Почему просветление линз так важно в фотографии

В последние годы разработчики объективов уделяют большое внимание просветлению линз и разрабатывают новейшие технологии для улучшения качества покрытия линз. Это значительно улучшает контрастность изображения и устраняет блики.

Коллекция линз с просветляющим покрытием.

Происхождение покрытий для линз
Исторически сложилось так, что покрытия были введены для уменьшения потерь света в оптических системах. Действительно, каждый раз, когда свет переходит из оптической среды в другую, часть светового потока теряется из-за явления отражения. Это явление естественным образом возникает на любой поверхности между двумя материалами, будь то поверхность реки, стекло или зеркало. Разница только в количестве отраженного света. Для стекла принято считать, что 96 % света проходит, а 4 % отражается.

Уравнение, стоящее за этими числами:

R — отраженная энергия, n — показатель преломления первой среды (1,0 для воздуха) и n — показатель преломления второй среды (в нашем случае стекла). Показатель преломления стекла обычно находится в диапазоне от 1,4 до 1,8. Значение 4% получено из типичного показателя преломления 1,5.

Поначалу эта потеря света может показаться незначительной. Однако она накапливается для каждой поверхности линз внутри данной оптической системы. Объектив с фиксированным фокусным расстоянием обычно содержит от 7 до 12 элементов (что означает около 15-20 поверхностей линзы, поскольку каждый элемент линзы имеет как границу раздела воздух/стекло, так и стекло/воздух), в то время как конструкция современного зум-объектива включает более 20 элементов (что означает примерно 40 поверхностей линз).

Типичный объектив с постоянным фокусным расстоянием пропускал бы только половину света, тогда как объектив с переменным фокусным расстоянием пропускал бы менее 20% входящего света.

Схема оптики объектива Canon EF 24-105mm f/4 IS USM.

Первое покрытие линз можно отнести к 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 обнаружил, что две последовательные поверхности раздела воздух-тускнение и тускнение-стекло пропускают больше света, чем одна граница воздух-стекло. За этим открытием последовало несколько патентов, и просветление линз постепенно улучшалось.

Лорд Рэлей сделал новаторское открытие о передаче света через стекло в 1886 году.

Для фотографов значительное улучшение произошло в 1930-х годах. В 1935 году инженер компании Zeiss Александр Смакула запатентовал первое покрытие с использованием нескольких слоев химикатов. Эта конструкция, как мы объясним позже, значительно улучшила характеристики покрытий линз и привела к беспрецедентному уровню оптических характеристик.

Светопропускание на границе воздух-стекло без (слева) и с покрытиями (справа).

Насколько эффективно просветление линз для улучшения светопропускания?
Просветление линзы обычно повышает коэффициент пропускания примерно от 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 просветление 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 объективы (оптическая система или её часть, состоящая из двух линз), то в настоящее время в объективах, разработанных на компьютере, обычно используется более 15 линз. Следовательно, светопропускание становится все более важным вопросом для разработчиков объективов.

Проблемы низкого контраста и бликов
Есть и другие преимущества использования просветления на линзах. Световой поток, который не передается, 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 от сцены также создает яркие пятна внутри изображения, известные как блики.

В 2016 году производитель линз Zeiss провел интересный эксперимент , чтобы продемонстрировать важность просветления линз . Производитель выпустил два экземпляра одного и того же объектива Distagon 21mm f/2.8, один с оптическим просветлением, другой без.

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

Ниже приведены некоторые изображения, полученные обоими объективами в одинаковых условиях. В целом качество изображения резко снижается для всех снимков, сделанных объективом без просветления.

Фотографии, сделанные с (вверху) и без (внизу) покрытия линз.

Фотографии, сделанные с (вверху) и без (внизу) покрытиями линз. 

Физика конструкций покрытий линз
Технологии покрытия могут основываться на различных физических принципах. Список включает индексные методы, материалы GRIN, поляризацию, теорию дифракции и даже метаматериалы-композиционные материалы.

Простейшая форма антибликового покрытия исторически возвращает нас к уравнению передачи. По-видимому, 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 просветления, разработчики линз вместо этого обычно используют теорию дифракции. Используя волновую природу света, можно выбрать тонкий слой материала, который полностью компенсирует отражение. Слой толщиной 1/4 длины волны означает, что волна, отраженная от стекла, пройдет на 1/2 длины волны больше (1/4 длины волны входит и 1/4 длины волны выходит) по сравнению с волной, отраженной от стекла. AR-покрытие. Таким образом, две волны сдвинуты в противоположные фазы, и их сумма равна нулю.

Художественный взгляд на теорию дифракции, представленную с покрытием с длиной волны 1/ 4. Луч, отраженный от стекла, и луч, отраженный от покрытия, компенсируют друг друга.
Есть пара предостережений к этому идеальному случаю. Во-первых, свет обычно имеет спектр, а не одну длину волны (единой длины волны на самом деле не существует в природе, вы можете найти ее в искусственных лазерных источниках). Для видимого света длина волны находится в диапазоне от 400 нм (синий свет) до 800 нм (красный свет). Это означает, что толщина, необходимая для устранения отражений, значительно зависит от цвета. Это также может означать, что все цвета не передаются одинаково и покрытие линз будет привносить цветовой оттенок.

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

Чтобы решить эти проблемы, лучшим решением является добавление нескольких слоев покрытия. Обычная структура чередует покрытие 1/4 длины волны с покрытием 1/2 длины волны. Таким образом обычно линзы имеют 7 слоев покрытия.

  Многослойный рисунок покрытия.

Как производится массовое покрытие линз?
Длина волны видимого света составляет около 500 нм, а покрытия линз обычно представляют собой тонкие слои толщиной от 100 до 250 нм. Для сравнения, средний человеческий волос примерно в тысячу раз толще.

Также предполагается, что слой должен быть однородным по всему стеклу, так что толщина слоя изменяется всего на несколько процентов. Этот шаг не может быть выполнен до тех пор, пока стекло не будет разрезано и отполировано до его окончательной формы, поскольку в противном случае в процессе полировки покрытие будет удалено.

В современном промышленном процессе используются технологии осаждения из паровой фазы. Обычно это делается в вакуумной камере с химическими веществами для испарения.

Вывод
Науке о покрытиях линз уже почти сто лет. Тем не менее, тема активно исследуется. Широко обсуждаемые в наши дни технологии метаматериалов, попадающие в заголовки газет, могут принести видимые улучшения по сравнению с существующими покрытиями линз.

Учитывая возрастающую сложность конструкций объективов, любой прогресс в просветлении линз — к лучшему, поскольку он также улучшает светопропускание и тем самым контрастность изображения.