Technologia produkcji obiektywów EF

Transkrypt

1 Technologia produkcji obiektywów EF 161

2 1 W poszukiwaniu najlepszych rozwiązań: konstrukcja obiektywów firmy Canon Podstawowym zadaniem obiektywów fotograficznych jest reprodukcja fotografowanego obiektu na kliszy lub w pliku cyfrowym z najlepszą możliwą wyrazistością i precyzją. Nie jest to jednak łatwe, ponieważ elementy obiektywu zawsze mają pewne właściwości i niedoskonałości, które uniemożliwiają precyzyjne skoncentrowanie promieni świetlnych w jednym punkcie i prowadzą do rozpraszania światła w pobliżu krawędzi. Właściwości uniemożliwiające precyzyjne skoncentrowanie promieni świetlnych z jednego punktu fotografowanego obiektu w jednym punkcie obrazu lub powodujące rozpraszanie promieni świetlnych przechodzących przez obiektyw noszą nazwę aberracji. Mówiąc prościej, najważniejszym założeniem konstrukcji obiektywu jest określenie danych konstrukcyjnych prowadzących do zminimalizowania aberracji.wprawdzie nie ma jednego idealnego rozwiązania konstrukcyjnego dla określonego typu obiektywów, jednak istnieje mnóstwo rozwiązań pozwalających zbliżyć się do ideału. Problem polega na tym, które rozwiązanie wybrać, gdyż będzie ono mieć decydujący wpływ na jakość obiektywu. Od XIX wieku obiektywy konstruowane są metodą obliczeniową o nazwie śledzenie promieni (tzw. ray tracing). Metoda ta pozwala na określenie aberracji, jednak obliczenia wykonywane są tylko w jednym kierunku (tzn. obliczane są aberracje dla określonej konstrukcji obiektywu), dlatego nie można za jej pomocą określić danych konstrukcyjnych obiektywu na podstawie właściwości aberracji. W połowie lat 60-tych firma Canon jako pierwsza opracowała oprogramowanie komputerowe służące do analitycznego określania szczegółowych danych konstrukcyjnych niemal optymalnych konfiguracji obiektywów i pozwalające uzyskać minimalne aberracje (wartości docelowe) oraz oprogramowanie umożliwiające automatyczne określanie kierunku działania procedury analizy. Od tego czasu firma Canon opracowała wiele innych oryginalnych programów ułatwiających konstruowanie obiektywów. Obecnie firma Canon, korzystając z tego oprogramowania, produkuje precyzyjne obiektywy spełniające praktycznie bez żadnych zmian początkowe założenia dotyczące danego produktu. Jeśli porównać proces konstruowania obiektywów z nocną wspinaczką górską, postęp, jakiego dokonała firma Canon, przechodząc od konwencjonalnych technik projektowania obiektywów do współczesnych, skomputeryzowanych Zdjęcie 1 Projekt obiektywu w programie CAD metod ich budowy, różnica między nimi jest taka, jak między lampą błyskową oświetlającą tylko stopy w absolutnych ciemnościach i umożliwiającą jedynie dalszą wędrówkę, a stanem pozwalającym wyraźnie zobaczyć nie tylko drogę, ale także cel wędrówki, dzięki czemu droga do niego jest pewna i pozbawiona przeszkód. ( ) Koncepcja idealnego obiektywu firmy Canon Idealny obiektyw fotograficzny ma trzy ogólne wymagania dotyczące tworzenia obrazu: Promienie świetlne z jednego punktu fotografowanego obiektu po przejściu przez obiektyw powinny skoncentrować się w jednym punkcie. Obraz płaskiego obiektu prostopadłego do osi optycznej powinien znajdować się w płaszczyźnie za obiektywem. Kształt płaskiego obiektu prostopadłego do osi optycznej powinien być precyzyjnie i bez zniekształceń odwzorowywany na obrazie. Oprócz tych ogólnych wymagań firma Canon dodała jeszcze jedno: Kolory obiektu powinny być dokładnie odwzorowywane na obrazie. Chociaż powyższe cztery wymagania stanowią niedościgniony ideał, zawsze można wprowadzić ulepszenia zbliżające produkt do tego ideału. Firma Canon nieustannie dąży do wytwarzania obiektywów, które pod względem wydajności i jakości będą mieściły się w gronie najlepszych na rynku. W dążeniu tym firma stawia sobie ambitne cele. Najnowsze technologie w połączeniu z wieloletnim doświadczeniem umożliwiają projektowanie obiektywów o najlepszej możliwej jakości obrazu i najprostszej konstrukcji. 162

3 Technologia produkcji obiektywów EF W poszukiwaniu najlepszych rozwiązań: konstrukcja obiektywów firmy Canon ( Podstawowe założenia projektowe obiektywów Canon EF) Aby zaoferować obiektywy EF zaspokajające potrzeby wszystkich użytkowników, firma Canon postawiła przed sobą sześć podstawowych celów konstrukcyjnych opisanych poniżej. W przypadku obiektywów Canon EF wszystkie te warunki są niezwykle ważne i muszą zostać spełnione przed skierowaniem produktu do produkcji. Wysoka jakość obrazu na całym jego obszarze Nie można powiedzieć, że obiektyw charakteryzuje się wysoką jakością, jeśli zapewnia tylko dużą rozdzielczość lub tylko duży kontrast. Musi zapewniać wysoki poziom obu tych parametrów. Jednak w przypadku niektórych obiektywów rozdzielczość i kontrast wykluczają się wzajemnie, tzn. poprawa jednego parametru powoduje pogorszenie drugiego. Aby osiągnąć oba cele jednocześnie, firma Canon wykorzystuje różne materiały o doskonałych właściwościach optycznych, na przykład soczewki asferyczne, fluoryt, szkło UD, szkło Super UD oraz szkło o dużej refrakcji, które zapewniają ostrość, wyrazistość i niezrównaną wydajność przetwarzania obrazu (wysoką jakość obrazu). Jednakowe właściwości wiernego odwzorowywania kolorów we wszystkich obiektywach Odwzorowywanie kolorów (balans kolorów) to tradycja firmy Canon i jedna z najważniejszych cech obiektywów EF. Projektowanie obiektywów uwzględnia nie tylko optymalizację balansu kolorów dla poszczególnych obiektywów, ale również ujednolicenie tego parametru dla wszystkich obiektywów wymiennych. Firma Canon już dawno opracowała wiele niezawodnych technologii powłok jedno- i wielowarstwowych, a od czasu obiektywów z serii FD prowadzi skrupulatną kontrolę balansu kolorów. W przypadku obiektywów z serii EF optymalny typ powłoki dla każdego elementu obiektywu określono za pomocą najnowszych technologii symulacji komputerowej, aby wyeliminować efekt zjawy oraz uzyskać znakomite odwzorowanie kolorów, a także ujednolicić wierny balans kolorów we wszystkich obiektywach. Efekt naturalnego rozmycia Obiektywy fotograficzne rejestrują obiekty trójwymiarowe na kliszy lub matrycy światłoczułej jako płaskie obrazy, dlatego w celu uzyskania efektu trójwymiarowego nie wystarczy uzyskanie ostrości dla żądanego obiektu. Obraz nieostry ( rozmyty ) z przodu i z tyłu zogniskowanego obrazu musi wyglądać naturalnie. Wprawdzie najważniejsze jest uzyskanie jak najlepszej jakości zogniskowanego obrazu, jednak firma Canon na etapie projektowania obiektywów analizuje także rezultaty zastosowania korekcji aberracji i innych czynników, aby zagwarantować, że nieostry fragment obrazu będzie naturalny i przyjemny dla oka. W poszukiwaniu naturalnego rozmycia duży nacisk kładzie się także na czynniki niezwiązane z konstrukcją optyczną, m.in. na opracowanie okrągłej przysłony pozwalającej uzyskać apertury o dużym stopniu zaokrąglenia. Znakomita funkcjonalność Niezależnie od tego, jak doskonała jest wydajność optyczna obiektywu, zawsze należy pamiętać o tym, że obiektyw jest tylko narzędziem służącym do robienia zdjęć, dlatego musi być bardzo funkcjonalny. Wszystkie obiektywy EF oferują możliwość precyzyjnego ręcznego ustawiania ostrości i płynnej regulacji ogniskowej oraz znakomitą funkcjonalność ogólną. Już na etapie projektowania soczewki konstruktorzy obiektywów firmy Canon aktywnie uczestniczą w opracowywaniu systemów optycznych (takich jak tylne i wewnętrzne systemy ogniskowania) w celu uzyskania szybszej automatycznej regulacji ostrości, lepszych możliwości ręcznego ustawiania ostrości, cichszej pracy i wielogrupowych systemów regulacji ogniskowej mających umożliwić zmniejszenie rozmiarów obiektywów. Cicha praca W ostatnich latach aparaty i obiektywy stały się znacznie głośniejsze, co wpływa na fotografowane obiekty i często uniemożliwia fotografowi wykonanie wartościowego zdjęcia.w przypadku obiektywów EF firma Canon od początku starała się opracować nowe technologie ograniczające dźwięk napędu automatycznej regulacji ostrości, aby stworzyć obiektywy tak ciche i wydajne jak obiektywy z ręczną regulacją ostrości. Od tamtej pory firma Canon samodzielnie opracowała dwa typy i cztery modele cichych silników ultradźwiękowych (USM), które w najbliższym czasie będą instalowane we wszystkich obiektywach EF. Niezawodność Aby zapewnić całkowitą niezawodność jakość, precyzję, wytrzymałość, odporność na wstrząsy i drgania, odporność na warunki pogodowe i żywotność każdego obiektywu z poszczególnych grup obiektywów EF, na etapie projektowania zakładane są różne prawdopodobne warunki, w jakich będzie wykorzystywany każdy z nich, i wyciągane są odpowiednie wnioski. Ale to nie wszystko każdy kolejny prototyp przed wejściem do produkcji jest poddawany surowym testom. W czasie produkcji przeprowadzana jest staranna kontrola jakości oparta na standardach firmy Canon. Do listy czynników uwzględnianych przez standardy firmy Canon (oparte na renomowanych standardach dotyczących obiektywów FD) są nieustannie dodawane nowe elementy związane z automatyczną regulacją ostrości i funkcjami cyfrowymi. Sześć opisanych powyżej założeń projektowych składa się na podstawę nowoczesnych konstrukcji obiektywów EF. Ich przestrzeganie stanowi istotę działalności firmy Canon, która od chwili powstania nieustannie pracuje nad nowymi technologiami umożliwiającymi konstruowanie obiektywów o niezrównanej jakości bliskiej ideału. 163

4 2 Projektowanie obiektywów EF o wysokiej wydajności Tworzenie idealnego obiektywu: ( Rzeczywista konstrukcja obiektywu EF ) 1 projektowanie obiektywów EF o wysokiej wydajności i procesy opracowywania Projektowanie obiektywu EF rozpoczyna się od uważnego wysłuchania opinii i życzeń użytkowników dostępnych już obiektywów EF. Opinie profesjonalistów są bardzo ważne, jednak firma Canon kieruje swoje produkty także do amatorów, zaawansowanych amatorów i półprofesjonalistów w każdym wieku, każdej płci i z różnych środowisk. Krótko mówiąc, produkty firmy Canon są przeznaczone dla osób kochających fotografię. Z tego powodu firma Canon różnymi sposobami gromadzi życzenia użytkowników i przechowuje je w centrali firmy. Dział planowania produktów we współpracy z działem konstrukcyjnym analizuje potrzeby użytkowników i starannie bada atrakcyjność rynkową wymaganych obiektywów. Jeśli istnieje wystarczające zapotrzebowanie na konkretny obiektyw, opracowywana jest jego koncepcja, która będzie odpowiadać szerokiemu gronu użytkowników. Koncepcja ta jest następnie dokładnie rozpatrywana zarówno z punktu widzenia użytkownika (ogniskowa, zakres zbliżenia, otwór względny, najmniejsza odległość fotografowania, wymagana wydajność przetwarzania obrazu, wielkość, waga, koszt itp.), jak i z punktu widzenia konstruktora oraz producenta, oraz dopracowywana do postaci szczegółowego planu. Po zakończeniu tego etapu rozpoczyna się projektowanie optyki obiektywu. Ponieważ w obiektywach EF połączono technologie optyczne, mechaniczne i elektroniczne, projektanci odpowiedzialni za poszczególne elementy, na przykład za konstrukcję tubusu obiektywu, konstrukcję napędu obiektywu, konstrukcję elektronicznego układu sterowania oraz konstrukcję przemysłową, ściśle współpracują ze sobą od etapu początkowego przez cały proces projektowania, aby stworzyć optymalny obiektyw spełniający wstępne założenia projektowe. Rysunek 1 Proces projektowania obiektywów (ogólna procedura projektowania) Analiza projektu Określenie specyfikacji projektu Określenie rodzaju obiektywu Projekt początkowy Symulacja śledzenia promieni Ocena działania Korekcja aberracji Zmiana parametrów (projektowanie automatyczne) Precyzyjne poprawki Projektowanie obiektywu optycznego Na rysunku 1 pokazano proces projektowania obiektywów optycznych. Ustalenie podstawowych danych technicznych, takich jak ogniskowa i maksymalny otwór względny, umożliwia określenie typu obiektywu. Na tym etapie podejmowana jest decyzja o tzw. strukturze obiektywu. Wybrana w tym miejscu struktura stanowi ogólną koncepcję struktury dla wszystkich zastosowań i celów, ponieważ jednak ma ona ogromny wpływ na dalszy tok procesu, za pomocą specjalnego oprogramowania wykorzystującego oryginalny algorytm oceny określane są wszystkie możliwe typy obiektywów w celu znalezienia optymalnego rozwiązania. Kolejnym etapem procesu jest projektowanie wstępne, podczas którego na podstawie teorii bliskości osi oraz algorytmów aberracji firmy Canon analizowane jest optymalne rozwiązanie oraz określany jest wstępny kształt każdego elementu obiektywu. Ponieważ etap projektowania wstępnego jest najważniejszą częścią procesu projektowania, firma Canon wykorzystuje rozwiązania analityczne oparte na opracowaniach teoretycznych, bogate zasoby zgromadzonych danych oraz wieloletnie doświadczenie, aby stworzyć system, który pozwoli na określanie idealnej konfiguracji finalnej w krótkim czasie. Po określeniu wstępnej konfiguracji obiektywu za pomocą superszybkiego komputera o dużej mocy obliczeniowej wielokrotnie wykonywany jest następujący cykl projektowy: śledzenie promieni ocena zautomatyzowane projektowanie zmiana typu/kształtu śledzenie promieni. W ramach tego procesu (przedstawionego na rysunku 2) komputer metodycznie zmienia poszczególne parametry, na przykład krzywiznę powierzchni każdej soczewki, interwał powierzchniowy (grubość) każdej soczewki, interwał każdej soczewki oraz właściwości materiału każdej soczewki, stopniowo przybliżając się do optymalnej konfiguracji Rysunek 2 Zautomatyzowany proces projektowania obiektywów Czynności przeprowadzane przez komputer Czynności przeprowadzane przez człowieka Parametry konstrukcyjne obiektywu X1 Rodzaj obiektywu X2 Kąt krzywizny każdego z elementów obiektywu X3 Ilość elementów X4 Kształt każdego z elementów obiektywu X5 Rodzaje szkła X6 Zasięg przenoszenia długości fal Koszta Xn Wartości tolerancji Specyfikacje projektu Obliczanie wartości cech optycznych f1 Śledzenie promieni f2 Aberracja chromatyczna f3 Aberracja sferyczna f4 Astygmatyzm f5 Aberracja komatyczna f6 Krzywizna pola Dystorsja (zniekształcenie) MTF (Funkcja przenoszenia modulacji) Diagramy śladowe Symulacje aberracji fn Analiza błędów produkcyjnych Ogniskowa Otwór względny Kąt widzenia Rozmiar obrazu Cechy aberracji Czy spełniono wszystkie warunki? NIE Tworzenie tabel i wykresów ukazujących zależności pomiędzy X1~Xn i f1~fn. Rozdzielczość Kontrast Minimalna odległość fotografowania Rozmiar (wymiary) TAK Projekt ukończony Czy zmiany f1--fn są możliwe? NIE Stop Szczegółowa ocena działania Krok powtarzany do momentu spełnienia wszystkich warunków Zmiana parametrów X1-Xn TAK Zmiana specyfikacji projektu Ukończenie projektu 164

5 Technologia produkcji obiektywów EF Projektowanie obiektywów EF o wysokiej wydajności Rysunek 3 Komputerowa symulacja właściwości aberracji wszystkich grup odbywa się wraz z regulacją zbliżenia, a druga grupa służy do ustawiania ostrości. Optymalny typ obiektywu oraz rozkład mocy ultra-kompaktowego obiektywu zmiennoogniskowego jest ustalany za pomocą oprogramowania do określania rozkładu mocy. Na tym etapie można oszacować różne specyfikacje, takie jak ślad krzywej regulacji ogniskowej, zakres ogniskowania, całkowita długość obiektywu, średnica przedniego elementu obiektywu oraz odległość tylnej płaszczyzny ostrości. Na kolejnym diagramie (rysunek 5) pokazano konstrukcję o minimalnej liczbie elementów, w której zastosowano grube soczewki. Kształt każdej soczewki został wybrany spośród optymalnych rozwiązań określonych dla konkretnych warunków. Na tym etapie przeprowadzana jest symulacja procesu przechodzenia światła przez obiektyw, a na podstawie sposobu zaginania promieni świetlnych oraz różnych algorytmów aberracji szacowana jest minimalna liczba elementów wymaganych dla każdej grupy. Śledzenie promieni przez komputer Rysunek 4 Diagram śladowy konstrukcji, w której każdy typ aberracji jest ograniczony do minimum. Ta część procesu wymaga przeprowadzenia największej ilości najbardziej skomplikowanych obliczeń w ramach całego procesu projektowania. Jednak oryginalne oprogramowanie do projektowania optycznego firmy Canon stanowi środowisko, w którym procedury projektowania mogą być wykonywane interaktywnie i z dużą wydajnością. Oprogramowanie do zautomatyzowanego projektowania używane w tych procesach zostało opracowane przez firmę Canon w oparciu o jej własne teorie w zakresie zautomatyzowanego projektowania. Wystarczy wprowadzić wartości docelowe, aby w krótkim czasie uzyskać optymalne dla nich rozwiązanie. Dzięki temu, że tok myślenia konstruktorów nie jest stale przerywany przez prozaiczne procedury, mogą oni dążyć do uzyskania optymalnych wartości ostatecznego projektu, określając dane początkowe i wartości docelowe wprowadzane do systemu automatycznego projektowania, oceniając wyniki symulacji oraz wprowadzając poprawki umożliwiające zminimalizowanie aberracji. W ten sposób nasi konstruktorzy współpracują z komputerem, podejmując decyzje, które w ostatecznym rozrachunku prowadzą do uzyskania prawie idealnych wartości konstrukcyjnych. W ramach tego procesu konstruktorzy mogą dokładnie sprawdzić efekt użycia soczewek asferycznych lub specjalnych materiałów, takich jak fluoryt lub szkło UD,aby stwierdzić,czy ich stosowanie jest niezbędne. W dalszej części na przykładzie super-lekkiego zmiennoogniskowego obiektywu mm opiszemy rzeczywisty proces projektowania. Na rysunku 4 pokazano strukturę typu regulacji ogniskowej tego obiektywu. Obiektyw ma konstrukcję składającą się z 4 grup soczewek (wypukła-wklęsła-wypukła-wypukła), w której ruch Rysunek 5 Rysunek 8 Rysunek 6 Rysunek 9 Rysunek 7 Rysunek

6 Zdjęcie 2 Przykład rzeczywistego projektowania tubusu obiektywu (struktura) Zdjęcie 3 Przykład wspomaganego komputerowo projektowania obiektywu (optyka) fotografowania, apertura oraz ogniskowa, a następnie rozpoczyna się wielokrotne powtarzanie zautomatyzowanego cyklu projektowania z nieznacznie zmienianymi czynnikami projektowymi, takimi jak rodzaj szkła i rozkład mocy. Na przedstawiających ostateczny wynik rysunkach 7 i 10 widać, że grupy promieni świetlnych mają znakomitą zbieżność. Następnym etapem w przypadku tego obiektywu jest wyeliminowanie zmian aberracji powodowanych przez ruch pierwszej grupy związany z regulacją ostrości. W tym celu do pierwszej grupy dodawany jest jeden element. Ponieważ na drugiej grupie spoczywa największy ciężar związany z powiększeniem, musi być ona wydajna; odpowiada ona również za regulację ostrości, dlatego należy starannie wyeliminować zmiany aberracji powodowane przez zmianę ogniskowej i ogniskowanie. Po dodaniu dwóch elementów skupiającego i rozpraszającego grupa staje się trzyelementowa. Trzecia grupa pochłania rozproszone światło z drugiej grupy, dlatego dodawana jest soczewka rozpraszająca, która służy do korygowania osiowej aberracji chromatycznej oraz aberracji sferycznej (dzięki temu powstaje grupa 2-elementowa). W ten sposób określana jest minimalna liczba elementów obiektywu, a wynik kilku powtarzających się zautomatyzowanych cykli projektowania można zobaczyć na rysunku 6. Zauważalna jest znaczna poprawa zbieżności promieni świetlnych. Na koniec, w celu skorygowania komatycznej aberracji astygmatycznej w trybach szerokokątnych, do czwartej grupy jest dodawany element asferyczny (po stronie powierzchni odpowiedzialnej za przetwarzanie obrazu, w której grupy promieni świetlnych są stosunkowo daleko od osi światła). Po określeniu ostatecznej konstrukcji obiektywu uwzględniane są wszystkie żądane specyfikacje, na przykład odległość Rysunek 11 Przekrój poprzeczny obiektywu EF 24-70mm f/2,8l USM Projektowanie tubusu obiektywu Kolejnym etapem procesu po zaprojektowaniu systemu optycznego jest projektowanie tubusu obiektywu, która musi pomieścić elementy obiektywu w dokładnie określonej pozycji, zgodnie z wartościami projektu optycznego, i która musi bardzo precyzyjnie poruszać różne grupy soczewek podczas zmiany ogniskowej i ogniskowania. Tubus obiektywu musi spełniać następujące warunki: W każdej możliwej sytuacji tubus obiektywu musi utrzymywać precyzyjne położenie elementów obiektywu, zgodnie z wartościami projektu optycznego, aby przez cały czas zachowywać optymalną wydajność optyczną. Położenie mechanizmów musi zapewniać ich doskonałą funkcjonalność. Rozmiar i waga powinny zapewniać znakomite parametry w zakresie mobilności. Konstrukcja powinna gwarantować maksymalną stabilność masowej produkcji. Wewnętrzne ścianki tubusu obiektywu powinny zapobiegać szkodliwym odbiciom światła. Tubus powinien mieć odpowiednią trwałość, wytrzymałość i odporność na warunki pogodowe. Podczas projektowania tubusów na potrzeby w pełni elektronicznych obiektywów EF należy uwzględnić wymienione poniżej aspekty. Konieczność umieszczenia w obiektywie uchwytu elektronicznego i różnych obwodów elektrycznych. Konstrukcja musi zapewniać zarówno szybką automatyczną regulację ostrości, jak i znakomite możliwości ręcznej regulacji ostrości. Zdjęcie 4 Tubus precyzyjnego obiektywu zmiennoogniskowego 166

7 Technologia produkcji obiektywów EF Projektowanie obiektywów EF o wysokiej wydajności Możliwość instalacji nowych mechanizmów, takich jak USM, EMD i IS. Rozkład wielogrupowego mechanizmu regulacji ogniskowej oraz tylnych i wewnętrznych soczewek ogniskujących. Mała waga,niewielki rozmiar i niski koszt. Konieczność uwzględnienia tych czynników spowodowała, że z roku na rok projektowanie tubusów obiektywów staje się coraz bardziej skomplikowane i wymagające większej precyzji. Jednak mimo większej złożoności optymalne projekty można uzyskać, korzystając z oprogramowania CAD (projektowanie wspomagane komputerowo), które umożliwia tworzenie dokładnych, trójwymiarowych projektów konstrukcji obiektywów, oraz różnych technik symulacji komputerowej, które umożliwiają analizowanie i optymalizowanie projektu. W celu uzyskania małych wymiarów i niewielkiej wagi stosowane są różne tworzywa sztuczne. Wykorzystanie tworzyw sztucznych stało się możliwe po wielu latach analizowania właściwości materiałów, opracowaniu ultra-precyzyjnej technologii formowania oraz przeprowadzeniu niezliczonych surowych testów produkcyjnych zapewniających odpowiednią trwałość i niezawodność. Dokładne testy wydajności prototypów oraz oceny niezawodności Po wykonaniu prototypu na podstawie rysunków technicznych obiektyw jest drobiazgowo testowany w celu sprawdzenia, czy jego wydajność rzeczywiście spełnia określone założenia. Przeprowadzanych jest wiele różnych testów, między innymi porównanie z istniejącymi produktami tej samej klasy; precyzyjny pomiar specyfikacji, takich jak ogniskowa, otwór względny, poziom korekcji aberracji, skuteczność przysłony, zdolność rozdzielcza, wydajność MTF (Funkcja przenoszenia modulacji) i balans kolorów; próby terenowe w różnych warunkach fotografowania; analizy efektów flary/zjawy; testy funkcjonalności; testy odporności na temperaturę i wilgotność; testy odporności na drgania; testy trwałości działania oraz testy pod kątem odporności na wstrząsy. Informacje te są przekazywane do grupy konstrukcyjnej, a obiektyw jest przeprojektowywany, dopóki wyniki testów nie będą spełniały standardów firmy Canon. Obecnie nawet obiektywy z renomowanej serii EF muszą być testowane na etapie prototypu, aby zagwarantować spełnienie wstępnych założeń przed rozpoczęciem masowej produkcji i wprowadzeniem ich na rynek pod marką Canon. W celu zachowania stabilnej jakości produktu na etapie masowej produkcji niezwykle ważnymi czynnikami są analiza błędów produkcyjnych oraz określenie odpowiednich poziomów tolerancji na podstawie wyników analiz przeprowadzonych z użyciem symulacji komputerowych, począwszy od projektowania wstępnego. Wysoką wydajność i jakość obiektywów Canon EF uzyskuje się w wyniku połączenia wyrafinowanych technologii, takich jak algorytmy korekcji aberracji i ich stosowanie, zaawansowana technologia zautomatyzowanego projektowania przy użyciu wydajnych komputerów i specjalistycznego oprogramowania, technologie dokładnych pomiarów i oceny wydajności, technologie analizy błędów produkcyjnych i określania tolerancji oraz technologie precyzyjnego formowania. I dopiero wtedy obiektywy sprzedawane na całym świecie mogą nosić dumne miano obiektywów firmy Canon. 2 Spojrzenie w przyszłość: projektowanie zaawansowanego systemu sterowania elektronicznego Wybór nowego systemu z myślą o przyszłości Dlaczego w systemie EOS pomiar odległości jest przeprowadzany przez korpus aparatu, a obiektyw jest napędzany wbudowanym w nim silnikiem? Aby uzyskać odpowiedź na to pytanie, należy cofnąć się do roku 1985, kiedy to zgodnie z nowym trendem w konstruowaniu lustrzanek wyposażonych w automatyczną regulację ostrości większość ich producentów (oprócz firmy Canon) opowiedziała się za pomiarem odległości przez korpus i systemem napędu w korpusie (systemem, w którym silnik napędowy funkcji AF jest wbudowany w korpusie aparatu, a obiektyw jest napędzany za pośrednictwem złącza mechanicznego). System ten dobrze współpracuje ze standardowymi obiektywami zmiennoogniskowymi i stałoogniskowymi; jednak biorąc pod uwagę najważniejszą funkcję lustrzanki możliwość wymiany wszystkich typów obiektywów, od rybiego oka do super-teleobiektywów firma Canon postanowiła nie używać go z następujących powodów: Ponieważ silnik musi wytrzymać obciążenie wszystkich typów obiektywów wymiennych (w których moment obrotowy mechanizmu ogniskowania może różnić się nawet 10-krotnie), system ten ma małą skuteczność. Umieszczenie konwertera między obiektywem a korpusem powoduje przerwanie połączenia mechanicznego używanego do przenoszenia zasilania napędu funkcji AF, co wpływa na możliwość późniejszego rozszerzenia systemu. W przypadku aparatu, który musi zapewniać stałą wydajność w każdym środowisku, od mrozów Arktyki do tropikalnych upałów, poleganie na jednym silniku dla wszystkich obiektywów jest niepożądane ze względu na odporność na warunki otoczenia i żywotność. Oprócz tych podstawowych wad technologicznych, wbudowany silnik nie spełnia podstawowych założeń mechatronicznego projektowania aparatów firmy Canon, które zwiększają wydajność i elastyczność systemów dzięki umieszczeniu idealnego mechanizmu dla każdego zadania w pobliżu odpowiedniego napędu oraz zapewnieniu elektronicznego sterowania całą transmisją danych i działaniem napędu. Ponadto firma Canon uznała także, że dążenie do automatyzacji nie polega tylko na prostym dodaniu funkcji automatycznej regulacji ostrości do lustrzanek, ale zapowiada nadejście w niedalekiej przyszłości okresu innowacji. Firma Canon przyjrzała się opracowanym przez siebie zaawansowanym technologiom, takim jak USM, BASIS (Base-stored Image Sensor) i EMD, dokładnie oceniła je pod kątem możliwości połączenia z nowoczesnymi technologiami i nowymi funkcjami (automatyczna regulacja ostrości) oraz możliwości ich rozwoju technologicznego w przyszłości, a następnie zdecydowała, że zarówno dla użytkowników, jak i dla samej firmy lepszym rozwiązaniem będzie zrezygnowanie ze starych, ograniczonych technologii i zbudowanie nowego systemu, który ostatecznie przewyższy wszystkie pozostałe systemy. Dlatego firma Canon postanowiła skonstruować system EOS oparty na opracowanym przez siebie systemie regulacji ogniskowania w korpusie i silnika napędowego w obiektywie oraz na całkowicie elektronicznym systemie montażu. Decyzja podjęta przez firmę Canon okazała się słuszna, dlatego inne firmy produkujące aparaty zaczęły stosować systemy silników napędowych w obiektywach i eliminować mechaniczne systemy transmisji danych. 167

8 Rysunek 12 Podstawowa struktura systemu sterowania Zarządzanie przesyłem danych Działanie napędu obiektywu Dane o pozycji obiektywu Napęd mechanizmu Moduł Image ostrzenia Stabilizer (Stabilizator obrazu) Dane o pozycji zbliżenia Silnik mechanizmu zbliżenia Mikroprocesor lampy błyskowej Przechowywanie danych Mikroprocesor obiektywu Dane dot. ogniskowej (potencjometr zbliżenia) Złącze elektroniczne (przesyłanie danych i zasilanie) Zasilanie Pomocnicza dioda LED Bateria System optyczny autofokusa Czujnik autofokusa Bateria Czujnik automatycznej ekspozycji Przechowywanie danych Lustro główne Lustro podrzędne Obliczanie odległości autofokusa i generowanie komend do silnika kontrolującego obiektyw Główny mikroprocesor Całkowicie elektroniczne interfejsy Cały transfer danych między korpusem, obiektywem a lampą błyskową odbywa się elektronicznie, bez udziału połączeń mechanicznych. Powoduje to nie tylko zwiększenie funkcjonalności obecnego systemu, ale zapewnia także jego gotowość do rozbudowy w przyszłości. Całkowicie elektroniczny system montażu i transmisji danych Najważniejszym elementem zapewniającym całkowicie elektroniczny transfer danych między korpusem a obiektywem jest uchwyt EF. Jest to duży uchwyt o kącie obrotu mocowania 60, w przypadku którego głębokość osadzenia kołnierza (odległość od powierzchni odniesienia uchwytu do płaszczyzny ogniskowania) wynosi 44,00 mm. Informacje między korpusem a obiektywem są przesyłane błyskawicznie przez 8-bitowy, dwukierunkowy, cyfrowy interfejs komunikacyjny składający się z trzech par styków spośród ośmiu styków w korpusie i siedmiu styków (w tym również wspólnych) w obiektywie. Z szybkiego supermikrokomputera aparatu do obiektywu wysyłane są cztery typy poleceń: Wysyłanie określonych danych obiektywu. Poruszanie obiektywem w określony sposób. Zamykanie przysłony o określoną liczbę stopni. Otwieranie przysłony do momentu całkowitego otwarcia. Podstawowe dane wysyłane z obiektywu w odpowiedzi na polecenie przedstawiono w tabeli 1. Transmisja danych odbywa się natychmiast po zamontowaniu obiektywu w korpusie, a następnie przy każdej próbie wykonania jakiejkolwiek operacji. W zależności od sytuacji przesyłanych jest około 50 rodzajów danych w czasie rzeczywistym. Tabela 1 Zawartość transmisji danych Podstawowa struktura systemu sterowania EOS System EOS, skoncentrowany wokół korpusów aparatów analogowych i cyfrowych, składa się z różnych komponentów, takich jak cała linia lamp błyskowych i obiektywów EF. W ogólnym ujęciu sterowania systemem różne czujniki, mikroprocesory, mechanizmy, nadajniki światła, pokrętła elektroniczne, przełączniki wejściowe i źródła zasilania zostały umiejętnie połączone, aby poszczególne funkcje wszystkich komponentów mogły współpracować ze sobą, pełniąc rolę narzędzia do przetwarzania obrazu podczas uwieczniania wybranych momentów z naszego życia. Trzy najważniejsze właściwości tego systemu to: Wieloprocesorowe sterowanie systemem Bardzo szybki super-mikrokomputer w korpusie aparatu łączy się z mikrokomputerami w obiektywie i lampie błyskowej (w celu szybkiego przetwarzania danych, przeprowadzania obliczeń i transmisji danych), aby zapewnić zaawansowane sterowanie systemem. System składający się z wielu mechanizmów Idealny mechanizm dla każdego napędu znajduje się w jego pobliżu, tworząc zintegrowany system składający się z wielu mechanizmów zapewniających wysoki poziom automatyzacji oraz dużą skuteczność i wydajność. Rodzaj informacji Typ obiektywu (kod ID) Stan obiektywu Informacje pomiarowe 1. Maks. otwór względny (F) 2. Minimalna apertura Informacje dot. ogniskowej Informacje dot. silnika autofokusa 1. Przesunięcie pierścienia ostrzenia (pozycja obiektywu) 2. Współczynnik reakcji mechanizmu wydłużania obiektywu 3. Korekcja reakcji mechanizmu wydłużania obiektywu 4. Stała przesuwu pierścienia ostrzenia 5. Maksymalna wartość rozogniskowania 6. Optymalna wartość kompensacji ostrości Precyzja automatyki ostrości Przeznaczenie Kontrola automatyki ostrości Kontrola automatyki ekspozycji 168

9 Technologia produkcji obiektywów EF Projektowanie obiektywów EF o wysokiej wydajności Zalety całkowicie elektronicznego systemu montażu Całkowicie elektroniczny uchwyt o dużej średnicy ma następujące zalety: Cicha, szybka i precyzyjna automatyczna regulacja ostrości (AF). Ponieważ w każdym obiektywie można zastosować optymalny mechanizm, wszystkie obiektywy od rybiego oka do super-teleobiektywu umożliwiają cichą, szybką i dokładną automatyczną regulację ostrości. Ciche i precyzyjne sterowanie przysłoną. Dzięki zastosowaniu idealnego mechanizmu EMD w każdym obiektywie można uzyskać bardzo precyzyjne, cyfrowe sterowanie przysłoną. Wbudowany mechanizm EMD umożliwia zamykanie przysłony w celu sprawdzenia głębi ostrości za naciśnięciem jednego przycisku. Ponadto wbudowany mechanizm EMD zwiększa swobodę sterowania sekwencją zdjęć, umożliwiając zatrzymanie przysłony podczas ciągłego fotografowania w celu zwiększenia szybkości wykonywania zdjęć. Całkowicie elektroniczny system sterowania przysłoną pozwolił na opracowanie obiektywów TS-E pierwszych na świecie obiektywów z korekcją perspektywy zapewniających całkowicie automatyczne działanie przysłony. Opracowanie obiektywów o dużej aperturze EF 50mm f/1,0l USM. (Stało się to możliwe tylko dzięki uchwytowi EOS o dużej średnicy). Uzyskanie pełnego pokrycia wizjera. (W aparatach z serii EOS-1 udało się uzyskać praktycznie 100% pokrycie). Wyeliminowanie blokady wizjera i lustra w przypadku super-teleobiektywów. W przypadku korzystania z obiektywu zmiennoogniskowego, którego maksymalny otwór względny zmienia się w zależności od ogniskowej, wartości przysłony obliczone przez aparat lub określone ręcznie (z wyjątkiem maksymalnego otworu względnego) są automatycznie kompensowane, aby ustawienie przysłony nie zmieniało się podczas zmiany ogniskowej. Na przykład podczas korzystania z obiektywu EF mm f/3,5-5,6l IS USM z ręcznie ustawioną przysłoną f/5,6 lub mniejszą ustawienie przysłony nie zmienia się podczas ogniskowania, nawet mimo zmiany wartości maksymalnego otworu względnego obiektywu. Oznacza to, że w przypadku określania odpowiednich ustawień aparatu dla konkretnej sceny przy użyciu ręcznego pomiaru naświetlenia lub pomiaru lampy błyskowej można po prostu ustawić wartość przysłony ręcznie, nie martwiąc się o położenie ogniskowej. Ponieważ po zamontowaniu konwertera zmiana efektywnej liczby przysłony obiektywu jest automatycznie kompensowana i wyświetlana, nawet w przypadku ustawienia aparatu zgodnie z wynikiem pomiaru ręcznego nie jest potrzebna dodatkowa kompensacja. Możliwość powiększenia otworu tylnej przysłony obiektywu korzystnie wpływa na poprawę oświetlenia brzegowego w systemie optycznym. Również zastosowanie konwertera z super-teleobiektywem przynosi korzyści pod względem poprawy wydajności optycznej. Ponieważ całkowicie elektroniczny system montażu nie ma ograniczeń typowych dla obecnie stosowanych systemów transmisji danych za pośrednictwem połączeń mechanicznych (takich jak podatność na wstrząsy, głośna praca, ścieranie mechanizmów, luzy, konieczność smarowania, powolna reakcja, mniejsza precyzja spowodowana przez działanie dźwigni i ograniczenia konstrukcyjne) znacznie zwiększono niezawodność działania. W korpusie aparatu nie trzeba umieszczać mechanizmu automatycznego połączenia przysłony ani mechanizmu sterowania przysłoną, co pozwala na konstruowanie mniejszych i lżejszych korpusów o zwiększonej niezawodności działania. System automatycznej diagnostyki działania obiektywu korzystający z wbudowanego mikrokomputera, który w przypadku awarii wyświetla ostrzeżenie na panelu LCD aparatu, gwarantuje wysoką niezawodność. Ponieważ całe sterowanie odbywa się elektronicznie, konstruktorzy będą mogli w przyszłości dodawać nowe technologie (takie jak stabilizacja obrazu), zwiększając wydajność aparatu. Zgodność z nowymi technologiami i możliwość rozbudowy systemu w przyszłości zostały już dowiedzione na przykładzie ulepszonej funkcji AF (większa szybkość, lepsza funkcja przewidywania w przypadku poruszających się obiektów, zgodność z funkcją automatycznego ogniskowania wielopunktowego), wspomnianych wcześniej obiektywów TS- E z automatyczną przysłoną, wykorzystania mechanizmów USM w obiektywach EF, opracowania pierwszego na świecie obiektywu z funkcją Image Stabilizer (Stabilizator obrazu) oraz skonstruowania cyfrowej lustrzanki, która może współpracować ze wszystkimi obiektywami EF. Zdjęcie 5 Uchwyt elektroniczny od strony korpusu Zdjęcie 6 Uchwyt elektroniczny od strony obiektywu Zdjęcie 7 Elektroniczne obwody drukowane montowanego obiektywu 169

10 3 Szesnaście technologii używanych w obiektywach EF o dużej wydajności 1 Przekraczanie teoretycznych granic obiektywów sferycznych: Super-precyzyjne obiektywy asferyczne Większość obiektywów używanych w fotografii składa się z kilku elementów sferycznych. Promień krzywizny i typ szkła optycznego dla każdego elementu oraz odległość między elementami są projektowane w taki sposób, aby ostateczna kombinacja soczewek umożliwiała wyeliminowanie aberracji w stopniu wystarczającym do uzyskania żądanej wydajności. Obecnie dzięki komputerom, które umożliwiają automatyczne projektowanie i korzystanie z technik symulacji, konstruowanie obiektywów o dużej wydajności nie zajmuje dużo czasu. Jednak korzystanie tylko z soczewek sferycznych powoduje podstawowy problem polegający na tym, że równoległe promienie świetlne przechodzące przez soczewkę sferyczną teoretycznie nie zbiegają się dokładnie w jednym punkcie, co powoduje ograniczenia związane z: wydajnością obiektywów o dużej aperturze, kompensacją zniekształceń w obiektywach superszerokokątnych, minimalnym rozmiarem obiektywów kompaktowych. Jedyną metodą wyeliminowania tych ograniczeń w celu konstruowania obiektywów o większej wydajności, mniejszych zniekształceniach i mniejszych rozmiarach jest wykorzystanie technologii soczewek asferycznych. W połowie lat 60-tych firma Canon rozpoczęła prace nad technologią soczewek asferycznych, co na początku lat 70-tych doprowadziło do powstania teorii projektowania, precyzyjnego przetwarzania i technologii pomiarów. W roku 1971 firma Canon wprowadziła na rynek obiektyw do lustrzanki zawierający element asferyczny model FD 55mm f/1,2al. Źródłem tego sukcesu są następujące dwa osiągnięcia: Opracowanie ultra-precyzyjnej technologii pomiarów Na potrzeby pomiarów powierzchni obiektywów asferycznych firma Canon samodzielnie opracowała system pomiaru konwersji współrzędnych biegunowych, w którym mierzony obiekt jest umieszczany na obrotowym stole i obracany wokół środka krzywizny, zaś interferometr mierzy różnicę między powierzchnią obiektu a wzorcową powierzchnią sferyczną.wyniki pomiarów są następnie przetwarzane przez komputer w celu określenia kształtu powierzchni. Zastosowanie tej technologii pozwala uzyskać bardzo dużą dokładność rzędu 1/32 długości fali świetlnej lub 0,02 mikrona (20 milionowych milimetra). Ta technologia pomiarów stanowi podstawę niezbędną do opracowania kolejnych technologii konstruowania soczewek asferycznych. Zdjęcie 8 Precyzyjne soczewki asferyczne Rysunek 13 System pomiaru konwersji współrzędnych biegunowych firmy Canon Elementy odbiornika: przekształcają ciemne i jasne paski interferencji (ilość przemieszczeń szczelinomierza) interferometru na impulsy prądu elektrycznego Licznik Zlicza drogę (δi) przebytą przez końcówkę pomiarową na podstawie impulsów elektrycznych Interferometr laserowy Oscylator laserowy Wiązka lasera Nieruchomy pryzmat Różnica pomiędzy powierzchnią odniesienia i soczewką pomiarową (δi) to wartość asferyczna. δδi Soczewka pomiarowa Sferyczna powierzchnia odniesienia Półlustro: rozdziela i łączy wiązkę lasera Nieruchome lustro Środek obrotu obiektu testowego Ruchomy pryzmat (przekazuje do interferometru informacje o ruchu końcówki pomiarowej) Końcówka pomiarowa: przekształca różnicę asferyczną testowanej soczewki na ruch pionowy. Kierunek obrotu mierzonej soczewki Skala kątowa Opracowanie systemu konstruowania soczewek asferycznych obejmującego techniki specjalnego szlifowania i jednolitego polerowania Na potrzeby precyzyjnego konstruowania obiektywów asferycznych firma Canon opracowała specjalny system obróbki soczewek asferycznych polegający na precyzyjnym szlifowaniu soczewek do kształtu asferycznego, a następnie ich polerowaniu w celu uzyskania jednolitej powierzchni bez utraty kształtu asferycznego. Początkowo obróbkę powierzchni asferycznych i precyzyjne pomiary kształtu trzeba było Zdjęcie 9 Przykład działania obiektywu sferycznego wielokrotnie powtarzać, co powodowało, że każda soczewka była w praktyce wykonywana ręcznie. W roku 1974 firma Canon skonstruowała specjalne urządzenie umożliwiające wyprodukowanie ponad Zdjęcie 10 Przykład działania obiektywu asferycznego 1000 soczewek asferycznych miesięcznie, co utorowało drogę do ich masowej produkcji. 170

11 Technologia produkcji obiektywów EF Szesnaście technologii używanych w obiektywach EF o dużej wydajności Rysunek 14 System optyczny obiektywu EF 85mm f/1,2l@usm diagram śledzenia promieni Rysunek 15 System optyczny obiektywu EF 14mm f/2,8l USM diagram śledzenia promieni Rysunek 16 Obiektywy zmiennoogniskowe EF/FD: porównanie rozmiarów φ67 mm Soczewka asferyczna Soczewka asferyczna Obiektyw EF mm f/4-5,6 USM Rysunek 17 Zasada działania efektu obiektywu asferycznego φ76,5 mm Aberracja sferyczna soczewki sferycznej Nowy obiektyw FD mm f/3,5 68 mm Soczewka 108,4 mm asferyczna Jednak masowa produkcja soczewek asferycznych ze szkła matowego napotykała na ograniczenia, i dlatego około roku 1978 firmie Canon udało się wykorzystać technologię obróbki soczewek asferycznych w procesie wytwarzania soczewek z tworzyw sztucznych i opracować praktyczny, precyzyjny system formowania tych tworzyw na potrzeby masowej produkcji tanich obiektywów asferycznych o małej aperturze. Soczewki produkowane tą metodą zostały zastosowane w systemach pomiaru odległości funkcji AF aparatów kompaktowych oraz w niektórych obiektywach fotograficznych (Snappy/AF35MII). Na początku lat 80-tych firma Canon kontynuowała prace badawczo-rozwojowe w dziedzinie odlewanych w szkle soczewek asferycznych o dużej aperturze, aby w roku 1985 opracować praktyczny system ich produkcji. Odlewane w szkle soczewki asferyczne są produkowane przez formowanie szkła bezpośrednio w urządzeniu formującym, w którym zastosowano niezwykle precyzyjną matrycę metalową. Zapewnia to wystarczającą precyzję, aby spełnić wymagania stawiane obiektywom wymiennym do lustrzanek, a także względnie niski koszt produkcji masowej.w roku 1990 firma Canon dodała do swojego arsenału czwartą technologię produkcji polimerowych soczewek asferycznych polegającą na wykorzystaniu żywicy utwardzanej promieniami ultrafioletowymi do formowania warstwy asferycznej na powierzchni szklanej soczewki sferycznej. Dzięki tym czterem typom soczewek asferycznych konstruktorzy obiektywów EF firmy Canon mogą swobodnie wybierać odpowiednie typy soczewek do różnych zastosowań. Soczewki asferyczne są szczególnie przydatne do: kompensowania aberracji sferycznych w obiektywach o dużej aperturze, kompensowania zniekształceń w obiektywach szerokokątnych, produkowania kompaktowych obiektywów zmiennoogniskowych o wysokiej jakości. Przykłady takich zastosowań przedstawiono na rysunkach od 14 Rysunek 18 Wyniki precyzyjnych pomiarów kształtu powierzchni asferycznej [µm] -0,6-0,4-0,2 0 0,2 0,4 Precyzja kształtu powierzchni formy (stopień niedopasowania względem powierzchni asferycznej określonej przez kryteria projektu) 1, Kąt Zdjęcie 11 Ultra-precyzyjna matryca do odlewu szklanych soczewek asferycznych Wyrównanie ogniska za pomocą soczewki asferycznej 171

12 Rysunek 20 System optyczny obiektywu EF 300mm f/2,8l USM do 16. Obiektyw EF 85mm f/1,2l II USM na rysunku 14 został zaprojektowany z użyciem elementów asferycznych, dzięki którym wszystkie promienie przechodzące przez obiektyw schodzą się w jednym punkcie. Obraz tworzony przez promienie świetlne przechodzące przez obiektyw wzdłuż przekroju prostopadłego do powierzchni papieru rozjaśnia się przy maksymalnym otworze względnym. Asferyczne elementy obiektywu eliminują to rozjaśnienie i kompensują składnik rozjaśnienia komatycznego. W tym obiektywie do uzyskania dobrej kompensacji na całym obszarze obrazu od środka do krawędzi wykorzystano dwa elementy asferyczne. Obiektyw ultra-szerokokątny na rysunku 15 zawiera element asferyczny o swobodnie zakrzywionej powierzchni, którego kąt przenoszenia promieni świetlnych optymalizuje charakterystykę tworzenia obrazu w każdym punkcie obszaru obrazu. Zastosowanie tej soczewki asferycznej znakomicie kompensuje zniekształcenia i rozmazywanie się obrazu na krawędziach, które wcześniej były nieuniknione w przypadku obiektywów ultra-szerokokątnych. Rysunek 16 przedstawia porównanie starszego obiektywu zmiennoogniskowego FD skonstruowanego tylko z wykorzystaniem elementów sferycznych z nowym obiektywem zmiennoogniskowym EF tej samej klasy zawierającym element asferyczny. Zastosowanie elementu asferycznego pozwoliło zmniejszyć całkowitą długość obiektywu oraz znacząco ograniczyć krzywiznę pola i zniekształcenia. Obiektywy z fluorytu i szkła UD na tyle 2 ostre, by sfotografować nawet powietrze Super-teleobiektywy Canon z serii L wyposażone w biały tubus są wciąż zachwalane przez profesjonalnych fotografów na całym świecie jako super-wydajne urządzenia o niezrównanej ostrości. Tajemnicą tej wydajności jest całkowite wyeliminowanie widma wtórnego dzięki elastycznemu wykorzystaniu soczewek wykonanych z fluorytu i szkła UD. Fluoryt W przypadku super-teleobiektywów możliwość zwiększenia wydajności przy użyciu szklanych elementów optycznych jest ograniczona. Poziom szczątkowej aberracji chromatycznej ma zauważalny wpływ na ostrość obrazu, jaką można uzyskać, korzystając z teleobiektywów i super-teleobiektywów. Jak pokazano na przykładzie pryzmatu eliminującego kolory na rysunku 19, aberracje chromatyczne są korygowane przez zastosowanie różnych charakterystyk rozpraszania różnego typu szkieł optycznych do wyrównania kierunków propagacji promieni świetlnych o różnych długościach fal biegnących w tym samym kierunku. Rysunek 19 Korekcja aberracji chromatycznej przy użyciu pryzmatów Także w przypadku obiektywów fotograficznych możliwe jest skupienie Soczewki UD Fluoryt dwóch promieni o różnych długościach fali (na przykład czerwonego i niebieskiego) w tym samym ognisku przez połączenie soczewki wypukłej o małym rozproszeniu z soczewką wklęsłą o dużym rozproszeniu. Obiektyw, w którym dwa kolory (długości fali) są korygowane w ten sposób, nosi nazwę obiektywu achromatycznego lub prościej achromatu. Jednak mimo skupienia dwóch kolorów w tym samym ognisku kolor pośredni (zielony) nadal ogniskuje się w innym punkcie.ta aberracja chromatyczna, która nie znika nawet po zastosowaniu w konstrukcji środków korygujących, nosi nazwę wtórnej aberracji chromatycznej lub widma wtórnego. Ze względu na ograniczenia teoretyczne nie można ograniczyć tego widma wtórnego do poziomu mniejszego niż ogniskowa x 2/1000 mm, korzystając wyłącznie ze szklanych elementów optycznych. Dzieje się tak dlatego, że nawet w przypadku różnych typów szkieł optycznych o różnych współczynnikach rozproszenia proporcjonalna wielkość rozproszenia dla każdej długości fali dąży do zachowania stałej wartości. Zastosowanie fluorytu do produkcji ultra-wydajnych obiektywów Fluoryt jest materiałem umożliwiającym usunięcie teoretycznego ograniczenia nakładanego przez szkło optyczne i przeprowadzenie praktycznie idealnej korekcji aberracji chromatycznych. Szkło optyczne to materiał wytwarzany głównie z krzemionki z dodatkiem tlenku baru lub lantanu.w procesie produkcji substancje te są stapiane w piecu o wysokiej temperaturze z zakresu od 1300 do 1400 C,a następnie powoli schładzane. Natomiast fluoryt ma strukturę krystaliczną i niezwykłe właściwości, których nie można uzyskać w przypadku szkła optycznego niski indeks załamania fal i małe rozproszenie (rysunek 23). Ponadto charakterystyki rozpraszania fluorytu i szkła optycznego są niemal identyczne w przypadku fal z zakresu od czerwonego do zielonego, natomiast znacznie się różnią w przypadku fal z zakresu od zielonego do niebieskiego (właściwość ta nosi nazwę nietypowego częściowego rozproszenia). Wykorzystanie tych specjalnych właściwości umożliwia znaczną poprawę jakości przetwarzania obrazu przez super-teleobiektywy w opisany poniżej sposób. Dokładne wyeliminowanie widma wtórnego Jeśli fluorytowa soczewka wypukła zostanie połączona ze szklaną soczewką wklęsłą o dużym rozproszeniu zgodnie z regułami projektowania dotyczącymi korekcji fal czerwonych i niebieskich, właściwości nietypowego częściowego rozproszenia skutecznie skompensują także fale zielone, ograniczając widmo wtórne do niezwykle niskiego poziomu i skupiając wszystkie trzy rodzaje fal czerwone, zielone i niebieskie w tej samej ogniskowej, co spowoduje praktycznie idealną kompensację aberracji chromatycznej (wydajność apochromatyczna), jak przedstawiono na rysunku

13 Technologia produkcji obiektywów EF Szesnaście technologii używanych w obiektywach EF o dużej wydajności Rysunek 21 Widmo wtórne Zdjęcie 12 Sztuczne kryształy fluorytu i soczewki fluorytowe Szczątkowa aberracja chromatyczna Długość fali (nm) - EF 600mm f/4l IS USM FD 600mm f/4,5 Poprawa jakości na całym obszarze obrazu W przypadku teleobiektywów, w których zastosowano rozkład mocy korzystający z przedniej soczewki wypukłej i tylnej soczewki wklęsłej, całkowita długość fizyczna może być mniejsza niż długość ogniskowej. Aby w przypadku tego typu obiektywu uzyskać wysoki poziom ostrości na całej powierzchni od środka obrazu do jego krawędzi, pożądane jest zastosowanie przedniej grupy soczewek wypukłych o jak najmniejszym indeksie załamania fal. Dlatego wykorzystanie fluorytu, charakteryzującego się niskim indeksem załamania fal, powoduje efektywną poprawę jakości obrazu na całym jego obszarze. Zmniejszenie całkowitej długości obiektywu W celu zmniejszenia całkowitej długości teleobiektywu pożądane jest maksymalne zwiększenie mocy układu soczewek wklęsłych i wypukłych. Jednak w przypadku zwykłego szkła optycznego zwiększenie mocy utrudnia korekcję krzywizny pola i powoduje pogorszenie jakości obrazu. Natomiast niski indeks załamania fal w przypadku fluorytu jest korzystny ze względu na warunki określone przez sumę Petzvala i umożliwia uzyskanie znacznego zmniejszenia długości obiektywu przy zachowaniu wysokiej jakości obrazu. Chociaż niezwykłe właściwości optyczne fluorytu były znane od początku XIX wieku, w naturze występuje on wyłącznie w niewielkich rozmiarach, które nadają się tylko do obiektywów w mikroskopach. Mimo iż konstruktorzy obiektywów od dawna chcieli wykorzystać fluoryt w obiektywach fotograficznych, na ogół uzyskanie odpowiednio dużych naturalnych kawałków tego materiału, aby można było zastosować je w obiektywach, było niezwykle trudne lub niemożliwe.w celu rozwiązania tego problemu firma Canon podjęła wysiłki mające na celu opracowanie technologii wytwarzania syntetycznego kryształu fluorytu, co ostatecznie doprowadziło do powstania praktycznej technologii produkcji fluorytu (technologii wytwarzania syntetycznego kryształu fluorku wapnia <CaF2>) pod koniec lat 60-tych. Jest to jeden z przykładów na to, że firma Canon zawsze dokłada wszelkich starań, aby własnymi siłami utworzyć wszystko, co jest niezbędne do osiągnięcia celu i zbliżenia się do ideału. Sztucznie skrystalizowany fluoryt po raz pierwszy zastosowano w obiektywach FL-F 300mm f/5,6 w roku 1969, a od tamtej pory był używany w obiektywach FD,New FD,EF i wielu innych obiektywach firmy Rysunek 22 Porównanie korekcji aberracji kolorów Zwykłe szkło optyczne Fluoryt Rysunek 23 Właściwości optyczne szkła optycznego i fluorytu Zwykłe szkło optyczne Cz Z N Niebieski Zielony Czerwony Znaczna aberracja kolorów Fluoryt Zdjęcie 13 Obiektywy EF z optymalną powłoką Niewielka aberracja kolorów Nis ki współczynnik załamania światła Niskie rozproszenie i nietypowe częściowe rozproszenie Cz Z N 173

14 Canon. Obecnie jedynymi obiektywami wymiennymi do lustrzanek zawierającymi fluoryt są obiektywy EF. Obiektywy ze szkła UD Fluoryt jest powszechnie stosowany do poprawy wydajności superteleobiektywów, ale jego wykorzystanie w innych typach obiektywów nadal stanowi problem. Problemem tym jest bardzo duży koszt fluorytu wynikający z procesu produkcji syntetycznego kryształu. Z tego powodu konstruktorzy obiektywów od dawna oczekiwali na opracowanie specjalnego szkła optycznego o właściwościach zbliżonych do fluorytu,ale za mniejszą cenę. Pragnienie to zostało spełnione w drugiej połowie lat 70-tych wraz z opracowaniem szkła UD (ultra-low dispersion o niskim rozproszeniu). Indeksy załamania fal i rozpraszania szkła UD nie są wprawdzie tak niskie jak w przypadku fluorytu, jednak znacznie niższe niż w przypadku innych typów szkła optycznego. Ponadto szkło UD wykazuje właściwości nietypowego częściowego rozproszenia. Dzięki temu, stosując szkło UD, można uzyskać prawie taki sam efekt jak w przypadku użycia fluorytu (dwa elementy ze szkła UD odpowiadają jednemu elementowi z fluorytu) wystarczy wybrać odpowiednią kombinację soczewek uwzględniającą różne czynniki,np.długość ogniskowej. Elementy z fluorytu i/lub szkła UD są stosowane w różnych obiektywach EF, między innymi w grupie teleobiektywów/superteleobiektywów EF 135mm f/2l USM i EF 600mm f/4l IS USM oraz w teleobiektywach zmiennoogniskowych EF mm f/3,5-5,6l IS USM, EF mm f/2,8l IS USM, EF mm f/2,8l USM, EF mm f/4l IS USM, EF mm f/4l USM i EF mm f/4,5-5,6l IS USM. Soczewki ze szkła UD są także używane w obiektywach szerokokątnych EF 24mm f/1,4l USM, EF 16-35mm f/2,8l USM, EF 17-40mm f/4l USM i EF 24-70mm f/2,8l USM do korekcji aberracji chromatycznej. W roku 1993, po radykalnym zwiększeniu wydajności konwencjonalnych soczewek UD, udało się opracować soczewkę Super UD mającą prawie takie same właściwości jak fluoryt, i zastosowano w obiektywie EF 400mm f/5,6l USM. Gwałtowny rozwój fotografii cyfrowej spowodował również zwiększenie nacisku na korekcję aberracji chromatycznej w obiektywach fotograficznych. Aby sprostać temu wyzwaniu, w przyszłości soczewki wykonane z fluorytu, szkła UD i szkła Super UD będą używane w kolejnych obiektywach EF począwszy od obiektywów szerokokątnych aż po super-teleobiektywy. Niezrównana wyrazistość, idealna reprodukcja kolorów 3 Powłoka Super Spectra Powlekanie obiektywów to technologia tworzenia niezwykle cienkiej, przezroczystej warstwy na powierzchni obiektywu za pomocą procesu naparowywania próżniowego. Powody, dla których powleka się obiektywy to: poprawa transmitancji oraz zminimalizowanie efektów flary i zjawy, uzyskanie optymalnego balansu kolorów, utlenienie ( wypalenie ) powierzchni obiektywu w celu zmiany lub poprawy jego właściwości i zapewnienia ochrony tej powierzchni. Rysunek 24 Odbicia od niepowlekanej powierzchni szkła 4,5125% 5% Rysunek 25 Pochłanianie i odbijanie światła na powierzchni obiektywu 100% Światło padające 50 0 Światło padające 100% Światło pochłonięte Szkło Światło przepuszczone Światło przepuszczone 90,25% Światło odbite nm Rysunek 26 Właściwości powłoki Super Spectra (współczynnik odbicia) Współczynnik odbicia światła 4% Brak powłoki Powłoka jednowarstwowa Powłoka wielowarstwowa Powłoka Super Spectra nm Około 4 10% światła docierającego do każdej soczewki odbija się od jej powierzchni (w miejscu styku szkła i powietrza), co powoduje zauważalną utratę światła w obiektywach fotograficznych składających się z co najmniej kilku elementów.wielokrotnie odbite od powierzchni soczewek promienie świetlne docierające do płaszczyzny ogniskowania mogą powodować efekty flary lub zjawy na obrazie.te szkodliwe odbicia w przypadku szerokiego zakresu fal można w dużej mierze wyeliminować, nakładając na powierzchnię każdej soczewki powłokę składającą się z kilku cienkich warstw o różnych indeksach załamania fal. Firma Canon używa kilku typów powłok wielowarstwowych, które zostały zoptymalizowane odpowiednio do indeksu załamania fal powlekanego elementu. Ze względu na łączenie składników w procesie produkcji niektóre typy szkła szczególnie te o wysokich indeksach załamania fal mają także tendencję do pochłaniania niebieskiego światła, dając w wyniku kolor żółty. Gdyby żółtawe szkło zostało po prostu pokryte wielowarstwową powłoką jak inne soczewki, światło przechodzące przez obiektyw miałoby lekko żółtawy odcień, co na białych obszarach obrazu sfotografowanych na kolorowej kliszy dałoby domieszkę żółci. Aby temu zapobiec, powierzchnie z niewielkim efektem flary i zjawy są pokrywane powłokami jednowarstwowymi 174

15 Technologia produkcji obiektywów EF Szesnaście technologii używanych w obiektywach EF o dużej wydajności Rysunek 27 Konstrukcja krótkiego obiektywu zmiennoogniskowego (EF 28-80mm f/3,5-5,6 %USM) 28 mm 50 mm Pierwsza grupa (ostrzenie) Druga grupa Trzecia grupa odpowiedniego koloru, na przykład bursztynowego, purpurowego, fioletowego i niebieskiego, co pozwala uzyskać identyczny balans kolorów w przypadku wszystkich obiektywów wymiennych EF. Powłoki obiektywów EF spełniają standardy firmy Canon, które są surowsze od zakresu tolerancji CCI (Colour Contribution Index indeks udziału kolorów) określonego przez stowarzyszenie ISO (International Organization for Standardization). Proces nakładania powłok, noszący w firmie Canon nazwę powlekania Super Spectra, oferuje takie właściwości jak wysoka transmitancja, filtrowanie promieni ultrafioletowych, duża wytrzymałość powierzchni i stabilne właściwości. Dzięki rygorystycznym procedurom powlekania obiektywy EF mają doskonałe właściwości przetwarzania obrazów,na przykład: ostre,kontrastowe i żywe obrazy; jednolity balans kolorów w przypadku różnych obiektywów EF; wierna reprodukcja kolorów, która nie zmienia się z upływem czasu. 4 Zrodzone z dążenia do innowacyjności: wielogrupowe obiektywy zmiennoogniskowe 400 mm 80 mm Rysunek 28 Konstrukcja wielogrupowego obiektywu zmiennoogniskowego (EF mm f/4,5-5,6l IS USM) 250 mm Pierwsza grupa 100 mm Druga grupa Trzecia grupa Czwarta grupa Piąta Szósta grupa (grupa ostrzenia) grupa (grupa ostrzenia) Obiektyw zmiennoogniskowy umożliwia ciągłą zmianę ogniskowej w określonym zakresie z zachowaniem ostrości podczas zmiany ogniskowej. W przypadku obiektywu zmiennoogniskowego część systemu obiektywu porusza się wzdłuż osi optycznej w celu zmiany ogniskowej, natomiast inna część porusza się w tym samym czasie, aby skompensować zmianę ostrości. Dlatego obiektyw zmiennoogniskowy musi składać się z co najmniej dwóch grup soczewek mogących poruszać się wzdłuż osi optycznej. Na rysunku 27 pokazano konstrukcję obiektywu EF 28-80mm f/3,5-5,6 V USM, typowego krótkiego obiektywu zmiennoogniskowego (obiektywu, którego długość przy najkrótszej ogniskowej nie przekracza 40 mm), składającego się z dwóch ruchomych grup soczewek. Druga grupa nazywana jest wariatorem, co oznacza, że porusza się ona w celu zmiany ogniskowej. Pierwsza grupa na końcu obiektywu porusza się jednocześnie z drugą grupą, aby skompensować zmianę ostrości, dlatego nosi nazwę kompensatora. Druga grupa bierze także udział w procesie ogniskowania, dostosowując ognisko. W przypadku krótkiego obiektywu pierwsza grupa ma ujemny współczynnik załamania fal (dywergencja, rozbieżność), druga grupa ma dodatni współczynnik załamania fal (konwergencja, zbieżność), a obiektyw jest konstrukcją typu retrofokus. Tego typu konstrukcja szczególnie dobrze nadaje się do obiektywów szerokokątnych ze względu na poniższe właściwości: Przedni element obiektywu ma niewielką średnicę, co pozwala bez trudu uzyskać Zdjęcie 14 Precyzyjny pierścień krzywkowy obiektywu zmiennoogniskowego (EF mm f/4,5-5,6l IS USM) 175

16 kompaktową konstrukcję za niewielką cenę. Przy krótkiej ogniskowej występuje niewielkie zniekształcenie związane z tubusem. Konstrukcja, w której do ogniskowania służy pierwsza grupa soczewek,umożliwia ustawianie ostrości przy małych odległościach. Jednak tego typu konstrukcja powoduje problem polegający na tym, że w przypadku ustawienia w krótkim obiektywie zmiennoogniskowym zbyt dużego współczynnika zbliżenia przesunięcie drugiej grupy zwiększa się, co powoduje także zwiększenie długości obiektywu oraz poziomu zmienności maksymalnego otworu względnego. Duży współczynnik zbliżenia wymaga także zwiększenia współczynnika załamania fal drugiej grupy, powodując także zwiększenie liczby elementów obiektywu potrzebnych do skompensowania aberracji oraz zwiększenie ogólnej wielkości obiektywu, przez co uzyskanie dużego współczynnika i kompaktowych rozmiarów staje się bardzo trudne. Rozwiązaniem tego problemu jest konstrukcja obiektywu składająca się z wielu grup technologia opracowana w celu pokonania ograniczeń małych obiektywów zmiennoogniskowych oraz uzyskania zarówno dużego współczynnika,jak i niewielkiego rozmiaru. W przypadku krótkiego obiektywu zmiennoogniskowego zmiana ogniskowej (zbliżanie) jest realizowana tylko przez drugą grupę; w przypadku obiektywu zawierającego wiele grup to zadanie jest rozdzielone między kilka grup soczewek. Dlatego taki obiektyw składa się z co najmniej trzech ruchomych grup soczewek. Konstrukcja obiektywu składającego się z wielu grup ma następujące zalety: Dzięki temu, że przy zmianie ogniskowej poruszanych jest kilka grup soczewek, przesunięcie każdej z nich może być niewielkie, co pozwala uzyskać kompaktową konstrukcję obiektywu. Ponadto można określić żądaną zmianę wielkości przysłony bez konieczności stosowania złożonego mechanizmu. Dzięki temu, że proces zmiany ogniskowej rozkłada się na kilka grup soczewek, każdą grupę można zaprojektować ze względnie małym współczynnikiem załamania fal, dzięki czemu do skompensowania aberracji potrzebna będzie względnie mała liczba elementów obiektywu. Dzięki temu, że używanych jest kilka grup soczewek, zwiększa się swoboda konstrukcji optycznej i dostępnych jest więcej możliwości kompensowania aberracji, na przykład projektowanie grup soczewek wzajemnie kompensujących swoje aberracje (kompensacja wzajemna). Ogniskowanie za pomocą wielu grup soczewek jest nowoczesną technologią optyczną, która pozwala spełnić różnorodne wymagania związane z konstruowaniem obiektywów, ale jest możliwa tylko w przypadku stosowania zaawansowanych technologii projektowania, obróbki i produkcji tubusów obiektywów, które umożliwiają poruszanie się wielu grup. Obecnie w technologii ogniskowania za pomocą wielu grup soczewek konstruowane są obiektywy EF 28-90mm f/4-5,6 III, EF 24-85mm f/3,5-4,5 USM, EF mm f/4,5-5,6l IS USM oraz wszystkie pozostałe obiektywy zmiennoogniskowe EF. Pozwala to uzyskać jednocześnie duży współczynnik zbliżenia, kompaktowy rozmiar i wyjątkową jakość obrazu. 5 Szybkie i płynne ogniskowanie: systemy ogniskowania tylnego i wewnętrznego Na ogół w obiektywach fotograficznych ogniskowanie odbywa się przy użyciu wszystkich grup (wszystkie grupy soczewek poruszają się razem wzdłuż osi optycznej) lub przy użyciu przedniej grupy Rysunek 29 Systemy ogniskowania tylnego i wewnętrznego 0,38 m 3,5 m 1,4 m EF 24-70mm f/2,8l USM System tylnego ogniskowania EF 400mm f/5,6l USM System tylnego ogniskowania EF mm f/2,8l IS USM System wewnętrznego ogniskowania (porusza się tylko przednia grupa soczewek). Zaletą metody ogniskowania przy użyciu wszystkich grup jest względnie niewielka zmiana aberracji w stosunku do zmiany odległości fotografowania, dlatego jest ona najczęściej używaną metodą ogniskowania w przypadku obiektywów stałoogniskowych. Jednak w przypadku teleobiektywów i super-teleobiektywów stosowanie tej metody jest mniej korzystne ze względu na większy rozmiar i wagę obiektywu. Z drugiej strony ogniskowanie przy użyciu przedniej grupy jest podstawową metodą używaną w obiektywach zmiennoogniskowych, której zaletą jest stosunkowo prosta konstrukcja obiektywu. Jednak metoda ta ma wady, ponieważ nakłada ograniczenia na wielkość zbliżenia oraz rozmiar obiektywu. Aby przezwyciężyć wady tych dwóch metod firma Canon opracowała idealną metodę ogniskowania nazywaną ogniskowaniem tylnym (lub ogniskowaniem wewnętrznym) do użytku w teleobiektywach i super-teleobiektywach. W metodzie tej podzielono obiektyw na kilka części, a ogniskowanie jest wynikiem poruszania się tylnej lub środkowej grupy soczewek. Oprócz teleobiektywów i super-teleobiektywów EF ogniskowanie tylne jest obecnie stosowane w obiektywie EF 16-35mm f/2,8l USM oraz innych obiektywach zmiennoogniskowych. Wykorzystany w metodzie ogniskowania tylnego efekt soczewek ruchomych zastosowano także w obiektywach szerokokątnych, takich jak EF 14mm f/2,8l USM,EF 20mm f/2,8 USM i EF 24mm f/2,8. Firmie Canon udało się także zastosować ogniskowanie tylne w obiektywach zmiennoogniskowych. Tego typu konstrukcje z ogniskowaniem tylnym/wewnętrznym mają następujące właściwości: Dzięki temu, że podczas ogniskowania poruszana jest grupa soczewek o małej wadze, użytkownik ma wrażenie lekkości przy ręcznym regulowaniu ostrości. Ponadto zapewnia to szybkie działanie funkcji automatycznej regulacji ostrości. Długość obiektywu nie zmienia się podczas ogniskowania. Dzięki temu obiektyw można zaprojektować jako konstrukcję jednoczęściową,co zapewnia jego większą sztywność. 176

17 Technologia produkcji obiektywów EF Szesnaście technologii używanych w obiektywach EF o dużej wydajności Dzięki temu, że pierścień ostrzenia można ustawić w optymalnym położeniu i nie będzie on poruszał się do przodu ani do tyłu w czasie ustawiania ostrości,można uzyskać doskonały balans. Obiektyw może być bardziej kompaktowy. Minimalna odległość ostrzenia może być krótsza niż w przypadku konwencjonalnych metod ogniskowania. Dzięki temu, że pierścień do mocowania filtrów nie obraca się podczas ogniskowania, praca z filtrami polaryzującymi zapewnia doskonałe efekty. Ponieważ przednia ramka nie porusza się podczas ogniskowania,z funkcją automatycznej regulacji ostrości można używać nie tylko skutecznych osłon bocznych, ale także akcesoriów, takich jak uchwyty filtrów żelatynowych. W firmie Canon obiektywy, w których poruszają się grupy elementów za przysłoną (w stronę powierzchni filmu), noszą nazwę obiektywów z ogniskowaniem tylnym, natomiast obiektywy, w których poruszają się grupy elementów między przysłoną a przednim elementem, noszą nazwę obiektywów z ogniskowaniem wewnętrznym. 6 Znacznie lepsza jakość obrazu podczas fotografowania z bliskiej odległości: system soczewek ruchomych Konwencjonalne obiektywy są projektowane tak, aby uzyskać optymalny balans kompensacji aberracji tylko przy jednej lub dwóch odległościach fotografowania w zakresie ostrości uważanym za najbardziej typowy dla danego obiektywu. Dlatego mimo dobrej kompensacji aberracji przy idealnych odległościach fotografowania następuje zwiększenie aberracji i pogorszenie jakości obrazu przy innych odległościach. Stopień pogorszenia jakości obrazu zależy od typu obiektywu i rozmiaru przysłony w obiektywach Rysunek 30 System soczewek ruchomych obiektywu EF 24mm f/1,4l USM Rysunek 31 Efekt soczewek ruchomych (przy 0,25 m) Astygmatyzm symetrycznych pogorszenie jakości jest stosunkowo niewielkie, natomiast w obiektywach asymetrycznych, na przykład w obiektywach typu retrofokus, jest ono stosunkowo duże. Szczególnie w obiektywach typu retrofokus zmienność aberracji wzrasta w miarę zmniejszania długości ogniskowej lub zwiększania otworu przysłony. W przypadku wymiennych obiektywów szerokokątnych do lustrzanek z których większość ma, ze względu na konieczność ogniskowania tylnego, konstrukcję typu retrofokus podczas ogniskowania na duże odległości aberracje są małe, ale podczas ogniskowania na małe odległości krzywizna pola znacznie się zwiększa, w wyniku czego obraz na krawędziach traci ostrość (lub gdy obraz jest zogniskowany na krawędziach, ostrości zostaje pozbawiona środkowa część obrazu). W celu zapewnienia idealnej korekcji aberracji w całym zakresie odległości ogniskowania firma Canon opracowała system soczewek ruchomych, w którym część systemu soczewek używanego do korygowania aberracji przemieszcza się podczas regulacji ostrości. System ten zastosowano w obiektywie EF 24mm f/1,4l USM oraz innych obiektywach szerokokątnych o dużej aperturze, a także w obiektywie EF 180mm f/3,5l Macro USM, co pozwoliło na poprawę wydajności podczas fotografowania z małej odległości. Firma Canon opracowała także metodę dodawania efektu soczewek ruchomych do obiektywów z ogniskowaniem tylnym. Na przykład w obiektywie EF 14mm f/2,8l USM system soczewek jest podzielony na grupę przednią i grupę tylną, z których tylko tylna służy do ogniskowania. Patrząc na obiektyw jako całość, ogniskowanie za pomocą tylnej grupy soczewek zmienia odległość między elementami obiektywu odpowiednio do odległości fotografowania, zapewniając tym samym efekt soczewek ruchomych. Ponieważ optyka obiektywu od początku była projektowana z myślą o tym zapewnieniu tego efektu, aberracje przy fotografowaniu z bliskiej odległości są w dużym stopniu korygowane. Innym zastosowaniem efektu soczewek ruchomych jest także zapobieganie aberracji sferycznej, która znacznie zwiększa się przy małych odległościach ogniskowania w przypadku obiektywów o dużej aperturze. Jest to główna przyczyna zastosowania systemu soczewek ruchomych w takich obiektywach jak EF 50mm f/1,2l USM, EF 85mm f/1,2l II USM i EF-S 60mm f/2,8 Macro USM. System soczewek ruchomych w tych obiektywach różni się od stosowanego w obiektywach szerokokątnych tym, że tylna grupa soczewek pozostaje nieruchoma, a podczas ogniskowania wydłuża się pozostała część obiektywu. Taka konstrukcja pozwala uzyskać wysokiej jakości obraz, niemal całkowicie pozbawiony efektu flary, przy wszystkich odległościach fotografowania. 0,25m Rysunek 32 System soczewek ruchomych obiektywu EF 85mm f/1,2l@usm 0,95m Brak soczewek ruchomych Soczewki ruchome Rysunek 33 Efekt soczewek ruchomych (przy 0,95 m) Aberracja sferyczna Brak soczewek ruchomych Soczewki ruchome Maksymalne wykorzystanie wydajności 7 obiektywu: eliminacja odbić wewnętrznych Efekty flary i zjawy są powodowane przez szkodliwe odbicia światła wewnątrz obiektywu, które negatywnie wpływają na jakość obrazu. Dlatego obiektywy EF są projektowane w taki sposób, aby wyeliminować odbicia zarówno od soczewek, jak i od tubusu. Każdy element obiektywu jest pokrywany specjalną powłoką, która chroni przed szkodliwym światłem, tłumiąc odbicia od powierzchni soczewek. Problem odbić od powierzchni tubusu jest rozwiązywany przez wybranie najlepszych metod antyrefleksyjnych dla poszczególnych soczewek spośród różnych technik wymienionych na następnej stronie. 177

18 Rysunek 34 Flokowanie części obiektywu EF 300mm f/2,8l IS USM w celu wyeliminowania odbić wewnętrznych Linie blokowania światła Powierzchnia poddana flokowaniu Rysunek 35 Ruchoma przysłona likwidująca efekt flary w obiektywie EF mm f/3,5-5,6 IS USM Przysłona eliminująca efekt flary Techniki konstrukcji antyrefleksyjnych Oprócz wykorzystania specjalnych powłok i procesu flokowania ochronę przed odbiciami wewnętrznymi można także uzyskać przy użyciu różnych technik strukturalnych, takich jak wyżłobienia blokujące światło i ostre krawędzie ograniczające obszar powierzchni odbicia (rysunki 34 i 35), wyżłobienia blokujące światło na powierzchniach obiektywu o szerokich krawędziach (wyżłobienie jest wypełnione powłoką antyrefleksyjną i działa jak stała przysłona: rysunek 36) oraz stałe i ruchome przysłony (w obiektywach zmiennoogniskowych), które zwiększają tłumienie efektów flary. Środki te są stosowane również na powierzchniach listków przysłony w module EMD (wykonanym z tworzywa sztucznego i metalu) pokrytych specjalną powłoką antyrefleksyjną, która działa także jak smar, aby uniemożliwić powstawanie efektu zjawy o kształcie maksymalnego otworu względnego. 8 Klucz do cichej, szybkiej i płynnej automatycznej regulacji ostrości: w pełni elektroniczny uchwyt i system napędu w obiektywie Zdjęcie 15 Proces flokowania elementów obiektywu EF 300mm f/4l IS USM Rysunek 36 Wewnętrzne wyżłobienia blokujące światło w obiektywie EF 24mm f/2,8 Techniki nakładania powłok antyrefleksyjnych W przypadku tej metody stosuje się specjalną farbę, która nakładana jest na powierzchniach umieszczonych pod kątem oraz na powierzchniach łączących, w sytuacji gdy elementy obiektywu są utrzymywane w miejscu przez tubus; ma to uniemożliwić światłu przechodzącemu przez obiektyw odbijanie się od tych części. Jeśli używana jest standardowa powłoka, odbicia są w rzeczywistości jeszcze większe ze względu na duży rozmiar drobin pigmentu oraz fakt, że powłoka ma mniejszy indeks załamania fal niż szkło. Dlatego firma Canon opracowała kilka typów specjalnych powłok antyrefleksyjnych o dużym indeksie załamania fal i bardzo małych drobinach pigmentu, których można używać w zależności od lokalizacji i przeznaczenia w celu uzyskania doskonałego efektu antyrefleksyjnego. Techniki flokowania elektrostatycznego Ta metoda polega na wykorzystaniu procesu flokowania elektrostatycznego w celu bezpośredniego nakładania niezwykle małych porcji na powierzchnie wymagające wykończenia antyrefleksyjnego. Ponieważ porcje są prostopadłe do powierzchni ścianek, ta technika jest szczególnie skuteczna w przypadku długich sekcji tubusów teleobiektywów i super-teleobiektywów stałoogniskowych, a także w przypadku obiektywów zmiennoogniskowych i wewnętrznych stron osłon. Całkowicie elektroniczny uchwyt i system napędu w obiektywie to odpowiedź firmy Canon na problemy powodowane przez systemy napędu montowane w korpusie aparatu oraz kluczowy element dla zapewnienia cichej, płynnej, szybkiej i precyzyjnej automatycznej regulacji ostrości, z której słynie system EOS. System ten stanowi praktyczne wdrożenie mechatronicznej koncepcji projektowania aparatów firmy Canon, która polega na umieszczeniu optymalnego mechanizmu w pobliżu odpowiedniego napędu oraz w pełni elektronicznej kontroli całej transmisji danych i sygnałów sterujących. Poniżej przedstawiono korzyści, jakie zapewnia ten wyjątkowo nowoczesny i logiczny system w porównaniu do konwencjonalnych rozwiązań. Właściwości Ponieważ każdy obiektyw EF może być wyposażony w optymalny mechanizm dostosowany do konkretnych właściwości działania funkcji AF, we wszystkich obiektywach od rybiego oka do super-teleobiektywu można skorzystać z płynnego, szybkiego napędu obiektywu. Zalety tego systemu w porównaniu z rozwiązaniami obejmującymi napęd w korpusie aparatu rosną wraz ze wzrostem odległości napędu od korpusu w super-teleobiektywach o dużym zasięgu, ponieważ dzięki niemu firma Canon może wyposażyć w funkcję automatycznej regulacji ostrości wszystkie swoje super-teleobiektywy, łącznie z modelem EF 600mm f/4l IS USM. Ponieważ mechanizm znajduje się w pobliżu napędu, energia napędu jest skutecznie przesyłana z minimalnymi stratami i przy niewielkim poziomie hałasu generowanym przez napęd. Zastosowanie elektronicznego uchwytu umożliwia konstruktorom wybranie dowolnego spośród wielu typów mechanizmów. System pozwala na stosowanie nowo opracowywanych mechanizmów o dużej wydajności, zapewniając znakomite możliwości rozwoju na przyszłość. Aktualnie firma Canon używa pięciu poniższych typów mechanizmów, dobierając je w zależności od właściwości poszczególnych obiektywów. USM typu pierścieniowego Micro USM 178

19 Technologia produkcji obiektywów EF Szesnaście technologii używanych w obiektywach EF o dużej wydajności AFD (Arc-Form Drive: bezszczotkowy silnik z odkształceniem kołowym) Mikrosilnik DC ogólnego zastosowania bez rdzenia Mikrosilnik DC ogólnego zastosowania z rdzeniem Innym typem mechanizmu używanego w obiektywach EF jest mechanizm EMD (electromagnetic diaphragm przysłona elektromagnetyczna), która łączy w sobie silnik krokowy deformacji sterowania przysłoną oraz moduł listków przysłony. Szczegółowe informacje można znaleźć na stronie Zrodzony przy opracowywaniu systemu EOS: zaawansowany silnik ultradźwiękowy Silnik ultradźwiękowy (Ultrasonic Motor, USM) to nowy typ silnika, który po raz pierwszy zastosowano w roli silnika do obiektywu fotograficznego w obiektywach Canon EF. Pierścieniowy silnik USM, który zadebiutował w roku 1987 w obiektywie EF 300mm f/2,8l USM, zadziwił świat cichą, super-szybką pracą mechanizmu automatycznej regulacji ostrości. Następnie w roku 1990 firma Canon opracowała nową technologię przeznaczoną do produkcji masowej, która umożliwiła zaprojektowanie pierścieniowego silnika USM do użytku w popularnych obiektywach. Następstwem tego było powstanie w roku 1992 silnika Micro USM nowego typu silnika USM, którego produkcja mogła odbywać się automatycznie, oraz zaprojektowanie w roku 2002 ultra-kompaktowego silnika Micro USM II, o połowę krótszego od Micro USM. Gama silników USM coraz bardziej przybliża dzień, w którym firma Canon ostatecznie zrealizuje swoje marzenie o zastosowaniu silnika USM w każdym obiektywie EF. Opis pierścieniowego silnika USM Konwencjonalne silniki różnią się pod względem typu i konstrukcji, ale zasadniczo wszystkie przekształcają siłę elektromagnetyczną na ruch obrotowy. Natomiast silniki ultradźwiękowe działają na zupełnie nowej zasadzie polegającej na tym, że ruch obrotowy jest Rysunek 37 Różne mechanizmy obiektywów generowany z energii drgań ultradźwiękowych. Uwzględniając silniki USM znajdujące się wciąż w fazie badawczo-rozwojowej, do chwili obecnej powstały trzy typy takich silników, sklasyfikowane na podstawie metody przekształcania energii drgań na ruch obrotowy: typ fali stojącej, typ fali bieżącej i typ wibracyjny. Zgodnie z tą klasyfikacją wszystkie silniki USM używane przez firmę Canon są silnikami typu fali bieżącej. Podstawowa konstrukcja silnika jest bardzo prosta składa się on z elastycznego stojana i obracającego się wirnika. Dolna część stojana składa się z elastycznego metalowego pierścienia z przymocowanym do niego ceramicznym elementem piezoelektrycznym, a jego górna część składa się z wielu jednakowych występów o przekroju trapezoidalnym. Stojan jest wykonany ze specjalnego materiału o prawie takim samym współczynniku rozszerzalności cieplnej jak ceramiczny element piezoelektryczny, co minimalizuje zniekształcenia pierścienia wskutek zmian temperatury. Dzięki temu udało się zagwarantować stabilne działanie w szerokim zakresie temperatur. Wirnik to aluminiowy pierścień ze sprężyną kołnierzową w miejscu kontaktu ze stojanem,dzięki czemu pod naciskiem następuje styk ze stojanem. Ponieważ aluminium jest stosunkowo miękkim materiałem, powierzchnia w miejscu styku wirnika ze stojanem ma specjalne wykończenie odporne na ścieranie. Właściwości pierścieniowego silnika USM Silniki ultradźwiękowe mają następujące właściwości: Łatwość uzyskania małej prędkości i dużego momentu obrotowego (silnik USM może wygenerować więcej mocy przy mniejszych prędkościach w porównaniu z konwencjonalnym silnikiem obracającym się przy użyciu siły elektromagnetycznej), co umożliwia bezpośredni napęd bez potrzeby stosowania przekładni zmniejszającej prędkość. Duży moment wstrzymujący. Innymi słowy, po zatrzymaniu silnika obiektyw zatrzymuje się automatycznie w miejscu dzięki efektowi hamulca tarczowego. Rysunek 38 Obiektyw EF mm f/3,5-5,6 IS USM z widocznym silnikiem USM Pierścieniowy silnik USM Micro USM Mechanizm napędu Micro USM@ Mechanizm napędu Rysunek 39 Konstrukcja pierścieniowego silnika USM Wirnik Sprężyna w kształcie kołnierza EMD Elastyczna metalowa obudowa Ceramiczny element napięcia Stojan 179

20 Wyjątkowo prosta konstrukcja. Dobra reakcja podczas uruchamiania i zatrzymywania oraz łatwość sterowania. (Możliwe jest szybkie uruchamianie i zatrzymywanie,a działaniem można precyzyjnie sterować). Wyjątkowo ciche działanie (praktycznie bezgłośne). Oprócz powyższych właściwości pierścieniowe silniki USM firmy Canon charakteryzuje również: Wysoka skuteczność i niskie zużycie mocy umożliwiają zasilanie silnika USM z akumulatora aparatu. Kształt pierścienia silnika jest optymalnie dostosowany do tubusu obiektywu. Mała prędkość obrotowa dostosowana do przeznaczenia napędu obiektywu. Prędkością obrotową można równomiernie sterować w szerokim zakresie od 0,2 obr./min (jeden obrót co pięć minut) do 80 obr./min, co umożliwia precyzyjne i szybkie sterowanie napędem obiektywu. Stabilne działanie w najtrudniejszych warunkach, szeroki zakres temperatur pracy od -30 C do +60 C. W przypadku każdego silnika system kontroli napędu jest ważnym podsystemem niezbędnym do pełnego wykorzystania jego szczególnych właściwości. To samo dotyczy silników ultradźwiękowych. W obiektywach USM firmy Canon wszystkie funkcje, takie jak wykrywanie stanu rezonansu ultradźwiękowego w zależności od zmiany temperatury, generowanie dwóch napięć zmiennych o różnej fazie, sterowanie uruchamianiem i zatrzymywaniem oraz elektroniczna regulacja prędkości ręcznego ustawiania ostrości, są kontrolowane przez mikrokomputer wbudowany w obiektyw. Zdjęcie 16 Pierścieniowy silnik USM Zasada obracania pierścieniowego silnika USM Zasada działania pierścieniowego silnika USM jest następująca: do elastycznego korpusu nazywanego stojanem dostarczane są drgania, które powodują generowanie drgań w stojanie. Uzyskana w ten sposób energia wibracyjna służy do ciągłego obracania wirnika, który pod naciskiem styka się ze stojanem. Z technicznego punktu widzenia siła tarcia generowana przez sinusoidalne fale bieżące w stojanie jest źródłem napędowego ruchu obrotowego. Sposób przekazywania do wirnika sinusoidalnych fal bieżących wygenerowanych w stojanie przedstawiono na rysunku 40. Obserwując ruch końcówki każdego występu P jako przesuwanie się fali od lewej do prawej, można zauważyć, że końcówka porusza się w kierunku przeciwnym do fali. Wirnik jest napędzany siłą tarcia w każdym punkcie P, co Rysunek 40 Obrót wirnika wskutek sinusoidalnej propagacji fal składa się na sekwencję t=0 działania. Jak Wirnik przedstawiono na P Stojan rysunkach 41 i 42, sinusoidalne fale bieżące są generowane przez ceramiczny element t=t/4 piezoelektryczny P (element, który rozszerza się i kurczy po przyłożeniu napięcia z m i e n n e g o ) t=t/2 przymocowany do spodu stojana i zasilany z P obwodu elektrycznego. Ten ceramiczny element piezoelektryczny jest T: Cykl sinusoidalnej fali bieżącej naprzemiennie Rysunek 41 Drgania generowane przez polaryzowany w kierunku ceramiczny element piezoelektryczny jego grubości, a Elastyczna przyłożone do niego obudowa metalowa napięcie zmienne ma Ceramiczny element częstotliwość zbliżoną do napięcia częstotliwości Prąd przemienny (V) rezonansowej drgań sinusoidalnych wynoszącej ok Hz (częstotliwość ta należy do zakresu częstotliwości Ceramiczny element ultradźwiękowych stąd napięcia fazy A nazwa silników USM). Przyłożone napięcie generuje drgania (o szerokości amplitudy wynoszącej tylko około 0,001 mm) w stojanie, które są łączone z drganiami w innej fazie Napięcie prądu generowanymi przez przemiennego fazy A element piezoelektryczny przymocowany do spodu Wykrywanie częstotliwości stojana w oddzielnej rezonansu lokalizacji, przesuniętymi w fazie o jedną czwartą okresu. Ta połączona fala sinusoidalna fala bieżąca (7 fal wibracyjnych na cykl) poruszająca się wzdłuż stojana jest źródłem ruchu obrotowego silnika. Opis i właściwości silnika Micro USM Silnik pierścieniowy USM jest silnikiem ultradźwiękowym projektowanym z myślą o zastosowaniu w obiektywach z okrągłym tubusem.w przeciwieństwie do niego silnik Micro USM jest nowym silnikiem opracowanym jako wielozadaniowy miniaturowy silnik ultradźwiękowy.silnik Micro USM ma następujące właściwości: Ze względu na brak ograniczeń w zakresie średnicy obiektywu silnik Micro USM można stosować w różnych obiektywach, niezależnie od konstrukcji systemu optycznego. Stojan, wirnik i przekładnia wyjściowa są zintegrowane w jednym, kompaktowym module, którego rozmiar i waga są w przybliżeniu o połowę mniejsze niż w przypadku pierścieniowego silnika USM. Kierunek transformacji elementów napięcia Polaryzacja elementów napięcia Rysunek 42 Układ ceramicznego elementu piezoelektrycznego (spód stojana) Ceramiczny element napięcia fazy B Napięcie prądu przemiennego fazy B 180