоя с более высоким показателем преломления между слоем с низким показателем и подложкой. Отражение от всех трех поверхностей раздела создает деструктивные помехи и антиотражение. В других методах используются покрытия различной толщины. Используя два или более слоев, каждый из материалов, выбранных таким образом, чтобы обеспечить наилучшее соответствие желаемого показателя преломления и дисперсии, широкополосное просветляющее покрытие, покрывающее видимый диапазон (400– 700 нм) с максимальной отражательной способностью менее 0,5%.

Точная природа покрытия определяет внешний вид оптического элемента с покрытием; Обычные просветляющие покрытия на очках и фотографических линзах часто выглядят несколько голубоватыми (поскольку они отражают немного больше синего света, чем другие видимые длины волн), хотя также используются покрытия с зеленым и розовым оттенком.

Если оптический элемент с покрытием используется при ненормальном падении (то есть, когда световые лучи не перпендикулярны поверхности), антиотражающие свойства несколько ухудшаются. Это происходит из-за того, что фаза, накопленная в слое, относительно фазы немедленно отраженного света уменьшается с увеличением угла от нормали. Это нелогично, поскольку луч испытывает больший общий фазовый сдвиг в слое, чем при нормальном падении. Этот парадокс разрешается за счет того, что луч выйдет из слоя, пространственно смещенный от того места, где он вошел, и будет мешать отражениям от входящих лучей, которые должны были пройти дальше (таким образом, накапливая больше собственной фазы), чтобы достичь границы раздела. Итоговый эффект заключается в том, что относительная фаза фактически уменьшается, смещая покрытие, так что антиотражающая полоса покрытия имеет тенденцию смещаться в сторону более коротких длин волн при наклоне оптики. Ненормальные углы падения также обычно вызывают зависимость поляризации отражения.

Текстурированные покрытия

Отражение можно уменьшить, текстурировав поверхность с помощью трехмерных пирамид или двухмерных канавок (решеток). Текстурированное покрытие такого рода можно создать, например, с помощью метода Ленгмюра-Блоджетт.

Если длина волны больше, чем размер текстуры, текстура ведет себя как пленка с градиентным индексом и уменьшенным отражением.. Для расчета отражения в этом случае можно использовать приближения эффективной среды. Чтобы минимизировать отражение, были предложены различные профили пирамид, такие как кубические, пятиугольные или интегральные экспоненциальные профили.

Если длина волны меньше размера текстуры, уменьшение отражения можно объяснить с помощью приближения геометрической оптики : лучи должны отражаться много раз, прежде чем они будут отправлены обратно к источнику. В этом случае отражение можно рассчитать с помощью трассировки лучей.

. Использование текстуры уменьшает отражение для длин волн, сравнимых с размером элемента. В этом случае никакое приближение недействительно, и отражение можно рассчитать путем численного решения уравнений Максвелла..

Антиотражающие свойства текстурированных поверхностей хорошо обсуждаются в литературе для широкого диапазона соотношений размера к длине волны (включая длинноволновую и длинноволновую части). коротковолновые пределы), чтобы найти оптимальный размер текстуры.

История

Как упоминалось выше, естественные "покрытия" индексации были обнаружены лордом Рэлеем в 1886 году. Гарольд Деннис Тейлор из компании Cooke разработал химический метод производства таких покрытий в 1904 году.

Покрытия на основе интерференции были изобретены и разработаны в 1935 году Александром Смакулой, который работал в оптической компании Carl Zeiss. Антибликовые покрытия были немецкой военной тайной до первых этапов Второй мировой войны. Кэтрин Берр Блоджетт и Ирвинг Ленгмюр разработали органические антибликовые покрытия, известные как Фильмы Ленгмюра – Блоджетт в конце 1930-х годов.

См. Также
Ссылки
Источники
Внешние ссылки
Последняя правка сделана 2021-06-11 18:31:50
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте