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Vergütungen von Objektiven: Nanovergütung und Multicoating
Kontrastreich und scharf soll das Bild sein. Um das zu erreichen, müssen die Optikrechner die Lichtverluste an den Linsenoberflächen auf ein Minimum drücken. Uwe Artmann erläutert die aktuellen Entwicklungen.
Auch wenn ein Glas auf den ersten Blick vollkommen transparent wirkt, wird immer auch ein Teil des auftreffenden Lichts reflektiert. Ein modernes Objektiv besteht nun aber aus zahlreichen Linsen, und somit muss das Licht auf seinem Weg zum Sensor viele Glasoberflächen passieren.
Das von der Linsenoberfläche zurückgeworfene Licht führt in einer Kameraoptik zu ungewollten und störenden Effekten wie Streulicht und reduziert die Gesamttransmission, d.h. wie viel Licht wirklich den Sensor erreicht.
Ziel der Optikkonstrukteure ist deshalb, den Anteil des reflektierten Lichts möglichst gering zu halten. Erreicht wird dies durch eine Beschichtung auf der Oberfläche der Linse, der so genannten Vergütung.
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Es gibt verschiedene Methoden der Vergütung, jeweils unterschiedlich komplex und aufwendig in der Fertigung.
Einfachschichten
Wenn Licht in das Glas einer Linse eintritt, entsteht ein Übergang von einem optisch dünnen Medium (Luft) in ein optisch dichtes Medium (Glas). Wie dicht ein Medium ist, beschreibt der Brechungsindex des Materials. Vakuum hat einen Brechungsindex von 1 und der von Luft ist nahezu 1. Optische Gläser haben einen Brechungsindex in einer Größenordnung von 1,4 bis 2.
Einfachvergütungen, wie sie schon Lord Raleigh 1886 kannte, nutzen aus, dass die Gesamtreflektion beim Übergang von zwei kleineren Differenzen im Brechungsindex geringer ist als beim direkten Übergang.
Trifft Licht also direkt und im rechten Winkel aus der Luft (n = 1) auf ein Glas (n = 1,5), so ist die Reflektion 4%. Beim Übergang von Luft (n = 1) auf eine Vergütungsschicht (n = 1,22) und anschließend aus der Vergütungsschicht ins Glas beträgt die Gesamtreflektion nur noch 2%.
Interferenzschichten
Licht ist elektromagnetische Strahlung. Licht kann also mittels einer Welle beschrieben werden, die sich entlang der Strahlrichtung ausbreitet. Wenn zwei Wellen parallel zueinander verlaufen, können diese sich verstärken oder auslöschen. Letzteres passiert, wenn das Wellental einer Welle genau auf den Wellenberg einer anderen Welle trifft.
Bei der Vergütung wird diese destruktive Interferenz durch das Aufbringen einer Schicht erreicht, die genau ein Viertel so dick ist wie Wellenlänge des Lichts, das es auslöschen soll. Während ein Teil direkt an der ersten Oberfläche (Luft-Vergütung) reflektiert wird, dringt ein anderer ein und wird an der zweiten Oberfläche (Vergütung-Glas) reflektiert. Die beiden reflektierten Wellen sind nun um genau eine halbe Wellenlänge (1/4 Eintritt + 1/4 Austritt) verschoben und löschen sich aus. Die gesamte Lichtenergie geht also in die Transmission.
Eine solche Einfach-Interferenz-Schicht kann prinzipbedingt nur für eine Wellenlänge und einen Auftreffwinkel perfekt funktionieren. Das sichtbare Licht bewegt sich aber im Wellenlängenbereich von 380 nm bis ca. 730 nm, und das Licht trifft in verschiedenen Winkeln auf die Optik.
Moderne Objektive sind daher mit komplexen Multischicht-Vergütungen (engl. Multi-Coating) versehen, um für einen möglichst großen Wellenlängenbereich die Reflektion zu reduzieren.
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Dabei werden viele verschiedene Schichten aufeinander aufgebracht. Da sich die Schichten gegenseitig beeinflussen, ist die Berechnung einer Multischicht-Vergütung sehr komplex, wird aber mit Transmissionsraten von bis zu 99,9% belohnt. Wobei man beachten muss, dass Multischichten recht aufwendig zu fertigen und somit teuer sind. Daher werden meist nicht alle Linsen innerhalb des Objektivs so aufwendig vergütet.
Nano-Vergütung
Eine neue Methode zur Optimierung der Anti-Reflektionseigenschaften von Linsenvergütungen ist die Nano-Vergütung. Unter unterschiedlichen Namen haben sowohl Canon als auch Nikon ähnliche Technologien im Programm.
Der Begriff "Nano" lässt bereits darauf schließen, dass es sich um sehr kleine Strukturen handelt. Während bei den "klassischen" Schichten perfekt glatte Oberflächen angestrebt werden, wird bei dieser Technologie die Oberfläche in sehr kleinem Maßstab aufgeraut.
Canon nennt diese Technik Subwavelenght Structure Coating (SWC). Dabei wird eine Struktur aus Aluminiumoxid auf die Oberfläche aufgebracht, die viele kleine Zacken bildet. Diese sind sehr klein (ca. 220 nm) und somit auch kleiner als das sichtbare Licht. Durch die Zacken wird ein gradieller Übergang zwischen der Luft und dem Glas erreicht; es findet also kein "harter" Übergang statt.
Nikon hat seine Technik "Nano Crystal Coat" genannt. Hierbei werden Nanometer kleine Partikel auf die Oberfläche aufgebracht. Dadurch, dass diese keine feste Einheit bilden, sondern unterschiedlich große Abstände zueinander einnehmen, wird der gleiche Effekt wie bei Canons SWC erreicht. Statt ein großer oder mehrere kleine Übergänge von optisch unterschiedlich dichten Materialien wird ein gleichmäßiger Übergang erreicht.
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Laut Nikon halbiert dies die Reflektion gegenüber Multischicht-Vergütungen. Die Nano-Vergütungen haben darüber hinaus den Vorteil, dass die guten Eigenschaften auch für relativ große Winkel erreicht werden, und bieten sich somit für Linsen an, die sehr kleine Radien aufweisen.
Rückseitige Vergütung
Ein modernes Objektiv besteht aus vielen verschiedenen Linsen und Linsengruppen, und nicht alle Linsen sind gleich gut und gleich aufwendig vergütet. Durch die digitale Fotografie neu hinzugekommen ist die Notwendigkeit der rückseitigen Vergütung von Objektiven.
Während ein Film einen Großteil des auftreffenden Licht absorbiert, kann ein Sensor auch einen erheblichen Teil reflektieren, je nachdem wie dieser gefertigt ist und wie groß der Anteil der lichtempfindlichen Fläche zur Gesamtfläche ist. Ohne Vergütung auf der Rückseite kann es dann zu Geisterbildern oder Streulicht kommen.
Als Anwender sollte man sich bewusst machen, dass man es beim Umgang mit einem Objektiv und bei dessen Reinigung im Normalfall nicht mit einfachen Glasoberflächen zu tun hat, sondern mit komplexen Beschichtungen. Entsprechende Vorsicht ist geboten.
