Объективы из флюорита и UD стекла

Объективы из флюорита и UD — резкость, достаточная даже для съемки воздуха

Профессиональные фотографы во всем мире неизменно хвалят серию L супертелеобъективов Canon с белым тубусом за сверхвысокое качество и непревзойденную резкость. Разгадка такого качества состоит в полном исключении вторичного спектра за счет активного использования линз из флюорита и стекла UD.

Флюорит

Для супертелеобъективов существует предел возможного улучшения характеристик при использовании стеклянных линз.

Уровень остаточных хроматических аберраций оказывает существенное воздействие на степень резкости изображения, получаемого с помощью телеобъективов и супертелеобъективов. Как показано на примере призмы с подавлением цвета (рис. 1), для коррекции хроматических аберраций используются различные характеристики дисперсии, присущие разным типам оптического стекла: лучи света с разными длинами волн посылаются в одном направлении.

В фотографических объективах также можно привести лучи двух разных длин волн (например, красный и синий) в одну точку фокуса, с помощью призм объединив выпуклую линзу с низкой дисперсией и вогнутую линзу с большой дисперсией.

Рис. 1 — Коррекция хроматической аберрации с помощью призм

Объектив, в котором выполняется такая корректировка двух цветов (длин волн), называется ахроматическим объективом или просто ахроматом. Однако, хотя два цвета встречаются в одной фокусной точке, промежуточные цвета (например, зеленый) фокусируются в другой точке. Эти хроматические аберрации, которые остаются даже после принятия мер по коррекции хроматической аберрации, называются вторичными хроматическими аберрациями или вторичным спектром.

Рис. 2 — Оптическая система объектива EF 300mm f/2.8L USM

При использовании линз, изготовленных только из оптического стекла, теоретический предел не позволяет снизить этот вторичный спектр ниже, чем величина «фокусное расстояние х 2/1000 мм». Это происходит вследствие того, что даже для различных типов стекла, имеющих разные коэффициенты дисперсии, относительная дисперсия для всех длин волн стремится к постоянной величине.

Использование флюорита для изготовления линз сверхвысокого качества

Флюорит (плавиковый шпат) — это материал, который позволяет преодолеть теоретический предел, налагаемый оптическим стеклом, и добиться практически идеальной коррекции хроматических аберраций. Оптическое стекло изготавливается из окиси кремния с примесью, например, лантана и оксида бария. В процессе изготовления эти вещества смешиваются в печи, сплавляются при высокой температуре 1300° — 1400°C и затем медленно охлаждаются.

Флюорит, с другой стороны, имеет кристаллическую структуру и обладает исключительными характеристиками, недостижимыми для оптического стекла — низким коэффициентом преломления и низкой дисперсией (рис. 5). Более того, дисперсионные характеристики флюорита почти совпадают с характеристиками оптического стекла при длинах волн в диапазоне от красного до зеленого света, но существенно отличаются для длин волн в диапазоне от зеленого до синего (такая характеристика называется необыкновенной парциальной дисперсией). Использование этих особых свойств позволяет значительно повысить качество изображения супертелеобъективов, как показано ниже.

Полное исключение вторичного спектра
При объединении выпуклой флюоритовой линзы с вогнутой стеклянной линзой с большой дисперсией по правилам корректировки красных и синих длин волн необыкновенная парциальная дисперсия флюорита эффективно компенсирует также и зеленые длины волн, снижая вторичный спектр до исключительно низкого уровня и сводя все три длины волны (красную, зеленую и синюю) в одну фокусную  точку,  что  делает  возможной  практически идеальную компенсацию хроматической аберрации (апохроматическая характеристика), как показано на рис. 3.

Рис. 3 — Вторичный спектр

Улучшение качества изображения по всей площади изображения
Полная длина телеобъективов, в которых используется схема распределения оптической силы с передней собирающей и задней рассеивающей линзой, может быть меньше фокусного расстояния. Для достижения высокого уровня резкости по всему изображению от центра до краев для этого типа объективов желательно, чтобы коэффициент преломления передней собирающей группы линз был как можно меньше. Соответственно, при использовании флюорита с его низким коэффициентом преломления качество изображения эффективно повышается по всей площади изображения. Уменьшение общей длины объектива Для уменьшения общей длины телеобъектива желательно максимально увеличить совместную оптическую силу собирающей-рассеивающей конструкции.

Рис. 4 — Сравнение коррекции хроматических аберраций

Однако при использовании обычного оптического стекла повышение общей оптической силы затрудняет корректировку кривизны поля и ухудшает качество изображения. С другой стороны, низкий коэффициент преломления флюорита в условиях, сформулированных Петцвалем, позволяет достичь значительного снижения длины объектива, сохранив высокое качество изображения. Хотя необыкновенные оптические свойства флюорита известны с 1800-х годов, мелкие размеры кристаллов природного флюорита позволяли использовать его только для изготовления первых линз микроскопов. Хотя разработчики объективов давно хотели использовать флюорит в фотографических объективах, в большинстве случаев было исключительно сложно или даже невозможно получить природные кристаллы, размер которых позволял бы применять их в объективе.

Рис. 5 — Оптические характеристики оптического стекла и флюорита

Для решения этой проблемы компания Canon усердно трудилась над разработкой технологии изготовления искусственных кристаллов флюорита и, наконец, успешно внедрила реальную технологию производства флюорита (технология искусственного выращивания кристаллов фтористого кальция <CaF2>) к концу 1960-х годов. Искусственно выращенный кристаллический флюорит впервые был применен в фотографических объективах FL-F 300mm f/5.6 в 1969 году, и с тех пор он используется в объективах Canon FD, New FD, EF и многих других. Сегодня единственными сменными объективами для зеркальных камер, в которых используется флюорит, являются объективы EF.

Объективы UD

Использование флюорита для повышения качества супертелеобъективов стало общепризнанным, но еще осталась проблема, связанная с использованием флюорита в объективах других типов. Эта проблема состоит в чрезвычайно высокой стоимости процесса искусственного выращивания кристаллов флюорита. Вследствие этого разработчики объективов давно мечтали о специальном оптическом стекле, которое обладало бы свойствами флюорита, но стоило бы дешевле.

Это желание окончательно сбылось в последней половине 1970-х годов после разработки стекла UD (с ультра-низкой дисперсией). Коэффициент преломления и дисперсия стекла UD не такие низкие, как у флюорита, но все же значительно ниже, чем у остальных типов оптического стекла. Более того, стекло UD обладает необыкновенной парциальной дисперсией. Соответственно, стекло UD может дать почти такой же эффект, как и флюорит (две линзы UD эквивалентны одной флюоритовой), при правильном выборе сочетания линз и с учетом различных факторов, таких как фокусное расстояние.

Фото 1 — Кристаллы искусственного флюорита и флюоритовые линзы

Флюорит и/или стекло UD используются в различных объективах: EF 135mm f/2L USM и EF 600mm f/4L IS USM (группа телеобъективов и супертелеобъективов), а также EF 28-300mm f/3.5-5.6L IS USM, EF 70-200mm f/2.8L IS USM, EF 70-200mm f/2.8L USM, EF 70-200mm f/4L IS USM, EF 70-200mm f/4L USM и EF 100-400mm f/4.5-5.6L IS USM (зум-телеобъективы). Кроме того, линзы из стекла UD используются в широкоугольных объективах EF 24mm f/1.4L USM, EF 16-35mm f/2.8L USM, EF 17-40mm f/4L USM и EF 24-70mm f/2.8L USM для исправления хроматических аберраций. В 1993 году, после значительного повышения качества линз из обычного стекла UD, были разработаны линзы из улучшенного стекла «super UD», обеспечивающие почти такие же характеристики, как у флюорита, и использованные в объективе EF 400mm f/5.6L USM.

Быстрое развитие цифровой фотографии также привлекло внимание к исправлению хроматических аберраций фотографических объективов. Для решения этой задачи в будущем линзы из флюорита, стекла UD и «super UD» будут использоваться даже в большем количестве объективов EF, от широкоугольных до супертелеобъективов.