Iluminación de la óptica

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La iluminación de la óptica  es una tecnología de tratamiento de superficie para lentes , prismas y otras partes ópticas para reducir el reflejo de la luz de las superficies ópticas adyacentes al aire . Esto le permite aumentar la transmisión de luz del sistema óptico y aumentar el contraste de la imagen al reducir los reflejos espurios que interfieren en el sistema óptico.

La mayoría de los sistemas ópticos utilizados, como las lentes de cámaras y videocámaras, constan de muchas lentes, y el reflejo de cada interfaz vidrio-aire reduce el flujo de luz útil transmitido. Sin el uso de métodos antirreflectantes, la caída en la intensidad de la luz transmitida en un sistema multilente puede llegar a varias decenas porcentuales. Por lo tanto, la óptica recubierta se usa en todas las lentes modernas.

Hay cuatro formas de reducir el coeficiente de reflexión de la superficie, incluida la iluminación de la óptica:

Se utilizan principalmente recubrimientos antirreflectantes de interferencia de superficies ópticas. En tales recubrimientos, las superficies ópticas se recubren con una o más capas de una película delgada, comparable en espesor a la longitud de onda de la luz. El índice de refracción de estas capas difiere del índice de refracción del material de la parte óptica. Mediante la selección adecuada de los espesores de recubrimiento y sus índices de refracción, es posible reducir el coeficiente de reflexión a casi cero para una o más, en el caso de recubrimientos multicapa, longitudes de onda de luz.

Los revestimientos de superficie que reducen la reflexión también se denominan revestimientos antirreflectantes o antirreflectantes . Dichos recubrimientos se utilizan no solo en sistemas ópticos, sino también para reducir los reflejos de interferencia de otras superficies, como las pantallas de los monitores.

Reflexión en la interfaz entre dos medios transparentes

Cuando la luz incide en la interfaz entre dos medios transparentes con diferentes índices de refracción , se produce una reflexión parcial del flujo de luz de la interfaz. El grado de reflexión se caracteriza por el coeficiente de reflexión  , la proporción de luz reflejada de la luz incidente, que generalmente se expresa como un porcentaje. Los coeficientes de reflexión son los mismos tanto para la luz que incide desde un medio ópticamente menos denso (un medio con un índice de refracción más bajo) como para la dirección inversa de la luz con ángulos de incidencia iguales . depende del ángulo de incidencia y generalmente se expresa mediante las fórmulas de Fresnel . En un caso particular, con incidencia normal (es decir, con incidencia perpendicular sobre la superficie o, lo que es lo mismo, el ángulo de incidencia igual a cero) se expresa mediante la fórmula:

De la fórmula se deduce que cuanto más difieren los índices de refracción de dos medios, mayor es . Por ejemplo, para vidrio ordinario ( ) en aire ( ) , una única interfaz vidrio-aire sería 0,04 o 4 % . Cuando la luz pasa a través de una placa con un índice de refracción en un entorno con un índice de refracción , a través de dos interfaces, por ejemplo, a través del vidrio de una ventana, el coeficiente de reflexión total debido a múltiples reflexiones internas en el vidrio aumenta y se expresa como:

Para una placa de vidrio, el coeficiente de reflexión según la última fórmula da ~ 7,7%, es decir, solo el 92,3% de la luz pasará a través de dicha placa. Para una lente que consiste, por ejemplo, en 6 lentes, el coeficiente de transmisión de luz sin recubrimiento de lente será solo En sistemas ópticos más complejos, por ejemplo, en periscopios submarinos , el número de partes ópticas es mucho mayor y el coeficiente de transmisión de luz de tales sistemas sin el uso de la iluminación cae a un valor inaceptablemente pequeño.

El coeficiente de reflexión cae rápidamente a medida que los índices de refracción de dos medios se acercan entre sí. Por ejemplo, el fluoruro de magnesio (MgF) , que se usa ampliamente para la antirreflexión , tiene un índice de refracción de 1,38, lo que da una reflectancia de interfaz con vidrio de corona ligera de aproximadamente 1,1 % .

De las fórmulas de Fresnel se deduce que se consigue el menor coeficiente de reflexión de dos medios separados por un tercer medio con un índice de refracción y un espesor del medio intermedio mucho mayor que la longitud de onda de la luz (es decir, sin tener en cuenta los fenómenos de interferencia). cuando la media geométrica de los índices de refracción de los medios que se separan es igual:

Eliminación de interferencias

La teoría de la iluminación de una sola capa

La idea principal de la iluminación de interferencia es lograr la adición en antifase de ondas reflejadas desde dos interfaces.

Una onda monocromática plana que se propaga en la dirección de coordenadas crecientes se describe analíticamente mediante la expresión:

donde  es el número de onda ,  es la longitud de onda ,  es la amplitud de la onda.

Onda reflejada desde la superficie de la película y la interfaz película-vidrio

donde  está el coeficiente de reflexión de la película,  es el coeficiente de reflexión de la interfaz película-vidrio, teniendo en cuenta múltiples reflexiones internas en la película,  - espesor de la película, un factor de 2 indica que la luz pasa a través de la película en dos direcciones,  - el número de onda en la película, ya que la longitud de onda en un medio con un índice de refracción superior a 1 es menor que la longitud de onda en el aire o en el vacío, entonces  - la longitud de onda en el vacío,  - la longitud de onda en la película.

Para que la interferencia de la luz de dos interfaces extinga el reflejo, es necesario que Para esto, en primer lugar, debe haber y, en segundo lugar,

La primera igualdad se logra si  son los índices de refracción del medio externo y el material antirreflectante, por ejemplo, vidrio, respectivamente. La segunda igualdad se logra si el desfase causado por el paso de la luz a través de la película es un múltiplo , es decir  , el período de la función coseno y tal desfase no cambia el valor del coseno,  es un no negativo entero , de donde:

o

También se deduce de lo anterior que cuando el espesor de la película es un múltiplo de la mitad de la longitud de onda, por el contrario, el coeficiente de reflexión aumenta. Por lo tanto, en un rango relativamente amplio de longitudes de onda, una película de un cuarto de longitud de onda es más efectiva para la antirreflexión, ya que el cambio de fase para las longitudes de onda vecinas es pequeño en comparación con el período espacial de la onda. Por ejemplo, supongamos que para una longitud de onda a para otra longitud de onda . Para la primera longitud de onda, una película de un espesor dado es antirreflectante, para otra, es reflectante. La relación de longitudes de onda: o difieren solo en un 10%. Para el ejemplo dado, estas son, por ejemplo, longitudes de onda de 500 nm y 550 nm  , longitudes de onda vecinas en la parte verde del espectro.

Para películas gruesas, los anchos de los máximos y mínimos espectrales se estrechan, se aproximan y finalmente se fusionan a medida que aumenta el espesor de la película. Es por eso que no se observa interferencia en películas gruesas con luz blanca, y las películas gruesas no son adecuadas como revestimiento antirreflectante de interferencia.

Dado que la longitud del camino de la luz en la película depende del ángulo de incidencia, con incidencia oblicua, el mínimo del coeficiente de reflexión se desplaza hacia longitudes de onda más cortas y aumenta simultáneamente. Parecería que un aumento en la longitud del camino de la luz en la película con incidencia oblicua debería desplazar el mínimo hacia longitudes de onda más largas, pero esto no es así. Una consideración más sutil de la interacción del frente de onda con la película conduce al cambio observado del mínimo hacia ondas más cortas, como se muestra en la Figura [1] .

Recubrimientos antirreflectantes de interferencia de cuarto de onda de una sola capa

Normalmente, el entorno del vidrio es aire con un índice de refracción muy cercano a 1, y el índice de refracción de una película antirreflectante debe ser igual a la raíz cuadrada del índice de refracción del vidrio óptico de la lente.

El material tradicional para la película antirreflectante es el fluoruro de magnesio , que tiene un índice de refracción relativamente bajo y buenas propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión. Cuando un vidrio de corona con un índice de refracción se recubre con fluoruro de magnesio, la capa de fluoruro de magnesio puede reducir la reflectancia de aproximadamente un 4 % a un 1,5 % bajo una incidencia de luz normal. En vidrio de pedernal con un índice de refracción de aproximadamente 1,9, una película de fluoruro de magnesio de un cuarto de longitud de onda puede reducir la reflexión a casi cero para una longitud de onda de luz determinada.

Pero la reflectividad del vidrio revestido de esta manera depende en gran medida de la longitud de onda, que es la principal desventaja de la iluminación de una sola capa. La reflectividad mínima corresponde a un cuarto de longitud de onda en el material de la película.

En las primeras lentes recubiertas , se redujo el coeficiente de reflexión para los rayos de la parte verde del espectro (555 nm } - el área de mayor sensibilidad del ojo humano), por lo que el deslumbramiento en las lentes de tales lentes tienen un color púrpura o azul azulado (la llamada "óptica azul"). En consecuencia, la transmisión de luz de una lente de este tipo es máxima para la parte verde del espectro y menor para otras partes del espectro, lo que conduce a algún error en la reproducción del color.

Ahora (2020), la antirreflexión de una sola capa (su principal ventaja es su bajo costo) se usa solo en sistemas ópticos económicos y en ópticas láser diseñadas para operar en un rango espectral estrecho y fundamentalmente no requieren antirreflexión en un rango espectral amplio.

Iluminación de dos capas

Consta de dos capas antirreflectantes, la exterior tiene un índice de refracción más bajo. Tiene mejores características que la iluminación de una sola capa que se logra para una gama más amplia de longitudes de onda.

Iluminación multicapa

La desventaja de un revestimiento antirreflectante de una sola capa, que proporciona antirreflectante solo para un rango espectral estrecho, se puede superar mediante el uso de revestimientos de interferencia multicapa.

Un revestimiento antirreflectante multicapa es una secuencia de al menos tres capas alternas de materiales con diferentes índices de refracción. Anteriormente, se creía que 3 o 4 capas eran suficientes para la región visible del espectro. Los revestimientos antirreflectantes multicapa modernos de casi todos los fabricantes tienen de 6 a 8 capas y se caracterizan por bajas pérdidas por reflexión en toda la región visible del espectro. La principal ventaja del revestimiento multicapa aplicado a la óptica fotográfica y de observación es la dependencia insignificante de la reflectividad de la longitud de onda dentro del espectro visible.

La composición de un revestimiento antirreflectante multicapa, además de las capas antirreflectantes reales, generalmente incluye capas auxiliares: mejora la adherencia al vidrio, protectora, hidrofóbica, etc.

El deslumbramiento de las lentes multicapa, causado por la reflexión fuera del espectro del área iluminada, tiene varios tonos de verde y púrpura, hasta un gris verdoso muy tenue para las lentes de los últimos años de producción. Pero el color del brillo no es un indicador de la calidad de la tecnología antirreflectante.

Tecnología de aplicación y tipos de recubrimientos de interferencia

Los recubrimientos antirreflectantes de interferencia se distinguen por:

Históricamente, el primer método fue el grabado, en el que se formaba una película de sílice sobre la superficie del vidrio .

Designaciones de iluminación en el marcaje de lentes

La designación internacional aceptada para el revestimiento multicapa consta de dos letras MC ( eng.  Multilayer Coating ), que normalmente se escriben antes del nombre de la lente. Algunas empresas utilizan otras denominaciones, por ejemplo, Asahi Optical etiqueta sus lentes con la abreviatura SMC (del inglés  Super multi Coating ).

En la URSS, las lentes con recubrimiento multicapa se designaron de acuerdo con el estándar internacional con las letras "MC" antes del nombre, por ejemplo, "MS Helios-44 M". A principios del siglo XXI, la iluminación multicapa se había convertido en el estándar y ya no se designaba específicamente.

La óptica con recubrimiento multicapa se marcaba previamente en todas partes con las letras MS -  M ulti Layer , M ulti Coating (por ejemplo, MS Mir-47M 2.5 / 20 ) Como regla general, la abreviatura "MS" significaba iluminación de tres capas. Actualmente, la designación especial de iluminación de múltiples capas es rara, ya que su uso se ha vuelto estándar.

A veces hay designaciones "propietarias" de sus variedades especiales 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) y otros.

Características del manejo de la óptica recubierta

Las lentes recubiertas modernas con un recubrimiento de interferencia requieren un manejo cuidadoso, ya que las películas antirreflectantes más delgadas de las lentes se dañan fácilmente. Los contaminantes en la superficie del revestimiento antirreflectante (manchas de grasa, aceite) degradan sus propiedades ópticas y reducen la calidad de la imagen debido al aumento de la reflexión y la dispersión de la luz difusa . Además, la contaminación (incluidas las huellas dactilares) puede provocar la destrucción del revestimiento antirreflectante. Los revestimientos antirreflectantes modernos suelen tener una capa exterior protectora, lo que los hace más resistentes a las influencias ambientales adversas.

Historia de la iluminación de la interferencia

El efecto de "iluminación" de la óptica como resultado del envejecimiento natural del vidrio fue descubierto por casualidad e independientemente unos de otros por fotógrafos en diferentes países ya a principios del siglo XX. Se ha observado que las lentes que han estado en uso durante varios años han producido imágenes más brillantes y contrastadas en comparación con modelos nuevos similares. Como resultado de la investigación, se encontró que el vidrio óptico de algunas variedades, cuando está en contacto con el aire húmedo , es propenso a la formación de una película delgada de óxidos metálicos en la superficie, cuyas sales dopan el vidrio. El fenómeno de la "iluminación" fue explicado por la interferencia . Harold Taylor ( ing. Harold Dennis Taylor ) intentó por primera vez la producción industrial de una película de este tipo , quien patentó en 1904 un método para grabar vidrio con ácidos. Sin embargo, esta tecnología dio resultados tan impredecibles que no fue ampliamente utilizada. Los resultados reproducibles se lograron solo en 1936 por el jefe del laboratorio de investigación Carl Zeiss , Alexander Smakula , quien inventó la llamada "iluminación física" [2] . Con este método se crea una película del grosor y la calidad deseados mediante la deposición de fluoruros de magnesio o calcio en el vacío [3] .  

En el Instituto Estatal de Óptica , se propuso otro método de ilustración química: la oxidación por productos de combustión de etileno con un exceso de oxígeno .

Desde la década de 1960, las películas orgánicas basadas en compuestos macromoleculares se han utilizado para recubrimientos antirreflectantes . La iluminación se ha vuelto posible de aplicar en varias capas, aumentando su efectividad no solo en un rango de longitud de onda , sino también en una amplia gama, lo que es especialmente importante para la fotografía / filmación / video en color.

Polarización circular

El principio de funcionamiento de un revestimiento antirreflectante de este tipo se basa en el uso de la polarización circular de la luz [4] [5] . Un polarizador circular consta de un polarizador lineal convencional y una placa de un cuarto de onda (una placa de un cuarto de onda no debe confundirse con una capa de interferencia de un cuarto de onda). Una placa de cuarto de onda convierte la luz polarizada plana que pasa a través de ella en luz polarizada circularmente, y viceversa, la luz polarizada circularmente en luz polarizada plana. La luz externa no polarizada, que pasa a través de un polarizador lineal, se convierte en luz polarizada plana y, después de una placa de un cuarto de onda, en luz polarizada circularmente. Esta luz, reflejada desde la superficie, cuyo resplandor debe eliminarse, cambia la quiralidad a la opuesta, es decir, si la dirección de rotación de la luz con polarización circular se dirigía en el sentido de las agujas del reloj antes de la reflexión, luego de la reflexión la dirección de rotación se convierte en opuesto. Esta radiación reflejada, después de haber pasado repetidamente a través de la placa de cuarto de onda, vuelve a polarizarse planamente, pero su plano de polarización gira 90 ° con respecto a la luz incidente detrás del polarizador lineal y, por lo tanto, no pasa a través del polarizador plano.

El uso de polarización circular le permite suprimir por completo el deslumbramiento en superficies reflectantes, incluso las metálicas. La desventaja de este método es que si la luz externa incidente no está polarizada, la intensidad del flujo de luz que pasa a través del polarizador circular cae en más de un factor de dos, lo que limita el uso de este método antirreflejo en sistemas ópticos.

La supresión del deslumbramiento mediante polarización circular se utiliza para crear revestimientos antirreflectantes en las pantallas de los monitores.

Microrrugosidad texturizada

La reflexión se puede reducir texturizando la superficie, es decir, creando sobre ella una matriz de difusores en forma de cono o ranuras bidimensionales con dimensiones del orden de media longitud de onda. Este método para reducir el coeficiente en la vida silvestre se descubrió por primera vez al estudiar los ojos de algunas especies de polillas. La superficie exterior de la córnea del ojo de tales polillas, que desempeña el papel de una lente, está cubierta con una red de protuberancias en forma de cono llamadas pezones corneales, generalmente de no más de 300 nm de altura y aproximadamente a la misma distancia entre a ellos. [6] Dado que la longitud de onda de la luz visible es mayor que el tamaño de las protuberancias, sus propiedades ópticas pueden describirse utilizando métodos efectivos de aproximación de medios. De acuerdo con esta aproximación, la luz se propaga a través de ellos de la misma manera que si se propagara a través de un medio con una permitividad efectiva suave y continuamente cambiante. Esto, a su vez, conduce a una disminución en la reflectancia de la córnea, lo que permite que las polillas vean mejor en la oscuridad y también se vuelven menos visibles para los depredadores debido a la reducción de la reflexión de la luz de los ojos del insecto.

La superficie texturizada también exhibe propiedades antirreflectantes en longitudes de onda mucho más pequeñas que el tamaño característico de la textura. Esto se debe al hecho de que los rayos reflejados inicialmente desde una superficie texturizada tienen la probabilidad de penetrar en el medio durante las reflexiones posteriores de las irregularidades. Al mismo tiempo, la textura de la superficie crea condiciones bajo las cuales el haz transmitido puede desviarse de la incidencia normal, lo que conduce al efecto de "enredo de la luz transmitida" (eng. - atrapamiento de luz ), utilizado, por ejemplo, en células solares .

En el límite de longitud de onda larga (las longitudes de onda son mucho más grandes que el tamaño de la textura), se pueden utilizar los métodos efectivos de aproximación media para calcular la reflexión, en el límite de longitud de onda corta (las longitudes de onda son menores que el tamaño de la textura) y el método de trazado de rayos se puede utilizar para calcular la reflexión .

En el caso de que la longitud de onda sea comparable al tamaño de la textura, la reflexión solo puede calcularse mediante métodos de óptica ondulatoria , por ejemplo, resolviendo numéricamente las ecuaciones de Maxwell .

Las propiedades antirreflectantes de los recubrimientos texturizados están bien estudiadas y descritas en la literatura para una amplia gama de longitudes de onda [7] [8] .

Iluminación con un gradiente de índice de refracción

Un inconveniente común de todos los revestimientos antirreflectantes de interferencia es la dependencia del coeficiente de reflexión del ángulo de incidencia de la luz. Esta desventaja se puede superar aplicando una transición suave del índice de refracción del material a iluminar al aire, es decir, de a, por ejemplo, (vidrio corona claro), y el espesor de la capa con un cambio suave en el El índice de refracción debe ser mucho mayor que la longitud de onda del rango espectral de la iluminación. Pero como no existen materiales sólidos con un índice de refracción cercano a 1, se recurre a cambiar el índice de refracción en un medio eficaz. En esta tecnología, se crea un “bosque” de agujas cónicas del material base sobre una superficie antirreflectante, la longitud de estas agujas debe ser mucho mayor que la longitud de onda de la radiación, y el grosor y la distancia entre ellas para eliminar la dispersión de luz difusa debe ser mucho menos que esta longitud.

Dicha superficie se comporta ópticamente como una superficie cubierta con una capa de material con un gradiente de índice de refracción, el llamado medio óptico efectivo . El coeficiente de reflexión de dicha superficie depende muy poco de la longitud de onda de la radiación y del ángulo de incidencia y es cercano a cero.

Para las ondas de luz visible, tales recubrimientos aún no se han creado, pero en las regiones infrarrojas cercanas y lejanas del espectro, tales recubrimientos de aguja se forman en silicio monocristalino mediante grabado de iones reactivos , el llamado "silicio negro" por un grupo de investigación del Instituto Politécnico Rensselaer . El índice de refracción efectivo en la superficie de dicha capa resultó estar cerca de 1,05 [9] [10] .

Estos recubrimientos se pueden utilizar para iluminar la óptica infrarroja, aumentar la eficiencia de las células solares de silicio y en otras aplicaciones.

Aplicación de la tecnología de iluminación

El recubrimiento óptico (o recubrimiento antirreflectante) se usa en muchas áreas donde la luz pasa a través de un elemento óptico y se requiere para reducir la pérdida de intensidad o eliminar el reflejo. Los casos más comunes son lentes de anteojos y lentes de cámara.

Lentes correctivos para anteojos

Se aplica una capa antirreflectante a las lentes de los anteojos, ya que la ausencia de deslumbramiento mejora la apariencia y reduce la fatiga visual. Este último es especialmente notable cuando se conduce un automóvil por la noche y cuando se trabaja en una computadora. Además, más luz que pasa a través de la lente mejora la agudeza visual. A menudo, los recubrimientos de lentes antirreflectantes se combinan con otros tipos de recubrimientos, como los que protegen contra el agua o la grasa.

Cámaras

Las lentes iluminadas se suministran con cámaras de fotos y video . Debido a esto, la transmisión de luz del sistema óptico aumenta y el contraste de la imagen aumenta debido a la supresión del deslumbramiento . Sin embargo, a diferencia de las gafas, la lente consta de varias lentes.

Fotolitografía en tecnología microelectrónica

Los revestimientos antirreflectantes se utilizan a menudo en fotolitografía para mejorar la calidad de la imagen al eliminar los reflejos de la superficie del sustrato. El recubrimiento se puede aplicar tanto debajo como sobre la fotoprotección y permite reducir las ondas estacionarias , la interferencia en películas delgadas y la reflexión especular [11] [12] .

Óptica infrarroja

Algunos materiales ópticos utilizados en el rango infrarrojo tienen un índice de refracción muy alto. Por ejemplo, el germanio tiene un índice de refracción cercano a 4,1. Dichos materiales requieren iluminación obligatoria.

Véase también

Fuentes

  1. 1 2 3 Física de películas delgadas, 1967 .
  2. Historia de la lente fotográfica, 1989 , p. 17
  3. Curso de fotografía general, 1987 , p. 19
  4. Filtro de polarización circular HNCP . www.visionteksystems.co.uk . Consultado el 7 de mayo de 2020. Archivado desde el original el 23 de febrero de 2020.
  5. Pantalla  de información . — Sociedad para la Visualización de la Información, 2006.
  6. Kriuchkov M., Bilousov O.; Lehmann J., Fiebig M.; Katanaev V. (2020). “Ingeniería inversa y directa de nanorrevestimientos corneales de Drosophila”. naturaleza _ 585 : 383–389. DOI : 10.1038/s41586-020-2707-9 .
  7. A. Deinega et. Alabama. Minimización del reflejo de la luz de las superficies texturizadas dieléctricas //  JOSA A   : diario. - 2011. - vol. 28 . - Pág. 770 .
  8. Recubrimientos texturizados antirreflectantes . Consultado el 6 de abril de 2012. Archivado desde el original el 30 de mayo de 2012.
  9. J.-Q. Xi, Martin F. Schubert, Jong Kyu Kim, E. Fred Schubert , Minfeng Chen, Shawn-Yu Lin, W. Liu, JA Smart. [3 1] // . - 2007. - S. 176-179. -doi : 10.1038/ nphoton.2007.26 .
  10. Fred Schubert: New Nanocoating Is Virtual Black Hole for Reflections Archivado el 13 de marzo de 2012 en Wayback Machine . Physorg.com, 1 de marzo de 2007.
  11. Comprensión de los revestimientos antirreflectantes inferiores  (inglés)  (enlace inaccesible) . Consultado el 1 de junio de 2015. Archivado desde el original el 25 de abril de 2012.
  12. Sin embargo, Siew Ing (2004). Investigación del defecto UFO en el proceso DUV CAR y BARC . 5375 . SPIE. páginas. 940-948. DOI : 10.1117/12.535034 . Archivado desde el original el 2017-06-02 . Consultado el 25 de junio de 2012 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda )

Literatura