Бликование оптики
Изображение во всякой оптике включающей преломляющие поверхности страдает от переотражений (бликования) на них. То есть световые пучки преломляясь на оптической поверхности проходят ее не на 100%, а частично отражаются. Скажем, от обычного стекла (какой-нибудь крон) при более-менее нормальном падении свет отражается примерно на 4%, а проходит 96%. Это то, что называется бликованием или Френелевским отражением. В прикладной оптике это явление связывают с первичным бликованием (те отражения, которые мы видим на линзах объективов или окуляров). Чем больше разница в показателе преломления между средами (n1 и n2), которые разделяет оптическая поверхность, тем больше процент этого бликования:σ12 (%) = 100%*(n2-n1)2/(n2+n1)2
Понятно, что такие потери приводят в конце концов к ослаблению яркости изображения до величины:
B = (1-σ1)*(1 -σ2)*(1 - σ3)*(1 - σ4)*(1 -σ5)... = (примерно) (1- σср)n,
где σi - потери на Френелевское отражение на i-ой поверхности, а σср - средний процент потерь на поверхностях воздух/стекло (на поверхностях склеек потери малы и могут не учитываться), n - число поверхностей стекло/воздух всех линзах, входящих в объектив.
то есть суммарные потери на бликование составят:
Σ = 1 - B или очень приблизительно n*σср
Но оказывается это не все. Отраженный поверхностями свет бликов затем переотражается другими поверхностями и опять меняет направление хода на обратное, попадая в конечном счете на приемник света (в глаз или другой фотоприемник) что приводит к появлению световой вуали и снижению контраста результирующего изображения. Это так называемое бликование второго порядка (блик возникающий при Френелевских отражениях от пары линзовых поверхностей).
Сумма таких переотражений V может быть точно посчитана (см. таблицу ниже) сложением по всем бликующим поверхностям:
ηi = Bi-1*σi*Σi-1,
где
ηi - вклад во вторичное бликование i-ой поверхности,
Bi-1 - сумма света достигнувшая i-ой поверхности
Σi-1 - суммарные потери на первичное бликование предыдущих поверхностей
Кажется, что уровень засветки вторичными бликами не может быть велик - бликование бликов! То есть от каждой пары преломляющих поверхностей на засветку уходит величина пропорциональная σср2 или всего 0.16% (даже от непросветленных поверхностей)... Но число сочетаний таких пар быстро растет с увеличением числа поверхностей. Грубая оценка суммарный уровень засветки от таких переотражений в оптике с n поверхностями стекло/воздух составит:
V = σср2*n*(n-1)/2
А отношение светового шума из-за вторичного бликования к полезному оптическому сигналу на изображении составит:
S = V/B или просто V (в предположении, что проходит через систему сигнал близкий к 100%)
Для борьбы с этими потерями в контрасте и яркости придуманы так называемые просветляющие покрытия, которые уменьшают процент потерь по сравнению с Френелевским. За счет интерференции в тонких пленках одно- и двухслойные диэлектрические покрытия (оксиды и фториды разных металлов) снижают потери в одном преломлении до 1.5-2% (степень снижения зависит от показателя преломления стекла, ширины спектрального диапазона и углов падения света на оптическую поверхность). Трехслойные покрытия позволяют уменьшить потери до 0.7-1.5% на каждом преломлении. А многослойные характеризуются потерями 0.2-0.5% на одном преломлении.
Из этих формул вытекают такие проценты светопотерь из-за бликования в зависимости от сложности (числа поверхностей линз) оптического прибора.
Число поверхностей стекло/воздух в оптической схеме | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
Суммарный % бликования - без просветления | 4.2 | 8.2 | 12.1 | 15.8 | 19.3 | 22.7 | 25.9 | 29.1 | 32.0 | 34.9 | 37.6 | 40.2 | 42.8 | 45.2 | 47.5 | 49.7 | 51.8 | 53.8 | 55.7 | 57.6 |
Суммарный % вторичного бликования - обычные стекла без просветления | 0.0 | 0.2 | 0.5 | 0.8 | 1.3 | 1.8 | 2.4 | 3.0 | 3.5 | 4.1 | 4.7 | 5.3 | 5.8 | 6.3 | 6.8 | 7.2 | 7.6 | 8.0 | 8.4 | 8.7 |
% отношения шум/сигнал - обычные стекла без просветления | 0.0 | 0.2 | 0.5 | 1.0 | 1.6 | 2.4 | 3.2 | 4.2 | 5.2 | 6.3 | 7.5 | 8.8 | 10.1 | 11.5 | 12.9 | 14.4 | 15.8 | 17.4 | 18.9 | 20.4 |
Суммарный % бликования - тяжелые стекла без просветления | 6.7 | 13.0 | 18.8 | 24.2 | 29.3 | 34.0 | 38.5 | 42.6 | 46.4 | 50.0 | 53.4 | 56.5 | 59.4 | 62.1 | 64.7 | 67.0 | 69.2 | 71.3 | 73.2 | 75.0 |
Суммарный % вторичного бликование - тяжелые стекла без просветления | 0.0 | 0.4 | 1.0 | 1.9 | 2.8 | 3.7 | 4.6 | 5.5 | 6.3 | 7.1 | 7.7 | 8.3 | 8.7 | 9.1 | 9.4 | 9.6 | 9.7 | 9.8 | 9.8 | 9.8 |
% отношения шум/сигнал - тяжелые стекла без просветления | 0.0 | 0.4 | 1.3 | 2.5 | 3.9 | 5.6 | 7.5 | 9.6 | 11.8 | 14.1 | 16.5 | 19.0 | 21.5 | 24.0 | 26.6 | 29.2 | 31.7 | 34.2 | 36.7 | 39.1 |
Суммарный % бликования - с однослойкой | 1.5 | 3.0 | 4.4 | 5.9 | 7.3 | 8.7 | 10.0 | 11.4 | 12.7 | 14.0 | 15.3 | 16.6 | 17.8 | 19.1 | 20.3 | 21.5 | 22.7 | 23.8 | 25.0 | 26.1 |
Суммарный % потерь на вторичное бликование - с однослойкой | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.7 | 0.8 | 1.0 | 1.1 | 1.3 | 1.5 | 1.7 | 1.8 | 2.0 | 2.2 | 2.4 | 2.6 |
% отношения шум/сигнал - с однослойкой | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 0.9 | 1.1 | 1.3 | 1.6 | 1.8 | 2.1 | 2.3 | 2.6 | 2.9 | 3.2 | 3.6 |
Суммарный % на бликование - с трехлойным покрытием | 0.7 | 1.4 | 2.1 | 2.8 | 3.5 | 4.1 | 4.8 | 5.5 | 6.1 | 6.8 | 7.4 | 8.1 | 8.7 | 9.4 | 10.0 | 10.6 | 11.3 | 11.9 | 12.5 | 13.1 |
Суммарный % потерь на вторичное бликование - с трехлойным покрытием | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.6 | 0.7 | 0.7 |
% отношения шум/сигнал - с трехлойным покрытием | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 |
Суммарный % потерь на бликование - с многослойным покрытием | 0.4 | 0.7 | 1.0 | 1.4 | 1.7 | 2.1 | 2.4 | 2.8 | 3.1 | 3.4 | 3.8 | 4.1 | 4.5 | 4.8 | 5.1 | 5.5 | 5.8 | 6.1 | 6.4 | 6.8 |
Суммарный % потерь на вторичное бликование - с многослойным покрытием | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
% отношения шум/сигнал - с многослойным покрытием | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
Выводы
- Применение антибликовых покрытий преломляющих оптических поверхностей имеет два назначения: (1) увеличить сумму света формирующую изображение наблюдаемых объектов и (2) снизить яркость фоновой световой вуали из-за переотражения света на поверхностях линз, то есть поднять контраст изображения. Из этих двух факторов второй обычно недооценивают, в то время как он оказывает самое сильное влияние на снижение эффективности наблюдений.
- Современные просветляющие покрытия при качественном исполнении практически снимают объективное ограничение на сложность оптических систем. Сложная многокомпонентная оптика позволяет расчетчику добиваться лучшего баланса аберраций, более резкого и контрастного изображения. Но обилие непросветленных или не очень эффективно просветленных оптических поверхностей вносили за счет светорассеивания световую дымку, которая "убивала" расчетный контраст. Многослойные покрытия снижают уровень бликования (и падение соответственно контраста) в десятки раз! Так 8-10 линзовая оптическая система с FMC (многослойными) просветляющими покрытиями приводит к падению контраста изображения из-за переотражений примерно такому-же как у одной непросветленной линзы.
- Это заставляет пересмотреть подходы в частности к оценке эффективности окуляров, когда классический двухкомпонентный окуляр (4-е поверхности стекло/воздух) несмотря на все несовершенство аберрационной коррекции и малый вынос выходного зрачка считался лучшим "планетником", чем его многолинзовый визави. Многослойные просветляющие покрытия позволяют практически без потерь в контрасте изображения использовать многолинзовые конструкции окуляров с лучшей коррекцией аберраций и удобным удалением выходного зрачка.