کوتینگ لنز ( Lens Coating ) چیست و چه کاربردهایی دارد ؟ سطوح پوششی لنزهای دوربین

من فهمیدم که ( تنها از نظر خودم ) سه تحول حیاتی در توسعه‌ی هنر عکاسی از آغاز تا کنون وجود داشته که امروزه از نتیجه‌ی آنها لذت می‌برم و از نظر ترتیب اهمیت می‌توانم به این صورت آنها را بیان کنم :

1. توسعه‌ی دوربین عکاسی ( حدود سال 1840 میلادی )
2. توسعه‌ی شیشه‌ی فلینت ( دهه‌ی 1890 میلادی )
3. توسعه‌ی پوشش‌های ضد بازتاب یا همان کوتینگ لنز ( 1935 میلادی )

در این مقاله اختصارا به پوشش‌های ضد بازتاب خواهم پرداخت.

تاریخچه‌ی پوشش لنزها

لازم است بدانید که لنزهای اولیه معمولاً فقط چند ( 4 تا 6 ) عنصر داشته‌اند. دلیل این امر این نبود که طراحان اولیه قادر به محاسبه‌ی طرح‌های پیچیده‌تر نبودند یا نمی‌توانستند لنزهایی با ساختار پیچیده‌تر بسازند؛ بلکه به این دلیل بود که هر عنصر عدسی ( غیر از آنهایی که با هم پیوسته شده‌اند ) میزان نور منتقل شده از طریق لنز را 4 تا 8 درصد کاهش می‌دهد، بقیه‌ی این نور با بازتاب پراکنده می‌شود. نور منعکس شده باعث ایجاد پدیده‌های لنز فلر، ghosting و در نهایت کاهش کنتراست کلی در تصویر می‌شود.

لنزهای بدون پوشش من که در سال 1880 ساخته شده و بازتاب چشمگیری دارند و این برای عکاسی پرتره عالی است.

در اوایل دهه‌ی 1900 میلادی، هر عکاس می‌دانست که بیشتر عناصر شیشه‌ای داخل لنز به معنای کنترل بهتر انحراف نور و افزایش وضوح تصویر است. در واقع ترکیب شیشه و هوا در هر حالتی کنتراست تصویر را کاهش می‌دهد. گرچه در اواخر دهه‌ی 1890 میلادی، دو نفر متوجه راهی برای کاهش میزان انعکاس در تصویر شدند. لرد Rayleigh ( از خاندان Rayleigh ) و دنیس تیلور ( طراح مشهور لنز Cooke Triplet ) هر دو متوجه شدند که لنزهای قدیمی و کدر نسبت به لنزهای براق جدید نور بیشتری را انتقال می‌دهند ( و نور کمتری را منعکس می‌کنند ).

ریلی، دانشمند، تحقیقات خود را انجام داد و کشف کرد که چگونه همین سطح کدر باعث کاهش بازتاب می‌شود ( در حقیقت، فرنل قبلاً از نظر ریاضیاتی توضیح داده بود که چرا این اتفاق رخ می‌دهد – در سال 1818 میلادی ). تیلور به عنوان یک طراح لنز، در سال 1904 با استفاده از حمام‌های شیمیایی، لنزها را به طور عمدی کدر کرد و این یک ثبت اختراع برای او بود. هیچکدام از این دو مورد اهمیت چندانی نداشتند : کشف آرگون و تیلور هرگز روشی عملی و قابل تکرار را برای کدر کردن عناصر لنز نبود.

با این وجود، در سال 1935 میلادی، الکساندر اسمکولا، کارمند کمپانی Zeiss AG، فرایند نسبتاً ساده‌ای را برای قرار دادن یک پوشش ضد بازتاب روی عناصر لنز تهیه و ثبت کرد. این در بیشتر طول جنگ جهانی دوم به عنوان یک راز نظامی باقی مانده بود اما دلیل اصلی آن این بود که نیروهای متفقین از دوربین‌های شکاری که از زندانیان آلمانی گرفته شده بود، همه چیز را نظاره می‌کردند. این پوشش ساده می‌توانست تا 80٪ از بازتاب نور هر عنصر شیشه‌ای را کاهش دهد. پوشش‌های بعدی به اندازه‌ی کافی بهبود یافته‌اند که امکان انتقال 90٪ نور تا دهه 1960 میلادی و 99٪ تا دهه 1990 میلادی و حتی امروز را فراهم می‌کند.

پیشنهاد نویسنده : راهنمای خرید لنز : چه لنزهایی برای من مناسب است ؟

کوتینگ لنز چقدر مهم است ؟

هنوز حوصله دارید ؟ بیایید نگاهی بیندازیم به اینکه میزان تفاوت یک پوشش ساده چقدر خواهد بود. در زیر نمودارهای یک لنز نسبتاً ساده در سمت چپ و یک لنز زوم پیچیده در سمت راست آورده شده است. لنز ساده دارای 12 رابط هوا به شیشه است، لنز پیچیده 32 مورد دارد.

بدون پوشش، هر رابط حدود 4٪ از نوری که به سنسور می‌رسد را منعکس می‌کند. برای لنزهای ساده، 38٪ از کل نوری که به لنزهای ساده وارد می‌شود، در صورت عدم وجود پوشش، قبل از خارج شدن از عنصر عقب جذب یا پراکنده می‌شود. برای لنزهای پیچیده، حدود 70٪ از نور تحت تأثیر قرار می‌گیرد. اگر فقط روی هر عنصر یک پوشش ساده‌ی مربوط به دوره‌ی سال 1935 میلادی را قرار دهیم ( کاهش بازتاب در هر سطح از 4٪ به 1٪ )، بازتاب نور را برای یک لنز ساده به 12٪ و برای یک لنز زوم به 27٪ کاهش می‌دهیم. این در حالیست که اگر از یک پوشش مدرن استفاده کنید که 99.9٪ موثر باشد، بازتاب کل در لنزهای ساده به کمتر از 2٪ و در لنزهای پیچیده به کمی بیشتر از 3٪ تغییر خواهد کرد.

بنابراین، بله، کوتیگ لنز بسیار مهم است. بدون پوشش، هیچ لنز زومی وجود نخواهد داشت ( با عناصر بسیار زیاد ) و حتی بیشتر لنزهای پرایم ساختار که ساده‌تری دارند، در نهایت کاهش کیفیت بسیار زیادی خواهند داشت.

بنابراین کوتینگ لنز چگونه کار می‌کند ؟

توضیح اینکه کوتینگ لنز دقیقا چگونه کار می‌کند به این نیاز دارد که شما دکترای فیزیک داشته و به ریاضیات هم کاملا مسلط باشید، اما من به این زبان برای شما توضیح نخواهد داد و آن را به سادگی تشریح خواهم کرد. بنابراین فقط باید آن را برای شما جوری توضیح دهم که برای خود من توضیح داده شد. اساساً سه نوع پوشش یا کوتینگ لنز وجود دارد که هر کدام به روشی متفاوت کار می‌کنند. دو نوع اول را می‌توان برای بهبود اثربخشی آنها با یکدیگر ترکیب کرد. نوع سوم ( پوشش نانو ) بسیار کارآمد است و به هیچ کمکی نیاز ندارد.

تفاوت در ضریب شکست

ساده‌ترین ( و اولین ) نوع کوتینگ لنز ها با کاهش اختلاف در ضریب شکست بین هوا و شیشه کار می‌کنند. در این روش وقتی نور از داخل هوا به سمت عناصر داخلی لنز حرکت می‌کند، با خمش نور ( یا کند کردن آن ) کار می‌کند. در هر چنین رابطی، مقداری از نور منعکس می‌شود و میزان انعکاس، متناسب با مربع تفاوت در ضریب شکست آن است. ضریب شکست هوا در حدود 1.0 و یک شیشه‌ی اپتیکی 1.5 یا بیشتر است. این اختلاف باعث می‌شود که حدود 4٪ از نور در هر سطح لنز منعکس شود.

اگر نوعی از ماده را که به ضریب شکست آن به اندازه‌ی ضریب شکست شیشه است روی هر عنصر قرار دهیم، مقداری را که نور منعکس می‌شود دو برابر می‌کنیم. اما در هر رابط فقط 1/4 مقدار نور منعکس می‌شود ( مقدار انعکاس مربع اختلاف در ضریب شکست است ). نتیجه‌ی نهایی این است که انعکاس کل نیمی از مقدار بدون پوشش است.

پوشش‌های کدر که ریلی و تیلور مشاهده کردند و اولین پوشش‌های نوری زایس به این دلیل کار کردند که ضریب شکست بین هوا و شیشه داشتند. ماده‌ی پوشش دهنده‌ی ایده آل دارای ضریب شکستی در حدود 1.25 است، اما متأسفانه هیچ ماده‌ی شیمیایی پوششی با این شاخص در دسترس نیست. بیشترین استفاده در ساخت کوتینگ لنز ها فلوراید منیزیم است ( که ضریب شکست آن 1.38 است )، چرا که نسبتاً ارزان است، به راحتی اجرا می‌شود و یک سطح مقاوم در برابر خراش دارد. فلوروپلیمرها ( مانند تفلون ) ضریب شکست بهتری دارند ( 1.30 ) اما کمی گران‌تر بوده و کاربرد آنها دشوارتر است.

اثر تداخل

اثر دوم وقتی حاصل می‌شود که پوشش‌ها لایه‌های بسیار نازکی باشند، به ضخامت فقط 1/4 طول موج نور. به یاد داشته باشید که نور از هر دو سطح جلو و عقب یک لایه منعکس می‌شود. اگر ضخامت لایه 1/4 طول موج نور باشد، نور منعکس کننده از سطح پشتی 1/2 طول موج را بیشتر از نوری که از سطح جلو منعکس می‌شود ( 1/4 طول موج به سطح پشتی ) 4 به سطح جلو بر می‌گرداند.

اثر پوشش اپتیکال با 1/4 طول موچ نور مرئی

نور منعکس کننده از جلو و نور منعکس کننده از عقب دقیقاً 1/2 طول موج از یکدیگر فاصله دارند که باعث ایجاد یک تداخل مخرب می‌شود و اشعه‌های نور یکدیگر را نابود می‌کنند. ( یادداشت نویسنده : من در اینجا توضیح ریاضیاتی و فیزیکی چند صفحه‌ای در مورد تداخل مخرب را ارائه نمی‌دهم، بنابراین چند گزینه به شما ارائه می‌دهم. انتخاب اول، فقط قبول کنید که چنین چیزی وجود و ادامه‌ی مطلب را بخوانید. گزینه‌ی دوم، اگر واقعاً به آن علاقه دارید،  کتاب عالی ریچارد فاینمن در مورد الکترودینامیک کوانتوم را مطالعه کنید. )

پوشش‌های چند لایه

متأسفانه، نور فقط از یک طول موج تشکیل نشده است، بنابراین اثر تداخل ( همچنین به عنوان اثر لایه‌ی نازک یا پوشش طول موج ربع شناخته می‌شود ) فقط می‌تواند بازتاب یک قسمت از طیف را کاهش دهد. اما اگر لایه‌های بیشتری از پوشش‌ها را با ضخامت کمی متفاوت‌تر اعمال کنیم، یک اثر تداخل در چندین طول موج مختلف ایجاد می‌شود، که باعث کاهش بازتاب در کل طیف نور مرئی ( یا مادون قرمز یا ماوراء بنفش می‌شود – پوشش‌هایی مخصوص این حالت وجود دارد ).

پیشنهاد نویسنده : فاصله کانونی لنز در عکاسی چیست و چه تاثیری دارد ؟

از لحاظ تئوری، حداقل، ما همچنین می‌توانیم از پوشش‌هایی با ضریب شکست مختلف استفاده کنیم و یک گردینت ( نموداری با شیب متحرک ) از ضریب شکست ایجاد کنیم، بنابراین هیچ تغییر ناگهانی در شکست ( یا در واقع چند مرحله‌ی کوچک به جای یک تغییر بزرگ ) ایجاد نمی‌شود. به علاوه، از آنجا که پوشش‌هایی با ضخامت 3/4 ، 5/4 و غیره نیز می‌توانند باعث تداخل مخرب شوند، چندین لایه از پوشش‌ها می‌توانند مزایای بیشتری به همراه داشته باشند.

در این مرحله، این پوشش‌های ساده باید کاملاً پیچیده به نظر برسند، چرا که کاملاً مناسب هستند. یک طراحی چند لایه به کامپیوتر نیاز دارد تا فرمول‌های ریاضی را برای تأثیر هر لایه تجزیه کند، تاثیری که هر لایه بر روی هر لایه‌ی دیگر می‌گذارد، تأثیرات در طول موج‌های مختلف نور، اثرات زاویه‌های مختلف تابش نور بر روی پوشش‌ها و غیره. طرح‌های پوشش، روش‌های کاربرد و غیره اختصاصی است و در مورد هر سازنده کمی با دیگری متفاوت خواهد بود.

تأثیر پوشش‌های اپتیکال با بازدهی متفاوت با چند لایه در سمت چپ، بدون پوشش در سمت راست

پوشش‌های نانو

ممکن است فکر کنید پوشش‌های نانو کاملاً جدید هستند اما در واقع حدود یک میلیارد سال است که در چشم پروانه‌ها وجود دارند. چشم پروانه‌ها از این جهت منحصر به فرد هستند که هیچ نوری را منعکس نمی‌کنند و این باعث می‌شود شب‌ها پروانه در معرض شکارچیان نباشند. دلیل اینکه نور را منعکس نمی‌کنند این است که با الگویی از برجستگی‌هایی در حدود 200 نانومتر ( واحد آن نانومتر است، از این رو به آن نانو می‌گویند ) پوشیده شده‌اند. از آنجا که 200 نانومتر از طول موج نور مرئی کوچکتر است، اشعه‌های نور با ورود به چشم پروانه منعکس نمی‌شوند. آن نانوپوشش‌های کاملاً جدیدی که در مورد آنها می‌وانید ، صرفاً یک کپی واضح توسط انسان‌ها از طبیعت است.

پوشش‌های نانو تقریبا به طور قطع یکی از بهترین پوشش‌های چند لایه هستند، گرچه دشوار است بگوییم که بهترین است. به نظر می‌رسد مسلم است که آنها بازتاب را به کمتر از 0.1٪ کاهش می‌دهند. همچنین وقتی نور با زاویه‌های مورب به سطح برخورد می‌کند، تقریباً به همان اندازه موثر هستند، وضعیتی که پوشش‌های لایه‌ای بخشی از اثربخشی خود را از دست می‌دهند.

اما در حال حاضر پوشش‌های نانو در گرانترین لنزها به یک یا شاید دو سطح ( از 20 یا 30 ) محدود شده‌اند. بنابراین در حالی که تأثیر در آن سطح بسیار قابل توجه است، ممکن است در صورت بررسی کامل لنز، از اهمیت کمتری برخوردار باشد. هنوز منطقی به نظر می‌رسد که تولیدکنندگان بدانند کدام سطح برای بازتاب، لنز فلر و Ghosting بسیار مهم‌تر است و پوشش نانو را در آن مکان قرار می‌دهند ( همچنین منطقی است که آنها آن را روی کوچکترین و ارزانترین سطح برای پوشش قرار دهند، چرا که هنوز هم می‌توانند در بروشور توضیحات لنز خود اشاره کنند که در تولید آن از فناوری نانو تکنولوژی استفاده شده است ).

جمع بندی

پیام نهایی بسیار ساده است. حتی یک پوشش ارزان قیمت و یک لایه روی لنز یا فیلتر شما بازتاب را از حدود 4٪ به حدود 1.5٪ کاهش می‌دهد. یک پوشش چندلایه‌ی خوب ( و نسبتاً گران ) می‌تواند آن را از 4٪ به 0.2٪ کاهش دهد. شما معمولاً انتخاب نمی‌کنید که روی عناصر لنز جدید چه پوشش‌هایی قرار داده شده باشد، اما وقتی صحبت از فیلترها می‌شود باید این مورد را انتخاب کنید؛ ارزان‌ترین‌ها اصلاً کوتینگ لنز یا همان پوشش‌های داخلی را ندارند، بعضی از آنها یک پوشش دارند در یک طرف، اکثریت قریب به اتفاق فیلترهایی با قیمت پایین‌تر، در هر طرف دارای پوشش‌های تکی هستند، بهترین موردها اما در هر دو طرف دارای چندین پوشش هستند.

تمام پوشش‌های چند لایه بسیار خوب کار می‌کنند، بسیار بهتر از هر پوشش تک لایه‌ی دیگری. تنها تفاوتی که ممکن است مشاهده کنید این است که به یک عنصر با زاویه‌ی شیب دار نگاه کنید؛ شما اغلب می‌توانید یک رنگ را مشاهده کنید که به طور مستقیم از طریق لنز قابل مشاهده نیست. این تفاوت‌های جزئی باعث می‌شود برخی در بررسی‌ها بگویند تصاویر ثبت شده با فلان لنز از فلان تولید کننده کمی گرم‌تر و یا سردتر است. اگر لنزهایی با مارک‌های مختلف دارید، سعی کنید به عنصر جلو در زیر نور با کمی زاویه دادن به آن نگاه کنید، ممکن است رنگی از زرد تا نارنجی تا بنفش را مشاهده کنید، اما وقتی مستقیم از داخل لنز نگاه کنید این رنگ از بین می‌رود.

پیشنهاد نویسنده : لنزهای اولترا واید : دانستنی‌هایی در مورد لنزهایی با زاویه دید فوق عریض !

خبر بد در مورد پوشش‌ها این است که وقتی آسیب می‌بینید نمی‌توانید آنها را تعمیر یا تعویض کنید ( حداقل نه در خانه ). پوشش‌ها موارد پیچیده‌ای هستند که در خلأ توسط تکنیک‌های صنعتی با نام‌هایی مانند Hard Ion Beam Sputter و Advanced Plasma Reuttive Sputter تولید می‌شوند. نه آن دسته از تجهیزاتی که بیشتر ما در خانه نگهداری می‌کنیم. با این وجود بیشتر پوشش‌ها با دوام و سخت تولید شده‌اند و قطعا کمتر از شیشه‌های بیرونی لنز آسیب می‌بینند.

بدون پوشش، لنزهای مدرن به سادگی می‌توانم بگویم که وجود نخواهند داشت، ما سعی خواهیم کرد از لنزهایی با 3 یا 4 عنصر استفاده کنیم، اگر بخواهیم مقداری کنتراست را از بین ببریم، شاید 6 عنصر در یک لنز داشته باشیم. بنابراین دفعه‌ی بعدی که 1.5 کیلوگرم لنزتان را با خودتان بیرون آوردید، از تکنولوژی و سازندگان لنز ممنون باشید که یک لنز با 23 عنصر به شما تحویل می‌دهند، در حالی که عملا تمام آن چیزی که در آن تاثیر گذار خواهد بود پوشش‌هاییست با وزن کمتر از یک میلی گرم.

امیدوارم مقاله‌ی ” کوتینگ لنز ( Lens Coating ) چیست و چه کاربردهایی دارد ؟ سطوح پوششی لنزهای دوربین “ برایتان مفید و جذاب بوده باشد. نظرات و پیشنهادات خود را با ما در میان بگذارید. همچنین اگر پرسشی وجود داشت، آن را در بخش نظرات همین پست مطرح کنید تا پاسخ دهم. موفق باشید !