Obiettivi oltre i limiti: come gli ingegneri Canon ridefiniscono la progettazione degli ultragrandangolari

Quando Tatsuro Watanabe è entrato in Canon, ha dichiarato di voler creare "l'obiettivo perfetto". Col senno di poi, quella frase pronunciata nel suo primo incarico gli sembra un po' imbarazzante, ma ammette: "Credo che RF 14mm F1.4 L VCM possa essere quello giusto".

Questo pionieristico obiettivo ultragrandangolare a focale fissa rappresenta una notevole impresa di ingegneria ottica e meccanica. Un obiettivo con queste caratteristiche sarebbe stato impossibile da progettare per una reflex digitale: è ultragrandangolare, estremamente luminoso e, considerate le specifiche di alto livello, sorprendentemente compatto.

Il passaggio di Canon al sistema mirrorless ha reso possibile sviluppare obiettivi più piccoli e leggeri che mai, spiega Tatsuro, che ha supervisionato la progettazione ottica di RF 14mm F1.4 L VCM. "In passato offrivamo EF 14mm F2.8 L II USM per le reflex digitali EOS. Rispetto a questo modello, RF 14mm F1.4 L VCM è in realtà più leggero, ma offre un'apertura massima di due stop più luminosa."

"Abbiamo sviluppato l'obiettivo concentrandoci molto sul suo potenziale utilizzo nella fotografia di paesaggi stellari, un genere che richiede un obiettivo ultragrandangolare luminoso, con una lunghezza focale intorno a 14 mm, per catturare efficacemente sia il cielo stellato sia gli elementi terrestri in un'unica immagine di paesaggio. In questo modo si ottiene il tempo di esposizione più breve possibile, facendo sì che le stelle appaiano come punti di luce nitidi e ben definiti."

Non sorprende che Tatsuro abbia puntato a creare il miglior obiettivo per l'astrofotografia, vista la sua dedizione di una vita all'astronomia. Non solo ha studiato questa disciplina all'università, dove durante le vacanze estive si è offerto volontario per costruire un telescopio con apertura di 50 cm, ma ha anche sviluppato strumentazioni per telescopio Subaru da 8,2 metri, gestito alle Hawaii dal National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ).

Con RF 14mm F1.4 L VCM, invece, Tatsuro ha potuto concentrarsi su ottiche molto più compatte. Il segreto per rendere questo straordinario obiettivo così compatto, spiega, è stato l'innesto RF di Canon. "Gli schemi ottici degli obiettivi RF per sistema EOS R prevedono un innesto di grande diametro e un tiraggio ridotto, che consente di collocare elementi con aperture maggiori più vicino al piano dell'immagine rispetto agli obiettivi EF tradizionali."

Posizionare elementi posteriori più grandi più vicino al sensore significa che i raggi luminosi devono piegarsi meno, rendendo possibile mantenere una qualità d'immagine elevata su tutta l'inquadratura, anche con aperture molto ampie. È un aspetto particolarmente importante considerando le esigenze specifiche dell'astrofotografia.

"Prestazioni ottiche elevate sono fondamentali per qualsiasi tipo di fotografia astronomica", osserva Tatsuro. "Le stelle sono punti di luce brillanti disseminati in tutto il cielo. Gli obiettivi grandangolari con lunghezze focali ridotte spesso presentano aberrazioni che causano distorsioni ai bordi dell'immagine. Per riprendere le stelle come punti nitidi e ben definiti, la progettazione dell'obiettivo deve migliorare la qualità dell'immagine nelle aree periferiche."

È un ambito in cui RF 14mm F1.4 L VCM eccelle, offrendo prestazioni straordinarie da angolo ad angolo. "RF 14mm F1.4 L VCM presenta una configurazione ottica particolarmente sofisticata che include elementi asferici GMo, fluorite per la correzione dell'aberrazione cromatica, elementi UD e ottici BR, oltre a tecnologie di rivestimento avanzate", afferma Tatsuro. "È un obiettivo davvero speciale, che integra alcune delle più avanzate tecnologie ottiche Canon."

RF 14mm F1.4 L VCM cattura le stelle con una nitidezza straordinaria, anche ai bordi dell'inquadratura, grazie al ruolo fondamentale dei suoi tre elementi asferici GMo. Questi elementi specializzati riducono il coma sagittale, un fenomeno che può far apparire allungate o a forma di cometa le stelle e altre sorgenti luminose puntiformi verso gli angoli dell'immagine. Il fenomeno è particolarmente evidente quando si utilizzano obiettivi grandangolari a piena apertura, proprio la combinazione che molti astrofotografi ricercano. Il team di progettazione Canon ha però fatto in modo che l'obiettivo restituisca stelle perfettamente puntiformi su tutta l'immagine, anche a f/1.4.

"Due di questi elementi sono collocati nella parte anteriore dell'obiettivo, mentre il terzo si trova nel gruppo di messa a fuoco posteriore", spiega Tatsuro. "L'elemento asferico GMo posizionato più anteriormente ha un diametro molto ampio, il che lo rende particolarmente complesso da realizzare. Collaborando a stretto contatto con i nostri stabilimenti produttivi, abbiamo affrontato e risolto sistematicamente ogni sfida di produzione."

Il team ha inoltre integrato nell'obiettivo un elemento UD ed elementi ottici BR per ridurre ulteriormente l'aberrazione cromatica. L'elemento ottico BR (Blue Spectrum Refractive) è stampato in resina, spiega Tatsuro, quindi inserito tra elementi convessi e concavi e posizionato vicino al centro dell'obiettivo, subito dietro alle lamelle del diaframma. "Questo elemento rifrange in modo significativo le lunghezze d'onda più corte dello spettro blu", aggiunge. "In questo modo riduce al minimo l'aberrazione cromatica delle sorgenti di luce puntiformi vicine al centro dell'immagine."

I rivestimenti SWC (Subwavelength Structure Coating) e ASC (Air Sphere Coating) sono stati applicati anche su superfici selezionate per contenere flare e immagini fantasma.

"Gli obiettivi ultragrandangolari spesso presentano un grande elemento frontale sporgente, che permette alla luce di entrare da diverse angolazioni", spiega Tatsuro. "In alcuni casi, i paraluce integrati e i rivestimenti standard dell'obiettivo potrebbero non essere sufficienti a prevenire completamente flare e immagini fantasma."

"SWC è una tecnologia particolarmente avanzata, progettata per ridurre in modo significativo i riflessi della luce che entra nell'obiettivo con angolazioni oblique. Questo speciale rivestimento crea strutture su scala nanometrica sulla superficie dell'elemento ottico, generando uno strato antiriflesso altamente efficace."

ASC, aggiunge, è particolarmente efficace contro i riflessi della luce che entra con un'angolazione quasi verticale. "ASC forma una pellicola composta da biossido di silicio e aria sulla superficie dell'elemento ottico. Incorporando aria, che ha un indice di rifrazione più basso rispetto al vetro ottico, in una proporzione specifica, si ottiene un rivestimento con un indice di rifrazione estremamente basso."

Non è solo il design ottico a rendere RF 14mm F1.4 L VCM innovativo. Mantenere il più possibile portatile un obiettivo a focale fissa di questo livello era una delle priorità principali del team.

"L'utilizzo di un attuatore di messa a fuoco VCM (Voice Coil Motor), comune a tutti gli obiettivi ibridi RF F1.4 L a focale fissa, riduce in modo significativo dimensioni e peso di questi obiettivi", spiega Naoki Saito, responsabile della progettazione elettrica di RF 14mm F1.4 L VCM.

"In precedenza, l'unica soluzione per azionare un gruppo pesante di elementi ottici come quello utilizzato in questo obiettivo era un USM di tipo anulare. Poiché il diametro di un motore anulare determina anche il diametro minimo dell'obiettivo, è estremamente difficile progettare un obiettivo più compatto attorno a questa tecnologia."

"Dal punto di vista meccanico, l'USM di tipo anulare richiede anche una struttura di supporto più ampia", aggiunge Nobuyuki Nagaoka, che ha guidato la progettazione meccanica di RF 14mm F1.4 L VCM. "Se questo non rappresenta un problema per i grandi teleobiettivi, diventa invece un ostacolo significativo quando si cerca di ridurre le dimensioni dell'obiettivo alle focali più corte. Al contrario, il VCM offre maggiore libertà progettuale: consente di ridurre dimensioni e peso dell'unità pur garantendo la forza di spinta necessaria per muovere i gruppi ottici di messa a fuoco."

Nonostante l'uso di un VCM compatto, lo spazio limitato disponibile per i componenti strutturali interni, noto come "base principale", ha rappresentato un'ulteriore sfida, spiega Nobuyuki. "La parte più complessa della progettazione meccanica è stata garantire che la struttura fosse sufficientemente robusta, pur lasciando spazio agli attuatori e ai circuiti stampati flessibili."

Per questo motivo Canon ha progettato RF 14mm F1.4 L VCM puntando alla massima qualità d'immagine, mentre la distorsione viene corretta elettronicamente dalla fotocamera.

Le correzioni dell'obiettivo applicate nelle più recenti fotocamere del sistema EOS R sono rapide ed estremamente efficaci, e consentono agli ingegneri Canon di concentrarsi sull'ottimizzazione degli obiettivi in termini di prestazioni e portabilità.

"Di conseguenza, abbiamo ottenuto prestazioni ottiche equivalenti a quelle degli obiettivi che eliminano la distorsione esclusivamente con metodi ottici, riuscendo al tempo stesso a ridurre dimensioni e peso", aggiunge Tatsuro. "Questo design ottico è possibile solo perché Canon produce i propri obiettivi e può svilupparli affinché lavorino in stretta integrazione con la fotocamera."

Oltre a offrire prestazioni eccezionali per la fotografia professionale, RF 14mm F1.4 L VCM è un innovativo obiettivo ibrido progettato anche pensando alle riprese video. È dotato di una ghiera dell'iride dedicata, per una regolazione fluida e silenziosa dell'apertura durante le riprese, e di un diaframma circolare a 11 lamelle, per bokeh e alte luci dal look cinematografico.

I progettisti si sono concentrati anche sulla riduzione del focus breathing, per limitare i cambiamenti dell'angolo di campo che possono verificarsi quando l'obiettivo mette a fuoco avanti e indietro. Per riuscirci, il team ha adottato un design ottico diverso rispetto agli altri obiettivi ibridi RF a focale fissa, aggiungendo un elemento ottico supplementare al gruppo di messa a fuoco e integrando una lente concava asferica GMo.

"Per la natura stessa della progettazione strutturale degli obiettivi, spesso esiste un compromesso tra prestazioni ottiche e riduzione del focus breathing", spiega Tatsuro. "Tuttavia, configurando con attenzione il design ottico di questo modello, siamo riusciti a ottenere sia un'elevata qualità dell'immagine sia una riduzione del focus breathing."

Aggiungere più lenti al gruppo di messa a fuoco aumenta inevitabilmente il peso ma, come sottolinea Naoki, è proprio qui che entrano in gioco le competenze degli ingegneri elettronici e meccanici di Canon.

"I VCM sono attuatori in grado di offrire un'elevata forza di spinta pur funzionando con pochissimo rumore e vibrazioni, ma per controllarne il funzionamento serve una notevole ingegnosità", spiega. "Ad esempio, è necessaria una taratura estremamente accurata per spostare a velocità elevate gruppi ottici pesanti e arrestarli rapidamente, continuando al tempo stesso a contenere le vibrazioni. Durante la registrazione video, un controllo preciso è essenziale per ridurre al minimo il rumore di azionamento. Canon è riuscita a superare queste sfide progettando algoritmi di controllo e sviluppando le strutture meccaniche che li rendono possibili."

RF 14mm F1.4 L VCM è una testimonianza della dedizione, delle competenze e dell'esperienza degli ingegneri Canon. Offre immagini eccezionali in un design sorprendentemente leggero e ridefinisce le aspettative su ciò che è possibile ottenere dagli obiettivi ultragrandangolari ad ampia apertura.

"Questo obiettivo è stato realizzato con grande cura, con un design che bilancia diversi fattori, incluse le prestazioni ottiche, ma con un'attenzione particolare alla ripresa dei paesaggi stellati", afferma Tatsuro. "Abbiamo cercato modi per ridurre al minimo diversi tipi di aberrazione che influiscono sulla qualità dell'immagine e il risultato è un obiettivo che offre immagini nitide e precise fino ai bordi dell'inquadratura."

"Il nostro obiettivo è sviluppare ottiche che permettano ai fotografi di esplorare nuovi territori espressivi prima inaccessibili", aggiunge. "Vogliamo ampliare le possibilità di scatto sfruttando le tecnologie più recenti per realizzare obiettivi più piccoli e leggeri che offrano prestazioni straordinarie, senza un peso e un ingombro tali da scoraggiare gli utenti dal portarli con sé. Siamo certi che RF 14mm F1.4 L VCM sarà uno di questi."