Recubrimiento antirreflejos

Un revestimiento antirreflectante , antideslumbrante o antirreflejo ( AR ) es un tipo de revestimiento óptico que se aplica a la superficie de lentes , otros elementos ópticos y células fotovoltaicas para reducir el reflejo . En los sistemas de imágenes típicos, esto mejora la eficiencia ya que se pierde menos luz debido al reflejo. 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 revestimiento en lentes de anteojos que hace que los ojos del usuario sean más visibles para los demás, o un revestimiento para reducir el destello de los binoculares o la mira telescópica de un espectador encubierto .

Muchos recubrimientos consisten en estructuras de película delgada transparente con capas alternas de índice de refracción contrastante . Los espesores de las capas se eligen para producir interferencia destructiva en los rayos reflejados desde las interfaces e interferencia constructiva en los rayos transmitidos correspondientes. 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 a menudo aparecen en ángulos oblicuos . Se debe especificar un rango de longitud de onda al diseñar o solicitar dichos recubrimientos, pero a menudo se puede lograr un buen rendimiento para un rango relativamente amplio de frecuencias : generalmente se ofrece una opción de IR , visible o UV .

Los revestimientos antirreflejos se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones en las que la luz pasa a través de una superficie óptica y se desea una baja pérdida o una baja reflexión. Algunos ejemplos incluyen revestimientos antideslumbrantes en lentes correctivas y elementos de lentes de cámaras , y revestimientos antirreflejos en células solares . ^[2]

Los ópticos pueden recomendar "lentes antirreflejos" porque la reducción del reflejo mejora el aspecto estético de las lentes. Se dice a menudo que estas lentes reducen el deslumbramiento , pero la reducción es muy leve. ^[3] La eliminación de los reflejos permite que pase un poco más de luz, lo que produce un ligero aumento del contraste y la agudeza visual.

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

Muchas lentes antirreflejos incluyen un revestimiento adicional que repele el agua y la grasa , lo que facilita su limpieza. Los revestimientos antirreflejos son especialmente adecuados para lentes de alto índice , ya que reflejan más luz sin el revestimiento que una lente de índice más bajo (una consecuencia de las ecuaciones de Fresnel ). Por lo general, también es más fácil y más económico recubrir las lentes de alto índice.

Los recubrimientos antirreflectivos (ARC) se utilizan a menudo en la fotolitografía microelectrónica para ayudar a reducir las distorsiones de la imagen asociadas con los reflejos de la superficie del sustrato. Se aplican diferentes tipos de recubrimientos antirreflectivos antes (ARC inferior o BARC) o después de la fotorresistencia , y ayudan a reducir las ondas estacionarias , la interferencia de película delgada y los reflejos especulares. ^{[4] [5]}

Las células solares suelen estar recubiertas con un revestimiento antirreflectante. Entre los materiales que se han utilizado se incluyen el fluoruro de magnesio , el nitruro de silicio , el dióxido de silicio , el dióxido de titanio y el óxido de aluminio . ^{[6] [7]}

La forma más simple de revestimiento antirreflejo 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 las reacciones químicas con el medio ambiente. Rayleigh probó algunos trozos de vidrio viejos, ligeramente deslustres, y descubrió, para su sorpresa, que transmitían más luz que los nuevos y limpios. El deslustre reemplaza la interfaz aire-vidrio por dos interfaces: una interfaz aire-deslustre y una interfaz deslustre-vidrio. Debido a que el deslustre tiene un índice de refracción entre los del vidrio y el aire, cada una de estas interfaces exhibe menos reflexión que la interfaz aire-vidrio. De hecho, el total de las dos reflexiones es menor que el de la interfaz aire-vidrio "desnuda", como se puede calcular a partir de las ecuaciones de Fresnel .

Un enfoque es utilizar recubrimientos antirreflectantes de índice graduado (GRIN), es decir, aquellos con índices de refracción que varían casi continuamente. ^[8] Con estos, es posible reducir la reflexión para una amplia banda de frecuencias y ángulos de incidencia.

El revestimiento antirreflejo más simple consiste en una única capa fina de material transparente con un índice de refracción igual a la raíz cuadrada del índice de refracción del sustrato. En el aire, un revestimiento de este tipo teóricamente produce una reflectancia cero para la luz con una longitud de onda (en el revestimiento) igual a cuatro veces el espesor del revestimiento. La reflectancia también disminuye para las longitudes de onda en una banda ancha alrededor del centro. Una capa con un 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 crown , que tiene un índice de refracción de aproximadamente 1,52. Un recubrimiento óptimo de una sola capa tendría que estar hecho de un material con un índice de aproximadamente 1,23. No hay 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 , MgF ₂ (con un índice de 1,38) y los fluoropolímeros , que pueden tener índices tan bajos como 1,30, pero son más difíciles de aplicar. ^[9] El MgF ₂ en una superficie de vidrio crown da una reflectancia de aproximadamente 1%, en comparación con el 4% para el vidrio desnudo. Los recubrimientos de MgF ₂ funcionan mucho mejor en vidrios de índice más alto, especialmente aquellos con un índice de refracción cercano a 1,9. Los recubrimientos de MgF ₂ se utilizan comúnmente porque son baratos y duraderos. Cuando los recubrimientos están diseñados para una longitud de onda en el medio de la banda visible , dan una antirreflexión razonablemente buena 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 antirreflejos. ^[10]

Al utilizar capas alternas de un material de bajo índice, como sílice , y de un material de mayor índice, es posible obtener reflectividades tan bajas como 0,1 % en una sola longitud de onda. También se pueden fabricar recubrimientos que proporcionen una reflectividad muy baja en una amplia banda de frecuencias, aunque estos son complejos y relativamente caros. También se pueden fabricar recubrimientos ópticos 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°.

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

Los ojos de las polillas 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. ^[11] La estructura consiste en un patrón hexagonal de protuberancias, cada una de aproximadamente 200 nm de alto y espaciadas en centros de 300 nm. ^[12] Este tipo de revestimiento 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 de índice de refracción continuo entre el aire y el medio, lo que disminuye el reflejo al eliminar efectivamente la interfaz aire-lente. Los humanos han fabricado películas antirreflectantes prácticas utilizando este efecto; ^[13] esta es una forma de biomimetismo . Canon utiliza la técnica del ojo de polilla en su revestimiento de estructura de sublongitud de onda, que reduce significativamente el destello de la lente . ^[14]

Estas estructuras también se utilizan en dispositivos fotónicos; por ejemplo, las estructuras de ojo de polilla creadas a partir de óxido de tungsteno y óxido de hierro se pueden utilizar como fotoelectrodos para dividir el agua y producir hidrógeno. ^[15] La estructura consiste en esferoides de óxido de tungsteno de varios cientos de micrómetros de diámetro, recubiertos con unos pocos nanómetros de óxido de hierro. ^{[16] [17]}

Se puede utilizar un polarizador circular laminado sobre una superficie para eliminar los reflejos. ^{[18] [19]} El polarizador transmite luz con una quiralidad ("lateralidad") de polarización circular. La luz reflejada desde la superficie después del polarizador se transforma en la "lateralidad" opuesta. Esta luz no puede pasar de nuevo a través del polarizador circular porque su quiralidad ha cambiado (por ejemplo, de polarización circular derecha a polarización circular izquierda). Una desventaja de este método es que si la luz de entrada no está polarizada, la transmisión a través del conjunto será inferior al 50%.

Existen dos causas distintas de los efectos ópticos debidos a los recubrimientos, a menudo denominados efectos de película gruesa y efectos de película fina . Los efectos de película gruesa surgen debido a la diferencia en el índice de refracción entre las capas por encima y por debajo del recubrimiento (o película ); en el caso más simple, estas tres capas son el aire, el recubrimiento y el vidrio. Los recubrimientos de película gruesa no dependen del grosor del recubrimiento, siempre que el grosor del recubrimiento sea mucho mayor que una longitud de onda de luz. Los efectos de película fina surgen cuando el grosor del recubrimiento es aproximadamente igual a un cuarto o la mitad de una longitud de onda de luz. En este caso, se puede hacer que los reflejos de una fuente de luz constante se sumen de forma destructiva y, por lo tanto, reduzcan los reflejos mediante un mecanismo independiente. Además de depender en gran medida del grosor de la película y de la longitud de onda de la luz, los recubrimientos de película fina dependen del ángulo en el que la luz incide sobre la superficie recubierta.

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 a través del aire ), una parte de la luz se refleja desde la superficie (conocida como la interfaz ) entre los dos medios. Esto se puede observar al mirar a través de una ventana , por ejemplo, donde se puede ver un reflejo (débil) de las superficies frontal y posterior del vidrio de la ventana. La fuerza del reflejo depende de la relación de los índices de refracción de los dos medios, así como del ángulo de la superficie con el haz de luz. El valor exacto se puede calcular utilizando las ecuaciones de Fresnel .

Cuando la luz encuentra 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 :

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

donde n ₀ 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 un porcentaje . Complementario a R es el coeficiente de transmisión , o transmitancia , T. Si se descuidan la absorción y la dispersión , entonces el valor T es siempre 1 − R. Por lo tanto, si un haz de luz con intensidad I incide sobre la superficie, se refleja un haz de intensidad RI y se transmite un haz con intensidad TI al medio.

En el caso simplificado de la luz visible que viaja desde el aire ( n ₀ ≈ 1,0) hasta el vidrio común ( n _S ≈ 1,5 ), el valor de R es 0,04, o 4 %, en una sola reflexión. Por lo tanto, como máximo el 96 % de la luz ( T = 1 − R = 0,96 ) ingresa al vidrio y el resto se refleja en la superficie. La cantidad de luz reflejada se conoce como pérdida por reflexión .

En el escenario más complicado de reflexiones múltiples, por ejemplo, cuando la luz atraviesa una ventana, la luz se refleja tanto cuando pasa del aire al vidrio como en el otro lado de la ventana cuando pasa del vidrio al aire. La magnitud de la pérdida es la misma 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 está dado por 2 R /(1 + R ) . Para el vidrio en el aire, esto es aproximadamente 7,7%.

Como observó Lord Rayleigh , una película delgada (como el deslustre) sobre la superficie del vidrio puede reducir la reflectividad. Este efecto se puede explicar imaginando una capa delgada de material con índice de refracción n ₁ entre el aire (índice n ₀ ) y el vidrio (índice n _S ). 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 de la capa con el vidrio.

A partir de la ecuación anterior y de los índices de refracción conocidos, se pueden calcular las reflectividades para ambas interfaces, denominadas R ₀₁ y R _1S respectivamente. Por lo tanto, la transmisión en cada interfaz es T ₀₁ = 1 − R ₀₁ y T _1S = 1 − R _1S . La transmitancia total en el vidrio es, por lo tanto, T _1S T ₀₁ . Calculando este valor para varios valores de n ₁ , se puede encontrar que, en 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 en el vidrio.

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

${\displaystyle n_{1}={\sqrt {n_{0}n_{S}}}.}$

Para el ejemplo del vidrio ( n _S ≈ 1,5 ) en aire ( n ₀ ≈ 1,0 ), este índice de refracción óptimo es n ₁ ≈ 1,225 . ^{[20] [21]}

La pérdida por reflexión de cada interfaz es de aproximadamente 1,0 % (con una pérdida combinada de 2,0 %) y la transmisión total T _1S T ₀₁ es de aproximadamente 98 %. Por lo tanto, una capa intermedia entre el aire y el vidrio puede reducir a la mitad la pérdida por reflexión.

El uso de una capa intermedia para formar un revestimiento antirreflejo puede considerarse análogo a la técnica de adaptación de impedancia de señales eléctricas. (Un método similar se utiliza en la investigación de la fibra óptica , donde a veces se utiliza un aceite de adaptación de índice para anular temporalmente la reflexión interna total de modo que la luz pueda acoplarse dentro o fuera de una fibra). En teoría, se podría lograr una reflexión aún más reducida 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 recubrimientos antirreflejos prácticos dependen de una capa intermedia no solo para su reducción directa del 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 = λ ₀ /(4 n ₁ ) , donde λ ₀ 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 produce una interferencia destructiva. Esto también es cierto para capas de recubrimiento más gruesas (3λ/4, 5λ/4, etc.), sin embargo, el rendimiento antirreflejo es peor en este caso debido a la mayor dependencia de la reflectancia en la longitud de onda y el ángulo de incidencia.

Si las intensidades de los dos rayos R ₁ y R ₂ son exactamente iguales, se interferirán destructivamente y se anularán entre sí, ya que están exactamente desfasados . Por lo tanto, no hay reflexión desde la superficie y toda la energía del rayo debe estar en el rayo transmitido, T . En el cálculo de la reflexión desde 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 rayos reflejados sean exactamente iguales en intensidad. El fluoruro de magnesio (MgF ₂ ) se utiliza a menudo, ya que es resistente y se puede aplicar fácilmente a los sustratos mediante deposición física de vapor , aunque su índice es más alto de lo deseable ( n = 1,38 ).

Es posible lograr una mayor reducción utilizando múltiples capas de revestimiento, diseñadas de tal manera que los reflejos de las superficies sufran una interferencia destructiva máxima. Una forma de hacerlo es agregar una segunda capa de índice más alto con un espesor de un cuarto de onda entre la capa de índice bajo y el sustrato. El reflejo de las tres interfaces produce interferencia destructiva y antirreflejo. Otras técnicas utilizan espesores variables de los revestimientos. Al utilizar dos o más capas, cada una de un material elegido para dar la mejor coincidencia posible con el índice de refracción y la dispersión deseados , se pueden lograr comúnmente revestimientos antirreflejos de banda ancha que cubren el rango visible (400–700 nm) con una reflectividad máxima de menos del 0,5%.

La naturaleza exacta del recubrimiento determina la apariencia de la óptica recubierta; los recubrimientos AR comunes en anteojos y lentes fotográficos a menudo se ven algo azulados (ya que reflejan un poco más de luz azul que otras longitudes de onda visibles), aunque también se utilizan recubrimientos con tintes verdes y rosados.

Si la óptica recubierta se utiliza con una incidencia no normal (es decir, con rayos de luz que no son perpendiculares a la superficie), las capacidades antirreflejo se degradan un poco. Esto ocurre porque la fase acumulada en la capa en relación con la fase de la luz reflejada inmediatamente disminuye a medida que aumenta el ángulo con respecto a la normal. Esto es contraintuitivo, ya que el rayo experimenta un mayor desplazamiento de fase total en la capa que en el caso de una incidencia normal. Esta paradoja se resuelve observando que el rayo saldrá de la capa desplazado espacialmente respecto 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 antirreflejo del recubrimiento tiende a moverse a longitudes de onda más cortas a medida que se inclina la óptica. Los ángulos de incidencia no normales también suelen hacer que el reflejo sea dependiente de la polarización .

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 . ^[22]

Si la longitud de onda es mayor que el tamaño de la textura, esta se comporta como una película de índice de gradiente con reflexión reducida. Para calcular la reflexión en este caso, se pueden utilizar aproximaciones de medio efectivo . 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 vuelta hacia la fuente. En este caso, la reflexión se puede calcular mediante el 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, no es válida ninguna aproximación y la reflexión se puede calcular resolviendo numéricamente las ecuaciones de Maxwell .

Las propiedades antirreflectantes de las superficies texturizadas se analizan ampliamente en la literatura para una amplia gama de relaciones tamaño-longitud de onda (incluidos los límites de onda larga y corta) para encontrar el tamaño de textura óptimo. ^[23]

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Como se mencionó anteriormente, los "recubrimientos" de coincidencia de índice natural fueron descubiertos por Lord Rayleigh en 1886. Harold Dennis Taylor de la compañía Cooke desarrolló un método químico para producir dichos recubrimientos en 1904. ^{[24] [25]}

Los recubrimientos basados ​​en interferencias fueron inventados y desarrollados en 1935 por Olexander Smakula , quien trabajaba para la empresa óptica Carl Zeiss . ^{[26] [27] [28]} Estos recubrimientos siguieron siendo un secreto militar alemán durante varios años, hasta que los Aliados descubrieron el secreto al final de la Segunda Guerra Mundial . ^{[29] [30]} Katharine Burr Blodgett e Irving Langmuir desarrollaron recubrimientos antirreflejos orgánicos conocidos como películas Langmuir-Blodgett a fines de la década de 1930.

• Recubrimiento antirayaduras
• Filtro dicroico
• Destello de lente , que el revestimiento AR ayuda a reducir.

• Software de diseño y optimización de películas delgadas basado en navegador
• Calculadora numérica basada en navegador de reflectividad de película delgada de una sola capa