הכה את המומחה: ציפויים אופטיים
מהו מקדם שבירה? מה משמעות השינוי בצבע של אובייקט נראה? המומחים של רפאל מסבירים איך מיישמים ציפויים אופטיים
הגנה לישראל
| 19/05/2011
רובנו מכירים את הציפוי ה"אנטי-רפלקטיבי" (AR), או כפי שאומר האופטומטריסט שלנו: "אנטי-רפלקס", שתפקידו למנוע החזרות והשתקפויות, ולעיתים אף להגן מפני שריטות בעדשות המשקפיים שלנו (איור 1).
[איור1: עדשות ללא ציפוי מונע החזרה (תמונה עליונה) ועם ציפוי (תמונה תחתונה)]
אבל מי מכם שמע על מוקד הציפויים האופטיים במנור, שבו הציפוי האופטי הוא לא רק AR לתחום הנראה, אלא מגוון עצום של יישומים בכל תחומי הספקטרום, מהאולטרא-סגול עד האינפרא-אדום הרחוק. במוקד זה אמנם תתקשו למצוא ציפוי לעדשות המשקפיים שלכם, אך אם חשקה נפשכם דווקא בציפוי AR מולטי-ספקטרלי, או אולי במסנן אופטי (המעביר תחום ספקטרלי מסוים וחוסם את כל היתר), זה המקום! מבחר האפשרויות הוא עצום; החל בציפויי AR למספר תחומים ספקטראליים, מסננים אופטיים רב-תחומיים, ציפויים די-כרואים (שתפקידם להעביר תחום ספקטרלי מסוים ולהחזיר אחר), מפצלי אלומה, מראות, ציפויים מוליכים שקופים (למניעת הפרעות אלקטרומגנטיות) ועוד.
מוקד ידע לאומי זה שותף כבר למעלה משלושה עשורים בכל הפרויקטים האלקטרואופטיים ברפאל, בכל שלבי הפיתוח עד הייצור. בכל אחת מהמערכות האופטיות, בין אם מדובר בראש ביות, מטעד או גלאי, תוכלו למצוא כיפה, חלון, מסנן, עדשה או מפצל אלומה בעלי תכונות אופטיות ייחודיות ועמידות גבוהה בתנאי הסביבה, אשר פותחו במיוחד בהתאם לצורכי המערכת.
המצעים, שעליהם משוקעות השכבות הדקות האופטיות, חייבים להיות בדרגת ליטוש גבוהה ביותר לצורך מניעת פיזור האור, וישנם סוגים רבים של חומרים אופטיים המשמשים לצורך זה: זכוכית, ספיר, סיליקון, גרמניום, ZnS (אבץ גופרי), זכוכיות לאינפרא-אדום כדוגמת GASIR וכדומה. כל חומר מותאם לתחום אורכי הגל שאותו רוצים להעביר.
אחד החומרים השימושיים ביותר הוא Multi-spectral ZnS (איור 2), היות שהוא שקוף בתחום רחב מאוד של אורכי גל, מהתחום הנראה ועד האינפרא-אדום הרחוק (8-12µm). חומר זה, המיוצר במוקד ה-CVD במחלקה, משמש כרכיב חיצוני (חלון או כיפה) במרבית המערכות האלקטרואופטיות, שבהן נדרש להעביר תחום ספקטראלי בודד או יותר.
[איור 2: כיפה מ- לפני ליטוש אופטי (ימין) ואחריו (שמאל) Multi-spectral Zn]
אך חומר זה בפני עצמו אינו מספיק, משום שאחוז האור העובר דרכו הינו כ-70% בלבד. לצורך שיפור היעילות האופטית של המערכות המבוססות על ZnS ואחרות, יש צורך בציפויים אופטיים, המשפרים במידה ניכרת את ביצועי המערכת ואף מגנים על הרכיב מפני נזקי הסביבה.
מהו בעצם ציפוי אופטי?
המטרה העיקרית של ציפוי אופטי היא לשנות את התכונות האופטיות של מצע נתון, כגון כיפה, חלון או עדשה, בהתאם לדרישות המוכתבות על ידי מתכנני המערכת האופטית, על ידי שיקוע/נידוף של מערך שכבות דקות. באמצעות שליטה על מספר השכבות, עוביין והתכונות האופטיות שלהן, כגון מקדם שבירת האור, ניתן לתכנן ציפויים מונעי החזרה, ציפויים מחזירים (מראות) ומסננים, המעבירים תחום אחד של אורכי גל (צבעים) ומחזירים/בולעים תחומים אחרים.
ללא ציפויים אופטיים, ההחזרה מכל משטח מלוטש במצע תהיה גבוהה, ובמערכת של מספר רכיבים אופטיים לא יגיע מספיק אור לגלאי. לדוגמה, מערך של 5 עדשות עשויות גרמניום ללא ציפוי מעביר רק כ-1% אור ישיר ואילו מערך עדשות זהה עם ציפוי מונע החזרה מעביר כ-95% אור ישיר!
בבואנו לתכנן ציפוי אופטי, עלינו להכיר ולהתמודד עם מספר תופעות פיזיקליות המתרחשות בציפוי ובתשתית האופטית.
שבירה של אור
כאשר קרן אור פוגעת בניצב למשטח אופטי, היא ממשיכה ללא שבירה, אך כאשר הקרן אינה פוגעת בניצב, היא נשברת במעבר לתווך בעל מקדם שבירה שונה. המוח האנושי ממשיך את הקרניים שמגיעות לעין כקו ישר, ולפיכך חפצים שנמצאים בתווך בעל מקדם שבירה שונה מזה של אוויר נראים לנו "שבורים" (איור 3).
בשל תופעת השבירה, יש להתייחס למקדמי השבירה של חומרי הציפוי ושל התשתית האופטית בבואנו לתכנן ציפוי כלשהו. דרישה נוספת היא שכל חומרי הציפוי והתשתית יהיו שקופים בתחום אורכי הגל שאותו אנו רוצים להעביר דרך האלמנט האופטי.
[איור 3: מראה עיפרון "שבור"]
השפעת עובי השכבות על האור
מידת האור החוזר מציפוי או מועבר דרכו תלויה בעובי השכבות ובמקדם השבירה שלהן. את השינוי בצבע (אורך הגל) המוחזר כתלות בעובי השכבה ניתן לראות בבועת סבון או בכתם שמן על הכביש (איור 4). ניתן לראות פסים או טבעות בצבעים שונים. היכן שעובי השמן אחיד, חוזר צבע אחד, בדומה לקווי גובה במפה טופוגרפית. גם בציפויים אופטיים, עובי השכבות קריטי לביצועי הציפוי ולכן השליטה בו חשובה מאוד. בכל מערכות הנידוף שלנו קיימים מדידים המאפשרים לקבוע את העובי של כל שכבה בציפוי בדיוק רב (ברמה של מספר אנגסטרמים - 10-10 מטר) ולהפסיק את הנידוף מיד עם ההגעה לעובי הרצוי.
[איור 4: החזרת אור מכתם שמן על פני כביש]
תלות הציפוי באורך הגל ובזווית הפגיעה
מקדם השבירה של התשתית ושל חומרי הציפוי תלוי באורך הגל (צבע) של האור ואינו קבוע. כתוצאה מכך, עבור עובי שכבות נתון בציפוי, ההתנהגות בכל אורך גל תהיה מעט שונה. איור מוכר מאוד של התופעה מופיע על פני עטיפת האלבום "Dark Side of the Moon" של להקת "Pink Floyd" (איור 5). קרן אור לבנה הנכנסת בפאה אחת של מנסרה משולשת, מתפזרת לספקטרום רחב של צבעים ביציאה מהפאה הנגדית.
[איור 5: מעבר אור לבן דרך מנסרה משולשת ]
פגיעת אור שלא בניצב לפני השטח מצריכה התחשבות גם בקיטוב האור. בתכנון של ציפויים אופטיים נדרש להתייחס לתופעות אלו ולקבוע עוביי ציפויים אשר יאפשרו ביצועים מיטביים בכל אורכי הגל ובכל תחום זוויות הפגיעה.
השפעת הזווית על האור המוחזר
ההחזרה וההעברה של ציפוי אופטי שאינו מתכתי תלויים מאוד בזווית פגיעת האור ברכיב האופטי. ככל שזווית הפגיעה ביחס לאנך לרכיב האופטי עולה, תחום ההעברה/החזרה זז לאורכי גל קצרים יותר. תופעה זו היא בעוכרינו בציפויים אופטיים בשל הצורך לעמוד בדרישות בטווח זוויות פגיעה רחב, אך היא מנוצלת היטב במניעת זיוף של מסמכים ושטרות כסף כפי שניתן לראות באיור 7. בשטר האמיתי (השמאלי) הפרפר עשוי מציפוי אופטי אשר מחזיר את התחום האדום ואת התחום הכחול ליצירת מראה סגול. כאשר מטים את השטר, ההחזרה זזה לאורכי גל קצרים יותר וצבע הפרפר משתנה בהתאם לזווית ההטיה. בהטיה גדולה (התמונה התחתונה באיור 6) ההחזרה בתחום האדום זזה לתחום הירוק ואילו ההחזרה בתחום הכחול זזה לתחום האולטרא-סגול שאותו העין אינה מסוגלת לראות, וכך הפרפר הופך להיות ירוק. קל לראות זאת גם בשטר ישראלי של 20 שקלים. בשטר המזויף הפרפר מיושם בצבע וההטיה בזווית אינה גורמת לשינוי הגוון.
[איור 6: מבט מלמעלה (תמונה עליונה) ומבט מהצד (תמונה תחתונה) על שטר אמיתי (שמאלי) ושטר מזויף (ימני) של דולר מאיי הבהאמה]
פיזורים בציפוי ובתשתית
תופעה חשובה נוספת שאיתה אנו נדרשים להתמודד היא פיזור האור בשכבות הציפוי, באזור המגע בין שכבות ובתשתית האופטית (החלון, הכיפה או העדשה). פיזור של אור מקטין את אחוז האור אשר עובר דרך הרכיב האופטי ופוגע בביצועי המערכת. אנו מפחיתים משמעותית את הפיזור בציפוי על ידי נידוף בתנאים המאפשרים קבלת שכבות צפופות מאוד עם כמות פגמים נמוכה ככל הניתן. פיזור אור השמש באטמוספרה הוא הסיבה להיות השמיים כחולים במהלך היום ולצבעה הכתום/אדום של השמש בשקיעה. ככל שאורך הגל של האור קצר יותר (אורך הגל הכחול הוא הקצר ביותר והאדום הוא הארוך ביותר) הוא מתפזר יותר במעבר באטמוספרה. במהלך היום, איננו יכולים להסתכל ישירות לשמש. אור השמש עובר באטמוספרה, אורך הגל הכחול מתפזר ומגיע לעין הצופה לשמיים (איור 7 עליון). זו הסיבה להיות השמיים כחולים. כאשר השמש שוקעת, הדרך שאותה עובר האור עד להגיעו לעין מתארכת משמעותית וכך מתפזרים גם הצבע הירוק ועם המשך שקיעת השמש באופק, גם הצהוב. עוצמת האור המגיעה לעין נמוכה מספיק על מנת לאפשר הסתכלות ישירה לשמש ולכן היא נראית לנו כתומה/אדומה (איור 7 תחתון).
[איור 7: פיזור האור הכחול בשעות היום (איור עליון) ופיזור האור בשקיעה (איור תחתון)]
תכנון מערך רב-שכבתי הוא תהליך מורכב, בייחוד כאשר קיימים מספר תחומי העברה ו/או חסימה (ציפוי מולטי ספקטרלי). תכנון מערך שכזה הופך להיות מורכב עוד יותר כאשר מתווספות דרישות עמידות בתנאי סביבה כגון עמידה בלחות, בשחיקה, בארוזיה של חול וגשם, במחזורי טמפרטורה, בערפל מלח, בקרינה אולטרא-סגולה ובצרות רבות אחרות.
הכתבה פורסמה במגזין 'רפאל שלנו' , גיליון 21. ספטמבר 2012
רובנו מכירים את הציפוי ה"אנטי-רפלקטיבי" (AR), או כפי שאומר האופטומטריסט שלנו: "אנטי-רפלקס", שתפקידו למנוע החזרות והשתקפויות, ולעיתים אף להגן מפני שריטות בעדשות המשקפיים שלנו (איור 1).
[איור1: עדשות ללא ציפוי מונע החזרה (תמונה עליונה) ועם ציפוי (תמונה תחתונה)]
אבל מי מכם שמע על מוקד הציפויים האופטיים במנור, שבו הציפוי האופטי הוא לא רק AR לתחום הנראה, אלא מגוון עצום של יישומים בכל תחומי הספקטרום, מהאולטרא-סגול עד האינפרא-אדום הרחוק. במוקד זה אמנם תתקשו למצוא ציפוי לעדשות המשקפיים שלכם, אך אם חשקה נפשכם דווקא בציפוי AR מולטי-ספקטרלי, או אולי במסנן אופטי (המעביר תחום ספקטרלי מסוים וחוסם את כל היתר), זה המקום! מבחר האפשרויות הוא עצום; החל בציפויי AR למספר תחומים ספקטראליים, מסננים אופטיים רב-תחומיים, ציפויים די-כרואים (שתפקידם להעביר תחום ספקטרלי מסוים ולהחזיר אחר), מפצלי אלומה, מראות, ציפויים מוליכים שקופים (למניעת הפרעות אלקטרומגנטיות) ועוד.
מוקד ידע לאומי זה שותף כבר למעלה משלושה עשורים בכל הפרויקטים האלקטרואופטיים ברפאל, בכל שלבי הפיתוח עד הייצור. בכל אחת מהמערכות האופטיות, בין אם מדובר בראש ביות, מטעד או גלאי, תוכלו למצוא כיפה, חלון, מסנן, עדשה או מפצל אלומה בעלי תכונות אופטיות ייחודיות ועמידות גבוהה בתנאי הסביבה, אשר פותחו במיוחד בהתאם לצורכי המערכת.
המצעים, שעליהם משוקעות השכבות הדקות האופטיות, חייבים להיות בדרגת ליטוש גבוהה ביותר לצורך מניעת פיזור האור, וישנם סוגים רבים של חומרים אופטיים המשמשים לצורך זה: זכוכית, ספיר, סיליקון, גרמניום, ZnS (אבץ גופרי), זכוכיות לאינפרא-אדום כדוגמת GASIR וכדומה. כל חומר מותאם לתחום אורכי הגל שאותו רוצים להעביר.
אחד החומרים השימושיים ביותר הוא Multi-spectral ZnS (איור 2), היות שהוא שקוף בתחום רחב מאוד של אורכי גל, מהתחום הנראה ועד האינפרא-אדום הרחוק (8-12µm). חומר זה, המיוצר במוקד ה-CVD במחלקה, משמש כרכיב חיצוני (חלון או כיפה) במרבית המערכות האלקטרואופטיות, שבהן נדרש להעביר תחום ספקטראלי בודד או יותר.
[איור 2: כיפה מ- לפני ליטוש אופטי (ימין) ואחריו (שמאל) Multi-spectral Zn]
אך חומר זה בפני עצמו אינו מספיק, משום שאחוז האור העובר דרכו הינו כ-70% בלבד. לצורך שיפור היעילות האופטית של המערכות המבוססות על ZnS ואחרות, יש צורך בציפויים אופטיים, המשפרים במידה ניכרת את ביצועי המערכת ואף מגנים על הרכיב מפני נזקי הסביבה.
מהו בעצם ציפוי אופטי?
המטרה העיקרית של ציפוי אופטי היא לשנות את התכונות האופטיות של מצע נתון, כגון כיפה, חלון או עדשה, בהתאם לדרישות המוכתבות על ידי מתכנני המערכת האופטית, על ידי שיקוע/נידוף של מערך שכבות דקות. באמצעות שליטה על מספר השכבות, עוביין והתכונות האופטיות שלהן, כגון מקדם שבירת האור, ניתן לתכנן ציפויים מונעי החזרה, ציפויים מחזירים (מראות) ומסננים, המעבירים תחום אחד של אורכי גל (צבעים) ומחזירים/בולעים תחומים אחרים.
ללא ציפויים אופטיים, ההחזרה מכל משטח מלוטש במצע תהיה גבוהה, ובמערכת של מספר רכיבים אופטיים לא יגיע מספיק אור לגלאי. לדוגמה, מערך של 5 עדשות עשויות גרמניום ללא ציפוי מעביר רק כ-1% אור ישיר ואילו מערך עדשות זהה עם ציפוי מונע החזרה מעביר כ-95% אור ישיר!
בבואנו לתכנן ציפוי אופטי, עלינו להכיר ולהתמודד עם מספר תופעות פיזיקליות המתרחשות בציפוי ובתשתית האופטית.
שבירה של אור
כאשר קרן אור פוגעת בניצב למשטח אופטי, היא ממשיכה ללא שבירה, אך כאשר הקרן אינה פוגעת בניצב, היא נשברת במעבר לתווך בעל מקדם שבירה שונה. המוח האנושי ממשיך את הקרניים שמגיעות לעין כקו ישר, ולפיכך חפצים שנמצאים בתווך בעל מקדם שבירה שונה מזה של אוויר נראים לנו "שבורים" (איור 3).
בשל תופעת השבירה, יש להתייחס למקדמי השבירה של חומרי הציפוי ושל התשתית האופטית בבואנו לתכנן ציפוי כלשהו. דרישה נוספת היא שכל חומרי הציפוי והתשתית יהיו שקופים בתחום אורכי הגל שאותו אנו רוצים להעביר דרך האלמנט האופטי.
[איור 3: מראה עיפרון "שבור"]
השפעת עובי השכבות על האור
מידת האור החוזר מציפוי או מועבר דרכו תלויה בעובי השכבות ובמקדם השבירה שלהן. את השינוי בצבע (אורך הגל) המוחזר כתלות בעובי השכבה ניתן לראות בבועת סבון או בכתם שמן על הכביש (איור 4). ניתן לראות פסים או טבעות בצבעים שונים. היכן שעובי השמן אחיד, חוזר צבע אחד, בדומה לקווי גובה במפה טופוגרפית. גם בציפויים אופטיים, עובי השכבות קריטי לביצועי הציפוי ולכן השליטה בו חשובה מאוד. בכל מערכות הנידוף שלנו קיימים מדידים המאפשרים לקבוע את העובי של כל שכבה בציפוי בדיוק רב (ברמה של מספר אנגסטרמים - 10-10 מטר) ולהפסיק את הנידוף מיד עם ההגעה לעובי הרצוי.
[איור 4: החזרת אור מכתם שמן על פני כביש]
תלות הציפוי באורך הגל ובזווית הפגיעה
מקדם השבירה של התשתית ושל חומרי הציפוי תלוי באורך הגל (צבע) של האור ואינו קבוע. כתוצאה מכך, עבור עובי שכבות נתון בציפוי, ההתנהגות בכל אורך גל תהיה מעט שונה. איור מוכר מאוד של התופעה מופיע על פני עטיפת האלבום "Dark Side of the Moon" של להקת "Pink Floyd" (איור 5). קרן אור לבנה הנכנסת בפאה אחת של מנסרה משולשת, מתפזרת לספקטרום רחב של צבעים ביציאה מהפאה הנגדית.
[איור 5: מעבר אור לבן דרך מנסרה משולשת ]
פגיעת אור שלא בניצב לפני השטח מצריכה התחשבות גם בקיטוב האור. בתכנון של ציפויים אופטיים נדרש להתייחס לתופעות אלו ולקבוע עוביי ציפויים אשר יאפשרו ביצועים מיטביים בכל אורכי הגל ובכל תחום זוויות הפגיעה.
השפעת הזווית על האור המוחזר
ההחזרה וההעברה של ציפוי אופטי שאינו מתכתי תלויים מאוד בזווית פגיעת האור ברכיב האופטי. ככל שזווית הפגיעה ביחס לאנך לרכיב האופטי עולה, תחום ההעברה/החזרה זז לאורכי גל קצרים יותר. תופעה זו היא בעוכרינו בציפויים אופטיים בשל הצורך לעמוד בדרישות בטווח זוויות פגיעה רחב, אך היא מנוצלת היטב במניעת זיוף של מסמכים ושטרות כסף כפי שניתן לראות באיור 7. בשטר האמיתי (השמאלי) הפרפר עשוי מציפוי אופטי אשר מחזיר את התחום האדום ואת התחום הכחול ליצירת מראה סגול. כאשר מטים את השטר, ההחזרה זזה לאורכי גל קצרים יותר וצבע הפרפר משתנה בהתאם לזווית ההטיה. בהטיה גדולה (התמונה התחתונה באיור 6) ההחזרה בתחום האדום זזה לתחום הירוק ואילו ההחזרה בתחום הכחול זזה לתחום האולטרא-סגול שאותו העין אינה מסוגלת לראות, וכך הפרפר הופך להיות ירוק. קל לראות זאת גם בשטר ישראלי של 20 שקלים. בשטר המזויף הפרפר מיושם בצבע וההטיה בזווית אינה גורמת לשינוי הגוון.
[איור 6: מבט מלמעלה (תמונה עליונה) ומבט מהצד (תמונה תחתונה) על שטר אמיתי (שמאלי) ושטר מזויף (ימני) של דולר מאיי הבהאמה]
פיזורים בציפוי ובתשתית
תופעה חשובה נוספת שאיתה אנו נדרשים להתמודד היא פיזור האור בשכבות הציפוי, באזור המגע בין שכבות ובתשתית האופטית (החלון, הכיפה או העדשה). פיזור של אור מקטין את אחוז האור אשר עובר דרך הרכיב האופטי ופוגע בביצועי המערכת. אנו מפחיתים משמעותית את הפיזור בציפוי על ידי נידוף בתנאים המאפשרים קבלת שכבות צפופות מאוד עם כמות פגמים נמוכה ככל הניתן. פיזור אור השמש באטמוספרה הוא הסיבה להיות השמיים כחולים במהלך היום ולצבעה הכתום/אדום של השמש בשקיעה. ככל שאורך הגל של האור קצר יותר (אורך הגל הכחול הוא הקצר ביותר והאדום הוא הארוך ביותר) הוא מתפזר יותר במעבר באטמוספרה. במהלך היום, איננו יכולים להסתכל ישירות לשמש. אור השמש עובר באטמוספרה, אורך הגל הכחול מתפזר ומגיע לעין הצופה לשמיים (איור 7 עליון). זו הסיבה להיות השמיים כחולים. כאשר השמש שוקעת, הדרך שאותה עובר האור עד להגיעו לעין מתארכת משמעותית וכך מתפזרים גם הצבע הירוק ועם המשך שקיעת השמש באופק, גם הצהוב. עוצמת האור המגיעה לעין נמוכה מספיק על מנת לאפשר הסתכלות ישירה לשמש ולכן היא נראית לנו כתומה/אדומה (איור 7 תחתון).
[איור 7: פיזור האור הכחול בשעות היום (איור עליון) ופיזור האור בשקיעה (איור תחתון)]
תכנון מערך רב-שכבתי הוא תהליך מורכב, בייחוד כאשר קיימים מספר תחומי העברה ו/או חסימה (ציפוי מולטי ספקטרלי). תכנון מערך שכזה הופך להיות מורכב עוד יותר כאשר מתווספות דרישות עמידות בתנאי סביבה כגון עמידה בלחות, בשחיקה, בארוזיה של חול וגשם, במחזורי טמפרטורה, בערפל מלח, בקרינה אולטרא-סגולה ובצרות רבות אחרות.
הכתבה פורסמה במגזין 'רפאל שלנו' , גיליון 21. ספטמבר 2012
