Powłoki antyrefleksyjne na soczewkach okularowych

Polub i udostępnij
  •  
  •  
  •  

Analizę działania powłok antyrefleksyjnych (AR, ang. anti-reflective), czy inaczej przeciwodbiciowych, należy zacząć od zjawiska, które wywołuje niepożądane odbicia.


Polub i udostępnij
  •  
  •  
  •  
Polub i udostępnij
  •  
  •  
  •  

Gdy światło, czy ogólniej fala elektromagnetyczna, pada na granicę materiałów o różnych współczynnikach załamania, wtedy część fali zostaje odbita. Zjawisko jest ilościowo opisywane między innymi wzorami Fresnela, które przy padaniu światła prostopadle do powierzchni z powietrza na materiał o współczynniku załamania n redukują się do prostej zależności współczynnika odbicia R = [(n–1)/(n+1)]2. Przykładowo, dla szkła o współczynniku załamania n = 1,5 otrzymujemy 4% światła odbitego. Gdy promienie padają pod bardzo małym kątem do powierzchni, współczynnik odbicia może sięgnąć teoretycznie 100%. Jeśli analizujemy płytkę lub soczewkę, należy jeszcze wziąć pod uwagę odbicia od drugiej powierzchni, z których część światła, z kolei, „wydostanie się” przez pierwszą powierzchnię. Krzywizna soczewki powoduje, że światło odbite od drugiej powierzchni może pojawić się nawet w dość odległym miejscu od tego, gdzie zostało pierwotnie załamane.

Współczynnik odbicia światła zależy od stanu polaryzacji fali elektromagnetycznej. Dla pewnego kąta (a praktycznie zakresu kątów) jedna z polaryzacji całkowicie przechodzi przez granicę materiałów i nie jest odbijana. Kąt ten, liczony od normalnej, jest nazywany kątem Brewstera i dla szkła o współczynniku załamania n = 1.5 wynosi ok. 56°. Zjawisko to jest wykorzystywane na przykład w soczewkach polaryzacyjnych dla kierowców, w których część światła odbita od powierzchni (częściowo lub całkowicie spolaryzowana) jest redukowana.

Odbicie jest w optyce, a szczególnie w optyce okularowej, często zjawiskiem niepożądanym. Pierwsze powłoki AR na soczewkach zostały wykonane dla celów wojskowych, bowiem odbicia światła na lunetach łatwo zdradzały położenie obserwatora lub snajpera. Nawet współcześnie stosuje się podobną technikę rozpoznawania obecności przeciwnika, polegającą na skanowaniu otoczenia wiązką światła laserowego, tak by odbiła się od powierzchni przyrządów obserwacyjnych. Warto wiedzieć, że powłoki AR nie są nowością w świecie zwierząt, które rozwinęły takie struktury, bazujące na różnych zjawiskach optycznych, np. interferencji/dyfrakcji, czy rozpraszaniu. Przykładem są niektóre gatunki motyli.

W przypadku soczewek okularowych odbicia światła od tylnej i wewnętrznych powierzchni zmniejszają komfort widzenia, poprzez nałożenie obrazu odbitego na obserwowany. Do tego dochodzą odbicia światła od powierzchni rogówki, odbite następnie od soczewki. Odbicia światła od przedniej powierzchni soczewki zmniejszają ilość światła przechodzącego oraz powodują nieestetyczny efekt polegający na słabej widoczności oczu i twarzy przez soczewki. Można powiedzieć, że współcześnie soczewki pozbawione powłoki AR nie powinny w ogóle trafiać do okularów, wobec mnogości źródeł światła w naszym środowisku wzrokowym.

Powłoki AR mogą być uzyskiwane w różny sposób. Jednym z bardziej popularnych, stosowanych przez producentów soczewek okularowych, jest nanoszenie na powierzchnię soczewki warstw o tak dobranym współczynniku załamania i grubości, aby odbita fala interferowała destruktywnie z falą padającą. Dla światła monochromatycznego i padania światła pod zadanym kątem można uzyskać likwidację odbicia już dla jednej powłoki. Najczęściej przyjmuje się, że powłoka powinna działać najskuteczniej dla długości fali światła równej 555 nm, czyli takiej, na którą oko modelowe jest najbardziej czułe. Jednak, gdy światło nie jest monochromatyczne, a takie jest światło widzialne, lub gdy światło pada pod dowolnymi kątami, efekt jest bardzo słaby i niezbędne jest wtedy zastosowanie wielu powłok, które mogą być wykonane z różnych materiałów i o różnych grubościach. Nie gwarantuje to nadal całkowitej likwidacji odbicia, ale zmniejsza je do akceptowalnego poziomu. Zwykle, pewne odbicie, zwane resztkowym i zabarwione charakterystycznie dla danej powłoki, można dostrzec patrząc pod kątem na soczewkę, ale i tu producenci oferują powłoki wielowarstwowe, w których odbicie resztkowe jest prawie niezauważalne (tzw. bezbarwne powłoki AR).

Istnieją też inne sposoby na redukcję odbicia światła na powierzchni materiału, bazujące m.in. na strukturyzacji powierzchni, czyli takim ukształtowaniu, aby padające promienie światła nie miały możliwości odbicia w zadanym zakresie. Trwają badania naukowe nad takim kształtem powierzchni, by otrzymać efekt AR dla szerokiego zakresu długości fali, dowolnego kierunku padania i polaryzacji, ale ich wyniki nieprędko trafią na rynek oftalmiczny.
Oftalmiczne powłoki AR są wykonywane najczęściej z materiałów nieorganicznych, np. tlenków, azotków lub fluorków metali. Nanoszenie powłok może być wykonywane z użyciem różnych technologii. Jedne z najstarszych to zanurzanie soczewek w roztworach (dip coating), w których następuje naniesienie cienkiej powłoki o grubości kontrolowanej czasem trwania procesu. Opracowano także metodę wirową, gdzie materiał w fazie ciekłej jest rozprowadzany na powierzchni dzięki sile odśrodkowej.

Przełomem było opracowanie w 1935 r. przez Alexandra Smakulę (Carl Zeiss, Jena) technologii naparowywania fluorku magnezu w komorze próżniowej. Otrzymane soczewki z powłoką AR sprzedawano na rynku cywilnym od 1941 r. Obecnie metody próżniowe, takie jak PVD (ang. Physical Vacuum Deposition), CVD (ang. Chemical Vapour Deposition), czy sputtering, są jednymi z najczęściej wykorzystywanych, bowiem umożliwiają tworzenie powłok o grubościach kontrolowanych z dokładnością do pojedynczych nanometrów. Polegają na umieszczeniu soczewek w komorze z wysoką próżnią i osadzeniu odparowanego wcześniej materiału. Dla każdego bazowego materiału soczewki trzeba dobrać odpowiednie materiały na powłoki AR, ze względu na różnice we właściwościach, głównie mechanicznych (inny współczynnik rozszerzalności). Do kontroli grubości osadzonej na powierzchni warstwy stosuje się oscylatory kwarcowe, których powierzchnia także pokrywa się powłoką, dzięki czemu zmienia się częstotliwość drgań oscylatora, dając informację o grubości naparowanej warstwy.

Technologia powłok AR jest stale rozwijana. Mniej znane są w optyce okularowej metody pokrywania soczewek w takich procesach jak sol-żel lub osadzania z roztworu koloidalnego. Obecnie trwają prace również nad powłokami wykorzystującymi nanocząstki z metali lub tlenków metali. Warstwa cienkiego polimeru, w którym są zawieszone nanocząstki o odpowiednio dobranych wielkościach i koncentracji, ma mieć tę przewagę nad pokryciem wielowarstwowym, że jest w mniejszym stopniu zależna od kąta padania promieni świetlnych i nie wymaga użycia próżni. Niestety, wiele bardzo dobrych pod kątem skuteczności powłok AR nie nadaje się do okularów ze względu na zbyt małą odporność mechaniczną czy temperaturową, a przecież soczewki muszą pracować często w trudnych warunkach użytkowych, bywa, że u niedbałych właścicieli.

Mimo że powłoki AR są coraz trwalsze, to warto o nie dbać, czyli np. nie wycierać na sucho lub twardymi materiałami (papier toaletowy, sweter), nie odkładać okularów soczewkami do podłoża, nie myć w proszkach i nie zostawiać na silnym słońcu. Soczewki należy myć pod bieżącą wodą z użyciem małej ilości płynu do mycia naczyń lub mydła w płynie, a następnie wycierać do sucha miękkimi ściereczkami z bawełny lub mikrofazy, przeznaczonymi do czyszczenia szkieł okularowych.

Pamiętajmy też, że powłoki AR stanowią tylko jeden z wielu elementów pokrycia nowoczesnej soczewki okularowej. Równie ważne z punktu widzenia użytkownika są np. własności hydrofobowe/hydrofilowe, oleofobowe, antystatyczne, utwardzające, filtrujące, polaryzacyjne itp., realizowane bądź jako dodatkowe, osobne powłoki, bądź jako cechy powłok AR. W rezultacie pokrycie soczewki okularowej, mimo niemal niedostrzegalnej grubości, stanowi bardzo skomplikowaną strukturę warstw, które pełnią różne funkcje, dające wysoki komfort widzenia. Odpowiedni dobór powłok należy do optyka, który na podstawie wywiadu z użytkownikiem okularów jest w stanie zaproponować stosowną kombinację powłok, w zależności od warunków użytkowania.

 

Dr Jacek Pniewski
Europejskie Studia Optyki Okularowej i Optometrii
Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski


Polub i udostępnij
  •  
  •  
  •  

Polecamy