Просветление Оптики

Просветление Оптики, уменьшение отражения коэффициентов поверхностей оптических деталей путем нанесения на них одной или нескольких непоглощающих пленок. Без таких (просветляющих) пленок потери на отражение света могут быть значительными; так в видимой области спектра (длина волны λ = 400-700 нм) даже при нормальном падении лучей на границе воздух - оптическая среда они могут составлять до 10% от интенсивности падающего излучения (рис. 1; см. также Отражение света, Френеля формулы). В системах с большим числом поверхностей, например в сложных объективах, потери света могут достигать 70% и более. Многократное отражение от преломляющих поверхностей вызывает появление внутри приборов рассеянного света, что ухудшает качество изображений, формируемых оптическими системами приборов. Эти нежелательные явления устраняются с помощью просветления оптики, которое является одним из важнейших применений оптики тонких слоев (см. ниже об основных классах веществ, используемых в качестве материалов для просветляющих пленок, и способах нанесения пленок).

Рис. 1. Рассчитанная по формуле Френеля зависимость коэффициента отражения света R, падающего по нормали на границу раздела воздух - стекло, от показателя преломления стекла n_ст.

Просветление оптики - результат интерференции света, отражаемого от передних и задних границ просветляющих пленок; она приводит к взаимному "гашению" отраженных световых волн и, следовательно, к усилению интенсивности проходящего света. При углах падения, близких к нормальному, эффект просветления оптики максимален, если толщина тонкой пленки равна нечетному числу четвертей длины световой волны в материале пленки, а преломления показатель (ПП) пленки удовлетворяет равенству n²₂ = n₁n₃, где n₁ и n₃ - ПП сред, граничащих с пленкой (часто первой средой является воздух). Отраженный свет ослабляется тем сильнее, чем больше разность n₃ - n₂; если же n₂ > n₃, то интерференция отраженных от границ пленки лучей, напротив, усилит интенсивность отраженного света (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость коэффициента отражения R от выраженной в долях световой волны л толщины тонкого слоя, нанесенного на подложку из стекла, для различных значений показателя преломления слоя n₂. Показатель преломления стекла n₃= 1,52; n₁ = 1 (воздух).

Изменяя толщину просветляющей пленки, можно сместить минимум отражения в различные участки спектра. Покрытия с минимальным отражением в желтой области (λ = 555 нм, область наибольшей чувствительности человеческого глаза) наносят на объективы, применяемые в черно-белой фотографии; в отраженном свете их поверхности имеют пурпурный оттенок (т. н. голубая оптика). В просветленных объективах для цветной фотографии отражение минимально в голубой области спектра; оттенок их поверхностей - янтарный. Для деталей из стекла с низким ПП просветление оптики однослойными пленками недостаточно эффективно. Применение двухслойных просветляющих пленок позволяет почти полностью устранить отражение света от поверхности детали-подложки независимо от ее ПП, но лишь в узкой области спектра. Трехслойные просветляющие пленки дают возможность получить равномерно низкое (~ 0,5%) отражение в широкой спектральной области, напр. во всем видимом диапазоне (рис. 3). Двух- и трехслойные покрытия используют для просветления оптики, работающей в ультрафиолетовой области, где из-за низкого значения n₃ однослойные покрытия малоэффективны. Теоретически наилучшее просветление оптики в широкой области спектра может быть достигнуто с помощью неоднородных просветляющих пленок, значение ПП которых плавно меняется от n подложки до n окружающей среды.

Рис. 3. Зависимости в диапазоне видимого света (400-700 нм) коэффициента отражения R поверхности стекла с n₃=1,52 от длины волны света λ: 1- для непросветленной поверхности; 2 - для поверхности с однослойной просветляющей пленкой, показатель преломления которой n₂=1,40; 3 - то же при n₂=1,23; 4 - для поверхности с трехслойной просветляющей пленкой.

В практически получаемых неоднородных пленках n меняется ступенчато; ширина спектральной области с низким отражением увеличивается с возрастанием числа "ступенек", при этом характер изменения ПП становится более плавным.