Антибликовое покрытие

Антиотражающие покрытия (сокращенно просветляющие покрытия ) используются для подавления отражения от оптических поверхностей линз , объективов , призм или пластин и для увеличения пропускания. В случае линз и окуляров с таким покрытием говорят о покрытии , в случае очков, смотровых окон или кинескопов - антибликового покрытия . Изобретателем оптического покрытия считается украинский физик Александр Смакула .

Основы

Падающий луч отражается от точек A и B со сдвигом фазы. Лучи r ₁ и r ₂ деструктивно интерферируют до нулевой амплитуды.

Уменьшение степени отражения на поверхности с покрытием достигается за счет деструктивной интерференции отраженных лучей.

В простейшем случае одиночного однородного покрытия мы рассматриваем луч определенной длины волны , падающий вертикально (на картинке нарисованный по диагонали для лучшей видимости). Он частично отражается на поверхности покрытия (r ₁ ), частично проходит через слой, а затем частично отражается на следующей границе раздела (r ₂ ). Так что два частичных луча r ₁ и r ₂ интерферируют полностью разрушительно, их амплитуды должны быть одинаковыми (условие амплитуды) и противофазовыми ( разность фаз ) друг другу (состояние фазы).${\ displaystyle \ lambda _ {0}}$ ${\ displaystyle \ pi}$

Из формул Френеля следует, что показатель преломления антиотражающего слоя ${\ displaystyle n_ {1}}$

${\ displaystyle n_ {1} = {\ sqrt {n_ {0} \ cdot n_ {2}}}}$

должно быть так, чтобы амплитуды r ₁ и r _{2 были} одинаковыми. Здесь показатель преломления вещества и показатель преломления среды перед поверхностью (обычно воздуха). Здесь не учитывается, что луч r ₂ снова отражается от поверхности покрытия; фактически, оно бесконечно отражается вперед и назад. ${\ displaystyle n_ {2}}$${\ displaystyle n_ {0}}$

Отражательная способность для света с длиной волны λ ₀  = 580 нм как функция угла падения и толщины слоя фторида магния (MgF ₂ ) на подложке из диоксида кремния.

Из- за отражения как в точке A, так и в точке B происходит скачок фазы или, точнее, изменение знака амплитуды, которое не влияет на интерференцию. Для обеспечения необходимой разности фаз длина оптического пути луча в покрытии должна быть ${\ displaystyle n_ {0} <n_ {1} <n_ {2}}$${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle \ Delta}$

${\ displaystyle \ Delta = k {\ frac {\ lambda _ {0}} {2}} \ quad {\ text {with}} \ quad k = 1,3,5, \ ldots}$

быть. Если вы используете максимально тонкий слой ( ), вы получите следующее для оптимальной толщины слоя : ${\ displaystyle k = 1}$${\ Displaystyle \ Delta = 2 \; d \; n_ {1}}$${\ displaystyle d}$

${\ displaystyle d = {\ frac {\ lambda _ {0}} {4n_ {1}}}}$.

Если луч падает на поверхность под углом, а не перпендикулярно, длина оптического пути в покрытии изменяется согласно закону преломления Снеллиуса и снаружи из-за бокового смещения выхода, так что в результате получается или изменяется более высокая оптимальная толщина слоя. учитывая d, сокращение соответствующей длины волны. В случае деструктивного вмешательства применяется и (см. Также): ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle k = 1}$

${\ displaystyle {\ frac {\ lambda _ {0}} {d}} = 4 {\ sqrt {n_ {1} ^ {2} -n_ {0} ^ {2} \ sin ^ {2} \ alpha} }}$

Волны различной длины отражаются в большей степени или не создают полностью разрушительных помех. Это причина того, что (слабое) отражение от поверхностей с покрытием окрашено и цвет зависит от угла.

Пример разового платежа

В качестве примера рассмотрим перпендикулярное падение желто-зеленого света (длина волны 550 нм) на коронное стекло ( ). Внешняя среда - воздух ( ). Без компенсации коэффициент отражения соответствует уравнениям Френеля.${\ displaystyle n_ {2} = 1 {,} 5}$${\ displaystyle n_ {0} \ приблизительно 1 {,} 0}$

${\ displaystyle R = \ left ({\ frac {1 {,} 5-1} {1 {,} 5 + 1}} \ right) ^ {2} = 0 {,} 2 ^ {2} = 4 \ , \%}$.

Согласно формуле из предыдущего раздела, идеальное значение было бы для слоя AR , но для этого нет прочного материала. Фторид магния (MgF ₂ , ) часто используется . Λ / 4-слой для желто-зеленого света имеет толщину около 100 нм и приводит к определенной степени отражения при нормальном падении (см., В частности, Hecht или Pedrotti) ${\ displaystyle n_ {1} = 1 {,} 22}$${\ displaystyle n_ {1} = 1 {,} 38}$

${\ displaystyle R = \ left ({\ frac {1 {,} 5 \ cdot 1-1 {,} 38 ^ {2}} {1 {,} 5 \ cdot 1 + 1 {,} 38 ^ {2}) }} \ right) ^ {2} = 1 {,} 4 \, \%}$.

Множественное вознаграждение

Отражение можно уменьшить еще больше и в более широком диапазоне длин волн и углов, используя несколько слоев с разными показателями преломления. Не существует простой формулы для определения оптимальной толщины слоя для данного выбора материалов. Поэтому эти параметры определяются с помощью программ моделирования.

Производство

Производство антибликовых покрытий осуществляется методами нанесения покрытий по тонкопленочной технологии . Наиболее часто используемые методы включают физическое осаждение из паровой фазы , такое как термическое испарение и напыление . Выбор метода покрытия зависит в основном от желаемого материала слоя, например, есть материалы, которые не подходят для термического напыления.

Антибликовые слои предъявляют высокие требования к равномерности толщины слоя. Стекла с неравномерным покрытием демонстрируют градиенты цвета или даже ньютоновские кольца и поэтому бесполезны для многих приложений. Покрытые поверхности также чувствительны к загрязнениям (отпечатки пальцев, остатки чистящих средств), так как они также являются тонким слоем и, таким образом, влияют на оптические свойства.

Области применения

Линзы и линзы

Объективы с десятью или более линзами, такие как зум-объективы , практически не могли бы использоваться без антибликового покрытия, потому что около 8% падающей интенсивности на линзу теряется из-за отражений. Однако, прежде всего, после двух отражений свет может выйти из линзы вместе с полезным светом и вызвать мешающие световые пятна (отражения) на изображении или, как диффузную вуаль, снизить контрастность изображения. На поверхностях линз есть пары лиц, на которых это может произойти; То есть эффект растет квадратично с количеством областей. ${\ displaystyle k}$${\ Displaystyle к (к-1) / 2}$

Уменьшение степени отражения от отдельных поверхностей в несколько раз снижает интенсивность отражений в несколько раз, потому что свет всегда отражается дважды. Положительный эффект от вознаграждения также имеет квадратичный эффект. ${\ displaystyle f}$${\ displaystyle f ^ {2}}$

С хорошими объективами камеры все воздушно-стеклянные поверхности имеют многослойное покрытие. Линзы с покрытием использовались в объективах фотоаппаратов с 1930-х годов, но только в 1970-х годах многослойное покрытие стало применяться для высококачественных объективов и теперь является стандартом, за исключением очень простых фотоаппаратов и объективов.

Некоторые оптические материалы для инфракрасного спектрального диапазона, например в тепловизионных камерах, имеют высокий показатель преломления, например Б. Монокристаллический германий или селенид цинка , поэтому имеют высокую степень отражения без покрытия .

В случае линз для фотографии тип покрытия, используемого в современных слоях MC, имеет очень незначительное влияние на цветопередачу, потому что доля света, который все еще отражается в общей энергии излучения, очень мала и потому что разные покрытия объединяются в одной линзе таким образом, что полное отражение на всех поверхностях лишь незначительно зависит от длины волны. Однако из-за своей специфической общей светопропускающей способности линзы могут рисовать немного «теплее» или «холоднее», что на практике имеет значение только при съемке слайдов . Изменение толщины слоя влияет на зависимость от длины волны, что создает цветовое впечатление от передних линз объектива.

В очках цветные блики особенно нежелательны. Поэтому здесь используется широкополосное эффективное множественное вознаграждение. Очки с антибликовым покрытием особенно важны при вождении в темноте.

Оптика с высокими характеристиками

Материалы, используемые для покрытия, обычно имеют более высокое поглощение, чем материалы оптических компонентов. Поэтому порог повреждения антибликового покрытия из-за термического напряжения обычно ниже, чем у непокрытой поверхности раздела. В случае волоконно- оптических кабелей с высокими эксплуатационными характеристиками луч сначала продолжается в стеклянном блоке с тем же показателем преломления перед входом в волокно или после него, пока оно не станет большего диаметра. Тогда там может лежать интерфейс, который также может быть покрыт антибликовым покрытием.

Порог повреждения лазерной оптики с покрытием и без покрытия указан для непрерывного излучения (CW) с максимальной плотностью мощности (например, ватт на см ² ) и для импульсного излучения с максимальной плотностью энергии (например, джоулей на см ² ).

Непрерывно меняющийся показатель преломления

Плавный переход показателя преломления снижает степень отражения без сильной зависимости от длины волны и угла. Однако для перехода к n  = 1 необходим показатель преломления, близкий к 1. Группа исследователей из Политехнического института Ренсселера разработала покрытие из кремниевых стержней (см. Черный кремний ) с показателем преломления всего 1,05. Антибликовое покрытие через наноструктуры на поверхности также известно как эффект микрорельефа .

Индивидуальные доказательства

1. ↑ Йозеф Райнер: Основы офтальмологической оптики . Совет директоров - Книги по запросу, 2002, ISBN 3-8311-2767-0 , стр. 72 ( ограниченный предварительный просмотр в поиске Google Книг). 
2. ^ ^{А б} Ф. Педротти, Л. Педротти, В. Бауш, Хартмут Шмидт: Оптика для инженеров: Основы . 3-й, обр. и обновленное издание. Springer, Берлин / Гейдельберг 2005, ISBN 3-540-22813-6 , стр. 295-296 . 
3. ^ Юджин Хехт, Альфред Заяк: Оптика . 4-е издание. Эддисон-Уэсли Лонгман, Амстердам, 2003 г., ISBN 0-321-18878-0 , стр. 402 . 
4. ^ Юджин Хехт, Альфред Заяк: Оптика . 4-е издание. Эддисон-Уэсли Лонгман, Амстердам, 2003 г., ISBN 0-321-18878-0 , стр. 425 . 
5. ↑ Ф. Педротти, Л. Педротти, В. Бауш, Хартмут Шмидт: Оптика для инженеров: Основы . 3-й, обр. и обновленное издание. Springer, Берлин / Гейдельберг 2005, ISBN 3-540-22813-6 , стр. 559-601 . 
6. ↑ Ж.-К. Си, Мартин Ф. Шуберт, Чон Кю Ким, Э. Фред Шуберт , Минфенг Чен, Шон-Ю Лин, В. Лю, Дж. А. Смарт: оптические тонкопленочные материалы с низким показателем преломления для широкополосного устранения отражения Френеля . В: Нат Фотон . Лента 1 , вып. 3 , февраль 2007 г., стр. 176-179 , DOI : 10.1038 / nphoton.2007.26 . 
7. ↑ Фред Шуберт: Новое нанопокрытие - это виртуальная черная дыра для отражений . Physorg.com, 1 марта 2007 г.