Antireflekterande beläggning - Anti-reflective coating

Obelagd glaslins (övre) kontra lins med antireflekterande beläggning Observera den tonade reflektionen från den belagda linsen.

En antireflekterande eller antireflex ( AR ) beläggning är en typ av optisk beläggning appliceras på ytan av linserna och andra optiska element för att reducera reflektion . I typiska bildsystem förbättrar detta effektiviteten eftersom mindre ljus går förlorat på grund av reflektion. I komplexa system som teleskop och mikroskop förbättrar minskningen av reflektioner också bildens kontrast genom att eliminera strösljus . Detta är särskilt viktigt i planetarisk astronomi . I andra applikationer är den främsta fördelen eliminering av själva reflektionen, till exempel en beläggning på glasögonlinser som gör bärarens ögon mer synliga för andra, eller en beläggning för att minska glansen från en kikares kikare eller teleskopisk syn .

Många beläggningar består av transparenta tunna filmstrukturer med alternerande lager med kontrasterande brytningsindex . Skikttjocklekar väljs för att producera destruktiv störning i strålarna som reflekteras från gränssnitten och konstruktiv störning i motsvarande överförda strålar. Detta gör att strukturens prestanda förändras med våglängd och infallsvinkel , så att färgeffekter ofta visas i sneda vinklar . Ett våglängdsområde måste specificeras vid utformning eller beställning av sådana beläggningar, men bra prestanda kan ofta uppnås för ett relativt stort frekvensområde : vanligtvis erbjuds ett val av IR , synlig eller UV .

Applikationer

Antireflekterande beläggningar används ofta i kameralinser, vilket ger linselementen distinkta färger.

Antireflekterande beläggningar används i en mängd olika applikationer där ljus passerar genom en optisk yta och låg förlust eller låg reflektion önskas. Exempel inkluderar antireflexbeläggningar på korrigerande linser och kameralinselement och antireflekterande beläggningar på solceller .

Korrigerande linser

Optiker kan rekommendera "antireflexlinser" eftersom den minskade reflektionen förbättrar linsernas kosmetiska utseende. Sådana linser sägs ofta minska bländningen , men minskningen är mycket liten. Genom att eliminera reflektioner kan något mer ljus passera igenom, vilket ger en liten ökning av kontrast och synskärpa.

Antireflekterande oftalmiska linser bör inte förväxlas med polariserade linser , som minskar (genom absorption) det synliga solskinnet som reflekteras från ytor som sand, vatten och vägar. Uttrycket "antireflekterande" avser reflektion från själva linsens yta, inte ursprunget till ljuset som når linsen.

Många antireflexlinser inkluderar en extra beläggning som stöter bort vatten och fett , vilket gör dem lättare att hålla rena. Anti-reflektionsbeläggningar är särskilt lämpade för hög indexlinser, eftersom dessa reflekterar mer ljus utan beläggningen än ett lägre-indexlins (en konsekvens av de Fresnel ekvationer ). Det är också i allmänhet enklare och billigare att belägga linser med hög index.

Fotolitografi

Antireflekterande beläggningar (ARC) används ofta i mikroelektronisk fotolitografi för att minska bildförvrängningar associerade med reflektioner från ytan på substratet. Olika typer av antireflekterande beläggningar appliceras antingen före (botten ARC eller BARC) eller efter fotoresist och hjälper till att minska stående vågor , tunnfilmstörningar och spegelreflektioner.

Typer

Indexmatchning

Den enklaste formen av antireflekterande beläggning upptäcktes av Lord Rayleigh 1886. Det optiska glas som fanns vid den tiden tenderade att utveckla en fläck på ytan med åldern på grund av kemiska reaktioner med miljön. Rayleigh testade några gamla, lite suddiga glasbitar och fann till sin förvåning att de överförde mer ljus än nya, rena bitar. Färgen ersätter gränssnittet mellan luft och glas med två gränssnitt: ett gränssnitt för luftfärg och ett gränssnitt för fläckar. Eftersom lacken har ett brytningsindex mellan glas och luft uppvisar vart och ett av dessa gränssnitt mindre reflektion än luft-glasgränssnittet. I själva verket är summan av de två reflektionerna mindre än för det "nakna" luft-glasgränssnittet, vilket kan beräknas från Fresnel-ekvationerna .

Ett tillvägagångssätt är att använda antireflekterande beläggningar med graderat index (GRIN), det vill säga sådana med nästan kontinuerligt varierande brytningsindex. Med dessa är det möjligt att begränsa reflektion för ett brett band av frekvenser och infallsvinklar.

Störning i ett lager

Den enklaste interferens antireflekterande beläggningen består av ett enda tunt lager av transparent material med brytningsindex lika med kvadratroten av substratets brytningsindex. I luft ger en sådan beläggning teoretiskt noll reflektion för ljus med våglängd (i beläggningen) lika med fyra gånger beläggningens tjocklek. Reflektion minskas också för våglängder i ett brett band runt centrum. Ett tjockleksskikt som är lika med en fjärdedel av en viss designvåglängd kallas ett "kvartvågsskikt".

Den vanligaste typen av optiskt glas är kronglas , som har ett brytningsindex på cirka 1,52. En optimal enskiktsbeläggning måste göras av ett material med ett index på cirka 1,23. Det finns inga fasta material med så lågt brytningsindex. De närmaste material med goda fysikaliska egenskaper för en beläggning är magnesiumfluorid , MgF 2 (med ett index på 1,38), och fluorpolymerer , vilka kan ha index så lågt som 1,30, men är svårare att tillämpa. MgF 2 på en kronglas ytan ger en reflektans av ca 1%, jämfört med 4% för blottade glas. MgF 2- beläggningar fungerar mycket bättre på glasögon med högre index, särskilt de med brytningsindex nära 1,9. MgF 2- beläggningar används ofta eftersom de är billiga och hållbara. När beläggningarna är utformade för en våglängd i mitten av det synliga bandet ger de rimligt bra antireflektion över hela bandet.

Forskare har producerat filmer av mesoporösa kiselnanopartiklar med brytningsindex så låga som 1,12, som fungerar som antireflektionsbeläggningar.

Störning i flera lager

Genom att använda alternerande skikt av ett lågindexmaterial som kiseldioxid och ett material med högre index är det möjligt att få reflektiviteter så låga som 0,1% vid en enda våglängd. Beläggningar som ger mycket låg reflektionsförmåga över ett brett frekvensband kan också göras, även om dessa är komplexa och relativt dyra. Optiska beläggningar kan också göras med speciella egenskaper, såsom reflektans nära noll vid flera våglängder, eller optimal prestanda vid andra infallsvinklar än 0 °.

Absorberande

En ytterligare kategori av antireflekterande beläggningar är den så kallade "absorberande ARC". Dessa beläggningar är användbara i situationer där hög överföring genom en yta är obetydlig eller oönskad, men låg reflektionsförmåga krävs. De kan producera mycket låg reflektion med få lager och kan ofta produceras billigare eller i större skala än vanliga icke-absorberande AR-beläggningar. (Se till exempel US-patent 5 091 244. ) Absorberande ARC: er använder ofta ovanliga optiska egenskaper som uppvisas i sammansatta tunna filmer framställda genom sputteravsättning . Exempelvis används titannitrid och niobnitrid för att absorbera ARC. Dessa kan vara användbara i applikationer som kräver kontrastförbättring eller som en ersättning för tonat glas (till exempel i en CRT-skärm ).

Malöga

Moths ögon har en ovanlig egenskap: deras ytor är täckta med en naturlig nanostrukturerad film, vilket eliminerar reflektioner. Detta gör att malet kan se bra i mörkret utan reflektioner för att ge sitt rovdjur sitt läge. Strukturen består av ett sexkantigt mönster av stötar, var och en ungefär 200 nm höga och fördelade på 300 nm centra. Denna typ av antireflekterande beläggning fungerar eftersom bulorna är mindre än våglängden för synligt ljus, så ljuset ser ytan som en kontinuerlig brytningsindexgradient mellan luften och mediet, vilket minskar reflektionen genom att effektivt ta bort luft-linsgränssnittet. Praktiska antireflekterande filmer har gjorts av människor som använder denna effekt; detta är en form av biomimik . Canon använder moth-eye-tekniken i sin SubWavelength-struktur Coating, vilket avsevärt minskar linsflare .

Sådana strukturer används också i fotoniska anordningar, till exempel kan mal-ögonstrukturer odlade från volframoxid och järnoxid användas som fotoelektroder för klyvning av vatten för att producera väte. Strukturen består av volframoxidsfäroider med flera 100 mikrometer storlek belagda med några nanometer tunt järnoxidskikt.

Cirkulär polarisator

Reflektioner blockeras av en cirkulär polarisator

En cirkulär polarisator laminerad på en yta kan användas för att eliminera reflektioner. Polarisatorn överför ljus med en chiralitet ("hand") av cirkulär polarisering. Ljus som reflekteras från ytan efter att polariseraren har förvandlats till motsatt "hand". Detta ljus kan inte passera tillbaka genom den cirkulära polarisatorn eftersom dess chiralitet har förändrats (t.ex. från höger cirkulär polariserad till vänster cirkulär polariserad). En nackdel med denna metod är att om ingångsljuset är opolariserat kommer överföringen genom enheten att vara mindre än 50%.

Teori

Ett antireflexbehandlat fönster, visat med en infallsvinkel på 45 ° och 0 °

Det finns två separata orsaker till optiska effekter på grund av beläggningar, ofta kallade tjockfilm- och tunnfilmseffekter . Tjockfilmeffekter uppstår på grund av skillnaden i brytningsindex mellan skikten över och under beläggningen (eller filmen ); i det enklaste fallet är dessa tre lager luften, beläggningen och glaset. Tjockfilmbeläggningar beror inte på hur tjock beläggningen är, så länge beläggningen är mycket tjockare än en våglängd för ljus. Tunnfilmeffekter uppstår när beläggningens tjocklek är ungefär densamma som en fjärdedel eller en halv våglängd av ljus. I detta fall kan reflektionerna av en stadig ljuskälla få destruktivt att lägga till och därmed minska reflektioner genom en separat mekanism. Förutom att bero mycket på filmens tjocklek och ljusets våglängd, beror tunnfilmbeläggningar på vinkeln i vilken ljuset träffar den belagda ytan.

Reflexion

När en stråle av lätta rör sig från ett medel till en annan (till exempel när ljus kommer in ett ark av glas efter resa genom luft ), en viss del av ljuset reflekteras från ytan (den så kallade gränsytan ) mellan de två medierna. Detta kan observeras när man till exempel tittar genom ett fönster där en (svag) reflektion från fönsterglasets främre och bakre ytor kan ses. Reflektionens styrka beror på förhållandet mellan brytningsindexen för de två medierna, liksom ytans vinkel till ljusstrålen. Det exakta värdet kan beräknas med Fresnel-ekvationerna .

När ljuset möter gränssnittet vid normal infall (vinkelrätt mot ytan) ges ljusets intensitet av reflektionskoefficienten , eller reflektion , R :

där n 0 och n S är brytningsindex för de första och andra media respektive. Värdet på R varierar från 0 (ingen reflektion) till 1 (allt ljusreflekterat) och citeras vanligtvis i procent . Komplementär till R är transmissionskoefficient , eller transmittans , T . Om absorption och spridning försummas, då värdet T är alltid en - R . Sålunda om en ljusstråle med intensitet I infaller på ytan reflekteras en stråle med intensitet RI och en stråle med intensitet TI överförs till mediet.

Reflektion och överföring av en obelagd och belagd yta

För det förenklade scenariot med synligt ljus som rör sig från luft ( n 0 ≈ 1.0) till vanligt glas ( n S ≈ 1.5 ) är värdet R 0,04, eller 4%, vid en enda reflektion. Så högst 96% av ljuset ( T = 1 - R = 0,96 ) kommer faktiskt in i glaset och resten reflekteras från ytan. Mängden reflekterat ljus kallas reflektionsförlust .

I det mer komplicerade scenariot med flera reflektioner, säg när ljus reser genom ett fönster, reflekteras ljus både när man går från luft till glas och på andra sidan av fönstret när man går från glas tillbaka till luft. Storleken på förlusten är densamma i båda fallen. Ljus kan också studsa från en yta till en annan flera gånger, delvis reflekteras och delvis sänds varje gång det gör det. Sammantaget ges den kombinerade reflektionskoefficienten med 2 R / (1 + R ) . För glas i luft är detta cirka 7,7%.

Rayleighs film

Som observerats av Lord Rayleigh kan en tunn film (som suddig) på glasytan minska reflektionsförmågan. Denna effekt kan förklaras med föreställa en tunt skikt av material med brytningsindex n en mellan luften (index n 0 ) och glas (index n S ). Ljusstrålen reflekterar nu två gånger: en gång från ytan mellan luft och det tunna skiktet och en gång från gränssnittet mellan lager och glas.

Från ekvationen ovan och de kända brytningsindex, kan reflektiviteter för båda gränssnitten beräknas, betecknad R 01 och R 1S respektive. Transmissionen vid varje gränssnitt är därför T 01 = 1 - R 01 och T 1S = 1 - R 1S . Den totala genomsläppligheten i glaset är sålunda T 1S T 01 . Vid beräkning av detta värde för olika värden på n 1 kan man konstatera att vid ett visst värde av optimalt brytningsindex för skiktet är transmittansen för båda gränssnitten lika och detta motsvarar den maximala totala transmittansen in i glaset.

Detta optimala värde ges av det geometriska medelvärdet av de två omgivande indexen:

För exemplet med glas ( n S ≈ 1,5 ) i luft ( n 0 ≈ 1,0 ) är detta optimala brytningsindex n 1 ≈ 1.225 .

Reflektionsförlust varje gränssnitt är cirka 1,0% (med en kombinerad förlust på 2,0%), och en total transmission T 1S T 01 av ungefär 98%. Därför kan en mellanbeläggning mellan luft och glas halvera reflektionsförlusten.

Interferensbeläggningar

Användningen av ett mellanliggande skikt för att bilda en antireflexbeläggning kan betraktas som analog med tekniken för impedansmatchning av elektriska signaler. (En liknande metod används i fiberoptisk forskning, där en indexmatchande olja ibland används för att tillfälligt besegra total intern reflektion så att ljus kan kopplas in i eller ut ur en fiber.) Ytterligare reducerad reflektion kan i teorin göras genom att förlänga processen till flera lager av material, blandande gradvis brytningsindex för varje lager mellan luftindex och substratindex.

Praktiska antireflexbeläggningar förlitar sig emellertid inte bara på ett mellanliggande lager för dess direkta minskning av reflektionskoefficienten utan använder också interferenseffekten av ett tunt skikt. Antag att skiktets tjocklek regleras exakt, så att det är exakt en fjärdedel av ljusets våglängd i skiktet ( λ / 4 = λ 0 / (4 n 1 ) , där λ 0 är vakuumvåglängden). Skiktet kallas sedan en kvartvågsbeläggning . För denna typ av beläggning kommer en normalt infallande stråle I att , när den reflekteras från det andra gränssnittet, färdas exakt hälften av sin egen våglängd längre än strålen som reflekteras från den första ytan, vilket leder till destruktiv störning. Detta gäller även för tjockare beläggningsskikt (3λ / 4, 5λ / 4, etc.), men den antireflekterande prestandan är sämre i detta fall på grund av det starkare beroendet av reflektansen på våglängden och infallsvinkeln.

Om intensiteterna hos de två strålarna R 1 och R 2 är exakt lika, kommer de destruktivt interferera och tar ut varandra, eftersom de är exakt ur fas . Därför finns det ingen reflektion från ytan, och all energi hos strålen måste vara i den utsända strålen, T . Vid beräkningen av reflektionen från en stapel lager kan överföringsmatrismetoden användas.

Störningar i en kvartvågs antireflexbeläggning

Verkliga beläggningar når inte perfekt prestanda, även om de kan reducera en ytreflektionskoefficient till mindre än 0,1%. Skiktet kommer också att ha den ideala tjockleken för endast en distinkt våglängd av ljus. Andra svårigheter är att hitta lämpliga material för användning på vanligt glas, eftersom få användbara ämnen har det erforderliga brytningsindex ( n ≈ 1,23 ) som gör att båda reflekterade strålarna är exakt lika i intensitet. Magnesiumfluorid (MgF 2 ) används ofta, eftersom detta är slitstarkt och lätt kan appliceras på substrat med fysisk ångavsättning , även om dess index är högre än önskvärt ( n = 1,38 ).

Ytterligare reduktion är möjlig genom att använda flera beläggningsskikt, utformade så att reflektioner från ytorna genomgår maximal destruktiv störning. Ett sätt att göra detta är att lägga till ett andra kvartsvåg tjockt högre indexskikt mellan lågindexskiktet och substratet. Reflektionen från alla tre gränssnitten producerar destruktiv interferens och antireflexion. Andra tekniker använder olika tjocklekar på beläggningarna. Genom att använda två eller flera lager, vardera av ett material som valts för att ge bästa möjliga matchning av det önskade brytningsindexet och dispersionen , är bredbandsantireflexbeläggningar som täcker det synliga området (400–700 nm) med maximal reflektionsförmåga på mindre än 0,5%. ofta uppnåeliga.

Beläggningens exakta natur bestämmer utseendet på den belagda optiken; vanliga AR-beläggningar på glasögon och fotografiska linser ser ofta lite blåaktiga ut (eftersom de reflekterar något mer blått ljus än andra synliga våglängder), även om gröna och rosa färgade beläggningar också används.

Om den belagda optiken används vid icke-normal incidens (det vill säga med ljusstrålar som inte är vinkelräta mot ytan) försämras antireflexfunktionerna något. Detta inträffar eftersom fasen som ackumuleras i skiktet i förhållande till ljusets fas omedelbart reflekteras minskar när vinkeln ökar från det normala. Detta är kontraintuitivt, eftersom strålen upplever en större total fasförskjutning i skiktet än för normal incidens. Denna paradox löses genom att notera att strålen kommer att lämna skiktet rumsligt förskjutet från var det kom in och kommer att störa reflektioner från inkommande strålar som var tvungna att resa längre (därmed ackumulera mer egen fas) för att komma fram till gränssnittet. Nettoeffekten är att den relativa fasen faktiskt reduceras, skiftande beläggningen, så att beläggningens antireflexionsband tenderar att flytta till kortare våglängder när optiken lutas. Icke-normala infallsvinklar gör också att reflektionen är polarisationsberoende .

Texturerade beläggningar

Reflektion kan minskas genom att ytan struktureras med 3D-pyramider eller 2D-spår (galler). Denna typ av texturerad beläggning kan skapas med exempelvis Langmuir-Blodgett- metoden.

Om våglängden är större än texturstorleken beter texturen sig som en gradientindexfilm med reducerad reflektion. För att beräkna reflektion i det här fallet kan effektiva approximationer användas. För att minimera reflektion har olika profiler av pyramider föreslagits, såsom kubiska, kvintiska eller integrerade exponentiella profiler.

Om våglängden är mindre än den strukturerade storleken kan reflektionsreduktionen förklaras med hjälp av den geometriska optiska approximationen: strålar bör reflekteras många gånger innan de skickas tillbaka mot källan. I detta fall kan reflektionen beräknas med strålspårning .

Att använda textur minskar reflektion för våglängder som kan jämföras med funktionsstorleken också. I detta fall är ingen approximation giltig och reflektion kan beräknas genom att lösa Maxwell-ekvationer numeriskt .

Antireflekterande egenskaper hos strukturerade ytor diskuteras väl i litteraturen för ett brett spektrum av storlek-till-våglängdsförhållanden (inklusive lång- och kortvågsgränser) för att hitta den optimala strukturstorleken.

Historia

Som nämnts ovan upptäcktes naturliga indexmatchande "beläggningar" av Lord Rayleigh 1886. Harold Dennis Taylor från Cooke-företaget utvecklade en kemisk metod för att framställa sådana beläggningar 1904.

Interferensbaserade beläggningar uppfanns och utvecklades 1935 av Alexander Smakula , som arbetade för Carl Zeiss optikföretag. Antireflexbeläggningar var en tysk militärhemlighet fram till de tidiga stadierna av andra världskriget . Katharine Burr Blodgett och Irving Langmuir utvecklade organiska antireflexbeläggningar som kallades Langmuir – Blodgett-filmer i slutet av 1930-talet.

Se även

Referenser

Källor

externa länkar