über die vergütung optischer Bauteile

Der Kulturpreis der Deutschen Gesellschaft für Photographie (DGPh) wird jährlich für heraus­ragende Leistungen auf dem Gebiet der Fotografie vergeben. 1966 ging er an einen Wissen­schaftler, ohne dessen Ideen und bahn­brechenden Arbeiten optische Hochleistungsprodukte wie moderne Objektive oder Ferngläser undenkbar wären.

 

Preisträger war der 66-jährige Dr. Alexander Smakula, und gewürdigt wurde seine Methode zur Reflex­minderung an optischen Flächen – entwickelt in den 30-er Jahre bei Carl Zeiss  in Jena.

Inhalt

Das Problem mit den Reflexen

Altes Phänomen

Seit Jahrhunderten werden Glaslinsen zur Bilder­zeugung in optischen Geräten eingesetzt. Immer höhere Anforder­ungen an die Abbild­ungs­leistung und größere Sehfelder erforder­ten im Laufe der Zeit immer mehr Linsen. Da aber jede Glasfläche einen gewissen Teil des Lichtes reflektiert, führte eine Zunahme an optischen Bau­elementen zwangs­läufig zu weniger Licht­durch­lass, das Bild wurde dunkler.

 

Dabei wird das verloren­gegangene Licht nicht einfach „ver­schluckt“ oder absorbiert (das könnte man in der Fotografie durch eine längere Belich­tungs­­zeit ausgleichen), sondern „vaga­bun­diert“ zwischen den optischen Flächen regel­recht hin und her - und ein Teil gelangt letzt­end­lich doch auf den Sensor oder ins Auge des Fernglas-Nutzers. Das führt zu einer zusätzlichen dramatischen Reduzierung des Kontrastes (dunkle Stellen werden durch das Streulicht auf­gehellt) und eine Menge störender Licht­reflexe im Bild.

 

Eine technische Lösung, um diese Reflexe an den Glasflächen zu verhindern - zumindest zu redu­zieren - war daher dringend gefragt 

Die Physik dahinter

Wenn Licht von einem Medium mit Brechzahl n1 in ein anderes Medium mit Brechzahl n2 ein­dringt, wird an der Übergangsschicht ein bestimmter Anteil reflektiert. Der Reflexions-grad R hängt vom Unterschied zwischen den beiden Brechzahlen in folgender Weise ab:

Trifft z.B. ein Lichtstrahl aus der Luft (Brechzahl n1 = 1) auf eine Glasoberfläche mit der Brechzahl n2 = 1,5 ergibt sich ein Reflexionsgrad R = 0,04. Das bedeutet, 4 % des Lichtes wird reflektiert und nur 96 % gelangen ins Glas. Besteht ein System aus sechs Einzel-Linsen (=zwölf Übergänge, da Reflexe an Vorder und Rückseiten auftreten) ergibt sich eine resultierende Licht­trans­mis­sion 

T = 0,96 x ...... x 0,96 = 0,96exp12  = ca. 61 % .

 

Für anspruchsvollere optische Gläser mit höheren Brechzahlen geht die Transmission nochmals dramatisch zurück. 

Erste Lösungsversuche

Die ersten Arbeiten zu diesem Problem  gehen weit ins 19. Jahrhundert zurück. Damals entdeckte man eher zufällig, dass alte Linsen mit verwitterten und korrodierten Oberflächen teilweise eine höhere  Lichttransmission als neue aufwiesen.

 

Denis Taylor, ein englischer Optiker, machte gegen Ende des 19. Jahrhunderts Versuche an Glas­, um diesem Phänomen systematisch auf die Spur zu kommen. Durch Säurebehandlung erzeugte er Veränderungen in den Oberflächen und konnte dadurch wirklich die Transmis­sion von Gläsern erhöhen. Aber letztendlich zerstörte er dadurch die polierten Ober-flächen, machte sie porös und weniger haltbar.

 

Sein Patent, das 1904 erteilt wurde, erlangte nie große praktische Bedeutung. Aber Taylor erkannte und formulierte klar die Bedeutung einer „Übergangs­schicht“ mit veränderter Brechzahl an der Glas­oberfläche und ihren Einfluß auf das Reflexions­verhalten.


Wie funktioniert die Entspiegelung?

Dr. Alexander Smakula, Mitarbeiter bei Carl Zeiss in Jena, griff dieses Thema wieder auf. Sein Ansatz war ein anderer, nämlich eine dünne, transparente „Schicht durch Aufdampfen im Vakuum ohne chemische Änderung der polierten Oberfläche  zusätzlich auf diese aufzu­bringen“.

 

Wenn Licht nun auf diese aufgebrachte Schicht auftrifft, wird ein Teil reflektiert. Der größte Teil des Lichts durchdringt natürlich die trans­­parente Schicht und trifft auf die Glasober­fläche. Hier kommt es wiederum zu einem Reflex, da Schicht und Glas unterschiedliche Brechzahlen besitzen.

 

Zusätzliche Schicht auf Glas führt eigentlich zu zwei Reflexen, die sich aber gegenseitig auslöschen.

 

Eigentlich führte Samkula dadurch eine völlig wider­sinnige und paradoxe Situation herbei: Ohne zusätzliche Schicht erhielt er einen - mit der Schicht aber zwei Reflexe!

Für die Interpretation ist es nun entscheidend, Licht­strahlen als „Wellen“ zu betrachten: Zwei Wellenzüge können sich verstärken, wenn jeweils Wellen­berg auf Wellenberg trifft:

 

Gleichphasig = Verstärkung

 

 

Sie können sich aber auch gegenseitig schwächen oder sogar ganz auslöschen, wenn Wellenberg und Wellental zusammentreffen:

 

Gegenphasig und gleiche Amplitude  = Auslöschung

 

 

Und genau diesen Effekt nutzt Smakula Anfang der 30-er Jahre zur Reflexreduzierung.

 

Im Gegen­satz zu Taylor beschreibt er ihn physikalisch exakt und kann ihn präzise und reproduzierbar umsetzen, ohne die Ober-flächen der Optik­teile zu zerstören.

Die zusätzliche dünne Schicht (mit Brechzahl n1) auf Glas (Brechzahl n2) muß dabei noch
zwei Beding­ungen erfüllen:

 

1. Die Dicke der Schicht muß so beschaffen sein, daß die beiden reflektierten Wellen um eine halbe Wellenlänge versetzt (phasenverschoben) sind: Dann trifft Wellenberg auf Wellental, d.h. die beiden Wellen schwächen sich gegenseitig. Diese Phasenbedingung ist gegeben, wenn die optische Schichtdicke ¼ Licht­wellenlänge entspricht.

2. Zu einer vollständigen Auslöschung der beiden Wellenzüge kommt es, wenn sie exakt gleich groß sind, d.h. die gleiche Amplitude besitzen. Diese Amplitudenbedingung ist dann gegeben, wenn die Brechzahl der Schicht gleich der Quadratwurzel aus der Brechzahl des Glases ist.

Wenn beide Bedingungen erfüllt sind, löschen sich die beiden Reflexe durch Überlagerung (Inter­ferenz) gegen­seitig aus. Und da nach dem Energie­erhaltungs­satz keine Energie verlorengehen kann, strahlt die gesamte Lichtenergie ins Glas hinein. Folge: Die Transmission T wird deutlich erhöht.


Das Patent

Dieses Verfahren mittels aufgedampfter Schicht wurde in der Patentschrift 685767 der Firma Carl Zeiss in Jena  am 1. Nov. 1935 fest­gehalten und am 30. Nov. 1939 veröffentlicht. ZEISS Produkte, die mit dieser  Antireflex-Schicht „vergütet“ sind, trugen danach den Buchstaben „T“. 

T bedeutete „Transmissions-Schicht“. Der Benutzer solcher entspiegelter Optik hatte nicht nur ein helleres Bild, er verriet sich auch weniger durch Reflexe. Bis heute hält sich daher die Ansicht, dass "T" für "Tarnbelag" steht, was aber aufgrund der vorliegenden Dokumente nicht stimmt.

Titelblatt der Patentschrift von 1935. 


Die moderne Mehrfach-Beschichtung am Beispiel ZEISS T*

Oder Mehrfach-Entspiegelung, Mehrfach-Vergütung, Multi-Coating, ... Unterschiedliche Worte für den den gleichen Prozess

Prinzipiell war von Beginn an klar, dass eine einzelne Schicht (single coating) nur Reflexe einer bestimmten Farbe (Wellenlänge) auslöschen kann (und eigentlich auch nur unter einem bestimmten Einfallswinkel, aber darauf soll hier nicht einge­gangen werden). Um eine wirkliche Reflex­reduzierung für alle sichtbaren Farben zu erhalten, wurden daher bei ZEISS ab Ende der 70-er Jahre Mehr­fach­schichten (multi coating) aus etwa sechs Lagen aufgetragen, und diese mit T* gekenn­zeichnet.

 

Bei dem abgebildeten Demonstrator sind sechs Glasscheiben, also 12 Reflexflächen, zu je einem Drittel unbeschichtet, einfach beschichtet (T) und Mehrfachbeschichet (T*). Im unvergüteten Drittel ergibt sich eine Transmission von etwa 60 %, das T-beschichtete Drittel ergibt etwa 80 % und im ZEISS T*-Bereich erhält man über 90 % Lichtdurchlaß:

Im „Auflicht“ zeigen sich Reflex­e. Nur im Bereich der T* Vergütung läßt sich der Untergrund deutlich erkennen, in allen anderen Bereichen ist außer den Spiegelungen  kein Bild zu sehen.

ZEISS T* ist seither ein Markenzeichen für höchste Licht-Transmission bei optischen Geräten aus allen Anwendungsbereichen. Die Schichten werden immer wieder neu entwickelt und an veränderte Glastypen und Anforderungen angepaßt. ZEISS T* steht daher nicht für ein fixes Rezept eines Standard-Schicht­aufbaus, sondern für einen ständig aktualisierten High-Tech Prozeß, um immer wieder höchste Transmissionswerte sicherzustellen. 


Andere "dünne Schichten" bei Ferngläsern

Ein modernes Hochleistungsfernglas wie z.B. das ZEISS Victory 10 x 32 T* FL besteht pro Seite aus 11 Linsen (teilweise verkittet) und Prismen­­system. Beim Durchgang durch das Fernglas passiert das Licht dabei 18 Glas-Luft-Fächen. Es ist leicht nachvollziehbar, daß Metho­den wie das Aufbringen von Entspiegel­ungs­schichten mittler­weile eine Schlüssel­technologie im Optik­bereich bilden.  

 

Im Laufe der Zeit kamen weitere Verfahren hinzu. Da solche optischen Schichten eine Dicke im Bereich von 1/10.000 mm und weniger besitzen, spricht man von „Dünnschicht-Techno­lo­gie“. Sie alle werden - wie die T*-Vergütung  - im Hoch­vakuum aufgedampft, dienen aber unter­schied­lichen Zwecken. Im Fernglasbereich sind dabei folgende drei Entwicklungen von Bedeutung: 

Phasenkorrektur-Belag

Dachkant-Prismen ermöglichen eine sehr schlanke und gerade Bau­form - im Gegensatz zu den breiten Porro-Prismen. Es gibt aber auch einen Nachteil. Beim Durch­gang durch ein Dachkant-Prisma wird das Licht in zwei Hälften aufgeteilt, die das Prisma etwas unterschiedlich durchlaufen. Die Reflexionen im Inneren führen dadurch zu einer Ver­schiebung der Wellen zwischen den beiden Lichtanteilen (Phasenverschiebung), so dass letzt­end­lich ein „Doppelbild“ entsteht.

 

Dieses grund­sätz­liche Problem aller Dachkant-Prismen hat nichts mit mangelnden Fertigung zu tun, sondern mit optischen Vorgängen bei der Total­reflexion.  Durch das Aufbringen eines Phasen­korrekturbelages (bei ZEISS seit ca. 1988) wird dieser Effekt verhindert - und für den Benutzer die Detail-Auflösung bei feinen Strukturen verbessert.

Dielektrische Spiegelschichten

Dachkant-Prismensysteme für Ferngläser findet man heute in zwei Aus­führungen. Das eine System (Abbe-König-System) ist etwas größer und länger, dafür lässt es das Licht praktisch ohne Verlust hindurch. Das zweite System (Schmidt-Pechan) gestattet eine kürzere Bauform, aber durch eine notwendige Spiegelschicht (Metallschicht, z.B. Silber) kommt es zu einem Lichtverlust von etwa 5 %.

 

Aufwendige, sog. dielektrische Spiegel­schichten (dielektrisch = nichtleitend = nicht­metallisch) von teilweise über 70 Lagen ersetzen heute bei teuren Ferngläsern die üblichen Metallspiegel, und ermöglichen so eine hohe Transmission auch bei kompakten Ausmaßen.

Hydrophobe Schichten

Auf die äußeren Linsen hochwertiger Outdoor-Optiken werden heute "hydrophobe" (wasserabweisende) Schichten aufgebracht. Sie nennen sich zum Beispiel AquaDura, Swaroclean, NanoProtect und so weiter. ZEISS nennt sie LotuTec, benannt nach dem selbstreinigenden Effekt der Lotuspflanze.

 

Diese wasserabweisenden Schichten lassen nicht nur Regen­tropfen einfach abperlen, sondern verhindert wirk­sam die Haftung von Schmutz oder Fingerab­drücken an der Oberfläche. Die Reinigung der Optiken - im Outdoor-Bereich immer wieder notwendig -  ist dadurch deutlich schonender und schneller durchführbar.

Dipl-Ing. Walter Schwab


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Zuletzt aktualisiert im Januar 2019.