บทนำและการจำแนกประเภทของสารเคลือบผิวทางแสง

ในการแสดงหน้าจอสมาร์ทโฟนที่ชัดเจน ในภาพกาแล็กซีระยะไกลที่ถ่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์ดาราศาสตร์ และในห้องผ่าตัดที่แม่นยำของการผ่าตัดด้วยเลเซอร์ "เทคโนโลยีที่มองไม่เห็น" กำลังมีบทบาทหลัก - นี่คือการเคลือบแสง เป็นชั้นวัสดุบางพิเศษที่สะสมอยู่บนพื้นผิวของซับสเตรตเชิงแสงผ่านกระบวนการพิเศษ ซึ่งโดยปกติจะมีความหนาเพียงระดับนาโนเมตรเท่านั้น แต่ยังสามารถควบคุมการสะท้อน การส่งผ่าน การดูดซับ และคุณสมบัติอื่นๆ ของแสงได้อย่างแม่นยำ ช่วยให้อุปกรณ์ออพติคอลสามารถฝ่าฟันอุปสรรคด้านประสิทธิภาพได้ การใช้งานการเคลือบด้วยแสงมีอยู่ทั่วไปตั้งแต่สินค้าอุปโภคบริโภครายวันไปจนถึงสาขาเทคโนโลยีล้ำสมัย บทความนี้จะตีความสาระสำคัญของการเคลือบออพติคอลอย่างเป็นระบบและมุ่งเน้นไปที่ผลิตภัณฑ์หลักสามรายการ: ฟิล์มป้องกันแสงสะท้อน AR, ฟิล์มสะท้อนแสง HR สูง และฟิลเตอร์ ซึ่งเผยให้เห็นความลึกลับทางเทคนิคและคุณค่าการใช้งาน

การเคลือบด้วยแสงไม่ใช่เทคโนโลยีเดียว แต่เป็นคำทั่วไปสำหรับหมวดหมู่ของกระบวนการที่สร้างฟิล์มบางบนพื้นผิวของพื้นผิวที่มองเห็น เช่น แก้ว พลาสติก และโลหะ โดยวิธีทางกายภาพหรือทางเคมี หลักการสำคัญขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์การรบกวนของแสง - เมื่อลำแสงสองลำที่มีความถี่เท่ากันและความแตกต่างของเฟสคงที่มาบรรจบกัน ลำแสงทั้งสองจะก่อให้เกิดผลกระทบจากการเสริมกำลังซึ่งกันและกัน (การรบกวนเชิงสร้างสรรค์) หรือการอ่อนแรงลง (การรบกวนแบบทำลายล้าง) ด้วยการออกแบบวัสดุ ความหนา และจำนวนชั้นของฟิล์มอย่างแม่นยำ วิศวกรสามารถใช้หลักการนี้เพื่อควบคุมทิศทางของแสงได้

กระบวนการเคลือบทั่วไป ได้แก่ การสะสมไอทางกายภาพ (PVD) และการสะสมไอสารเคมี (CVD) ในบรรดากระบวนการเหล่านี้ กระบวนการ PVD เป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ซึ่งครอบคลุมถึงการระเหยแบบสุญญากาศ การสปัตเตอร์แมกนีตรอน และวิธีการอื่นๆ สามารถทำให้วัสดุเคลือบเป็นอะตอมและสะสมอย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวของสารตั้งต้นในสภาพแวดล้อมสุญญากาศสูง ทำให้มั่นใจในความบริสุทธิ์และความสม่ำเสมอของฟิล์ม ในทางตรงกันข้าม กระบวนการ CVD จะสร้างฟิล์มผ่านปฏิกิริยาเคมี และเหมาะสำหรับการเตรียมการเคลือบด้วยฟังก์ชันพิเศษมากกว่า ไม่ว่าจะใช้กระบวนการใดก็ตาม มีข้อกำหนดที่สูงมากสำหรับความสะอาดของสิ่งแวดล้อม การควบคุมอุณหภูมิ และอัตราการสะสม แม้แต่การเบี่ยงเบนเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้ประสิทธิภาพการเคลือบล้มเหลวได้

อุปกรณ์ออปติกที่ไม่ผ่านการเคลือบผิวมักมีข้อบกพร่องอย่างเห็นได้ชัด ตัวอย่างเช่น พื้นผิวของกระจกธรรมดาจะสะท้อนแสงที่มองเห็นได้ประมาณ 4% ถึง 5% สำหรับกล้องที่ประกอบด้วยเลนส์ 10 ชิ้น การสูญเสียการสะท้อนเพียงอย่างเดียวสามารถป้องกันไม่ให้แสงเข้าถึงเซ็นเซอร์ได้มากกว่า 40% ส่งผลให้ภาพสลัวพร้อมกับแสงสะท้อนที่รุนแรง การเกิดขึ้นของการเคลือบออพติคอลมีไว้เพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าวอย่างแม่นยำ เหมือนกับการสวม "เกราะประสิทธิภาพ" สำหรับอุปกรณ์ออพติคัล ทำให้การแพร่กระจายและการใช้ประโยชน์ของแสงสอดคล้องกับความต้องการที่แท้จริงมากขึ้น

AR Anti-Reflective Coating เป็นการเคลือบแสงที่ใกล้เคียงกับชีวิตประจำวันมากที่สุด หน้าที่หลักของมันคือการลดแสงสะท้อนบนพื้นผิวแสงในขณะที่เพิ่มการส่งผ่านแสงให้สูงสุด แว่นสายตาสั้นที่เราใส่ หน้าจอโทรศัพท์มือถือ และเลนส์กล้องของเรา เกือบทั้งหมดล้วนต้องอาศัยการรองรับ

หลักการทำงานของการเคลือบป้องกันแสงสะท้อน AR คือการประยุกต์ใช้การรบกวนการยกเลิกโดยทั่วไป โดยปกติจะประกอบด้วยวัสดุอิเล็กทริกชั้นเดียวหรือหลายชั้น ซึ่งส่วนใหญ่ได้แก่ ซิลิคอนไดออกไซด์ แมกนีเซียมฟลูออไรด์ ฯลฯ วิศวกรจะควบคุมความหนาของชั้นฟิล์มอย่างแม่นยำที่หนึ่งในสี่ของความยาวคลื่นแสงเป้าหมาย เมื่อแสงส่องลงบนพื้นผิวของชั้นฟิล์ม แสงส่วนหนึ่งจะสะท้อนจากพื้นผิวด้านบนของชั้นฟิล์ม ในขณะที่อีกส่วนหนึ่งจะทะลุผ่านชั้นฟิล์มและสะท้อนจากส่วนต่อประสานระหว่างชั้นฟิล์มกับพื้นผิว ความแตกต่างของเส้นทางแสงระหว่างลำแสงสะท้อนทั้งสองนี้มีความยาวคลื่นครึ่งหนึ่งพอดี และเฟสของพวกมันตรงกันข้ามกันโดยสิ้นเชิง เมื่อพบกันจะหักล้างกัน จึงช่วยลดการสะท้อนแสงได้อย่างมาก

การเคลือบป้องกันแสงสะท้อนของ AR ในยุคแรกๆ ส่วนใหญ่เป็นโครงสร้างชั้นเดียว และสามารถบรรลุผลการป้องกันแสงสะท้อนที่ความยาวคลื่นเฉพาะเท่านั้น โดยมีช่วงการใช้งานที่จำกัด ฟิล์มป้องกันแสงสะท้อน AR สมัยใหม่ได้พัฒนาเป็นโครงสร้างคอมโพสิตหลายชั้น ด้วยการซ้อนชั้นฟิล์มด้วยวัสดุและความหนาที่แตกต่างกัน การสะท้อนแสงจะลดลงเหลือน้อยกว่า 1% และการส่งผ่านแสงสามารถเพิ่มได้มากกว่า 95% ทั่วทั้งสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ (400-700 นาโนเมตร) ฟิล์ม AR ระดับไฮเอนด์บางรุ่นยังเพิ่มชั้นที่ไม่ชอบน้ำและ oleophobic ซึ่งไม่เพียงแต่ลดการสะท้อน แต่ยังป้องกันรอยนิ้วมือและคราบ กลายเป็นเทคโนโลยี "มาตรฐาน" สำหรับหน้าจอสมาร์ทโฟน

คุณค่าของฟิล์มป้องกันแสงสะท้อน AR ได้รับการแสดงให้เห็นอย่างเต็มที่ในด้านต่างๆ ในอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ ฟิล์ม AR บนพื้นผิวแผงโซลาร์เซลล์สามารถเพิ่มการส่งผ่านแสงได้ 5% ถึง 10% แปลโดยตรงเป็นการปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้า ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้พลังงานใหม่ ในด้านการบินและอวกาศ ฟิล์ม AR บนกระจกบังลมของเครื่องบินสามารถลดการรบกวนของการสะท้อนของแสงแดดต่อการมองเห็นของนักบิน และเพิ่มความปลอดภัยในการบิน ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ ฟิล์ม AR บนเลนส์เอนโดสโคปช่วยให้แพทย์ได้รับภาพภายในที่ชัดเจนยิ่งขึ้น ซึ่งรับประกันการวินิจฉัยที่แม่นยำ

ตรงกันข้ามกับฟังก์ชัน "ป้องกันการสะท้อนแสง" ของการเคลือบป้องกันการสะท้อนแสง AR บทบาทหลักของการเคลือบ HR High-Reflective คือการเพิ่มการสะท้อนแสงของพื้นผิวแสงให้สูงสุด แม้จะบรรลุผลการสะท้อนมากกว่า 99% ซึ่งเกินความสามารถในการสะท้อนแสงของกระจกโลหะธรรมดามาก ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในสถานการณ์ที่ต้องการการสะท้อนแสงที่แม่นยำ

หลักการทำงานของฟิล์มสะท้อนแสง HR สูงนั้นขึ้นอยู่กับการรบกวนซึ่งกันและกัน และโครงสร้างของฟิล์มมักจะเป็นการซ้อนทับกันของ "วัสดุดัชนีการหักเหของแสงสูง + วัสดุดัชนีการหักเหของแสงต่ำ" เมื่อแสงส่องลงบนระบบชั้นฟิล์ม แสงสะท้อนจากแต่ละชั้นจะเสริมกำลังซึ่งกันและกันเนื่องจากเฟสที่สม่ำเสมอ จึงทำให้เกิดเอฟเฟกต์การสะท้อนที่รุนแรงอย่างยิ่ง จำนวนชั้นฟิล์มจะกำหนดประสิทธิภาพการสะท้อนโดยตรง - ระบบฟิล์มที่มีประมาณ 10 ชั้นสามารถมีอัตราการสะท้อนมากกว่า 95% ในขณะที่ระบบฟิล์มที่มีความแม่นยำสูงที่มีมากกว่า 30 ชั้นจะมีอัตราการสะท้อนเกิน 99.9% เมื่อเปรียบเทียบกับชั้นสะท้อนแสงโลหะแบบดั้งเดิม เช่น ฟิล์มอลูมิเนียมและฟิล์มเงิน ฟิล์มสะท้อนแสง HR สูงไม่เพียงแต่มีการสะท้อนแสงที่สูงกว่า แต่ยังหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องของวัสดุโลหะ เช่น ออกซิเดชันได้ง่ายและการดูดซับพลังงานแสง ทำงานได้ดีเป็นพิเศษในย่านอินฟราเรดและอัลตราไวโอเลต

เทคโนโลยีเลเซอร์เป็นสถานการณ์การใช้งานหลักของฟิล์มสะท้อนแสงสูงด้าน HR ช่องเรโซแนนซ์ของเลเซอร์ต้องใช้กระจกสะท้อนแสงสูงคู่หนึ่งเพื่อให้เกิดการสะท้อนกลับและการขยายแสง กระจกบานหนึ่งใช้ฟิล์มสะท้อนแสงสูง HR เพื่อให้เกิดการสะท้อนเกือบ 100% ในขณะที่อีกกระจกใช้ฟิล์มสะท้อนแสงบางส่วนเพื่อส่งสัญญาณแสงเลเซอร์ หากไม่มีการควบคุมฟิล์มสะท้อนแสงสูง HR ที่แม่นยำ เลเซอร์จะไม่สามารถสร้างพลังงานที่ส่งออกได้อย่างคงที่ และเทคโนโลยี เช่น การตัดทางอุตสาหกรรม เลเซอร์ทางการแพทย์ และลิดาร์ ล้วนแต่หมดปัญหาไป

ในด้านการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ ฟิล์มสะท้อนแสงสูงของ HR ก็ขาดไม่ได้เช่นกัน กระจกเงาหลักของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลใช้ระบบฟิล์ม HR หลายชั้น ซึ่งสามารถสะท้อนแสงสลัวของเทห์ฟากฟ้าที่อยู่ห่างไกลได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยให้มนุษย์จับภาพกาแลคซีที่อยู่ห่างออกไปหลายพันล้านปีแสงได้ ในด้านระบบแสงสว่าง หลังจากที่ถ้วยสะท้อนแสงของหลอดไฟ LED ได้รับการเคลือบ HR แล้ว ก็สามารถรวมแสงและปล่อยแสงไปในทิศทางที่เฉพาะเจาะจงได้ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการส่องสว่างได้อย่างมากและลดการสิ้นเปลืองพลังงาน นอกจากนี้ ในอุปกรณ์ เช่น โปรเจ็กเตอร์และระบบไฟบนเวที ฟิล์มสะท้อนแสงสูงของ HR ยังมีบทบาทสำคัญในการส่องไฟนำทางอีกด้วย

หากฟิล์ม AR และฟิล์ม HR เป็น "การควบคุมแสงที่ครอบคลุม" ฟิลเตอร์ก็คือ "ฟิลเตอร์ที่แม่นยำ" ของแสง โดยสามารถเลือกให้แสงที่ความยาวคลื่นเฉพาะเจาะจงผ่านได้ ในขณะเดียวกันก็บังแสงของความยาวคลื่นอื่นๆ ไว้ด้วย จึงตอบสนองความต้องการในการแยกสัญญาณแสงในสถานการณ์ต่างๆ ตามวิธีการคัดกรองต่างๆ ตัวกรองสามารถแบ่งได้เป็นประเภทการดูดซับ ประเภทการรบกวน และประเภทโพลาไรเซชัน ฯลฯ ในบรรดาตัวกรองประเภทการรบกวนได้กลายเป็นกระแสหลักในการใช้งานทางอุตสาหกรรมเนื่องจากมีความแม่นยำสูงและประสิทธิภาพที่มั่นคง

หลักการทำงานของฟิลเตอร์รบกวนนั้นคล้ายคลึงกับฟิล์ม AR และ HR ซึ่งทั้งคู่ขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์การรบกวนของแสง แต่โครงสร้างของพวกมันซับซ้อนกว่า ควบคุมการรบกวนของแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันทั้งเชิงสร้างสรรค์และทำลายได้อย่างแม่นยำ โดยการวางชั้นฟิล์มอิเล็กทริกหลายสิบหรือหลายร้อยชั้นเข้าด้วยกัน จึงสามารถ "ปล่อย" ความยาวคลื่นเป้าหมายและ "สกัดกั้น" ความยาวคลื่นที่รบกวนได้ ตัวอย่างเช่น ตัวกรองย่านความถี่แคบทั่วไปสามารถยอมให้ความยาวคลื่นเฉพาะ (เช่น แสงสีแดง 650 นาโนเมตร) ผ่านไปได้เท่านั้น โดยมีแบนด์วิดท์ที่ควบคุมภายในไม่กี่นาโนเมตร ซึ่งเทียบเท่ากับการติดตั้ง "แว่นตาสีเดียว" บนระบบออปติคัล

ในด้านการถ่ายภาพดิจิทัล ฟิลเตอร์ถือเป็นหัวใจสำคัญของการสร้างภาพสี เซ็นเซอร์ภาพของสมาร์ทโฟนและกล้องไม่สามารถแยกแยะสีแสงที่ต่างกันได้ ซึ่งจะต้องทำได้ผ่านอาร์เรย์ฟิลเตอร์สี (CFA) ที่ครอบคลุมพื้นผิวของเซนเซอร์ - อาร์เรย์นี้ประกอบด้วยหน่วยตัวกรองสีแดง เขียว และสีน้ำเงินจำนวนมาก ซึ่งจะคัดกรองแสงที่มีความยาวคลื่นที่สอดคล้องกันตามลำดับ จากนั้นจึงสังเคราะห์ภาพสีผ่านอัลกอริธึม นอกจากนี้ ฟิลเตอร์ UV ที่ใช้กันทั่วไปในเลนส์กล้องสามารถป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลตและป้องกันไม่ให้ภาพมีลักษณะเป็นหมอกได้ ฟิลเตอร์ตัดแสงอินฟราเรดสามารถกรองแสงอินฟราเรดเพื่อให้มั่นใจถึงความแม่นยำในการสร้างสี

ในด้านการวินิจฉัยทางการแพทย์ ความสามารถในการคัดกรองตัวกรองที่แม่นยำมีบทบาทสำคัญ เครื่องตรวจจับระดับน้ำตาลในเลือดสามารถระบุสัญญาณแสงที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างกลูโคสในเลือดและสารทดสอบผ่านตัวกรองความยาวคลื่นเฉพาะ จึงสามารถวัดระดับน้ำตาลในเลือดได้อย่างรวดเร็ว กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ใช้ฟิลเตอร์เพื่อแยกแสงกระตุ้นออกจากสัญญาณฟลูออเรสเซนซ์ ช่วยให้นักวิจัยสังเกตสารที่มีป้ายกำกับเรืองแสงภายในเซลล์ได้อย่างชัดเจน ในการตรวจสอบสภาพแวดล้อม เครื่องมือตรวจจับก๊าซสามารถตรวจจับความเข้มข้นของสารมลพิษในอากาศได้อย่างแม่นยำ โดยการกรองความยาวคลื่นการดูดซับเฉพาะของก๊าซเป้าหมายผ่านตัวกรอง ในด้านความปลอดภัย สามารถใช้ฟิลเตอร์อินฟราเรดร่วมกับกล้องมองกลางคืนเพื่อจับภาพอินฟราเรดที่ชัดเจนในสภาพแวดล้อมที่มืด

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยี เทคโนโลยีการเคลือบออพติคอลกำลังก้าวไปสู่ทิศทางที่ "บางลง ฉลาดขึ้น และรอบด้านมากขึ้น" ในด้านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความยืดหยุ่น เทคโนโลยีการเคลือบแบบยืดหยุ่นบางเฉียบได้ประสบความสำเร็จและสามารถนำไปใช้กับกระจกที่มีความยืดหยุ่นของโทรศัพท์มือถือหน้าจอพับได้ ไม่เพียงแต่รักษาประสิทธิภาพการป้องกันการส่งผ่านและป้องกันรอยขีดข่วน แต่ยังสามารถปรับให้เข้ากับการโค้งงอซ้ำๆ ได้อีกด้วย ในด้านการควบคุมอัจฉริยะ มีผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ เช่น การเคลือบอิเล็กโทรโครมิกและการเคลือบเทอร์โมโครมิกเกิดขึ้น โดยสามารถปรับการส่งผ่านแสงหรือการสะท้อนแสงแบบไดนามิกตามสัญญาณภายนอก และสามารถนำไปใช้กับสถานการณ์ต่างๆ เช่น กระจกรถยนต์อัจฉริยะ และแว่นตาแบบปรับได้ในอนาคต

ในขณะเดียวกัน ในการใช้งานด้านสิ่งแวดล้อมที่รุนแรง ประสิทธิภาพของการเคลือบออปติกก็มีการอัปเกรดอย่างต่อเนื่องเช่นกัน เพื่อตอบสนองต่อความต้องการในการสำรวจอวกาศ จึงมีการใช้การเคลือบพิเศษที่ทนทานต่อรังสีและอุณหภูมิสูงกับอุปกรณ์ออพติกของยานสำรวจดาวอังคาร สำหรับการสำรวจใต้ทะเลลึก การเคลือบทนแรงดันสูงและการกัดกร่อนช่วยให้การทำงานของกล้องใต้น้ำมีความเสถียร นอกจากนี้ ด้วยการพัฒนานาโนเทคโนโลยี การเคลือบใหม่ที่ใช้กราฟีนและวัสดุสองมิติกำลังกลายเป็นจุดสนใจในการวิจัย และคาดว่าจะได้รับประสิทธิภาพทางแสงที่ดีขึ้นและสถานการณ์การใช้งานที่หลากหลายยิ่งขึ้น

จากความจำเป็นในชีวิตประจำวันไปจนถึงเทคโนโลยีล้ำสมัย การเคลือบออปติคอลที่มีความสามารถในการควบคุมแสงที่แม่นยำ ได้กลายเป็นส่วนสนับสนุนหลักของเทคโนโลยีออปติคัลสมัยใหม่ ฟิล์มป้องกันแสงสะท้อน AR ทำให้ขอบเขตการมองเห็นของเราชัดเจนยิ่งขึ้น ฟิล์มสะท้อนแสงสูง HR ทำให้การใช้แสงมีประสิทธิภาพมากขึ้น และตัวกรองทำให้การแยกสัญญาณแสงแม่นยำยิ่งขึ้น ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง "ฟิล์มที่มองไม่เห็น" เหล่านี้มุ่งมั่นที่จะสร้างมูลค่าในสาขาต่างๆ มากขึ้น และมอบเครื่องมือที่ทรงพลังมากขึ้นสำหรับมนุษยชาติในการสำรวจโลกแห่งแสงสว่าง