Антибликовое , антибликовое или антиотражающее ( AR ) покрытие — это тип оптического покрытия, наносимого на поверхность линз , других оптических элементов и фотоэлектрических ячеек для уменьшения отражения . В типичных системах формирования изображений это повышает эффективность, поскольку из-за отражения теряется меньше света. В сложных системах, таких как камеры , бинокли , телескопы и микроскопы, уменьшение отражений также улучшает контрастность изображения за счет устранения рассеянного света . Это особенно важно в планетарной астрономии . В других приложениях основным преимуществом является устранение самого отражения, например, покрытие на линзах очков , делающее глаза владельца более заметными для других, или покрытие для уменьшения бликов от бинокля или телескопического прицела скрытого наблюдателя .
Многие покрытия состоят из прозрачных тонкопленочных структур с чередующимися слоями с контрастным показателем преломления . Толщина слоев выбирается для создания деструктивной интерференции в лучах, отраженных от интерфейсов, и конструктивной интерференции в соответствующих прошедших лучах. Это приводит к изменению характеристик структуры в зависимости от длины волны и угла падения , так что цветовые эффекты часто появляются под косыми углами . Диапазон длин волн должен быть указан при проектировании или заказе таких покрытий, но хорошие характеристики часто могут быть достигнуты для относительно широкого диапазона частот : обычно предлагается выбор ИК , видимого или УФ .
Антибликовые покрытия используются в самых разных приложениях, где свет проходит через оптическую поверхность, и требуется низкая потеря или низкое отражение. Примерами являются антибликовые покрытия на корректирующих линзах и элементах объектива камеры , а также антибликовые покрытия на солнечных элементах . [2]
Оптики могут рекомендовать «антибликовые линзы», поскольку уменьшенное отражение улучшает косметический вид линз. Часто говорят, что такие линзы уменьшают блики , но это уменьшение очень незначительно. [3] Устранение отражений позволяет проходить немного большему количеству света, что немного увеличивает контрастность и остроту зрения.
Антибликовые офтальмологические линзы не следует путать с поляризованными линзами , которые встречаются только в солнцезащитных очках и уменьшают (поглощая) видимые блики солнца, отраженные от таких поверхностей, как песок, вода и дороги. Термин «антибликовый» 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 облегчает их чистку. Антибликовые покрытия особенно подходят для линз с высоким индексом , поскольку они отражают больше света без покрытия, чем линзы с низким индексом (следствие уравнений Френеля ). Кроме того, обычно проще и дешевле покрывать линзы с высоким индексом.
Антибликовые покрытия (ARC) часто используются в микроэлектронной фотолитографии для уменьшения искажений изображения, связанных с отражениями от поверхности подложки. Различные типы антибликовых покрытий наносятся либо до (Bottom ARC, или BARC), либо после фоторезиста и помогают уменьшить стоячие волны , тонкопленочную интерференцию и зеркальные отражения. [4] [5]
Солнечные элементы часто покрываются антибликовым покрытием. Материалы, которые использовались, включают фторид магния , нитрид кремния , диоксид кремния , диоксид титана и оксид алюминия . [6] [7]
Простейшая форма антибликового покрытия была открыта лордом Рэлеем в 1886 году. Оптическое стекло, имевшееся в то время, имело тенденцию к образованию налета на поверхности со временем 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 куски. Потускнение заменяет границу раздела воздух-стекло двумя границами: границей раздела воздух-потускнение и границей раздела потускнение-стекло. Поскольку потускнение имеет показатель преломления между показателями преломления стекла и воздуха, каждый из этих интерфейсов демонстрирует меньшее отражение, чем граница раздела воздух-стекло. Фактически, сумма двух отражений меньше, чем у «голого» интерфейса воздух-стекло, что можно рассчитать с помощью уравнений Френеля .
Один из подходов заключается в использовании антибликовых покрытий с градиентным показателем преломления (GRIN), то есть с почти непрерывно изменяющимися показателями преломления. [8] С их помощью можно ограничить отражение для широкого диапазона частот и углов падения.
Простейшее интерференционное антибликовое покрытие состоит из одного тонкого слоя прозрачного материала с показателем преломления, равным квадратному корню из показателя преломления подложки. На воздухе такое покрытие теоретически дает нулевое отражение для света с длиной волны (в покрытии), равной четырем толщинам 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 кронглас , показатель преломления которого составляет около 1,52. Оптимальное однослойное покрытие должно быть изготовлено из материала с показателем преломления около 1,23. Твердых материалов с таким низким показателем преломления не существует. Наиболее близкими материалами с хорошими физическими свойствами для покрытия являются фторид магния , MgF2 ( с показателем преломления 1,38) и фторполимеры , которые могут иметь показатели вплоть до 1,30, но их сложнее наносить. [9] MgF2 на поверхности кронгласа дает отражательную способность около 1% по сравнению с 4% для чистого стекла. Покрытия MgF2 работают намного лучше на стеклах с более высоким показателем преломления, особенно с показателем преломления, близким к 1,9. Покрытия MgF2 обычно используются, потому что они дешевы и долговечны. Когда покрытия разработаны для длины волны в середине видимого диапазона , они дают достаточно хорошее антиотражение по всему диапазону.
Исследователи создали пленки из мезопористых наночастиц кремния с показателем преломления всего лишь 1,12, которые выполняют функцию антибликовых покрытий. [10]
Используя чередующиеся слои материала с низким индексом, например, кремния , и материала с более высоким индексом, можно получить отражательную способность до 0,1% на одной длине волны. Также можно изготавливать покрытия, которые дают очень низкую отражательную способность в широком диапазоне частот, хотя они сложны и относительно дороги. Оптические покрытия также могут изготавливаться со специальными характеристиками, такими как почти нулевая отражательная способность на нескольких длинах волн или оптимальная производительность при углах падения, отличных от 0°.
Дополнительная категория антибликовых покрытий — это так называемые «поглощающие ARC». Эти покрытия полезны в ситуациях, когда высокая светопропускаемость через поверхность не важна или нежелательна, но требуется низкая отражательная способность. Они могут обеспечивать очень низкую отражательную способность при небольшом количестве слоев и часто могут производиться дешевле или в большем масштабе, чем стандартные непоглощающие AR-покрытия. (См., например, патент США 5,091,244.) Поглощающие ARC часто используют необычные оптические свойства, проявляемые в сложных тонких пленках, полученных методом напыления . Например, нитрид титана и нитрид ниобия используются в поглощающих ARC. Они могут быть полезны в приложениях, требующих повышения контрастности или в качестве замены тонированного стекла (например, в дисплеях ЭЛТ ).
Глаза мотыльков обладают необычным свойством: их поверхности покрыты естественной наноструктурированной пленкой, которая устраняет отражения. Это позволяет мотыльку хорошо видеть в темноте, без отражений, которые могли бы выдать его местоположение хищникам. [11] Структура состоит из шестиугольного рисунка выпуклостей, каждая примерно 200 нм в высоту и расположенных на расстоянии 300 нм от центра. [12] Этот вид антибликового покрытия работает, потому что выпуклости меньше длины волны видимого света, поэтому свет видит поверхность как имеющую непрерывный градиент показателя преломления между воздухом и средой, что уменьшает отражение, эффективно удаляя интерфейс воздух-линза. Практические антибликовые пленки были сделаны людьми с использованием этого эффекта; [13] это форма биомимикрии . Canon использует технику глаза мотылька в своем покрытии субволновой структуры, которое значительно уменьшает блики объектива . [14]
Такие структуры также используются в фотонных устройствах, например, структуры типа «глаз мотылька», выращенные из оксида вольфрама и оксида железа, могут использоваться в качестве фотоэлектродов для расщепления воды с целью получения водорода. [15] Структура состоит из сфероидов оксида вольфрама диаметром в несколько сотен микрометров, покрытых несколькими нанометрами оксида железа. [16] [17]
Круговой поляризатор, ламинированный на поверхность, может использоваться для устранения отражений. [18] [19] Поляризатор пропускает свет с одной хиральностью («рукой») круговой поляризации. Свет, отраженный от поверхности после поляризатора, преобразуется в противоположную «руку». Этот свет не может пройти обратно через круговой поляризатор, поскольку 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 менее 50%.
Существуют две отдельные причины оптических эффектов из-за покрытий, часто называемые эффектами толстой пленки и тонкой пленки . Эффекты толстой пленки возникают из-за разницы в показателе преломления между слоями выше и ниже покрытия (или пленки ); в простейшем случае эти три слоя - это воздух, покрытие и стекло. Толстопленочные покрытия не зависят от толщины покрытия, пока покрытие намного толще длины волны света. Тонкопленочные эффекты возникают, когда толщина покрытия примерно равна четверти или половине длины волны света. В этом случае отражения постоянного источника света можно заставить деструктивно суммироваться и, следовательно, уменьшать отражения с помощью отдельного механизма. Помимо сильной зависимости от толщины пленки и длины волны света, тонкопленочные покрытия зависят от угла, под которым свет падает на покрытую поверхность.
Всякий раз, когда луч света перемещается из одной среды в другую (например, когда свет попадает в лист стекла после прохождения через воздух ), некоторая часть света отражается от поверхности (известной как интерфейс ) между двумя средами. Это можно наблюдать, глядя через окно , например, 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 падает на границу раздела при нормальном падении (перпендикулярно поверхности), интенсивность отраженного света определяется коэффициентом отражения , или отражательной способностью , R :
где n 0 и n S — показатели преломления первой и второй сред соответственно. Значение R изменяется от 0 (нет отражения) до 1 (весь свет отражается) и обычно указывается в процентах . Дополнительным к R является коэффициент пропускания , или коэффициент пропускания , T. Если пренебречь поглощением и рассеянием , то значение T всегда равно 1 − R. Таким образом, если луч света с интенсивностью I падает на поверхность, луч с интенсивностью RI отражается, а луч с интенсивностью TI передается в среду.
Для упрощенного сценария видимого света, проходящего из воздуха ( n 0 ≈ 1,0) в обычное стекло ( n S ≈ 1,5 ), значение R составляет 0,04 или 4% при однократном отражении. Таким образом, максимум 96% света ( T = 1 − R = 0,96 ) фактически попадает в стекло, а остальная часть отражается от поверхности. Количество отраженного света известно как потеря отражения .
В более сложном сценарии многократных отражений, скажем, при прохождении света через окно, свет отражается как при переходе из воздуха в стекло, так и на другой стороне окна при переходе из стекла обратно в воздух. Размер потерь одинаков в обоих случаях. Свет также может отражаться от одной поверхности к другой несколько раз, частично отражаясь и частично пропускаясь каждый раз. В целом, комбинированный коэффициент отражения определяется как 2 R /(1 + R ) . Для стекла в воздухе это составляет около 7,7%.
Как заметил лорд Рэлей , тонкая пленка (например, потускнение) на поверхности стекла может уменьшить отражательную способность. Этот эффект можно объяснить, представив тонкий слой материала с показателем преломления n 1 между воздухом (показатель n 0 ) и стеклом (показатель n S ). Теперь луч света отражается дважды: один раз от поверхности между воздухом и тонким слоем и один раз от интерфейса слой-стекло.
Из приведенного выше уравнения и известных показателей преломления можно рассчитать отражательную способность для обоих интерфейсов, обозначив их R 01 и R 1S соответственно. Таким образом, пропускание на каждом интерфейсе равно T 01 = 1 − R 01 и T 1S = 1 − R 1S . Таким образом, общий коэффициент пропускания в стекло равен T 1S T 01 . Вычисляя это значение для различных значений n 1 , можно обнаружить, что при одном конкретном значении оптимального показателя преломления слоя коэффициент пропускания обоих интерфейсов одинаков, и это соответствует максимальному общему коэффициенту пропускания в стекло.
Это оптимальное значение определяется как среднее геометрическое двух окружающих индексов:
Для примера стекла ( n S ≈ 1,5 ) в воздухе ( n 0 ≈ 1,0 ) этот оптимальный показатель преломления равен n 1 ≈ 1,225 . [20] [21]
Потери на отражение каждого интерфейса составляют приблизительно 1,0% (при общих потерях 2,0%), а общая передача T 1S T 01 составляет приблизительно 98%. Поэтому промежуточное покрытие между воздухом и стеклом может вдвое уменьшить потери на отражение.
Использование промежуточного слоя для формирования антибликового покрытия можно рассматривать как аналог техники согласования импеданса электрических сигналов. (Похожий метод используется в исследованиях волоконной оптики , где иногда используется масло с согласованным показателем преломления для временного устранения полного внутреннего отражения , чтобы свет мог входить в волокно или выходить из него.) Теоретически можно было бы добиться дальнейшего снижения отражения, распространив процесс на несколько слоев материала, постепенно смешивая показатель преломления каждого слоя между показателем воздуха и показателем подложки.
Однако практические антибликовые покрытия полагаются на промежуточный слой не только для его прямого снижения коэффициента отражения, но и используют эффект интерференции тонкого слоя. Предположим, что толщина слоя контролируется точно, так что она составляет ровно одну четверть длины волны света в слое ( λ/4 = λ 0 /(4 n 1 ) , где λ 0 — длина волны в вакууме). Тогда слой называется четвертьволновым покрытием . Для этого типа покрытия нормально падающий луч I при отражении от второй поверхности интерфейса пройдет ровно на половину своей собственной длины волны дальше, чем луч, отраженный от первой поверхности, что приведет 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 отражательной способности от длины волны и угла падения.
Если интенсивности двух лучей R 1 и R 2 точно равны, они будут деструктивно интерферировать и гасить друг друга, поскольку они точно не совпадают по фазе . Следовательно, нет никакого отражения от поверхности, и вся энергия луча должна быть в прошедшем луче, T . При расчете отражения от стопки слоев можно использовать метод матрицы переноса .
Реальные покрытия не достигают идеальной производительности, хотя они способны снизить коэффициент отражения поверхности до менее 0,1%. Кроме того, слой будет иметь идеальную толщину только для одной отдельной 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. Часто используется фторид магния (MgF2 ) , поскольку он износоустойчив и может быть легко нанесен на подложки с помощью физического осаждения из паровой фазы , даже если его показатель выше желаемого ( n = 1,38 ).
Дальнейшее снижение возможно за счет использования нескольких слоев покрытия, разработанных таким образом, чтобы отражения от поверхностей подвергались максимальной деструктивной интерференции. Один из способов сделать это — добавить второй слой с более высоким показателем преломления толщиной в четверть волны между слоем с низким показателем преломления и подложкой. Отражение от всех трех интерфейсов создает деструктивную интерференцию и антиотражение. Другие методы используют покрытия различной толщины. Используя два или более слоев, каждый из материала, выбранного для обеспечения наилучшего соответствия желаемого показателя преломления и дисперсии , обычно можно получить широкополосные антиотражающие покрытия, охватывающие видимый диапазон (400–700 нм) с максимальной отражательной способностью менее 0,5%.
Точная природа покрытия определяет внешний вид покрытой оптики; 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 оптика с покрытием используется при ненормальном падении (то есть, когда световые лучи не перпендикулярны поверхности), антиотражательные возможности несколько ухудшаются. Это происходит из-за того, что фаза, накопленная в слое относительно фазы света, немедленно отраженного, уменьшается по мере увеличения угла от нормального. Это противоречит здравому смыслу, поскольку луч испытывает больший общий сдвиг фазы в слое, чем при нормальном падении. Этот парадокс разрешается, если отметить, что луч выйдет из слоя, пространственно смещенный относительно того места, где он вошел, и будет мешать отражениям от входящих лучей, которым пришлось пройти большее расстояние (таким образом, накапливая больше собственной фазы), чтобы достичь интерфейса. Чистый эффект заключается в том, что относительная фаза фактически уменьшается, сдвигая покрытие, так что антиотражательная полоса покрытия имеет тенденцию перемещаться в сторону более коротких длин волн по мере наклона оптики. Ненормальные углы падения также обычно приводят к тому, что отражение зависит от поляризации .
Отражение можно уменьшить, текстурируя поверхность с помощью 3D-пирамид или 2D-канавками (решетками). Такого рода текстурированное покрытие можно создать, например, с помощью метода Ленгмюра-Блоджетт . [22]
Если длина волны больше размера текстуры, текстура ведет себя как градиентная пленка с уменьшенным отражением. Для расчета отражения в этом случае можно использовать приближения эффективной среды . Для минимизации отражения были предложены различные профили пирамид, такие как кубические, квинтические или интегральные экспоненциальные профили.
Если длина волны меньше текстурированного размера, то 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 также уменьшает отражение для длин волн, сопоставимых с размером элемента. В этом случае никакое приближение недействительно, и отражение можно рассчитать, решив уравнения Максвелла численно .
Антибликовые свойства текстурированных поверхностей подробно обсуждаются в литературе для широкого диапазона соотношений размера к длине волны (включая пределы длинных и коротких волн) для поиска оптимального размера текстуры. [23]
Как упоминалось выше, естественные «покрытия» с соответствующим индексом были открыты лордом Рэлеем в 1886 году. Гарольд Деннис Тейлор из компании Cooke разработал химический метод получения таких покрытий в 1904 году. [24] [25]
Интерференционные покрытия были изобретены и разработаны в 1935 году Александром Смакулой , который работал в оптической компании Carl Zeiss . [26] [27] [28] Эти покрытия оставались немецкой военной тайной в течение нескольких лет, пока союзники не раскрыли секрет в конце Второй мировой войны . [29] [30] Кэтрин Берр Блоджетт и Ирвинг Ленгмюр разработали органические антибликовые покрытия, известные как пленки Ленгмюра–Блоджетт, в конце 1930-х годов.