Why Lens Coatings Are So Important in Photography

Negli ultimi anni, alcuni progettisti di obiettivi hanno aggiornato i propri obiettivi con nuovi rivestimenti per obiettivi. Ad esempio, gli ultimi obiettivi Pentax Limited presentano un design ottico esistente con solo pochi miglioramenti, incluso un migliore rivestimento dell’obiettivo.

Quando si testano tali obiettivi, i revisori generalmente concordano sul fatto che il nuovo rivestimento dell’obiettivo migliora notevolmente la qualità dell’immagine (in particolare contrasto e bagliore), ma non lo spiega mai completamente. Come faccio Lavoro di rivestimento delle lenti. Questo è lo scopo di questo articolo.

Un set di lenti con trattamenti antiriflesso. foto di Minglio D.

Origini del rivestimento delle lenti

Storicamente, i rivestimenti sono stati introdotti per ridurre la perdita di luce nei sistemi ottici. Infatti, ogni volta che la luce passa da un mezzo ottico all’altro, parte dell’energia viene persa a causa del fenomeno della riflessione. Il fenomeno della riflessione si verifica naturalmente su qualsiasi tipo di superficie tra due materiali, sia essa una superficie di fiume, un vetro o uno specchio. L’unica differenza è la quantità di luce riflessa. Per il vetro, è generalmente accettato che il 96% della luce venga trasmesso e il 4% venga riflesso.

L’equazione alla base di questi numeri è:

S è l’energia riflessa, n1 L’indice di rifrazione del primo mezzo (1,0 per l’aria) e n2 L’indice di rifrazione del secondo mezzo (vetro nel nostro caso). L’indice di rifrazione del vetro è generalmente compreso tra 1,4 e 1,8. Il valore del 4% è derivato da un indice di rifrazione tipico di 1,5.

Questa energia persa può sembrare leggera all’inizio. Tuttavia, si accumula per ciascuna superficie della lente all’interno di un particolare sistema di lenti. Un obiettivo primario ha in genere da 7 a 12 elementi (il che significa circa 15-20 superfici dell’obiettivo, poiché ogni elemento dell’obiettivo ha un frontale aria/vetro e un vetro/aria) mentre un moderno design dell’obiettivo zoom ha più di 20 elementi (il che significa approssimativamente 40 superfici delle lenti).

Questo tipico obiettivo a focale fissa lascia entrare solo metà della luce, mentre l’obiettivo zoom trasmetterà meno del 20% della luce in entrata.

Schema dell’ottica all’interno di un obiettivo Canon EF 24-105mm f/4 IS USM. Illustrazione di Alessio Facchin e licenza CC BY-SA 3.0.

Il primo rivestimento delle lenti può essere fatto risalire al matematico e scienziato inglese Lord Rayleigh (John William Strutt, 3° barone Rayleigh). Con sua grande sorpresa, nel 1886 scoprì che il vetro vecchio e opaco trasmette più luce del nuovo vetro non smaltato. Lord Riley ha scoperto che due interfacce aria/distorsione e deformazione/vetro successive trasmettono più luce di una singola interfaccia aria/vetro. Questa scoperta è stata seguita da numerosi brevetti e rivestimenti per lenti gradualmente migliorati.

Lord Riley fece una scoperta pionieristica sulla trasmissione della luce attraverso il vetro nel 1886.

Per i fotografi, negli anni ’30 si verificò un enorme miglioramento. Nel 1935, l’ingegnere Zeiss Alexander Smakola brevettò il primo rivestimento utilizzando più strati di sostanze chimiche. Questo design, come spiegheremo più avanti, ha notevolmente migliorato le prestazioni del rivestimento dell’obiettivo e ha portato a livelli di prestazioni ottiche senza precedenti.

Trasmissione della luce all’interfaccia aria-vetro, senza (sinistra) e con rivestimento (destra).

Quanto è efficace un rivestimento per lenti nel migliorare la trasmissione della luce?

Il rivestimento delle lenti in genere porta la trasmissione da circa il 96% a oltre il 99,7%. Ciò significa che un tipico obiettivo a focale fissa ora può trasmettere il 95% della luce (sopra il 50%) e uno zoom può trasmettere l’88% (sopra il 20%).

Il rivestimento dell’obiettivo apporta ovviamente un miglioramento significativo alla fotografia in condizioni di scarsa illuminazione. Il miglioramento è stato ancora più impressionante poiché il numero di obiettivi ottici utilizzati negli obiettivi fotografici tende ad aumentare nei design moderni. Se all’inizio della fotografia era comune utilizzare un doppio obiettivo, oggigiorno è comune superare i 15 elementi dell’obiettivo negli obiettivi progettati al computer. Pertanto, la trasmissione della luce è sempre più importante per i progettisti di obiettivi.

Problemi di basso contrasto e bagliori dell’obiettivo

Ci sono altri vantaggi nell’usare i rivestimenti sulle lenti. L’energia che non viaggia avanti e indietro viene riflessa molte volte nell’obiettivo e finisce per essere aggiunta all’immagine finale. Nella migliore delle ipotesi, le aree scure sono illuminate da una luce diffusa, che si traduce in una riduzione della gamma dinamica e del contrasto. Nel peggiore dei casi, una forte fonte di luce dalla scena produce anche punti luminosi all’interno dell’immagine, noti come bagliori.

Nel 2016, il produttore di lenti Zeiss ha condotto un interessante esperimento per dimostrare l’importanza dei rivestimenti per lenti. Il produttore ha prodotto due versioni dello stesso identico obiettivo, il 21 mm f/2.8 Distagon, uno con rivestimenti ottici e uno senza.

Obiettivo Zeiss Distagon 21mm f2.8 ZE (a sinistra) e a
T * – una busta (a destra). Fotografia di Andrea
Bogenschütz, via Zeiss.

Ecco alcune immagini di entrambi gli obiettivi nelle stesse condizioni. In generale, la qualità dell’immagine è notevolmente ridotta per tutte le foto scattate con l’obiettivo senza rivestimento.

Immagini catturate (sopra) e senza rivestimenti per obiettivi (sotto). Immagini Zeiss.
Immagini catturate (sopra) e senza rivestimenti per obiettivi (sotto). Immagini Zeiss.

Fisica dei progetti di rivestimento delle lenti

Il design del rivestimento può essere basato su diversi principi fisici. L’elenco include metodi basati su indici, materiali GRIN, polarizzazioni, teoria della diffrazione e persino metamateriali…

La forma più semplice di rivestimento anti-inversione, storicamente, ci riporta all’equazione della trasmissione. Sembra che la trasmissione complessiva possa essere migliorata aggiungendo un mezzo con un indice di rifrazione inferiore (es. 1.3) rispetto al mezzo vetroso (es. 1.5).

Con il rivestimento semplice suggerito sopra, si può migliorare la trasmissione della luce dal 96% al 97,8%. Tuttavia, questo tipo di rivestimento a strato singolo è ancora lontano dallo 0% di riflettanza.

Per migliorare le prestazioni del rivestimento, i progettisti di obiettivi tendono invece a utilizzare la teoria della diffrazione. Utilizzando la natura ondulatoria della luce, si può scegliere uno strato sottile del materiale per annullare completamente il riflesso. Uno strato spesso 1/4 di lunghezza d’onda significa che l’onda riflessa sul vetro viaggerà a 1/2 lunghezza d’onda (1/4 di lunghezza d’onda in ingresso, 1/4 di lunghezza d’onda in uscita) rispetto all’onda riflessa sul vetro. Rivestimento AR. Pertanto, le due onde sono spostate in fasi opposte e la loro somma è vuota.

Presentazione artistica della teoria della diffrazione con rivestimento lunghezza d’onda/4. I raggi riflessi dal vetro ei raggi riflessi dalla vernice si annullano a vicenda.

Ci sono due avvertimenti in questo caso ideale. Innanzitutto, la luce di solito arriva in uno spettro piuttosto che in una singola lunghezza d’onda (la singola lunghezza d’onda non esiste realmente in natura, puoi trovarne un po’ nelle sorgenti laser artificiali). Per la luce visibile, le lunghezze d’onda vanno da 400 nanometri (luce blu) a 800 nanometri (luce rossa). Ciò significa che lo spessore necessario per rimuovere i riflessi varia notevolmente con il colore. Potrebbe anche significare che non tutti i colori vengono trasmessi allo stesso modo, il che significa davvero che il rivestimento dell’obiettivo presenterà un colore indiretto.

In secondo luogo, il nostro calcolo presupponeva che i raggi di luce fossero perpendicolari alla superficie del vetro. Tuttavia, in casi pratici, può cadere sull’obiettivo con un’angolazione ampia. Una volta introdotto l’angolo, il percorso ottico all’interno dell’involucro antiriflesso aumenta, facendo diminuire la trasmissione.

Per risolvere questi problemi, la soluzione migliore è aggiungere diversi strati di vernice. La struttura comune alterna il rivestimento di 1/4 della lunghezza d’onda con il rivestimento di 1/2 della lunghezza d’onda. È comune avere lenti con 7 strati di rivestimento.

Motivo di rivestimento multistrato.

Come vengono prodotti i rivestimenti per lenti?

La lunghezza d’onda nella luce visibile è di circa 500 nm e i rivestimenti delle lenti sono solitamente strati sottili da 100 nm a 250 nm. Per mettere questo in considerazione, i capelli umani medi sono circa mille volte spessi.

Si presume inoltre che lo strato sia uniforme su tutto il vetro, in modo che lo spessore di questo strato vari solo di una piccola percentuale. Questo passaggio non può essere eseguito fino a quando il vetro non è stato tagliato e lucidato nella sua forma finale perché il processo di lucidatura rimuoverebbe altrimenti il ​​rivestimento.

Il moderno processo industriale utilizza tecniche di deposizione da vapore. Di solito viene eseguito in una camera a vuoto che contiene sostanze chimiche da evaporare.

Ecco un breve video di una macchina progettata per questo scopo:

Puoi vedere nella parte superiore del sistema un set di lenti pronte per essere verniciate. Queste lenti verranno ruotate durante il processo di rivestimento per appiattire il rivestimento antiriflesso.

Conclusione

La scienza dei rivestimenti per lenti risale a quasi un secolo. Tuttavia, l’argomento è ancora attivamente ricercato. Le tanto discusse tecnologie dei metamateriali che fanno notizia in questi giorni possono apportare potenziali miglioramenti ai rivestimenti delle lenti esistenti.

A causa della crescente complessità dei design delle lenti, è preferibile qualsiasi progresso nei rivestimenti delle lenti perché migliora anche la trasmissione della luce e il contrasto dell’immagine.


Circa l’autoreTimothee Cognard è un esperto visivo e fotografo con sede a Parigi, Francia.


Crediti immagine: Immagine del titolo da Depositphotos

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