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

Fotografen noemen objectieven soms kortweg 'glas', maar ze zijn natuurlijk veel complexer dan gewoon een stukje glas. Bovendien zijn de optische elementen in moderne objectieven soms helemaal niet van glas, maar bijvoorbeeld van fluoriet gemaakt.

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.

Wat betekent dit voor de beelden die je maakt? Wanneer licht door een lens gaat, breekt het. Dat wil zeggen dat de lichtstraal afbuigt. Het licht valt bovendien uiteen in de kleuren waaruit het bestaat, net als wanneer licht door een prisma gaat. 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.

Bij glaselementen treedt altijd chromatische aberratie op. Deze lensfout ontstaat wanneer de lens niet in staat is om alle verschillende kleuren (golflengten van licht) in hetzelfde brandpunt te laten samenkomen. In de ergste gevallen komen soms zelfs kleurafwijkingen langs randen voor. Een lenselement van fluoriet heeft een lagere brekingsindex, waardoor het effect wordt verminderd.

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 lenselementen. Het nadeel is dat het vier keer zo lang duurt om een fluorietelement te slijpen in vergelijking met een glaselement. Dat is een van de redenen waarom een objectief uit de 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 lenzen sferisch. Deze lensvorm is het makkelijkst te maken, maar niet het meest geschikt om een scherp beeld te produceren, omdat deze lenzen parallelle stralen van licht niet op hetzelfde punt kunnen laten samenkomen. Dit veroorzaakt een probleem dat sferische aberratie wordt genoemd. Ontwerpers van lenzen ontdekten dat een asferische lensvorm deze sferische aberratie elimineert, omdat de kromming van de lens 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 lenselement. 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 lenselementen 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 lenselementen helpen vertekening in groothoekobjectieven te compenseren. Daarnaast compenseren ze (of elimineren zelfs) sferische aberratie in objectieven met een enorm grootste diafragma. Bovendien stellen ze Canon in staat om compactere objectieven te maken dan voorheen mogelijk was toen alleen sferische lenselementen werden gebruikt.

Het slijpen en polijsten van een asferisch lenselement is een tijdrovend en kostbaar proces, maar dankzij nieuwe productietechnieken is het nu ook mogelijk om asferische objectieven te gieten. 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.

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.

UD-glas (Ultra-low Dispersion) en Super-UD-glas verschenen nadat Canon fluoriet succesvol in een aantal van haar lenzen 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 lenzen 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 lenselementen van zowel UD-glas als fluoriet gecombineerd voor het verkrijgen van optimale 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 lenselement 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 de eigenschappen van asferische en fluorietelementen worden gecombineerd om kleinere, lichtere objectieven te krijgen met betere prestaties bij kleinere diafragma's.