Просветле́ние о́птики — технология обработки поверхности линз, призм и других оптических деталей для снижения отражения света от оптических поверхностей, граничащих с воздухом. Это позволяет увеличить светопропускание оптической системы и повысить контрастность изображения за счёт снижения мешающих паразитных отражений в оптической системе.
Большинство применяемых оптических систем, например, объективы фотоаппаратов и видеокамер, состоит из многих линз, и отражение от каждой поверхности раздела стекла с воздухом уменьшает проходящий полезный световой поток. Без применения методов просветления падение интенсивности проходящего света в многолинзовой системе может достигать нескольких десятков процентов. Поэтому во всех современных объективах используется просветлённая оптика.
Применяются четыре пути снижения коэффициента отражения от поверхности, в том числе, просветления оптики: С использованием интерференционных тонкослойных покрытий. С использованием явления поляризации света. Придание оптической поверхности микротекстурных неровностей. Просветление градиентным изменением показателя преломления.
В основном применяются интерференционные просветляющие покрытия оптических поверхностей. В таких покрытиях на оптические поверхности наносится один или несколько слоёв тонкой плёнки, соизмеримой по толщине с длиной световых волн. Показатель преломления этих слоёв отличается от показателя преломления материала оптической детали. Должным подбором толщин покрытия и их показателей преломления удаётся снизить коэффициент отражения практически до нуля для одной или нескольких, в случае многослойных покрытий, длин волн света.
Покрытия поверхностей, снижающие коэффициент отражения, также называют антибликовыми или противобликовыми покрытиями. Такие покрытия применяются не только в оптических системах, но и для уменьшения мешающих бликов от других поверхностей, например, экранов мониторов.
Отражение на поверхности раздела двух прозрачных сред
При падении света на границу раздела двух прозрачных сред с разными показателями преломления и происходит частичное отражение потока света от границы раздела. Степень отражения характеризуют коэффициентом отражения — долей отражённого света от падающего света, который обычно выражают в процентах. Коэффициенты отражения одинаковы как для света, падающего из менее оптически плотной среды (среды с меньшим показателем преломления), так и для обратного направления света при равных углах падения. зависит от угла падения и в общем случае выражается формулами Френеля. В частном случае при нормальном падении (то есть при перпендикулярном падении на поверхность или, что то же самое, угле падения равным нулю) выражается формулой:
Из формулы следует, что чем более разнятся показатели преломления двух сред, тем больше . Например, для обычного стекла () в воздухе () одиночного раздела стекло-воздух будет 0,04 или . При прохождении света через пластинку с показателем преломления окружённую средой с показателем преломления , — через две границы раздела, например, сквозь оконное стекло, общий коэффициент отражения из-за многократных внутренних отражений в стекле увеличивается и выражается как:
Для стеклянной пластинки коэффициент отражения по последней формуле даёт то есть только света пройдёт через такую пластинку. Для объектива, состоящего, например, из 6 линз, коэффициент светопропускания без просветления линз составит только В более сложных оптических системах, например, в перископах подводных лодок, количество оптических деталей много больше и коэффициент светопропускания таких систем без применения просветления падает до неприемлемо малой величины.
Коэффициент отражения быстро падает при сближении коэффициентов преломления двух сред. Например, широко применяемый для просветления фторид магния (MgF2) имеет коэффициент преломления 1,38, что даёт коэффициент отражения на разделе со стеклом типа легкий крон, приблизительно равный .
Из формул Френеля следует, что наименьший коэффициент отражения от двух сред, разделённых третьей средой с показателем преломления и толщиной промежуточной среды много больше длины волны света (то есть без учёта интерференционных явлений), достигается при равенстве среднему геометрическому показателей преломления разделяемых сред:
Интерференционное просветление
Теория однослойного просветления
Основная идея интерференционного просветления — достичь сложения в противофазе отражённых волн от двух поверхностей раздела.
Плоская монохроматическая волна распространяющаяся в сторону увеличения координаты аналитически описывается выражением:
где — волновое число, — длина волны, — амплитуда волны.
Отражённая волна от поверхности плёнки и границы раздела плёнка — стекло
где — коэффициент отражения от плёнки, — коэффициент отражения от границы раздела плёнка — стекло с учётом многократных внутренних переотражений в плёнке, — толщина плёнки, коэффициент 2 указывает, что свет проходит через плёнку в двух направлениях, — волновое число в плёнке, так как длина волны в среде с показателем преломления больше 1 меньше чем длина волны в воздухе или вакууме, то — длина волны в вакууме, — длина волны в плёнке.
Для того, чтобы интерференция света от двух поверхностей раздела погасила отражение, необходимо, чтобы Для этого, во-первых, должно быть и, во-вторых,
Первое равенство достигается, если — коэффициенты преломления внешней среды и просветляемого материала, например, стекла, соответственно. Второе равенство достигается, если фазовый сдвиг , вызванный прохождением света через плёнку, будет кратен , то есть — период косинусоидальной функции и такой фазовый сдвиг не изменяет значения косинуса, — целое неотрицательное число, откуда:
или
Из приведённого также следует, что при толщине плёнки, кратной половине длины волны, наоборот, происходит увеличение коэффициента отражения. Поэтому в относительно широком диапазоне длин волн для просветления наиболее эффективна четвертьволновая плёнка, так как фазовый сдвиг для соседних длин волн мал по сравнению с пространственным периодом волны. Например, пусть для одной длины волны , a для другой длины волны Для первой длины волны пленка данной толщины просветляющая, для другой — отражающая. Отношение длин волн: или они различаются только на . Для приведённого примера это, например, длины волн и — соседние длины волн в зелёной части спектра.
Для толстых плёнок ширины спектральных максимумов и минимумов сужаются, сближаются и, в конце концов, при дальнейшем увеличении толщины плёнки, сливаются. Именно поэтому у толстых плёнок в белом свете не наблюдается интерференция и толстые плёнки непригодны в качестве интерференционного просветляющего покрытия.
Так как длина пути света в плёнке зависит от угла падения, при косом падении минимум коэффициента отражения смещается в сторону более коротких длин волн и одновременно увеличивается. Казалось бы, что увеличение длины пути света в плёнке при косом падении должно смещать минимум в сторону более длинных волн, но это не так. Более тонкий учёт взаимодействия волнового фронта с плёнкой приводит к наблюдаемому смещению минимума в сторону более коротких волн, как показано на рисунке.
Однослойные четвертьволновые интерференционные просветляющие покрытия Обычно внешняя среда для стекла — воздух с показателем преломления, очень близким к 1, и показатель преломления просветляющей плёнки должен быть равен квадратному корню из показателя преломления оптического стекла линзы.
Традиционным материалом для просветляющей плёнки является фторид магния, обладающий относительно низким показателем преломления и хорошими механическими свойствами, коррозионной стойкостью. При просветлении фторидом магния кронового стекла с показателем преломления слой фторида магния может снизить коэффициент отражения с примерно до при нормальном падении света. На флинтовом стекле с показателем преломления около 1,9 четвертьволновая плёнка фторида магния может уменьшить отражение практически до нуля для одной заданной длины волны света.
Но отражательная способность стекла, просветлённого таким способом, сильно зависит от длины волны, что является основным недостатком однослойного просветления. Минимум отражательной способности соответствует четверти длины волны в материале плёнки.
В первых просветлённых объективах понижали коэффициент отражения для лучей зелёного участка спектра — область наибольшей чувствительности человеческого глаза), поэтому блики на линзах таких объективов имеют пурпурную или голубовато-синюю окраску (так называемая «голубая оптика»). Соответственно, пропускание света таким объективом максимально для зелёного участка спектра и ниже для других участков спектра, что приводит к некоторой ошибке в цветопередаче.
По состоянию на 2020 год однослойное просветление, главное преимущество которого — дешевизна, используется только в недорогих оптических системах и в лазерной оптике, предназначенной для работы в узком спектральном диапазоне и принципиально не требующей просветления в широком спектральном диапазоне.
Двухслойное просветление Состоит из двух просветляющих слоёв, наружный — с меньшим коэффициентом преломления. Имеет лучшие характеристики, чем однослойное. Просветление достигается для более широкого диапазона длин волн.
Многослойное просветление
Недостаток однослойного просветляющего покрытия, обеспечивающего просветление только для узкого спектрального диапазона, можно преодолеть, применяя многослойные интерференционные покрытия.
Многослойное просветляющее покрытие представляет собой последовательность из не менее чем трёх чередующихся слоёв материалов с различными показателями преломления. Раннее считалось, что для видимой области спектра достаточно 3—4 слоёв. Современные многослойные просветляющие покрытия практически всех изготовителей имеют 6—8 слоёв и характеризуются низкими потерями на отражение во всей видимой области спектра. Основное преимущество многослойного просветления применительно к фотографической и наблюдательной оптике — незначительная зависимость отражательной способности от длины волны в пределах видимого спектра.
В состав многослойного просветляющего покрытия, помимо собственно просветляющих слоёв, обычно входят вспомогательные слои — улучшающие сцепление со стеклом, защитные, гидрофобные и др.
Блеск линз с многослойным просветлением, вызванный отражением вне спектра просветлённой области, имеет различные оттенки зелёного и фиолетового цвета, вплоть до очень слабых серо-зеленоватых у объективов последних годов выпуска. Но цвет блеска не является показателем качества просветляющей технологии.
Технология нанесения и виды интерференционных покрытий Интерференционные просветляющие покрытия различаются: по числу слоёв; методами нанесения: травлением, осаждением из раствора, напылением в вакуумных установках; составом покрытий: обычно это соли и оксиды разных химических элементов.
Исторически первым был метод травления, при котором на поверхности стекла образовывалась плёнка из кремнезёма.
Обозначения просветления в маркировке объективов Принятое международное обозначение многослойного просветления состоит из двух букв MC (), которые обычно пишутся перед названием объектива. Некоторые компании применяют другие обозначения, например Asahi Optical маркирует свои объективы аббревиатурой SMC (от ).
В СССР объективы с многослойным просветлением обозначались в соответствии с международным стандартом буквами «MC» перед названием, например «МС Гелиос-44М». К началу XXI века многослойное просветление стало стандартом и специально обозначать его перестали.
Оптика с многослойным просветлением ранее всюду маркировалась буквами МС — МногоСлойное, MultiCoating (например, МС Мир-47М 2,5/20) Как правило, аббревиатура «МС» подразумевала трёхслойное просветление. В настоящее время специальное обозначение многослойного просветления встречается редко, так как его использование стало стандартным.