Асферические линзы

Преодоление теоретического предела сферических линз: сверхточные асферические линзы

Большинство объективов, использующихся для фотосъемки, состоят из нескольких сферических линз. Радиус кривизны и тип оптического стекла каждого элемента, воздушный зазор между элементами разрабатывается так, чтобы в окончательной комбинации линз сократить аберрации различных линз до уровня, достаточного для достижения требуемых характеристик. Сегодня компьютеры предоставляют технологии автоматизированного проектирования и моделирования, которые позволяют быстро разрабатывать высококачественные объективы.

Однако использование только сферических линз представляет собой фундаментальную проблему: параллельные тучи света, проходя через сферическую линзу, теоретически не сходятся в одной точке, что приводит к ограничениям следующих параметров:

• качество объективов с большой апертурой,
• компенсация искажений в сверхширокоугольных объективах и
• минимальный размер компактных объективов.

Для того чтобы снять эти ограничения и создавать объективы даже с более высокими характеристиками, снизить искажения и уменьшить размер, остается один путь- использование технологии асферических линз.

Фото 1 — Высокоточные асферические линзы

Компания Canon начала разработку технологий асферических линз в середине 60-х годов XX века, а теории проектирования и технологии точной обработки и измерений создала в начале 70-х. В 1971 году компания Canon выпустила коммерчески успешный объектив для зеркальных камер, содержащий асферическую линзу, — FD 55mm f/1.2AL. Этот успех явился следствием следующих двух пунктов:

1. Создание технологии сверхточных измерений
Для измерения поверхностей асферических линз в компании Canon была самостоятельно разработана «измерительная система с преобразованием в полярные координаты», в которой измеряемый объект помещается на вращающийся стол и вращается относительно своего центра кривизны. При этом отклонение поверхности объекта от опорной сферической поверхности измеряется с помощью интерферометра. Затем результаты измерений обрабатываются компьютером для определения формы поверхности. При такой методике достигается сверхвысокая точность: 1/32 часть длины волны света, или 0,02 микрона (20 миллионных частей миллиметра). Эта технология измерений сформировала необходимую основу для последующего развития различных технологий обработки асферических линз.

2. Создание систем обработки асферических линз, использующих особые приемы шлифовки и равномерной полировки
Для точной обработки асферических линз в компании Canon была создана особая система обработки асферических линз, которая шлифует линзу асферической формы с высокой точностью и затем полирует линзу для получения однородной поверхности с сохранением асферической формы.

Изначально   этапы   обработки   асферической   поверхности   и сверхточного измерения формы необходимо было многократно повторять, так что каждая линза фактически изготавливалась вручную. Затем, в 1974 году, в компании Canon был разработан особый станок, который позволял производить более 1000 асферических линз в месяц и тем самым проложил путь для серийного производства.

Рис. 1 — Измерительная система с преобразованием в полярные координаты компании Canon

Однако существовали пределы серийного производства шлифованных асферических линз, поэтому около 1978 года компания Canon успешно применила эту технологию асферической обработки к формам для литья и разработала практичную и высокоточную систему формования пластмасс для производства асферических линз с малой апертурой в серийных объемах и по низкой стоимости. Линзы, изготовленные с помощью этой системы нашли применение в компактных камерах в системе дальномера автофокусировки и в некоторых объективах для фотосъемки (Snappy/AF35MII). В начале 1980-х годов компания Canon продолжила исследования и разработки в области литья стеклянных асферических линз с большой апертурой и в 1985 году успешно разработала действующую производственную систему.

Фото 2 — Пример работы сферического объектива

Фото 3 — Пример работы асферического объектива

Эти стеклянные асферические линзы производятся прямым литьем стекла в формовочной машине с использованием асферической металлической формы ультравысокой точности. При этом обеспечивается высокая точность, удовлетворяющая требованиям к качеству сменных объективов для зеркальных камер, а также возможность серийного производства при относительно низких затратах. В 1990 году компания Canon добавила в свой арсенал четвертую технологию производства асферических линз, разработав технологию копирования асферических линз с использованием смолы, застывающей под действием ультрафиолетового облучения, для формирования асферического слоя на поверхности сферической линзы. При разработке объективов EF эти четыре типа асферических линз обеспечили конструкторам компании Canon исключительную гибкость, позволяя выбирать наилучший тип линз для каждого применения. Асферические линзы особенно полезны для

• компенсации сферических аберраций в объективах с большой апертурой,
• компенсации искажений в широкоугольных объективах,
• производства высококачественных компактных зум-объективов.

Реальные примеры таких применений показаны на рис. 2

Рис. 2 — Оптическая система объектива EF 85mm f/1.2L IS USM — диаграмма трассировки лучей

Объектив EF 85mm f/1.2L II USM, показанный на рис. 2, разработан с использованием асферических элементов, которые заставляют все лучи, проходящие через объектив, собираться в одной точке. Изображение, сформированное лучами света, которые входят в объектив вдоль сечения, перпендикулярного к поверхности бумаги, будет размываться при максимальной апертуре. Асферические элементы объектива устраняют это размытие и компенсируют кому. Для достижения хорошей компенсации по всей площади изображения, от центра до краев, в этом объективе используются два асферических элемента. Сверхширокоугольный объектив на рис. 3 содержит асферическую линзу с поверхностью в форме свободной кривой и углом прохождения лучей света, который оптимизирует характеристики изображения, формируемого объективом, по всей площади изображения. При использовании этой асферической линзы значительно компенсируются искажения и размывания изображения по краям, ранее неизбежно возникающие в ультраширокоугольных объективах.

Рис. 3 — Оптическая система объектива EF 14mm f/2.8L  USM — диаграмма трассировки лучей

На рис. 4 приводится сравнение предыдущего зум-объектива FD, состоящего только из сферических линз, с новым зум-объективом EF того же класса, в котором используется асферическая линза. Использование асферической линзы привело к сокращению общей длины объектива и значительному снижению искажений и кривизны поля.

Рис. 4 — Сравнение размеров зум-объективов EF и FD

Рис. 5 — Сферическая аберрация сферической линзы

Рис. 6 — Корректировка фокуса с помощью асферической линзы

Рис. 7 — Результаты точных  измерений  формы  асферической поверхности

Фото 4 — Формы  для  литья  стеклянных  асферических линз ультравысокой точности