Оптические покрытия: что это такое и для чего применяются
История оптических покрытий начинается в 19 веке, когда Фраунгофер открыл эффект просветления при нанесении слоя пленки на стекло. Современные оптические покрытия широко применяются в электронно-оптических изделиях, при этом они должны отвечать таким требованиям к эксплуатационным характеристикам и специальным свойствам, как сверхнизкое поглощение для обнаружения гравитационных волн, что также используется в датчиках систем визуализации нового поколения.
Теория оптических покрытий
Поведение излучения на границе раздела двух материалов описывается законом Снеллиуса и уравнениями Френеля. При падении излучения на границу с различными показателями преломления, большая его часть проходит, а меньшая - отражается.
Благодаря этим уравнениям, оптические покрытия, состоящие из нескольких слоев, позволяют управлять поведением излучения на поверхности оптической детали.
Простейшим примером оптического покрытия является слой толщиной в четверть длины волны излучения, которое, благодаря явлению интерференции, уменьшает коэффициент отражения. Более сложные покрытия, состоящие из нескольких слоев, позволяют достичь желаемых оптических свойств на различных динах волн.
Типы оптических покрытий
Есть различные типы оптических покрытий, каждый из которых применяется для определенных задач.
Просветляющие покрытия
Просветляющие покрытия являются одними из наиболее распространенных оптических покрытий, которые наносятся на линзы очков, фотоаппаратов и различных оптико-электронных устройств для минимализации коэффициента отражения и улучшения светопропускания.
Данный тип покрытия снижает количество отраженного излучения, что обеспечивает более четкое изображение, особенно в условиях низкой освещенности. Эти покрытия позволяют повысить комфорт зрения благодаря минимизации бликов и отражений, что незаменимо в таких приборах, как камеры ночного видения и телескопы, а помимо этого и в иных оптических устройствах, где требуется высокая четкость изображения.
Отражающие покрытия
Отражающие покрытия предназначены для повышения коэффициента отражения вплоть до 99,999% путем нанесения на линзу слоя определённого материала. Несмотря на небольшую толщину, данные покрытия являются прочными и способны выдерживать экстремальные условия эксплуатации. При этом они охватывают большой диапазон длин волн: от ультрафиолета до дальнего инфракрасного спектра.
Такие покрытия часто используются в лазерных системах, проекторах, зеркалах, солнечных панелях для минимизации потери излучения и повышения скорости фокусировки.
Светоделительные покрытия
Светоделительные покрытия предназначены для разделения одного пучка излучения на несколько лучей. Оптические детали с такими покрытиями применяются в интерферометрах, лазерах и в разнообразных системах визуализации. Они могут быть диэлектрическими, металлическими, с различными коэффициентом пропускания/отражения.
В качестве светоделителей часто используют пластины из оптического стекла или кварца со светоделительным покрытием, или две склеенные между собой призмы, где на внутренней стороне одной из них нанесено соответствующее покрытие.
Фильтрующие покрытия
Фильтрующие покрытия пропускают один диапазон длин волн и блокируют другой, позволяя управлять спектром. Они бывают полосовые, пропускающие только определенные длины волн, отрезающие, пропускающие длинноволновый/коротковолновый диапазон длин волн и блокирующие коротковолновый/длинноволновый диапазон, а также режекторные, блокирующие только один узкий спектр.
Как покрытия наносят на детали
Существует ряд сложных технологических процессов, с помощью которых наносятся оптические покрытия. В основе их часто лежат методы осаждения из газовой фазы (PVD) в вакууме.
Электронно-лучевое осаждение
Одним из распространённых методов нанесения оптических покрытий является электронно-лучевое испарение, при котором луч электронов нагревает и испаряет материал покрытия (например оксиды металлов или галогениды) с последующим осаждением на подложку при повышенной температуре (200-250°С), обеспечивая хорошую адгезию и оптические свойства.
Усовершенствованной версией данного метода является ионно-ассистированное осаждение (IAD), где используется пучок ионов. Этот метод позволяет наносить покрытия при более низких температурах (20-100°С). IAD применяется для нанесения покрытий на чувствительные к температуре подложки, а также для получения покрытий с меньшим спектральным сдвигом и большей долговечностью.
Ионное распыление
Метод Ионного распыления основан на применении высокоэнергетических ионных пучков для распыления атомов, которые образуют плотные и гладкие покрытия на поверхности оптических деталей. Этот метод обеспечивает точный контроль параметров оптического покрытия, а также применяется для повышения его качества. Его недостатком является дороговизна и низкая производительность.
Магнетронное распыление
При магнетронном распылении используется магнитное поле для улучшения процесса осаждения, что позволяет наносить широкий спектр материалов на подложку в вакууме при давлении менее 10-7 атм.
Преимуществами данного метода является возможность нанесения покрытий при комнатной температуре, а также возможность его нанесения на подложки большого размера.
Материалы для покрытий
Материалы для оптических покрытий выбираются в соответствии с требованиями к оптическим свойствам и условиям эксплуатации.
Например, такие диэлектрики как оксид кремния или фторид магния используются в качестве просветляющих покрытий благодаря своей прозрачности и регулируемому показателю преломления, а металлы (алюминий, серебро, золото) применяются в качестве отражающих покрытий.
Также покрытия на основе фтора превосходно работают в условиях высоких температур и ударопрочности, а также обладают низким поглощением, свойствами долговечности и устойчивости к царапинам, что делает их подходящими для применения в автомобилестроении.
Основные области применения оптических покрытий
Линзы и прецизионная оптика
В офтальмологии просветляющие покрытия используются на очках и контактных линзах для уменьшения бликов, что повышает комфорт для глаз и улучшает зрение. В области фото- и видеосъемки используются многослойные покрытия для линз объективов, которые улучшают качество изображения за счет концентрации проходящего спектра излучения, что позволяет получить более четкие и контрастные картинки.
Архитектурное остекление
Покрытия, наносимые химическим методом, создают на стекле и поликарбонате — это просветляющие покрытия, устойчивые к царапинам. Низкоэмиссионные покрытия позволяют минимизировать теплопотери, покрытия со спектральной селективностью помогают контролировать тепло и светопропускание.
Приведенные типы покрытий снижают затраты на электроэнергию за счет минимизации теплопотерь.
Технологии сканирования
Благодаря применению оптических покрытий в системах лазерного сканирования (LiDAR) улучшается светопропускание, а также снижаются потери на отражение. Эти преимущества имеют решающее значение для точного обнаружения объектов и ориентировании в таких областях, как навигация автономных транспортных средств, мониторинг состояния сельскохозяйственных культур, в экологии и геологических исследованиях.
Дополненная и виртуальная реальности
Просветляющие покрытия используются в системах дополненной и виртуальной реальности для уменьшения бликов и увеличения светопропускания. Это позволяет получать более качественные изображения и повышает удобство работы в различных приложениях за счет минимизации визуальных искажений и снижения утомляемости глаз пользователя.
Автостроение и аэрокосмическая промышленность
В автомобильной и аэрокосмической промышленности используются такие оптические покрытия как оксид индия-олова или оксид олова, легированный фтором, которые повышают теплоизоляцию, уменьшают обледенение ветровых стекол и улучшают видимость в неблагоприятных условиях. Данные покрытия также способствуют улучшению аэродинамики и снижению массы носителя, что приводит к повышению топливной экономичности и снижению воздействия на окружающую среду.
Отображение данных
На промышленных панелях управления, медицинском оборудовании или, например, в таких дисплеях, которые установлены в банкоматах, оптические покрытия наносятся с целью оптимизации яркости, контрастности и четкости изображения, что необходимо для обеспечения считывания важной информации в различных условиях освещения.
Специальные керамические покрытия на наружных дисплеях гарантируют сохранение рабочей температуры, позволяя им работать в суровых условиях окружающей среды. Кроме того, устойчивые к повреждениям покрытия, как правило, используются для увеличения срока службы сенсорных экранов, а также для снижения затрат на их техническое обслуживание.
Достоинства оптических покрытий
Оптические покрытия улучшают пропускающие, отражающие и поляризационные свойства линз и экранов, что приводит к повышению качества изображения и улучшает соотношение сигнал/шум. Например, просветляющее покрытие может снизить коэффициент отражения поверхности до менее чем 0,1%, а высокоотражающее диэлектрическое покрытие может увеличить коэффициент отражения более чем до 99,99%.
Другим достоинством оптических покрытий является долговечность. Такие покрытия обладают повышенной стойкостью к истиранию, защищая тем самым поверхность от царапин и механического износа, что продлевает срок службы оптических компонентов и сохраняет их характеристики, особенно в суровых условиях эксплуатации.
Оптические покрытия также могут обеспечить более широкий функционал оптико-электронных устройств. В качестве примера можно привести выделение различных спектральных диапазонов с помощью фильтрующих покрытий и повышение энергоэффективности солнечных панелей и окон. Они также способствуют уменьшению размеров оптических систем за счет точного управления взаимодействием света, что очень важно для таких областей как медицинская диагностика и телекоммуникация.
Заключение
Оптические покрытия играют важную роль в современных оптико-электронных приборах, обеспечивая точный контроль взаимодействия света с оптическими поверхностями. Они также повышают производительность и долговечность носителей, а также снижают стоимость различных оптических устройств как для средне статического пользователя, так и для более сложных применений.