Введение и классификация оптических покрытий

В четком отображении экранов смартфонов, на изображениях далеких галактик, запечатленных астрономическими телескопами, и в точных операционных лазерных хирургических кабинетах ключевую роль играет «невидимая технология» — оптическое покрытие. Это ультратонкий слой материала, нанесенный на поверхность оптических подложек специальным способом, обычно толщиной всего в нанометры, но способный точно контролировать отражение, пропускание, поглощение и другие свойства света, позволяя оптическим устройствам преодолевать узкие места производительности. Области применения оптических покрытий повсеместны, от повседневных потребительских товаров до передовых технологических областей. В этой статье будет систематически интерпретирована суть оптического покрытия и уделено внимание трем основным продуктам: антибликовой пленке AR, высокоотражающей пленке HR и фильтру, раскрывающим их технические секреты и ценность применения.

Оптическое покрытие — это не отдельная технология, а общий термин для категории процессов, которые формируют тонкие пленки на поверхности оптических подложек, таких как стекло, пластик и металл, с помощью физических или химических методов. Основной принцип основан на явлении интерференции света — когда два луча света с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз встречаются, они вызывают эффект взаимного усиления (конструктивная интерференция) или ослабления (деструктивная интерференция). Точно проектируя материал, толщину и количество слоев пленки, инженеры могут использовать этот принцип для достижения направленного управления светом.

Общие процессы нанесения покрытий включают физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Среди них процесс PVD является наиболее широко используемым, охватывающим вакуумное испарение, магнетронное распыление и другие методы. Он может распылять материал покрытия и равномерно наносить его на поверхность подложки в условиях высокого вакуума, обеспечивая чистоту и однородность пленки. Напротив, процесс CVD генерирует пленки посредством химических реакций и больше подходит для подготовки покрытий со специальными функциями. Независимо от того, какой процесс принят, существуют чрезвычайно высокие требования к чистоте окружающей среды, контролю температуры и скорости осаждения. Даже малейшее отклонение может привести к ухудшению характеристик покрытия.

Оптические устройства, не прошедшие обработку покрытием, часто имеют очевидные дефекты. Например, поверхность обычного стекла отражает примерно от 4% до 5% видимого света. Для камеры, состоящей из 10 линз, только потери от отражения могут помешать более чем 40% света достичь датчика, что приведет к тусклому изображению, сопровождаемому сильными бликами. Появление оптического покрытия призвано именно решить такие проблемы. Это как надеть «защитную броню» для оптических устройств, делая распространение и использование света более соответствующими фактическим потребностям.

Антибликовое покрытие AR — это оптическое покрытие, наиболее близкое к повседневной жизни. Его основная функция — уменьшить отраженный свет на оптической поверхности, максимально увеличивая светопропускание. Очки для близорукости, которые мы носим, экраны наших мобильных телефонов и линзы наших камер почти все зависят от его поддержки.

Принцип работы антибликового покрытия AR — типичное применение интерференции погашения. Обычно оно состоит из одно- или многослойных диэлектрических материалов, наиболее распространенными из которых являются диоксид кремния, фторид магния и т. д. Инженеры будут точно контролировать толщину слоя пленки на четверть целевой длины волны света. Когда свет падает на поверхность слоя пленки, часть света отражается от верхней поверхности слоя пленки, а другая часть проникает в слой пленки и отражается от границы раздела между слоем пленки и подложкой. Разность хода этих двух отраженных лучей света составляет ровно половину длины волны, и их фазы полностью противоположны. Когда они встречаются, они взаимно уничтожаются, тем самым значительно уменьшая отражательную способность.

Ранние антибликовые покрытия AR в основном имели однослойную структуру и могли достигать антибликового эффекта только на определенных длинах волн, с ограниченной областью применения. Современные антибликовые пленки AR развились в многослойные композитные структуры. Путем наложения слоев пленки из разных материалов и толщин отражательную способность можно снизить до менее чем 1%, а светопропускание можно увеличить до более чем 95% во всем спектре видимого света (400-700 нм). Некоторые высококачественные пленки AR также добавляют гидрофобные и олеофобные слои, которые могут не только уменьшить отражение, но и предотвратить появление отпечатков пальцев и пятен, став «стандартной» технологией для экранов смартфонов.

Ценность антибликовых пленок AR полностью продемонстрирована в различных областях. В фотоэлектрической промышленности пленка AR на поверхности солнечных панелей может увеличить светопропускание на 5–10%, что напрямую приводит к улучшению эффективности выработки электроэнергии, что имеет большое значение для использования новой энергии. В аэрокосмической области пленка AR на ветровых стеклах самолетов может уменьшить помехи от отражения солнечного света на зрении пилотов и повысить безопасность полетов. В медицинском оборудовании пленка AR на линзе эндоскопа позволяет врачам получать более четкие внутренние изображения, обеспечивая гарантию точной диагностики.

В отличие от «антиотражающей» функции антибликового покрытия AR, основная роль высокоотражающего покрытия HR — максимально увеличить отражательную способность оптических поверхностей, даже достигая эффекта отражения более 99%, что намного превышает отражающую способность обычных металлических зеркал. Поэтому он широко используется в сценариях, требующих точного отражения света.

Принцип работы высокоотражающей пленки HR основан на взаимной интерференции, и ее структура обычно представляет собой чередующееся наложение «материала с высоким показателем преломления + материала с низким показателем преломления». Когда свет падает на систему слоев пленки, отраженный свет от каждого слоя будет усиливать друг друга из-за согласованной фазы, образуя, таким образом, чрезвычайно сильный эффект отражения. Количество слоев пленки напрямую определяет характеристики отражения — система пленки примерно с 10 слоями может достигать коэффициента отражения более 95%, в то время как высокоточная система пленки с более чем 30 слоями может превышать коэффициент отражения 99,9%. По сравнению с традиционными металлическими отражающими слоями, такими как алюминиевая пленка и серебряная пленка, высокоотражающая пленка HR не только имеет более высокую отражательную способность, но и позволяет избежать дефектов металлических материалов, таких как легкое окисление и поглощение световой энергии. Она особенно хорошо работает в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.

Лазерная технология является основным сценарием применения высокоотражающей пленки HR. Резонатор лазера требует пары высокоотражающих зеркал для достижения возвратно-поступательного отражения и усиления света. Одно из зеркал использует высокоотражающую пленку HR для достижения почти 100% отражения, в то время как другое использует частично отражающую пленку для вывода лазерного луча. Без точного контроля высокоотражающих пленок HR лазеры не могут формировать стабильную выходную энергию, и такие технологии, как промышленная резка, медицинские лазеры и лидары, были бы исключены.

В области астрономических наблюдений высокоотражающие пленки HR также незаменимы. Главное зеркало космического телескопа Хаббла использует многослойную систему пленок HR, которая может эффективно отражать слабый свет далеких небесных тел и помогать людям получать изображения галактик, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет. В области освещения, после обработки отражателей светодиодных ламп покрытием HR, они могут концентрировать свет и излучать его в определенном направлении, значительно повышая эффективность освещения и уменьшая потери энергии. Кроме того, в таком оборудовании, как проекторы и сценическое освещение, высокоотражающие пленки HR также играют решающую роль в направлении света.

Если пленки AR и HR являются «комплексным регулированием» света, то фильтры являются «точными фильтрами» света — они могут избирательно пропускать свет определенных длин волн, блокируя при этом свет других длин волн, тем самым удовлетворяя потребности извлечения светового сигнала в различных сценариях. В соответствии с различными методами фильтрации фильтры можно разделить на абсорбционный тип, интерференционный тип и поляризационный тип и т. д. Среди них интерференционные фильтры стали основными в промышленных приложениях благодаря своей высокой точности и стабильной производительности.

Принцип работы интерференционных фильтров аналогичен принципу работы пленок AR и HR, оба основаны на явлении интерференции света, но их структуры более сложны. Он точно контролирует конструктивную и деструктивную интерференцию света разных длин волн путем наложения десятков или даже сотен слоев диэлектрической пленки, тем самым достигая «высвобождения» целевых длин волн и «перехвата» мешающих длин волн. Например, обычный узкополосный фильтр может пропускать только определенную длину волны (например, красный свет 650 нм) с полосой пропускания, контролируемой в пределах нескольких нанометров, что эквивалентно установке «монохромных очков» на оптическую систему.

В области цифровой обработки изображений фильтры находятся в основе цветной обработки изображений. Датчики изображения смартфонов и камер сами по себе не могут различать разные цвета света. Это должно быть достигнуто с помощью массива цветовых фильтров (CFA), покрывающего поверхность датчика — этот массив состоит из большого количества красных, зеленых и синих фильтрующих элементов, которые, соответственно, отфильтровывают свет соответствующих длин волн, а затем синтезируют цветные изображения с помощью алгоритмов. Кроме того, УФ-фильтр, обычно используемый в объективах камер, может блокировать ультрафиолетовые лучи и предотвращать появление туманного изображения. Инфракрасные фильтры могут отфильтровывать инфракрасный свет, чтобы обеспечить точность цветопередачи.

В области медицинской диагностики способность фильтров к точной фильтрации играет решающую роль. Глюкометр может идентифицировать световой сигнал, создаваемый реакцией между глюкозой в крови и тестовым реагентом, через фильтр определенной длины волны, тем самым достигая быстрого измерения уровня глюкозы в крови. Флуоресцентные микроскопы используют фильтры для разделения возбуждающего света от сигналов флуоресценции, позволяя исследователям четко наблюдать флуоресцентно меченые вещества внутри клеток. В экологическом мониторинге приборы обнаружения газов могут точно определять концентрацию загрязняющих веществ в воздухе, отфильтровывая характерные длины волн поглощения целевого газа через фильтры. В области безопасности инфракрасные фильтры можно использовать в сочетании с камерами ночного видения для получения четких инфракрасных изображений в темных условиях.

С развитием технологий технология оптического покрытия движется в направлении «тоньше, умнее и универсальнее». В области гибкой электроники достигнут прорыв в технологии ультратонкого гибкого покрытия, которое может быть применено к гибкому стеклу мобильных телефонов со складным экраном. Оно не только сохраняет антипропускаемость и устойчивость к царапинам, но и может адаптироваться к многократному изгибу. В области интеллектуального регулирования появились новые продукты, такие как электрохромное покрытие и термохромное покрытие. Они могут динамически регулировать светопропускание или отражательную способность в соответствии с внешними сигналами и могут применяться в таких сценариях, как окна умных автомобилей и адаптивные очки в будущем.

Между тем, в экстремальных условиях эксплуатации характеристики оптических покрытий также постоянно улучшаются. В ответ на требования космических исследований специальные покрытия, устойчивые к радиации и высоким температурам, были применены к оптическому оборудованию марсианских зондов. Для глубоководных исследований покрытие, устойчивое к высокому давлению и коррозии, обеспечивает стабильную работу подводных камер. Кроме того, с развитием нанотехнологий новые покрытия на основе графена и двумерных материалов становятся горячей точкой исследований и, как ожидается, обеспечат лучшие оптические характеристики и более широкий спектр сценариев применения.

От предметов первой необходимости до передовых технологий, оптическое покрытие, благодаря своей способности точного регулирования света, стало основной опорой современной оптической технологии. Антибликовая пленка AR делает наше поле зрения более четким, высокоотражающая пленка HR делает использование света более эффективным, а фильтр делает извлечение световых сигналов более точным. С непрерывным развитием технологий эти «невидимые пленки» обязательно создадут ценность в большем количестве областей и предоставят человечеству более мощные инструменты для исследования мира света.