I de senere år har nogle linsedesignere opdateret deres linser med nye linsebelægninger. For eksempel har Pentax’ nyeste begrænsede linser et eksisterende optisk design med kun få forbedringer, herunder en bedre linsebelægning.
Når man tester sådanne linser, er anmelderne generelt enige om, at nye linsebelægninger forbedrer billedkvaliteten væsentligt (især kontrast og flare), men forklarer aldrig helt. hvordan linsebelægninger virker. Det er formålet med denne artikel.
Oprindelsen af linsebelægninger
Historisk er belægninger blevet introduceret for at reducere lystab i optiske systemer. Faktisk, hver gang lyset passerer fra et optisk medium til et andet, går en brøkdel af energien tabt på grund af et reflektionsfænomen. Dette fænomen med refleksion forekommer naturligt på enhver type overflade mellem to materialer, det være sig overfladen af en flod, et glas eller et spejl. Den eneste forskel er mængden af lys, der reflekteres. For glas er det almindeligt accepteret, at 96 % af lyset transmitteres og 4 % reflekteres.
Ligningen bag disse tal er:
R er den reflekterede energi, n1 brydningsindekset for det første medium (1,0 for luft) og n2 brydningsindekset for det andet medium (glas, i vores tilfælde). Glas brydningsindeks er normalt i området 1,4 til 1,8. Værdien på 4 % stammer fra et typisk brydningsindeks på 1,5.
Denne tabte energi kan virke lille i starten. Det akkumuleres dog for hver linseoverflade inde i et givet linsesystem. Et primeobjektiv indeholder typisk 7 til 12 elementer (hvilket betyder omkring 15-20 linseoverflader, da hvert linseelement har både en luft/glas og en glas/luft-grænseflade), hvorimod et moderne zoomobjektivdesign har mere end 20 elementer (hvilket betyder ca. 40 linseoverflader).
Denne typiske prime linse ville kun lade halvdelen af lyset gå igennem, hvorimod zoomobjektivet ville transmittere mindre end 20% af det indkommende lys.
Den første linsebelægning kan spores tilbage til den engelske matematiker og videnskabsmand Lord Rayleigh (John William Strutt, 3. Baron Rayleigh). Til sin store overraskelse opdagede han i 1886, at gammelt plettet glas transmitterer mere lys end nyt uplettet glas. Lord Rayleigh opdagede, at to på hinanden følgende grænseflader luft/anløbning og anløbning/glas transmitterer mere lys end en enkelt luft/glas-grænseflade. Adskillige patenter fulgte denne opdagelse, og linsebelægningen blev gradvist forbedret.
For fotografer skete der en stor forbedring i 1930’erne. I 1935 patenterede Zeiss-ingeniør Alexander Smakula den første belægning ved hjælp af flere lag kemikalier. Dette design, som vi vil forklare senere, forbedrede dramatisk ydeevnen af linsebelægninger og førte til hidtil usete niveauer af optisk ydeevne.
Hvor effektive er linsebelægninger til at forbedre lystransmission?
En linsebelægning bringer typisk transmissionen fra omkring 96 % til over 99,7 %. Det betyder, at et typisk primeobjektiv nu kan transmittere 95% af lyset (op fra 50%) og vores zoom kan transmittere 88% (op fra 20%).
Det er klart, at linsebelægning giver en stor forbedring til fotografering i svagt lys. Forbedringen er så meget desto mere slående, som antallet af optiske linser, der bruges i fotografiske linser, har tendens til at stige i moderne design. Hvis det i fotografiets tidlige dage var almindeligt at bruge en linsedublet, er det i dag almindeligt at overstige 15 linseelementer i computerdesignede objektiver. Derfor er lystransmission en stadig vigtigere sag for linsedesignere.
Problemerne med lav kontrast og linseudstråling
Der er andre fordele ved brugen af belægning på linser. Den energi, der ikke transmitteres, reflekteres frem og tilbage flere gange i linsen og ender med at blive tilføjet det endelige billede. I bedste fald oplyses mørke områder af diffust lys, hvilket resulterer i lavere dynamikområde og kontrast. I værste fald producerer en kraftig lyskilde fra scenen også lyse pletter inde i billedet, kendt som flares.
I 2016 har linseproducenten Zeiss udført et interessant eksperiment til demonstrere vigtigheden af linsebelægninger. Producenten producerede to kopier af nøjagtig samme linse, en 21mm f/2.8 Distagon, den ene med optiske belægninger og den anden uden.
T*-belagt en (højre). Foto af Andreas
Bogenschütz og via Zeiss.
Nedenfor er nogle af billederne taget af begge linser i samme stand. Samlet set er billedkvaliteten drastisk reduceret for alle billeder taget med objektivet uden belægninger.
Fysikken bag linsebelægningsdesign
Designet af en belægning kan være baseret på forskellige fysiske principper. Listen inkluderer indeksbaserede metoder, GRIN-materialer, polarisering, diffraktionsteori og endda metamaterialer…
Den enkleste form for anti-reflekterende belægning bringer os historisk tilbage til transmissionsligningen. Det ser ud til, at den samlede transmission kan forbedres ved at tilføje et medium med et lavere brydningsindeks (f.eks. 1,3) end glas (f.eks. 1,5).
Med den simple belægning foreslået ovenfor kan man forbedre lystransmissionen fra 96% til 97,8%. Denne type enkeltlagsbelægning er dog stadig langt fra 0 % refleksion.
For at forbedre belægningsydelsen har linsedesignere en tendens til at bruge diffraktionsteori i stedet for. Ved at bruge lysets bølgenatur kan man vælge et tyndt lag materiale for perfekt at annullere refleksionen. Et lag med en tykkelse på 1/4 af bølgelængden betyder, at bølgen, der reflekteres på glasset, vil rejse en ekstra 1/2 bølgelængde (1/4 bølgelængde kommer ind, og 1/4 bølgelængde kommer ud) sammenlignet med bølgen, der reflekteres på AR-coating. Således forskydes de to bølger med modsatte faser, og deres sum er nul.
Der er et par forbehold til denne ideelle sag. For det første kommer lys normalt i et spektrum i stedet for en enkelt bølgelængde (en enkelt bølgelængde findes ikke rigtigt i naturen, du kan finde nogle i menneskeskabte laserkilder). For synligt lys varierer bølgelængderne fra 400 nm (blåt lys) til 800 nm (rødt lys). Det betyder, at den nødvendige tykkelse for at eliminere refleksioner varierer betydeligt med farven. Det kan også betyde, at alle farver ikke transmitteres lige meget, hvilket reelt betyder, at linsebelægningen vil introducere et farvestød.
For det andet antog vores beregning, at lysstrålerne er vinkelrette på glasoverfladen. I praktiske tilfælde kan de dog falde på linsen i en stor vinkel. Så snart en vinkel er indført, øges den optiske vej inde i antirefleksbelægningen, hvilket resulterer i lavere transmission.
For at løse disse problemer er den bedste løsning at tilføje flere lag belægning. En fælles struktur skifter 1/4 bølgelængdebelægning med 1/2 bølgelængdebelægning. Det er almindeligt at have linser med typisk 7 lag belægning.
Hvordan masseproduceres linsebelægninger?
Bølgelængden i synligt lys er omkring 500 nm, og linsebelægninger er typisk 100 nm til 250 nm tynde lag. For at sætte dette i perspektiv er et gennemsnitligt menneskehår omkring tusind gange tykkere.
Laget skal også være ensartet i hele glasset, så lagtykkelsen kun varierer med få procent. Dette trin kan ikke udføres, før glasset er skåret og poleret til sin endelige form, da poleringsprocessen ellers ville fjerne belægningen.
Den moderne industrielle proces bruger dampaflejringsteknologier. Det gøres typisk i et vakuumkammer med kemikalier til at fordampe.
Her er en kort video af en maskine designet til dette formål:
Du kan se på den øverste del af systemet et sæt linser klar til coating. Disse linser vil blive roteret gennem belægningsprocessen for at udjævne laget af antirefleksbelægning.
Konklusion
Videnskaben om linsebelægning er næsten århundrede gammel. Alligevel forskes der stadig aktivt i emnet. De meget omdiskuterede metamateriale-teknologier, der skaber overskrifter i disse dage, kan bringe mulige forbedringer i forhold til eksisterende linsebelægninger.
I betragtning af den stigende kompleksitet af linsedesign, er ethvert fremskridt inden for linsecoating til det bedste, da det også forbedrer lystransmission og billedkontrast.
Om forfatterenTimothee Cognard er optisk ekspert og fotograf baseret i Paris, Frankrig.
Billedkreditering: Overskriftsbillede fra Depositphotos
.
