Bk7 versus BAK4 versus SP versus AK versus Uppendahl prisma's

jan van daalen
Berichten: 44
Lid geworden op: 05 mei 2018, 09:48

Bk7 versus BAK4 versus SP versus AK versus Uppendahl prisma's

Bericht door jan van daalen » 16 jan 2019, 19:37

De (optische) glasfabrikant Schott heeft als eerste de term BK7 vastgelegd.
BK7 is gemaakt van Borosilicate Kroonglas en heeft een brekingsindex van 1.5168.

De term BaK4 is eveneens door Schott vastgelegd en heeft Barium als toevoeging Barium waardoor het een brekingsindex van 1.5688 krijgt.

BaK4 glas van Chinese origine (CDGM glass) is gemaakt van Phosphate Kroonglas met een brekingsindex van 1.5525.

BK7 glas heeft een brekingsindex, dat net voldoende is om het beoogde doel van de fabrikant te bewerkstelligen. Het licht wordt voldoende gereflecteerd in het centrum van de prisma maar aan de randen van het prisma lekt het weg. Kijkend naar de uittredepupil in het oculair zien we dat het licht aan de randen grijs van kleur is en dat er vignettering (het ronde uittredepupil krijgt hoekjes) optreedt. Dit laatste kan ook worden veroorzaakt door één te klein bemeten prismablok. Het is dus niet echt geschikt voor verrekijkers met hun korte focale lengte van tussen de f3.7 tot f4.1. Voor fotografische apparatuur met hun hogere f factor is BK7 geen enkel probleem.
Door een prisma te gebruiken van een hogere densiteit (BAK4) wordt het volledige licht tussen de 90 en 95% gereflecteerd.

Het Porro prisma werd in 1854 door de Italiaan Ignazio Porro gepatenteerd en om die reden wordt de benaming Porro altijd met een hoofdletter P aangeduid. In 1890 werd dit principe door Zeiss geperfectioneerd.
Het Abbe-König prisma is vernoemd naar Ernst Abbe en Albert König en in 1905 door Zeiss gepatenteerd.
Het Schmidt-Pechan dateert uit 1899.
Het Uppendahl prisma werd door Leica gebruikt in hun eerste Trinovid serie.

Bij het Porro prisma principe vindt er een 100% reflectie plaats door de 90 graden reflectiehoeken van het prismablok met grote weerkaatsingsvlakken. Goedkoper en met mildere hoektoleranties (in boogseconden gemeten) te produceren.
Bij het dakkant prisma principe ligt dit anders. Bij het meest gebruikte dakkant prisma, Schmidt-Pechan (SP) is de reflectiehoek van het Schmidt prismablok lager dan de minimaal benodigde hoek van minimaal 41.8 graden en heeft deze dus een spiegel nodig, waar de fabrikanten in eerste instantie zilver voor gebruikten. De kijkers waren in die tijd niet gevuld met 100% droge stikstof en condenseerden dientengevolge inwendig bij temperatuurverschillen. Hierdoor oxydeerde het zilver en nam de reflectiecapaciteit desastreus af.
Om die reden viel de keuze op aluminium als reflectiemateriaal. Daarvan was de reflectiecapaciteit echter 85-93% tegen 95-98% bij nieuw zilver maar op langere termijn was aluminium het betere alternatief.
Bij het op de markt komen van met 100% droge stikstof gevulde verrekijkers met een druk van minimaal 1.2 bar (een noodgedwongen vinding van Japanse fabrikanten, die op deze wijze tegemoet kwamen aan de klachten van Amerikaanse klanten wiens verrekijkers de containertrip van Japan naar de US niet met droge voeten overleefden en daarmee de importeurs op grotere kosten jaagden om ze weer schoon en droog te krijgen. De Marketingboys "verkochten" deze noodgedwongen maatregel als een kwaliteitskenmerk, waarna alle andere producenten volgden) kwam zilver weer als reflectiemateriaal in zwang vanwege de nu langdurige hogere reflectiecapaciteit. Echter nog steeds minimaal 5% lager dan bij de Porro prisma's, die geen lichtverlies hadden veroorzaakt door spiegels.
Naarmate de techniek voortschreidde brachten de fabrikanten op enig moment prisma's op de markt voorzien van meerlaagse coatings in plaats van zilver. Bestonden deze multi layers in eerste instantie uit 30 lagen, heden ten dagen bestaan ze uit 70 lagen en hebben de moderne dakkant prisma's dezelfde reflectie capaciteit als hun Porro zusjes.
Elke opgebrachte laag van deze meerlaagse coating reflecteert een klein gedeelte van de lichtfrequentie. Meerdere lagen afgestemd op alle golflengtes van het licht reflecteert dit licht voor in totaal 99.9%

Het nadeel, dat prisma's volgens het dakkant principe hadden ten opzichte van het Porro prisma principe was dat de reflectie van het licht in het Pechan prisma blok een halve golflengte uit hun phase traden, resulterend in een minder scherp beeld ten opzichte van hun Porro familie. Sommigen omschrijven het als minder contrastrijk, maar gebrek aan contrast kan ook worden veroorzaakt door andere coatingsfouten waardoor de kleuren niet optimaal doorgegeven worden, resulterend in...... minder contrastrijk beeld.
De reden dat dakkant prisma's zo genoemd worden ligt in het feit dat het Pechan gedeelte van het prisma de vorm van een huisje met een dak heeft. In het Engels Roof en in het Nederlands Dakkant genoemd.
Simplistisch gesproken komt het licht via "de kelder" het huisje binnen, wordt naar boven toe gereflecteerd tegen de "nok van het dak" en wordt daar onder een hoek van 90 graden weerkaatst tegen de tegenover gelegen schuine dakzijde, waarna het weer met een 90 graden hoek naar de "kelder" wordt gekaatst. Omdat het licht, dat het dak ter hoogte van de "dakgoot" raakt een kortere weg aflegt dan het licht dat nagenoeg de nok van het dak raakt en dus ook nog eens een langere afstand moet afleggen om bij de aan de andere zijde gelegen "dakgoot" te geraken (iets wat bij de nok van het dak maar een miniem stukje is) raakt de lichtgolf een halve golflengte uit zijn phase.
Dit kruiselings weerkaatsen vanaf "de schuine dakkanten" onder verschillende afstanden veroorzaakt dus de voornoemde phaseverschuiving en brengt scherpteverlies tot stand, iets waar dus de Porro prisma's geen last van hebben.
Met het aanbrengen van een phasecoating gelukte het twee medewerkers van Zeiss in 1987 dit euvel te repareren.

De tolerantie van de weerkaatsingshoek van het Pechan blok is minder dan twee boogseconden. Veel minder dan wat nodig is bij een Porro prismablok. Meer dan twee boogseconden afwijking levert bij het Pechan blok dubbelbeelden op. Fabricage kosten (hogere tolerantie eisen, spiegel en phasecoating) van een hoogwaardig dakkant prisma liggen dus aanzienlijk hoger dan bij die van een Porro prisma.

Vanaf het moment van intrede van de phasecoating bestond er geen verschil meer tussen het prestatievermogen van verrekijkers voorzien van een Porro- of van een dakkantprisma.
Betekent dit nu het einde van Porro kijkers?
Neen, boven de 60mm objectiefdoorsnede valt er geen Dakkant verrekijker te maken met een toegankelijke IPD (inter pupil distance) tenzij de tubussen, waar zij elkaar samengevouwen raken, een uitsnede krijgen. Kortom, de grote observatiekijkers zullen altijd een Porro prisma hebben en daar is helemaal niets mis mee.
In het goedkopere segment zal, bij gelijke prijs, de Porro verrekijker superieur zijn aan de dakkant variant.
De Porro kijker is dan meestal niet waterdicht en minder rank van vormgeving. Optisch zal het, bij gelijke prijs, altijd beter presteren.

Voor verrekijkers voorzien van de eerder genoemde Abbe-Kònig (AK) dakkant prisma's die van zichzelf al een 100% reflectiecapaciteit (geen reflectiehoek beneden de 41.8 graad) hebben, gold alleen het nadeel van een phaseverschuiving.

In het "Zeitschrift für Licht- und Elektronenoptik", dd 1967 omschrijft de Zeiss medewerker R. Liebmann de werking en voor/nadelen van onder andere het Uppendahl prismasysteem.
Vrij vertaald komt het op het volgende neer:
"Het voordeel dat het Uppendahl systeem heeft, is dat het twee glass to air oppervlakken heeft ten opzichte van het Pechan systeem dat er vier heeft. Hierdoor kan een kijker ranker gebouwd worden (de kracht van de eerste generatie Leica Trinovid verrekijkers).
Het grote nadeel van het (de oorzaak van de veel hogere fabricagekosten) Uppendahl systeem is, dat het uit drie gelijmde prismablokken bestaat waardoor er tien optische vlakken ontstaan tegen zeven bij die van het Schmidt-Pechan systeem".
De gewichtsbesparing en compactere bouw mogelijkheden wogen niet op tegen het prijsvoordeel van het SP systeem, met als gevolg dat nagenoeg alle dakkantverrekijkers werden uitgerust met SP prisma systemen.
Ook het Uppendahl systeem heeft een spiegel en phasecoating nodig.

Al in 1621 formuleerde de Nederlandse astronoom Willibrord Snellius de kritieke weerkaatsingshoek van het licht en rond 1800 formuleerde de Fransman August Fresnel het principe van de phaseverschuiving dat kan optreden bij weerkaatsing van licht.
Plaats reactie