Porque las lentes se ven de color?

¿Por qué los lentes recubiertas parecen púrpuras (o azul, verde o el color que sea)?

En primer lugar, vamos a hablar sobre este mal concepto. No tienen color realmente.

La capa de la lente no tiene color. Se trata de un material claro como el agua en todo el espectro visible. Sólo tiene 2 características significativas que lo hacen parecer de color:

(1) El índice de refracción, y
(2) El Grosor.

Para entender por qué las lentes recubiertas se ven de color, tienes que entender cómo funcionan.

Como se produce un reflejo

El propósito de recubrimiento en una lente es reducir los reflejos de la superficie de la lente. La luz se refleja, debido a que la superficie del vidrio tiene un índice de refracción diferente al del aire, y la reflexión se forma en esta zona de diferentes índices de refracción. Cualquiera ha visto su imagen reflejada en un vidrio.

La Luz (para el propósito de esta discusión) se comporta como una onda: cuando una onda de luz incide sobre la superficie de vidrio, algunas rebotan como un reflejo – el rayo reflejado tiene las mismas características de las ondas del rayo incidente, sólo se mueve en la dirección opuesta.

Reflexión de una onda en un vidrio. El haz incidente es celeste, el reflejado verde.

Esta reflexión no tiene color aparente, porque refleja todas las longitudes de onda por igual y tiene una apariencia grisácea o plateada.

Interferencia

Debido a que la reflexión esta hecha por ondas, tiene una característica importante: puede ser anulada por otra onda, siempre y cuando esa otra onda sea exactamente igual a la otra pero con fase opuesta. Parece muy complicado, pero se puede lograr! Se denomina Interferencia destructiva.

En el gráfico abajo, se puede ver que una segunda onda espaciada 1/2 longitud de onda fuera de fase, tendría su punto más alto alineado con el punto más bajo de la onda que produjo el reflejo, y si esto hace que las dos ondas se anulan entre sí.

Resulta que podemos hacer que esto suceda. de la siguiente manera:

Si “simplemente” colocamos una segunda reflexión (el tratamiento anti reflejo), podemos hacerlo, pero deben estar espaciada del vidrio 1/4 de longitud de onda de la luz incidente. Con ello, los dos reflejos al encontrarse se interferirán.

La reflexión en un vidrio con capa antireflejo (en gris, de 1/4 L). Hay una primera reflexión en la capa antireflejo (naranja) y otra en el vidrio (verde). Estas dos ondas se anulan entre ellas en el punto de interferencia. 

Por este motivo, a estos recubrimientos antirreflectantes a veces se los denomina “revestimientos de cuarto de onda”.

Y el índice de refracción?

Recuerda, sin embargo, que la reflexión se produce cuando hay una diferencia en el índice de refracción de un material al siguiente.

Por ello, no se puede poner cualquier material de revestimiento, y si la segunda capa tiene el mismo índice de refracción que el vidrio (alrededor de 1,6), habrá reflexión de la capa, no del vidrio, y no habrá ningún efecto anti-reflectante, la lente se comportará como si estuviera sin recubrir.

Del mismo modo, si el revestimiento tiene el índice de refracción del aire (1,0), no habrá efecto alguno,  y nuevamente parecería que la lente esta sin ningún recubrimiento.

Corte de un ocular Nagler 2. 8 lentes tratadas.

Con el fin de hacer que los reflejos del vidrio y de la capa sean iguales, de modo que puedan anularse entre sí, el índice de refracción del revestimiento debería estar aproximadamente a medio camino entre la del vidrio y el aire, de manera que la diferencia en cada interfaz será igual.

El material de revestimiento perfecto debería por lo tanto tener un índice de refracción de aproximadamente 1,3. El material más comúnmente usado para este propósito, fluoruro de magnesio, tiene un índice de refracción de aproximadamente 1,37 – no es un mal compromiso, teniendo en cuenta que ofrece propiedades deseables durabilidad, tanto al contacto como a las condiciones climáticas.

¿por qué el color?

Como se puede ver en el diagrama anterior, para cualquier longitud de onda determinada del espectro (color), debe ser posible obtener casi el 100% de cancelación de reflexiones por medio de la aplicación de una capa de 1/4 de longitud de onda de grosor de fluoruro de magnesio a la superficie del vidrio.

Pero el truco es, 1/4 de que color? La luz visible esta compuesta por muchas longitudes de onda diferentes, que van desde el azul-violeta (una longitud de onda 400 nanómetros -nm), hasta el rojo de 700 nm.

El fabricante solo debe elegir el espesor del recubrimiento, para obtener el color. Típicamente, se elige una longitud de onda que está cerca del centro del espectro visible (amarillo-verdoso, que nuestros ojos son mas mas sensibles), por lo que los efectos beneficiosos del revestimiento serán distribuidos lo más uniformemente sobre el intervalo visible como sea posible. El espectro visible va de 400 a 700nm, por lo que la longitud de onda generalmente elegida, esta en las proximidades de 550 nm.

Arriba, la longitud de onda versus el color. O sea, una longitud de onda de por ejemplo,  570 nm, corresponde al color amarillo. Abajo: la longitud de onda versus el color del reflejo. Aquí, una transmisión de 570 nm, el reflejo se ve color azul.

Como se puede ver en el gráfico arriba, el centro matemático del espectro visible, 550 nm, corresponde a un color de la gama de color amarillo-verde. Un revestimiento de espesor 137,5nm (550 dividido por 4) eliminaría virtualmente cualquier reflexión de este color de la superficie de la lente. También reduce las reflexiones de otras longitudes de onda, pero la eficiencia de su efecto sera cada vez peor al alejarse de la longitud de onda central de de 550 nm.

El resultado neto es que se logra el objetivo de suprimir los reflejos, pero no se alcanza por igual para todos los colores.

Por ello vemos los colores del anti reflejo: como no se refleja casi nada del amarillo-verde, pero si lo otros colores, el resultado final es que veo el reflejo color azul-violeta.

Seria aproximadamente el color complementario. El que mejor se vera, es el complemento del color del reflejo.

Aproximadamente es:

Reflejo de la lente     Maxima transmision

violeta                 amarillo-verdoso
rojo                    verde-azul claro
                     
Es fácil determinarlo con el gráfico.

Los colores

Si las lentes están recubiertas de color púrpura, ¿porque mis fotos no tienen un tinte púrpura?

En realidad, van a tener un ligero tinte de color amarillo-verde, que es la luz extra que no fue reflejada y pasa a través de la película anti reflejo.

Pero no es mucho – el vidrio sólo refleja aproximadamente entre el 4% y el 8% de la luz de cada superficie, para empezar, y el recubrimiento tiene algún efecto en todas las longitudes – así que el anti reflejo mejora un par de puntos porcentuales. De hecho un buen antireflejo puede bajar la reflexión de la luz hasta 1%.

Son valores porcentuales tan bajos, que No hay efectos visuales notables por ello.

Las lentes tienen al menos dos superficies reflectantes, el frente y la parte posterior. En lentes utilizadas para fotografía práctica o en oculares de alta calidad, generalmente hay al menos seis, y puede haber 18 o más en gran angulares o zoom.

Cada superficie presenta una oportunidad para ajustar el efecto de color de la capa: Si son, por ejemplo, seis superficies para revestir, el diseñador puede especificar seis ligeramente diferentes espesores de recubrimiento, cada uno correspondiente a un punto diferente en el espectro. Si una superficie transmite un poco más de color amarillo-verde, otro un poco más azul-verde, un tercio un poco de naranja extra y así sucesivamente, la lente total puede ser equilibrada para pasar un color bastante neutro.

Por esta razón, en algunos objetivos, verás una serie de reflexiones en diferentes colores: cada capa de recubrimiento es el mismo material de fluoruro de magnesio, cada uno es una sola capa, pero cada uno es un espesor ligeramente diferente, que corresponde a un color diferente en el espectro visible, para optimizar el equilibrio.

Corte de un zoom Canon 24 – 105 mm. 18 lentes…..

No todos los diseñadores hacen esto – Algunos pensaron que era mejor para optimizar toda la lente en el centro del espectro para la mejor eficiencia global y sus objetivos tienden a tener un color azul-violeta uniforme en todas las superficies.

Si no existieran los recubrimientos anti reflejo, las lentes complejas serian sumamente ineficientes. Puedes hacer este calculo (aunque no es lineal!): 4% de reflexion del vidrio común. Si tienes 8 lentes, cuanto llegara al ojo o sensor CCD/ CMOs?