Антиотражающие покрытия для оптики

Введение

Оптическое покрытие, уменьшающее отражение.

Антиотражающее, антибликовое или антирефлекторное (AR) покрытие – это тип оптического покрытия, наносимого на поверхность линз, других оптических элементов и фотоэлектрических элементов для снижения отражения. В типичных системах формирования изображений это повышает эффективность, поскольку меньше света теряется из-за отражения. В сложных системах, таких как камеры, бинокли, телескопы и микроскопы, уменьшение отражений также улучшает контрастность изображения за счет устранения паразитного света. Это особенно важно в планетарной астрономии. В других применениях основным преимуществом является устранение самого отражения, например, покрытие очковых линз, которое делает глаза носящего более заметными для окружающих, 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 таким образом, чтобы создавать деструктивную интерференцию в отраженных лучах и конструктивную интерференцию в соответствующих прошедших лучах. Это приводит к тому, что характеристики структуры изменяются в зависимости от длины волны и угла падения, поэтому цветовые эффекты часто проявляются под косыми углами. При проектировании или заказе таких покрытий необходимо указывать диапазон длин волн, но хорошая производительность часто может быть достигнута в относительно широком диапазоне частот: обычно предлагается выбор инфракрасного, видимого или ультрафиолетового диапазона.

Приложения

Антиотражающие покрытия применяются в широком спектре областей, где свет проходит через оптическую поверхность и требуется минимальное поглощение или отражение. Примеры включают покрытия, устраняющие блики, на корректирующих линзах и элементах объективов фотокамер, а также антиотражающие покрытия на солнечных батареях.

Коррекционные линзы

Оптики могут рекомендовать "антирефлекторные линзы", поскольку уменьшение отражения улучшает внешний вид линз. Часто утверждается, что такие линзы снижают блики, однако это снижение весьма незначительно. Устранение отражений позволяет немного большему количеству света проходить сквозь линзу, что приводит к небольшому увеличению контрастности и остроты зрения. Антирефлекторные офтальмологические линзы не следует путать с поляризационными линзами, которые используются только в солнцезащитных очках и уменьшают (путем поглощения) видимые блики от солнца, отражающиеся от поверхностей, таких как песок, вода и дороги. Термин "антирефлекторный" относится к отражению от поверхности самой линзы, а не к источнику света, достигающего линзы. Многие антирефлекторные линзы имеют дополнительное покрытие, отталкивающее воду и жир, что облегчает их очистку. Антирефлекторные покрытия особенно хорошо подходят для линз с высоким показателем преломления, поскольку они отражают больше света без покрытия, чем линзы с низким показателем преломления (это обусловлено уравнениями Френеля). Кроме того, как правило, наносить покрытие на линзы с высоким показателем преломления проще и дешевле.

Фотолитография

Антиотражающие покрытия (АРК) часто используются в микроэлектронной фотолитографии для снижения искажений изображения, вызванных отражениями от поверхности подложки. Различные типы антиотражающих покрытий наносятся либо перед (нижний АРК, или BARC), либо после фоторезиста и помогают уменьшить стоячие волны, интерференцию тонких плёнок и зеркальные отражения.

Солнечные элементы

Солнечные элементы часто покрывают антиотражающим покрытием. В качестве материалов использовались фторид магния, нитрид кремния, диоксид кремния, диоксид титана и оксид алюминия.

Индексная корреляция

Простейшая форма антиотражающего покрытия была открыта лордом Рэлеем в 1886 году. Оптическое стекло, доступное в то время, со временем имело тенденцию покрываться плёнкой на своей поверхности из-за химических реакций с окружающей средой. Рэлей протестировал старые, слегка покрытые плёнкой образцы стекла и к своему удивлению обнаружил, что они пропускают больше света, чем новые, чистые образцы. Плёнка заменяет границу раздела "воздух-стекло" двумя границами: "воздух-плёнка" и "плёнка-стекло". Поскольку показатель преломления плёнки находится между показателями преломления стекла и воздуха, каждая из этих границ раздела отражает меньше света, чем граница "воздух-стекло". Фактически, суммарное отражение от этих двух границ меньше, чем от "голой" границы "воздух-стекло", что можно рассчитать по уравнениям Френеля. Один из подходов – использование антиотражающих покрытий с градиентным индексом (GRIN), то есть покрытий с почти непрерывно изменяющимся показателем преломления. С их помощью можно уменьшить отражение в широком диапазоне частот и углов падения.

Однослойные помехи

Простейшее антиотражающее покрытие состоит из одного тонкого слоя прозрачного материала с показателем преломления, равным квадратному корню показателя преломления подложки. В воздухе такое покрытие теоретически обеспечивает нулевое отражение для света с длиной волны (в покрытии), равной четырем толщинам покрытия. Отражение также снижается для длин волн в широком диапазоне вокруг центральной длины волны. Слой толщиной, равной четверти расчетной длины волны, называется «четвертьволновым слоем». Наиболее распространенным типом оптического стекла является кроновое стекло, которое имеет показатель преломления 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 подходящими физическими свойствами для покрытия являются фторид магния, MgF2 (с показателем преломления 1,38), и фторполимеры, которые могут иметь показатели преломления до 1,30, но их сложнее наносить. MgF2 на поверхности кронового стекла обеспечивает отражение около 1%, по сравнению с 4% для необработанного стекла. Покрытия MgF2 работают значительно лучше на стеклах с более высоким показателем преломления, особенно на стеклах с показателем преломления около 1,9. Покрытия из MgF2 обычно используются, поскольку они недороги и долговечны. При проектировании покрытий для длины волны в середине видимого спектра они обеспечивают достаточно хорошее антиотражение во всем диапазоне. Исследователи создали пленки из мезопористых наночастиц диоксида кремния с показателем преломления 1,12, которые функционируют как антиотражающие покрытия.

Многослойные помехи

Используя чередующиеся слои материала с низким показателем преломления, такого как диоксид кремния, и материала с более высоким показателем преломления, можно добиться отражательной способности всего 0,1% на одной длине волны. Также возможно создание покрытий, обеспечивающих очень низкую отражательную способность в широком диапазоне частот, хотя они сложны и относительно дороги. Оптические покрытия могут быть изготовлены и с особыми характеристиками, например, с почти нулевым отражением на нескольких длинах волн или с оптимальной производительностью при углах падения, отличных от 0°.

Поглощающий

Дополнительная категория антиотражающих покрытий – так называемые "поглощающие ARC". Эти покрытия полезны в ситуациях, когда высокая проницаемость поверхности не важна или нежелательна, но требуется низкая отражающая способность. Они позволяют достичь очень низкой отражательной способности, используя небольшое количество слоев, и часто могут быть произведены 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 магнетронного распыления. Например, нитрид титана и нитрид ниобия применяются в поглощающих ARC. Они могут быть полезны в приложениях, требующих повышения контрастности или в качестве замены тонированного стекла (например, в кинескопе).

Око мотыльки

Глаза мотыльков обладают необычным свойством: их поверхность покрыта естественной наноструктурной пленкой, которая подавляет отражения. Это позволяет мотылькам хорошо видеть в темноте, не выдавая своего местоположения хищникам бликами. Структура состоит из гексагональной решетки выступов, каждый из которых имеет высоту около 200 нм и расположен на расстоянии 300 нм друг от друга. Такой тип антиотражающего покрытия работает, поскольку размеры выступов меньше длины волны видимого света, из-за чего поверхность воспринимается как имеющая непрерывный градиент показателя преломления между воздухом и средой, что эффективно уменьшает отражение, устраняя границу раздела воздух-среда. Человек создал практичные антиотражающие покрытия, используя этот эффект; это пример биомимикрии. Компания Canon применяет технологию "мотыльковый глаз" в своем покрытии Sub-Wavelength structure Coating, которое значительно снижает блики на линзах. Подобные структуры также используются в фотонных устройствах: например, структуры, имитирующие глаз мотылька и выращенные из оксида вольфрама и оксида железа, могут применяться в качестве фотоэлектродов для расщепления воды с целью получения водорода. Структура состоит из сфероидов оксида вольфрама диаметром в несколько сотен микрометров, покрытых слоем оксида железа толщиной в несколько нанометров.

Круглый поляризатор

Для устранения отражений можно использовать круговой поляризатор, нанесенный на поверхность. Поляризатор пропускает свет с определенной хиральностью (или "направлением") круговой поляризации. Свет, отраженный от поверхности после прохождения через поляризатор, преобразуется в противоположную хиральность. 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 при использовании неполяризованного входного света, проходящий свет составит менее 50%.

Теория

Существуют две отдельные причины оптических эффектов, возникающих из-за покрытий, которые обычно называют эффектами толстых и тонких пленок. Эффекты толстых пленок обусловлены разницей в показателе преломления между слоями, расположенными выше и ниже покрытия (или пленки); в простейшем случае эти три слоя – воздух, покрытие и стекло. Эффекты толстых пленок не зависят от толщины покрытия, при условии, что покрытие значительно толще длины волны света. Эффекты тонких пленок возникают, когда толщина покрытия приблизительно равна четверти или половине длины волны света. В этом случае отражения от стационарного источника света могут складываться деструктивно, тем самым уменьшая отражение посредством иного механизма. Помимо сильной зависимости от толщины пленки и длины волны света, эффекты тонких пленок зависят от угла падения света на покрытую поверхность.

Интерференционные покрытия

Использование промежуточного слоя для формирования антиотражающего покрытия можно рассматривать как аналогичное технике согласования импеданса электрических сигналов. (Похожий метод используется в исследованиях оптических волокон, где иногда используется масло с подобным показателем преломления, чтобы временно подавить полное внутреннее отражение и обеспечить ввод или вывод света из волокна.) В теории, дальнейшее снижение отражения можно достичь, расширив процесс на несколько слоев материала, постепенно изменяя показатель преломления каждого слоя между показателем преломления воздуха и показателем преломления подложки. Однако, практические антиотражающие покрытия используют промежуточный слой не только для непосредственного уменьшения коэффициента отражения, но и для использования интерференционного эффекта тонкой пленки. Предположим, что толщина слоя контролируется с высокой точностью, так что она составляет ровно четверть длины волны света в слое (где λ0 – длина волны в вакууме). Такой слой называется четвертьволновым покрытием. Для этого типа покрытия нормально падающий луч I, отражаясь от второго интерфейса, пройдет ровно половину своей длины волны дальше, чем луч, отраженный от первой поверхности, что приведет к деструктивной интерференции. Это также справедливо для более толстых слоев покрытия (3λ/4, 5λ/4 и т.д.), однако антиотражающие характеристики в этом случае хуже из-за более сильной зависимости отражательной способности от длины волны и угла падения. Если интенсивности двух лучей R1 и R2 равны, они будут деструктивно интерферировать и гасить друг друга, поскольку находятся в противофазе. Следовательно, отражения от поверхности не будет, и вся энергия луча должна быть сосредоточена в прошедшем луче T. Для расчета отражения от многослойной структуры можно использовать метод матриц переноса. Реальные покрытия не достигают идеальных характеристик, хотя способны снизить коэффициент отражения поверхности до менее чем 0,1%. Кроме того, идеальная толщина слоя соответствует только одной определенной длине волны света. Другие трудности включают поиск подходящих материалов для использования на обычном стекле, поскольку немногие вещества обладают требуемым показателем преломления (n ≈ 1,23), который обеспечит равную интенсивность обоих отраженных лучей. Фторид магния (MgF2) часто используется, поскольку он износостойкий и может быть легко нанесен на подложки методом физического осаждения из паровой фазы, хотя его показатель преломления несколько выше желаемого. Дальнейшее снижение отражения возможно при использовании нескольких слоев покрытия, спроектированных таким образом, чтобы отражения от поверхностей подвергались максимальной деструктивной интерференции. Один из способов достижения этого – добавление второго четвертьволнового слоя с более высоким показателем преломления между слоем с низким показателем преломления и подложкой. Отражение от всех трех интерфейсов создает деструктивную интерференцию и антиотражающий эффект. Другие методы используют различные толщины слоев. Используя два или более слоев, каждый из которых изготовлен из материала, выбранного для наилучшего соответствия желаемому показателю преломления и дисперсии, можно получить широкополосные антиотражающие покрытия, охватывающие видимый диапазон (400–700 нм) с максимальной отражательной способностью менее 0,5%. Внешний вид покрытой оптики определяется точной структурой покрытия; обычные антиотражающие покрытия на очках и фотографических объективах часто выглядят слегка голубоватыми (поскольку они отражают немного больше синего света, чем другие видимые длины волн), хотя также используются покрытия с зеленоватым и розоватым оттенком. Если покрытая оптика используется при ненормальном падении света (то есть, когда лучи света не перпендикулярны поверхности), антиотражающие свойства несколько ухудшаются. Это происходит потому, что фаза, накопленная в слое относительно фазы света, отраженного немедленно, уменьшается с увеличением угла падения. Это может показаться нелогичным, поскольку луч испытывает больший общий сдвиг фазы в слое, чем при нормальном падении. Этот парадокс разрешается, если учесть, что луч выйдет из слоя со смещением относительно точки входа и будет интерферировать с отражениями от входящих лучей, которым пришлось пройти большее расстояние (и, следовательно, накопить больше собственной фазы), чтобы достичь интерфейса. В результате относительная фаза фактически уменьшается, смещая полосу антиотражения покрытия в сторону более коротких длин волн при наклоне оптики. Ненормальные углы падения также обычно приводят к тому, что отражение становится поляризационно-зависимым.

Текстурированные покрытия

Отражение можно уменьшить, текстурируя поверхность 3D-пирамидами или 2D-канавками (решетками). Такие текстурированные покрытия могут быть созданы, например, методом Лангмюра-Блоджетта. Если длина волны больше размера текстуры, текстура ведет себя как пленка с градиентным показателем преломления, обеспечивающая уменьшение отражения. Для расчета отражения в этом случае можно использовать методы эффективной среды. Для минимизации отражения были предложены различные профили пирамид, такие как кубические, квинтические или интегрально-экспоненциальные профили. Если длина волны меньше размера текстуры, уменьшение отражения можно объяснить с помощью приближения геометрической оптики: лучи должны многократно отражаться, прежде чем вернуться к источнику. В этом случае отражение можно рассчитать методом трассировки лучей. Использование текстуры также уменьшает отражение для длин волн, сопоставимых с размером элементов текстуры. В этом случае ни одно приближение не применимо, и отражение можно рассчитать численным решением уравнений Максвелла. Антиотражающие свойства текстурированных поверхностей широко обсуждаются в литературе для широкого диапазона соотношений размера к длине волны (включая пределы длинных и коротких волн) с целью определения оптимального размера текстуры.

История

Как упоминалось выше, "покрытия" с естественным соответствием показателей преломления были обнаружены лордом Рэлеем в 1886 году. Гарольд Деннис Тейлор из компании Cooke разработал химический метод для производства таких покрытий в 1904 году. Покрытия, основанные на интерференции, были изобретены и разработаны в 1935 году Олександером Смакулой, работавшим в компании Carl Zeiss Optics. Эти покрытия оставались немецкой военной тайной несколько лет, пока союзники не раскрыли этот секрет во время Второй мировой войны. Кэтрин Берр Блодгетт и Ирвинг Лангмюр разработали органические антиотражающие покрытия, известные как пленки Лангмюра-Блодгетта, в конце 1930-х годов.