WikiSort.ru - Не сортированное

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

Просветлённые объективы обычно требуют бережного обращения, так как тончайшие плёнки просветления на линзах легко повредить. Плёнки загрязнения на поверхности просветляющего покрытия (жир, масло), нарушают условия его работы и снижают его эффективность, увеличивая отражение и рассеяние 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 к воздействию окружающей среды.

Просветляющие покрытия отличаются:

• по числу слоёв;
• методами нанесения: травлением, осаждением из раствора, напылением в вакуумных установках…;
• составу: обычно это соли и оксиды разных химических элементов.

Исторически первым был метод травления, при котором на поверхности стекла образовывалась плёнка из кремнезёма.

История

Эффект «просветления» оптики в результате естественного старения стекла был обнаружен случайно и независимо друг от друга фотографами в разных странах уже в начале XX-века. Было замечено, что объективы, находящиеся в эксплуатации несколько лет давали более четкое и контрастное изображение по сравнению с совершенно новыми аналогичных моделей. Теоретическое объяснение этому факту было найдено несколько позже — в начале 1920-х годов, опять таки, независимо друг от друга советскими, немецкими и американскими оптиками. Было установлено, что оптическое стекло некоторых сортов при контакте с влажным воздухом склонно к образованию на поверхности тонкой пленки окислов металлов, соли которых легируют стекло. Явление «просветления» было объяснено интерференцией света в тонких пленках. Достаточно быстро началось внедрение данного эффекта в производство линз. Первые технологии просветления фактически воспроизводили процесс естественного старения поверхности стекла путем травления. В Государственном оптическом институте был предложен и другой процесс - окисление продуктами сгорания этилена при избытке кислорода. Просветленные поверхности таких линз были чрезвычайно устойчивы к износу и действию воды. Для полевых биноклей и очковых линз подобная технология применялась до 1980-х годов. По мере развития технологий вакуумного напыления просветляющую пленку стали наносить как покрытие (в англоязычных источниках появился термин «Coated Lens»). Сначала это были неорганические материалы, но с 1970-х годов стали применяться органические пленки на основе высокомолекулярных соединений. Просветляющие покрытия стало возможно наносить в несколько слоев, повышая эффективность просветления не только в одном диапазоне длин волн, но и в широком спектре, что особенно актуально для цветной фотографии/киносъемки/видео. В СССР объективы с многослойным просветлением имели в обозначении буквы «МС» (например объектив «МС-Гелиос-44М»), в англоязычных источниках встречалась аналогичная аббревиатура «MC» на латинице (Multilayer Coating).

Применение

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.

Однослойное просветление

Толщина одиночного просветляющего слоя (например, фторида магния) должна быть равна или кратна 1/4 длины световой волны. В этом случае лучи, отражённые от её наружной поверхности плёнки и от поверхности раздела плёнка-стекло отразятся в противофазе и при равных амплитудах отражения погасятся вследствие интерференции — интенсивность отражения станет равной нулю.

Для наилучшего эффекта (уравнивания амплитуд отражённого света от двух поверхностей) показатель преломления просветляющей плёнки ${\displaystyle n_{1}}$ должен быть:

${\displaystyle n_{1}={\sqrt {n_{0}\cdot n_{s}}},}$

где ${\displaystyle n_{0},n_{s}}$  — показатели преломления сред, разделённых просветляющей плёнкой.

Обычно внешняя среда для стекла — воздух по показателем преломления очень близким к 1 и показатель преломления просветляющей плёнки должен быть равен квадратному корню показателя преломления оптического стекла линзы.

Традиционным материалом для просветляющей плёнки является фторид магния, обладающий относительно низким ${\displaystyle (n=1_{,}38)}$ показателем преломления. При просветлении фторидом магния кронового стекла с показателем преломления 1,57 слой фторида магния может снизить коэффициент отражения с примерно 4 % до 2 %. На более преломляющем флинтовом стекле с показателем преломления около 1,9 плёнка фторида магния может уменьшить отражение практически 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 ${\displaystyle \lambda =4d\times n}$ , где ${\displaystyle d}$  — толщина плёнки, ${\displaystyle n}$  — её показатель преломления, В первых просветлённых объективах добивались понижения коэффициента отражения для лучей зелёного участка спектра (555 нм — область наибольшей чувствительности человеческого глаза), поэтому блики от стёкла таких объективов имеют пурпурную или голубовато-синюю окраску («голубая оптика»). Соответственно, пропускание света таким объективом максимально для зелёного участка спектра, что приводит к некоторой ошибке в цветопередаче цветных изображений.

В настоящее время однослойное просветление (главное его преимущество — дешевизна) используется в недорогих оптических системах и в лазерной оптике, предназначенной для работы в узком спектральном диапазоне.

Двухслойное просветление

Состоит из двух просветляющих слоёв, наружный - с меньшим коэффициентом преломления. Имеет лучшие характеристики, чем однослойное.

Многослойное просветление

Многослойное просветляющее покрытие представляет собой последовательность из не менее чем трёх 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 трёхслойное 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

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

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^[3][4].

См. также

• Светосила

Источники

Литература

• 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.