Obiettivi in fluorite, asferici, UD e BR

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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