Recubrimiento antirreflejos

Un revestimiento antirreflectante, antideslumbrante o antirreflectante (AR) es un tipo de recubrimiento óptico que se aplica a la superficie de lentes, otros elementos ópticos y células fotovoltaicas para reducir la reflexión. En los sistemas de imágenes típicos, esto mejora la eficiencia ya que se pierde menos luz debido a la reflexión. En sistemas complejos como cámaras, binoculares, telescopios y microscopios, la reducción de los reflejos también mejora el contraste de la imagen mediante la eliminación de la luz parásita. Esto es especialmente importante en la astronomía planetaria. En otras aplicaciones, el beneficio principal es la eliminación del reflejo en sí, como un recubrimiento en las lentes de los anteojos que hace que los ojos del usuario sean más visibles para los demás, o un recubrimiento para reducir el brillo de los binoculares de un espectador encubierto. o mira telescópica.

Muchos recubrimientos consisten en estructuras de película delgada y transparente con capas alternas de índice de refracción contrastante. Los espesores de capa se eligen para producir interferencia destructiva en los haces reflejados desde las interfaces, e interferencia constructiva en los correspondientes haces transmitidos. Esto hace que el rendimiento de la estructura cambie con la longitud de onda y el ángulo de incidencia, de modo que los efectos de color suelen aparecer en ángulos oblicuos. Se debe especificar un rango de longitud de onda al diseñar o pedir dichos recubrimientos, pero a menudo se puede lograr un buen rendimiento para un rango relativamente amplio de frecuencias: generalmente se ofrece una opción entre IR, visible o UV.

Aplicaciones

Los recubrimientos antirreflectantes se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones donde la luz pasa a través de una superficie óptica y se desea una baja pérdida o baja reflexión. Los ejemplos incluyen revestimientos antideslumbrantes en lentes correctivos y elementos de lentes de cámaras, y revestimientos antirreflectantes en células solares.

Lentes correctoras

Los ópticos pueden recomendar "lentes antirreflectantes" porque la disminución del reflejo mejora la apariencia cosmética de las lentes. A menudo se dice que estos lentes reducen el deslumbramiento, pero la reducción es muy leve. La eliminación de los reflejos permite que pase algo más de luz, produciendo un ligero aumento del contraste y de la agudeza visual.

Las lentes oftálmicas antirreflectantes no deben confundirse con las lentes polarizadas, que se encuentran únicamente en gafas de sol y disminuyen (por absorción) el resplandor visible del sol reflejado en superficies como arena, agua y carreteras. El término "antirreflectante" se relaciona con el reflejo de la superficie de la lente misma, no con el origen de la luz que llega a la lente.

Muchas lentes antirreflectantes incluyen un recubrimiento adicional que repele el agua y la grasa, lo que las hace más fáciles de mantener limpias. Los recubrimientos antirreflectantes son particularmente adecuados para lentes de alto índice, ya que reflejan más luz sin el recubrimiento que una lente de bajo índice (una consecuencia de las ecuaciones de Fresnel). Generalmente también es más fácil y económico recubrir lentes de alto índice.

Fotolitografía

Los revestimientos antirreflectantes (ARC) se utilizan a menudo en fotolitografía microelectrónica para ayudar a reducir las distorsiones de la imagen asociadas con los reflejos en la superficie del sustrato. Se aplican diferentes tipos de recubrimientos antirreflectantes antes (Bottom ARC o BARC) o después del fotorresistente, y ayudan a reducir las ondas estacionarias, la interferencia de películas delgadas y los reflejos especulares.

Células solares

Las células solares suelen estar recubiertas con una capa antirreflectante. Los materiales que se han utilizado incluyen fluoruro de magnesio, nitruro de silicio, dióxido de silicio, dióxido de titanio y óxido de aluminio.

Tipos

Coincidencia de índices

La forma más simple de revestimiento antirreflectante fue descubierta por Lord Rayleigh en 1886. El vidrio óptico disponible en ese momento tendía a desarrollar un deslustre en su superficie con el tiempo, debido a reacciones químicas con el medio ambiente. Rayleigh probó algunas piezas de vidrio viejas y ligeramente deslustradas y, para su sorpresa, descubrió que transmitían más luz que las piezas nuevas y limpias. El deslustre reemplaza la interfaz aire-vidrio con dos interfaces: una interfaz aire-deslustre y una interfaz deslustre-vidrio. Debido a que el deslustre tiene un índice de refracción entre el del vidrio y el aire, cada una de estas interfaces exhibe menos reflexión que la interfaz aire-vidrio. De hecho, el total de los dos reflejos es menor que el del reflejo "desnudo". interfaz aire-vidrio, como se puede calcular a partir de las ecuaciones de Fresnel.

Un enfoque es utilizar revestimientos antirreflectantes de índice graduado (GRIN), es decir, aquellos con índices de refracción que varían casi continuamente. Con ellos, es posible limitar la reflexión para una amplia banda de frecuencias y ángulos de incidencia.

Interferencia monocapa

El recubrimiento antirreflectante de interferencia más simple consiste en una única capa delgada de material transparente con un índice de refracción igual a la raíz cuadrada del índice de refracción del sustrato. En el aire, un recubrimiento de este tipo teóricamente proporciona una reflectancia cero para la luz con una longitud de onda (en el recubrimiento) igual a cuatro veces el espesor del recubrimiento. La reflectancia también disminuye para las longitudes de onda en una banda ancha alrededor del centro. Una capa de espesor igual a un cuarto de alguna longitud de onda de diseño se denomina "capa de cuarto de onda".

El tipo más común de vidrio óptico es el vidrio corona, que tiene un índice de refracción de aproximadamente 1,52. Un revestimiento monocapa óptimo debería estar fabricado con un material con un índice de aproximadamente 1,23. No existen materiales sólidos con un índice de refracción tan bajo. Los materiales más cercanos con buenas propiedades físicas para un recubrimiento son el fluoruro de magnesio, el MgF₂ (con un índice de 1,38) y los fluoropolímeros, que pueden tener índices tan bajos como 1,30, pero son más difíciles de aplicar. El MgF₂ en una superficie de vidrio corona proporciona una reflectancia de aproximadamente el 1 %, en comparación con el 4 % del vidrio desnudo. Los recubrimientos de MgF₂ funcionan mucho mejor en vidrios de índice más alto, especialmente aquellos con un índice de refracción cercano a 1,9. Los recubrimientos de MgF₂ se utilizan habitualmente porque son baratos y duraderos. Cuando los recubrimientos están diseñados para una longitud de onda en el medio de la banda visible, proporcionan un antirreflectante razonablemente bueno en toda la banda.

Los investigadores han producido películas de nanopartículas de sílice mesoporosas con índices de refracción tan bajos como 1,12, que funcionan como recubrimientos antirreflectantes.

Interferencia multicapa

Al utilizar capas alternas de un material de bajo índice como sílice y un material de índice más alto, es posible obtener reflectividades tan bajas como 0,1% en una sola longitud de onda. También se pueden fabricar revestimientos que proporcionen una reflectividad muy baja en una amplia banda de frecuencias, aunque son complejos y relativamente caros. Los recubrimientos ópticos también se pueden fabricar con características especiales, como una reflectancia cercana a cero en múltiples longitudes de onda o un rendimiento óptimo en ángulos de incidencia distintos de 0°.

Absorbente

Una categoría adicional de revestimientos antirreflectantes es el llamado "ARC absorbente". Estos recubrimientos son útiles en situaciones en las que una alta transmisión a través de una superficie no es importante o no es deseable, pero se requiere una baja reflectividad. Pueden producir una reflectancia muy baja con pocas capas y, a menudo, se pueden producir de manera más económica o a mayor escala que los recubrimientos AR no absorbentes estándar. (Véase, por ejemplo, la patente de EE.UU. 5.091.244.) Los ARC absorbentes a menudo utilizan propiedades ópticas inusuales exhibidas en películas delgadas compuestas producidas por deposición por pulverización catódica. Por ejemplo, el nitruro de titanio y el nitruro de niobio se utilizan para absorber ARC. Estos pueden resultar útiles en aplicaciones que requieren mejora del contraste o como reemplazo del vidrio tintado (por ejemplo, en una pantalla CRT).

Ojo mojado

Polillas' Los ojos tienen una propiedad inusual: sus superficies están cubiertas con una película nanoestructurada natural que elimina los reflejos. Esto permite que la polilla vea bien en la oscuridad, sin reflejos que delaten su ubicación a los depredadores. La estructura consta de un patrón hexagonal de protuberancias, cada una de aproximadamente 200 nm de alto y espaciadas en centros de 300 nm. Este tipo de recubrimiento antirreflectante funciona porque las protuberancias son más pequeñas que la longitud de onda de la luz visible, por lo que la luz ve la superficie como si tuviera un gradiente continuo de índice de refracción entre el aire y el medio, lo que disminuye la reflexión al eliminar efectivamente la interfaz aire-lente. Los seres humanos han fabricado prácticas películas antirreflectantes utilizando este efecto; Esta es una forma de biomímesis. Canon utiliza la técnica del ojo de polilla en su revestimiento de estructura de sublongitud de onda, que reduce significativamente los destellos de la lente.

Estas estructuras también se utilizan en dispositivos fotónicos; por ejemplo, las estructuras de ojo de polilla cultivadas a partir de óxido de tungsteno y óxido de hierro se pueden utilizar como fotoelectrodos para dividir el agua y producir hidrógeno. La estructura consta de esferoides de óxido de tungsteno de varios cientos de micrómetros de diámetro, recubiertos con unos pocos nanómetros de óxido de hierro.

Polarizador circular

Un polarizador circular laminado a una superficie se puede utilizar para eliminar las reflexiones. El polarizador transmite luz con una quirality ("manedness") de polarización circular. La luz reflejada de la superficie después de que el polarizador se transforma en la "manedad" opuesta. Esta luz no puede pasar por el polarizador circular porque su quiridad ha cambiado (por ejemplo, de la circular derecha polarizada a la izquierda polarizada circularmente). Una desventaja de este método es que si la luz de entrada no es polarizada, la transmisión a través de la asamblea será inferior al 50%.

Teoría

Hay dos causas separadas de efectos ópticos debido a recubrimientos, a menudo llamados grueso-film y fino-film Efectos. Los efectos del tirón surgen debido a la diferencia en el índice de refracción entre las capas arriba y debajo del revestimiento (o película); en el caso más simple, estas tres capas son el aire, el revestimiento y el vidrio. Los revestimientos de relleno grueso no dependen de cuán grueso es el revestimiento, siempre y cuando el revestimiento sea mucho más grueso que una longitud de onda de luz. Los efectos del tin-film surgen cuando el espesor del revestimiento es aproximadamente el mismo que un cuarto o medio de longitud de onda de luz. En este caso, se pueden hacer las reflexiones de una fuente estable de luz para añadir destructivamente y reducir las reflexiones por un mecanismo separado. Además de depender mucho del grosor de la película y de la longitud de onda de los revestimientos ligeros y finos dependen del ángulo en el que la luz golpea la superficie recubierta.

Reflexión

Siempre que un rayo de luz se mueve de un medio a otro (por ejemplo, cuando la luz entra en una lámina de vidrio después de viajar por el aire), una parte de la luz se refleja desde la superficie (conocida como interfaz) entre los dos medios. Esto se puede observar, por ejemplo, al mirar a través de una ventana, donde se puede ver un reflejo (débil) de las superficies delantera y trasera del cristal de la ventana. La intensidad de la reflexión depende de la relación de los índices de refracción de los dos medios, así como del ángulo de la superficie con respecto al haz de luz. El valor exacto se puede calcular utilizando las ecuaciones de Fresnel.

Cuando la luz llega a la interfaz en incidencia normal (perpendicularmente a la superficie), la intensidad de la luz reflejada viene dada por el coeficiente de reflexión, o reflectancia, R:

${\displaystyle R=\left({\frac {n_{0}-n_{S} {n_{0}}\right)^{2}}}}$

donde n₀ y n_S son los índices de refracción del primer y segundo medio respectivamente. El valor de R varía de 0 (sin reflexión) a 1 (toda la luz reflejada) y normalmente se expresa como porcentaje. Complementario a R es el coeficiente de transmisión, o transmitancia, T. Si se desprecian la absorción y la dispersión, entonces el valor T es siempre 1 − R. Así, si un haz de luz con intensidad I incide sobre la superficie, un haz de luz con intensidad RI se refleja y un haz con intensidad TI se transmite al medio.

Para el escenario simplificado de la luz visible que viaja desde el aire (n₀ ≈ 1,0) al vidrio común (n_S ≈ 1,5), el valor de R es 0,04, o 4%, en una sola reflexión. Entonces, como máximo el 96% de la luz (T = 1 − R = 0,96) realmente entra en el vidrio, y el el resto se refleja desde la superficie. La cantidad de luz reflejada se conoce como pérdida por reflexión.

En el escenario más complicado de reflejos múltiples, digamos con la luz que viaja a través de una ventana, la luz se refleja tanto cuando pasa del aire al vidrio como en el otro lado de la ventana cuando vuelve del vidrio al aire. El tamaño de la pérdida es el mismo en ambos casos. La luz también puede rebotar de una superficie a otra varias veces, siendo parcialmente reflejada y parcialmente transmitida cada vez que lo hace. En total, el coeficiente de reflexión combinado viene dado por 2R/(1 + R). Para el vidrio en el aire, esto es aproximadamente el 7,7%.

La película de Rayleigh

Como observó Lord Rayleigh, una película delgada (como el deslustre) en la superficie del vidrio puede reducir la reflectividad. Este efecto se puede explicar imaginando una fina capa de material con índice de refracción n₁ entre el aire (índice n_{0) y el cristal (índice nS). El rayo de luz ahora se refleja dos veces: una desde la superficie entre el aire y la capa delgada, y otra desde la interfaz capa-vidrio.}

A partir de la ecuación anterior y los índices de refracción conocidos, se pueden calcular las reflectividades para ambas interfaces, denominadas R₀₁ y R _1S respectivamente. Por lo tanto, la transmisión en cada interfaz es T₀₁ = 1 − R₀₁ y T_1S = 1 − R_1S. La transmitancia total al interior del vidrio es, por tanto, T_1ST₀₁. Al calcular este valor para varios valores de n₁, se puede encontrar que para un valor particular del índice de refracción óptimo de la capa, la transmitancia de ambas interfaces es igual, y esto corresponde a la transmitancia total máxima dentro del vidrio.

Este valor óptimo viene dado por la media geométrica de los dos índices circundantes:

${\displaystyle No. {n_{0}n_{S}}}$

Para el ejemplo de vidrio (n_S ≈ 1,5) en aire (n₀ ≈ 1,0), este índice de refracción óptimo es n₁ ≈ 1,225.

La pérdida de reflexión de cada interfaz es aproximadamente del 1,0 % (con una pérdida combinada del 2,0 %) y una transmisión general T_1ST₀₁ de aproximadamente el 98%. Por lo tanto, una capa intermedia entre el aire y el vidrio puede reducir a la mitad la pérdida por reflexión.

Recubrimientos de interferencia

El uso de una capa intermedia para formar un revestimiento antirreflectante puede considerarse análogo a la técnica de adaptación de impedancias de señales eléctricas. (Se utiliza un método similar en la investigación de fibra óptica, donde a veces se utiliza un aceite de coincidencia de índices para anular temporalmente la reflexión interna total de modo que la luz pueda acoplarse dentro o fuera de una fibra). En teoría, podría hacerse extendiendo el proceso a varias capas de material, mezclando gradualmente el índice de refracción de cada capa entre el índice del aire y el índice del sustrato.

Sin embargo, los revestimientos antirreflectantes prácticos se basan en una capa intermedia no sólo para reducir directamente el coeficiente de reflexión, sino que también utilizan el efecto de interferencia de una capa delgada. Supongamos que el espesor de la capa se controla con precisión, de modo que sea exactamente un cuarto de la longitud de onda de la luz en la capa (λ/4 = λ₀/ (4n₁), donde λ₀ es la longitud de onda del vacío). La capa se denomina entonces recubrimiento de cuarto de onda. Para este tipo de recubrimiento, un haz normalmente incidente I, cuando se refleja desde la segunda interfaz, viajará exactamente la mitad de su propia longitud de onda más lejos que el haz reflejado desde la primera superficie, lo que provocará una interferencia destructiva. Esto también es válido para capas de revestimiento más gruesas (3λ/4, 5λ/4, etc.); sin embargo, el rendimiento antirreflectante es peor en este caso debido a la mayor dependencia de la reflectancia de la longitud de onda y el ángulo de incidencia.

Si las intensidades de los dos haces R₁ y R₂ son exactamente iguales, provocarán daños destructivos. interfieren y se anulan entre sí, ya que están exactamente desfasados. Por lo tanto, no hay reflexión desde la superficie y toda la energía del haz debe estar en el rayo transmitido, T. Para calcular la reflexión de una pila de capas, se puede utilizar el método de la matriz de transferencia.

Los recubrimientos reales no alcanzan un rendimiento perfecto, aunque son capaces de reducir el coeficiente de reflexión de la superficie a menos del 0,1%. Además, la capa tendrá el espesor ideal para una sola longitud de onda de luz distinta. Otras dificultades incluyen encontrar materiales adecuados para su uso en vidrio ordinario, ya que pocas sustancias útiles tienen el índice de refracción requerido (n ≈ 1,23) que hará que ambos se reflejen. rayos exactamente iguales en intensidad. A menudo se utiliza fluoruro de magnesio (MgF₂), ya que es resistente y se puede aplicar fácilmente a los sustratos mediante deposición física de vapor, aunque su índice es superior al deseable (n = 1,38).

Es posible lograr una mayor reducción mediante el uso de múltiples capas de revestimiento, diseñadas de manera que los reflejos de las superficies sufran la máxima interferencia destructiva. Una forma de hacer esto es agregar una segunda capa de índice más alto de un cuarto de onda de espesor entre la capa de índice bajo y el sustrato. La reflexión de las tres interfaces produce interferencias destructivas y antirreflexión. Otras técnicas utilizan espesores variables de los recubrimientos. Al utilizar dos o más capas, cada una de un material elegido para ofrecer la mejor coincidencia posible con el índice de refracción y la dispersión deseados, se obtienen recubrimientos antirreflectantes de banda ancha que cubren el rango visible (400–700 nm) con una reflectividad máxima de menos del 0,5%. comúnmente alcanzable.

La naturaleza exacta del recubrimiento determina la apariencia de la óptica recubierta; Los recubrimientos AR comunes en anteojos y lentes fotográficos a menudo tienen un aspecto algo azulado (ya que reflejan un poco más de luz azul que otras longitudes de onda visibles), aunque también se utilizan recubrimientos teñidos de verde y rosa.

Si la óptica recubierta se utiliza con una incidencia no normal (es decir, con rayos de luz no perpendiculares a la superficie), las capacidades antirreflectantes se degradan un poco. Esto ocurre porque la fase acumulada en la capa en relación con la fase de la luz inmediatamente reflejada disminuye a medida que el ángulo aumenta con respecto a lo normal. Esto es contrario a la intuición, ya que el rayo experimenta un cambio de fase total mayor en la capa que en caso de incidencia normal. Esta paradoja se resuelve observando que el rayo saldrá de la capa espacialmente desplazado de donde entró e interferirá con los reflejos de los rayos entrantes que tuvieron que viajar más lejos (acumulando así más fase propia) para llegar a la interfaz. El efecto neto es que la fase relativa en realidad se reduce, desplazando el recubrimiento, de modo que la banda antirreflectante del recubrimiento tiende a moverse a longitudes de onda más cortas a medida que se inclina la óptica. Los ángulos de incidencia anormales también suelen provocar que la reflexión dependa de la polarización.

Recubrimientos texturizados

La reflexión se puede reducir texturizando la superficie con pirámides 3D o ranuras 2D (rejillas). Este tipo de revestimiento texturizado se puede crear utilizando, por ejemplo, el método Langmuir-Blodgett.

Si la longitud de onda es mayor que el tamaño de la textura, la textura se comporta como una película de índice de gradiente con reflexión reducida. Para calcular la reflexión en este caso, se pueden utilizar aproximaciones de medios efectivos. Para minimizar la reflexión se han propuesto varios perfiles de pirámides, como perfiles cúbicos, quínticos o exponenciales integrales.

Si la longitud de onda es menor que el tamaño de la textura, la reducción de la reflexión se puede explicar con la ayuda de la aproximación de la óptica geométrica: los rayos deben reflejarse muchas veces antes de ser enviados de regreso a la fuente. En este caso, la reflexión se puede calcular mediante trazado de rayos.

El uso de textura también reduce la reflexión en longitudes de onda comparables con el tamaño de la característica. En este caso, ninguna aproximación es válida y la reflexión se puede calcular resolviendo numéricamente las ecuaciones de Maxwell.

Las propiedades antirreflectantes de las superficies texturizadas están bien analizadas en la literatura para una amplia gama de relaciones de tamaño a longitud de onda (incluidos los límites de onda larga y corta) para encontrar el tamaño de textura óptimo.

Historia

Como se mencionó anteriormente, los "recubrimientos" fueron descubiertos por Lord Rayleigh en 1886. Harold Dennis Taylor de la compañía Cooke desarrolló un método químico para producir tales recubrimientos en 1904.

Los recubrimientos basados en interferencias fueron inventados y desarrollados en 1935 por Olexander Smakula, quien trabajaba para la compañía de óptica Carl Zeiss. Estos recubrimientos siguieron siendo un secreto militar alemán durante varios años, hasta que los aliados descubrieron el secreto durante la Segunda Guerra Mundial. Katharine Burr Blodgett e Irving Langmuir desarrollaron recubrimientos orgánicos antirreflexión conocidos como películas Langmuir-Blodgett a finales de los años 1930.