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Il problema della riflessione
Nel 1896 P. Rudolph crea il Planar, uno schema simmetrico vicino alla perfezione, con un solo difetto: era stato realizzato con quaranta anni di anticipo, per causa delle riflessioni interne all'obiettivo (4% ogni passaggio vetro-aria).
Tali riflessioni parassite viaggiando avanti e indietro in modo caotico finiscono per andare a focalizzarsi disordinatamente nel piano focale, abbassando nitidezza e contrasto dell'immagine.
Le ottiche con oltre sei passaggi vetro-aria non erano praticamente realizzabili, inoltre ciò limitava il numero di elementi che un progettista poteva utilizzare per controllare le aberrazioni.
N.B. 1 Problemi di riflessioni parassite sorgono nel passaggio aria-vetro e viceversa, sono trascurabili quando il passaggio avviene tra due lenti cementate, perché i differenti di indici di rifrazione sono generalmente deboli.
N.B. 2 va comunque considerato che tale limitazione nel numero delle lenti era anche dovuta ai mezzi di calcolo disponibili allora. Prima della seconda guerra mondiale, per esempio, in Zeiss il calcolo del Sonnar 50 mm f/1,5 costò l'impiego di 7 matematici per quasi due anni ! Sarà compito del Dr. Erhard Glatzel alcuni anni più tardi risolvere il particolare dei nuovi strumenti di calcolo.
Nel 1935 A. Smakula inventa il trattamento antiriflesso (riflessione odierna < 0,2%), come l'araba fenice lo schema ottico del Planar risorgerà diventando lo schema ottico di riferimento per Zeiss e tutti i costruttori mondiali di ottiche fotografiche.
Questa fondamentale svolta nella ricerca ottica consentirà la realizzazione dei moderni obiettivi a focale variabile che hanno necessità di decine di elementi per correggere le loro aberrazioni.
La Riflessione
Ogni volta che un raggio di luce si muove da un mezzo ad un altro (per esempio, quando la luce entra in una lastra di vetro dopo l'attraversamento dell'aria), una parte della luce viene riflessa dalla superficie (definita: interfaccia) tra i due mezzi.Ciò può essere osservato quando guardando attraverso una finestra si vede, una (debole) riflessione creata dalla superfici anteriore e posteriore del vetro della finestra. La quantità della riflessione dipende dagli indici di rifrazione dei due mezzi, nonché dall'angolo della superficie al fascio di luce. L'esatto valore può essere calcolato utilizzando le equazioni di Fresnel.
Quando la luce incontra l'interfaccia a incidenza normale (perpendicolare alla superficie), l'intensità della luce riflessa è data dal coefficiente di riflessione o di riflettanza, R
dove n0 e nS sono rispettivamente gli indici di rifrazione del primo e secondo supporto. Il valore di R varia da 0 (nessuna riflessione) a 1 (tutta la luce riflessa) è di solito definito in percentuale. Complementare a R è il coefficiente di trasmissione o trasmissione, T.
Se assorbimento e dispersione sono trascurabili, allora il valore di T è sempre 1 - R. Così se un fascio di luce con intensità I è incidente sulla superficie, un fascio di intensità RI si riflette, ed un fascio con intensità TI viene trasmesso nel mezzo.
Per lo scenario semplificato di luce visibile viaggiare da aria (n0 ≈ 1,0) in vetro comune (nS ≈ 1,5), il valore di R è 0,04, o 4% su una sola riflessione. Così al massimo il 96% della luce (T = 1 - R = 0,96) entra effettivamente il vetro, il resto viene riflesso dalla superficie. La quantità di luce riflessa è definita come perdita di riflessione.
Nello scenario più complesso di riflessioni multiple, con la luce che viaggia attraverso una finestra, la luce viene riflessa sia quando passa dall'aria alla superficie anteriore del vetro e dall'altro lato della finestra quando si passa dalla superficie posteriore del vetro all'aria. La perdita di riflessione è la stessa in entrambi i casi. La luce può anche rimbalzare da una superficie all'altra più volte, essendo parzialmente riflessa e parzialmente trasmesso ogni volta che lo fa. In tutto, il coefficiente di riflessione combinata è data da 2 R / (1 + R). Per il vetro in aria, si tratta di circa il 7,7%.
La soluzione al problema
Rivestimento di Rayleigh
1886 John W. S. Rayleigh (1842 - 1919, Nobel per la fisica 1904), scopre che un sottile rivestimento sulla superficie del vetro può aumentarne la trasmittività della luce riducendone di egual misura la perdita per riflessione. Questo effetto può essere spiegato immaginando un sottile rivestimento ad indice di rifrazione n1 tra l'aria (indice n0) e il vetro (indice nS). Il raggio di luce riflette ora due volte: una volta dalla superficie tra aria e il rivestimento, e una volta tra il rivestimento e l'interfaccia vetro.
Dall'equazione sopra, e noti gli indici di rifrazione, possiamo calcolare la riflettività per entrambe le interfacce, indicata rispettivamente R01 e R1S,. La trasmissione di ciascuna interfaccia è quindi T01 = 1 - R01 e T1S = 1 - R1S. La trasmittanza totale nel vetro è quindi T1S T01.
Calcolando tale valore per diversi valori di n1, si può trovare che per un particolare valore di indice di rifrazione ottimale del rivestimento, la trasmittanza di entrambe le interfacce è uguale, a ciò corrisponde la massima trasmittanza totale del vetro.
Il valore ottimale è dato dalla media geometrica tra i due indici separati dal rivestimento, esempio: vetro (nS ≈ 1,5) aria (n0 ≈ 1,0), l'indice di rifrazione ottimale del rivestimento n1 ≈ 1,225
La perdita di riflessione di ciascuna interfaccia è circa 1,0% (con una perdita complessiva di 2,0%), e un totale di trasmissione T1S T01 di circa il 98%.
Pertanto un rivestimento intermedio tra l'aria e vetro può dimezzare la perdita di riflessione.
1904 Harold Dennis Taylor della società Cooke brevettò un sistema di deposito chimico di materiali antiriflettenti che tuttavia si rivelò poco sicuro.
Rivestimento ad interferenza distruttiva di Smakula
1935 Alexander Smakula (1900-1983) in Carl Zeiss dal 1934, brevetta il rivestimento antiriflesso basato sull'interferenza. Le conseguenze pratiche di tale scoperta erano tali che il governo tedesco impose il segreto militare sul brevetto, che alla fine fu reso pubblico (ed applicato su ottiche civili) solo nel 1939.Il rivestimento antiriflesso di Smakula, si basa su uno strato intermedio non solo per la riduzione diretta del coefficiente di riflessione, ma specialmente per utilizzare l'effetto di interferenza distruttiva. Il comportamento del rivestimento per interferenza distruttiva è analogo alla tecnica di impedenza nei filtri stop-banda per segnali elettrici.
Lo spessore dello strato è controllato con precisione (circa 130-150 nanometri), in modo che sia esattamente un quarto della lunghezza d'onda della luce incidente (λ / 4), dove λ è la lunghezza d'onda. Lo strato è quindi chiamato rivestimento a un quarto d'onda. Con questo tipo di rivestimento un fascio incidente I, quando riflesso dalla seconda interfaccia, viaggerà esattamente la metà della sua lunghezza d'onda oltre il fascio riflesso dalla prima superficie, con conseguente interferenza. Se le intensità dei due raggi R1 e R2 sono uguali, essi interferiscono distruttivamente e si annullano reciprocamente poiché sono esattamente in contro fase. Pertanto, non vi è riflesso dalla superficie, e tutta l'energia del fascio viene trasferita dal raggio trasmesso, T.
Rivestimenti reali non raggiungono la prestazione perfetta, anche se sono in grado di ridurre coefficiente di riflessione di una superficie a meno dello 0,1%.Inoltre, lo strato avrà spessore ideale per garantire riflessione nulla alla sola lunghezza d'onda centrale e minore riflessione per lunghezze d'onda in una limitata banda intorno al centro.
Altre difficoltà sono trovare materiali adatti per l'uso su vetro normale, dal momento che poche sostanze utili presentano l'indice desiderato di rifrazione (n ≈ 1,225), per rendere entrambi i raggi riflessi esattamente di uguale intensità.
Il fluoruro di magnesio (MgF2) è il più utilizzato, poiché meccanicamente resistente e facilmente applicabile a substrati mediante sublimazione (deposizione fisica a vapore), anche se l'indice di rifrazione è superiore al necessario (n = 1,38).
Ulteriore riduzione è resa possibile usando strati multipli di rivestimento, modulando opportunamente gli spessori (λ / 4 ) per diverse lunghezze d'onda nella gamma visibile (400-700 nm) e l'indice di rifrazione degli stessi per ogni singolo strato che compone il rivestimento multiplo
Nel 1943, il trattamento antiriflesso arriva all'applicazione di tre strati di rivestimento (uno per ogni colore primario).
La presenza del trattamento antiriflessi sugli obiettivi Carl Zeiss veniva indicata da una "T" rossa, che stava per "Transparenz"
Questa invenzione rovescia le sorti nella produzione ottica della Carl Zeiss
La disponibilità di rivestimento antiriflesso permette alla schema doppio Gauss Planar di salire ad una posizione dominante sul Sonnar che fino alla seconda guerra mondiale dominava incontrastato.
Il Planar, fu il maggior beneficiario del trattamento antiriflessi in quanto il suo schema ottico, soffriva particolarmente delle riflessioni di luce che erano la causa del basso contrasto, il mercato richiedeva ottiche sempre più luminose e lo schema doppio Gauss Planar intrinsecamente corretto da aberrazioni grazie alla sua simmetria permetteva questi obiettivi, negli anni '50 divenne uno degli schemi ottici di base per l'intera produzione Carl Zeiss.
Nel 1971 dalla collaborazione tra la Carl Zeiss e la Asahi Optical Co.: gli strati di rivestimento arrivarono a 7 e la permeabilità della luce quasi al 100%. Tale trattamento fu indicato con la sigla "T*", sempre in rosso (sulle ottiche Pentax venne usato l'acronimo SMC, Super Multi Coated).
N.b. La Fuji attualmente detiene il primato con 12 strati di rivestimento nelle ottiche indicate con EBC.
I rivestimenti antiriflesso odierni sono costituiti da una struttura composta da diversi strati di film sottile depositati con spessori diversi e diverso indice di rifrazione. Si ottengono riflettività massima inferiore a 0,2% su tutta la gamma dello spettro visibile, con relativa efficienza di trasmissione di 99,8%, e prestazioni ottimali con angoli di incidenza diversi da 0°.
Senza questa fondamentale svolta nella ricerca ottica i moderni obiettivi a focale variabile come pure i grandangolari più performanti con oltre 15 elementi non sarebbero in alcun modo realizzabili
Alexander Smakula
1900, Dobrovody, Austria-Ungheria, oggi Ucraina - 17 maggio 1983, Auburn, Massachusetts,USA
Fisico Ucraino noto per l'invenzione del rivestimento antiriflesso per lenti ottiche
Biografia
Smakula è nato in una famiglia di contadini in Dobrovody, l'Austria-Ungheria (oggi Ternopil Oblast,Ucraina). Dopo aver terminato i suoi studi presso la scuola Ternopil è entrato nell' Università Georg-August di Gottingen dove si è laureato nel 1927. In seguito ha lavorato come assistente del Prof. Robert Pohl. Dopo il suo breve soggiorno presso Università di Odessa, Smakula torna in Germania in qualità di capo di un laboratorio di ottica in Heidelberg. Dal 1934 ha lavorato presso la Carl Zeiss AG Jena. In Zeiss, nel 1935, ha inventato e brevettato il rivestimento ottico antiriflesso, un significativo passo avanti nella tecnologia ottica. Dopo la fine della seconda guerra mondiale Smakula è andato negli Stati Uniti, dove ha lavorato in Virginia nella ricerca per la tecnologia a infrarossi. Nel 1951 gli fu offerta una cattedra al MIT, dove ha svolto attività di ricerca prevalentemente in materiali cristallini. Alexander Smakula muore il 17 maggio 1983 ad Auburn, Massachusetts, USA.
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