Линзы DO

Линзы DO

Линза DO (многослойный дифракционный оптический элемент)

Дифракционные оптические элементы, как следует из их названия, используют явление дифракции. Они привлекли большое внимание за способность устранять хроматические аберрации лучше, чем флюоритовые линзы или линзы из стекла UD, несмотря на свою асимметричную форму. Тем не менее, встраивание таких элементов в фотообъективы было затруднено, в основном из-за проблем дифракционных бликов. Компания Canon решила эту проблему, разработав так называемую линзу DO, имеющую уникальную структуру, и став первым в мире производителем объективов, который встроил эту линзу в фотообъектив. Первая модель объектива с использованием этой линзы, EF 400mm f/4 DO IS USM, -является супертелеобъективом, в котором компактность и малый вес сочетаются с выдающимся качеством изображения.

Дифракция

Это явление, при котором световые волны попадают в тень объекта после прохождения рядом с краем этого объекта.

Рис. 1 — Дифракция

Дифракционный блик является общим дифракционным явлением и наблюдается в фотообъективах при малом диаметре диафрагмы. Это явление — следствие волновой природы света. Поскольку дифракционные блики представляют собой действительно нежелательные световые лучи, которые ухудшают качество изображения проходя за диафрагму, то этот же принцип можно использовать для управления направлением лучей света.

Рис. 2 - Принцип формирования дифракции света

Например, при прохождении света через две щели, расположенные очень близко друг к другу, возникают блики такого же типа, что и при использовании маленькой диафрагмы. В этом случае, как показано на рисунке внизу, существует определенное направление, вдоль которого световые волны распространяются легче. Направление, в котором волны распространяются более интенсивно, — это направление, при котором совпадают фазы световых волн, рассеянных на двух щелях. Поэтому световые волны распространяются, взаимно усиливая друг друга в нескольких направлениях: в одном направлении они сдвигаются на один период и накладываются, в другом направлении они сдвигаются на два периода и накладываются и т.д.

Направление, в котором волны сдвигаются на один период (на одну длину волны) и накладываются, называется первичной дифракцией, а эта конструкция со щелями называется дифракционной решеткой.

Особенности дифракционной решетки:

• При изменении расстояния между щелями (периода решетки) изменяется направление дифракции.
• Чем больше порядок дифракции, тем больше степень дифракции ( «угол дифракции»).
• Свет с большими длинами волн отклоняется на больший угол дифракции.

Однослойные дифракционные оптические элементы

Поскольку щелевые дифракционные решетки (дифракционные решетки амплитудного типа) перекрывают свет для формирования дифракции света, они не могут использоваться в оптических системах. Были предложены дифракционные решетки фазового типа, в которых решетка имела бы пилообразную форму и не преграждала путь свету. Дифракция создавалась бы с помощью дифракционной решетки в форме концентрических окружностей, как с помощью линзы Френеля. Из-за частичного изменения периода решетки (шага решетки), можно было бы достичь эффекта, идентичного действию асферической линзы, позволяя решать различные проблемы, в том числе исправлять сферические аберрации. Как указано выше, угол дифракции света, выходящего из дифракционной решетки, увеличивается при больших длинах волн. Другими словами, свет с большей длиной волны создает изображение ближе к дифракционной решетке, в то время как свет с более короткой длиной волны создает изображение дальше от нее. В противоположность этому, при прохождении через преломляющую линзу (выпуклую линзу) с положительной оптической силой, свет с более короткой длиной волны создает изображение ближе к линзе, в то время как свет с большей длиной волны создает изображение дальше от нее. Это означает, что хроматические аберрации преломляющей линзы и дифракционного оптического элемента расположены в обратном порядке. Если их объединить, они могут взаимно нейтрализовать и эффективно корректировать хроматические аберрации. В отличие от предыдущих методов компенсации хроматических аберраций, в которых сочетались собирающие и рассеивающие линзы, в новом методе используется только собирающая линза, что позволяет снизить оптическую силу каждой группы линз в объективе и, следовательно, более эффективно исправлять другие аберрации помимо хроматической.

Фото 1 - Линза DO

Разработка линз DO

Однослойные дифрационные оптические элементы, хотя и используются в оптических устройствах считывания для проигрывателей CD и DVD, в которых применяются лазеры, не пригодны для фотографических объективов. Это вызвано тем, что, в отличие от лазерного света, свет в фотографических объективах (видимая область) состоит из большого числа волн различной длины. Для использования дифракционного оптического элемента в фотообъективе весь свет, попадающий в объектив, должен на 100% дифрагировать.

Рис. 3 - Конструкция линзы DO (иллюстрация)

Рис. 5 - Принцип коррекции хроматической аберрации с помощью линзы DO

В случае объектива EF 400mm f/4 DO IS USM линза DO содержит два однослойных дифракционных оптических элемента с концентрическими круговыми дифракционными решетками, которые обращены друг к другу (рис. 6). Так как свет, входящий в линзу, не формирует нежелательных дифракционных лучей, линза DO использует почти весь свет как фотографический свет, что позволяет использовать ее в фотообъективах.

Рис. 6 - Разница в дифракции света на однослойном дифракционном оптическом элементе и на линзе DO

Реальная линза DO изготавливается из стеклянной сферической линзы, а дифракционная решетка формируется в шаблоне из специального пластика. Толщина дифракционной решетки составляет всего несколько микрон, а период решетки постепенно изменяется от нескольких миллиметров до нескольких десятков микрон. Для формирования этой дифракционной решетки период дифракционной решетки, высота и позиционирование должны контролироваться с погрешностью не более микрона.

Фото 2 — Объектив с установленной линзой DO

Для достижения такой точности использовались различные технологии, в том числе технология трехмерной микрообработки сверхвысокой точности, разработанная специально для этих целей, а также технология производства опорных асферических линз, развитая при разработке объективов EF, технология сверхточного позиционирования и многие другие.

Создание более компактных объективов

Используя объектив EF 400mm f/4 DO IS USM в качестве примера, рассмотрим процесс уменьшения размеров телеобъектива за счет применения линз DO. При использовании дифракционных оптических элементов изображения с длиной волны 400 нм, 500 нм и 600 нм формируются на одинаковых расстояниях друг от друга вдоль оптической оси. Однако при использовании преломляющих оптических элементов изображения с этими же длинами волн формируются на разных расстояниях друг от друга, так как оптическое стекло обладает нелинейными характеристиками дисперсии. Соответственно, для максимальной компенсации хроматических аберраций с использованием линзы DO использовались следующие методы.

Рис. 7 - Принцип уменьшения оптики с использованием дифракционной линзы

На рис. 7-1 показан объектив 400mm f/4, разработанный с  использованием только обычных преломляющих оптических элементов. Если, как показано на рис. 7-2, оптическая сила каждой линзы возрастает и линзы располагаются ближе друг к другу для создания более компактного объектива, то хроматические аберрации (в особенности для синего света) ухудшаются в значительной степени. Это означает, что для компенсации хроматической аберрации использования элемента дифракционной оптики не достаточно. Поэтому, как показано на рис. 7-3, дисперсия каждого элемента объектива была оптимизирована таким образом, чтобы выровнять величину хроматической аберрации по длинам волн. Наконец, как показано на рис. 7-4, для завершения исправления хроматической аберрации линза DO с соответствующей оптической силой была помещена перед передней линзой объектива. Таким образом, по сравнению с оптическими системами, содержащими только обычные преломляющие оптические элементы, в объективе EF 400mm f/4 DO IS USM на 27% сокращена длина (317 мм ? 232,7 мм) и на 31% снижен вес (3000 г ? 2080 г), что превращает его в действительно компактный легкий объектив (Рис. 8).

Рис. 8 — Компактный объектив с фиксированным фокусным расстоянием благодаря использованию дифракционной линзы

Улучшенное качество изображения

Так как линза DO, раположенная в передней группе, почти полностью нейтрализует хроматические аберрации, формирующиеся в группе преломляющих линз, остаточные хроматические аберрации подавляются до исключительно низкого уровня. А вследствие того, что дифракционные оптические элементы также отличаются асферическими свойствами, сферические аберрации также эффективно исправляются, позволяя достичь исключительного качества изображения с высоким разрешением и контрастностью. В будущем линзы DO будут использоваться во многих объективах EF как новые оптические элементы, которые превосходят флюоритовые, UD и асферические линзы.

Трехслойная линза DO

В принципе, линза DO позволяет также создавать более компактные зум-объективы. Однако использование двухслойной  линзы   DO,   примененной   в   объективе EF 400mm f/4 DO IS USM, в зум-объективах затрудняется следующими причинами.

В объективах с фиксированным фокусным расстоянием, таких как EF 400mm f/4 DO IS USM, свет входит в объектив, в основном, под определенным углом (угол падения). В зум-объективах, однако, угол зрения изменяется при изменении фокусного расстояния, поэтому угол падения также подвергается значительному изменению. При использовании обычных линз DO изменение угла падения привело бы к формированию дифракционных пучков света, которые не пригодны для формирования фотографии, вызывают блики и значительно снижают качество фотографии. Дли решения этой проблемы компания Canon разработала трехслойные линзы DO, новый тип линз DO с тремя дифракционными решетками, расположенными на оптической оси, которые могут компенсировать изменения фокусного расстояния. При использовании трех слоев дифракционных решеток дифракционные пучки не возникают даже при изменении угла входа света в линзу DO, поэтому практически весь падающий свет можно использовать для формирования фотографического изображения (рис. 9). Трехслойная линза DO была впервые применена в объективе EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM. Ниже приведено описание процесса, с помощью которого удалось изготовить этот компактный объектив.

Рис. 9 — Отличия в дифракции на двухслойной и трехслойной дифракционной линзах

1. Преломление каждой линзы в базовой оптической схеме объектива (EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM) было увеличено, а расстояние между отдельными линзами было сокращено.
2. Хроматические и сферические аберрации, которые ухудшились при уменьшении объектива, одновременно были скомпенсированы трехслойной линзой DO, расположенной перед передней линзой.

В результате объектив EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM стал на 30% короче (142,8 мм ?99,9 мм), чем обычный объектив EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM (рис. 10), в котором использовались только преломляющие оптические элементы; в нем скомпенсированы все остаточные хроматические и сферические аберрации и достигнуто высокое качество изображения, сравнимое с качеством объективов типа L.

Рис. 10 — Компактный зум-объектив с использованием дифракционной линзы

По материалам сайта CANON.RU