In den letzten Jahren haben einige Linsendesigner ihre Linsen mit neuen Linsenbeschichtungen aktualisiert. Zum Beispiel verfügen die neuesten limitierten Objektive von Pentax über ein bestehendes optisches Design mit nur wenigen Verbesserungen, einschließlich einer besseren Linsenbeschichtung.

Beim Testen solcher Objektive stimmen Rezensenten im Allgemeinen darin überein, dass neue Objektivbeschichtungen die Bildqualität (insbesondere Kontrast und Streulicht) erheblich verbessern, erklären dies jedoch nie ganz wie Linsenbeschichtungen funktionieren. Das ist das Ziel dieses Artikels.

Eine Sammlung von Linsen mit Antireflexbeschichtungen. Foto von Mengliu Di.

Die Ursprünge der Linsenbeschichtungen

In der Vergangenheit wurden Beschichtungen eingeführt, um den Lichtverlust in optischen Systemen zu reduzieren. Tatsächlich geht jedes Mal, wenn das Licht von einem optischen Medium zu einem anderen übergeht, ein Bruchteil der Energie aufgrund eines Reflexionsphänomens verloren. Dieses Reflexionsphänomen tritt natürlich auf jeder Art von Oberfläche zwischen zwei Materialien auf, sei es die Oberfläche eines Flusses, eines Glases oder eines Spiegels. Der einzige Unterschied ist die reflektierte Lichtmenge. Bei Glas wird allgemein angenommen, dass 96 % des Lichts durchgelassen und 4 % reflektiert werden.

Die Gleichung hinter diesen Zahlen lautet:

R ist die reflektierte Energie, n1 der Brechungsindex des ersten Mediums (1,0 für Luft) und n2 der Brechungsindex des zweiten Mediums (in unserem Fall Glas). Der Brechungsindex von Glas liegt normalerweise im Bereich von 1,4 bis 1,8. Der 4%-Wert ergibt sich aus einem typischen Brechungsindex von 1,5.

Dieser Energieverlust mag zunächst gering erscheinen. Es akkumuliert sich jedoch für jede Linsenoberfläche innerhalb eines gegebenen Linsensystems. Eine Festbrennweite enthält typischerweise 7 bis 12 Elemente (was etwa 15-20 Linsenoberflächen bedeutet, da jedes Linsenelement sowohl eine Luft/Glas- als auch eine Glas/Luft-Grenzfläche hat), während ein modernes Zoomobjektivdesign mehr als 20 Elemente aufweist (was bedeutet etwa 40 Linsenflächen).

Dieses typische Festbrennweitenobjektiv würde nur die Hälfte des Lichts durchlassen, während das Zoomobjektiv weniger als 20 % des einfallenden Lichts durchlassen würde.

Ein Diagramm der Optik in einem Canon EF 24-105mm f/4 IS USM Objektiv. Illustration von Alessio Facchin und lizenziert unter CC BY-SA 3.0.

Die erste Linsenbeschichtung geht auf den englischen Mathematiker und Wissenschaftler Lord Rayleigh (John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh) zurück. Zu seiner großen Überraschung entdeckte er 1886, dass altes angelaufenes Glas mehr Licht durchlässt als neues, nicht angelaufenes Glas. Lord Rayleigh entdeckte, dass zwei aufeinanderfolgende Grenzflächen Luft/Anlauf und Anlauf/Glas mehr Licht durchlassen als eine einzelne Luft/Glas-Grenzfläche. Mehrere Patente folgten dieser Entdeckung und die Linsenbeschichtung verbesserte sich allmählich.

Lord Rayleigh machte 1886 eine bahnbrechende Entdeckung über die Lichtdurchlässigkeit durch Glas.

Für Fotografen kam es in den 1930er Jahren zu einer wesentlichen Verbesserung. 1935 patentierte der Zeiss-Ingenieur Alexander Smakula die erste Beschichtung mit mehreren Schichten von Chemikalien. Dieses Design hat, wie wir später erklären werden, die Leistung von Linsenbeschichtungen dramatisch verbessert und zu beispiellosen optischen Leistungen geführt.

Lichttransmission an der Grenzfläche zwischen Luft und Glas, ohne (links) und mit (rechts) Beschichtungen.

Wie effektiv sind Linsenbeschichtungen bei der Verbesserung der Lichtdurchlässigkeit?

Eine Linsenbeschichtung bringt typischerweise die Transmission von etwa 96 % auf über 99,7 %. Das bedeutet, dass ein typisches Objektiv mit Festbrennweite jetzt 95 % des Lichts (vorher 50 %) und unser Zoom 88 % (vorher 20 %) durchlassen kann.

Offensichtlich bringt die Linsenbeschichtung eine große Verbesserung für die Fotografie bei schlechten Lichtverhältnissen. Die Verbesserung ist umso auffälliger, als die Anzahl der in fotografischen Objektiven verwendeten optischen Linsen in modernen Designs tendenziell zunimmt. War es in den Anfängen der Fotografie üblich, ein Linsendubletten zu verwenden, ist es heutzutage üblich, mehr als 15 Linsenelemente in Computer-entworfenen Objektiven zu verwenden. Folglich wird die Lichtdurchlässigkeit für Linsendesigner zu einem immer wichtigeren Thema.

Die Probleme von niedrigem Kontrast und Blendenflecken

Es gibt weitere Vorteile bei der Verwendung einer Beschichtung auf Linsen. Die nicht übertragene Energie wird im Objektiv mehrmals hin und her reflektiert und am Ende zum endgültigen Bild addiert. Im besten Fall werden dunkle Bereiche durch diffuses Licht beleuchtet, was zu einem geringeren Dynamikumfang und Kontrast führt. Im schlimmsten Fall erzeugt eine starke Lichtquelle aus der Szene auch helle Flecken im Bild, sogenannte Flares.

2016 hat der Objektivhersteller Zeiss ein interessantes Experiment durchgeführt zu demonstrieren die Bedeutung von Linsenbeschichtungen. Der Hersteller produzierte zwei Exemplare des exakt gleichen Objektivs, ein 21 mm f/2,8 Distagon, eines mit optischen Beschichtungen und das andere ohne.

Ein unbeschichtetes Zeiss Distagon 21mm f2.8 ZE Objektiv (links) und a
T*-beschichtetes (rechts). Foto von Andreas
Bogenschütz und über Zeiss.

Unten sind einige der Bilder, die mit beiden Objektiven im gleichen Zustand aufgenommen wurden. Insgesamt wird die Bildqualität bei allen Aufnahmen, die mit dem Objektiv ohne Vergütung aufgenommen wurden, drastisch reduziert.

Fotos, die mit (oben) und ohne (unten) Linsenbeschichtungen aufgenommen wurden. Fotos von Zeiss.
Fotos, die mit (oben) und ohne (unten) Linsenbeschichtungen aufgenommen wurden. Fotos von Zeiss.

Die Physik von Linsenbeschichtungsdesigns

Das Design einer Beschichtung kann auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen. Die Liste umfasst indexbasierte Methoden, GRIN-Materialien, Polarisation, Beugungstheorie und sogar Metamaterialien …

Die historisch einfachste Form der Antireflexbeschichtung bringt uns zurück zur Transmissionsgleichung. Es scheint, dass die Gesamttransmission verbessert werden kann, indem ein Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex (z. B. 1,3) als dem von Glas (z. B. 1,5) hinzugefügt wird.

Mit der oben vorgeschlagenen einfachen Beschichtung kann man die Lichtdurchlässigkeit von 96 % auf 97,8 % verbessern. Allerdings ist diese Art der Einschichtbeschichtung noch weit von 0 % Reflexion entfernt.

Um die Beschichtungsleistung zu verbessern, neigen Linsendesigner dazu, stattdessen die Beugungstheorie zu verwenden. Unter Ausnutzung der Wellennatur des Lichts kann man eine dünne Materialschicht wählen, um die Reflexion perfekt aufzuheben. Eine Schicht mit einer Dicke von 1/4 der Wellenlänge bedeutet, dass die am Glas reflektierte Welle eine zusätzliche 1/2 Wellenlänge (1/4 Wellenlänge kommt herein und 1/4 Wellenlänge kommt heraus) im Vergleich zu der am Glas reflektierten Welle zurücklegt AR-Beschichtung. Somit werden die beiden Wellen mit entgegengesetzten Phasen verschoben und ihre Summe ist null.

Kunstansicht der Beugungstheorie, eingeführt mit einer Wellenlänge/4-Beschichtung. Der vom Glas reflektierte Strahl und der von der Beschichtung reflektierte Strahl heben sich gegenseitig auf.

Es gibt ein paar Vorbehalte zu diesem Idealfall. Erstens kommt Licht normalerweise in einem Spektrum anstelle einer einzelnen Wellenlänge vor (eine einzelne Wellenlänge existiert nicht wirklich in der Natur, Sie können einige in künstlichen Laserquellen finden). Für sichtbares Licht reichen die Wellenlängen von 400 nm (blaues Licht) bis 800 nm (rotes Licht). Dies bedeutet, dass die zum Eliminieren von Reflexionen erforderliche Dicke je nach Farbe erheblich variiert. Es kann auch bedeuten, dass nicht alle Farben gleichmäßig übertragen werden, was wirklich bedeutet, dass die Linsenbeschichtung einen Farbstich verursacht.

Zweitens ging unsere Berechnung davon aus, dass die Lichtstrahlen senkrecht zur Glasoberfläche stehen. In praktischen Fällen können sie jedoch in einem großen Winkel auf das Objektiv fallen. Sobald ein Winkel eingeführt wird, vergrößert sich der optische Weg innerhalb der Antireflexbeschichtung, was zu einer geringeren Transmission führt.

Um diese Probleme zu lösen, besteht die beste Lösung darin, mehrere Beschichtungsschichten hinzuzufügen. Eine übliche Struktur wechselt 1/4-Wellenlängen-Beschichtung mit 1/2-Wellenlängen-Beschichtung ab. Es ist üblich, Linsen mit typischerweise 7 Beschichtungsschichten zu haben.

Ein mehrschichtiges Beschichtungsmuster.

Wie werden Linsenbeschichtungen in Massenproduktion hergestellt?

Die Wellenlänge im sichtbaren Licht beträgt etwa 500 nm, und Linsenbeschichtungen sind typischerweise 100 nm bis 250 nm dünne Schichten. Zum Vergleich: Ein durchschnittliches menschliches Haar ist etwa tausendmal dicker.

Außerdem soll die Schicht im gesamten Glas gleichmäßig sein, sodass die Schichtdicke nur um wenige Prozent variiert. Dieser Schritt kann nicht durchgeführt werden, bis das Glas in seine endgültige Form geschnitten und poliert wurde, da der Polierprozess sonst die Beschichtung entfernen würde.

Der moderne industrielle Prozess verwendet Dampfabscheidungstechnologien. Es wird typischerweise in einer Vakuumkammer mit Chemikalien zum Verdampfen durchgeführt.

Hier ist ein kurzes Video einer Maschine, die für diesen Zweck entwickelt wurde:

Im oberen Teil des Systems sehen Sie einen Satz Linsen, die zur Beschichtung bereit sind. Diese Linsen werden durch den Beschichtungsprozess gedreht, um die Schicht der Antireflexbeschichtung zu glätten.

Fazit

Die Wissenschaft der Linsenbeschichtungen ist fast hundert Jahre alt. Dennoch wird das Thema immer noch aktiv erforscht. Die viel diskutierten Meta-Material-Technologien, die derzeit Schlagzeilen machen, könnten mögliche Verbesserungen gegenüber bestehenden Linsenbeschichtungen bringen.

Angesichts der zunehmenden Komplexität von Linsendesigns ist jeder Fortschritt bei der Linsenbeschichtung das Beste, da er auch die Lichtdurchlässigkeit und den Bildkontrast verbessert.


Über den Autor: Timothee Cognard ist Optiker und Fotograf in Paris, Frankreich.


Bildnachweis: Titelbild von Depositphotos

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