Lens kaplamaları fotoğrafçılıkta neden bu kadar önemlidir?

Son yıllarda, bazı lens tasarımcıları lenslerini yeni lens kaplamalarıyla güncellediler. Örneğin, en yeni Pentax Limited lensleri, daha iyi bir lens kaplaması da dahil olmak üzere yalnızca birkaç iyileştirme ile mevcut bir optik tasarıma sahiptir.

Bu tür lensleri test ederken, gözden geçirenler genellikle yeni lens kaplamasının görüntü kalitesini (özellikle kontrast ve parlama) büyük ölçüde iyileştirdiği konusunda hemfikirdir, ancak bunu hiçbir zaman tam olarak açıklamaz. nasıl Lens kaplama işi. Bu makalenin amacı budur.

Yansıma önleyici kaplamalara sahip bir lens seti. Minglio D’in fotoğrafı.

Lens kaplama kökenleri

Tarihsel olarak, optik sistemlerde ışık kaybını azaltmak için kaplamalar tanıtıldı. Aslında, ışık bir optik ortamdan diğerine her geçtiğinde, yansıma fenomeni nedeniyle enerjinin bir kısmı kaybolur. Yansıma olgusu, ister nehir yüzeyi, ister cam veya ayna olsun, iki malzeme arasındaki herhangi bir yüzey türünde doğal olarak meydana gelir. Tek fark yansıyan ışık miktarıdır. Cam için genellikle ışığın %96’sının iletildiği ve %4’ünün yansıtıldığı kabul edilir.

Bu sayıların arkasındaki denklem:

s yansıyan enerjidir, n1 Birinci ortamın kırılma indisi (hava için 1.0) ve n2 İkinci ortamın kırılma indisi (bizim durumumuzda cam). Camın kırılma indisi genellikle 1.4 ila 1.8 aralığındadır. %4’lük değer, tipik bir kırılma indisi olan 1.5’ten türetilir.

Bu kayıp enerji ilk başta hafif görünebilir. Ancak, belirli bir lens sistemi içinde her bir lens yüzeyi için birikir. Bir prime lens tipik olarak 7 ila 12 elemana sahiptir (bu, her bir lens elemanı bir hava/cam ve bir cam/hava cephesine sahip olduğundan yaklaşık 15-20 lens yüzeyi anlamına gelir), modern bir zoom lens tasarımında ise 20’den fazla eleman bulunur (yani yaklaşık olarak 40 mercek yüzeyi).

Bu tipik prime lens, ışığın yalnızca yarısını içeri alırken, zoom lens gelen ışığın %20’sinden daha azını iletir.

Canon EF 24-105mm f/4 IS USM lens içindeki optiklerin şeması. Çizim Alessio Facchin tarafından yapılmıştır ve CC BY-SA 3.0 altında lisanslanmıştır.

İlk mercek kaplamasının izi İngiliz matematikçi ve bilim adamı Lord Rayleigh’e (John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh) kadar götürülebilir. Şaşırtıcı bir şekilde, 1886’da eski, donuk camın yeni, sırsız camdan daha fazla ışık ilettiğini keşfetti. Lord Riley, iki ardışık hava/bozulma ve deformasyon/cam arayüzünün, tek bir hava/cam arayüzünden daha fazla ışık ilettiğini keşfetti. Bu keşfi birkaç patent ve kademeli olarak geliştirilmiş lens kaplamaları izledi.

Lord Riley, 1886’da ışığın camdan geçişi hakkında öncü bir keşif yaptı.

Fotoğrafçılar için 1930’larda büyük bir gelişme yaşandı. 1935’te mühendis Zeiss Alexander Smakola, birden fazla kimyasal katmanı kullanan ilk kaplamanın patentini aldı. Bu tasarım, daha sonra açıklayacağımız gibi, lens kaplamasının performansını büyük ölçüde geliştirdi ve benzeri görülmemiş düzeyde optik performansa yol açtı.

Hava-cam arayüzünde ışık iletimi, kaplamasız (solda) ve kaplamalı (sağda).

Işık iletimini iyileştirmede bir lens kaplaması ne kadar etkilidir?

Lens kaplaması tipik olarak iletimi yaklaşık %96’dan %99.7’nin üzerine getirir. Bu, tipik bir prime lensin artık ışığın %95’ini (%50’nin üzerinde) iletebileceği ve bir yakınlaştırmanın ise %88’ini (%20’nin üzerinde) iletebileceği anlamına gelir.

Lens kaplaması, düşük ışıkta fotoğrafçılıkta belirgin bir gelişme sağlıyor. Fotoğrafik lenslerde kullanılan optik lenslerin sayısı modern tasarımlarda artma eğilimi gösterdiğinden, bu gelişme daha da etkileyici olmuştur. Fotoğrafçılığın ilk zamanlarında çift lens kullanımı yaygın iken, günümüzde bilgisayar tasarımı lenslerde 15 lens elemanını aşmak yaygındır. Bu nedenle, ışık iletimi lens tasarımcıları için giderek daha önemli hale geliyor.

Düşük kontrast sorunları ve mercek parlamaları

Lenslerde kaplama kullanmanın başka avantajları da vardır. İleri geri gitmeyen enerji, merceğe birçok kez yansır ve son görüntüye eklenir. En iyi durumda, karanlık alanlar dağınık ışıkla aydınlatılır, bu da dinamik aralık ve kontrastın azalmasına neden olur. En kötü durumda, sahneden gelen güçlü bir ışık kaynağı da görüntü içinde parlama olarak bilinen parlak noktalar üretir.

2016 yılında lens üreticisi Zeiss, lens kaplamalarının önemini kanıtlamak için ilginç bir deney gerçekleştirdi. Üretici, biri optik kaplamalı diğeri optik kaplamasız olmak üzere tamamen aynı lensin 21mm f/2.8 Distagon’un iki versiyonunu üretti.

Zeiss Distagon 21mm f2.8 ZE lens (solda) ve bir
T * – bir zarf (sağda). Andreas’ın fotoğrafı
Bogenschütz, Via Zeiss.

Her iki lensin de aynı durumdaki bazı resimleri. Genel olarak, kaplamasız lens ile çekilen tüm fotoğraflar için görüntü kalitesi önemli ölçüde azalır.

Yakalanan görüntüler (yukarıda) ve lens kaplamaları olmadan (aşağıda). Zeis resimleri.
Yakalanan görüntüler (yukarıda) ve lens kaplamaları olmadan (aşağıda). Zeis resimleri.

Lens kaplama tasarımlarının fiziği

Kaplama tasarımı farklı fiziksel prensiplere dayanabilir. Liste indeks tabanlı yöntemler, GRIN materyalleri, polarizasyonlar, kırınım teorisi ve hatta metamalzemeleri içerir…

Ters önleyici kaplamanın en basit şekli, tarihsel olarak, bizi iletim denklemine geri götürür. Görünen o ki, cam ortamdan (örneğin 1.5) daha düşük bir kırılma indisine (örneğin 1.3) sahip bir ortam eklenerek genel iletim geliştirilebilir.

Yukarıda önerilen basit kaplama ile ışık iletimi %96’dan %97.8’e yükseltilebilir. Ancak bu tip tek katmanlı kaplama hala %0 yansıtmadan uzaktır.

Kaplama performansını iyileştirmek için lens tasarımcıları bunun yerine kırınım teorisini kullanma eğilimindedir. Işığın dalga doğasını kullanarak, yansımayı tamamen ortadan kaldırmak için ince bir malzeme tabakası seçilebilir. 1/4 dalga boyu kalınlığında bir katman, cama yansıyan dalganın, cama yansıyan dalgaya kıyasla 1/2 dalga boyunda (1/4 gelen dalga boyu, 1/4 dalga boyu dışarı çıkan) hareket edeceği anlamına gelir. AR kaplama. Böylece iki dalga zıt fazlarda kaydırılır ve toplamları boştur.

Dalga boyu/4 kaplamalı kırınım teorisinin sanat sunumu. Camdan yansıyan ışınlar ile boyadan yansıyan ışınlar birbirini yok eder.

Bu ideal durum için iki uyarı var. Birincisi, ışık genellikle tek bir dalga boyundan ziyade bir spektrumda gelir (tek dalga boyu doğada gerçekten yoktur, bazılarını insan yapımı lazer kaynaklarında bulabilirsiniz). Görünür ışık için dalga boyları 400 nanometreden (mavi ışık) 800 nanometreye (kırmızı ışık) kadar değişir. Bu, yansımaları ortadan kaldırmak için gereken kalınlığın renge göre büyük ölçüde değiştiği anlamına gelir. Ayrıca tüm renklerin eşit olarak iletilmeyeceği anlamına da gelebilir, bu da gerçekten lens kaplamasının dolaylı bir renk sunacağı anlamına gelir.

İkincisi, hesaplamamız ışık ışınlarının camın yüzeyine dik olduğunu varsayıyordu. Ancak pratik durumlarda lensin üzerine geniş bir açıyla düşebilir. Açı girildiğinde, yansıma önleyici muhafazanın içindeki optik yol artar ve bu da iletimin azalmasına neden olur.

Bu sorunları çözmek için en iyi çözüm birkaç kat boya eklemektir. Ortak yapı, dalga boyunun 1/4’ünü kaplama ile dalga boyunun 1/2’sini kaplamayı değiştirir. 7 kat kaplamalı lenslere sahip olmak yaygındır.

Çok katmanlı kaplama deseni.

Lens kaplamaları nasıl üretilir?

Görünür ışıkta dalga boyu yaklaşık 500 nm’dir ve lens kaplamaları genellikle 100 nm ila 250 nm ince tabakalardır. Bunu hesaba katmak gerekirse, ortalama insan saçı yaklaşık bin kat kalınlıktadır.

Tabakanın aynı zamanda cam boyunca tek tip olduğu varsayılır, böylece bu tabakanın kalınlığı sadece küçük bir yüzde ile değişir. Bu adım, cam kesilip son şekline getirilinceye kadar gerçekleştirilemez çünkü cilalama işlemi aksi takdirde kaplamayı kaldıracaktır.

Modern endüstriyel süreç, buhar biriktirme tekniklerini kullanır. Genellikle buharlaşacak kimyasallar içeren bir vakum odasında gerçekleştirilir.

İşte bu amaç için tasarlanmış bir makinenin kısa bir videosu:

Sistemin üst kısmında boyanmaya hazır bir dizi lens görebilirsiniz. Bu lensler, yansıma önleyici kaplamayı düzleştirmek için kaplama işlemi boyunca döndürülecektir.

Çözüm

Mercek kaplamalarının bilimi neredeyse bir asır öncesine dayanmaktadır. Bununla birlikte, konu hala aktif olarak araştırılmaktadır. Bugünlerde manşetlere konu olan çok tartışılan meta-malzeme teknolojileri, mevcut lens kaplamalarına potansiyel iyileştirmeler getirebilir.

Mercek tasarımlarının artan karmaşıklığı nedeniyle, ışık iletimini ve görüntü kontrastını da iyileştirdiği için mercek kaplamalarındaki herhangi bir ilerleme tercih edilir.


Yazar hakkındaTimothee Cognard, Paris, Fransa merkezli bir görsel uzman ve fotoğrafçıdır.


Resim kredisi: Depositphotos’dan başlık resmi

Leave a Comment