ציפויים אופטיים

גנבי האור

הספוילרים שפגעו במשתמשי האופטיקה מאז המצאת הטלסקופ הראשון של גלילאו ב-1610 הם ספיגה והשתקפויות, שמפחיתים באופן דרמטי את כמות האור השימושי שמגיע לעיני הצופה. כל אלמנט אופטי (עדשה בודדת, פריזמה או מראה) סופג בהכרח חלק מהאור שעובר דרכו. עם זאת, משמעותית הרבה יותר היא העובדה שאחוז קטן מהאור מוחזר מכל משטח אוויר לזכוכית. עבור אופטיקה לא מצופה, "ההפסד הרפלקטיבי" הזה משתנה בין 4 אחוזים ל-6 אחוזים לכל משטח, וזה לא נראה רע עד שתבין שלמכשירים אופטיים מודרניים יש בין 10 ל-16 משטחים כאלה. התוצאה נטו יכולה להיות אובדן אור של עד 50 אחוז, וזה בעייתי במיוחד בתנאי תאורה חלשה.

עם זאת, חמורה יותר היא העובדה שהאור המוחזר לא פשוט נעלם, ומשאיר תמונה עמומה יותר. במקום זאת, הוא ממשיך לקפוץ משטח אל פני השטח בתוך המכשיר, כאשר חלק מהאור מההשתקפויות השניות, השלישיות והרביעיות הללו יוצא בסופו של דבר דרך אישוני היציאה של הכלי ואל עיניו של הצופה. אור מפוזר כזה נקרא "התלקחות", והוא מוגדר כ"אור שאינו יוצר תמונה, מרוכז או מפוזר, המועבר דרך המערכת האופטית". התוצאה היא סנוור מצועף או ערפול שמטשטש את פרטי התמונה ומפחית ניגודיות. במקרים קיצוניים, זה עלול אפילו לגרום לתמונות רפאים. דוגמה קיצונית תהיה אם תנסו לשחק בזכוכית בצד המוצל של רכס נמוך עם אור שמש בהיר שזורם מעל לראש ולתוך עדשת האובייקטיב של המכשיר. (לעולם אל תסתכל ישירות בשמש, עם או בלי אופטיקה, מכיוון שהיא עלולה לגרום לנזק חמור לעיניים.)

ציפוי חד-שכבתי נגד השתקפות

הפתרון המיוחל לבעיית אובדן אור רפלקטיבי הגיע באמצע שנות ה-30 כאשר אלכסנדר סמקולה, מהנדס קרל זייס, פיתח ורשם פטנט על "מערכת ציפוי העדשות הלא מחזירות של Zeiss" (הנקראת כיום ציפוי אנטי-רפלקציה או AR), אשר הוכרז כ"הפיתוח החשוב ביותר של המאה במדע האופטי". זמן קצר לאחר מכן הצרכים הצבאיים של מלחמת העולם השנייה האיצו את פיתוח הציפוי, אשר שימש את כוחות בעלות הברית וכוחות הציר במכשירים אופטיים החל ממשקפי שדה (משקפת) ועד כוונות פצצה.

התיאוריה מאחורי ציפויי AR (ראה את האיור למטה) היא מושג מדעי מסובך מאוד. ביישום הוא מורכב מסרט שקוף, בדרך כלל ממגנזיום פלואוריד MgF2, בעובי של רבע אורך גל של אור (כשישה מיליוניות אינץ'), שהופקד, בהפצצה מולקולרית, על משטח זכוכית נקי. פיתוח שיטה ליישום סרט דק מיקרוסקופי כזה, הנעשה בתאי ואקום, היה ניצחון טכנולוגי גדול. ציפוי חד-שכבתי אנטי-השתקפות זה הפחית את אובדן האור הרפלקטיבי מ-4 אחוז ל-6 אחוזים עבור משטחים לא מצופים לכ-1.5 עד 2 אחוז עבור משטחים מצופים, ובכך, הגדלת העברת האור הכוללת עבור מכשירים מצופים מלא של כ-70 אחוז, אשר, בהתחשב בהפחתה הנלווית בהתלקחות משפילת התמונה, היה שיפור יוצא דופן.

ציפוי רב שכבתי נגד השתקפות

חסרון עיקרי של ציפויים חד-שכבתיים, שעדיין נמצאים בשימוש נרחב, הוא שהם עובדים בצורה מושלמת רק עבור אורך הגל (צבע) הספציפי של האור שבו עובי הציפוי שווה לרבע מאורך הגל. חוסר זה הוביל בסופו של דבר לפיתוח של ציפויים רב-שכבתיים בפס רחב המסוגלים להפחית ביעילות את אובדן האור הרפלקטיבי על פני טווח רחב של אורכי גל. הציפויים הרב-שכבתיים הטובים ביותר של ימינו יכולים להפחית את אובדן האור הרפלקטיבי עד לשתי עשיריות האחוז בכל משטח אוויר לזכוכית.

ההיכרות שלי עם ציפוי רב-שכבתי הגיעה בשנת 1971 כאשר Pentax החלה להשתמש ב-"Super Multicoating" שלה על עדשות מצלמה, שם היא כמעט ביטלה תמונות מתלקחות ורפאים בעת צילום נושאים בתאורה אחורית בהירה. יצרני אופטיקה ספורטיבית טיפה לאט לעלות על העגלה, ורק בשנת 1979 הציג קארל זייס את ה-"T*" Multicoating שלו, שהגביר את העברת האור של משקפת Zeiss לקצת יותר מ-90 אחוז, ובו זמנית שפר את ניגודיות התמונה. הסיבה שלקח כל כך הרבה זמן להגיע מהציפויים החד-שכבתיים הראשונים לציפויי הפס הרחב הרב-שכבתיים של ימינו הייתה מכיוון שהאחרונים, למרות שהם מבוססים על אותם עקרונות מדעיים, הם מסובכים להפליא, וכוללים כמה שכבות דקות של פלואורידים, תחמוצות, דו-חמצנים, וכדומה. כפי שניתן לצפות, מחשבים ממלאים תפקידים מרכזיים בניסוחים ויישומים של ציפויים כאלה.

למרות שהעברת האור הכללית ממשיכה להשתפר מעט, הרמות הגבוהות ביותר שאני מכיר כרגע הן כ-92 אחוז עבור משקפת ו-95 אחוז עבור רובים, שהם הרבה מעל הממוצעים עבור מכשירים כאלה. הסיבה העיקרית לכך שמשקפי רובה נוטים להיות בעלי שידורי אור מעט טובים יותר מאשר משקפות היא בגלל שהם משתמשים בעדשות זוקפות פשוטות ולא במנסרות מסובכות להקמת תמונה.

כמו כן, משקפת מנסרה של פורו נוטה להיות בעלת העברת אור טובה יותר ממשקפת מנסרת גג באיכות אופטית דומה. יוצאי דופן בולטים הם משקפת קרל זייס המשתמשת במנסרות גג של Abbe-Koenig במקום מנסרות גג בשימוש נרחב מסוג Pechan, בעלות משטח שיקוף אחד (בדרך כלל מואר או כסוף) שבו בין 4 ל-6 אחוזים מהאור הזמין אובד במהלך פנימי. הִשׁתַקְפוּת. (בתהליך שנקרא "השתקפות פנימית מוחלטת", מנסרות הגג של פורו ומנסרות הגג של Abbe-Koenig מקבלות השתקפות של 100 אחוז על כל המשטחים הפנימיים שלהן, ללא ציפויים. שכבת ציפויים מחזירי אור המקבלים השתקפות של 99.5 אחוז על משטחי המראה.

האזהרה כאן היא שאסור להיסחף יותר מדי בחיפוש אחר כמה נקודות אחוז נוספות של העברת אור. חשבו, למשל, שעלייה של 5 אחוזים בהעברת אור במכשיר אופטי בעל ביצועים גבוהים שווה בערך לעלייה של 150 פריימים לשנייה במהירות הלוע ברובה מגנום 0.300 - לעולם לא תבחין בהבדל.

האם אי פעם תושג 100 אחוז העברת אור באופטיקה ספורטיבית? לעולם אין לומר "לעולם לא", אבל מלבד שינוי חוקי הפיזיקה, התשובה היא כמעט בוודאות לא!

צבעי ציפוי

רבים מאמינים שניתן לקבוע את איכות ציפויי AR לפי צבע האור המוחזר מהמשטחים. אולי, אבל כדי לעשות זאת בוודאות כלשהי דורש מומחיות לא מבוטלת. הצבע הנראה אינו זה של חומר הציפוי עצמו, שהוא חסר צבע, אלא הצבע המשקף או הצבעים המחזירים המשולבים של אורכי הגל של האור שעבורם הציפוי הכי פחות יעיל. לדוגמה, ציפוי היעיל ביותר באורכי הגל האדום והכחול יפיק השתקפות ירוקה. לעומת זאת, אם הציפוי יעיל ביותר באורכי הגל הירוקים, ההשתקפות תהיה שילוב כלשהו של אדום וכחול, כמו מגנטה. ההשתקפויות המגיעות מציפויים חד-שכבתיים של מגנזיום פלואוריד נעים בדרך כלל בין כחול בהיר לסגול כהה. בעוד שהצבעים המשקפים מהציפויים הרב-שכבתיים העדכניים ביותר יכולים להיות כמעט כל צבע של הקשת בענן, כאשר צבעים שונים מופיעים על משטחים אופטיים שונים ברחבי המערכת, השתקפות לבנה בוהקת (חסרת צבע) מעידה בדרך כלל על משטח לא מצופה.

למרות שהוא לא מדעי, מבחן עשה זאת בעצמך הבא להערכת ציפוי AR הוא חינוכי ואינפורמטיבי כאחד. הכלי היחיד הדרוש הוא פנס קטן או, בחוסר זה, פנס עילי. החוכמה היא להאיר את האור לתוך עדשת האובייקטיב של המכשיר, כך שכאשר מסתכלים לאורך האלומה ניתן לראות תמונות של האור המשתקף ממשטחי האוויר לזכוכית השונים בתוך המכשיר. (הערה: השתקפות תגיע הן מהצד הקרוב והן מהצד הרחוק של העדשות והמנסרות.) כעת, בהתבסס על המידע לעיל, לגבי צבע, תקבלו מושג לגבי סוגי הציפויים בהם נעשה שימוש, וחשוב מכך, האם חלקם המשטחים אינם מצופים.

סוגים אחרים של ציפויים

בהיעדר מקום לכיסוי מעמיק של שאר סוגי הציפויים האופטיים, אני מציע את הסיכומים הקצרים הבאים.

ציפויים לתיקון שלב (P):פותח על ידי Carl Zeiss (מי עוד?) והוצג כ-"P-coating" בשנת 1988, ציפוי תיקון שלב הוא שני בחשיבותו רק לציפוי אנטי-השתקפות במכשירי פריזמות גג. הבעיה (שאיננה קיימת במנסרות פורו) היא שגלי אור המשתקפים ממשטחי גג מנוגדים הופכים לקוטב אליפטי כך שיהיו חצי אורך גל מחוץ לפאזה זה עם זה. זה גורם להפרעות הרסניות ולהידרדרות לאחר מכן באיכות התמונה. ציפויי P מתקנים את הבעיה על ידי ביטול תזוזות הפאזות ההרסניות.

ציפוי השתקפות:ציפויים דמויי מראה אלה - שלעתים קרובות חייבים את יעילותם להפרעות קונסטרוקטיביות - משמשים לעתים קרובות יותר באופטיקה ספורטיבית ממה שניתן לחשוב. דוגמאות כוללות: רוב מדדי הטווח של הלייזר והסקופים המעטים שמשתמשים במפצלי קרניים; מראות נקודות אדומות שבהן נעשה שימוש בציפוי ספציפי לאורך גל כדי לשקף את תמונת הנקודה בחזרה לעין היורה; וכפי שצוין קודם לכן, במכשירי פריזמת גג עם מנסרות פקאן.

ציפוי הידרופובי (דוחה מים):האבטיפוס לציפוי דוחה מים הוא ציפוי Rainguard של Bushnell השופך מים ועמיד בפני ערפול חיצוני. בדקתי בהרחבה את ציפוי Rainguard באקלים קר שבו נשימה בשוגג על עדשת העינית של המשקף הייתה מסתירה את הנוף של המטרה. התוצאות היו שאפילו כשנשמתי בכוונה הן על עדשות האובייקט והעינית, מה שגרם להן לערפל או לכפור, עדיין יכולתי לראות מטרות מספיק טוב כדי לירות.

ציפויים עמידים בפני שחיקה:חסרון מתמשך עם כמה ציפויים אנטי-השתקפות הוא שהם נוטים להיות רכים ולכן, נשרטים בקלות. למרבה המזל, הציפויים ה"קשיחים" של היום, למרות שעדיין אינם בשימוש אוניברסלי, משפרים מאוד את העמידות של אופטיקה חיצונית, החל ממשקפי ראייה ועד סקופים. הציפוי הקשיח ביותר, ללא ספק, שבדקתי הוא על משטחי העדשה החיצוניים בציפוי T של סקופי ה-Black Diamond 30 מ"מ טיטניום של Burris. לא יכולתי לגרד אותו, אפילו עם קצה חיתוך של אולר חד כתער. האחרון אינו מומלץ.

ציפוי ייעודים

המונחים הבאים משמשים לעתים קרובות על ידי יצרני אופטיקה כדי לתאר את המידה שבה המכשירים שלהם מוגנים על ידי ציפוי AR.

אופטיקה מצופה (C) פירושה שמשטח אחד או יותר של עדשה אחת או יותר צופו.

מצופה מלא (FC) פירושו שכל משטחי האוויר לזכוכית קיבלו לפחות שכבה אחת של ציפוי אנטי השתקפות, וזה טוב.

Multicoated (MC) פירושו שמשטח אחד או יותר של עדשה אחת או יותר קיבלו ציפוי AR המורכב משתי שכבות או יותר. בשימוש על ידי יצרנים בעלי מוניטין, ייעוד זה מרמז בדרך כלל שאחד או שניהם ממשטחי העדשה החיצוניים הם מרובי ציפוי וכי למשטחים הפנימיים יש כנראה ציפוי חד-שכבתי.

ריבוי ציפוי מלא (FMC) פירושו שכל משטחי אוויר לזכוכית היו צריכים לקבל ציפוי רב-שכבתי נגד השתקפות, וזה הכי טוב.

למרבה הצער, לא כל ציפויי AR מסוג מסוים נוצרים שווים, וחלקם עשויים אפילו להיות מזויפים. יפים ככל שהם יכולים לראות, אני מאוד סקפטי לגבי הערך של הציפויים המכונים "אודם", המשקפים כמות מסנוורת של אור אדום, מה שגורם לאובייקטים שנצפו להיראות ירוקים נורא. כשיצרנים מובילים, כמו קארל זייס, לייקה, ניקון וסברובסקי, יתחילו להשתמש בציפויים אודם או אחרים, אני אתחיל להאמין בהם. קו ההגנה הראשון מפני ציפויים נחותים ומזויפים הוא לקנות מיצרן עם רקורד מוכח של כנות. זה לא אומר שאפילו החברות הטובות ביותר הן מעל לרמות הציפוי הקנייני שלהן. בדרך כלל אנשי הפרסום הם שנסחפים.