Phase Fresnel-lens

De Phase Fresnel-lens (spr.uit Frey-nel) in teleobjectieven

Werking

Een Phase Fresnel (PF) lens is een optisch element dat het werkingsprincipe van een klassieke Fresnel-lens combineert met een diffractiestructuur om optische afwijkingen te corrigeren.

Het concept werd bekend door Nikon, dat deze technologie in enkele teleobjectieven toepast (zoals de AF-S NIKKOR 300mm f/4E PF ED VR).

Basisidee

Een gewone Fresnel-lens bestaat uit een reeks concentrische ringen die een dikke lens simuleren in een veel dunner profiel — vergelijkbaar met een vuurtoren­lens (zie de afbeelding hierboven). Bij een diffractieve Fresnel-lens (zoals de Phase Fresnel) zijn deze ringen echter extre fijn geslepen of geëtst, op een schaal die samenwerkt met de golflengte van licht. De structuur fungeert dan niet alleen als een brekings­element, maar ook als een diffractierooster dat het licht buigt volgens een gekozen faseprofiel.

Chromatische correctie

De kern van het voordeel ligt in de manier waarop diffractie kleurverstrooiing produceert.
Bij conventionele glas­lenzen breekt blauw licht sterker dan rood licht — dit is chromatische aberratie (secundair spectrum).
Een PF-element vertoont het omgekeerde dispersie­gedrag: rood wordt sterker afgebogen dan blauw.

Wanneer je zo’n element in een objectief plaatst, heft de diffractieve dispersie de brekings­dispersie van de overige lenselementen grotendeels op.
Het resultaat is een zeer goede correctie van het secundair spectrum, vergelijkbaar met wat fluoriet­glas of apochromatische ontwerpen bereiken — maar in een veel compacter element.

Constructie

Het PF-element zelf is dun en licht. De diffractieve structuur wordt met hoge precisie gevormd in een dunne kunststof- of composietaag op een glassubstraat.
Nikon maakt gebruik van fotolithografische technieken om de microscopische groefpatronen aan te brengen, analoog aan halfgeiderproductie.

Voordelen

• Gewichtsreductie en compactheid.
  Omdat één dun PF-element meerdere conventionele lens­elementen kan vervangen, wordt het objectief aanzienlijk lichter en korter.
  Het Nikkor 300mm f/4 PF weegt bijvoorbeeld zo’n 755 gram tegenover circa 1.470 gram voor de oudere 300mm f/4 zonder PF.
• Uitstekende chromatische correctie.
  Het secundaire spectrum wordt sterk gereduceerd, wat bijdraagt aan scherpe, contrastrijke opnamen, vooral op lange brandpunt afstanden.
• Kosten- en materiaalbesparing.
  Fluorietglas is duur en moeilijk te produceren; een PF-element biedt een alternatief correctiepad zonder zeldzame materialen.

Nadelen

• Ringvormige reflexen (“bokeh-ringen”).
  Omdat de Fresnel-structuur bestaat uit concentrische ringen, kan tegenlicht of sterke puntbronnen ringvormige artefacten produceren in out-of-focus delen van het beeld (de zogenaamde “ONION-ring” bokeh). Dit is het meest zichtbare esthetische nadeel.
• Minder effectief bij grotere diafragma-openingen of complexe licht­situaties.
  Diffractie­correctie werkt optimaal binnen een bepaeld frequentiebereik; daarbuiten kunnen residuale kleurzweem of haloveer­schijnselen optreden.
• Gevoeligheid van de structuur.
  De microgroeven vereisen hoge fabricage­precisie; beschadiging of vervuiling kan het diffractiepatroon verstoren (in de praktijk is het element wel beschermd tussen andere lenselementen ingebouwd).
• Beperkte toepassing tot nu toe.
  PF-technologie is relatief duur om te ontwikkelen en toe te passen, waardoor slechts enkele objectieven ermee zijn uitgerust. Breedteschalige adoptie ontbreekt.

Samengevat is een Phase Fresnel-element een elegante manier om via diffractie wat conventionele breking niet goed kan: lange­golf ­licht sterker buigen dan kort­e golf­licht, zodat kleurfouten verdwijnen — en dat alles in een dun, licht onderdeel. De mogelijke prijs is een mogelijke zichtbaarheid van de ringstructuur in bepaalde bokeh­ omstandigheden, en de complexiteit van fabricage.