De grenzen opzoeken van alle mogelijkheden: Hoe Canon-ontwerpers het design van ultragroothoekobjectieven herdefiniëren

Toen Tatsuro Watanabe bij Canon ging werken, kondigde hij aan wat zijn intentie was: "het perfecte objectief creëren". Terugkijkend vindt hij die opmerking tijdens zijn eerste opdracht een tikje gênant – maar hij geeft toe: "Ergens geloof ik oprecht dat de RF 14mm F1.4L VCM nog wel eens de enige echte zou kunnen zijn."

Deze baanbrekende ultragroothoek prime-lens is een staaltje optische en mechanische bouwkunde. Een dergelijke lens zou onmogelijk te ontwerpen zijn geweest voor een spiegelreflexcamera: de ultragroothoek, super snelheid en (gezien de hoge specificaties), opmerkelijke compactheid.

De overgang van Canon naar systeemcamera-ontwerpen heeft het mogelijk gemaakt om objectieven te ontwikkelen die kleiner en lichter zijn dan ooit, aldus Tatsuro, die het optische design ontwierp voor de RF 14mm F1.4L VCM. "Eerder hadden we de EF 14mm f/2.8L II USM in ons assortiment voor EOS-spiegelreflexcamera's. Vergeleken met dit model weegt de RF 14mm F1.4L VCM in feite minder, maar toch is het maximale diafragma twee stops helderder.

"We ontwikkelden dit objectief met een sterke focus op zijn potentiële toepassing in sterrenlandschapsfotografie – een genre waarvoor een helder ultragroothoekobjectief met een brandpuntsafstand van rond de 14mm vereist is. Alleen hiermee kunnen zowel de sterrenhemel als aardse onderwerpen samen in één landschapsfoto worden vastgelegd. Dit maakt de kortst mogelijke belichtingstijd mogelijk, zodat de sterren worden weergegeven als scherpe, afzonderlijke puntjes licht."

Het wekt dan ook vast geen verbazing dat Tatsuro aan de slag ging om de beste lens voor astrofotografie te creëren, gezien zijn levenslange toewijding aan de astronomie. Niet alleen studeerde hij astronomie aan de universiteit – waar hij zich als vrijwilliger aanbood om in zijn zomervakantie een telescoop met een diafragma van 50 cm te bouwen – hij ontwikkelde ook apparatuur voor de 8,2 meter lange Subaru Telescope, bediend door de National Astronomical Observatory van Japan (NAOJ) in Hawaï.

Met de RF 14mm F1.4L VCM kon Tatsuro zich daarentegen focussen op compactere optica. Het geheim, waaraan ik te danken heb dat dit sterrenkundige objectief zo klein kon worden gemaakt, was de RF-vatting van Canon, legt hij uit. "De optische ontwerpen van RF-lenzen voor het EOS R System hebben een vatting met een grote diameter en een korte back-focus. Hierdoor kunnen lenselementen met een groter diafragma zich dichter bij het beeldvormingsvlak bevinden dan conventionele EF-lenzen."

Doordat grotere achterelementen dichter bij de sensor zijn geplaatst, hoeven lichtstralen niet zoveel te buigen. Hierdoor kan de beeldkwaliteit in het hele beeld gehandhaafd blijven – zelfs bij grote diafragma's. Dit is een belangrijke overweging als het gaat om de unieke vereisten voor astrofotografie.

"Krachtige optische prestaties zijn essentieel bij het maken van welke soort astronomische foto's dan ook," merkt Tatsuro op. "Sterren zijn heldere punten van licht verspreid over de hele hemel. Groothoekobjectieven met een korte brandpuntsafstand zullen vaak soorten aberration ervaren die beeldvertekening aan de randen van de foto veroorzaken. Om sterren vast te leggen als duidelijke, scherpe punten, moet het lensontwerp de beeldkwaliteit aan de buitenranden verbeteren."

Dit is een gebied waarin de RF 14mm F1.4L VCM uitblinkt. Dit objectief levert buitengewone prestaties tot in elke hoek van het beeld. "De RF 14mm F1.4L VCM heeft een luxueuze lensconfiguratie, met onder andere GMo asferische lenselementen, fluorietmateriaal voor de correctie van chromatische aberration, UD-lenzen en optische BR-elementen, samen met geavanceerde coatingtechnieken," aldus Tatsuro. "Dit is een uiterst bijzonder objectief, vol met de krachtige optische technologieën van Canon."

De RF 14mm F1.4L VCM legt sterren vast met opmerkelijke scherpte, zelfs aan de randen van het beeld, waarbij zijn drie asferische GMo-lenselementen een sleutelrol spelen. Deze gespecialiseerde elementen onderdrukken sagittale coma-overstraling – het effect waardoor sterren en andere puntlichtbronnen uitgerekt ogen, of komeetvormig naar de hoeken toe. Dit effect is met name goed merkbaar bij het gebruik van volledig geopende groothoekobjectieven – uitgerekend de combinatie die onder astrofotografen vaak zo gewild is. Het designteam van Canon heeft er echter voor gezorgd dat het objectief scherpe sterren levert over het hele beeld, zelfs op f/1.4.

"Twee van deze lenselementen zijn aan de voorzijde van het objectief geplaatst, terwijl het derde zich in de achterste scherpstellingsgroep bevindt," legt Tatsuro uit. "Het voorste asferische GMo-lenselement heeft een grote diameter, waardoor het moeilijk te fabriceren is. Door nauw samen te werken met onze fabrieken, hebben we systematisch elk van deze productie-uitdagingen aangepakt, één voor één."

Het team verwerkte ook een UD-lenselement en optische BR-elementen om chromatische aberration nog verder te onderdrukken. Het optische BR-element (Blue Spectrum Refractive) wordt gevormd uit kunsthars, legt Tatsuro uit. Vervolgens wordt dit als laag tussen een bol en een hol lenselement gemonteerd en gepositioneerd nabij het midden van het objectief, net achter de diafragmalamellen. "Dit lenselement breekt kortere golflengten in het blauwe spectrum in aanzienlijke mate," aldus Tatsuro. "Doordat het dit doet, minimaliseert het chromatische aberration van puntlichtbronnen nabij het midden van de foto."

Subwavelength Structure Coating (SWC) en Air Sphere Coating (ASC) werden ook toegepast op bepaalde oppervlakken om overstraling en reflecties te onderdrukken.

"Ultragroothoekobjectieven zijn vaak voorzien van een groot, naar buiten uitstekend element aan de voorzijde waardoor licht vanuit diverse hoeken naar binnen kan vallen," zegt Tatsuro. "In sommige gevallen zijn geïntegreerde zonnekappen en standaard lenscoatings niet afdoende om reflecties en overstraling volledig te voorkomen.

"SWC is een bijzonder geavanceerde technologie, ontworpen om reflecties van licht dat het objectief onder schuine hoeken binnenkomt, sterk te verminderen. Deze speciale coating vormt structuren van nanometerformaat op het oppervlak van de lens, waarmee het een krachtige reflectiewerende laag creëert."

ASC, voegt hij toe, is vooral effectief tegen reflecties van licht dat van dichtbij binnenkomt onder een verticale hoek. "ASC vormt een laagje op het lensoppervlak dat siliciumdioxide en lucht bevat. Door er lucht in op te nemen – dat een lagere brekingsindex heeft dan optisch glas – in een specifieke verhouding, wordt een coating bereikt met een ultralage brekingsindex."

Het baanbrekende van de RF 14mm F1.4L VCM zit hem niet alleen in het optische design ervan. Een van de belangrijkste doelstellingen van het team was om een dergelijk krachtig prime-objectief zo draagbaar mogelijk te houden.

"Het gebruik van een VCM (Voice Coil Motor) focus actuator – algemeen toegepast in alle hybride RF prime F1.4L-objectieven – zorgt voor een significante vermindering van het formaat en gewicht van deze objectieven," legt Naoki Saito uit. Hij was verantwoordelijk voor het elektronische ontwerp van de RF 14mm F1.4L VCM.

"Eerder was de enige optie voor aandrijving van een zware groep van lenselementen, zoals toegepast in dit objectief, een ringvormige USM. Omdat de diameter van een motor van het ring-type de minimale diameter van het objectief zelf bepaalt, is het uiterst moeilijk om een compacter objectief te ontwikkelen op basis van deze motortechnologie."

Vanuit mechanisch standpunt gezien, is voor de ringvormige USM ook een grote ondersteunende structuur vereist, voegt Nobuyuki Nagaoka toe. Hij leidde het mechanische ontwerp van de RF 14mm F1.4L VCM. "Waar dit geen factor is bij grote objectieven van het type telefoto, wordt dit wel een belangrijke hindernis wanneer je probeert de lensgrootte te verkleinen aan het kortere uiteinde. Een VCM daarentegen biedt een grotere mate van ontwerpvrijheid, doordat het de grootte en het gewicht van de unit verkleint, terwijl het toch de hoge krachtigheid biedt die nodig is om de lensgroep voor scherpstelling te bewegen."

Ondanks het gebruik van compacte VCM, vormde de beperkte beschikbare ruimte voor interne structurele componenten – de 'hoofdbasis' genoemd – een andere uitdaging, legt Nobuyuki uit. "Het lastigste deel van het mechanische ontwerp was om ervoor te zorgen dat de dragende constructie sterk genoeg was, terwijl het ook nog plaats moest bieden aan de actuators en flexibele printplaten," zegt hij.

Om die reden heeft Canon de RF 14mm F1.4L VCM ontworpen, puur omwille van de hogere beeldkwaliteit, waarbij vertekening elektronisch door de camera wordt gecorrigeerd.

Objectiefcorrecties in de camera gaan met de nieuwste EOS R-systeemcamera's snel en uiterst effectief, waardoor de ontwerpers van Canon zich weer kunnen concentreren op het optimaliseren van de objectieven voor prestaties en draagbaarheid.

"Hierdoor behaalden we optische prestaties die gelijkwaardig zijn aan die van objectieven die vertekening elimineren met optische methoden, terwijl we ze tegelijkertijd in grootte en gewicht wisten te verkleinen," voegt Tatsuro toe. "Dit objectiefontwerp was alleen mogelijk doordat Canon haar eigen objectieven fabriceert en ervoor kan zorgen dat deze gelijke tred houden met de camera."

De RF 14mm F1.4L VCM levert niet alleen uitstekende prestaties voor professionele fotografie, maar is ook een innovatief hybride objectief dat is ontworpen met het oog op video-opnamen. Het is bijvoorbeeld voorzien van een op maat gemaakte irisring, voor een soepele en stille diafragmawerking tijdens het maken van filmopnamen. Ook heeft het een cirkelvormig diafragma met 11 lamellen voor cinematografische bokeh en hooglichten.

De ontwerpers richtten zich ook op het minimaliseren van de focus breathing om afleidende verschuivingen in de beeldhoek te onderdrukken wanneer het objectief heen en weer beweegt tijdens het scherpstellen. Om dit te bereiken, gebruikten ze een andere optische rangschikking ten opzichte van de andere hybride RF prime-objectieven. Ze voegden een extra lenselement toe aan de lensgroep voor scherpstelling en namen een hol GMo asferisch lenselement op in het ontwerp.

"Vanwege de kenmerken van de ontworpen objectiefconstructie, is er vaak een belangenafweging tussen verbetering van optische prestaties en de onderdrukking van focus breathing," legt Tatsuro uit. "Door het objectiefontwerp van dit model echter zorgvuldig te configureren, wisten we zowel een uitstekende beeldkwaliteit als een reductie in focus breathing te realiseren."

Meer lenzen toevoegen aan de scherpstellingsgroep houdt onvermijdelijk een gewichtstoename in. Maar, zoals Naoki benadrukt, op dat punt komen de vaardigheden van Canons elektronica- en mechanica-ontwerpers goed van pas.

"VCM's zijn actuators die grote kracht leveren maar toch werken met weinig geluid of trillingen. Om de werking hiervan goed af te stellen, is bijzonder technisch vernuft benodigd," aldus Naoki. "Zo vergt het bijvoorbeeld een heel zorgvuldige, nauwgezette afstelling om zware lensgroepen op hoge snelheden te bewegen en deze abrupt weer te stoppen, terwijl bij dit alles ook nog zo min mogelijk trillingen mogen ontstaan. Bij het opnemen van films is een nauwkeurige bediening essentieel om geluid van de aandrijving tot een absoluut minimum te beperken. Canon overwon deze uitdagingen door bedieningsalgoritmen te ontwerpen en de mechanische structuren te bouwen die deze mogelijk maken."

De RF 14mm F1.4L VCM is het bewijs van de toewijding, vaardigheden en ervaring van de objectieftechnici van Canon. Het levert een uitzonderlijk beeld, afkomstig van een verbazingwekkend lichtgewicht ontwerp – kwaliteit zonder kwantiteit. Het schept ook nieuwe verwachtingen als het gaat om haalbare prestaties van ultragroothoekobjectieven met een groot diafragma.

"Dit objectief is met uiterste zorgvuldigheid vervaardigd. Met een ontwerp waarin diverse factoren zijn afgewogen, zoals optische prestaties, maar met een specifieke nadruk op de vastlegging van sterrenlandschappen," aldus Tatsuro. "We zochten naar manieren om diverse soorten aberrations te minimaliseren die de beeldkwaliteit nadelig beïnvloeden. Het resultaat is een objectief dat scherpe, precieze beelden levert, helemaal tot aan de randen van de afbeelding.

"We streven ernaar objectieven te ontwikkelen waarmee fotografen nieuwe uitdrukkingsmogelijkheden ontdekken die voorheen buiten bereik lagen," voegt hij hieraan toe. "Via de nieuwste technologieën willen we objectieven creëren met een uitgebreider scala aan opnamemogelijkheden. Die kleiner en lichter zijn. Met uitstekende prestaties zonder extra gewicht of omvang. Want het laatste dat we zouden willen is dat fotografen hierdoor afzien van het gebruik van een dergelijk objectief. We zijn ervan overtuigd dat we hierin met de RF 14mm F1.4L VCM volledig zijn geslaagd."