Lens Coatings là gì và tại sao nó quan trọng?

Trong những năm gần đây, một số nhà thiết kế ống kính đã cập nhật và nâng cấp ống kính của họ bằng các Lớp phủ thấu kính (lens coatings) mới. Ví dụ, các ống kính phiên bản giới hạn mới nhất của Pentax có một số cải tiến thiết kế quang học, bao gồm các lớp phủ thấu kính tốt hơn.

Khi thử nghiệm các ống kính như vậy, những người đánh giá thường đồng ý rằng lớp phủ thấu kính mới cải thiện đáng kể chất lượng hình ảnh (đặc biệt là độ tương phản và lóa), nhưng không bao giờ giải thích rõ về cách lớp phủ thấu kính hoạt động như thế nào. Đó là mục đích của bài viết này.

Một bộ sưu tập các thấu kính có lớp phủ chống phản xạ. Ảnh của Mengliu Di.

Nguồn gốc của lớp phủ ống kính

Trong lịch sử, các lớp phủ đã được sử dụng để giảm sự thất thoát ánh sáng trong các hệ thống quang học. Thật vậy, mỗi khi ánh sáng truyền từ môi trường quang học này sang môi trường quang học khác, một phần năng lượng ánh sáng bị mất đi do hiện tượng phản xạ. Hiện tượng phản xạ này xảy ra tự nhiên trên bất kỳ loại bề mặt nào giữa hai vật liệu, có thể là bề mặt của sông, kính hoặc gương. Sự khác biệt duy nhất là lượng ánh sáng phản chiếu lại. Đối với thủy tinh, người ta thường chấp nhận rằng 96% lượng ánh sáng được truyền qua và 4% bị phản xạ lại.

Phương trình đằng sau những con số này là:

R là năng lượng phản xạ, n1 là chiết suất của môi trường thứ nhất (1.0 đối với không khí) và n2 là chiết suất của môi trường thứ hai (trong trường hợp này của chúng ta là thủy tinh). Chỉ số khúc xạ của thủy tinh thường nằm trong khoảng 1.4 tới 1.8. Giá trị 4% sẽ lấy từ chỉ số khúc xạ 1.5 điển hình.

Năng lượng bị mất này thoạt đầu có vẻ nhỏ. Tuy nhiên, nó tích lũy dẫn cho mỗi bề mặt thấu kính bên trong một hệ thống thấu kính nhất định. Một ống kính prime thường chứa 7 tới 12 thấu kính (có nghĩa là khoảng 15-20 bề mặt thấu kính, vì mỗi thấu kính có cả môi trường không khí/thủy tinh và kính/không khí) trong khi thiết kế ống kính zoom hiện đại có tới hơn 20 thấu kính (có nghĩa là khoảng 40 bề mặt thấu kính).

Ống kính một tiêu cự (prime lens) điển hình này sẽ chỉ cho 50% lượng ánh sáng đi qua, trong khi ống kính zoom sẽ truyền ít hơn, chỉ còn 20% lượng ánh sáng đi qua.

Sơ đồ quang học trong ống kính Canon EF 24-105mm f/4 IS USM. Minh họa bởi Alessio Facchin và được cấp phép theo CC BY-SA 3.0.

Lớp phủ thấu kính đầu tiên có thể bắt nguồn từ nhà toán học và nhà khoa học người Anh Lord Rayleigh (John William Strutt, Baron Rayleigh đời thứ 3). Thật ngạc nhiên, vào năm 1886, ông phát hiện ra rằng kính cũ bị xỉn màu truyền được nhiều ánh sáng hơn so với kính mới chưa tráng. Lord Rayleigh đã phát hiện ra rằng hai môi trường liên tiếp gồm giữa không khí/lớp xỉn màu và lớp xỉn màu/thủy tinh truyền nhiều ánh sáng hơn một môi trường không khí/thủy tinh duy nhất. Một số bằng sáng chế đã ra đời theo sau khám phá này và lớp phủ thấu kính dần dần được cải thiện.

Lord Rayleigh đã có một khám phá đột phá về sự truyền ánh sáng qua kính vào năm 1886.

Đối với các nhiếp ảnh gia, một sự cải tiến lớn đã xảy ra trong những năm 1930. Năm 1935, kỹ sư Alexander Smakula của Zeiss đã được cấp bằng sáng chế cho lớp phủ đầu tiên sử dụng nhiều lớp hóa chất. Thiết kế này, như chúng tôi sẽ giải thích ở phần sau, đã cải thiện đáng kể hiệu suất của lớp phủ thấu kính và dẫn tới mức hiệu suất quang học chưa từng có.

Sự truyền ánh sáng tại mặt phân cách giữa không khí và thủy tinh, không có (trái) và có (phải) lớp phủ.

Lớp phủ ống kính có hiệu quả như thế nào trong việc cải thiện khả năng truyền ánh sáng?

Một lớp phủ thấu kính thường mang lại khả năng truyền từ khoảng 96% tới trên 99,7%. Điều này có nghĩa là một ống kính prime điển hình hiện có có thể truyền 95% ánh sáng (tăng từ 50%) và zoom của chúng tôi có thể truyền 88% (tăng từ 20%).

Rõ ràng, lớp phủ ống kính mang lại một cải tiến lớn cho khả năng chụp ảnh thiếu sáng. Cải tiến này càng nổi bật hơn khi số lượng thấu kính quang học được sử dụng trong ống kính nhiếp ảnh có xu hướng tăng lên trong các thiết kế hiện đại. Nếu trong thời kỳ đầu của nhiếp ảnh, người ta thường sử dụng một ống kính kép thì ngày nay việc vượt quá 15 thành phần thấu kính trong các ống kính được thiết kế bằng máy tính đã trở nên phổ biến. Do đó, việc truyền ánh sáng ngày càng là một vấn đề quan trọng đối với các nhà thiết kế ống kính.

Các vấn đề về độ tương phản thấp và lóa ống kính

Có những lợi thế khác đối với việc sử dụng lớp phủ trên ống kính. Năng lượng không được truyền đi sẽ bị phản xạ lại nhiều lần trong thấu kính và cuối cùng được thêm vào hình ảnh. Tốt nhất, các vùng tối được chiếu sáng bằng ánh sáng khuếch tán, dẫn tới dải động và độ tương phản thấp hơn. Tệ nhất, nguồn sáng mạnh từ cảnh cũng tạo ra các điểm sáng bên trong hình ảnh, được gọi là lóa (flares).

Vào năm 2016, nhà sản xuất ống kính Zeiss đã thực hiện một thí nghiệm thú vị để chứng minh tầm quan trọng của lớp phủ thấu kính . Nhà sản xuất đã sản xuất hai bản sao của cùng một ống kính, cụ thể là ống kính 21mm f/2.8 Distagon, một bản có lớp phủ quang học và bản còn lại không có.

Ống kính Zeiss Distagon 21mm f2.8 ZE không tráng phủ (trái) và một ống kính T* có tráng phủ (phải). Ảnh của Andreas Bogenschütz và qua Zeiss.

Dưới đây là một số hình ảnh thu được bởi cả hai ống kính trong cùng một điều kiện. Nhìn chung, chất lượng hình ảnh bị giảm đáng kể đối với tất cả các ảnh được chụp bằng ống kính không có lớp phủ.

Ảnh được chụp bằng lớp phủ thấu kính (bên trên) và không (bên dưới). Ảnh của Zeiss.

Ảnh được chụp bằng lớp phủ thấu kính (bên trên) và không (bên dưới). Ảnh của Zeiss.

Vật lý của thiết kế lớp phủ ống kính

Việc thiết kế lớp phủ có thể dựa trên các nguyên tắc vật lý khác nhau. Danh sách bao gồm các phương pháp dựa trên chỉ số, vật liệu GRIN, phân cực, lý thuyết nhiễu xạ và thậm chí cả siêu vật liệu…

Hình thức đơn giản nhất của lớp phủ chống phản xạ, về mặt lịch sử, đưa chúng ta trở lại phương trình truyền dẫn. Dường như sự truyền toàn bộ có thể được cải thiện bằng cách thêm một môi trường có chiết suất thấp hơn (ví dụ, 1.3) so với môi trường của thủy tinh (ví dụ, 1.5).

Với lớp phủ đơn giản được đề xuất ở trên, người ta có thể cải thiện độ truyền sáng từ 96% tới 97,8%. Tuy nhiên, loại sơn phủ một lớp này còn lâu mới đạt được mức phản xạ 0%.

Để cải thiện hiệu suất lớp phủ, các nhà thiết kế thấu kính có xu hướng sử dụng lý thuyết nhiễu xạ để thay thế. Sử dụng bản chất sóng của ánh sáng, người ta có thể chọn một lớp vật liệu mỏng để loại bỏ hoàn hảo sự phản xạ. Một lớp có bề dày bằng 1/4 bước sóng nghĩa là sóng phản xạ trên kính sẽ truyền thêm 1/2 bước sóng (1/4 bước sóng tới và 1/4 bước sóng ra) so với sóng phản xạ trên Lớp phủ AR. Do đó, hai sóng được dịch chuyển với các pha trái ngược nhau và tổng của chúng bằng rỗng.

Hình ảnh nghệ thuật của lý thuyết nhiễu xạ được giới thiệu với 1 bước sóng/4 lớp phủ. Tia phản xạ từ thủy tinh và tia phản xạ từ lớp phủ triệt tiêu lẫn nhau.

Có một số lưu ý đối với trường hợp lý tưởng này. Thứ nhất, ánh sáng thường xuất hiện ở dạng quang phổ thay vì một bước sóng (bước sóng đơn không thực sự tồn tại trong tự nhiên, bạn có thể tìm thấy một số trong các nguồn laser nhân tạo). Đối với ánh sáng nhìn thấy, có bước sóng nằm trong khoảng từ 400nm (ánh sáng xanh) tới 800nm ​​(ánh sáng đỏ). Điều này có nghĩa là độ dày cần thiết để loại bỏ phản xạ thay đổi đáng kể theo màu sắc. Nó cũng có thể có nghĩa là tất cả các màu không được truyền như nhau, điều này thực sự có nghĩa là lớp phủ thấu kính sẽ tạo ra một lớp màu.

Thứ hai, tính toán của chúng tôi giả định rằng các tia sáng vuông góc với bề mặt thủy tinh. Tuy nhiên, trong trường hợp thực tế, chúng có thể rơi vào ống kính ở một góc lớn. Ngay sau khi một góc được đưa vô, đường dẫn quang học bên trong lớp phủ chống phản xạ sẽ tăng lên, dẫn tới khả năng truyền dẫn thấp hơn.

Để giải quyết những vấn đề này, giải pháp tốt nhất là phủ thêm nhiều lớp sơn phủ. Một cấu trúc phổ biến xen kẽ lớp phủ 1/4 bước sóng với lớp phủ 1/2 bước sóng. Nhu vậy các ống kính thường có 7 lớp phủ.

Một mẫu phủ nhiều lớp.

Lớp phủ ống kính được sản xuất hàng loạt như thế nào?

Bước sóng trong ánh sáng khả kiến ​​là khoảng 500nm và các lớp phủ thấu kính thường là các lớp mỏng từ 100nm tới 250nm. Để nhìn vào khía cạnh này, một sợi tóc trung bình của con người dày hơn khoảng một ngàn lần một lớp phủ.

Lớp này cũng được cho là đồng nhất trong toàn bộ các thấu kính, vì vậy độ dày lớp đó chỉ thay đổi một vài phần trăm. Bước này không thể được thực hiện cho tới khi kính được cắt và đánh bóng tới hình dạng cuối cùng vì quy trình đánh bóng sẽ loại bỏ lớp phủ.

Quy trình công nghiệp hiện đại sử dụng công nghệ lắng đọng hơi nước. Nó thường được thực hiện trong một buồng chân không với hóa chất bay hơi.

Đây là một đoạn video ngắn về một chiếc máy được thiết kế cho mục đích này:

Bạn có thể thấy trên phần trên cùng của hệ thống có một bộ thấu kính đã sẵn sàng để tráng. Các thấu kính này sẽ được quay qua quá trình tráng phủ để làm tráng đều lớp phủ chống phản chiếu.

Sự kết luận

Khoa học về lớp phủ thấu kính đã gần như hàng thế kỷ. Tuy nhiên, đề tài này vẫn đang được tích cực nghiên cứu. Những công nghệ siêu vật liệu được thảo luận nhiều đang làm tiêu đề về chủ đề vào những ngày hôm nay có thể mang lại những cải tiến có thể có so với các lớp phủ thấu kính hiện có.

Với sự phức tạp ngày càng tăng của các thiết kế thấu kính, bất kỳ tiến bộ nào trong lớp phủ thấu kính cũng đều là tốt nhất vì nó cũng cải thiện khả năng truyền ánh sáng và độ tương phản của hình ảnh.

Đôi nét về tác giả : Timothee Cognard là một chuyên gia quang học và nhiếp ảnh gia sống tại Paris, Pháp.

Tín dụng hình ảnh: Ảnh tiêu đề từ Depositphotos