Die Lichtdiebe
Die Störfaktoren, die Optiknutzer seit der Erfindung von Galileos erstem Teleskop im Jahr 1610 geplagt haben, sind Absorption und Reflexionen, die die Menge des nutzbaren Lichts, das die Augen des Betrachters erreicht, drastisch reduzieren. Jedes optische Element (einzelne Linse, Prisma oder Spiegel) absorbiert zwangsläufig einen Teil des Lichts, das es durchdringt. Weitaus wichtiger ist jedoch die Tatsache, dass ein kleiner Prozentsatz des Lichts von jeder Luft-Glas-Oberfläche reflektiert wird. Bei unbeschichteten Optiken schwankt dieser „Reflexionsverlust“ zwischen 4 und 6 Prozent pro Oberfläche, was nicht allzu schlimm erscheint, bis man bedenkt, dass moderne optische Instrumente zwischen 10 und 16 solcher Oberflächen haben. Das Endergebnis kann ein Lichtverlust von bis zu 50 Prozent sein, was besonders bei schlechten Lichtverhältnissen problematisch ist.
Noch schwerwiegender ist jedoch die Tatsache, dass das reflektierte Licht nicht einfach verschwindet und ein dunkleres Bild zurückbleibt. Stattdessen springt es im Inneren des Instruments ständig von Oberfläche zu Oberfläche, wobei ein Teil des Lichts dieser zweiten, dritten und vierten Reflexion schließlich durch die Austrittspupillen des Instruments in die Augen des Betrachters gelangt. Solches Streulicht wird „Flare“ genannt und ist definiert als „nicht bildgebendes Licht, konzentriert oder diffus, das durch das optische System übertragen wird“. Das Ergebnis ist eine verschleierte Blendung oder Unschärfe, die Bilddetails verdeckt und den Kontrast verringert. Im Extremfall kann es sogar zu Geisterbildern kommen. Ein extremes Beispiel wäre, wenn Sie versuchen würden, Wild auf der Schattenseite eines niedrigen Bergrückens zu beobachten, während helles Sonnenlicht über die Oberseite und in die Objektivlinse des Instruments strömt. (Schauen Sie niemals direkt in die Sonne, weder mit noch ohne Optik, da dies zu schweren Augenschäden führen kann.)
Einschichtige Antireflexionsbeschichtungen
Die lang erwartete Lösung für das Problem des Verlusts von reflektierendem Licht kam Mitte der 1930er Jahre, als Alexandar Smakula, ein Ingenieur von Carl Zeiss, das „nicht reflektierende Linsenbeschichtungssystem von Zeiss“ (heute Antireflexions- oder AR-Beschichtungen genannt) entwickelte und patentierte wurde als „die wichtigste Entwicklung des Jahrhunderts in der optischen Wissenschaft“ gefeiert. Bald darauf beschleunigten die militärischen Bedürfnisse des Zweiten Weltkriegs die Entwicklung der Beschichtung, die sowohl von den Alliierten als auch den Achsenmächten in optischen Instrumenten verwendet wurde, die von Feldstechern (Ferngläsern) bis hin zu Bombenzielgeräten reichten.
Die Theorie hinter AR-Beschichtungen (siehe Abbildung unten) ist ein sehr kompliziertes wissenschaftliches Konzept. Bei der Anwendung besteht es aus einem transparenten Film, normalerweise aus Magnesiumfluorid MgF2, mit einer Dicke von einem Viertel einer Lichtwellenlänge (etwa sechs Millionstel Zoll), der durch molekularen Beschuss auf einer sauberen Glasoberfläche abgeschieden wird. Die Entwicklung einer Methode zum Aufbringen solch mikroskopisch dünner Filme, die in Vakuumkammern erfolgt, war ein großer technologischer Erfolg. Diese einlagigen Antireflexionsbeschichtungen reduzierten den Reflexionslichtverlust von 4 bis 6 Prozent bei unbeschichteten Oberflächen auf etwa 1,5 bis 2 Prozent bei beschichteten Oberflächen und erhöhten so die Gesamtlichtdurchlässigkeit für vollständig beschichtete Instrumente um etwa 70 Prozent. Angesichts der damit einhergehenden Verringerung des bildverschlechternden Streulichts war dies eine bemerkenswerte Verbesserung.
Mehrschichtige Antireflexbeschichtungen
Ein großer Nachteil einschichtiger Beschichtungen, die immer noch weit verbreitet sind, besteht darin, dass sie nur bei einer bestimmten Wellenlänge (Farbe) des Lichts einwandfrei funktionieren, wenn die Dicke der Beschichtung einem Viertel der Wellenlänge entspricht. Dieser Mangel führte schließlich zur Entwicklung mehrschichtiger Breitbandbeschichtungen, die den Reflexionslichtverlust über einen weiten Wellenlängenbereich effizient reduzieren können. Die besten Mehrschichtbeschichtungen von heute können den Reflexionslichtverlust an jeder Luft-Glas-Oberfläche auf nur zwei Zehntel Prozent reduzieren.
Meine Einführung in die Mehrschichtvergütung erfolgte 1971, als Pentax begann, die „Super-Mehrschichtvergütung“ bei Kameraobjektiven einzusetzen, wodurch Streulicht und Geisterbilder beim Fotografieren von Motiven mit hellem Gegenlicht nahezu eliminiert wurden. Die Hersteller von Sportoptiken kamen etwas langsam auf den Zug, und erst 1979 führte Carl Zeiss seine „T*“-Mehrschichtvergütung ein, die die Lichtdurchlässigkeit der Zeiss-Ferngläser auf etwas über 90 Prozent steigerte und gleichzeitig den Bildkontrast verbesserte. Der Grund dafür, dass es von den ersten einschichtigen Beschichtungen zu den heutigen mehrschichtigen Breitbandbeschichtungen so lange gedauert hat, liegt darin, dass letztere, obwohl sie auf den gleichen wissenschaftlichen Prinzipien basieren, unglaublich kompliziert sind und mehrere dünne Schichten verschiedener Fluoride, Oxide, Dioxide usw. umfassen. usw. Wie zu erwarten ist, spielen Computer eine wichtige Rolle bei der Formulierung und Anwendung solcher Beschichtungen.
Obwohl sich die Gesamtlichtdurchlässigkeit weiterhin leicht verbessert, liegen die mir derzeit bekannten höchsten Werte bei etwa 92 Prozent bei Ferngläsern und 95 Prozent bei Zielfernrohren, was deutlich über den Durchschnittswerten für solche Instrumente liegt. Der Hauptgrund dafür, dass Zielfernrohre tendenziell eine etwas bessere Lichtdurchlässigkeit haben als Ferngläser, liegt darin, dass sie zur Bildaufrichtung einfache Umkehrlinsen anstelle komplizierter Prismen verwenden.
Ebenso weisen Porro-Prismen-Ferngläser tendenziell eine bessere Lichtdurchlässigkeit auf als Dachkant-Ferngläser mit ähnlicher optischer Qualität. Bemerkenswerte Ausnahmen bilden die Ferngläser von Carl Zeiss, die Abbe-Koenig-Dachprismen anstelle der weit verbreiteten Dachprismen vom Pechan-Typ verwenden, die eine verspiegelte (normalerweise aluminisierte oder versilberte) Oberfläche haben, bei der zwischen 4 und 6 Prozent des verfügbaren Lichts verloren gehen Betrachtung. (In einem Prozess, der „totale innere Reflexion“ genannt wird, werden Porro-Prismen und Abbe-Koenig-Dachprismen zu 100 Prozent auf allen Innenflächen reflektiert, ohne dass sie beschichtet sind.) Die Lösung einiger führender Hersteller für das Pechan-Prismen-Problem sind spezielle Multi-Prismen. Schicht reflektierende Beschichtungen, die eine Reflexion von 99,5 Prozent auf den verspiegelten Oberflächen erreichen.
Der Vorbehalt hier ist, dass man sich bei der Suche nach ein paar zusätzlichen Prozentpunkten Lichtdurchlässigkeit nicht zu sehr mitreißen lassen sollte. Bedenken Sie zum Beispiel, dass eine 5-prozentige Steigerung der Lichtdurchlässigkeit in einem optischen Hochleistungsinstrument ungefähr einer Steigerung der Mündungsgeschwindigkeit um 150 fps in einem .300-Magnum-Gewehr entspricht – Sie werden den Unterschied nie bemerken.
Wird es in der Sportoptik jemals eine 100-prozentige Lichtdurchlässigkeit geben? Man sollte niemals „nie“ sagen, aber abgesehen von der Änderung der Gesetze der Physik lautet die Antwort mit ziemlicher Sicherheit „Nein“!
Streichfarben
Viele glauben, dass die Qualität von AR-Beschichtungen durch die Farbe des von den Oberflächen reflektierten Lichts bestimmt werden kann. Vielleicht, aber um dies mit einiger Sicherheit zu tun, ist beträchtliche Fachkenntnis erforderlich. Die sichtbare Farbe ist nicht die des Beschichtungsmaterials selbst, das farblos ist, sondern die reflektierende Farbe oder kombinierte reflektierende Farben der Lichtwellenlängen, für die die Beschichtung am wenigsten wirksam ist. Beispielsweise erzeugt eine Beschichtung, die im roten und blauen Wellenlängenbereich am effektivsten ist, eine grüne Reflexion. Wenn umgekehrt die Beschichtung im grünen Wellenlängenbereich am effektivsten ist, erfolgt die Reflexion in einer Kombination aus Rot und Blau, beispielsweise Magenta. Die von einschichtigen Beschichtungen aus Magnesiumfluorid ausgehenden Reflexionen reichen in der Regel von blassblau bis dunkelviolett. Während die von den neuesten Mehrschichtbeschichtungen reflektierten Farben nahezu jede Farbe des Regenbogens annehmen können und auf verschiedenen optischen Oberflächen im gesamten System unterschiedliche Farben sichtbar sind, weist eine helle weiße (farblose) Reflexion normalerweise auf eine unbeschichtete Oberfläche hin.
Obwohl unwissenschaftlich, ist der folgende Do-it-yourself-Test zur Bewertung von AR-Beschichtungen sowohl lehrreich als auch informativ. Das einzige Werkzeug, das benötigt wird, ist eine kleine Taschenlampe oder, falls diese nicht vorhanden ist, eine Deckenlampe. Der Trick besteht darin, das Licht in die Objektivlinse des Instruments zu richten, sodass Sie beim Blick entlang des Strahls Bilder des Lichts sehen können, das von den verschiedenen Luft-Glas-Oberflächen im Instrument reflektiert wird. (Hinweis: Die Reflexion kommt sowohl von der nahen als auch von der fernen Seite von Linsen und Prismen.) Basierend auf den oben genannten Informationen zur Farbe erhalten Sie nun eine Vorstellung davon, welche Arten von Beschichtungen verwendet werden und, was noch wichtiger ist, ob welche vorhanden sind Oberflächen sind unbeschichtet.
Andere Arten von Beschichtungen
Da mir der Platz für eine ausführliche Behandlung der anderen Arten optischer Beschichtungen fehlt, biete ich die folgenden kurzen Zusammenfassungen an.
Phasenkorrekturbeschichtungen (P):Die von Carl Zeiss (wer sonst?) entwickelte und 1988 als „P-Beschichtung“ eingeführte Phasenkorrekturbeschichtung ist nach der Antireflexionsbeschichtung in Dachprisma-Instrumenten an zweiter Stelle. Das Problem (das bei Porro-Prismen nicht existiert) besteht darin, dass Lichtwellen, die von gegenüberliegenden Dachflächen reflektiert werden, elliptisch polarisiert werden, sodass sie um eine halbe Wellenlänge phasenverschoben sind. Dies führt zu destruktiver Interferenz und einer anschließenden Verschlechterung der Bildqualität. Die P-Beschichtungen beheben das Problem, indem sie die zerstörerischen Phasenverschiebungen beseitigen.
Reflexionsbeschichtungen:Diese spiegelähnlichen Beschichtungen, deren Wirksamkeit häufig auf konstruktiver Interferenz beruht, werden in der Sportoptik häufiger eingesetzt, als man denkt. Beispiele hierfür sind: die meisten Laser-Entfernungsmesser und die wenigen Zielfernrohre, die Strahlteiler verwenden; Rotpunktvisiere, bei denen eine wellenlängenspezifische Beschichtung verwendet wird, um das Bild des Punkts zurück zum Auge des Schützen zu reflektieren; und, wie bereits erwähnt, in Dachprismeninstrumenten mit Pechan-Prismen.
Hydrophobe (wasserabweisende) Beschichtungen:Der Archetyp einer wasserabweisenden Beschichtung ist die Rainguard-Beschichtung von Bushnell, die Wasser abweist und dem Beschlagen von außen widersteht. Ich habe die Rainguard-Beschichtung ausgiebig in kalten Klimazonen getestet, wo versehentliches Atmen auf die Okularlinse eines Zielfernrohrs die Sicht auf das Ziel beeinträchtigt hätte. Das Ergebnis war, dass ich Ziele immer noch gut genug sehen konnte, um zu schießen, selbst wenn ich absichtlich sowohl auf die Objektiv- als auch auf die Okularlinsen gehauen habe, wodurch diese entweder beschlagen oder zugefroren waren.
Abriebfeste Beschichtungen:Ein anhaltender Nachteil mancher Antireflexionsbeschichtungen besteht darin, dass sie dazu neigen, weich zu sein und daher leicht zu zerkratzen. Glücklicherweise verbessern die heutigen „robusten“ Beschichtungen die Haltbarkeit von Outdoor-Optiken, von Brillen bis hin zu Zielfernrohren, erheblich, auch wenn sie noch nicht überall verwendet werden. Die mit Abstand härteste Beschichtung, die ich getestet habe, befindet sich auf den T-plattierten äußeren Linsenoberflächen der Black Diamond 30-mm-Titan-Zielfernrohre von Burris. Selbst mit der Schneide eines messerscharfen Taschenmessers konnte ich es nicht zerkratzen. Letzteres wird nicht empfohlen.
Beschichtungsbezeichnungen
Die folgenden Begriffe werden von Optikherstellern häufig verwendet, um den Umfang zu beschreiben, in dem ihre Instrumente durch AR-Beschichtungen geschützt sind.
Beschichtete Optik (C) bedeutet, dass eine oder mehrere Oberflächen einer oder mehrerer Linsen beschichtet wurden.
Vollständig beschichtet (FC) bedeutet, dass alle Luft-Glas-Oberflächen mindestens eine einzige Schicht Antireflexionsbeschichtung erhalten haben, was gut ist.
Multicoated (MC) bedeutet, dass eine oder mehrere Oberflächen einer oder mehrerer Linsen eine AR-Beschichtung erhalten haben, die aus zwei oder mehr Schichten besteht. Bei seriösen Herstellern impliziert diese Bezeichnung in der Regel, dass eine oder beide der äußeren Linsenoberflächen mehrfach beschichtet sind und dass die inneren Oberflächen wahrscheinlich einschichtige Beschichtungen aufweisen.
Vollständig mehrfach beschichtet (FMC) bedeutet, dass alle Luft-Glas-Oberflächen mehrschichtige Antireflexbeschichtungen erhalten haben sollten, was am besten ist.
Leider sind nicht alle AR-Beschichtungen eines bestimmten Typs gleich und einige können sogar gefälscht sein. So schön sie auch aussehen, ich bin sehr skeptisch, was den Wert der sogenannten „Rubin“-Beschichtungen angeht, die eine blendende Menge an rotem Licht reflektieren und die betrachteten Objekte gespenstisch grün erscheinen lassen. Wenn führende Hersteller wie Carl Zeiss, Leica, Nikon und Swarovski anfangen, Rubin- oder andere ausgefallene Beschichtungen zu verwenden, fange ich an, an sie zu glauben. Die erste Verteidigungsmaßnahme gegen minderwertige und gefälschte Beschichtungen besteht darin, bei einem Hersteller zu kaufen, der nachweislich ehrlich ist. Das heißt nicht, dass selbst die besten Unternehmen davor zurückschrecken, ihre proprietäre Beschichtung zu übertreiben. Normalerweise sind es die Werbeleute, die sich mitreißen lassen.