Enlightenment of optics este o tehnologie de tratare a suprafețelor pentru lentile , prisme și alte părți optice pentru a reduce reflexia luminii de pe suprafețele optice adiacente aerului . Acest lucru vă permite să creșteți transmisia luminii a sistemului optic și să creșteți contrastul imaginii prin reducerea reflexiilor false interferente în sistemul optic.
Majoritatea sistemelor optice utilizate, cum ar fi lentilele camerei și camerelor video, constau din mai multe lentile, iar reflexia de la fiecare interfață sticlă-aer reduce fluxul de lumină util transmis. Fără utilizarea metodelor antireflexii, scăderea intensității luminii transmise într-un sistem cu lentile multiple poate ajunge la câteva zeci de procente. Prin urmare, optica acoperită este utilizată în toate lentilele moderne.
Există patru moduri de a reduce coeficientul de reflexie de la suprafață, inclusiv iluminarea opticii:
Acoperirile de interferență antireflex ale suprafețelor optice sunt utilizate în principal. În astfel de acoperiri, suprafețele optice sunt acoperite cu unul sau mai multe straturi de peliculă subțire, comparabilă ca grosime cu lungimea de undă a luminii. Indicele de refracție al acestor straturi diferă de indicele de refracție al materialului părții optice. Prin selectarea corectă a grosimilor de acoperire și a indicilor lor de refracție, este posibil să se reducă coeficientul de reflexie la aproape zero pentru una sau mai multe, în cazul acoperirilor multistrat, lungimi de undă ale luminii.
Acoperirile de suprafață care reduc reflexia sunt denumite și acoperiri antireflectante sau antireflex . Astfel de acoperiri sunt utilizate nu numai în sistemele optice, ci și pentru a reduce reflexiile interferente de la alte suprafețe, cum ar fi ecranele monitorului.
Când lumina cade pe interfața dintre două medii transparente cu indici de refracție diferiți , are loc o reflectare parțială a fluxului de lumină de la interfață. Gradul de reflexie este caracterizat de coeficientul de reflexie - proporția de lumină reflectată din lumina incidentă, care este de obicei exprimată ca procent. Coeficienții de reflexie sunt aceiași atât pentru lumina incidentă dintr-un mediu mai puțin dens optic (un mediu cu un indice de refracție mai mic), cât și pentru direcția inversă a luminii la unghiuri de incidență egale . depinde de unghiul de incidenţă şi se exprimă în general prin formulele Fresnel . Într-un caz particular, cu incidență normală (adică cu incidență perpendiculară pe suprafață sau, care este același, unghiul de incidență egal cu zero) se exprimă prin formula:
Din formula rezultă că, cu cât indicii de refracție ai două medii diferă mai mult, cu atât este mai mare . De exemplu, pentru sticla obișnuită ( ) în aer ( ) o singură interfață sticlă-aer ar fi 0,04 sau 4% . Când lumina trece printr-o placă cu indice de refracție într-un mediu cu indice de refracție , - prin două interfețe, de exemplu, prin geamul ferestrei, coeficientul total de reflexie datorat reflexiilor interne multiple în sticlă crește și este exprimat astfel:
Pentru o placă de sticlă, coeficientul de reflexie conform ultimei formule dă ~ 7,7%, adică doar 92,3% din lumină va trece printr-o astfel de placă. Pentru o lentilă formată, de exemplu, din 6 lentile, coeficientul de transmisie a luminii fără acoperire a lentilei va fi doar În sisteme optice mai complexe, de exemplu, în periscoapele submarine , numărul de părți optice este mult mai mare, iar coeficientul de transmisie a luminii de astfel de sisteme fără utilizarea iluminării scade la o valoare inacceptabil de mică.
Coeficientul de reflexie scade rapid pe măsură ce indicii de refracție ai două medii se apropie unul de celălalt. De exemplu, fluorura de magneziu (MgF) , care este utilizată pe scară largă pentru antireflexie , are un indice de refracție de 1,38, ceea ce oferă o reflectanță de interfață cu sticlă de coroană luminoasă de aproximativ 1,1% .
Din formulele Fresnel rezultă că se realizează cel mai mic coeficient de reflexie din două medii separate de un al treilea mediu cu un indice de refracție și o grosime a mediului intermediar mult mai mare decât lungimea de undă a luminii (adică fără a ține cont de fenomenele de interferență). când media geometrică a indicilor de refracție ai mediilor separate este egală:
Ideea principală a iluminării prin interferență este de a obține adăugarea în antifază a undelor reflectate de la două interfețe.
O undă plană monocromatică care se propagă în direcția coordonatelor crescătoare este descrisă analitic prin expresia:
unde este numărul de undă , este lungimea de undă , este amplitudinea undei.Undă reflectată de pe suprafața filmului și de la interfața film-sticlă
unde este coeficientul de reflexie din film, este coeficientul de reflexie de la interfața film-sticlă, ținând cont de multiple reflexii interne din film, - grosimea filmului, un factor de 2 indică faptul că lumina trece prin film în două direcții, - numărul de undă din film, deoarece lungimea de undă într-un mediu cu indice de refracție mai mare de 1 este mai mică decât lungimea de undă în aer sau vid, apoi - lungimea de undă în vid, - lungimea de undă în film.Pentru ca interferența luminii de la două interfețe să stingă reflexia, este necesar ca. Pentru aceasta, în primul rând, trebuie să existe și, în al doilea rând,
Prima egalitate se realizează dacă sunt indicii de refracție ai mediului extern și respectiv materialul antireflex, de exemplu, sticla. A doua egalitate se realizează dacă schimbarea de fază cauzată de trecerea luminii prin film este un multiplu , adică perioada funcției cosinus și o astfel de schimbare de fază nu modifică valoarea cosinusului, este un nenegativ. întreg , de unde:
sauDe asemenea, din cele de mai sus rezultă că atunci când grosimea filmului este un multiplu al jumătate din lungimea de undă, dimpotrivă, coeficientul de reflexie crește. Prin urmare, într-o gamă relativ largă de lungimi de undă, o peliculă cu un sfert de lungime de undă este cea mai eficientă pentru antireflexie, deoarece schimbarea de fază pentru lungimile de undă învecinate este mică în comparație cu perioada spațială a undei. De exemplu, lasă pentru o lungime de undă a pentru altă lungime de undă . Pentru prima lungime de undă, o peliculă de o anumită grosime este antireflexie, pentru alta, este reflectorizant. Raportul lungimilor de undă: sau diferă doar cu 10%. Pentru exemplul dat, acestea sunt, de exemplu, lungimi de undă de 500 nm și 550 nm - lungimi de undă învecinate în partea verde a spectrului.
Pentru filmele groase, lățimile maximelor și minimelor spectrale se îngustează, se apropie una de cealaltă și în cele din urmă se îmbină pe măsură ce grosimea filmului crește și mai mult. De aceea, interferența nu se observă în filmele groase în lumină albă, iar filmele groase nu sunt potrivite ca acoperire antireflexie de interferență.
Deoarece lungimea traseului luminii în film depinde de unghiul de incidență, cu incidență oblică, minimul coeficientului de reflexie este deplasat spre lungimi de undă mai scurte și simultan crește. S-ar părea că o creștere a lungimii căii luminii în film la incidență oblică ar trebui să schimbe minimul către lungimi de undă mai mari, dar nu este așa. O luare în considerare mai subtilă a interacțiunii frontului de undă cu filmul duce la deplasarea observată a minimului către unde mai scurte, așa cum se arată în Figura [1] .
În mod obișnuit, mediul pentru sticlă este aer cu un indice de refracție foarte apropiat de 1, iar indicele de refracție al unui film antireflex trebuie să fie egal cu rădăcina pătrată a indicelui de refracție al sticlei optice a lentilei.
Materialul tradițional pentru filmul antireflex este fluorura de magneziu , care are un indice de refracție relativ scăzut și proprietăți mecanice bune, rezistență la coroziune. Atunci când o coroană de sticlă cu indice de refracție este acoperită cu fluorură de magneziu , stratul de fluorură de magneziu poate reduce reflectanța de la aproximativ 4% la 1,5% sub incidența normală a luminii. Pe sticla de silex cu un indice de refracție de aproximativ 1,9, o peliculă cu un sfert de lungime de undă de fluorură de magneziu poate reduce reflexia la aproape zero pentru o lungime de undă dată de lumină.
Dar reflectivitatea sticlei acoperite în acest fel depinde în mare măsură de lungimea de undă, care este principalul dezavantaj al iluminării cu un singur strat. Reflexivitatea minimă corespunde unui sfert de lungime de undă în materialul filmului.
În primele lentile acoperite , coeficientul de reflexie pentru razele părții verzi a spectrului a fost scăzut (555 nm } - zona celei mai mari sensibilități a ochiului uman), astfel încât strălucirea lentilelor de astfel de lentile au o culoare violet sau albastru-albastru (așa-numita „optică albastră”). În consecință, transmisia luminii a unei astfel de lentile este maximă pentru partea verde a spectrului și mai mică pentru alte părți ale spectrului, ceea ce duce la o anumită eroare în reproducerea culorilor.
Acum (2020), antireflexia cu un singur strat (principalul său avantaj este costul scăzut) este utilizată numai în sisteme optice ieftine și în optica laser concepută pentru a funcționa într-un interval spectral îngust și, în principiu, nu necesită antireflexie într-un interval spectral larg.
Este format din două straturi antireflex, cel exterior are un indice de refracție mai mic. Are caracteristici mai bune decât se realizează iluminarea cu un singur strat pentru o gamă mai largă de lungimi de undă.
Dezavantajul unui strat de acoperire antireflexie cu un singur strat, care oferă antireflexie numai pentru un interval spectral îngust, poate fi depășit prin utilizarea acoperirilor de interferență multistrat.
O acoperire antireflex multistrat este o secvență de cel puțin trei straturi alternative de materiale cu indici de refracție diferiți. Anterior, se credea că 3-4 straturi erau suficiente pentru regiunea vizibilă a spectrului. Acoperirile antireflex moderne multistrat ale aproape tuturor producătorilor au 6-8 straturi și se caracterizează prin pierderi reduse de reflexie în întreaga regiune vizibilă a spectrului. Principalul avantaj al acoperirii multistrat aplicată opticii fotografice și de observație este dependența nesemnificativă a reflectivității de lungimea de undă din spectrul vizibil.
Compoziția unui strat antireflex multistrat, în plus față de straturile antireflex propriu-zise, include de obicei straturi auxiliare - îmbunătățirea aderenței la sticlă, protectoare, hidrofobe etc.
Stralucirea lentilelor cu straturi multiple, cauzata de reflexia in afara spectrului zonei iluminate, are diverse nuante de verde si violet, pana la foarte slab gri-verzui pentru lentilele din ultimii ani de productie. Dar culoarea luciului nu este un indicator al calității tehnologiei antireflex.
Acoperirile antireflexii interferente se disting prin:
Din punct de vedere istoric, prima metodă a fost gravarea, în care s-a format un film de silice pe suprafața sticlei .
Denumirea internațională acceptată pentru acoperirea multistrat constă din două litere MC ( eng. Multilayer Coating ), care sunt de obicei scrise înainte de numele lentilei. Unele companii folosesc alte denumiri, de exemplu, Asahi Optical își etichetează lentilele cu abrevierea SMC (din engleză. Super multi coating ).
În URSS, lentilele cu acoperire multistrat au fost desemnate în conformitate cu standardul internațional cu literele „MC” înaintea numelui, de exemplu, „MS Helios-44 M”. Până la începutul secolului al XXI-lea, iluminarea multistrat devenise standardul și nu mai era desemnat în mod specific.
Optica cu acoperire multistrat era anterior marcată peste tot cu literele MS - M ulti Layer , M ulti Coating (de exemplu, MS Mir-47M 2.5 / 20 ) De regulă, abrevierea „MS” însemna iluminare cu trei straturi. În prezent, denumirea specială a iluminării cu mai multe straturi este rară, deoarece utilizarea sa a devenit standard.
Uneori există denumiri „proprietare” ale soiurilor sale speciale 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) și altele.
Lentilele moderne acoperite cu un strat de interferență necesită o manipulare atentă, deoarece cele mai subțiri filme antireflex de pe lentile se deteriora cu ușurință. Contaminanții de pe suprafața stratului antireflex (pete de grăsime, ulei) îi degradează proprietățile optice și reduc calitatea imaginii datorită reflectării crescute și difuzării luminii difuze . În plus, contaminarea (inclusiv amprentele digitale) poate duce la distrugerea stratului antireflex. Acoperirile antireflex moderne au de obicei un strat exterior protector, ceea ce le face mai rezistente la influențele negative ale mediului.
Efectul „iluminării” opticii ca urmare a îmbătrânirii naturale a sticlei a fost descoperit întâmplător și independent unul de celălalt de fotografi din diferite țări deja la începutul secolului al XX-lea. S-a observat că lentilele care au fost folosite de câțiva ani au produs imagini mai luminoase și mai contrastante în comparație cu modele similare noi. În urma cercetărilor, s-a constatat că sticla optică din unele soiuri, atunci când este în contact cu aerul umed , este predispusă la formarea unei pelicule subțiri de oxizi metalici la suprafață, ale căror săruri dopează sticla. Fenomenul „iluminării” a fost explicat prin interferență . Producția industrială a unui astfel de film a fost încercată pentru prima dată de Harold Taylor ( ing. Harold Dennis Taylor ), care a brevetat în 1904 o metodă de gravare a sticlei cu acizi. Cu toate acestea, această tehnologie a dat rezultate atât de imprevizibile, încât nu a fost utilizată pe scară largă. Rezultate reproductibile au fost obținute abia în 1936 de către șeful laboratorului de cercetare Carl Zeiss , Alexander Smakula , care a inventat așa-numita „iluminare fizică” [2] . O peliculă de grosimea și calitatea dorită cu această metodă este creată prin depunerea de fluoruri de magneziu sau de calciu în vid [3] .
La Institutul de Stat de Optică a fost propusă o altă metodă de iluminare chimică - oxidarea prin produse de ardere a etilenei cu un exces de oxigen .
Începând cu anii 1960, filmele organice pe bază de compuși macromoleculari au fost folosite pentru acoperiri antireflex . Iluminarea a devenit posibil să se aplice în mai multe straturi, mărindu-i eficacitatea nu numai într-un interval de lungimi de undă , dar și într-o gamă largă, ceea ce este deosebit de important pentru fotografia color / filmarea / video.
Principiul de funcționare a unui astfel de strat anti-reflex se bazează pe utilizarea polarizării circulare a luminii [4] [5] . Un polarizator circular constă dintr-un polarizator liniar convențional și o placă cu un sfert de undă (o placă cu un sfert de undă nu trebuie confundată cu un strat de interferență cu un sfert de undă). O placă cu un sfert de undă transformă lumina polarizată plană care trece prin ea în lumină polarizată circular și invers, lumina polarizată circular în lumină polarizată plană. Lumina externă nepolarizată, care trece printr-un polarizator liniar, se transformă în lumină polarizată plană, iar după o placă cu un sfert de undă în lumină polarizată circular. Această lumină, reflectată de la suprafață, a cărei strălucire trebuie eliminată, schimbă chiralitatea la opus, adică dacă direcția de rotație a luminii cu polarizare circulară a fost îndreptată în sensul acelor de ceasornic înainte de reflectare, atunci după reflexie direcția de rotație devine opus. Această radiație reflectată, care a trecut în mod repetat prin placa cu un sfert de undă, devine din nou polarizată în plan, dar planul său de polarizare este rotit cu 90 ° față de lumina incidentă din spatele polarizatorului liniar și, prin urmare, nu trece prin polarizatorul plan.
Utilizarea polarizării circulare vă permite să suprimați complet strălucirea pe suprafețele reflectorizante, chiar și pe cele metalice. Dezavantajul acestei metode este că, dacă lumina exterioară incidentă este nepolarizată, atunci intensitatea fluxului luminos care trece prin polarizatorul circular scade cu mai mult de un factor de doi, ceea ce limitează utilizarea acestei metode antireflex în sistemele optice.
Suprimarea strălucirii prin polarizare circulară este utilizată pentru a crea acoperiri antireflex pe ecranele monitorului.
Reflexia poate fi redusă prin texturarea suprafeței, adică prin crearea pe ea a unei serii de difuzoare în formă de con sau caneluri bidimensionale cu dimensiuni de ordinul unei jumătăți de lungime de undă. Această metodă de reducere a coeficientului la fauna sălbatică a fost descoperită pentru prima dată când s-a studiat ochii unor specii de molii. Suprafața exterioară a corneei ochiului unor astfel de molii, care joacă rolul unei lentile, este acoperită cu o rețea de proeminențe în formă de con numite mameloane corneene, de obicei nu mai mult de 300 nm înălțime și aproximativ aceeași distanță între lor. [6] Deoarece lungimea de undă a luminii vizibile este mai mare decât dimensiunea proeminențelor, proprietățile optice ale acestora pot fi descrise folosind metode eficiente de aproximare mediu. Conform acestei aproximări, lumina se propagă prin ele în același mod ca și cum s-ar propaga printr-un mediu cu o permitivitate efectivă în continuă schimbare. Acest lucru, la rândul său, duce la o scădere a reflectanței din cornee, ceea ce permite molilor să vadă mai bine în întuneric și, de asemenea, să devină mai puțin vizibile pentru prădători din cauza reflexiei reduse a luminii din ochii insectei.
Suprafața texturată prezintă, de asemenea, proprietăți antireflexii la lungimi de undă mult mai mici decât dimensiunea caracteristică a texturii. Acest lucru se datorează faptului că razele reflectate inițial de pe o suprafață texturată au o probabilitate de a pătrunde în mediu în timpul re-reflexelor ulterioare din neregularități. În același timp, texturarea suprafeței creează condiții în care fasciculul transmis se poate abate de la incidența normală, ceea ce duce la efectul de „încurcare a luminii transmise” (ing. - captarea luminii ), folosit, de exemplu, în celulele solare .
În limita lungimii de undă lungi (lungimile de undă sunt mult mai mari decât dimensiunea texturii), metodele eficiente de aproximare medie pot fi utilizate pentru a calcula reflexia, în limita lungimii de undă scurte (lungimile de undă sunt mai mici decât dimensiunea texturii) și metoda ray tracing poate fi folosit pentru a calcula reflexia .
În cazul în care lungimea de undă este comparabilă cu dimensiunea texturii, reflexia poate fi calculată numai prin metode optice unde , de exemplu, prin rezolvarea numerică a ecuațiilor lui Maxwell .
Proprietățile antireflex ale acoperirilor texturate sunt bine studiate și descrise în literatură pentru o gamă largă de lungimi de undă [7] [8] .
Un dezavantaj comun al tuturor straturilor de interferență antireflex este dependența coeficientului de reflexie de unghiul de incidență a luminii. Acest dezavantaj poate fi depășit prin aplicarea unei tranziții line a indicelui de refracție de la materialul care urmează să fie iluminat la aer, adică de la la, de exemplu, (sticlă de coroană ușoară), și grosimea stratului cu o schimbare lină a indicele de refracție ar trebui să fie mult mai mare decât lungimea de undă a intervalului spectral de iluminare. Dar din moment ce nu există materiale solide cu un indice de refracție apropiat de 1, se recurge la modificarea indicelui de refracție într-un mediu eficient. În această tehnologie, se creează o „pădure” de ace conice ale materialului de bază pe o suprafață antireflex, lungimea acestor ace trebuie să fie mult mai mare decât lungimea de undă a radiației, iar grosimea și distanța dintre ele pentru a elimina împrăștierea difuză a luminii trebuie să fie mult mai mică decât această lungime.
O astfel de suprafață se comportă optic ca o suprafață acoperită cu un strat de material cu un gradient de indice de refracție - așa-numitul mediu optic eficient . Coeficientul de reflexie de la o astfel de suprafață depinde foarte puțin de lungimea de undă a radiației și de unghiul de incidență și este aproape de zero.
Pentru undele de lumină vizibilă, astfel de acoperiri nu au fost încă create, dar în regiunile infraroșii apropiate și îndepărtate ale spectrului, astfel de acoperiri cu ac sunt formate pe siliciu monocristal prin gravare cu ioni reactivi , așa-numitul „siliciu negru” de către un grup de cercetare de la Institutul Politehnic Rensselaer . Indicele efectiv de refracție pe suprafața unui astfel de strat sa dovedit a fi aproape de 1,05 [9] [10] .
Aceste acoperiri pot fi folosite pentru a lumina optica infraroșu, pentru a crește eficiența celulelor solare cu siliciu și în alte aplicații.
Acoperirea optică (sau acoperirea antireflex) este utilizată în multe zone în care lumina trece printr-un element optic și este necesară pentru a reduce pierderea de intensitate sau pentru a elimina reflexia. Cele mai frecvente cazuri sunt lentilele pentru ochelari și lentilele camerei.
Pe lentilele ochelarilor se aplică un strat antireflex, deoarece absența strălucirii îmbunătățește aspectul și reduce oboseala ochilor. Acesta din urmă se observă mai ales când conduceți o mașină noaptea și când lucrați la computer. În plus, mai multă lumină care trece prin lentilă îmbunătățește acuitatea vizuală. Adesea, straturile antireflex ale lentilelor sunt combinate cu alte tipuri de acoperiri, cum ar fi cele care protejează împotriva apei sau a grăsimii.
Lentilele iluminate sunt furnizate cu camere foto și video . Din acest motiv, transmisia luminii a sistemului optic crește, iar contrastul imaginii crește datorită suprimării strălucirii , cu toate acestea, spre deosebire de ochelari, lentila este formată din mai multe lentile.
Acoperirile anti-reflex sunt adesea folosite în fotolitografie pentru a îmbunătăți calitatea imaginii prin eliminarea reflexiilor de pe suprafața substratului. Acoperirea poate fi aplicată atât sub fotorezist , cât și peste acesta, și permite reducerea undelor staționare , interferența în pelicule subțiri și reflexia speculară [11] [12] .
Unele materiale optice utilizate în domeniul infraroșu au un indice de refracție foarte mare. De exemplu, germaniul are un indice de refracție apropiat de 4,1. Astfel de materiale necesită iluminare obligatorie.