Флюоритовые, асферические, UD и BR-линзы

Иногда фотографы называют все линзы «стеклом», однако на самом деле это гораздо более сложные элементы, чем просто стеклянные формы, а многие оптические элементы в современных объективах и вовсе могут содержать другие материалы, такие как флюорит и пластик, а также изготавливаться из разных вариаций стекла. Все эти материалы, каждый из которых обладает уникальными свойствами, используются для повышения оптического качества — от устранения аберраций до повышения четкости и контрастности.

В этом руководстве мы рассмотрим некоторые материалы и технологии, которые применяются при изготовлении объективов, и их преимущества, обеспечивающие более высокое качество изображения.

Что такое хроматическая аберрация?
Флюоритовые линзы
Сферические и асферические линзы
Производство асферических элементов объектива
Сверхнизкодисперсионное стекло
Преломляющая оптика синего спектра (BR)

Когда свет проходит через линзу, он преломляется, то есть изгибается. Более того, разные цвета (свет с разной длиной волны) преломляются по-разному, что в итоге приводит к разбивке светового луча на раздельные цвета, как при прохождении через призму.

Это явление называется хроматической аберрацией. Из-за него объектив не может направить все цвета в одну фокальную точку, и изображение получается размытым. В более запущенных случаях по контуру некоторых объектов можно увидеть цветовую кайму.

Хроматическая аберрация актуальна для стеклянных элементов объектива из-за физических свойств стекла, однако другие материалы могут в некоторой степени гасить этот негативный эффект. Чем ниже показатель преломления у материала, из которого изготовлена линза, тем меньше будет изгиб света, что обеспечит более высокую четкость изображения. Более того, благодаря слабым дисперсионным свойствам свет не так явно разбивается на составляющие, что позволяет эффективнее справляться с хроматической аберрацией.

Стоит отметить, что помимо оптических решений Canon разрабатывает передовые технологии для устранения хроматических аберраций на стадии постобработки изображений. Нейросетевая технология Canon с помощью искусственного интеллекта анализирует изображения, распознает хроматические аберрации и точно исправляет их, делая изображения более четкими, а цвета на них — более реалистичными.

Флюорит — это естественный кристалл с тремя особыми свойствами, которые позволяют эффективно применять его в производстве линз. Он хорошо пропускает инфракрасный и ультрафиолетовый свет, имеет сверхнизкий показатель преломления и слабо выраженные дисперсионные свойства. Это означает, что флюоритовые линзы значительно эффективнее устраняют хроматические аберрации, чем стеклянные линзы.

Еще в XIX веке естественные кристаллы флюорита использовались в линзах микроскопов, однако такие кристаллы слишком малы для производства объективов камер. Чтобы решить эту проблему, компания Canon самостоятельно синтезирует кристаллы флюорита в достаточно больших количествах для изготовления из них элементов объектива.

Следующий этап — это шлифовка флюорита для создания линз, которая также связана с рядом трудностей. Однако инженеры Canon разработали новую технику шлифования, которая обеспечивает создание безупречных флюоритовых элементов объектива. Стоит отметить, что шлифование флюорита занимает в четыре раза больше времени, чем шлифование стекла, и это одна из причин столь высокой стоимости объективов Canon L-серии. Однако эти объективы полностью устраняют хроматическую аберрацию, что позволяет создавать более четкие изображения, ведь свет воспринимается как точка, а не как многоцветное размытие.

Первым объективом Canon с флюоритовым элементом был FL-F 300mm f/5.6, произведенный в 1969 году.

Когда-то все линзы были сферическими Это самая простая форма линзы с точки зрения изготовления, однако не лучший вариант для создания резкого изображения, поскольку сферические линзы не могут совмещать световые лучи в одной точке. Это является причиной проблемы, называемой сферической аберрацией. Оптические инженеры обнаружили, что асферическая форма линзы поможет устранить аберрацию этого типа, поскольку изгиб линзы может быть использован для совмещения световых лучей в одной точке. Однако знание теории — это одно, а применение ее на практике — совсем другое.

Степень асферичности настолько мала, что для работы с точностью до 0,1 микрона были созданы специальные производственные процессы. Измерение изгиба требует даже более высокой точности. Лишь в 1971 году мы произвели первый объектив с асферическим элементом — Canon FD55mm f/1.2AL. Но он был не идеален. Еще через два года производственные технологии достигли уровня, необходимого для значительного повышения четкости изображения.

В наши дни асферические элементы объектива настолько точно шлифуются и полируются, что даже элементы с отклонением асферичности в 0,02 микрона (1/50 000 часть миллиметра) не допускаются для установки в объективы.

Асферические элементы объектива компенсируют искажение широкоугольных объективов и устраняют (или делают менее заметной) сферические аберрации в объективах с высокой светосилой. Они также позволяют Canon производить более компактные объективы, чем это было возможно ранее, когда использовались лишь сферические линзы. Это связано с тем, что для традиционных конструкций объектива зачастую применялся способ устранения аберраций с помощью нескольких элементов, однако того же эффекта можно добиться, используя одну асферическую линзу — таким образом мы смогли создавать более легкие и компактные объективы при сохранении превосходной четкости изображений.

Шлифованные асферические элементы объектива шлифуются и полируются отдельно друг от друга для обеспечения высокоточного результата обработки. Этот процесс применим к разным вариациям стекла и может использоваться для производства асферических элементов большего диаметра, чем у сферических линз.

Шлифование и полировка асферической линзы — это длительный и дорогостоящий процесс, однако нынешние производственные технологии позволяют изготавливать их методом формования. Асферические элементы PMo из формованного пластика создаются путем добавления оптической смолы в асферическую форму, после чего завершающим этапом на линзу наносятся покрытия. Эти элементы объектива имеют ряд преимуществ — малый вес, возможность массового недорогого производства и значительное повышение качества изображения для объективов начального уровня.

Асферические линзы большого диаметра GMo из формованного стекла производятся с использованием различных типов оптического стекла, которое нагревается до высоких температур, размягчается и помещается в металлическую форму асферической линзы. Очевидно, что форма асферической линзы должна быть изготовлена с максимальной точностью, чтобы сформованная линза имела необходимую форму. Инженерам также необходимо учитывать, как меняется размер элемента после охлаждения и полировки стекла.

Формовка стекла позволяет производить такие линзы в больших количествах, и эти элементы объектива сохраняют свойства стекла — защиту от царапин и перегрева. Хотя производство таких линз все еще остается высокоточным процессом, их формование делает процедуру менее дорогостоящей по сравнению со шлифованием, что делает конечную продукцию дешевле.

В 1990 году в Canon была разработана четвертая технология создания «реплики» асферических линз — с использованием смолы для нанесения поверхностного асферического слоя поверх сферической линзы. Оптическая смола наносится на сферическую стеклянную линзу, прессуется в нужную асферическую форму, а затем закаляется с помощью УФ-излучения. Этот процесс можно применять к разным типам и разновидностям стеклянных оснований, что обеспечивает свободу при выборе дизайна. Помимо экономичности в производстве «реплики» асферических линз также весят меньше, чем шлифованные аналоги.

Компания Canon — это единственный производитель, использующий сразу четыре разные технологии производства асферических линз, что позволяет Canon удовлетворять потребности разных пользователей, выбирая наиболее подходящую технологию для каждого отдельно взятого элемента объектива.

Разработки низко- и сверхнизкодисперсионного стекла (UD и Super-UD) начались после того, как Canon удалось успешно создать несколько объективов с флюоритовым элементом. Если использовать стеклянные оптические элементы вместо флюорита для устранения хроматических аберраций, конечный продукт станет дешевле, поэтому в Canon решили переключить исследования на создание объективов с улучшенными характеристиками из оптического стекла. За многие годы в объективах Canon применялось более 100 разных типов стекла, каждое из которых имеет особые свойства.

Стекло UD схоже с флюоритом, поскольку имеет низкий показатель преломления и слабо выраженные дисперсионные свойства. Конечно, оно уступает флюориту, однако его характеристики заметно лучше, чем у обычного оптического стекла. Это позволило Canon применять UD-стекло в производстве целого ряда объективов, обеспечивая улучшенные оптические характеристики при сниженной стоимости.

Несколько объективов L-серии оснащены как флюоритовыми, так и UD-элементами для оптимального результата. Эта технология подходит для применения в совершенно разных объективах — как теле-, так и широкоугольных.

Коротковолновой синий свет представляет собой основную проблему для инженеров, поскольку исправить его траекторию внутри объектива сложнее, чем с зеленым и красным светом — в противном случае образуется синяя цветовая кайма.

Однако в августе 2015 года компания Canon представила EF 35mm f/1.4L II USM — первый объектив с преломляющей оптикой синего спектра BR. Элемент BR — это новый органический оптический элемент с отличными от стандартных моделей дисперсионными свойствами. Он расположен между выпуклой и вогнутой стеклянными линзами, что позволяет управлять траекторией синего света и свести к минимуму хроматическую аберрацию.

Canon продолжает испытывать новые оптические материалы, чтобы расширить возможности проектирования и производства линз и объективов. К примеру, технология многослойного дифракционного оптического элемента Canon использует оптическое явление для имитации характеристик асферических и флюоритовых элементов и позволяет создавать более компактные и легкие телеобъективы с улучшенными оптическими характеристиками при закрытой диафрагме.