Złodzieje Światła
Spojlerami, które nękają użytkowników optyki od czasu wynalezienia pierwszego teleskopu Galileusza w 1610 r., są absorpcja i odbicia, które radykalnie zmniejszają ilość użytecznego światła docierającego do oczu widza. Każdy element optyczny (poszczególna soczewka, pryzmat czy zwierciadło) nieuchronnie pochłania część przechodzącego przez niego światła. O wiele bardziej znaczący jest jednak fakt, że niewielka część światła odbija się od każdej granicy powietrze-szkło. W przypadku optyki niepowlekanej ta „strata odbicia” waha się od 4 do 6 procent na powierzchnię, co nie wydaje się takie złe, dopóki nie zdamy sobie sprawy, że nowoczesne przyrządy optyczne mają od 10 do 16 takich powierzchni. Końcowym rezultatem może być utrata światła sięgająca nawet 50 procent, co jest szczególnie kłopotliwe w warunkach słabego oświetlenia.
Poważniejszy jest jednak fakt, że odbite światło nie tylko znika, pozostawiając ciemniejszy obraz. Zamiast tego odbija się od powierzchni do powierzchni wewnątrz instrumentu, a część światła z drugiego, trzeciego i czwartego odbicia ostatecznie przechodzi przez źrenice wyjściowe instrumentu i trafia do oczu widza. Takie rozproszone światło nazywane jest „flarą” i jest definiowane jako „światło nietworzące obrazu, skoncentrowane lub rozproszone, przepuszczane przez układ optyczny”. Rezultatem jest zasłaniający odblask lub zamglenie, które przesłania szczegóły obrazu i zmniejsza kontrast. W skrajnych przypadkach może nawet powodować obrazy duchów. Ekstremalnym przykładem może być próba fotografowania zwierzyny szklanej po zacienionej stronie niskiej grani, przy jasnym świetle słonecznym wpadającym znad góry i wpadającym do obiektywu instrumentu. (Nigdy nie patrz bezpośrednio na słońce, zarówno z optyką, jak i bez niej, ponieważ może to spowodować poważne uszkodzenie oczu.)
Jednowarstwowe powłoki antyrefleksyjne
Długo oczekiwane rozwiązanie problemu utraty światła odblaskowego nastąpiło w połowie lat trzydziestych XX wieku, kiedy inżynier Carl Zeiss, Alexandar Smakula, opracował i opatentował „system nieodblaskowych powłok soczewek Zeiss” (obecnie nazywany powłokami antyrefleksyjnymi lub AR), który został ogłoszony „najważniejszym osiągnięciem stulecia w naukach optycznych”. Wkrótce potem potrzeby militarne II wojny światowej przyspieszyły rozwój powłoki, która była stosowana zarówno przez siły alianckie, jak i siły Osi w instrumentach optycznych, od okularów polowych (lornetek) po celowniki bombowe.
Teoria powłok AR (patrz ilustracja poniżej) jest bardzo skomplikowaną koncepcją naukową. W zastosowaniu składa się z przezroczystej folii, zwykle z fluorku magnezu MgF2, o grubości jednej czwartej długości fali świetlnej (około sześciu milionowych cala), osadzonej w wyniku bombardowania molekularnego na czystej powierzchni szkła. Opracowanie metody nakładania tak mikroskopijnie cienkiej folii, która odbywa się w komorach próżniowych, było wielkim triumfem technologicznym. Te jednowarstwowe powłoki przeciwodblaskowe zmniejszają utratę światła odblaskowego z od 4 do 6 procent w przypadku powierzchni niepowlekanych do około 1,5 do 2 procent w przypadku powierzchni powlekanych, zwiększając w ten sposób ogólną transmisję światła w przypadku całkowicie pokrytych instrumentów o około 70 procent, co przy biorąc pod uwagę towarzyszącą redukcję odblasków pogarszających obraz, była to niezwykła poprawa.
Wielowarstwowe powłoki antyrefleksyjne
Główną wadą powłok jednowarstwowych, które wciąż są powszechnie stosowane, jest to, że doskonale sprawdzają się tylko dla określonej długości fali (koloru) światła, gdzie grubość powłoki wynosi jedną czwartą długości fali. Ta wada ostatecznie doprowadziła do opracowania wielowarstwowych powłok szerokopasmowych, które są w stanie skutecznie zmniejszać utratę światła odbitego w szerokim zakresie długości fal. Najlepsze obecnie powłoki wielowarstwowe mogą zmniejszyć utratę światła odbitego do zaledwie dwóch dziesiątych jednego procenta na każdej granicy powietrze-szkło.
Mój kontakt z powłokami wielowarstwowymi miał miejsce w 1971 roku, kiedy Pentax zaczął stosować technologię „Super Multicoating” w obiektywach aparatów fotograficznych, co prawie wyeliminowało odblaski i odbicia podczas fotografowania obiektów jasno oświetlonych od tyłu. Producenci optyki sportowej nieco opieszale podążali za modą i dopiero w 1979 roku Carl Zeiss wprowadził powłokę wielowarstwową „T*”, która zwiększyła transmisję światła lornetki Zeissa do nieco ponad 90 procent, poprawiając jednocześnie kontrast obrazu. Powodem, dla którego przejście od pierwszych powłok jednowarstwowych do współczesnych wielowarstwowych powłok szerokopasmowych zajęło tak dużo czasu, było to, że te ostatnie, chociaż opierają się na tych samych zasadach naukowych, są niezwykle skomplikowane i obejmują kilka cienkich warstw różnych fluorków, tlenków, dwutlenków, itp. Jak można się spodziewać, komputery odgrywają główną rolę w formułowaniu i stosowaniu takich powłok.
Chociaż ogólna transmisja światła w dalszym ciągu nieznacznie się poprawia, najwyższe znane mi obecnie poziomy wynoszą około 92 procent w przypadku lornetek i 95 procent w przypadku lunet celowniczych, co znacznie przekracza średnie dla tego typu instrumentów. Głównym powodem, dla którego lunety celownicze mają zwykle nieco lepszą transmisję światła niż lornetki, jest to, że do tworzenia obrazu wykorzystują proste soczewki korekcyjne, a nie skomplikowane pryzmaty.
Podobnie lornetki z pryzmatem Porro mają zazwyczaj lepszą transmisję światła niż lornetki z pryzmatami dachowymi o podobnej jakości optycznej. Godnymi uwagi wyjątkami są lornetki Carl Zeiss, w których zastosowano pryzmaty dachowe Abbe-Koeniga zamiast powszechnie stosowanych pryzmatów dachowych typu Pechan, które mają jedną lustrzaną (zwykle aluminiowaną lub posrebrzaną) powierzchnię, w której od 4 do 6 procent dostępnego światła jest tracone podczas wewnętrznych odbicie. (W procesie zwanym „całkowitym odbiciem wewnętrznym” pryzmaty Porro i pryzmaty dachowe Abbe-Koeniga uzyskują 100% odbicia na wszystkich swoich wewnętrznych powierzchniach, bez żadnych powłok.) Rozwiązaniem problemu pryzmatów Pechana przez niektórych wiodących producentów są specjalne warstwowe powłoki odblaskowe, które uzyskują 99,5% odbicia na lustrzanych powierzchniach.
Należy jednak pamiętać, że nie należy dać się zbytnio ponieść pogoni za kilkoma dodatkowymi punktami procentowymi przepuszczalności światła. Weźmy na przykład pod uwagę, że 5-procentowy wzrost przepuszczalności światła w wysokowydajnym instrumencie optycznym jest w przybliżeniu równy wzrostowi prędkości wylotowej wylotu lufy o 150 fps w karabinie magnum .300 – nigdy nie zauważysz różnicy.
Czy kiedykolwiek w optyce sportowej uda się osiągnąć 100-procentową transmisję światła? Nigdy nie należy mówić „nigdy”, ale poza modyfikacją praw fizyki odpowiedź prawie na pewno brzmi: nie!
Kolory powłok
Wiele osób uważa, że o jakości powłok AR można decydować po kolorze światła odbitego od powierzchni. Być może, ale aby to zrobić z jakąkolwiek pewnością, wymagana jest znaczna wiedza specjalistyczna. Widoczny kolor nie jest kolorem samego materiału powłokowego, który jest bezbarwny, ale kolorem odblaskowym lub połączonymi kolorami odblaskowymi długości fal światła, dla których powłoka jest najmniej skuteczna. Na przykład powłoka, która jest najskuteczniejsza w zakresie długości fali czerwonej i niebieskiej, będzie generować zielone odbicie. I odwrotnie, jeśli powłoka jest najskuteczniejsza w zakresie fal zielonych, odbicie będzie kombinacją koloru czerwonego i niebieskiego, na przykład magenta. Odbicia pochodzące od jednowarstwowych powłok fluorku magnezu zwykle wahają się od bladoniebieskiego do ciemnofioletowego. Chociaż kolory odbijające się od najnowszych powłok wielowarstwowych mogą mieć niemal dowolny kolor tęczy, z różnymi kolorami widocznymi na różnych powierzchniach optycznych w całym systemie, jasne białe (bezbarwne) odbicie zwykle wskazuje na niepowleczoną powierzchnię.
Poniższy test „zrób to sam” do oceny powłok AR, choć nienaukowy, ma zarówno charakter edukacyjny, jak i informacyjny. Jedynym potrzebnym narzędziem jest mała latarka lub, w przypadku jej braku, górna lampa. Sztuka polega na tym, aby skierować światło w obiektyw instrumentu, tak aby patrząc wzdłuż wiązki można było zobaczyć obrazy światła odbijającego się od różnych granic powietrze-szkło w instrumencie. (Uwaga: odbicia będą pochodzić zarówno z bliższej, jak i dalszej strony soczewek i pryzmatów.) Teraz, w oparciu o powyższe informacje dotyczące koloru, będziesz miał pewne pojęcie o rodzajach zastosowanych powłok i, co ważniejsze, czy niektóre powierzchnie są niepowlekane.
Inne rodzaje powłok
Z braku miejsca na szczegółowe omówienie pozostałych typów powłok optycznych, podaję poniższe krótkie podsumowania.
Powłoki z korekcją fazy (P):Opracowana przez Carla Zeissa (kto jeszcze?) i wprowadzona jako „powłoka P” w 1988 roku powłoka z korekcją fazową jest drugą co do ważności powłoką przeciwodblaskową w instrumentach dachowopryzmatycznych. Problem (nieobecny w pryzmatach Porro) polega na tym, że fale świetlne odbijające się od przeciwległych powierzchni dachu stają się spolaryzowane eliptycznie, tak że są przesunięte w fazie o połowę długości fali. Prowadzi to do destrukcyjnych zakłóceń i późniejszego pogorszenia jakości obrazu. Powłoki P rozwiązują problem, eliminując destrukcyjne przesunięcia fazowe.
Powłoki odblaskowe:Te lustrzane powłoki, które często swoją skuteczność zawdzięczają zakłóceniom konstrukcyjnym, są stosowane w optyce sportowej częściej, niż mogłoby się wydawać. Przykłady obejmują: większość dalmierzy laserowych i kilka lunet celowniczych wyposażonych w rozdzielacze wiązki; celowniki kolimatorowe, w których zastosowano powłokę dostosowaną do długości fali, aby odbijać obraz kropki z powrotem do oka strzelca; oraz, jak omówiono wcześniej, w instrumentach dachowo-pryzmowych z pryzmatami Pechana.
Powłoki hydrofobowe (wodoodporne):Archetypem powłoki hydrofobowej jest powłoka Rainguard firmy Bushnell, która odprowadza wodę i jest odporna na zamglenie zewnętrzne. Dokładnie testowałem powłokę Rainguard w zimnym klimacie, gdzie przypadkowe oddychanie przez soczewkę okularu lunety spowodowałoby zasłonięcie widoku celu. Rezultat był taki, że nawet jeśli celowo wdychałem soczewki obiektywu i okularu, powodując ich zaparowanie lub szron, nadal widziałem cele wystarczająco dobrze, aby strzelać.
Powłoki odporne na ścieranie:Utrzymującą się wadą niektórych powłok przeciwodblaskowych jest to, że są one zazwyczaj miękkie i dlatego łatwo ulegają zarysowaniom. Na szczęście dzisiejsze „wytrzymałe” powłoki, choć wciąż nie są powszechnie stosowane, znacznie poprawiają trwałość optyki zewnętrznej, od okularów po lunety. Zdecydowanie najtwardsza powłoka, jaką testowałem, znajduje się na zewnętrznych powierzchniach soczewek z powłoką T w lunetach karabinowych Burris Black Diamond 30 mm Titanium. Nie mógłbym go zarysować nawet ostrym jak brzytwa scyzorykiem. To drugie nie jest zalecane.
Oznaczenia powłok
Producenci optyki często używają poniższych terminów do opisania stopnia ochrony ich przyrządów przez powłoki AR.
Powlekana optyka (C) oznacza, że jedna lub więcej powierzchni jednej lub większej liczby soczewek została pokryta powłoką.
Pełna powłoka (FC) oznacza, że wszystkie granice powietrze-szkło zostały pokryte co najmniej jedną warstwą powłoki przeciwodblaskowej, co jest dobre.
Wielowarstwowa powłoka (MC) oznacza, że jedna lub więcej powierzchni jednej lub większej liczby soczewek została pokryta powłoką AR składającą się z dwóch lub więcej warstw. Oznaczenie to stosowane przez renomowanych producentów zwykle oznacza, że jedna lub obie zewnętrzne powierzchnie soczewek są powlekane wielowarstwowo, a powierzchnie wewnętrzne prawdopodobnie mają powłoki jednowarstwowe.
Fully multicoated (FMC) oznacza, że wszystkie granice powietrze-szkło powinny zostać pokryte wielowarstwowymi powłokami przeciwodblaskowymi, co jest najlepsze.
Niestety nie wszystkie powłoki AR danego typu są sobie równe, a niektóre mogą nawet być podróbkami. Choć są piękne, jestem bardzo sceptyczny co do wartości tak zwanych powłok „rubinowych”, które odbijają oślepiającą ilość czerwonego światła, sprawiając, że oglądane obiekty wydają się upiornie zielone. Kiedy czołowi producenci, tacy jak Carl Zeiss, Leica, Nikon czy Swarovski, zaczną stosować rubinowe lub inne niekonwencjonalne powłoki, zacznę w nie wierzyć. Pierwszą linią obrony przed gorszymi i fałszywymi powłokami jest zakup od producenta, który ma udokumentowane doświadczenie w zakresie uczciwości. Nie oznacza to, że nawet najlepsze firmy nie chcą reklamować swoich zastrzeżonych powłok. Zwykle dadzą się ponieść reklamodawcom.