The Light Thieves
Τα σπόιλερ που έχουν ενοχλήσει τους χρήστες οπτικών από την εφεύρεση του πρώτου τηλεσκοπίου του Galileo το 1610 είναι η απορρόφηση και οι αντανακλάσεις, που μειώνουν δραματικά την ποσότητα του χρησιμοποιήσιμου φωτός που φτάνει στα μάτια του θεατή. Κάθε οπτικό στοιχείο (μεμονωμένος φακός, πρίσμα ή καθρέφτης) απορροφά αναπόφευκτα μέρος του φωτός που περνά μέσα από αυτό. Πολύ πιο σημαντικό, ωστόσο, είναι το γεγονός ότι ένα μικρό ποσοστό του φωτός ανακλάται από κάθε επιφάνεια αέρα σε γυαλί. Για τα μη επικαλυμμένα οπτικά, αυτή η "ανακλαστική απώλεια" κυμαίνεται μεταξύ 4 τοις εκατό και 6 τοις εκατό ανά επιφάνεια, κάτι που δεν φαίνεται πολύ κακό μέχρι να συνειδητοποιήσετε ότι τα σύγχρονα οπτικά όργανα έχουν οπουδήποτε από 10 έως 16 τέτοιες επιφάνειες. Το καθαρό αποτέλεσμα μπορεί να είναι απώλεια φωτός έως και 50 τοις εκατό, κάτι που είναι ιδιαίτερα ενοχλητικό σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού.
Πιο σοβαρό, ωστόσο, είναι το γεγονός ότι το ανακλώμενο φως δεν εξαφανίζεται απλώς, αφήνοντας μια πιο αμυδρή εικόνα. Αντίθετα, συνεχίζει να αναπηδά από επιφάνεια σε επιφάνεια μέσα στο όργανο, με μέρος του φωτός από αυτές τις δεύτερες, τρίτες και τέταρτες αντανακλάσεις να βγαίνει τελικά μέσα από τις κόρες εξόδου του οργάνου και στα μάτια του θεατή. Τέτοιο σκεδαζόμενο φως ονομάζεται "λάμψη" και ορίζεται ως "φως που δεν σχηματίζει εικόνα, συγκεντρωμένο ή διάχυτο, που μεταδίδεται μέσω του οπτικού συστήματος". Το αποτέλεσμα είναι μια λάμψη ή θαμπάδα που κρύβει τις λεπτομέρειες της εικόνας και μειώνει την αντίθεση. Σε ακραίες περιπτώσεις, μπορεί να προκαλέσει ακόμη και εικόνες φαντασμάτων. Ένα ακραίο παράδειγμα θα ήταν αν προσπαθούσατε να κάνετε παιχνίδι με γυαλί στη σκιερή πλευρά μιας χαμηλής κορυφογραμμής με έντονο ηλιακό φως να ρέει στην κορυφή και στον αντικειμενικό φακό του οργάνου. (Ποτέ μην κοιτάτε απευθείας τον ήλιο, είτε με ή χωρίς οπτικό, καθώς μπορεί να προκαλέσει σοβαρή βλάβη στα μάτια.)
Αντιανακλαστικές επιστρώσεις μονής στρώσης
Η πολυαναμενόμενη λύση στο πρόβλημα της απώλειας ανακλαστικού φωτός ήρθε στα μέσα της δεκαετίας του 1930 όταν ο Alexandar Smakula, ένας μηχανικός της Carl Zeiss, ανέπτυξε και κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το "Zeiss non-reflecting lens coating system" (τώρα αποκαλούμενο αντιανακλαστικό ή AR επιστρώσεις), το οποίο προαναγγέλθηκε ως «η σημαντικότερη εξέλιξη του αιώνα στην οπτική επιστήμη». Αμέσως μετά οι στρατιωτικές ανάγκες του Β' Παγκοσμίου Πολέμου επιτάχυναν την ανάπτυξη της επικάλυψης, η οποία χρησιμοποιήθηκε τόσο από τις δυνάμεις των Συμμάχων όσο και από τις δυνάμεις του Άξονα σε οπτικά όργανα που κυμαίνονταν από γυαλιά πεδίου (διόπτρες) έως βομβαρδιστικά.
Η θεωρία πίσω από τις επικαλύψεις AR (δείτε την παρακάτω εικόνα) είναι μια πολύ περίπλοκη επιστημονική ιδέα. Στην εφαρμογή αποτελείται από ένα διαφανές φιλμ, συνήθως από φθοριούχο μαγνήσιο MgF2, πάχους 1/4 του μήκους κύματος φωτός (περίπου έξι εκατομμυριοστά της ίντσας), που εναποτίθεται, με μοριακό βομβαρδισμό, σε μια καθαρή γυάλινη επιφάνεια. Η ανάπτυξη μιας μεθόδου για την εφαρμογή ενός τέτοιου μικροσκοπικά λεπτού φιλμ, η οποία γίνεται σε θαλάμους κενού, ήταν ένας μεγάλος τεχνολογικός θρίαμβος. Αυτές οι αντιανακλαστικές επικαλύψεις μονής στρώσης μείωσαν την απώλεια αντανακλαστικού φωτός από μεταξύ 4 τοις εκατό σε 6 τοις εκατό για μη επικαλυμμένες επιφάνειες σε περίπου 1,5 έως 2 τοις εκατό για επικαλυμμένες επιφάνειες, αυξάνοντας έτσι τη συνολική μετάδοση φωτός για πλήρως επικαλυμμένα όργανα κατά περίπου 70 τοις εκατό. Λαμβάνοντας υπόψη τη συνοδευτική μείωση της λάμψης που υποβαθμίζει την εικόνα, ήταν μια αξιοσημείωτη βελτίωση.
Αντιανακλαστικές επιστρώσεις πολλαπλών στρωμάτων
Ένα σημαντικό μειονέκτημα των επικαλύψεων μίας στρώσης, οι οποίες εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ευρέως, είναι ότι λειτουργούν τέλεια μόνο για το συγκεκριμένο μήκος κύματος (χρώμα) φωτός όπου το πάχος της επίστρωσης είναι ίσο με το ένα τέταρτο του μήκους κύματος. Αυτή η ανεπάρκεια οδήγησε τελικά στην ανάπτυξη πολυστρωματικών ευρυζωνικών επικαλύψεων ικανών να μειώσουν αποτελεσματικά την απώλεια ανακλαστικού φωτός σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος. Οι σημερινές καλύτερες επιστρώσεις πολλαπλών στρωμάτων μπορούν να μειώσουν την απώλεια ανακλαστικού φωτός έως και τα δύο δέκατα του ενός τοις εκατό σε κάθε επιφάνεια αέρα-γυαλιού.
Η εισαγωγή μου στις επιστρώσεις πολλαπλών στρωμάτων ήρθε το 1971 όταν η Pentax άρχισε να χρησιμοποιεί το "Super Multicoating" της στους φακούς της κάμερας, όπου σχεδόν εξαλείφει τις λάμψεις και τις εικόνες φαντασμάτων όταν φωτογραφίζει θέματα με έντονο οπίσθιο φωτισμό. Οι κατασκευαστές αθλητικών οπτικών άργησαν λίγο να μπουν στο συγκρότημα και μόλις το 1979 η Carl Zeiss παρουσίασε το "T*" Multicoating, το οποίο ενίσχυσε τη μετάδοση φωτός των κιάλια Zeiss σε λίγο πάνω από 90%, ενώ ταυτόχρονα βελτίωσε την αντίθεση της εικόνας. Ο λόγος που χρειάστηκε τόσος χρόνος για να φτάσουμε από τις πρώτες μονοστρωματικές επικαλύψεις στις σημερινές ευρυζωνικές επικαλύψεις πολλαπλών στρωμάτων ήταν επειδή οι τελευταίες, αν και βασίζονται στις ίδιες επιστημονικές αρχές, είναι απίστευτα περίπλοκες, καθώς περιλαμβάνουν πολλά λεπτά στρώματα από διάφορα φθοριούχα, οξείδια, διοξείδια, κ.λπ. Όπως θα περίμενε κανείς, οι υπολογιστές παίζουν σημαντικό ρόλο στις συνθέσεις και τις εφαρμογές τέτοιων επικαλύψεων.
Αν και η συνολική μετάδοση φωτός συνεχίζει να βελτιώνεται ελαφρώς, τα υψηλότερα επίπεδα με τα οποία γνωρίζω αυτήν τη στιγμή είναι περίπου 92 τοις εκατό για τα κιάλια και 95 τοις εκατό για τα τουφέκια, τα οποία είναι πολύ πάνω από τους μέσους όρους για τέτοια όργανα. Ο κύριος λόγος για τον οποίο τα τουφέκια τείνουν να έχουν ελαφρώς καλύτερη μετάδοση φωτός από τα κιάλια είναι επειδή χρησιμοποιούν απλούς φακούς ανύψωσης αντί περίπλοκων πρισμάτων για την ανόρθωση εικόνας.
Ομοίως, τα κιάλια πρίσματος Porro τείνουν να έχουν καλύτερη μετάδοση φωτός από τα κιάλια πρίσματος οροφής παρόμοιας οπτικής ποιότητας. Αξιοσημείωτες εξαιρέσεις είναι τα κιάλια Carl Zeiss που χρησιμοποιούν πρίσματα οροφής Abbe-Koenig αντί για τα ευρέως χρησιμοποιούμενα πρίσματα οροφής τύπου Pechan, τα οποία έχουν μια κατοπτρική (συνήθως αλουμινένια ή ασημένια) επιφάνεια όπου χάνεται μεταξύ 4 και 6 τοις εκατό του διαθέσιμου φωτός κατά τη διάρκεια του εσωτερικού αντανάκλαση. (Σε μια διαδικασία που ονομάζεται "ολική εσωτερική ανάκλαση", τα πρίσματα Porro και τα πρίσματα οροφής Abbe-Koenig λαμβάνουν 100 τοις εκατό ανάκλαση σε όλες τις εσωτερικές τους επιφάνειες, χωρίς να έχουν καμία επικάλυψη.) Ορισμένες λύσεις κορυφαίων κατασκευαστών στο πρόβλημα του πρίσματος Pechan είναι ειδικές πολλαπλές επιστρώστε ανακλαστικές επιστρώσεις που έχουν 99,5 τοις εκατό ανάκλαση στις επιφάνειες με καθρέφτη.
Η προειδοποίηση εδώ είναι ότι δεν πρέπει να παρασυρθεί κανείς στην αναζήτησή του για μερικές επιπλέον ποσοστιαίες μονάδες μετάδοσης φωτός. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, ότι ένα κέρδος 5 τοις εκατό στη μετάδοση φωτός σε ένα οπτικό όργανο υψηλής απόδοσης είναι περίπου ίσο με ένα κέρδος 150 fps στην ταχύτητα του ρύγχους σε ένα τουφέκι 0,300 magnum - δεν θα παρατηρήσετε ποτέ τη διαφορά.
Θα επιτευχθεί ποτέ 100 τοις εκατό μετάδοση φωτός στην αθλητική οπτική; Δεν πρέπει ποτέ να πει κανείς «ποτέ», αλλά, εκτός από την τροποποίηση των νόμων της φυσικής, η απάντηση είναι σχεδόν σίγουρα όχι!
Χρώματα Επικάλυψης
Πολλοί πιστεύουν ότι η ποιότητα των επικαλύψεων AR μπορεί να προσδιοριστεί από το χρώμα του φωτός που ανακλάται από τις επιφάνειες. Ίσως, αλλά για να γίνει αυτό με βεβαιότητα απαιτεί σημαντική εμπειρία. Το χρώμα που φαίνεται δεν είναι αυτό του ίδιου του υλικού επικάλυψης, το οποίο είναι άχρωμο, αλλά το ανακλαστικό χρώμα ή τα συνδυασμένα ανακλαστικά χρώματα των μηκών κύματος του φωτός για τα οποία η επίστρωση είναι λιγότερο αποτελεσματική. Για παράδειγμα, μια επίστρωση που είναι πιο αποτελεσματική στο κόκκινο και μπλε μήκη κύματος θα παράγει μια πράσινη ανάκλαση. Αντίθετα, εάν η επίστρωση είναι πιο αποτελεσματική στα πράσινα μήκη κύματος, η ανάκλαση θα είναι κάποιος συνδυασμός κόκκινου και μπλε, όπως το ματζέντα. Οι αντανακλάσεις που προέρχονται από επικαλύψεις μονής στρώσης φθοριούχου μαγνησίου συνήθως κυμαίνονται από ανοιχτό μπλε έως σκούρο μοβ. Ενώ τα χρώματα που αντανακλώνται από τις πιο πρόσφατες επιστρώσεις πολλαπλών στρωμάτων μπορεί να είναι σχεδόν οποιοδήποτε χρώμα του ουράνιου τόξου, με διαφορετικά χρώματα να εμφανίζονται σε διάφορες οπτικές επιφάνειες σε όλο το σύστημα, μια φωτεινή λευκή (άχρωμη) αντανάκλαση συνήθως υποδηλώνει μια μη επικαλυμμένη επιφάνεια.
Αν και αντιεπιστημονικό, το παρακάτω τεστ «φτιάξ' το μόνος σου» για την αξιολόγηση των επικαλύψεων AR είναι τόσο εκπαιδευτικό όσο και ενημερωτικό. Το μόνο εργαλείο που χρειάζεται είναι ένας μικρός φακός ή, ελλείψει αυτού, ένα φως πάνω. Το κόλπο είναι να ρίξετε το φως στον αντικειμενικό φακό του οργάνου, έτσι ώστε όταν κοιτάζετε κατά μήκος της δέσμης να βλέπετε εικόνες του φωτός που αντανακλάται από τις διάφορες επιφάνειες αέρα σε γυαλί μέσα στο όργανο. (Σημείωση: Η αντανάκλαση θα προέρχεται τόσο από τις κοντινές όσο και από τις μακρινές πλευρές των φακών και των πρισμάτων.) Τώρα, με βάση τις παραπάνω πληροφορίες, σχετικά με το χρώμα, θα έχετε κάποια ιδέα σχετικά με τους τύπους επιστρώσεων που χρησιμοποιούνται και, το πιο σημαντικό, εάν ορισμένες οι επιφάνειες είναι ακάλυπτες.
Άλλοι τύποι επιστρώσεων
Ελλείψει χώρου για εις βάθος κάλυψη των άλλων τύπων οπτικών επιστρώσεων, προσφέρω τις ακόλουθες σύντομες περιλήψεις.
Επιστρώσεις διόρθωσης φάσης (P):Αναπτύχθηκε από τον Carl Zeiss (ποιος άλλος;) και εισήχθη ως "P-coating" το 1988, η επίστρωση διόρθωσης φάσης είναι δεύτερη σε σημασία μόνο μετά την αντιανακλαστική επίστρωση σε όργανα πρίσματος οροφής. Το πρόβλημα (δεν υπάρχει στα πρίσματα Porro) είναι ότι τα κύματα φωτός που αντανακλούν τις αντίθετες επιφάνειες της οροφής γίνονται ελλειπτικά πολωμένα έτσι ώστε να είναι κατά το ήμισυ του μήκους κύματος εκτός φάσης μεταξύ τους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα καταστροφικές παρεμβολές και επακόλουθη υποβάθμιση της ποιότητας της εικόνας. Οι επικαλύψεις P διορθώνουν το πρόβλημα εξαλείφοντας τις καταστροφικές μετατοπίσεις φάσης.
Ανακλαστικές επικαλύψεις:Αυτές οι επικαλύψεις που μοιάζουν με καθρέφτες - οι οποίες συχνά οφείλουν την αποτελεσματικότητά τους σε εποικοδομητικές παρεμβολές - χρησιμοποιούνται πιο συχνά στην αθλητική οπτική από ό, τι θα μπορούσε κανείς να σκεφτεί. Παραδείγματα περιλαμβάνουν: τα περισσότερα αποστασιοσκοπικά λέιζερ και τα λίγα τουφέκια που χρησιμοποιούν διαχωριστές δέσμης. σκοπευτικά με κόκκινες κουκκίδες όπου χρησιμοποιείται επίστρωση συγκεκριμένου μήκους κύματος για να αντανακλά την εικόνα της κουκκίδας πίσω στο μάτι του σκοπευτή. και, όπως συζητήθηκε προηγουμένως, σε όργανα πρίσματος οροφής με πρίσματα Pechan.
Υδροφοβικές (υδατοαπωθητικές) επιστρώσεις:Το αρχέτυπο για την υδατοαπωθητική επίστρωση είναι η επίστρωση Rainguard της Bushnell που ρίχνει νερό και αντιστέκεται στην εξωτερική θόλωση. Δοκίμασα εκτενώς την επίστρωση Rainguard σε ψυχρά κλίματα, όπου η ακούσια αναπνοή στον προσοφθάλμιο φακό ενός σκοπευτικού θα είχε κρύψει τη θέα του στόχου. Τα αποτελέσματα ήταν ότι, ακόμη και όταν ανέπνεα σκόπιμα τόσο στον αντικειμενικό όσο και στον προσοφθάλμιο φακό, προκαλώντας είτε ομίχλη είτε παγετό, μπορούσα να δω στόχους αρκετά καλά για να πυροβολήσω.
Ανθεκτικές στην τριβή επιστρώσεις:Ένα επίμονο μειονέκτημα με ορισμένες αντιανακλαστικές επιστρώσεις είναι ότι τείνουν να είναι μαλακές και, επομένως, να γρατσουνίζονται εύκολα. Ευτυχώς, οι σημερινές «σκληρές» επιστρώσεις, αν και εξακολουθούν να μην χρησιμοποιούνται παγκοσμίως, βελτιώνουν σημαντικά την ανθεκτικότητα των οπτικών εξωτερικών χώρων, από γυαλιά οράσεως έως σκοπευτικά τουφεκιού. Η πιο σκληρή επίστρωση, μακράν, που έχω δοκιμάσει είναι στις επιφανειακές επιφάνειες εξωτερικών φακών των σκοπευτικών τυφεκίων από τιτάνιο 30 mm της Burris Black Diamond. Δεν μπορούσα να το ξύσω, ακόμη και με την αιχμή ενός κοφτερό σουγιά. Το τελευταίο δεν συνιστάται.
Ονομασίες επίστρωσης
Οι παρακάτω όροι χρησιμοποιούνται συχνά από κατασκευαστές οπτικών για να περιγράψουν τον βαθμό στον οποίο τα όργανα τους προστατεύονται από επικαλύψεις AR.
Επικαλυμμένα οπτικά (C) σημαίνει ότι έχουν επικαλυφθεί μία ή περισσότερες επιφάνειες ενός ή περισσότερων φακών.
Πλήρης επίστρωση (FC) σημαίνει ότι όλες οι επιφάνειες αέρα σε γυαλί έχουν λάβει τουλάχιστον ένα στρώμα αντιανακλαστικής επίστρωσης, κάτι που είναι καλό.
Multicoated (MC) σημαίνει ότι μία ή περισσότερες επιφάνειες ενός ή περισσότερων φακών έχουν λάβει μια επίστρωση AR που αποτελείται από δύο ή περισσότερα στρώματα. Όταν χρησιμοποιείται από αξιόπιστους κατασκευαστές, αυτή η ονομασία συνήθως υποδηλώνει ότι η μία ή και οι δύο εξωτερικές επιφάνειες φακών είναι πολυκαλυμμένες και ότι οι εσωτερικές επιφάνειες έχουν πιθανώς επιστρώσεις μονής στρώσης.
Πλήρως πολυεπίχρισμα (FMC) σημαίνει ότι όλες οι επιφάνειες αέρα-γυαλιού θα πρέπει να έχουν λάβει αντιανακλαστικές επικαλύψεις πολλαπλών στρωμάτων, κάτι που είναι καλύτερο.
Δυστυχώς, δεν δημιουργούνται όλες οι επικαλύψεις AR ενός συγκεκριμένου τύπου ίσες και μερικές μπορεί να είναι ακόμη και ψευδείς. Όσο υπέροχα κι αν φαίνονται, είμαι πολύ δύσπιστος σχετικά με την αξία των λεγόμενων "ρουμπινί" επικαλύψεων, που αντανακλούν μια εκθαμβωτική ποσότητα κόκκινου φωτός, κάνοντας τα αντικείμενα που βλέπετε να φαίνονται φρικτά πράσινα. Όταν κορυφαίοι κατασκευαστές, όπως η Carl Zeiss, η Leica, η Nikon και η Swarovski, αρχίσουν να χρησιμοποιούν ρουμπίνι ή άλλες παράξενες επιστρώσεις, θα αρχίσω να πιστεύω σε αυτές. Η πρώτη γραμμή άμυνας κατά των κατώτερων και ψευδών επικαλύψεων είναι να αγοράσετε από έναν κατασκευαστή με αποδεδειγμένο ιστορικό ειλικρίνειας. Αυτό δεν σημαίνει ότι ακόμη και οι καλύτερες εταιρείες υπερασπίζονται την αποκλειστική επίστρωσή τους. Συνήθως παρασύρονται οι διαφημιστές.