Просветление оптики

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Просветле́ние о́птики — это нанесение на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей плёнки или нескольких слоев плёнок один поверх другого. Это позволяет увеличить светопропускание оптической системы и повысить контраст изображения за счет подавления бликов. Величины показателей преломления чередуются по величине и подбираются таким образом, чтобы за счет интерференции уменьшить (или совсем устранить) нежелательное отражение.

Объективы с многослойным просветлением, покрытие линз имеет характерный внешний вид

Просветлённые объективы обычно требуют бережного обращения, так как тончайшие плёнки просветления на линзах легко повредить. Плёнки, образуемые загрязнениями (жир, масло) на поверхности просветляющего покрытия, нарушают условия его работы и снижают его эффективность, увеличивая отражение света. Кроме того, загрязнения (в том числе и отпечатки пальцев) со временем могут привести к эрозии просветляющего покрытия. Современные просветляющие покрытия обычно имеют защитный наружный слой, что делает их более стойкими.

Кроме отличия по числу слоев, просветляющие покрытия отличаются методами нанесения (травлением, осаждением из раствора, напылением в вакуумных установках) и составу (обычно это соли и оксиды разных химических элементов). Исторически первым был метод травления, при котором на поверхности стекла образовывалась пленка из кремнезема.

Применение[править | править вики-текст]

Просветление оптики (или антибликовое покрытие) применяется во многих областях, где свет проходит через оптический элемент и требуется снизить потери интенсивности или устранить отражение. Наиболее распространёнными случаями являются линзы очков и объективы камер.

Корректирующие линзы[править | править вики-текст]

Антибликовое покрытие наносится на линзы очков, поскольку отсутствие бликов улучшает внешний вид и снижает нагрузку на глаза. Последнее особенно заметно при вождении автомобиля в тёмное время суток и при работе за компьютером. Кроме того, большее количество света, проходящего через линзу, повышает остроту зрения. Часто антибликовое покрытие линз сочетается с другими видами покрытий, например, защищающих от воды или жира.

Камеры[править | править вики-текст]

Просветлёнными линзами снабжаются фото- и видеокамеры. За счёт этого увеличивается светопропускание оптической системы и повышается контраст изображения за счет подавления бликов, однако в отличие от очков объектив состоит из нескольких линз. Просветляется при этом только передняя линза[1].

Фотолитография[править | править вики-текст]

Антибликовые покрытия часто используется в фотолитографии для улучшения качества изображения за счёт устранения отражений от поверхности подложки. Покрытие может наноситься как под фоторезист, так и поверх него, и позволяет уменьшить стоячие волны, интерференцию в тонких плёнках и зеркальное отражение[2][3].

Однослойное просветление[править | править вики-текст]

Интерференция в четвертьволновом противобликовом покрытии

Толщина одиночного просветляющего слоя (например, кремниевой кислоты) должна быть равна или кратна 1/4 длины световой волны. В этом случае лучи, отражённые от её наружной и внутренней сторон, отразятся в противофазе и при равной амплитуде погасятся вследствие интерференции - интенсивность блика станет равной нулю.

Для наилучшего эффекта (уравнивания амплитуд отраженного света) показатель преломления просветляющей плёнки должен равняться квадратному корню показателя преломления оптического стекла линзы. Традиционным материалом для просветляющей пленки является фторид магния, обладающий низким (n=1_,38) показателем преломления. На кроновом стекле с показателем преломления слой фторида магния может снизить процент отражения с примерно 4% до 2%. На более тяжелом флинтовом стекле с показателем преломления около 1.9 пленка фторида магния может уменьшить отражение до нуля.

Но Отражательная способность стекла, просветлённого таким способом, сильно зависит от длины волны, что является основным недостатком однослойного просветления. Минимум отражательной способности соответствует длине волны \lambda = 4 d \times n, где d — толщина плёнки, n — её показатель преломления, В первых просветлённых объективах добивались понижения коэффициента отражения для лучей зелёного участка спектра (555 нм — область наибольшей чувствительности человеческого глаза), поэтому на отражение, стёкла таких объективов имели пурпурную или голубовато-синюю окраску («голубая оптика»). Напротив, пропускание света таким объективом максимально для зеленого участка спектра, что приводило к изменению цветового тона изображения.

В настоящее время однослойное просветление (главное его преимущество - дешевизна) используется в бюджетных оптических узлах и в лазерной оптике, рассчитанной на работу в узком спектральном диапазоне.

Двухслойное просветление[править | править вики-текст]

Состоит из двух просветляющих слоёв. Слой снаружи с меньшим коэффициентом преломления. Имеет более хорошие характеристики чем однослойное.

Многослойное просветление[править | править вики-текст]

Многослойное просветляющее покрытие представляет собой последовательность из не менее чем трех чередующихся слоёв материалов с различными показателями преломления. Раннее считалось что для видимой области спектра достаточно 3-4 слоёв. Современные многослойные просветляющие покрытия практически всех изготовителей имеют 6-8 слоёв, и характеризуются низкими потерями на отражение во всей видимой области спектра. Основное преимущество многослойного просветления применительно к фотографической и наблюдательной оптике — незначительная зависимость отражательной способности от длины волны в пределах видимого спектра.

Отражения от поверхности линз с многослойным просветлением, вызванные отражением на спектральных границах просветлённой области, имеют различные оттенки зелёного и фиолетового цвета, вплоть до очень слабых серо-зеленоватых у объективов последних годов выпуска. Но это не есть показатель качества просветляющей системы.

Оптика с многослойным просветлением ранее маркировалась буквами МС - МногоСлойное, MultiCoating (например, МС Мир-47М 2,5/20) Как правило, аббревиатура "МС" подразумевала трехслойное просветление. В настоящее время специальное обозначение многослойного просветления встречается редко, так как его использование стало стандартом. Иногда встречаются «фирменные» обозначения особых его разновидностей 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), "мультипросветление" (Leica), "ахроматическое покрытие" (Minolta), и другие.

В состав многослойного просветляющего покрытия, помимо собственно просветляющих слоёв, обычно входят вспомогательные слои — улучшающие сцепление со стеклом, защитные, гидрофобные и др.

Инфракрасная оптика[править | править вики-текст]

Некоторые оптические материалы, используемые в инфракрасном диапазоне, имеют очень большой показатель преломления. Например, у германия показатель преломления близок к 4,1. Такие материалы требуют обязательного просветления.

Текстурированные покрытия[править | править вики-текст]

Добиться уменьшения отражения можно с помощью текстурирования поверхности, то есть создания на ней массива из конусообразных рассеивателей или двумерных канавок, размерами порядка половины длины волны. Такой способ был впервые обнаружен при изучении структуры глаза некоторых видов мотыльков. Наружная поверхность роговицы глаза таких мотыльков, играющая роль линзы, покрыта сетью конусообразных пупырышек, называемых роговичными сосками, обычно высотой не больше 300 нм и примерно таким же расстоянием между ними. Поскольку длина волны видимого света больше размера пупырышек, их оптические свойства могут описываться с помощью приближения эффективной среды. Согласно этому приближению свет распространяется через них так же, как если бы он распространялся через среду с непрерывно меняющейся эффективной диэлектрической проницаемостью. Это в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента отражения, что позволяет мотылькам хорошо видеть в темноте, а также оставаться незамеченными для хищников вследствие уменьшения отражательной способности глаз.

Текстурированная поверхность обладает антиотражающими свойствами и в коротковолновом пределе, при длинах волн много меньших характерного размера текстуры. Это связано с тем, что лучи, первоначально отразившиеся от текстурированной поверхности, имеют шанс всё же проникнуть в среду при последующих переотражениях. При этом текстурирование поверхности создаёт условия, при которых прошедший луч может отклониться от нормали, что ведет к эффекту запутывания прошедшего света (англ. — light trapping), используемому, например, в солнечных элементах.

В длинноволновом пределе (длины волны больше размера текстуры) для расчёта отражения можно использовать приближение эффективной среды, в коротковолновом пределе (длины волны меньше размера текстуры) для расчёта отражения можно использовать метод трассировки лучей.

В случае, когда длина волны сопоставима с размером текстуры, отражение можно рассчитать только путём численного решения уравнений Максвелла.

Антиотражающие свойства текстурированных покрытий хорошо изучены в литературе для широкого диапазона длин волн[4][5].

См. также[править | править вики-текст]

Источники[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съёмка, формулы, термины, рецепты. — 4-е, сокр.. — М.: Искусство, 1977.
  • Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. — 2, доп.и испр.. — М.: Наука, 1973. — 343 с.