OBIETTIVI

Obiettivi in fluorite, asferici, UD e BR

Gli obiettivi Canon fondono materiali e tecnologie all'avanguardia sviluppati appositamente per ridurre le aberrazioni e migliorare la qualità dell'immagine. Scopri qui alcuni dei più importanti.

A volte i fotografi usano in modo improprio il termine "vetro" per riferirsi agli obiettivi, ma ovviamente si tratta di molto più che semplici pezzi di vetro; anzi, a volte gli elementi ottici degli obiettivi moderni sono realizzati in materiali diversi, come fluorite, plastica e diversi tipi di vetro. Tutti questi materiali, ognuno con proprietà uniche, vengono utilizzati per migliorare le prestazioni ottiche, dalla riduzione delle aberrazioni al miglioramento della nitidezza e del contrasto.

In questa guida esploreremo alcuni dei materiali e delle tecnologie utilizzate negli elementi degli obiettivi e il modo in cui contribuiscono a migliorare la qualità dell'immagine.

Che cos'è l'aberrazione cromatica?
Lenti in fluorite
Lenti sferiche e asferiche a confronto
Produzione degli elementi asferici
Vetro UD (Ultra-low Dispersion)
Elementi ottici rifrangenti dello spettro del blu (BR)

Schema delle diverse lunghezze d'onda della luce rifrante in misura diversa quando attraversano una lente, con la conseguente creazione di aloni colorati ai bordi.

L'aberrazione cromatica è intrinseca alle lenti in vetro perché le diverse lunghezze d'onda della luce vengono rifrante in misura diversa.

Schema di un obiettivo con elemento ottico BR, in cui le diverse lunghezze d'onda della luce vengono messe a fuoco nello stesso punto.

Materiali con una minore dispersione, come la fluorite, possono essere d'aiuto, così come nuove tecnologie quali le ottiche rifrangenti dello spettro del blu (BR) qui descritte, in grado di controllare, in particolare, il percorso della luce blu-con lunghezza d'onda corta, riducendo al minimo la creazione di bordi blu.

Che cos'è l'aberrazione cromatica?

Quando la luce attraversa una lente, si rifrange, ovvero si piega. Inoltre, i diversi colori (lunghezze d'onda della luce) vengono rifratti in misura diversa, e il risultato è che la luce si scompone nei colori che la compongono, proprio come se passasse attraverso un prisma.

Questo fenomeno si chiama aberrazione cromatica. Significa che l'obiettivo non è in grado di far convergere tutti i diversi colori nello stesso punto di messa a fuoco e produce un'immagine sfocata. Nei casi peggiori, si possono vedere dei bordi colorati.

L'aberrazione cromatica è intrinseca agli elementi in vetro a causa delle proprietà fisiche del vetro, ma altri materiali possono attenuare in parte il problema. A un indice di rifrazione inferiore del materiale dell'obiettivo corrisponde una minore curvatura della luce e una maggiore nitidezza dell'immagine. Analogamente, a un rapporto di dispersione inferiore, corrisponde una minore scissione della luce che semplifica la correzione dell'aberrazione cromatica.

Vale la pena sottolineare che, oltre alle soluzioni ottiche, Canon ha sviluppato metodi avanzati per gestire l'aberrazione cromatica nelle immagini in post-produzione. La tecnologia della rete neurale di Canon sfrutta l'intelligenza artificiale per analizzare le immagini, rilevare l'aberrazione cromatica e correggerla in modo intelligente, ottenendo immagini pulite e nitide con colori realistici.

Cristalli di fluorite naturali e sintetici raffigurati con lenti in fluorite.

La fluorite è un cristallo presente in natura, ma di dimensioni molto piccole. Canon crea artificialmente i propri cristalli di fluorite e ha sviluppato tecniche di molatura di questa fragile sostanza per ottenere elementi ottici perfetti.

Cinque lenti asferiche di varie dimensioni.

Paradossalmente lenti perfettamente sferiche causano aberrazioni, poiché non mettono a fuoco i raggi di luce. Canon ha sviluppato lenti asferiche che utilizzano la propria curvatura per convergere i raggi di luce in un unico punto.

Lenti in fluorite

La fluorite è un cristallo presente in natura con tre proprietà speciali che la rendono estremamente adatta alla fabbricazione di obiettivi: trasmette bene la luce infrarossa e ultravioletta, ha un indice di rifrazione molto basso e una bassa dispersione. Questo significa che le lenti in fluorite riducono notevolmente l'aberrazione cromatica rispetto a quelle in vetro.

Già nel XIX secolo, i cristalli naturali di fluorite venivano usati nelle lenti dei microscopi, ma in natura la fluorite si trova in cristalli molto piccoli, che non sono adatti agli obiettivi fotografici. Per ovviare a questo problema, Canon sviluppa artificialmente i propri cristalli di fluorite in quantità tali da permettere la fabbricazione di obiettivi fotografici.

Il passo successivo consiste nel molare la fluorite per ricavarne le lenti e rappresenta un'altra sfida, dal momento che la fluorite è difficile da molare. Tuttavia, gli ingegneri di Canon hanno sviluppato una tecnica di molatura innovativa che garantisce elementi ottici perfetti. Lo svantaggio è che la molatura degli elementi in fluorite richiede tempi quattro volte più lunghi rispetto al vetro, tra i motivi alla base del prezzo più alto degli obiettivi Canon serie L. Il risultato, tuttavia, è un obiettivo che elimina del tutto l'aberrazione cromatica, regalando immagini più nitide, dal momento che la luce viene registrata come un punto e non come un insieme indistinto di colori.

Il primo obiettivo Canon con un elemento in fluorite è stato l'obiettivo FL-F 300mm f/5.6, prodotto nel 1969.

Schema di una lente sferica, in cui raggi paralleli di luce vengono dispersi, in modo da non convergere nello stesso punto di messa a fuoco.

Le lenti sferiche sono le più facili da realizzare, ma disperdono i raggi di luce che le attraversano, in modo che non convergano nello stesso punto di messa a fuoco.

Schema di una lente asferica, in cui i raggi di luce convergono in un punto nitido.

In un elemento asferico, la sottile curvatura della lente può essere usata per far convergere i raggi di luce e metterli a fuoco. Il grado di asfericità della lente è notevolmente esagerato in questa immagine; nella realtà, non è visibile a occhio nudo.

Lenti sferiche e asferiche a confronto

Inizialmente tutte le lenti erano sferiche. Sono le lenti più semplici da realizzare, ma non sono ideali per ottenere immagini nitide, in quanto non riescono a far convergere nello stesso punto raggi di luce paralleli. Ciò causa il problema denominato aberrazione sferica. I progettisti di obiettivi hanno poi scoperto che una lente asferica avrebbe eliminato questo tipo di aberrazioni poiché la sua curvatura poteva essere utilizzata per far convergere i raggi di luce in un unico punto. Tuttavia, conoscere la teoria è una cosa, metterla in pratica è un'altra.

Il grado di asfericità è talmente piccolo che sono stati creati processi produttivi ad hoc per rimanere all'interno della tolleranza richiesta di 0,1 micron. Misurare la curvatura richiede una precisione ancora maggiore. Si è dovuto aspettare il 1971 per vedere il primo obiettivo per fotocamera reflex con lente asferica: Canon FD55mm f/1.2AL. Ciononostante, non era perfetto. Sono serviti altri due anni prima che le tecniche produttive raggiungessero i livelli necessari per ottenere evidenti miglioramenti della nitidezza dell'immagine.

Oggi, le lenti asferiche vengono molate e lucidate con una precisione tale che se il grado di asfericità si discosta di soli 0,02 micron (un cinquantamillesimo di millimetro) dall'ideale, l'elemento viene scartato.

Le lenti asferiche contribuiscono a compensare la distorsione negli obiettivi grandangolari e a compensare (o persino eliminare) le aberrazioni sferiche negli obiettivi con un'ampia apertura massima. Permettono, inoltre, a Canon di produrre obiettivi più compatti rispetto a quanto era possibile fare usando soltanto lenti sferiche. Questo perché i modelli di obiettivi tradizionali presentavano una complessa disposizione di più elementi per ridurre al minimo le aberrazioni, ma una singola lente asferica può svolgere lo stesso compito, dando vita a un obiettivo più leggero e compatto con una nitidezza superiore.

Un diagramma che illustra la tecnologia di produzione delle lenti asferiche smerigliate di Canon.

Canon impiega quattro diverse tecnologie per produrre le lenti asferiche. Gli elementi smerigliati di precisione (A) richiedono la maggiore quantità di tempo e risorse.

Un diagramma che illustra la tecnologia di produzione delle lenti asferiche in plastica stampata di Canon.

Lo stampaggio plastico (B) è il più flessibile e consente di produrre un'enorme varietà di forme di lenti a un costo inferiore. Questa è la tecnologia utilizzata negli obiettivi compatti e leggeri come Canon RF 50mm F1.8 STM e gli obiettivi RF-S: le forme richieste non possono essere prodotte utilizzando la modellatura del vetro e gli elementi asferici smerigliati avrebbero costi proibitivi.

Produzione degli elementi asferici

Gli elementi asferici smerigliati vengono smerigliati e lucidati singolarmente con estrema precisione. Il processo è adatto a diversi tipi di vetro e può essere utilizzato per produrre elementi asferici di grande diametro rispetto alle lenti sferiche.

La molatura e la lucidatura di una lente asferica sono processi lunghi e costosi, ma oggi i progressi produttivi consentono anche di ottenere lenti asferiche stampate. Le lenti asferiche in plastica stampata (PMo) vengono formate iniettando resina di grado ottico in uno stampo con superficie asferica, con rivestimenti poi applicati per rifinire la lente. Questi elementi hanno il vantaggio di essere leggeri, possono essere prodotti in serie in quantità maggiori e a costi inferiori e hanno permesso di migliorare notevolmente la qualità dell'immagine degli obiettivi di livello base.

Le lenti asferiche in vetro (GMo) di grande diametro sono prodotte utilizzando vari tipi di vetro ottico ammorbidito ad alte temperature e poi modellato in uno stampo metallico asferico. Naturalmente gli stampi devono essere realizzati con la massima precisione per garantire che il vetro fuso assuma la forma esatta. È necessario, inoltre, tenere in considerazione la variazione delle dimensioni dell'elemento dopo che il vetro si è raffreddato ed è stato lucidato.

Un diagramma che illustra la tecnologia di produzione delle lenti asferiche in vetro stampato di Canon.

La modellatura del vetro (C), sebbene meno flessibile della plastica, produce lenti asferiche con la durata e gli altri vantaggi del vetro ottico, a un costo inferiore rispetto agli elementi smerigliati.

Un diagramma che illustra la tecnologia di produzione delle lenti asferiche replica di Canon.

Le lenti asferiche replica (D) sono prodotte incollando uno strato di resina asferica su una lente di vetro sferica.

La modellatura del vetro consente la produzione in quantità e gli elementi risultanti mantengono le proprietà di resistenza ai graffi e al calore del vetro. Sebbene sia un processo di precisione, la produzione di elementi stampati è meno costosa rispetto a quella di elementi molati, il che li rende adatti per gli obiettivi di largo consumo.

Nel 1990, Canon ha sviluppato una quarta tecnologia per produrre lenti asferiche "replica", utilizzando una resina per formare uno strato superficiale asferico su un elemento sferico. La resina ottica viene aggiunta a una lente di vetro sferica, pressata da uno stampo con superficie asferica e quindi indurita con luce ultravioletta. Questo processo può essere utilizzato con diversi materiali di vetro e diverse dimensioni della base, offrendo un'elevata flessibilità di progettazione. Oltre ad essere convenienti, le lenti asferiche replica sono anche più leggere delle loro controparti smerigliate.

Essendo l'unico produttore che utilizza quattro diverse tecnologie di produzione delle lenti asferiche, Canon è in grado di soddisfare numerose esigenze scegliendo la più appropriata di queste tecnologie per ogni elemento dell'obiettivo richiesto.

Una foto scattata nel corridoio di un magazzino tra file di scaffali, con gli elementi verticali e orizzontali deformati dalla distorsione a barilotto.

Gli obiettivi grandangolari sono soggetti alla distorsione a barilotto (qui esagerata), mentre i teleobiettivi sono soggetti a quella opposta, la distorsione a cuscino. Gli elementi asferici possono contribuire a correggere tali distorsioni, anche se il loro effetto varia a seconda della loro posizione rispetto agli altri elementi all'interno della configurazione dell'obiettivo. Per esempio, se gli elementi asferici si trovano vicino alla parte anteriore dell'obiettivo, saranno efficaci per correggere la distorsione a barilotto.

Vetro ultra-low dispersion

Il vetro UD (ultra-low dispersion) e il vetro Super-UD hanno fatto la propria comparsa dopo che Canon è riuscita a integrare la fluorite in alcuni dei suoi obiettivi. Usare il vetro ottico invece della fluorite per correggere le aberrazioni cromatiche è più conveniente, perciò Canon ha concentrato la propria ricerca su obiettivi a elevate prestazioni realizzati in vetro ottico. Negli anni Canon ha utilizzato più di 100 tipi di vetro nei propri obiettivi, tutti con proprietà leggermente diverse.

Il vetro UD è simile alla fluorite perché ha un basso indice di rifrazione e una bassa dispersione. Pur non essendo all'altezza della fluorite, offre prestazioni notevolmente migliori del comune vetro ottico. Perciò, grazie al vetro UD Canon è riuscita a realizzare una gamma di obiettivi con prestazioni superiori e costi più contenuti rispetto al passato.

In molti obiettivi serie L, sono stati combinati elementi in vetro UD e in fluorite per ottenere risultati ottimali. Questa tecnologia si adatta a diversi tipi di obiettivi, dal grandangolare al teleobiettivo.

Schema di un obiettivo con ottiche rifrangenti dello spettro del blu (BR), che mostra l'elemento BR schiacciato tra una lente convessa e una concava.

L'innovativo elemento ottico BR di Canon è schiacciato tra due lenti di vetro, una convessa (in alto) e una concava (in basso), per controllare il percorso della luce blu e ridurre al minimo l'aberrazione cromatica.

Obiettivo Canon RF 85mm F1.2L USM.

L'obiettivo RF 85mm F1.2L USM è il primo degli obiettivi RF Canon di ultima generazione con tecnologia BR integrata. Utilizza inoltre vetro UD e un elemento asferico di precisione per eliminare le aberrazioni sferiche causate da un'ampia apertura massima.

Elementi ottici rifrangenti dello spettro del blu (BR)

La luce blu (lunghezza d'onda corta) crea particolari problemi agli ingegneri ottici, poiché è difficile correggerne il percorso attraverso una lente allo stesso modo della luce verde e rossa (maggiori lunghezze d'onda), determinando la possibile creazione di bordi blu.

Tuttavia, nell'agosto 2015 Canon ha presentato EF 35mm f/1.4 L II USM, il primo obiettivo dotato di elemento ottico rifrangente dello spettro del blu (BR). L'elemento BR usa un nuovo elemento ottico organico con caratteristiche di dispersione diverse dagli elementi standard. Si trova tra due lenti di vetro, una concava e una convessa, per controllare il percorso della luce blu e ridurre al minimo l'aberrazione cromatica.

Canon continua a sviluppare nuovi materiali ottici per ampliare ulteriormente le possibilità di progettazione e fabbricazione dei propri obiettivi. Ad esempio, la tecnologia Multi-layer Diffractive Optical Element (elemento ottico diffrattivo multilivello) di Canon sfrutta un fenomeno ottico che imita le caratteristiche degli elementi asferici e in fluorite per garantire a teleobiettivi più piccoli e leggeri prestazioni superiori ad aperture ridotte.

Angela Nicholson, Jeff Meyer and Alex Summersby

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