De senaste åren har vissa linsdesigners uppdaterat sina linser med nya linsbeläggningar. Till exempel har Pentax senaste begränsade linser en befintlig optisk design med endast ett fåtal förbättringar, inklusive en bättre linsbeläggning.
När man testar sådana linser är granskare i allmänhet överens om att nya linsbeläggningar avsevärt förbättrar bildkvaliteten (särskilt kontrast och överstrålning), men förklarar aldrig riktigt. på vilket sätt linsbeläggningar fungerar. Det är syftet med denna artikel.
Ursprunget till linsbeläggningar
Historiskt har beläggningar introducerats för att minska ljusförlusten i optiska system. Faktum är att varje gång ljuset passerar från ett optiskt medium till ett annat, går en bråkdel av energin förlorad på grund av ett reflektionsfenomen. Detta reflektionsfenomen förekommer naturligt på vilken typ av yta som helst mellan två material, vare sig det är ytan av en flod, ett glas eller en spegel. Den enda skillnaden är mängden ljus som reflekteras. För glas är det allmänt accepterat att 96 % av ljuset transmitteras och 4 % reflekteras.
Ekvationen bakom dessa siffror är:
R är den reflekterade energin, n1 brytningsindex för det första mediet (1,0 för luft) och n2 brytningsindex för det andra mediet (glas, i vårt fall). Glasbrytningsindex är vanligtvis i intervallet 1,4 till 1,8. Värdet på 4 % härrör från ett typiskt brytningsindex på 1,5.
Denna förlorade energi kan till en början verka liten. Det ackumuleras dock för varje linsyta inuti ett givet linssystem. Ett primeobjektiv innehåller vanligtvis 7 till 12 element (vilket betyder cirka 15-20 linsytor, eftersom varje linselement har både ett luft/glas och ett glas/luft-gränssnitt) medan en modern zoomlinsdesign har mer än 20 element (vilket betyder ungefär 40 linsytor).
Denna typiska prime-lins skulle bara släppa igenom hälften av ljuset, medan zoomlinsen skulle sända mindre än 20 % av det inkommande ljuset.
Den första linsbeläggningen kan spåras tillbaka till den engelske matematikern och vetenskapsmannen Lord Rayleigh (John William Strutt, 3:e baron Rayleigh). Till sin stora förvåning upptäckte han 1886 att gammalt skamt glas släpper igenom mer ljus än nytt oförfärgat glas. Lord Rayleigh upptäckte att två på varandra följande gränssnitt luft/smuts och smuts/glas sänder mer ljus än ett enda luft/glas gränssnitt. Flera patent följde denna upptäckt och linsbeläggningen förbättrades gradvis.
För fotografer skedde en stor förbättring på 1930-talet. 1935 patenterade Zeiss-ingenjören Alexander Smakula den första beläggningen med flera lager av kemikalier. Denna design, som vi kommer att förklara senare, förbättrade dramatiskt prestanda hos linsbeläggningar och ledde till oöverträffade nivåer av optisk prestanda.
Hur effektiva är linsbeläggningar för att förbättra ljusgenomsläppligheten?
En linsbeläggning bringar typiskt transmissionen från cirka 96 % till över 99,7 %. Det betyder att ett typiskt primeobjektiv nu kan sända 95 % av ljuset (upp från 50 %) och vår zoom kan sända 88 % (upp från 20 %).
Uppenbarligen ger linsbeläggning en stor förbättring av fotografering i svagt ljus. Förbättringen är desto mer slående eftersom antalet optiska linser som används i fotografiska linser tenderar att öka i modern design. Om det i fotografins tidiga dagar var vanligt att använda en linsdubblett, är det numera vanligt att överskrida 15 linselement i datordesignade linser. Följaktligen är ljustransmission en allt viktigare fråga för linsdesigners.
Problemen med låg kontrast och linsljus
Det finns andra fördelar med användningen av beläggning på linser. Den energi som inte överförs reflekteras fram och tillbaka flera gånger i linsen och slutar med att läggas till den slutliga bilden. I bästa fall är mörka områden upplysta av diffust ljus, vilket ger lägre dynamiskt omfång och kontrast. I värsta fall producerar en kraftfull ljuskälla från scenen även ljusa fläckar inuti bilden, så kallade flare.
2016, linstillverkaren Zeiss genomförde ett intressant experiment till visa vikten av linsbeläggningar. Tillverkaren producerade två exemplar av exakt samma objektiv, en 21mm f/2.8 Distagon, en med optisk beläggning och den andra utan.
T*-belagd en (höger). Foto av Andreas
Bogenschütz och via Zeiss.
Nedan är några av bilderna som tagits av båda linserna i samma skick. Sammantaget reduceras bildkvaliteten drastiskt för alla bilder tagna med objektivet utan beläggning.
Fysiken hos linsbeläggningsdesigner
Utformningen av en beläggning kan baseras på olika fysikaliska principer. Listan innehåller indexbaserade metoder, GRIN-material, polarisering, diffraktionsteori och till och med metamaterial…
Den enklaste formen av antireflekterande beläggning, historiskt sett, tar oss tillbaka till transmissionsekvationen. Det verkar som att den totala transmissionen kan förbättras genom att lägga till ett medium med ett lägre brytningsindex (till exempel 1,3) än det för glas (till exempel 1,5).
Med den enkla beläggning som föreslagits ovan kan man förbättra ljustransmissionen från 96 % till 97,8 %. Men denna typ av enskiktsbeläggning är fortfarande långt ifrån 0% reflektion.
För att förbättra beläggningsprestandan tenderar linsdesigners att istället använda diffraktionsteori. Med hjälp av ljusets vågnatur kan man välja ett tunt lager av material för att perfekt avbryta reflektionen. Ett lager med en tjocklek på 1/4 av våglängden betyder att vågen som reflekteras på glaset kommer att färdas en extra 1/2 våglängd (1/4 våglängd kommer in och 1/4 våglängd kommer ut) jämfört med vågen som reflekteras på AR-beläggning. Således skiftas de två vågorna med motsatta faser och deras summa är noll.
Det finns ett par förbehåll för detta idealiska fall. För det första kommer ljus vanligtvis i ett spektrum istället för en enda våglängd (en enda våglängd finns egentligen inte i naturen, du kan hitta några i konstgjorda laserkällor). För synligt ljus sträcker sig våglängderna från 400 nm (blått ljus) till 800 nm (rött ljus). Det betyder att tjockleken som krävs för att eliminera reflektioner varierar avsevärt med färgen. Det kan också innebära att alla färger inte överförs lika, vilket verkligen betyder att linsbeläggningen kommer att introducera en färgton.
För det andra antog vår beräkning att ljusstrålarna är vinkelräta mot glasytan. I praktiska fall kan de dock falla på linsen i stor vinkel. Så snart en vinkel införs ökar den optiska banan inuti antireflexbeläggningen vilket resulterar i lägre transmission.
För att lösa dessa problem är den bästa lösningen att lägga till flera lager av beläggning. En vanlig struktur alternerar 1/4 våglängdsbeläggning med 1/2 våglängdsbeläggning. Det är vanligt att ha linser med typiskt 7 lager beläggning.
Hur massproduceras linsbeläggningar?
Våglängden i synligt ljus är cirka 500 nm, och linsbeläggningar är vanligtvis 100 nm till 250 nm tunna lager. För att sätta detta i perspektiv är ett genomsnittligt människohår ungefär tusen gånger tjockare.
Lagret ska också vara enhetligt genom hela glaset, så att lagertjockleken bara varierar med några procent. Detta steg kan inte utföras förrän glaset skärs och poleras till sin slutliga form eftersom poleringsprocessen annars skulle ta bort beläggningen.
Den moderna industriella processen använder ångavsättningsteknik. Det görs vanligtvis i en vakuumkammare med kemikalier för att avdunsta.
Här är en kort video av en maskin designad för detta ändamål:
Du kan se på den övre delen av systemet en uppsättning linser redo för beläggning. Dessa linser kommer att roteras genom beläggningsprocessen för att jämna ut lagret av antireflexbeläggning.
Slutsats
Vetenskapen om linsbeläggning är nästan sekelgammal. Ändå forskas ämnet fortfarande aktivt. Den mycket omdiskuterade metamaterialtekniken som skapar rubriker i dessa dagar kan ge möjliga förbättringar jämfört med befintliga linsbeläggningar.
Med tanke på den ökande komplexiteten i linsdesignerna är alla framsteg inom linsbeläggningen till det bästa eftersom det också förbättrar ljustransmissionen och bildkontrasten.
Om författarenTimothee Cognard är en optisk expert och fotograf baserad i Paris, Frankrike.
Bildkrediter: Header foto från Depositphotos
.
