Why Lens Coatings Are So Important in Photography

Τα τελευταία χρόνια, ορισμένοι σχεδιαστές φακών έχουν ενημερώσει τους φακούς τους με νέες επικαλύψεις φακών. Για παράδειγμα, οι πιο πρόσφατοι φακοί Pentax Limited διαθέτουν υπάρχουσα οπτική σχεδίαση με λίγες μόνο βελτιώσεις, συμπεριλαμβανομένης μιας καλύτερης επίστρωσης φακού.

Κατά τη δοκιμή τέτοιων φακών, οι αναθεωρητές συμφωνούν γενικά ότι η νέα επίστρωση φακού βελτιώνει σημαντικά την ποιότητα της εικόνας (ιδιαίτερα την αντίθεση και τη λάμψη), αλλά ποτέ δεν το εξηγεί πλήρως αυτό. Πώς να Εργασία επίστρωσης φακού. Αυτός είναι ο στόχος αυτού του άρθρου.

Σετ φακών με αντιανακλαστικές επικαλύψεις. Φωτογραφία του Minglio D.

Προέλευση επικάλυψης φακού

Ιστορικά, επιστρώσεις εισήχθησαν για τη μείωση της απώλειας φωτός στα οπτικά συστήματα. Στην πραγματικότητα, κάθε φορά που το φως περνά από το ένα οπτικό μέσο στο άλλο, μέρος της ενέργειας χάνεται λόγω του φαινομένου της ανάκλασης. Το φαινόμενο της ανάκλασης εμφανίζεται φυσικά σε κάθε τύπο επιφάνειας μεταξύ δύο υλικών, είτε πρόκειται για επιφάνεια ποταμού, γυαλί ή καθρέφτη. Η μόνη διαφορά είναι η ποσότητα του φωτός που ανακλάται. Για το γυαλί, είναι γενικά αποδεκτό ότι το 96% του φωτός μεταδίδεται και το 4% ανακλάται.

Η εξίσωση πίσω από αυτούς τους αριθμούς είναι:

μικρό είναι η ανακλώμενη ενέργεια, n1 Ο δείκτης διάθλασης του πρώτου μέσου (1,0 για τον αέρα) και n2 Ο δείκτης διάθλασης του δεύτερου μέσου (γυαλί στην περίπτωσή μας). Ο δείκτης διάθλασης του γυαλιού κυμαίνεται συνήθως από 1,4 έως 1,8. Η τιμή του 4% προκύπτει από έναν τυπικό δείκτη διάθλασης 1,5.

Αυτή η χαμένη ενέργεια μπορεί να φαίνεται ελάχιστη στην αρχή. Ωστόσο, συσσωρεύεται για κάθε επιφάνεια φακού μέσα σε ένα συγκεκριμένο σύστημα φακών. Ένας prime φακός έχει συνήθως 7 έως 12 στοιχεία (που σημαίνει περίπου 15-20 επιφάνειες φακού, αφού κάθε στοιχείο φακού έχει αέρα/γυαλί και πρόσοψη γυαλιού/αέρα) ενώ ένας σύγχρονος σχεδιασμός φακού ζουμ έχει περισσότερα από 20 στοιχεία (που σημαίνει περίπου 40 επιφάνειες φακού).

Αυτός ο τυπικός πρωταρχικός φακός θα αφήσει μόνο το μισό φως, ενώ ο φακός ζουμ θα μεταδώσει λιγότερο από το 20% του εισερχόμενου φωτός.

Διάγραμμα των οπτικών μέσα σε φακό Canon EF 24-105mm f/4 IS USM. Εικονογράφηση από τον Alessio Facchin και άδεια σύμφωνα με το CC BY-SA 3.0.

Η πρώτη επίστρωση φακού μπορεί να εντοπιστεί στον Άγγλο μαθηματικό και επιστήμονα Λόρδο Rayleigh (John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh). Προς μεγάλη του έκπληξη, ανακάλυψε το 1886 ότι το παλιό, θαμπό γυαλί μεταδίδει περισσότερο φως από το νέο, χωρίς γυαλί. Ο Λόρδος Ράιλι ανακάλυψε ότι δύο διαδοχικές διεπαφές αέρα/παραμόρφωσης και παραμόρφωσης/γυαλιού μεταδίδουν περισσότερο φως από μια μεμονωμένη διεπαφή αέρα/γυαλιού. Αυτή η ανακάλυψη ακολουθήθηκε από αρκετές πατέντες και σταδιακά βελτιώθηκαν οι επικαλύψεις φακών.

Ο Λόρδος Ράιλι έκανε μια πρωτοποριακή ανακάλυψη σχετικά με τη μετάδοση του φωτός μέσω του γυαλιού το 1886.

Για τους φωτογράφους, μια τεράστια βελτίωση σημειώθηκε τη δεκαετία του 1930. Το 1935, ο μηχανικός Zeiss Alexander Smakola κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την πρώτη επίστρωση χρησιμοποιώντας πολλαπλά στρώματα χημικών ουσιών. Αυτός ο σχεδιασμός, όπως θα εξηγήσουμε στη συνέχεια, βελτίωσε σημαντικά την απόδοση της επίστρωσης του φακού και οδήγησε σε πρωτοφανή επίπεδα οπτικής απόδοσης.

Μετάδοση φωτός στη διεπαφή αέρα-γυαλιού, χωρίς (αριστερά) και με επίστρωση (δεξιά).

Πόσο αποτελεσματική είναι μια επίστρωση φακού στη βελτίωση της μετάδοσης του φωτός;

Η επίστρωση φακού συνήθως φέρνει μετάδοση από περίπου 96% σε πάνω από 99,7%. Αυτό σημαίνει ότι ένας τυπικός πρωταρχικός φακός μπορεί τώρα να μεταδώσει το 95% του φωτός (πάνω από 50%) και ένα ζουμ μπορεί να μεταδώσει το 88% (πάνω από 20%).

Η επίστρωση του φακού φέρνει προφανώς σημαντική βελτίωση στη φωτογραφία σε χαμηλό φωτισμό. Η βελτίωση ήταν ακόμη πιο εντυπωσιακή καθώς ο αριθμός των οπτικών φακών που χρησιμοποιούνται σε φωτογραφικούς φακούς τείνει να αυξάνεται στα μοντέρνα σχέδια. Αν ήταν σύνηθες στις πρώτες μέρες της φωτογραφίας η χρήση διπλού φακού, στις μέρες μας είναι σύνηθες να υπερβαίνουν τα 15 στοιχεία φακού σε φακούς σχεδιασμένους από υπολογιστή. Έτσι, η μετάδοση του φωτός είναι ολοένα και πιο σημαντική για τους σχεδιαστές φακών.

Προβλήματα χαμηλής αντίθεσης και φωτοβολίδες φακού

Υπάρχουν άλλα πλεονεκτήματα στη χρήση επικαλύψεων σε φακούς. Η ενέργεια που δεν ταξιδεύει μπρος-πίσω αντανακλάται πολλές φορές στον φακό και καταλήγει να προστίθεται στην τελική εικόνα. Στην καλύτερη περίπτωση, οι σκοτεινές περιοχές φωτίζονται από διάχυτο φως, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα μειωμένο δυναμικό εύρος και αντίθεση. Στη χειρότερη περίπτωση, μια ισχυρή πηγή φωτός από τη σκηνή παράγει επίσης φωτεινά σημεία μέσα στην εικόνα, γνωστά ως φωτοβολίδες.

Το 2016, ο κατασκευαστής φακών Zeiss πραγματοποίησε ένα ενδιαφέρον πείραμα για να αποδείξει τη σημασία των επικαλύψεων φακών. Ο κατασκευαστής παρήγαγε δύο εκδόσεις του ίδιου ακριβώς φακού, του 21mm f/2.8 Distagon, μία με οπτικές επιστρώσεις και μία χωρίς.

Φακός Zeiss Distagon 21mm f2.8 ZE (αριστερά) και α
T * – ένας φάκελος (δεξιά). Φωτογραφία Ανδρέας
Bogenschütz, Via Zeiss.

Ακολουθούν μερικές φωτογραφίες και των δύο φακών στην ίδια κατάσταση. Γενικά, η ποιότητα της εικόνας μειώνεται σημαντικά για όλες τις φωτογραφίες που λαμβάνονται με τον φακό χωρίς επίστρωση.

Εικόνες που τραβήχτηκαν (πάνω) και χωρίς επικαλύψεις φακών (κάτω). Εικόνες Zeiss.
Εικόνες που τραβήχτηκαν (πάνω) και χωρίς επικαλύψεις φακών (κάτω). Εικόνες Zeiss.

Φυσική σχεδίων επικάλυψης φακών

Ο σχεδιασμός της επίστρωσης μπορεί να βασίζεται σε διαφορετικές φυσικές αρχές. Η λίστα περιλαμβάνει μεθόδους που βασίζονται σε δείκτες, υλικά GRIN, πόλωση, θεωρία περίθλασης, ακόμη και μεταϋλικά…

Η απλούστερη μορφή αντι-αντιστορικής επίστρωσης, ιστορικά, μας μεταφέρει πίσω στην εξίσωση μετάδοσης. Φαίνεται ότι η συνολική μετάδοση μπορεί να βελτιωθεί με την προσθήκη ενός μέσου με χαμηλότερο δείκτη διάθλασης (π.χ. 1,3) από το γυάλινο μέσο (π.χ. 1,5).

Με την απλή επίστρωση που προτείνεται παραπάνω, μπορεί κανείς να βελτιώσει τη μετάδοση του φωτός από 96% σε 97,8%. Ωστόσο, αυτός ο τύπος επίστρωσης μίας στρώσης απέχει ακόμα πολύ από την ανακλαστικότητα 0%.

Για να βελτιώσουν την απόδοση της επίστρωσης, οι σχεδιαστές φακών τείνουν να χρησιμοποιούν τη θεωρία περίθλασης. Χρησιμοποιώντας την κυματική φύση του φωτός, μπορεί κανείς να επιλέξει ένα λεπτό στρώμα υλικού για να ακυρώσει εντελώς την ανάκλαση. Ένα στρώμα πάχους 1/4 του μήκους κύματος σημαίνει ότι το κύμα που ανακλάται στο γυαλί θα ταξιδεύει στο 1/2 μήκος κύματος (1/4 εισερχόμενου μήκους κύματος, 1/4 μήκος κύματος που βγαίνει) σε σύγκριση με το κύμα που ανακλάται στο γυαλί. επίστρωση AR. Έτσι, τα δύο κύματα μετατοπίζονται σε αντίθετες φάσεις και το άθροισμά τους είναι κενό.

Εικαστική παρουσίαση θεωρίας περίθλασης με επίστρωση μήκους κύματος/4. Οι ακτίνες που αντανακλώνται από το γυαλί και οι ακτίνες που αντανακλώνται από το χρώμα αλληλοεξουδετερώνονται.

Υπάρχουν δύο επιφυλάξεις σε αυτήν την ιδανική περίπτωση. Πρώτον, το φως έρχεται συνήθως σε ένα φάσμα και όχι σε ένα μόνο μήκος κύματος (το μοναδικό μήκος κύματος δεν υπάρχει στην πραγματικότητα στη φύση, μπορείτε να βρείτε κάποιο σε ανθρωπογενείς πηγές λέιζερ). Για το ορατό φως, τα μήκη κύματος κυμαίνονται από 400 νανόμετρα (μπλε φως) έως 800 νανόμετρα (κόκκινο φως). Αυτό σημαίνει ότι το πάχος που απαιτείται για την αφαίρεση των αντανακλάσεων ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με το χρώμα. Θα μπορούσε επίσης να σημαίνει ότι δεν μεταδίδονται όλα τα χρώματα εξίσου, πράγμα που σημαίνει πραγματικά ότι η επίστρωση του φακού θα παρουσιάζει ένα έμμεσο χρώμα.

Δεύτερον, ο υπολογισμός μας υπέθεσε ότι οι ακτίνες του φωτός είναι κάθετες στην επιφάνεια του γυαλιού. Ωστόσο, σε πρακτικές περιπτώσεις, μπορεί να πέσει πάνω στο φακό με μεγάλη γωνία. Μόλις εισαχθεί η γωνία, η οπτική διαδρομή μέσα στο αντιανακλαστικό περίβλημα αυξάνεται, προκαλώντας μείωση της μετάδοσης.

Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων, η καλύτερη λύση είναι να προσθέσετε πολλά στρώματα χρώματος. Η κοινή δομή εναλλάσσει την επίστρωση του 1/4 του μήκους κύματος με την επίστρωση 1/2 του μήκους κύματος. Είναι σύνηθες να έχουμε φακούς με 7 στρώσεις επίστρωσης.

Μοτίβο επίστρωσης πολλαπλών στρώσεων.

Πώς παράγονται οι επικαλύψεις φακών;

Το μήκος κύματος στο ορατό φως είναι περίπου 500 nm και οι επικαλύψεις των φακών είναι συνήθως 100 nm έως 250 nm λεπτά στρώματα. Για να το λάβουμε αυτό υπόψη, η μέση ανθρώπινη τρίχα είναι περίπου χίλιες φορές παχιά.

Το στρώμα θεωρείται επίσης ότι είναι ομοιόμορφο σε όλο το γυαλί, έτσι ώστε το πάχος αυτού του στρώματος να ποικίλλει μόνο κατά ένα μικρό ποσοστό. Αυτό το βήμα δεν μπορεί να εκτελεστεί έως ότου το γυαλί έχει κοπεί και γυαλιστεί στο τελικό του σχήμα, επειδή διαφορετικά η διαδικασία στίλβωσης θα αφαιρούσε την επίστρωση.

Η σύγχρονη βιομηχανική διαδικασία χρησιμοποιεί τεχνικές εναπόθεσης ατμού. Συνήθως εκτελείται σε θάλαμο κενού που περιέχει χημικές ουσίες για εξάτμιση.

Ακολουθεί ένα σύντομο βίντεο μιας μηχανής που κατασκευάστηκε για αυτόν τον σκοπό:

Μπορείτε να δείτε στο επάνω μέρος του συστήματος ένα σετ φακών έτοιμοι για βαφή. Αυτοί οι φακοί θα περιστραφούν κατά τη διάρκεια της διαδικασίας επίστρωσης για να ισοπεδώσουν την αντιανακλαστική επίστρωση.

συμπέρασμα

Η επιστήμη των επικαλύψεων φακών χρονολογείται σχεδόν έναν αιώνα πίσω. Ωστόσο, το θέμα εξακολουθεί να ερευνάται ενεργά. Οι πολυσυζητημένες τεχνολογίες μετα-υλικών που γίνονται πρωτοσέλιδα αυτές τις μέρες μπορούν να φέρουν πιθανές βελτιώσεις στις υπάρχουσες επικαλύψεις φακών.

Λόγω της αυξανόμενης πολυπλοκότητας των σχεδίων φακών, οποιαδήποτε πρόοδος στις επικαλύψεις φακών είναι προτιμότερη γιατί βελτιώνει επίσης τη μετάδοση του φωτός και την αντίθεση της εικόνας.


Σχετικά με τον ΣυγγραφέαΟ Timothee Cognard είναι εικαστικός ειδικός και φωτογράφος με έδρα το Παρίσι της Γαλλίας.


Πιστώσεις εικόνας: Εικόνα τίτλου από το Depositphotos

Leave a Comment