En los últimos años, algunos diseñadores de lentes han actualizado sus lentes con nuevos revestimientos para lentes. Por ejemplo, las lentes limitadas más nuevas de Pentax cuentan con un diseño óptico existente con solo algunas mejoras, incluido un mejor revestimiento de lente.
Al probar tales lentes, los revisores generalmente están de acuerdo en que los nuevos recubrimientos de lentes mejoran significativamente la calidad de la imagen (especialmente el contraste y el destello), pero nunca explican del todo cómo los recubrimientos de lentes funcionan. Ese es el objetivo de este artículo.
Los orígenes de los recubrimientos de lentes
Históricamente, se han introducido recubrimientos para reducir la pérdida de luz en los sistemas ópticos. De hecho, cada vez que la luz pasa de un medio óptico a otro, se pierde una fracción de la energía debido a un fenómeno de reflexión. Este fenómeno de reflexión se produce de forma natural en cualquier tipo de superficie entre dos materiales, ya sea la superficie de un río, un vaso o un espejo. La única diferencia es la cantidad de luz reflejada. Para el vidrio, se acepta comúnmente que el 96 % de la luz se transmite y el 4 % se refleja.
La ecuación detrás de estos números es:
R es la energía reflejada, norte1 el índice de refracción del primer medio (1,0 para el aire) y norte2 el índice de refracción del segundo medio (vidrio, en nuestro caso). El índice de refracción del vidrio suele estar en el rango de 1,4 a 1,8. El valor del 4% se deriva de un índice de refracción típico de 1,5.
Esta energía perdida puede parecer menor al principio. Sin embargo, se acumula para cada superficie de lente dentro de un sistema de lente dado. Una lente principal generalmente contiene de 7 a 12 elementos (lo que significa alrededor de 15 a 20 superficies de lente, ya que cada elemento de lente tiene una interfaz aire/vidrio y vidrio/aire), mientras que un diseño de lente de zoom moderno presenta más de 20 elementos (lo que significa aproximadamente 40 superficies de lentes).
Esta lente principal típica solo dejaría pasar la mitad de la luz, mientras que la lente de zoom transmitiría menos del 20% de la luz entrante.
El primer revestimiento de lente se remonta al matemático y científico inglés Lord Rayleigh (John William Strutt, 3er Barón Rayleigh). Para su sorpresa, descubrió en 1886 que el vidrio viejo deslustrado transmite más luz que el vidrio nuevo sin deslustrar. Lord Rayleigh descubrió que dos interfaces sucesivas aire/deslustre y deslustre/vidrio transmiten más luz que una sola interfaz aire/vidrio. Varias patentes siguieron a este descubrimiento y el recubrimiento de la lente mejoró gradualmente.
Para los fotógrafos, se produjo una mejora importante en la década de 1930. En 1935, el ingeniero de Zeiss, Alexander Smakula, patentó el primer recubrimiento que utilizaba múltiples capas de productos químicos. Este diseño, como explicaremos más adelante, mejoró drásticamente el rendimiento de los recubrimientos de lentes y condujo a niveles de rendimiento óptico sin precedentes.
¿Qué tan efectivos son los recubrimientos de lentes para mejorar la transmisión de luz?
Un recubrimiento de lente normalmente hace que la transmisión pase de aproximadamente el 96 % a más del 99,7 %. Esto significa que una lente principal típica ahora puede transmitir el 95 % de la luz (en lugar del 50 %) y nuestro zoom puede transmitir el 88 % (en lugar del 20 %).
Obviamente, el recubrimiento de la lente aporta una gran mejora a la fotografía con poca luz. La mejora es tanto más llamativa cuanto que el número de lentes ópticas utilizadas en las lentes fotográficas tiende a aumentar en los diseños modernos. Si en los inicios de la fotografía era común usar un doblete de lentes, hoy en día es común exceder los 15 elementos de lente en lentes diseñados por computadora. En consecuencia, la transmisión de la luz es un asunto cada vez más importante para los diseñadores de lentes.
Los problemas del bajo contraste y los destellos de lente
Hay otras ventajas en el uso de recubrimiento en lentes. La energía que no se transmite se refleja varias veces en la lente y acaba añadiéndose a la imagen final. En el mejor de los casos, las áreas oscuras se iluminan con luz difusa, lo que da como resultado un rango dinámico y un contraste más bajos. En el peor de los casos, una poderosa fuente de luz de la escena también produce puntos brillantes dentro de la imagen, conocidos como destellos.
En 2016, el fabricante de lentes Zeiss llevó a cabo un interesante experimento para demostrar la importancia de los recubrimientos de lentes. El fabricante produjo dos copias del mismo objetivo, un Distagon de 21 mm f/2,8, uno con revestimiento óptico y otro sin él.
Uno con revestimiento T* (derecha). Foto de Andreas
Bogenschütz y vía Zeiss.
A continuación se muestran algunas de las imágenes obtenidas por ambos lentes en las mismas condiciones. En general, la calidad de la imagen se reduce drásticamente para todas las imágenes tomadas con la lente sin recubrimientos.
La física de los diseños de recubrimiento de lentes
El diseño de un recubrimiento puede basarse en varios principios físicos. La lista incluye métodos basados en índices, materiales GRIN, polarización, teoría de la difracción e incluso metamateriales…
Históricamente, la forma más simple de revestimiento antirreflectante nos lleva de vuelta a la ecuación de la transmisión. Parece que la transmisión total puede mejorarse añadiendo un medio con un índice de refracción más bajo (por ejemplo, 1,3) que el del vidrio (por ejemplo, 1,5).
Con el recubrimiento simple propuesto anteriormente, se puede mejorar la transmisión de luz del 96 % al 97,8 %. Sin embargo, este tipo de revestimiento monocapa todavía está lejos del 0% de reflexión.
Para mejorar el rendimiento del recubrimiento, los diseñadores de lentes tienden a utilizar la teoría de la difracción. Utilizando la naturaleza ondulatoria de la luz, se puede elegir una fina capa de material para cancelar perfectamente el reflejo. Una capa con un grosor de 1/4 de la longitud de onda significa que la onda reflejada en el vidrio viajará 1/2 longitud de onda adicional (1/4 de longitud de onda entrando y 1/4 de longitud de onda saliendo) en comparación con la onda reflejada en el vidrio. Recubrimiento AR. Así, las dos ondas se desplazan con fases opuestas y su suma es nula.
Hay un par de advertencias para este caso ideal. En primer lugar, la luz generalmente viene en un espectro en lugar de una sola longitud de onda (una sola longitud de onda realmente no existe en la naturaleza, puede encontrar algunas en fuentes de láser hechas por el hombre). Para la luz visible, las longitudes de onda van desde los 400 nm (luz azul) hasta los 800 nm (luz roja). Esto significa que el espesor requerido para eliminar los reflejos varía significativamente con el color. También podría significar que todos los colores no se transmiten por igual, lo que realmente significa que el revestimiento de la lente introducirá un matiz de color.
En segundo lugar, nuestro cálculo asumió que los rayos de luz son perpendiculares a la superficie del vidrio. En casos prácticos, sin embargo, pueden caer sobre la lente en un gran ángulo. Tan pronto como se introduce un ángulo, la trayectoria óptica dentro del revestimiento antirreflectante aumenta, lo que da como resultado una transmisión más baja.
Para resolver estos problemas, la mejor solución es agregar varias capas de recubrimiento. Una estructura común alterna un recubrimiento de 1/4 de longitud de onda con un recubrimiento de 1/2 de longitud de onda. Es común tener lentes con típicamente 7 capas de recubrimiento.
¿Cómo se producen en masa los recubrimientos para lentes?
La longitud de onda en la luz visible es de alrededor de 500 nm, y los recubrimientos de lentes suelen ser capas delgadas de 100 nm a 250 nm. Para poner esto en perspectiva, un cabello humano promedio es unas mil veces más grueso.
También se supone que la capa es uniforme en todo el vidrio, por lo que el grosor de la capa solo varía en un pequeño porcentaje. Este paso no se puede realizar hasta que el vidrio se corte y se pula a su forma final ya que, de lo contrario, el proceso de pulido eliminaría el revestimiento.
El proceso industrial moderno utiliza tecnologías de deposición de vapor. Por lo general, se realiza en una cámara de vacío con productos químicos para evaporar.
Aquí hay un video corto de una máquina diseñada para este propósito:
Puede ver en la parte superior del sistema un juego de lentes listas para recubrir. Estos lentes rotarán a través del proceso de recubrimiento para nivelar la capa de recubrimiento antirreflectante.
Conclusión
La ciencia de los recubrimientos de lentes tiene casi un siglo de antigüedad. Sin embargo, el tema todavía se está investigando activamente. Las tecnologías de metamateriales de las que tanto se habla en los titulares de estos días podrían traer posibles mejoras con respecto a los recubrimientos de lentes existentes.
Dada la creciente complejidad de los diseños de lentes, cualquier progreso en el recubrimiento de lentes es lo mejor, ya que también mejora la transmisión de luz y el contraste de la imagen.
Sobre el Autor: Timothee Cognard es un experto en óptica y fotógrafo con sede en París, Francia.
Créditos de la imagen: foto de cabecera de Depositphotos
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