Enlightenment of optics är en ytbehandlingsteknik för linser , prismor och andra optiska delar för att minska reflektionen av ljus från optiska ytor i anslutning till luft . Detta gör att du kan öka ljustransmissionen i det optiska systemet och öka bildkontrasten genom att minska störande falska reflektioner i det optiska systemet.
De flesta av de optiska systemen som används, såsom kamera- och videokameralinser, består av många linser, och reflektionen från varje glas-luft-gränssnitt minskar det överförda användbara ljusflödet. Utan användning av antireflektionsmetoder kan minskningen av intensiteten av genomsläppt ljus i ett multilinssystem nå flera tiotals procent. Därför används belagd optik i alla moderna linser.
Det finns fyra sätt att minska reflektionskoefficienten från ytan, inklusive upplysning av optik:
Interferensantireflekterande beläggningar av optiska ytor används huvudsakligen. I sådana beläggningar är optiska ytor belagda med ett eller flera lager av en tunn film, jämförbar i tjocklek med ljusets våglängd. Brytningsindexet för dessa skikt skiljer sig från brytningsindexet för materialet i den optiska delen. Genom korrekt val av beläggningstjocklekar och deras brytningsindex är det möjligt att reducera reflektionskoefficienten till nästan noll för en eller flera, i fallet med flerskiktsbeläggningar, ljusvåglängder.
Ytbeläggningar som minskar reflektion kallas också för antireflekterande eller antireflekterande beläggningar. Sådana beläggningar används inte bara i optiska system, utan också för att minska störande reflektioner från andra ytor, såsom monitorskärmar.
När ljus faller på gränsytan mellan två transparenta medier med olika brytningsindex uppstår en partiell reflektion av ljusflödet från gränssnittet. Graden av reflektion kännetecknas av reflektionskoefficienten - andelen reflekterat ljus från det infallande ljuset, vilket vanligtvis uttrycks i procent. Reflektionskoefficienterna är desamma både för ljus som faller in från ett mindre optiskt tätt medium (ett medium med ett lägre brytningsindex) och för den omvända riktningen av ljus vid lika infallsvinklar . beror på infallsvinkeln och uttrycks i allmänhet av Fresnelformlerna . I ett särskilt fall, med normal infallsvinkel (det vill säga med vinkelrät infallsvinkel på ytan eller, vilket är densamma, infallsvinkeln lika med noll) uttrycks med formeln:
Det följer av formeln att ju mer brytningsindexen för två medier skiljer sig åt, desto större är . Till exempel, för vanligt glas ( ) i luft ( ) skulle ett enda glas-luft-gränssnitt vara 0,04 eller 4 % . När ljus passerar genom en platta med ett brytningsindex i en miljö med ett brytningsindex , - genom två gränssnitt, till exempel genom fönsterglas, ökar den totala reflektionskoefficienten på grund av flera inre reflektioner i glaset och uttrycks som:
För en glasskiva ger reflektionskoefficienten enligt den sista formeln ~7,7%, det vill säga endast 92,3% av ljuset kommer att passera genom en sådan platta. För en lins bestående av till exempel 6 linser kommer ljustransmissionskoefficienten utan linsbeläggning endast att vara I mer komplexa optiska system, till exempel i ubåtsperiskop , är antalet optiska delar mycket större, och ljustransmissionskoefficienten på sådana system utan användning av upplysning sjunker till ett oacceptabelt litet värde.
Reflexionskoefficienten sjunker snabbt när brytningsindexen för två medier närmar sig varandra. Till exempel har magnesiumfluorid (MgF) , som används flitigt för antireflektion , ett brytningsindex på 1,38, vilket ger en gränssnittsreflektans med ljuskrona glas på cirka 1,1 % .
Det följer av Fresnel-formlerna att den minsta reflektionskoefficienten från två medier separerade av ett tredje medium med ett brytningsindex och en tjocklek av det mellanliggande mediet som är mycket större än ljusets våglängd (det vill säga utan att ta hänsyn till interferensfenomen) uppnås när det geometriska medelvärdet för brytningsindexen för mediet som separeras är lika:
Huvudidén med interferensupplysning är att uppnå tillägg i motfas av reflekterade vågor från två gränssnitt.
En plan monokromatisk våg som utbreder sig i riktning mot ökande koordinater beskrivs analytiskt med uttrycket:
var är vågtalet , är våglängden , är vågens amplitud.Reflekterad våg från filmytan och film-glasgränssnittet
var är reflektionskoefficienten från filmen, är reflektionskoefficienten från film-glas-gränssnittet, med hänsyn tagen till flera interna reflektioner i filmen, - filmtjocklek, en faktor 2 indikerar att ljus passerar genom filmen i två riktningar, - vågtalet i filmen, eftersom våglängden i ett medium med ett brytningsindex större än 1 är mindre än våglängden i luft eller vakuum, därefter - våglängden i vakuum, - våglängden i filmen.För att interferensen av ljus från två gränssnitt ska släcka reflektionen är det nödvändigt att För detta måste det för det första finnas och för det andra,
Den första likheten uppnås om brytningsindexen för det externa mediet respektive det antireflekterande materialet, till exempel glas, är. Den andra likheten uppnås om fasförskjutningen som orsakas av ljusets passage genom filmen är en multipel , det vill säga perioden för cosinusfunktionen och en sådan fasförskjutning inte ändrar värdet på cosinus, är en icke-negativ heltal , varifrån:
ellerDet följer också av ovanstående att när filmtjockleken är en multipel av halva våglängden, tvärtom, ökar reflektionskoefficienten. I ett relativt brett våglängdsområde är därför en kvartsvåglängdsfilm mest effektiv för antireflektion, eftersom fasförskjutningen för närliggande våglängder är liten jämfört med vågens rumsliga period. Till exempel, låt för en våglängd a för en annan våglängd För den första våglängden är en film med en given tjocklek antireflektion, för en annan är den reflekterande. Förhållandet mellan våglängder: eller så skiljer de sig bara med 10%. För det givna exemplet är dessa till exempel våglängder på 500 nm och 550 nm - angränsande våglängder i den gröna delen av spektrumet.
För tjocka filmer smalnar bredderna av de spektrala maxima och minima, närmar sig varandra och smälter så småningom samman när filmtjockleken ökar ytterligare. Det är därför som störningar inte observeras i tjocka filmer i vitt ljus, och tjocka filmer är olämpliga som interferensantireflexbeläggning.
Eftersom längden på ljusets väg i filmen beror på infallsvinkeln, med sned infallsvinkel, skiftas minimum av reflektionskoefficienten mot kortare våglängder och ökar samtidigt. Det verkar som om en ökning av längden på ljusets väg i filmen vid sned infallsvinkel borde förskjuta minimumet mot längre våglängder, men så är inte fallet. En mer subtil övervägande av vågfrontens interaktion med filmen leder till den observerade förskjutningen av minimum mot kortare vågor, som visas i figur [1] .
Vanligtvis är miljön för glas luft med ett brytningsindex mycket nära 1, och brytningsindexet för en antireflektionsfilm måste vara lika med kvadratroten av brytningsindexet för linsens optiska glas.
Det traditionella materialet för antireflektionsfilm är magnesiumfluorid , som har ett relativt lågt brytningsindex och goda mekaniska egenskaper, korrosionsbeständighet. När ett kronglas med brytningsindex beläggs med magnesiumfluorid, kan magnesiumfluoridskiktet minska reflektansen från cirka 4 % till 1,5 % vid normalt ljusinfall. På flintglas med ett brytningsindex på cirka 1,9 kan en kvartsvåglängdsfilm av magnesiumfluorid reducera reflektion till nära noll för en given ljusvåglängd.
Men reflektionsförmågan hos glas belagt på detta sätt beror starkt på våglängden, vilket är den största nackdelen med enkelskiktsupplysning. Minsta reflektionsförmåga motsvarar en kvarts våglängd i filmmaterialet.
I de första belagda linserna sänktes reflektionskoefficienten för strålarna från den gröna delen av spektrumet (555 nm } - området med det mänskliga ögats högsta känslighet), så bländningen på linserna på sådana linser har en lila eller blåblå färg (den så kallade "blå optiken"). Följaktligen är ljustransmissionen för en sådan lins maximal för den gröna delen av spektrat och lägre för andra delar av spektrumet, vilket leder till ett visst fel i färgåtergivningen.
Nu (2020) används enkellagers antireflektion (dess främsta fördel är dess låga kostnad) endast i billiga optiska system och i laseroptik designad för att fungera i ett smalt spektralområde och kräver i princip inte antireflektion inom ett brett spektralområde.
Den består av två antireflektionslager, det yttre har ett lägre brytningsindex. Den har bättre egenskaper än enskiktsupplysning som uppnås för ett bredare våglängdsområde.
Nackdelen med en antireflektionsbeläggning i ett skikt, som endast tillhandahåller antireflektion för ett smalt spektralområde, kan övervinnas genom att använda flerskiktsinterferensbeläggningar.
En flerskikts antireflektionsbeläggning är en sekvens av minst tre alternerande lager av material med olika brytningsindex. Tidigare trodde man att 3-4 lager var tillräckligt för den synliga delen av spektrumet. Moderna flerskikts antireflektionsbeläggningar från nästan alla tillverkare har 6–8 lager och kännetecknas av låga reflektionsförluster i hela det synliga området av spektrumet. Den största fördelen med flerskiktsbeläggning som appliceras på fotografisk och observationsoptik är det obetydliga beroendet av reflektivitet på våglängden inom det synliga spektrumet.
Sammansättningen av en flerskikts antireflektionsbeläggning, förutom de faktiska antireflektionsskikten, inkluderar vanligtvis hjälpskikt - förbättra vidhäftningen till glas, skyddande, hydrofobiska, etc.
Bländningen av flerbelagda linser, orsakad av reflektion utanför spektrumet av det upplysta området, har olika nyanser av grönt och lila, upp till mycket svagt grågrönaktigt för linser från de senaste årens produktion. Men färgen på glansen är inte en indikator på kvaliteten på antireflektionstekniken.
Interferensantireflekterande beläggningar kännetecknas av:
Historiskt sett var den första metoden etsning, där en film av kiseldioxid bildades på ytan av glaset .
Den accepterade internationella beteckningen för flerskiktsbeläggning består av två bokstäver MC ( eng. Multilayer Coating ), som vanligtvis skrivs före linsens namn. Vissa företag använder andra beteckningar, till exempel märker Asahi Optical sina linser med förkortningen SMC (från engelskan. Super multi coating ).
I Sovjetunionen betecknades linser med flerskiktsbeläggning i enlighet med den internationella standarden med bokstäverna "MC" före namnet, till exempel "MS Helios-44 M". I början av 2000-talet hade flerskiktsupplysning blivit standarden och den var inte längre utsedd specifikt.
Optik med flerskiktsbeläggning var tidigare markerad överallt med bokstäverna MS - M ulti Layer , M ulti Coating (till exempel MS Mir-47M 2.5 / 20 ) Som regel betydde förkortningen "MS" treskiktsupplysning. För närvarande är den speciella beteckningen för flerskiktsupplysning sällsynt, eftersom dess användning har blivit standard.
Ibland finns det "proprietära" beteckningar för dess speciella varianter SMC (Super Multi Coating, Pentax), HMC (Hyper Multi Coating, Hoya), MRC (Multi-Resistant Coating, B + W), SSC (Super Spectra Coating, Canon), SIC (Super Integrated Coating), Nano (Nikon), EBC (Electron Beam Coating, Fujinon/Fujifilm), T* (Zeiss), Multi-Coating (Leica), Achromatic Coating (Minolta) och andra.
Moderna belagda linser med interferensbeläggning kräver noggrann hantering, eftersom de tunnaste antireflexfilmerna på linserna lätt skadas. Föroreningar på ytan av den antireflekterande beläggningen (fläckar av fett, olja) försämrar dess optiska egenskaper och minskar bildkvaliteten på grund av ökad reflektion och diffus ljusspridning . Dessutom kan kontaminering (inklusive fingeravtryck) leda till att den antireflekterande beläggningen förstörs. Moderna antireflekterande beläggningar har vanligtvis ett skyddande yttre skikt, vilket gör dem mer motståndskraftiga mot negativa miljöpåverkan.
Effekten av "upplysning" av optiken till följd av glasets naturliga åldrande upptäcktes av en slump och oberoende av varandra av fotografer i olika länder redan i början av 1900-talet. Det har observerats att linser som har använts i flera år har producerat ljusare och mer kontrasterande bilder jämfört med helt nya liknande modeller. Som ett resultat av forskning fann man att optiskt glas av vissa sorter, när det kommer i kontakt med fuktig luft , är benäget att bilda en tunn film av metalloxider på ytan, vars salter dopar glaset. Fenomenet "upplysning" förklarades av störningar . Den industriella produktionen av en sådan film försökte först av Harold Taylor ( eng. Harold Dennis Taylor ), som patenterade 1904 en metod för att etsa glas med syror. Denna teknik gav dock så oförutsägbara resultat att den inte användes flitigt. Reproducerbara resultat uppnåddes först 1936 av chefen för Carl Zeiss forskningslaboratorium, Alexander Smakula , som uppfann den så kallade "fysiska upplysningen" [2] . En film av önskad tjocklek och kvalitet med denna metod skapas genom avsättning av magnesium- eller kalciumfluorider i vakuum [3] .
Vid Statens optiska institut föreslogs en annan metod för kemisk upplysning - oxidation genom förbränningsprodukter av eten med ett överskott av syre .
Sedan 1960-talet har organiska filmer baserade på makromolekylära föreningar använts för antireflektionsbeläggningar . Upplysning har blivit möjligt att tillämpa i flera lager, vilket ökar dess effektivitet inte bara i ett våglängdsområde , men också inom ett brett utbud, vilket är särskilt viktigt för färgfotografering/filmning/video.
Funktionsprincipen för en sådan antireflekterande beläggning är baserad på användningen av cirkulär polarisering av ljus [4] [5] . En cirkulär polarisator består av en konventionell linjär polarisator och en kvartsvågsplatta (en kvartsvågsplatta ska inte förväxlas med ett kvartsvågsinterferensskikt). En kvartsvågsplatta omvandlar planpolariserat ljus som passerar genom det till cirkulärt polariserat ljus och vice versa cirkulärt polariserat ljus till planpolariserat ljus. Externt opolariserat ljus, som passerar genom en linjär polarisator, förvandlas till planpolariserat ljus och efter en kvartsvågsplatta till cirkulärt polariserat ljus. Detta ljus, som reflekteras från ytan, vars bländning måste elimineras, ändrar kiraliteten till det motsatta, det vill säga om ljusets rotationsriktning med cirkulär polarisation riktades medurs före reflektion, så blir rotationsriktningen efter reflektion motsatt. Denna reflekterade strålning, som upprepade gånger har passerat genom kvartsvågsplattan, blir återigen planpolariserad, men dess polarisationsplan roteras i förhållande till det infallande ljuset bakom den linjära polarisatorn med 90° och passerar därför inte ut genom den plana polarisatorn.
Användningen av cirkulär polarisering gör att du helt kan dämpa bländning på reflekterande ytor, även metall. Nackdelen med denna metod är att om det infallande externa ljuset är opolariserat, så sjunker intensiteten av ljusflödet som passerar genom den cirkulära polarisatorn med mer än en faktor två, vilket begränsar användningen av denna antireflektionsmetod i optiska system.
Bländningsdämpning med cirkulär polarisering används för att skapa antireflekterande beläggningar på monitorskärmar.
Reflektion kan reduceras genom att texturera ytan, det vill säga genom att skapa en rad konformade diffusorer eller tvådimensionella spår med dimensioner i storleksordningen en halv våglängd på den. Denna metod för att minska koefficienten i vilda djur upptäcktes först när man studerade ögonen hos vissa arter av nattfjärilar. Den yttre ytan av hornhinnan i ögat hos sådana nattfjärilar, som spelar rollen som en lins, är täckt med ett nätverk av konformade utsprång som kallas hornhinnenipplar, vanligtvis inte mer än 300 nm höga och ungefär samma avstånd mellan dem. [6] Eftersom våglängden för synligt ljus är större än storleken på utsprången, kan deras optiska egenskaper beskrivas med hjälp av effektiva medelapproximationsmetoder. Enligt denna approximation fortplantar sig ljus genom dem på samma sätt som om det fortplantade sig genom ett medium med en jämnt och kontinuerligt föränderlig effektiv permittivitet. Detta leder i sin tur till en minskning av reflektansen från hornhinnan, vilket gör att nattfjärilarna kan se bättre i mörker, och dessutom blir mindre synliga för rovdjur på grund av minskad reflektion av ljus från insektens ögon.
Den texturerade ytan uppvisar också antireflektionsegenskaper vid våglängder som är mycket mindre än den karakteristiska storleken på texturen. Detta beror på det faktum att strålar som initialt reflekteras från en texturerad yta har en sannolikhet att tränga in i mediet under efterföljande reflexer från oregelbundenheter. Samtidigt skapar yttexturering förhållanden under vilka den transmitterade strålen kan avvika från normal infallsvinkel, vilket leder till effekten av "entanglement of the transmitted light" (eng. - light trapping ), som används till exempel i solceller .
I långvåglängdsgränsen (våglängder är mycket större än texturstorleken) kan de effektiva mediumapproximationsmetoderna användas för att beräkna reflektionen, i kortvåglängdsgränsen (våglängder är mindre än texturstorleken) och strålspårningsmetoden kan användas för att beräkna reflektionen .
I det fall då våglängden är jämförbar med storleken på texturen, kan reflektionen endast beräknas med vågoptikmetoder , till exempel genom att numeriskt lösa Maxwells ekvationer .
Antireflektionsegenskaperna hos texturerade beläggningar är väl studerade och beskrivna i litteraturen för ett brett spektrum av våglängder [7] [8] .
En vanlig nackdel med alla interferensantireflektionsbeläggningar är reflektionskoefficientens beroende av ljusets infallsvinkel. Denna nackdel kan övervinnas genom att applicera en mjuk övergång av brytningsindex från materialet som ska upplysas till luft, det vill säga från till, till exempel, (lätt kronglas), och tjockleken på lagret med en jämn förändring i brytningsindex bör vara mycket större än våglängden för spektralområdet för upplysning. Men eftersom det inte finns några fasta material med ett brytningsindex nära 1, tillgriper man att ändra brytningsindex i ett effektivt medium. I denna teknik skapas en "skog" av koniska nålar av basmaterialet på en antireflekterande yta, längden på dessa nålar måste vara mycket större än strålningsvåglängden, och tjockleken och avståndet mellan dem för att eliminera diffus ljusspridning måste vara mycket mindre än denna längd.
En sådan yta beter sig optiskt som en yta täckt med ett materialskikt med en brytningsindexgradient - det så kallade effektiva optiska mediet . Reflektionskoefficienten från en sådan yta beror mycket lite på strålningsvåglängden och infallsvinkeln och är nära noll.
För vågor av synligt ljus har sådana beläggningar ännu inte skapats, men i de nära och avlägsna infraröda områdena av spektrumet bildas sådana nålbeläggningar på enkristallkisel genom reaktiv jonetsning , det så kallade "svarta kislet" av en forskargrupp från Rensselaer Polytechnic Institute . Det effektiva brytningsindexet på ytan av ett sådant lager visade sig vara nära 1,05 [9] [10] .
Dessa beläggningar kan användas för att göra infraröd optik ljusare, öka effektiviteten hos kiselsolceller och i andra applikationer.
Optisk beläggning (eller antireflekterande beläggning) används i många områden där ljus passerar genom ett optiskt element och det krävs för att minska intensitetsförlusten eller eliminera reflektion. De vanligaste fallen är glasögonlinser och kameralinser.
En antireflexbeläggning appliceras på glasögonens linser, eftersom frånvaron av bländning förbättrar utseendet och minskar belastningen på ögonen. Det senare märks särskilt när man kör bil på natten och när man arbetar vid en dator. Dessutom förbättrar mer ljus som passerar genom linsen synskärpan. Ofta kombineras antireflekterande linsbeläggningar med andra typer av beläggningar, till exempel sådana som skyddar mot vatten eller fett.
Upplysta linser levereras med foto- och videokameror . På grund av detta ökar ljustransmissionen i det optiska systemet och bildkontrasten ökar på grund av bländningsdämpning , men till skillnad från glasögon består linsen av flera linser.
Antireflekterande beläggningar används ofta i fotolitografi för att förbättra bildkvaliteten genom att eliminera reflektioner från substratytan. Beläggningen kan appliceras både under fotoresisten och över den, och gör det möjligt att minska stående vågor , interferens i tunna filmer och spegelreflektion [11] [12] .
Vissa optiska material som används i det infraröda området har ett mycket högt brytningsindex. Till exempel har germanium ett brytningsindex nära 4,1. Sådana material kräver obligatorisk upplysning.