Z notatnika optyka: AR

0
Bernard Piechal
12 Listopad 2011
Artykuł na: 9-16 minut
W tym odcinku cyklu "Z notatnika optyka" zajmujemy się powłokami antyrefleksyjnymi. Jak działają? Czym się od siebie różnią? Zapraszamy do lektury, odpowiedzi znajdziecie w tekście.
To, czego przeciętny fotograf uczy się o odbiciu światła od szkła, sprowadza się mniej więcej do: "odbija się od soczewki 4%, kup lepsze i droższe powłoki". Ale właściwie co powoduje, że się odbija? Dlaczego 4%? I właściwie czym różnią się powłoki 7 warstwowe od 6 warstwowych? Voila:

Dlaczego się odbija?
Otóż powód tego jest taki sam, jak tego, że soczewka w ogóle działa: współczynnik załamania. To, że światło, padając na granicę dwóch ośrodków o różnych współczynnikach załamania, się... załamuje to tylko pół prawdy. W rzeczywistości część się odbija. I zupełnie nie zawsze jest to 4%. To, ile światła odbije się od granicy dwóch ośrodków, zależy od różnicy ich współczynników. Mocno zależy również od kąta padania, a, jak światło nie pada idealnie prostopadle, to też od polaryzacji światła. Owszem, jeżeli światło pada z powietrza na powierzchnię szkła prostopadle, a szkło ma współczynnik załamania 1,5, to rzeczywiście odbije się 4%. Jeżeli szkło nie ma współczynnika załamania równego 1,5 tylko 1,7, to zamiast 4% jest już prawie 7%. Jak zaczniemy zmieniać kąt padania, odbicie zacznie zależeć od tego, jaki będzie kierunek polaryzacji światła w stosunku do powierzchni szkła. Ba, dojdziemy do takiego kąta, dla którego odbije się TYLKO jedna polaryzacja (co wykorzystujemy, gdy kasujemy odbicia od szyb wystawowych filtrem polaryzacyjnym - wyjaśnię to dokładniej w odcinku o polaryzatorach). A jak światło pada na powierzchnię pod ostrym kątem to odbija się większość.

Te 4%, które występuje w materiałach reklamowych to tylko konwencja. Wszystkie reklamówki, wszystkie wykresy odbicia powłok (te drukowane dla fotografów) dotyczą światła niespolaryzowanego, padającego prostopadle do powierzchni. Są to więc najniższe wartości jakich można się w praktyce spodziewać.

Ale skoro wszyscy to ja też. Przyjmuję więc konwencję: zakładam, że światło pada prostopadle na modelowe szkło o n=1,5 i brnę w przegląd powłok antyrefleksyjnych jakie można kupić.

Błękitna optyka
Historycznie najstarszymi i najprostszymi warstwami przeciwodblaskowymi było coś, co optycy nazywają "warstwą ćwierćfalową" a fotografowie "błękitną optyką". Jak wiele innych wynalazków, fotografowie zawdzięczają to wojnie, a konkretnie II wojnie światowej, kiedy warstwy takie zaczęto powszechnie stosować w przyrządach celowniczych wszystkich stron.

Powłoka taka jest dość prosta: składa się z warstwy przezroczystego nieprzewodnika nałożonej na powierzchnię szkła. Jak to działa?

Gdy światło pada na górną powierzchnię warstwy, mała część się odbija (z tego samego powodu, co od powierzchni szkła - różnicy współczynników załamania). Większość światła się załamuje i trafia na dno warstwy (czyli granicy warstwa - szkło) i znowu mała część się odbija. Tak, jak na rysunku:


To, co się odbiło od dna warstwy, znowu trafia na powierzchnię warstwy i w większości wychodzi na zewnątrz. A ponieważ światło jest falą, to następuje interferencja pomiędzy tym, co się odbiło od powierzchni warstwy a tym, co się odbiło do jej dna.

Tu dochodzimy do pierwszego warunku, jaki musimy spełnić, aby warstwa była przeciwodblaskowa: grubość. Aby odbicia od powierzchni warstwy interferowały destrukcyjnie (czyli, mówiąc po ludzku, wygaszały się) muszą falować w przeciwfazie. A aby tak było, to grubość warstwy przeciwodblaskowej musi wynosić 1/4 długości fali, dla jakiej ma działać (i dlatego nazywa się to warstwą ćwierćfalową). No i dostaliśmy jednocześnie pierwszą wadę takiej warstwy: można napylić warstwę dla światła zielonego (np. 550nm), ale ona już nie będzie idealna dla czerwonego i niebieskiego.

Jeżeli warstwa ma grubość 1/4 długości fali, to odbicia jest najmniej. Pytanie brzmi: czy da się zrobić tak, aby odbicie wygasiło się do zera? Otóż teoretycznie tak, praktycznie nie. Wracamy (niestety) do interferencji. Fale w przeciwfazie się wygaszają. Jednak wygaszenie jest całkowite tylko wtedy, gdy interferujące fale mają taką samą intensywność. A więc, aby powłoka działała idealnie, odbicie od powierzchni powłoki antyrefleksyjnej musi być dokładnie tak samo silne, co odbicie od jej dna. A ponieważ to, ile się odbija, zależy od różnicy współczynników załamania, to współczynnik załamania materiału z jakiego zrobiona jest powłoka (oznaczmy to n1) musi być odpowiedni. Konkretnie - taki, jak średnia geometryczna współczynników załamania szkła (ns) i powietrza (n0). I tu pojawia się problem. Typowe lekkie szkło optyczne ma współczynnik załamania ok. 1,5. Z tego wynika, że współczynnik materiału na warstwę AR musi wynosić 1,22. I to kolejny problem: takich materiałów (które do tego jeszcze dałoby się nałożyć i na przykład nie spłynęłyby natychmiast) nie ma. Najbliższym sensownym materiałem jest MgF2, który ma współczynnik załamania 1,38. Taka warstwa obniża odbicie (jeżeli światło pada prostopadle, zgodnie z konwencją) z 4 % do ok. 1,5%. Czyli dostajemy wynik, który warto zastosować, ale jeśli się da zrobić lepiej, to też warto.

Tu uwaga: warstwa z MgF2 działa dość słabo ze szkłem kronowym, ale jze szkłami ciężkimi (o współczynnikach załamania rzędu 1,7) odbicie spada do ok. 0.1%, co jest już bardzo dobrym wynikiem.

Dwie warstwy
Drugi z problemów związanych z pomysłem pojedynczej warstwy antyrefleksyjnej, tj. brak materiału o odpowiednim współczynniku załamania, wyeliminowano dość szybko, poprzez zastosowanie warstwy podwójnej. Zasada działania jest taka sama. Z tym, że, jeżeli zamiast jednej nałożymy dwie warstwy z dwóch różnych materiałów, to mamy w sumie trzy interferujące odbicia: od wierzchu górnej warstwy, od granicy pomiędzy warstwami oraz od granicy pomiędzy dolną warstwą a szkłem. To, co powoduje zmianę, to to, że warunek na współczynniki załamania warstw się zmienia na łatwiejszy do spełnienia.


Dla przykładu, jeżeli na szkło o współczynniku załamania 1,5 nałożymy najpierw warstwę ZrO2 (n=2,1), a potem CrF2 (n=1,63), to w efekcie dostaniemy warstwę, która odbicie zredukuje do poziomu 0,25%. A to już bardzo dobrze, choć wciąż niestety układ przystosowany jest do działania tylko dla jednego koloru. Taka powłoka antyrefleksyjna zaprojektowana tylko dla jednej długości fali jest nazywana powłoką "typu V", bo wykres odbicia od długości fali przypomina tę literę.

MC, czyli inaczej "stos ćwierćfalowy"
Można by sobie mnożyć materiały na powłoki, aż doszlibyśmy do sytuacji, w której na szkle byłoby wszystko, co da się nałożyć. Ale nastąpiła rewolucja. Rozpoczęła ją pewna firma na "P", tworząc układ pod nazwą SMC (od "Super Multi Coating"). Swoją drogą, to ta firma nie opracowała tych powłok, tylko kupiła patent.

W pierwszej wersji powłoki opisywano jako siedmiowarstwowe. Ale to nie jest tak, że tam było 7 różnych materiałów. Otóż we wszystkich współczesnych powłokach antyrefleksyjnych materiałów jest... DWA. Patent polegał na tym, że wzięto opisaną wcześniej i stosowaną już wtedy powszechnie powłokę dwuwarstwową i ułożono takich par warstw więcej. Oryginalne 7 warstw oznacza tak naprawdę 7 par warstw z dwóch materiałów nakładanych na zmianę (w przypadku powłok SMC firmy na "P" były to TiO2 i SiO2).

Jeżeli wszystkie warstwy będą miały po 1/4 długości fali to dostaniemy powłokę typu V o bardzo małym odbiciu dla najlepszej długości fali (choć szybko pogarszającą się wraz z oddalaniem się od niej). W laserach półprzewodnikowych (świecących światłem monochromatycznym) stosuje się czasem warstwy odbijające nawet 0,001%.

Ale jak się zrobi tak, że kolejne warstwy mają różne grubości (odpowiednio dobrane), to można uzyskać powłoki szerokopasmowe, coś takiego:


I to jest właśnie najważniejsze dla fotografa. Fotograficzne powłoki antyrefleksyjne nie mają odbić wygaszonych do jakiś wyjątkowych wartości. Raczej są dość podobne do najlepszych wartości powłok dwuwarstwowych. Ale za to działają dobrze dla szerokiego zakresu widmowego. I to jest cała wielka różnica.

Powłoki takie można wykorzystywać do bardzo różnych celów. Oprócz antyrefleksów można też robić lustra, których używa się w nauce do odbijania wiązek laserów dużej mocy, ponieważ w przeciwieństwie do metalicznych nie grzeją się tak bardzo i trudniej je przepalić. Albo na przykład tzw. zwierciadła dichroiczne, czyli takie coś, co dla fal krótszych niż jakaś graniczna jest dobrym lustrem, a dla dłuższych - antyrefleksem. Wykorzystuje się to do produkcji odbłyśników do lamp projektorów kinowych, które potrafią znakomicie skierować światło w kierunku filmu, ale podczerwień (czyli promieniowanie cieplne) już nie.

Piszę to, aby pokazać, że zmienianie grubości poszczególnych warstw daje duże pole do popisu dla projektantów - nie zawsze powłoka 8-warstwowa będzie lepsza od 7-warstwowej dokładnie tak samo, jak obiektyw 8-soczewkowy musi być lepszy od 7-soczewkowego.

Na koniec
Większość sytuacji, w których fotografowie w ogóle interesują się powłokami antyrefleksyjnymi to chyba fotograficzne... zakupy. A właściwie dwa rodzaje: kupowanie filtrów i kupowanie bardzo starych obiektywów.

Jeżeli chodzi o filtry, to fotograf zazwyczaj ma do wyboru filtry z kilkoma rodzajami pokryć antyrefleksyjnych. Tu zasada jest zazwyczaj prosta: powłoki typu "MC" są lepsze od jednowarstwowych. Problem leży w cenie. Niestety, bez względu na cenę, powłok, które są w stanie wygasić wszelkie bliki tak dobrze, aby nigdy nie wyskoczyły na zdjęciach, nie ma. To jest tylko kwestia tego, czy bliki będą jaśniejsze czy ciemniejsze. Jednocześnie przez wiele lat, nawet, gdy już właściwie nie produkowano obiektywów niepowlekanych, filtry nie miały powłok w ogóle, a mimo to powstawały zdjęcia, na których świetnie radzono sobie z problemem za pomocą starego rozwiązania, jakim jest osłona przeciwsłoneczna, albo cokolwiek, co znajdzie się tuż poza kadrem, ale rzuci cień akurat na soczewkę. Gwarantuję. Sam stosuję ten sposób z moim ulubionym, starszym ode mnie obiektywem z przestarzałymi 2-warstwowymi powłokami i filtrami z powłokami pojedynczymi i działa świetnie.

Jeżeli chodzi o obiektywy to jest jeszcze jedna zmienna: liczba soczewek. Im więcej soczewek (a właściwie grup) ma obiektyw, tym więcej odbija, a mniej przepuszcza. I to wcale nie jest taka słaba zmiana: 5-soczewkowy stałoogniskowiec, który miałby stare powłoki, odbijające na przykład 1% światła, przepuści bez odbicia 0,9910 czyli ok. 90% światła. 15-soczewkowy zoom z takimi samymi pokryciami poprawnie skupia już tylko 74% światła (0,9930). Aby dostać na końcu obiektyw tak dobry pod światło, jak nasz stałoogniskowiec, musimy obniżyć odbicie na każdej powierzchni do 0,35%. A to pokazuje, że stare, prostsze obiektywy, nawet mimo gorszych powłok, mogą zachowywać się lepiej od nowoczesnych skomplikowanych.

Oczywiście przy założeniu, że lepiej, jest zawsze lepiej. Co nie zawsze jest prawdą. Jedna firma na "V" zupełnie niedawno wypuściła na rynek specjalną wersję obiektywu 40mm f/1.4 do dalmierzowców, która miała pokrycia jednowarstwowe, bo niektórzy fotografowie tak wolą. I się sprzedało...

Ostatnia sprawa to czystość. Powłoki antyrefleksyjne działają dobrze, jak są czyste. Wystarczy je zatłuścić, albo nawet zamoczyć i przestają działać. Czystość jest niestety niedoceniana. Czyściutki obiektyw z pojedynczą warstwą ćwierćfalową będzie lepszy od nowoczesnych powłok coś-tam-MC utytłanych kremem do rąk, rozsmarowanym mikrofibrą po tradycyjnym chuchnięciu.

I dlatego o myciu będzie jeden z najbliższych odcinków.

Komentarze
Więcej w kategorii: Poradniki
Brak ci motywacji? Oto 29 porad od najbardziej wpływowych fotografów w branży
Brak ci motywacji? Oto 29 porad od najbardziej wpływowych fotografów w branży
Gdybyś miał najważniejszą radę odnośnie pracy fotografa, co by to było? Takie pytanie fotograf Taylor Jackson zadał jednym z najbardziej rozpoznawalnych współczesnych...
15
0
Wybierasz się na zasłużony urlop? Oto sprzętowe pomysły i praktyczne sztuczki, które warto rozważyć
Wybierasz się na zasłużony urlop? Oto sprzętowe pomysły i praktyczne sztuczki, które warto rozważyć
Letni sezon to czas podróży, odkrywania odległych miejsc i… fotografowania. Dlatego przygotowaliśmy kilka praktycznych porad oraz zestawienie przydatnych akcesoriów,...
3
0
Chcesz stać się lepszym fotografem? Unikaj tych 13 błędów [WIDEO]
Chcesz stać się lepszym fotografem? Unikaj tych 13 błędów [WIDEO]
Nigel Danson, uznany fotograf krajobrazu, powraca z kolejnym ciekawym poradnikiem. Tym razem naświetla 13 błędów, które trzeba wyeliminować, aby wskoczyć na wyższy...
23
0
Powiązane artykuły
Wczytaj więcej (14)