Một trong những điểm đặc biệt thu hút của một chiếc lens tốt là lớp coating đầy màu sắc. Lớp tráng phủ siêu mỏng (chỉ vài phần triệu inch) này chắc chắn thu hút, nhưng liệu chúng có thực dụng? Trước năm 1941, rất ít ống kính được tráng phủ, và những hệ thống quang học đó vẫn hoạt động tốt. Tuy nhiên, “tốt” ở đây cần được hiểu tương đối. Nếu không có chúng, những chiếc ống kính của bạn sẽ chẳng được như bây giờ, việc chế tạo ra các lens đạt được chất lượng quang học tuyệt vời như Leica, Sigma, Nikon, Sony, Zeiss… là bất khả thi.
Hãy bắt đầu với vấn đề: khi ánh sáng đi qua không khí gặp một môi trường trong suốt khác, nó vừa bị bẻ cong (khúc xạ) vừa bị bật lại (phản xạ). Sự khúc xạ ánh sáng chính là công dụng của ống kính máy ảnh – đó là cách ống kính tạo ra hình ảnh. Thử đổ đầy nước vào ly và nhúng thìa vào. Sau đó nhìn ly từ bên cạnh và quan sát phần thìa tiếp xúc với nước, bạn sẽ thấy các tia sáng bị biến sắc, gấp gãy, đó là điểm khúc xạ.
Nhưng nhìn từ trên xuống, bạn sẽ thấy nước cũng phản xạ một phần ánh sáng, chẳng hạn như ánh đèn huỳnh quang trên trần nhà. Nước sạch trong suốt là thế, nhưng nó vẫn phản xạ một lượng ánh sáng nhất định. Thủy tinh trong ống kính máy ảnh của bạn cũng tương tự, thường phản xạ 3-4% bất kỳ ánh sáng nào chiếu tới. Khi một tia sáng đi qua mặt sau của hệ thống quang học, theo nguyên lý vật lý tương tự, bạn lại mất thêm ánh sáng do phản xạ.
Đối với một lens đơn giản (lens mắt kính chẳng hạn), tổng lượng ánh sáng bị mất do phản xạ có thể khoảng 7%, nghĩa là khoảng 93% ánh sáng thực sự đi qua hệ thống quang học. Điều này không quá đáng kể.
Khoảng 180 năm trước, Joseph Petzval đã tạo ra một ống kính máy ảnh rất thành công với 4 thành phần thấu kính, đây là một phát minh vĩ đại cho nghành nhiếp ảnh. Điều này mở ra một xu hướng mới, vì nhiều thấu kính thường đồng nghĩa với ống kính nhanh hơn, sắc nét hơn. Tuy nhiên cũng tối hơn. Hãy thử xem xét tác động của mất sáng phản xạ đối với một hệ thống quang học bốn thành phần. Tỷ lệ ánh sáng truyền qua sẽ là 0,93 x 0,93 x 0,93 x 0,93 = 75%.
Ống kính zoom ngày nay có thể có 10 đến 20 thành phần kính, và nếu không có lớp phủ, chỉ 48% ánh sáng sẽ đi qua cảm biến của bạn – mất hơn một f/stop. Như vậy, càng nhiều thành phần kính thì càng mất sáng nhiều hơn.
Ngoài ra, còn một vấn đề nữa. Hầu hết 7% ánh sáng phản xạ từ mỗi thành phần cuối cùng sẽ thoát ra khỏi mặt sau của ống kính và làm mờ cảm biến. Màu đen không còn là màu đen thực sự, độ tương phản và dynamic range cũng không đạt được mức tốt, tương phản bị tuột.
Nếu không có lớp tráng phủ hỗ trợ giảm thiểu phản xạ tại bề mặt kính-không khí, ống kính hiện đại sẽ không thực dụng. Quang học đa thành phần, độ phân giải cao sẽ chỉ là một giấc mơ không thể với tới.
Nhưng lớp tráng phủ hoạt động như thế nào?
Năm 1935, nhà vật lý người Ukraine Alexander Smakula thuộc công ty Zeiss đã phát minh ra lớp phủ chống phản xạ đầu tiên trên thế giới. Phát minh này quan trọng đến mức trở thành bí mật quân sự của Đức. Phe Đồng Minh chỉ phát hiện ra bí mật này vào đầu Thế chiến II, và nhờ đó, kiến thức về lớp phủ chống phản xạ ống kính nhanh chóng lan rộng toàn thế giới.
Chắc hẳn bạn đã từng nghe về quang học Zeiss T*. Chữ “T” là viết tắt của “transparency” (trong suốt), ám chỉ lớp phủ chống phản xạ được sử dụng trong ống kính của họ, mang lại độ trong suốt quang học vượt trội.
Các lớp phủ thường được làm bằng magie florua, chất liệu có chiết suất khúc xạ 1.38, trong suốt và có thể được phủ lên thấu kính dưới dạng lớp mỏng sau khi nung nóng bay hơi trong lò nung. Độ dày của lớp phủ này được kiểm soát chi tiết, đạt tới độ chính xác một phần tư bước sóng ánh sáng. Magie florua đủ cứng để chịu đựng các tác động thường ngày và việc vệ sinh ống kính. Mặc dù không phải là chất liệu duy nhất, nhưng nó có lẽ phổ biến nhất trong sản xuất lớp phủ ống kính. Chúng cũng phải có độ khúc xạ trung gian giữa kính và không khí.
Hãy tưởng tượng một tia sáng chiếu vào một ống kính tráng phủ. Một phần ánh sáng đó bị phản xạ từ lớp phủ, và phần khác bị phản xạ từ kính bên dưới lớp phủ (vì lớp phủ và kính có độ khúc xạ khác nhau). Tuy nhiên, tia sáng chịu phản xạ thứ hai đi xa hơn: đi vào thêm 1/4 bước sóng và đi ra thêm 1/4 bước sóng.
Tổng chiều dài đường dẫn bổ sung từ phản xạ thứ hai so với phản xạ thứ nhất là 1/2 bước sóng. Điều này tạo ra sự khác biệt 180 độ, và hai tia sáng triệt tiêu lẫn nhau! Điều này loại bỏ mất phản xạ, nhưng nó chỉ hiệu quả với một bước sóng cụ thể.
Tuy nhiên, các lớp phủ bổ sung có thể giải quyết vấn đề cho các màu khác, và ống kính tráng phủ đa lớp tốt nhất có thể giảm phản xạ xuống dưới 1% cho toàn bộ dải màu, từ đỏ đậm đến xanh đậm.
Lớp tráng phủ không chỉ đẹp mà còn thực sự hữu dụng. Chúng là yếu tố then chốt giúp ống kính hiện đại trở nên khả thi. Nhưng trong một bài viết khác, chúng ta sẽ thảo luận về một số công nghệ mới có thể khiến lớp tráng phủ truyền thống trở nên lỗi thời giống như bột đèn flash.