Почему просветление оптики важно для фотографии

В последние годы некоторые производители разработали новые просветляющие покрытия для своих объективов. Например, обновлённые объективы Ricoh HD PENTAX FA-Limited имеют оптический дизайн своих предшественников, но обладают рядом улучшений, среди которых новое многослойное просветление линз. При тестировании таких объективов рецензенты обычно соглашаются с тем, что новые просветляющие покрытия значительно улучшают качество изображения, но никогда не объясняют, как эти покрытия работают.  Цель этой статьи – разобраться в этом.

Автор: Timothee Cognard

Происхождение просветляющих покрытий

Исторически просветляющие покрытия были придуманы для уменьшения потерь света в оптических системах. На самом деле, каждый раз, когда световой поток проходит от одной оптической среды к другой, его интенсивность падает из-за явления отражения. Это явление происходит естественным образом на любом типе поверхности между двумя материалами, будь то поверхность реки, стекло или зеркало. Разница только в количестве отраженного света. Для стекла принято считать, что 96% света передается и 4% отражается.

Вот уравнение, стоящее за этими числами:

R – коэффициент отражения, n1 - показатель преломления первой среды (1.0 для воздуха) и n2 - показатель преломления второй среды (в нашем случае стекла). Показатель преломления стекла обычно находится в диапазоне 1.4-1.8. Значение 4% происходит от типичного показателя преломления 1.5.

На первый взгляд эти потери могут показаться незначительными. Однако они накапливаются для каждой поверхности линзы внутри данной системы линз. Так, основной объектив обычно содержит от 7 до 12 элементов (что означает около 15-20 поверхностей линз, так как каждый элемент объектива имеет границы раздела как воздух/стекло, так и стекло/воздух), тогда как современный зум-объектив имеет более 20 элементов (что означает примерно 40 поверхностей). Типичный основной объектив пропускает только 50% входящего света, тогда как зум-объектив пропускает менее 20%.

Оптическая схема объектива Canon EF 24-105mm f / 4 IS USM. 

Можно сказать, что использование покрытий стало возможным благодаря английскому математику и ученому лорду Рэлею (Джон Уильям Стретт, 3-й барон Рэлей). К своему большому удивлению, в 1886 году он обнаружил, что старое потускневшее стекло пропускает больше света, чем новое незапятнанное стекло. Лорд Рэлей установил, что две поверхности раздела воздух/потускнение и потускнение/стекло пропускают больше света, чем одна граница воздух/стекло. За этим открытием последовало несколько патентов, и дальнейшие улучшения покрытия линз.

Для фотографов значительные перемены произошли в 1930-х годах, когда в 1935 году инженер Zeiss Александр Смакула запатентовал первое покрытие с использованием нескольких слоёв. Этот подход, как мы объясним позже, значительно улучшил характеристики покрытий линз и привёл к беспрецедентному уровню оптических характеристик.

Светопропускание на границе раздела воздуха и стекла, без покрытия (слева) и с покрытием (справа) .

Насколько эффективны покрытия линз для улучшения светопропускания?

Просветляющее покрытие линз объектива обычно повышает коэффициент пропускания от примерно 96% до более чем 99.7%. Это означает, что обычный фикс-объектив теперь может пропускать 95 % света (по сравнению с 50 %), а наш зум-объектив — 88 % (по сравнению с 20 %).

Очевидно, что покрытие линз значительно улучшает качество фотографии при слабом освещении. Улучшение тем более поразительно, что количество оптических линз, используемых в фотообъективах, имеет тенденцию к увеличению в современных конструкциях. Если на заре фотографии было обычным делом использовать дублет, то в настоящее время в объективах, разработанных на компьютере, обычно используется более 15 линз. Следовательно, светопропускание становится все более важным вопросом для разработчиков объективов.

Объектив Zeiss Distagon 21mm f2.8 ZE без покрытия (слева) и объектив с покрытием T * (справа). 

Проблемы низкого контраста и бликов

Есть и другие преимущества использования просветляющего покрытия на линзах. Световой поток, который не передаётся, несколько раз отражается в объективе вперед и назад и в конечном итоге добавляется к конечному изображению. В лучшем случае темные области освещаются рассеянным светом, что приводит к снижению динамического диапазона и контрастности. В худшем случае мощный источник света в сцене создаёт яркие пятна на изображении, известные как блики.

В 2016 году производитель оптики Zeiss провёл интересный эксперимент, чтобы продемонстрировать важность покрытий линз. Производитель выпустил два экземпляра одного и того же объектива Distagon 21 mm f/2.8, один с оптическим просветлением, другой без. Ниже приведены некоторые изображения, полученные обоими объективами в одинаковых условиях. В целом качество изображения резко снижается для всех снимков, сделанных объективом без просветления.

Сверху: фотографии, снятые на объектив Zeiss Distagon с покрытием. Снизу: фотографии снятые на объектив Zeiss Distagon без покрытия

Физика просветляющих покрытий

Устройство просветляющего покрытия может основываться на различных физических принципах. Список включает индексные методы, материалы GRIN, поляризацию, теорию дифракции и даже метаматериалы.

Простейшая форма антибликового покрытия исторически возвращает нас к уравнению светопропускания. Оказывается, общее пропускание можно улучшить, добавив среду с более низким показателем преломления (например, 1.3), чем у стекла (например, 1.5).

С помощью предложенного выше простого покрытия можно улучшить светопропускание с 96% до 97.8%. Однако этот тип однослойного покрытия все еще далек от 0% отражения.

Чтобы улучшить характеристики покрытия, разработчики объективов вместо этого обычно используют теорию дифракции. Используя волновую природу света, можно подобрать тонкий слой материала, который полностью компенсирует отражение. Слой толщиной в 1/4 длины волны означает, что волна, отраженная от стекла, будет проходить дополнительные 1/2 длины волны (1/4 длины волны входит и 1/4 длины волны выходит). Таким образом, две волны сдвинуты в противоположные фазы, и их сумма равна нулю.

Схема, иллюстрирующая теорию дифракции с толщиной слоя 1/4 длины волны. Луч, отраженный от стекла, и луч, отраженный от покрытия, компенсируют друг друга.

В этом идеальном случае есть несколько нюансов. Во-первых, свет обычно приходит в спектре вместо одной длины волны. Для видимого света диапазон длин волн варьируются от 400 нм (синий свет) до 800 нм (красный свет). Это означает, что толщина слоя, необходимая для устранения отражений, будет зависеть от цвета.

Во-вторых, в наших расчетах предполагалось, что световые лучи перпендикулярны поверхности стекла. Однако на практике они могут падать на объектив под большим углом. Как только появляется угол, оптический путь внутри антибликового покрытия увеличивается, что приводит к снижению пропускания.

Лучшим решением для устранения этих проблем является использование покрытия, состоящего из нескольких слоев. Обычная структура чередует слой толщиной в 1/4 длины волны со слоем толщиной в 1/2 длины волны. На линзы обычно наносится 7 слоёв.

Схема многослойного покрытия

Как осуществляется нанесение покрытий при массовом производстве?

Длина волны в видимом спектре составляет около 500 нм, а покрытия линз обычно состоят из тонких слоёв от 100 до 250 нм. Чтобы представить себе этот размер, достаточно сказать, что средний человеческий волос примерно в тысячу раз толще.

При этом необходимо добиться, чтобы слой был однородным по всей поверхности линзы. Этап нанесения покрытия осуществляется только после окончательной полировки линзы, поскольку в противном случае процесс полировки приведет к удалению покрытия.

Для нанесения покрытий в современном промышленном процессе используются технология напыления, путём генерации потока осаждаемых частиц. Обычно это делается в вакуумной камере термическим испарением осаждаемого вещества.

Вот короткое видео, демонстрирующее установку предназначенную для этой цели:

В верхней части установки вы видите набор линз, готовых к нанесению покрытия. Эти линзы будут вращаться в процессе, чтобы слой покрытия лёг более равномерно.

Послесловие

Науке о покрытиях линз уже почти сто лет. Тем не менее, тема активно исследуется. Широко обсуждаемые в наши дни технологии метаматериалов, попадающие в заголовки новостей, могут принести возможные улучшения по сравнению с существующими покрытиями. Учитывая возрастающую сложность конструкций объективов, любой прогресс в технологии просветления линз — к лучшему, поскольку это повышает светопропускание, контрастность и общее качество изображения в целом.

Источник: PetaPixel