Recubrimiento antirreflejos - Anti-reflective coating

Lente de gafas sin recubrimiento (superior) versus lente con recubrimiento antirreflectante. Tenga en cuenta el reflejo teñido de la lente revestida.

Un antirreflectante o anti-reflexión ( AR ) de recubrimiento es un tipo de revestimiento óptico aplicado a la superficie de las lentes y otros elementos ópticos para reducir la reflexión . En los sistemas de imágenes típicos, esto mejora la eficiencia ya que se pierde menos luz debido a la reflexión. En sistemas complejos como telescopios y microscopios, la reducción de los reflejos también mejora el contraste de la imagen al eliminar la luz parásita . Esto es especialmente importante en astronomía planetaria.. En otras aplicaciones, el beneficio principal es la eliminación del reflejo en sí, como un recubrimiento en las lentes de los anteojos que hace que los ojos del usuario sean más visibles para los demás, o un recubrimiento para reducir el destello de los binoculares o la mira telescópica de un espectador encubierto .

Muchos recubrimientos consisten en estructuras transparentes de película delgada con capas alternas de índice de refracción contrastante . Los espesores de capa se eligen para producir interferencia destructiva en los haces reflejados desde las interfaces e interferencia constructiva en los correspondientes haces transmitidos. Esto hace que el rendimiento de la estructura cambie con la longitud de onda y el ángulo de incidencia , por lo que los efectos de color a menudo aparecen en ángulos oblicuos . Se debe especificar un rango de longitud de onda al diseñar u ordenar tales recubrimientos, pero a menudo se puede lograr un buen rendimiento para un rango relativamente amplio de frecuencias : generalmente se ofrece una opción de IR , visible o UV .

Aplicaciones

Los revestimientos antirreflectantes se utilizan a menudo en los objetivos de las cámaras, dando a los elementos del objetivo colores distintivos.

Los recubrimientos antirreflectantes se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones donde la luz pasa a través de una superficie óptica y se desea una baja pérdida o una baja reflexión. Los ejemplos incluyen recubrimientos antirreflejos en lentes correctivos y elementos de lentes de cámaras , y recubrimientos antirreflectantes en células solares .

Lentes correctivos

Los ópticos pueden recomendar "lentes antirreflejos" porque la disminución del reflejo mejora la apariencia cosmética de las lentes. A menudo se dice que tales lentes reducen el deslumbramiento , pero la reducción es muy leve. La eliminación de reflejos permite que pase un poco más de luz, produciendo un ligero aumento en el contraste y la agudeza visual.

Las lentes oftálmicas antirreflectantes no deben confundirse con las lentes polarizadas , que disminuyen (por absorción) el resplandor visible del sol reflejado en superficies como arena, agua y carreteras. El término "antirreflectante" se refiere al reflejo de la superficie de la lente en sí, no al origen de la luz que llega a la lente.

Muchas lentes antirreflejos incluyen un recubrimiento adicional que repele el agua y la grasa , lo que facilita su limpieza. Los recubrimientos antirreflejos son especialmente adecuados para las lentes de índice alto , ya que reflejan más luz sin el recubrimiento que una lente de índice más bajo (una consecuencia de las ecuaciones de Fresnel ). Por lo general, también es más fácil y económico recubrir lentes de índice alto.

Fotolitografía

Los recubrimientos antirreflectantes (ARC) se utilizan a menudo en fotolitografía microelectrónica para ayudar a reducir las distorsiones de la imagen asociadas con los reflejos de la superficie del sustrato. Se aplican diferentes tipos de recubrimientos antirreflectantes antes (ARCO inferior o BARC) o después del fotorresistente , y ayudan a reducir las ondas estacionarias , la interferencia de película delgada y los reflejos especulares.

Tipos

Coincidencia de índice

La forma más simple de revestimiento antirreflectante fue descubierta por Lord Rayleigh en 1886. El vidrio óptico disponible en ese momento tendía a desarrollar un deslustre en su superficie con el tiempo, debido a reacciones químicas con el medio ambiente. Rayleigh probó algunas piezas de vidrio viejas y ligeramente deslustradas y, para su sorpresa, descubrió que transmitían más luz que las piezas nuevas y limpias. El deslustre reemplaza la interfaz aire-vidrio con dos interfaces: una interfaz aire-deslustre y una interfaz deslustre-vidrio. Debido a que el deslustre tiene un índice de refracción entre los del vidrio y el aire, cada una de estas interfaces exhibe menos reflexión que la interfaz aire-vidrio. De hecho, el total de las dos reflexiones es menor que el de la interfaz aire-vidrio "desnuda", como se puede calcular a partir de las ecuaciones de Fresnel .

Un enfoque consiste en utilizar recubrimientos antirreflectantes de índice gradual (GRIN), es decir, con un índice de refracción que varía de forma casi continua. Con estos, es posible reducir la reflexión para una amplia banda de frecuencias y ángulos de incidencia.

Interferencia de una sola capa

El recubrimiento antirreflectante de interferencia más simple consiste en una sola capa delgada de material transparente con índice de refracción igual a la raíz cuadrada del índice de refracción del sustrato. En el aire, dicho recubrimiento teóricamente da una reflectancia cero para la luz con una longitud de onda (en el recubrimiento) igual a cuatro veces el espesor del recubrimiento. La reflectancia también se reduce para las longitudes de onda en una banda ancha alrededor del centro. Una capa de espesor igual a un cuarto de una longitud de onda de diseño se denomina "capa de cuarto de onda".

El tipo más común de vidrio óptico es el vidrio corona , que tiene un índice de refracción de aproximadamente 1,52. Un recubrimiento óptimo de una sola capa debería estar hecho de un material con un índice de aproximadamente 1,23. No existen materiales sólidos con un índice de refracción tan bajo. Los materiales más cercanos con buenas propiedades físicas para un recubrimiento son el fluoruro de magnesio , MgF 2 (con un índice de 1,38) y los fluoropolímeros , que pueden tener índices tan bajos como 1,30, pero son más difíciles de aplicar. El MgF 2 en una superficie de vidrio corona da una reflectancia de aproximadamente el 1%, en comparación con el 4% del vidrio desnudo. Los recubrimientos de MgF 2 funcionan mucho mejor en vidrios de índice más alto, especialmente aquellos con índice de refracción cercano a 1.9. Los recubrimientos de MgF 2 se utilizan comúnmente porque son baratos y duraderos. Cuando los recubrimientos están diseñados para una longitud de onda en el medio de la banda visible , brindan un antirreflejo razonablemente bueno en toda la banda.

Los investigadores han producido películas de nanopartículas de sílice mesoporosas con índices de refracción tan bajos como 1,12, que funcionan como recubrimientos antirreflejos.

Interferencia multicapa

Mediante el uso de capas alternas de un material de índice bajo como sílice y un material de índice más alto, es posible obtener reflectividades tan bajas como 0.1% en una sola longitud de onda. También se pueden fabricar recubrimientos que dan una reflectividad muy baja en una amplia banda de frecuencias, aunque son complejos y relativamente costosos. También se pueden fabricar recubrimientos ópticos con características especiales, como reflectancia cercana a cero en múltiples longitudes de onda o rendimiento óptimo en ángulos de incidencia distintos de 0 °.

Absorbente

Una categoría adicional de revestimientos antirreflejos es el denominado "ARC absorbente". Estos recubrimientos son útiles en situaciones en las que una alta transmisión a través de una superficie no es importante o no es deseable, pero se requiere una baja reflectividad. Pueden producir una reflectancia muy baja con pocas capas y, a menudo, pueden producirse de forma más económica o en mayor escala que los recubrimientos AR estándar no absorbentes. (Véase, por ejemplo, la patente de EE.UU. 5.091.244 ). Los ARC absorbentes a menudo hacen uso de propiedades ópticas inusuales que se exhiben en películas delgadas compuestas producidas por deposición por pulverización catódica . Por ejemplo, el nitruro de titanio y el nitruro de niobio se utilizan para absorber los ARC. Estos pueden ser útiles en aplicaciones que requieren una mejora del contraste o como reemplazo del vidrio tintado (por ejemplo, en una pantalla CRT ).

Ojo de polilla

Los ojos de las polillas tienen una propiedad inusual: sus superficies están cubiertas con una película nanoestructurada natural , que elimina los reflejos. Esto permite que la polilla vea bien en la oscuridad, sin reflejos que delaten su ubicación a los depredadores. La estructura consiste en un patrón hexagonal de protuberancias, cada una de aproximadamente 200 nm de alto y espaciada en centros de 300 nm. Este tipo de revestimiento antirreflectante funciona porque las protuberancias son más pequeñas que la longitud de onda de la luz visible, por lo que la luz considera que la superficie tiene un gradiente de índice de refracción continuo entre el aire y el medio, lo que disminuye la reflexión al eliminar eficazmente la interfaz aire-lente. Los seres humanos han fabricado películas antirreflectantes prácticas utilizando este efecto; esta es una forma de biomimetismo . Canon utiliza la técnica del ojo de polilla en su revestimiento de estructura SubWavelength, que reduce significativamente el destello de la lente .

Dichas estructuras también se usan en dispositivos fotónicos, por ejemplo, las estructuras de ojo de polilla que crecen a partir de óxido de tungsteno y óxido de hierro se pueden usar como fotoelectrodos para dividir agua para producir hidrógeno. La estructura consta de esferoides de óxido de tungsteno de varios tamaños de 100 micrómetros recubiertos con una capa delgada de óxido de hierro de unos pocos nanómetros.

Polarizador circular

Los reflejos están bloqueados por un polarizador circular

Se puede utilizar un polarizador circular laminado a una superficie para eliminar los reflejos. El polarizador transmite luz con una quiralidad ("lateralidad") de polarización circular. La luz reflejada desde la superficie después del polarizador se transforma en la "mano derecha" opuesta. Esta luz no puede volver a pasar a través del polarizador circular porque su quiralidad ha cambiado (por ejemplo, de polarización circular derecha a polarización circular izquierda). Una desventaja de este método es que si la luz de entrada no está polarizada, la transmisión a través del conjunto será inferior al 50%.

Teoría

Una ventana con revestimiento antirreflejos, que se muestra en un ángulo de incidencia de 45 ° y 0 °

Hay dos causas separadas de efectos ópticos debido a los recubrimientos, a menudo llamados de película gruesa y de película delgada efectos. Los efectos de película gruesa surgen debido a la diferencia en el índice de refracción entre las capas por encima y por debajo del revestimiento (o película ); en el caso más simple, estas tres capas son el aire, el revestimiento y el vidrio. Los recubrimientos de película gruesa no dependen del grosor del recubrimiento, siempre que el recubrimiento sea mucho más grueso que una longitud de onda de luz. Los efectos de película fina surgen cuando el grosor del recubrimiento es aproximadamente igual a un cuarto o la mitad de una longitud de onda de luz. En este caso, se puede hacer que los reflejos de una fuente de luz constante se sumen de manera destructiva y, por lo tanto, reduzcan los reflejos mediante un mecanismo separado. Además de depender mucho del grosor de la película y la longitud de onda de la luz, los recubrimientos de película delgada dependen del ángulo en el que la luz incide en la superficie recubierta.

Reflexión

Siempre que un rayo de luz se mueve de un medio a otro (por ejemplo, cuando la luz entra en una hoja de vidrio después de viajar a través del aire ), una parte de la luz se refleja desde la superficie (conocida como interfaz ) entre los dos medios. Esto se puede observar al mirar a través de una ventana , por ejemplo, donde se puede ver un reflejo (débil) de las superficies frontal y posterior del vidrio de la ventana. La fuerza de la reflexión depende de la relación de los índices de refracción de los dos medios, así como del ángulo de la superficie al haz de luz. El valor exacto se puede calcular utilizando las ecuaciones de Fresnel .

Cuando la luz se encuentra con la interfaz a incidencia normal (perpendicularmente a la superficie), la intensidad de la luz reflejada viene dada por el coeficiente de reflexión , o reflectancia , R :

donde n 0 y n S son los índices de refracción del primer y segundo medio respectivamente. El valor de R varía de 0 (sin reflexión) a 1 (toda la luz reflejada) y generalmente se expresa como un porcentaje . Complementario a R es el coeficiente de transmisión , o transmitancia , T . Si la absorción y la dispersión se descuidan, entonces el valor T es siempre 1 - R . Así, si un rayo de luz con intensidad I incide sobre la superficie, se refleja un rayo de intensidad RI y un rayo con intensidad TI se transmite al medio.

Reflexión y transmisión de una superficie revestida y sin revestir

Para el escenario simplificado de luz visible viajando desde el aire ( n 0 ≈ 1.0) al vidrio común ( n S ≈ 1.5 ), el valor de R es 0.04, o 4%, en una sola reflexión. Entonces, como máximo, el 96% de la luz ( T = 1 - R = 0,96 ) realmente ingresa al vidrio y el resto se refleja desde la superficie. La cantidad de luz reflejada se conoce como pérdida por reflexión .

En el escenario más complicado de múltiples reflejos, digamos con la luz que viaja a través de una ventana, la luz se refleja tanto cuando se pasa del aire al vidrio como en el otro lado de la ventana cuando se pasa del vidrio al aire. El tamaño de la pérdida es el mismo en ambos casos. La luz también puede rebotar de una superficie a otra varias veces, reflejándose parcialmente y transmitiéndose parcialmente cada vez que lo hace. En total, el coeficiente de reflexión combinado viene dado por 2 R / (1 + R ) . Para el vidrio al aire, esto es aproximadamente el 7,7%.

La película de Rayleigh

Como observó Lord Rayleigh , una película delgada (como el deslustre) en la superficie del vidrio puede reducir la reflectividad. Este efecto puede explicarse imaginando una fina capa de material con índice de refracción n 1 entre el aire (índice n 0 ) y el vidrio (índice n S ). El rayo de luz ahora se refleja dos veces: una desde la superficie entre el aire y la capa delgada, y una vez desde la interfaz capa-vidrio.

A partir de la ecuación anterior y los índices de refracción conocidos, se pueden calcular las reflectividades para ambas interfaces, denominadas R 01 y R 1S respectivamente. La transmisión en cada interfaz es, por tanto, T 01 = 1 - R 01 y T 1S = 1 - R 1S . La transmitancia total en el vidrio es, por tanto, T 1S T 01 . Calculando este valor para varios valores de n 1 , se puede encontrar que a un valor particular del índice de refracción óptimo de la capa, la transmitancia de ambas interfaces es igual, y esto corresponde a la transmitancia total máxima en el vidrio.

Este valor óptimo viene dado por la media geométrica de los dos índices circundantes:

Para el ejemplo del vidrio ( n S ≈ 1,5 ) en el aire ( n 0 ≈ 1,0 ), este índice de refracción óptimo es n 1 ≈ 1,225 .

La pérdida de reflexión de cada interfaz es de aproximadamente el 1,0% (con una pérdida combinada del 2,0%) y una transmisión total T 1S T 01 de aproximadamente el 98%. Por lo tanto, un recubrimiento intermedio entre el aire y el vidrio puede reducir a la mitad la pérdida por reflexión.

Recubrimientos de interferencia

El uso de una capa intermedia para formar un revestimiento antirreflectante puede considerarse análogo a la técnica de adaptación de impedancia de señales eléctricas. (Un método similar se usa en la investigación de fibra óptica , donde a veces se usa un aceite de igualación de índice para vencer temporalmente la reflexión interna total de modo que la luz pueda acoplarse dentro o fuera de una fibra). el proceso a varias capas de material, mezclando gradualmente el índice de refracción de cada capa entre el índice del aire y el índice del sustrato.

Los recubrimientos antirreflejos prácticos, sin embargo, se basan en una capa intermedia no solo por su reducción directa del coeficiente de reflexión, sino que también utilizan el efecto de interferencia de una capa delgada. Suponga que el grosor de la capa se controla con precisión, de modo que es exactamente un cuarto de la longitud de onda de la luz en la capa ( λ / 4 = λ 0 / (4 n 1 ) , donde λ 0 es la longitud de onda del vacío). La capa se denomina revestimiento de cuarto de onda . Para este tipo de revestimiento, un haz I normalmente incidente , cuando se refleja desde la segunda interfaz, viajará exactamente la mitad de su propia longitud de onda más allá del haz reflejado desde la primera superficie, lo que provocará una interferencia destructiva. Esto también es cierto para capas de revestimiento más gruesas (3λ / 4, 5λ / 4, etc.), sin embargo, el rendimiento antirreflectante es peor en este caso debido a la mayor dependencia de la reflectancia en la longitud de onda y el ángulo de incidencia.

Si las intensidades de los dos haces R 1 y R 2 son exactamente iguales, interferirán destructivamente y se cancelarán entre sí, ya que están exactamente desfasados . Por lo tanto, no hay una reflexión de la superficie, y toda la energía del haz debe estar en el rayo transmitido, T . En el cálculo de la reflexión de una pila de capas, se puede utilizar el método de matriz de transferencia .

Interferencia en un revestimiento antirreflectante de cuarto de onda

Los revestimientos reales no alcanzan un rendimiento perfecto, aunque son capaces de reducir el coeficiente de reflexión superficial a menos del 0,1%. Además, la capa tendrá el grosor ideal para una sola longitud de onda de luz distinta. Otras dificultades incluyen encontrar materiales adecuados para su uso en vidrio ordinario, ya que pocas sustancias útiles tienen el índice de refracción requerido ( n ≈ 1,23 ) que hará que ambos rayos reflejados tengan exactamente la misma intensidad. El fluoruro de magnesio (MgF 2 ) se utiliza a menudo, ya que es resistente y se puede aplicar fácilmente a los sustratos mediante deposición física de vapor , aunque su índice es más alto de lo deseable ( n = 1,38 ).

Es posible una mayor reducción mediante el uso de múltiples capas de revestimiento, diseñadas de manera que los reflejos de las superficies sufran una interferencia destructiva máxima. Una forma de hacer esto es agregar una segunda capa de índice más alto de un cuarto de onda de espesor entre la capa de índice bajo y el sustrato. El reflejo de las tres interfaces produce interferencias destructivas y antirreflejos. Otras técnicas utilizan diferentes espesores de los revestimientos. Al usar dos o más capas, cada una de un material elegido para dar la mejor coincidencia posible del índice de refracción y la dispersión deseados , se obtienen recubrimientos antirreflejos de banda ancha que cubren el rango visible (400-700 nm) con reflectividades máximas de menos del 0,5%. comúnmente alcanzable.

La naturaleza exacta del recubrimiento determina el aspecto de la óptica recubierta; Los recubrimientos AR comunes en anteojos y lentes fotográficos a menudo se ven algo azulados (ya que reflejan un poco más de luz azul que otras longitudes de onda visibles), aunque también se usan recubrimientos teñidos de verde y rosa.

Si la óptica revestida se usa con una incidencia anormal (es decir, con rayos de luz no perpendiculares a la superficie), las capacidades antirreflejos se degradan un poco. Esto ocurre porque la fase acumulada en la capa relativa a la fase de la luz inmediatamente reflejada disminuye a medida que el ángulo aumenta desde lo normal. Esto es contrario a la intuición, ya que el rayo experimenta un mayor cambio de fase total en la capa que para la incidencia normal. Esta paradoja se resuelve observando que el rayo saldrá de la capa desplazado espacialmente desde donde entró e interferirá con los reflejos de los rayos entrantes que tuvieron que viajar más lejos (acumulando así más fase propia) para llegar a la interfaz. El efecto neto es que la fase relativa se reduce realmente, desplazando el revestimiento, de modo que la banda antirreflectante del revestimiento tiende a moverse a longitudes de onda más cortas a medida que se inclina la óptica. Los ángulos de incidencia anormales también suelen hacer que la reflexión sea dependiente de la polarización .

Recubrimientos texturizados

La reflexión se puede reducir texturizando la superficie con pirámides 3D o ranuras 2D (rejillas). Este tipo de revestimiento texturizado se puede crear utilizando, por ejemplo, el método Langmuir-Blodgett .

Si la longitud de onda es mayor que el tamaño de la textura, la textura se comporta como una película de índice de degradado con reflejos reducidos. Para calcular la reflexión en este caso, se pueden utilizar aproximaciones medias efectivas . Para minimizar la reflexión, se han propuesto varios perfiles de pirámides, como perfiles cúbicos, quínticos o exponenciales integrales.

Si la longitud de onda es menor que el tamaño de la textura, la reducción de la reflexión se puede explicar con la ayuda de la aproximación de la óptica geométrica : los rayos deben reflejarse muchas veces antes de que se envíen de regreso hacia la fuente. En este caso, la reflexión se puede calcular mediante trazado de rayos .

El uso de textura también reduce la reflexión para longitudes de onda comparables con el tamaño de la función. En este caso, ninguna aproximación es válida y la reflexión se puede calcular resolviendo numéricamente las ecuaciones de Maxwell .

Las propiedades antirreflectantes de las superficies texturizadas se discuten bien en la literatura para una amplia gama de relaciones de tamaño a longitud de onda (incluidos los límites de onda larga y corta) para encontrar el tamaño de textura óptimo.

Historia

Como se mencionó anteriormente , Lord Rayleigh descubrió "recubrimientos" de índice natural en 1886. Harold Dennis Taylor, de la compañía Cooke, desarrolló un método químico para producir tales recubrimientos en 1904.

Los recubrimientos basados ​​en interferencias fueron inventados y desarrollados en 1935 por Alexander Smakula , que trabajaba para la empresa de óptica Carl Zeiss . Los revestimientos antirreflejos fueron un secreto militar alemán hasta las primeras etapas de la Segunda Guerra Mundial . Katharine Burr Blodgett e Irving Langmuir desarrollaron recubrimientos orgánicos antirreflejos conocidos como películas Langmuir-Blodgett a fines de la década de 1930.

Ver también

Referencias

Fuentes

enlaces externos