Asferische, UD- en BR-objectieven, en objectieven van fluoriet

Fotografen noemen objectieven soms kortweg 'glas', maar ze zijn natuurlijk veel complexer dan een eenvoudig stuk glas. De optische elementen in moderne objectieven bestaan soms uit materialen als fluoriet en plastic, of kunnen zijn gemaakt van verschillende speciale glassoorten. Al deze materialen worden, elk met hun unieke eigenschappen, gebruikt om de optische prestaties van het objectief te verbeteren, van het verminderen van aberraties tot het verbeteren van scherpte en contrast.

In deze gids bekijken we een aantal van de materialen en technologieën die Canon gebruikt voor haar objectiefelementen, en hoe deze helpen de beeldkwaliteit te verbeteren.

Wat is chromatische aberratie?
Objectieven van fluoriet
Sferische versus asferische objectieven
Hoe asferische objectiefelementen worden gemaakt
Ultra-low Dispersion-glas
Blue Spectrum Refractive-elementen

Wanneer licht door een lens gaat, breekt het. Dat wil zeggen dat de lichtstraal afbuigt. Hierbij buigen verschillende kleuren (golflengten) af in verschillende richtingen, met als resultaat dat de verschillende kleuren van het licht uiteen worden gesplitst, zoals bij licht dat door een prisma schijnt.

Dit fenomeen wordt chromatische aberratie genoemd. Het betekent dat het objectief niet al de verschillende kleuren naar hetzelfde scherpstelpunt kan brengen en daardoor een onscherp beeld produceert. In het ergste geval worden kleurafwijkingen gezien aan de rand van het beeld.

Chromatische aberratie is eigen aan het gebruik van glazen objectiefelementen vanwege de fysieke eigenschappen van glas, maar andere materialen kunnen dat probleem enigszins helpen oplossen. Hoe lager de brekingsindex van het lensmateriaal, hoe minder de lichtstraal afbuigt en hoe scherper het beeld. Ook geldt dat hoe lager de mate van dispersie is, hoe minder het licht uiteen valt, waardoor chromatische aberratie eenvoudiger te corrigeren is.

Het is ook goed om te weten dat naast oplossingen van optische aard, Canon geavanceerde manieren heeft ontwikkeld om chromatische aberratie te corrigeren in de nabewerking. Canon's neurale netwerktechnologie maakt gebruik van kunstmatige intelligentie om beelden te analyseren, chromatische aberratie te detecteren, en dit op intelligente wijze te corrigeren. Dit resulteert in scherpe, heldere beelden met natuurgetrouwe kleuren.

Fluoriet is een natuurlijk kristal met drie speciale eigenschappen waardoor het uitermate geschikt is voor gebruik in objectieven. Het geeft infrarood en ultraviolet licht goed door, heeft een erg lage brekingsindex en een lage dispersie. Dit betekent dat bij objectiefelementen van fluoriet aanzienlijk minder chromatische aberratie wordt gezien ten opzichte van objectieven van glas.

Al in de 19e eeuw werden natuurlijke fluorietkristallen gebruikt in microscooplenzen. In de natuur groeit fluoriet echter in erg kleine kristallen, waardoor het niet geschikt is voor gebruik in fotografische objectieven. Canon heeft dit probleem opgelost door haar eigen synthetische fluorietkristallen te 'kweken' in hoeveelheden die groot genoeg zijn om hieruit fotografische objectieven te vervaardigen.

De volgende stap bestaat uit het slijpen van fluoriet tot objectieven. Ook dat is weer een uitdaging omdat fluoriet erg moeilijk te slijpen is. De technici van Canon hebben echter een nieuwe slijptechniek ontwikkeld die zorgt voor puntgave objectiefelementen. Het nadeel is dat het vier keer zo lang duurt om een fluorietelement te slijpen in vergelijking met een glaselement. Dat is ook een van de redenen waarom een objectief uit de Canon L-serie duurder is. Maar het resultaat is een objectief dat chromatische aberratie vrijwel geheel elimineert en scherpere beelden produceert doordat het licht wordt vastgelegd als een punt in plaats van een waas van kleuren.

Het eerste Canon-objectief met een fluorietelement was de FL-F 300mm f/5.6, ontwikkeld in 1969.

In de beginjaren waren alle objectieven asferisch. Deze lensvorm is het makkelijkst te maken, maar niet het meest geschikt om een scherp beeld te produceren, omdat deze objectieven parallelle stralen van licht niet op hetzelfde punt kunnen laten samenkomen. Dit veroorzaakt een probleem dat sferische aberratie wordt genoemd. Ontwerpers van objectieven ontdekten dat een asferische vorm deze sferische aberratie elimineert, omdat de kromming van het objectief kan worden gebruikt om de lichtstralen op één punt te laten samenkomen. Maar de theorie kennen is één ding, deze in de praktijk toepassen is een tweede.

De mate van asfericiteit is zo gering dat speciale productieprocessen werden ontwikkeld om binnen de vereiste tolerantie van 0,1 micron te blijven. Voor het meten van de kromming is zelfs een nog hogere nauwkeurigheid nodig. Pas in 1971 verscheen het eerste SLR-cameraobjectief met een asferisch objectiefelement, de Canon FD55mm f/1.2AL. Maar het was niet perfect. Het duurde zelfs nog eens twee jaar voordat de productietechnieken de vereiste niveaus bereikten om echt grote verbeteringen in de beeldscherpte te krijgen.

Tegenwoordig worden asferische objectiefelementen zo nauwkeurig geslepen en gepolijst dat wanneer de asfericiteit zelfs maar 0,02 micron (1/50.000ste millimeter) afwijkt van het ideaal, het element wordt afgekeurd.

Asferische objectiefelementen helpen vertekening in groothoekobjectieven te compenseren. Daarnaast compenseren ze (of elimineren ze zelfs) sferische aberratie in objectieven met een groot grootste diafragma. Bovendien stellen ze Canon in staat om compactere objectieven te maken dan voorheen mogelijk was toen alleen sferische objectiefelementen werden gebruikt. Dit is omdat deze traditionele objectiefontwerpen vaak gebaseerd waren op complexe combinaties van meerdere objectiefelementen om aberratie tegen te gaan. Een asferisch objectief heeft echter dezelfde capaciteit, maar in een lichter, compacter ontwerp en met superieure scherpte.

Geslepen asferische objectiefelementen worden afzonderlijk geslepen en gepolijst met extreme precisie. Dit proces leent zich voor verschillende soorten glas en kan worden gebruikt om asferische objectiefelementen te produceren met een grotere diameter ten opzichte van sferische objectieven.

Het slijpen en polijsten van een asferisch objectiefelement is een tijdrovend en kostbaar proces, maar dankzij nieuwe productietechnieken is het nu ook mogelijk om asferische objectieven te gieten. Plastic gegoten (PMo) asferische objectiefelementen krijgen hun vorm door hars voor optisch gebruik in een gietvorm met asferisch oppervlak te injecteren, waarna coatings worden aangebracht op het objectief. Deze objectiefelementen hebben het voordeel dat ze licht van gewicht zijn en in massaproductie kunnen worden gefabriceerd tegen lagere kosten. Dankzij deze productietechnologie is de beeldkwaliteit van beginnersobjectieven enorm verbeterd.

Glazen gegoten (GMo) asferische objectieven met een grote diameter worden geproduceerd van verschillende soorten optisch glas. Dit glas wordt door hoge temperaturen zacht gesmolten en krijgt vervolgens vorm in een asferische metalen gietvorm. De gietvormen moeten natuurlijk uiterst nauwkeurig worden gemaakt om ervoor te zorgen dan het gesmolten glas precies de juiste vorm heeft. Daarnaast moet rekening worden gehouden met de verandering in de afmetingen van de elementen nadat het glas is afgekoeld en gepolijst.

Het gieten van glazen objectiefelementen maakt productie in grote aantallen mogelijk. Hiernaast behouden de resulterende objectiefelementen de kras- en hittebestendige eigenschappen van glas. Hoewel het vervaardigen van gegoten elementen nog steeds precisiewerk is, zijn ze minder duur om te produceren dan geslepen elementen, waardoor het mogelijk wordt om ze in objectieven voor de consumentenmarkt te gebruiken.

In 1990 ontwikkelde Canon een vierde technologie om asferische 'replica'-objectieven te produceren, waarbij hars wordt gebruikt om een asferische oppervlaktelaag te vormen op een sferisch objectiefelement. De optische hars wordt op een sferisch glazen objectief aangebracht, in vorm gedrukt door een persvorm met asferisch oppervlak, en vervolgens uitgehard door ultraviolet licht. Dit proces kan worden gebruikt voor verschillende glassoorten en lenskrommingen, waardoor grote flexibiliteit wordt geboden wat betreft het ontwerp. Asferische replica-objectiefelementen zijn niet alleen kosteneffectief maar ook lichter dan geslepen objectieven.

Als de enige fabrikant die vier verschillende technologieën voor het produceren van asferische objectieven gebruikt, kan Canon voorzien in verschillende behoeften van klanten door de meest geschikte technologie te gebruiken voor elk objectiefelement.

UD-glas (Ultra-low Dispersion) en Super-UD-glas verschenen nadat Canon fluoriet succesvol in een aantal van haar objectieven had weten toe te passen. Het gebruik van optisch glas in plaats van fluoriet voor het corrigeren van chromatische aberratie is kosteneffectiever. Daarom verlegde Canon haar onderzoek naar hoogwaardige objectieven die gemaakt zijn van optisch glas. In de loop der jaren heeft Canon meer dan 100 verschillende soorten glas in haar objectieven gebruikt, elk met net iets andere eigenschappen.

UD-glas is vergelijkbaar met fluoriet wat betreft de lage brekingsindex en lage dispersie. Hoewel het niet zo goed is als fluoriet, zijn de prestaties van UD-glas aanzienlijk beter dan die van gewoon optisch glas. Door UD-glas te gebruiken, kon Canon een serie objectieven produceren met superieure prestaties en tegen lagere kosten dan voorheen.

In verschillende objectieven uit de L-serie zijn zowel objectiefelementen van UD-glas als fluoriet gecombineerd voor de beste resultaten. De technologie is geschikt voor verschillende typen objectieven, van groothoek tot superteleobjectieven.

Blauw licht (met korte golflengte) is bijzonder lastig voor objectiefontwikkelaars, omdat het erg moeilijk is de baan die het licht door een objectiefelement aflegt, op dezelfde manier te corrigeren als die van groen en rood licht met een langere golflengte. Er kan dan blauwe kleurafwijking ontstaan.

Maar in augustus 2015 introduceerde Canon de EF 35mm f/1.4L II USM, het eerste objectief met een Blue Spectrum Refractive-element (BR). Het BR-element gebruikt een nieuw organisch optisch materiaal dat verschillende dispersie-eigenschappen van standaardelementen bezit. Het zit tussen holle en bolle glaselementen ingeklemd om de baan van het blauwe licht te sturen en chromatische aberratie te minimaliseren.

Canon gaat onverminderd door met het ontwikkelen van nieuwe optische materialen om de ontwerp- en productiemogelijkheden van objectieven verder uit te breiden. Een goed voorbeeld is de Multi-layer Diffractive Optical Element-technologie van Canon, waarin een optisch fenomeen wordt gebruikt om de kenmerken van asferische en fluorietelementen te combineren om kleinere, lichtere tele-objectieven te krijgen met betere prestaties bij kleinere diafragma's.