การเคลือบด้วยแสง

พวกโจรแสง

สปอยเลอร์ที่ทำให้ผู้ใช้ทัศนศาสตร์ตกตะลึงนับตั้งแต่การประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ตัวแรกของกาลิเลโอในปี 1610 คือการดูดซับและการสะท้อน ซึ่งช่วยลดปริมาณแสงที่ใช้ได้ซึ่งเข้าสู่ดวงตาของผู้ชมได้อย่างมาก องค์ประกอบทางแสงแต่ละชิ้น (เลนส์แต่ละชิ้น ปริซึม หรือกระจก) จะดูดซับแสงบางส่วนที่ผ่านเข้ามาอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่สำคัญกว่านั้นคือความจริงที่ว่าเปอร์เซ็นต์เล็กน้อยของแสงสะท้อนจากพื้นผิวอากาศสู่กระจกแต่ละอัน สำหรับเลนส์ที่ไม่เคลือบผิว "การสูญเสียการสะท้อนแสง" จะแตกต่างกันไประหว่าง 4 เปอร์เซ็นต์ถึง 6 เปอร์เซ็นต์ต่อพื้นผิว ซึ่งดูเหมือนจะไม่เลวร้ายนักจนกว่าคุณจะตระหนักว่าอุปกรณ์เกี่ยวกับสายตาสมัยใหม่มีพื้นผิวดังกล่าวตั้งแต่ 10 ถึง 16 พื้นผิว ผลลัพธ์สุทธิอาจทำให้สูญเสียแสงได้มากถึง 50 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเป็นปัญหาอย่างยิ่งภายใต้สภาพแสงน้อย

อย่างไรก็ตาม ที่ร้ายแรงกว่านั้นคือความจริงที่ว่าแสงสะท้อนไม่เพียงหายไป แต่ยังทำให้ภาพมัวลงอีกด้วย แต่มันกลับสะท้อนไปมาจากพื้นผิวหนึ่งไปยังอีกพื้นผิวภายในเครื่องดนตรี โดยที่แสงบางส่วนจากการสะท้อนครั้งที่สอง สาม และสี่เหล่านี้ในที่สุดจะส่องผ่านรูม่านตาทางออกของเครื่องดนตรีและเข้าสู่ดวงตาของผู้ดู แสงที่กระเจิงดังกล่าวเรียกว่า "แสงแฟลร์" และถูกกำหนดให้เป็น "แสงที่ไม่ก่อให้เกิดภาพ เข้มข้นหรือกระจาย ซึ่งส่งผ่านระบบออพติคอล" ผลลัพธ์ที่ได้คือแสงสะท้อนหรือความขุ่นมัวที่บดบังรายละเอียดของภาพและลดคอนทราสต์ลง ในกรณีที่ร้ายแรงมาก อาจทำให้เกิดภาพหลอนได้ ตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดก็คือ หากคุณพยายามกระจกกระจกบนด้านที่ร่มรื่นของสันเขาเตี้ยๆ โดยมีแสงแดดจ้าส่องผ่านด้านบนและเข้าไปในเลนส์ใกล้วัตถุของเครื่องดนตรี (อย่ามองตรงไปที่ดวงอาทิตย์ ไม่ว่าจะมีหรือไม่มีเลนส์ก็ตาม เพราะอาจเป็นอันตรายต่อดวงตาอย่างรุนแรงได้)

เคลือบป้องกันแสงสะท้อนชั้นเดียว

วิธีแก้ปัญหาการสูญเสียแสงสะท้อนแสงที่รอคอยมานานเกิดขึ้นในช่วงกลางทศวรรษที่ 1930 เมื่อ Alexandar Smakula วิศวกรของ Carl Zeiss พัฒนาและจดสิทธิบัตร "ระบบการเคลือบเลนส์ไม่สะท้อนแสง Zeiss" (ปัจจุบันเรียกว่าการเคลือบป้องกันแสงสะท้อนหรือ AR) ซึ่ง ได้รับการประกาศให้เป็น "การพัฒนาที่สำคัญที่สุดแห่งศตวรรษในด้านวิทยาศาสตร์การมองเห็น" หลังจากนั้นไม่นาน ความต้องการทางทหารในสงครามโลกครั้งที่ 2 ได้เร่งการพัฒนาสารเคลือบ ซึ่งถูกใช้โดยทั้งกองกำลังฝ่ายสัมพันธมิตรและฝ่ายอักษะในอุปกรณ์เกี่ยวกับการมองเห็น ตั้งแต่แว่นตาภาคสนาม (กล้องส่องทางไกล) ไปจนถึงเครื่องเล็งระเบิด

ทฤษฎีเบื้องหลังการเคลือบ AR (ดูภาพประกอบด้านล่าง) เป็นแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อนมาก ในการใช้งาน ประกอบด้วยฟิล์มใส ซึ่งโดยปกติจะเป็นแมกนีเซียมฟลูออไรด์ MgF2 ซึ่งมีความหนาหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่นแสง (ประมาณหกล้านส่วนนิ้ว) ซึ่งสะสมโดยการระดมยิงด้วยโมเลกุลบนพื้นผิวกระจกที่สะอาด การพัฒนาวิธีการติดฟิล์มบางระดับจุลภาคซึ่งทำในห้องสุญญากาศ ถือเป็นชัยชนะทางเทคโนโลยีที่ยิ่งใหญ่ การเคลือบป้องกันการสะท้อนแสงแบบชั้นเดียวนี้ช่วยลดการสูญเสียแสงสะท้อนจากระหว่าง 4 เปอร์เซ็นต์เป็น 6 เปอร์เซ็นต์สำหรับพื้นผิวที่ไม่เคลือบเหลือประมาณ 1.5 ถึง 2 เปอร์เซ็นต์สำหรับพื้นผิวเคลือบ ดังนั้นจึงเพิ่มการส่งผ่านแสงโดยรวมสำหรับเครื่องมือที่เคลือบทั้งหมดประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์ ซึ่ง เมื่อพิจารณาถึงการลดลงของแสงแฟลร์ที่ทำให้ภาพเสื่อมลง ถือเป็นการปรับปรุงที่น่าทึ่ง

เคลือบสารป้องกันแสงสะท้อนหลายชั้น

ข้อบกพร่องที่สำคัญของการเคลือบชั้นเดียวซึ่งยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายก็คือ การเคลือบจะทำงานได้ดีอย่างสมบูรณ์เฉพาะกับความยาวคลื่น (สี) ของแสงจำเพาะเท่านั้น โดยที่ความหนาของการเคลือบเท่ากับหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น ข้อบกพร่องนี้นำไปสู่การพัฒนาการเคลือบบรอดแบนด์หลายชั้นที่สามารถลดการสูญเสียแสงสะท้อนในช่วงความยาวคลื่นที่หลากหลายได้อย่างมีประสิทธิภาพ การเคลือบหลายชั้นที่ดีที่สุดในปัจจุบันสามารถลดการสูญเสียแสงสะท้อนลงได้เพียงสองในสิบของหนึ่งเปอร์เซ็นต์ในแต่ละพื้นผิวที่อากาศสู่กระจก

การแนะนำการเคลือบหลายชั้นของฉันเกิดขึ้นในปี 1971 เมื่อ Pentax เริ่มใช้ "การเคลือบหลายชั้นแบบพิเศษ" บนเลนส์กล้อง ซึ่งเกือบจะกำจัดภาพแสงแฟลร์และแสงโกสต์เมื่อถ่ายภาพวัตถุที่มีแสงย้อนที่สว่างจ้า ผู้ผลิตเลนส์สำหรับกีฬาค่อนข้างช้าเล็กน้อยในการเข้าสู่กลุ่มผลิตภัณฑ์นี้ และจนกระทั่งในปี 1979 Carl Zeiss ได้เปิดตัวการเคลือบหลายชั้น "T*" ซึ่งเพิ่มการส่งผ่านแสงของกล้องส่องทางไกล Zeiss ให้มากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์เล็กน้อย ขณะเดียวกันก็ปรับปรุงคอนทราสต์ของภาพไปพร้อมๆ กัน เหตุผลที่ใช้เวลานานมากในการเปลี่ยนจากการเคลือบชั้นเดียวครั้งแรกมาสู่การเคลือบบรอดแบนด์หลายชั้นในปัจจุบัน เนื่องจากการเคลือบแบบหลังนี้ แม้จะยึดตามหลักการทางวิทยาศาสตร์เดียวกัน แต่ก็ซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อ โดยเกี่ยวข้องกับชั้นบางๆ หลายชั้นของฟลูออไรด์ ออกไซด์ ไดออกไซด์ต่างๆ ฯลฯ ตามที่คุณอาจคาดหวัง คอมพิวเตอร์มีบทบาทสำคัญในการกำหนดสูตรและการใช้งานของสารเคลือบดังกล่าว

แม้ว่าการส่งผ่านแสงโดยรวมจะดีขึ้นเล็กน้อย แต่ระดับสูงสุดที่ฉันคุ้นเคยในปัจจุบันคือประมาณ 92 เปอร์เซ็นต์สำหรับกล้องส่องทางไกลและ 95 เปอร์เซ็นต์สำหรับกล้องไรเฟิล ซึ่งสูงกว่าค่าเฉลี่ยสำหรับอุปกรณ์ดังกล่าวมาก สาเหตุหลักที่กล้องไรเฟิลสโคปมีแนวโน้มที่จะส่งผ่านแสงได้ดีกว่ากล้องส่องทางไกลเล็กน้อยก็เพราะพวกเขาใช้เลนส์ตัวสร้างภาพแบบธรรมดา แทนที่จะเป็นปริซึมที่ซับซ้อนในการสร้างภาพ

ในทำนองเดียวกัน กล้องส่องทางไกลปริซึม Porro มีแนวโน้มที่จะมีการส่งผ่านแสงได้ดีกว่ากล้องส่องทางไกลปริซึมหลังคาที่มีคุณภาพแสงใกล้เคียงกัน ข้อยกเว้นที่น่าสังเกตคือกล้องส่องทางไกล Carl Zeiss ที่ใช้ปริซึมหลังคา Abbe-Koenig แทนปริซึมหลังคาแบบ Pechan ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ซึ่งมีพื้นผิวกระจกหนึ่งอัน (โดยปกติจะเป็นอลูมิเนียมหรือสีเงิน) โดยที่แสงที่มีอยู่ระหว่าง 4 ถึง 6 เปอร์เซ็นต์จะหายไประหว่างภายใน การสะท้อน. (ในกระบวนการที่เรียกว่า "การสะท้อนภายในทั้งหมด" ปริซึม Porro และปริซึมหลังคา Abbe-Koenig จะได้รับการสะท้อน 100 เปอร์เซ็นต์บนพื้นผิวภายในทั้งหมด โดยไม่ต้องเคลือบใดๆ เลย) วิธีแก้ปัญหาของผู้ผลิตชั้นนำบางรายสำหรับปัญหาปริซึม Pechan-prism เป็นแบบพิเศษหลายทาง ชั้นเคลือบสะท้อนแสงที่สามารถสะท้อนแสงได้ 99.5 เปอร์เซ็นต์บนพื้นผิวกระจก

ข้อแม้ที่นี่คือเราไม่ควรหมกมุ่นอยู่กับการค้นหาจุดพิเศษของการส่งผ่านแสงสองสามเปอร์เซ็นต์ ตัวอย่างเช่น ลองพิจารณาดูว่าการส่งผ่านแสงที่เพิ่มขึ้น 5 เปอร์เซ็นต์ในอุปกรณ์เกี่ยวกับสายตาประสิทธิภาพสูงนั้นมีค่าประมาณเท่ากับความเร็วปากกระบอกปืนที่เพิ่มขึ้น 150 fps ในปืนไรเฟิล .300 แม็กนั่ม คุณจะไม่มีวันสังเกตเห็นความแตกต่างเลย

การส่งผ่านแสง 100 เปอร์เซ็นต์จะเกิดขึ้นในเลนส์กีฬาหรือไม่? เราไม่ควรพูดว่า "ไม่เคย" แต่นอกเหนือจากการปรับเปลี่ยนกฎแห่งฟิสิกส์แล้ว คำตอบก็คือเกือบจะไม่อย่างแน่นอน!

สีเคลือบ

หลายคนเชื่อว่าคุณภาพของการเคลือบ AR สามารถกำหนดได้จากสีของแสงที่สะท้อนจากพื้นผิว บางที แต่การจะทำเช่นนั้นได้อย่างแน่นอนต้องอาศัยความเชี่ยวชาญอย่างมาก สีที่เห็นไม่ใช่สีของวัสดุเคลือบเองซึ่งไม่มีสี แต่เป็นสีสะท้อนแสงหรือสีสะท้อนแสงรวมของความยาวคลื่นของแสงที่การเคลือบมีประสิทธิภาพน้อยที่สุด ตัวอย่างเช่น การเคลือบที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในช่วงความยาวคลื่นสีแดงและสีน้ำเงินจะทำให้เกิดการสะท้อนสีเขียว ในทางกลับกัน หากการเคลือบมีประสิทธิภาพมากที่สุดในช่วงความยาวคลื่นสีเขียว การสะท้อนกลับจะเป็นสีแดงและสีน้ำเงินผสมกัน เช่น สีม่วงแดง การสะท้อนที่มาจากการเคลือบแมกนีเซียมฟลูออไรด์ชั้นเดียวมักจะมีตั้งแต่สีน้ำเงินอ่อนไปจนถึงสีม่วงเข้ม แม้ว่าสีที่สะท้อนจากการเคลือบหลายชั้นล่าสุดอาจเป็นสีรุ้งได้เกือบทุกสี โดยสีที่ต่างกันจะแสดงบนพื้นผิวแสงต่างๆ ทั่วทั้งระบบ การสะท้อนสีขาวสว่าง (ไม่มีสี) มักจะบ่งบอกถึงพื้นผิวที่ไม่มีการเคลือบผิว

แม้ว่าจะไม่ได้เป็นไปตามหลักวิทยาศาสตร์ แต่การทดสอบแบบทำด้วยตัวเองต่อไปนี้เพื่อประเมินการเคลือบ AR มีทั้งความรู้และให้ข้อมูล เครื่องมือเดียวที่จำเป็นคือไฟฉายขนาดเล็กหรือไฟเหนือศีรษะ เคล็ดลับคือการส่องแสงเข้าไปในเลนส์ใกล้วัตถุของเครื่องมือ เพื่อที่ว่าเมื่อมองไปตามลำแสง คุณจะเห็นภาพของแสงที่สะท้อนจากพื้นผิวอากาศสู่กระจกต่างๆ ภายในเครื่องมือ (หมายเหตุ: การสะท้อนจะมาจากทั้งด้านใกล้และด้านไกลของเลนส์และปริซึม) จากข้อมูลข้างต้น เกี่ยวกับสี คุณจะได้แนวคิดบางอย่างเกี่ยวกับประเภทของสารเคลือบที่ใช้ และที่สำคัญกว่านั้น ไม่ว่าจะเป็นบางชนิด พื้นผิวไม่เคลือบผิว

การเคลือบประเภทอื่นๆ

เนื่องจากขาดพื้นที่สำหรับการครอบคลุมเชิงลึกของการเคลือบออปติกประเภทอื่นๆ ฉันขอเสนอบทสรุปโดยย่อดังต่อไปนี้

การเคลือบแก้ไขเฟส (P):พัฒนาโดย Carl Zeiss (ใครอีกบ้าง) และเปิดตัวในชื่อ "การเคลือบ P" ในปี 1988 การเคลือบการแก้ไขเฟสมีความสำคัญเป็นอันดับสองรองจากการเคลือบป้องกันการสะท้อนแสงในอุปกรณ์ปริซึมหลังคาเท่านั้น ปัญหา (ไม่มีอยู่ในปริซึม Porro) คือคลื่นแสงที่สะท้อนจากพื้นผิวหลังคาที่อยู่ตรงข้ามกันกลายเป็นโพลาไรซ์ทรงรีจนมีความยาวคลื่นครึ่งหนึ่งไม่มีเฟสซึ่งกันและกัน ซึ่งส่งผลให้เกิดการรบกวนแบบทำลายล้างและทำให้คุณภาพของภาพลดลงตามมา การเคลือบ P แก้ไขปัญหาโดยกำจัดการเปลี่ยนเฟสแบบทำลายล้าง

สารเคลือบสะท้อนแสง:สารเคลือบคล้ายกระจกเหล่านี้ ซึ่งมักเป็นผลมาจากการรบกวนเชิงสร้างสรรค์ มักถูกนำมาใช้ในเลนส์กีฬามากกว่าที่คิด ตัวอย่างได้แก่: กล้องวัดระยะแบบเลเซอร์ส่วนใหญ่และกล้องไรเฟิลสโคปบางตัวที่ใช้ตัวแยกลำแสง; จุดสีแดงที่ใช้การเคลือบเฉพาะความยาวคลื่นเพื่อสะท้อนภาพของจุดนั้นกลับไปที่ตาของนักกีฬา และตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ในอุปกรณ์ปริซึมหลังคาที่มีปริซึม Pechan

การเคลือบแบบไม่ชอบน้ำ (กันน้ำ):ต้นแบบของการเคลือบกันน้ำคือการเคลือบ Rainguard ของ Bushnell ที่ช่วยพ่นน้ำและต้านทานการเกิดฝ้าจากภายนอก ฉันทดสอบการเคลือบ Rainguard อย่างกว้างขวางในสภาพอากาศหนาวเย็น ซึ่งการหายใจเข้าไปในเลนส์ใกล้ตาของกล้องสโคปโดยไม่ตั้งใจอาจทำให้บดบังการมองเห็นเป้าหมายได้ ผลลัพธ์ก็คือ แม้ว่าฉันจะตั้งใจหายใจเข้าทั้งเลนส์ใกล้วัตถุและเลนส์ใกล้ตาจนทำให้เกิดหมอกหรือน้ำค้างแข็งปกคลุม ฉันก็ยังมองเห็นเป้าหมายได้ดีพอที่จะยิงได้

สารเคลือบทนต่อการขัดถู:ข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องกับสารเคลือบป้องกันแสงสะท้อนบางอย่างก็คือ พวกมันมักจะมีความอ่อนนุ่ม ดังนั้นจึงเกิดรอยขีดข่วนได้ง่าย โชคดีที่การเคลือบแบบ "ทนทาน" ในปัจจุบัน แม้ว่าจะยังไม่ได้ใช้กันทั่วไป แต่ก็ช่วยปรับปรุงความทนทานของเลนส์กลางแจ้งได้อย่างมาก ตั้งแต่แว่นตาไปจนถึงกล้องไรเฟิลสโคป การเคลือบที่ยากที่สุดที่ฉันเคยทดสอบคือบนพื้นผิวเลนส์ภายนอก T-Plated ของปืนไรเฟิลไทเทเนียม Black Diamond 30 มม. ของ Burris ฉันไม่สามารถเกามันได้ แม้จะมีคมตัดของมีดพกที่คมกริบก็ตาม ไม่แนะนำอย่างหลัง

การกำหนดการเคลือบ

ผู้ผลิตเลนส์มักใช้คำต่อไปนี้เพื่ออธิบายขอบเขตที่เครื่องมือของตนได้รับการปกป้องด้วยการเคลือบ AR

เลนส์เคลือบ (C) หมายความว่ามีการเคลือบพื้นผิวของเลนส์ตั้งแต่หนึ่งชิ้นขึ้นไป

การเคลือบแบบเต็ม (FC) หมายความว่าพื้นผิวที่อากาศสู่กระจกทั้งหมดได้รับการเคลือบป้องกันแสงสะท้อนอย่างน้อยหนึ่งชั้น ซึ่งถือว่าดี

การเคลือบหลายชั้น (MC) หมายความว่าพื้นผิวอย่างน้อยหนึ่งพื้นผิวของเลนส์ตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปได้รับการเคลือบ AR ที่ประกอบด้วยสองชั้นขึ้นไป เมื่อใช้โดยผู้ผลิตที่มีชื่อเสียง การกำหนดนี้มักจะบอกเป็นนัยว่าพื้นผิวเลนส์ด้านนอกหนึ่งหรือทั้งสองแบบเป็นแบบเคลือบหลายชั้น และพื้นผิวด้านในอาจมีการเคลือบแบบชั้นเดียว

การเคลือบหลายชั้นอย่างสมบูรณ์ (FMC) หมายความว่าพื้นผิวที่สัมผัสกับกระจกทั้งหมดควรได้รับการเคลือบป้องกันแสงสะท้อนหลายชั้น ซึ่งดีที่สุด

น่าเสียดายที่การเคลือบ AR บางชนิดไม่ได้ถูกสร้างขึ้นเท่ากัน และบางส่วนอาจเป็นของปลอมด้วยซ้ำ น่าชื่นชมที่ได้เห็น ฉันสงสัยอย่างมากเกี่ยวกับคุณค่าของสารเคลือบที่เรียกว่า "ทับทิม" ซึ่งสะท้อนแสงสีแดงปริมาณพราว ทำให้วัตถุที่มองดูเป็นสีเขียวอย่างน่ากลัว เมื่อผู้ผลิตชั้นนำ เช่น Carl Zeiss, Leica, Nikon และ Swarovski เริ่มใช้ทับทิมหรือสารเคลือบแปลกๆ อื่นๆ ฉันจะเริ่มเชื่อในตัวพวกเขา แนวแรกในการป้องกันการเคลือบที่ด้อยกว่าและปลอมคือการซื้อจากผู้ผลิตที่มีประวัติที่ได้รับการพิสูจน์แล้วในด้านความซื่อสัตย์ ไม่ได้หมายความว่าแม้แต่บริษัทที่ดีที่สุดก็ยังมองข้ามการเคลือบที่เป็นกรรมสิทธิ์ของตน โดยปกติแล้วคนโฆษณามักจะถูกพาตัวไป