De lichtdieven
De spoilers waar gebruikers van optica sinds de uitvinding van Galileo's eerste telescoop in 1610 last van hebben gehad, zijn absorptie en reflecties, die de hoeveelheid bruikbaar licht die de ogen van de kijker bereikt dramatisch verminderen. Elk optisch element (individuele lens, prisma of spiegel) absorbeert onvermijdelijk een deel van het licht dat er doorheen gaat. Veel belangrijker is echter het feit dat een klein percentage van het licht wordt gereflecteerd door elk lucht-glasoppervlak. Voor ongecoate optica varieert dit "reflectieverlies" tussen de 4 procent en 6 procent per oppervlak, wat niet zo erg lijkt totdat je beseft dat moderne optische instrumenten ergens tussen de 10 en 16 van dergelijke oppervlakken hebben. Het netto resultaat kan een lichtverlies van maar liefst 50 procent zijn, wat vooral lastig is bij weinig licht.
Ernstiger is echter het feit dat het gereflecteerde licht niet zomaar verdwijnt, waardoor een zwakker beeld overblijft. In plaats daarvan blijft het binnen het instrument van oppervlak naar oppervlak stuiteren, waarbij een deel van het licht van deze tweede, derde en vierde reflecties uiteindelijk via de uitgangspupillen van het instrument in de ogen van de kijker terechtkomt. Dergelijk verstrooid licht wordt 'flare' genoemd en wordt gedefinieerd als 'niet-beeldvormend licht, geconcentreerd of diffuus, dat door het optische systeem wordt doorgelaten'. Het resultaat is een versluierende schittering of wazigheid die beelddetails verduistert en het contrast vermindert. In extreme gevallen kan het zelfs spookbeelden veroorzaken. Een extreem voorbeeld zou zijn als je zou proberen glasspel te maken op de schaduwrijke kant van een lage bergkam, terwijl fel zonlicht over de bovenkant en in de objectieflens van het instrument stroomt. (Kijk nooit rechtstreeks in de zon, met of zonder optiek, omdat dit ernstig oogletsel kan veroorzaken.)
Enkellaagse antireflectiecoatings
De langverwachte oplossing voor het probleem van het verlies van reflecterend licht kwam halverwege de jaren dertig toen Alexandar Smakula, een Carl Zeiss-ingenieur, het "Zeiss niet-reflecterende lenscoatingsysteem" (nu antireflectie- of AR-coatings genoemd) ontwikkelde en patenteerde. werd aangekondigd als "de belangrijkste ontwikkeling van de eeuw in de optische wetenschap." Kort daarna versnelden de militaire behoeften van de Tweede Wereldoorlog de ontwikkeling van de coating, die door zowel de geallieerde strijdkrachten als de As-troepen werd gebruikt in optische instrumenten, variërend van veldkijkers (verrekijkers) tot bommenrichters.
De theorie achter AR-coatings (zie onderstaande illustratie) is een zeer ingewikkeld wetenschappelijk concept. Bij toepassing bestaat het uit een transparante film, meestal van magnesiumfluoride MgF2, een kwart golflengte van licht (ongeveer zes miljoenste van een inch) dik, door moleculair bombardement afgezet op een schoon glasoppervlak. Het ontwikkelen van een methode om zo’n microscopisch dunne film aan te brengen, wat gebeurt in vacuümkamers, was een grote technologische triomf. Deze enkellaagse antireflectiecoatings verminderden het verlies aan reflecterend licht van 4 tot 6 procent voor ongecoate oppervlakken tot ongeveer 1,5 tot 2 procent voor gecoate oppervlakken, waardoor de totale lichttransmissie voor volledig gecoate instrumenten met ongeveer 70 procent werd verhoogd, wat, gezien de daarmee gepaard gaande vermindering van beeldverslechterende overstraling, was dit een opmerkelijke verbetering.
Meerlaagse antireflectiecoatings
Een grote tekortkoming van enkellaagse coatings, die nog steeds veel worden gebruikt, is dat ze alleen prima werken voor de specifieke golflengte (kleur) van licht waarbij de dikte van de coating gelijk is aan een kwart van de golflengte. Dit tekort leidde uiteindelijk tot de ontwikkeling van meerlaagse breedbandcoatings die het verlies van reflecterend licht over een breed bereik aan golflengten efficiënt kunnen verminderen. De beste meerlaagse coatings van vandaag kunnen het verlies aan reflecterend licht verminderen tot slechts twee tiende van één procent op elk lucht-glasoppervlak.
Mijn kennismaking met meerlaagse coatings vond plaats in 1971 toen Pentax zijn "Super Multicoating" begon te gebruiken op cameralenzen, waardoor overstraling en spookbeelden bijna werden geëlimineerd bij het fotograferen van onderwerpen met helder tegenlicht. Fabrikanten van sportoptiek kwamen wat traag op de kar, en pas in 1979 introduceerde Carl Zeiss zijn "T*" Multicoating, die de lichttransmissie van Zeiss-verrekijkers verhoogde tot iets meer dan 90 procent, terwijl tegelijkertijd het beeldcontrast werd verbeterd. De reden dat het zo lang duurde om van de eerste enkellaagse coatings naar de huidige meerlaagse breedbandcoatings te komen, was omdat deze laatste, hoewel gebaseerd op dezelfde wetenschappelijke principes, ongelooflijk ingewikkeld zijn, met verschillende dunne lagen van verschillende fluoriden, oxiden, dioxiden, enz. Zoals je zou verwachten spelen computers een belangrijke rol bij de formulering en toepassing van dergelijke coatings.
Hoewel de algehele lichttransmissie enigszins blijft verbeteren, bedragen de hoogste niveaus waarmee ik momenteel bekend ben ongeveer 92 procent voor verrekijkers en 95 procent voor richtkijkers, wat ruim boven de gemiddelden voor dergelijke instrumenten ligt. De belangrijkste reden waarom richtkijkers doorgaans een iets betere lichttransmissie hebben dan verrekijkers, is omdat ze eenvoudige erectorlenzen gebruiken in plaats van ingewikkelde prisma's voor het opbouwen van beelden.
Op dezelfde manier hebben porro-prisma-verrekijkers doorgaans een betere lichttransmissie dan dakkant-verrekijkers met een vergelijkbare optische kwaliteit. Opvallende uitzonderingen zijn de Carl Zeiss-verrekijkers die dakkantprisma's van Abbe-Koenig gebruiken in plaats van de veelgebruikte dakkantprisma's van het Pechan-type, die één gespiegeld (meestal gealuminiseerd of verzilverd) oppervlak hebben waar tussen de 4 en 6 procent van het beschikbare licht verloren gaat tijdens interne verlichting. reflectie. (In een proces dat 'totale interne reflectie' wordt genoemd, krijgen Porro-prisma's en Abbe-Koenig-dakkantprisma's 100 procent reflectie op al hun interne oppervlakken, zonder enige coating.) De oplossing van sommige toonaangevende fabrikanten voor het Pechan-prismaprobleem zijn speciale multi- laag reflecterende coatings die 99,5 procent reflectie op de gespiegelde oppervlakken krijgen.
Het voorbehoud hier is dat je je niet te veel moet laten meeslepen in hun zoektocht naar een paar extra procentpunten lichttransmissie. Bedenk bijvoorbeeld dat een winst van 5 procent in lichttransmissie in een hoogwaardig optisch instrument ongeveer gelijk is aan een winst van 150 fps in de mondingssnelheid in een .300 magnumgeweer - je zult het verschil nooit merken.
Zal 100 procent lichttransmissie ooit worden bereikt in sportoptiek? Je zou nooit ‘nooit’ moeten zeggen, maar afgezien van het aanpassen van de wetten van de natuurkunde is het antwoord vrijwel zeker nee!
Coatingkleuren
Velen geloven dat de kwaliteit van AR-coatings kan worden bepaald door de kleur van het licht dat door de oppervlakken wordt gereflecteerd. Misschien wel, maar om dat met enige zekerheid te kunnen doen, is veel expertise nodig. De waargenomen kleur is niet die van het coatingmateriaal zelf, dat kleurloos is, maar de reflecterende kleur of gecombineerde reflecterende kleuren van de golflengten van het licht waarvoor de coating het minst effectief is. Een coating die het meest effectief is in de rode en blauwe golflengten zal bijvoorbeeld een groene reflectie produceren. Omgekeerd, als de coating het meest effectief is in de groene golflengten, zal de reflectie een combinatie van rood en blauw zijn, zoals magenta. De reflecties afkomstig van enkellaagse coatings van magnesiumfluoride variëren meestal van lichtblauw tot donkerpaars. Hoewel de kleuren die reflecteren door de nieuwste meerlaagse coatings bijna elke kleur van de regenboog kunnen hebben, waarbij verschillende kleuren op verschillende optische oppervlakken in het hele systeem zichtbaar zijn, duidt een helderwitte (kleurloze) reflectie meestal op een oppervlak zonder coating.
Hoewel onwetenschappelijk, is de volgende doe-het-zelftest voor het evalueren van AR-coatings zowel leerzaam als informatief. Het enige gereedschap dat nodig is, is een kleine zaklamp of, als dat ontbreekt, een plafondlamp. De truc is om het licht in de objectieflens van het instrument te laten schijnen, zodat je, als je langs de straal kijkt, beelden kunt zien van het licht dat weerkaatst door de verschillende lucht-glasoppervlakken in het instrument. (Opmerking: reflectie komt van zowel de nabije als de verre zijden van lenzen en prisma's.) Nu, gebaseerd op de bovenstaande informatie, met betrekking tot kleur, krijgt u een idee over de soorten coatings die worden gebruikt en, nog belangrijker, of sommige oppervlakken zijn ongecoat.
Andere soorten coatings
Omdat ik geen ruimte heb voor een diepgaande beschrijving van de andere soorten optische coatings, bied ik de volgende korte samenvattingen aan.
Fasecorrectie (P) coatings:Fasecorrectiecoating, ontwikkeld door Carl Zeiss (wie anders?) en geïntroduceerd als "P-coating" in 1988, komt qua belang op de tweede plaats na de antireflectiecoating in instrumenten met dakkantprisma's. Het probleem (niet aanwezig bij Porro-prisma's) is dat lichtgolven die reflecteren op tegenoverliggende dakoppervlakken elliptisch gepolariseerd worden, zodat ze een halve golflengte uit fase met elkaar zijn. Dit resulteert in destructieve interferentie en een daaropvolgende verslechtering van de beeldkwaliteit. De P-coatings corrigeren het probleem door de destructieve faseverschuivingen te elimineren.
Reflectiecoatings:Deze spiegelachtige coatings – die hun effectiviteit vaak te danken hebben aan constructieve interferentie – worden vaker in de sportoptiek gebruikt dan je zou denken. Voorbeelden hiervan zijn: de meeste laserafstandsmeters en de weinige richtkijkers die gebruik maken van straalsplitsers; red-dot-vizieren waarbij een golflengtespecifieke coating wordt gebruikt om het beeld van de stip terug te reflecteren naar het oog van de schutter; en, zoals eerder besproken, in dakkantprisma-instrumenten met Pechan-prisma's.
Hydrofobe (waterafstotende) coatings:Het archetype voor een waterafstotende coating is de Rainguard-coating van Bushnell, die water afstoot en bestand is tegen beslaan van buitenaf. Ik heb de Rainguard-coating uitgebreid getest in koude klimaten waar het onbedoeld ademen op de oculairlens van een telescoop het zicht op het doel zou hebben belemmerd. Het resultaat was dat ik, zelfs als ik opzettelijk op zowel het objectief als de oculairlenzen ademde, waardoor ze beslaan of bevriezen, nog steeds doelen goed genoeg kon zien om te schieten.
Slijtvaste coatings:Een hardnekkige tekortkoming van sommige antireflectiecoatings is dat ze vaak zacht zijn en daardoor gemakkelijk krassen. Gelukkig verbeteren de huidige ‘stoere’ coatings, hoewel ze nog steeds niet universeel worden gebruikt, de duurzaamheid van buitenoptiek, variërend van brillen tot richtkijkers, aanzienlijk. De sterkste coating die ik tot nu toe heb getest, bevindt zich op de T-Plated externe lensoppervlakken van Burris 'Black Diamond 30 mm Titanium richtkijkers. Ik kon er geen krassen op maken, zelfs niet met het snijvlak van een vlijmscherp zakmes. Dit laatste wordt niet aanbevolen.
Coating-aanduidingen
De volgende termen worden vaak gebruikt door optiekfabrikanten om de mate te beschrijven waarin hun instrumenten worden beschermd door AR-coatings.
Gecoate optiek (C) betekent dat een of meer oppervlakken van een of meer lenzen zijn gecoat.
Volledig gecoat (FC) betekent dat alle lucht-glasoppervlakken minimaal één enkele laag antireflectiecoating hebben gekregen, wat goed is.
Multicoated (MC) betekent dat één of meer oppervlakken van één of meer lenzen een AR-coating hebben gekregen die uit twee of meer lagen bestaat. Bij gebruik door gerenommeerde fabrikanten houdt deze aanduiding meestal in dat een of beide buitenste lensoppervlakken meervoudig gecoat zijn en dat de binnenoppervlakken waarschijnlijk enkellaagse coatings hebben.
Volledig meervoudig gecoat (FMC) betekent dat alle lucht-glasoppervlakken een meerlaagse antireflectiecoating moeten hebben gekregen, wat het beste is.
Helaas zijn niet alle AR-coatings van een bepaald type hetzelfde, en sommige kunnen zelfs nep zijn. Hoe mooi ze ook zijn om te zien, ik ben zeer sceptisch over de waarde van de zogenaamde "robijn" coatings, die een verblindende hoeveelheid rood licht reflecteren, waardoor bekeken objecten er afschuwelijk groen uitzien. Als toonaangevende fabrikanten, zoals Carl Zeiss, Leica, Nikon en Swarovski, robijnrode of andere ongebruikelijke coatings gaan gebruiken, begin ik erin te geloven. De eerste verdedigingslinie tegen inferieure en valse coatings is kopen bij een fabrikant met een bewezen staat van dienst op het gebied van eerlijkheid. Dat wil niet zeggen dat zelfs de beste bedrijven hun gepatenteerde coating niet willen hypen. Meestal zijn het de reclamemensen die zich laten meeslepen.