Многослойный дифракционный оптический элемент

После инноваций в производстве асферических и флюоритовых элементов объектива инженеры Canon решили разработать новую технологию, сочетающую в себе их лучшие качества. Технология многослойного дифракционного оптического элемента (DO) была анонсирована в сентябре 2000 года, а объектив-прототип был продемонстрирован на выставке Photokina 2000 в Кельне. Объективы Canon EF с технологией DO, такие как EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM, имеют в названии соответствующую пометку, однако модели Canon RF, такие как RF 800mm F11 IS STM, уже не следуют этим правилам наименования, что соответствует стандарту для всех моделей RF, в названиях которых отсутствуют используемые материалы.

Дифракционные оптические элементы оснащены дифракционной решеткой, которая преобразует траекторию движения световых лучей. В обычных объективах эффект дифракции присутствует при использовании закрытой диафрагмы. С этими значениями диафрагмы проходящие через нее световые лучи имеют невысокий коэффициент преломления — это означает, что они не следуют по прямой траектории. Это влияет на фокусировку и снижает разрешающую способность объектива. По причине такой дифракции большинство объективов демонстрируют наилучшие оптические характеристики со значением диафрагмы около двух ступеней ниже максимальной, а не при закрытой диафрагме.

Однако дифракционная решетка может использоваться для коррекции аберраций, а не их усиления. Дифракционные решетки выглядят как миниатюрные копии линз Френеля, которые используются в маяках. Они широко применяются в спектроскопах и оптических системах считывания сигнала в CD- и DVD-проигрывателях.

До 2000 года дифракционные элементы не использовались в объективах для камер, поскольку они демонстрируют тенденцию к попаданию на датчик излишнего количества преломленных световых лучей, образуемых дифракционной решеткой. Такой эффект образует блики, снижающие качество изображения.

Canon удалось решить эту проблему посредством внедрения многослойной конструкции из двух однослойных дифракционных оптических элементов с противопоставленными концентрическими дифракционными решетками круговой формы. Когда случайный луч света попадает на этот элемент, он не образует лишних преломленных лучей, и практически весь свет используется для создания изображения. Это позволяет применять дифракционные оптические элементы в объективах камер.

Наиболее значимой характеристикой дифракционного оптического элемента являются позиции, в которых волны разной длины объединяются для формирования изображения, — они обратны тем, что предлагают рефракционные оптические элементы. Объединяя в одной оптической системе многослойный дифракционный и рефракционный оптические элементы, можно добиться еще более эффективной коррекции хроматической аберрации, чем при использовании флюоритовых элементов. Более того, настройка шага дифракционной решетки позволяет создавать дифракционные оптические элементы с характеристиками на уровне шлифованных асферических линз, что обеспечивает эффективное устранение сферических и иных аберраций.

Установка элемента DO также делает объектив более компактным, чем при стандартной конструкции телеобъектива. Так, EF 400mm f/4 DO II IS USM примерно на 26% короче и на 36% легче, чем эквивалентный ему объектив 400mm f/4 без элемента DO.

В сентябре 2014 года компания Canon анонсировала выпуск объектива EF 400mm f/4 DO II IS USM. В этом компактном супертелеобъективе был впервые представлен дифракционный оптический элемент нового поколения, устраняющий блики, которые в некоторых ситуациях не корректировал элемент DO прошлого поколения.

Оригинальная двухслойная конструкция DO включает две дифракционные решетки с воздушной прослойкой между ними. Наряду с материалом, из которого изготовлены решетки, этот воздух может стать причиной возникновения кольцевых бликов рядом с источниками яркого света на изображении. Беззазорная конструкция и использование нового материала для изготовления решеток позволяют избежать появления таких бликов.

Двухслойный элемент DO с беззазорной конструкцией также расположен ближе к заднему элементу объектива EF 400mm f/4 DO II IS USM, чем схожий элемент в модели EF 400mm f/4 DO USM. Это означает, что он менее подвержен воздействию нежелательного света и, следовательно, образованию бликов. Более того, меняется угол попадания света в объектив — он становится ближе к перпендикулярному, что позволяет уменьшить количество отраженного света для еще более эффективной борьбы с бликами при съемке с контровым светом.

Как уже упоминалось выше, многослойный дифракционный оптический элемент позволяет создавать более компактные по сравнению с традиционной конструкцией объективы. Наиболее яркие примеры этого эффекта — супертелеобъективы RF 600mm F11 IS STM и RF 800mm F11 IS STM, предназначенные для полнокадровых беззеркальных камер системы EOS R.

RF 600mm F11 IS STM состоит из 10 элементов в 7 группах, а RF 800mm F11 IS STM — 11 элементов в 8 группах, однако обе модели оснащены многослойным дифракционным оптическим элементом.

Модель RF 600mm F11 IS STM в разложенном состоянии имеет длину всего 269,5 мм, что почти на 40% меньше объектива EF 600mm f/4L IS III USM. Схожим образом RF 800mm F11 IS STM почти на 24% короче, чем модель EF 800mm f/5.6L IS USM. Меньшая длина облегчает съемку с рук и улучшает баланс при установке на камеру, в частности при съемке без опциональной батарейной ручки.

Оба объектива RF также имеют складную конструкцию — до 199,5 мм и 281,8 мм в длину соответственно — что позволяет с удобством переносить и хранить их. Безлепестковая диафрагма f/11 позволяет работать с мягким эффектом боке, в то время как стабилизатор поможет в создании изображений максимальной четкости.

Фиксированная диафрагма сокращает количество переменных, которые необходимо учитывать при проектировании объектива. Это позволяет оптимизировать оптическую конструкцию для наиболее эффективного применения элемента DO и достижения максимального качества изображения.