Enlightenment of optics er en overfladebehandlingsteknologi til linser , prismer og andre optiske dele for at reducere refleksionen af lys fra optiske overflader, der støder op til luft . Dette giver dig mulighed for at øge lystransmissionen af det optiske system og øge billedkontrasten ved at reducere forstyrrende falske refleksioner i det optiske system.
De fleste af de anvendte optiske systemer, såsom kamera- og videokameralinser, består af mange linser, og reflektionen fra hver glas-luft-grænseflade reducerer den transmitterede nyttige lysflux. Uden brug af antirefleksmetoder kan faldet i intensiteten af transmitteret lys i et multilinsesystem nå op på flere titusinder af procent. Derfor anvendes coated optik i alle moderne linser.
Der er fire måder at reducere refleksionskoefficienten fra overfladen på, herunder oplysning af optik:
Interferens antirefleksbelægninger af optiske overflader anvendes hovedsageligt. I sådanne belægninger er optiske overflader belagt med et eller flere lag af en tynd film, der i tykkelse kan sammenlignes med lysets bølgelængde. Disse lags brydningsindeks adskiller sig fra brydningsindekset for materialet i den optiske del. Ved korrekt valg af belægningstykkelser og deres brydningsindeks er det muligt at reducere refleksionskoefficienten til næsten nul for en eller flere, i tilfælde af flerlagsbelægninger, lysbølgelængder.
Overfladebelægninger, der reducerer refleksion, omtales også som anti-reflekterende eller anti -reflekterende belægninger. Sådanne belægninger bruges ikke kun i optiske systemer, men også til at reducere interfererende refleksioner fra andre overflader, såsom monitorskærme.
Når lys falder på grænsefladen mellem to transparente medier med forskellige brydningsindeks , opstår der en delvis refleksion af lysstrømmen fra grænsefladen. Refleksionsgraden er karakteriseret ved reflektionskoefficienten - andelen af reflekteret lys fra det indfaldende lys, som normalt udtrykkes i procent. Refleksionskoefficienterne er de samme både for lys, der falder ind fra et mindre optisk tæt medium (et medium med et lavere brydningsindeks) og for lysets omvendte retning ved lige indfaldsvinkler . afhænger af indfaldsvinklen og udtrykkes generelt ved Fresnel-formlerne . I et bestemt tilfælde, med normal indfald (det vil sige med vinkelret indfald på overfladen eller, som er den samme, indfaldsvinklen lig med nul) udtrykkes med formlen:
Det følger af formlen, at jo mere brydningsindekserne for to medier er forskellige, jo større er . For eksempel for almindeligt glas ( ) i luft ( ) vil en enkelt glas-luft-grænseflade være 0,04 eller 4 % . Når lys passerer gennem en plade med et brydningsindeks i et miljø med et brydningsindeks , - gennem to grænseflader, for eksempel gennem vinduesglas, stiger den samlede refleksionskoefficient på grund af flere interne refleksioner i glasset og udtrykkes som:
For en glasplade giver refleksionskoefficienten ifølge den sidste formel ~ 7,7%, det vil sige, at kun 92,3% af lyset vil passere gennem en sådan plade. For en linse bestående af f.eks. 6 linser vil lystransmissionskoefficienten uden linsebelægning kun være I mere komplekse optiske systemer, for eksempel i undersøiske periskoper , er antallet af optiske dele meget større, og lystransmissionskoefficienten på sådanne systemer uden brug af oplysning falder til en uacceptabel lille værdi.
Refleksionskoefficienten falder hurtigt, efterhånden som to mediers brydningsindeks nærmer sig hinanden. For eksempel har magnesiumfluorid (MgF) , som er meget brugt til antirefleksion , et brydningsindeks på 1,38, hvilket giver en grænsefladereflektans med lyskroneglas på cirka 1,1 % .
Det følger af Fresnel-formlerne, at den mindste refleksionskoefficient fra to medier adskilt af et tredje medium med et brydningsindeks og en tykkelse af det mellemliggende medium, der er meget større end lysets bølgelængde (det vil sige uden hensyntagen til interferensfænomener) opnås når den geometriske middelværdi af brydningsindekserne for mediet, der adskilles, er lig:
Hovedideen med interferensoplysning er at opnå addition i modfase af reflekterede bølger fra to grænseflader.
En plan monokromatisk bølge, der udbreder sig i retning af stigende koordinater, beskrives analytisk ved udtrykket:
hvor er bølgetallet , er bølgelængden , er bølgens amplitude.Reflekteret bølge fra filmoverfladen og film-glas-grænsefladen
hvor er refleksionskoefficienten fra filmen, er refleksionskoefficienten fra film-glas-grænsefladen, idet der tages højde for flere interne refleksioner i filmen, - filmtykkelse, en faktor på 2 indikerer, at lys passerer gennem filmen i to retninger, - bølgetallet i filmen, da bølgelængden i et medium med et brydningsindeks større end 1 er mindre end bølgelængden i luft eller vakuum, derefter - bølgelængden i vakuum - bølgelængden i filmen.For at interferensen af lys fra to grænseflader skal slukke for refleksionen, er det nødvendigt, at der for det første skal være , og for det andet,
Den første lighed opnås, hvis brydningsindekserne for henholdsvis det eksterne medium og det antireflekterende materiale, for eksempel glas, er. Den anden lighed opnås, hvis faseforskydningen forårsaget af lysets passage gennem filmen er et multiplum , dvs. perioden for cosinusfunktionen, og en sådan faseforskydning ikke ændrer værdien af cosinus, er en ikke-negativ heltal , hvorfra:
ellerDet følger også af ovenstående, at når filmtykkelsen er et multiplum af halvdelen af bølgelængden, tværtimod, øges refleksionskoefficienten. Derfor er en kvartbølgelængdefilm i et relativt bredt område af bølgelængder mest effektiv til antirefleksion, da faseforskydningen for nabobølgelængder er lille sammenlignet med bølgens rumlige periode. Lad for eksempel en bølgelængde a for en anden bølgelængde . For den første bølgelængde er en film af en given tykkelse antirefleks, for en anden er den reflekterende. Forholdet mellem bølgelængder: eller de afviger kun med 10%. For det givne eksempel drejer det sig for eksempel om bølgelængder på 500 nm og 550 nm - nabobølgelængder i den grønne del af spektret.
For tykke film indsnævres bredderne af de spektrale maksima og minima, nærmer sig hinanden og smelter til sidst sammen, efterhånden som filmtykkelsen øges yderligere. Derfor observeres interferens ikke i tykke film i hvidt lys, og tykke film er uegnede som interferens antirefleksbelægning.
Da længden af lysvejen i filmen afhænger af indfaldsvinklen, med skråt indfald, forskydes minimum af refleksionskoefficienten mod kortere bølgelængder og øges samtidigt. Det ser ud til, at en stigning i længden af lysets vej i filmen ved skråt indfald skulle flytte minimumet mod længere bølgelængder, men det er ikke tilfældet. En mere subtil overvejelse af bølgefrontens interaktion med filmen fører til det observerede skift af minimum mod kortere bølger, som vist i figur [1] .
Typisk er miljøet for glas luft med et brydningsindeks meget tæt på 1, og brydningsindekset for en antireflektionsfilm skal være lig med kvadratroden af brydningsindekset for linsens optiske glas.
Det traditionelle materiale til antirefleksfilm er magnesiumfluorid , som har et relativt lavt brydningsindeks og gode mekaniske egenskaber, korrosionsbestandighed. Når et kronglas med et brydningsindeks er belagt med magnesiumfluorid, kan magnesiumfluoridlaget reducere reflektansen fra ca. 4 % til 1,5 % under normalt lysindfald. På flintglas med et brydningsindeks på omkring 1,9 kan en kvartbølgelængdefilm af magnesiumfluorid reducere refleksion til næsten nul for en given lysbølgelængde.
Men reflektionsevnen af glas belagt på denne måde afhænger stærkt af bølgelængden, hvilket er den største ulempe ved enkeltlagsoplysning. Minimumsreflektiviteten svarer til en kvart bølgelængde i filmmaterialet.
I de første coatede linser blev refleksionskoefficienten for strålerne fra den grønne del af spektret sænket (555 nm } - området med det menneskelige øjes højeste følsomhed), så genskin på linserne på sådanne linser har en lilla eller blålig-blå farve (den såkaldte "blå optik"). Følgelig er lystransmissionen af en sådan linse maksimal for den grønne del af spektret og lavere for andre dele af spektret, hvilket fører til en vis fejl i farvegengivelsen.
Nu (2020) bruges enkeltlags antirefleksion (dens største fordel er dens lave omkostninger) kun i billige optiske systemer og i laseroptik designet til at fungere i et snævert spektralområde og grundlæggende ikke kræver antirefleksion i et bredt spektralområde.
Den består af to antireflekterende lag, det ydre har et lavere brydningsindeks. Det har bedre egenskaber end enkeltlagsoplysning opnås for et bredere spektrum af bølgelængder.
Ulempen ved en enkeltlags antirefleksbelægning, som kun giver antirefleksion i et snævert spektralområde, kan overvindes ved at bruge flerlags interferensbelægninger.
En flerlags antirefleksbelægning er en sekvens af mindst tre alternerende lag af materialer med forskellige brydningsindekser. Tidligere mente man, at 3-4 lag var tilstrækkeligt til det synlige område af spektret. Moderne flerlags antirefleksbelægninger fra næsten alle producenter har 6-8 lag og er kendetegnet ved lave refleksionstab i hele det synlige område af spektret. Den største fordel ved flerlagsbelægning som påført fotografisk og observationsoptik er den ubetydelige afhængighed af reflektivitet på bølgelængde inden for det synlige spektrum.
Sammensætningen af en flerlags antirefleksbelægning, ud over de faktiske antireflekslag, inkluderer normalt hjælpelag - forbedrer vedhæftning til glas, beskyttende, hydrofobiske osv.
Blændingen fra multicoatede linser, forårsaget af refleksion uden for spektret af det oplyste område, har forskellige nuancer af grønt og lilla, op til meget svagt grå-grønligt for linser fra de sidste års produktion. Men farven på glansen er ikke en indikator for kvaliteten af antirefleksteknologien.
Interferens antirefleksbelægninger er kendetegnet ved:
Historisk set var den første metode ætsning, hvor en film af silica blev dannet på overfladen af glasset .
Den accepterede internationale betegnelse for flerlags coating består af to bogstaver MC ( eng. Multilayer Coating ), som normalt står foran linsens navn. Nogle virksomheder bruger andre betegnelser, for eksempel mærker Asahi Optical sine linser med forkortelsen SMC (fra engelsk. Super multi coating ).
I USSR blev linser med flerlagsbelægning udpeget i overensstemmelse med den internationale standard med bogstaverne "MC" før navnet, for eksempel "MS Helios-44 M". I begyndelsen af det 21. århundrede var flerlagsoplysning blevet standarden, og den blev ikke længere udpeget specifikt.
Optik med flerlagsbelægning var tidligere markeret overalt med bogstaverne MS - M ulti Layer , M ulti Coating (for eksempel MS Mir-47M 2,5 / 20 ) Som regel betød forkortelsen "MS" trelagsoplysning. I øjeblikket er den særlige betegnelse for flerlagsoplysning sjælden, da dens brug er blevet standard.
Nogle gange er der "proprietære" betegnelser for dets specielle 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) og andre.
Moderne coatede linser med interferenscoating kræver omhyggelig håndtering, da de tyndeste antirefleksfilm på linserne let beskadiges. Forurenende stoffer på overfladen af den antireflekterende belægning (pletter af fedt, olie) forringer dens optiske egenskaber og reducerer billedkvaliteten på grund af øget refleksion og diffus lysspredning . Derudover kan kontaminering (herunder fingeraftryk) føre til ødelæggelse af den antireflekterende belægning. Moderne anti-reflekterende belægninger har normalt et beskyttende ydre lag, som gør dem mere modstandsdygtige over for negative miljøpåvirkninger.
Effekten af "oplysning" af optikken som følge af glassets naturlige ældning blev opdaget tilfældigt og uafhængigt af hinanden af fotografer i forskellige lande allerede i begyndelsen af det 20. århundrede. Det er blevet observeret, at linser, der har været i brug i flere år, har produceret lysere og mere kontrastfyldte billeder sammenlignet med helt nye lignende modeller. Som et resultat af forskning blev det fundet, at optisk glas af nogle sorter, når det er i kontakt med fugtig luft , er tilbøjeligt til dannelsen af en tynd film af metaloxider på overfladen, hvis salte doper glasset. Fænomenet "oplysning" blev forklaret med interferens . Den industrielle produktion af en sådan film blev først forsøgt af Harold Taylor ( eng. Harold Dennis Taylor ), som patenterede i 1904 en metode til at ætse glas med syrer. Denne teknologi gav dog så uforudsigelige resultater, at den ikke blev brugt i vid udstrækning. Reproducerbare resultater blev først opnået i 1936 af lederen af Carl Zeiss forskningslaboratoriet, Alexander Smakula , som opfandt den såkaldte "fysiske oplysning" [2] . En film af den ønskede tykkelse og kvalitet med denne metode skabes ved aflejring af magnesium- eller calciumfluorider i et vakuum [3] .
På Statens Optiske Institut blev en anden metode til kemisk oplysning foreslået - oxidation ved forbrændingsprodukter af ethylen med et overskud af oxygen .
Siden 1960'erne er organiske film baseret på makromolekylære forbindelser blevet brugt til antirefleksbelægninger . Oplysning er blevet muligt at anvende i flere lag, hvilket øger dens effektivitet ikke kun i et bølgelængdeområde , men også i en bred vifte, hvilket især er vigtigt for farvefotografering/filmoptagelser/video.
Funktionsprincippet for en sådan anti-reflekterende belægning er baseret på brugen af cirkulær polarisering af lys [4] [5] . En cirkulær polarisator består af en konventionel lineær polarisator og en kvartbølgeplade (en kvartbølgeplade skal ikke forveksles med et kvartbølgeinterferenslag). En kvartbølgeplade omdanner planpolariseret lys, der passerer gennem det, til cirkulært polariseret lys og omvendt cirkulært polariseret lys til planpolariseret lys. Eksternt upolariseret lys, der passerer gennem en lineær polarisator, bliver til planpolariseret lys og efter en kvartbølgeplade til cirkulært polariseret lys. Dette lys, der reflekteres fra overfladen, hvis blænding skal elimineres, ændrer kiraliteten til det modsatte, det vil sige, hvis lysets rotationsretning med cirkulær polarisering blev rettet med uret før refleksion, så efter refleksion bliver rotationsretningen modsatte. Denne reflekterede stråling, der gentagne gange har passeret gennem kvartbølgepladen, bliver igen planpolariseret, men dens polariseringsplan roteres i forhold til det indfaldende lys bag den lineære polarisator med 90° og passerer derfor ikke ud gennem planpolarisatoren.
Brugen af cirkulær polarisering giver dig mulighed for fuldstændigt at undertrykke genskin på reflekterende overflader, selv metalflader. Ulempen ved denne metode er, at hvis det indfaldende ydre lys er upolariseret, så falder intensiteten af lysfluxen, der passerer gennem den cirkulære polarisator, med mere end en faktor to, hvilket begrænser brugen af denne antirefleksmetode i optiske systemer.
Blændingsdæmpning ved hjælp af cirkulær polarisering bruges til at skabe anti-reflekterende belægninger på monitorskærme.
Refleksion kan reduceres ved at strukturere overfladen, det vil sige ved at skabe en række kegleformede diffusorer eller todimensionelle riller med dimensioner af størrelsesordenen en halv bølgelængde på den. Denne metode til at reducere koefficienten i dyrelivet blev først opdaget, da man studerede øjnene på nogle arter af møl. Den ydre overflade af hornhinden i øjet af sådanne møl, som spiller rollen som en linse, er dækket af et netværk af kegleformede fremspring kaldet hornhindenipler, normalt ikke mere end 300 nm høje og omtrent samme afstand mellem dem. [6] Da bølgelængden af synligt lys er større end fremspringenes størrelse, kan deres optiske egenskaber beskrives ved hjælp af effektive medium tilnærmelsesmetoder. Ifølge denne tilnærmelse forplanter lys sig gennem dem på samme måde, som hvis det forplantede sig gennem et medium med en jævnt og kontinuerligt skiftende effektiv permittivitet. Dette fører igen til et fald i reflektansen fra hornhinden, hvilket gør, at møllerne kan se bedre i mørke, og også bliver mindre synlige for rovdyr på grund af reduceret lysreflektion fra insektets øjne.
Den teksturerede overflade udviser også antirefleksegenskaber ved bølgelængder, der er meget mindre end den karakteristiske størrelse af teksturen. Dette skyldes det faktum, at stråler, der oprindeligt reflekteres fra en tekstureret overflade, har en sandsynlighed for at trænge ind i mediet under efterfølgende refleksioner fra uregelmæssigheder. Samtidig skaber overfladeteksturering betingelser, hvorunder den transmitterede stråle kan afvige fra normal indfald, hvilket fører til effekten af "entanglement of the transmitted light" (eng. - light trapping ), brugt for eksempel i solceller .
I langbølgelængdegrænsen (bølgelængder er meget større end teksturstørrelsen) kan de effektive medium tilnærmelsesmetoder bruges til at beregne reflektionen, i kortbølgelængdegrænsen (bølgelængder er mindre end teksturstørrelsen) og strålesporingsmetoden kan bruges til at beregne refleksionen .
I det tilfælde, hvor bølgelængden er sammenlignelig med størrelsen af teksturen, kan refleksionen kun beregnes ved hjælp af bølgeoptiske metoder , for eksempel ved numerisk at løse Maxwells ligninger .
Antirefleksegenskaberne af teksturerede belægninger er godt undersøgt og beskrevet i litteraturen for en lang række bølgelængder [7] [8] .
En fælles ulempe ved alle interferens-antirefleksbelægninger er afhængigheden af refleksionskoefficienten af lysets indfaldsvinkel. Denne ulempe kan overvindes ved at anvende en jævn overgang af brydningsindekset fra materialet, der skal oplyses til luft, det vil sige fra f.eks. til (lys kroneglas), og tykkelsen af laget med en jævn ændring i brydningsindeks bør være meget større end bølgelængden af det spektrale område af oplysning. Men da der ikke findes faste materialer med et brydningsindeks tæt på 1, tyr man til at ændre brydningsindekset i et effektivt medium. I denne teknologi skabes en "skov" af koniske nåle af basismaterialet på en antireflekterende overflade, længden af disse nåle skal være meget større end strålingsbølgelængden, og tykkelsen og afstanden mellem dem for at eliminere diffus lysspredning skal være meget mindre end denne længde.
En sådan overflade opfører sig optisk som en overflade dækket af et lag materiale med en brydningsindeksgradient - det såkaldte effektive optiske medium . Refleksionskoefficienten fra en sådan overflade afhænger meget lidt af strålingsbølgelængden og indfaldsvinklen og er tæt på nul.
For synlige lysbølger er sådanne belægninger endnu ikke blevet skabt, men i de nære og fjerne infrarøde områder af spektret dannes sådanne nålebelægninger på enkeltkrystal silicium ved reaktiv ionætsning , det såkaldte "sort silicium" af en forskningsgruppe fra Rensselaer Polytekniske Institut . Det effektive brydningsindeks på overfladen af et sådant lag viste sig at være tæt på 1,05 [9] [10] .
Disse belægninger kan bruges til at lysne infrarød optik, øge effektiviteten af siliciumsolceller og i andre applikationer.
Optisk belægning (eller anti-reflekterende belægning) bruges i mange områder, hvor lys passerer gennem et optisk element, og det er nødvendigt for at reducere intensitetstab eller eliminere refleksion. De mest almindelige tilfælde er brilleglas og kameralinser.
En anti-reflekterende belægning påføres brilleglassene, da fraværet af blænding forbedrer udseendet og reducerer øjenbelastningen. Det sidste er især mærkbart, når man kører bil om natten, og når man arbejder ved en computer. Derudover forbedrer mere lys, der passerer gennem linsen, synsstyrken. Ofte kombineres anti-reflekterende linsebelægninger med andre typer belægninger, såsom dem, der beskytter mod vand eller fedt.
Oplyste linser leveres med foto- og videokameraer . På grund af dette øges lystransmissionen af det optiske system , og billedkontrasten øges på grund af blændingsdæmpning , men i modsætning til briller består linsen af flere linser.
Anti-reflekterende belægninger bruges ofte i fotolitografi for at forbedre billedkvaliteten ved at eliminere refleksioner fra underlagets overflade. Belægningen kan påføres både under fotoresisten og over den og gør det muligt at reducere stående bølger , interferens i tynde film og spejlende refleksion [11] [12] .
Nogle optiske materialer, der anvendes i det infrarøde område, har et meget højt brydningsindeks. For eksempel har germanium et brydningsindeks tæt på 4,1. Sådanne materialer kræver obligatorisk oplysning.