UPORABA TANKIH PLASTI V PROJEKCIJSKIH APARATIH Marijan Olenik in Aleš Dolžan. Iskra Vega. Stegne 13a, 61000 Ljubljana, Slovenija The application of thin films for projection devices ABSTRACT Widely used projection devices, such as diaprojectors, overhead projectors {OHP) and episcopes, have substantial light losses. They are caused by reflection of the light on the surfaces of the transmittive optical elements and decrease reflection on the mirrors. The light efficiency of the projection devices can be increased with various vacuum deposited thin films. VWth an t i reflect! on coatings the undesired reflections on transmittive elements can be decreased. The reflection of the reflective elements can be increased with enhanced aluminium and dielectric coatings. We review the optical elements of the projection device and compare improvements in their quality that can be achieved by using various thin film coatings. The quantitative analysis is done for the transmitive OHP, which is the main product of our company. POVZETEK Pri projekcijskih aparatih, kot so diaprojektorji, grafoskopi in episkopi imamo opravka z velikimi svetlobnimi izgubami. Te nastanejo zaradi odbojev svetlobe na površinah presevnih optičnih elementov in zmanjšane odbojnosti na zrcalnih elementih. Z uporabo različnih vakuumsko naparjenih tankih plasti na optičnih elementih lahko svetlobni izkoristek projekcijskega aparata znatno povečamo. 2 antirefleksnimi plastmi zmanjšamo odboj na presevnih površinah optičnih elementov, na zrcalnih površinah pa povečamo odboj svetlobe z uporabo izboljšanih aluminijastih in dielektričnih zrcalnih plasti. V članku je opisan pregled vseh optičnih elementov, ki sestavljajo projekcijski aparat, in podana izbira možnih tankih plasti, s katerimi dosežemo večjo svetilnost tega aparata. Za kvantitativno analizo sva izbrala primer presevnega grafoskopa, ki predstavlja večino proizvodnje projekcijskih aparatov tovarne Iskre Vege. 1 Uvod Projekcijski aparati so optične naprave, namenjene za projiciranje povečanih slik različnih slikovnih materialov na svetlobne zaslone v sejnih sobah, predavalnicah, dvoranah in drugih zaprtih prostorih. Delimo jih na grafoskope, diaprojektorje in episkope. Grafoskope uporabljamo za projiciranje presojnic in prirejenih LCD zaslonov. Diafilme, to so fotografski pozitivni filmi, projiciramo z diaprojektorji. Za projiciranje slik iz revij in knjig ter fotografij pa uporabljamo projekcijski aparat, ki ga imenujemo epiprojektor ali episkop. Z episkopom lahko projiciramo tudi ploskve tanjših nepresevnih predmetov. V tovarni iskra Vega izdelujemo delno ali pa v celoti projekcijske aparate vseh navedenih vrst. Večino proizvodnje predstavljajo grafoskopi. Glede na izvedbo osvetlitvenega sistema delimo grafoskope na dve veliki družini. Gledano z vidika poti svetlobnega žarka skozi presojnico govorimo o presevnih in zrcalnih grafoskopih. Zrcalni grafoskopi so nastali iz potrebe po manjših, zložljivih in prenosnih aparatih. Njihova svetilnost je navadno dokaj slaba. Kvalitetnejšo in svetlejšo projicirano sliko dobimo s presevnim grafoskopom. Presevne grafoskope razvrščamo v kakovostne razrede predvsem po njihovi svetilnosti. Svetilnost grafoskopa je seveda v prvi vrsti odvisna od moči vgrajenega svetlobnega izvira, tj. od moči uporabljene halogenske žarnice (250. 360 ali 400 V\/). Pri dani moči žarnice pa je močno pogojena še z izbiro in kakovostjo optičnih elementov, ki jih vgradimo. Tako dobimo grafoskope, ki jih razvrstimo v razrede do 2000, do 3000, do 4000, dO 5000 in nad 5500 lumnov svetilnosti, V nadaljevanju bomo spoznali optične elemente, ki sestavljajo presevni grafoskop najvišjega svetilnostnega razreda. Pogledali bomo kakšne in kolikšne so svetlobne izgube na teh optičnih elementih in podali pregled možnosti povečanja svetilnosti projekcijskega aparata z uporabo tankih plasti, ki bi jih nanesli na optične elemente. 2 Optični sistem projekcijskega aparata Naloga optičnega sistema v projekcijskem aparatu je zbiranje in usmerjanje svetlobe, ki jo seva žarnica skozi projekcijski objektiv na svetlobni zaslon. Optični sistem sestavljajo trije poglavitni sklopi: osvetlitveni sistem, projekcijski objektiv in nagibno ravno zrcalo. Shema optičnega sistema presevnega grafoskopa s potekom robnih svetlobnih žarkov je podana na sliki 1. I \ Projekcijski objektiv Presnelova leča Toplofni filter Kondenzor Izvir svetlobe Sfer i č no zrcalo Slika 1. Optični sistem presevnega grafoskopa Osvetlitveni sistem /1/ presevnega grafoskopa je običajno sestavljen iz naslednjih optičnih elementov: žarnice, sferičnega zrcala, kondenzorja, toplotnega filtra in Fresnelove leče. Močna nizkonapetostna žarnica predstavlja izvir svetlobe. S sferičnim zrcalom (krogelno konkavno zrcalo) odbijemo tisti del svetlobe, ki ga žarnica seva proti dnu grafoskopa. Konden-zor je pri grafoskopu narejen iz ene same plankon-veksne steklene leče. Z njim zberemo odbito in direktno svetlobo z žarnice in jo usmerimo na Fres-nelovo lečo. Vmes postavimo Še toplotni filter, s katerim zadržimo infrardeči del svetlobe. S tem preprečimo premočno gretje slikovnega materiala. Na področju osvetlitvene optike natančnost optičnih preslikav ni zelo zahtevna, zato lahko klasično lečo z veliko relativno odprtino nadomestimo s "stopničasto" ali Fresnelovo lečo 121. Uporaba takšne leče pomeni velik prihranek pri teži in vgradnem prostoru. Fresnelova leča je narejena iz tanke plošče plastične mase (navadno polimetilmetakrilat ali pleksi steklo). Na eni strani je ravna, na drugi stani pa ima vrezane koncentrične trikotne utore, ki so nagnjeni pod različnimi koti v odvisnosti od razdalje od središča leče. Če pogledamo Fresnelovo lečo v preseku, (slika 2) ugotovimo, da je podobna žagi, pri.kateri strmina zob narašča z oddaljevanjem od optične osi. Vsak trikoten utor deluje lokalno kot majhna prizma. Začetna asferjčm površina ou Wx Pwimo Fresnelove leče SUka 2. Shematski prikaz Fresnelove leče Tako s ploskovnim optičnim elementom (Fresnelovo lečo) nadomestimo močno zbiralno lečo, s katero zberemo svetlobo v stožčast snop in jo pošljemo skozi projekcijski objektiv. Tik nad Fresnelovo lečo imamo še objektno steklo (ravna steklena plošča iz float stekla), ki predstavlja ravnino preslikave. Na njo polagamo prozorne acetatne folije oz. presojnice. Projekcijski objektiv je običajno trolečni. S spreminjanjem njegove oddaljenosti od objektnega stekla lahko izostrimo projicirano sliko za različne oddaljenosti grafoskopa od svetlobnega zaslona. Z nastavljivim, poševno postavljenim ravnim zrcalom pa lahko do neke mere spreminjamo kot odklona svetlobnega snopa in s tem položaj projicirane slike na zaslonu. Kvalitetni optični sistem mora zbrati čim več svetlobe, ki jo žarnica seva v celoten prostorski kot. Svetlobni izkoristek optičnega sistema lahko definiramo kot razmerje med svetilnostjo grafoskopa in svetilnostjo žarnice. Iz podatka, da ima halogenska 400 W žarnica svetilnost okrog 14000 lumnov, lahko vidimo, da je svetlobni izkoristek tudi najsvetlejšega grafoskopa (5500 Im) zelo skromen. 3 Antirefleksna prekritja Pri prehodu svetlobe skozi mejo dveh optičnih snovi z različnima lomnima količnikoma m in m se del svetlobe odbije, del pa prepusti /3/. Pri pravokotnem vpadu je odbojnost R enaka: R = ni - m ni + r\2 Hitro lahko presodimo, da se na prehodu iz zraka (lomni količnik približno 1) v kronsko steklo z n = 1,52 odbije 4,2% vpadne vidne svetlobe. Tolikšen odboj dobimo na vsakem prehodu iz zraka v steklo, kakor tudi iz stekla nazaj v zrak. Z naraščanjem lomnega količnika stekla narašča tudi delež odbite svetlobe na površini stekla. Tako je za visokolomno fiintno steklo z n = 1,8 ta deiež že 8,2%. Z vakuumsko naparjenimi tankimi dielektričnimi plastmi lahko odbojnost površin optičnih elementov uspešno znižamo. Izvedbe antirefleksnega prekritja se razlikujejo po številu plasti in vrsti uporabljenih dielektričnih materialov /3,4/. Z večanjem števila plasti lahko odbojnost še bolj znižamo. Najenostavnejši primer antirefleksne plasti je približno 100 nm debela plast {\^gF2. Na površini stekla z n = 1,52 s tem znižamo odbojnost na 1,4%. Odbojnost tukaj podajamo kot povprečno vrednost odbitega dela vidne svetlobe v intervalu valovnih dolžin od 400 do 700 nm. Pri dvoplastnem prekritju uporabimo kombinacijo visoko-lomnega in nizkolomnega materiala, npr. Ti02 in Si02. Odbojnost znižamo na 1%. Za triplastno prekritje naparimo določene debeline AI2O3, TiOa in MgFa; povprečna odbojnost pade pod 0,5%. S pet in več plastnimi prekritji lahko odbojnost na površini še bolj znižamo. Teoretične spektralne porazdelitve odbite svetlobe za eno, dvo in triplastna prekritja so prikazane na sliki 3. M SM X tflci J Slika 3. Spektralne porazdelile odbite svetlobe, izračunane brez upoštevanja disperzije in absorpcije za nenaparjeno steklo z n^1.52 (a) in za na taki podlagi naparjeno enoplast-no (b), dvoplastno (c) in triplastno antirefleksna prekritje (d) V našem optičnem sistemu imamo sedem presevnih optičnih elementov, na katerih bi lahko naparili antirefleksna prekritja: kondenzor, toplotni filter, Fresnelo- vo lečo, objektno steklo in tri leče projekcijskega objektiva. Spomnimo se, da sedem optičnih elementov pomeni štirinajst površin, na katerih se svetloba odbije. Za primerjavo učinkovitosti antirefleksnih prekritij bomo normirali prepustnost idealnega optičnega sistema, brez odbojev na površinah na enoto 1 (tabela I). Prepustnosti posameznih optičnih elementov v sistemu se med seboj množijo. Za najslabši primer, ko so vsi elementi v grafoskopu brez antirefleksnih prekritij, dobljeno skupno prepustnost ocenimo na (0,958)^" = 0,54. Tabela I: Primerjava učinkovitosti antirefleksnih prekritij pri povečanju svetlobne prepustnosti optičnega sistema. Izračunane vrednosti veljajo za optični sistem, katerega elementi so izdelani iz stekla z lomnim količnikom nd = 1-52 Prepustnost optičnega sistema Brez svetlobnih izgub Brez anti-refleksnega pre kritja Trenutno stanje Vse površine naparjene z enoplastnim prekritjem Vse površine naparjene z triplastnim prekritjem 1-00 0.54 0-65 0.82 0.93 Tudi najsvetlejši serijsko izdelan grafoskop je zelo skromno opremljen z antirefleksnimi prekritji: z eno-plastnim prekritjem je naperjenih le vseh šest površin trilečnega projekcijskega objektiva. Teoretična prepustnost takšnega optičnega sistema je le 0,65. Če bi vseh štirinajst površin napariii z enoplastnim anti-refleksnlm prekritjem, bi se prepustnost povečala na 0,82, s triplastnim antirefleksnim prekritjem pa kar na 0,93. Pri tej presoji nismo upoštevali kotne odvisnosti odbojnosti na dielektrrčnih površinah, absorpcije svetlobe ter preostalih svetlobnih izgub. Glede na sedanji, delno naparjeni optični sistem presevnega grafoskopa bi torej z naparevanjem triplastnih antirefleksnih prekritij na vse presevne optične elemente dobili na zaslonu kar 43% več svetlobe. 4 Zrcalne plasti Poleg presevnih optičnih elementov Imamo v projekcijskih aparatih še zrcalne elemente. Delovanje zrcalnih elementov je neposredno odvisno od kakovosti naparjene zrcalne plasti. Pri presevnih elementih je pomembnejši lomni količnik stekla, krivinski radij in debelina, z antirefleksnimi prekritji pa samo izboljšamo optične lastnosti. V presevnem grafoskopu imamo dva zrcalna optična elementa; sferično zrcalo in projekcijsko ravno zrcalo. Zrcalne optične elemente dobimo z naparevanjem oz. naprševanjem zrcalnih plasti na izbrano podlago. Uporabljamo predvsem tri vrste zrcalnih plasti: aluminijaste, izboljšane aluminijaste in dielektrične plasti /3/. Spektralne porazdelitve odbite svetlobe za te plasti so prikazane na sliki 4. Pri navadnem aluminiziranem zrcalu nanesemo od 60 do 100 nm debelo plast aluminija, ki jo pred poškodbami zavarujemo z zaščitno plastjo SiOa. Povprečna refleksija takšne plasti navadno ne presega 89%. Izboljšano aluminizirano zrcalo je kombinacija kovinskih in dielektričnlh plasti, s katerimi izboljšamo osnovno refleksijo aluminija. Povprečna refleksija takšnega zrcala je do 94 %, za ožje spektralno območje pa tudi do 97%. Dielektrično zrcalo naredimo z izmeničnim naparevanjem visokolomnega in nizkolomnega materiala, npr. TiOa in Si02. Z večanjem števila naparjenih plasti širimo spektralni interval, v katerem ima prekritje visok zrcalni učinek. Z 20 do 30 naparjenimi plastmi (odvisno od izbranih materialov za naparevanje) lahko na spektralnem območju od 400 do 700 nm dosežemo refleksijo višjo od 99%. Takšno zrcalo odbija samo vidno svetlobo, prepušča pa ultravijolično in infrardečo. Slednje je zelo zaželeno pri konstrukciji osvetlitvenih sistemov, saj s takim zrcalom zmanjšamo toplotne obremenitve. Zato takšnemu zrcalu rečemo tudi hladno zrcalo. 350 «» t» 500 550 600 650 TOO 750 900 fiSO 900 950 1000 XI nm) Slika 4. spektralne porazdelitve odbite svetlobe za različne zrcalne sloje: aluminizirano zrcalo (a), Izboljšano aluminizirano zrcalo (b), dielektrično (hladno) zrcalo (c) Hladnemu zrcalu komplementaren optični element je zrcalo, ki odbija infrardečo in prepušča vidno svetlobo. Po zgornjem zgledu ga lahko poimenujemo vroče zrcalo /31. Izdelava vročega zrcaia je podobna izdelavi hladnega, le da so naparjene plasti debelejše. Sorodnost obeh optičnih elementov lepo prikazuje slika 5, pri čemer je na eni ordinati diagrama podana odbojnost hladnega zrcala, na drugi pa prepustnost vročega zrcala. Z vročim zrcalom lahko nadomestimo toplotni filter, ki smo ga sprva vgrajevali v naš optični sistem, prikazan na sliki 1. Primerjava spektralnih porazdelitev prepuščene svetlobe vročega zrcala in absorpcijskega filtra je podana na sliki 6, Iz diagrama razberemo, da je povprečna prepustnost vročega zrcala do 7% večja od prepustnosti absorpcijskega filtra. Druga prednost vročega zrcala pred absorpcijskim filtrom Je v brezbarvnosti za pravokoten vpad svetlobe. Absorpcijski filter je v presevni svetlobi zelenkast, saj poleg infrardeče zadrži tudi del rdečega dela vidne svetlobe. Zaradi tega je slika na zaslonu drugačnih barv kot na presoj niči. Telleksl)a (tel.enotel tronsmKlla (abs.enol«] 350 400 4$0 500 S5Q 600 «50 700 750 800 OSO 900 950 1000 valovna delilna (nm) Slika 5. Primerjava spel