Einführung und Einstufung optischer Beschichtungen

In den klaren Displays von Smartphone-Bildschirmen, in den Bildern ferner Galaxien, die von astronomischen Teleskopen aufgenommen wurden, und in den präzisen Operationssälen von Laseroperationen spielt eine "unsichtbare Technologie" eine zentrale Rolle - dies ist die optische Beschichtung. Es handelt sich um eine ultradünne Materialschicht, die durch ein spezielles Verfahren auf die Oberfläche optischer Substrate aufgetragen wird, in der Regel nur im Nanometerbereich dick, aber dennoch die Reflexion, Transmission, Absorption und andere Eigenschaften von Licht präzise steuern kann, wodurch optische Geräte Leistungsgrenzen überwinden können. Optische Beschichtungen sind allgegenwärtig und reichen von alltäglichen Konsumgütern bis hin zu Spitzentechnologiefeldern. Dieser Artikel wird das Wesen der optischen Beschichtung systematisch interpretieren und sich auf drei Kernprodukte konzentrieren: AR-Antireflexionsfilm, HR-Hochreflexionsfilm und Filter, wobei ihre technischen Geheimnisse und Anwendungswerte aufgedeckt werden.

Optische Beschichtung ist keine einzelne Technologie, sondern ein Oberbegriff für eine Kategorie von Verfahren, die durch physikalische oder chemische Verfahren Dünnschichten auf der Oberfläche optischer Substrate wie Glas, Kunststoff und Metall bilden. Das Kernprinzip basiert auf dem Interferenzphänomen des Lichts - wenn zwei Lichtstrahlen mit gleicher Frequenz und konstanter Phasendifferenz aufeinandertreffen, erzeugen sie eine Verstärkung (konstruktive Interferenz) oder Abschwächung (destruktive Interferenz). Durch die präzise Gestaltung des Materials, der Dicke und der Anzahl der Schichten des Films können Ingenieure dieses Prinzip nutzen, um eine gerichtete Steuerung des Lichts zu erreichen.

Gängige Beschichtungsverfahren sind die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Dabei ist das PVD-Verfahren am weitesten verbreitet und umfasst Vakuumverdampfung, Magnetronsputtern und andere Verfahren. Es kann das Beschichtungsmaterial atomisieren und es in einer Hochvakuumumgebung gleichmäßig auf der Oberfläche des Substrats abscheiden, wodurch die Reinheit und Gleichmäßigkeit des Films gewährleistet wird. Im Gegensatz dazu erzeugt das CVD-Verfahren Filme durch chemische Reaktionen und eignet sich besser für die Herstellung von Beschichtungen mit speziellen Funktionen. Unabhängig davon, welches Verfahren angewendet wird, gibt es extrem hohe Anforderungen an die Umweltreinheit, die Temperaturkontrolle und die Abscheidungsrate. Selbst die geringste Abweichung kann zum Versagen der Beschichtungsleistung führen.

Optische Geräte, die keiner Beschichtungsbehandlung unterzogen wurden, weisen oft offensichtliche Mängel auf. Beispielsweise reflektiert die Oberfläche von gewöhnlichem Glas etwa 4 % bis 5 % des sichtbaren Lichts. Bei einer Kamera, die aus 10 Linsen besteht, kann allein der Reflexionsverlust verhindern, dass über 40 % des Lichts den Sensor erreicht, was zu einem dunklen Bild mit starker Blendung führt. Das Aufkommen der optischen Beschichtung dient genau dazu, solche Probleme zu lösen. Es ist, als würde man optischen Geräten eine "Leistungsrüstung" anlegen, wodurch die Ausbreitung und Nutzung des Lichts besser an die tatsächlichen Bedürfnisse angepasst wird.

AR-Antireflexionsbeschichtung ist die optische Beschichtung, die dem täglichen Leben am nächsten kommt. Ihre Kernfunktion besteht darin, das reflektierte Licht auf der optischen Oberfläche zu reduzieren und gleichzeitig die Lichtdurchlässigkeit zu maximieren. Die Kurzsichtbrillen, die wir tragen, die Bildschirme unserer Mobiltelefone und die Linsen unserer Kameras sind fast alle auf ihre Unterstützung angewiesen.

Das Funktionsprinzip der AR-Antireflexionsbeschichtung ist eine typische Anwendung der Interferenzaufhebung. Sie besteht in der Regel aus ein- oder mehrschichtigen dielektrischen Materialien, von denen Siliziumdioxid, Magnesiumfluorid usw. am häufigsten vorkommen. Ingenieure steuern die Dicke der Filmschicht präzise auf ein Viertel der Ziellichtwellenlänge. Wenn Licht auf die Oberfläche der Filmschicht scheint, wird ein Teil des Lichts von der oberen Oberfläche der Filmschicht reflektiert, während der andere Teil die Filmschicht durchdringt und von der Grenzfläche zwischen der Filmschicht und dem Substrat reflektiert wird. Der optische Pfadunterschied zwischen diesen beiden reflektierten Lichtstrahlen beträgt genau eine halbe Wellenlänge, und ihre Phasen sind vollständig entgegengesetzt. Wenn sie aufeinandertreffen, heben sie sich gegenseitig auf, wodurch der Reflexionsgrad deutlich reduziert wird.

Frühe AR-Antireflexionsbeschichtungen waren meist Einschichtstrukturen und konnten nur bei bestimmten Wellenlängen Antireflexionseffekte erzielen, mit begrenzten Anwendungsbereichen. Moderne AR-Antireflexionsfilme haben sich zu Mehrschichtverbundstrukturen entwickelt. Durch das Überlagern von Filmschichten aus verschiedenen Materialien und Dicken kann der Reflexionsgrad auf weniger als 1 % reduziert und die Lichtdurchlässigkeit über den gesamten sichtbaren Lichtbereich (400-700 nm) auf über 95 % erhöht werden. Einige High-End-AR-Filme fügen auch hydrophobe und oleophobe Schichten hinzu, die nicht nur die Reflexion reduzieren, sondern auch Fingerabdrücke und Flecken verhindern und so zu einer "Standard"-Technologie für Smartphone-Bildschirme werden.

Der Wert von AR-Antireflexionsfilmen zeigt sich in verschiedenen Bereichen. In der Photovoltaikindustrie kann der AR-Film auf der Oberfläche von Solarmodulen die Lichtdurchlässigkeit um 5 % bis 10 % erhöhen, was sich direkt in einer Verbesserung des Stromerzeugungswirkungsgrads niederschlägt, was für die Nutzung neuer Energien von großer Bedeutung ist. Im Bereich der Luft- und Raumfahrt kann der AR-Film auf Flugzeugwindschutzscheiben die Störung der Sonnenlichtreflexion auf die Sicht der Piloten reduzieren und die Flugsicherheit erhöhen. In medizinischen Geräten ermöglicht der AR-Film auf der Endoskoplinse den Ärzten, klarere Innenbilder zu erhalten, was eine Garantie für eine präzise Diagnose darstellt.

Im Gegensatz zur "Antireflexions"-Funktion der AR-Antireflexionsbeschichtung besteht die Kernaufgabe der HR-Hochreflexionsbeschichtung darin, den Reflexionsgrad optischer Oberflächen zu maximieren und sogar einen Reflexionseffekt von über 99 % zu erzielen, der die Reflexionsfähigkeit gewöhnlicher Metallspiegel weit übersteigt. Daher wird sie häufig in Szenarien eingesetzt, die eine präzise Lichtreflexion erfordern.

Das Funktionsprinzip des HR-Hochreflexionsfilms basiert auf gegenseitiger Interferenz, und seine Struktur ist in der Regel eine abwechselnde Überlagerung von "Material mit hohem Brechungsindex + Material mit niedrigem Brechungsindex". Wenn Licht auf das Filmschichtsystem scheint, verstärkt sich das von jeder Schicht reflektierte Licht aufgrund der konsistenten Phase gegenseitig, wodurch ein extrem starker Reflexionseffekt entsteht. Die Anzahl der Filmschichten bestimmt direkt die Reflexionsleistung - ein Filmsystem mit etwa 10 Schichten kann einen Reflexionsgrad von über 95 % erreichen, während ein hochpräzises Filmsystem mit mehr als 30 Schichten einen Reflexionsgrad von 99,9 % übersteigen kann. Im Vergleich zu herkömmlichen metallischen Reflexionsschichten wie Aluminiumfolie und Silberfolie weist der HR-Hochreflexionsfilm nicht nur einen höheren Reflexionsgrad auf, sondern vermeidet auch die Mängel von Metallmaterialien wie leichte Oxidation und Absorption von Lichtenergie. Er funktioniert besonders gut im Infrarot- und Ultraviolettbereich.

Die Lasertechnologie ist das Kernanwendungsszenario des HR-Hochreflexionsfilms. Der Resonator des Lasers benötigt ein Paar Hochreflektorspiegel, um eine reziproke Reflexion und Verstärkung des Lichts zu erreichen. Einer der Spiegel verwendet einen HR-Hochreflexionsfilm, um eine nahezu 100%ige Reflexion zu erzielen, während der andere einen Teilreflexionsfilm verwendet, um den Laserstrahl auszugeben. Ohne die präzise Steuerung von HR-Hochreflexionsfilmen können Laser keine stabile Energieausgabe erzeugen, und Technologien wie industrielles Schneiden, medizinische Laser und Lidar wären alle ausgeschlossen.

Im Bereich der astronomischen Beobachtung sind HR-Hochreflexionsfilme ebenfalls unverzichtbar. Der Hauptspiegel des Hubble-Weltraumteleskops verwendet ein mehrschichtiges HR-Filmsystem, das das schwache Licht ferner Himmelskörper effizient reflektieren kann und dem Menschen hilft, Bilder von Galaxien zu erfassen, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind. Im Bereich der Beleuchtung können die Reflektortassen von LED-Lampen nach der Behandlung mit HR-Beschichtung das Licht konzentrieren und in eine bestimmte Richtung emittieren, wodurch die Beleuchtungseffizienz deutlich verbessert und Energie verschwendet wird. Darüber hinaus spielen HR-Hochreflexionsfilme auch in Geräten wie Projektoren und Bühnenbeleuchtung eine entscheidende Rolle bei der Lichtlenkung.

Wenn AR-Filme und HR-Filme die "umfassende Regulierung" des Lichts sind, dann sind Filter die "präzisen Filter" des Lichts - sie können selektiv Licht bestimmter Wellenlängen durchlassen und gleichzeitig Licht anderer Wellenlängen blockieren, wodurch die Anforderungen an die Lichtsignalextraktion in verschiedenen Szenarien erfüllt werden. Je nach unterschiedlichen Screening-Methoden können Filter in Absorptionstyp, Interferenztyp und Polarisationstyp usw. eingeteilt werden. Unter ihnen sind Interferenzfilter aufgrund ihrer hohen Präzision und stabilen Leistung zum Mainstream in industriellen Anwendungen geworden.

Das Funktionsprinzip von Interferenzfiltern ähnelt dem von AR- und HR-Filmen, beide basieren auf dem Interferenzphänomen des Lichts, aber ihre Strukturen sind komplexer. Es steuert präzise die konstruktive und destruktive Interferenz von Licht unterschiedlicher Wellenlängen, indem es Dutzende oder sogar Hunderte von dielektrischen Filmschichten überlagert, wodurch die "Freisetzung" von Ziellängen und die "Abfangung" von störenden Wellenlängen erreicht werden. Beispielsweise kann ein üblicher Schmalbandfilter nur eine bestimmte Wellenlänge (z. B. 650 nm rotes Licht) durchlassen, wobei die Bandbreite innerhalb weniger Nanometer gesteuert wird, was dem Einsetzen einer "monochromatischen Brille" in das optische System entspricht.

Im Bereich der digitalen Bildgebung stehen Filter im Mittelpunkt der Farbbildgebung. Die Bildsensoren von Smartphones und Kameras selbst können keine unterschiedlichen Farben des Lichts unterscheiden. Dies muss durch ein Farbfilterarray (CFA) erreicht werden, das die Oberfläche des Sensors bedeckt - dieses Array besteht aus einer großen Anzahl von roten, grünen und blauen Filtereinheiten, die jeweils das Licht entsprechender Wellenlängen filtern und dann Farbbilder durch Algorithmen synthetisieren. Darüber hinaus kann der in Kameraobjektiven häufig verwendete UV-Filter ultraviolette Strahlen blockieren und verhindern, dass das Bild ein nebliges Aussehen hat. Infrarot-Sperrfilter können Infrarotlicht filtern, um die Genauigkeit der Farbwiedergabe zu gewährleisten.

Im Bereich der medizinischen Diagnose spielt die präzise Screening-Fähigkeit von Filtern eine entscheidende Rolle. Das Blutzuckermessgerät kann das Lichtsignal identifizieren, das durch die Reaktion zwischen Glukose im Blut und dem Testreagenz erzeugt wird, und zwar durch einen Filter einer bestimmten Wellenlänge, wodurch eine schnelle Messung des Blutzuckerspiegels erreicht wird. Fluoreszenzmikroskope verwenden Filter, um Anregungslicht von Fluoreszenzsignalen zu trennen, so dass Forscher fluoreszierend markierte Substanzen innerhalb von Zellen klar beobachten können. In der Umweltüberwachung können Gasdetektionsinstrumente die Konzentration von Schadstoffen in der Luft genau erfassen, indem sie die charakteristischen Absorptionswellenlängen des Zielgases durch Filter herausfiltern. Im Bereich der Sicherheit können Infrarotfilter in Verbindung mit Nachtsichtkameras verwendet werden, um klare Infrarotbilder in dunklen Umgebungen aufzunehmen.

Mit der Entwicklung der Technologie entwickelt sich die optische Beschichtungstechnologie in Richtung "dünner, intelligenter und allumfassender". Im Bereich der flexiblen Elektronik hat die ultradünne flexible Beschichtungstechnologie einen Durchbruch erzielt und kann auf das flexible Glas von faltbaren Bildschirm-Mobiltelefonen angewendet werden. Es behält nicht nur die Anti-Transmissions- und Anti-Kratz-Leistung bei, sondern kann sich auch an wiederholtes Biegen anpassen. Im Bereich der intelligenten Regulierung sind neue Produkte wie elektrochrome Beschichtungen und thermochrome Beschichtungen entstanden. Sie können die Lichtdurchlässigkeit oder den Reflexionsgrad dynamisch entsprechend externen Signalen anpassen und können in Zukunft in Szenarien wie intelligenten Autofenstern und adaptiven Brillen eingesetzt werden.

In extremen Umgebungsanwendungen wird die Leistung von optischen Beschichtungen ebenfalls ständig verbessert. Als Reaktion auf die Anforderungen der Weltraumforschung wurden spezielle Beschichtungen, die beständig gegen Strahlung und hohe Temperaturen sind, auf die optische Ausrüstung von Marssonden angewendet. Für die Tiefseeforschung gewährleistet die druck- und korrosionsbeständige Beschichtung den stabilen Betrieb von Unterwasserkameras. Darüber hinaus werden mit der Entwicklung der Nanotechnologie neue Beschichtungen auf der Basis von Graphen und zweidimensionalen Materialien zu einem Forschungsschwerpunkt und sollen eine bessere optische Leistung und ein breiteres Anwendungsspektrum erzielen.

Von den Gütern des täglichen Bedarfs bis hin zu Spitzentechnologien ist die optische Beschichtung mit ihrer präzisen Lichtregulierungsfähigkeit zur Kernstütze der modernen optischen Technologie geworden. Der AR-Antireflexionsfilm macht unser Sichtfeld klarer, der HR-Hochreflexionsfilm macht die Lichtnutzung effizienter, und der Filter macht die Extraktion von Lichtsignalen genauer. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Technologie werden diese "unsichtbaren Filme" in mehr Bereichen Wert schaffen und der Menschheit leistungsfähigere Werkzeuge zur Erforschung der Welt des Lichts zur Verfügung stellen.