Revestimientos ópticos

Siempre que contemos con una superficie óptica en contacto con el medio aéreo, cualquier lente dejará pasar la mayor parte de la luz, pero reflejará otra parte más pequeña. Cuando se suman numerosos elementos dentro de un bloque óptico, sus reflexiones pueden representar una pérdida de transmitancia de la luz bastante considerable.

Durante la primera mitad del siglo XX, todos los diseños ópticos –incluyendo aquellos para objetivos cinematográficos– tenían que ser relativamente simples (empleando un máximo de hasta cinco elementos). La causa de esta limitación era la inexistencia de revestimientos anti-reflejo.

Óptica de cine Cooke Series IIa, f/3.5 de 1914
Óptica de cine Cooke Series IIa, f/3.5 de 1914

En una óptica que contuviera cinco elementos –es decir, diez superficies reflectantes– cada una podía perder de media un cinco por ciento de la luz original que entrara en el bloque. Un objetivo 50mm f/2,8 de cinco elementos podía perder hasta un 50% de su luminosidad, lo que representaba en la práctica un valor de T3.8.

Óptica zoom de cine Angénieux Optimo DP 25-250mm T3.5
Óptica zoom de cine Angénieux Optimo DP 25-250mm T3.5

En la actualidad, gran parte de las ópticas de cine (tanto fijas, como zoom) contienen veinte o más elementos. Los filtros anti-reflejos se comenzaron a desarrollar en 1936 y empezaron a aplicarse en objetivos cinematográficos en la década de los cuarenta. Con el paso de los años, se desarrollaron avances muy significativos en este campo, con propiedades diferenciadoras en el contraste, el color, las «imágenes fantasma» y el aspecto general.

Hoy en día podemos asegurar que los sensores de las cámaras de cine equivalen al uso de diferentes emulsiones fotoquímicas. A pesar de sus diferentes características en lo relativo al rango dinámico, al rendimiento cromático, a las curvas de gamma, los valores de ISO y las curvas logarítmicas aplicables a la imagen, el aspecto general no deja de ser similar en las diferentes cámaras de gamas más o menos equivalentes (siempre que hayamos expuesto de forma correcta). En particular tras someter dichas imágenes al proceso de etalonaje.

La búsqueda de una manera de diferenciarse ha llegado hasta el extremo de emplear ópticas muy antiguas con menor número de revestimientos (o sin ellos) para lograr un aspecto único. Entramos de lleno en una cuestión de gustos que excede con mucho la intención de este artículo, pero la física y las matemáticas no están sujetas a las opiniones. Todos esos objetivos no fueron diseñados para la resolución y prestaciones de los captores de imagen que usamos hoy en día. Las imágenes que obtenemos con esa combinación son planas, están llenas de reflejos internos incontrolables (en partes del cuadro que no podemos decidir) y representan una pérdida de luminosidad considerable. Más de medio siglo de avances en la ciencia de la óptica se tiran a la basura en nombre de múltiples modas injustificables (1) . Resulta mucho más práctico el empleo de filtros de bajo contraste, fog, promist o de difusión para conseguir esos “efectos” sin renunciar a la calidad de la imagen que tantos diseñadores e ingenieros han luchado por alcanzar.

Efecto de un filtro Tiffen Pro Mist 1/8 en la imagen obtenida con una óptica de 85mm
Efecto de un filtro Tiffen Pro Mist 1/8 en la imagen obtenida con una óptica de 85mm

Un revestimiento no es otra cosa que una fina película de un material transparente que se adhiere a la superficie de un elemento óptico y que provoca un fenómeno de interferencia para reducir la reflexión e incrementar la transmitancia. Muchos revestimientos se aplican a los objetivos por medio de grandes cámaras de vacío denominadas “campanas de cristal”. Los materiales tradicionales que componen el revestimiento (como el fluoruro de magnesio, MgF2) se calientan mediante un haz de electrones situado al fondo de la campana. Dicho haz evapora los materiales citados que se desplazan en el vacío hasta depositarse en la superficie del elemento óptico. Para controlar este proceso se verifica la reflectancia de tal superficie. En el momento en que se alcance el valor mínimo posible de reflectancia se detiene el proceso.

Grupo de lentes a las que se han aplicado revestimientos
Grupo de lentes a las que se han aplicado revestimientos

Considerando ng como la separación entre el vidrio óptico y el aire, la luz incidente ortogonal se refleja con la siguiente reflectancia:

r = (ng -1 / ng + 1)2

En la superficie de cada elemento se produce entre un 4% y un 10% de la reflexión total (lo que implicaría una pérdida de luz muy importante en un objetivo zoom)  así como multiples reflejos internos e «imágenes fantasma«.

Siendo ng el índice de refracción de un elemento de vidrio óptico, n el índice de refracción del material de revestimiento y d el espesor de dicho revestimiento, las condiciones bajo las cuales se evita la reflexión mediante la aplicación de un revestimiento simple (de una única capa) son:

n = √ ng (condición de amplitud)

n x d = λ / 4 (condición de fase)

Los revestimientos multicapa evitan la reflexión de forma más eficiente que los de una capa única. Se obtienen mediante la evaporación en la campana de cristal de diferentes materiales en una secuencia alternativa. Los revestimientos dicroicos, por su parte, se crean de igual manera, pero contienen más capas que los revestimientos antireflexión y su proceso de adherencia resulta más complejo.

El gráfico representa la reflectancia de la superficie de una lente con un revestimiento anti-reflectante convencional a diferentes frecuencias del espectro. Nótese como la línea roja -que representa la reflectancia en los bordes de una lente fuertemente curvada indica un incremento severo de la reflectancia a partir de los 580 nanómetros

El gráfico representa la reflectancia de la superficie de una lente con un revestimiento anti-reflectante multicapa T* XP –perteneciente a una óptica fija ARRI/Zeiss Master Prime– a diferentes frecuencias del espectro. Nótese como la línea roja –que representa la reflectancia en los bordes de una lente fuertemente curvada– se mantiene muy próxima en todo momento a la línea amarilla, que representa la reflectancia en el centro de la lente

En la actualidad se aplican con cierta frecuencia revestimientos de nanoestructuras, que emplean óxido de aluminio (Al2 O3) como material para alinear un número altísimo de las citadas nanoestrusturas en forma de cuña de tan sólo 220 nanómetros de altura (más pequeñas que las longitudes de onda del espectro visible) en la superficie de la lente.

Gráfico explicativo del funcionamiento de un revestimiento de óxido de aluminio
Gráfico explicativo del funcionamiento de un revestimiento de óxido de aluminio

Semejante tipo de revestimientos proporcionan una transición muy suave entre los índices de refracción del vidrio óptico y del aire, eliminando virtualmente las diferencias entre ellos. La luz reflejada puede limitarse al entorno de un 0,05% de la que se transmite. Sus excelentes propiedades de prevención de la reflexión superan a aquellas de los revestimientos tradicionales incluso en el caso de la luz con un ángulo de incidencia particularmente elevado.


(1) En efecto, podríamos aducir que algunos “filtros vintage” de Instagram ha hecho mucho daño, pero -como ha ocurrido constantemente a lo largo de la Historia- las herramientas no son “culpables” de nada, sino que es el uso que de ellas se hace el que llega a extremos risibles. Horteras han existido desde el principio de los tiempos y es necesario que así sea para que el paso de los años ponga a cada cual en su lugar. En el último lustro hemos sido testigos del abuso desproporcionado de técnicas como el HDR, el time-lapse o la cámara lenta por citar sólo unas pocas. Ninguna de ellas es un descubrimiento reciente y ninguna de ellas tiene nada de malo -aplicadas en su justa medida. Es el exceso lo que satura al espectador y le hace abominar de lo que podría resultar útil e interesante cuando se usa con criterio y mesura. Si esperamos el tiempo suficiente, es probable que las ópticas de última generación sin apenas reflexiones internas, con gran resolución, ausencia de respiración, multi-revestimientos y más de veinte elementos se pongan “de moda”. Quién sabe.

       

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