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Entspiegeltes Glas (oben) und ein Glas mit Antireflexbeschichtung. Beachten Sie die getönte Reflexion des beschichteten Glases.

Antireflexbeschichtung oder AR-Beschichtung ist ein Standardtyp optischer Filter in Form einer Beschichtung auf optische Komponenten (wie Linsen, Brillengläser, Linsen, usw.) zu Reflexion entgegenzuwirken. Diese Beschichtung verbessert die Effizienz der Bauteile, da störende Reflexionen reduziert werden. In komplexen Systemen, wie z Teleskope, die Reflexionsreduzierung verbessert auch die Kontrast des Bildes durch Entgegenwirken von Streulicht. Dies ist besonders wichtig für die Beobachtung schwacher Objekte, wie z Planeten. In anderen Bereichen liegt der Vorteil darin, der Reflexion selbst entgegenzuwirken, beispielsweise bei der Beschichtung von Brillengläsern, wodurch die Augen des Trägers für andere besser sichtbar werden oder die Blendung durch das Brillenglas reduziert wird. Fernglas von einem verdeckten Beobachter.

Viele Beschichtungen bestehen aus transparentem dünne Schichten mit abwechselnd einer Schicht mit einer anderen Brechungsindex. Die Schichtdicken werden so gewählt, dass die reflektierten Strahlen destruktive Interferenz und die entsprechenden Durchgangsstrahlen unterliegen einer konstruktiven Interferenz. Das Verhalten der resultierenden Beschichtung hängt daher von der Wellenlänge und dem Einfallswinkel des Lichts ab, so dass bei schiefem Einfall Farben erscheinen. Daher muss bei der Bestellung oder Konstruktion solcher Beschichtungen ein Wellenlängenbereich angegeben werden. Trotzdem kann oft eine gute Qualität für einen relativ großen Wellenlängenbereich bereitgestellt werden; in der Regel wird eine Auswahl angeboten aus Infrarot, sichtbar und ultraviolett.

Interferenzbasierte Beschichtungen wurden 1935 von Alexander Smakula at . erfunden Carl Zeiss. Antireflexbeschichtungen waren bis in die frühen Jahre des 19. Jahrhunderts ein deutsches Militärgeheimnis Zweiter Weltkrieg.^[1]

Anwendung auf Brillen

Optiker verkaufen unter anderem entspiegelte Brillen, weil diese weniger Reflexionen verursachen, was sich besonders beim Nachtfahren oder bei der Arbeit am Computer bemerkbar machtBildschirme. Die reduzierte Reflexion führt dazu, dass die Träger am Ende des Tages weniger unter Ermüdung der Augen leiden. Da mehr Licht durch die Linse fällt, Kontrast besser, Verbesserung der Sehschärfe.

Blendschutzbrillen sollten nicht mit Polarisationsbrillen verwechselt werden. Polarisierende Brillen blockieren einen Teil der Reflexionen des Sonnenlichts auf anderen Oberflächen wie Sand, Wasser, der Straßenoberfläche usw. Antireflexbeschichtungen hingegen beziehen sich auf die Reflexion durch die Linse selbst und nicht auf das Licht, das an anderer Stelle reflektiert wird.

Viele entspiegelte Gläser enthalten eine zusätzliche Schicht, die Wasser und Fett abweisend, wodurch sie leichter sauber zu halten sind. Antireflexbeschichtungen eignen sich besonders für Gläser mit einem hohen Brechungsindex, da sie mehr Licht reflektieren als Linsen mit niedrigem Brechungsindex (was auf den Fresnel-Gleichungen). Außerdem ist es in der Regel einfacher und billiger, Gläser mit hohem Brechungsindex zu beschichten.

Typen

Die einfachste Form der Antireflexbeschichtung wurde 1886 von . entdeckt Lord Rayleigh. Die damals erhältlichen optischen Gläser neigten dazu, durch chemische Reaktionen mit Stoffen aus der Umgebung eine matte Schicht auf ihrer Oberfläche zu bilden. Rayleigh untersuchte einige alte, angelaufene Brillen und stellte überrascht fest, dass diese Mehr leichter als neue, saubere Gläser. Das Anlaufen ersetzte den Luft-Glas-Übergang durch zwei Übergänge: Luft-Anlauf und Anlauf-Glas. Da der Angriff einen Brechungsindex zwischen dem von Luft und dem von Glas hatte, zeigten diese Übergänge weniger Reflexion als die direkte Luft-Glas-Grenzfläche.

Einschichtige Interferenzbeschichtung

Die einfachste AR-Beschichtung besteht aus einer Schicht von ¼ Wellenlänge von transparent Material mit einem Brechungsindex gleich der Quadratwurzel des Brechungsindex des Linsenglases. Theoretisch unterdrückt dies die Reflexion für die mittlere Wellenlänge vollständig und reduziert die Reflexion in einem weiten Bereich um sie herum.

Das am häufigsten verwendete optische Glas ist Kronglas, das einen Brechungsindex von etwa 1,52 hat. Eine optimale einlagige Beschichtung sollte daher aus einem Material bestehen, das einen Brechungsindex von etwa 1,23 hat. Leider steht kein Material mit diesem Brechungsindex zur Verfügung, das auch die weiteren physikalischen Anforderungen einer Beschichtung erfüllt. Die nächsten "geeigneten" Materialien sind Magnesiumfluorid (MgF₂, Brechungsindex 1,38) und Fluorpolymere (mit Brechungsindizes bis 1,30, aber viel schwieriger aufzubringen). Auf einer Kronglasoberfläche ergibt MgF₂ ein Reflexionsfaktor von etwa 1%, d. h. viermal weniger als die 4% von Klarglas. MgF₂Beschichtungen eignen sich besonders für Gläser mit einem hohen Brechungsindex, insbesondere nahe 1,9. MgF₂Beschichtungen sind weit verbreitet, weil sie kostengünstig sind und, wenn sie für eine Wellenlänge im mittleren sichtbaren Bereich ausgelegt sind, eine angemessene Entspiegelung über den gesamten sichtbaren Bereich bieten.

Mehrschicht-Beschichtung (Multi-Coating)

Durch Abwechseln einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex (wie z Quarz) und Aufbringen einer Folie mit hohem Brechungsindex lassen sich Reflexionskoeffizienten von weniger als 0,1 % bei einer Wellenlänge erreichen. Auch Beschichtungen mit geringer Reflexion über einen weiten Bereich sind realisierbar, jedoch aufwendig und relativ teuer. Optische Beschichtungen können auch mit besonderen Eigenschaften hergestellt werden, wie z. B. nahezu reflexionsfrei bei verschiedenen Wellenlängen und Winkel größer als 0°.

Saugfähige AR-Beschichtungen

Eine weitere Kategorie von Antireflexbeschichtungen bilden die sogenannten. absorbierende Antireflexbeschichtungen. Diese werden in Situationen verwendet, in denen hohe Übertragung ist nicht wichtig oder unerwünscht, jedoch ist eine geringe Reflexion erforderlich. Mit wenigen Schichten ist eine sehr geringe Reflexion möglich. Außerdem sind sie oft billiger oder in größerem Maßstab herstellbar als herkömmliche nicht saugende Beschichtungen.^[2] AR-absorbierende Beschichtungen nutzen oft ungewöhnliche optische Eigenschaften in dünnen Verbundfilmen, die Sputtertechniken aufgezogen werden. Materialien wie Titannitrid und Niobnitrid werden hierfür verwendet. Dies gilt für Kontrastverstärkung und als Ersatz für getöntes Glas (z.B. in Kathodenstrahl-Bildröhren).

Mottenauge

Mottenaugen haben eine besondere Eigenschaft: Ihre Oberfläche ist mit einer Nanoschicht überzogen, die Reflexionen verhindert. Dadurch kann die Motte im Dunkeln klar sehen, ohne dass Reflektionen ihren Räubern ihre Position verraten.^[3]. Die Struktur besteht aus einem hexagonalen Muster von Bumps, die jeweils etwa 200 nm hoch und etwa 300 nm voneinander entfernt sind.^[4] Diese Art der Antireflexbeschichtung basiert auf der Tatsache, dass die Unebenheiten kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, sodass das Licht die Oberfläche "sieht", als ob sie einen sich ständig ändernden Brechungsindex zwischen Luft und Medium hätte, was reduziert Reflexion durch eigentlich den Luft-Linsen-Übergang wird entfernt. Ingenieuren ist es gelungen, Antireflexfolien zu entwickeln, die sich diesen Effekt zunutze machen.^[5] Dies ist eine Form von Bionik.

Theorie

Für optische Effekte durch Beschichtungen gibt es in der Regel zwei verschiedene Ursachen Dünnfilmeffekte und Dickschichteffekte namens. Dickschichteffekte werden durch den Unterschied in . verursacht Brechungsindex zwischen den Schichten über und unter der Beschichtung oder Film. Im einfachsten Fall sind diese drei Schichten bzw. Luft, die Beschichtung und das Glas. Die Wirkung von Dickfilmbeschichtungen hängt nicht von der Dicke der Beschichtung ab, solange diese Dicke viel dicker ist als die Wellenlänge des Lichts. Dünnschichteffekte treten auf, wenn sich die Schichtdicke einem Viertel der Wellenlänge des Lichts nähert. In diesem Fall können Reflexionen einer konstanten Lichtquelle destruktiv sein stören, die durch einen anderen Mechanismus die Reflexionen reduziert. Neben der Tatsache, dass Dünnschichteffekte stark von der Wellenlänge und der Schichtdicke abhängen, hängen sie auch vom Einfallswinkel des Lichts auf die beschichtete Oberfläche ab.

Reflexion

Wenn ein Lichtstrahl von einem Medium in ein anderes übergeht (z. B. von Luft auf Glas), wird ein Teil des Lichts von der Oberfläche reflektiert. Dies ist beispielsweise beim Blick durch ein Fenster zu sehen, bei dem eine (schwache) Reflexion auf der Vorder- und Rückseite zu sehen ist. Die Stärke der Reflexion hängt von der Brechungsindizes der beiden Medien und des Winkels zwischen Licht und Oberfläche. Dies lässt sich genau berechnen mit der Fresnel-Gleichungen.

Reflexion auf unbeschichtetem Glas ich = Intensität des einfallenden Strahls, R = Reflexionskoeffizient, T = Transmissionskoeffizient, nein = Brechungsindex; Indizes: 0 = Luft, S = Substrat

Reflexion auf beschichtetem Glas ich = Intensität des einfallenden Strahls, R = Reflexionskoeffizient, T = Transmissionskoeffizient, nein = Brechungsindex; Indizes: 0 = Luft, 1 = Beschichtung, S = Substrat

Wenn Licht senkrecht auf die Oberfläche fällt, wird die Intensität des reflektierten Lichts durch die Reflexionsfaktor oder ReflexionsvermögenR:

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

in welchem nein₀ und nein_so die Brechungsindizes von bzw. sind das erste und das zweite Medium. Der Wert von R reicht von 0 (keine Reflexion) bis 1 (vollständige Reflexion) und wird normalerweise in Prozent angegeben. Ergänzend zu R ist der Transmissionskoeffizient oder DurchlässigkeitT. wenn Absorption und Streuung vernachlässigbar, trifft immer zu T = 1 – R. (Dies ist eigentlich der Energieerhaltungssatz.) Wenn also ein Strahl der Intensität ich fällt auf eine Fläche, ein Strahl mit Intensität R · ich reflektiert und ein Strahl mit Intensität T · ich durchlassen.

Für den vereinfachten Fall der Ausbreitung von sichtbarem Licht aus der Luft (nein₀ ≈ 1,0) zu gewöhnlichem Glas (nein_so ≈ 1,5), beträgt R = 0,04 oder 4% bei einer einzelnen Reflexion. Also höchstens 96% des Lichts (T = 1 – R = 0,96) dringen tatsächlich in das Glas ein und der Rest wird von der Oberfläche reflektiert. Der reflektierte Anteil wird Reflexionsverlust erwähnt.

Im komplizierteren Fall der Mehrfachreflexion, beispielsweise bei Lichtdurchtritt durch ein Fenster, wird das Licht sowohl am Luft-Glas-Übergang als auch auf der anderen Seite der Scheibe am Glas-Luft-Übergang teilweise reflektiert. Die Verlusthöhe ist in beiden Fällen gleich. Außerdem kann Licht mehrmals von einer Oberfläche zur anderen hin- und herprallen, wobei jedes Mal teilweise reflektiert und teilweise durchgelassen wird. Der resultierende Reflexionskoeffizient ist dann:

${displaystyle {frac {2R}{1R}}}$

Für Glas in Luft sind dies etwa 7,7 %.

Rayleighs Schicht

Wie Rayleigh herausgefunden hatte, kann ein dünner Film (z. B. Anlauffarben) auf der Glasoberfläche die Reflexion reduzieren. Dies lässt sich durch die Annahme einer dünnen Materialschicht mit einem Brechungsindex erklären nein₁ zwischen dem von Luft (Brechungsindex nein₀) und das Glas (Brechungsindex nein_so). Der Lichtstrahl wird nun zweimal reflektiert: einmal an der Oberfläche zwischen Luft und dünnem Film und einmal an der Oberfläche zwischen dünnem Film und Glas.

Sind die Brechungsindizes bekannt, können die Reflexionskoeffizienten beider Oberflächen aus obiger Gleichung berechnet werden. Wir nennen diese jeweils R₀₁ und R_1S. Die Transmissionskoeffizienten sind dann T₀₁ = 1 – R₀₁ bzw. T_1S = 1 – R_1S. Der Gesamttransmissionskoeffizient zum Glas ist dann T_1S· T₀₁. Wird dieser Wert für verschiedene Werte von berechnet nein₁, dann scheint es, dass für einen gegebenen Wert des Brechungsindex des Films die Durchlässigkeit beider Oberflächen gleich ist. Dies entspricht der maximalen Durchlässigkeit des Glases und damit der minimalen Reflexion. Dieser optimale Wert wird beim mittleren Proportional der beiden Brechungsindizes erreicht:

${displaystyle n_{1}={sqrt {n_{0}cdot n_{S}}}}$

Am Beispiel von Glas (nein_so ≈ 1,5 in der Luft (nein₀ ≈ 1,0) ist der optimale Brechungsindex nein₁ ≈ 1,225.^[6][7]

Der Reflexionsverlust auf jeder der Oberflächen beträgt ungefähr 1,0% (d. h. ungefähr 2,0% auf beiden Oberflächen zusammen) und eine Gesamttransmission T_1S· T₀₁ von etwa 98%.

Interferenzbeschichtungen

Die Verwendung einer Zwischenschicht als Antireflexbeschichtung ist vergleichbar mit der Technik der Impedanzanpassung von elektrischen Signalen. Eine ähnliche Methode wird in der Faseroptikforschung verwendet, wo manchmal a passendes Öl wird verwendet, um vorübergehend zu de Totalreflexion so dass Licht in die Faser ein- oder ausgekoppelt werden kann.) Theoretisch könnte eine weitere Reduzierung der Reflexion durch Aufbringen mehrerer Schichten erreicht werden, wobei sich die Brechungsindizes allmählich von denen der Luft zu denen des Substrats verschieben.

Praktische Antireflexbeschichtungen setzen jedoch nicht nur auf eine direkte Reduzierung des Reflexionskoeffizienten, sondern nutzen auch Interferenzeffekte in der Dünnschicht. Nehmen wir an, dass die Dicke des dünnen Films genau so gesteuert werden kann, dass sie genau ¼ der Wellenlänge entspricht (λ/4). Die Schicht wird dann a Viertel-Lamm-Schicht erwähnt. Wenn mit dieser Art von Schichten ein eingehendes Bündel ich an der zweiten Grenzfläche reflektiert, hat der reflektierte Strahl innerhalb des Films eine halbe Wellenlänge mehr zurückgelegt als der an der ersten Oberfläche reflektierte Strahl. Wenn die Intensitäten R₁ und R₂ der beiden reflektierten Strahlen genau gleich sind, interferieren sie destruktiv und heben sich gegenseitig auf, indem sie genau in sind Gegenphase sein. Dadurch gibt es keine Reflexion an der Oberfläche mehr und die gesamte Energie des Strahls muss in den Sendestrahl aufgenommen werden absorbed T sitzen. Um die Reflexion mehrerer Schichten aneinander zu berechnen, Transfermatrix-Methode werden verwendet.

In Wirklichkeit erreichen diese Beschichtungen keine Perfektion, obwohl sie den Reflexionskoeffizienten auf weniger als 0,1% reduzieren können. Ein praktischer Punkt ist die Berechnung der richtigen Schichtdicke. Da die Wellenlänge in einem Medium kleiner ist als in Luft, ist die Dicke λ₀ /4nein₁ sein, wo λ₀ ist die Wellenlänge im Vakuum. Außerdem ist die Schichtdicke nur für eine Wellenlänge optimal. Andere Probleme bestehen darin, die richtigen Materialien für den Einsatz auf Glas zu finden, da nur wenige nützliche Materialien den richtigen Brechungsindex haben nein ≈ 1,23, was bedeutet, dass beide reflektierten Strahlen die gleiche Intensität haben. Magnesiumfluorid (MgF₂), obwohl sein Brechungsindex nein ≈ 1,38 ist weit verbreitet, da es verschleißfest und leicht zu verdampfen ist.

Eine weitere Reduzierung ist mit mehreren Beschichtungsschichten möglich, so dass die Reflexionen von den Oberflächen mit maximaler Zerstörungskraft stören. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, eine zweite (λ/4) Schicht mit einem Brechungsindex zwischen dem der ersten Schicht und dem des Substrats. Die Reflexion aller drei Schichten verursacht destruktive Interferenz und Entspiegelung. Andere Techniken verwenden unterschiedliche Beschichtungsdicken. Durch die Verwendung von zwei oder mehr Schichten, jeweils aus einem Material mit optimal gewähltem Brechungsindex und Dispersion, sind breitbandige Antireflexbeschichtungen für den sichtbaren Bereich (400...700 nm) mit einem maximalen Reflexionsgrad von weniger als 0,5% realisierbar.

Die genaue Beschaffenheit der Beschichtung bestimmt das Aussehen der beschichteten Optik. Herkömmliche Antireflexbeschichtungen auf Brillengläsern und Fotogläsern erscheinen oft etwas bläulich (tatsächlich, weil sie mehr blaues Licht reflektieren als andere Farben), obwohl auch Beschichtungen mit einem Grün- oder Rosastich vorkommen.

Werden beschichtete Optiken mit Licht verwendet, das nicht senkrecht zur Oberfläche steht, wird die Entspiegelung geringfügig reduziert. Dies liegt daran, dass die in der Schicht mit dem direkt reflektierten Strahl erzeugte Phasendifferenz mit zunehmendem Einfallswinkel kleiner wird. Dies ist kontraintuitiv, da der Strahl in der Schicht eine größere Phasenverschiebung erfährt als bei senkrechtem Einfall. Dieses Paradox wird gelöst, indem man feststellt, dass dieser Strahl die Schicht in einem größeren Abstand verlässt, als er eingetreten ist, und die Reflexionen von einfallenden Strahlen, die eine längere Strecke zurückgelegt haben, interferiert (und so eine größere eigene Phasendifferenz aufbaut, bevor sie die Oberfläche erreicht) ) Der Nettoeffekt besteht darin, dass die Phasendifferenz tatsächlich verringert wird, so dass sich der Antireflexionsbereich der Beschichtung bei einer Neigung der Optik zu etwas kürzeren Wellenlängen verschiebt Nicht senkrechter Einfall verursacht normalerweise auch Polarisation-abhängige Reflexion.

Siehe auch

• Objektiv (Optik)
• Objektiv (Fotografie)
• Brille

Verweise

Bücher

• E. Hecht: Optik; Roberto Habets (2. Aufl., 1987), ISBN 0-201-11609-X
• Van Heel, A.C.S.: Einführung in die Optik, Den Haag, 1964 (ein klassisches Lehrbuch der TU Delft)
• Longhurst, R. S.: Geometrische und physikalische Optik, 2. Aufl., London, 1967 (in den frühen 1970er Jahren im Einsatz ua an der Universität Twente)

Externe Links

• Browserbasierter numerischer Rechner oder einlagiges Dünnfilm-Reflexionsvermögen