Антибликовое , антибликовое или антиотражающее ( AR ) покрытие — это тип оптического покрытия , наносимого на поверхность линз , других оптических элементов и фотоэлектрических элементов для уменьшения отражения . В типичных системах визуализации 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 , которое делает глаза пользователя более заметными для других, или покрытие, уменьшающее блеск от бинокля или телескопического прицела скрытного наблюдателя .
Многие покрытия состоят из прозрачных тонкопленочных структур с чередующимися слоями с контрастным показателем преломления . Толщина слоев выбрана таким образом, чтобы создать деструктивную интерференцию в лучах, отраженных от границ раздела, и конструктивную интерференцию в соответствующих прошедших лучах. Из-за этого характеристики конструкции меняются в зависимости от длины волны и угла падения , поэтому цветовые эффекты часто проявляются 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 , видимый или УФ .
Антибликовые покрытия используются в самых разных случаях, когда свет проходит через оптическую поверхность и желательны низкие потери или низкое отражение. Примеры включают антибликовое покрытие на корректирующих линзах и элементах объектива камеры , а также антибликовое покрытие на солнечных элементах . [2]
Оптики могут рекомендовать «антибликовые линзы», поскольку уменьшение отражения улучшает косметический вид линз. Часто говорят, что такие линзы уменьшают блики , но это снижение очень незначительное. [3] Устранение отражений позволяет проходить немного большему количеству света, что приводит к небольшому увеличению контрастности и остроты зрения.
Антибликовые офтальмологические линзы не следует путать с поляризационными линзами , которые встречаются только в солнцезащитных очках и уменьшают (за счет поглощения) видимый солнечный свет, отраженный от таких поверхностей, как песок, вода и дороги. Термин «антиотражающий» относится к отражению от самой поверхности линзы, а не к источнику света, достигающего линзы.
Многие просветляющие линзы имеют дополнительное покрытие, которое отталкивает воду и жир , что облегчает их поддержание в чистоте. Антибликовые покрытия особенно подходят для линз с высоким коэффициентом преломления , поскольку без покрытия они отражают больше света, чем линзы с более низким коэффициентом преломления (следствие уравнений Френеля ). Кроме того, обычно проще и дешевле покрывать линзы с высоким индексом.
Антиотражающие покрытия (ARC) часто используются в микроэлектронной фотолитографии , чтобы уменьшить искажения изображения, связанные с отражениями от поверхности подложки. Различные типы просветляющих покрытий наносятся либо до (Bottom ARC или BARC), либо после фоторезиста и помогают уменьшить стоячие волны , тонкопленочные интерференции и зеркальные отражения. [4] [5]
Солнечные элементы часто имеют антибликовое покрытие. Используемые материалы 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. Доступное в то время оптическое стекло имело тенденцию к потускнению на своей поверхности с возрастом из-за химических реакций с окружающей средой. Рэлей проверил несколько старых, слегка потускневших кусков стекла и, к своему удивлению, обнаружил, что они пропускают больше света, чем новые, чистые куски. Потускнение заменяет интерфейс воздух-стекло двумя интерфейсами: интерфейс воздух-потускнение и интерфейс потускнение-стекло. Поскольку показатель преломления потускнения находится между показателями стекла и воздуха, каждая из этих границ отражает меньше, чем граница раздела воздух-стекло. Фактически, сумма двух отражений меньше, чем у «голой» границы раздела воздух-стекло, как можно рассчитать по уравнениям Френеля .
Один из подходов заключается в использовании антибликовых покрытий с градиентным показателем преломления (GRIN), то есть покрытий с почти непрерывно меняющимися показателями преломления. [8] С их помощью можно ограничить отражение в широком диапазоне частот и углов падения.
Простейшее интерференционное просветляющее 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 света с длиной волны (в покрытии), равной четырехкратной толщине покрытия. Отражательная способность 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 крон-стекло , показатель преломления которого составляет около 1,52. Оптимальное однослойное покрытие должно быть изготовлено из материала с индексом около 1,23. Твердых материалов с таким низким показателем преломления не существует. Наиболее близкими материалами с хорошими физическими свойствами для покрытия являются фторид магния , MgF 2 (с индексом 1,38) и фторполимеры , которые могут иметь индексы до 1,30, но более сложны в нанесении. [9] MgF 2 на поверхности крон-стекла дает коэффициент отражения около 1% по сравнению с 4% для чистого стекла. Покрытия MgF 2 намного лучше работают со стеклами 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 видимого диапазона , они обеспечивают достаточно хорошее просветление во всем диапазоне.
Исследователи создали пленки из наночастиц мезопористого кремнезема с показателем преломления всего 1,12, которые действуют как просветляющие покрытия. [10]
Используя чередующиеся слои материала с низким показателем, такого как диоксид кремния , и материала с более высоким показателем, можно получить коэффициент отражения всего 0,1% на одной длине волны. Также можно изготовить покрытия, которые обеспечивают 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 нулевой коэффициент отражения на нескольких длинах волн или оптимальные характеристики при углах падения, отличных от 0 °.
Дополнительной категорией просветляющих покрытий являются так называемые «поглощающие ARC». Эти покрытия полезны в ситуациях, когда высокая прозрачность через поверхность не важна или нежелательна, но требуется низкая отражательная способность. Они могут обеспечивать очень низкий коэффициент отражения при небольшом количестве слоев и часто могут производиться дешевле или в больших масштабах, чем стандартные непоглощающие просветляющие покрытия. (См., например, патент США 5091244.) Поглощающие дуговые дуги часто используют необычные оптические свойства, проявляемые в сложных тонких пленках, полученных методом напыления . Например, нитрид титана и нитрид ниобия используются для поглощения дуговых разрядов. Они могут быть полезны в приложениях, требующих повышения контрастности или в качестве замены тонированного стекла (например, в ЭЛТ-дисплеях ).
Глаза мотыльков обладают необычным свойством: их поверхность покрыта натуральной наноструктурированной пленкой, которая устраняет блики. Это позволяет бабочке хорошо видеть в темноте, без отражений, выдающих хищникам свое местоположение. [11] Структура состоит из шестиугольных выступов, каждый примерно 200 нм в высоту и расположенных на расстоянии 300 нм между центрами. [12] Этот тип просветляющего покрытия работает, потому что неровности 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 воздуха. интерфейс объектива. С использованием этого эффекта люди создали практические антибликовые пленки; [13] это форма биомимикрии . Компания Canon использует микрорельефный метод в своем покрытии с субволновой структурой, что значительно уменьшает блики объектива . [14]
Подобные структуры также используются в фотонных устройствах, например, микрорельефные структуры, выращенные из оксида вольфрама и оксида железа, можно использовать в качестве фотоэлектродов для расщепления воды с получением водорода. [15] Структура состоит из сфероидов оксида вольфрама диаметром несколько сотен микрометров, покрытых оксидом железа толщиной в несколько нанометров. [16] [17]
Круговой поляризатор, приклеенный к поверхности, можно использовать для устранения отражений. [18] [19] Поляризатор пропускает свет с одной киральностью («направленностью») круговой поляризации. Свет, отраженный от поверхности после поляризатора, трансформируется в противоположную «рукоятку». 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, возникающих из-за покрытий, часто называемые эффектами толстой и тонкой пленки . Эффекты толстой пленки возникают из-за разницы показателей преломления между слоями выше и ниже покрытия (или пленки ); в простейшем случае этими тремя слоями являются воздух, покрытие и стекло. Толстопленочные покрытия не зависят от толщины покрытия, если толщина покрытия намного превышает длину 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 разрушающе суммироваться и, следовательно, уменьшать отражения с помощью отдельного механизма. Помимо того, что тонкопленочные покрытия во многом зависят от толщины пленки и длины волны света, они зависят от угла, под которым свет падает на поверхность с покрытием.
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 граница раздела ) между двумя средами. Это можно наблюдать, например, глядя в 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 попадает на границу раздела при нормальном падении (перпендикулярно поверхности), интенсивность отраженного света определяется коэффициентом отражения или коэффициентом отражения R :
где n 0 и n S - показатели преломления первой и второй сред соответственно. Значение R варьируется от 0 (отсутствие отражения) до 1 (отражение всего света) и обычно указывается в процентах . Дополнением к R является коэффициент передачи , или коэффициент пропускания , T. Если пренебречь поглощением и рассеянием , то значение T всегда равно 1 − R. Таким образом, если на поверхность падает луч света с интенсивностью I , луч с интенсивностью RI отражается, а луч с интенсивностью TI передается в среду.
Для упрощенного сценария распространения видимого света 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, 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 многократного отражения, например, когда свет проходит 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 убытка в обоих случаях одинаков. Свет также может отражаться от одной поверхности к другой несколько раз, частично отражаясь и частично пропускаясь каждый раз. В целом комбинированный коэффициент отражения равен 2 R /(1 + R ) . Для стекла в воздухе это около 7,7%.
Как заметил лорд Рэлей , тонкая пленка (например, потускнение) на поверхности стекла может снизить отражательную способность. Этот эффект можно объяснить, представляя тонкий слой материала с показателем преломления n 1 между воздухом (показатель n 0 ) и стеклом (показатель 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 рассчитать коэффициенты отражения для обеих границ раздела, обозначенные R 01 и R 1S соответственно. Таким образом, передача на каждом интерфейсе равна T 01 = 1 − R 01 и T 1S = 1 − R 1S . Таким образом, общий коэффициент пропускания в стекло составляет T 1S T 01 . Рассчитав эту величину для различных значений n 1 , можно обнаружить, что при одном конкретном значении оптимального показателя преломления слоя коэффициент пропускания обеих границ раздела одинаков, и это соответствует максимальному суммарному коэффициенту пропускания в стекло.
Это оптимальное значение определяется средним геометрическим двух окружающих индексов:
На примере стекла ( n S ≈ 1,5 ) на воздухе ( n 0 ≈ 1,0 ) этот оптимальный показатель преломления равен n 1 ≈ 1,225 . [20] [21]
Потери на отражение каждого интерфейса составляют примерно 1,0% (при совокупных потерях 2,0%), а общий коэффициент пропускания T 1S T 01 составляет примерно 98%. Следовательно, промежуточное покрытие между воздухом и стеклом может вдвое снизить потери на отражение.
Использование промежуточного слоя для формирования просветляющего покрытия можно рассматривать как аналог метода согласования импедансов электрических сигналов. (Похожий метод используется в исследованиях оптоволокна , где иногда используется масло с соответствующим индексом для временного подавления полного внутреннего отражения , чтобы свет мог проникать в волокно или выходить из него.) Дальнейшее уменьшение отражения теоретически может быть достигнуто путем расширения обрабатывают несколько слоев материала, постепенно смешивая показатель преломления каждого слоя между показателем преломления воздуха и показателем подложки.
Однако практические просветляющие покрытия полагаются на промежуточный слой не только из-за прямого снижения коэффициента отражения, но также используют интерференционный эффект тонкого слоя. Предположим, что толщина слоя точно контролируется, так что она составляет ровно четверть длины волны света в слое ( λ/4 = λ 0 /(4 n 1 ) , где λ 0 — длина волны в вакууме). Этот слой тогда называется четвертьволновым покрытием . Для этого типа покрытия нормально падающий луч I при отражении от второй поверхности проходит ровно на половину своей длины дальше, чем луч, отраженный от первой поверхности, что приводит к деструктивной интерференции. Это справедливо и для более толстых слоев покрытия (3λ/4, 5λ/4 и т. д.), однако просветляющие 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 точно равны, они будут разрушительно интерферировать и гасить друг друга, поскольку они находятся в противофазе . Следовательно, отражения от поверхности нет, и вся энергия луча должна находиться в прошедшем луче T . При расчете отражения от стопки слоев можно использовать метод матрицы переноса .
Реальные покрытия не достигают идеальных характеристик, хотя они способны снизить коэффициент отражения поверхности до уровня менее 0,1%. Кроме того, слой будет иметь идеальную толщину только для одной определенной длины волны света. К другим трудностям относится поиск подходящих материалов для использования на обычном стекле, поскольку лишь немногие полезные вещества имеют необходимый показатель преломления ( n ≈ 1,23 ), который сделает оба отраженных луча совершенно равными по интенсивности. Часто используется фторид магния (MgF 2 ), поскольку он износостойкий и легко наносится на подложки методом физического осаждения из паровой фазы , хотя его индекс выше желаемого ( n = 1,38 ).
Дальнейшее снижение возможно за счет использования нескольких слоев покрытия, спроектированных таким образом, чтобы отражения от поверхностей подвергались максимальному разрушительному воздействию. Один из способов сделать это — добавить второй четвертьволновой слой с более высоким показателем преломления между слоем с низким показателем и подложкой. Отражение от всех трех интерфейсов приводит к деструктивной интерференции и антиотражению. Другие методы используют покрытия различной толщины. Используя два или более слоев, каждый из которых выбран так, чтобы обеспечить наилучшее соответствие желаемого показателя преломления и дисперсии , можно получить широкополосные просветляющие покрытия, охватывающие видимый диапазон (400–700 нм) с максимальной отражательной способностью менее 0,5%. обычно достижимо.
Точный характер покрытия определяет внешний вид оптики с покрытием; Обычные AR-покрытия на очках и фотолинзах 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), просветляющие возможности несколько ухудшаются. Это происходит потому, что фаза, накопленная в слое, относительно фазы сразу отраженного света уменьшается по мере увеличения угла от нормального. Это противоречит здравому смыслу, поскольку луч испытывает больший общий фазовый сдвиг в слое, чем при нормальном падении. Этот парадокс разрешается, если отметить, что луч выйдет из слоя, пространственно смещенного от того места, где он вошел, и будет мешать отражениям от входящих лучей, которым пришлось пройти дальше (таким образом накапливая больше собственной фазы), чтобы достичь границы раздела. Конечным эффектом является то, что относительная фаза фактически уменьшается, смещая покрытие, так что полоса просветления покрытия имеет тенденцию перемещаться в сторону более коротких волн при наклоне оптики. Ненормальные углы падения также обычно приводят к тому, что отражение становится зависимым от поляризации .
Отражение можно уменьшить, текстурируя поверхность 3D-пирамидами или 2D-бороздками (решетками). Такое текстурированное покрытие можно создать, например, методом 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 . Чтобы минимизировать отражение, были предложены различные профили пирамид, такие как кубические, квинтические или целочисленные экспоненциальные профили.
Если длина волны меньше текстурированного размера, уменьшение отражения можно объяснить с помощью приближения геометрической оптики : лучи должны отражаться много раз, прежде чем они направятся обратно к источнику. В этом случае отражение можно рассчитать с помощью трассировки лучей .
Использование текстуры также уменьшает отражение для длин волн, сопоставимых с размером объекта. В этом случае никакое приближение недействительно, и отражение можно рассчитать путем численного решения уравнений Максвелла .
Просветляющие свойства текстурированных поверхностей хорошо обсуждаются в литературе для широкого диапазона соотношений размера и длины волны (включая длинноволновые и коротковолновые пределы) для поиска оптимального размера текстуры. [23]
Как упоминалось выше, «покрытия» с естественным индексом соответствия были обнаружены 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 , работавшим в оптической компании Carl Zeiss . [26] [27] [28] Эти покрытия оставались немецкой военной тайной в течение нескольких лет, пока союзники не обнаружили секрет во время Второй мировой войны . [29] [30] Кэтрин Берр Блоджетт и Ирвинг Ленгмюр разработали органические просветляющие покрытия, известные как пленки Ленгмюра-Блоджетт, в конце 1930-х годов.
