Tec hnologia produkcji obiektyw ów EF - Canon...

161

Technologia produkcji obiektywów EF

162

Podstawowym zadaniem obiektywów fotograficznych jestreprodukcja fotografowanego obiektu na kliszy lub w plikucyfrowym z najlepszą możliwą wyrazistością i precyzją. Nie jest tojednak łatwe, ponieważ elementy obiektywu zawsze mają pewnewłaściwości i niedoskonałości, które uniemożliwiają precyzyjneskoncentrowanie promieni świetlnych w jednym punkcie iprowadzą do rozpraszania światła w pobliżu krawędzi.Właściwościuniemożliwiające precyzyjne skoncentrowanie promieni świetlnychz jednego punktu fotografowanego obiektu w jednym punkcieobrazu lub powodujące rozpraszanie promieni świetlnychprzechodzących przez obiektyw noszą nazwę aberracji.Mówiąc prościej, najważniejszym założeniem konstrukcjiobiektywu jest określenie danych konstrukcyjnychprowadzących do zminimalizowania aberracji.Wprawdzie niema jednego idealnego rozwiązania konstrukcyjnego dlaokreślonego typu obiektywów, jednak istnieje mnóstworozwiązań pozwalających zbliżyć się do ideału. Problempolega na tym, które rozwiązanie wybrać, gdyż będzie onomieć decydujący wpływ na jakość obiektywu.Od XIX wieku obiektywy konstruowane są metodąobliczeniową o nazwie śledzenie promieni (tzw. ray tracing).Metoda ta pozwala na określenie aberracji, jednak obliczeniawykonywane są tylko w jednym kierunku (tzn. obliczane sąaberracje dla określonej konstrukcji obiektywu), dlatego niemożna za jej pomocą określić danych konstrukcyjnychobiektywu na podstawie właściwości aberracji.W połowie lat 60-tych firma Canon jako pierwsza opracowałaoprogramowanie komputerowe służące do analitycznego określaniaszczegółowych danych konstrukcyjnych niemal optymalnychkonfiguracji obiektywów ipozwalające uzyskaćminimalne aberracje(wartości docelowe) orazo p r o g r a m o w a n i eumożliwiające automatyczneokreślanie kierunkudziałania procedury analizy.Od tego czasu firma Canonopracowała wiele innychoryginalnych programówułatwiających konstruowanieobiektywów. Obecnie firmaCanon, korzystając z tegooprogramowania, produkujeprecyzyjne obiektywyspełniające praktycznie bezżadnych zmian początkowezałożenia dotyczące danegoproduktu. Jeśli porównaćproces konstruowaniaobiektywów z nocnąwspinaczką górską, postęp,jakiego dokonała firmaCanon, przechodząc odkonwencjonalnych technikprojektowania obiektywówdo współczesnych,skomputeryzowanych

metod ich budowy,różnica między nimi jest taka, jak między lampąbłyskową oświetlającą tylko stopy w absolutnych ciemnościach iumożliwiającą jedynie dalszą wędrówkę, a stanem pozwalającymwyraźnie zobaczyć nie tylko drogę, ale także cel wędrówki, dziękiczemu droga do niego jest pewna i pozbawiona przeszkód.

Idealny obiektyw fotograficzny ma trzy ogólne wymaganiadotyczące tworzenia obrazu:a Promienie świetlne z jednego punktu fotografowanegoobiektu po przejściu przez obiektyw powinny skoncentrowaćsię w jednym punkcie.bObraz płaskiego obiektu prostopadłego do osi optycznejpowinien znajdować się w płaszczyźnie za obiektywem.cKształt płaskiego obiektu prostopadłego do osi optycznejpowinien być precyzyjnie i bez zniekształceńodwzorowywany na obrazie. Oprócz tych ogólnych wymagańfirma Canon dodała jeszcze jedno:dKolory obiektu powinny być dokładnie odwzorowywanena obrazie.Chociaż powyższe cztery wymagania stanowiąniedościgniony ideał, zawsze można wprowadzić ulepszeniazbliżające produkt do tego ideału. Firma Canon nieustanniedąży do wytwarzania obiektywów, które pod względemwydajności i jakości będą mieściły się w gronie najlepszych narynku. W dążeniu tym firma stawia sobie ambitne cele.Najnowsze technologie w połączeniu z wieloletnimdoświadczeniem umożliwiają projektowanie obiektywów onajlepszej możliwej jakości obrazu i najprostszej konstrukcji.

W poszukiwaniu najlepszych rozwiązań:konstrukcja obiektywów firmy Canon

1

Zdjęcie 1 Projekt obiektywu w programie CAD

( )Koncepcja idealnego obiektywu firmy Canon

163


W poszukiwaniu najlepszychrozwiązań: konstrukcja obiektywówfirmy Canon

Aby zaoferować obiektywy EF zaspokajające potrzebywszystkich użytkowników, firma Canon postawiła przed sobąsześć podstawowych celów konstrukcyjnych opisanych poniżej.W przypadku obiektywów Canon EF wszystkie te warunki sąniezwykle ważne i muszą zostać spełnione przed skierowaniemproduktu do produkcji.

Wysoka jakość obrazu na całym jego obszarzeNie można powiedzieć, że obiektyw charakteryzuje się wysokąjakością, jeśli zapewnia tylko dużą rozdzielczość lub tylko dużykontrast. Musi zapewniać wysoki poziom obu tych parametrów.Jednak w przypadku niektórych obiektywów rozdzielczość i kontrastwykluczają się wzajemnie, tzn. poprawa jednego parametrupowoduje pogorszenie drugiego. Aby osiągnąć oba celejednocześnie, firma Canon wykorzystuje różne materiały odoskonałych właściwościach optycznych, na przykład soczewkiasferyczne, fluoryt, szkło UD, szkło Super UD oraz szkło o dużejrefrakcji, które zapewniają ostrość, wyrazistość i niezrównanąwydajność przetwarzania obrazu (wysoką jakość obrazu).

Jednakowe właściwości wiernego odwzorowywaniakolorów we wszystkich obiektywachOdwzorowywanie kolorów (balans kolorów) to tradycja firmyCanon i jedna z najważniejszych cech obiektywów EF.Projektowanie obiektywów uwzględnia nie tylko optymalizacjębalansu kolorów dla poszczególnych obiektywów, ale równieżujednolicenie tego parametru dla wszystkich obiektywówwymiennych. Firma Canon już dawno opracowała wieleniezawodnych technologii powłok jedno- i wielowarstwowych, a odczasu obiektywów z serii FD prowadzi skrupulatną kontrolę balansukolorów. W przypadku obiektywów z serii EF optymalny typpowłoki dla każdego elementu obiektywu określono za pomocąnajnowszych technologii symulacji komputerowej, abywyeliminować efekt zjawy oraz uzyskać znakomite odwzorowaniekolorów, a także ujednolicić wierny balans kolorów we wszystkichobiektywach.

Efekt naturalnego rozmyciaObiektywy fotograficzne rejestrują obiekty trójwymiarowe na kliszylub matrycy światłoczułej jako płaskie obrazy, dlatego w celuuzyskania efektu trójwymiarowego nie wystarczy uzyskanie ostrościdla żądanego obiektu. Obraz nieostry („rozmyty”) z przodu i z tyłuzogniskowanego obrazu musi wyglądać naturalnie. Wprawdzienajważniejsze jest uzyskanie jak najlepszej jakości zogniskowanegoobrazu, jednak firma Canon na etapie projektowania obiektywówanalizuje także rezultaty zastosowania korekcji aberracji i innychczynników, aby zagwarantować, że nieostry fragment obrazu będzienaturalny i przyjemny dla oka. W poszukiwaniu naturalnegorozmycia duży nacisk kładzie się także na czynniki niezwiązane zkonstrukcją optyczną, m.in. na opracowanie okrągłej przysłonypozwalającej uzyskać apertury o dużym stopniu zaokrąglenia.

Znakomita funkcjonalnośćNiezależnie od tego, jak doskonała jest wydajność optycznaobiektywu,zawsze należy pamiętać o tym,że obiektyw jest tylkonarzędziem służącym do robienia zdjęć,dlatego musi być bardzofunkcjonalny. Wszystkie obiektywy EF oferują możliwośćprecyzyjnego ręcznego ustawiania ostrości i płynnej regulacjiogniskowej oraz znakomitą funkcjonalność ogólną.Już na etapieprojektowania soczewki konstruktorzy obiektywów firmyCanon aktywnie uczestniczą w opracowywaniu systemówoptycznych (takich jak tylne i wewnętrzne systemyogniskowania) w celu uzyskania szybszej automatycznejregulacji ostrości, lepszych możliwości ręcznego ustawianiaostrości, cichszej pracy i wielogrupowych systemów regulacjiogniskowej mających umożliwić zmniejszenie rozmiarówobiektywów.

Cicha pracaW ostatnich latach aparaty i obiektywy stały się znaczniegłośniejsze, co wpływa na fotografowane obiekty i częstouniemożliwia fotografowi wykonanie wartościowego zdjęcia.Wprzypadku obiektywów EF firma Canon od początku starałasię opracować nowe technologie ograniczające dźwięk napęduautomatycznej regulacji ostrości, aby stworzyć obiektywy takciche i wydajne jak obiektywy z ręczną regulacją ostrości. Odtamtej pory firma Canon samodzielnie opracowała dwa typy icztery modele cichych silników ultradźwiękowych (USM),które w najbliższym czasie będą instalowane we wszystkichobiektywach EF.

NiezawodnośćAby zapewnić całkowitą niezawodność — jakość, precyzję,wytrzymałość, odporność na wstrząsy i drgania, odporność nawarunki pogodowe i żywotność — każdego obiektywu zposzczególnych grup obiektywów EF, na etapieprojektowania zakładane są różne prawdopodobne warunki,w jakich będzie wykorzystywany każdy z nich, i wyciągane sąodpowiednie wnioski. Ale to nie wszystko — każdy kolejnyprototyp przed wejściem do produkcji jest poddawanysurowym testom. W czasie produkcji przeprowadzana jeststaranna kontrola jakości oparta na standardach firmy Canon.Do listy czynników uwzględnianych przez standardy firmyCanon (oparte na renomowanych standardach dotyczącychobiektywów FD) są nieustannie dodawane nowe elementyzwiązane z automatyczną regulacją ostrości i funkcjamicyfrowymi.

Sześć opisanych powyżej założeń projektowych składa się napodstawę nowoczesnych konstrukcji obiektywów EF. Ichprzestrzeganie stanowi istotę działalności firmy Canon, któraod chwili powstania nieustannie pracuje nad nowymitechnologiami umożliwiającymi konstruowanie obiektywówo niezrównanej jakości bliskiej ideału.

( )Podstawowe założenia projektowe obiektywów Canon EF

164

Projektowanie obiektywów EF o wysokiejwydajności

Tworzenie idealnego obiektywu:— projektowanie obiektywów EF o wysokiej wydajności —

2

1 ( )Rzeczywista konstrukcja obiektywu EFi procesy opracowywania

Projektowanie obiektywu EF rozpoczyna się od uważnegowysłuchania opinii i życzeń użytkowników dostępnych jużobiektywów EF.Opinie profesjonalistów są bardzo ważne, jednak firma Canonkieruje swoje produkty także do amatorów, zaawansowanychamatorów i półprofesjonalistów w każdym wieku, każdej płci i zróżnych środowisk. Krótko mówiąc, produkty firmy Canon sąprzeznaczone dla osób kochających fotografię.Z tego powodu firmaCanon różnymi sposobami gromadzi życzenia użytkowników iprzechowuje je w centrali firmy. Dział planowania produktów wewspółpracy z działem konstrukcyjnym analizuje potrzebyużytkowników i starannie bada atrakcyjność rynkową wymaganychobiektywów. Jeśli istnieje wystarczające zapotrzebowanie nakonkretny obiektyw, opracowywana jest jego koncepcja, którabędzie odpowiadać szerokiemu gronu użytkowników. Koncepcja tajest następnie dokładnie rozpatrywana zarówno z punktu widzeniaużytkownika (ogniskowa, zakres zbliżenia, otwór względny,najmniejsza odległość fotografowania, wymagana wydajnośćprzetwarzania obrazu, wielkość, waga, koszt itp.), jak i z punktuwidzenia konstruktora oraz producenta, oraz dopracowywana dopostaci szczegółowego planu. Po zakończeniu tego etapurozpoczyna się projektowanie optyki obiektywu. Ponieważ wobiektywach EF połączono technologie optyczne, mechaniczne ielektroniczne,projektanci odpowiedzialni za poszczególne elementy,na przykład za konstrukcję tubusu obiektywu, konstrukcję napęduobiektywu, konstrukcję elektronicznego układu sterowania orazkonstrukcję przemysłową, ściśle współpracują ze sobą od etapupoczątkowego przez cały proces projektowania, aby stworzyćoptymalny obiektyw spełniający wstępne założenia projektowe.

Projektowanie obiektywu optycznegoNa rysunku 1 pokazano proces projektowania obiektywówoptycznych. Ustalenie podstawowych danych technicznych, takichjak ogniskowa i maksymalny otwór względny, umożliwia określenie„typu obiektywu”. Na tym etapie podejmowana jest decyzja o tzw.strukturze obiektywu. Wybrana w tym miejscu struktura stanowiogólną koncepcję struktury dla wszystkich zastosowań i celów,ponieważ jednak ma ona ogromny wpływ na dalszy tok procesu, zapomocą specjalnego oprogramowania wykorzystującego oryginalnyalgorytm oceny określane są wszystkie możliwe typy obiektywów wcelu znalezienia optymalnego rozwiązania. Kolejnym etapemprocesu jest projektowanie wstępne, podczas którego na podstawieteorii bliskości osi oraz algorytmów aberracji firmy Canonanalizowane jest optymalne rozwiązanie oraz określany jest wstępnykształt każdego elementu obiektywu. Ponieważ etap projektowaniawstępnego jest najważniejszą częścią procesu projektowania, firmaCanon wykorzystuje rozwiązania analityczne oparte naopracowaniach teoretycznych, bogate zasoby zgromadzonychdanych oraz wieloletnie doświadczenie, aby stworzyć system, którypozwoli na określanie idealnej konfiguracji finalnej w krótkim czasie.Po określeniu wstępnej konfiguracji obiektywu za pomocą super-szybkiego komputera o dużej mocy obliczeniowej wielokrotniewykonywany jest następujący cykl projektowy: śledzenie promieni→ ocena → zautomatyzowane projektowanie → zmianatypu/kształtu → śledzenie promieni. W ramach tego procesu(przedstawionego na rysunku 2) komputer metodycznie zmieniaposzczególne parametry, na przykład krzywiznę powierzchni każdejsoczewki, interwał powierzchniowy (grubość) każdej soczewki,interwał każdej soczewki oraz właściwości materiału każdejsoczewki, stopniowo przybliżając się do optymalnej konfiguracji

Rysunek 2 Zautomatyzowany proces projektowania obiektywówRysunek 1 Proces projektowaniaobiektywów (ogólnaprocedura projektowania) Ogniskowa

Otwór względnyKąt widzeniaRozmiar obrazuCechy aberracji

Specyfikacjeprojektu

Czynności przeprowadzaneprzez komputerCzynności przeprowadzane przez człowieka

Czy spełniono wszystkiewarunki?

Obliczanie wartościcech optycznych

f1 Śledzenie promienif2 Aberracja chromatycznaf3 Aberracja sferycznaf4 Astygmatyzmf5 Aberracja komatycznaf6 Krzywizna pola Dystorsja (zniekształcenie) | MTF (Funkcja przenoszenia modulacji) Diagramy śladowe

Symulacje aberracjifn Analiza błędów produkcyjnych

StopCzy zmiany

f1--fn są możliwe?

Projekt ukończony

Zmiana specyfikacjiprojektu

Tworzenie tabeli wykresów ukazujących

zależności pomiędzyX1~Xn i f1~fn.

Zmiana parametrów X1-Xn

Parametry konstrukcyjneobiektywu

X1 Rodzaj obiektywuX2 Kąt krzywizny każdego z elementów obiektywuX3 Ilość elementówX4 Kształt każdego z elementów obiektywuX5 Rodzaje szkłaX6 Zasięg przenoszenia długości fal

KosztaXn Wartości tolerancji

| | | | | | |

| | |

RozdzielczośćKontrastMinimalna odległość fotografowaniaRozmiar (wymiary)

NIE

TAK

NIE

TAK

Analiza projektu

Określeniespecyfikacji

projektu

Określenie rodzaju obiektywu

Projekt początkowy

Symulacja śledzenia promieni

Korekcja aberracjiZmiana parametrów

(projektowanie automatyczne)

Precyzyjne poprawki

Ocena działania

Szczegółowaocena

działania

Ukończenie projektu

UKrok powtarzany do momentuspełnienia wszystkich warunków

165


Projektowanie obiektywów EFo wysokiej wydajności

konstrukcji, w której każdy typ aberracji jest ograniczony dominimum. Ta część procesu wymaga przeprowadzenia największejilości najbardziej skomplikowanych obliczeń w ramach całegoprocesu projektowania. Jednak oryginalne oprogramowanie doprojektowania optycznego firmy Canon stanowi środowisko, wktórym procedury projektowania mogą być wykonywaneinteraktywnie i z dużą wydajnością.Oprogramowanie do zautomatyzowanego projektowania używanew tych procesach zostało opracowane przez firmę Canon w oparciuo jej własne teorie w zakresie zautomatyzowanego projektowania.Wystarczy wprowadzić wartości docelowe, aby w krótkim czasieuzyskać optymalne dla nich rozwiązanie.Dzięki temu, że tok myślenia konstruktorów nie jest staleprzerywany przez prozaiczne procedury, mogą oni dążyć douzyskania optymalnych wartości ostatecznego projektu, określającdane początkowe i wartości docelowe wprowadzane do systemuautomatycznego projektowania, oceniając wyniki symulacji orazwprowadzając poprawki umożliwiające zminimalizowanie aberracji.W ten sposób nasi konstruktorzy współpracują z komputerem,podejmując decyzje,które w ostatecznym rozrachunku prowadzą douzyskania prawie idealnych wartości konstrukcyjnych. W ramachtego procesu konstruktorzy mogą dokładnie sprawdzić efekt użyciasoczewek asferycznych lub specjalnych materiałów,takich jak fluorytlub szkło UD,aby stwierdzić,czy ich stosowanie jest niezbędne.W dalszej części na przykładzie super-lekkiegozmiennoogniskowego obiektywu 28-105 mm opiszemy rzeczywistyproces projektowania.Na rysunku 4 pokazano strukturę typu regulacji ogniskowej tegoobiektywu. Obiektyw ma konstrukcję składającą się z 4 grupsoczewek (wypukła-wklęsła-wypukła-wypukła), w której ruch

wszystkich grup odbywa się wraz z regulacją zbliżenia,a druga grupasłuży do ustawiania ostrości. Optymalny typ obiektywu oraz rozkładmocy ultra-kompaktowego obiektywu zmiennoogniskowego jestustalany za pomocą oprogramowania do określania rozkładu mocy.Na tym etapie można oszacować różne specyfikacje, takie jak śladkrzywej regulacji ogniskowej, zakres ogniskowania, całkowitadługość obiektywu, średnica przedniego elementu obiektywu orazodległość tylnej płaszczyzny ostrości.Na kolejnym diagramie (rysunek 5) pokazano konstrukcję ominimalnej liczbie elementów, w której zastosowano grubesoczewki. Kształt każdej soczewki został wybrany spośródoptymalnych rozwiązań określonych dla konkretnych warunków.Na tym etapie przeprowadzana jest symulacja procesuprzechodzenia światła przez obiektyw, a na podstawie sposobuzaginania promieni świetlnych oraz różnych algorytmów aberracjiszacowana jest minimalna liczba elementów wymaganych dlakażdej grupy.

Rysunek 3 Komputerowa symulacja właściwości aberracji

Śledzenie promieni przez komputer

Rysunek 4 Diagram śladowy

Rysunek 5 Rysunek 8

Rysunek 6 Rysunek 9

Rysunek 7 Rysunek 10

166

Zdjęcie 2 Przykład rzeczywistego projektowania tubusuobiektywu (struktura)

Rysunek 11 Przekrój poprzeczny obiektywuEF 24-70mm f/2,8L USM

Zdjęcie 4 Tubus precyzyjnego obiektywuzmiennoogniskowego

Zdjęcie 3 Przykład wspomaganego komputerowoprojektowania obiektywu (optyka)

Następnym etapem w przypadku tego obiektywu jestwyeliminowanie zmian aberracji powodowanych przez ruchpierwszej grupy związany z regulacją ostrości. W tym celu dopierwszej grupy dodawany jest jeden element. Ponieważ nadrugiej grupie spoczywa największy ciężar związany zpowiększeniem, musi być ona wydajna; odpowiada ona równieżza regulację ostrości, dlatego należy starannie wyeliminowaćzmiany aberracji powodowane przez zmianę ogniskowej iogniskowanie. Po dodaniu dwóch elementów — skupiającego irozpraszającego — grupa staje się trzyelementowa.Trzecia grupapochłania rozproszone światło z drugiej grupy, dlatego dodawanajest soczewka rozpraszająca, która służy do korygowania osiowejaberracji chromatycznej oraz aberracji sferycznej (dzięki temupowstaje grupa 2-elementowa). W ten sposób określana jestminimalna liczba elementów obiektywu, a wynik kilkupowtarzających się zautomatyzowanych cykli projektowaniamożna zobaczyć na rysunku 6. Zauważalna jest znaczna poprawazbieżności promieni świetlnych. Na koniec, w celu skorygowaniakomatycznej aberracji astygmatycznej w trybach szerokokątnych,do czwartej grupy jest dodawany element asferyczny (po stroniepowierzchni odpowiedzialnej za przetwarzanie obrazu, w którejgrupy promieni świetlnych są stosunkowo daleko od osi światła).Po określeniu ostatecznej konstrukcji obiektywu uwzględniane sąwszystkie żądane specyfikacje, na przykład odległość

fotografowania, apertura oraz ogniskowa, anastępnie rozpoczyna się wielokrotnepowtarzanie zautomatyzowanego cykluprojektowania z nieznacznie zmienianymiczynnikami projektowymi, takimi jak rodzajszkła i rozkład mocy. Na przedstawiającychostateczny wynik rysunkach 7 i 10 widać, żegrupy promieni świetlnych mają znakomitązbieżność.

Projektowanie tubusu obiektywuKolejnym etapem procesu pozaprojektowaniu systemu optycznego jestprojektowanie tubusu obiektywu,która musipomieścić elementy obiektywu w dokładnie

określonej pozycji, zgodnie z wartościami projektu optycznego, iktóra musi bardzo precyzyjnie poruszać różne grupy soczewekpodczas zmiany ogniskowej i ogniskowania. Tubus obiektywumusi spełniać następujące warunki:a W każdej możliwej sytuacji tubus obiektywu musi utrzymywaćprecyzyjne położenie elementów obiektywu, zgodnie zwartościami projektu optycznego, aby przez cały czaszachowywać optymalną wydajność optyczną.b Położenie mechanizmów musi zapewniać ich doskonałąfunkcjonalność.c Rozmiar i waga powinny zapewniać znakomite parametry wzakresie mobilności.d Konstrukcja powinna gwarantować maksymalną stabilnośćmasowej produkcji.e Wewnętrzne ścianki tubusu obiektywu powinny zapobiegaćszkodliwym odbiciom światła.f Tubus powinien mieć odpowiednią trwałość, wytrzymałość iodporność na warunki pogodowe.Podczas projektowania tubusów na potrzeby w pełnielektronicznych obiektywów EF należy uwzględnić wymienioneponiżej aspekty.V Konieczność umieszczenia w obiektywie uchwytuelektronicznego i różnych obwodów elektrycznych.VKonstrukcja musi zapewniać zarówno szybką automatycznąregulację ostrości, jak i znakomite możliwości ręcznej regulacjiostrości.

167



Spojrzenie w przyszłość: projektowanie zaawansowanego systemu sterowania

elektronicznego2VMożliwość instalacji nowych mechanizmów, takich jak USM,

EMD i IS.VRozkład wielogrupowego mechanizmu regulacji ogniskowejoraz tylnych i wewnętrznych soczewek ogniskujących.VMała waga,niewielki rozmiar i niski koszt.Konieczność uwzględnienia tych czynników spowodowała, że zroku na rok projektowanie tubusów obiektywów staje się corazbardziej skomplikowane i wymagające większej precyzji. Jednakmimo większej złożoności optymalne projekty można uzyskać,korzystając z oprogramowania CAD (projektowaniewspomagane komputerowo), które umożliwia tworzeniedokładnych, trójwymiarowych projektów konstrukcjiobiektywów, oraz różnych technik symulacji komputerowej, któreumożliwiają analizowanie i optymalizowanie projektu. W celuuzyskania małych wymiarów i niewielkiej wagi stosowane sąróżne tworzywa sztuczne. Wykorzystanie tworzyw sztucznychstało się możliwe po wielu latach analizowania właściwościmateriałów, opracowaniu ultra-precyzyjnej technologiiformowania oraz przeprowadzeniu niezliczonych surowychtestów produkcyjnych zapewniających odpowiednią trwałość iniezawodność.

Dokładne testy wydajności prototypów oraz ocenyniezawodnościPo wykonaniu prototypu na podstawie rysunków technicznychobiektyw jest drobiazgowo testowany w celu sprawdzenia, czyjego wydajność rzeczywiście spełnia określone założenia.Przeprowadzanych jest wiele różnych testów, między innymiporównanie z istniejącymi produktami tej samej klasy; precyzyjnypomiar specyfikacji, takich jak ogniskowa, otwór względny,poziom korekcji aberracji, skuteczność przysłony, zdolnośćrozdzielcza, wydajność MTF (Funkcja przenoszenia modulacji) ibalans kolorów; próby terenowe w różnych warunkachfotografowania;analizy efektów flary/zjawy;testy funkcjonalności;testy odporności na temperaturę i wilgotność; testy odporności nadrgania; testy trwałości działania oraz testy pod kątem odpornościna wstrząsy. Informacje te są przekazywane do grupykonstrukcyjnej, a obiektyw jest przeprojektowywany, dopókiwyniki testów nie będą spełniały standardów firmy Canon.Obecnie nawet obiektywy z renomowanej serii EF muszą byćtestowane na etapie prototypu, aby zagwarantować spełnieniewstępnych założeń przed rozpoczęciem masowej produkcji iwprowadzeniem ich na rynek pod marką Canon. W celuzachowania stabilnej jakości produktu na etapie masowejprodukcji niezwykle ważnymi czynnikami są analiza błędówprodukcyjnych oraz określenie odpowiednich poziomówtolerancji na podstawie wyników analiz przeprowadzonych zużyciem symulacji komputerowych, począwszy od projektowaniawstępnego. Wysoką wydajność i jakość obiektywów Canon EFuzyskuje się w wyniku połączenia wyrafinowanych technologii,takich jak algorytmy korekcji aberracji i ich stosowanie,zaawansowana technologia zautomatyzowanego projektowaniaprzy użyciu wydajnych komputerów i specjalistycznegooprogramowania, technologie dokładnych pomiarów i ocenywydajności, technologie analizy błędów produkcyjnych iokreślania tolerancji oraz technologie precyzyjnego formowania.Idopiero wtedy obiektywy sprzedawane na całym świecie mogąnosić dumne miano obiektywów firmy Canon.

Wybór nowego systemu z myślą o przyszłościDlaczego w systemie EOS pomiar odległości jest przeprowadzanyprzez korpus aparatu, a obiektyw jest napędzany wbudowanym wnim silnikiem?Aby uzyskać odpowiedź na to pytanie, należy cofnąć się do roku1985, kiedy to zgodnie z nowym trendem w konstruowaniulustrzanek wyposażonych w automatyczną regulację ostrościwiększość ich producentów (oprócz firmy Canon) opowiedziała sięza pomiarem odległości przez korpus i systemem napędu wkorpusie (systemem, w którym silnik napędowy funkcji AF jestwbudowany w korpusie aparatu, a obiektyw jest napędzany zapośrednictwem złącza mechanicznego). System ten dobrzewspółpracuje ze standardowymi obiektywamizmiennoogniskowymi i stałoogniskowymi; jednak biorąc pod uwagęnajważniejszą funkcję lustrzanki —możliwość wymiany wszystkichtypów obiektywów, od rybiego oka do super-teleobiektywów —firma Canon postanowiła nie używać go z następujących powodów:aPonieważ silnik musi wytrzymać obciążenie wszystkich typówobiektywów wymiennych (w których moment obrotowymechanizmu ogniskowania może różnić się nawet 10-krotnie),system ten ma małą skuteczność.b Umieszczenie konwertera między obiektywem a korpusempowoduje przerwanie połączenia mechanicznego używanego doprzenoszenia zasilania napędu funkcji AF, co wpływa na możliwośćpóźniejszego rozszerzenia systemu.cW przypadku aparatu, który musi zapewniać stałą wydajność wkażdym środowisku, od mrozów Arktyki do tropikalnych upałów,poleganie na jednym silniku dla wszystkich obiektywów jestniepożądane ze względu na odporność na warunki otoczenia iżywotność.Oprócz tych podstawowych wad technologicznych, wbudowanysilnik nie spełnia podstawowych założeń mechatronicznegoprojektowania aparatów firmy Canon,które zwiększają wydajność ielastyczność systemów dzięki umieszczeniu idealnego mechanizmudla każdego zadania w pobliżu odpowiedniego napędu orazzapewnieniu elektronicznego sterowania całą transmisją danych idziałaniem napędu.Ponadto firma Canon uznała także,że dążenie do automatyzacji niepolega tylko na prostym dodaniu funkcji automatycznej regulacjiostrości do lustrzanek, ale zapowiada nadejście w niedalekiejprzyszłości okresu innowacji. Firma Canon przyjrzała sięopracowanym przez siebie zaawansowanym technologiom, takimjak USM, BASIS (Base-stored Image Sensor) i EMD, dokładnieoceniła je pod kątem możliwości połączenia z nowoczesnymitechnologiami i nowymi funkcjami (automatyczna regulacjaostrości) oraz możliwości ich rozwoju technologicznego wprzyszłości,a następnie zdecydowała,że zarówno dla użytkowników,jak i dla samej firmy lepszym rozwiązaniem będzie zrezygnowanieze starych, ograniczonych technologii i zbudowanie nowegosystemu, który ostatecznie przewyższy wszystkie pozostałe systemy.Dlatego firma Canon postanowiła skonstruować system EOSoparty na opracowanym przez siebie systemie regulacjiogniskowania w korpusie i silnika napędowego w obiektywie orazna całkowicie elektronicznym systemie montażu.Decyzja podjęta przez firmę Canon okazała się słuszna,dlatego innefirmy produkujące aparaty zaczęły stosować systemy silnikównapędowych w obiektywach i eliminować mechaniczne systemytransmisji danych.

168

Rysunek 12 Podstawowa struktura systemu sterowania

Tabela 1 Zawartość transmisji danych

Mikroprocesorlampy błyskowej

Silnik mechanizmu zbliżenia

Bateria

Głównymikroprocesor

Mikroprocesorobiektywu

Dane o pozycjiobiektywu

Dane o pozycjizbliżenia

Moduł Image Stabilizer

(Stabilizator obrazu)

Bateria

Czujnikautofokusa

Systemoptyczny

autofokusa

Dane dot. ogniskowej(potencjometr zbliżenia)

Zarządzanieprzesyłem danych

Lustro główneLustro podrzędne

Przechowywaniedanych

Zasilanie

Przechowywaniedanych

Złącze elektroniczne (przesyłaniedanych i zasilanie)

Działanie napędu obiektywu

Czujnik automatycznej ekspozycji

Pomocnicza dioda LED

Napędmechanizmu

ostrzenia

Obliczanie odległościautofokusa i generowanie komend do silnika kontrolującego obiektyw

U

U

U

Rodzaj informacji

aTyp obiektywu (kod ID)

bStan obiektywu

cInformacje pomiarowe

1. Maks. otwór względny (F)

2. Minimalna apertura

dInformacje dot. ogniskowej

eInformacje dot. silnika autofokusa

1. Przesunięcie pierścienia ostrzenia(pozycja obiektywu)

3. Korekcja reakcji mechanizmu wydłużania obiektywu

4. Stała przesuwu pierścienia ostrzenia

5. Maksymalna wartość rozogniskowania

6. Optymalna wartość kompensacji ostrości

Przeznaczenie

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

2. Współczynnik reakcji mechanizmu wydłużania obiektywu

Precyzja automatyki

ostrości

Kontrola automatyki

ostrości

Kontrola automatyki ekspozycji

Podstawowa struktura systemu sterowania EOSSystem EOS, skoncentrowany wokół korpusów aparatówanalogowych i cyfrowych, składa się z różnychkomponentów, takich jak cała linia lamp błyskowych iobiektywów EF. W ogólnym ujęciu sterowania systememróżne czujniki, mikroprocesory, mechanizmy, nadajnikiświatła, pokrętła elektroniczne, przełączniki wejściowe iźródła zasilania zostały umiejętnie połączone, abyposzczególne funkcje wszystkich komponentów mogływspółpracować ze sobą, pełniąc rolę narzędzia doprzetwarzania obrazu podczas uwieczniania wybranychmomentów z naszego życia. Trzy najważniejsze właściwościtego systemu to:a Wieloprocesorowe sterowanie systememBardzo szybki super-mikrokomputer w korpusie aparatułączy się z mikrokomputerami w obiektywie i lampiebłyskowej (w celu szybkiego przetwarzania danych,przeprowadzania obliczeń i transmisji danych), abyzapewnić zaawansowane sterowanie systemem.b System składający się z wielu mechanizmówIdealny mechanizm dla każdego napędu znajduje się w jegopobliżu, tworząc zintegrowany system składający się z wielumechanizmów zapewniających wysoki poziomautomatyzacji oraz dużą skuteczność i wydajność.

c Całkowicie elektroniczne interfejsyCały transfer danych między korpusem, obiektywem a lampąbłyskową odbywa się elektronicznie, bez udziału połączeńmechanicznych. Powoduje to nie tylko zwiększeniefunkcjonalności obecnego systemu, ale zapewnia także jegogotowość do rozbudowy w przyszłości.

Całkowicie elektroniczny system montażu i transmisjidanych Najważniejszym elementem zapewniającym całkowicieelektroniczny transfer danych między korpusem aobiektywem jest uchwyt EF. Jest to duży uchwyt o kącieobrotu mocowania 60°, w przypadku którego głębokośćosadzenia kołnierza (odległość od powierzchni odniesieniauchwytu do płaszczyzny ogniskowania) wynosi 44,00 mm.Informacje między korpusem a obiektywem są przesyłanebłyskawicznie przez 8-bitowy, dwukierunkowy, cyfrowyinterfejs komunikacyjny składający się z trzech par stykówspośród ośmiu styków w korpusie i siedmiu styków (w tymrównież wspólnych) w obiektywie. Z szybkiego super-mikrokomputera aparatu do obiektywu wysyłane są czterytypy poleceń:a Wysyłanie określonych danych obiektywu.b Poruszanie obiektywem w określony sposób.c Zamykanie przysłony o określoną liczbę stopni.d Otwieranie przysłony do momentu całkowitego otwarcia.Podstawowe dane wysyłane z obiektywu w odpowiedzi napolecenie ãaÓ przedstawiono w tabeli 1. Transmisja danychodbywa się natychmiast po zamontowaniu obiektywu wkorpusie, a następnie przy każdej próbie wykonaniajakiejkolwiek operacji. W zależności od sytuacjiprzesyłanych jest około 50 rodzajów danych w czasierzeczywistym.

169



Zdjęcie 7 Elektroniczne obwody drukowane montowanego obiektywu

Zdjęcie 5 Uchwyt elektronicznyod strony korpusu

Zdjęcie 6 Uchwyt elektronicznyod strony obiektywu

Zalety całkowicie elektronicznego systemu montażuCałkowicie elektroniczny uchwyt o dużej średnicy manastępujące zalety:a Cicha, szybka i precyzyjna automatyczna regulacja ostrości(AF). Ponieważ w każdym obiektywie można zastosowaćoptymalny mechanizm, wszystkie obiektywy — od rybiego okado super-teleobiektywu — umożliwiają cichą, szybką idokładną automatyczną regulację ostrości.b Ciche i precyzyjne sterowanie przysłoną. Dziękizastosowaniu idealnego mechanizmu EMD w każdymobiektywie można uzyskać bardzo precyzyjne, cyfrowesterowanie przysłoną.c Wbudowany mechanizm EMD umożliwia zamykanieprzysłony w celu sprawdzenia głębi ostrości za naciśnięciemjednego przycisku. Ponadto wbudowany mechanizm EMDzwiększa swobodę sterowania sekwencją zdjęć, umożliwiajączatrzymanie przysłony podczas ciągłego fotografowania w celuzwiększenia szybkości wykonywania zdjęć.d Całkowicie elektroniczny system sterowania przysłonąpozwolił na opracowanie obiektywów TS-E — pierwszych naświecie obiektywów z korekcją perspektywy zapewniającychcałkowicie automatyczne działanie przysłony.e Opracowanie obiektywów o dużej aperturze EF 50mmf/1,0L USM. (Stało się to możliwe tylko dzięki uchwytowi EOSo dużej średnicy).f Uzyskanie pełnego pokrycia wizjera. (W aparatach z seriiEOS-1 udało się uzyskać praktycznie 100% pokrycie).g Wyeliminowanie blokady wizjera i lustra w przypadkusuper-teleobiektywów.h W przypadku korzystania z obiektywuzmiennoogniskowego, którego maksymalny otwór względnyzmienia się w zależności od ogniskowej, wartości przysłonyobliczone przez aparat lub określone ręcznie (z wyjątkiemmaksymalnego otworu względnego) są automatyczniekompensowane, aby ustawienie przysłony nie zmieniało siępodczas zmiany ogniskowej. Na przykład podczas korzystania zobiektywu EF 28-300mm f/3,5-5,6L IS USM z ręcznieustawioną przysłoną f/5,6 lub mniejszą ustawienie przysłony niezmienia się podczas ogniskowania, nawet mimo zmianywartości maksymalnego otworu względnego obiektywu.Oznacza to, że w przypadku określania odpowiednich ustawieńaparatu dla konkretnej sceny przy użyciu ręcznego pomiarunaświetlenia lub pomiaru lampy błyskowej można po prostuustawić wartość przysłony ręcznie, nie martwiąc się o położenieogniskowej.i Ponieważ po zamontowaniu konwertera zmiana efektywnejliczby przysłony obiektywu jest automatycznie kompensowanai wyświetlana, nawet w przypadku ustawienia aparatu zgodniez wynikiem pomiaru ręcznego nie jest potrzebna dodatkowakompensacja.j Możliwość powiększenia otworu tylnej przysłony obiektywukorzystnie wpływa na poprawę oświetlenia brzegowego wsystemie optycznym. Również zastosowanie konwertera zsuper-teleobiektywem przynosi korzyści pod względempoprawy wydajności optycznej.k Ponieważ całkowicie elektroniczny system montażu nie maograniczeń typowych dla obecnie stosowanych systemówtransmisji danych za pośrednictwem połączeń mechanicznych(takich jak podatność na wstrząsy, głośna praca, ścieraniemechanizmów, luzy, konieczność smarowania, powolna reakcja,

mniejsza precyzja spowodowana przez działanie dźwigni iograniczenia konstrukcyjne) znacznie zwiększononiezawodność działania.l W korpusie aparatu nie trzeba umieszczać mechanizmuautomatycznego połączenia przysłony ani mechanizmusterowania przysłoną, co pozwala na konstruowanie mniejszychi lżejszych korpusów o zwiększonej niezawodności działania.m System automatycznej diagnostyki działania obiektywukorzystający z wbudowanego mikrokomputera, który wprzypadku awarii wyświetla ostrzeżenie na panelu LCDaparatu, gwarantuje wysoką niezawodność.n Ponieważ całe sterowanie odbywa się elektronicznie,konstruktorzy będą mogli w przyszłości dodawać nowetechnologie (takie jak stabilizacja obrazu), zwiększającwydajność aparatu.Zgodność z nowymi technologiami i możliwość rozbudowysystemu w przyszłości zostały już dowiedzione na przykładzieulepszonej funkcji AF (większa szybkość, lepsza funkcjaprzewidywania w przypadku poruszających się obiektów,zgodność z funkcją automatycznego ogniskowaniawielopunktowego), wspomnianych wcześniej obiektywów TS-E z automatyczną przysłoną, wykorzystania mechanizmówUSM w obiektywach EF, opracowania pierwszego na świecieobiektywu z funkcją Image Stabilizer (Stabilizator obrazu) orazskonstruowania cyfrowej lustrzanki, która możewspółpracować ze wszystkimi obiektywami EF.

170

b Opracowanie systemu konstruowania soczewek asferycznychobejmującego techniki specjalnego szlifowania i jednolitegopolerowania Na potrzeby precyzyjnego konstruowaniaobiektywów asferycznych firma Canon opracowała specjalnysystem obróbki soczewek asferycznych polegający naprecyzyjnym szlifowaniu soczewek do kształtu asferycznego, anastępnie ich polerowaniu w celu uzyskania jednolitejpowierzchni bez utraty kształtu asferycznego.Początkowo obróbkę powierzchni asferycznych i precyzyjne pomiary kształtutrzeba byłowielokrotniepowtarzać, copowodowało,żekażda soczewkabyła w praktycewykonywanaręcznie.W roku 1974firma Canonskonstruowałas p e c j a l n eurządzenieumożliwiającew y p r o d u -kowanie ponad1000 soczewekasferycznychmiesięcznie, cou t o r o w a ł odrogę do ichm a s o w e jprodukcji.

Szesnaście technologii używanychw obiektywach EF o dużej wydajności

Przekraczanie teoretycznych granic obiektywówsferycznych: Super-precyzyjne obiektywy asferyczne

Zdjęcie 8 Precyzyjne soczewki asferyczne

Rysunek 13 System pomiaru konwersji współrzędnych biegunowychfirmy Canon

Większość obiektywów używanych w fotografii składa się z kilkuelementów sferycznych. Promień krzywizny i typ szkła optycznegodla każdego elementu oraz odległość między elementami sąprojektowane w taki sposób, aby ostateczna kombinacja soczewekumożliwiała wyeliminowanie aberracji w stopniu wystarczającymdo uzyskania żądanej wydajności. Obecnie dzięki komputerom,które umożliwiają automatyczne projektowanie i korzystanie ztechnik symulacji, konstruowanie obiektywów o dużej wydajnościnie zajmuje dużo czasu. Jednak korzystanie tylko z soczeweksferycznych powoduje podstawowy problem polegający na tym, żerównoległe promienie świetlne przechodzące przez soczewkęsferyczną teoretycznie nie zbiegają się dokładnie w jednympunkcie, co powoduje ograniczenia związane z:Vwydajnością obiektywów o dużej aperturze,V kompensacją zniekształceń w obiektywach super-szerokokątnych,Vminimalnym rozmiarem obiektywów kompaktowych.Jedyną metodą wyeliminowania tych ograniczeń w celukonstruowania obiektywów o większej wydajności, mniejszychzniekształceniach i mniejszych rozmiarach jest wykorzystanietechnologii soczewek asferycznych.W połowie lat 60-tych firma Canon rozpoczęła prace nadtechnologią soczewek asferycznych, co na początku lat 70-tychdoprowadziło do powstania teorii projektowania, precyzyjnegoprzetwarzania i technologii pomiarów. W roku 1971 firma Canonwprowadziła na rynek obiektyw do lustrzanki zawierającyelement asferyczny — model FD 55mm f/1,2AL. Źródłem tegosukcesu są następujące dwa osiągnięcia:a Opracowanie ultra-precyzyjnej technologii pomiarówNa potrzeby pomiarów powierzchni obiektywów asferycznychfirma Canon samodzielnie opracowała „system pomiarukonwersji współrzędnych biegunowych”, w którym mierzonyobiekt jest umieszczany na obrotowym stole i obracany wokółśrodka krzywizny, zaś interferometr mierzy różnicę międzypowierzchnią obiektu a wzorcową powierzchnią sferyczną.Wynikipomiarów są następnie przetwarzane przez komputer w celuokreślenia kształtu powierzchni. Zastosowanie tej technologiipozwala uzyskać bardzo dużą dokładność rzędu 1/32 długości faliświetlnej lub 0,02 mikrona (20 milionowych milimetra).Ta technologia pomiarów stanowi podstawę niezbędną doopracowania kolejnych technologii konstruowania soczewekasferycznych.

3

1

Zdjęcie 9 Przykład działania obiektywu sferycznego

Zdjęcie 10 Przykład działania obiektywu asferycznego

Skala kątowa

Licznik

Oscylator laserowy Wiązka lasera

Nieruchomy pryzmatRuchomy pryzmat(przekazuje do interferometruinformacje o ruchu końcówki pomiarowej)

Nieruchome lustro

Półlustro:rozdziela i łączy wiązkę lasera

Elementy odbiornika:przekształcają ciemne i jasne paski interferencji (ilość przemieszczeń szczelinomierza) interferometruna impulsy prądu elektrycznego

Końcówka pomiarowa: przekształca różnicęasferyczną testowanejsoczewki na ruch pionowy.

Interferometr laserowy

Środek obrotu obiektu testowego

Kierunekobrotumierzonej soczewkiSoczewka pomiarowa

Sferyczna powierzchnia odniesienia

Różnica pomiędzy powierzchnią odniesienia i soczewką pomiarową (δi) to wartość asferyczna.

δδi

Zlicza drogę (δi) przebytą przezkońcówkę pomiarową na podstawie impulsów elektrycznych

171


Szesnaście technologii używanych wobiektywach 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

Rysunek 17 Zasada działania efektu obiektywu asferycznego

Aberracja sferyczna soczewki sferycznej

Wyrównanie ogniska za pomocą soczewki asferycznej

Zdjęcie 11 Ultra-precyzyjna matryca do odlewu szklanych soczewek asferycznych

Rysunek 18 Wyniki precyzyjnych pomiarów kształtu powierzchni asferycznej

Jednak masowa produkcja soczewek asferycznych ze szkłamatowego napotykała na ograniczenia, i dlatego około roku 1978firmie Canon udało się wykorzystać technologię obróbki soczewekasferycznych w procesie wytwarzania soczewek z tworzywsztucznych i opracować praktyczny, precyzyjny system formowaniatych tworzyw na potrzeby masowej produkcji tanich obiektywówasferycznych o małej aperturze. Soczewki produkowane tą metodązostały zastosowane w systemach pomiaru odległości funkcji AFaparatów kompaktowych oraz w niektórych obiektywachfotograficznych (Snappy/AF35MII). Na początku lat 80-tych firmaCanon kontynuowała prace badawczo-rozwojowe w dziedzinieodlewanych w szkle soczewek asferycznych o dużej aperturze,aby wroku 1985 opracować praktyczny system ich produkcji.Odlewane w szkle soczewki asferyczne są produkowane przezformowanie szkła bezpośrednio w urządzeniu formującym, wktórym zastosowano niezwykle precyzyjną matrycę metalową.Zapewnia to wystarczającą precyzję, aby spełnić wymaganiastawiane obiektywom wymiennym do lustrzanek, a także względnieniski koszt produkcji masowej.W roku 1990 firma Canon dodała doswojego arsenału czwartą technologię produkcji polimerowychsoczewek asferycznych polegającą na wykorzystaniu żywicyutwardzanej promieniami ultrafioletowymi do formowania warstwyasferycznej na powierzchni szklanej soczewki sferycznej. Dzięki tymczterem typom soczewek asferycznych konstruktorzy obiektywówEF firmy Canon mogą swobodnie wybierać odpowiednie typysoczewek do różnych zastosowań. Soczewki asferyczne sąszczególnie przydatne do:V kompensowania aberracji sferycznych w obiektywach o dużejaperturze,Vkompensowania zniekształceń w obiektywach szerokokątnych,Vprodukowania kompaktowych obiektywów zmiennoogniskowycho wysokiej jakości. Przykłady takich zastosowań przedstawiono narysunkach od 14

Soczewka asferyczna

Soczewka asferyczna

Obiektyw EF 28-105mm f/4-5,6 USM Nowy obiektyw FD 35-105mm f/3,5

φ76,

5 m

m

φ67

mm

68 mm 108,4 mmSoczewkaasferyczna Precyzja kształtu powierzchni formy (stopień niedopasowania

względem powierzchni asferycznej określonej przez kryteria projektu)[µm]

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

1,00° 5° 10° Kąt

Super-teleobiektywy Canon z serii L wyposażone w biały tubus sąwciąż zachwalane przez profesjonalnych fotografów na całymświecie jako super-wydajne urządzenia o niezrównanej ostrości.Tajemnicą tej wydajności jest całkowite wyeliminowanie widmawtórnego dzięki elastycznemu wykorzystaniu soczewekwykonanych z fluorytu i szkła UD.

FluorytVW przypadku super-teleobiektywów możliwość zwiększeniawydajności przy użyciu szklanych elementów optycznych jestograniczona.Poziom szczątkowej aberracji chromatycznej ma zauważalny wpływna ostrość obrazu, jaką można uzyskać,korzystając z teleobiektywówi super-teleobiektywów. Jak pokazano na przykładzie pryzmatueliminującego kolory na rysunku 19, aberracje chromatyczne sąkorygowane przez zastosowanie różnych charakterystykrozpraszania różnego typu szkieł optycznych do wyrównaniakierunków propagacji promieni świetlnych o różnych długościach falbiegnących w tym samym kierunku.

Także wp r z y p a d k uo b i e k t y w ó wfotograficznychmożliwe jests k u p i e n i e

172

Obiektywy z fluorytu i szkła UD — na tyle ostre, by sfotografować nawet powietrze2

do 16.Obiektyw EF 85mm f/1,2L II USM na rysunku 14 zostałzaprojektowany z użyciem elementów asferycznych, dzięki którymwszystkie promienie przechodzące przez obiektyw schodzą się wjednym punkcie. Obraz tworzony przez promienie świetlneprzechodzące przez obiektyw wzdłuż przekroju prostopadłego dopowierzchni papieru rozjaśnia się przy maksymalnym otworzewzględnym. Asferyczne elementy obiektywu eliminują torozjaśnienie i kompensują składnik rozjaśnienia komatycznego. Wtym obiektywie do uzyskania dobrej kompensacji na całym obszarzeobrazu od środka do krawędzi wykorzystano dwa elementyasferyczne.Obiektyw ultra-szerokokątny na rysunku 15 zawiera elementasferyczny o swobodnie zakrzywionej powierzchni, którego kątprzenoszenia promieni świetlnych optymalizuje charakterystykętworzenia obrazu w każdym punkcie obszaru obrazu. Zastosowanietej soczewki asferycznej znakomicie kompensuje zniekształcenia irozmazywanie się obrazu na krawędziach, które wcześniej byłynieuniknione w przypadku obiektywów ultra-szerokokątnych.Rysunek 16 przedstawia porównanie starszego obiektywuzmiennoogniskowego FD skonstruowanego tylko z wykorzystaniemelementów sferycznych z nowym obiektywem zmiennoogniskowymEF tej samej klasy zawierającym element asferyczny. Zastosowanieelementu asferycznego pozwoliło zmniejszyć całkowitą długośćobiektywu oraz znacząco ograniczyć krzywiznę pola izniekształcenia.

dwóch promieni o różnych długościach fali (na przykład czerwonegoi niebieskiego) w tym samym ognisku przez połączenie soczewkiwypukłej o małym rozproszeniu z soczewką wklęsłą o dużymrozproszeniu. Obiektyw, w którym dwa kolory (długości fali) sąkorygowane w ten sposób, nosi nazwę obiektywu achromatycznegolub prościej — achromatu. Jednak mimo skupienia dwóch koloróww tym samym ognisku kolor pośredni (zielony) nadal ogniskuje się winnym punkcie.Ta aberracja chromatyczna,która nie znika nawet pozastosowaniu w konstrukcji środków korygujących, nosi nazwęwtórnej aberracji chromatycznej lub widma wtórnego. Ze względuna ograniczenia teoretyczne nie można ograniczyć tego widmawtórnego do poziomu mniejszego niż ogniskowa x 2/1000 mm,korzystając wyłącznie ze szklanych elementów optycznych. Dziejesię tak dlatego, że nawet w przypadku różnych typów szkiełoptycznych o różnych współczynnikach rozproszenia proporcjonalnawielkość rozproszenia dla każdej długości fali dąży do zachowaniastałej wartości.VZastosowanie fluorytu do produkcji ultra-wydajnych obiektywówFluoryt jest materiałem umożliwiającym usunięcie teoretycznegoograniczenia nakładanego przez szkło optyczne i przeprowadzeniepraktycznie idealnej korekcji aberracji chromatycznych.Szkło optyczne to materiał wytwarzany głównie z krzemionki zdodatkiem tlenku baru lub lantanu.W procesie produkcji substancjete 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 — niskiindeks załamania fal i małe rozproszenie (rysunek 23). Ponadtocharakterystyki rozpraszania fluorytu i szkła optycznego są niemalidentyczne w przypadku fal z zakresu od czerwonego do zielonego,natomiast znacznie się różnią w przypadku fal z zakresu od zielonegodo niebieskiego (właściwość ta nosi nazwę nietypowego częściowegorozproszenia). Wykorzystanie tych specjalnych właściwościumożliwia znaczną poprawę jakości przetwarzania obrazu przezsuper-teleobiektywy w opisany poniżej sposób.a Dokładne wyeliminowanie widma wtórnegoJeśli fluorytowa soczewka wypukła zostanie połączona ze szklanąsoczewką wklęsłą o dużym rozproszeniu zgodnie z regułamiprojektowania dotyczącymi korekcji fal czerwonych i niebieskich,właściwości nietypowego częściowego rozproszenia skutecznieskompensują także fale zielone, ograniczając widmo wtórne doniezwykle niskiego poziomu i skupiając wszystkie trzy rodzaje fal —czerwone, zielone i niebieskie — w tej samej ogniskowej, cospowoduje praktycznie idealną kompensację aberracjichromatycznej (wydajność apochromatyczna), jak przedstawiono narysunku 21.

Rysunek 20 System optyczny obiektywu EF 300mm f/2,8L USM

Soczewki UD

Fluoryt

Rysunek 19 Korekcja aberracji chromatycznej przyużyciu pryzmatów

173



b Poprawa jakości na całym obszarze obrazu W przypadkuteleobiektywów,w których zastosowano rozkład mocy korzystający zprzedniej soczewki wypukłej i tylnej soczewki wklęsłej, całkowitadługość fizyczna może być mniejsza niż długość ogniskowej. Aby wprzypadku tego typu obiektywu uzyskać wysoki poziom ostrości nacałej powierzchni od środka obrazu do jego krawędzi, pożądane jestzastosowanie przedniej grupy soczewek wypukłych o jaknajmniejszym indeksie załamania fal. Dlatego wykorzystaniefluorytu, charakteryzującego się niskim indeksem załamania fal,powoduje efektywną poprawę jakości obrazu na całym jegoobszarze.cZmniejszenie całkowitej długości obiektywuW celu zmniejszenia całkowitej długości teleobiektywu pożądanejest maksymalne zwiększenie mocy układu soczewek wklęsłych iwypukłych.Jednak w przypadku zwykłego szkła optycznego zwiększenie mocyutrudnia korekcję krzywizny pola i powoduje pogorszenie jakościobrazu. Natomiast niski indeks załamania fal w przypadku fluorytujest korzystny ze względu na warunki określone przez sumę Petzvalai umożliwia uzyskanie znacznego zmniejszenia długości obiektywuprzy zachowaniu wysokiej jakości obrazu.Chociaż niezwykłe właściwości optyczne fluorytu były znane odpoczątku XIX wieku, w naturze występuje on wyłącznie wniewielkich rozmiarach, które nadają się tylko do obiektywów wmikroskopach.Mimo iż konstruktorzy obiektywów od dawna chcieliwykorzystać fluoryt w obiektywach fotograficznych, na ogółuzyskanie odpowiednio dużych naturalnych kawałków tegomateriału, aby można było zastosować je w obiektywach, byłoniezwykle trudne lub niemożliwe.W celu rozwiązania tego problemufirma Canon podjęła wysiłki mające na celu opracowanie technologiiwytwarzania syntetycznego kryształu fluorytu, co ostateczniedoprowadziło do powstania praktycznej technologii produkcjifluorytu (technologii wytwarzania syntetycznego kryształu fluorkuwapnia <CaF2>) pod koniec lat 60-tych. Jest to jeden z przykładówna to, że firma Canon zawsze dokłada wszelkich starań, abywłasnymi siłami utworzyć wszystko, co jest niezbędne do osiągnięciacelu i zbliżenia się do ideału.Sztucznie skrystalizowany fluoryt po razpierwszy zastosowano w obiektywach FL-F 300mm f/5,6 w roku1969,a od tamtej pory był używany w obiektywach FD,New FD,EFi wielu innych obiektywach firmy

Zdjęcie 12 Sztuczne kryształy fluorytu i soczewki fluorytoweRysunek 21 Widmo wtórne

Rysunek 22 Porównanie korekcji aberracji kolorów

Rysunek 23 Właściwości optyczne szkła optycznego i fluorytu

Zdjęcie 13 Obiektywy EF z optymalną powłoką

CzCzZ

ZN

N

Zwykłe szkło optyczne Fluoryt

Niskie rozproszenie inietypowe częściowerozproszenie

Nis ki współczynnik załamania światła

Zwykłe szkło optyczne

Niebieski Zielony CzerwonyZnaczna aberracja

kolorówFluoryt

Niewielka aberracjakolorów

EF 600mm f/4L IS USM

FD 600mm f/4,5

+

-

Długość fali (nm)

0650500 550 700450

Szczątkowa aberracja chromatyczna

174

Niezrównana wyrazistość, idealna reprodukcja kolorówPowłoka Super Spectra3

Canon. Obecnie jedynymi obiektywami wymiennymi do lustrzanekzawierającymi fluoryt są obiektywy EF.

Obiektywy ze szkła UDFluoryt jest powszechnie stosowany do poprawy wydajności super-teleobiektywów, ale jego wykorzystanie w innych typachobiektywów nadal stanowi problem. Problemem tym jest bardzoduży koszt fluorytu wynikający z procesu produkcji syntetycznegokryształu. Z tego powodu konstruktorzy obiektywów od dawnaoczekiwali na opracowanie specjalnego szkła optycznego owłaściwościach zbliżonych do fluorytu,ale za mniejszą cenę.Pragnienie to zostało spełnione w drugiej połowie lat 70-tych wraz zopracowaniem szkła UD (ultra-low dispersion — o niskimrozproszeniu). Indeksy załamania fal i rozpraszania szkła UD nie sąwprawdzie tak niskie jak w przypadku fluorytu, jednak znacznieniższe niż w przypadku innych typów szkła optycznego. Ponadtoszkło UD wykazuje właściwości nietypowego częściowegorozproszenia.Dzięki temu,stosując szkło UD,można uzyskać prawietaki sam efekt jak w przypadku użycia fluorytu (dwa elementy zeszkła UD odpowiadają jednemu elementowi z fluorytu) —wystarczy wybrać odpowiednią kombinację soczewekuwzględniającą różne czynniki,np.długość ogniskowej.Elementy z fluorytu i/lub szkła UD są stosowane w różnychobiektywach EF, między innymi w grupie teleobiektywów/super-teleobiektywów EF 135mm f/2L USM i EF 600mm f/4L IS USMoraz w teleobiektywach zmiennoogniskowych EF 28-300mm f/3,5-5,6L IS USM, EF 70-200mm f/2,8L IS USM, EF 70-200mm f/2,8LUSM, EF 70-200mm f/4L IS USM, EF 70-200mm f/4L USM iEF 100-400mm f/4,5-5,6L IS USM. Soczewki ze szkła UD są takżeużywane w obiektywach szerokokątnych EF 24mm f/1,4L USM,EF 16-35mm f/2,8L USM, EF 17-40mm f/4L USM i EF 24-70mmf/2,8L USM do korekcji aberracji chromatycznej. W roku 1993, poradykalnym zwiększeniu wydajności konwencjonalnych soczewekUD, udało się opracować soczewkę Super UD mającą prawie takiesame właściwości jak fluoryt, i zastosowano w obiektywieEF 400mm f/5,6L USM.Gwałtowny rozwój fotografii cyfrowej spowodował równieżzwiększenie nacisku na korekcję aberracji chromatycznej wobiektywach fotograficznych. Aby sprostać temu wyzwaniu, wprzyszłości soczewki wykonane z fluorytu, szkła UD i szkła SuperUD będą używane w kolejnych obiektywach EF — począwszy odobiektywów szerokokątnych aż po super-teleobiektywy.

Powlekanie obiektywów to technologia tworzenia niezwyklecienkiej, przezroczystej warstwy na powierzchni obiektywu zapomocą procesu naparowywania próżniowego. Powody, dla którychpowleka się obiektywy to:a poprawa transmitancji oraz zminimalizowanie efektów flary izjawy,b uzyskanie optymalnego balansu kolorów,c utlenienie („wypalenie”) powierzchni obiektywu w celu zmianylub poprawy jego właściwości i zapewnienia ochrony tejpowierzchni.

Około 4–10% światła docierającego do każdej soczewki odbija sięod jej powierzchni (w miejscu styku szkła i powietrza), co powodujezauważalną utratę światła w obiektywach fotograficznychskładających się z co najmniej kilku elementów.Wielokrotnie odbiteod powierzchni soczewek promienie świetlne docierające dopłaszczyzny ogniskowania mogą powodować efekty flary lub zjawyna obrazie.Te szkodliwe odbicia w przypadku szerokiego zakresu falmożna w dużej mierze wyeliminować, nakładając na powierzchniękażdej soczewki powłokę składającą się z kilku cienkich warstw oróżnych indeksach załamania fal. Firma Canon używa kilku typówpowłok wielowarstwowych, które zostały zoptymalizowaneodpowiednio do indeksu załamania fal powlekanego elementu.Ze względu na łączenie składników w procesie produkcji niektóretypy szkła — szczególnie te o wysokich indeksach załamania fal —mają także tendencję do pochłaniania niebieskiego światła, dając wwyniku kolor żółty. Gdyby żółtawe szkło zostało po prostu pokrytewielowarstwową powłoką jak inne soczewki, światło przechodząceprzez obiektyw miałoby lekko żółtawy odcień, co na białychobszarach obrazu sfotografowanych na kolorowej kliszy dałobydomieszkę żółci. Aby temu zapobiec, powierzchnie z niewielkimefektem flary i zjawy są pokrywane powłokami jednowarstwowymi

Rysunek 24 Odbicia od niepowlekanej powierzchni szkła

Rysunek 25 Pochłanianie i odbijanie światła na powierzchni obiektywu

Rysunek 26 Właściwości powłoki Super Spectra (współczynnik odbicia)

100%90,25%

4,5125%5%

Światło padające

Światłoprzepuszczon

e

Szkło

Światło pochłonięte Światło odbite

Światło przepuszczone

400 500 600 700nm

50

0

100%

Św

iatło padająceW

spółczynnik odbicia światła

400 500 600 700nm

4%

3

2

1

0

Powłoka wielowarstwowaPowłoka Super Spectra

Powłoka jednowarstwowa

Brak powłoki

175



odpowiedniego koloru, na przykład bursztynowego, purpurowego,fioletowego i niebieskiego, co pozwala uzyskać identyczny balanskolorów w przypadku wszystkich obiektywów wymiennych EF.Powłoki obiektywów EF spełniają standardy firmy Canon, które sąsurowsze od zakresu tolerancji CCI (Colour Contribution Index —indeks udziału kolorów) określonego przez stowarzyszenie ISO(International Organization for Standardization). Proces nakładaniapowłok, noszący w firmie Canon nazwę powlekania Super Spectra,oferuje takie właściwości jak wysoka transmitancja, filtrowaniepromieni ultrafioletowych, duża wytrzymałość powierzchni i stabilnewłaściwości.Dzięki rygorystycznym procedurom powlekania obiektywy EF majądoskonałe właściwości przetwarzania obrazów,na przykład:aostre,kontrastowe i żywe obrazy;bjednolity balans kolorów w przypadku różnych obiektywów EF;cwierna reprodukcja kolorów, która nie zmienia się z upływemczasu.

Obiektyw zmiennoogniskowy umożliwia ciągłą zmianę ogniskowejw określonym zakresie z zachowaniem ostrości podczas zmianyogniskowej. W przypadku obiektywu zmiennoogniskowego częśćsystemu obiektywu porusza się wzdłuż osi optycznej w celu zmianyogniskowej, natomiast inna część porusza się w tym samym czasie,aby skompensować zmianę ostrości.Dlatego obiektyw zmiennoogniskowy musi składać się z co najmniejdwóch 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 nieprzekracza 40 mm), składającego się z dwóch ruchomych grupsoczewek.Druga grupa nazywana jest „wariatorem”, co oznacza, że porusza sięona w celu zmiany ogniskowej. Pierwsza grupa na końcu obiektywuporusza się jednocześnie z drugą grupą, aby skompensować zmianęostrości, dlatego nosi nazwę„kompensatora”. Druga grupabierze także udział w procesieogniskowania, dostosowującognisko.W przypadku krótkiegoobiektywu pierwsza grupa maujemny współczynnik załamaniafal (dywergencja, rozbieżność),druga grupa ma dodatniwspółczynnik załamania fal(konwergencja, zbieżność), aobiektyw jest konstrukcją typuretrofokus. Tego typu konstrukcjaszczególnie dobrze nadaje się doobiektywów szerokokątnych zewzględu na poniższe właściwości:a Przedni element obiektywu maniewielką średnicę, co pozwala beztrudu uzyskać

Zrodzone z dążenia do innowacyjności:wielogrupowe obiektywy

zmiennoogniskowe4

100 mm

250 mm

400 mm

Pierwszagrupa

Drugagrupa

Trzeciagrupa

Czwarta grupa(grupa ostrzenia)

Szósta grupa(grupa ostrzenia)

Piąta grupa

Rysunek 28 Konstrukcja wielogrupowego obiektywuzmiennoogniskowego (EF 100-400mm f/4,5-5,6L IS USM)

Rysunek 27 Konstrukcja krótkiego obiektywu zmiennoogniskowego(EF 28-80mm f/3,5-5,6 %USM)

28 mm

50 mm

80 mm

Trzecia grupaPierwsza grupa(ostrzenie)

Druga grupa

Zdjęcie 14Precyzyjny pierścień krzywkowyobiektywu zmiennoogniskowego(EF 100-400mm f/4,5-5,6L IS USM)

176

Szybkie i płynne ogniskowanie:systemy ogniskowania tylnego i wewnętrznego5

Rysunek 29 Systemy ogniskowania tylnego i wewnętrznego

EF 70-200mm f/2,8L IS USM System wewnętrznego ogniskowania

∞

1,4 m

EF 400mm f/5,6L USM System tylnego ogniskowania

∞

3,5 m

EF 24-70mm f/2,8L USM System tylnego ogniskowania

∞

0,38 m

kompaktową konstrukcję za niewielką cenę.b Przy krótkiej ogniskowej występuje niewielkie zniekształceniezwiązane z tubusem.c Konstrukcja, w której do ogniskowania służy pierwsza grupasoczewek,umożliwia ustawianie ostrości przy małych odległościach.Jednak tego typu konstrukcja powoduje problem polegający na tym,że w przypadku ustawienia w krótkim obiektywiezmiennoogniskowym zbyt dużego współczynnika zbliżeniaprzesunięcie drugiej grupy zwiększa się, co powoduje takżezwiększenie długości obiektywu oraz poziomu zmiennościmaksymalnego otworu względnego. Duży współczynnik zbliżeniawymaga także zwiększenia współczynnika załamania fal drugiejgrupy, powodując także zwiększenie liczby elementów obiektywupotrzebnych do skompensowania aberracji oraz zwiększenie ogólnejwielkości obiektywu, przez co uzyskanie dużego współczynnika ikompaktowych rozmiarów staje się bardzo trudne. Rozwiązaniemtego problemu jest konstrukcja obiektywu składająca się z wielugrup — technologia opracowana w celu pokonania ograniczeńmałych obiektywów zmiennoogniskowych oraz uzyskania zarównodużego współczynnika,jak i niewielkiego rozmiaru.W przypadku krótkiego obiektywu zmiennoogniskowego zmianaogniskowej (zbliżanie) jest realizowana tylko przez drugą grupę; wprzypadku obiektywu zawierającego wiele grup to zadanie jestrozdzielone między kilka grup soczewek. Dlatego taki obiektywskłada się z co najmniej trzech ruchomych grup soczewek.Konstrukcja obiektywu składającego się z wielu grup manastępujące zalety:a Dzięki temu, że przy zmianie ogniskowej poruszanych jest kilkagrup soczewek, przesunięcie każdej z nich może być niewielkie, copozwala uzyskać kompaktową konstrukcję obiektywu. Ponadtomożna określić żądaną zmianę wielkości przysłony bez koniecznościstosowania złożonego mechanizmu.b Dzięki temu, że proces zmiany ogniskowej rozkłada się na kilkagrup soczewek, każdą grupę można zaprojektować ze względniemałym współczynnikiem załamania fal, dzięki czemu doskompensowania aberracji potrzebna będzie względnie mała liczbaelementów obiektywu.c Dzięki temu, że używanych jest kilka grup soczewek, zwiększa sięswoboda konstrukcji optycznej i dostępnych jest więcej możliwościkompensowania aberracji, na przykład projektowanie grupsoczewek wzajemnie kompensujących swoje aberracje(kompensacja wzajemna).Ogniskowanie za pomocą wielu grup soczewek jest nowoczesnątechnologią optyczną, która pozwala spełnić różnorodne wymaganiazwiązane z konstruowaniem obiektywów, ale jest możliwa tylko wprzypadku stosowania zaawansowanych technologii projektowania,obróbki i produkcji tubusów obiektywów, które umożliwiająporuszanie się wielu grup. Obecnie w technologii ogniskowania zapomocą wielu grup soczewek konstruowane są obiektywy EF 28-90mm f/4-5,6 III, EF 24-85mm f/3,5-4,5 USM, EF 100-400mm f/4,5-5,6L IS USM oraz wszystkie pozostałe obiektywyzmiennoogniskowe EF. Pozwala to uzyskać jednocześnie dużywspółczynnik zbliżenia, kompaktowy rozmiar i wyjątkową jakośćobrazu.

Na ogół w obiektywach fotograficznych ogniskowanie odbywa sięprzy użyciu wszystkich grup (wszystkie grupy soczewek poruszają sięrazem wzdłuż osi optycznej) lub przy użyciu przedniej grupy

(porusza się tylko przednia grupa soczewek). Zaletą metodyogniskowania przy użyciu wszystkich grup jest względnie niewielkazmiana aberracji w stosunku do zmiany odległości fotografowania,dlatego jest ona najczęściej używaną metodą ogniskowania wprzypadku obiektywów stałoogniskowych. Jednak w przypadkuteleobiektywów i super-teleobiektywów stosowanie tej metody jestmniej korzystne ze względu na większy rozmiar i wagę obiektywu.Z drugiej strony ogniskowanie przy użyciu przedniej grupy jestpodstawową metodą używaną w obiektywachzmiennoogniskowych, której zaletą jest stosunkowo prostakonstrukcja obiektywu. Jednak metoda ta ma wady, ponieważnakłada ograniczenia na wielkość zbliżenia oraz rozmiar obiektywu.Aby przezwyciężyć wady tych dwóch metod firma Canonopracowała idealną metodę ogniskowania nazywanąogniskowaniem tylnym (lub ogniskowaniem wewnętrznym) doużytku w teleobiektywach i super-teleobiektywach. W metodzie tejpodzielono obiektyw na kilka części, a ogniskowanie jest wynikiemporuszania się tylnej lub środkowej grupy soczewek.Oprócz teleobiektywów i super-teleobiektywów EF ogniskowanietylne jest obecnie stosowane w obiektywie EF 16-35mm f/2,8L USMoraz innych obiektywach zmiennoogniskowych. Wykorzystany wmetodzie ogniskowania tylnego efekt soczewek ruchomychzastosowano także w obiektywach szerokokątnych, takich jakEF 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 wobiektywach zmiennoogniskowych.Tego typu konstrukcje z ogniskowaniem tylnym/wewnętrznym mająnastępujące właściwości:a Dzięki temu, że podczas ogniskowania poruszana jest grupasoczewek o małej wadze, użytkownik ma wrażenie lekkości przyręcznym regulowaniu ostrości. Ponadto zapewnia to szybkiedziałanie funkcji automatycznej regulacji ostrości.b Długość obiektywu nie zmienia się podczas ogniskowania. Dziękitemu obiektyw można zaprojektować jako konstrukcjęjednoczęściową,co zapewnia jego większą sztywność.

177



Znacznie lepsza jakość obrazupodczas fotografowania z bliskiej odległości: system

soczewek ruchomych6

Maksymalne wykorzystanie wydajnościobiektywu: eliminacja odbić wewnętrznych7

Rysunek 30 System soczewekruchomych obiektywuEF 24mm f/1,4L USM

Rysunek 31 Efekt soczewekruchomych(przy 0,25 m)

Rysunek 33 Efekt soczewekruchomych(przy 0,95 m)

Rysunek 32 System soczewekruchomych obiektywuEF 85mm f/1,2L@USM

∞

0,25m

Astygmatyzm

Soczewki ruchome

Brak soczewekruchomych

∞

0,95m

Aberracja sferyczna

Soczewki ruchomeBrak soczewekruchomych

c Dzięki temu,że pierścień ostrzenia można ustawić w optymalnympołożeniu i nie będzie on poruszał się do przodu ani do tyłu w czasieustawiania ostrości,można uzyskać doskonały balans.d Obiektyw może być bardziej kompaktowy.e Minimalna odległość ostrzenia może być krótsza niż w przypadkukonwencjonalnych metod ogniskowania.f Dzięki temu, że pierścień do mocowania filtrów nie obraca siępodczas ogniskowania, praca z filtrami polaryzującymi zapewniadoskonałe efekty.g Ponieważ przednia ramka nie porusza się podczas ogniskowania,zfunkcją automatycznej regulacji ostrości można używać nie tylkoskutecznych osłon bocznych, ale także akcesoriów, takich jakuchwyty filtrów żelatynowych.W firmie Canon obiektywy, w których poruszają się grupyelementów za przysłoną (w stronę powierzchni filmu), noszą nazwęobiektywów z ogniskowaniem tylnym, natomiast obiektywy, wktórych poruszają się grupy elementów między przysłoną aprzednim elementem, noszą nazwę obiektywów z ogniskowaniemwewnętrznym.

Konwencjonalne obiektywy są projektowane tak, aby uzyskaćoptymalny balans kompensacji aberracji tylko przy jednej lub dwóchodległościach fotografowania w zakresie ostrości uważanym zanajbardziej typowy dla danego obiektywu. Dlatego mimo dobrejkompensacji aberracji przy idealnych odległościach fotografowanianastępuje zwiększenie aberracji i pogorszenie jakości obrazu przyinnych odległościach. Stopień pogorszenia jakości obrazu zależy odtypu obiektywu i rozmiaru przysłony — w obiektywach

symetrycznych pogorszenie jakości jest stosunkowo niewielkie,natomiast w obiektywach asymetrycznych, na przykład wobiektywach typu retrofokus, jest ono stosunkowo duże. Szczególniew obiektywach typu retrofokus zmienność aberracji wzrasta w miaręzmniejszania długości ogniskowej lub zwiększania otworu przysłony.W przypadku wymiennych obiektywów szerokokątnych dolustrzanek — z których większość ma, ze względu na koniecznośćogniskowania tylnego, konstrukcję typu retrofokus — podczasogniskowania na duże odległości aberracje są małe, ale podczasogniskowania na małe odległości krzywizna pola znacznie sięzwiększa, w wyniku czego obraz na krawędziach traci ostrość (lubgdy obraz jest zogniskowany na krawędziach, ostrości zostajepozbawiona środkowa część obrazu).W celu zapewnienia idealnej korekcji aberracji w całym zakresieodległości ogniskowania firma Canon opracowała system soczewekruchomych, w którym część systemu soczewek używanego dokorygowania aberracji przemieszcza się podczas regulacji ostrości.System ten zastosowano w obiektywie EF 24mm f/1,4L USM orazinnych obiektywach szerokokątnych o dużej aperturze, a także wobiektywie EF 180mm f/3,5L Macro USM,co pozwoliło na poprawęwydajności podczas fotografowania z małej odległości.Firma Canon opracowała także metodę dodawania efektu soczewekruchomych do obiektywów z ogniskowaniem tylnym.Na przykład wobiektywie EF 14mm f/2,8L USM system soczewek jest podzielonyna grupę przednią i grupę tylną, z których tylko tylna służy doogniskowania. Patrząc na obiektyw jako całość, ogniskowanie zapomocą tylnej grupy soczewek zmienia odległość międzyelementami obiektywu odpowiednio do odległości fotografowania,zapewniając tym samym efekt soczewek ruchomych. Ponieważoptyka obiektywu od początku była projektowana z myślą o tymzapewnieniu tego efektu, aberracje przy fotografowaniu z bliskiejodległości są w dużym stopniu korygowane.Innym zastosowaniem efektu soczewek ruchomych jest takżezapobieganie aberracji sferycznej, która znacznie zwiększa się przymałych odległościach ogniskowania w przypadku obiektywów odużej aperturze. Jest to główna przyczyna zastosowania systemusoczewek ruchomych w takich obiektywach jak EF 50mm f/1,2LUSM, EF 85mm f/1,2L II USM i EF-S 60mm f/2,8 Macro USM.System soczewek ruchomych w tych obiektywach różni się odstosowanego w obiektywach szerokokątnych tym, że tylna grupasoczewek pozostaje nieruchoma, a podczas ogniskowania wydłużasię pozostała część obiektywu. Taka konstrukcja pozwala uzyskaćwysokiej jakości obraz, niemal całkowicie pozbawiony efektu flary,przy wszystkich odległościach fotografowania.

Efekty flary i zjawy są powodowane przez szkodliwe odbicia światławewnątrz obiektywu, które negatywnie wpływają na jakość obrazu.Dlatego obiektywy EF są projektowane w taki sposób, abywyeliminować odbicia zarówno od soczewek, jak i od tubusu. Każdyelement obiektywu jest pokrywany specjalną powłoką, która chroniprzed szkodliwym światłem, tłumiąc odbicia od powierzchnisoczewek. Problem odbić od powierzchni tubusu jest rozwiązywanyprzez wybranie najlepszych metod antyrefleksyjnych dlaposzczególnych soczewek spośród różnych technik wymienionychna następnej stronie.

178

Rysunek 34 Flokowanie części obiektywu EF 300mm f/2,8L IS USM wcelu wyeliminowania odbić wewnętrznych

Rysunek 35 Ruchoma przysłona likwidująca efekt flary w obiektywieEF 28-135mm f/3,5-5,6 IS USM

Zdjęcie 15 Proces flokowaniaelementów obiektywuEF 300mm f/4L IS USM

Rysunek 36 Wewnętrznewyżłobienia blokująceświatło w obiektywieEF 24mm f/2,8

Klucz do cichej, szybkiej i płynnej automatycznej regulacjiostrości:w pełni elektroniczny uchwyt i system napędu w

obiektywie8

a Techniki nakładania powłok antyrefleksyjnychW przypadku tej metody stosuje się specjalną farbę,która nakładanajest na powierzchniach umieszczonych pod kątem oraz napowierzchniach łączących, w sytuacji gdy elementy obiektywu sąutrzymywane w miejscu przez tubus; ma to uniemożliwić światłuprzechodzącemu przez obiektyw odbijanie się od tych części. Jeśliużywana jest standardowa powłoka, odbicia są w rzeczywistościjeszcze większe ze względu na duży rozmiar drobin pigmentu orazfakt,że powłoka ma mniejszy indeks załamania fal niż szkło.Dlategofirma Canon opracowała kilka typów specjalnych powłokantyrefleksyjnych o dużym indeksie załamania fal i bardzo małychdrobinach pigmentu, których można używać w zależności odlokalizacji i przeznaczenia w celu uzyskania doskonałego efektuantyrefleksyjnego.b Techniki flokowania elektrostatycznegoTa metoda polega na wykorzystaniu procesu flokowaniaelektrostatycznego w celu bezpośredniego nakładania niezwyklemałych porcji na powierzchnie wymagające wykończeniaantyrefleksyjnego. Ponieważ porcje są prostopadłe do powierzchniścianek, ta technika jest szczególnie skuteczna w przypadku długichsekcji tubusów teleobiektywów i super-teleobiektywówstałoogniskowych, a także w przypadku obiektywówzmiennoogniskowych i wewnętrznych stron osłon.

c Techniki konstrukcji antyrefleksyjnychOprócz wykorzystania specjalnych powłok i procesu flokowaniaochronę przed odbiciami wewnętrznymi można także uzyskać przyużyciu różnych technik strukturalnych, takich jak wyżłobieniablokujące światło i ostre krawędzie ograniczające obszar powierzchniodbicia (rysunki 34 i 35), wyżłobienia blokujące światło napowierzchniach obiektywu o szerokich krawędziach (wyżłobieniejest wypełnione powłoką antyrefleksyjną i działa jak stała przysłona:rysunek 36) oraz stałe i ruchome przysłony (w obiektywachzmiennoogniskowych), które zwiększają tłumienie efektów flary.Środki te są stosowane również na powierzchniach listków przysłonyw module EMD (wykonanym z tworzywa sztucznego i metalu)pokrytych specjalną powłoką antyrefleksyjną, która działa także jaksmar, aby uniemożliwić powstawanie efektu zjawy o kształciemaksymalnego otworu względnego.

Całkowicie elektroniczny uchwyt i system napędu w obiektywie toodpowiedź firmy Canon na problemy powodowane przez systemynapędu montowane w korpusie aparatu oraz kluczowy element dlazapewnienia cichej, płynnej, szybkiej i precyzyjnej automatycznejregulacji ostrości, z której słynie system EOS. System ten stanowipraktyczne wdrożenie mechatronicznej koncepcji projektowaniaaparatów firmy Canon, która polega na umieszczeniu optymalnegomechanizmu w pobliżu odpowiedniego napędu oraz w pełnielektronicznej kontroli całej transmisji danych i sygnałówsterujących. Poniżej przedstawiono korzyści, jakie zapewnia tenwyjątkowo nowoczesny i logiczny system w porównaniu dokonwencjonalnych rozwiązań.V Właściwościa Ponieważ każdy obiektyw EF może być wyposażony woptymalny mechanizm dostosowany do konkretnych właściwościdziałania funkcji AF, we wszystkich obiektywach — od rybiego okado super-teleobiektywu — można skorzystać z płynnego, szybkiegonapędu obiektywu. Zalety tego systemu w porównaniu zrozwiązaniami obejmującymi napęd w korpusie aparatu rosną wrazze wzrostem odległości napędu od korpusu w super-teleobiektywacho dużym zasięgu, ponieważ dzięki niemu firma Canon możewyposażyć w funkcję automatycznej regulacji ostrości wszystkieswoje super-teleobiektywy, łącznie z modelem EF 600mm f/4L ISUSM.b Ponieważ mechanizm znajduje się w pobliżu napędu, energianapędu jest skutecznie przesyłana z minimalnymi stratami i przyniewielkim poziomie hałasu generowanym przez napęd.c Zastosowanie elektronicznego uchwytu umożliwiakonstruktorom wybranie dowolnego spośród wielu typówmechanizmów.d System pozwala na stosowanie nowo opracowywanychmechanizmów o dużej wydajności, zapewniając znakomitemożliwości rozwoju na przyszłość.Aktualnie firma Canon używa pięciu poniższych typówmechanizmów, dobierając je w zależności od właściwościposzczególnych obiektywów.V USM typu pierścieniowego V Micro USM

Przysłona eliminująca efekt flary

Linie blokowania światła Powierzchnia poddana flokowaniu

179



Rysunek 37 Różne mechanizmy obiektywów

Rysunek 38 Obiektyw EF 28-135mmf/3,5-5,6 IS USM — zwidocznym silnikiem USM

Rysunek 39 Konstrukcja pierścieniowegosilnika USM

Zrodzony przy opracowywaniu systemu EOS:zaawansowany silnik ultradźwiękowy9

V AFD (Arc-Form Drive: bezszczotkowy silnik z odkształceniemkołowym)VMikrosilnik DC ogólnego zastosowania bez rdzeniaVMikrosilnik DC ogólnego zastosowania z rdzeniemInnym typem mechanizmu używanego w obiektywach EF jestmechanizm EMD (electromagnetic diaphragm — przysłonaelektromagnetyczna), która łączy w sobie silnik krokowy deformacjisterowania przysłoną oraz moduł listków przysłony. Szczegółoweinformacje można znaleźć na stronie 182.

Silnik ultradźwiękowy (Ultrasonic Motor,USM) to nowy typ silnika,który po raz pierwszy zastosowano w roli silnika do obiektywufotograficznego w obiektywach Canon EF. Pierścieniowy silnikUSM, który zadebiutował w roku 1987 w obiektywie EF 300mmf/2,8L USM, zadziwił świat cichą, super-szybką pracą mechanizmuautomatycznej regulacji ostrości. Następnie w roku 1990 firmaCanon opracowała nową technologię przeznaczoną do produkcjimasowej, która umożliwiła zaprojektowanie pierścieniowego silnikaUSM do użytku w popularnych obiektywach. Następstwem tegobyło powstanie w roku 1992 silnika Micro USM — nowego typusilnika USM, którego produkcja mogła odbywać się automatycznie,oraz zaprojektowanie w roku 2002 ultra-kompaktowego silnikaMicro USM II, o połowę krótszego od Micro USM. Gama silnikówUSM coraz bardziej przybliża dzień, w którym firma Canonostatecznie zrealizuje swoje marzenie o zastosowaniu silnika USM wkażdym obiektywie EF.W Opis pierścieniowego silnika USMKonwencjonalne silniki różnią się pod względem typu i konstrukcji,ale zasadniczo wszystkie przekształcają siłę elektromagnetyczną naruch obrotowy. Natomiast silniki ultradźwiękowe działają nazupełnie nowej zasadzie polegającej na tym, że ruch obrotowy jest

generowany z energii drgań ultradźwiękowych.Uwzględniając silnikiUSM znajdujące się wciąż w fazie badawczo-rozwojowej, do chwiliobecnej powstały trzy typy takich silników, sklasyfikowane napodstawie metody przekształcania energii drgań na ruch obrotowy:typ fali stojącej, typ fali bieżącej i typ wibracyjny. Zgodnie z tąklasyfikacją wszystkie silniki USM używane przez firmę Canon sąsilnikami typu fali bieżącej. Podstawowa konstrukcja silnika jestbardzo prosta — składa się on z elastycznego stojana i obracającegosię wirnika. Dolna część stojana składa się z elastycznegometalowego pierścienia z przymocowanym do niego ceramicznymelementem piezoelektrycznym, a jego górna część składa się z wielujednakowych występów o przekroju trapezoidalnym. Stojan jestwykonany ze specjalnego materiału o prawie takim samymwspółczynniku rozszerzalności cieplnej jak ceramiczny elementpiezoelektryczny, co minimalizuje zniekształcenia pierścieniawskutek zmian temperatury. Dzięki temu udało się zagwarantowaćstabilne działanie w szerokim zakresie temperatur. Wirnik toaluminiowy pierścień ze sprężyną kołnierzową w miejscu kontaktuze stojanem,dzięki czemu pod naciskiem następuje styk ze stojanem.Ponieważ aluminium jest stosunkowo miękkim materiałem,powierzchnia w miejscu styku wirnika ze stojanem ma specjalnewykończenie odporne na ścieranie.W Właściwości pierścieniowego silnika USMSilniki ultradźwiękowe mają następujące właściwości:a Łatwość uzyskania małej prędkości i dużego momentuobrotowego (silnik USM może wygenerować więcej mocy przymniejszych prędkościach w porównaniu z konwencjonalnymsilnikiem obracającym się przy użyciu siły elektromagnetycznej), coumożliwia bezpośredni napęd bez potrzeby stosowania przekładnizmniejszającej prędkość.b Duży moment wstrzymujący. Innymi słowy, po zatrzymaniusilnika obiektyw zatrzymuje się automatycznie w miejscu dziękiefektowi hamulca tarczowego.

Sprężynaw kształcie kołnierza

Ceramicznyelement napięcia

Wirnik

Stojan

Elastycznametalowa obudowa

Pierścieniowy silnik USM

Micro USM

Micro USM@

Mechanizm napędu

EMD

Mechanizmnapędu

180

t=0

PWirnikStojan

t=T/4

t=T/2

P

P

T: Cykl sinusoidalnej fali bieżącej

Kierunek transformacji elementów napięcia

Prąd przemienny (V)

Polaryzacja elementów napięcia

Elastyczna obudowametalowaCeramiczny elementnapięcia

Ceramiczny elementnapięcia fazy A

Ceramiczny elementnapięcia fazy B

Napięcie prąduprzemiennego fazy A

Napięcie prąduprzemiennego fazy B

Wykrywanie częstotliwościrezonansu

Rysunek 40 Obrót wirnika wskuteksinusoidalnej propagacji fal

Rysunek 41 Drgania generowane przezceramiczny elementpiezoelektryczny

Rysunek 42 Układ ceramicznegoelementu piezoelektrycznego(spód stojana)

Zdjęcie 16 Pierścieniowy silnik USM

cWyjątkowo prosta konstrukcja.d Dobra reakcja podczas uruchamiania i zatrzymywania orazłatwość sterowania. (Możliwe jest szybkie uruchamianie izatrzymywanie,a działaniem można precyzyjnie sterować).eWyjątkowo ciche działanie (praktycznie bezgłośne).Oprócz powyższych właściwości pierścieniowe silniki USM firmyCanon charakteryzuje również:fWysoka skuteczność i niskie zużycie mocy umożliwiają zasilaniesilnika USM z akumulatora aparatu.g Kształt pierścienia silnika jest optymalnie dostosowany do tubusuobiektywu.h Mała prędkość obrotowa dostosowana do przeznaczenia napęduobiektywu.i Prędkością obrotową można równomiernie sterować w szerokimzakresie od 0,2 obr./min (jeden obrót co pięć minut) do 80 obr./min,co umożliwia precyzyjne i szybkie sterowanie napędem obiektywu.j Stabilne działanie w najtrudniejszych warunkach, szeroki zakrestemperatur pracy od -30°C do +60°C.W przypadku każdego silnika system kontroli napędu jest ważnympodsystemem niezbędnym do pełnego wykorzystania jegoszczególnych właściwości. To samo dotyczy silnikówultradźwiękowych. W obiektywach USM firmy Canon wszystkiefunkcje, takie jak wykrywanie stanu rezonansu ultradźwiękowego wzależności od zmiany temperatury, generowanie dwóch napięćzmiennych o różnej fazie, sterowanie uruchamianiem izatrzymywaniem oraz elektroniczna regulacja prędkości ręcznegoustawiania ostrości, są kontrolowane przez mikrokomputerwbudowany w obiektyw.

w każdym punkcie P, coskłada się na sekwencjędziałania. Jakprzedstawiono narysunkach 41 i 42,sinusoidalne fale bieżącesą generowane przezceramiczny elementp i e z o e l e k t r y c z n y(element, który rozszerzasię i kurczy poprzyłożeniu napięciaz m i e n n e g o )przymocowany do spodustojana i zasilany zobwodu elektrycznego.Ten ceramiczny elementpiezoelektryczny jestn a p r z e m i e n n i epolaryzowany w kierunkujego grubości, aprzyłożone do niegonapięcie zmienne maczęstotliwość zbliżoną doc z ę s t o t l i w o ś c irezonansowej drgańs i n u s o i d a l n y c hwynoszącej ok. 30 000 Hz(częstotliwość ta należydo zakresu częstotliwościultradźwiękowych — stądnazwa silników USM).Przyłożone napięciegeneruje drgania (oszerokości amplitudywynoszącej tylko około0,001 mm) w stojanie,które są łączone zdrganiami w innej faziegenerowanymi przezelement piezoelektrycznyprzymocowany do spodustojana w oddzielnej

W Zasada obracania pierścieniowego silnika USM

Zasada działania pierścieniowego silnika USM jest następująca: doelastycznego korpusu nazywanego stojanem dostarczane są drgania,które powodują generowanie drgań w stojanie.Uzyskana w ten sposób energia wibracyjna służy do ciągłegoobracania wirnika, który pod naciskiem styka się ze stojanem. Ztechnicznego punktu widzenia siła tarcia generowana przezsinusoidalne fale bieżące w stojanie jest źródłem napędowego ruchuobrotowego. Sposób przekazywania do wirnika sinusoidalnych falbieżących wygenerowanych w stojanie przedstawiono na rysunku40.Obserwując ruch końcówki każdego występu P jako przesuwaniesię fali od lewej do prawej, można zauważyć, że końcówka poruszasię w kierunku przeciwnym do fali.Wirnik jest napędzany siłą tarcia

lokalizacji, przesuniętymi w fazie o jedną czwartą okresu. Tapołączona fala — sinusoidalna fala bieżąca (7 fal wibracyjnych nacykl) poruszająca się wzdłuż stojana — jest źródłem ruchuobrotowego silnika.W Opis i właściwości silnika Micro USMSilnik pierścieniowy USM jest silnikiem ultradźwiękowymprojektowanym z myślą o zastosowaniu w obiektywach z okrągłymtubusem.W przeciwieństwie do niego silnik Micro USM jest nowymsilnikiem opracowanym jako wielozadaniowy miniaturowy silnikultradźwiękowy.Silnik Micro USM ma następujące właściwości:V Ze względu na brak ograniczeń w zakresie średnicy obiektywusilnik Micro USM można stosować w różnych obiektywach,niezależnie od konstrukcji systemu optycznego.V Stojan, wirnik i przekładnia wyjściowa są zintegrowane w jednym,kompaktowym module, którego rozmiar i waga są w przybliżeniu opołowę mniejsze niż w przypadku pierścieniowego silnika USM.

181



Micro USM II

Micro USM

Kołnierz mocujący

Przekładnia wyjściowa

Elementpiezoelektryczny

Wirnik

Oscylator 1

Sprężynanaciskowa

Kołnierz mocujący

Wał

Elementpiezo-elektryczny

Wirnik Oscylator 2Oscylator 1

Oscylator 2

Kierunek obrotu

Wirnik

Stojan

Grupa elementówpiezoelektrycznych fazy A

Grupa elementówpiezoelektrycznych fazy B

Piezoelektryczny elementwykrywający drganiafali oscylującej

Grupa elementówpiezoelektrycznych fazy A

Grupa elementówpiezoelektrycznych fazy B

Piezoelektryczny elementwykrywający drganiafali oscylującej

Zintegro-wane obiektywy

Pozycja Micro USM Micro USM@

EF 50mm f/1,4 USMEF 28-90mm f/4-5,6@ USMEF 28-200mm f/3,5-5,6 USMEF 55-200mm f/4,5-5,6@ USMEF 70-300mm f/4-5,6 IS USMEF 75-300mm f/4,5-5,6# USMEF 90-300mm f/4,5-5,6 USM

EF 28-105mm f/4-5,6 USMEF-S 18-55mm f/3,5-5,6@ USM

Pierścieniowy silnik USM (typ MI) Pierścieniowy silnik USM (typ LI)

EF 14mm f/2,8L USMEF 20mm f/2,8 USMEF 24mm f/1,4L USMEF 28mm f/1,8 USMEF 35mm f/1,4L USMEF 50mm f/1,2L USMEF 85mm f/1,8 USMEF 100mm f/2 USMEF 100mm f/2,8 Macro USMEF 135mm f/2L USMEF 180mm f/3,5L Macro USMEF 200mm f/2,8L@ USMEF 300mm f/4L IS USMEF 400mm f/4 DO IS USMEF 400mm f/5,6L USMEF-S 60mm f/2,8 Macro USM

φ1126,711

φ1113,46

φ621026

φ771045

EF 85mm f/1,2L@USMEF 300mm f/2,8L IS USMEF 400mm f/2,8L IS USMEF 500mm f/4L IS USMEF 600mm f/4L IS USM

Średnica zewnętrzna (mm)

Długość (mm)Masa (g)

EF 16-35mm f/2,8L USMEF 17-40mm f/4L USMEF 20-35mm f/3,5-4,5 USMEF 24-70mm f/2,8L USMEF 24-85mm f/4-5,6 USMEF 24-105mm f/4L IS USMEF 28-105mm f/3,5-4,5@ USMEF 28-135mm f/3,5-5,6 IS USMEF 28-300mm f/3,5-5,6L IS USMEF 70-200mm f/2,8L IS USMEF 70-200mm f/2,8L USMEF 70-200mm f/4L IS USMEF 70-200mm f/4L USMEF 70-300mm f/4,5-5,6 DO IS USMEF 100-300mm f/4,5-5,6 USMEF 100-400mm f/4,5-5,6L IS USMEF-S 10-22mm f/3,5-4,5 USMEF-S 17-55mm f/2,8 IS USMEF-S 17-85mm f/4-5,6 IS USM

Zdjęcie 17 Silnik Micro USM (z lewej) i Micro USM@(z prawej)

Rysunek 43 Konstrukcja silnika Micro USM/Micro USM@

Rysunek 44 Właściwości elementupiezoelektrycznego

Rysunek 47 Zasada działania wirnikasilnika Micro USM

Rysunek 46 Zasada drgaństojana MicroUSM

Rysunek 45 Konstrukcja elementupiezoelektrycznego silnika Micro USM

Tabela 2 Typy silników USM i obiektywy, w których są montowane

VSilnik ten jest tańszy od pierścieniowego silnika USM,co pozwalana jego stosowanie w popularnych obiektywach ze średniej półkicenowej.

WPodstawowa konstrukcja silnika Micro USM

Jak pokazano na rysunku 43, silnik Micro USM ma zintegrowanąkonstrukcję, w której element piezoelektryczny, stojan i wirnik sąułożone jeden nadrugim ipołączone zp r z e k ł a d n i ąwyjściową wj e d n y m ,kompaktowymmodule. Stojanskłada się z pięciuw a r s t welementów piezo-elektrycznych, akażda warstwaznajduje sięm i ę d z ym e t a l o w y m i

dyskami wibratora.W całości stojan funkcjonuje jak elastyczny pręto kształcie cylindrycznym.Pod naciskiem wirnik połączony z obudową sprężyny styka się zestojanem za pośrednictwem sprężyn wbudowanych w wewnętrznyobwód obudowy sprężyny. Obrót wirnika jest przekazywanybezpośrednio do przekładni wyjściowej w stosunku 1:1.Poszczególnekomponenty silnika — stojan, wirnik i przekładnia wyjściowa — sąpołączone w jeden moduł Micro USM za pomocą wału stojana,który przebiega przez środek komponentów, oraz kołnierz w górnejczęści,który utrzymuje komponenty razem.Silnik jest montowany wobiektywie w sposób pokazany na rysunku 37.W Zasada działania silnika Micro USM

Drgania ultradźwiękowe, będąceźródłem ruchu obrotowego, sągenerowane przy użyciu obwoduelektronicznego sterującegoczterema warstwami elementówpiezoelektrycznych, którychcharakterystykę przedstawiono narysunku 44. Każda z czterechwarstw piezoelektrycznych składasię z dwóch elementówpiezoelektrycznych podzielonychna dwie fazy —fazę A i fazę B —przesunięte względem siebie wfazie o 90°. Na samym spodziestojana znajduje się piąta warstwaelementów piezoelektrycznychsłużąca do wykrywania fali drgańrezonansowych (rysunek 45).

182

Zdjęcie 18 Moduł EMD

Rysunek 48 Konstrukcja mechanizmu EMD

Rysunek 49 Konstrukcja silnika krokowego

Dokładne, niezrównanecyfrowe sterowanie elektroniczne: EMD

10

Magnes wirnika

Cewka-1 Cewka-2

Stojan-1 Stojan-2

Listek przysłony

Magnes/mechanizm wirnika

CewkaStojan

Giętk a p�ytka drukowana

Te pięć warstw umieszczono w podstawie stojana. Po przyłożeniunapięcia zmiennego tylko do fazy A tej grupy elementówpiezoelektrycznych rozszerzanie i kurczenie się elementówpiezoelektrycznych powoduje lekkie drgania końcówki stojana wlewo i w prawo (rysunek 46). Po przyłożeniu napięcia zmiennegotylko do fazy B rozszerzanie i kurczenie się elementówpiezoelektrycznych powoduje lekkie drgania końcówki stojana w tyłi w przód. Jeśli prąd zmienny przesunięty w fazie o 90° zostanieprzyłożony do fazy A i fazy B, połączone drgania obu faz spowodująwygenerowanie niewielkiej fali drgań obrotowych (1 fala drgań nacykl, amplituda: 0,002 mm), w wyniku której końcówka stojanabędzie kołysała się ruchem obrotowym w sposób przedstawiony narysunku 47.Wirnik,który pod naciskiem sprężyny zawsze styka się zestojanem, również zacznie się obracać w rezultacie tarciawygenerowanego przez falę drgań obrotowych.Natomiast obracaniesię wirnika powoduje z kolei obracanie się przekładni wyjściowej, zktórą jest on bezpośrednio połączony. Zasada działaniapierścieniowego silnika USM,opierająca się na drganiach tarciowychwywoływanych przez sinusoidalne fale bieżące generowane wstojanie (gdzie wirnik obraca się w kierunku przeciwnym do ruchufal) właściwie dotyczy także silnika Micro USM.W Micro USM@Silnik Micro USM II jest bardzo małym silnikiem ultradźwiękowym,opracowanym w związku z zapotrzebowaniem na jeszcze mniejszymechanizm napędu funkcji AF wynikającym z coraz bardziejkompaktowych rozmiarów tubusów obiektywów. Charakteryzują goopisane poniżej właściwości.W konwencjonalnych silnikach Micro USM stojan i wirnik sąumieszczone w rzędzie. Gdyby długość urządzenia zostałazwyczajnie zmniejszona bez zmodyfikowania tego rozmieszczenia,częstotliwość rezonansowa drgań w stojanie stałaby się zbyt wysoka,uniemożliwiając uzyskanie odpowiedniej amplitudy drgań. W celurozwiązania tego problemu w silnikach Micro USM II opracowanoukład, w którym część stojana znajduje się w obszarze wirnika, atakże zupełnie nowy format drgań. Pozwoliło to na skrócenieurządzenia bez zwiększenia częstotliwości rezonansowej. Dziękitemu uzyskano ultra-kompaktowe urządzenie o prawie takiej samejwydajności jak silnik Micro USM, ale o połowę mniejsze i lżejsze.Silnik Micro USM II po raz pierwszy został zastosowany wobiektywie EF 28-105mm f/4-5,6 USM, a planowane jestwykorzystanie go w innych obiektywach, głównie ultra-kompaktowych obiektywach zmiennoogniskowych.

Każdy obiektyw EF zawiera przysłonę elektromagnetyczną EMD,która elektronicznie steruje średnicą otworu przysłony; została onazaprojektowana do użytku w systemie montażu EOS z całkowicieelektroniczną transmisją danych. EMD to mechanizm sterowanianapędem przysłony o kształcie doskonale dopasowanym dookrągłego tubusu obiektywu, który w jednym urządzeniu zawierazarówno silnik krokowy deformacji, jak i moduł listków przysłony.(Zdjęcie 18)

Sterowanie średnicą otworu przysłony odbywa się za pomocąimpulsowego sygnału elektrycznego, który odpowiada wartościwybranej ręcznie za pomocą pokrętła elektronicznego aparatu lubokreślonej automatycznie przez mikrokomputer aparatu.Mechanizm EMD ma następujące właściwości:a Dzięki temu, że sterowanie odbywa się elektronicznie, precyzjasterowania jest dużo większa.b Dzięki temu, że mechanizm jest napędzany silnikiem krokowym,zapewnia on doskonałą reakcję podczas uruchamiania izatrzymywania oraz łatwość sterowania.c Dzięki wyeliminowaniu wstrząsów charakterystycznych dlasystemów dźwigni mechanicznych,mechanizm działa bardzo cicho.d Przysłonę można zamknąć w celu sprawdzenia głębi ostrościjednym naciśnięciem przycisku w dowolnym momencie, niezależnieod tego, czy w aparacie ustawiono automatyczny czy ręczny trybsterowania ekspozycją.e Dzięki mniejszym obciążeniom podczas pracy uzyskanodoskonałą wytrzymałość i niezawodność.f Po zwiększeniu mocy silnika system może współpracować zprzysłonami o dużej średnicy otworu.g Brak konieczności połączenia mechanicznego z korpusemaparatu zapewnia dużą swobodę projektowania układu przysłony.

183



Połączenie funkcji AF i ciągłejręcznej regulacji ostrości11

Rysunek 50 Mechanizm przenoszeniamocy wyjściowej

Rysunek 51 Mechanizm ręcznejregulacji ostrości

Zdjęcie 19 Zintegrowany z modułem regulacji ostrości mechaniczny systemciągłej ręcznej regulacji ostrości

Pierścień ostrzenia

Drugi pierścień Pierwszy pierścień

Silnik USM

Wirnik

Stojan

Grupa soczewek ogniskujących

Wałek napędowy mechanizmu ostrzenia

Koło

Krzywka

Mechanizm ostrzący

Pierścień napędzający

Kółko

Pierwszy pierścień

Drugi pierścień

Pierścień napędzający

Kierunek obrotukółka

Kierunek obrotupierścienia

napędzającego

Kierunek obrotupierwszego pierścienia

W rzeczywistej konstrukcji mechanizmu EMD (rysunek 48) dosterowania obrotem pierścienia połączonego z listkami przysłonywykorzystano silnik krokowy i koło zębate. W silniku krokowymdeformacji,który pełni rolę źródła napędu,wzajemnie przyciągające iodpychające się siły magnesów przymocowanych do stojana iwirnika (rozmieszczone w sposób przedstawiony na rysunku 49)powodują obrót wirnika o jeden krok z każdym impulsemelektrycznym. Po wysłaniu sygnału sterowania przysłoną z korpusuaparatu do obiektywu wbudowany mikrokomputer obiektywuprzekształca ten sygnał na odpowiednią liczbę impulsów i przyużyciu cyfrowego systemu sterowania precyzyjnie ustawiawymaganą średnicę otworu przysłony. W ten sposób sterowanieprzysłoną w obiektywach EF wyposażonych w mechanizm EMDodbywa się całkowicie w samym obiektywie, po odebraniuelektrycznego sygnału sterującego z korpusu aparatu. Zalety tegosystemu pozwalają na jego wszechstronny rozwój w przyszłości. Jakna razie umożliwił on firmie Canon opracowanie pierwszych naświecie obiektywów z funkcją korekcji perspektywy (obiektywówTS-E) wyposażonych w automatyczną przysłonę, jak równieżwykorzystanie obiektywów EF w innych urządzeniach, takich jakkamera wideo z wymiennymi obiektywami Canon XL2. Wnajnowszych modelach mechanizmu EMD zastosowano przysłonębeczkowatą, w której kształt listków jest zoptymalizowany podkątem uzyskania najlepszego efektu rozmycia.

System EOS powstał z myślą o całkowitym zautomatyzowaniufotografii, ale został zaprojektowany w taki sposób, aby ostatecznąkontrolę nad elementami decydującymi o kształcie obrazupozostawić w rękach fotografa — jest to podstawowa koncepcjaautomatyzacji spełniającej życzenia fotografa. Koncepcję tę możnasprawdzić w działaniu także w obiektywach EF, korzystając z trybuciągłej ręcznej regulacji ostrości, która umożliwia ostatecznedostosowanie tego parametru po zakończeniu pracy przezmechanizm autofokusa.VCiągła mechaniczna ręczna regulacja ostrościTa funkcja pozwala fotografowi na ręczne ustawienie ostrościobiektywu tuż po zastosowaniu funkcji AF bez koniecznościprzełączania trybu regulacji z automatycznego na ręczny.W przypadku ciągłej ręcznej regulacji ostrości stosowano

początkowo metodę ogniskowania elektronicznego (obiektywEF 85mm f/1,2L USM i inne stare obiektywy EF), ale obecnieprawie we wszystkich obiektywach USM wyposażonych w pierścieńogniskowania ręcznego i skalę odległości, takich jak EF 24-85mmf/3,5-4,5 USM, EF 16-35mm f/2,8L USM i EF 300mm f/2,8L ISUSM,używany jest system mechaniczny.Ten mechaniczny system ciągłej ręcznej regulacji ostrości jestrodzajem mechanizmu różnicowego składającego się z trzechpierścieni i wbudowanego w jeden z nich wałka. Poniżejprzedstawiono opis konstrukcji.Pierścień 1 jest obracany wokół osi optycznej przez silnik USM,pierścień 2 obraca się wokół osi optycznej w wyniku obracaniaręcznego. Wałek znajduje się między pierścieniami 1 i 2, a jego ośobrotu jest połączona z pierścieniem wyjściowym.Obracanie pierścienia 1 lub 2 w trybie automatycznej lub ręcznejregulacji ogniskowej powoduje poruszanie się wałka wokół osioptycznej wymuszone przez obrót jednego z pierścieni. Ponieważ ośobrotu wałka jest na stałe połączona z pierścieniem wyjściowym,ruch wałka powoduje z kolei obracanie się pierścienia wyjściowegowokół osi optycznej. Grupa regulacji ostrości jest poruszana dziękiprzeniesieniu obrotów pierścienia wyjściowego na helikoidę (linięśrubową) lub krzywkę.Ciągłą ręczną regulację ostrości uzyskano także w wyposażonym wsilnik Micro USM obiektywie EF 50mm f/1,4 USM poprzezwykorzystanie mechanizmu różnicowego wbudowanego w modułprzekładni.

184

Sterowane mikrokomputeremelektroniczne programowanie ostrości12

Rysunek 52 Fotografia z zaprogramowaną ostrością

Zaprogramowana ostrość

Fotografowanie innej sceny

Odtworzenie zaprogramowanej ostrości

Zdjęcie 20 Obiektyw EF 300mm f/2,8L IS USM z modułemprogramowania ostrości

Funkcja AF Stop: tymczasowewyłączanie automatycznej regulacji

ostrości13

Modulatorimpulsowy

Soczewka ogniskująca

010Pozycja zapisana na wartości 3

010Przesunięcie do wartości 8

010Powrót do wartości 3

Modulatorimpulsowy





Modulatorimpulsowy





Pierścień ostrzenia Okno skali odległości

Panel przełączników

Przełącznik ustawienia ostrości Przycisk ustawienia ostrości

Pierścień przywracania nastaw ostrości

Przycisk blokującyautofokus

Programowanie ostrości to funkcja dostępna obecnie w 4 super-teleobiektywach (EF 300mm f/2,8L IS USM, EF 400mm f/2,8L ISUSM, EF 500mm f/4L IS USM i EF 600mm f/4L IS USM), któreelektronicznie zapamiętują dowolnie wybrane położenieogniskowej, umożliwiając fotografowi błyskawiczne jej ustawienie wrazie potrzeby. Po naciśnięciu przełącznika programowania napanelu przełączników mikrokomputer znajdujący się w obiektywie

zapamiętuje położenie ogniskowej w danym momencie. W tymstanie można nadal używać funkcji automatycznej regulacji ostrości.Następnie w razie potrzeby można obrócić pierścień odtwarzania,aby w ciągu 0,5 s przestawić obiektyw na zaprogramowanepołożenie ogniskowej. Funkcji tej można efektywnie używać wnastępujących sytuacjach:aCzęste wykonywanie zdjęć z określonej,stałej odległościZaprogramowana ostrość jest przydatna w takich sytuacjach jakimprezy sportowe, gdy większość zdjęć jest wykonywanych z pewnejodległości, a normalna automatyczna regulacja ostrości jest używanasporadycznie, lub odwrotnie — gdy przez większość czasu używanajest funkcja AF, ale czasami potrzebne są zdjęcia z pewnej stałejodległości. Po zaprogramowaniu położenia ogniskowej nie mapotrzeby ponownego ogniskowania obiektywu na to położenie przykażdorazowym wykonywaniu zdjęcia. Ponadto, ponieważ położenieogniskowej jest zapamiętywane przez mikrokomputer obiektywu,ustawienie zaprogramowanej ostrości jest możliwe nawet wprzypadku,gdy obiekt nie znajduje się w ramce AF wizjera.bZapamiętywanie „nieskończoności”W przypadku częstego wykonywania zdjęć z ustawieniem odległościfotografowania na „nieskończoność” można znacznie zwiększyćfunkcjonalność, korzystając z funkcji zaprogramowanej ostrości,zamiast ręcznego lub automatycznego ustawiania ostrości obiektywudla każdego zdjęcia. (Ze względu na zjawisko wahań temperaturyustawienie nieskończoności w super-teleobiektywach ma pewien luz,pole manewru. Dlatego położenie ogniskowej ustawione pocałkowitym obróceniu pierścienia ogniskowania ręcznego wkierunku nieskończoności nie jest tak naprawdę nieskończonością).c Minimalizowanie strat czasu powodowanych przeznieprawidłowe ustawienie ostrości metodą automatycznąJeśli podczas automatycznej regulacji ostrości za pomocą układu AIServo na drodze między obiektywem a fotografowanym obiektempojawi się jakaś przeszkoda, obiektyw może zauważalnie stracićostrość. Programując położenie ogniskowej na odległość, w którejczęsto występuje fotografowany obiekt,można w razie potrzeby użyćpierścienia odtwarzania, aby szybko ustawić ostrość obiektywu natypową odległość od obiektu, minimalizując w ten sposób stratęczasu przeznaczonego na ponowne ustawianie ostrości.

Funkcja AF Stop jest dostępna w obiektywie EF 300mm f/2,8L ISUSM i innych super-teleobiektywach typu L z serii IS o dużejaperturze.Pozwala ona fotografowi na tymczasowe wyłączenie automatycznejregulacji ostrości, gdy podczas regulacji za pomocą układu AI Servomiędzy aparatem a fotografowanym obiektem pojawi się jakaśprzeszkoda, dzięki czemu ostrość nie zostanie ustawiona naprzeszkodzie zamiast na obiekcie.Przyciski funkcji AF Stop znajdująsię w czterech miejscach wokół uchwytu służącego do trzymaniaaparatu w przedniej części obiektywu.Naciśnięcie przycisku AF Stoppowoduje tymczasowe zatrzymanie automatycznej regulacjiogniskowej,a zwolnienie przycisku — ponowne włączenie regulacji.

185



Przełom w technologii konstrukcjiobiektywów: system Image Stabilizer

(Stabilizator obrazu)15

Doskonała konstrukcja pyło- i kroploszczelna

wytrzymująca nawet najtrudniejsze warunki

fotografowania14

Rysunek 53 Zasada ruchu równoległego systemu Image Stabilizer(Stabilizator obrazu)

Zdjęcie 21 Czujnik żyroskopowy wykrywającydrgania

Grupa soczewek IS

Grupa soczewek IS przesuwa się w dół

Skorygowany tor padania promieni światła

Drganie aparatu

Płaszczyzna ogniskowania

Obiekt

1. Pozycja soczewek w bezruchu

2. Drganie aparatu

3. Korekcja drgań aparatu

Super-teleobiektyw EF 300mm f/2,8L IS USM, obiektywEF 24-70mm f/2,8L USM oraz inne obiektywy zmiennoogniskowe zserii L zostały zaprojektowane w taki sposób, aby mogły byćużywane przez profesjonalnych fotografów w trudnych warunkach— połączenia ich części zewnętrznych są pyło- i kroploszczelne.a Gumowy pierścień wokół miejsca montażu zasłania szczelinęmiędzy obiektywem a aparatem.b Ruchome części pierścieni ręcznej regulacji ostrości, regulacjizbliżenia i odtwarzania mają kształt zapewniający ochronę przedpyłem i kroplami. Pyło- i kroploszczelna konstrukcja została takżezastosowana w konwerterze regulacji zbliżenia dla obiektywuEF 24-70mm f/2,8L USM.c Przyciski funkcji AF Stop i zaprogramowanej ostrości mająkonstrukcję pyło- i kroploszczelną.d Na połączeniach panelu przełączników i innych częścizewnętrznych znajduje się guma pyło- i kroploszczelna.e W pobliżuotworu, do któregowkładany jest tylnyuchwyt filtru,znajduje się gumaz a s ł a n i a j ą c aszczelinę międzyk o r p u s e mobiektywu auchwytem filtru,chroniąca przedkroplami wody icząsteczkami pyłu.

Główną przyczyną rozmazywania obrazu, szczególnie w przypadkuteleobiektywów, są drgania aparatu. Zazwyczaj czas otwarciamigawki równy co najmniej odwrotności ogniskowej obiektywu(np.1/300 s w przypadku obiektywu 300 mm) zapewnia ochronęprzed rozmazaniem obrazu spowodowanym drganiami aparatu.Jednak w warunkach słabego oświetlenia lub w przypadku filmu omałej czułości wymagany jest dłuższy czas otwarcia migawki, copowoduje, że zdjęcia wykonane bez użycia statywu są rozmazane.Aby rozwiązać ten problem, firma Canon opracowała system ImageStabilizer (Stabilizator obrazu,IS).W Sposób działania systemu Image Stabilizer

(Stabilizator obrazu)System Image Stabilizer (Stabilizator obrazu, IS) przesuwa grupęsoczewek równolegle do płaszczyzny ogniskowania.Gdy obiektyw odchyla się wskutek drgań aparatu, promienie

świetlne z fotografowanego obiektu zaginają się względem osioptycznej, co powoduje rozmazanie obrazu. Po odchyleniuobiektywu od środka promienie świetlne są odginane. Przesuwającgrupę soczewek IS w płaszczyźnie prostopadłej do osi optycznejodpowiednio do drgań obrazu, można ustabilizować promienieświetlne docierające do płaszczyzny ogniskowania.Na rysunku 53 pokazano, co dzieje się w przypadku odchyleniaobiektywu w dół. Środek obrazu przesuwa się w dół na płaszczyźnieogniskowania. Gdy grupa soczewek IS przesuwa się w płaszczyźniepionowej, promienie świetlne są załamywane, dzięki czemu środekobrazu wraca na środek płaszczyzny ogniskowania. Ponieważdrgania występują zarówno w poziomie, jak i w pionie, grupasoczewek IS może przesuwać się pionowo i poziomo w płaszczyźnieprostopadłej do osi optycznej,aby przeciwdziałać drganiom obrazu.Drgania aparatu są wykrywane przez dwa czujniki żyroskopowe (pojednym dla osi kierunkowej i osi poprzecznej). Przedstawione nazdjęciu 21 czujniki żyroskopowe wykrywają kąt i szybkość drgańaparatu podczas fotografowania bez użycia statywu. Aby uniknąćbłędnych wskazań czujników żyroskopowych spowodowanych przezruchy lustra i migawki, czujniki żyroskopowe w obiektywie sąchronione specjalną obudową.

Obiektywy EOS-1V/HS, EOS-1Ds Mark II, EOS-1Ds, EOS-1D Mark II N, EOS-1D Mark II i EOS-1D mają korpusy pyło-i kroploszczelne

186

Zdjęcie 22 Moduł Image Stabilizer (Stabilizator obrazu)

Rysunek 54 System Image Stabilizer (Stabilizator obrazu) obiektywu EF 70-200mm f/2,8L IS USM

Mechanizm blokujący optykę wyrównującą

Magnes

IRED

Obudowa optyki wyrównującej

Trzpień mocujący obudowę optyki wyrównującej

Magnes

Oś sterująca

Płytka drukowana

Trzpień mocujący obudowę optyki wyrównującej

Jarzmo (płytka magnetyczna)

Kierunek ruchu optyki wyrównującej

PSD

Magnes

Jarzmo

Magnes

Optyka wyrównująca

PSD

IRED

Grupa soczewek IS jest poruszana bezpośrednio przez ruchomącewkę. Jest ona mała, lekka i zapewnia szybką reakcję oraz łatwośćsterowania. Może obsługiwać szeroki zakres częstotliwości (od ok.0,5 Hz do 20 Hz). Położenie grupy soczewek IS jest wykrywaneprzez diody IRED (Infrared Emitting Diodes) na tubusie grupysoczewek IS oraz urządzenie PSD (Position Sensing Device) napłytce drukowanej. W ten sposób realizowane jest sterowanie zesprzężeniem zwrotnym zapewniające precyzyjną regulację.Moduł ISjest także wyposażony w mechanizm blokujący grupę soczewek ISna środku,gdy funkcja IS lub aparat są wyłączone (rysunek 54).W System Image Stabilizer (Stabilizator obrazu)System Image Stabilizer (Stabilizator obrazu) działa w opisanyponiżej sposób.aPo naciśnięciu do połowy przycisku migawki aparatu następujezwolnienie blokady systemu optycznego stabilizatora i jednoczesneuruchomienie żyroskopu wykrywającego drgania.b Żyroskop wykrywa prędkość kątową drgań obiektywuspowodowanych fotografowaniem bez użycia statywu i przekazujesygnał wykrywania do mikrokomputera.cSygnał wykrywania jest przekształcany przez mikrokomputer nasygnał napędu systemu optycznego stabilizatora, a następnieprzekazywany do obwodu tego napędu.dW odpowiedzi na sygnał napędu mechanizm systemu optycznegostabilizatora przesuwa system równolegle.eInformacje o stanie napędu systemu optycznego stabilizatora sąprzekształcane przez czujnik położenia i obwód wykrywania (obazainstalowane w module systemu Image Stabilizer (Stabilizatorobrazu)) na sygnał wykrywania, który jest następnie przekazywanydo mikrokomputera.fMikrokomputer porównuje sygnał napędu opisany w punkcie 3 zsygnałem wykrywania opisanym w punkcie 5, a następnieprzeprowadza sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym, zwiększając wten sposób możliwość sterowania systemem optycznym stabilizatora.

Mikrokomputer ten — pierwszy szybki, 16-bitowy mikrokomputerw obiektywach EF — może jednocześnie sterować systememstabilizacji obrazu, silnikiem USM i mechanizmem EMD.(Rysunek 56)W Tryb 2 systemu Image Stabilizer (Stabilizator obrazu)Opisane powyżej właściwości stabilizacji charakterystyczne dlasystemu Image Stabilizer (Stabilizator obrazu) są najbardziejefektywne podczas fotografowania obiektów nieruchomych, alepodczas próby panoramowania obiektu w ruchu system reakcji nadrgania może wpływać na obraz w matówce, zakłócając kadrowanie.Dzieje się tak dlatego, że ruch aparatu, na przykład podczaspanoramowania, jest traktowany jak drgania,co powoduje włączeniefunkcji Image Stabilizer (Stabilizator obrazu).

187



Rysunek 55 Kontrola stabilizacji w trybie 2 systemu Image Stabilizer(Stabilizator obrazu)

Rysunek 56 Proces działania systemu Image Stabilizer(Stabilizator obrazu)

Rysunek 57 Wykres efektu działania systemu Image Stabilizer(Stabilizator obrazu) obiektywu EF 70-200mm f/2,8L ISUSM

1/100 1/200 (sek.)1/25

(%)100

50

01/501/13

Image Stabilizer (Stabilizator obrazu)wyłączony

Image Stabilizer (Stabilizator obrazu) włączony

Równe wartości około 3 stopni

W odległości 200 m

Czas otwarcia migawki

Jakość obrazu

1. Poziomy ruch aparatu

2. Pionowy ruch aparatu

Kierunek ruchu aparatu(stabilizacja obrazu wyłączona).

Kierunek ruchu aparatu(stabilizacja obrazuwyłączona).

Kierunek stabilizacji obrazu

Kierunek stabilizacji obrazu

Aby rozwiązać ten problem, firma Canon opracowała system tryb 2systemu Image Stabilizer (Stabilizator obrazu). W tym trybie dużyruch, taki jak panoramowanie, trwający przez zaprogramowany czasnie powoduje włączenia stabilizacji obrazu w kierunku ruchu.Ponieważ obraz w matówce podczas ruchu jest stabilny, możliwe jestdokładne kadrowanie. W przypadku panoramowania w trybie 2systemu Image Stabilizer (Stabilizator obrazu) stabilizacja obrazu wpionie działa zgodnie z ruchem aparatu, umożliwiając kontrolędrgań.(Rysunek 55)Tryb 2 systemu Image Stabilizer (Stabilizator obrazu) został po razpierwszy zastosowany w obiektywie EF 300mm f/4L IS USM. Odtamtej pory był montowany w innych obiektywach, głównieteleobiektywach i teleobiektywach zmiennoogniskowych.W System Image Stabilizer (Stabilizator obrazu) zgodny ze

statywemGdy pierwsze obiektywy IS były używane ze statywem, systemImage Stabilizer (Stabilizator obrazu) nie działał prawidłowo,wymagając od fotografa wyłączenia funkcji Image Stabilizer

(Stabilizator obrazu). Jednak obiektyw EF 300mm f/2,8L IS USM iinne nowe modele super-teleobiektywów typu L serii IS sąwyposażone w system Image Stabilizer (Stabilizator obrazu), którymoże być używany ze statywem, ponieważ nie powodujenieprawidłowego działania. System używa żyroskopowego czujnikadrgań do automatycznego wykrywania,czy aparat jest zamontowanyna statywie, dlatego fotograf może skoncentrować się na fotografii,nie myśląc o włączaniu i wyłączaniu stabilizatora. Jeśli dowolnyobiektyw serii IS używany jest z monopodem, stabilizacja obrazudziała tak samo jak podczas fotografowania bez statywu.WEfekt działania stabilizacji obrazu

Funkcja stabilizacji obrazu obiektywów EF została po raz pierwszyzastosowana w obiektywach EF 75-300mm f/4-5,6 IS USM w roku1995. W przeliczeniu na długość czasu otwarcia migawki efektstabilizacji obrazu odpowiada około dwóm stopniom.W przypadkuteleobiektywu 300 mm pozwala to na wykonywanie fotografii bezużycia statywu przy czasie 1/60 s. W późniejszym czasie, dziękiunowocześnieniu konstrukcji systemu Image Stabilizer (Stabilizatorobrazu) oraz używanego algorytmu, wydajność efektu wzrosłajeszcze bardziej — do trzech stopni w przypadku obiektywu EF 70-200mm f/2,8L IS USM, który trafił do sprzedaży w roku 2001, i do 4stopni w przypadku obiektywu EF 70-200mm f/4L IS USM, którytrafił do sprzedaży w roku 2006. Dzięki temu znacznie zmniejszyłysię dolne ograniczenia dotyczące fotografowania bez użyciaobiektywu przy długim czasie otwarcia migawki.Włączenie trybu 2 systemu Image Stabilizer (Stabilizator obrazu) izainstalowanie konwertera zapewnia odpowiednie efekty stabilizacjiobrazu. Funkcja Image Stabilizer (Stabilizator obrazu) działa takżepodczas fotografowania w zbliżeniu i w niestabilnych miejscach.Funkcja Image Stabilizer (Stabilizator obrazu) zapewniająca

fotografom wspomniane korzyści będzie instalowana wprzyszłości w coraz większej liczbie obiektywów EF jakostandardowa technologia obiektywów EF.

Mikrokomputer

Aparat

Moduł Image Stabilizer (Stabilizator obrazu)

Obwody silnikaUSM

Obwody silnikaEMD

Czujnik żyroskopu wykrywającegodrgania (odchylenie kierunkowe)

Czujnik żyroskopu wykrywającegodrgania (odchylenie pionowe)

Przełączniktrybu IS

Dane z konwertera

Silnik przemieszczającygrupę soczewek IS

Obwody odpowiedzialne za przemieszczaniegrupy soczewek IS

Obwody wykrywające pozycję

grupy soczewek IS

Czujnik wykrywający pozycję

grupy soczewek IS

Obwody odpowiedzialne zadziałanie mechanizmów

blokowania/środkowania grupysoczewek IS

Silnik mechanizmublokowania grupy

soczewek IS

Przełącznik włączenia/ wyłączenia IS

Dyfrakcyjne elementy optyczne, jak sam nazwa wskazuje, sąelementami optycznymi związanymi ze zjawiskiem dyfrakcji.Wzbudzają one zainteresowanie ze względu na możliwość korekcjiaberracji chromatycznej w stopniu większym niż soczewki ze szkłaUD lub fluorytu mimo swojej niesymetrycznej formy. Jednakstosowanie tych elementów w obiektywach fotograficznych byłotrudne, głównie z powodu problemów z rozbłyskiem dyfrakcyjnym.Firma Canon rozwiązała ten problem, opracowując soczewkę DO istając się pierwszym na świecie producentem obiektywów, którywykorzystał ją w obiektywach fotograficznych. Pierwszy model, wktórym zastosowano tę soczewkę —EF 400mm f/4 DO IS USM —jest super-teleobiektywem o niewielkich rozmiarach, małej wadzeoraz wyjątkowej jakości obrazu.W Dyfrakcja

Jest to zjawisko przechodzenia fal świetlnych wokół krawędziobiektu do zacienionego obszaru tego obiektu. Rozbłyskdyfrakcyjny jestzjawiskiem częstospotykanym wo b i e k t y w a c hfotograficznych o małejśrednicy otworuprzysłony. Przyczyną tegozjawiska jest falowanatura światła.Chociaż rozbłyskdyfrakcyjny to szkodliwepromienie świetlne, któreprzechodząc z tyłuprzysłony mająnegatywny wpływ najakość obrazu, tę samązasadę możnawykorzystać do kontrolikierunku światła.Jeśli na przykład światłoprzechodzi przez dwieznajdujące się bliskosiebie szczeliny, powstajetaki sam typ rozbłyskujak przy korzystaniu zprzysłony o małejśrednicy otworu.W takimprzypadku (jakprzedstawiono to naponiższym rysunku)pojawia się pewienkierunek, wzdłuż któregopropagacja fal świetlnych jest łatwiejsza.W tym miejscu kierunkiem,w którym ruch fal staje się bardziej intensywny, jest kierunekwyrównania faz fal świetlnych rozchodzących się z dwóch szczelin. Ztego powodu fale świetlne rozchodzą się, powodując wzajemnewzmocnienie w kilku kierunkach (jeden kierunek, w którym faleprzesuwają się o jeden cykl i nakładają na siebie, jeden kierunek, wktórym fale przesuwają się o dwa cykle i nakładają na siebie itd.).

188

Nowe możliwości systemów optycznych:soczewka DO (wielowarstwowy dyfrakcyjny

element optyczny)16

Zdjęcie 23 Soczewka DO

Kierunek, w którym fale przesuwają się o jeden cykl (jedną falę) inakładają na siebie nosi nazwę dyfrakcji pierwotnej, a takakonstrukcja szczelin jest nazywana siatką dyfrakcyjną. Siatkadyfrakcyjna ma następujące właściwości:a Zmiana odstępu między szczelinami (okres siatki) powodujezmianę kierunku dyfrakcji.bIm większy cykl dyfrakcji, tym większa dyfrakcja („kąt dyfrakcji”).cŚwiatło o większej długości fali ma większy kąt dyfrakcji.WJednowarstwowe dyfrakcyjne elementy optyczne

Ponieważ siatki dyfrakcyjne zbudowane ze szczelin (siatkidyfrakcyjne typu amplitudowego) generują dyfrakcję (ugięcieświatła) przez blokowanie światła, nie można wykorzystać ich wsystemach optycznych. Sugerowane jest stosowanie siatkidyfrakcyjnej typu fazowego, której elementy mają kształt ostrzatopora, dzięki czemu nie blokują światła. Siatka dyfrakcyjna typufazowego generuje dyfrakcję (ugięcie światła) za pomocąkoncentrycznych okręgów, jak w przypadku soczewki Fresnela.Zmieniając częściowo okres siatki (odstęp siatki), można uzyskaćefekt identyczny z soczewką asferyczną, co pozwala skompensowaćróżne problemy,łącznie z aberracją sferyczną.Jak wspomniano powyżej, światło po przejściu przez siatkędyfrakcyjną ma większy kąt dyfrakcji przy dłuższych falach. Innymisłowy, światło o większej długości fali tworzy obraz bliżej siatkidyfrakcyjnej,a światło o mniejszej długości fali tworzy obraz dalej odsiatki dyfrakcyjnej. Natomiast jeśli światło przechodzi przezsoczewkę refrakcyjną (soczewkę wypukłą) o mocy dodatniej,krótszefale powodują tworzenie obrazu bliżej siatki dyfrakcyjnej, a dłuższefale — dalej. Oznacza to, że kolejność aberracji chromatycznej wprzypadku soczewki refrakcyjnej i dyfrakcyjnego elementuoptycznego jest przeciwna. Ich połączenie powoduje wzajemneznoszenie aberracji chromatycznej, umożliwiając skuteczną korekcjęaberracji. W odróżnieniu od starszej metody kompensacji aberracjichromatycznej, w której łączono soczewki wypukłe i wklęsłe, nowametoda wykorzystuje tylko soczewki wypukłe, co pozwala nazmniejszenie mocy każdej grupy elementów w obiektywie, a co zatym idzie skuteczną korekcję innych aberracji,nie tylko koloru.

Rysunek 58 Dyfrakcja

Rysunek 59 Zasada generowania dyfrakcji(ugięcia światła)

Główneświatło ugięte

Długość fali światłaObszar blokujący światło

Wpadające światło

Przerwy w siatce dyfrakcyjnej

Kątugięcia

Światło wpadająceprzez szczelinę

Szczelina (małaapertura itp.)

Długość fali

Obszar blokujący światło (listki przysłony itp.)

Wpadające światło

189



Rysunek 60 Konstrukcja soczewki DO (ilustracja) Zdjęcie 24 Z zainstalowaną soczewką DO

Rysunek 61 Zasada korekcji aberracji chromatycznej przez soczewkę DO

Rysunek 62 Różnica w dyfrakcji (ugięciu światła) między jednowarstwowymdyfrakcyjnym elementem optycznym a soczewką DO

Wpadające światło(białe)

Jednowarstwowy dyfrakcyjny element optyczny Soczewka DO

Niemal całe światło wpadającedo obiektywuzostaje wykorzystanepodczas fotografowania

Pojawia siędyfrakcja światłazbędna podczas fotografowania

Dyfrakcja światła użyteczna podczas fotografowaniaDyfrakcja światła powodująca powstanie efektu flary

Standardowy refrakcyjny element optyczny

Soczewka DO

Połączenie refrakcyjnego elementu optycznego i soczewki DO

Obraz utworzony z fal odpow. kolorom: niebieski, zielony iczerwony (w tej kolejności)

Obraz utworzony z fal odpow. kolorom: czerwony, zielony i niebieski (w tejkolejności)

Aberracja chromatycznazredukowana

Odwrotna aberracja chromatyczna po przejściu przez refrakcyjny

element optyczny

Aberracjachromatyczna

Siatka dyfrakcyjna

Szklane elementy soczewki

Siatka dyfrakcyjna

Dwuwarstwowa soczewka DO Trzywarstwowa soczewka DO

Szklane elementy soczewki

PrzekrójWidok z przodu

W Opracowanie soczewek DOJednowarstwowych dyfrakcyjnych elementów optycznychużywanych w czytnikach optycznych odtwarzaczy CD i DVD, którekorzystają z laserów, nie można używać w konstrukcji obiektywówfotograficznych. Dzieje się tak dlatego, że w odróżnieniu od światłalaserowego światło używane w obiektywach fotograficznych (zakresświatła widzialnego) składa się z wielu fal o różnych długościach.Abymożna było używać dyfrakcyjnych elementów optycznych wobiektywach fotograficznych, całe światło przechodzące przez

obiektyw musi być w 100% uginane. Jako metodę przekształcaniawszystkich zakresów światła widzialnego na światło fotograficzneopracowano soczewki DO o wielowarstwowej strukturzedyfrakcyjnej. Soczewka DO w przypadku obiektywu EF 400mm f/4DO IS USM zawiera dwa umieszczone naprzeciw siebie,jednowarstwowe dyfrakcyjne elementy optyczne z siatkamidyfrakcyjnymi w kształcie koncentrycznych okręgów (rysunek 62).Ponieważ światło docierające do obiektywu nie generujeniepotrzebnej dyfrakcji (ugięcia światła), soczewka DOwykorzystuje prawie całe to światło jako światło fotograficzne, dziękiczemu nadaje się do stosowania w obiektywach fotograficznych.Soczewka DO w rzeczywistości składa się ze szklanej soczewkisferycznej i z uformowanej na jej powierzchni siatki dyfrakcyjnej zespecjalnego tworzywa sztucznego. Grubość siatki dyfrakcyjnejwynosi tylko kilka mikrometrów, a okres siatki zmienia sięstopniowo od kilku milimetrów do kilkudziesięciu mikrometrów.Doutworzenia siatki dyfrakcyjnej o odpowiednim okresie, wysokości ipołożeniu wymagana jest precyzja rzędu jednostek mniejszych odmikrometra.Aby uzyskać taki poziom precyzji,używanych jest wieletechnologii, między innymi opracowana specjalnie w tym celu ultra-precyzyjna, trójwymiarowa technologia mikrofabrykacji, a takżetechnologia produkcji polimerowych soczewek asferycznychopracowana przy okazji produkcji obiektywów EF, czy teżprecyzyjna technologia pozycjonowania.W Konstruowanie mniejszych obiektywów

Na przykładzie obiektywu EF 400mm f/4 DO IS USM spójrzmy naproces konstruowania bardziej kompaktowych teleobiektywówdzięki zastosowaniu soczewek DO.W przypadku dyfrakcyjnych elementów optycznych miejscatworzenia obrazu wzdłuż osi optycznej dla fal o długości 400 nm,500 nm i 600 nm znajdują się w równych odstępach. Jednak zewzględu na nieliniowe charakterystyki rozpraszania szkłaoptycznego miejsca tworzenia obrazu dla poszczególnych długościfal w przypadku refrakcyjnych elementów optycznych znajdują się wnierównych odstępach. Dlatego w celu zmaksymalizowaniaskuteczności kompensacji aberracji chromatycznej soczewek DOstosowane są poniższe metody.Na rysunku 63-a pokazano obiektyw 400 mm f/4 skonstruowanywyłącznie przy użyciu konwencjonalnych refrakcyjnych elementówoptycznych.

190

Rysunek 63 Zasada zmniejszania rozmiarów optyki za pomocą soczewki DO

Rysunek 64 Kompaktowy obiektyw stałoogniskowy, w którymzastosowano soczewkę DO

Rysunek 65 Kompaktowy obiektyw zmiennoogniskowy, w którymzastosowano soczewkę DO

99,9 mm

EF 70-300mm f/4-5,6 IS USM

Trzywarstwowa soczewka DOSoczewka asferyczna

EF 70-300mm f/4,5-5,6 DO IS USM

148,2 mmSoczewki UDFluoryt 317 mm

Dwuwarstwowa soczewka DO232,7 mmFluoryt

Obiektyw 400 mm f/4, skonstruowany wyłącznie przy użyciu refrakcyjnychelementów optycznych

EF 400mm f/4 DO IS USM

2080 g

3000 g

aObiektyw 400mm f/4 skonstruowany przy użyciu standardowych metod

bSoczewki zbliżono do siebie, aby zmniejszyć rozmiar obiektywu

cSoczewki fluorytowe i UD zastąpiono zwykłym szkłem, aby ustalić kolejność falskładających się na aberrację chromatyczną

dElement znajdujący się z przodu zastąpiono soczewką DO

Zwiększona aberracja chromatyczna

Aberracja chromatyczna zredukowana

Szkło ochronne

Soczewka UDFluoryt

Obraz utworzony z fal odpow. kolorom: niebieski,zielony i czerwony (w tej kolejności)

Obraz utworzony z fal odpow. kolorom: zielony,czerwony i niebieski (w tej kolejności)

Soczewka DO

Jeśli, jak pokazano na rysunku 63-b, zdolność załamująca każdegoelementu obiektywu zostanie zwiększona, a elementy obiektywuzostaną umieszczone bliżej siebie w celu zmniejszenia rozmiarówobiektywu, aberracja chromatyczna — szczególnie w przypadkukoloru niebieskiego —powiększy się w zauważalny sposób.Oznaczato, że zastosowanie dyfrakcyjnego elementu optycznego niewystarczy do skompensowania aberracji chromatycznej. W związkuz tym, jak pokazano na rysunku 63-c, rozpraszanie każdegoelementu obiektywu zostało zoptymalizowane w celuuporządkowania aberracji chromatycznej według długości fal. Nakoniec, jak pokazano na rysunku 63-d, kompensacja aberracjidokonuje się przez umieszczenie przed przednim elementemobiektywu soczewki DO o odpowiedniej zdolności załamującej.Dzięki temu, w porównaniu z systemami optycznymizaprojektowanymi tylko przy użyciu konwencjonalnychrefrakcyjnych elementów optycznych, udało się zmniejszyć długośćobiektywu EF 400mm f/4 DO IS USM o 27% (317 mm →232,7 mm), a jego wagę o 31% (3000 g → 2080 g), dzięki czemu stałsię on naprawdę kompaktowym i lekkim obiektywem (rysunek 64).W Lepsza jakość obrazuSoczewka DO umieszczona w przedniej grupie prawie w całościlikwiduje aberrację chromatyczną generowaną w refrakcyjnej grupiesoczewek, dlatego szczątkowa aberracja chromatyczna jestsprowadzana do niezwykle małego poziomu. Ponieważ dyfrakcyjneelementy optyczne charakteryzują się także zachowaniemasferycznym, również aberracja sferyczna jest skuteczniekorygowana, co pozwala uzyskać wyjątkową jakość obrazu o dużejrozdzielczości i dużym kontraście.W przyszłości soczewki DO będą używane w wielu obiektywach EFjako nowoczesne elementy optyczne, których wydajność przekraczawydajność fluorytu,szkła UD i soczewek asferycznych.W Trójwarstwowe soczewki DOW zasadzie soczewki DO umożliwiają konstruowanie jeszczebardziej kompaktowych obiektywów zmiennoogniskowych. Jednakwykorzystanie dwuwarstwowych soczewek DO używanych w

191



Rysunek 66 Różnice w dyfrakcji (ugięciu światła) między dwu- itrójwarstwowymi soczewkami DO

Światło wpadające do soczewki w trybie teleobiektywu

Dwuwarstwowa soczewka DO Trzywarstwowa soczewka DO

Użyteczna dyfrakcja światła

Użyteczna dyfrakcja światła

Światło wpadające do soczewki pod szerokim kątem

Zbędna dyfrakcja światła

Zmiana kąta padania promieni powoduje pojawienie się zbędnej dyfrakcji światła

Brak zbędnej dyfrakcji światła, nawet w przypadku

zmiany kąta padania promieni

modelu EF 400mm f/4 DO IS USM w obiektywachzmiennoogniskowych może być trudne z powodów opisanychponiżej.W obiektywach stałoogniskowych, takich jak EF 400mm f/4 DO ISUSM, kąt padania większej części światła docierającego doobiektywu jest stały. Jednak w obiektywach zmiennoogniskowychkąt widzenia zmienia się wraz z długością ogniskowej, dlatego kątpadania również podlega dużym zmianom. W przypadkukonwencjonalnych soczewek DO zmiany kąta padania powodujągenerowanie dyfrakcji (ugięcia światła), która w fotografii jestzbędna i może prowadzić do powstawania rozbłysków orazznacznego pogorszenia wydajności przetwarzania obrazu. W celurozwiązania tego problemu firma Canon opracowała trójwarstwowąsoczewkę DO — nowy typ soczewki DO o trzech siatkachdyfrakcyjnych rozmieszczonych na osi optycznej, które umożliwiająskompensowanie zmian długości ogniskowej.Dzięki zastosowaniu trzech warstw siatek dyfrakcyjnych zmianakąta padania światła na soczewkę DO nie powoduje wygenerowaniadyfrakcji (ugięcia światła), a prawie całe światło padające jestużywane jako światło fotograficzne (rysunek 66).Trójwarstwowa soczewka DO została po raz pierwszy zastosowanaw obiektywie EF 70-300mm f/4,5-5,6 DO IS USM. Poniżej opisanoproces zmniejszania rozmiarów obiektywu.a Współczynnik załamania każdego elementu obiektywu wpodstawowym systemie obiektywu (EF 75-300mm f/4-5,6 IS USM)został zwiększony, a odległość między poszczególnymi soczewkami— zmniejszona.b Aberracja chromatyczna i aberracja sferyczna, które zwiększyłysię wskutek zmniejszenia obiektywu, zostały jednocześnieskompensowane przez trójwarstwową soczewkę DO umieszczonąprzed przednią soczewką.Dzięki temu obiektyw EF 70-300mm f/4,5-5,6 DO IS USM jest o30% krótszy (142,8 mm→99,9 mm) od konwencjonalnegoobiektywu EF 75-300mm f/4-5,6 IS USM (rysunek 65), który składasię wyłącznie z refrakcyjnych elementów optycznych;kompensuje ontakże wszelkie pozostałe aberracje chromatyczne i sferyczne,uzyskując przy tym wysoką jakość obrazu porównywalną zobiektywami typu L.

EF LENS WORK III Oczy systemu EOS

wrzesień 2006 r., wydanie ósme

Publikacja i planowanie Canon Inc. Lens Products GroupProdukcja i redakcja Canon Inc. Lens Products GroupDruk Nikko Graphic Arts Co., Ltd.Podziękowania za współpracę dla: Brasserie Le Solférino/Restaurant de la Maison Fouraise, Chatou/

Hippodrome de Marseille Borély/Cyrille Varet Créations, Paris/JeanPavie, artisan luthier, Paris/Participation de la Mairie de Paris/Jean-Michel OTHONIEL, sculpteur

©Canon Inc. 2003

Produkty i dane techniczne mogą ulec zmianie bez uprzedzenia.Zdjęcia zawarte w tej książce są własnością firmy Canon Inc. lub użyto ich za zgodą autorów.

CANON INC. 30-2, Shimomaruko 3-chome, Ohta-ku, Tokyo 146-8501, Japan

Tec hnologia produkcji obiektyw ów EF - Canon...

Documents

Transcript of Tec hnologia produkcji obiektyw ów EF - Canon...