Why Lens Coatings Are So Important in Photography

Nos últimos anos, alguns designers de lentes atualizaram suas lentes com novos revestimentos de lentes. Por exemplo, as lentes Pentax Limited mais recentes apresentam um design óptico existente com apenas algumas melhorias, incluindo um melhor revestimento de lente.

Ao testar essas lentes, os revisores geralmente concordam que o novo revestimento da lente melhora muito a qualidade da imagem (particularmente contraste e reflexo), mas nunca explica isso completamente. Como Trabalho de revestimento de lentes. Este é o objetivo deste artigo.

Um conjunto de lentes com revestimentos anti-reflexo. Foto de Minglio D.

Origens do revestimento da lente

Historicamente, os revestimentos foram introduzidos para reduzir a perda de luz em sistemas ópticos. De fato, toda vez que a luz passa de um meio óptico para outro, parte da energia é perdida devido ao fenômeno da reflexão. O fenômeno da reflexão ocorre naturalmente em qualquer tipo de superfície entre dois materiais, seja uma superfície de rio, vidro ou espelho. A única diferença é a quantidade de luz refletida. Para o vidro, é geralmente aceito que 96% da luz é transmitida e 4% é refletida.

A equação por trás desses números é:

s é a energia refletida, n1 O índice de refração do primeiro meio (1,0 para ar) e n2 O índice de refração do segundo meio (vidro no nosso caso). O índice de refração do vidro está geralmente na faixa de 1,4 a 1,8. O valor de 4% é derivado de um índice de refração típico de 1,5.

Essa energia perdida pode parecer leve no início. No entanto, ele se acumula para cada superfície de lente dentro de um sistema de lente específico. Uma lente prime normalmente tem de 7 a 12 elementos (o que significa cerca de 15 a 20 superfícies de lente, já que cada elemento de lente tem uma frente de ar/vidro e uma de vidro/ar), enquanto um design moderno de lente zoom tem mais de 20 elementos (o que significa aproximadamente 40 superfícies da lente).

Esta lente prime típica deixa entrar apenas metade da luz, enquanto a lente zoom transmite menos de 20% da luz recebida.

Diagrama da ótica dentro de uma lente Canon EF 24-105mm f/4 IS USM. Ilustração de Alessio Facchin e licenciada sob CC BY-SA 3.0.

O primeiro revestimento de lente pode ser rastreado até o matemático e cientista inglês Lord Rayleigh (John William Strutt, 3º Barão Rayleigh). Para sua surpresa, ele descobriu em 1886 que o vidro velho e fosco transmite mais luz do que o vidro novo, não vidrado. Lord Riley descobriu que duas interfaces ar/distorção e deformação/vidro sucessivas transmitem mais luz do que uma única interface ar/vidro. Esta descoberta foi seguida por várias patentes e revestimentos de lentes gradualmente melhorados.

Lord Riley fez uma descoberta pioneira sobre a transmissão da luz através do vidro em 1886.

Para os fotógrafos, uma grande melhoria ocorreu na década de 1930. Em 1935, o engenheiro Zeiss Alexander Smakola patenteou o primeiro revestimento usando várias camadas de produtos químicos. Esse design, como explicaremos mais adiante, melhorou muito o desempenho do revestimento da lente e levou a níveis sem precedentes de desempenho óptico.

Transmissão de luz na interface ar-vidro, sem (esquerda) e com revestimento (direita).

Quão eficaz é um revestimento de lente para melhorar a transmissão de luz?

O revestimento da lente normalmente traz a transmissão de cerca de 96% para mais de 99,7%. Isso significa que uma lente prime típica agora pode transmitir 95% da luz (acima de 50%) e um zoom pode transmitir 88% (acima de 20%).

O revestimento da lente obviamente traz uma melhoria significativa para a fotografia com pouca luz. A melhoria foi ainda mais impressionante, pois o número de lentes ópticas usadas em lentes fotográficas tende a aumentar nos designs modernos. Se era comum nos primórdios da fotografia usar uma lente dupla, hoje em dia é comum ultrapassar 15 elementos de lente em lentes projetadas por computador. Assim, a transmissão de luz é cada vez mais importante para os projetistas de lentes.

Problemas de baixo contraste e reflexos de lente

Existem outras vantagens em usar revestimentos em lentes. A energia que não viaja para frente e para trás é refletida muitas vezes na lente e acaba sendo adicionada à imagem final. Na melhor das hipóteses, as áreas escuras são iluminadas por luz difusa, o que resulta em alcance dinâmico e contraste reduzidos. Na pior das hipóteses, uma fonte de luz forte da cena também produz pontos brilhantes na imagem, conhecidos como flares.

Em 2016, a fabricante de lentes Zeiss realizou um experimento interessante para provar a importância dos revestimentos de lentes. O fabricante produziu duas versões da mesma lente, a 21mm f/2.8 Distagon, uma com revestimento óptico e outra sem.

Lente Zeiss Distagon 21mm f2.8 ZE (esquerda) e uma
T * – um envelope (à direita). Fotografia por Andreia
Bogenschütz, Via Zeiss.

Aqui estão algumas fotos de ambas as lentes na mesma condição. Em geral, a qualidade da imagem é significativamente reduzida para todas as fotos tiradas com a lente sem revestimento.

Imagens capturadas (acima) e sem revestimento de lentes (abaixo). Zeiss fotos.
Imagens capturadas (acima) e sem revestimento de lentes (abaixo). Zeiss fotos.

Física dos projetos de revestimento de lentes

O projeto do revestimento pode ser baseado em diferentes princípios físicos. A lista inclui métodos baseados em índices, materiais GRIN, polarização, teoria da difração e até metamateriais…

A forma mais simples de revestimento anti-reverso, historicamente, nos leva de volta à equação da transmissão. Parece que a transmissão geral pode ser melhorada pela adição de um meio com índice de refração mais baixo (por exemplo, 1,3) do que o meio de vidro (por exemplo, 1,5).

Com o revestimento simples sugerido acima, pode-se melhorar a transmissão de luz de 96% para 97,8%. No entanto, este tipo de revestimento de camada única ainda está longe de 0% de refletância.

Para melhorar o desempenho do revestimento, os projetistas de lentes tendem a usar a teoria da difração. Usando a natureza ondulatória da luz, pode-se escolher uma fina camada do material para cancelar completamente a reflexão. Uma camada de 1/4 de comprimento de onda de espessura significa que a onda refletida no vidro viajará em 1/2 comprimento de onda (1/4 de comprimento de onda de entrada, 1/4 de comprimento de onda saindo) em comparação com a onda refletida no vidro. Revestimento AR. Assim, as duas ondas são deslocadas em fases opostas e sua soma é vazia.

Apresentação da arte da teoria da difração com revestimento de comprimento de onda/4. Os raios refletidos do vidro e os raios refletidos da tinta se cancelam.

Há duas advertências para este caso ideal. Primeiro, a luz geralmente vem em um espectro em vez de um único comprimento de onda (o único comprimento de onda realmente não existe na natureza, você pode encontrar alguns em fontes de laser feitas pelo homem). Para a luz visível, os comprimentos de onda variam de 400 nanômetros (luz azul) a 800 nanômetros (luz vermelha). Isso significa que a espessura necessária para remover os reflexos varia muito com a cor. Também pode significar que nem todas as cores são transmitidas igualmente, o que realmente significa que o revestimento da lente apresentará uma cor indireta.

Segundo, nosso cálculo assumiu que os raios de luz são perpendiculares à superfície do vidro. No entanto, em casos práticos, pode cair na lente em um grande ângulo. Uma vez que o ângulo é introduzido, o caminho óptico dentro do invólucro anti-reflexo aumenta, fazendo com que a transmissão diminua.

Para resolver esses problemas, a melhor solução é adicionar várias camadas de tinta. A estrutura comum alterna o revestimento de 1/4 do comprimento de onda com o revestimento de 1/2 do comprimento de onda. É comum ter lentes com 7 camadas de revestimento.

Padrão de revestimento multicamada.

Como são produzidos os revestimentos de lentes?

O comprimento de onda na luz visível é de cerca de 500 nm, e os revestimentos das lentes são geralmente camadas finas de 100 nm a 250 nm. Para levar isso em consideração, o cabelo humano médio é cerca de mil vezes mais grosso.

A camada também é considerada uniforme em todo o vidro, de modo que a espessura dessa camada varia apenas em uma pequena porcentagem. Esta etapa não pode ser realizada até que o vidro tenha sido cortado e polido em sua forma final, porque o processo de polimento removeria o revestimento.

O processo industrial moderno utiliza técnicas de deposição de vapor. Geralmente é realizado em uma câmara de vácuo que contém produtos químicos para evaporar.

Aqui está um pequeno vídeo de uma máquina construída para esta finalidade:

Você pode ver na parte superior do sistema um conjunto de lentes prontas para serem pintadas. Essas lentes serão giradas através do processo de revestimento para achatar o revestimento anti-reflexo.

Conclusão

A ciência dos revestimentos de lentes remonta a quase um século. No entanto, o tema ainda é pesquisado ativamente. As tecnologias de metamateriais muito discutidas que fazem manchetes nos dias de hoje podem trazer melhorias potenciais para os revestimentos de lentes existentes.

Devido à crescente complexidade dos designs das lentes, qualquer avanço nos revestimentos das lentes é preferível porque também melhora a transmissão de luz e o contraste da imagem.


Sobre o autorTimothee Cognard é um especialista visual e fotógrafo baseado em Paris, França.


Créditos da imagem: Imagem do título de Depositphotos

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