Was ist eine optische Beschichtung?
Die richtige Definition einer optischen Beschichtung ist eine oder mehrere dünne Materialschichten, die einen Effekt und eine Wechselwirkung zwischen Licht und einer bestimmten optischen Komponente – wie einer Linse oder einem Spiegel – erzeugen. Um optische Beschichtungen zu verstehen, muss man wissen, wie Licht mit transparenten Medien interagiert. Die Wirkung der Schichten verändert die Art und Weise, wie die Optik Licht reflektiert und durchlässt.
Das Design optischer Beschichtungen eignet sich ideal zur Verbesserung der Leistung, der Transmission, der Reflexion oder der Polarisationseigenschaften einer optischen Komponente für einen bestimmten Einfallswinkel und eine bestimmte Polarisation des Lichts. Dazu gehören die S-Polarisation, die P-Polarisation oder die Zufallspolarisation. Die Zusammensetzung einer optischen Beschichtung besteht aus einer Kombination von dünnen Schichten von Materialien (diese variieren, einschließlich Oxiden, Metallen oder Seltenerdmaterialien). Die Faktoren, die die Leistung einer optischen Beschichtung bestimmen, sind die Anzahl der Schichten, ihre Dicke und der Brechungsindexunterschied dazwischen.
THEORIE DER OPTISCHEN BESCHICHTUNG
Um optische Beschichtungen wirklich verstehen zu können, muss man die Fresnelschen Gleichungen der Brechung und Reflexion verstehen.
Das Snellsche Brechungsgesetz zeigt die Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Welle beim Übergang von einem optischen Medium in ein anderes.
Das Reflexionsgesetz zeigt, dass der Winkel eines reflektierten Strahls in Bezug auf die Oberflächennormale gleich groß ist wie der Einfallswinkel, aber in Bezug auf die Oberflächennormale eine entgegengesetzte Richtung aufweist.
VERSCHIEDENE ARTEN VON OPTISCHEN BESCHICHTUNGEN
Die Anti-Reflex-Beschichtung reduziert unerwünschte Reflexionen von Oberflächen und findet vor allem bei Brillen- und Kameraobjektiven Anwendung.
Die hochreflektierende Beschichtung erzeugt Spiegel, die mehr als 99,99 % des auf sie fallenden Lichts reflektieren.
Weitere komplexe optische Beschichtungen weisen eine hohe Reflexion in einem bestimmten Wellenlängenbereich und eine Antireflexion in einem anderen Bereich auf und ermöglichen die Herstellung von dichroitischen Dünnschichtfiltern.
Schwach reflektierende – hoch emittierende – optische schwarze Beschichtungen werden dort angewendet, wo Reflexionen von internen Teilen eines optischen Systems oder Geräts unterdrückt werden sollen. Typische Anwendungen für geringe Reflexion liegen im Bereich der Unterdrückung von Streulicht zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Ein hoher Emissionsgrad ist häufig eine Anforderung bei passiven thermischen Kontrollanwendungen. Die tiefschwarzen Beschichtungen von Acktar sind in verschiedenen Versionen erhältlich, die auf die jeweiligen optischen Wellenlängenbereiche zugeschnitten sind.
BESCHICHTUNGSTECHNOLOGIEN
Optische Beschichtungen können mit verschiedenen gängigen Technologien der physikalischen Gasphasenabscheidung aufgebracht werden. Keine von ihnen ist die ideale Wahl für alle Anwendungen, denn jede Technologie hat ihre eigenen einzigartigen Stärken, die sie für bestimmte und sich überschneidende Anwendungsmöglichkeiten am besten geeignet machen.
Die ionenunterstützte Elektronenbeschichtung (IAD E-Beam) ist eine Verfahrenstechnik zur Beschichtung, bei der die Ausgangsmaterialien mit einer Elektronenkanone in einer Vakuumkammer beschossen und verdampft werden. Diese Verfahrenstechnik bietet von allen anderen Verfahren die größte Flexibilität bei der Gestaltung der Beschichtung, da sie die größte Bandbreite an verwendbaren Materialien aufbringen kann, im Vergleich zu allen anderen Verfahren die niedrigsten Kosten aufweist und größere Beschichtungskammern zulässt. Wenn nicht hohe Leistung, sondern Flexibilität und Kosten im Vordergrund stehen, ist dies die ideale Methode.
Das Ionenstrahl-Sputtern (IBS) ist eine hochgradig wiederholbare Beschichtungstechnologie, die eine sehr hohe optische Qualität und Stabilität der Beschichtungen ermöglicht. Zu den wichtigsten Vorteilen des IBS gehört die präzise Überwachung und Steuerung von Parametern wie Schichtwachstumsrate, Oxidationsgrad und Energiezufuhr, was zu äußerst reproduzierbaren Beschichtungen führt. Im Gegensatz zu anderen Beschichtungstechnologien haben ökologische Faktoren wie Temperatur und Feuchtigkeit einen geringeren Einfluss auf die Leistung von IBS. Natürlich hat die IBS-Beschichtung auch einige Nachteile, wie z. B. eine höhere Belastung und Verluste im UV-Spektrum, sowie geringere Wachstumsraten und Kammergrößen und wesentlich höhere relative Kosten als die übrigen Verfahren.
Advanced Plasma Sputtering (APS) ist im Grunde eine alternative Version der IAD-E-Beam-Verdampfungsbeschichtung, die von den fortschrittlichen automatisierten Verarbeitungsmöglichkeiten profitiert. Das Ergebnis von APS sind glatte, dichte und harte Beschichtungen, die stabilere optische Eigenschaften aufweisen als IAD E-Beam und gleichzeitig das hohe Maß an Multilateralität von IAD E-Beam beibehalten. In vielerlei Hinsicht kann APS zusammen mit dem Magnetronsputtern als Zwischenlösung für viele Parameter zwischen der IAD E-Beam-Aufdampfung und der IBS betrachtet werden.
Das plasmaunterstützte reaktive Magnetronsputtern (PARMS) ist eine weitere plasmagestützte Beschichtungstechnologie. Das Glimmentladungsplasma wird ähnlich wie beim APS erzeugt, allerdings wird es durch ein Magnetfeld in der Nähe des Targets „eingeschlossen“, anstatt die gesamte Beschichtungskammer zu füllen. PARMS hat eine höhere Ausbeute, was es zu einem attraktiven Mittelweg zwischen dem hohen Preis und der Leistung von IBS und wirtschaftlicheren Beschichtungstechnologien wie IAD E-Beam evaporative deposition macht. PARMS wird häufig zur Herstellung von Fluoreszenzfiltern eingesetzt, da die Technologie eine relativ ausgewogene hohe optische Leistung und ein gutes Verhältnis zwischen Preis und Leistung aufweist.
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